CN103802339A - 基于微波的复合材料构件快速修补装置及修补方法 - Google Patents

Abstract

基于微波的复合材料构件快速修补装置及修补方法，涉及复合材料构件外场快速修补工艺与装备技术领域。本发明微波发生源一端连接微波传输线，微波传输线的另一端与同轴波导转换器与双定向耦合器的一端连接，同轴波导转换器与双定向耦合器的另一端与微波辐射器的一端连接，微波辐射器的另一端相对设置复合材料构件，复合材料构件上靠近复合材料构件的一侧形成待修复区域，待修复区域通过光纤传感器与信号放大器的一端连接，信号放大器的另一端与信号转换器的一端连接，信号转换器的另一端与控制单元的一端连接，控制单元的另一端与微波发生源的另一端连接。本发明实现了固化速度快、加热均匀和修复构件质量优良，对修补区域进行健康监测的目的。

Description

基于微波的复合材料构件快速修补装置及修补方法

 

技术领域

本发明涉及复合材料构件外场快速修补工艺与装备技术领域。

 

背景技术

先进复合材料在飞机结构上的应用逐渐扩大。民用飞机复合材料构件的使用范围从次承力构件，如襟翼、副翼以及尾翼等逐渐扩大到翼梁、隔框等主承力构件。由于复合材料的应用范围不断扩大, 因此提高复合材料的修理水平和对损伤部位的修补技术变得极为重要。复合材料修补技术是一种新型的飞机结构修理技术。目前，主要采用电加热毯的方式修补复合材料损伤区域。由于传统修补方法使得修补区域在热传递过程中普遍存在着传热速度慢、温度梯度大、固化速率低和固化不均匀等问题。直接导致修补速度慢、修补质量差、无法在外场快速修补复合材料构件。同时，对修补的构件缺乏监测，容易造成修补区域二次损伤和失效。

 

发明内容

本发明目的是提供一种固化速度快、加热均匀和修复构件质量优良，对修补区域进行健康监测的复合材料构件快速修补装置及修补方法。

一种复合材料构件快速修补装置，微波发生源一端连接微波传输线，微波传输线的另一端与同轴波导转换器与双定向耦合器的一端连接，同轴波导转换器与双定向耦合器的另一端与微波辐射器的一端连接，微波辐射器的另一端相对设置复合材料构件，复合材料构件上靠近复合材料构件的一侧形成待修复区域，待修复区域通过光纤传感器与信号放大器的一端连接，信号放大器的另一端与信号转换器的一端连接，信号转换器的另一端与控制单元的一端连接，控制单元的另一端与微波发生源的另一端连接。

复合材料结构微波快速修补设备对应的工艺方法为：1）检测复合材料构件的受损区域，确定待修复区域的具体位置；2）标记修补区域的外轮廓线，纤维铺放坐标轴线；3）打磨处理待修复区域的表面和去除多余毛刺和断裂的纤维；4）在待修复区域铺放胶膜、修补复合材料、带孔隔离膜、脱模布、透气毡等并逐层抽真空压实；5）埋放光纤传感器，铺放真空袋、放入抽真空接头，覆盖区域四周粘贴耐高温密封胶带，抽真空压实待修复区域；6）开启微波快速修补设备，设置固化工艺参数。微波经由传输线和辐射器均匀辐射到待修补区域，由光纤传感器得到加热温度数据，与控制单元形成闭环控制，加热固化修理复合材料结构；7）固化完成后，微波快速修补设备自动关闭。手工拆除真空袋系统，修整修补区，包括对修补区域打磨，去毛刺；8）检测复合材料修补质量；复合材料构件使用一段时间后，将埋放到构件中的光纤传感器接入到光纤光栅解调仪中，测量构件应变情况，判断构件的健康状况，将数据归类形成数据库。

本发明采用光纤传感器监测加热过程中复合材料构件的温度，与信号处理和控制模块实现复合材料微波快速修补的温度监控。光纤传感器可以铺放在修补材料表面，使用后取下；也可将光纤传感器埋放在修补材料内部，固化在复合材料中，定期将光纤传感器接到光纤解调仪上，测量构件内部应变，实现对修补区域健康状况的智能监控。

本发明的有益效果：

1、本发明的设备基于微波加热方法，相比于传统的电加热式修补设备，具有修补快速高效的突出优势。在满足修补要求的条件下，可以更加快速，均匀地对损伤区域进行加热固化，从而更好地满足飞机复合材料结构快速可靠的修补要求。

2、本发明的修补工艺基于此微波修补设备，具有温度控制精度高和修补快速方便的特点。同时，埋入的光纤传感器在监测完固化温度后可固化在材料中，定期将光纤传感器接到光纤解调仪上，测量构件内部应变，实现对修补区域健康状况的智能监控。

 

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图

图2 为本发明修补方法的流程示意图

图3 为本发明微波辐射器的结构示意图

图4 为本发明扇形喇叭过滤器的示意图。

图5为本发明矩形喇叭过滤器的示意图。

图6为本发明平面螺旋过滤器的示意图。

图7为本发明圆锥面喇叭过滤器的示意图。

图8为本发明微带过滤器的示意图。

图9为本发明微波快速修补真空袋的示意图。

图10为本发明光纤传输的示意图。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案，进行详细说明：

如图1所示，一种复合材料构件快速修补装置，微波发生源一端连接微波传输线6，微波传输线6的另一端与同轴波导转换器与双定向耦合器7的一端连接，同轴波导转换器与双定向耦合器7的另一端与微波辐射器8的一端连接，微波辐射器8的另一端相对设置复合材料构件10，复合材料构件10上靠近复合材料构件10的一侧形成待修复区域9，待修复区域9通过光纤传感器11与信号放大器12的一端连接，信号放大器12的另一端与信号转换器13的一端连接，信号转换器13的另一端与控制单元14的一端连接，控制单元14的另一端与微波发生源的另一端连接。

如图1所示，本发明的微波发生源为串联的可控自耦变压器1、磁控管3，控制单元14的一端与可控自耦变压器1连接。

如图1所示，本发明的微波发生源为串联的信号发生器2、微波放大器4，信号发生器2的一端与可控自耦变压器1连接。

如图1所示，本发明的磁控管3、微波放大器4通过微波开关5与微波传输线6连接。

如图3所示，本发明的微波辐射器8包括用于将微波转换到矩形波导辐射器16中的波导同轴转换接头15、波导辐射器16、柔性金属袋17，波导辐射器16的一端与同轴波导转换器与双定向耦合器7连接，波导辐射器16的另一端连接柔性金属袋17，同轴转换接头15布置在波导辐射器16的侧壁上；波导辐射器16与待修复区域9之间的距离为0-100mm。

如图4到图8所示，本发明的波导辐射器16为扇形喇叭过滤器18或矩形喇叭过滤器19或平面螺旋过滤器20或圆锥面喇叭过滤器21或微带过滤器22中的一种。

如图9所示，本发明的待修复区域9上远离复合材料构件10的一侧依次布置胶膜30、修补复合材料29、带孔隔离膜28、脱模布27、透气毡26、真空袋25；真空袋25上设置抽真空接头24；真空袋25与复合材料构件10之间设置耐高温密封胶带23。

如图10所示，本发明的待修复区域9上布置光纤传感器11，光纤传感器11与光纤光栅解调仪31连接。

如图2所示，基于复合材料结构微波快速修补设备的修补方法，包括如下步骤：

第一步：检测复合材料构件10的受损区域，确定待修复区域9的具体位置；

第二步：标记修补区域的外轮廓线，纤维铺放坐标轴线；

第三步：打磨处理待修复区域9的表面和去除多余毛刺和断裂的纤维；

第四步：在待修复区域9铺放胶膜30、修补复合材料29、带孔隔离膜28、脱模布27、透气毡26等并逐层抽真空压实；

第五步：埋放光纤传感器，铺放真空袋25、放入抽真空接头24，覆盖区域四周粘贴耐高温密封胶带23，抽真空压实待修复区域；

第六步：开启微波快速修补设备，设置固化工艺参数。微波经由传输线和辐射器均匀辐射到待修补区域，由光纤传感器11得到加热温度数据，与控制单元形成闭环控制，加热固化修理复合材料结构；

第七步：固化完成后，微波快速修补设备自动关闭；手工拆除真空袋系统，修整修补区，包括对修补区域打磨，去毛刺；

第八步：检测复合材料修补质量；复合材料构件使用一段时间后，将埋放到构件中的光纤传感器接入到光纤光栅解调仪中，测量构件应变情况，判断构件的健康状况，将数据归类形成数据库。

本发明的微波发生器有两种模式，磁控管式微波发生源和信号式微波发生源。本实施例采用信号式微波发生源。微波源输出功率在0至1200W之内连续可调，微波频率为2450±30 MHz。本发明连续波微波功率在100-400W之间线性增加，中心频率为2.45GHz。本发明的控制单元14使用单片机，根据PID自整定算法控制微波功率，实现修复区域的温度按材料的固化过程自动控制温度上升和下降速率。

本发明采用超声波无损检测复合材料构件10的损伤区域，确定需要修补的具体位置9；用记号笔画出贴补区域的外轮廓线，纤维铺放坐标轴线；表面处理时，保证有效清除掉修理表面的尘埃、油污和腐蚀等，然后打磨粗化胶接区域，已增加实际胶接面积，提高胶接质量。按对称铺层的方式，采用[0/ +45/ -45/ 90]的铺层角度，在损伤区域铺放预浸料28。铺放带孔隔离膜27、脱模布26、透气毡25并逐层压实；埋放光纤传感器11，铺放真空袋24、放入真空接头23，覆盖区域四周贴上密封胶带22。再用真空泵抽真空，并与以上各辅助材料形成整个待修复区域；放置微波辐射器和柔性金属袋，开启微波快速修补设备。本发明微波辐射器8与待修复区域9表面距离为50mm。根据光纤传感器11得到的温度数据，单片机根据PID程序调整微波功率，固化修理复合材料结构。固化完成后，修整修理区，打磨、去毛刺、检测修理质量，完成复合材料构件的修补。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于微波的复合材料构件快速修补装置，其特征在于微波发生源一端连接微波传输线（6），微波传输线（6）的另一端与同轴波导转换器与双定向耦合器（7）的一端连接，同轴波导转换器与双定向耦合器（7）的另一端与微波辐射器（8）的一端连接，微波辐射器（8）的另一端相对放置复合材料构件（10），复合材料构件（10）上靠近复合材料构件（10）的一侧形成待修复区域（9），待修复区域（9）通过光纤传感器（11）与信号放大器（12）的一端连接，信号放大器（12）的另一端与信号转换器（13）的一端连接，信号转换器（13）的另一端与控制单元（14）的一端连接，控制单元（14）的另一端与微波发生源的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的基于微波的复合材料构件快速修补装置，其特征在于上述微波发生源由可控自耦变压器（1）与磁控管（3）组成，可控自耦变压器（1）的一端与控制单元（14）连接。

3.根据权利要求1所述的基于微波的复合材料构件快速修补装置，其特征在于上述微波发生源为信号发生器（2）与微波放大器（4），信号发生器（2）的一端与控制单元（14）连接。

4.根据权利要求2或3所述的基于微波的复合材料构件快速修补装置，其特征在于上述磁控管（3）、微波放大器（4）通过微波开关（5）与微波传输线（6）连接。

5.根据权利要求1所述的基于微波的复合材料构件快速修补装置，其特征在于上述微波辐射器（8）包括用于将微波转换到矩形波导辐射器（16）中的波导同轴转换接头（15）、波导辐射器（16）、柔性金属袋（17），波导辐射器（16）的一端与同轴波导转换接头（15）与微波传输线（6）与双定向耦合器（7）连接，波导辐射器（16）的外部金属壁面连接柔性金属袋（17），同轴转换接头（15）与波导辐射器（16）连接；波导辐射器（16）与待修复区域（9）之间的距离为0-100mm。

6.根据权利要求5所述的基于微波的复合材料构件快速修补装置，其特征在于上述波导辐射器（16）为扇形喇叭辐射器（18）或矩形喇叭辐射器（19）或平面螺旋辐射器（20）或圆锥面喇叭辐射器（21）或微带辐射器（22）中的一种。

7.根据权利要求1所述的基于微波的复合材料构件快速修补装置，其特征在于上述待修复区域（9）上远离复合材料构件（10）表面的一侧依次布置胶膜（30）、修补复合材料（29）、带孔隔离膜（28）、脱模布（27）、透气毡（26）、真空袋（25）；真空袋（25）上放置抽真空接头（24）；真空袋（25）边缘与复合材料构件（10）之间放置耐高温密封胶带（23）。

8.根据权利要求1所述的复合材料构件快速修补装置，其特征在于上述待修复区域（9）的表面或内部布置光纤传感器（11），光纤传感器（11）与光纤光栅解调仪（31）连接。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的复合材料结构微波快速修补设备的修补方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：检测复合材料构件（10）的受损区域，确定待修复区域（9）的具体位置；

第二步：标记修补区域的外轮廓线，纤维铺放坐标轴线；

第三步：打磨处理待修复区域（9）的表面和去除多余毛刺和断裂的纤维；

第四步：在待修复区域（9）铺放胶膜（30）、修补复合材料（29）、带孔隔离膜（28）、脱模布（27）、透气毡（26）等并逐层抽真空压实；

第五步：埋放光纤传感器，铺放真空袋（25）、放入抽真空接头（24），覆盖区域四周粘贴耐高温密封胶带（23），抽真空压实待修复区域；

第六步：开启微波快速修补设备，设置固化工艺参数；微波经由传输线和辐射器均匀辐射到待修补区域，由光纤传感器（11）得到加热温度数据，与控制单元形成闭环控制，加热固化修理复合材料结构；

第七步：固化完成后，微波快速修补设备自动关闭；手工拆除真空袋系统，修整修补区，包括对修补区域打磨，去毛刺；

第八步：检测复合材料修补质量；复合材料构件使用一段时间后，将埋放到构件中的光纤传感器接入到光纤光栅解调仪中，测量构件应变情况，判断构件的健康状况，将数据归类形成数据库。

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