CN104384719B - 一种去除纤维增强复合材料受损区的装置和方法 - Google Patents

一种去除纤维增强复合材料受损区的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种去除受损纤维增强复合材料的装置和方法，即用红外纳秒激光对纤维增强复合材料的受损区进行分层去除，最小分层厚度可以达到0.5mm，为补片的贴补做好准备。利用分层贴补可以增大结合表面积，进一步增强复合材料的贴补强度。具体过程是利用红外纳秒脉冲激光通过光学聚焦系统将激光束聚焦为0.1mm到1mm宽，10-30mm的长的线聚焦光斑，并达到材料去除的能量阈值，通过高速精密三轴移动平台实现快速扫描，最高速度可以达到10cm/s，从而实现纤维复合材料损伤区精确分层去除的目的，最终实纤维增强复合材料的修复。本发明具有分层去除、无纤维拔出、自动化程度高、日常维护简单、环保以及方便快捷等优点，可应用于飞机、汽车及风力发电装备的复合材料修复过程。

Description

一种去除纤维增强复合材料受损区的装置和方法
技术领域
本发明涉及激光复合材料加工、修复等技术领域，特别涉及一种用于纤维增强复合材料包括玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料等的修复过程中，损伤区材料分层去除的方法。
背景技术
近年来全球高性能纤维及复合材料产业蓬勃发展，整个行业的总产值已超过3000亿美元并保持每年5-8％的强劲增长，正成为支撑全球经济快速发展的战略中坚力量。特别在飞机机身、复合材料车身、风电叶片和装备上得到广泛应用，具有轻量化、高强度，一体化成形等有点。纤维增强复合材料大量运用的同时，其修复问题就成为了制约纤维增强复合材料广泛应用的制约因素。
目前典型的纤维增强复合材料挖补修复法主要步骤有：1)损伤区域机械加工预处理；2)手工玻璃纤维树脂铺层抹胶；3)玻璃纤维树脂后期固化；4)表面涂层。目前的复合材料挖补方法需要利用机械刀具(钻/铣/磨)去除叶片损伤区域。复合材料机械加工往往是破坏性的，带来不必要的热应力和机械应力，产生难以观察到的隐藏的缺陷(subsurfacedefects)和材料分层破坏(compositelayerdelamination)，这些缺陷会对修复过程会留下致命隐患。
以风电叶片为例，新叶片成本，平均约200,000美元，约为一个风电装置价格的15％-20％。风电叶片的预期使用寿命一般要达到15到20年才能够收回成本并产生经济效益。叶片损伤的来源包括在运输和安装时候的不当、雷击、冰、热循环、前和后缘侵蚀、疲劳、水分侵入和外物的影响。每个风力涡轮机必须承受风和沙粒的作用，因此，必须定期监控、维护和修复。在仅仅使用几年后，通过检查就发现了大量的问题，常见的叶片损坏表面开裂、空腔、侵蚀、表分层和严重的脱胶。如果没有修理，损伤不断积累，最终会导致灾难性的事故。所以目前迫切需要研发出一种新颖的纤维增强复合材料损伤区去除的装备和工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种去除纤维增强复合材料受损区的装置和方法,以克服传统机械去除方法存在的纤维拔出、容易导致新的微裂纹、加工质量不稳定、精度低和难以分层加工等缺点，使用高频率的红外纳秒脉冲激光器对纤维增强复合材料的损伤区域进行分层去除，使得整个过程具有高效率、高精度去除等特点，从而最终实纤维增强复合材料的修复。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种去除纤维增强复合材料受损区的装置，利用光路聚焦系统，使用红外纳秒高频率的脉冲激光器，对纤维增强复合材料的受损区进行激光分层去除，其特征在于包括以下装置：激光器(1),同轴对光光源(2),电动光闸(3),圆片状功率可调装置(4),45度全反射镜(5),柱面镜(6),等离子吹气系统(7),集尘系统(8),三维高精度移动平台(9)；
所述激光器(1)是红外脉冲激光器；同轴对光光源(2)位于激光器(1)出光的光路的出光位置,用来进行对光和对准工件；电动光闸(3)位于同轴对光光源(2)的后方，用以控制光路的出光；光路中在电动光闸(3)旁设置圆片状功率可调装置(4)，可以进行激光功率的调整；激光束(16)经过45度全反射镜(5)和柱面镜(6)，并聚焦在待加工工件(10)上表面；三维高精度移动平台(9)安装在激光焦点正下方，确保焦点作用在工件表面；等离子吹气系统(7),集尘系统(8)分别固定安装在三维高精度移动平台(9)的两侧，用来收集加工粉尘。
所述激光器(1)为高频率的，激光波长为1064nm，频率1KHz。
所述三维高精度移动平台(9)为三轴运动方式，具体包含X方向、Y方向、Z方向，定位精度达0.1mm。
一种去除纤维增强复合材料受损区的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，清洁待加工工件(10)复合材料表面，并放置在激光焦点的正下方，且固定在三维高精度移动平台(9)上；
步骤二，打开同轴对光光源(2)，并通过同轴对光光源(2)对准待加工工件(10)的加工位置，然后关闭同轴对光光源(2)；
步骤三，根据损伤区域的大小和修补工艺，确定激光去除区域范围和分层的层数；
步骤四，将去除区域和分层方案导入三维高精度移动工作台中，三维高精度移动平台(9)把去除区域转化为数字信号，并使得工作台能按照设计图形进行工作；
步骤五，先打开激光器(1)，然后打开电动光闸(3)，使三维高精度移动平台(9)同步工作，激光束(16)经过45度全反射镜(5)和柱面镜(6)聚焦在在待加工工件(10)上，并完成损伤区域的去除；
步骤六，激光去除过程中，要同时打开等离子吹气系统(7)和集尘系统(8)，确保激光去除产生的粉尘全部吸入集尘系统中；利用等离子风对材料去除中产生的对导电离子的极化作用，使得颗粒能快速聚集在集尘装置中。
利用激光束经过45度全反射镜(5)和柱面镜(6)，实现光斑聚焦，形成线聚焦光斑，使得线光斑长度为10-30mm，焦点处能量达到去除材料的能量阈值。
所述待加工工件(10)为飞机机身、风电叶片或汽车车身中的任一种。
所述纤维增强复合材料为玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料。
本发明对所述复合材料的损伤区域分层去除，最小层厚可以达到0.5mm。从而进一步提高修复层数，从而提高修复质量。
所述的去除方法是用于纤维增强复合材料修复过程中，损伤区去除和补片的准备。
本发明具有有益效果
1.本发明通过激光束代替传统刀具，从而解决了传统复合材料修复时损伤区去除过程中，机械加工带来的纤维拔出和微裂纹等问题，提高修复质量；
2.本发明通过将激光器与高精度三维移动台相结合，从而使得激光加工具有高度集成性，提高了设备自动化程度，高度便捷化操作。扫描精度高，速度较快，最高扫描速度达到10cm/s，生产效率高；
3.本发明通过将激光切削代替手工加工，加工过程完全自动化，人力资源少，日常维护简单，适合在许多领域推广；
4.本发明通过将激光切削代替手工加工，对加工材料具有广泛适应性，适用于玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料；
5.本发明通过将光路系统固定，仅通过移动工作台控制工件的移动，从而使得更换不同产品时，直接导入设计图形即可进行加工，对不同产品具有广泛适应性。
附图说明
图1为本发明使用的系统装置图；
图2为本发明复合材料修复过程示意图；
图3为本发明激光分层去除过程示意图。
图中：1激光器、2同轴对光光源、3电动光闸、4圆片状功率可调装置、545度全反射镜、6柱面镜、7等离子吹气系统、8集尘系统、9三维高精度移动平台、10待加工工件、11带缺陷的材料、12分层去除后材料、13整体式补片、14分层式补片、15修复后材料、16激光束。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一种去除复合材料损伤区域的方法和装置，即运用红外脉冲激光分层去除复合材料的损伤区域，最终实现复合材料的分层去除。
如图1所示，为本发明所使用的红外纳秒激光分层去除纤维增强复合材料受损区的装置图，同轴对光光源2，使得激光光轴与红色指示灯光源在同一轴线上，保证后续光路具有可见光指导作用。激光器1发出的激光经过电动光闸3，此光闸可以控制外部激光的开关光，具体可以由软件控制感应信号来控制电动光闸3的开启和关闭，从而实现激光器1和同轴对光光源2的外部开关控制；电动光闸3控制激光光束到达圆片状功率可调装置4后，激光能量可以实现一定范围内可调，对不同分层厚度、不同纤维增强复合材料等去除具有很好的现实意义，光束到达45度全反射镜5后，光路垂直向下，到达柱面镜6，可以形成线聚焦光斑。三维高精度移动平台9及控制系统可以实现将扫描图形转化为数字信号，然后驱动待加工工件10运动，实现损伤区域的去除。加工的同时，三维高精度移动平台9两边等离子吹气系统7和同轴集尘系统8开始工作，复合材料去除时，小颗粒全部被收集。
图2为本发明的复合材料修复过程，带有缺陷的材料样品11，经过激光分层去除加工形成分层去除样品12。分层去除后，可以通过整体补片13或分层式补片14对损伤区进行贴补，最终形成修复后材料15。
图3为本发明的激光分层去除过程，线聚焦的激光束16，根据设计扫描区域对复合材料进行分层去除。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种去除纤维增强复合材料受损区的装置，利用光路聚焦系统，使用红外纳秒高频率的脉冲激光器，对纤维增强复合材料的受损区进行激光分层去除，其特征在于包括：激光器(1),同轴对光光源(2),电动光闸(3),圆片状功率可调装置(4),45度全反射镜(5),柱面镜(6),等离子吹气系统(7),集尘系统(8),三维高精度移动平台(9)；
所述激光器(1)是红外脉冲激光器；同轴对光光源(2)位于激光器(1)出光的光路的出光位置；电动光闸(3)位于同轴对光光源(2)的后方；光路中在电动光闸(3)旁设置圆片状功率可调装置(4)；激光束(16)经过45度全反射镜(5)和柱面镜(6)，并聚焦在待加工工件(10)上表面；三维高精度移动平台(9)安装在激光焦点正下方；等离子吹气系统(7)和集尘系统(8)分别固定安装在三维高精度移动平台(9)的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种去除纤维增强复合材料受损区的装置，其特征在于：所述激光器(1)为高频率的，激光波长为1064nm，频率1KHz。
3.根据权利要求1所述的一种去除纤维增强复合材料受损区的装置，其特征在于：所述三维高精度移动平台(9)为三轴运动方式，具体包含X方向、Y方向、Z方向，定位精度达0.1mm。
4.利用权利要求1所述的一种去除纤维增强复合材料受损区的装置去除纤维增强复合材料受损区的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，清洁待加工工件(10)复合材料表面，并放置在激光焦点的正下方，且固定在三维高精度移动平台(9)上；
步骤二，打开同轴对光光源(2)，并通过同轴对光光源(2)对准待加工工件(10)的加工位置，然后关闭同轴对光光源(2)；
步骤三，根据损伤区域的大小和修补工艺，确定激光去除区域范围和分层的层数；
步骤四，将去除区域和分层方案导入三维高精度移动平台中，三维高精度移动平台(9)把去除区域转化为数字信号，并使得三维高精度移动平台(9)能按照设计图形进行工作；
步骤五，先打开激光器(1)，然后打开电动光闸(3)，使三维高精度移动平台(9)同步工作，激光束(16)经过45度全反射镜(5)和柱面镜(6)聚焦在待加工工件(10)上，并完成损伤区域的去除；
步骤六，激光去除过程中，要同时打开等离子吹气系统(7)和集尘系统(8)，确保激光去除产生的粉尘全部吸入集尘系统中；利用等离子风对材料去除中产生的对导电离子的极化作用，使得颗粒能快速聚集在集尘系统中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：利用激光束经过45度全反射镜(5)和柱面镜(6)，实现光斑聚焦，形成线聚焦光斑，使得线光斑长度为10-30mm，焦点处能量达到去除材料的能量阈值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述待加工工件(10)为飞机机身、风电叶片或汽车车身中的任一种。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述纤维增强复合材料为玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料。
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Assignee: Sany Palfinger Special Vehicle Co., Ltd.

Assignor: Jiangsu University

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Denomination of invention: Device and method for removing damage region of fiber reinforced composite materials

Granted publication date: 20160427

License type: Exclusive License

Record date: 20170411