CN114311691A - 一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开复合材料加工制造领域中的一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置及方法，待处理FMLs叠层材料构件的正上方是由芯棒、内环套、推杆和外环套组成的正交超声变幅器，正交超声变幅器的左、右两侧各是一个超声振动装置；在热塑性FMLs材料的原有铺层结构中引入微尺度碳纤维增强的热塑性复合材料过渡层，利用特殊结构的正交变幅器和超声控制，既可实现对热塑性FMLs材料层间界面的超声焊接、冲击正交时序控制强韧化处理、分层损伤及缺陷修复，也可通过逐层叠加、强韧化处理，实现对多铺层结构热塑性FMLs材料的制备，通过更改模具结构形状，还可用于对具有复杂曲面的FMLs构件处理，显著提高FMLs结构的服役寿命和服役可靠性。
Description
技术领域
本发明属于复合材料加工制造领域，涉及一种纤维金属层合材料层间界面强韧化处理及制备技术，特别适用于对由高强度金属薄片和热塑性纤维复合材料预浸料交替铺放而成的纤维金属层合板(Fiber Metal Laminates，FMLs)材料及其构件的逐层界面强韧化处理、分层缺陷修复及FMLs材料制备，也可用于对各种热塑性纤维增强复合材料进行层间界面性能改进和材料制备。
背景技术
纤维金属层合板(FMLs)是由金属薄片和维纤强化复合材料交替铺放而制成的一种混杂材料，兼顾了两种组分材料各自的性能优势，具有质量轻、强度高、抗冲击、耐疲劳、损伤容限高等优异性能，不仅在航空航天领域得到广泛使用，也受到汽车、船舶、轨道交通、工程机械、风机、压力容器等行业的普遍关注。但该材料也因为具有由多种不同物理属性的组分材料构成的多界面特性，尤其是FMLs材料及其构件的金属与复合材料层间界面、复合材料铺层间界面，在服役过程中极易因冲击、疲劳加载而发生分层失效，且分层效果过程中的能量吸收性能较差，导致FMLs构件力学性能急剧下降，严重威胁到FMLs结构的服役可靠性，极大地制约了FMLs材料轻量化潜能的发挥和应用范围的拓展。因此，对具有高层间界面性能FMLs材料的制备技术提出了迫切需求。
现有FMLs材料制备方法主要有热压成型法和高压釜成型工艺，这两种方法对于热固性FMLs材料来讲，虽然可以利用其热固性树脂基体固化前的良好流动性，通过添加碳纳米管、纳米颗粒等手段来改善FMLs材料层间界面的强韧性，但对于热塑性FMLs材料来说，由于其热塑性聚合物基体的高熔融黏度及其对连续纤维丝/束间微小孔隙和金属表面微凹坑的低流动填充性，从而使热塑性FMLs材料层间界面的强韧化处理仍面临很大的困难，导致热塑性FMLs材料层间界面结合强度差。
发明内容
本发明目的是提供一种可进行层间界面强韧化处理的热塑性FMLs材料制备装置及其制备方法，以解决现有热塑性FMLs材料的层间界面结合强度和断裂韧性不足而引起的分层开裂倾向大、断裂吸能性差、严重威胁FMLs结构服役可靠性的问题。
本发明一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置采用的技术方案是：其最下方是水平的固定工作台，固定工作台上表面置放沿上下、左右和前后移动的移动工作台，移动工作台的上表面正中间固定球面底座，球面底座的上表面正中间开有一个球形孔，模具的下表面向下延伸一个摆杆，摆杆的下端是一个球头，球头与所述的球形孔相配合，模具的上表面放置待处理FMLs叠层材料构件，待处理FMLs叠层材料构件的正上方是正交超声变幅器；所述的正交超声变幅器由芯棒、内环套、推杆和外环套组成，芯棒、内环套18和外环套三者由内而外嵌套、均左右水平布置且中心轴共线，芯棒外固定套着内环套，内环套由三角皮带带动旋转；所述的芯棒外沿圆周方向均匀设置多个沿直径方向呈内外布置的推杆，推杆内端接触于芯棒的外侧壁、外端伸出内环套上相应的径向通孔后与外环套的内侧壁相接触；正交超声变幅器的左、右两侧各是一个超声振动装置，两个超声振动装置均左右水平布置，左、右超声振动装置分别与芯棒的左、右端面紧密贴合；所述的外环套的正上方由垂直向下布置的压力气缸和顶杆压块组成的静压力加载装置。
进一步地，左、右侧的超声振动装置均各由左右水平布置的一个压缩弹簧、一个换能器和一个超声变幅杆组成，两个超声变幅杆靠近芯棒，同侧的换能器和超声变幅杆固定串联，换能器固定连接于同侧的弹性支架的上端，压缩弹簧套在换能器外且压缩在同侧的超声变幅杆和弹性支架上端之间，两个超声变幅杆分别与芯棒17的左右端面紧密贴合且三者中心轴共线；两个所述的弹性支架下端均固定连接于固定工作台。
进一步地，模具与球面底座旁侧的XY轴摆动装置相连接，XY轴摆动装置固定设置在移动工作台的上表面，XY轴摆动装置能带动模具绕左右水平轴或前后水平轴来回摆动，模具的球头在球面底座的球形孔内摆动。
所述的一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置的制备方法采用的技术方案是包括以下步骤：
步骤1)：将底层金属保护板放置在模具上，在底层金属保护板上表面铺放连续纤维增强热塑性预浸料，再向上依次铺放微尺度碳纤维增强热塑性复合材料过渡层和金属薄片，制成二维平面的FMLs材料初始叠层；
步骤2)：内环套连续旋转，带动推杆、外环套做连续旋转运动；
步骤3)：移动工作台向上运动，直至金属薄片的上表面与外环套的下母线距离约1-2mm距离时停止；
步骤4)：压力气缸推动顶杆压块向下，对外环套施加垂直向下的静压力，使外环套与金属薄片上表面接触；
步骤5)：左侧的超声振动装置工作，将超声振动传播给芯棒，芯棒再将超声振动依次传播给内环套、推杆和外环套，外环套与所述的金属薄片之间摩擦发热，促使微尺度碳纤维增强热塑性复合材料过渡层加热熔融，连续纤维增强热塑性预浸料软化熔融，完成一次超声焊接；
步骤6)：右侧的超声振动装置工作，与左侧的超声振动装置的频率相同，相位差相差180°，对芯棒的左、右两个端面分别施加方向相反的超声振动，使芯棒的直径变大，推动推杆将外环套均匀胀开，对待处理FMLs叠层材料构件完成一次超声冲击；
步骤7)：移动工作台向前移动设定的进给距离，再重复步骤5)-6)；
步骤8)：循环往复步骤7)，直至移动工作台在前后方向进给到设定极限位置为止；
步骤9)：静压力加载装置释放压力，外环套的下母线与FMLs材料初始叠层的上表面脱离接触；
步骤10)：移动工作台沿左右水平方向进给一个外环套轴向长度的距离，再重复步骤4)-8)，步骤7)-8)中，移动工作台是向后移动；
步骤11)：循环步骤9)-(10)，不同的是移动工作台向前进给，完成对FMLs材料初始叠层的强韧化处理；
步骤12)：加载装置释放压力，移动工作台向下运动复原；
步骤13)：整体翻转已处理的FMLs材料初始叠层，去除最上面的金属保护板，再依次铺放新的微尺度碳纤维增强复合材料过渡层和新的金属薄片，形成新的FMLs材料叠层；
步骤14)循环往复步骤3)-12)，完成对新的FMLs材料叠层的强韧化处理；再在处理后的新的FMLs材料叠层上直接逐层铺放新的微尺度碳纤维增强复合材料过渡层和新的金属薄片，再循环往复步骤(3)-(12)，如此逐层铺放并进行层间界面强韧化处理，直到满足铺层设计要求，完成多层待处理FMLs叠层材料的强韧化处理。
进一步地，在球面底座的旁侧，将模具与XY轴摆动装置相连接，XY轴摆动装置固定于移动工作台上表面，XY轴摆动装置能带动模具绕左右水平或前后水平的轴线来回摆动；当步骤1)中制成的FMLs材料初始叠层为曲面构件时，在步骤2)-11)以及步骤14)中，XY轴摆动装置摆动模具，带动模具绕球面底座的球心作连续摆动，模具的球头在球面底座3的球形孔内摆动，对曲面构件的层间界面强韧化处理。
本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：
1、本发明通过在热塑性FMLs材料的原有铺层结构中引入微尺度碳纤维增强的热塑性复合材料过渡层，利用特殊结构的套-杆-棒式正交变幅器和超声控制，既可实现对热塑性FMLs材料层间界面的超声焊接-冲击正交时序控制强韧化处理、分层损伤及缺陷修复，也可通过逐层叠加、强韧化处理，实现对多铺层结构热塑性FMLs材料的制备，获得具有良好层间界面强韧化性能的热塑性FMLs材料，显著提高FMLs结构的服役寿命和服役可靠性。
2、本发明可实现超声焊接、超声冲击、热塑性FMLs材料正交超声焊-冲层间界面强韧化处理及材料制备等多种功能，通过更改模具结构形状、配置适当的数控系统，还可用于对具有复杂曲面的FMLs构件进行层间界面强韧化处理、分层损伤及缺陷修复。
3、本发明可以通过使用具有压力调节功能的压力加载装置、优化正交超声变幅器的结构尺寸参数以及设定适当的超声控制参数等，提供较宽的热塑性FMLs材料层间界面强韧化效果控制工艺窗口，可用于对不同种类增强纤维、不同性能热塑性树脂基体、各种高强度难成形金属薄片所构成热塑性FMLs材料的制备及层间界面强韧化处理。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置的结构示意图；
图2为图1中正交超声变幅器的结构放大图；
图3为图2中内环套的结构图；
图4为图2中外环套的结构图；
图5为图1中模具22、XY轴摆动装置23、球面底座3与固定工作台1的装配结构放大图；
图6为图5中XY轴摆动装置23中四个可伸缩支撑杆上端与移动工作台2装配结构的仰视图；
图7为本发明制备方法的工序过程示意图。
图中：1.固定工作台；2.移动工作台；3.球面底座；4.待处理FMLs叠层材料构件；5.正交超声变幅器；6.左超声变幅杆；7.左换能器；8.左压缩弹簧；9.右换能器；
10.右超声变幅杆；11.三角皮带；12.顶杆压块；13.压力气缸；14.超声发生器；15.控制器；16.右压缩弹簧；17.芯棒；18.内环套；19.推杆；20.外环套；21.推杆压簧；22.模具；23.XY轴摆动装置；25.左侧的可伸缩支撑杆；26.右侧的可伸缩支撑杆；27.前侧的可伸缩支撑杆；28.后侧的可伸缩支撑杆；29.左弹性支架；30.右弹性支架；
181.径向通孔；182.V型环槽；183.窄环形槽；201.径向盲孔；301.球面底座底板；302.球面底座上盖板；303.球面底座下盖板；401.金属薄片；402.微尺度碳纤维增强热塑性复合材料过渡层；403.连续纤维增强热塑性预浸料；404.底层金属保护板。
具体实施方式
如图1所示，规定本发明的方位是：以左换能器7所在位置为“左”，以右换能器9所在位置为“右”，以固定工作台1所在位置为“下”，以压力气缸13所在位置为“上”，X所在方向是左右方向，Y所在方向是前后方向，Z所在方向是上下方向，以芯棒17所在位置为“内”，外环套20所在位置为“外”。
本发明一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置，从下到上依次设有固定工作台1、移动工作台2、球面底座3、模具22、待处理FMLs叠层材料构件4、正交超声变幅器5和静压力加载装置，正交超声变幅器5的左、右两侧各是一个超声振动装置，分别是左超声振动装置和右超声振动装置。
最下方是水平的固定工作台1，固定工作台1上表面置放移动工作台2，移动工作台2能够沿上下、左右和前后移动，移动工作台2经控制线连接控制器15，由控制器15控制移动工作台2的移动方向，即移动工作台2可相对于固定工作台1做X、Y、Z三个方向的直线运动。
移动工作台2的上表面正中间固定球面底座3，球面底座3随着移动工作台2一起移动。球面底座3的上表面正中间开有一个球形孔；模具22的下表面向下延伸一个摆杆，摆杆的下端是一个球头，球头与球面底座3的球形孔相配合，使模具22通过下端球头与球面底座3连接，当模具22摆动时，模具22下端的球头能够在球面底座3的球形孔内的摆动。
模具22与XY轴摆动装置23相连接，XY轴摆动装置23固定在移动工作台2的上表面，在球面底座3的旁侧，XY轴摆动装置23随着移动工作台2一起移动。XY轴摆动装置23通过控制线连接控制器15，控制器15控制XY轴摆动装置23工作时，XY轴摆动装置23能够带动模具22绕X轴或Y轴来回摆动，模具22的球头在球面底座3的球形孔内摆动。
模具22的上表面放置待处理FMLs叠层材料构件4，待处理FMLs叠层材料构件4的正上方是正交超声变幅器5。
结合图2和图3，正交超声变幅器5由芯棒17、内环套18、推杆19和外环套20组成。芯棒17、内环套18和外环套20三者的中心轴共线且均左右水平布置，三者由内而外嵌套，芯棒17外固定套着内环套18，两者形成过盈配合，外环套20的内径大于内环套18的外径。内环套18上连接三角皮带11，由三角皮带11带动转动，从而带动芯棒17一起旋转。
芯棒17的轴向长度与外环套20的轴向长度相等，均为L。内环套18的轴向长度L’大于外环套20的轴向长度L。内环套18的右端面与芯棒17、外环套20的右端面平齐，内环套18的左段伸出在外环套20的左端外。在内环套18的左端外圆面上开有V型环槽182，该V型环槽182与三角皮带11相配合，形成带传动。三角皮带11连接于皮带轮(图1中省略了皮带轮)，皮带轮设置在固定工作台1上，控制器15经控制线连接皮带轮，由控制器15驱动皮带轮旋转使三角皮带11工作。
在芯棒17外部，沿圆周方向均匀设置了多个推杆19，本发明设置的是4-12个推杆19，且推杆19的长度方向是沿芯棒17的直径方向，推杆19沿芯棒17的直径方向呈内外布置，推杆19的直径为d。在左右方向上，推杆19位于芯棒17和外环套20的轴向正中间。推杆19的内端接触在芯棒17的外侧壁上，推杆19的外端伸出内环套18上相应的径向通孔181后与外环套20的内侧壁相接触，使推杆19在沿芯棒17的直径方向上支撑在芯棒17和外环套20之间。为此，当三角皮带11工作，经内环套18、芯棒17、推杆19后带动外环套20一起旋转，使整个正交超声变幅器5旋转。
内环套18为金属薄壁套筒结构，其壁厚h2应位于d/2～L/5之间，以便内环套18可以随芯棒17直径的增大而胀形。
内环套18在距离其右端面L/2处，开有4-12个内径等于d的径向通孔181，用于推杆19从中穿过，和推杆19组成有间隙的孔轴配合结构。
在内环套18的中心通孔左段的内表面上设有一个窄环形槽183，窄环形槽183在芯棒17的左端位置，窄环形槽183的内径稍大于中心通孔的内径。
如图4所示，在外环套20内表面中间位置，设有4-12个直径等于d的径向盲孔201，各个径向盲孔201的深度为h1。外环套18也为金属薄壁结构，其壁厚h0应位于2h1～L/5之间，以便外环套20可以在推杆19的径向推力作用下胀形。
如图2、3、4所示，在芯棒17的外侧壁上，距中间位置向左距离l处，l>d，d为推杆直径，沿径向均布了4-12个直径等于d的小盲孔，每个小盲孔内装有一个自由长度与孔深相等的推杆压簧21。推杆压簧21的最大压缩行程等于外环套20的各个径向盲孔201的深度h1。该小盲孔为装配用工艺孔，装配时，先保证芯棒17上的平底小盲孔和内环套18上的径向通孔181准确对齐；再将推杆19逐个通过径向通孔181插入芯棒17的相应平底小盲孔，并压缩推杆压簧21，使推杆19能顺利推入外环套20的中心孔中；然后将外环套20上的径向盲孔201的方位与内环套18上径向通孔181的方位准确对齐，通过外环套20的中心孔套住呈辐射状径向均布的推杆19，并从左向右水平缓慢推送推杆19，当外环套20上的径向盲孔201的位置与内环套18上径向通孔181的位置刚好对齐时，芯棒17中受压变形的推杆压簧21将发生弹性恢复，将推杆19推入相应外环套20的径向盲孔201中；最后再将芯棒17从右向左继续压入内环套18的中心孔，直到芯棒17的左右端面与外环套20的左右端面平齐，组装成不可拆卸的正交超声变幅器5。
如图1所示，左、右侧的超声振动装置均左右水平布置，两者的中心轴与正交超声变幅器5的中心轴共线。左、右侧的超声振动装置各连接一个上下垂直布置的弹性支架，左右两个弹性支架结构完全相同。左侧的超声振动装置连接左弹性支架29的上端，左弹性支架29的下端向下延伸，固定连接在固定工作台1上。右侧的超声振动装置连接右弹性支架30的上端，右弹性支架30的下端向下延伸且固定连接在固定工作台1上。
左、右侧的超声振动装置均各由一个压缩弹簧、一个换能器和一个超声变幅杆组成，压缩弹簧、换能器和超声变幅杆均左右水平布置，超声变幅杆在靠近芯棒17一侧，并且同侧的换能器和超声变幅杆固定串联，换能器远离芯棒17。换能器固定连接于同侧的一个弹性支架的上端，压缩弹簧套在换能器外，压缩弹簧套压缩在同侧的超声变幅杆和弹性支架上端之间，使压缩弹簧对超声变幅杆施加压向芯棒17方向的簧力，两个超声变幅杆分别与芯棒17的左右端面紧密贴合；芯棒17与压缩弹簧、换能器和超声变幅杆的中心轴共线。两个弹性支架上下垂直布置，下端均固定连接于固定工作台1。具体结构是：左侧的超声振动装置由左右水平布置的左压缩弹簧8、左换能器7和左超声变幅杆6组成，左换能器7和左超声变幅杆6一左一右地固定串联，左换能器7左端固定连接左侧弹性支架29的上端，右端固定连接左超声变幅杆6。在左换能器7外部套有左压缩弹簧8，左压缩弹簧8的左端压靠在左弹性支架29的上端处，左压缩弹簧8的右端紧靠在左超声变幅杆6的左端面上，左超声变幅杆6的右端伸进内环套18的中心通孔中，与内环套18有间隙地配合，左压缩弹簧8有一定的预压力，在左压缩弹簧8的作用下，弹簧预压力使左超声变幅杆6与芯棒17的左端面紧密贴合，但不影响芯棒17的旋转。左超声变幅杆6的右端处于窄环形槽183处，由于左超声变幅杆6与内环套18的中心通孔形成小间隙配合，因此，当芯棒17旋转时，确保左超声变幅杆6以及整个左超声振动装置不随正交超声变幅器5一起旋转。同样，右侧的超声振动装置由左右水平布置的右压缩弹簧16、右换能器9和右超声变幅杆10组成，右换能器9和右超声变幅杆10一右一左固定串联，右换能器9右端固定连接右弹性支架30的上端。右超声变幅杆10的左端面紧密贴合在芯棒17的右端面上，右换能器9外套有右压缩弹簧16，右压缩弹簧16的右端压靠在右侧弹性支架30的上端，右弹性支架30的下端固定连接固定工作台1。右压缩弹簧16的弹簧预压力，使右超声变幅杆10仅与芯棒17右端面紧密贴合但不影响芯棒17的旋转。
左、右侧的超声振动装置相对于移动工作台2的初始位置要保持足够的空间高度，以便进行FMLs的铺层和装、卸操作。
左换能器7经导线与左超声发生器14相连接，右换能器9经导线与右超声发生器24相连接。左超声发生器14和右超声发生器24均经控制线连接控制器15。
在正交超声变幅器5的正上方，即外环套20的正上方是静压力加载装置，该静压力加载装置的压力可调，由顶杆压块12和压力气缸13组成，压力气缸13垂直向下布置，其输出轴固定连接顶杆压块12。压力气缸13经控制线连接控制器15，由控制器15控制其工作，当压力气缸13工作，顶杆压块12向下移动时，通过顶杆压块12能向正交超声变幅器5施加垂直向下的静压力F
如图5和图6所示，球面底座3由下方的球面底座底板301和上方的球面底座右上盖板302、球面底座左上盖板303三部分做成，三部分上所开的孔共同围成一个球形孔，球面底座右上盖板302和球面底座左上盖板303与球面底座底板301间通过螺纹连接方式固定。
XY轴摆动装置23由前、后、左、右四个可伸缩支撑杆25、26、27、28组成，四个可伸缩支撑杆25、26、27、28的上端呈矩形四个顶点布置，共同固定连接于模具22的下底面；四个可伸缩支撑杆25、26、27、28的下端固定连接移动工作台2上。初始状态下，四个可伸缩支撑杆25、26、27、28上下方向的高度差为零，是完全等高的支撑杆，用于对平板形的热塑性FMLs材料构件的制备和处理。四个可伸缩支撑杆25、26、27、28是电动伸缩杆，内置电机，分别与控制器15相连接，由控制器15分别控制其伸缩。当调节左侧的可伸缩支撑杆25和右侧的可伸缩支撑杆26，使两者存在上下高度差时，模具22以球面底座3的球心为中心绕Y轴摆动；同理，当调节前侧的可伸缩支撑杆27和后侧的可伸缩支撑杆28沿上下方向的高度差时，模具22以球面底座3的球心为中心绕X轴摆动，以适应热塑性FMLs构件为曲面时的制备、界面强韧化处理及缺陷修复。XY轴摆动装置23同时还对模具22起到支承作用。
参见图1-7所示，本发明利用图1所示的热塑性FMLs材料制备装置来制备层间界面增强增韧的FMLs材料，制备方法包括以下步骤：
(1)按图7中的工序①所示方式进行铺层：先将底层金属保护板404放置在模具22上，在底层金属保护板404上表面铺放连续纤维增强热塑性预浸料403，再向上依次铺放微尺度碳纤维增强热塑性复合材料过渡层402和金属薄片401，制成FMLs材料初始叠层作为待处理FMLs叠层材料构件4，该FMLs材料初始叠层为二维平面件材料，将FMLs材料初始叠层固定在模具22上。
(2)控制器15控制皮带轮工作，由皮带轮通过三角皮带11带动内环套18做连续旋转运动，从而带动推杆19和外环套20做连续旋转运动。
(3)控制器15控制移动工作台2向上运动，直至待处理FMLs叠层材料构件4的最上层金属薄片401的上表面与正交超声变幅器5的外环套20的下母线距离约1-2mm距离时，控制器15控制移动工作台2停止向上运动。
(4)控制器15控制压力加载装置工作，压力气缸13推动顶杆压块12向下，在正交超声变幅器5的正上方对外环套20施加垂直向下的静压力F，使正交超声变幅器5整体向下移动，向下压缩左、右两个弹性支架29、30，使外环套20与待处理FMLs叠层材料构件4的金属薄片401上表面接触，并施加一定的静压力。垂直向下的静压力F大小可调，以能施加超声焊接所需压力，但不至于限制外环套20做旋转运动为宜。
(5)控制器15控制左超声发生器14工作，左超声发生器14激励左换能器7，左换能器7通过左超声变幅杆6将超声振动传播给芯棒17，芯棒17再将超声振动依次传播给内环套18、推杆19和外环套20，使外环套20沿X方向产生水平超声振动，在该水平超声振动与压力加载装置所施加的静压力F的共同作用下，外环套20与待处理FMLs叠层材料构件4中的上层金属薄片401之间产生剧烈的摩擦发热，促使下层的微尺度碳纤维增强热塑性复合材料过渡层402在很短时间内(<10s)加热熔融，并具有流动性，微尺度碳纤维增强热塑性复合材料过渡层402借助碳纤维良好的导热性使在其下层的连续纤维增强热塑性预浸料403的热塑性聚合物基体发生软化、熔融，从而实现超声焊接的作用效果，如此，完成一次超声焊接。控制器15设定超声焊接的时间为t1秒，超声焊接时间t1等于使微尺度碳纤维增强热塑性复合材料过渡层402完全熔融所需的时间。
(6)在左超声发生器14工作到达了设定的超声焊接时间t1秒时，控制器15控制右超声发生器24工作，右超声发生器24激励右换能器9，使右换能器9和左换能器7的工作频率相同，但相位差相差180°。右换能器9通过右超声变幅杆10将超声振动传播给芯棒17，这样，左超声发生器14和右超声发生器24共同工作，对正交超声变幅器5的芯棒17的左、右两个端面分别施加方向相反的超声振动，这两列超声振动波的叠加作用会使芯棒17因泊松效应而墩粗，使芯棒17的直径变大，从而推动沿芯棒17径向呈辐射状均布的推杆19将薄壁的外环套20均匀胀开，进而产生径向超声振动，实现对待处理FMLs叠层材料构件4的超声冲击。通过控制器15设定超声冲击的时间为t2秒，即完成一次超声冲击。
在超声冲击过程中，FMLs材料初始叠层中的微尺度碳纤维增强热塑性复合材料过渡层402发生熔融流动并填充由连续纤维丝/束构成的连续纤维增强热塑性预浸料403的铺层面内和厚向间隙以及金属薄片401下表面微凹坑，熔体的流动填充，会带动其中的微尺度碳纤维发生位移、旋转和重新分布，并在FMLs材料的金属与纤维增强复合材料层间界面及连续纤维增强复合材料铺层内的纤维丝/束间形成钉扎与桥接效应，实现对FMLs材料层间界面的局部强韧化处理。
(7)在完成超声冲击之后，控制器15控制移动工作台2沿Y方向移动设定的进给距离，即移动工作台2向前移动，然后，再重复步骤(5)的超声焊接和步骤(6)的超声冲击过程，完成第二次超声焊接和超声冲击。
(8)循环往复步骤(7)，直至移动工作台2沿Y方向进给到设定的横向极限位置为止，超声控制器15控制移动工作台2停止沿Y方向的移动，完成Y方向的全部强韧化处理。
(9)控制器15控制静压力加载装置释放压力，压力气缸13推动顶杆压块12向上运动至初始高度，释放压力加载装置对正交超声变幅器5施加的垂直向下的静压力F，左右两个弹性支架29、30反弹，向上抬起整个正交超声变幅器5，使外环套20的下母线与FMLs材料初始叠层的上表面脱离接触、并保持足够的垂直距离。
(10)控制器15控制移动工作台2沿X方向进给L的距离，即X方向的进给是以一个外环套20的轴向长度L的步距间隔进给的。然后，重复步骤(4)-步骤(8)，唯一不同的是在步骤(7)-(8)中，控制器15控制移动工作台2沿Y方向的反向移动设定的进给距离，移动工作台2向后移动，即重复步骤(4)的静压力加载、步骤(5)的超声焊接、步骤(6)的超声冲击，然后控制器15控制移动工作台2向后移动，完成Y方向的反向的全部强韧化处理。
(11)在完成Y方向的反向的全部强韧化处理后，再循环步骤(9)-(10)，唯一不同的是控制器15控制移动工作台2沿Y方向向前进给，如此循环往复地形成连续的S形路径，直到完成对整个FMLs材料初始叠层的强韧化处理和粘结，参见图7中的工序②所示。
(12)控制器15又一次控制压力加载装置释放压力，压力气缸13推动顶杆压块12向上运动至初始高度，使外环套20的下母线与已处理FMLs材料初始叠层的上表面脱离接触，并保持足够的垂直距离。控制器15控制移动工作台2向下运动复原至初始位置。
(13)整体翻转已进行强韧化处理的FMLs材料初始叠层，如图7中工序③步所示，使金属薄片401朝最底下、底层金属保护板404朝最上、连续纤维增强热塑性预浸料铺层403位于中间；然后，去除最上面的金属保护板404，如图7中工序④步所示。接着，再依次铺放新的微尺度碳纤维增强复合材料过渡层402和新的金属薄片401，金属薄片401在最上方，如此形成新的FMLs材料叠层，如图7中工序⑤所示。
(14)循环往复步骤(3)-(12)，完成对新的FMLs材料叠层的强韧化处理和粘结。然后，不需要再翻转，在强韧化处理后的新的FMLs材料叠层上直接逐层铺放新的微尺度碳纤维增强复合材料过渡层402和新的金属薄片401，金属薄片401在最上方，逐层铺放好后再循环往复步骤(3)-(12)。如此逐层铺放并进行层间界面强韧化处理和粘结，直到满足FMLs材料最终的铺层设计要求，如图7中的工序图⑥所示，完成多层待处理FMLs叠层材料的强韧化处理和粘结。
(15)最后，控制器15控制皮带轮停止工作，内环套18和整个整个正交超声变幅器5停止旋转运动。控制器15控制左超声发生器14和右超声发生器24停止工作，完成对层间界面强韧化的热塑性FMLs材料的制备。
在步骤(2)-(14)的过程中，正交超声变幅器5始终保持缓慢、连续、稳定地旋转，使其中实际起工具头作用的外环套20磨损均匀、寿命延长。
当步骤(1)中制成的FMLs材料初始叠层为曲面构件时，即待处理FMLs叠层材料构件4为曲面结构件时，在步骤(2)-(11)以及步骤(14)过程中，需要摆动模具22实现曲面构件的摆动：由控制器15控制XY轴摆动装置23工作，带动模具22绕球面底座3的球心作连续摆动，使正交超声变幅器5的外环套20的下母线与FMLs材料叠层的曲面接触点与球面底座3球心的连线位于外环套20的中间径向平面内，从而实现对曲面构件的层间界面强韧化处理、分层缺陷修复及构件逐层制备。
Claims (10)
1.一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置，最下方是水平的固定工作台(1)，固定工作台(1)上表面置放沿上下、左右和前后移动的移动工作台(2)，其特征是：移动工作台(2)的上表面正中间固定球面底座(3)，球面底座(30的上表面正中间开有一个球形孔，模具(22)的下表面向下延伸一个摆杆，摆杆的下端是一个球头，球头与所述的球形孔相配合，模具(22)的上表面放置待处理FMLs叠层材料构件(4)，待处理FMLs叠层材料构件(4)的正上方是正交超声变幅器(5)；所述的正交超声变幅器(5)由芯棒(17)、内环套(18)、推杆(19)和外环套(20)组成，芯棒(17)、内环套(18)和外环套(20)三者由内而外嵌套、均左右水平布置且中心轴共线，芯棒(17)外固定套着内环套(18)，内环套(18)由三角皮带(11)带动旋转；所述的芯棒(17)外沿圆周方向均匀设置多个沿直径方向呈内外布置的推杆(19)，推杆(19)内端接触于芯棒(17)的外侧壁、外端伸出内环套(18)上相应的径向通孔(181)后与外环套(20)的内侧壁相接触；正交超声变幅器(5)的左、右两侧各是一个超声振动装置，两个超声振动装置均左右水平布置，左、右超声振动装置分别与芯棒(17)的左、右端面紧密贴合；所述的外环套(20)的正上方由垂直向下布置的压力气缸(13)和顶杆压块(12)组成的静压力加载装置。
2.根据权利要求1所述的一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置，其特征是：左、右超声振动装置均各由左右水平布置的一个压缩弹簧、一个换能器和一个超声变幅杆组成，两个超声变幅杆靠近芯棒(17)，同侧的换能器和超声变幅杆固定串联，换能器固定连接于同侧的弹性支架的上端，压缩弹簧套在换能器外且压缩在同侧的超声变幅杆和弹性支架上端之间，两个超声变幅杆分别与芯棒(17)的左右端面紧密贴合且三者中心轴共线；两个所述的弹性支架的下端均固定连接于固定工作台(1)。
3.根据权利要求2所述的一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置，其特征是：左超声振动装置的左换能器(7)经导线与左超声发生器(14)相连接，右超声振动装置的右换能器(9)经导线与右超声发生器(24)相连接，左超声发生器(14)和右超声发生器(24)均经控制线连接控制器(15)，控制器(15)经控制线分别连接压力气缸(13)、移动工作台(2)和皮带轮，所述的三角皮带(11)连接皮带轮。
4.根据权利要求1所述的一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置，其特征是：芯棒(17)的轴向长度与外环套(20)的轴向长度相等，内环套(18)的轴向长度大于外环套(20)的轴向长度，内环套(18)的右端面与芯棒(17)、外环套(20)的右端面平齐，内环套(18)的左段伸出在外环套(20)的左端外，在内环套(18)的左端外侧壁上开有V型环槽(182)，该V型环槽(182)与所述的三角皮带(11)相配合。
5.根据权利要求1所述的一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置，其特征是：内环套(18)的壁厚h2位于d/2～L/5之间，内环套(18)在距离其右端面L/2处开有多个内径等于d的径向通孔(181)，用于推杆(19)从中穿过；d是推杆(19)的直径，L是芯棒(17)和外环套(20)的轴向长度。
6.根据权利要求1所述的一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置，其特征是：外环套(18)壁厚h0位于2h1～L/5之间，外环套(20)内表面中间位置设有多个直径等于d、深度为h1的径向盲孔(201)，d是推杆(19)的外径，L是芯棒(17)和外环套(20)的轴向长度。
7.根据权利要求1所述的一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置，其特征是：模具(22)与球面底座(3)旁侧的XY轴摆动装置(23)相连接，XY轴摆动装置(23)固定设置在移动工作台(2)的上表面，XY轴摆动装置(23)能带动模具(22)绕左右水平轴或前后水平轴来回摆动，模具(22)的球头在球面底座(3)的球形孔内摆动。
8.根据权利要求7所述的一种层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置，其特征是：所述的XY轴摆动装置(23)由前、后、左、右四个可伸缩支撑杆组成，四个可伸缩支撑杆的上端呈矩形四个顶点布置且共同固定连接于模具(22)的下底面，下端固定连接移动工作台(2)，初始状态下四个可伸缩支撑杆在上下方向的高度差为零，四个可伸缩支撑杆是电动伸缩杆且内置有与控制器(15)相连接的电机。
9.一种根据权利要求1所述的层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置，其特征是包括以下步骤：
步骤1)：将底层金属保护板(404)放置在模具(22)上，在底层金属保护板(404)上表面铺放连续纤维增强热塑性预浸料(403)，再向上依次铺放微尺度碳纤维增强热塑性复合材料过渡层(402)和金属薄片(401)，制成二维平面的FMLs材料初始叠层；
步骤2)：内环套连续旋转，带动推杆、外环套做连续旋转运动；
步骤3)：移动工作台(2)向上运动，直至金属薄片(401)的上表面与外环套(20)的下母线距离约1-2mm距离时停止；
步骤4)：压力气缸(13)推动顶杆压块(12)向下，对外环套(20)施加垂直向下的静压力，使外环套(20)与金属薄片(401)上表面接触；
步骤5)：左侧的超声振动装置工作，将超声振动传播给芯棒(17)，芯棒(17)再将超声振动依次传播给内环套(18)、推杆(19)和外环套(20)，外环套(20)与所述的金属薄片(401)之间摩擦发热，促使微尺度碳纤维增强热塑性复合材料过渡层(402)加热熔融，连续纤维增强热塑性预浸料(403)软化熔融，完成一次超声焊接；
步骤6)：右侧的超声振动装置工作，与左侧的超声振动装置的频率相同，相位差相差180°，对芯棒(17)的左、右两个端面分别施加方向相反的超声振动，使芯棒(17)的直径变大，推动推杆(19)将外环套(20)均匀胀开，对待处理FMLs叠层材料构件(4)完成一次超声冲击；
步骤7)：移动工作台(2)向前移动设定的进给距离，再重复步骤5)-6)；
步骤8)：循环往复步骤7)，直至移动工作台(2)在前后方向进给到设定极限位置为止；
步骤9)：静压力加载装置释放压力，外环套(20)的下母线与FMLs材料初始叠层的上表面脱离接触；
步骤10)移动工作台(2)沿左右水平方向进给一个外环套(20)轴向长度的距离，再重复步骤4)-8)，步骤7)-8)中，移动工作台(2)是向后移动；
步骤11)循环步骤9)-(10)，不同的是移动工作台(2)向前进给，完成对FMLs材料初始叠层的强韧化处理；
步骤12)加载装置释放压力，移动工作台(2)向下运动复原；
步骤13)整体翻转已处理的FMLs材料初始叠层，去除最上面的金属保护板(404)，再依次铺放新的微尺度碳纤维增强复合材料过渡层(402)和新的金属薄片(401)，形成新的FMLs材料叠层；
步骤14)循环往复步骤3)-12)，完成对新的FMLs材料叠层的强韧化处理；再在处理后的新的FMLs材料叠层上直接逐层铺放新的微尺度碳纤维增强复合材料过渡层(402)和新的金属薄片(401)，再循环往复步骤(3)-(12)，如此逐层铺放并进行层间界面强韧化处理，直到满足铺层设计要求，完成多层待处理FMLs叠层材料的强韧化处理。
10.根据权利要求9所述的层间界面强韧化热塑性FMLs材料制备装置的制备方法，其特征是：在球面底座(3)的旁侧，将模具(22)与XY轴摆动装置(23)相连接，XY轴摆动装置(23)固定于移动工作台(2)上表面，XY轴摆动装置(23)能够带动模具(22)绕左右水平或前后水平的轴线来回摆动；当步骤1)中制成的FMLs材料初始叠层为曲面构件时，在步骤2)-11)以及步骤14)中，XY轴摆动装置(23)摆动模具(22)，带动模具(22)绕球面底座(3)的球心作连续摆动，模具(22)的球头在球面底座(3)的球形孔内摆动，对曲面构件进行层间界面强韧化处理。
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