CN114889173A - 一种基于感应生热的热塑性复合材料修复设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于感应加热的热塑性复合材料修复设备及方法，涉及热塑性复合材料修复技术领域。该设备包括感应加热头、感应加热电源、液压缸、红外测温装置、机械臂和控制中心，其中：液压缸固定在机械臂前端，感应加热头与液压缸连接；感应加热头包括感应输出装置、感应线圈、金属加热板、压力传感器、支撑柱。该设备通过感应线圈使得金属加热板产热，结合液压缸给热塑性复合材料待修补区域持续提供热量和压力。该设备解决了热塑性复合材料传统修复时机械连接存在的开孔缺陷、胶接存在的修复工期长等问题，同时可以在不内置感应元件的情况下使得修复过程中界面受热均匀，提高修复件的耐腐蚀性能和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及热塑性复合材料修复技术领域，尤其涉及一种基于感应生热的热塑性复合材料修复设备及方法。
背景技术
热塑性树脂基复合材料具有韧性好、冲击损伤容限高、成型周期短、生产效率高、可回收和可焊接等优势，在民用飞机领域备受关注，且逐渐从次承力结构向主承力结构发展。飞机在服役过程中难免会遇到意外冲击造成复合材料结构的损伤，外加民机大量使用热塑性复合材料的实际情况，导致航空制造业对热塑性复合材料结构先进维修技术有迫切需求。
目前，热塑性复合材料修复技术包括树脂注射修复、混合物填充修复和补片修复。补片修复技术常用于修复面积较大的缺陷和损伤，连接补片的方式主要有机械连接、胶接和熔融连接。机械连接和胶接作为传统连接方式，技术已相对成熟，但分别存在易引起分层、应力集中和工艺存在环境适应性较差等问题。熔融连接技术以其高效、快捷、工艺流程短等优点脱颖而出。其中，感应连接具有非接触、高灵活性和无污染等优点，被认为是最具有潜力的一种连接工艺。然而，感应连接常会遇到连接界面温度分布不均匀等问题，同时感应连接过程中常引入金属网等异种材料感应元件，会对修复区域耐腐蚀性等性能造成不利影响，也不能满足轻量化的要求。因此，本发明设计了一种基于感应生热的热塑性复合材料修复设备及方法，可以使得修复区域温度分布均匀的同时不添加感应元件，同时小型或大型损伤均可以进行现场修复。
发明内容
本发明设计了一种基于感应生热的热塑性复合材料修复设备及方法，与现有技术相比，本发明可同时实现对小型或大型损伤的修复，提高了修复件的耐腐蚀性能和适用寿命，缩短了修复时间。
本发明采用如下技术方案：
一种基于感应生热的热塑性复合材料修复设备，其特征在于：该设备包括感应加热头1、感应加热电源2、液压缸3、红外测温装置4、机械臂5和控制中心6；
所述感应加热头1包括感应输出装置7、感应线圈8、金属加热板9、压力传感器10、支撑柱11；所述压力传感器10固定于感应输出装置7，支撑柱11 固定在压力传感器10上，金属加热板9和支撑柱11固定连接；所述感应线圈8 安装在感应输出装置7的输出端，并在交变电流的作用下产生交变磁场使得金属加热板9生热；
所述液压缸3固定在机械臂5前端，感应加热头1与液压缸3连接，在液压缸3的作用下，感应加热头1可同时对修复区域施加热量和压力，控制中心6 根据压力传感器10所反馈的信号控制液压缸3进行调整至预设压力；
所述红外测温装置4测量修复区域温度，将数据传递给控制中心6，控制中心实时显示温度并以此调控输出的感应电流，实现修复区域的温度调控。
所述金属加热板9采用不锈钢制成，外层包裹着一层耐温箔，防止修补材料和金属加热板粘连，一般呈圆盘状。
所述感应线圈8采用铜制材料制成，常采用盘式线圈，直径小于金属加热板直径。
所述支撑柱11由绝缘材料制成，包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷。
一种基于感应生热的热塑性复合材料修复方法，其特征在于：通过感应加热装置产生高频变化的磁场，并利用感应电流加热金属板，在外加压力的作用下使得被加热的金属板紧压于热塑性复合材料构件修复区域，实现对修复区域的加热与加压。由于热塑性复合材料的基体树脂可二次熔融成型，随着温度的升高，树脂由原本的固态变为粘流态，并在压力的作用下缓慢变形，逐渐趋于平整。最后维持压力至冷却，达到修复热塑性复合材料的目的。
本发明的有益效果：
本发明设计的基于感应加热的热塑性复合材料修复设备能够实现热塑性复合材料快速修复，相比于机械连接，其修复结构重量轻，抗剥离性强，相比于胶接修复，其质量更加稳定可靠；同时该设备不仅可以用于连接补片修复较大型损伤，还可以用于修复小型和目视不可见的损伤，例如浅层裂口、分层等；在进行补片修复时，该设备在不内置感应元件的情况下使得修复过程中界面受热均匀，提高修复件的耐腐蚀性能和使用寿命；此外，该设备可自动测定修复区域温度和压力并且通过自动调节感应电流和压力大小来使得修复区域的温度和压力处于合适的范围，具有修复参数实时监控，自动化控制，修复效率高、修复质量好等优点。
附图说明
图1为基于感应加热的热塑性复合材料修复设备的结构示意图；
图2为感应加热头的结构示意图；
其中，1、感应加热头；2、感应加热电源；3、液压缸；4、红外测温装置； 5、机械臂；6、控制中心；7、感应输出装置；8、感应线圈；9、金属加热板； 10、压力传感器；11、支撑柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本发明的基于感应生热的热塑性复合材料修复设备包括感应加热头1、感应加热电源2、液压缸3、红外测温装置4、机械臂5和控制中心6。
感应加热头1包括感应输出装置7、感应线圈8、金属加热板9、压力传感器10、支撑柱11；感应线圈8安装在感应输出装置7的输出端，并在交变电流的作用下产生交变磁场使得金属加热板9生热；压力传感器10固定于感应输出装置7，支撑柱11固定在压力传感器10上，金属加热板9和支撑柱11固定连接；液压缸3固定在机械臂5前端，感应加热头1与液压缸3连接，液压缸3对感应加热头1施加修复压力，感应加热头1中的压力传感装置10将实际压力反馈给控制中心6，控制中心6再调控液压缸3，实现闭环控制。
红外测温装置4测量修复区域温度，将数据传递给控制中心，控制中心实时显示温度并以此调控输出的感应电流，实现修复区域的温度调控。
实施例一
本实施例中以热塑性复合材料蒙皮受冲击产生的损伤区域为例，详细介绍用该设备对损伤区域进行挖补修复的过程，具体步骤如下：
第一步，去除蒙皮上的破损材料，加工成直径为4cm、深度为3mm的孔洞，并将修补斜面打磨成光滑斜面，然后用丙酮溶液对待修补区域进行清洗，清洗打磨产生的杂质，最后用风机对待修补区域表面进行干燥处理；
第二步，明确所需补片材料的纤维、树脂种类、纤维结构等信息，确定修复工艺温度；根据挖补孔的大小确定补片的层数以及尺寸，并将其铺设在待修补区域；
第三步，根据补片的尺寸确定金属加热板直径为5cm和感应线圈直径为3cm，同时确定好感应线圈和金属加热板之间距离为4mm；
第四步，控制机械臂使感应加热头与修补区域紧贴，液压缸施加预设压力，压力传感器反馈实际压力，控制中心继续调整使得俩支撑柱压力相等切等于预设压力值；
第五步，打开感应加热电源，红外测温仪位于平台一侧，对准修复区域，将数据返回控制中心，控制中心根据返回数据控制感应电流大小，将修复区域温度控制在合适范围，确保树脂熔化的同时不发生分解；
第六步，待10到15分钟后，关闭感应加热电源，等设备和修复构件自然冷却后，关闭液压缸，操控机械臂移开感应加热头。
实施例二
本实施例中以热塑性复合材料平板表层裂纹为待修补缺陷，具体步骤如下：
第一步，首先确定修复工艺参数，查阅待修补复合材料的热变形温度和树脂的流动温度与热分解温度，确定合适的温度范围。
第二步，选取和裂纹尺寸相近的金属加热板，确定合适的感应线圈以及线圈与金属加热板之间的距离。
第三步，打开感应加热电源以及红外测温装置，确定金属加热板温度已加热至合适温度且温度分布均匀后，控制机器人使得金属加热板紧贴在裂纹区域。
第四步，2分钟后，开启液压缸施加压力，控制中心根据反馈回来的实际压力控制液压缸进行调整至预设压力。
第五步，10分钟后，关闭感应加热电源。等待热塑性复合材料平板自然冷却，关闭液压缸并移开感应加热头。
显然，本发明的上述实施例仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于感应生热的热塑性复合材料修复设备，其特征在于：该设备包括感应加热头(1)、感应加热电源(2)、液压缸(3)、红外测温装置(4)、机械臂(5)和控制中心(6)；
所述感应加热头(1)包括感应输出装置(7)、感应线圈(8)、金属加热板(9)、压力传感器(10)、支撑柱(11)；所述压力传感器(10)固定于感应输出装置(7)，支撑柱(11)固定在压力传感器(10)上，金属加热板(9)和支撑柱(11)固定连接；所述感应线圈(8)安装在感应输出装置(7)的输出端，并在交变电流的作用下产生交变磁场使得金属加热板(9)生热；
所述液压缸(3)固定在机械臂(5)前端，感应加热头(1)与液压缸(3)连接，在液压缸(3)的作用下，感应加热头(1)可同时对修复区域施加热量和压力，控制中心(6)根据压力传感器(10)所反馈的信号控制液压缸(3)进行调整至预设压力；
所述红外测温装置(4)测量修复区域温度，将数据传递给控制中心(6)，控制中心实时显示温度并以此调控输出的感应电流，实现修复区域的温度调控。
2.根据权利要求1所述的一种基于感应生热的热塑性复合材料修复设备，其特征在于：所述金属加热板(9)采用不锈钢制成，外层包裹着一层耐温箔，防止修补材料和金属加热板粘连，一般呈圆盘状。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料感应修复设备，其特征在于：所述感应线圈(8)采用铜制材料制成，常采用盘式线圈，直径小于金属加热板直径。
4.根据权利要求1所述的一种基于感应生热的热塑性复合材料修复设备，其特征在于：所述支撑柱(11)由绝缘材料制成，包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷。
5.一种基于感应生热的热塑性复合材料修复方法，其特征在于：通过感应加热装置产生高频变化的磁场，并利用感应电流加热金属板，在外加压力的作用下使得被加热的金属板紧压于热塑性复合材料构件修复区域，实现对修复区域的加热与加压。由于热塑性复合材料的基体树脂可二次熔融成型，随着温度的升高，树脂由原本的固态变为粘流态，并在压力的作用下缓慢变形，逐渐趋于平整。最后维持压力至冷却，达到修复热塑性复合材料的目的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220812 |