CN115476555A - 一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置 - Google Patents

Abstract

一种纤维金属层板的铺层‑检测功能一体化智能装置，以纤维金属层板为研究对象，耦合了纤维金属层板自动化铺层与红外缺陷检测方法，因此针对复杂形状纤维金属层板零件，可以实现快速自动化铺层和缺陷检测，突破了传统铺层工艺周期长，缺陷多，质量无法保证等缺点，结合数字化温度场分析补偿技术，实现对铺层孔隙缺陷和材料分布不均匀位置的准确识别。铺层后的层板，层间结合强度高，缺陷少，为得到质量轻、高强度、高刚性、综合力学性能优良的纤维金属层板提供保障，对纤维金属层板零部件在航空航天、轨道交通等领域推广应用具有重大意义。

Description

一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置

技术领域

本发明属于多功能异质材料成形技术领域，特别是涉及一种基于纤维金属层板铺层与红外缺陷检测技术耦合的复合技术。

背景技术

由于复合材料具有比强度大、比模量高、耐高温、耐腐蚀、易于设计等优良特性，被广泛应用航空航天等领域。目前，复合材料在客机中使用量占比最高已经可以达到60％，而我国国产大型C919客机复合材料使用量仅为飞机机构重量的12％，所以复合材料在我国航空航天领域拥有着极大的应用潜力。

随着各领域对轻量化、高性能的不断需求，复合材料由于其优异的性能，是未来航空航天、汽车等领域的重点研究方向。但是传统纤维复合材料由于材料本身属性限制，抗冲击性能远低于金属件，限制了其在相关领域的应用。而由树脂基纤维和薄铝合金交替铺层的一种混杂结构材料弥补了单一复合材料的不足，该材料兼具金属和先进复合材料优势，具备极高的疲劳强度和损伤容限，同时还具备较大的减重潜力，在未来的航空航天、轨道交通和汽车高新技术领域具有广阔的应用前景。

但是，纤维金属层板由金属和纤维复合材料复合而成，制备过程中涉及多项关键技术，其中限制其推广应用的主要因素在于材料成本高、自动化程度低、产品周期长等。在铺层环节，由于受工件形状限制，传统工艺中采用人工铺层，一方面铺层效率极低，第二方面铺层质量无法保证，影响成品质量，无法实现批量化生产，极大的限制了纤维金属层板的推广应用。因此，如何实现自动化铺层，并实现对铺层质量检测，对于纤维金属层板的进一步推广应用具有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置，突破纤维金属层板铺层工艺对纤维金属层板质量和应用的限制，根据产品结构和尺寸要求，适用于复杂形状纤维金属复合层板铺层和铺层质量检测优化，将纤维金属复合层板机械铺层工艺、红外缺陷检测、铺层表面温度场补偿分析集成，实现纤维预浸料机械铺层、红外质量检测和铺层缺陷去除，最终达到材料分布均匀一致，层板与预浸料高结合强度，减少铺层缺陷，提高铺层质量，有效保障纤维金属层板结构件质量。

为了达到上述目的，本发明提供的一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置按顺序包括如下步骤：

1)首先，制备符合产品设计要求的铝合金板件，该铝合金板件可根据产品性能需求，采用2系、6系、7系铝合金，可利用冲压、充液成形、热成形工艺成形，后经固溶-快速淬火-人工时效的连续热处理，使铝合金板材件组织中强化相最大程度地析出和均匀分布；并进行表面化学处理(丙酮清洗、阳极氧化)，获得钝化的表面状态，增大金属层与纤维增强复合材料的结合强度，获得材料性能、表面状态，铝合金板材件，铝合金层板性能和表面质量需达到产品设计要求；将铝合金板件置于自动化铺层-检测装置，自动化铺层-检测装置由3个单元组成，包括运动单元、功能单元和数据分析单元，运动单元为5轴联动机械桁架结构，可以实现复杂形状零部件自动化铺层；功能单元将机械铺层压头装置与红外探测装置集成，可以在铺层的同时利用红外检测实现铺层质量同步检测，当铺层材料分布不均匀或存在孔隙缺陷时，铺层导热能力不同，导致铺层表面温度场分布不同，热红外缺陷检测装置通过采集铺层表面温度场信息，可以识别孔隙的分布位置；数据分析单元可以将红外检缺陷测装置收集孔隙缺陷数据进行存储、分析、识别和补偿，并生成轨迹路径，实现自动化铺层；为避免铝合金板件对铺层质量检测的影响，采用红外缺陷探测装置采集铝合金表面数据，并储存在数据分析单元，用于后续铺层质量分析补偿，提高铺层质量分析精度。

2)完成步骤1)铝合金板材件表面温度分布扫描后，根据产品性能要求和纤维预浸料铺层方案，将剪裁好的纤维预浸料放于铝合金板材件上；选择纤维预浸料需考虑纤维预浸料的选型、编织方式、铺层角度和铺层厚度，针对单向纤维预浸料，沿着纤维方向，材料抗拉强度最大，因此通常采取多层和各方向交叉铺放相结合的方案，针对纤维预浸料织物，又分为正交编织与斜纹编织两种，材料呈现各向异性，通常采取单层铺放的技术方案；将铺层相关参数输入数据分析单元，根据参数设置铺层路线，根据数据单元铺层轨迹，完成纤维预浸料铺层，并收集铺层表面孔隙缺陷信息，用以后续缺陷识别。

3)完成步骤2)第一次铺层和铺层表面孔隙缺陷信息收集后，将铺层表面孔隙分布数据上传至数据分析单元，通过将预浸料不同位置温度分布与铺层前工件表面温度分布进行比较，并进行数据补偿，获得实际铺层孔隙缺陷分布，针对这些位置，规划二次自动化辊压路线，进行二次铺层，最终实现铺层材料均匀分布和缺陷去除，铺层压力、铺层方向、铺层温度是影响铺层质量的关键参数，优化铺层轨迹并针对性机械压实消除缺陷，既能保证纤维层与纤维层、纤维层与金属层之间的连接质量，从而实现铺层材料间的高结合强度，同时又能保证铺层材料分布均匀，减少铺层缺陷，从而提高固化后纤维金属层板的强度和刚度。

4)根据产品设计要求，重复步骤2)和步骤3)，重复铺层预浸料和铝合金板件，根据实际工件形状要求和工况，可以选择不同的功能选项，可以同时进行铺层和红外检测，铺层时间会大大缩短，适合于简单零部件，或者在完成铺层后在对铺层质量进行检测，检测质量更高，铺层缺陷更少，适合于复杂形状或者质量要求较高的零部件，最终实现完整纤维金属层板铺层。

本发明提供的一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置，利用自动化铺层高效和红外波无损探伤特性，将自动化铺层技术和红外缺陷探测技术相结合，目的在于突破传统铺层工艺无法应用于复杂形状、效率低，铺层质量差，检测准确性差等限制，可以适用于复杂形状纤维金属层板铺层，实现铺层材料均匀分布、减少铺层缺陷，为成形强度更高、刚度更高、重量更轻的纤维金属层板提供保障。

定义为：首先，该工艺采用的自动化铺层-检测装置由3个单元组成，包括运动单元、功能单元和数据分析单元；运动单元采用5轴联动，可以实现复杂形状工件铺层，功能单元将机械铺层装置和红外缺陷检测装置集成，可以实现铺层和质量检测同步进行，数据分析单元可以及时存储铺层表面孔隙缺陷分布信息，并与上一层对比分析，补偿调控，确定铺层不均匀处和缺陷处，并针对性规划修复路径，进行二次辊压；该装置实现复杂工件自动化铺层，并有效提高红外缺陷质量检测，可以针对性进行铺层修复和缺陷去除，实现铺层均匀化和低缺陷。

针对纤维金属层板铺层效率低、质量检测准确性差的问题，通过自动化铺层和红外缺陷检测一体化集成的研究，可突破传统铺层工艺的限制，通过五轴联动实现复杂工件铺层，并采用红外缺陷检测装置实现对铺层质量的同步精确检测，利用铺层前后工件表面温度场分布分析对比，补偿铺层后铺层表面温度场分布，增强铺层不均匀和缺陷位置识别能力，合理规划铺层轨迹，有效提高铺层质量，为获得强度更高、刚性更高、密度更轻的航空航天产品，提供有力支撑。

附图说明

图1为本发明提供的一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置技术路线图；

图2为本发明提供的一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置原理示意图。

图中：1-铝合金板件，2-自动化铺层-检测装置，3-运动单元，4-功能单元，5-数据分析单元，6-压辊装置，7-液压装置(高度调节)，8-旋转装置(角度调节)，9-红外缺陷检测装置，10-预浸料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置过程进行详细说明。

如图1—图2所示，本发明提供的一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置包括按照顺序进行的下列步骤：

1)根据产品设计要求，将成形并经过热处理的铝合金板件1置于自动化铺层装置2上，自动化铺层-检测装置2由3个单元构成，包括运动单元3、功能单元4和数据分析单元5，运动单元3为五轴桁架结构，可以实现复杂曲面随形运动，功能单元4位于机械臂末端，由压辊装置6和红外缺陷检测装置9构成，压辊装置6可以按照生成轨迹对层板进行机械压实，红外缺陷检测装置9可以扫描获得铺层孔隙信息并及时上传进行数据分析，数据分析单元5可以通过输入零件数据生成路径信息，可以实现对红外缺陷检测装置9收集的铺层材料表面缺陷信息的比对、识别和存储，将铺层-检测装置2调整为“红外缺陷检测”功能选项，将铝合金板件1形状信息导入电脑，红外缺陷检测装置9按照生成轨迹对铝合金板件1进行扫描，可以获得铝合金板件1表面温度分布，并将温度分布数据储存在数据分析单元5中，用于后续铺层缺陷检测补偿；

2)完成步骤1)铝合金板件1表面温度分布数据收集后，将预先剪裁好的纤维预浸料10置于铝合金板件1上，纤维预浸料根据部件性能需要，可以采用碳纤维、玻璃纤维，树脂可以采用环氧树脂、酚醛树脂，装置调整为“铺层+红外缺陷检测”功能选项，根据工件形状，在功能单元4装配合适的压辊，并设置铺层压力、铺层速度，运动单元3按照生成轨迹进行自动化铺层，在铺层的同时进行红外检测，即时收集纤维预浸料孔隙缺陷信息，用于后续缺陷识别；

3)完成步骤2)第一次铺层，数据分析单元5将预浸料不同位置孔隙分布整合为整个工件的铺层后孔隙分布，和铺层前铝合金板件1表面信息作比较，进行补偿，获得铺层真实孔隙分布，针对铺层质量较差的部分，通过更改铺层压力、铺层角度，针对性进行二次自动化压实；

4)根据产品设计要求，重复进行步骤2)和步骤3)，重复铺层预浸料和铝合金板料，铺层过程中可以根据产品形状复杂程度和质量要求，采用“铺层+红外缺陷检测”功能选项，或者先铺层后检测的“铺层”+“红外缺陷检测”模式，经过多次铺层后，完成纤维金属复合层板高质量自动化铺层，为获得良好纤维金属层板提供质量保障。

Claims (5)

1.一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置，其特征在于：所述的纤维金属层板自动化铺层与红外缺陷检测一体化耦合铺层过程包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据产品设计要求，将成形并经过热处理的铝合金板件1置于自动化铺层装置2上，自动化铺层-检测装置2由3个单元构成，包括运动单元3、功能单元4和数据分析单元5，运动单元3为五轴桁架结构，可以实现复杂曲面随形运动，功能单元4位于机械臂末端，由压辊装置6和红外缺陷检测装置9构成，压辊装置6可以按照生成轨迹对层板进行机械压实，红外缺陷检测装置9可以扫描获得铺层孔隙信息并及时上传进行数据分析，数据分析单元5可以通过输入零件数据生成路径信息，可以实现对红外缺陷检测装置9收集的铺层材料表面缺陷信息的比对、识别和存储，将铺层-检测装置2调整为“红外缺陷检测”功能选项，将铝合金板件1形状信息导入电脑，红外缺陷检测装置9按照生成轨迹对铝合金板件1进行扫描，可以获得铝合金板件1表面温度分布，并将温度分布数据储存在数据分析单元5中，用于后续铺层缺陷检测补偿；

2)完成步骤1)铝合金板件1表面温度分布数据收集后，将预先剪裁好的纤维预浸料10置于铝合金板件1上，纤维预浸料根据部件性能需要，可以采用碳纤维、玻璃纤维，树脂可以采用环氧树脂、酚醛树脂，装置调整为“铺层+红外缺陷检测”功能选项，根据工件形状，在功能单元4装配合适的压辊，并设置铺层压力、铺层速度，运动单元3按照生成轨迹进行自动化铺层，在铺层的同时进行红外检测，即时收集纤维预浸料孔隙缺陷信息，用于后续缺陷识别；

3)完成步骤2)第一次铺层，数据分析单元5将预浸料不同位置孔隙分布整合为整个工件的铺层后孔隙分布，和铺层前铝合金板件1表面信息作比较，进行补偿，获得铺层真实孔隙分布，针对铺层质量较差的部分，通过更改铺层压力、铺层角度，针对性进行二次自动化压实；

4)根据产品设计要求，重复进行步骤2)和步骤3)，重复铺层预浸料和铝合金板料，铺层过程中可以根据产品形状复杂程度和质量要求，采用“铺层+红外缺陷检测”功能选项，或者先铺层后检测的“铺层”+“红外缺陷检测”模式，经过多次铺层后，完成纤维金属复合层板高质量自动化铺层，为获得良好纤维金属层板提供质量保障。

2.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置，其特征在于：该纤维金属层板铺层-检测装置，将纤维预浸料铺层和铺层质量红外缺陷检测两个独立过程集成，针对不同结构特征的零件，可以在铺层的同时，实现对铺层质量的及时检测和反馈，并通过分析补偿，对铺层质量较差的位置进行再次压实，实现铺层材料整体均匀分布，提高铺层纤维预浸料与铝合金板料结合性能，提高铺层效率，解决传统铺层工艺材料分布不均匀、缺陷多、耗时长的缺点，有效保障纤维金属层板质量。

3.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置，其特征在于：该一体化铺层工艺中的铺层装置的红外检测装置可以实现角度和高度的调节，保证信号质量，增强对缺陷和材料分布不均匀的识别能力，提高铺层效率。

4.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置，其特征在于：可以根据工件形状特点和结构，采用不同的铺层和检测方式，针对简单工件，铺层与红外缺陷检测可以同时进行，在保证铺层质量的同时，大大缩短铺层制备时间，针对复杂形状工件，可以先铺层后检测，通过算法优化，在铺层质量较差位置，通过增加铺层压力，优化铺层方向和多次辊压，针对性改善铺层质量。

5.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板的铺层-检测功能一体化智能装置，其特征在于：采用数字化分析手段，该铺层工艺可以通过铺层前后表面温度场分布对比分析，通过对温度场进行补偿，从而获得当前铺层实际温度场分布，有利于缺陷识别，避免多层铺放导致误差累积，影响铺层质量。

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