CN115648665A - 一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法及实施装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法及实施装置,实施装置包括激光光源、反光镜片和激光透镜;激光光源上设置有激光发射头,其中位于中间的激光发射头与复合材料拉挤型材预浸料对应,位于两边的激光发射头对应两个反射镜片,使得三条激光从复合材料拉挤型材预浸料三个方向均匀照射;每个激光发射头前方设置有一个激光透镜,本发明的激光光源发射出的激光束,其光斑面积越来越大,光斑照射到复合材料拉挤型材预浸料上的光斑面积大于激光光源窗口处光斑面积的十倍以上;光斑为长条形,长度大于宽度的100倍;光斑为长条形,长度方向与复合材料拉挤型材预浸料运行方向一致,并且激光光斑完全照射到复合材料拉挤型材预浸料上。
Description
技术领域
本发明涉及激光加热领域、空间光调制器领域,具体涉及一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法及实施装置。
背景技术
纤维增强复合材料(简称FRP)是由增强纤维材料,如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等,与基体树脂材料经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。FRP材料具有很好的耐腐蚀性、高比强度和耐疲劳性好等优点,广泛的运用于各个领域。但是在FRP制备过程中,影响其品质的关键性因素为热固化工艺。
FRP材料能够通过选择合适的纤维和树脂、调整各组份材料的比例含量、确定纤维的铺设角度以及选择恰当的成品加工方法来满足使用者对材料的刚度、强度等方面的要求,基体树脂需要在一定温度下,加入硬化剂后发生化学交联才会硬化。基于此,FRP材料越来越多的被应用于土木工程领域,FRP筋材为了增加与混凝土的结合力,外圆柱面必须呈粗糙的螺旋形,一般采用非接触式加热方法,现多以隧道炉进行远红外与对流并存的加热方法。
激光应用于材料加工领域由来已久,包括激光焊接、激光切割、激光3D打印等。在材料加工过程中,利用激光的高能量密度,通过透镜组等进一步聚光,获得激光投射点处足以熔融、烧蚀甚至气化被加工材料的极高能量密度和温度。之所以需要通过透镜组等进一步聚光,是因为激光发生器本身并不能承受较高的温度,需要在激光发生器内布置水冷管路,并连接到激光发生器外配套的水冷机组,水冷机组具有自动设置温度和自动控温功能,以此措施,保证激光发生器在一个较低的温度下工作,不会瞬间烧毁,并延长昂贵的激光发生器的使用寿命和获得较低的输出功率衰减。
这样,就出现了激光发生器温度远低于激光投射点处温度的需求,但是,激光投射点处获得的激光功率必然小于激光发生器发射出的激光功率,透镜组等聚光组件的作用就是通过对激光发生器窗口发射出的激光束进行聚光,以减小激光投射点处激光光斑面积的方法,获得激光投射点处极高的激光功率密度(单位面积上的激光功率,下同),这一功率密度远大于激光发生器窗口发射出的激光束的功率密度,即:聚光。
激光技术应用于树脂基复合材料加工领域,一般是激光切割,即对已经制备好的复合材料坯体,将其边缘按着设计切割成型,这种应用需要的温度较高,切口往往越窄越好,所以,往往需要透镜组等聚光组件对激光发生器窗口发射出的激光束进行聚光,并且激光投射点要尽量接近激光束的焦点。
现有中有隧道炉进行远红外加热的方法。该方法的工艺流程为:玻璃纤维首先进入树脂胶槽,在充分浸渍树脂后,通过合束盘和缠绕机使筋材接近产品形状,每条FRP材料拉挤生产线前后直线设置若干节隧道炉,隧道炉内安置多根石英管,通电后,每根石英管均向周边360°方向辐射红外射线,但仅有一小部分投射到FRP筋材上。由于技术一方法仅有一小部分投射到FRP材料上,导致辐射传热效率低,另一方面又由于隧道炉两端和下方完全敞开,热空气大量对流散失,对流传热效率低下,因此隧道炉固化FRP材料性能波动大且难以控制,容易导致实际固化后的FRP筋材强度过于分散(500MPa~1050MPa),设计时只能采纳强度下限,严重影响使用效果;再有,固化过程中隧道炉敞开式的状态,挥发污染物的收集与处理方面也面临着待处理废气量大、污染物浓度高、处理过程能耗高、总体除净率低等环保问题。
发明内容
针对上述问题,本发明提出了一种相位型空间光调制器的全局相位标定装置及方法。本发明标定装置结构简单,易于搭建;能实现自参考干涉,具有良好的机械稳定性,可获得稳定的干涉条纹;在空间光调制器上加载整体灰度图而不是划分区域,能实现全局相位标定。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法及实施装置,其步骤是:
步骤a,设计激光光源所输出激光光斑的形状;光斑为长条形;光斑的长度为宽度的100倍。
步骤b,设计激光光源发射点前端设置透镜;
步骤c,设置反光元件;两个反光元件和激光光源将复合材料拉挤型材预浸料从三个均匀布置的点处进行环绕;
步骤d,激光光源的照射长度方向与复合材料拉挤型材预浸料运行方向一致布置,使激光光斑70%以上照射到复合材料拉挤型材预浸料上。
一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法的实施装置,包括:激光光源、反光镜片和激光透镜;
所述激光光源上设置有三个平行设置的激光发射头,其中位于中间的激光发射头与复合材料拉挤型材预浸料对应,位于两边的激光发射头对应两个镜片,所述镜片为反射镜片,两个镜片分别位于复合材料拉挤型材预浸料的两斜方位置;使得三条激光从复合材料拉挤型材预浸料三个方向均匀照射;
每个激光发射头前方设置有一个激光透镜,所述激光透镜安装在激光光源前端。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
(1)本发明的激光光源发射出的激光束,其光斑面积越来越大,光斑照射到复合材料拉挤型材预浸料上的光斑面积大于激光光源窗口处光斑面积的十倍以上;
(2)本发明的激光照射到复合材料拉挤型材预浸料上的光斑为长条形,长度大于宽度的100倍;
(9)本发明的激光照射到复合材料拉挤型材预浸料上的光斑为长条形,长度方向与复合材料拉挤型材预浸料运行方向一致,并且激光光斑完全照射到复合材料拉挤型材预浸料上。
附图说明
图1为一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法的实施装置的示意图。
图2为隧道窑加热和红外激光加热GFRP筋材抗拉强度对比图;其中(a)-(d)8mm、10mm、12mm和 16mm直径隧道窑加热和红外激光辐射加热GFRP筋材抗拉强度柱状图;(e)隧道窑加热和红外激光加热GFRP 筋材抗拉强度与直径折线图;(f)隧道窑加热和红外激光加热GFRP筋材不同直径抗拉强度方差折线图。
图3为隧道窑加热和红外激光加热GFRP筋材剪切强度对比图:其中(a)-(d)分别对应8mm、10mm、 12mm和16mm直径隧道窑加热和红外激光辐射加热GFRP筋材剪切强度柱状图;(e)隧道窑加热和红外激光加热GFRP筋材剪切强度与直径折线图;(f)隧道窑加热和红外激光加热GFRP筋材不同直径剪切强度方差折线图。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明进行详细说明。有必要在此指出的是,以下实施例只用于本发明做进一步的说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整,仍属于本发明的保护范围。
利用激光热效应,激光能量使待加工的拉挤型材预浸料复合材料获得升温,以获得复合材料中的热塑树脂熔融黏结或热固树脂发生交联反应而固化。这种应用需要的温度主要取决于树脂,过高的温度会使高分子树脂变性甚至碳化分解,因此温度不能高,但要照顾到两点:其一是热塑树脂熔融黏结或热固树脂发生交联反应需要一定的时间;其二是复合材料本身有一定的厚度,在特定方向激光照射下,材料由表面到内部的温度变化取决于多种因素,包括投射深度χ、吸收系数α和散射系数S,如果入射激光能量密度为 I0,则深度χ处得到的激光能量密度为:I=I0e-(α+S)x。越深处得到的激光能量越少,这种现象将导致激光照射方向上材料内部出现递减温度梯度,使厚度稍大的预浸料不同深度处难以同步获得所需的固化温度。
所以,本发明的应用要求激光光源发射出的激光束,其光斑面积越来越大、能量密度越来越小(即:散光),照射范围变大。
对于复合材料拉挤型材预浸料上的任意一点来说:激光光斑的持续照射时间必须适当长,此时,光热转化效应会带来材料表面和内部的温度升高效应,虽然距离表面越深处获得的激光能量不可避免地会偏少,但持续的激光照射将通过热扩散的作用,使筋材表面和芯部的温度趋于一致,最终获得的筋材性能得到保证。
本发明提供了一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法及实施装置,其步骤是:
步骤a,设计激光光源所输出激光光斑的形状;这样就能在扫描速度一定的情况下,通过改变激光输出器所输出激光光斑的长度和宽度,来增加复合材料拉挤型材预浸料上任一点被激光照射的时间,从而增加了热扩散时间,实现预浸料层内部温度的均匀化;激光光源发射出的激光束,其光斑面积越来越大,光斑照射到复合材料拉挤型材预浸料上的光斑面积大于激光光源窗口处光斑面积的十倍以上;激光照射到复合材料拉挤型材预浸料上的光斑为长条形,长度大于宽度的100倍;激光照射到复合材料拉挤型材预浸料上的光斑为长条形,长度方向与复合材料拉挤型材预浸料运行方向一致,并且激光光斑70%以上照射到复合材料拉挤型材预浸料上。
步骤b,设计激光光源发射点前端设置透镜;
步骤c,设置反光元件;两个反光元件和激光光源将复合材料拉挤型材预浸料从三个均匀布置的点处进行环绕;
步骤d,激光光源的照射长度方向与复合材料拉挤型材预浸料运行方向一致布置,使激光光斑70%以上照射到复合材料拉挤型材预浸料上。
请参阅图1,一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法的实施装置,包括:激光光源、反光镜片和激光透镜;
所述激光光源上设置有三个平行设置的激光发射头,其中位于中间的激光发射头与复合材料拉挤型材预浸料对应,位于两边的激光发射头对应两个镜片,所述镜片为反射镜片,两个镜片分别位于复合材料拉挤型材预浸料的两斜方位置;使得三条激光从复合材料拉挤型材预浸料三个方向均匀照射;
每个激光发射头前方设置有一个激光透镜,所述激光透镜安装在激光光源前端。
在批量生产玻璃纤维增强树脂复合材料筋材的结果表明:(1)隧道窑加热条件下生产出的8mm直径筋材抗拉强度在900MPa左右,激光照射下生产出的8mm直径筋材抗拉强度在1200Mpa左右,激光加热方式下性能提高了将近30%左右。隧道窑生产的10mm直径强度在850MPa左右,激光照射下生产的10mm 直径强度在1170MPa左右,激光加热方式下性能提高了30%左右。隧道窑生产的12mm直径强度在850MPa 左右,激光照射下生产的12mm直径强度在1090MPa左右,激光加热方式下性能提高了25%左右。隧道窑生产的16mm直径强度在780MPa左右,激光照射下生产的16mm直径强度在930MPa左右,激光加热方式下性能提高了20%左右。具体如表1和图2所示:
表1激光辐射加热和隧道窑加热GFRP筋材抗拉强度数据
隧道窑加热条件下生产出的8mm直径筋材剪切强度在450MPa左右,激光照射下生产出的8mm直径筋材抗拉强度在470Mpa左右,激光加热方式下性能提高了将近4.4%左右。隧道窑生产的10mm直径强度在 440MPa左右,激光照射下生产的10mm直径强度在460MPa左右,激光加热方式下性能提高了4.5%左右。隧道窑生产的12mm直径强度在400MPa左右,激光照射下生产的12mm直径强度在430MPa左右,激光加热方式下性能提高了7.5%左右。隧道窑生产的16mm直径强度在350MPa左右,激光照射下生产的16mm 直径强度在400MPa左右,激光加热方式下性能提高了14.2%左右。具体如表2和图3所示:
表2激光辐射加热和隧道窑加热GFRP筋材剪切强度数据
能耗方面,理论计算与实际在线研究均表面:隧道窑生产线能量利用率在5%~10%之间,激光照射下生产线能量利用率在15%~20%之间,节能降耗效果明显。
Claims (4)
1.一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法及实施装置,其特征在于,其步骤是:
步骤a,设计激光光源所输出激光光斑的形状;
步骤b,设计激光光源发射点前端设置透镜;
步骤c,设置反光元件;两个反光元件和激光光源将复合材料拉挤型材预浸料从三个均匀布置的点处进行环绕;
步骤d,激光光源的照射长度方向与复合材料拉挤型材预浸料运行方向一致布置,使激光光斑70%以上照射到复合材料拉挤型材预浸料上。
2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的全局相位标定装置,其特征在于:所述光斑为长条形。
3.根据权利要求2所述的基于空间光调制器的全局相位标定装置,其特征在于:所述光斑的长度为宽度的100倍。
4.一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法的实施装置,其特征在于,包括:激光光源(1)、反光镜片(5)和激光透镜(3);
所述激光光源(1)上设置有三个平行设置的激光发射头,其中位于中间的激光发射头与复合材料拉挤型材预浸料(4)对应,位于两边的激光发射头对应两个镜片(5),所述镜片(5)为反射镜片,两个镜片(5)分别位于复合材料拉挤型材预浸料(4)的两斜方位置;使得三条激光从复合材料拉挤型材预浸料(4)三个方向均匀照射;
每个激光发射头前方设置有一个激光透镜(3),所述激光透镜(3)安装在激光光源(1)前端。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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