一種去除纖維增強復合材料受損區的裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種去除受損纖維增強復合材料的裝置和方法，即用紅外納秒激光對纖維增強復合材料的受損區進行分層去除，最小分層厚度可以達到0.5mm，為補片的貼補做好準備。利用分層貼補可以增大結合表面積，進一步增強復合材料的貼補強度。具體過程是利用紅外納秒脈沖激光通過光學聚焦系統將激光束聚焦為0.1mm到1mm寬，10-30mm的長的線聚焦光斑，并達到材料去除的能量閾值，通過高速精密三軸移動平臺實現快速掃描，最高速度可以達到10cm/s，從而實現纖維復合材料損傷區精確分層去除的目的，最終實纖維增強復合材料的修復。本發明具有分層去除、無纖維拔出、自動化程度高、日常維護簡單、環保以及方便快捷等優點，可應用于飛機、汽車及風力發電裝備的復合材料修復過程。
【專利說明】一種去除纖維增強復合材料受損區的裝置和方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及激光復合材料加工、修復等【技術領域】，特別涉及一種用于纖維增強復合材料包括玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料等的修復過程中，損傷區材料分層去除的方法。

【背景技術】
[0002]近年來全球高性能纖維及復合材料產業蓬勃發展，整個行業的總產值已超過3000億美元并保持每年5-8%的強勁增長，正成為支撐全球經濟快速發展的戰略中堅力量。特別在飛機機身、復合材料車身、風電葉片和裝備上得到廣泛應用，具有輕量化、高強度，一體化成形等有點。纖維增強復合材料大量運用的同時，其修復問題就成為了制約纖維增強復合材料廣泛應用的制約因素。
[0003]目前典型的纖維增強復合材料挖補修復法主要步驟有:1)損傷區域機械加工預處理；2)手工玻璃纖維樹脂鋪層抹膠；3)玻璃纖維樹脂后期固化；4)表面涂層。目前的復合材料挖補方法需要利用機械刀具(鉆/銑/磨)去除葉片損傷區域。復合材料機械加工往往是破壞性的，帶來不必要的熱應力和機械應力，產生難以觀察到的隱藏的缺陷(subsurface defects)和材料分層破壞(composite layer delaminat1n),這些缺陷會對修復過程會留下致命隱患。
[0004]以風電葉片為例，新葉片成本，平均約200，000美元，約為一個風電裝置價格的15%-20%。風電葉片的預期使用壽命一般要達到15到20年才能夠收回成本并產生經濟效益。葉片損傷的來源包括在運輸和安裝時候的不當、雷擊、冰、熱循環、前和后緣侵蝕、疲勞、水分侵入和外物的影響。每個風力渦輪機必須承受風和沙粒的作用，因此，必須定期監控、維護和修復。在僅僅使用幾年后，通過檢查就發現了大量的問題，常見的葉片損壞表面開裂、空腔、侵蝕、表分層和嚴重的脫膠。如果沒有修理，損傷不斷積累，最終會導致災難性的事故。所以目前迫切需要研發出一種新穎的纖維增強復合材料損傷區去除的裝備和工藝方法。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提供一種去除纖維增強復合材料受損區的裝置和方法，以克服傳統機械去除方法存在的纖維拔出、容易導致新的微裂紋、加工質量不穩定、精度低和難以分層加工等缺點，使用高頻率的紅外納秒脈沖激光器對纖維增強復合材料的損傷區域進行分層去除，使得整個過程具有高效率、高精度去除等特點，從而最終實纖維增強復合材料的修復。
[0006]為了解決以上技術問題，本發明采用的具體技術方案如下:
一種去除纖維增強復合材料受損區的裝置，利用光路聚焦系統，使用紅外納秒高頻率的脈沖激光器，對纖維增強復合材料的受損區進行激光分層去除，其特征在于包括以下裝置:激光器(1)，同軸對光光源(2)，電動光閘(3)，圓片狀功率可調裝置(4)，45度全反射鏡(5)，柱面鏡(6)，等離子吹氣系統(7)，集塵系統(8)，三維高精度移動平臺(9)；
所述激光器(I)是紅外脈沖激光器；同軸對光光源(2)位于激光器(I)出光的光路的出光位置，用來進行對光和對準工件；電動光閘⑶位于同軸對光光源(2)的后方，用以控制光路的出光；光路中在電動光閘(3)旁設置圓片狀功率可調裝置(4)，可以進行激光功率的調整；激光束(16)經過45度全反射鏡(5)和柱面鏡(6)，并聚焦在待加工工件(10)上表面；三維高精度移動平臺(9)安裝在激光焦點正下方，確保焦點作用在工件表面；等離子吹氣系統(J)，集塵系統(8)分別固定安裝在三維高精度移動平臺(9)的兩側，用來收集加工粉塵。
[0007]所述激光器(I)為高頻率的，激光波長為1064nm，頻率ΙΚΗζ。
[0008]所述三維高精度移動平臺(9)為三軸運動方式，具體包含X方向、Y方向、Z方向，定位精度達0.1mm。
[0009]一種去除纖維增強復合材料受損區的方法，其特征在于包括以下步驟:
步驟一，清潔待加工工件(10)復合材料表面，并放置在激光焦點的正下方，且固定在三維高精度移動平臺(9)上；
步驟二，打開同軸對光光源(2)，并通過同軸對光光源(2)對準待加工工件(10)的加工位置，然后關閉同軸對光光源(2);
步驟三，根據損傷區域的大小和修補工藝，確定激光去除區域范圍和分層的層數； 步驟四，將去除區域和分層方案導入三維高精度移動工作臺中，三維高精度移動平臺
[9]把去除區域轉化為數字信號，并使得工作臺能按照設計圖形進行工作；
步驟五，先打開激光器(I)，然后打開電動光閘(3)，使三維高精度移動平臺(9)同步工作，激光束(16)經過45度全反射鏡(5)和柱面鏡(6)聚焦在在待加工工件(10)上，并完成損傷區域的去除；
步驟六，激光去除過程中，要同時打開等離子吹氣系統(7)和集塵系統(8)，確保激光去除產生的粉塵全部吸入集塵系統中；利用等離子風對材料去除中產生的對導電離子的極化作用，使得顆粒能快速聚集在集塵裝置中。
[0010]利用激光束經過45度全反射鏡(5)和柱面鏡(6)，實現光斑聚焦，形成線聚焦光斑，使得線光斑長度為10_30mm，焦點處能量達到去除材料的能量閾值。
[0011]所述待加工工件(10)為飛機機身、風電葉片或汽車車身中的任一種。
[0012]所述纖維增強復合材料為玻璃纖維增強復合材料或碳纖維增強復合材料。
[0013]本發明對所述復合材料的損傷區域分層去除，最小層厚可以達到0.5_。從而進一步提高修復層數，從而提高修復質量。
[0014]所述的去除方法是用于纖維增強復合材料修復過程中，損傷區去除和補片的準備。
[0015]本發明具有有益效果
1.本發明通過激光束代替傳統刀具，從而解決了傳統復合材料修復時損傷區去除過程中，機械加工帶來的纖維拔出和微裂紋等問題，提高修復質量；
2.本發明通過將激光器與高精度三維移動臺相結合，從而使得激光加工具有高度集成性，提高了設備自動化程度，高度便捷化操作。掃描精度高，速度較快，最高掃描速度達到10cm/s，生產效率高； 3.本發明通過將激光切削代替手工加工，加工過程完全自動化，人力資源少，日常維護簡單，適合在許多領域推廣；
4.本發明通過將激光切削代替手工加工，對加工材料具有廣泛適應性，適用于玻璃纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料；
5.本發明通過將光路系統固定，僅通過移動工作臺控制工件的移動，從而使得更換不同產品時，直接導入設計圖形即可進行加工，對不同產品具有廣泛適應性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明使用的系統裝置圖；
圖2為本發明復合材料修復過程示意圖；
圖3為本發明激光分層去除過程示意圖。
[0017]圖中:1激光器、2同軸對光光源、3電動光閘、4圓片狀功率可調裝置、5 45度全反射鏡、6柱面鏡、7等離子吹氣系統、8集塵系統、9三維高精度移動平臺、10待加工工件、11帶缺陷的材料、12分層去除后材料、13整體式補片、14分層式補片、15修復后材料、16激光束。

【具體實施方式】
[0018]下面對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0019]一種去除復合材料損傷區域的方法和裝置，即運用紅外脈沖激光分層去除復合材料的損傷區域，最終實現復合材料的分層去除。
[0020]如圖1所示，為本發明所使用的紅外納秒激光分層去除纖維增強復合材料受損區的裝置圖，同軸對光光源2，使得激光光軸與紅色指示燈光源在同一軸線上，保證后續光路具有可見光指導作用。激光器I發出的激光經過電動光閘3，此光閘可以控制外部激光的開關光，具體可以由軟件控制感應信號來控制電動光閘3的開啟和關閉，從而實現激光器I和同軸對光光源2的外部開關控制；電動氣動光閘3控制激光光束到達圓片狀功率可調裝置5后，激光能量可以實現一定范圍內可調，對不同分層厚度、不同纖維增強復合材料等去除具有很好的現實意義，光束到達45度全反射鏡6后，光路垂直向下，到達柱面聚焦射鏡11，可以形成線聚焦光斑。三軸移動平臺8及控制系統可以實現將掃描圖形轉化為數字信號，然后驅動待加工工件10運動，實現損傷區域的去除。加工的同時，平臺兩邊等離子吹氣系統8和同軸集塵系統10開始工作,復合材料去除時,小顆粒全部被收集。
[0021]圖2為本發明的復合材料修復過程，帶有缺陷的材料樣品11，經過激光分層去除加工形成分層去除樣品12。分層去除后，可以通過整體補片13或分層式補片14對損傷區進行貼補，最終形成修復后材料15。
[0022]圖3為本發明的激光分層去除過程，線聚焦的激光束16，根據設計掃描區域對復合材料進行分層去除。
[0023]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本領域的技術人員在本發明所揭露的技術范圍內，可不經過創造性勞動想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書所限定的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種去除纖維增強復合材料受損區的裝置，利用光路聚焦系統，使用紅外納秒高頻率的脈沖激光器，對纖維增強復合材料的受損區進行激光分層去除，其特征在于包括:激光器(1)，同軸對光光源(2)，電動光閘(3)，圓片狀功率可調裝置(4)，45度全反射鏡(5)，柱面鏡(6)，等離子吹氣系統(J)，集塵系統(8)，三維高精度移動平臺(9)； 所述激光器(I)是紅外脈沖激光器；同軸對光光源(2)位于激光器(I)出光的光路的出光位置；電動光閘(3)位于同軸對光光源(2)的后方；光路中在電動光閘(3)旁設置圓片狀功率可調裝置⑷；激光束(16)經過45度全反射鏡(5)和柱面鏡(6)，并聚焦在待加工工件(10)上表面；三維高精度移動平臺(9)安裝在激光焦點正下方；等離子吹氣系統(7)和集塵系統(8)分別固定安裝在三維高精度移動平臺(9)的兩側。
2.根據權利要求1所述的一種去除纖維增強復合材料受損區的裝置，其特征在于:所述激光器(I)為高頻率的，激光波長為1064nm，頻率ΙΚΗζ。
3.根據權利要求1所述的一種去除纖維增強復合材料受損區的裝置，其特征在于:所述三維高精度移動平臺(9)為三軸運動方式，具體包含X方向、Y方向、Z方向，定位精度達0.1mnin
4.根據權利要求1所述的一種去除纖維增強復合材料受損區的裝置的方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一，清潔待加工工件(10)復合材料表面，并放置在激光焦點的正下方，且固定在三維高精度移動平臺(9)上； 步驟二，打開同軸對光光源(2)，并通過同軸對光光源(2)對準待加工工件(10)的加工位置，然后關閉同軸對光光源(2); 步驟三，根據損傷區域的大小和修補工藝，確定激光去除區域范圍和分層的層數； 步驟四，將去除區域和分層方案導入三維高精度移動工作臺中，三維高精度移動平臺(9)把去除區域轉化為數字信號，并使得工作臺能按照設計圖形進行工作； 步驟五，先打開激光器(I)，然后打開電動光閘(3)，使三維高精度移動平臺(9)同步工作，激光束(16)經過45度全反射鏡(5)和柱面鏡(6)聚焦在在待加工工件(10)上，并完成損傷區域的去除； 步驟六，激光去除過程中，要同時打開等離子吹氣系統(7)和集塵系統(8)，確保激光去除產生的粉塵全部吸入集塵系統中；利用等離子風對材料去除中產生的對導電離子的極化作用，使得顆粒能快速聚集在集塵裝置中。
5.根據權利要求4所述的一種去除纖維增強復合材料受損區的方法，其特征在于:利用激光束經過45度全反射鏡(5)和柱面鏡(6)，實現光斑聚焦，形成線聚焦光斑，使得線光斑長度為10-30mm，焦點處能量達到去除材料的能量閾值。
6.根據權利要求4所述的一種去除纖維增強復合材料受損區的方法，其特征在于:所述待加工工件(10)為飛機機身、風電葉片或汽車車身中的任一種。
7.根據權利要求4所述的一種去除纖維增強復合材料受損區的方法，其特征在于:所述纖維增強復合材料為玻璃纖維增強復合材料或碳纖維增強復合材料。
【文檔編號】B23K26/36GK104384719SQ201410479170
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】丁華, 張智凱, 李克勤 申請人:江蘇大學