本發(fā)明屬于材料修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合材料損傷區(qū)域的激光去除裝置及其方法。

背景技術(shù)：

復(fù)合材料，特別是碳纖維復(fù)合材料，由于具有比強(qiáng)度和比模量高、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、可設(shè)計性強(qiáng)、抗疲勞性能優(yōu)以及耐腐蝕等優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

據(jù)申請人了解，傳統(tǒng)的修理方式為機(jī)械修理和挖補膠接修理。然而挖補膠接修理需要將損傷區(qū)域的復(fù)合材料去除，通常采用打磨的方式。但是由于復(fù)合材料為鋪層結(jié)構(gòu)，每層復(fù)合材料厚度基本在0.3mm以內(nèi)，傳統(tǒng)的機(jī)械打磨容易造成層間破壞，產(chǎn)生二次傷害，同時還會產(chǎn)生粉塵，不僅對操作人員身體造成傷害，還存在易引起爆炸的隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，損傷區(qū)域打磨去除效率低，去除過程中易造成層間破壞，同時打磨產(chǎn)生的粉塵會影響操作人員健康并易引起爆炸。

克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種復(fù)合材料損傷區(qū)域的激光去除裝置及其方法，利用復(fù)合材料中樹脂和碳纖維不同的裂解溫度，通過控制激光燒蝕溫度，先燒蝕樹脂，再去除殘留的碳纖維，從而實現(xiàn)復(fù)合材料損傷區(qū)域的可控去除。

本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案：

一種復(fù)合材料損傷區(qū)域的激光去除裝置，包括控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、氣流吹送系統(tǒng)以及設(shè)置于機(jī)器人機(jī)械臂上的激光器系統(tǒng)和光束傳輸系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)損傷區(qū)域形狀和厚度設(shè)置激光燒蝕路徑，控制機(jī)械臂使激光器系統(tǒng)沿設(shè)置的激光燒蝕路徑進(jìn)行去除，激光器系統(tǒng)包括激光諧振裝置和激光發(fā)射終端，激光諧振裝置產(chǎn)生的激光通過光束傳輸系統(tǒng)傳輸至激光發(fā)射終端；去除過程中圖像采集系統(tǒng)實時采集損傷區(qū)域的圖像信息，并將信息傳輸至控制系統(tǒng)，去除結(jié)束后氣流吹送系統(tǒng)通過氣管吹去燒蝕殘留的纖維組分。

本發(fā)明進(jìn)一步限定的技術(shù)方案是：還包括保護(hù)罩，保護(hù)罩的一面連接機(jī)械臂，保護(hù)罩的下端為可調(diào)節(jié)尺寸的耐高溫石英玻璃臺，其上端為耐高溫塑料膜。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，進(jìn)一步的，保護(hù)罩內(nèi)設(shè)置有零件臺，零件臺為可旋轉(zhuǎn)式，其下端具有可與之形成移動副的軌道。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，進(jìn)一步的，光束傳輸系統(tǒng)為傳能光纖，激光諧振裝置產(chǎn)生的激光通過光纖耦合系統(tǒng)聚焦后再導(dǎo)入傳能光纖內(nèi)，通過傳能光纖傳輸至激光發(fā)射終端。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，進(jìn)一步的，控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)激光器系統(tǒng)的參數(shù)為激光波長、脈沖寬度、重復(fù)頻率、單脈沖能量、平均功率。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，進(jìn)一步的，激光器系統(tǒng)的輸出功率為5w-2000w。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，進(jìn)一步的，激光器系統(tǒng)上設(shè)置有冷卻系統(tǒng)。

本發(fā)明還提供一種復(fù)合材料損傷區(qū)域的激光去除方法，包括如下步驟，

1）將零件放置于零件臺上，機(jī)械臂連接保護(hù)罩，開啟冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

2）根據(jù)復(fù)合材料中各成分的燒蝕閥值在控制系統(tǒng)中設(shè)置激光器系統(tǒng)的參數(shù)；

3）確定損傷區(qū)域形狀和厚度設(shè)置激光燒蝕路徑，控制系統(tǒng)控制機(jī)械臂帶動激光器系統(tǒng)沿?zé)g路徑進(jìn)行燒蝕去除；

4）圖像采集系統(tǒng)實時的采集損傷區(qū)域的圖像信息并傳輸至控制系統(tǒng)實時監(jiān)控；

5）去除結(jié)束后，啟動氣流吹送系統(tǒng)，吹去殘留的纖維組分。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，進(jìn)一步的，設(shè)置激光器系統(tǒng)的參數(shù)為激光波長、脈沖寬度、重復(fù)頻率、單脈沖能量、平均功率。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，進(jìn)一步的，激光器系統(tǒng)包括激光諧振裝置和激光發(fā)射終端，激光諧振裝置產(chǎn)生的激光通過光束傳輸系統(tǒng)傳輸至激光發(fā)射終端，光束傳輸系統(tǒng)為傳能光纖，激光通過光纖耦合系統(tǒng)聚焦后再導(dǎo)入傳能光纖內(nèi)。

總之，本發(fā)明采用激光高溫?zé)g的方式去除損傷區(qū)域，具體是根據(jù)復(fù)合材料中樹脂和碳纖維不同的裂解溫度，通過控制激光燒蝕溫度逐一去除，實現(xiàn)損傷區(qū)域自動化高效去除，有效防止去除過程中復(fù)合材料層間出現(xiàn)二次傷害，同時只產(chǎn)生裂解產(chǎn)物，不產(chǎn)生粉塵，避免對操作人員造成人身傷害和引起爆炸隱患。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種復(fù)合材料損傷區(qū)域的激光去除裝置的結(jié)構(gòu)示意框圖。

圖2是本發(fā)明的一種復(fù)合材料損傷區(qū)域的激光去除方法的流程示意圖。

圖3是本發(fā)明的實施例修理挖補俯視圖。

圖4是本發(fā)明的實施例修理挖補正視圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

請參閱圖1所示，本實施例提供的一種復(fù)合材料損傷區(qū)域的激光去除裝置，包括控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、氣流吹送系統(tǒng)以及設(shè)置于機(jī)器人機(jī)械臂上的激光器系統(tǒng)和光束傳輸系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)損傷區(qū)域形狀和厚度設(shè)置激光燒蝕路徑，控制機(jī)械臂使激光器系統(tǒng)沿設(shè)置的激光燒蝕路徑進(jìn)行去除，激光器系統(tǒng)包括激光諧振裝置和激光發(fā)射終端，激光諧振裝置是一個電機(jī)裝置，可以將電能轉(zhuǎn)化為激光能量，激光諧振裝置產(chǎn)生的激光通過光束傳輸系統(tǒng)傳輸至激光發(fā)射終端；去除過程中圖像采集系統(tǒng)實時采集損傷區(qū)域的圖像信息，并將信息傳輸至控制系統(tǒng)，去除結(jié)束后氣流吹送系統(tǒng)通過氣管吹去燒蝕殘留的纖維組分。

以下將對上述裝置中的各系統(tǒng)的組成及運行方式等進(jìn)行詳細(xì)說明。

本裝置中控制系統(tǒng)采用計算機(jī)軟件控制，其接收端接收圖像采集系統(tǒng)傳輸?shù)男畔?，控制端向裝置中各系統(tǒng)傳輸指令。

本裝置還包括保護(hù)罩，保護(hù)罩的一面連接機(jī)械臂，保護(hù)罩的下端為可調(diào)節(jié)尺寸的耐高溫石英玻璃臺，其上端為耐高溫塑料膜。

本裝置使用的機(jī)器人為六軸機(jī)器人，六軸機(jī)器人受控制系統(tǒng)指令控制。

保護(hù)罩內(nèi)設(shè)置有零件臺，零件臺為可旋轉(zhuǎn)式，其下端具有可與之形成移動副的軌道。

光束傳輸系統(tǒng)為傳能光纖，激光諧振裝置產(chǎn)生的激光通過光纖耦合系統(tǒng)聚焦后再導(dǎo)入傳能光纖內(nèi)，通過傳能光纖傳輸至激光發(fā)射終端。

控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)激光器系統(tǒng)的參數(shù)為激光波長、脈沖寬度、重復(fù)頻率、單脈沖能量、平均功率。

激光器系統(tǒng)中激光器為準(zhǔn)分子激光器、固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器中的一種。

激光器系統(tǒng)輸出功率為5w-2000w，優(yōu)選為20w-500w。其上設(shè)置有冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)采用水冷系統(tǒng)，主要起到冷卻激光器的作用。

激光發(fā)射終端由反射鏡、擴(kuò)束鏡、聚焦透鏡以及起到保護(hù)作用的護(hù)鏡構(gòu)成

請參閱圖2，本實施例還提供一種復(fù)合材料損傷區(qū)域的激光去除方法，包括如下步驟，

1）將零件放置于零件臺上，機(jī)械臂連接保護(hù)罩，開啟冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

2）根據(jù)復(fù)合材料中各成分的燒蝕閥值在控制系統(tǒng)中設(shè)置激光器系統(tǒng)的參數(shù)；

3）確定損傷區(qū)域形狀和厚度設(shè)置激光燒蝕路徑，控制系統(tǒng)控制機(jī)械臂帶動激光器系統(tǒng)沿?zé)g路徑進(jìn)行燒蝕去除；

4）圖像采集系統(tǒng)實時的采集損傷區(qū)域的圖像信息并傳輸至控制系統(tǒng)實時監(jiān)控；

5）去除結(jié)束后，啟動氣流吹送系統(tǒng)，吹去殘留的纖維組分。

設(shè)置激光器系統(tǒng)的參數(shù)為激光波長、脈沖寬度、重復(fù)頻率、單脈沖能量、平均功率。

具體實施方式如下：

受到損傷的碳纖維復(fù)合材料層壓板中碳纖維為t700s級碳纖維，樹脂為huntsman環(huán)氧樹脂，經(jīng)過測試可知道該型復(fù)合材料的燒蝕閾值為70w/cm2。層壓板總共23層，每層厚度0.12mm，總厚度為2.76mm，其中損傷區(qū)域通過無損檢測得出受損區(qū)域近似圓形，最大直徑為40mm，共產(chǎn)生5層分層損傷。因此，修理時采用階梯挖補再采用預(yù)浸料膠接修理，修理挖補示意圖參閱圖3和圖4，其中圖3為俯視圖，圖4為正視圖，共有6層預(yù)浸料，最底下一層直徑為40mm，其他的每層階差為12.5mm。本實例使用的激光器為固體激光器中的nd：yag激光器，實例中平均輸出功率為10w，脈沖頻率為20khz，脈寬為20ns，光束斑點直徑為15μm，產(chǎn)生的能量密度為200j/cm2，實例中分別測試了三種波長的激光：355nm、532nm以及1064nm。所使用的零件臺為可旋轉(zhuǎn)臺面。

首先將復(fù)合材料零件放置于零件臺上，并將保護(hù)罩開啟，整個零件臺位于保護(hù)罩內(nèi)，開啟冷卻系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)定好激光燒蝕參數(shù)，之后將機(jī)器手臂放入保護(hù)罩內(nèi)，開啟激光器，按照預(yù)定好的程序一層一層進(jìn)行燒蝕，控制燒蝕面積及厚度，待樹脂完全燒蝕結(jié)束后，采用氣流吹送系統(tǒng)吹去殘留的纖維，即可得到損傷區(qū)域挖補去除的復(fù)合材料件。整個過程采用圖像采集系統(tǒng)實時監(jiān)控。

最終結(jié)果顯示波長1064nm的激光燒蝕結(jié)果優(yōu)于波長355nm及波長532nm的激光。

除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。