一种复合材料损伤区域的激光去除装置及其方法与流程

本发明属于材料修复技术领域，具体涉及一种复合材料损伤区域的激光去除装置及其方法。

背景技术：

复合材料，特别是碳纤维复合材料，由于具有比强度和比模量高、结构尺寸稳定性好、可设计性强、抗疲劳性能优以及耐腐蚀等优点，在工业领域得到了广泛的应用。

据申请人了解，传统的修理方式为机械修理和挖补胶接修理。然而挖补胶接修理需要将损伤区域的复合材料去除，通常采用打磨的方式。但是由于复合材料为铺层结构，每层复合材料厚度基本在0.3mm以内，传统的机械打磨容易造成层间破坏，产生二次伤害，同时还会产生粉尘，不仅对操作人员身体造成伤害，还存在易引起爆炸的隐患。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，损伤区域打磨去除效率低，去除过程中易造成层间破坏，同时打磨产生的粉尘会影响操作人员健康并易引起爆炸。

克服上述现有技术的缺点，提供一种复合材料损伤区域的激光去除装置及其方法，利用复合材料中树脂和碳纤维不同的裂解温度，通过控制激光烧蚀温度，先烧蚀树脂，再去除残留的碳纤维，从而实现复合材料损伤区域的可控去除。

本发明解决以上技术问题的技术方案：

一种复合材料损伤区域的激光去除装置，包括控制系统、图像采集系统、气流吹送系统以及设置于机器人机械臂上的激光器系统和光束传输系统，控制系统根据损伤区域形状和厚度设置激光烧蚀路径，控制机械臂使激光器系统沿设置的激光烧蚀路径进行去除，激光器系统包括激光谐振装置和激光发射终端，激光谐振装置产生的激光通过光束传输系统传输至激光发射终端；去除过程中图像采集系统实时采集损伤区域的图像信息，并将信息传输至控制系统，去除结束后气流吹送系统通过气管吹去烧蚀残留的纤维组分。

本发明进一步限定的技术方案是：还包括保护罩，保护罩的一面连接机械臂，保护罩的下端为可调节尺寸的耐高温石英玻璃台，其上端为耐高温塑料膜。

作为本发明的进一步改进，进一步的，保护罩内设置有零件台，零件台为可旋转式，其下端具有可与之形成移动副的轨道。

作为本发明的进一步改进，进一步的，光束传输系统为传能光纤，激光谐振装置产生的激光通过光纤耦合系统聚焦后再导入传能光纤内，通过传能光纤传输至激光发射终端。

作为本发明的进一步改进，进一步的，控制系统可调节激光器系统的参数为激光波长、脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量、平均功率。

作为本发明的进一步改进，进一步的，激光器系统的输出功率为5w-2000w。

作为本发明的进一步改进，进一步的，激光器系统上设置有冷却系统。

本发明还提供一种复合材料损伤区域的激光去除方法，包括如下步骤，

1）将零件放置于零件台上，机械臂连接保护罩，开启冷却系统和控制系统；

2）根据复合材料中各成分的烧蚀阀值在控制系统中设置激光器系统的参数；

3）确定损伤区域形状和厚度设置激光烧蚀路径，控制系统控制机械臂带动激光器系统沿烧蚀路径进行烧蚀去除；

4）图像采集系统实时的采集损伤区域的图像信息并传输至控制系统实时监控；

5）去除结束后，启动气流吹送系统，吹去残留的纤维组分。

作为本发明的进一步改进，进一步的，设置激光器系统的参数为激光波长、脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量、平均功率。

作为本发明的进一步改进，进一步的，激光器系统包括激光谐振装置和激光发射终端，激光谐振装置产生的激光通过光束传输系统传输至激光发射终端，光束传输系统为传能光纤，激光通过光纤耦合系统聚焦后再导入传能光纤内。

总之，本发明采用激光高温烧蚀的方式去除损伤区域，具体是根据复合材料中树脂和碳纤维不同的裂解温度，通过控制激光烧蚀温度逐一去除，实现损伤区域自动化高效去除，有效防止去除过程中复合材料层间出现二次伤害，同时只产生裂解产物，不产生粉尘，避免对操作人员造成人身伤害和引起爆炸隐患。

附图说明

图1是本发明的一种复合材料损伤区域的激光去除装置的结构示意框图。

图2是本发明的一种复合材料损伤区域的激光去除方法的流程示意图。

图3是本发明的实施例修理挖补俯视图。

图4是本发明的实施例修理挖补正视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

请参阅图1所示，本实施例提供的一种复合材料损伤区域的激光去除装置，包括控制系统、图像采集系统、气流吹送系统以及设置于机器人机械臂上的激光器系统和光束传输系统，控制系统根据损伤区域形状和厚度设置激光烧蚀路径，控制机械臂使激光器系统沿设置的激光烧蚀路径进行去除，激光器系统包括激光谐振装置和激光发射终端，激光谐振装置是一个电机装置，可以将电能转化为激光能量，激光谐振装置产生的激光通过光束传输系统传输至激光发射终端；去除过程中图像采集系统实时采集损伤区域的图像信息，并将信息传输至控制系统，去除结束后气流吹送系统通过气管吹去烧蚀残留的纤维组分。

以下将对上述装置中的各系统的组成及运行方式等进行详细说明。

本装置中控制系统采用计算机软件控制，其接收端接收图像采集系统传输的信息，控制端向装置中各系统传输指令。

本装置还包括保护罩，保护罩的一面连接机械臂，保护罩的下端为可调节尺寸的耐高温石英玻璃台，其上端为耐高温塑料膜。

本装置使用的机器人为六轴机器人，六轴机器人受控制系统指令控制。

保护罩内设置有零件台，零件台为可旋转式，其下端具有可与之形成移动副的轨道。

光束传输系统为传能光纤，激光谐振装置产生的激光通过光纤耦合系统聚焦后再导入传能光纤内，通过传能光纤传输至激光发射终端。

控制系统可调节激光器系统的参数为激光波长、脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量、平均功率。

激光器系统中激光器为准分子激光器、固体激光器、气体激光器、半导体激光器中的一种。

激光器系统输出功率为5w-2000w，优选为20w-500w。其上设置有冷却系统，冷却系统采用水冷系统，主要起到冷却激光器的作用。

激光发射终端由反射镜、扩束镜、聚焦透镜以及起到保护作用的护镜构成

请参阅图2，本实施例还提供一种复合材料损伤区域的激光去除方法，包括如下步骤，

1）将零件放置于零件台上，机械臂连接保护罩，开启冷却系统和控制系统；

2）根据复合材料中各成分的烧蚀阀值在控制系统中设置激光器系统的参数；

3）确定损伤区域形状和厚度设置激光烧蚀路径，控制系统控制机械臂带动激光器系统沿烧蚀路径进行烧蚀去除；

4）图像采集系统实时的采集损伤区域的图像信息并传输至控制系统实时监控；

5）去除结束后，启动气流吹送系统，吹去残留的纤维组分。

设置激光器系统的参数为激光波长、脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量、平均功率。

具体实施方式如下：

受到损伤的碳纤维复合材料层压板中碳纤维为t700s级碳纤维，树脂为huntsman环氧树脂，经过测试可知道该型复合材料的烧蚀阈值为70w/cm2。层压板总共23层，每层厚度0.12mm，总厚度为2.76mm，其中损伤区域通过无损检测得出受损区域近似圆形，最大直径为40mm，共产生5层分层损伤。因此，修理时采用阶梯挖补再采用预浸料胶接修理，修理挖补示意图参阅图3和图4，其中图3为俯视图，图4为正视图，共有6层预浸料，最底下一层直径为40mm，其他的每层阶差为12.5mm。本实例使用的激光器为固体激光器中的nd：yag激光器，实例中平均输出功率为10w，脉冲频率为20khz，脉宽为20ns，光束斑点直径为15μm，产生的能量密度为200j/cm2，实例中分别测试了三种波长的激光：355nm、532nm以及1064nm。所使用的零件台为可旋转台面。

首先将复合材料零件放置于零件台上，并将保护罩开启，整个零件台位于保护罩内，开启冷却系统和计算机控制系统，设定好激光烧蚀参数，之后将机器手臂放入保护罩内，开启激光器，按照预定好的程序一层一层进行烧蚀，控制烧蚀面积及厚度，待树脂完全烧蚀结束后，采用气流吹送系统吹去残留的纤维，即可得到损伤区域挖补去除的复合材料件。整个过程采用图像采集系统实时监控。

最终结果显示波长1064nm的激光烧蚀结果优于波长355nm及波长532nm的激光。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。