热塑性复合材料自动铺放装置及方法与流程

本发明属于激光加工技术领域，涉及一种热塑性复合材料自动铺放装置及方法。

背景技术

高性能复合纤维材料制成的结构件具有高强化、轻量化且耐腐蚀等特点，在宇航、汽车、电器、建筑等的领域应用日趋广泛。其中热塑性树脂基复合材料固化时间短，大大缩短了成型周期，具有抗冲击韧性强，焊接性能良好等特点，受到越来越多的关注和研究。但是，由于其树脂基材熔点高、黏度较大，构件成型需高温高压，对成型设备要求较苛刻，因此制约对其进一步的推广使用，而自动铺放成型技术能够有效解决这一问题。

激光焊接技术是利用高能量密度的激光束作为焊接热源，使工件发生熔化并粘合，从而达到焊接目的的一种焊接技术。激光焊接光束能量密度高，焊接速度快，且加工精准。激光焊接为非接触焊接，可以实现一定距离的焊接，灵活方便，常与机器人配合使用，实现自动化。采用激光焊接可以焊接难熔材料，能对异种材料进行焊接，而且焊接效果较好。使其成为高性能复合纤维材料自动铺放的理想手段之一。

超声在媒介中传播时，能够产生机械、空化、声流和热效应等现象，使超声波同时兼具强烈的分散、粉碎、活化等多重作用。在复合材料加工过程中辅助以功率超声，利用超声打破液体中的气泡，同时产生高温、高压及局部作用，改善复合材料物理化学等方面性能。

中国专利cn104354302b公开了一种自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置及方法，其特征在于先将纤维和树脂膜压制成半预浸带，然后将半预浸带铺放在芯模上，并得到预成型体。但是其并不适用于成型小曲率的热塑性复合材料构件的铺放，其铺放速度较慢，热塑性复合材料界面连接强度低，不能满足实际使用要求。

中国专利cn104626611b公开了一种基于六轴机器人式的自动铺带装置及方法，其特征在于通过铺带装置将预浸带输送至芯模或者已铺放表面并压紧，使用红外灯管加热铺放成型。红外加热通过电磁波传递能量，传热形式为辐射传热，具有加热范围大、能量密度低等缺点，导致铺放装置的压辊热量积累而影响成型质量，其铺放效率低且不易控制加工温度。

中国专利cn105904739a公开了一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置及方法，利用超声加热装置对热塑性预浸带进行铺放成型，并经过固化处理，控制结晶度与晶粒尺寸，从而达到优化构件性能的目的。但由于热源由机械振动产生，所制成的结构件表面成型质量低，且需固化处理，加工效率低。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本发明提供一种热塑性复合材料自动铺放装置及方法，解决了现有技术中铺放速度慢、热塑性复合材料界面连接强度低及加工温度不易控制的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，热塑性复合材料自动铺放装置，包括铺放装置，铺放装置固定在支撑板上，激光焊接装置的激光焊接头固定于铺放装置一侧，超声振动装置固定于铺放装置另一侧，支撑板通过法兰与机器人的手臂相连。

所述铺放装置由带盘、张紧装置、热塑性预浸带、第一气压缸、加压滚轮、导向轮、主驱动辊、副驱动辊及第三气压缸组成，热塑性预浸带缠绕在带盘上，带盘中心设有张紧装置；导向轮固定于从带盘引出的热塑性预浸带下方，并与热塑性预浸带接触；相互平行的主驱动辊和副驱动辊位于导向轮下方，热塑性预浸带穿过主驱动辊和副驱动辊中间，并与主驱动辊和副驱动辊接触；加压滚轮位于主驱动辊和副驱动辊下方，热塑性预浸带沿加压滚轮被送至加压滚轮下方与基材接触；加压滚轮一侧连接第一气压缸，第一气压缸上设有第一活塞杆、位于第一活塞杆上方的第一气孔和位于第一活塞杆下方的第二气孔；加压滚轮另一侧连接第三气压缸，第三气压缸上设有第二活塞杆、位于第二活塞杆下方的第三气孔和位于第二活塞杆上方的第四气孔。

所述激光焊接装置由激光器、计算机、激光焊接头及红外测温探头组成，激光器输入线连接计算机，激光器输出线连接激光焊接头，激光焊接头上安装红外测温探头，红外测温探头连接计算机，激光焊接头发出的激光束倾斜照射在加压滚轮下方热塑性预浸带与基材交界处。

所述超声振动装置由超声波发生器、超声振动工具头、变幅杆、换能器、第二气压缸、滑块及导轨组成，超声振动工具头、变幅杆与换能器依次相连组成振动工作单元，换能器通过信号传输线与超声波发生器连接，第二气压缸通过第三活塞与换能器连接，换能器上固定滑块一端，滑块另一端卡接在导轨上，振动工作单元通过滑块沿导轨轴线方向直线运动，第二气压缸上设有位于第三活塞下方的第五气孔和位于第三活塞上方的第六气孔，导轨和第二气压缸固定在支撑板上。

所述热塑性预浸带，是热塑性树脂与纤维的组合物；所述热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯或聚酰胺中的一种；所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶或玄武岩纤维中的一种或两种以上的组合体。

所述第一气孔、第四气孔和第六气孔为进气孔；所述第二气孔、第三气孔第五气孔为排气孔。

热塑性复合材料自动铺放装置的铺放方法，包括以下步骤：

步骤一：机器人牵引安装铺放装置、激光焊接装置及超声振动装置的支撑板至基材上方，热塑性预浸带经导向轮、主驱动辊和副驱动辊传送至加压滚轮下方，第一气孔和第四气孔进气，第二气孔和第三气孔排气，第一气压缸的第一活塞杆和第三气压缸的第二活塞杆推动加压滚轮，使热塑性预浸带和基材紧密贴合，并保持压力稳定；同时第六气孔进气，第五气孔排气，第二气压缸的第三活塞杆推动超声振动工具头与热塑性预浸带接触，并保持压力稳定；

步骤二：计算机控制激光器的输出功率，激光器通过激光焊接头释放激光束，对加压滚轮下方热塑性预浸带和基材交界处进行加热，同时开启超声波发生器，换能器将超声波发生器产生的高频电流能转换为机械振动能，并通过变幅杆将机械振动放大、汇聚后，转移至超声波振动工具头，实现超声振动工具头对加压滚轮后方热塑性预浸带超声冲击；

步骤三：基材和机器人同步运动，主驱动辊牵引热塑性预浸带的速率与加压滚轮铺放速率保持一致，实现热塑性热塑性预浸带的持续铺放成型，红外测温探头检测加工温度并反馈至计算机，实时调整激光器的输出功率，控制激光束功率，从而控制加工温度；

步骤四：通过改变机器人末端手臂位姿调整铺放路径，重复步骤一至步骤三，直至整个热塑性复合材料构件成型结束。

所述步骤一中，铺放热塑性预浸带时，加压滚轮对热塑性预浸带的压力为0.6mpa～1.0mpa，超声振动工具头对热塑性预浸带的压力为0.2mpa～0.5mpa。

所述步骤二中，激光光斑为矩形光斑，光斑宽度为3mm～5mm，同时加热热塑性预浸带和基材，激光加工区温度为150℃～270℃；

所述步骤二中，超声振动工具头的振幅为16～20μm、振动频率为40～80khz；

所述红外测温探头收集加工区域的辐射信号后，将其通过串口通信传输至计算机。

本发明的有益效果是，热塑性复合材料自动铺放装置及方法，利用激光加热实现热塑性复合材料自动铺放，有效地解决了：

(1)采用激光作为热源，加热区域精准，加热速度快可以提供较高的铺放速率，具有铺放效率高、节能环保等优点；

(2)将高频超声能量引入焊接中，传递至熔体后产生空化、声流现象，从而达到去除复合材料铺放层间的气泡，同时对焊后区域进行超声冲击，显著消除残余应力等缺陷，提高界面连接强度；

(3)在预浸带铺放过程中，使用温度闭环控制系统对加热温度精准控制，避免加热温度过高而导致树脂材料分解，提高加工成型件质量；

(4)采用连续原位固结成型的方式，极大的节省铺放成型时间，铺放装置和机器人配合，可根据构件形状安排铺放路径，铺放效率高，减少对原材料的浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为热塑性复合材料自动铺放装置的整体设备布局图；

图2为铺放装置结构示意图；

图3为加压滚轮左视图；

图4为超声振动装置三维图；

图5为热塑性复合材料自动铺放方法的控制流程图；

图6为温度闭环控制系统的控制流程图。

图中，1.激光器，2.计算机，3.法兰，4.支撑板，5.带盘，6.张紧装置，7.激光焊接头，8.超声波发生器，9.红外测温探头，10.热塑性预浸带，11.第一气压缸，12.加压滚轮，13.基材，14.超声振动工具头，15.变幅杆，16.换能器，17.第二气压缸，18.机器人，19.激光束，20.导向轮，21.主驱动辊，22.副驱动辊，23.滑块，24.导轨，25.第一气孔，26.第二气孔，27.第一活塞杆，28.第三气压缸，29.第三气孔，30.第二活塞杆，31.第四气孔，32.第三活塞杆，33.第五气孔，34.第六气孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，热塑性复合材料自动铺放装置，包括铺放装置，铺放装置固定在支撑板4上，用于对热塑性预浸带10进行铺放及压紧；激光焊接装置的激光焊接头7固定于铺放装置一侧，用于对热塑性预浸带10和基材13加热，超声振动装置固定于铺放装置另一侧，用于在铺放过程中输入超声能，支撑板4通过法兰3与机器人18的手臂相连；

铺放装置如图2与图3所示，由带盘5、张紧装置6、热塑性预浸带10、第一气压缸11、加压滚轮12、导向轮20、主驱动辊21、副驱动辊22、第三气压缸28组成，热塑性预浸带10缠绕在带盘5上，带盘5中心设有张紧装置6，保证热塑性预浸带10在加工时张紧；导向轮20位于从带盘5下方左侧引出的热塑性预浸带10下方，并与热塑性预浸带10接触；相互平行的主驱动辊21和副驱动辊22位于导向轮20下方，热塑性预浸带10穿过主驱动辊21和副驱动辊22中间，并与主驱动辊21和副驱动辊22接触；加压滚轮12位于主驱动辊21和副驱动辊22左下方，热塑性预浸带10沿加压滚轮12右侧被送至加压滚轮12下方与基材13接触；加压滚轮12一侧连接第一气压缸11，第一气压缸11上设有第一活塞杆27、位于第一活塞杆27上方的第一气孔25和位于第一活塞杆27下方的第二气孔26；加压滚轮12另一侧连接第三气压缸28，第三气压缸28上设有第二活塞杆30、位于第二活塞杆30下方的第三气孔29和位于第二活塞杆30上方的第四气孔31，加压滚轮12利用第一气压缸11和第三气压缸28对热塑性预浸带10施加压力，并在加工过程中维持稳定的压力值；

激光焊接装置如图1所示，由激光器1、计算机2、激光焊接头7、红外测温探头9组成，激光器1输入线连接计算机2，计算机2控制激光器1的输出功率，激光器1输出线连接激光焊接头7，激光焊接头7一侧安装红外测温探头9，红外测温探头9连接计算机2，激光焊接头7发出的激光束19倾斜照射在加压滚轮12下方热塑性预浸带10与基材13交界处；

超声振动装置如图1和图4所示，由超声波发生器8、超声振动工具头14、变幅杆15、换能器16、第二气压缸17、滑块23、导轨24组成，超声振动工具头14、变幅杆15与换能器16依次相连组成振动工作单元，换能器16通过信号传输线与超声波发生器8连接，第二气压缸17通过第三活塞32与换能器16连接，换能器16一侧固定滑块23一端，滑块23另一端卡接在导轨24上，振动工作单元通过滑块23沿导轨24轴线方向直线运动，第二气压缸17上设有位于第三活塞32下方的第五气孔33和位于第三活塞32上方的第六气孔34，导轨24和第二气压缸17固定在支撑板4上；

第一气孔25、第四气孔31和第六气孔34进气，第二气孔26、第三气孔29第五气孔33排气；第一活塞杆27、第二活塞杆30推动加压滚轮12；第三活塞杆32用于推动超声振动工具头14。

热塑性预浸带10，是热塑性树脂与纤维的组合物；热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯或聚酰胺中的一种，纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶或玄武岩纤维中的一种或两种以上的组合体。

本发明还涉及一种热塑性复合材料自动铺放方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤一：机器人18牵引安装铺放装置、激光焊接装置及超声振动装置的支撑板4至基材13上方，热塑性预浸带10经导向轮20、主驱动辊21和副驱动辊22传送至加压滚轮12下方，第一气孔25和第四气孔31进气，第二气孔26和第三气孔29排气，第一活塞杆27和第二活塞杆30推动加压滚轮12，使热塑性预浸带10和基材13紧密贴合，并保持压力稳定，同时第六气孔34进气，第五气孔33排气，第二气压缸17的第三活塞杆32推动超声振动工具头14与热塑性预浸带10接触，并保持压力稳定；

步骤二：计算机2控制激光器1的输出功率，激光器1通过激光焊接头7释放激光束19，对加压滚轮12下方热塑性预浸带10和基材13交界处进行加热，同时开启超声波发生器8，换能器16将超声波发生器8产生的高频电流能转换为机械振动能，并通过变幅杆15将机械振动放大、汇聚后，转移至超声波振动工具头14，实现超声振动工具头14对加压滚轮12后方热塑性预浸带10超声冲击；

步骤三：基材13和机器人18同步运动，主驱动辊21牵引热塑性预浸带10的速率与加压滚轮12铺放速率保持一致，实现热塑性热塑性预浸带10的持续铺放成型；红外测温探头9检测加工温度并反馈至计算机2，实时调整激光器1的输出功率，控制激光束19功率，从而控制加热温度，具体如图6所示；

步骤四：通过改变机器人18末端手臂位姿调整铺放路径，重复步骤一至步骤三，直至整个热塑性复合材料构件成型结束。

步骤一中，铺放热塑性预浸带10时，调整第一气压缸11和第三气压缸28的压力，使得加压滚轮12对热塑性预浸带10的压力为0.6mpa～1.0mpa，保证热塑性预浸带10与基材13连接后的界面强度；调整第二气压缸17，使得超声振动工具头14对热塑性预浸带10的压力为0.2mpa～0.5mpa；

步骤二中，激光光斑为矩形光斑，光斑宽度为3mm～5mm，同时加热热塑性预浸带10和基材13，使两者都发生熔化，激光加工区温度为150℃～270℃；超声振动工具头14的振幅为16～20μm，振动频率为40～80khz；红外测温探头9收集加工区域的辐射信号后，将其通过串口通信传输至计算机2，计算机2根据闭环控制系统调整激光器1的输出功率，控制激光束19的功率，保证加工温度。

实施例1

对尺寸为0.5mm×12mm的芳纶/pa预浸带10利用复合材料自动铺放装置进行自动铺放，具体包括以下步骤：

步骤一：机器人18牵引安装铺放装置、激光焊接装置及超声振动装置的支撑板4至基材13上方，芳纶/pa预浸带10经导向轮20、主驱动辊21和副驱动辊22传送至加压滚轮12下方，第一气孔25和第四气孔31进气，第二气孔26和第三气孔29排气，第一活塞杆27和第二活塞杆30推动加压滚轮12，使芳纶/pa预浸带10和基材13紧密贴合，调整调整第一气压缸11和第三气压缸28压力，使加压滚轮12对芳纶/pa预浸带10的压力为1.0mpa，同时第六气孔34进气，第五气孔33排气，第二气压缸17的第三活塞杆32推动超声振动工具头14与芳纶/pa预浸带10接触，并使超声振动工具头14对芳纶/pa预浸带10的压力为0.5mpa；

步骤二：计算机2控制激光器1的输出功率，激光器1通过激光焊接头7释放激光束19，对加压滚轮12下方芳纶/pa预浸带10和基材13交界处进行加热，同时加热芳纶/pa预浸带10和基材13，激光光斑为矩形光斑，光斑宽度为5mm，激光加工区温度为270℃；同时开启超声波发生器8，换能器16将超声波发生器8产生的高频电流能转换为机械振动能，并通过变幅杆15将机械振动放大、汇聚后，转移至超声波振动工具头14，实现超声振动工具头14对加压滚轮12后方芳纶/pa预浸带10超声冲击，超声振动工具头14的振幅为20μm，超声振动工具头14的振动频率为40khz；

步骤三：基材13和机器人18同步运动，主驱动辊21牵引芳纶/pa预浸带10的速率与加压滚轮12铺放速率保持一致，实现芳纶/pa预浸带10的持续铺放成型，红外测温探头9检测加工温度并反馈至计算机2，实时调整激光器1的输出功率，控制激光束19功率，从而控制加工温度；

步骤四：通过改变机器人18末端手臂位姿调整铺放路径，重复步骤一至步骤三，直至整个热塑性复合材料构件成型结束。

实施例2

对尺寸为0.4mm×10mm的玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10利用复合材料自动铺放装置进行自动铺放，具体包括以下步骤：

步骤一：机器人18牵引安装铺放装置、激光焊接装置及超声振动装置的支撑板4至基材13上方，玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10经导向轮20、主驱动辊21和副驱动辊22传送至加压滚轮12下方，第一气孔25和第四气孔31进气，第二气孔26和第三气孔29排气，第一活塞杆27和第二活塞杆30推动加压滚轮12，使玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10和基材13紧密贴合，调整调整第一气压缸11和第三气压缸28压力，使加压滚轮12对玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10的压力为0.6mpa，同时第六气孔34进气，第五气孔33排气，第二气压缸17的第三活塞杆32推动超声振动工具头14与玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10接触，并使超声振动工具头14对玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10的压力为0.2mpa；

步骤二：计算机2控制激光器1的输出功率，激光器1通过激光焊接头7释放激光束19，对加压滚轮12下方玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10和基材13交界处进行加热，同时加热玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10和基材13，激光光斑为矩形光斑，光斑宽度为3mm，激光加工区温度为150℃；同时开启超声波发生器8，换能器16将超声波发生器8产生的高频电流能转换为机械振动能，并通过变幅杆15将机械振动放大、汇聚后，转移至超声波振动工具头14，实现超声振动工具头14对加压滚轮12后方玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10超声冲击，超声振动工具头14的振幅为18μm，超声振动工具头14的振动频率为80khz；

步骤三：基材13和机器人18同步运动，主驱动辊21牵引玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10的速率与加压滚轮12铺放速率保持一致，实现玄武岩纤维和碳纤维共混/pe预浸带10的持续铺放成型，红外测温探头9检测加工温度并反馈至计算机2，实时调整激光器1的输出功率，控制激光束19功率，从而控制加工温度；

步骤四：通过改变机器人18末端手臂位姿调整铺放路径，重复步骤一至步骤三，直至整个热塑性复合材料构件成型结束。

实施例3

对尺寸为0.3mm×15mm的玻璃纤维/pp预浸带10利用复合材料自动铺放装置进行自动铺放，具体包括以下步骤：

步骤一：机器人18牵引安装铺放装置、激光焊接装置及超声振动装置的支撑板4至基材13上方，玻璃纤维/pp预浸带10经导向轮20、主驱动辊21和副驱动辊22传送至加压滚轮12下方，第一气孔25和第四气孔31进气，第二气孔26和第三气孔29排气，第一活塞杆27和第二活塞杆30推动加压滚轮12，使玻璃纤维/pp预浸带10和基材13紧密贴合，调整调整第一气压缸11和第三气压缸28压力，使加压滚轮12对玻璃纤维/pp预浸带10的压力为0.8mpa，同时第六气孔34进气，第五气孔33排气，第二气压缸17的第三活塞杆32推动超声振动工具头14与玻璃纤维/pp预浸带10接触，并使超声振动工具头14对玻璃纤维/pp预浸带10的压力为0.3mpa；

步骤二：计算机2控制激光器1的输出功率，激光器1通过激光焊接头7释放激光束19，对加压滚轮12下方玻璃纤维/pp预浸带10和基材13交界处进行加热，同时加热玻璃纤维/pp预浸带10和基材13，激光光斑为矩形光斑，光斑宽度为4mm，激光加工区温度为180℃；同时开启超声波发生器8，换能器16将超声波发生器8产生的高频电流能转换为机械振动能，并通过变幅杆15将机械振动放大、汇聚后，转移至超声波振动工具头14，实现超声振动工具头14对加压滚轮12后方玻璃纤维/pp预浸带10超声冲击，超声振动工具头14的振幅为16μm，超声振动工具头14的振动频率为60khz；

步骤三：基材13和机器人18同步运动，主驱动辊21牵引玻璃纤维/pp预浸带10的速率与加压滚轮12铺放速率保持一致，实现玻璃纤维/pp预浸带10的持续铺放成型，红外测温探头9检测加工温度并反馈至计算机2，实时调整激光器1的输出功率，控制激光束19功率，从而控制加工温度；

步骤四：通过改变机器人18末端手臂位姿调整铺放路径，重复步骤一至步骤三，直至整个热塑性复合材料构件成型结束。

本发明实施例3所得结构件的层间剪切强度可达35mpa，与现有层间剪切强度可达28mpa相比，性能显著提高，且所制成结构件较传统金属构件重量降低至75％。

由于树脂材料的熔化温度与热分解温度差异较小，自动铺放过程中的局部加热应控制在一定范围类，避免未粘连或过熔情况的发生。本发明使用的温度闭环控制系统可以保证加工区温度控制在预设温度±10℃以内，界面连接情况好，大幅提高加工成型件质量。

本发明实施例所成型的热塑性复合材料结构件为多层次结构，具有强度高、质量轻的特点，可应用于原油管道、飞机、汽车及船体等的大尺寸结构件和复杂曲面结构件的整体制造，有效减轻设备重量，减少零件的拼装数目，节约装配和制造成本。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。