一种树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法

1.本发明涉及树脂基复合材料维修技术领域，特别是涉及一种树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法。


背景技术：

2.随着树脂基复合材料在飞机、车辆、船舶等工具上的用量提高，其树脂基复合材料维修也成为急需解决的问题。树脂基复合材料维修方式，主要包括机械连接维修和胶接维修，而胶接维修又分为贴补维修与挖补维修两种维修方式。其中挖补维修因其能够较好的恢复结构件的气动外形，且修补后应力较小，对结构件的增重小等优点而成为主要的树脂基复合材料维修方式。
3.传统技术中，挖补维修主要采用传统机械打磨和激光表面处理，以形成树脂基复合材料维修所需空间几何构型。然而，传统的激光表面处理技术对树脂基复合材料的挖补过程中，去除区域尺寸较大，去除后的材料受损严重，力学性能影响较大。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法，能够有效提高树脂基复合材料的维修质量，减少对树脂基复合材料的损伤。
5.其技术方案如下：一种树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法，所述树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法包括以下步骤：
6.对树脂基复合材料的损伤部位进行无损检测，获取所述损伤部位的尺寸信息；
7.根据所述尺寸信息设置激光器的扫描区域形状；
8.将树脂基复合材料放入所述扫描区域，激光器扫描所述树脂基复合材料，分离所述树脂基复合材料的表面纤维层；
9.加工所述表面纤维层；
10.重复去除所述树脂基复合材料的表面纤维层，直至扫描至预设层数，形成几何构型。
11.上述树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法，在工作过程中，采用激光表面处理技术，对树脂基复合材料进行挖补维修，通过无损检测技术，能够获取损伤部位的深度、长度及宽度等尺寸信息，并且根据获取的损伤部位的损伤信息对应获取相对于的扫描区域的形状，另外，通过激光参数调控规律，调节工艺参数，去除树脂及复合材料的表面纤维层。如此树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法，与传统的激光表面处理方式相比，方便控制生产质量，提高工作效率，并且能够尽可能少的对树脂基材料造成破坏，有利于提高挖补维修的精准性，从而减少对树脂基复合材料的损伤，保证力学性能。
12.在其中一个实施例中，步骤：根据所述尺寸信息设置激光器的扫描区域形状，具体包括以下步骤：
13.激光器系统及激光器控制平台启动；
14.在激光器控制平台中设置扫描区域参数、扫描区域形状；
15.在激光器控制平台中设置激光器扫描方式及激光填充线方式。
16.在其中一个实施例中，所述扫描区域形状可为圆形、椭圆形及矩形中的任意一种。
17.在其中一个实施例中，所述步骤：将树脂基复合材料放入所述扫描区域，激光器扫描所述树脂基复合材料，分离所述树脂基复合材料的表面纤维层，具体包括以下步骤：
18.开启所述激光器系统的红光预览模式，形成红光指示范围即为所述扫描区域；
19.将树脂基复合材料放入所述红光指示范围中；
20.激光器启动，按照所述扫描区域形状分离所述树脂基复合材料的表面纤维层。
21.在其中一个实施例中，所述步骤：激光器启动，按照所述扫描区域形状分离所述树脂基复合材料的表面纤维层之后，还包括如下步骤：
22.烟尘净化系统开启，吸收扫描树脂基复合材料产生的烟尘。
23.在其中一个实施例中，所述步骤：激光器启动，按照所述扫描区域形状分离所述树脂基复合材料的表面纤维层之后，还包括：
24.火焰收集系统开启，消除所述树脂基复合材料产生的火焰。
25.在其中一个实施例中，所述步骤：加工所述表面纤维层，具体包括以下步骤：
26.操作所述激光控制软件改变激光填充方式为线框填充方式；
27.激光器沿线框轮廓对表面的纤维层进行加工；
28.取下加工后的所述表面纤维层。
29.在其中一个实施例中，所述步骤：重复分离所述树脂基复合材料的表面纤维层，直至扫描至预设层数，形成几何构型，具体包括以下步骤：
30.操作激光控制软件改变激光填充方式为面填充方式；
31.按照所述扫描区域形状分离所述表面纤维层；
32.改变激光填充方式为线框填充方式，加工所述表面纤维层；
33.缩小所述扫描区域大小，继续分离所述表面纤维层；
34.逐级缩小所述扫描区域大小直至扫描至预设层数，形成几何构型。
35.在其中一个实施例中，所述激光器的类型为co2激光器、准分子激光器、固体激光器、红外脉冲激光器、半导体激光器、紫外脉冲激光器中的任意一种。
36.在其中一个实施例中，步骤：加工所述表面纤维层中，具体包括以下步骤：
37.按照所述扫描区域的外轮廓对所述表面纤维层进行激光切割，分离去除表面纤维层，形成几何构型。
附图说明
38.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
39.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。
40.图1为一实施例中所述的树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法的工作流程图
一；
41.图2为一实施例中所述的树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法的工作流程图二。
具体实施方式
42.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
44.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
45.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
47.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
48.请参阅图1，图1示出了本发明一实施例中所述的树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法的工作流程图一；本发明一实施例提供了的一种树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法，包括以下步骤：
49.s10：对树脂基复合材料的损伤部位进行无损检测，获取所述损伤部位的尺寸信息；
50.s20：根据所述尺寸信息设置激光器的扫描区域形状；
51.s30：将树脂基复合材料放入所述扫描区域，激光器扫描所述树脂基复合材料，分离所述树脂基复合材料的表面纤维层；
52.s40：加工所述表面纤维层；
53.s50：重复分离所述树脂基复合材料的表面纤维层，直至扫描至预设层数，形成几何构型。
54.上述树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法，在工作过程中，采用激光表面处理技术，对树脂基复合材料进行挖补维修，通过无损检测技术，能够获取损伤部位的深度、长度及宽度等尺寸信息，并且根据获取的损伤部位的损伤信息对应获取相对于的扫描区域的形状，另外，通过激光参数调控规律，调节工艺参数，去除树脂基复合材料的表面纤维层，如此树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法，与传统的激光表面处理方式相比，方便控制生产质量，提高工作效率，并且能够尽可能少的对树脂基材料造成破坏，有利于提高挖补维修的精准性，从而减少对树脂基复合材料的损伤，保证力学性能。
55.其中，对树脂基复合材料进行激光连接操作时，无需进行步骤s10：对树脂基复合材料的损伤部位进行无损检测，获取所述损伤部位的尺寸信息，当对树脂基复合材料上的缺陷损伤等位置进行挖补维修时，需要进行步骤步骤s10：对树脂基复合材料的损伤部位进行无损检测，获取所述损伤部位的尺寸信息。
56.具体地，激光表面处理技术，具有操作灵活、精确选区、快速高效等优点，在激光-材料作用规律与工艺参数优化基础上，可实现对树脂基复合材料表面树脂清除与树脂基复合材料维修几何构型的精度控制，且不损伤基体材料。激光表面处理技术作为一种无接触式加工技术，其具有效率高、精度高、无应力集中等优点而广泛应用于金属和非金属材料的加工领域。激光表面处理技术是以光学系统将激光光束聚焦、整形后，扫描辐射待处理表面，可发挥光压力、冲击压力、振动波、等离子体爆发等多种效应的综合作用。激光加工技术作为一种快捷、高效、绿色、可控的工艺，可对复杂形状表面选择性处理，有着其他处理工艺不可比拟的优越性，是实现树脂基复合材料结构损伤几何构型的理想技术手段。
57.其中，几个构型的形成可以为连接几何构型，供激光连接工序时使用，还可以为挖补维修几何构型，由挖补维修工序形成。
58.具体地，激光分离表面纤维层的方式为通过激光系统控制软件，调控激光处理时的扫描方式、工艺参数及扫描区域形状，控制树脂基复合材料表面纤维损伤，去除表面纤维层和下一层纤维层之间的树脂，使得上下两层纤维层分离。
59.并且，在分离过程中，通过热解法进行去除树脂，通过试验总结出的激光工艺参数调控规律，在激光控制软件中设置激光工艺参数使得激光能量介于树脂与纤维损伤阈值之间，使得两层纤维间树脂完全气化，纤维分离，这样的分离方式能够保证下一层纤维表面的质量。试验可知，第n层、第n-1层纤维表面树脂完全去除、无残留，且纤维层的损伤较小无损伤，表面激光处理之后材料表面情况良好。相较于原始表面，激光处理后试样表面微观结构均匀性较好，当树脂完全去除后，暴露出碳纤维，而在碳纤维编织层之间存在缝隙，根据机械嵌锁理论，增加了材料表面接触面，有利于增加挖补维修的粘接强度，提高复合材料结构维修强度。
60.其中，步骤s10：对树脂基复合材料的损伤部位进行无损检测，获取所述损伤部位的尺寸信息中，无损检测方法可以为涡流检测、压电超声检测、电磁超声探伤、超声成像、射
线检测等检测方式，获取损伤缺陷的长度、宽度、深度等尺寸信息。具体在本实施例中，通过超声成像获取损伤的尺寸信息，有利于提高精度
61.请参阅图1，在一个实施例中，步骤：s20：根据所述尺寸信息设置激光器的扫描区域形状，具体包括以下步骤：
62.s21：激光器系统及激光器控制平台启动；
63.s22：在激光器控制平台中设置扫描区域参数、扫描区域形状；
64.s23：在激光器控制平台中设置激光器扫描方式及激光填充线方式。
65.在一个实施例中，扫描区域形状可为圆形、椭圆形及矩形中的任意一种。例如，在本实施例中，扫描区域为矩形。
66.如此，根据树脂基复合材料表面缺陷或损伤的类型、位置及大小，能够选择不同的扫描区域形状，一方面能够减少挖补面积，降低挖补区域的材料损伤，减少对材料力学性能的影响，另一方有利于提高工作效率，提高维修效果。
67.其中，每一次对树脂基复合材料的去除区域大小即初次扫描区域形状的大小，根据损伤位置及大小，可判断材料去除区域形状为圆形、椭圆及矩形。
68.可选地，激光工艺参数设置为：激光功率30-500w、激光脉冲重复频率60-1000khz、脉冲宽度60-400ns、扫描速度1000-6000mm/s、离焦量0-40mm、纵向间距0.01-1mm、扫描次数n次(1-20次)。具体地，经过试验，最终确定参数为：激光功率108w，激光脉冲重复频率200khz，脉冲宽度60ns，扫描速度2300mm/s，离焦量12mm，纵向间距0.01mm，扫描3次可实现树脂基复合材料维修几何构型，能够得到较好的分离效果。
69.需要说明的是，按照激光工艺参数调控规律，为保证激光作用于材料表面时，光斑均匀的覆盖表面，使得热能均匀扩散，需采用较大的激光重复频率，但若频率过高会对下一层纤维产生严重的热损伤行为。
70.为实现较高的激光表面处理效率及去除区域的形状精度，可通过激光控制软件设置较高的离焦量，改变光斑大小，从而提高效率。而增大离焦量不仅可使光斑能量分布均匀，还可使得光斑尺寸增加，提高激光表面处理效率。
71.当激光能量过小不能达到材料表面树脂的损伤阈值时，可提高激光功率或降低激光重复频率，当激光功率过大下一层纤维出现损伤时可提降低功率或提高频率、离焦量来减小激光能量。功率与激光重复频率及光斑大小呈现反比关系，而离焦量与光斑大小呈现正比关系。
72.由此可见激光工艺参数之间并非相互独立，而是互相影响，当一个参数改变时往往会引起多个参数同时改变，这增加了工艺参数设置难度，由此本发明在实际试验过程中，根据试验结果总结出了激光工艺参数调控规律，根据上述工艺规律大大降低了在激光参数设置环节的难度，并且在实验中得出了能够实现几何构型的激光工艺参数组，且下一层纤维表面质量良好，根据上述工艺参数，能够达到材料去除区域表面树脂及下一层纤维表面树脂损伤阈值，因此本发明所采用的激光工艺参数达到树脂损伤阈值时，不会使得纤维完全破坏，且不会损伤下一层纤维，即激光向下传热效率及深度不高，这种去除机制保证了能够实现几何构型，同时确保去除区域纤维完整性，下一层纤维表面树脂完全去除且纤维无损伤。
73.不同激光扫描路径对材料的作用机理不同，不同的扫描路径其材料表面差异巨
大，过于复杂的扫描路径作用于材料表面的时间越长，激光对材料的热损伤更为严重，而过于单调的扫描路径无法完全去除两层纤维之间的树脂，导致纤维层分离效果较差。效果较差体现为：分离困难，下一层纤维表面树脂不能完全去除，而本发明利用激光不仅需要实现几何构型，还需要保证去除区域表面质量，较好的表面质量能够提供大幅度改善挖补维修效果。较好的表面质量为：去除区域表面树脂完全去除，纤维无损伤，微观结构均匀性较好。
74.可选地，激光器的扫描路径可为“弓”型、“回”型、“闪电”型，“s”型、“十”型。具体在本实施例中，经试验，本实施例中所选用的扫描路径为“s”、“十字形”时，效果较好，两种类型的扫描路径，均包含了多方向的激光进给方向，而多向的激光进给方向对于树脂基复合材料这种各向异性材料而言，使得激光作用于材料表面时的热量扩散更为均匀，更有利于实现几何构型。
75.请参阅图2，图2示出了本发明一实施例中所述的树脂基复合材料激光连接及挖补维修方法的工作流程图二，在一个实施例中，步骤s30：将树脂基复合材料放入所述扫描区域，激光器扫描所述树脂基复合材料，分离所述树脂基复合材料的表面纤维层，具体包括以下步骤：
76.s31：开启所述激光器系统的红光预览模式，形成红光指示范围即为所述扫描区域；
77.s32：将树脂基复合材料放入所述红光指示范围中；
78.s33：激光器启动，按照所述扫描区域形状分离所述树脂基复合材料的表面纤维层。
79.如此，红光预览模式能够直接观察到去除区域大小及位置，可提高材料去除区域的形状精度，将树脂基复合材料放置于激光工作台上并与红光位置相对应，通过红光指示范围，能够方便确认扫描区域，提高工作效率。当然，在其它实施例中，还可以通过投影、指示线、指针对扫描区域进行标识。
80.在一个实施例中，请参阅图2，步骤s33：激光器启动，按照所述扫描区域形状分离所述树脂基复合材料的表面纤维层之后，还包括如下步骤：
81.s331：烟尘净化系统开启，吸收扫描树脂基复合材料产生的烟尘。
82.在一个实施例中，请参阅图2，步骤s33：激光器启动，按照所述扫描区域形状分离所述树脂基复合材料的表面纤维层之后，还包括：
83.s332：火焰收集系统开启，消除扫描树脂基复合材料产生的火焰。
84.如此，在实际激光作用于材料表面时，激光能量转化为热能，达到树脂气化温度，树脂气化形成白色烟尘，对环境不友好，因此通过利用烟尘净化系统吸收烟尘，树脂气化形成白烟，一部分被净化系统所吸收，一部分被激光所点燃产生明亮火焰，而火焰会对材料表面产生持续的烧蚀现象，严重降低材料表面质量，因此，通过烟尘净化系统和火焰收集系统的开启，能够极大程度上降低火焰烧蚀以及多层纤维同时分离现象，保证纤维层的分离质量。
85.在一个实施例中，步骤s40：加工所述表面纤维层，具体包括以下步骤：
86.s41：操作所述激光控制软件改变激光填充方式为线框填充方式；
87.s42：激光器沿线框轮廓对表面的纤维层进行加工；
88.s43：取下加工后的所述表面纤维层。
89.如此，当表面纤维层和下层之间的树脂完全去除，表面纤维层与树脂基复合材料分离后，通过激光控制软件改变激光填充方式由面填充方式改为线框填充方式将表面纤维层从树脂基复合材料上完全分离，填充线框轮廓尺寸与去除区域尺寸相同，即激光沿着去除区域外轮廓切割，扫描n次直至将表面纤维层完全去除。线填充方式扫描区域仅为线框，因此可利用线框填充方式将已经分离的表面纤维层切割下来，利用线框填充方式去除已经分离的纤维能够保证材料去除的形状精度，进而提高表面纤维层的完整性。
90.在一个实施例中，步骤：s50：重复分离所述树脂基复合材料的表面纤维层，直至扫描至预设层数，形成几何构型，具体包括以下步骤：
91.s51：操作激光控制软件改变激光填充方式为面填充方式；
92.s52：按照所述扫描区域形状分离表面纤维层；
93.s53：改变激光填充方式为线框填充方式，加工所述表面纤维层；
94.s54：缩小所述扫描区域大小，继续分离所述表面纤维层；
95.逐级缩小所述扫描区域大小直至扫描至预设层数，形成几何构型。
96.如此，几何构型维修几何构型形成方式为：首先去除一层较大面积纤维，然后去除一层较小面积纤维，去除区域面积逐层递减直至第n层，如此形成几何构型，同时在此过程中激光工艺参数无需任何改变，仅仅为重复切换改变填充方式，有利于减小去处区域的大小，减少对树脂基复合材料的力学性能损伤，从而提高后续对材料的维修质量。
97.在一个实施例中，激光表面处理实现几何构型的工艺可在无氧环境进行，无氧环境会抑制处理时火焰的产生，能够有效降低激光热损伤，例如烧蚀、多层纤维同时分离等，具体地，通过通入惰性气体例如氮气、氩气等来营造无氧环境。
98.在一个实施例中，激光器的类型为可为气体激光器，如二氧化碳激光器、准分子激光器等，还可为固体激光器、半导体激光器、光纤激光器，如红外脉冲激光器、紫外脉冲激光器等。
99.具体地，激光器为红外激光器。如此，扫描效率高，使用方便。本实施例仅提供一种激光器的具体实施方式，但并不以此为限。
100.可选地，加工表面纤维层的方式可为人工切割、手撕、剪裁、自动切割、激光切割或其它加工方式。
101.具体地，步骤s40：加工所述表面纤维层中，具体包括以下步骤：
102.按照所述扫描区域的外轮廓对所述表面纤维层进行激光切割，分离去除表面纤维层，形成几何构型。
103.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
104.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。