多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机的制作方法

：
1.本实用新型属于激光加工技术领域，尤其是修补多层碳纤维复合材料的激光技术。


背景技术：

2.碳纤维是含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，基于这些优良的物理和化学性能，多层碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天领域。多层碳纤维复合材料是由几层甚至上百层的碳纤维单向带或碳纤维织物等按设计的方向和层数叠铺在一起，每层之间由环氧树脂胶粘剂或者胶粘剂组合物进行粘合，最后加热固化后制成的。
3.多层碳纤维复合材料在生产和使用过程中不可避免会产生缺陷或者损伤，比如分层、脱胶、表面划伤、裂纹等。有些复合材料的面积会很大，比如全复合材料的机身和机翼，不可能因为一个小部位的裂纹或划伤就将整块板扔掉，而修补后的整块板必须具有与原板同等的强度和性能，所以多层碳纤维复合材料的修补工作就显得尤为重要。目前的修补方法主要是非补片修补法和补片修补法，非补片修补法包括树脂注射法、表面涂层法和抽钉法等，补片修补法包括贴补法和挖补法。对于受损面积比较大的特别多层材料主要采用挖补法，这种方法就是首先将已经损坏的部位挖掉，再用合适的碳纤维材料将去掉部分重新补上，新补上的碳纤维材料与原材料之间，以及新补材料的层与层之间用环氧树脂胶粘剂或者胶粘剂组合物进行粘合。目前这些工作都是由修补工人手工完成的，工人用刀具将受损部位的纤维布一层一层挖掉，为了使修补截面变化较为缓和，被挖下来的每一层都不相同，最后形成一个具有锥度的孔，有阶梯型和斜角型两种。受损部位挖掉后，工人还要从纤维母版上切出将要填充进去的碳纤维布或者碳纤维织物，称为补片，由于被挖掉的每一层纤维材料的尺寸都不相同，所以每一片补片的尺寸也不相同。最后将这些补片连同额外铺层、填充铺层、夹心结构等等都填充到锥孔里，它们之间都由胶粘剂或者胶粘剂组合物进行粘合。
4.挖补修理是一个非常精密的工作，比如挖掉受损部位时，锥孔的四周要做成斜削或者垂直的形状，中间最低，一层比一层扩大半英寸的斜面，所以工人下手要沉稳，用力适度，过重会导致完好层面受损，过轻又不能完全除去受损面。多层复合材料里的碳纤维布大约0.01 英寸，修补10层，也就0.1英寸厚，切口处还要打磨成一定角度的斜面，还要分清楚每一层纤维布的铺层方向。由于要求太高，一家飞机修理公司也就只有几个人能把切割面做得漂亮。为了最大限度使修补后的碳纤维复合材料恢复到原来的强度，填充锥孔的时候，需要对补片预固化，补片贴上以后要在补片表面所浸渍的胶液干燥到一定状态时再立即粘贴下一层补片，胶液干燥时间受环境因素影响很大，干燥不足或者过干燥都是不允许的，为了使干燥时间可控并且加快固化速度，人们会在粘合剂里增加光敏化剂，再用光照射加热，称为室温下光固化，对于某些胶类，加热固化后的粘接强度也会大大提高。当前用于光固化的光源主要是紫外灯管，但是紫外光照多了对人的皮肤和眼睛的伤害很大。


技术实现要素：

5.本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，本实用新型寻求设计一种多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机。
6.为了实现上述目的，本实用新型涉及的多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机，包括紫外激光器、激光切割头和紫外匀光灯罩，激光切割头活动连接在紫外激光器输出光路上，激光切割头用于将紫外激光器发出的紫外激光聚焦于多层碳纤维复合材料表面，逐层切割碳纤维复合材料，形成锥形孔；紫外匀光灯罩包括匀光片和圆锥灯罩,匀光片固定在圆锥灯罩的宽口端，紫外匀光灯罩活动连接在紫外激光器输出光路上。
7.进一步地，圆锥灯罩的内表面镀宽带紫外光高反膜，匀光片镀宽带紫外光增透膜。
8.进一步地，激光切割头通过卡扣、螺纹等可拆卸方式固定在紫外激光器输出端，与紫外激光器形成一体结构。
9.进一步地，在圆锥灯罩顶部窄口端固定卡扣，通过卡扣固定在紫外激光器输出端，或在圆锥灯罩顶部窄口端设置固定螺纹，窄口端通过螺纹与紫外激光器输出端螺纹连接，与紫外激光器形成一体结构。
10.作为一种实现方式，所述多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机，还包括机械手和处理芯片，激光切割头固定在机械手末端，机械手和处理芯片连接。在处理芯片的控制下，机械手带动激光切割头沿设定的轨迹运动，完成每一层碳纤维的切割。
11.作为另一种实现方式，所述多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机，还包括横杆、竖杆，竖杆固定在底座上，横杆一端与竖杆顶部转动连接，激光切割头通过滑块连接在横杆上，在横杆上设置刻度尺。
12.本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：
13.1.采用紫外激光器，紫外激光的波长短光子能量大，在完成切割的同时，又避免了对复合材料整体强度和完整性造成影响，保证未被切割的纤维和树脂完好无损；
14.2.紫外匀光灯罩可以将紫外激光束实现匀光，匀光后的紫外光强度分布均匀，因而可以使照射区域内的胶液受热均匀，消除了固化不匀导致整块复合板强度下降的问题，提高了修补质量。
附图说明：
15.图1是实施例1涉及的多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机结构示意图。
16.图2是实施例1涉及的紫外匀光灯罩结构图。
17.图3是实施例1涉及的又一多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机结构图。
18.图4是实施例1涉及的另一多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机结构图。
具体实施方式：
19.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。
20.实施例1：
21.如图1和2所示，本实施例涉及的多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机，包括紫外激光器1、激光切割头2和紫外匀光灯罩3，激光切割头2活动连接在紫外激光器1输出光路上，激光切割头2用于将紫外激光器1发出的紫外激光聚焦于多层碳纤维复合材料表面，逐层切割碳纤维复合材料，形成锥形孔；紫外匀光灯罩3包括匀光片7和圆锥灯罩8,匀光片7 固定在圆锥灯罩8的宽口端，紫外匀光灯罩3活动连接在紫外激光器1输出光路上，紫外激光器1发出的紫外激光从圆锥灯罩8窄口端射入紫外匀光灯罩3，透过匀光片7后均匀分布照射在补片表面，完成补片表面胶液的干燥。
22.进一步地，圆锥灯罩8的内表面镀宽带紫外光高反膜，匀光片7镀宽带紫外光增透膜。
23.具体地，所述激光切割头2可通过光纤与紫外激光器1连接，紫外激光器1发出的激光通过光纤传输到激光切割头2输入端，也可以通过自由空间传输到激光切割头2输入端。
24.进一步地，激光切割头2通过卡扣、螺纹等可拆卸方式固定在紫外激光器1输出端，与紫外激光器1形成一体结构。使用时，通过控制激光器来调节激光强度，手持激光切割头2，调节切割头2与碳纤维层的距离，将受损部位的碳纤维布一层一层的切割掉，每切割下来一层，就将切割掉的碳纤维层拿开，再切割下一层，直至完成对所有碳纤维层的切割。
25.进一步地，在圆锥灯罩8顶部窄口端固定卡扣6，通过卡扣6固定在紫外激光器1输出端，或在圆锥灯罩8顶部窄口端设置固定螺纹，窄口端通过螺纹与紫外激光器1输出端螺纹连接，与紫外激光器1形成一体结构。使用时，直接将圆锥灯罩8放在待干燥的补片表面上部，对补片表面的胶液进行干燥。
26.手持紫外激光器1固然可以完成锥形孔的切割，但是锥形孔的截面为圆形，要想一次性切割出圆形孔对技术人员的要求较高，若将圆形孔的切割通过自动化程序控制实现，可大大减少对技术工人的依赖。
27.如图3所示，作为一种实现方式，所述多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机，还包括机械手4和处理芯片5，激光切割头固定在机械手4末端，机械手4和处理芯片5连接。在处理芯片5的控制下，机械手4带动激光切割头沿设定的轨迹运动，完成每一层碳纤维的切割。通过在处理芯片5中事先输入激光器的输出功率和切割头2的运动轨迹，自动完成锥形孔的切割，提高切割的准确度和完善度。运动轨迹一般为圆形。
28.如图4所示，作为另一种实现方式，所述多层碳纤维复合材料修补激光辅助一体机，还包括横杆9、竖杆10，竖杆10固定在底座上，横杆9一端与竖杆10顶部转动连接，激光切割头2通过滑块连接在横杆9上，在横杆9上设置刻度尺。具体地，刻度尺以竖杆10中轴线为起点。使用时，将底座放在待切割的多层碳纤维复合材料上，参考刻度尺，沿横杆9滑动激光切割头2调整激光切割头2的转动半径，启动紫外激光器1，转动横杆9，横杆9绕竖杆10转动，激光切割头2在多层碳纤维复合材料切割出一个圆形。
29.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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，均应包含在本发明的保护范围之内。