朱小偉,潘哲豪,楊文鋒,李紹龍,曹 宇*
1溫州大學(xué) 激光加工機(jī)器人國際科技合作基地,浙江 溫州 325035;2中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院,四川 廣漢 618307
碳纖維復(fù)合材料(Carbon fiber reinforced polymers,CFRP)由于其比模量和比強(qiáng)度高、低熱膨脹系數(shù)、耐疲勞等優(yōu)異特性,在航空航天、高速鐵路、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)裙I(yè)高端制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。尤其是在航空/航天飛行器中,CFRP 材料從最開始的板蓋、整流罩等不需要承受太大載荷的中小型構(gòu)件發(fā)展到垂尾、平尾等主承力構(gòu)件,其占比量已經(jīng)成為衡量飛行器性能是否優(yōu)異的重要指標(biāo)[4-5]。進(jìn)而,高效、高性能的CFRP 構(gòu)件損傷修復(fù)成為當(dāng)前復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6-7]。
目前,CFRP 構(gòu)件損傷修復(fù)方法可分為貼補(bǔ)法和挖補(bǔ)法兩種。貼補(bǔ)法通過鉚接等機(jī)械聯(lián)接或膠接將加強(qiáng)片固定在缺陷外部以恢復(fù)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度等。挖補(bǔ)法是將受到損傷的材料挖除,準(zhǔn)備一塊與其挖除形狀大小相匹配的補(bǔ)片,通過機(jī)械連接或膠接固定。挖補(bǔ)法修復(fù)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、氣動(dòng)外形良好,因此應(yīng)用廣泛[8-9]。相比機(jī)械連接,挖補(bǔ)膠接沒有開孔洞引起的應(yīng)力集中和產(chǎn)生裂紋等現(xiàn)象,沒有螺栓、鉚釘增重,抗疲勞性、減震性能優(yōu)異,更適用于異形、薄壁復(fù)雜型面的構(gòu)件。
膠接界面預(yù)處理是挖補(bǔ)膠接的關(guān)鍵工藝技術(shù),通過表面處理可以有效去除碳纖維復(fù)合材料表面污染雜質(zhì),改變表面的結(jié)構(gòu)形貌、化學(xué)性質(zhì)以更好地發(fā)揮膠接面與膠粘劑的粘接作用。傳統(tǒng)的機(jī)械打磨無可避免對(duì)碳纖維鋪層造成損傷,激光燒蝕作為一種具有高可控性、高效率、非接觸式和易于自動(dòng)化的先進(jìn)加工方法,被視為膠接界面預(yù)處理的最佳選擇[10-12]。Fischer等[13]研究了紫外激光和二氧化碳激光燒蝕處理對(duì)CFRP 膠接性能的影響,結(jié)果表示兩種不同激光處理對(duì)于膠接接頭的剪切強(qiáng)度的影響較小,兩者的作用機(jī)理存在顯著差異。楊文峰等[14]通過紫外激光對(duì)CFRP膠接界面進(jìn)行預(yù)處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過激光處理后表面接觸角顯著降低,表面自由能增高,表面活性得到了改善,處理后的膠接接頭強(qiáng)度得到了一定提升。占小紅等[15]利用紅外激光對(duì)CFRP 膠接界面進(jìn)行表面處理,探索了激光加工參數(shù)與膠接接頭強(qiáng)度的關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn),在激光功率為25.9 W、重復(fù)頻率為50 kHz、掃描速度為9000 mm/s 時(shí),碳纖維上面的樹脂得到有效去除,而碳纖維表面幾乎沒有損傷。Oliveira 等[16]發(fā)現(xiàn)通過控制調(diào)整激光加工參數(shù),可以選擇性的去除環(huán)氧樹脂,使碳纖維暴露在外面,在碳纖維表面形成的微結(jié)構(gòu)有利于提升膠接接頭強(qiáng)度。然而,大多數(shù)研究主要針對(duì)于膠接面激光預(yù)處理工藝研究,如何利用激光加工技術(shù)簡便高效地獲得高性能膠接接頭是目前亟待解決的問題。
本文從CFRP 層合板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā),提出一種多梯層挖補(bǔ)膠接接頭設(shè)計(jì)策略,設(shè)計(jì)了基于表層輪廓線自動(dòng)分層切片的膠接接頭陰陽模構(gòu)建算法和分區(qū)拼接激光振鏡掃描工藝算法,并通過工藝實(shí)驗(yàn)探索了CFRP 階梯界面的激光燒蝕成型工藝規(guī)律和粘結(jié)性能改善機(jī)理,提供了一種高自動(dòng)化、柔性化的航空、航天、交通等領(lǐng)域CFRP 構(gòu)件的高性能挖補(bǔ)膠接接頭設(shè)計(jì)和制備方法。
為了得到高性能的挖補(bǔ)膠接接頭,將補(bǔ)片設(shè)計(jì)成多梯層凸臺(tái)狀,增強(qiáng)補(bǔ)片和構(gòu)件之間的機(jī)械嵌鎖作用和膠接連接的有效接觸面積。利用激光燒蝕去除損傷結(jié)構(gòu)材料得到凹形的多梯層三維結(jié)構(gòu)(陰模),其三維結(jié)構(gòu)幾何形狀尺寸與凸?fàn)疃嗵輰友a(bǔ)片(陽模)對(duì)應(yīng),最終將兩者進(jìn)行膠接成整體,完成修補(bǔ)。
在實(shí)際維修工作場(chǎng)景中,面對(duì)待修復(fù)的CFRP 構(gòu)件,已知的是構(gòu)件表面的損傷部位輪廓,損傷部位輪廓往往是由維修工程師經(jīng)過無損探測(cè)技術(shù)得到的輪廓線頂點(diǎn)坐標(biāo)值,以及結(jié)構(gòu)件制造商提供的三維模型。對(duì)于因損傷部位輪廓復(fù)雜或檢測(cè)條件不足而難以獲得準(zhǔn)確的輪廓頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的情形,可以采用與輪廓拓?fù)湎嗨频腘 邊形包圍盒等制式數(shù)據(jù)作為輸入源,再選擇合適的多梯層參數(shù)(梯層數(shù)、梯層高度、梯層寬度等),接頭建模算法便以此為輸入?yún)?shù)進(jìn)行接頭模型的構(gòu)建,簡化工程實(shí)施條件。
構(gòu)建CFRP 挖補(bǔ)膠接接頭陰陽模模型本質(zhì)上是利用激光能量在構(gòu)件上逐層燒蝕加工出多梯層的分層輪廓,分層輪廓通過求解每層輪廓偏置線交點(diǎn)獲得。考慮到多梯層臺(tái)階輪廓多邊形可能最后會(huì)出現(xiàn)自交的情況,此時(shí)內(nèi)層的輪廓多邊形就會(huì)出現(xiàn)變形失真。有人提出將輪廓偏置方向設(shè)為形心方向能有效解決這一問題[17]。本文考慮到CFRP 構(gòu)件維修這一背景,在生成多梯層臺(tái)階輪廓邊時(shí),不需要將整個(gè)維修部位完全填充,根據(jù)梯層高度、梯層寬度等參數(shù)設(shè)定相應(yīng)的閾值,當(dāng)超過這一閾值時(shí),不再繼續(xù)生成下一梯層臺(tái)階輪廓多邊形,從而解決自交問題。
然后對(duì)多梯層分層輪廓進(jìn)行激光掃描路徑線填充。采用活性邊表法進(jìn)行掃描填充,在對(duì)掃描線與輪廓邊求交時(shí),只對(duì)掃描線和與其相交的邊進(jìn)行求交運(yùn)算,減少冗余計(jì)算,提高處理效率。在X-Y平面內(nèi),陰模、陽模本質(zhì)上都是對(duì)輪廓多邊形區(qū)域進(jìn)行掃描填充,只是對(duì)于掃描線交點(diǎn)的處理有一定差異。如圖1 所示,圖中為陰陽模模型X-Y平面圖,其中的輪廓五邊形為待維修部位,矩形為維修部位的最大矩形包圍盒,最大矩形包圍盒可以根據(jù)實(shí)際加工需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,假設(shè)某一條掃描線上的交點(diǎn)依次為m,n,s,t等,在構(gòu)建陰模掃描路徑時(shí),填充區(qū)間的掃描線交點(diǎn)配對(duì)為ns;而在構(gòu)建陽模掃描路徑時(shí),填充區(qū)間的掃描線交點(diǎn)配對(duì)為mn,st。除了采取圖中的x方向掃描,還可以改變掃描線的角度,做其他方向的掃描填充。比如掃描線角度為90°時(shí),此時(shí)為y方向掃描填充。
最后對(duì)陰陽模模型立體化處理。加工出的陰模和陽模,需要在z軸上進(jìn)行重構(gòu)。根據(jù)用戶定義的臺(tái)階深度,便可以得到每一層臺(tái)階輪廓面z值的變化范圍zn。設(shè)定初始的輪廓多邊形所在平面為基準(zhǔn)面,為第一層臺(tái)階,其z值為零,則第二層臺(tái)階z坐標(biāo)數(shù)值為zn,第三層臺(tái)階為2zn,依次類推,第n層臺(tái)階為(n?1)*zn,將z值賦值到輪廓頂點(diǎn)坐標(biāo)中,便完成了陰陽模模型的構(gòu)建,如圖2 為算法驗(yàn)證實(shí)例。為了滿足加工需求,也可以改變每一層臺(tái)階深度,例如臺(tái)階深度逐漸降低或者逐漸增大等。
圖2 算法驗(yàn)證實(shí)例。(a) 構(gòu)建損傷輪廓示意圖;(b) 算法構(gòu)建的陰模加工點(diǎn);(c) 算法構(gòu)建的陽模加工點(diǎn)Fig.2 Example of algorithm validation.(a) Schematic diagram of damage contour construction; (b) Yin mold processing point constructed by algorithm;(c) Yang mold processing point constructed by algorithm
激光能量大小是一定的,每次掃描加工只能燒蝕去除一定的深度,必須借助分層切片來實(shí)現(xiàn)陰陽模模型加工。利用一系列以分層方向?yàn)榉ㄊ傅钠矫?定義為平行于XOY平面的切平面)與陰陽模三維模型進(jìn)行求交運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)挖補(bǔ)膠接接頭陰陽模型的分層切片。
實(shí)際操作中,一般用大量的三角形面擬合實(shí)體表面(STL 文件模型),于是分層切片就成了三角形面與切平面求交運(yùn)算,每個(gè)切平面之間的z值稱為分層厚度。分層厚度是十分重要的工藝參數(shù),對(duì)于復(fù)雜曲面外形的結(jié)構(gòu)件,其分層層厚應(yīng)小于聚焦激光束的焦深值。這是因?yàn)樵诰劢辜す馐慕股罘秶鷥?nèi),激光光斑大小以及能量分布基本不變,當(dāng)構(gòu)件表面高度變化值小于激光束焦深時(shí),只要加工速度控制不變,單位時(shí)間內(nèi)激光燒蝕去除材料的工藝精度就可以得到有效保證。
進(jìn)行切片后,截面就會(huì)形成一個(gè)閉環(huán)輪廓,在這些閉環(huán)輪廓中進(jìn)行掃描填充,便可以得到該切平面的加工點(diǎn)坐標(biāo),切片原理如圖 3 所示?;陉庩柲P颓衅謱訑?shù)據(jù)的激光三維雕刻工藝代碼生成算法可以描述為如下步驟:
圖3 切片原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of section principle
1)初始化一個(gè)散列表(數(shù)組和鏈表構(gòu)成),數(shù)組用于儲(chǔ)存每層切平面,鏈表儲(chǔ)存每一切平面的交點(diǎn);
2)遍歷輪廓多邊形的各條邊,查找所有與切平面有相交關(guān)系的輪廓邊;
3)將相交的邊與切平面進(jìn)行求交運(yùn)算,所求交點(diǎn)存入到鏈表中;
4)結(jié)束該層切片,z值增加一個(gè)分層厚度,進(jìn)行下一輪切片;
5)判斷切片是否完成,結(jié)束切片。
當(dāng)CFRP 構(gòu)件的膠接接頭部分完成模型構(gòu)建及切片分層之后,三維問題就可以轉(zhuǎn)換為二維問題解決,即采用逐層XY二維掃描振鏡進(jìn)行激光刻蝕加工。遍歷每層切平面中的交點(diǎn),構(gòu)成一個(gè)封閉的輪廓多邊形。對(duì)輪廓多邊形進(jìn)行掃描填充得到的加工點(diǎn)坐標(biāo)便是該層的激光掃描加工路徑。當(dāng)前,數(shù)控加工代碼ISO 標(biāo)準(zhǔn)(G-code 等)沒有激光振鏡掃描語句,因此本文采用一種自定義的通用化激光加工代碼進(jìn)行封裝,得到陰陽模型的激光三維雕刻代碼。并且,采用了XML封裝以方便網(wǎng)絡(luò)傳輸。自定義的通用化激光加工代碼傳輸給激光加工機(jī)器人控制板卡(下位機(jī)),經(jīng)過代碼解釋執(zhí)行函數(shù),調(diào)用相應(yīng)的機(jī)器人動(dòng)作指令或激光掃描指令完成加工。如表1 所示,例如,加工代碼LDS 01 即對(duì)應(yīng)調(diào)用控制板卡開啟激光器函數(shù)。
表1 自定義的通用化激光加工代碼及其解釋Table 1 Customized laser processing code and its description
由于振鏡掃描加工范圍有限,對(duì)于大型CFRP 結(jié)構(gòu)件,可以按照振鏡掃描加工范圍進(jìn)行分區(qū)拼接掃描[17]。利用數(shù)控加工機(jī)床或者工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)振鏡掃描激光加工頭實(shí)現(xiàn)各個(gè)分塊加工區(qū)域的移動(dòng)、定位、對(duì)焦等,從而完成對(duì)大幅面加工區(qū)域的分塊拼接,二維振鏡完成二維平面內(nèi)激光掃描加工[18]。
通過自主搭建的一套“6+2”軸通用型機(jī)器人激光加工系統(tǒng)進(jìn)行工藝驗(yàn)證,如 圖4 所示。該設(shè)備配備了一臺(tái)輸出波長 1064 nm、平均功率 300 W、光斑聚焦直徑 50 μm 的光纖激光器。二維振鏡掃描激光加工頭安裝在六軸關(guān)節(jié)臂式機(jī)器人的手臂末端法蘭盤,利用關(guān)節(jié)臂式工業(yè)機(jī)器人的6 個(gè)空間自由度,可以實(shí)現(xiàn)二維振鏡掃描激光加工頭空間姿態(tài)方位的自由調(diào)節(jié),使加工更加靈活且柔性化程度高。
圖4 設(shè)備實(shí)物圖片F(xiàn)ig.4 Picture of the laser process equipment
實(shí)驗(yàn)樣品選用80 mm×80 mm×20 mm 的CFRP 層合板材,碳纖維是東麗公司T300,絲束為3k,樹脂為環(huán)氧樹脂。選取內(nèi)接于半徑為35 的圓的正五邊形作為維修輪廓區(qū)域,臺(tái)階層數(shù)設(shè)置為5 層,臺(tái)階深度為1.6 mm,臺(tái)階寬度為3.24 mm,如圖5(a) 所示。激光加工參數(shù)如下:掃描速度為2000 mm/s,激光功率為80%,掃描線填充間距0.02 mm,脈寬80 ns。
圖5 樣品加工后的實(shí)物圖Fig.5 Physical picture of the processed sample
采用測(cè)厚儀直接測(cè)量梯層的深度,游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)梯層寬度,采用多次測(cè)量取平均數(shù)以減少誤差,測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。從圖5 中可以看出加工得到的多梯層表面較為平整,梯層表面樹脂得到有效去除,沒有明顯的樹脂殘留,借助共聚焦顯微鏡觀察,沒有明顯的纖維分層、撕裂現(xiàn)象,工藝表面質(zhì)量良好,表面粗糙度達(dá)到Ra=21.86 μm。加工得到的接頭幾何形狀尺寸整體符合預(yù)設(shè)工藝要求,梯層寬度與預(yù)期設(shè)計(jì)接頭形狀尺寸較為一致,而梯層深度存在一定的誤差,這可能是CFRP 層合板材料性能非均質(zhì)性、各向異性導(dǎo)致的。CFRP 層合板是由碳纖維增強(qiáng)體絲束編織成交錯(cuò)結(jié)構(gòu),再經(jīng)由樹脂浸漬烘干制成預(yù)浸料,經(jīng)過裁切、疊合,在壓力機(jī)中承受適當(dāng)壓力和溫度并保持一定時(shí)間而制成。在纖維編織交界處就會(huì)出現(xiàn)樹脂不均勻問題,而纖維單一方向的熱導(dǎo)性則會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致激光燒蝕去除材料時(shí)不均勻問題,從而梯層深度與預(yù)設(shè)幾何尺寸會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。
圖6 多梯層接頭的表征Fig.6 Characterization of the multi-ladder joint
根據(jù)GB/T 33334?2016 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了剪切強(qiáng)度測(cè)試方案。對(duì)兩梯層膠接接頭進(jìn)行單搭接剪切試驗(yàn)以評(píng)估其膠接強(qiáng)度。在樣品末端處設(shè)置防滑墊塊,并補(bǔ)償拉伸力方向的偏差。選用容量為10 kN 的電子萬能試驗(yàn)機(jī)為測(cè)試設(shè)備,測(cè)試速度選擇5 mm/min,選用3M環(huán)氧膠(3M? Scotch-Weld?2214,USA)為粘接劑,固化環(huán)境是在121 ℃下固化1 小時(shí)。在單搭剪切強(qiáng)度試驗(yàn)后,觀察試樣表面發(fā)生的破壞模式,對(duì)于每個(gè)樣本組測(cè)試重復(fù)5 次,取平均數(shù)作為測(cè)試結(jié)果。并利用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試兩種膠接接頭的沖擊韌性,取5 次測(cè)試值的平均值作為測(cè)試結(jié)果。
如圖7 為拉伸剪切強(qiáng)度和沖擊韌性測(cè)試結(jié)果圖。經(jīng)過傳統(tǒng)機(jī)械銑削得到的CFRP 多梯層膠接接頭拉伸剪切強(qiáng)度為12.9 Mpa,而通過激光處理后的膠接接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到了16.5 Mpa,剪切強(qiáng)度得到了顯著的提升。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)通過傳統(tǒng)機(jī)械加工后的剪切強(qiáng)度波動(dòng)較大,激光處理后膠接接頭穩(wěn)定性更好。通過機(jī)械銑削處理后的膠接接頭的沖擊強(qiáng)度為8.2 kJ/m2,而通過激光處理后其沖擊強(qiáng)度9.4 kJ/m2,性能增幅約15%,說明激光處理有利于增強(qiáng)CFRP 構(gòu)件修復(fù)后的抗沖擊性能。
圖7 膠接接頭強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of adhesive joint strength
圖8 為CFRP 層合板多梯層膠接接頭拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試后樣品的失效表面形貌圖。機(jī)械加工處理的樣品失效表面如圖8(a),淺灰色部分為樹脂膠體,深色部分為碳纖維基體,失效表面呈現(xiàn)大片區(qū)域的淺灰色或者是深灰色區(qū)域,在拉伸力的作用下,纖維基體被剪切斷裂,大片的碳纖維暴露出來,樣品主要失效形式為基體失效。這說明在機(jī)械銑削加工后,纖維基體遭到破壞,對(duì)樣品的力學(xué)性能造成了不良影響。在激光處理的樣品中,失效表面主要是大面積的淺灰色膠體,局部分布著深色小塊纖維,這說明拉伸測(cè)試過程中加載的拉伸力超過了粘接劑內(nèi)部的聚合力,但沒有超過粘接劑和樣品之間的粘合力,樣品失效形式主要是粘接劑內(nèi)聚破壞。而存在著一些深色小塊,是由于激光加工過程中,熱累積對(duì)纖維造成了一些熱損傷,導(dǎo)致纖維撕裂破壞[19-20]。
圖8 失效表面形貌圖。(a)機(jī)械加工;(b)激光處理Fig.8 Failure surface topography.(a) Mechanical processing;(b) Laser treatment
為了進(jìn)一步探索膠接接頭性能的改善機(jī)理,我們對(duì)比觀察了不同處理方向下的樣品表面形貌。通過機(jī)械銑削后得到的樣品表面整體較為粗糙,大部分的碳纖維已經(jīng)裸露出來,從圖9(a)也可以看到斜向排布的凹痕,這應(yīng)該刀具在銑削加工時(shí)造成的,對(duì)于膠接接頭可能存在潛在的不利影響[21-22]。從高倍放大圖中可以看出,經(jīng)過銑削加工后的樣品表面布滿了雜質(zhì)顆粒,很多雜質(zhì)顆粒夾藏在碳纖維的縫隙之中難以去除,雜質(zhì)顆粒的存在會(huì)讓膠粘劑難以滲透到纖維間隙中,減少基體與膠粘劑的接觸面積,影響了膠接的效果。同時(shí)也可以觀察到部分碳纖維受到切削力的影響遭到破壞斷裂,就會(huì)導(dǎo)致受到外力后,基材會(huì)撕裂分層,嚴(yán)重影響了膠接接頭的力學(xué)性能。
圖9 樣品加工后的微觀表面形貌。(a),(c)不同放大倍數(shù)下銑削處理后的樣品表面形貌;(b),(d)不同放大倍數(shù)下激光處理后的樣品表面形貌Fig.9 Sample surface morphology after processing.(a),(c) Sample surface morphology with milling treatment at different magnification;(b),(d) Sample surface morphology with laser treatment at different magnification
圖9(b),9(d)為激光處理后的樣品表面形貌,可以觀察到最外層的碳纖維基本都裸露出來,環(huán)氧樹脂也得到有效去除,表面較為干凈,基本上沒有雜質(zhì)殘留,表面粗糙度明顯增加。在高放大倍數(shù)圖中,纖維表面粗糙度增加,纖維的端部都有明顯的燒蝕痕跡,但是纖維整體結(jié)構(gòu)完好,沒有纖維中間斷裂撕裂的現(xiàn)象,纖維之間出現(xiàn)了一些間隙,這些間隙可能是碳纖維在吸收了大量激光能量溫度驟升,纖維之間的樹脂受熱分解汽化,便形成了間隙,通過這些間隙也可以觀察到下一層纖維較為完整。碳纖維間隙的存在和粗糙化的纖維表面,可以大大增加基體與粘接劑之間的接觸面積,同時(shí)完整的纖維也是良好膠接性能的又一保證。
針對(duì)CFRP 構(gòu)件維修應(yīng)用場(chǎng)景,設(shè)計(jì)了挖補(bǔ)膠接接頭陰陽模構(gòu)建算法和膠接接頭分層切片激光三維雕刻工藝代碼生成算法,驗(yàn)證了CFRP 多梯層膠接接頭的激光燒蝕成型工藝規(guī)律和粘結(jié)性能改善機(jī)理。激光處理后的CFRP 表面質(zhì)量良好,誘導(dǎo)生成的表面微結(jié)構(gòu)大大增加了粗糙度和表面積,提高了膠接強(qiáng)度,膠接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度和沖擊韌性都得到有效提升,分別為16.5 Mpa 和9.4 kJ/m2,分別提升了約28%和15%,為以后CFRP 構(gòu)件維修這一應(yīng)用場(chǎng)景提供了一種高性能膠接接頭的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)路徑。