权利要求
1.
碳纤维复合材料层板损伤区的激光去除方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤2：采用超声探伤仪测试所述碳纤维复合材料层板的损伤位置、损伤深度h和损伤尺寸;
步骤3：计算所述碳纤维复合材料层板的损伤区半径r0，r0=损伤尺寸在二维方向的最大值/2;
步骤4：计算所述碳纤维复合材料层板的损伤层数n，n=向上取整(h/h0)+2;其中，h0为所述碳纤维复合材料层板的铺层厚度;
步骤5：设计挖补角度θ;
步骤6：计算台阶宽度d，d=h0/tan(θ);
步骤7：确定倒圆角正八边形加工区域的倒圆角半径r;
步骤8：计算所述倒圆角正八边形加工区域的内接圆半径R，
步骤9：画出以损伤位置中心为中心、以R为内接圆半径、以r为倒圆角半径的倒圆角正八边形加工区域;
步骤10：调节激光参数，激光去除所述倒圆角正八边形加工区域的表面树脂，裸露出碳纤维;
步骤11：沿裸露出的碳纤维的方向将所述倒圆角正八边形加工区域向中心缩进台阶宽度d，形成待去除区域;
步骤12：调节激光参数，激光去除所述待去除区域，并且所述待去除区域的去除深度达到所述铺层厚度h0，观察获得下一层的碳纤维的方向;
步骤13：沿所述碳纤维的方向将所述待去除区域继续向中心缩进台阶宽度d，形成新的待去除区域，调节激光参数，激光去除所述新的待去除区域，并且所述新的待去除区域的去除深度达到所述铺层厚度h0，观察获得下一层的碳纤维的方向;
步骤14：重复步骤S13，直到去除层数达到所述损伤层数n，去除过程结束。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5中，θ=2°～6°。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤7中，r=5mm～10mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光参数包括平均功率、扫描速度、脉冲宽度、重复频率、聚焦长度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述平均功率为28W～32W、所述扫描速度为180mm/s～220mm/s、所述脉冲宽度为90ns～110ns、所述重复频率为90kHz～110kHz、所述聚焦长度为90mm～110mm。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于复合材料激光加工技术领域，具体涉及碳纤维复合材料层板损伤区的激光去除方法。
背景技术
[0002]碳纤维复合材料凭借高比强度、高比模量优势，广泛应用于飞机结构中，并且材料占比逐年增长。碳纤维复合材料层板的耐冲性能差，飞机在服役过程中，尤其是碳纤维复合材料蒙皮容易遭到碰撞产生损伤，需要对飞机上的碳纤维复合材料层板进行修补。
[0003]目前碳纤维复合材料层板的修补方法主要是挖补修复，也就是将损伤区先去除，然后再制作一个补片，通过胶粘的方法将补片粘贴并固定在损伤部位，这种维修方式可以保证气动外形不受影响。损伤区去除是挖补修复工艺的关键环节，目前采用的挖补手段主要是通过人工打磨进行挖补，但这种挖补手段效率低且不利于质量控制。近年来随着激光技术的发展，复合材料激光精密去除技术逐渐得到发展，这为碳纤维复合材料层板的异形损伤区的去除提供了可能。
[0004]目前常用于碳纤维复合材料层板的损伤区的去除方法是斜接法，也就是以圆形轮廓为去除区域，按照一定的挖补角度(2°～6°)等坡度阶梯逐层去除损伤区。但这种去除方法存在以下缺点：第一、每层碳纤维复合材料的去除面积较大，使得损伤区去除时间较长;第二、碳纤维复合材料层板的去除体积较大，过多的无损伤材料被加工去除，挖补结构的修复强度较低。
发明内容
[0005]本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出碳纤维复合材料层板损伤区的激光去除方法，该方法可以减少每层碳纤维复合材料的去除面积，缩短损伤区的去除时间;另外，该方法可以减小碳纤维复合材料的去除体积，避免过多的无损伤材料被加工去除，提高挖补结构的修复强度。
[0006]本发明实施例提供了碳纤维复合材料层板损伤区的激光去除方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1：清除碳纤维复合材料层板表面污渍;
[0008]步骤2：采用超声探伤仪测试所述碳纤维复合材料层板的损伤位置、损伤深度h和损伤尺寸;
[0009]步骤3：计算所述碳纤维复合材料层板的损伤区半径r0，r0=损伤尺寸在二维方向的最大值/2;
[0010]步骤4：计算所述碳纤维复合材料层板的损伤层数n，n=向上取整(h/h0)+2;其中，h0为所述碳纤维复合材料层板的铺层厚度;
[0011]步骤5：设计挖补角度θ;
[0012]步骤6：计算台阶宽度d，d=h0/tan(θ);
[0013]步骤7：确定倒圆角正八边形加工区域的倒圆角半径r;
[0014]步骤8：计算所述倒圆角正八边形加工区域的内接圆半径R，
[0015]
[0016]步骤9：画出以损伤位置中心为中心、以R为内接圆半径、以r为倒圆角半径的倒圆角正八边形加工区域;
[0017]步骤10：调节激光参数，激光去除所述倒圆角正八边形加工区域的表面树脂，裸露出碳纤维;
[0018]步骤11：沿裸露出的碳纤维的方向将所述倒圆角正八边形加工区域向中心缩进台阶宽度d，形成待去除区域;
[0019]步骤12：调节激光参数，激光去除所述待去除区域，并且所述待去除区域的去除深度达到所述铺层厚度h0，观察获得下一层的碳纤维的方向;
[0020]步骤13：沿所述碳纤维的方向将所述待去除区域继续向中心缩进台阶宽度d，形成新的待去除区域，调节激光参数，激光去除所述新的待去除区域，并且所述新的待去除区域的去除深度达到所述铺层厚度h0，观察获得下一层的碳纤维的方向;
[0021]步骤14：重复步骤S13，直到去除层数达到所述损伤层数n，去除过程结束。
[0022]在一些实施例中，步骤5中，θ=2°～6°。
[0023]在一些实施例中，步骤7中，r=5mm～10mm。
[0024]在一些实施例中，所述激光参数包括平均功率、扫描速度、脉冲宽度、重复频率、聚焦长度。
[0025]在一些实施例中，所述平均功率为28W～32W、所述扫描速度为180mm/s～220mm/s、所述脉冲宽度为90ns～110ns、所述重复频率为90kHz～110kHz、所述聚焦长度为90mm～110mm。
[0026]本发明实施例的方法带来的优点和技术效果为：
[0027](1)本发明实施例的方法可以大幅减少每层碳纤维复合材料的去除面积，可缩短损伤区去除时间。
[0028](2)本发明实施例的方法可以减少碳纤维复合材料的去除体积，避免过多的无损伤材料被加工去除，提升了挖补结构的修复强度。
附图说明
[0029]图1为本发明实施例的挖补结构逐层异形去除精细设计示意图;
[0030]图2为本发明实施例的挖补结构的截面示意图;
[0031]图3为相关技术中的挖补结构逐层圆形去除精细设计示意图。
具体实施方式
[0032]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0033]本发明实施例提出了碳纤维复合材料层板损伤区的激光去除方法，包括以下步骤：
[0034]步骤1：清除碳纤维复合材料层板表面污渍。
[0035]步骤2：采用超声探伤仪测试碳纤维复合材料层板的损伤位置、损伤深度h和损伤尺寸。
[0036]步骤3：计算碳纤维复合材料层板的损伤区半径r0，r0=损伤尺寸在二维方向的最大值/2。
[0037]该步骤中r0等于损伤尺寸在二维方向的最大值/2，这是因为：当所述损伤区为圆形时，r0为圆形损伤区半径;当所述损伤区为不规则形状时，r0为损伤区轮廓的外接圆半径。
[0038]步骤4：计算碳纤维复合材料层板的损伤层数n，n=向上取整(h/h0)+2;其中，h0为碳纤维复合材料层板的铺层厚度。
[0039]铺层厚度h0是每一层碳纤维铺层的厚度，如图2所示。通常情况下多层碳纤维铺层的厚度相同。
[0040]步骤5：设计挖补角度θ。
[0041]根据工程经验，挖补角度θ选择范围为2°～6°，挖补角度θ为待去除区域斜面与水平方向的夹角，如图2所示。
[0042]步骤6：计算台阶宽度d，d=h0/tan(θ);
[0043]步骤7：确定位于最外层的倒圆角正八边形加工区域的倒圆角半径r，r的取值范围为5mm～10mm。
[0044]步骤8：计算位于最外层的倒圆角正八边形加工区域的内接圆半径R，
其中，d和r0单位保持一致。
[0045]步骤9：画出以损伤位置中心为中心、以R为内接圆半径、以r为倒圆角半径的倒圆角正八边形加工区域。
[0046]由于碳纤维复合材料层板的铺层顺序通常在4个正交方向以某一规律循环，总体上4个正交方向出现的次数基本持平。因此最外层的加工区域的形状是倒圆角正八边形，如图1所示。
[0047]步骤10：调节激光参数，包括平均功率、扫描速度、脉冲宽度、重复频率、聚焦长度等，激光去除倒圆角正八边形加工区域的表面树脂，裸露出碳纤维。
[0048]步骤11：沿步骤10中裸露出的碳纤维的方向将倒圆角正八边形加工区域向中心缩进台阶宽度d，形成待去除区域。
[0049]步骤12：调节激光参数，包括平均功率、扫描速度、脉冲宽度、重复频率、聚焦长度等，激光去除步骤11的待去除区域，并且去除深度达到铺层厚度h0，观察获得下一层的碳纤维的方向。
[0050]步骤13：沿碳纤维的方向将待去除区域继续向中心缩进台阶宽度d，形成新的待去除区域，调节激光参数，包括平均功率、扫描速度、脉冲宽度、重复频率、聚焦长度等，激光去除新的待去除区域，并且去除深度达到铺层厚度h0，观察获得下一层的碳纤维的方向。
[0051]步骤14：重复步骤13，直到去除层数达到损伤层数n，去除过程结束。
[0052]本发明实施例的方法设计的最外层的去除形状为正八边形，每次下降一层的去除形状都是根据上一层的去除形状和本层碳纤维的方向确定的，是通过计算得出的。
[0053]下面结合具体实施例和附图进行详细说明。
[0054]实施例1
[0055]碳纤维复合材料层板的铺层顺序未知，需要在激光去除的同时判断碳纤维的方向。由于碳纤维复合材料层板的铺层顺序通常在4个正交方向以某一规律循环，总体上4个正交方向出现的次数基本持平。因此最外层的去除形状是倒圆角的正八边形。
[0056]碳纤维复合材料层板损伤区的激光去除逐层区域规划与去除方法，具体步骤如下：
[0057]步骤1：清除碳纤维复合材料层板表面污渍;
[0058]步骤2：采用超声探伤仪测试损伤位置、损伤深度h=2mm、损伤尺寸10mm;
[0059]步骤3：根据损伤尺寸在二维方向的最大值10mm除以2，为损伤区半径r0=5mm;
[0060]步骤4：根据碳纤维复合材料层板每层的铺层厚度h0=125μm以及损伤深度h=2mm，计算出损伤层数n=向上取整(h/h0)+2=18;
[0061]步骤5：设计挖补角度θ，挖补角度θ选择3.6°;
[0062]步骤6：根据碳纤维复合材料层板每层的铺层厚度h0=125μm与挖补角度θ=3.6°，计算出台阶宽度d，d=h0/tan(θ)=1984μm=1.984mm;
[0063]步骤7：确定位于最外层的倒圆角正八边形加工区域的倒圆角半径r，r为5mm;
[0064]步骤8：计算出位于最外层的倒圆角正八边形加工区域的内接圆半径R，
[0065]
[0066]步骤9：画出以损伤位置中心为中心、以R=18.27mm为内接圆半径、以r=5mm为倒圆角半径的倒圆角正八边形加工区域;
[0067]步骤10：调节激光参数，包括平均功率30W、扫描速度200mm/s、脉冲宽度100ns、重复频率100kHz、聚焦长度f=100mm等，激光去除倒圆角正八边形加工区域的表面树脂，裸露出碳纤维，观察获得碳纤维的方向;
[0068]步骤11：沿裸露出的碳纤维的方向将倒圆角正八边形加工区域向中心缩进台阶宽度d=1.984mm，形成待去除区域;
[0069]步骤12：调节激光参数，包括平均功率30W、扫描速度200mm/s、脉冲宽度100ns、重复频率100kHz、聚焦长度f=100mm等，激光去除待去除区域，并且待去除区域的去除深度达到铺层厚度h0=125μm，观察获得下一层的碳纤维的方向;
[0070]步骤13：沿碳纤维的方向将待去除区域继续向中心缩进台阶宽度d=1.984mm，形成新的待去除区域，调节激光参数，包括平均功率30W、扫描速度200mm/s、脉冲宽度100ns、重复频率100kHz、聚焦长度f=100mm等，激光去除新的待去除区域，并且新的待去除区域的去除深度达到铺层厚度h0=125μm，观察获得下一层的碳纤维的方向;
[0071]步骤14：重复步骤13，直到去除层数达到损伤层数18，去除过程结束。
[0072]图1示出了该实施例的等坡度阶梯去除逐层去除区域，图2示出了该实施例的逐层呈阶梯状向下去除的挖补结构的截面。
[0073]对比例1
[0074]采用相关技术中传统的逐层圆形挖补结构，按照挖补角度3.6°去除，最外层的去除圆形区域的半径计算为18×125/tan(3.6°)=35.7mm。图3示出了该对比例的变坡度阶梯去除逐层去除区域。
[0075]从实施例1和对比例1的结果来看，对比例1的最外层的去除圆形区域的半径为35.7mm，大约是实施例1最外层正八边形内接圆半径的2倍。相对于对比例1，实施例1可以大幅减少每层碳纤维复合材料的去除面积，平均去除面积减少约50%，可缩短损伤区去除时间;另外，还能减少碳纤维复合材料去除体积，避免过多的无损伤材料被加工去除，提升挖补结构的修复强度。
[0076]在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0077]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
说明书附图(3)
声明：
“碳纤维复合材料层板损伤区的激光去除方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色网
来源：中国科学院半导体研究所
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2025年04月25日 ~ 27日 
