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

1 引 言

碳纖維復(fù)合材料(Carbon fiber reinforced polymers,CFRP)由于其比模量和比強度高、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[6-7]。

目前，CFRP 構(gòu)件損傷修復(fù)方法可分為貼補法和挖補法兩種。貼補法通過鉚接等機械聯(lián)接或膠接將加強片固定在缺陷外部以恢復(fù)構(gòu)件的強度、剛度等。挖補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片，通過機械連接或膠接固定。挖補法修復(fù)件結(jié)構(gòu)強度高、氣動外形良好，因此應(yīng)用廣泛[8-9]。相比機械連接，挖補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)的機械打磨無可避免對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CFRP 膠接性能的影響，結(jié)果表示兩種不同激光處理對于膠接接頭的剪切強度的影響較小，兩者的作用機理存在顯著差異。楊文峰等[14]通過紫外激光對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度得到了一定提升。占小紅等[15]利用紅外激光對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，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度。然而，大多數(shù)研究主要針對于膠接面激光預(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)特點出發(fā)，提出一種多梯層挖補膠接接頭設(shè)計策略，設(shè)計了基于表層輪廓線自動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，并通過工藝實驗探索了CFRP 階梯界面的激光燒蝕成型工藝規(guī)律和粘結(jié)性能改善機理，提供了一種高自動化、柔性化的航空、航天、交通等領(lǐng)域CFRP 構(gòu)件的高性能挖補膠接接頭設(shè)計和制備方法。

2 CFRP 層合板挖補膠接接頭建模算法

為了得到高性能的挖補膠接接頭，將補片設(shè)計成多梯層凸臺狀，增強補片和構(gòu)件之間的機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片(陽模)對應(yīng)，最終將兩者進(jìn)行膠接成整體，完成修補。

在實際維修工作場景中，面對待修復(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)過無損探測技術(shù)得到的輪廓線頂點坐標(biāo)值，以及結(jié)構(gòu)件制造商提供的三維模型。對于因損傷部位輪廓復(fù)雜或檢測條件不足而難以獲得準(zhǔn)確的輪廓頂點數(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，簡化工程實施條件。

構(gòu)建CFRP 挖補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獲得?？紤]到多梯層臺階輪廓多邊形可能最后會出現(xiàn)自交的情況，此時內(nèi)層的輪廓多邊形就會出現(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，在生成多梯層臺階輪廓邊時，不需要將整個維修部位完全填充，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，不再繼續(xù)生成下一梯層臺階輪廓多邊形，從而解決自交問題。

然后對多梯層分層輪廓進(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，在對掃描線與輪廓邊求交時，只對掃描線和與其相交的邊進(jìn)行求交運算，減少冗余計算，提高處理效率。在X-Y平面內(nèi)，陰模、陽模本質(zhì)上都是對輪廓多邊形區(qū)域進(jìn)行掃描填充，只是對于掃描線交點的處理有一定差異。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依次為m，n，s，t等，在構(gòu)建陰模掃描路徑時，填充區(qū)間的掃描線交點配對為ns；而在構(gòu)建陽模掃描路徑時，填充區(qū)間的掃描線交點配對為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，此時為y方向掃描填充。

最后對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)用戶定義的臺階深度，便可以得到每一層臺階輪廓面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，為第一層臺階，其z值為零，則第二層臺階z坐標(biāo)數(shù)值為zn，第三層臺階為2zn，依次類推，第n層臺階為(n?1)*zn，將z值賦值到輪廓頂點坐標(biāo)中，便完成了陰陽模模型的構(gòu)建，如圖2 為算法驗證實例。為了滿足加工需求，也可以改變每一層臺階深度，例如臺階深度逐漸降低或者逐漸增大等。

圖2 算法驗證實例。(a) 構(gòu)建損傷輪廓示意圖；(b) 算法構(gòu)建的陰模加工點；(c) 算法構(gòu)建的陽模加工點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

3 基于分層切片的膠接接頭激光三維雕刻工藝代碼生成算法

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現(xiàn)陰陽模模型加工。利用一系列以分層方向為法矢的平面(定義為平行于XOY平面的切平面)與陰陽模三維模型進(jìn)行求交運算，實現(xiàn)挖補膠接接頭陰陽模型的分層切片。

實際操作中，一般用大量的三角形面擬合實體表面(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算，每個切平面之間的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。這是因為在聚焦激光束的焦深范圍內(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，只要加工速度控制不變，單位時間內(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，截面就會形成一個閉環(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)初始化一個散列表(數(shù)組和鏈表構(gòu)成)，數(shù)組用于儲存每層切平面，鏈表儲存每一切平面的交點；

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)行求交運算，所求交點存入到鏈表中；

4)結(jié)束該層切片，z值增加一個分層厚度，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，構(gòu)成一個封閉的輪廓多邊形。對輪廓多邊形進(jìn)行掃描填充得到的加工點坐標(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器人控制板卡(下位機)，經(jīng)過代碼解釋執(zhí)行函數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的機器人動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)控加工機床或者工業(yè)機器人帶動振鏡掃描激光加工頭實現(xiàn)各個分塊加工區(qū)域的移動、定位、對焦等，從而完成對大幅面加工區(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]。

4 工藝驗證

通過自主搭建的一套“6+2”軸通用型機器人激光加工系統(tǒng)進(jìn)行工藝驗證，如 圖4 所示。該設(shè)備配備了一臺輸出波長 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)臂式機器人的手臂末端法蘭盤，利用關(guān)節(jié)臂式工業(yè)機器人的6 個空間自由度，可以實現(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)備實物圖片F(xiàn)ig.4 Picture of the laser process equipment

實驗樣品選用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，臺階層數(shù)設(shè)置為5 層，臺階深度為1.6 mm，臺階寬度為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 樣品加工后的實物圖Fig.5 Physical picture of the processed sample

采用測厚儀直接測量梯層的深度，游標(biāo)卡尺測量每個梯層寬度，采用多次測量取平均數(shù)以減少誤差，測試結(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體絲束編織成交錯結(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，在壓力機中承受適當(dāng)壓力和溫度并保持一定時間而制成。在纖維編織交界處就會出現(xiàn)樹脂不均勻問題，而纖維單一方向的熱導(dǎo)性則會進(jìn)一步導(dǎo)致激光燒蝕去除材料時不均勻問題，從而梯層深度與預(yù)設(shè)幾何尺寸會出現(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)計了剪切強度測試方案。對兩梯層膠接接頭進(jìn)行單搭接剪切試驗以評估其膠接強度。在樣品末端處設(shè)置防滑墊塊，并補償拉伸力方向的偏差。選用容量為10 kN 的電子萬能試驗機為測試設(shè)備，測試速度選擇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。在單搭剪切強度試驗后，觀察試樣表面發(fā)生的破壞模式，對于每個樣本組測試重復(fù)5 次，取平均數(shù)作為測試結(jié)果。并利用擺錘式?jīng)_擊試驗機測試兩種膠接接頭的沖擊韌性，取5 次測試值的平均值作為測試結(jié)果。

如圖7 為拉伸剪切強度和沖擊韌性測試結(jié)果圖。經(jīng)過傳統(tǒng)機械銑削得到的CFRP 多梯層膠接接頭拉伸剪切強度為12.9 Mpa，而通過激光處理后的膠接接頭剪切強度達(dá)到了16.5 Mpa，剪切強度得到了顯著的提升。同時也可以發(fā)現(xiàn)通過傳統(tǒng)機械加工后的剪切強度波動較大，激光處理后膠接接頭穩(wěn)定性更好。通過機械銑削處理后的膠接接頭的沖擊強度為8.2 kJ/m2，而通過激光處理后其沖擊強度9.4 kJ/m2，性能增幅約15%，說明激光處理有利于增強CFRP 構(gòu)件修復(fù)后的抗沖擊性能。

圖7 膠接接頭強度測試結(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度測試后樣品的失效表面形貌圖。機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。這說明在機械銑削加工后，纖維基體遭到破壞，對樣品的力學(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理，我們對比觀察了不同處理方向下的樣品表面形貌。通過機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造成的，對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，就會導(dǎo)致受到外力后，基材會撕裂分層，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，同時完整的纖維也是良好膠接性能的又一保證。

5 結(jié) 論

針對CFRP 構(gòu)件維修應(yīng)用場景，設(shè)計了挖補膠接接頭陰陽模構(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，提高了膠接強度，膠接接頭的拉伸剪切強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)用場景提供了一種高性能膠接接頭的設(shè)計和制備技術(shù)路徑。