朱小偉，潘哲豪，楊文鋒，李紹龍，曹 宇*

1溫州大學 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院 航空工程學院，四川 廣漢 618307

1 引 言

碳纖維復合材料(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、遠洋運輸?shù)裙I(yè)高端制造領域得到廣泛應用[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件發(fā)展到垂尾、平尾等主承力構件，其占比量已經成為衡量飛行器性能是否優(yōu)異的重要指標[4-5]。進而，高效、高性能的CFRP 構件損傷修復成為當前復合材料應用領域的研究熱點[6-7]。

目前，CFRP 構件損傷修復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構件的強度、剛度等。挖補法是將受到損傷的材料挖除，準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。挖補法修復件結構強度高、氣動外形良好，因此應用廣泛[8-9]。相比機械連接，挖補膠接沒有開孔洞引起的應力集中和產生裂紋等現(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、薄壁復雜型面的構件。

膠接界面預處理是挖補膠接的關鍵工藝技術，通過表面處理可以有效去除碳纖維復合材料表面污染雜質，改變表面的結構形貌、化學性質以更好地發(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加工方法，被視為膠接界面預處理的最佳選擇[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膠接界面進行預處理，結果發(fā)現(xiàn)經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 膠接界面進行表面處理，探索了激光加工參數(shù)與膠接接頭強度的關系，研究發(fā)現(xiàn)，在激光功率為25.9 W、重復頻率為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構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處理工藝研究，如何利用激光加工技術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 層合板的結構特點出發(fā)，提出一種多梯層挖補膠接接頭設計策略，設計了基于表層輪廓線自動分層切片的膠接接頭陰陽模構建算法和分區(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、交通等領域CFRP 構件的高性能挖補膠接接頭設計和制備方法。

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，將補片設計成多梯層凸臺狀，增強補片和構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構材料得到凹形的多梯層三維結構(陰模)，其三維結構幾何形狀尺寸與凸狀多梯層補片(陽模)對應，最終將兩者進行膠接成整體，完成修補。

在實際維修工作場景中，面對待修復的CFRP 構件，已知的是構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過無損探測技術得到的輪廓線頂點坐標值，以及結構件制造商提供的三維模型。對于因損傷部位輪廓復雜或檢測條件不足而難以獲得準確的輪廓頂點數(shù)據(jù)的情形，可以采用與輪廓拓撲相似的N 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)進行接頭模型的構建，簡化工程實施條件。

構建CFRP 挖補膠接接頭陰陽模模型本質上是利用激光能量在構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為形心方向能有效解決這一問題[17]。本文考慮到CFRP 構件維修這一背景，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)設定相應的閾值，當超過這一閾值時，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行激光掃描路徑線填充。采用活性邊表法進行掃描填充，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行求交運算，減少冗余計算，提高處理效率。在X-Y平面內，陰模、陽模本質上都是對輪廓多邊形區(qū)域進行掃描填充，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)實際加工需求進行相應的調整，假設某一條掃描線上的交點依次為m，n，s，t等，在構建陰模掃描路徑時，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軸上進行重構。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。設定初始的輪廓多邊形所在平面為基準面，為第一層臺階，其z值為零，則第二層臺階z坐標數(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中，便完成了陰陽模模型的構建，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) 構建損傷輪廓示意圖；(b) 算法構建的陰模加工點；(c) 算法構建的陽模加工點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)，對于復雜曲面外形的結構件，其分層層厚應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，激光光斑大小以及能量分布基本不變，當構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，單位時間內激光燒蝕去除材料的工藝精度就可以得到有效保證。

進行切片后，截面就會形成一個閉環(huán)輪廓，在這些閉環(huán)輪廓中進行掃描填充，便可以得到該切平面的加工點坐標，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系的輪廓邊；

3)將相交的邊與切平面進行求交運算，所求交點存入到鏈表中；

4)結束該層切片，z值增加一個分層厚度，進行下一輪切片；

5)判斷切片是否完成，結束切片。

當CFRP 構件的膠接接頭部分完成模型構建及切片分層之后，三維問題就可以轉換為二維問題解決，即采用逐層XY二維掃描振鏡進行激光刻蝕加工。遍歷每層切平面中的交點，構成一個封閉的輪廓多邊形。對輪廓多邊形進行掃描填充得到的加工點坐標便是該層的激光掃描加工路徑。當前，數(shù)控加工代碼ISO 標準(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)，經過代碼解釋執(zhí)行函數(shù)，調用相應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 即對應調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 結構件，可以按照振鏡掃描加工范圍進行分區(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)進行工藝驗證，如 圖4 所示。該設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節(jié)臂式機器人的手臂末端法蘭盤，利用關節(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)方位的自由調節(jié)，使加工更加靈活且柔性化程度高。

圖4 設備實物圖片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，工藝表面質量良好，表面粗糙度達到Ra=21.86 μm。加工得到的接頭幾何形狀尺寸整體符合預設工藝要求，梯層寬度與預期設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性、各向異性導致的。CFRP 層合板是由碳纖維增強體絲束編織成交錯結構，再經由樹脂浸漬烘干制成預浸料，經過裁切、疊合，在壓力機中承受適當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性則會進一步導致激光燒蝕去除材料時不均勻問題，從而梯層深度與預設幾何尺寸會出現(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 標準設計了剪切強度測試方案。對兩梯層膠接接頭進行單搭接剪切試驗以評估其膠接強度。在樣品末端處設置防滑墊塊，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5 次，取平均數(shù)作為測試結果。并利用擺錘式沖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果。

如圖7 為拉伸剪切強度和沖擊韌性測試結果圖。經過傳統(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 構件修復后的抗沖擊性能。

圖7 膠接接頭強度測試結果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裸露出來，從圖9(a)也可以看到斜向排布的凹痕，這應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，經過銑削加工后的樣品表面布滿了雜質顆粒，很多雜質顆粒夾藏在碳纖維的縫隙之中難以去除，雜質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，就會導致受到外力后，基材會撕裂分層，嚴重影響了膠接接頭的力學性能。

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，但是纖維整體結構完好，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 論

針對CFRP 構件維修應用場景，設計了挖補膠接接頭陰陽模構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)律和粘結性能改善機理。激光處理后的CFRP 表面質量良好，誘導生成的表面微結構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 構件維修這一應用場景提供了一種高性能膠接接頭的設計和制備技術路徑。