同轴送粉喷嘴三路气流对粉末汇聚特性的影响_付伟

８］ 未作深入研 究 。 另 外 ， 胡 乾 午 等［ 通过横向加载
保护气流来防止 粉 末 飞 溅 ， 但是设备结构相对较 复杂 ， 并且涉及各路气流的平衡问题 。 因此 ， 研究 三路气 （ 中路气 、 载粉气 、 外层保护气 ） 之间的匹配 关系就显得尤为重要 。 本文针对激光内腔引入保护气后的粉末汇聚 特性 ， 采用 Ｆ 研究三 Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ 软件的离散相模拟 ， 路气对粉末汇聚 特 性 的 影 响 ， 探讨三路气的搭配 关系 。
ε 方程
（ ｕ ε ｉ） ｔ ［ ε］ ρ μ （ ＝ ＋ μ＋ σ ） ｘ ｘ ｘ ｉ ε ｊ ｊ
Ｃ １
ε ε Ｇｋ －Ｃ ２ ρｋ ｋ
２
（ ） ２
３ ／ ； ； 式 中， ｋ ｍ ｔ 为 时 间， ｓ ｋ 为 湍 动 能， ｇ ρ 为 流 体 密 度， ２ ２ ２ ２ ／ ； ／ ； ／ ； ｍ ｓ Ｎ·ｍ ｓ Ｎ· ｓ ｍ ｔ 为湍流黏度 ， μ 为动力黏度 ， μ
·２ ２ ０·
— — 付 伟 张安峰 李涤尘等 同轴送粉喷嘴三路气流对粉末汇聚特性的影响 —
１． ２ 同轴送粉喷嘴模型 １． ２． １ 气相湍流的控制方程 忽略激光束对 于 气 固 两 相 流 的 热 影 响 ， 不考 虑能量传递 。湍流模型采用标准 ｋ－ε 模型
［ １Βιβλιοθήκη Baidu０］
的受阻墙与喷嘴 出 口 的 距 离 为 此 值 ， 考虑到实际 本文计算受阻射流时不 成形过程中的受 阻 情 况 ， 同气路对粉末汇聚的影响 。 。 则
０ 引言
激光 金 属 直 接 制 造 （ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ， 技术是近十几年来兴起 ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ Ｌ ＤＭＭ） ｇ 的一种先 进 制 造 技 术
［ １ － ２］
气控制不当会影 响 原 有 的 粉 末 汇 聚 特 性 ， 对此并
中国机械工程第 ２ ２ 卷第 ２ 期 ２ ０ １ １ 年 １ 月下半月
同轴送粉喷嘴三路气流对粉末汇聚特性的影响
付 伟 张安峰 李涤尘 朱刚贤 路桥潘 鲁中良
西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 ， 西安 ， ７ １ ０ ０ ４ ９
摘要 ： 在同轴送粉激光金属直接制造过程中 ， 为防止反弹的金 属 粉 末 堵 塞 喷 嘴 和 烟 尘 污 染 透 镜 ， 在 激光腔内引入轴向保护气流并确定保护气流量的大小 。 采用 Ｆ 载粉气 、 外层 Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ 软件模拟中路气 、 保护气对粉末汇聚特性的影响规律 ， 并找出各自的取值范围 。 依据正交试验的方法 ， 找出一组三路气体 参数的最佳搭配关系 ， 并通过间接方法验证了不同气路对汇聚浓度的 影 响 规 律 。 实 验 结 果 与 模 拟 结 果 趋势基本一致 。 关键词 ： 激光金属直接制造 ； 同轴送粉 ； 数值模拟 ； 三路送气 ） 中图分类号 ： ＴＮ ２ ４ ８； ＴＨ １ ６ 文章编号 ： １ ０ ０ ４—１ ３ ２ Ｘ（ ２ ０ １ １ ０ ２—０ ２ ２ ０—０ ７ Ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ － ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ Ｇ ａ ｓ Ｆ ｌ ｏ ｗ ｓ ｏ ｎ Ｐ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ Ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｂ ｅ ｈ ａ ｖ ｉ ｏ ｒ ｉ ｎ Ｃ ｏ ａ ｘ ｉ ａ ｌ Ｐ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ Ｆ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ Ｎ ｏ ｚ ｚ ｌ ｅ ｓ ｇ ｇ ｇ Ｆ ｕ Ｗ ｅ ｉ ｈ ａ ｎ Ａ ｎ ｆ ｅ ｎ ｉ Ｄ ｉ ｃ ｈ ｅ ｎ ｈ ｕ Ｇ ａ ｎ ｘ ｉ ａ ｎ Ｌ ｕ Ｑ ｉ ａ ｏ ａ ｎ Ｌ ｕ Ｚ ｈ ｏ ｎ ｌ ｉ ａ ｎ Ｚ Ｌ Ｚ ｇ ｇ ｇ ｐ ｇ ｇ ， ’ ， ’ ， Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｆ ｏ ｒ Ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｘ ｉ ａ ｎ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｘ ｉ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ４ ９ ｙ ｙ ｇ ｙ ｇ ｇ ｇ ｙ ： ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｃ ｏ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｆ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｗ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｇ ｇ ｐ ｐ ， ｗ ａ ｓ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｌ ｔ ｅ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅｓ ｏ ｍ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｗ ｏ ｕ ｌ ｄ ｒ ｅ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ． ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｏ ｏ ｌ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｓ ｊ ｐ ｐ ｐ ， Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｓ ｗ ｏ ｕ ｌ ｄ ｃ ｌ ｏ ｎ ｏ ｚ ｚ ｌ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｕ ｓ ｔ ｓ ｗ ｏ ｕ ｌ ｄ ｏ ｌ ｌ ｕ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｌ ｅ ｎ ｓ ．Ａ ｓ ａ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ａ ｐ ｇ ｐ ， ｗ ａ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ．Ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ － ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍ ｉ ｄ－ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ａ ｓ ａ ｓ（ ａ ｓ ａ ｓ ｍ ｉ ｄ － ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ ｇ ｇ ｇ ｇ ） ， ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｗ ｅ ｔ ｏ ｕ ｔ ｅ ｒ ｓ ｈ ｉ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ａ ｓ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｔ ａ ｎ ｅ ｏ ｕ ｓ ｌ ｉ ｎ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｈ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ｅ ｄ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｕ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｇ ｊ ｇ ｙ ｊ ｙ ｇ ， ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｆ ｅ ａ ｃ ｈ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｈ ａ ｓ ｅ ａ ｓ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｇ ｐ ｇ ｐ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｔ ｏ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍ ｉ ｎ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｎ ｅ ｏ ｆ ｅ ａ ｃ ｈ ｆ ｌ ｏ ｗ ｒ ａ ｔ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｔ ｉ ｍ ａ ｌ ｍ ｉ ｘ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｏ ｆ ａ ｓ ｐ ｙ ｇ ｐ ｐ ｇ ａ ｓ ｕ ｉ ｄ ｅ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ－ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ ｗ ａ ｓ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｏ ｎ ａ ｌ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｇ ｇ ｇ ｇ ｐ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ－ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｈ ｉ ｎ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ａ ｓ ｇ ｇ ｐ ｇ ： ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｅ ｎ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｅ ｓ ． ｐ ： ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｃ ｏ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｆ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ － ｇ ｐ ｇ ｙ ｒ ｏ ｕ ｔ ｅ ａ ｓ ｆ ｌ ｏ ｗ ｇ
。 目 前， Ｌ ＤＭＭ 技 术 送
３］ 。 由于同轴 粉方式主要有同轴送粉和侧向送粉 ［
送粉方式的粉末 流 场 呈 对 称 分 布 ， 在熔覆复杂零
４］ ， 件的过程 中 ， 没 有 方 向 性 的 限 制［ 故被广泛采
用 。 在成形过程中 ， 同轴送粉喷嘴正对熔覆区域 ， 当喷嘴距离熔池 较 近 时 ， 熔覆过程中反弹飞溅的 金属粉末和烟尘 会 进 入 喷 嘴 内 部 的 激 光 通 道 ， 对 保护镜 此不加以控制会 造 成 喷 嘴 出 口 发 生 堵 粉 、 被烟尘污染等问题 ， 直接影响熔覆成形质量 ， 严重 时会使熔覆过程无法进行 。 为了解决上述问题 ， 文献 ［ 提出在中路激 ５ － ７］ 光腔内送气来解 决 粉 末 反 弹 及 堵 粉 问 题 ， 但中路
收稿日期 ： ２ ０ １ ０—０ ４—０ １ 基金项 目 ： 国家重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （ 资助项目 ９ ７ ３ 计 划） （ ） ； ； 国家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 长 ２ ０ ０ ７ Ｃ Ｂ ７ ０ ７ ７ ０ ４ ５ ０ ６ ７ ５ １ ７ １） ） 江学者和创新团队发展计划资助项目 （ Ｐ Ｃ Ｓ Ｉ Ｒ Ｔ ０ ６ ４ ６
别为激光腔气路中心 、 输送粉末气体出口的中心 、 外层保护气路的出口中心 。 通过计算来确定三路 送气速度的相对大小关系时 ， 要达到如下目标 ： ① 通过模拟使得 Ａ 点处的浓 度 降 低 ， 即使得粉末不 再反弹到喷嘴内 部 ； ②在经过三路送气相互作用 中心气路不形成负压 ， 三路气的出口压力相差 后， 小， 从而使熔覆过 程 中 的 烟 尘 不 能 反 弹 到 中 路 腔 中； 使粉末浓 ③ 在保证中心气路无反弹的情况下 ， 度最大 ， 以利于激光熔覆及节约材料 ； ④ 粉末汇聚 处的汇聚特性好 ， 即汇集半径要尽可能地小 。
１ 同轴送粉喷嘴气固两相流数值模型
１． １ 计算模型的选择 ］ 同轴送粉时 ， 根据文献［ 的 研 究， 喷嘴单位 ９ 时间内通 过 截 面 的 颗 粒 体 积 与 气 体 体 积 之 比 很 小， 远小于 １ 并且粒子 平 均 间 距 很 大 ， 所以颗 ０％ ， 粒可以看成是相 互 孤 立 的 ， 颗粒间的相互碰撞可 以忽略 ， 只考 虑 流 体 对 粒 子 的 作 用 。 故 采 用 遵 循 欧拉 － 拉格朗日 方 法 的 离 散 相 模 型 ： 气相被处理 为连续相 ， 粉末粒子按离散相处理 。
基本控制方程包括连续性方程和动量方程 ：
２ 计算结果及分析
２． １ 评价指标 建立如图 ２ 所 示 的 坐 标 系 。Ａ、 Ｂ、 Ｃ 三点分
ｋ 方程
（ ｋ ｕ ｋ］ ｉ） ｔ ［ ρ μ （ ） ＝ ＋ μ＋ σ ｘ ｘ ｘ ｉ ｋ ｊ ｊ
Ｇ ε－ＹＭ ｋ ＋Ｇ ｂ－ ρ
（ ） １