同轴送粉激光熔覆过程中粉光匹配影响因素及控制研究
送粉式激光熔覆数值模型基本问题研究_刘振侠
中 国激光 CHIN ESE JOU RN AL O F LA SERS
Vol. 30, N o. 6 June, 2003
文章编号: 0258- 7025( 2003) 06-0567- 04
送粉式激光熔覆数值模型基本问题研究
刘振侠, 黄卫东, 万柏涛
3 粉末落到熔覆熔池时的状态与混合
后的状态。其意义在于, 如果考虑固体粉末颗粒进 入熔池与液态进行混合, 则就计算来讲, 熔池内出现 两相流问题, 而且由于固相颗粒的熔化潜热使得熔 池流场和温度场的计算非常复杂。 312 过程的时间尺度
考察熔覆过程中质量和能量的传输一般是通过 量纲分析进行的。以下定义 几个时间尺度[ 3] : t d: 热量扩散相当于熔覆高度的距离所需要的时间; t r: 粉末颗粒在熔池中的平均 滞留时间; t m: 混合时间 或粉末在熔池 中完全分散开所需 要的时间; tf : 熔 化时间或熔化和溶解粉末所需要的时间。
Qcp
5T 5t
=
4
3 Pr
3 p
(
E
absorb
-
E emit )
( 2)
可以求出粉末粒子的温升
Tp -
Ta =
3lp
4
Pr
3 p
Qp cp
v
p
(
Eabsorb -
E emit )
( 3)
其中
E absorb = Pr 2p Bp Rx
E emit =
4
Pr
2 p
ERT
4
分别为单位体积粉末颗粒吸收与发射的功率( 单位
表 1 激光熔 覆时间尺度 Table 1 Time- scale of the laser cladding
同轴送粉激光熔覆件质量影响因素的研究
收稿日期:2006年12月同轴送粉激光熔覆件质量影响因素的研究季 霞 周建忠 郭华锋 徐大鹏江苏大学摘 要:介绍了同轴送粉激光熔覆的工艺过程以及激光与金属粉末的作用机理,分析了影响熔覆件质量的主要因素。
建立了粉末对激光能量的吸收表达式和稀释率的表达式,提出从材料特性和工艺参数方面改善熔覆件质量的途径。
最后对同轴送粉激光熔覆成形研究中急需解决的关键问题进行了展望。
关键词:激光熔覆, 同轴送粉, 材料特性, 工艺参数, 熔覆件质量I nfluencing F actors on Q uantity of Cladding P arts by Coaxial Laser CladdingJi X ia Zhou Jianzhong G uo Huafeng et alAbstract :The technical process of the coaxial laser cladding is introduced and the reaction mechanism between metallic pow 2der particle and laser is analyzed.The main in fluencing factors on quantity of cladding parts by coaxial laser cladding are dis 2cussed.The equation of the energy abs orbed by the metallic powder particle from the laser beam is established.The expression of dilution and the path of im proving the quality of cladding parts from material characteristics and processing parameters are present 2ed.The key problem in coaxial laser cladding rapid prototyping is put forward.K eyw ords :laser cladding , coaxial feeding , material characteristics , processing parameters , quantity of cladding parts 1 引言同轴送粉激光熔覆技术是快速成形技术的一个重要发展方向。
同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究
同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究同轴载气送粉激光熔覆技术是一种先进的制备方法，具有高效率、高质量、高可控性等优点，因此在加工领域得到了广泛的应用。
在使用该技术进行熔覆粉末流成形时，粉末流参数的选择对于熔覆质量的影响非常大。
本文将针对同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数进行研究，从以下几个方面进行分析。
一、粉末流速度粉末流速度是影响熔覆质量的重要参数之一。
当粉末流速度过大时，会导致熔滴的飞溅和熔覆质量下降；当粉末流速度过小时，会导致熔池面积减小、熔覆质量下降。
因此，应根据熔覆材料的性质和设备的能力，选择合适的粉末流速度。
二、载气流量载气流量是指粉末颗粒在流动过程中所受到的空气流动的力量大小。
合适的载气流量可以保证熔覆粉末流形成正常，同时也可以将存在于熔合池中的杂质、气泡等物质排出，保证熔覆质量的提高。
过大或过小的载气流量都会影响熔覆质量，应选取合适的值。
三、喷嘴与底板的距离喷嘴和底板的距离也是影响熔覆质量的重要参数之一。
当喷嘴和底板的距离过大时，粉末流速度将变低，影响熔覆质量；当喷嘴和底板的距离过小时，容易导致熔滴飞溅，同样影响熔覆质量。
因此，喷嘴和底板的距离应根据熔覆材料的性质、熔覆质量要求和设备的能力，进行合理的选择。
四、粉末流角度和喷嘴半径粉末流角度和喷嘴半径也会影响熔覆质量。
当粉末流角度过大或喷嘴半径过小时，会导致粉末流速度过大，熔滴飞溅，熔覆质量下降；当粉末流角度过小或喷嘴半径过大时，会导致粉末流速度过小，熔覆层减薄，熔覆质量下降。
因此，粉末流角度和喷嘴半径也应进行合理的选择。
通过以上分析，我们可以得出同轴载气送粉激光熔覆的粉末流参数的研究，是保证熔覆质量和生产效率的必要措施。
因此，在使用该技术进行熔覆粉末流成形时，应根据熔覆材料的性质、熔覆质量要求和设备的能力，选择合适的粉末流速度、载气流量、喷嘴和底板的距离、粉末流角度和喷嘴半径。
粉末同轴送入激光后的热交互作用及熔化行为解析
粉末同轴送入激光后的热交互作用及熔化行为解析粉末同轴送入激光后的热交互作用及熔化行为解析激光加工技术是一种高效、灵活、精确的加工技术，近年来在制造业中得到广泛应用。
其中，粉末同轴送入激光加工技术是一种重要的加工方式，它具有良好的加工控制性和高度可定制性。
本文将对粉末同轴送入激光后的热交互作用及熔化行为进行解析。
首先，我们来探讨粉末和激光之间的热交互作用。
当粉末进入激光束的照射区域时，受到激光的加热作用。
激光能量会被粉末吸收，使其温度升高。
由于粉末在激光束下的吸收率高，强大的吸收作用会导致粉末局部温度迅速升高。
同时，粉末中的光热反应也会加速热的积累，进一步提高局部温度。
其次，我们将研究粉末在激光加热下的熔化行为。
当粉末温度升高到接近或超过其熔点时，粉末开始熔化。
熔化过程中，粉末发生相变，由固态转变为液态。
在熔化过程中，粉末表面张力大大降低，使熔融的粉末更容易流动。
此外，粉末的熔化还会伴随着吸热效应，使粉末周围的温度得以控制，从而保持一定的熔化范围。
随着熔化的进行，粉末会形成液滴并尽快凝固，形成固态结构。
粉末的熔化和凝固是一个动态的过程，液滴形态的改变与激光参数、粉末性质、熔点等因素密切相关。
在粉末熔融之后，其流动性增强，可以通过调整激光参数和粉末材料的选择，使粉末在激光照射下形成所需的形貌和结构。
最后，我们来讨论激光加工中的粉末熔化行为对加工效果的影响。
粉末的熔化行为对加工过程中的能量传递和物质流动起着重要作用。
粉末的凝固速度和结构紧密性对加工的熔化和成形效果有着直接的影响。
因此，在粉末同轴送入激光加工过程中，需要对激光参数进行精确控制和优化，以实现理想的加工效果。
综上所述，粉末同轴送入激光后的热交互作用及熔化行为是激光加工过程中的关键因素之一。
粉末的热交互作用和熔化行为直接影响到加工效果和成形质量。
因此，在粉末同轴送入激光加工中，需要全面理解粉末和激光之间的热交互作用，优化加工参数，进一步提高加工的质量和效率综合以上论述，粉末在激光照射下的熔化行为对激光加工效果起着重要作用。
激光熔覆熔池检测控制技术的研究进展
激光熔覆熔池检测控制技术的研究进展陈殿炳;邓琦林【摘要】Laser cladding is a new manufacturing technology booming in recent years. Many research have attempted to increase its level of automation and productivity by measuring the molten pool formed in the laser cladding with synchronous powder feeding. The research progress of the molten pool measurement and control technology in recent years is reviewed. Firstly ,various types of measuring equipment and installation methods are introduced. Then the influences of the processing parameters on the molten pool measurement signals and the relationships between the quality of cladding layers and molten pool measurement signals are presented. And then several closed loop control systems based on molten pool measurement technology are discussed. Finally ,based on the current molten pool measurement status,more useful information can still be further obtained to increase the degree of automation and improve productivity in laser cladding.%激光熔覆是近年来蓬勃发展的新型制造技术，很多研究试图从激光熔池的检测入手来提高激光熔覆工艺的自动化程度，进而提高生产效率。
激光熔覆层的缺陷成因及控制方法
不同和激光熔覆的快固过程中，气体不能及时逃出表
[2]
过程中形成的热应力和组织应力所致 。
控制裂纹产生的最为有效的方法有以下
几种：
1）调整应力的状态，
尽可能降低拉应力：
①合理降低熔覆层的线膨胀系数，使熔覆层
与基体的线膨胀系数两者应尽可能接近，从而减
面，就会出现气孔。如果保护气体流量过大就会
①减少金属粉末颗粒尺寸，使用球状颗粒或
[1]
表面改性技术 。激光熔覆技术是一种新型的材
料表面改性技术，在工业上具有广泛的应用领
混合粉末可以改进其抗裂性能。
②选择合理的扫描速度、送粉速度、功率密度
域。但由于温差和膨胀系数的不同，激光熔覆过
程中熔覆层可能会出现多种缺陷，如：裂纹、气孔、
等来提高熔覆层的质量。
激光熔覆是在高能激光束作用下，把预置于
小熔覆层残余拉应力，防止裂纹的产生。
②通过基体预热和后热处理可以减小熔覆过
或同步送入金属表面的合金粉末熔化，并微熔一
薄层基体，同时实现熔覆层与基体的冶金结合，使
程中的残余热应力，控制熔覆层的开裂。
2）优化激光熔覆的工艺方法和参数：
熔覆层具有与原合金粉末同样的优异性能的材料
层的交界处容易产生裂纹，裂纹贯穿于熔覆层，沿
②合金化改变组织状态，有利于减少裂纹的
产生。
2
激光熔覆层气孔的形成及控制方法
激光熔覆是一个快速熔化、快速凝固的过程，
着与激光扫描相垂直的方向近乎平行的进行延
在激光熔覆前，金属粉末受潮带有水分或金属氧
伸。裂纹是由于熔覆层与金属基体的热膨胀系数
化物发生氧化还原反应，熔覆时就会有气体产生，
5
[4]
易于逸出 。
激光熔覆中同轴粉末流温度场的数值模拟_杨洗陈
第29卷 第11期光 学 学 报V ol.29,No.112009年11月ACTA OPTICA SINICANovember,2009文章编号:0253-2239(2009)11-3114-07激光熔覆中同轴粉末流温度场的数值模拟杨洗陈 栗 丽 张 烨(天津工业大学激光技术研究所,天津300160)摘要 在激光同轴送粉熔覆中,由于激光与粉末流相互作用,粉末流整体温度分布直接影响激光熔覆的质量。
基于非预混燃烧模型,将激光相处理为连续性介质,粉末颗粒相看作离散相物质,建立了激光作用下粉末流的质量、动量和能量方程。
用Fluent 软件进行了不同激光功率和粉末流速度条件下粉末流整体温度场数值模拟,讨论了各种参数对温度场分布的影响。
为了验证该模型的准确度,利用CCD 比色测温方法测量了粉末流整体温度场分布。
结果表明,数值模拟与CCD 检测结果具有良好的一致性,数值模拟结果对激光熔覆具有指导意义。
关键词 激光熔覆;粉末流;温度场;数值模拟;Fluent 软件;CCD 相机;温度测量中图分类号 T N 249 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 20092911.3114Nume rical Simulation of Temperature Fie ld of Coaxial Powder Flowin Lase r CladdingYang Xichen Li Li Zhang Ye(La ser Pr ocessing Cent er ,T ian jin P olytechnic Un iver sit y ,T ia n jin 300160,Chin a )Abstract I n la ser coaxia l cladding,laser casing qualities are directly affected by temperature field of powder flow for the interaction between laser and powers.According to the model of non -premixed c om bustion,regarding laser beam as c ontinuity medium pha se and powder a s disperse medium phase,the conservation equations of mass,m oment um and energy are established in laser and powder puter simulations of tem perature field in different para meters are finished using Fluent software.Some effects of laser c ladding parameters on temperat ure distribution such as laser power and powder flow velocity are discussed.Temperature field distribution in the powder flow is measured by CCD c amera.It is shown that simulation and experimental results agree well,numeric al simulation of temperature field in powder flow is important for laser cladding.Key wo rds la ser cladding;powder flow;temperature field;num eric al simulation;Fluent software;CCD camera;m ea surments temperature收稿日期:2009-07-20;收到修改稿日期:2009-09-28基金项目:国家自然科学基金(60478004)和天津市科技支撑计划重点项目(08ZCKF GX02300)资助课题。
同轴送粉激光熔覆过程中粉光匹配影响因素及控制研究_刘喜明
０ 引 言
送粉激光熔覆技术是近年来发展起来的一项
２ ０ １ ２ ０ ５ ０ ５ 收稿日期 ： － － ） ２ ０ ０ ７ ０ ３ ０ ５ 基金项目 ：吉林省科技厅重大攻关基金资助项目 （
５ １ ４
长 春 工 业 大 学 学 报（ 自然科学版 ） ３卷 第 ３
１ 熔覆材料粉束流的形态与影响因素
束腰和束径的定义 １． １ 熔覆材料粉束流的焦点 、 ／ 不同送粉速率下熔 ０ ０Ｌ ｈ 时， 载 气 流 量 为 ２ 覆材料粉流束腰直径变化照片如图 １ 所示 。
Ｖ ＝ π·
（ ）
１ ２·Ｑ ｄ ２ Ａ
３ — — 送粉速率 （ ， ／ ； 式中 ： 体积送粉速率 ） Ｖ— ｍｍ ｓ ３ — — 载气流量 ， ／ ； Ｑ— ｍｍ ｓ — — 熔覆材料粉流束腰直径 ， ｄ— ｍｍ； ２ — — 喷嘴口 面 积 ， （ 若喷嘴为多个单 Ａ— ｍｍ ， ） 喷嘴构成 Ａ 为总的喷嘴截面积 。
由此得出 ：
／ 图 １ 载 气 流 量 为２ 不同送粉速 ０ ０ Ｌ ｈ时 ， 率下熔覆材料粉流束腰直径变化照片
ｄ＝
ｄ ＝ ｋ· Ｑ π·Ｑ 槡 槡
４ Ａ Ｖ
Ｖ
熔覆材料粉颗粒从送粉器喷嘴喷出后至工件 ） ） ， 表面之前的颗粒运动状态 （ 见图 １（ 熔覆 材 料 ｂ 粉流在流动过程 中 经 历 了 汇 聚 与 发 散 的 过 程 ， 类 似于光经过汇聚 透 镜 后 的 聚 焦 与 发 散 过 程 ， 所不 同的是熔覆材料粉流的空间流动形态是受喷嘴方
； 必要条件之三
是实现良好的熔 覆 材 料 粉 流 束 与 激 光 束 的 匹 配 。 同轴送粉激光熔 覆 工 艺 实 施 过 程 中 ， 熔覆材料粉 在激光束中流动 时 具 有 发 散 性 ， 送粉速率和载气 流量对这种发散性有直接的影响 。 而就激光束的 属性而言 ， 一旦光路系统确定以后 ， 激光束横截面 的形状 、 尺寸 变 化 规 律 就 基 本 确 定 了 下 来 。 为 了 保证激光束的高 能 量 密 度 ， 激光束径尺寸一般均 对同轴送粉激 控制在较小 的 范 围 内 变 化 。 因 此 ， 光熔覆而言 ， 实现 良 好 的 粉 光 匹 配 是 工 艺 实 施 的 文中意 在 对 影 响 送 粉 激 光 熔 覆 过 程 中 关键技术 ， 粉光匹配的因素 及 其 作 用 规 律 进 行 研 究 ， 为激光 熔覆工艺实施过程中相关控制问题的解决提供理 论和实验依据 。
激光熔覆同轴送粉喷嘴的研究状况
激光熔覆同轴送粉喷嘴的研究状况薛菲;王耀民;刘双宇【摘要】Powder feeding nozzle is used as one of the key components in the powder feeding system which has direct influ-ences on the effect of the laser cladding. With the development of the laser cladding technology, powder feeding nozzle is stud-ied both at home and abroad, so a variety of new powder nozzles are developed to effectively improve the effect of the cladding and powder utilization ratio and reduce the waste. This paper briefly summarizes the domestic and foreign coaxial powder noz-zle progress and powder feeding principle, analyses the existing coaxial powder feeding nozzle status quo, points out the short-comings of the existing powder feed nozzle and proposes that strengthening the powder feed nozzle design is one of the key is-sues of accelerating the laser cladding development, and then the predicts the future development of the coaxial powder feed-ing nozzle.%送粉喷嘴作为送粉系统的关键部件之一，直接影响着激光熔覆的效果。
激光熔覆孔式同轴送粉系统设计及实验研究
激光熔覆孔式同轴送粉系统设计及实验研究周余;杨永强;黄延禄【摘要】为了解决送粉激光熔覆系统中因重力作用发生偏聚及水冷效果差等问题,采用以激光束轴心为中心轴圆周均匀分布送粉孔的方法,设计了一系列孔式同轴送粉喷嘴(主要结构包括激光束通道、保护气体通道、水冷通道、气载送粉通道),从而获得良好的粉末流形态,提高送粉激光熔覆的质量.用该系列喷嘴在竖直(90°),60°,30°和水平(0°)等工况下进行粉末汇集性实验,发现粉末汇集效果良好.通过对Ti和Ni粉末、工具钢和等材料进行熔覆实验,送粉系统输送的粉末稳定、均匀,得到的熔覆样品表面光滑、熔覆层组织均匀,熔覆层与基体呈冶金结合.结果表明,孔式同轴送粉系统较好地满足了激光熔覆对送粉喷嘴的要求,并且能用来进行多种元素粉未的材料合成.所开发的送粉系统适用于材料表面改性和熔覆3维制造.%To solve the problems of unsatisfied water-cooling and deposit deviation induced by gravity during laser cladding, a series of feeding nozzles distributed radially and symmetrically was designed to obtain satisfied powder stream and improve cladding quality (the main structure including laser beam routeway, shielding gas routeway, water-cooling routeway and gas feeding routeway).It was found that the powder pooling was satisfied during experiments conducted under conditions that the angles between the nozzle and horizontal plane were 90°, 60°, 30 °and 0° respectively.Some experiments were also conducted adopting powders of Ti, Ni and tool steel respectively.Powders were fed stably and uniformly during experiments.The cladding samples with smooth surface and homogeneous microstructure were metallurgically bonded with thesubstrate.Experimental results show that the nozzles are satisfactory for powder feeding in laser cladding and can be used for material synthesis of powders.The system is suit for surface modification and 3-D solid fabrication.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)001【总页数】4页(P102-105)【关键词】激光技术;激光熔覆;同轴送粉;粉末流【作者】周余;杨永强;黄延禄【作者单位】华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510640【正文语种】中文【中图分类】TG156.99引言激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种表面改性技术。
同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律
第33卷第2期中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程Vol.33No.22020年4月CHINA SURFACE ENGINEERINGApril 2020收稿日期:2019-10-24;㊀修回日期:2020-02-01通信作者:李强(1986 ),男(汉),讲师,博士;研究方向:难加工材料增减材实验及机理研究;E-mail :neuliqiang@基金项目:辽宁省自然科学基金(20180550167);辽宁省教育厅重点攻关项目(LJ2019ZL005,LJ2017ZL001);辽宁省高水平创新团队国(境)外培养项目(2018LNGXGJWPY-ZD001)Fund :Supported by Natural Science Foundation of Liaoning Province (20180550167),Key Projects of Education Department of Liaoning Prov-ince (LJ2019ZL005,LJ2017ZL001)and Oversea Training Project of High Level Innovation Team of Liaoning Province(2018LNGXGJWPY-ZD001).引用格式:郭辰光,郭昊,李强,等.同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律[J].中国表面工程,2020,33(2):136-148.GUO C G,GUO H,LI Q,et al.Effects law of coaxial powder feeding process parameters on flow field of laser additive remanufactur-ing nozzle[J].China Surface Engineering,2020,33(2):136-148.doi:10.11933/j.issn.10079289.20191024001同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律郭辰光1,2,郭㊀昊1,2,李㊀强1,岳海涛1,王㊀闯1(1.辽宁工程技术大学机械工程学院,阜新123000;2.辽宁工程技术大学辽宁省大型工矿装备重点实验室,阜新123000)摘㊀要:激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流汇聚特性是影响零件成形质量和成形效率的重要因素,基于DEM-CFD 耦合方法,开展三维同轴送粉喷嘴粉-气流场仿真分析,依据表征粉流汇聚特性的喷嘴中心轴向粉流分布浓度㊁焦点距离㊁上焦点截面粉流分布浓度和单位距离粉流分布浓度等参数,设计单因素试验,在喷嘴结构不变的条件下,分析输粉气流速度㊁送粉速率和中心光路保护气速度对粉流分布的影响规律㊂结果表明:输粉气流速度越大,焦点距离越小,轴向粉流分布浓度越小,上焦点截面粉流浓度分布直径越小,单位距离粉流分布浓度越大,粉流的集聚性越好;中心光路保护气速度对粉流焦点浓度影响较小,保护气速度越大,焦点距离越大,上焦点截面粉流浓度分布直径越小,单位距离粉流分布浓度增加,粉流的集聚性越好;送粉速率对焦点距离影响较小,送粉速率越大,喷嘴轴向粉流分布浓度越大,上焦点截面粉流浓度分布直径越大,单位距离粉流分布浓度出现先增大后减小的趋势㊂关键词:激光增材再制造;同轴送粉喷嘴;离散单元法-计算流体力学(DEM-CFD);粉流分布中图分类号:TN249文献标志码:A文章编号:1007-9289(2020)02-0136-13Effects Law of Coaxial Powder Feeding Process Parameters on Flow Field of LaserAdditive Remanufacturing NozzleGUO Chenguang 1,2,GUO Hao 1,2,LI Qiang 1,YUE Haitao 1,WANG Chuang 1(1.School of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Liaoning Provincial Key Labo-ratory of Large-scale Industrial and Mining Equipment,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)Abstract :Powder flow convergence of coaxial powder feeding nozzle was an important factor that affects the forming qualityand efficiency in laser additive remanufacturing.The powder-gas flow field simulation analysis of coaxial powder feeding nozzle was carried out based on DEM-CFD coupling method.According to the parameters such as nozzle center axial powder flow dis-tribution concentration,focal distance,powder flow concentration distribution at upper focal section and concentration of pow-der flow per unit distance,a single-factor experiment was designed to analyze the influence of carrier gas flow,powder feedingrate and shielding gas velocity on the powder flow distribution under the nozzle structure remained unchanged.Results showthat,with the increased of the carrier gas flow,the focal distance,nozzle center axial powder flow distribution concentrationand diameter of powder flow concentration distribution at upper focal section decreases gradually,concentration of powder flow㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律per unit distance increases,the powder flow convergence become excellent.The shielding gas velocity has few influence on the focal concentration.The higher the shielding gas velocity is,the smaller the diameter of powder flow concentration distribution at upper focal section is,while the focal distance,concentration of powder flow per unit distance and the powder flow conver-gence become larger and better.The effect of powder feeding rate on the focal distance is not significant,with the increased of powder feeding rate,the nozzle center axial powder flow distribution concentration and the diameter of powder flow concentra-tion distribution at upper focal section also increase,concentration of the powder flow per unit distance increases first and then decreases.Keywords:laser additive remanufacturing;coaxial powder feeding nozzle;Discrete element method-computational fluid dy-namics(DEM-CFD);powder flow distribution0㊀引㊀言激光增材再制造技术是近年来兴起的一种表面修复技术,采用该技术对缺损的零件进行再制造修复,能够极大地降低生产成本[1-2]㊂同轴送粉法是同步送粉式激光熔覆最为先进和应用最多的一种送粉方式,此种送粉方式能够满足各向同性的要求[3-5],并能在加工过程中形成方向不受限制的均匀熔覆层,适用于增材修复[6]㊂同轴送粉喷嘴引导粉流均匀送入激光强作用区域并与基体同时熔化形成熔覆层,其工作性能直接影响毛坯再制造后的成形质量[7-8]㊂现阶段增材再制造的主要缺陷之一在于粉末输送稳定性差㊁粉末使用率低,因此研究同轴送粉喷嘴粉流流场对优化同轴送粉喷嘴结构㊁改善零部件再制造后的成形质量具有重要的指导意义[9-11]㊂目前,国内外学者的大量研究与试验发现气固两相流理论对粉末输运流场的研究具有较高的准确性和可靠性㊂Pan等[12]研究了重力驱动送粉模式的粉流与粉末特性㊁喷嘴形状和保护气设置对粉流流场的影响,建立三维喷嘴数值模型来预测粉流浓度变化;Kovaleva等[13]开发出用于不同同轴喷嘴的气粉输送三维物理和数学模型,通过数值模拟获得了基体上的粉流质量和定量流动特性;Zhang等[14]使用CFD理论建立了同轴送粉三维数值模型,研究环境压力和喷嘴尺寸对激光熔覆粉末颗粒速度和分布的影响;Tan等[15]使用粒子成像系统拍出的粉流图像分析送粉工艺参数和喷嘴距基体表面距离对粉流流场的影响;Zhu等[16]应用FLUENT2-D离散相模型计算同轴送粉粉流场分布情况;靳晓曙等[17]建立了粉流简化物理模型并采用欧拉双流体方法对同轴送粉粉流流场进行数值分析㊂上述对同轴送粉喷嘴粉-气流场研究的分析计算模型主要为DPM模型和Euler双流体模型,依照上述方法虽能通过计算得到粉流场大致变化规律㊁但此类方法忽略颗粒自身物性及碰撞问题,并不能准确描述粉流在实际情况下的空间分布㊂离散单元法将不连续体分散为刚性元素的集合,分散后的每一个单元都作为独立的个体计算它的运动方程,颗粒系统的模拟需要对颗粒位移增量与接触力增量进行循环计算[18]㊂研究采用DEM-CFD耦合方法来模拟同轴送粉气固两相流流场分布及颗粒运动情况的数值方法,并应用Navier-Stokes方程计算气相流动信息,通过DEM接触模型计算粉体颗粒的运动㊁碰撞㊁受力等信息[19]㊂以喷嘴中心轴向粉流浓度分布㊁焦点距离㊁上焦点截面粉流浓度分布㊁单位距离粉流分布浓度等参数作为衡量指标,探究输粉气流速度㊁中心光路保护气速度㊁送粉速率对粉流分布的影响,结合EDEM-FLUENT 软件进行模拟仿真,以输粉气流速度为4m/s㊁中心光路保护气速度为1.5m/s㊁送粉速率20g/min作为基础参数,设计单因素试验㊂通过数值模拟,可以清晰直观地观察气-粉两相的流场分布以及颗粒在喷嘴内部的运动情况,实现了粉流流场的可视化,提高了对同轴送粉过程模拟的准确性,对同轴送粉粉流输运流场的研究具有重要的指导意义㊂1㊀气粉流场理论模型1.1㊀颗粒受力模型当颗粒在气相中运动时,颗粒边界层存在法向速度梯度,当气体流经颗粒表面并与颗粒产生相对运动时,会形成压差阻力,因此颗粒在气流731中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年中运动时的运动阻力主要由黏性摩擦阻力和涡流压差阻力两部分组成,运动阻力方程如式(1)所示:F R=18πCρd2p v2p(1)㊀㊀式中:C是绕流阻力系数;ρ是流体密度,kg/m3;d p是球状颗粒直径,m;v p是颗粒的速度,m/s㊂除此之外,颗粒在流体中以一定速度运动时,沿颗粒边界层法向的速度梯度会发生剪切效应,出现颗粒表面的压力差并形成了如式(2)所示Saffman升力;气流中颗粒与颗粒之间㊁颗粒与壁面之间发生碰撞后会产生如式(3)所示Mag-nus螺旋升力[14]:F Saff=1.61d2p(ρμ)12ωf-12(v p-v f)ωf(2)㊀㊀式中:v f是流体的速度,m/s;μ是流体动力黏度,N㊃s/m2;ωf是沿颗粒边界层法向的速度梯度,ωf=∇㊃v f㊂F Mag=14πd3pρ(v p-v f)ωf[1+O(R e)](3)式中:O(R e)表示未明确写出的级数余数㊂金属粉末颗粒粒径范围为50~500μm,属于介观尺度范围,材料密度大,属于低速气固两相流动,因此只考虑碰撞接触力㊁重力㊁曳力等对颗粒的作用,其他力暂不考虑㊂此外,粉末存在不规则表面形态,颗粒基本为不同直径大小的球形颗粒,以球当量径来描述颗粒直径,采用平均体积粒径方法统计粒度分布情况㊂可求得平均体积粒径d aV㊂d aV=3ðnd3pðn(4)1.2㊀颗粒接触模型离散单元法把分析对象看成充分多的离散单元,根据全过程中的每一时刻各颗粒间的相互作用计算接触力,再用牛顿运动定律计算单元的运动参数,实现颗粒对象运动情况的预测㊂根据处理问题的不同,颗粒模型可分为硬球模型和软球模型两类,硬球模型颗粒之间的碰撞是瞬时的且不会发生显著的塑性变形,在计算时只需考虑颗粒的同时碰撞㊂软球模型把颗粒间的法向力简化为弹簧k n和阻尼器βn,切向力简化为弹簧k b㊁阻尼器βb和滑动器μ,依据颗粒间法相重叠量和切向位移计算接触力,颗粒接触力简化模型如图1(a)所示㊂由于同轴送粉喷嘴喷粉时,粉体颗粒之间会产生相互碰撞,且能够发生弹塑性变形,产生小尺度重叠量,因此采用软球模型㊂如图1(b)所示,当颗粒i 与颗粒j在相互接触时,存在一法向的重叠量α,其中v为粒子速度㊁F n为颗粒法向力㊁F t为颗粒切向力㊁ω为颗粒角速度㊁g为重力加速度㊂对于颗粒接触模型,应用EDEM中的Hertz-Mindlin无滑动接触模型来描述颗粒间的力作用关系㊂图1㊀软球模型颗粒间接触受力模型Fig.1㊀Simplified model of contact forces between particles假设粉体颗粒输运的过程,颗粒间的碰撞均为弹性碰撞,不考虑颗粒之间的其他作用因素㊂两个球状颗粒在空间发生接触碰撞,半径分别为R1,R2,则两颗粒间的法向接触力F n计算公式为:F n=43Eᶄ(Rᶄ)12ε32(5)㊀㊀式中:Eᶄ为等效弹性模量,MPa;Rᶄ为等效颗粒半径,m;εn为碰撞时法向重叠量,m㊂据下述公式求出㊂831㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律1Rᶄ=R 1+R 2R 1R 2(6)1Eᶄ=1-21E 1+1-22E 2(7)ε=R 1+R 2-r 1-r 2(8)㊀㊀式中:n为颗粒泊松比;E n 为弹性模量,MPa;r n 为球心位置矢量㊂两颗粒间的切向接触力F t 计算公式为:F t =-S t εt(9)㊀㊀式中:εt 是颗粒碰撞时切向重叠量,m;S t 是切向接触刚度,N /m;可根据下式求出:S t =8GᶄRᶄε(10)㊀㊀式中:Gᶄ是等效剪切模量,MPa㊂1Gᶄ=2-21G 1+2-22G 2(11)1.3㊀气相控制方程激光熔覆同轴送粉过程中,在常规送粉工艺参数下,输粉气流㊁保护气均体现为温度恒定㊁不可压缩㊁稳定的湍流流动,粉流输运期间不考虑激光发出的热量及气流㊁颗粒之间的热传递,即不考虑能量方程㊂粉末颗粒在同轴送粉中所占体积分数小于10%,为了更加准确描述粉末运动状态,考虑粉末颗粒体积对流场的影响,采用Eu-lerian 多相流模型分析气-粉流场的特性㊂为了显示颗粒体积对流体的影响,在气相控制方程里引入颗粒体积分数ε作为影响因子,其连续性方程如式(12)所示:∂ερ∂t+∇㊃ρεv f =0(12)㊀㊀式中:ρ为气体密度,kg /m 3;ε为颗粒的体积分数㊂动量守恒方程如下所示:∂ερv f ∂t+∇㊃ρεμv f =-∇ρ+∇㊃(εμ㊃∇v f )+ρεg -ðni(F R +F Mag +F saff )V(13)㊀㊀式中:μ为气体的运动黏度,N ㊃s /m 2;g 为重力加速度,取9.81m /s 2;V 为CFD 流体网格单元的体积㊂1.4㊀颗粒相控制方程m pd u p (t )d t=m p g +F R (t )+F Mag (t )+F Saff (t )-Cu p (t )(14)I pd ωp (t )d t=T p (t )-Cωp (t )(15)㊀㊀式中:m p 为颗粒的质量,kg;u p (t )为t 时刻颗粒运动速度,m/s;T p (t )为t 时刻由颗粒间接触力而产生的合力矩,N ㊃s;I p 为颗粒转动惯量,kg ㊃m 2;ωp (t )为颗粒在t 时刻颗粒转动速度,rad /s;F R (t )㊁F Mag (t )㊁F Saff (t )分别为t 时刻气体作用在颗粒上的运动阻力㊁Magnus 升力㊁Saffman 剪切力㊂2㊀DEM-CFD 耦合方法模拟验证2.1㊀喷嘴计算域模型建立分析同轴送粉喷嘴粉流空间形貌,了解粉流的空间分布特征,是研究喷嘴粉流流场分布的基础㊂因此在已有试验研究基础上构建如图2(a)所示的二维同轴送粉粉流分布特征模型,图中f 1表示粉流上焦点距离喷嘴出口的位置,即上焦距;f 2表示粉流上㊁下焦点之间的距离,即焦柱长;下焦距为f 1+f 2;f 3表示激光离焦量,d 1㊁d 2分别表示粉流上焦点直径和光斑直径㊂运用三维建模软件Solidworks 构建了同轴送粉喷嘴粉流管道计算模型如图2所示㊂从图2(b)可以看出同轴送粉喷嘴计算域主要分为3个部分,上部为圆环型送粉通道;中部为内㊁外壁不同倾角的漏斗状环型通道,下部为圆柱形粉流分布计算域,粉流从四个均布在喷嘴上方的粉流入口射入,经过内㊁外壁成一定角度的漏斗状渐缩环形通道聚拢,从出口喷出进入圆柱形粉流分布计算域㊂二维计算域如图2(c)所示,为了描述同轴送粉喷嘴计算域几何特征,如表1所示,设置以下参数变量:d 为粉流入口直径,h 1㊁h 2分别为喷嘴整体与圆环型粉流通道的高度,α为漏斗状渐缩环型通道内外壁夹角,β为漏斗状渐缩环型通道外壁夹角,δ为喷嘴出口宽度,m 为中心光路保护气圆环通道高度,w ㊁r 分别为为中心光路保护气入㊁出口半径,b ㊁h 分别为圆柱形计算区域的长和宽㊂931中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年图2㊀同轴送粉喷嘴粉流分布特征及模型计算域Fig.2㊀Nozzle powder flow distribution characteristics and model calculation domain of coaxial powder feeding表1㊀计算域特征参数初始值Table 1㊀Initial values of characteristic parameters of the calculation domainParameter α/(ʎ)β/(ʎ)δ/mm w /mm m /mm r /mm d /mm Value106015546Parameter k /mm e /mm b /mm h /mm h 1/mm h 2/mm Value 201010257230图3㊀同轴送粉喷嘴结构化计算网格Fig.3㊀Structured grids of coaxial feeding nozzle2.2㊀网格划分通过ICEM 网格前处理软件进行同轴送粉喷嘴计算域网格划分,为提高计算网格质量及计算效率,选择六面体结构化网格㊂相关网格划分如图3所示㊂由于粉末汇聚区域运动变化情况明显,需对其网格进行加密,其余部分网格设定适当稀疏,设定喷嘴入口处网格大小为0.8mm,保护气域及圆柱计算域网格大小为0.75mm,喷嘴环形通道计算域网格大小为1.5mm,由于3个计算域相接触部分为计算核心域,设定该计算域网格大小为0.2mm,并对划分后的网格进行优化,选取Quality 在0.4及其以上的网格,As-pect Ratio 控制在0~1内,Determinant 控制在0~1内,划分后的网格总数量为377959个㊂定义喷嘴出口圆环中心点为基准坐标点,y 轴沿圆柱计算域轴向中心线方向,x 轴沿圆柱计算域径向分布㊂2.3㊀耦合仿真模拟参数设置DEM-CFD 耦合方法可以使流体与颗粒在更能发挥本身优势计算领域中进行受力与运动的求解,通过耦合的曳力模型来实现两相之间力㊁位移等数据的互相传输㊂2.3.1㊀FLUENT 相关求解参数设置㊀㊀同轴送粉喷嘴气流场属于低速㊁连续㊁不可压缩的湍流流动,对于多相流的仿真不能是恒稳态,必须设置一个依赖于时间的仿真,仿真选择Pressure-Based 求解器,时间类型选择Transient,重力加速度设置为Y =9.81m /s 2,方41㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律向应与EDEM中所设置的重力方向一致,进行数值模拟的参数设定㊂由于仅涉及气固流场问题,因此不考虑壁面传热及激光与颗粒之间的能量交换㊂FLUENT具体参数设置如表2所示㊂FLUENT在求解同轴送粉喷嘴气-粉两相流场时会表现出的非线性特征通过松弛因子来控制收敛与变化情况,在满足同轴送粉喷嘴流场稳定的前提下确定出同轴送粉流场模拟求解的松驰因子具体参数数值,其中pressure 为0.3㊁density为1㊁body forces为1㊂表2㊀FLUENT仿真参数设置Table2㊀FLUENT simulation parameters settingSimulation parameters Model and valueTurbulence model Standard k-e,stand-ard wall function Multiphase flow model Eulerian Fluid material N2 Powder inlet boundary condition/(m/s)Velocity-inlet:4 Protective gas inlet boundary condi-tion/(m/s)Velocity-inlet:1.5 Wall boundary condition Wall Export boundary conditions/Pa Pressure-outlet:0 Solution method Phase Coupled SIMPLE Convergence residual0.001 Automatic data retention interval Time step of50 Time step/s8ˑ105 Number of time steps1250 Maximum number of iterations perstep60 2.3.2㊀EDEM求解模型及参数设置㊀㊀采用超景深显微镜观察Ni60A粉末颗粒的细观真实形貌,粉末颗粒形状大多为形状相对均匀且基本为球状,假设粉末颗粒为均匀的㊁等直径的球形颗粒,由公式(4)可求得平均体积粒径为0.06mm,将喷嘴的4个入口处分别设置颗粒工厂,粒径为0.06mm,每个颗粒工厂设置质量流率为5g/min,依次设置粉末相关参数以及仿真求解参数,EDEM中的参数设置如表3所示㊂在耦合模块中采用Eulerian耦合方法,曳力模型选用Freestream Equation,升力模型选用Magnus Lift及Saffman Lift,进行耦合仿真㊂表3㊀EDEM仿真参数设置Table3㊀EDEM simulation parameters settingSimulation parameter Model and value Particle contact model Hertz-Mindlin(no slip) Gravity acceleration/(m/s2)Y=9.81 Particle material Ni60A Particle Poissonᶄs ratio0.25 Particle shear modulus/(N/m2)8ˑ109 Particle density/(kg/m3)8000 Geometry material Cu Geometric Poissonᶄs ratio0.36 Geometric shear modulus/(N/m2) 3.9ˑ1010 Geometric density/(kg/m3)8800 Particle generation rate/(g/min)20 Particle incident velocity/(m/s)4 Time step/s1ˑ10-6 Data retention interval/s0.0005 Calculate the domain grid size4ˑR2.4㊀试验验证试验激光头配有Fraunhofer公司的同轴送粉喷嘴IWS-COAX8,送粉器为德国GTV公司的PF2/2送粉器,保护气为N2,设定总颗粒生成速率为20g/min㊁颗粒入射速度为4m/s㊁保护气速度为1.5m/s的条件下,验证DEM-CFD耦合方法对同轴送粉喷嘴流场数值模拟的准确性,如图4(a)(b)所示,分别为同轴送粉喷嘴粉末速度迹线图与DEM-CFD耦合方法的仿真速度迹线图,试验结果与仿真结果对比如表4所示㊂从表4中可以看出,仿真模拟结果的粉流上焦距㊁下焦距㊁焦柱直径相较于试验结果准确度均达到了90%以上,焦柱长也达到了75%,这说明使用DEM-CFD耦合方法来模拟同轴送粉喷嘴粉流流场与试验结果极为接近,仿真模拟分析结果具有较高的准确性,对粉流流场模拟具有较大的参考价值㊂图4㊀试验与仿真结果对比图Fig.4㊀Comparison chart of experimental and simulation results141中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年表4㊀试验结果与仿真结果对比Table 4㊀Comparison of experimental and simulation resultsData Experimental result SimulationresultsAccuracy /%Upper focus distance /mm16.017.590.6Lower focal length /mm20.020.597.5Focus column length /mm4.03.075.0Focus cylindricaldiameter /mm2.52.2690.43㊀送粉参数对粉流流场的影响分析送粉参数是决定激光再制造质量与效率的重要影响因素之一,也是决定同轴送粉分流集聚效果好坏的主要凭据㊂本节中,以喷嘴中心轴向粉流分布浓度㊁焦点距离㊁上焦点截面粉流分布浓度㊁单位距离粉流分布浓度等参数为衡量指标,探究输粉气流速度㊁送粉速率㊁中心光路保护气速度对粉流分布的影响㊂3.1㊀粉末集聚性衡量指标粉末的集聚性是影响增材再制造成形质量㊁成形效率和粉末利用率的重要指标,粉末集聚性依据喷嘴中心轴向粉流分布浓度和上焦点截面粉流分布浓度来判断,同时,为了量化表示粉末聚集性,考虑单位尺度上粉末的分布浓度,引入单位距离粉流分布浓度ψi 为衡量指标,其计算如式(16)所示:ψi =Q C D(16)㊀㊀式中:Q C 为截面粉流浓度,D 为粉流浓度分布直径,m㊂以参数化描述粉末集聚性,单位距离粉流分布浓度数值越大,粉末集聚性越好㊂3.2㊀输粉气流速度的影响在中心光路保护气速度为1.5m /s㊁送粉速率20g /min 不变的条件下分别对v =3㊁4㊁6㊁8m /s的输粉气流速度下同轴送粉喷嘴粉流流场进行数值模拟㊂图5为不同输粉气流速度下粉末颗粒速度迹线图㊂令发散角θ为粉流由喷嘴喷出后的发散范围㊂当输粉气流速度v =3m /s 时,粉末由于受到气流的曳力作用较小,粉末喷出后的动能也小,因此粉末受到重力及其他阻力的影响比较严重,粉流具有较大的发散角为26ʎ,发散性较大,上焦点位置距离喷嘴口较远,焦柱长度小;随着输粉气流速度的增大,由于气流对颗粒的曳力作用和颗粒本身的惯性越来越大,受到重力等因素的影响变小,使得粉流在集聚区域的集聚性得以改善,粉流发散性逐渐变小;当输粉气流速度v =8m /s 时,发散角减小至18ʎ,粉流集聚性增强,上焦点位置距离喷嘴口较近,形成了较长的焦柱长度㊂不同输气速度下的喷嘴中心轴向粉流分布浓度情况如图6所示㊂从整体上看,不同输粉气流速度下的喷嘴中心轴向粉流浓度在沿Y 轴方向均存在两个极大值㊁一个极小值,说明粉流在喷出后形成了一个上焦点和一个下焦点,且二者总体趋势大致相同㊂当输粉气流速度取最小值v =3m /s 时,粉流受到输粉气流的曳力作用较小且受到重力因素作用较大,粉流焦点位置会向下移动,总体粉流浓度最大,在Y =21.5mm 处的上焦点位置粉流浓度达到最大值0.0145,在下焦点位置Y =23mm 处,粉流浓度为0.0051;当输粉气流速度取最大值v =8m /s 时,整体的粉流浓度相图5㊀不同输气速度下粉流速度迹线Fig.5㊀Distribution of powder flow velocity traces under different carrier gas velocities241㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律较于其他输气速度下的浓度最低,上焦点距离喷嘴出口最近,上焦点位置上移至Y =12.5mm,浓度为0.0068,下焦点在Y =23mm 处,浓度为0.0042㊂图6㊀不同输气速度下喷嘴中心轴向粉流浓度分布Fig.6㊀Concentration distribution of axial powder flow inthe center of the nozzle under different carrier gas velocities图7给出了粉流上焦点浓度与焦点距离随输粉气流速度的变化曲线,从图中见,随着输粉气流速度的不断增大,粉流的上焦点浓度逐渐减小,焦点位置迅速上移,这是由于随着输粉气流速度变大,粉流受到输粉气流的曳力作用也就越㊀㊀㊀大,同时粉流的惯性也越大,粉末从喷嘴喷出后受到重力㊁空气阻力等其他因素的影响就越小,粉流的运动准直性较好,聚焦效果明显,因此焦点位置会随着输粉气流速度的增大而向上移动㊂图7㊀粉流上焦点浓度与焦点距离随输粉气流速度变化Fig.7㊀Variation of upper focus concentration of powder flowand focal distance with carrier gas velocities图8为不同输气速度下上焦点截面粉流浓度分布情况㊂从整体上看,焦点截面浓度基本呈中心对称分布,汇聚点中心浓度最高,粉流浓度沿径向逐渐降低至0㊂经计算,输粉气流速度从小到大的顺序下,上焦点截面粉流浓度分布直径图8㊀不同输气速度下上焦点截面粉流浓度分布Fig.8㊀Concentration distribution of powder flow in upper focal section under different carrier gas velocities341中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年分别为2.52㊁2.26㊁1.3和1.0mm㊂同时,由式(16)计算单位距离粉流分布浓度分别为5.57㊁5.66㊁6.53和6.80kg /m 4㊂可见,随着输粉气流速度的不断增大,焦点中心浓度不断减小,粉流焦点浓度分布直径不断缩小,单位距离粉流分布浓度增加,粉末的集聚效果增强㊂根据上述分析可以得出,输粉气流速度对粉流的集聚特性有非常明显的影响,随着输粉气流速度的不断增大,整体粉流分布浓度逐渐减小,焦点逐渐上移,粉流焦点浓度分布直径越来越小,粉末集聚性明显㊂较大的输粉气流速度会使得颗粒的惯性增大,粉末颗粒在碰撞基体后会产生强烈的反弹,产生飞溅,降低粉末的使用率,高速气流也会冲击熔池,对熔覆层成形质量产生很大的影响㊂因此,在调节输粉气流速度时,应在满足熔覆要求和质量的前提下适当加大输粉气流速度,有利于改善粉末的集聚性,提高粉末的使用率㊂3.3㊀中心光路保护气速度的影响同轴送粉喷嘴中心光路保护气是防止激光熔覆时产生的熔渣或烟气进入中心光路从而导致光路镜片受到损坏和污染的有效手段㊂在输粉气流速度为4m /s㊁送粉量为20g /min 不变的条件下分别对v 1=1㊁1.5㊁2和3m /s 的中心光路保护气速度下的同轴送粉喷嘴粉流流场进行数值仿真模拟㊂图9㊀不同中心光路保护气速度下喷嘴中心轴向粉流浓度分布Fig.9㊀Concentration distribution of axial powder flow inthe center of the nozzle at different central optical pathshielding gas velocities如图9所示,为不同中心光路保护气速度下的轴向粉流浓度分布曲线㊂从整体上看,当中心光路保护气速度取最小值v 1=1m /s 时,粉流浓度最大,焦点距离喷嘴出口也最近,在Y =16mm 的上焦点处的粉末浓度流为0.0137,在Y =19mm 处下焦点的浓度为0.0085;当中心光路保护气速度取最大值v 1=3m /s 时,整体粉末浓度最低,焦点距离喷嘴出口也最远,上焦点位置在Y =19.5mm 处,浓度为0.0101,下焦点的位置在Y =22mm 处,浓度为0.0055㊂如图10所示,为粉流上焦点浓度与焦点距离随中心光路保护气速度的变化曲线,从图中可以看出,随着中心光路保护气速度不断提高,粉流上焦点浓度不断减小,粉流上焦点距离喷嘴出口越来越远,这是由于粉流在输粉气流的曳力带动下向喷嘴中心轴线集聚时,受到中心光路保护气垂直向下的曳力作用,随着中心光路保护气速度的不断提高,粉末颗粒受到向下的曳力也就越大,因此粉末焦点会逐渐向下移动;随着保护气速度的增大,粉流的运动由于受到垂直向下力的作用越来越大,部分颗粒不再向中心集聚,因此粉末颗粒向中心集聚的数量越来越少,粉流上焦点浓度随着中心光路保护气的速度增大而越来越小㊂中心光路保护气速度v 1=2~3m /s 时,粉流焦点浓度的下降趋势和焦点下移趋势开始平缓,这是由于粉末喷出后的速度是一定的,当施加给颗粒的竖直速度分量到达某一个值后,再继续增加竖直速度分量大小,随着粉流速度的增大,水平速度分量减小的就越来越慢,因此,粉末颗粒向中心集聚的数量减小的越来越慢,粉流焦点浓度的下降趋势和焦点的下移趋势也就渐趋平缓㊂图10㊀粉流上焦点浓度与焦点距离随中心光路保护气速度的变化Fig.10㊀Variation of upper focus concentration of powderflow and focal distance with protection gas velocities at cen-ter laser path441。
《同轴送粉激光增材制造不锈钢工艺与性能研究》
《同轴送粉激光增材制造不锈钢工艺与性能研究》一、引言随着制造业的不断发展，激光增材制造技术以其独特的优势逐渐成为制造业的焦点。
其中，同轴送粉激光增材制造技术因其高效、灵活、高精度等特点，被广泛应用于不锈钢等金属材料的加工制造中。
本文旨在研究同轴送粉激光增材制造不锈钢的工艺流程及其性能表现，为进一步优化工艺参数、提高产品质量提供理论依据。
二、同轴送粉激光增材制造不锈钢工艺1. 工艺原理同轴送粉激光增材制造是一种基于激光熔化的增材制造技术。
其基本原理是通过高能激光束将粉末材料与基体材料一同熔化，然后快速冷却凝固，形成致密的金属零件。
同轴送粉技术将粉末材料直接送入激光束中，实现了粉末的精确控制与高效利用。
2. 工艺流程同轴送粉激光增材制造不锈钢的工艺流程主要包括以下几个步骤：基体准备、粉末材料选择、送粉系统设置、激光参数设定、增材制造及后处理。
首先，需对基体进行预处理，确保其表面干净、平整。
然后，选择合适的粉末材料，如不锈钢粉末。
接着，设置送粉系统，确保粉末均匀、稳定地送入激光束中。
此外，还需设定合理的激光参数，如激光功率、扫描速度等。
最后，进行增材制造及后处理，得到成品。
三、性能研究1. 力学性能通过拉伸试验、硬度测试等方法，对同轴送粉激光增材制造不锈钢的力学性能进行了研究。
结果表明，该工艺制备的不锈钢零件具有较高的抗拉强度和屈服强度，且硬度分布均匀。
此外，其延伸率和冲击韧性也表现良好，满足实际使用需求。
2. 微观结构与相组成利用金相显微镜、扫描电子显微镜及X射线衍射等技术手段，对同轴送粉激光增材制造不锈钢的微观结构与相组成进行了分析。
结果表明，该工艺制备的零件具有细小的晶粒组织，且相组成以奥氏体为主。
这有利于提高零件的力学性能和耐腐蚀性能。
四、结论通过对同轴送粉激光增材制造不锈钢的工艺与性能进行研究，得出以下结论：1. 同轴送粉激光增材制造技术能够高效、灵活地制备不锈钢零件，具有高精度、高效率等特点。
高功率激光加工同轴送粉系统设计---大学毕业(论文)设计
高功率激光加工同轴送粉系统设计目录1 绪论 (1)1.1本设计研究的目的和意义 (2)1.2本设计国内外研究历史与现状 (2)1.3本设计拟解决的关键问题和研究方法 (5)2 送粉器的方案设计 (21)2.1国内外送粉器的原理及特性 (22)2.2送粉器的性能比较分析 (27)2.4送粉器主要问题分析 (29)2.5送粉器的方案设计 (31)2.5气路设计 (34)2.6本章小结 (39)3送粉器的结构设计 (25)3.1粉轮的结构设计与计算 (25)3.2电动的选择 (26)3.3齿轮齿条的设计计算 (26)3.4轴的结构设计 (27)3.5联轴器的配置 (28)3.6密封器件的配置 (28)4 送粉头的设计 (25)4.1激光加工的光路系统 (25)4.2激光熔覆的送粉方式 (26)4.3送粉喷嘴的设计要求 (28)4.4喷嘴芯的设计 (29)4.3喷嘴座的结构设计 (30)参考文献 (34)谢辞 (34)附录 (35)1 绪论激光熔覆的实验研究始于本世纪70年代, 它是通过在基材表面添加熔覆材料, 并利用高能密度的激光束使之基材表面薄层一起熔凝的方法, 这种表面改性技术自从出现以来, 去的了迅速的发展, 现已广泛应用于工业行业。
近年来, 国际上诞生了一门新兴技术—再造技术, 它基于激光熔覆技术, 以激光熔覆技术为修复技术平台, 加上现代先进制造、快速成型等理念, 则发展成为激光再造技术。
作为激光再造系统的重要组成部分送粉器, 送粉量的稳定性、均匀性直接关系到熔覆层的质量。
目前, 不少科研单位和公司对送粉器进行了技术开发, 并推出成功的设备, 这些设备根据不同的原理可分为重力式、负压式等。
这些送粉器往往是针对某些特定的的粉末进行开发设计的, 普遍存在的问题是: 基于超细粉末的特殊性质, 它们对输送小雨1um的超细粉末无能为力。
对这一问题的研究已成为激光加工领域的热点。
近年来激光熔作为激光加工技术领域内一个新的研究与开发方向, 它是通过不同的添料方式在被熔覆表面机体上放置被熔覆的涂覆材料。
同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量的衰减作用_靳绍巍
第38卷 第9期中 国 激 光V ol.38,N o.92011年9月CHINESE JO URNAL OF LASERSSeptember,2011同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量的衰减作用靳绍巍 何秀丽 武 扬 宁伟健 虞 钢*(中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室,北京100190)摘要 为了得到同轴送粉激光熔覆中激光束穿过粉末流后的能量变化,研究了粉末浓度分布对激光能量的衰减作用。
模拟了稳态、存在基底和熔池的情况下粉末流的空间分布,通过粉末浓度与激光能量衰减的关系,得到了任意粉末分布及激光能量分布下的衰减率。
研究了基底对气流场的作用以及基底对粉末的反弹作用两种因素对粉末浓度分布的影响,并比较了平顶形光束在不同熔池尺寸和送粉率下的衰减率。
结果表明,存在基底时粉末流对激光的衰减率比无基底作用时一般高2倍以上,与送粉率成正比,在熔池尺寸较小时与其大小成反比。
关键词 激光技术;激光熔覆;粉末浓度;能量衰减中图分类号 T G665;T N249 文献标识码 A do i :10.3788/CJL 201138.0903005Laser Powe r Attenuation by Powde r Flow in Coaxial Lase r CladdingJin Shaowei He Xiuli Wu Yang Ning Weijian Yu Gang(Key La bor a tor y of Mecha n ics in Adva n ced Ma nu fa ctur ing ,Instit ut e of Mechan ics ,Chin ese Aca dem y of Scien ces ,Beijing 100190,Chin a )Abstract The laser power attenuation by powder flow in coaxial laser cladding is investigated numeric ally and experimenta lly.A steady model of powder concentration distribution is developed,considering the effect of substrate on gas -flow and rebound of powder particles.The relationship between powder conc entration and attenuation of laser power is ana lyzed.The effects of melt pool size and powder flow rate on a top hat la ser beam attenuation are investigated.Results indicate that power attenuation by powder flow with the effect of substrate c an be twice more than that without substrate.The attenuation is proportional to the powder flow rate and dec reases with the inc rease of melt pool size when the pool size is small.Key wo rds la ser technique;la ser cladding;powder c oncentration;power attenuation OCIS co des 140.3390;350.3390;350.3850收稿日期:2011-03-28;收到修改稿日期:2011-04-22基金项目:国家自然科学基金重点项目(10832011)和面上项目(10972222)资助课题。
激光熔覆同轴送粉机理研究及装置设计的开题报告
激光熔覆同轴送粉机理研究及装置设计的开题报告一、选题背景激光熔覆技术是一种高效、精度高、质量可控的先进制造技术，其应用范围涵盖航空、航天、汽车、医疗、电子等领域。
激光熔覆过程中，材料在激光热作用下快速熔化、凝固，形成高质量的涂层或零件。
然而，激光熔覆过程中对粉末进料的粗粒度和颗粒堆积状态等因素要求较高，传统的粉末喂料方式已经不能满足要求，需要研发更加先进的喂粉方式。
因此，本文选题“激光熔覆同轴送粉机理研究及装置设计”，旨在通过研究同轴送粉机理，设计一种可靠的送粉装置，以提高激光熔覆技术的粉末喂料效率和质量。
二、研究目标本文的研究目标是：1. 研究激光熔覆同轴送粉原理及机理，探究因素对喂粉效果的影响。
2. 设计一种可靠的激光熔覆同轴送粉装置，包括喷嘴、螺杆输送机、振动盘等组成部分。
3. 通过实验验证同轴送粉装置的效果，评价其喂粉效率和质量。
三、研究内容本文的研究内容包括：1. 激光熔覆同轴送粉机理研究：探究同轴喂粉方式的原理，分析材料粒径、喷嘴结构、喷嘴间距、粉末密度等因素对喂粉效果的影响。
2. 同轴送粉装置设计：设计包括喷嘴、螺杆输送机、振动盘等组成部分的同轴送粉装置。
其中，喷嘴的结构、位置、尺寸等参数需要根据机理研究的结果进行优化设计。
3. 次级送粉结构设计：为保证喂粉效果，需要设计一种次级送粉结构，以防止粉末堵塞或者过度喂粉的情况发生。
该结构应采用可调节的方式，以适应不同的工艺要求。
4. 实验验证：利用设计好的同轴送粉装置进行激光熔覆喂粉实验，对比同轴送粉和传统喂粉方式下的喂粉效率和质量，评价同轴送粉装置的优劣。
四、研究方法本文的研究采用以下方法：1. 文献综述法：对激光熔覆喂粉技术的现状和发展进行研究，了解同轴喂粉方式的原理和应用情况，为后续研究提供理论基础和实验参考。
2. 数值仿真法：采用ANSYS等数值分析软件，对同轴送粉的流场和喂粉效果进行仿真计算，分析其优缺点，并优化设计同轴喂粉装置的参数。
同轴送粉激光熔覆气泡逃逸行为及分布研究
同轴送粉激光熔覆气泡逃逸行为及分布研究徐磊;王匀;许桢英;倪旺;闫金金【期刊名称】《精密成形工程》【年(卷),期】2023(15)1【摘要】目的获取Inconel 718合金在同轴送粉激光熔覆过程中,熔池内气泡的动态行为及熔覆层中气孔缺陷的分布规律。
方法建立熔池内部气泡力学模型和方程,考虑气泡浮力、重力、气泡和熔液相对运动产生的黏滞力,以及熔液对流带来的拖曳力等力的综合作用,着重研究浮力、拖曳力对气泡逃逸行为的影响,并计算不同条件下的气泡逃逸时间;搭建“三明治”观测平台,原位观测在熔覆过程中熔池内气泡的动态行为,获取熔池寿命;进行单因素Inconel718合金同轴送粉激光熔覆实验,探究熔覆层气孔缺陷的分布规律。
结果熔池寿命通常在0.2~0.4 s;熔池内气泡直径临界值约为60μm,当熔池内气泡直径大于60μm时更容易通过自身浮力逸出,与单因素实验获得的熔覆层中96.94%的气孔缺陷直径小于60μm具有较好的一致性;对熔覆层气孔缺陷表征发现,浮力对临界直径以下气泡运动状态的影响一般小于拖曳力。
结论Inconel718合金在激光熔覆过程中,熔池内气泡大小存在临界值,且主要受浮力向上运动及受拖曳力随熔池对流运动的影响,熔覆层中气孔缺陷倾向于分布在对流路径上。
【总页数】9页(P137-145)【作者】徐磊;王匀;许桢英;倪旺;闫金金【作者单位】江苏大学机械工程学院【正文语种】中文【中图分类】TN249【相关文献】1.同轴送粉激光熔覆过程中粉光匹配影响因素及控制研究2.激光熔覆同轴送粉喷嘴的研究状况3.激光熔覆同轴送粉喷嘴研究4.激光同轴送粉熔覆工艺特性研究5.同轴送粉激光熔覆中激光透过率研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
激光光内同轴送丝熔覆工艺研究
激光光内同轴送丝熔覆工艺研究
本文研究了一种新型的激光光内同轴送丝熔覆工艺，通过实验测试，得出了该工艺的优点和适用范围。
首先介绍了传统熔覆工艺的不足，包括制备较为繁琐、成本高、熔覆质量难以控制等问题。
然后详细阐述了激光光内同轴送丝熔覆工艺的原理、特点和优势。
该工艺采用同轴光纤输送激光和喷粉，粉末在激光束下瞬间熔化，形成涂层，具有精度高、成本低、熔覆质量可控等优点。
接下来，本文对激光光内同轴送丝熔覆工艺的实验进行了详细介绍。
实验结果表明，该工艺能够满足不同行业的需求，如航空航天、汽车制造、医疗器械等。
同时，该工艺的熔覆质量稳定，可以实现高精度、高效率的熔覆加工。
最后，本文对该工艺的未来发展进行了展望，认为随着技术的不断更新，激光光内同轴送丝熔覆工艺将会在更多领域得到应用。
同时，该工艺还有一定的优化空间，可以通过进一步的实验研究来提高效率和熔覆质量。
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送粉激光熔覆中送粉速率对激光束与粉末流相互作用的影响(英文)
送粉激光熔覆中送粉速率对激光束与粉末流相互作用的影响
(英文)
黄延禄;李建国;梁工英;苏俊义
【期刊名称】《稀有金属材料与工程》
【年(卷),期】2005(34)10
【摘要】引入经典光学理论计算激光束与粉末流的相互作用,藉此研究了送粉速率对工件表面激光强度分布和不同位置颗粒温度的影响。
计算结果表明:随送粉速率的增加,激光强度以及颗粒温度的最高值都显著降低;同时,激光强度分布和不同位置颗粒温度趋于均匀。
由于对激光熔池中动力学过程的潜在影响,这些结果应在描述激光熔覆过程的数学模型中加以考虑。
【总页数】4页(P1520-1523)
【关键词】送粉激光熔覆;激光束;粉料流;相互作用
【作者】黄延禄;李建国;梁工英;苏俊义
【作者单位】上海交通大学;西安交通大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG174.445
【相关文献】
1.同轴送粉激光熔覆过程中粉光匹配影响因素及控制研究 [J], 刘喜明
2.光内送粉激光熔覆工艺参数对单层熔覆质量的影响 [J], 王明娣;左敦稳;王珉;石
世宏
3.激光熔覆中同轴送粉气体-粉末流数值模拟 [J], 董敢;刘继常;李媛媛
4.宽带激光熔覆送粉喷嘴的结构设计与粉末流场研究 [J], 陈茹; 虞钢; 何秀丽; 张越; 李少霞
5.宽带激光熔覆送粉喷嘴的结构设计与粉末流场研究 [J], 陈茹; 虞钢; 何秀丽; 张越; 李少霞
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．
ｅ ｐｅ ｉ ｅ ｔ ｌｒ ｓ ｔ ｈｏ ｔ ｅ ｗａ ｓ ｓ ｍ ｏｖ ｄ ｕ ｎｄ ｅ ｏ ａ ｅ ｉｈ ｔ ｕ ｘ ｒｍ ｎ ａ ｅ ｕｌｓ ｓ ｗ ｈ ｉ ｔｉ ｅ ｐ ａ ｌ ｎｇ ｔ ｄ ｗ ｔ ｈｅ ａ ｇｍ ｅ ｔ ｏ ａ ｒｅ ａ ｌ ｎ ｆ ｃ ｒ ｉ ｒ ｇ ｓ ｆｕｘ
第３ ３卷 第 ５期
２１ ０ ２年 ｌ Ｏ月
长 春 工 业 大 学 学 报（ 自然 科 学 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ａ ｇ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｆＴｅ ｈ ｎ ｌ ｇ （ ｔ ｒ ｌ ｃｅ ｃ ｉｉｎ） ｏ ｒ ａ ｆＣｈ ｎ ｃ ｕ ｉ ｅ ｓｔ ｏ ｃ ｏ ｏ ｏ ｙ Ｎａ ｕ ａ ｉｎ ｅ Ｅｄ ｔ ｙ Ｓ ｏ
保证 激光 束 的高能 量 密 度 ， 光 束 径 尺寸 一 般 均 激
控制 在较 小 的范 围 内变 化 。因 此 ， 同轴 送 粉 激 对 光熔 覆而 言 ， 现 良好 的粉 光 匹 配 是工 艺 实 施 的 实 关键技 术 ， 中意 在 对 影 响送 粉 激 光熔 覆 过 程 中 文
覆材 料喷 嘴特性 的影 响作 用看 作 系统 因素 ， 带 其 来 的影 响作用 相对 稳 定 ， 响与 控 制 采用 其 它 方 影
法 进行处 理 。而送 粉速率 和 载气 流量是 实施 激光 熔 覆时 的可 变 工艺 参 数 。为 了简 化 分析 过 程 ， 只 分 析熔覆 材料 粉束腰 直径 与送 粉速 率 和载气 流量 之 间的关 系 。 首先 假设 熔覆 材料粉 的 流速与 载气 的流 速相 同且 速度 不变 ， 同时 假设 熔 覆 材 料 粉 流 动时 粉 体
Ｐｏ ｄ —ａｓ ｒ ｍ ａ ｃ ｎ ｎ ｔ ｅ ｃ ａ ａｌｐ ｗ ｄ ｗ ｅｒ ｌ ｅ ｔ ｈｉｇ ｉ ｈ ｏ ｘｉ ｏ ｅｒ ｆ ｅ ｎ ｎ ａ ｅｒｃｌ ｄ ｎ ｒ ｃ ｓ ｅ ｄｉ ｇ ａ ｄ ｌ ｓ ａ ｄｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ
ＬＩ Ｘ ｉｍ ｉ Ｕ ～ ｎｇ
粉光 匹配 的 因素及 其 作 用 规 律 进行 研 究 ， 激 光 为
熔 覆 工艺 实施过 程 中相关 控制 问题 的解决 提供 理 论 和实 验依 据 。
ｌ 熔 覆 材 料 粉 束 流 的形 态 与 影 响 因素
１ １ 熔覆 材料 粉束 流的焦 点 、 ｌ＊ 束径 的定 义 ． 束ｌ ｎ ｌ 载气 流量 为 ２ ０Ｌ ｈ时 ， 同送 粉 速率 下 熔 ０ ／ 不 覆材料 粉 流束腰 直径 变化 照片 如 图 １所示 。
ｒ ｔ ． Ｔｈ ｔ ｃ ｎｉａ ｐ ｏ ｅ ｓ ｎ ｍａ ｃ ｎ ｓ ａ ｅ ａ ｅ ｅ ｏｕ ｅ ｎ ａ ｒ ｔｃ ｌ ｏｗｄｅ －ａ ｅ ａｅ ｅ ｅ ｈ ｃ ｌ ｒ ｃ ｓ ａ ｄ ｔ ｈｉ ｇ ｔ ｔ ｒ ｘｐ ｎｄ ｄ ｉ ｐ ａｃ ｉａ ｐ ｒ １ ｓ ｒ ｍａｔ ｈ ｎｇ ｃｉ
，
ｗｈ ｌ ｏ ｈ ｔ ｅ ｗａ ｓ ｉ ｍｅ ｅ ｎ ａ ｌ ｕ ａ ｇ ｆ ｃａ ｄ ｎ ｏ ｅ ｎ ｒ ａ ｅ ｗｉｈ ｔ ｅ ｐ ｗｄ ｒ ｆ ｅ ｉ ｇ ｉ ｂ ｔ ｈ ｉ ｔｄ ａ ｔ ｒ ａ ｄ ｆ ｌ ｔ ｒ ｎ ｅ ｏ ｌ ｄ ｉ ｇ ｐ ｗｄ ｒ ｉ ｃ ｅ ｓ ｔ ｈ ｏ ｅ ｅ ｄ ｎ ｅ ｏ
ｍａｔ ｒａ ｔ ｔ ｓ ａ ｄ ｔ ａ ｒｅ ｓ ｆｕ ｎｄ ｐ ｅ ｉ ｌｓ ａ ｅ ｎ ｈｅ ｃ ｒ ｉｒ ｇａ ｌ ｘ ａ ｏｗｄ ｒ ｆ ｅ ｎ ａ ｅ Ｗ ｅ ａ ａ ｙ ｅ ｔ ｆｅ ｔ ａ ｒｅ ａ ｅ ｅ ｄｉ ｇ ｒ ｔ ｎ ｌ ｚ ｈｅ ｅ ｆ ｃ ｓ ｏｆｃ ｒ ｉｒ ｇ ｓ
，
不 同 于传统 的方 法 ， 材料 逐层 积 累形 成零 部 将
件 ， 底改 变 了成 型 制 造 技术 的设 计 思 想 。控 制 彻 熔覆 材料 和基体 材料 的加 热温 度是 实现激 光熔 覆
向位 置称 为熔 覆材 料 束 流 的 焦 点 ； 焦点 上 下 熔 将
覆 材料粉 明显 聚集 的 区域 称 为熔覆 材料 粉流 的束
ｓ ｔｍ ． ｙｓ ｅ
Ｋｅｙ ｗｏ ｄ ｒ ｓ： ｌ ｓ ｒ ｂ ａ ；ｅ ｆ ｃ ｉ ｅ ｄｉ ｍ ｅ ｅ ａｅ ｅ ｍ ｆｅ ｔｖ ａ ｔ ｒ；ｗ ａ ｓ ｉ ｍ ｅ ｅ ｉ ｔｄ ａ ｔ ｒ； ｐ ｏｗｄｅ － ｓ ｒ ｍ ａ ｃ ｎｇ ｒ ａ ｅ ｔ ｈｉ
．
０ 引
送 粉激 光熔 覆 技术 是 近年来 发 展起 来 的一项
影 响 粉 光 匹 配 的 状 态 。将 熔 覆 材 料 颗 粒 大 小 和 熔
在 激光 束 中流 动 时具 有 发 散性 ， 粉速 率 和 载 气 送
流量对 这 种发散 性有 直接 的影 响 。而就激 光束 的 属性 而言 ， 一旦光 路 系统确 定 以后 ， 激光束 横截 面 的形状 、 寸变 化 规 律 就 基本 确 定 了下来 。为 了 尺
—・ ｋ √
熔 覆材 料粉 颗粒从 送 粉器 喷嘴 喷出后 至工件
表 面之 前 的颗粒 运动状 态 （ 图 １ ｂ ） 熔 覆 材 料 见 （），
粉流 在 流动过 程 中经 历 了 汇 聚与 发 散 的过 程 ， 类
腰 的特性 ， 在此 引 入 了熔 覆 材 料 粉 束 流 的束 径 和
腰 长的概 念 ， 熔 覆 材料 粉 流 束 腰 区 域 近似 为 圆 将
柱状。
现熔覆 材 料与基 体 的冶金 结合 ； 必要 条件 之 三
是实 现 良好 的熔覆 材料 粉 流 束 与 激光 束 的 匹 配 。
光束 中后 直到 落 到基 体 表 面前 ， 须保 证 熔 覆 材 必
料粉 颗粒 始终 在 激 光束 中被 加 热 ； 必要 条 件 之 二 是熔 覆材 料与 基体 表 面 同时 被 加热 ， 要 保 证 基 且 体表 面被 加热 到熔 化 或 具 有 表 面 活性 状 态 ， 以实
为 了描述 粉光 匹配方 便 和反 映熔覆 材料 粉束
．
ｆｕ ｌ ｘ，ｐ ｗｄ ｒ ｆ ｅ ｉｇ ｒ ｔ ｎ ｈ ｏ ｅ ｊｃ ｉｎ ａ ｇ ｅ ｏ ｔ ｅ ｗａｓ ｄａ ｔｒ ａ ｄ ｅ ｇ ｈ Ｔｈｅ ｏ ｅ ｅ ｄｎ ａ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｗｄ ｒ ｅｅ ｔｏ ｎ ｌ ｎ ｈ ｉｔ ｉｍｅ ｅ ｎ ｌｎ ｔ
料 表 面工 程领 域 的新技 术 。送 粉激 光熔 覆快 速成
５４ １
长 春 工 业 大 学 学 报（ 自然 科 学 版 ）
第 ３ ３卷
型技术 是采 用激 光熔 覆技 术制造 零件 的新 技术 之
一
向角 、 载气 流 速 和送 粉 速 率 等 因 素 的影 响 。 为分 析 问题方 便 ， 熔 覆 材 料粉 流 直 径 最 小 的束 流轴 将
ａ ｅ ｌ ｌ ｄ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓｕ ｄ ｒｔ ｅｆｘ ｄ ｃ ｎ ｉｉ ｎ ｒ ｎ ｅ ｔ ａ ｅ ｏ ｏ ｔ ｉ ｈ ｅ ａ ｉ ｎ ｈ Ｄ ｂ ｔ ｅ ｈ ｓ ｒ ｃａ ｄ ｎ ｒ ｃ ｓ ｎ ｅ ｈ ｉ ｅ ｏ ｄ ｔｏ ｓａ ｅ ｉ ｖ ｓ ｉ ｔ ｄ ｔ ｂ ａ ｎ ｔ ｅ ｒ ｌ ｔ ｓ ｉ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｅ ｇ ｏ
收 稿 日期 ：２ １ ５ ０ ｏ ２０ — ５ 基 金 项 目 ：吉林 省 科 技厅 重 大 攻 关 基 金 资 助 项 目 （０ ７ ３ ５ ２０００ ）
新技 术 ， 含 了激 光 技 术 、 ＡＤ技 术 、 控 技 术 、 包 Ｃ 数
新 材料 等 诸多 领 域 的 新 的材 料 加 工 方 法 ， 于材 属
Ａ —— 喷 嘴 口面 积 ， ｍｍ 若 喷 嘴 为多 个 单 （ 喷 嘴构成 ， 为总 的喷 嘴截 面积 ） Ａ 。
由此 得 出 ：
图 １ 载 气 流 量 为 ２ ｏＩ／ ｏ ｈ时 ， 同 送 粉 速 不
ｄ 一
率 下熔 覆材 料 粉 流 束 腰 直 径 变 化 照 片
√
，
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈｅ ｃ ｒ ｉ ｒ ｇ ｓ ｆｕ ｎｄ ｐｏ ｅ ｅ ｄ ｎ ａ ｅ ｄ ｉ ｇ ｔ ｎ ｔ ｏ ｘｉｌｐｏ ａ ｒｅ ａ ｌ ｘ ａ ｗｄ ｒ ｆ ｅ ｉ ｇ ｒ ｔ ｕｒｎ ｈｅ ｉ ｈｅ ｃ ａ ａ ｗｄｅ ｅ ｄ ｎｇ ａ ｒ ｆ ｅ ｉ ｎｄ
问间隙 可 忽 略 。粉 体 流 速 为 Ｑ Ａ ／
（ 粉速 率 ） ： 送 为
粉 体 流 量
Ｖ 丌 ｆ Ａ 一 ‘专 ）‘
式 中 ： ——送 粉速 率 （ 积送 粉速 率 ） ｍｍ。 ｓ 体 ， ／； Ｑ—— 载气 流量 ， ｍｍ。 ｓ ／； ｄ——一 覆材料 粉 流束腰 直径 ， 熔 ｍｍ；
验 结 果表 明， 增大 载 气流 量会使 熔 覆材 料粉 流 束腰 上 移并 拉长 ， 高送粉 速 率会 导致 熔覆 材 料 提 粉 流束 腰直 径 增大 和熔 覆材 料散 落 范 围增 大 。结合 实 际激 光 熔覆 粉 光 匹配 状 态 ， 明 了实现 阐
粉 光 匹配优 化 的工 艺过 程 。 关键 词 ：激光 束 ；有 效直 径 ；束腰 直 径 ；粉 光 匹配 中 图分类 号 ： ＴＢ ３ 文献标 志 码 ： Ａ 文 章编 号 ：１ ７ ３ （ Ｏ — ０ ～５ ３０ ６ ４ １ ７ ２ １ ）５０ １— ８ ｌ ０
１ ２ １ 熔覆材 料粉 束腰 直径 的影 响 因素分析 ．．
同轴送 粉 激光熔 覆 工 艺 实 施过 程 中 ， 覆 材 料 粉 熔
熔覆 材料 运 动 情 况 参 照 图 １ 综 合 分 析 熔 覆 ， 材料 粉束 流 的束 腰 直 径 受 送粉 速率 、 载气 流 量 的 影 响规律 ， 在此 不 考 虑熔 覆 材 料 颗 粒 的大 小 及 熔 覆材 料喷 嘴特性 等 因素 的影 响 。在 激光束 参数 确 定 的情况 下 ， 覆 材料 粉 流 束 腰 直径 的大 小 直 接 熔