宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟

为了设计一种适用于大功率的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴,采用FLUENT软件中的离散相模型,对送粉喷嘴的送粉道在不同倾角和不同出口间隙条件下的粉末汇聚特性和浓度分布特性进行了研究。分析了其它条件不变时,外层保护气流速对粉末汇聚的影响,得到了较优的结构尺寸,并利用设计研制的宽带同轴送粉喷嘴装置,进行了送粉和熔覆实验。结果表明,宽带激光同轴送粉喷嘴的焦点浓度在汇聚中心的径向和轴向都近似服从高斯分布;随着倾角的增大,出口间隙对焦距的影响也越来越大,且出口间隙越小,焦距越大;当倾角为70°; ,出口间隙为3.5mm时粉末汇聚性较好,粉末利用率较高;在其它条件不变时,外层保护气体流速过大或过小均不利于粉末汇聚,当外层保护气体流速略小于载气速率时,送粉喷嘴的粉末汇聚特性最佳。表面熔覆质量达到了预期要求,验证了该结构的合理性。所设计的宽带同轴送粉喷嘴对后续宽带激光熔覆的研究与应用具有重要意义。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研制

针对现有送粉喷嘴粉末汇聚性差、出粉口容易堵塞以及受热变形的缺点,设计了一种四孔式同轴送粉喷嘴。喷嘴中央为激光束及保护气通道,沿中心锥孔轴向均布的4个小孔,为粉末通道。建立了数值计算模型,应用FLUENT软件对粉末通道不同出口形状和不同倾角条件下粉末流场情况进行数值模拟,选择最优方案。计算结果表明,在其他工艺参数一定的前提下,采用收缩出口与粉末通道倾角为70°时有利于改善熔覆成形效果。最后利用研制的送粉喷嘴进行粉末汇聚、激光熔覆成形等实验,验证该送粉喷嘴的实验效果。     

激光宽带熔覆光内送粉喷嘴准直气罩研制

为了改善现有激光宽带熔覆送粉喷嘴中金属粉束发散、粉末利用率低的问题,设计了一种送粉喷嘴的准直气罩;为了实现在宽带激光束内部均匀地对熔池送粉,保证粉末受热均匀、粉束发散小,设计了一种流道。应用FLUENT软件对准直气罩内部流体分析,确定装置内部型腔和出口尺寸,以减少出口处的紊流,达到较佳的准直效果。最后利用研制的送粉装置进行送粉试验,验证了该准直气装置的实验效果。结果表明,准直气帘的宽度为粉束宽度的1.5倍时,准直效果较好。     

激光加工同轴送粉喷嘴两相流流场的数值模拟

激光金属沉积成形过程中,送粉喷嘴结构参数一定时,载气式同轴送粉喷嘴的粉末流场主要受送粉参数影响如载气速度、送粉量。为了进一步改善现有送粉喷嘴的汇聚性和提高粉末利用率,基于固气两相流数值计算模型,应用FLUENT软件模拟两种因素对同轴送粉喷嘴粉末流场的影响。结果表明:载气流速过小则会导致粉末流汇聚焦点浓度较低;载气速度过大则焦点形状不规则,降低成形表面质量;载气流速过小或者过大都会导致粉末利用率降低。送粉量主要影响粉末流焦点中心的汇聚浓度和粉末流速度以及速度波动。数值计算结果对同轴送粉喷嘴设计和优化激光加工工艺参数具有一定的参考价值。     

载气式同轴送粉喷嘴的数值模拟及实验研究

为了提高同轴送粉喷嘴的汇聚性,增大粉末汇聚焦距,解决成形过程中粉末利用率低及粉末反弹造成的喷嘴堵粉等问题,研究了同轴送粉喷嘴结构参数中的粉腔间隙和粉腔锥角对粉末汇聚的影响规律。计算结果表明,在其他工艺参数一定的条件下,粉腔间隙越小,粉末的汇聚性越好;粉腔锥角越大,粉末的汇聚焦距越大,有利于零件的成形。所建模型和模拟结果对同轴送粉喷嘴的结构优化设计具有参考价值。并对模拟结果进行了实验验证,得到了工艺参数对单道高度和宽度的影响,并优化了工艺参数,最终制造出高度均匀的薄壁零件。     

基于光内送粉技术的激光加工机器人曲面熔覆试验研究

现有激光表面熔覆技术大多只能在水平或小角度倾斜基面上进行,基于"光束中空、光内送粉"技术,解决了喷头空间倾斜送粉过程中粉束汇聚性差的难题,通过控制激光机器人夹持送粉喷头做大角度连续变姿态运动,喷头轴线方向始终与曲面法向重合,实现了在大角度倾斜曲面上激光熔覆均匀涂层。分析了曲面熔池受力情况、不同倾角曲面熔池形状以及扫描路径对熔道成形的影响,通过控制准直气速度使熔道宽度保持稳定,并对不同倾角处曲面熔覆形貌及组织性能进行了详细分析。结果表明,各倾角处曲面熔覆层厚度均匀,截面组织致密,无明显裂纹和气孔,曲面熔覆层与基体结合良好。为实现金属零部件复杂空间曲面修复提供了新方法。     

高汇聚温度显示激光快速制造同轴送粉喷嘴的研制

高汇聚同轴送粉喷嘴是激光快速制造的核心装置之一 ,同轴送粉喷嘴最基本的功能应该包括通光与粉末的均匀汇聚 ,粉末汇聚程度越高 ,则粉末利用率越高、制造精度越高。本文通过优化喷嘴结构设计 ,使喷嘴的汇聚率大大提高 ,所得到的熔覆道宽度可达到 1mm以内 ,通过加入导向气流 ,进一步提高了粉末的汇聚率 ,同时又对熔池进行保护 ,为提高激光直接制造的精度提供了可能性 ;喷嘴核心结构均通水冷却 ,使喷嘴在工作过程中始终保持较低温度 ,延长了使用寿命又保持了熔覆过程的稳定性 ;喷嘴上加装了温度传感器 ,随时监测喷嘴温度 ,一旦温度超过设定值 ,便给出报警信号 ;根据熔覆过程中对熔覆道宽窄要求的不同 ,喷嘴结构上设计了调节光斑大小的功能 ;为了确保激光束能从喷嘴的正中出来 ,使光束与粉末流完全同轴 ,喷嘴结构上设计了调节机构。利用此喷嘴进行激光熔覆 ,获得了较为满意的效果。     

激光熔覆快速成形技术送粉喷嘴的研制

本文针对激光熔覆快速成形技术对送粉喷嘴的要求,分析了已有用于激光熔覆和激光熔覆快速成形技术送粉喷嘴存在的问题,研制了一种在以激光束为中心轴的圆周方向均匀对称分布四个具有同轴汇聚气的双层送粉管的送粉喷嘴.实验研究表明,此送粉喷嘴可以满足激光熔覆快速成形技术对送粉喷嘴的要求.     

激光制造中同轴粉末流场分析与检测

激光同轴送粉头喷出的粉末汇聚和分布特性直接影响激光制造的质量和精度。研究了同轴送粉时粉末分布规律和汇聚情况,提出了同轴送粉式粉末分布理论模型,开发了一种粉末流场检测系统,对喷嘴喷出的粉末汇聚情况和分布形貌进行了实时检测,结果表明,计算结果与实验测量结果比较吻合。通过系统观察和分析粉末流的汇聚和分布的实时变动行为,有利于更好地优化设计送粉头和控制激光制造过程。     

激光熔覆孔式同轴送粉系统设计及实验研究

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,没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末的材料合成。所开发的送粉系统适用于材料表面改性和熔覆3维制造。     

基于图像的激光熔覆粉末粒子运动行为分析

为研究送粉参量(送粉量和送粉气流量)变化对激光熔覆过程同轴载气粉末粒子运动行为的影响,建立了数字粒子图像测速试验装置,开发了图像处理软件,得到了不同送粉参量精确的速度场云图以及z轴方向(垂直方向)浓度分布情况。结果表明,在送粉量一定的情况下,随送粉气流量的增加,粉末粒子的初始速度呈线性增大,并使z轴方向速度的增加值加大,而对粉末流浓度影响较小。在气流量一定的情况下,送粉量与粒子速度在一定范围内有一定比例关系,超出送粉量0.33g/s～0.83g/s范围,其影响将减弱。由于粉嘴结构的原因,沿出粉方向存在粉末发散汇聚再发散的变化。汇聚的实现与气体流量关系较大。     

工艺参量对同轴送粉喷嘴气体保护效果的影响

为了解决激光直接制造金属零件中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,采用烟雾流动显示技术对喷嘴保护气体流场进行了研究。系统研究了喷嘴保护气流速率、喷嘴出口距零件表面距离、喷嘴移动速率和侧风速率对气体保护效果的影响。结果表明,随着喷嘴保护气流速率的增加,保护范围先增加后减小;随着侧风速率和喷嘴移动速率的增大,气流轴线偏离喷嘴轴线距离增大;当侧风速率超过喷嘴气流速率50%,距喷嘴出口10mm处,气流完全偏离喷嘴轴线,完全失去对金属熔池的保护。这一结果为选择合适的喷嘴气流参量提供了依据。     

激光同轴送粉喷嘴射流场研究

激光同轴送粉喷嘴是激光直接制造系统中核心部件之一,喷嘴的保护气体流场对金属粉末的流动和零件材料的性能影响较大.研究应用粒子图像测速(PIV)技术测量激光同轴送粉喷嘴轴截面保护气体的流场,并对此进行了相应的计算与分析.结果表明,喷嘴三个喷口之间的壁厚对喷嘴附近的流场影响较大,促使喷嘴喷口处产生两对对称旋涡,不利于粉末的输送和聚焦.喷嘴的三个喷口的喷出气流速度一致时,速度界面的湍流扩散和动量交换较小,将产生一个有利于输送金属粉末的稳定流场.     

激光熔覆中粉嘴流场的数值模拟

建立了激光熔覆中由粉嘴输出的保护气体-金属粉末两相流场计算模型,应用FLUENT软件进行计算。该模型中考虑了两相流中动量和质量的传输。分析了金属粉末流场的水平方向和中心线上的速度分布规律,以及粉嘴内外粉末流的速度矢量分布规律。计算结果表明,中心线处粉末流速度分布先呈现微小的增大减小过程,而后单调递增,大约从粉嘴下方100 mm后呈线性递增;速度水平分布先在中心线附近达到最大而后在径向距离6~11 mm区间内线性递减至零。在相同的工艺参数下,应用数字粒子图像测速(DPIV)技术对同一流场进行检测,计算值和测量值吻合较好。结果表明,所建立的保护气体-金属粉末流速度场模型是可靠的,该模型对掌握流场参数分布和进一步指导粉嘴尺寸设计有一定的参考作用。     

激光光内送粉仰面熔覆工艺研究及优化

利用激光光内送粉熔覆技术,在与水平方向成大于90的仰面基体下表面进行了单道熔覆实验研究。分析了仰角、保护气压力与光粉耦合处粉束直径之间的关系;研究了仰面姿态下熔覆层的宽度、高度以及熔池的流淌下垂趋势受激光功率、扫描速度的影响规律。研究发现,光粉耦合处粉束直径随仰角的增大而变大,随保护气压力的增大而减小。基体仰面与水平姿态下,工艺参数对熔覆层的宽度、高度的影响规律保持了较好的一致性;熔池在重力作用下,激光功率、扫描速度以及仰角的变化对熔覆层高度的影响更加显著;熔道顶点的偏移随激光功率的减小、扫描速度的增大和仰角的增大而逐渐增小。保持送粉量和离焦量不变,利用优化后的激光功率、扫描速度,以及保护气压力,获得了最大仰角达150、且具有较好尺寸精度和组织性能的激光熔覆立体成形件。     

激光直接金属沉积316L不锈钢表面粘粉工艺研究

为了探究激光直接金属沉积316L不锈钢的表面粉末粘附工艺规律, 利用高速摄像机分析粉末粘附类型, 采用单因素试验的方法, 定量研究了单道多层沉积中的送粉速率、送粉气流量和线能量密度对粉末粘附的影响规律。结果表明, 粉末粘附主要包括熔池熔液逸出和未熔粉末粘附两种类型; 随着送粉速率的增加和送粉气流量的减小, 薄壁件侧表面粉末粘附程度增加, 而粉末粘附程度则对激光线能量密度的变化不敏感; 激光功率700W、扫描速率700mm/min、送粉量13.54g/min、送粉气流量14L/min、离焦量+22mm时, 激光直接金属沉积薄壁件表面粉末粘附较少。研究结果能够成为改善316L不锈钢增材制件表面质量的重要依据。