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。     

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。     

激光三维直接制造和再制造新型同轴送粉喷嘴的研究

对激光直接制造和再制造技术的关键部件之一即送粉喷嘴进行研究,侧向送粉喷嘴具有方向性,不适于3D熔覆,而同轴送粉喷嘴尤其是新型同轴送粉喷嘴的研制,可真正实现三维激光直接制造和再制造,应用于复杂零件的直接制造和大型设备的再制造;通过试验研究分析了影响同轴送粉喷嘴粉末流形貌和粉末流参数的因素.     

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.     

光内送粉喷头空间变姿态粉气流场数值模拟

光内送粉喷头是一种新型的激光熔覆同轴送粉喷头,具有空心光束、单根粉束指向性好、无干涉、光粉气一体同轴等优势。为了分析喷头倾斜角度和外层准直气流速对粉束汇聚特性的影响,采用FLUENT软件进行模拟计算,对喷头在空间变姿态作业过程中单喷嘴出口粉束的汇聚特性进行了理论分析和实验验证。结果表明,喷嘴出口粉末质量浓度分布沿x方向服从高斯分布,对称轴上沿-y方向质量浓度先基本保持恒定,后逐渐下降为0kg/m3;随喷头倾斜角度的增大,粉末汇聚长度h不断减小,h变化范围为11mm~17mm,偏移量Δx大致呈增大趋势,Δx变化范围为0.0mm~0.4mm;随外层准直气速度增加,汇聚长度h呈轻微上升趋势,h上升幅度为1mm~2mm,而偏移量Δx在不同倾斜角度范围内呈现出不同变化趋势,Δx变化幅度为0.05mm~0.15mm;实验数据与模拟结果变化趋势基本吻合。所建模型和模拟结果对于选择和优化实验工艺参量具有参考价值。     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研究

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。随着激光熔覆技术的发展,国内外对送粉喷嘴进行了深入研究,研制出了多种新型送粉喷嘴,都有效地提高了熔覆效果和粉末的利用率。简要概括了国内外对于同轴送粉喷嘴的研究进展以及送粉原理,分析了现有同轴送粉喷嘴现状,指出了现有送粉喷嘴存在的不足,提出加强送粉喷嘴的设计是加速送粉激光熔覆发展的关键问题之一,并对同轴送粉喷嘴的前景进行了展望。     

粉末分布对激光近净成形Al_2O_3陶瓷薄壁件表面形貌的影响

采用同轴送粉激光近净成形系统,研究同轴送粉粉末分布特征,开展氧化铝(Al2O3)陶瓷薄壁件成形实验,结合粉末分布密度函数分析光斑直径和激光功率对激光近净成形Al2O3陶瓷薄壁件表面形貌的影响。结果表明,同轴送粉粉末成双重高斯分布,激光光斑大小影响光束直接辐照粉末量,进而影响薄壁件表面形貌,光斑大小与光束直接辐照粉末量成高斯积分函数;增大激光功率可减弱高斯分布粉末对激光能量分布的影响,有利于获得较好的表面形貌,但激光功率过大会导致薄壁件表面形貌变差;采用合理的工艺参数成形的Al2O3陶瓷件相对密度可达99.72%。     

激光熔覆工艺参数对金属成形效率和形状的影响

针对激光熔覆再制造装备零件的快速高效熔覆成形及其控形问题,采用1kW全固态激光器和铁基合金粉末进行了不同激光线能量和送粉量下单道熔覆对比实验,研究了激光功率、激光扫描速度和送粉量等主要工艺参数对熔覆线形状尺寸和金属成形效率的影响.结果表明:熔覆线的宽度是光斑直径、激光功率、激光扫描速度和送粉量的函数,随激光功率增加和激光扫描速度降低,熔宽增加;随送粉量增加熔高增大.成形效率随工艺参数变化具有复杂的变化趋势,随激光线能量增加和送粉量增加,成形效率一般增高.在合适的参数范围内,需要对工艺参数进行优化以获得较高的成形效率.     

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。     

保护箱中激光沉积的粉末流、熔池观测与分析

通过CCD摄像机对保护箱中的同轴送Nb,Ti,Al混合金属粉的喷嘴出口的粉末汇聚情况和沉积过程的熔池形貌进行了实时观察与分析。根据微粒光散射理论对CCD拍摄的粉末流图像进行分析,得出了不同位置处粉末流的分布模型,并结合实验获取了用于激光沉积的同轴送粉喷嘴到沉积表面的适用距离区间。通过图像处理程序对熔池形貌进行提取,分析了工艺参量对熔池形貌的影响;对多层沉积过程中沉积层的熔池形貌特征、熔池波动现象等进行了较详细的分析探讨。通过系统的观测与分析,深入理解粉末流的汇聚与熔池的实时变动行为,有利于更好地控制激光沉积过程。     

非载气式激光同轴送粉试验研究

研制了一种非载气式激光同轴送粉系统，粉末流能汇聚输出，其焦点尺寸为φ1．5mm，焦距fp15～35mm连续可调。在二维平面上熔敷消除了方向性影响，多层激光熔敷组织、成分及硬度分布均匀。与载气式同轴送粉相比，具有较高的粉末利用率(60％-80％)及较高的工业应用价值。     

混合元素法激光立体成形过程粉末输送性研究

混合元素法激光立体成形(LSF)过程中元素粉末的输送性对沉积试样的化学成分有重要影响,为实现混合元素法激光立体成形过程中各元素粉末的输送一致性,进而保证沉积试样的化学成分与目标成分一致,对混合元素法激光立体成形过程中的粉末输送性展开研究.结合喷嘴管道内外气-粉两相流分析,建立粉末颗粒在喷嘴管道内外的运动微分方程,揭示元素粉末特性对粉末输送性的影响规律.结果表明,送粉工艺一定的条件下,元素粉末的出口速度和加速度均随粉末密度和粒度的减小而增大.各元素粉末的输送一致性条件为在送粉工艺一定的情况下,各元素粉末流具有相同的出口速度.基于以上的粉末输送一致性条件,获得混合元素法激光立体成形过程中各元素粉末特性的匹配关系,进而保证了激光直接沉积试样的成分与预混合元素粉末成分的一致.     

同轴送粉喷嘴粉末汇聚特性三维数值模拟

在激光金属直接制造过程中,实际的粉末汇聚不是自由射流,而是受阻射流.为了获得受阻射流工艺参数对粉末汇聚特性的影响规律,提高激光直接制造精度,应用FLUENT软件中的离散相模型模拟了工艺参数对粉末汇聚浓度分布的影响.结果表明:在自由射流时,粉末汇聚浓度随着送粉量的增加而增大,随着载气速度的增大而明显降低,保护气速度的增大...     

同轴送粉和压片预置激光熔覆NiCoCrAlY涂层工艺比较

采用同轴送粉与压片预置激光熔覆工艺制备NiCoCrAlY涂层, 对两种激光熔覆工艺粉末利用率、涂层稀释率、熔覆层硬度及熔覆层微观组织形貌进行了比较。结果表明, 在涂层界面能形成良好冶金结合的优选工艺参数条件下, 同轴送粉激光熔覆粉末利用率和加工参数密切相关, 最高不超过0.4, 而压片预置激光熔覆粉末利用率高于0.9; 同轴送粉激光熔覆制备涂层熔合区为垂直于界面的柱状晶, 上部为均匀的等轴晶, 压片预置激光熔覆涂层的枝状晶贯穿整个涂层; 但是压片预制熔覆涂层的硬度略低于同轴送粉熔覆涂层。     

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.     

激光机器人光内送粉异形实体成形研究

为了利用激光熔覆直接成形技术得到异形变截面圆环链轮轮齿模拟件,采用光内送粉技术、利用库卡机器人进行运动控制。根据优化的工艺参量,采用高度额外增量法、长度额外增量法规划扫描路径,精准地控制每层提升量。实验前对基板进行预热,并对成形零件进行检测分析。解决了异形件堆积最容易出现的边缘塌陷问题。在保证变截面结构尺寸各处充分的基础上,较好地控制了加工余量。避免了熔覆层的开裂和剥落,在42CrMoV基板上成功堆积出异形轮齿模拟件。结果表明,光内送粉粉末利用率达60%以上;成形轮齿表面光滑无粘粉,各尺寸误差均在合理范围之内;轮齿与基板冶金结合良好,组织均匀致密,各处硬度均匀。     

Inconel 625激光直接金属沉积成形参数无量纲化及其对单道几何形貌的影响

为了对激光直接金属沉积成形技术中不同参数进行规范,对Inconel 625球形合金粉末进行了激光直接金属沉积成形试验,对成形参数进行了无量纲化,得到了以接触角为几何形貌评价参数的加工图,并对工艺参数与单道沉积层几何形貌间的关系进行了分析讨论。结果表明,特征能量比为0.5~0.7时,粉末完全熔化且不造成能量剩余,沉积层呈现平滑的椭圆形;送粉速率是控制沉积层高度的首要因素,当送粉速率恒定时,激光功率对熔池深度影响较大。