激光寬帶熔覆光內(nèi)送粉噴嘴準(zhǔn)直氣罩研制

雷定中，石世宏，傅戈雁

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州215021)

引 言

激光寬帶熔覆廣泛應(yīng)用于一些大型工件材料表面強(qiáng)化、修復(fù)和改性［1-3］，利用寬帶激光掃描一次掃過的面積大，能夠大大提高熔覆效率，并由于減少了搭接次數(shù)而提高了熔覆層質(zhì)量［4-5］。

在激光寬帶熔覆中，能否盡可能多地將熔覆粉末送人激光熔池，是激光熔覆中直接影響粉末利用率的重要因素;粉束離開送粉噴嘴進(jìn)入大氣后會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的發(fā)散，在準(zhǔn)直氣簾的束縛作用下，粉束才能準(zhǔn)、直的送人激光熔池中［6-8］。

為了實(shí)現(xiàn)對寬帶激光熔池內(nèi)部高效送粉，保證粉末較高的利用率，本文中研究設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)直氣罩;借助于FLUENT軟件研究了準(zhǔn)直氣簾的寬度對送粉效果的影響，對準(zhǔn)直氣罩進(jìn)行了不同尺寸參量的數(shù)值模擬，選出較優(yōu)方案，最終通過送粉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了準(zhǔn)直氣罩的壓粉效果［9-16］。

1 送粉噴嘴準(zhǔn)直氣罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1a為光外送粉激光寬帶熔覆原理圖，激光束為實(shí)心寬帶光束，送粉裝置位于光束側(cè)面為熔池送粉。圖1b為光內(nèi)送粉激光寬帶熔覆原理圖，激光束為中空光束，送粉裝置位于光束內(nèi)部為熔池送粉。

Fig.1 Schematic of broadband laser cladding

Fig.2 Picture of powder feeding nozzle

圖2為自主研制的光內(nèi)送粉激光寬帶熔覆噴頭的送粉噴嘴照片，該送粉噴嘴主要用于實(shí)現(xiàn)對寬度為13mm的寬帶熔覆熔池內(nèi)部送粉。采用GTV Impex GmbH公司的GTV PF3/3型送粉器，采用高純度的氮?dú)庾鳛檩d氣，粉末材質(zhì)選用鐵基合金粉末(Fe310)，粒度為－100目～+200目(74μm～149μm);送粉量為4.0r/min，載氣壓力為0.3MPa，載氣流量為3.0L/min，送粉噴嘴粉末出口處尺寸為1mm×10mm，送粉器壁厚0.5mm，送粉結(jié)果如圖3所示。從圖3a側(cè)面圖可以看出，粉束發(fā)散比較嚴(yán)重，需要準(zhǔn)直氣進(jìn)行準(zhǔn)直;從圖3b正面圖可以看出，粉束的寬度達(dá)到了13mm的送粉寬度要求。

Fig.3 Picture of powder feeding experiment

針對上述實(shí)驗(yàn)中粉束在側(cè)面發(fā)散的問題，設(shè)計(jì)了準(zhǔn)直氣罩裝置(見圖4a)。為了更好地實(shí)現(xiàn)對粉束側(cè)面的準(zhǔn)直，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直氣罩裝置的準(zhǔn)直氣入口分布于送粉器的兩側(cè)，準(zhǔn)直氣罩的中段采用收縮結(jié)構(gòu)，出氣端采用直線型結(jié)構(gòu)。出口結(jié)構(gòu)、尺寸如圖4b所示。本文中借助于FLUENT軟件研究準(zhǔn)直氣簾寬度對準(zhǔn)直氣罩準(zhǔn)直效果的影響。

Fig.4 Schematic of a collimation hood

1.1 連續(xù)相湍流控制方程

載氣粉末在粉管內(nèi)的流動(dòng)物理模型為氣固兩相流動(dòng)，本文中采用FLUNET軟件中的離散模型進(jìn)行研究，采用k-ε模型進(jìn)行求解，其中連續(xù)相為輸送氣，滿足以下方程。

式中，ρg是氣體的密度;vg是氣體的速率;p是氣相微元體上的壓力;g為重力加速度;μ是立相的動(dòng)態(tài)黏度。

1.2 顆粒相軌跡方程

在FLUNET軟件中，粉末顆粒的作用力滿足以下平衡方程:

式中，ρp是粉末密度;vp是粉末速度大小;FD(vg－vp)是單位質(zhì)量粉末顆粒的牽引力;Fi是由流體壓力梯度在i方向引起的力;gi是重力加速度在i方向的分量。

2 寬帶送粉準(zhǔn)直氣罩流場分析

2.1 送粉器與準(zhǔn)直氣罩內(nèi)部流場模型建立與網(wǎng)格劃分

采用ProENGINEER軟件建立送粉管道的3維流場模型，在粉管出口處建立一個(gè)矩形的大氣流場區(qū)域，由于送粉噴嘴的出口處尺寸為2mm×11mm，初步設(shè)定準(zhǔn)直氣簾的寬度為粉束寬度的1倍，所以準(zhǔn)直氣罩模型出口的尺寸參量設(shè)定為L1=4mm，L2=13mm，見圖5a。其次，將所建立的流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖5b。

Fig.5 Flow field model and meshing

2.2 模擬結(jié)果分析

準(zhǔn)直氣罩模型出口尺寸參量為L1=4mm，L2=13mm，計(jì)算參量設(shè)定為:載氣壓力p1=0.3MPa，載氣量Q1=4L/min，送粉量 5g/min，平均粒徑為d=75μm，準(zhǔn)直氣管入口直徑為?4mm，載氣量Q2=9L/min，準(zhǔn)直氣壓力p2=0.214MPa，計(jì)算結(jié)果見圖6。

從圖6a可以看出，準(zhǔn)直氣罩出口處的速度方向比較雜亂，準(zhǔn)直氣流的準(zhǔn)直效果只保留留了很短的一段距離，隨著準(zhǔn)直氣流能量的耗散，準(zhǔn)直氣流的速度方向變得比較雜亂，準(zhǔn)直氣流中間的送粉噴嘴流體速度方向隨之變得紊亂，無法起到準(zhǔn)直效果。

Fig.6 Calculation result of FLUENT when L1=4mm，L2=13mm，Q1=4L/min

從圖6b分析可知，湍流主要發(fā)生在突縮和出口處，送粉管路內(nèi)部的湍流相對要小很多，由于準(zhǔn)直氣管出口尺寸相對于準(zhǔn)直氣流而言過窄，導(dǎo)致流體所受的正壓力和速度方向產(chǎn)生強(qiáng)烈的變化，從而形成回流，輸送粉末的氣體和周圍相對低速的載氣形成剪切運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生漩渦。當(dāng)準(zhǔn)直氣流的流速保持不變時(shí)，準(zhǔn)直氣罩出口的尺寸變大，這種產(chǎn)生湍流的現(xiàn)象會(huì)減小并最終消失。

根據(jù)上述流體理論，為了保證準(zhǔn)直罩出口處的氣體流速不變，只考慮準(zhǔn)直罩出口尺寸改變對準(zhǔn)直效果的影響，設(shè)定準(zhǔn)直氣簾寬度為粉束寬度的1.5倍和2倍，計(jì)算得出另外兩組FLUENT計(jì)算參量，如表1所示。

Table 1 Parameter table of powder feeding by FLUENT analysis

對比圖6a、圖7a、圖8a 3組計(jì)算參量下，準(zhǔn)直氣罩出口處的氣流速度基本一致，這驗(yàn)證了計(jì)算參量的準(zhǔn)確性;對比圖6b、圖7b、圖8b，隨著準(zhǔn)直氣罩出口尺寸的增大，出口處的湍流越來越弱，氣流變得穩(wěn)定。

Fig.7 Calculation result of FLUENT when L1=5mm，L2=13mm，Q1=4L/min

Fig.8 Calculation result of FLUENT when L1=6mm，L2=13mm，Q1=4L/min

對比圖6a、圖7a、圖8a 3組計(jì)算參量下，當(dāng)準(zhǔn)直氣簾寬度為粉束寬度的1.5倍時(shí)，準(zhǔn)直氣流最為穩(wěn)定。當(dāng)準(zhǔn)直氣簾寬度為粉束寬度的1倍時(shí)，一方面在較強(qiáng)湍流的作用下，準(zhǔn)直氣流方向發(fā)生較大改變;另一方面，由于準(zhǔn)直氣簾的厚度較薄，在空氣和粉束的作用下，能量消耗過快。當(dāng)準(zhǔn)直氣簾寬度為粉束寬度的2倍時(shí)，雖然準(zhǔn)直氣罩出口處的湍流最小，但是在氣流速度一定的情況下，較厚的氣簾會(huì)受到更大的正面空氣阻力，導(dǎo)致準(zhǔn)直效果不佳。

對比圖7、圖9、圖10 3組計(jì)算參量下，當(dāng)準(zhǔn)直氣簾寬度為粉束寬度的1.5倍時(shí)，送粉參量發(fā)生變化后，準(zhǔn)直氣簾的準(zhǔn)直效果基本保持一直，隨著送粉量的增加，準(zhǔn)直效果有所降低，但仍滿足送粉要求。

Fig.9 Calculation result of FLUENT when L1=5mm，L2=13mm，Q1=6L/min

Fig.10 Calculation result of FLUENT when L1=5mm，L2=13mm，Q1=8L/min

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 送粉噴嘴研制

根據(jù)上述的模擬分析，采用L1=5mm，L2=13mm的尺寸設(shè)計(jì)制造準(zhǔn)直氣罩，采用3-D打印快速成型技術(shù)制造送粉噴嘴裝置流道和準(zhǔn)直氣罩裝置，圖11為安裝有準(zhǔn)直氣罩的送粉器噴嘴實(shí)物照片。

Fig.11 A collimation hood of powder feeding nozzle

3.2 送粉實(shí)驗(yàn)

將送粉噴嘴的粉末入口粉管與送粉器相連，本實(shí)驗(yàn)中采用的是GTV Impex GmbH公司的GTV PF3/3型送粉器，采用高純度的氮?dú)庾鳛檩d氣，粉末材質(zhì)選用鐵基合金粉末(KF310)，粒度為－100目～+200目(74μm ～ 149μm);送粉量為 4.0r/min，載氣壓力為0.3MPa，載氣流量為 4.0L/min，準(zhǔn)直氣載氣量Q2=12.9L/min，準(zhǔn)直氣壓力p2=0.307MPa，粉束在空中形態(tài)如圖12所示。

Fig.12 Picture of collimation hood powder feeding experiment

從圖12中可以看出，在距離送粉噴嘴出口20mm的加工面處，送粉噴嘴所送出的有效粉斑寬帶約為14mm，基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)想要達(dá)到的13mm的尺寸要求;粉斑兩邊的粉束發(fā)散比較小，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

(1)用設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直氣罩，根據(jù)流固耦合理論，采用FLUENT仿真分析方法，得到了用于激光寬帶熔覆光內(nèi)送粉的新型準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)。(2)經(jīng)數(shù)值分析可知，當(dāng)送粉噴嘴尺寸為2mm×11mm，準(zhǔn)直氣簾的寬度為粉束寬度的1.5倍，即準(zhǔn)直氣罩出口尺寸為L1=5mm，L2=13mm時(shí)，空中粉束較為穩(wěn)定，具有較好的準(zhǔn)直性。(3)當(dāng)送粉參量不同時(shí)，保證準(zhǔn)直氣罩出口處氣簾寬度為粉束寬度的1.5倍時(shí)，其準(zhǔn)直效果基本保持一致，這就保證了不同送粉條件下的粉束準(zhǔn)直要求。(4)采用較佳管路尺寸設(shè)計(jì)制造的準(zhǔn)直氣罩，在出粉口下端20mm處的粉末分布最為理想，粉斑寬度達(dá)到14mm，粉末在長度和寬度方向的匯聚性俱佳，較好地滿足了寬帶送粉要求。

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