激光寬帶熔覆光內(nèi)送粉噴嘴研制

雷定中　石世宏　傅戈雁

蘇州大學(xué),蘇州,215021

激光寬帶熔覆光內(nèi)送粉噴嘴研制

雷定中石世宏傅戈雁

蘇州大學(xué),蘇州,215021

針對現(xiàn)有光外送粉寬帶熔覆中金屬粉末受熱不均勻、光粉同軸耦合精度不高的問題，設(shè)計了一種光內(nèi)送粉激光熔覆噴頭。送粉裝置位于激光熔覆噴頭內(nèi)部,四周被激光束包裹。為了實現(xiàn)在寬帶激光束內(nèi)部均勻地對熔池送粉,保證粉末受熱均勻,粉末速度方向始終垂直于熔池,設(shè)計了一種分粉流道;應(yīng)用FLUENT軟件對粉束發(fā)散情況進行了數(shù)值分析,確定了出口粉管的間距尺寸;應(yīng)用FLUENT軟件對粉管內(nèi)部流場進行分析,確定了裝置內(nèi)部分粉管路的尺寸,減少了出口處的紊流,達到了較佳的送粉效果。最后利用所研制的送粉裝置進行了送粉實驗,驗證了其效果。

激光寬帶熔覆;光內(nèi)送粉;送粉裝置;數(shù)值模擬

0　引言

激光熔覆技術(shù)被廣泛用于材料表面的強化、修復(fù)和改性[1-3]。對于一些大型工件,如大型軸類零件表面、大面積平面激光熔覆等場合，利用寬帶激光進行熔覆,能夠大大提高熔覆效率,同時由于減少了搭接次數(shù)而使得熔覆層質(zhì)量也得到提高[4-5]?，F(xiàn)有激光寬帶熔覆方法為:實心寬帶激光束照射到待加工表面形成熔池,同步從光束的一側(cè)或者兩側(cè)將同樣為狹長形的粉束送進熔池[6]。本文提出了一種光內(nèi)送粉激光寬帶熔覆方法,實現(xiàn)了在中空的寬帶激光束內(nèi)部進行送粉熔覆。光內(nèi)送粉技術(shù)是激光熔覆成形中較為先進的粉末供給方式,送粉裝置位于激光熔覆噴頭內(nèi)部，四周被激光束包裹,由噴頭向激光熔池內(nèi)部噴送金屬熔覆粉末[7-8]。

為了實現(xiàn)在寬帶激光束內(nèi)部均勻地對熔池送粉,保證粉末受熱均勻、粉末速度方向始終垂直于熔池表面,光和粉對稱耦合以消除離焦量對光粉耦合精度的影響,本文研究設(shè)計了一種分粉流道，借助于FLUENT軟件研究了分粉流道的形狀和尺寸對送粉效果的影響,對送粉機構(gòu)進行了不同尺寸參數(shù)的數(shù)值模擬，選出了較優(yōu)方案，最終通過送粉實驗驗證了送粉機構(gòu)的合理性[9-16]。

1　光內(nèi)寬帶送粉結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1a為光外送粉激光寬帶熔覆原理圖，激光束為實心寬帶光束，送粉裝置位于光束兩側(cè)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。

(a)光外寬帶送粉熔覆原理(b)光內(nèi)寬帶送粉熔覆原理圖1　激光寬帶熔覆示意圖

圖2為自主研發(fā)設(shè)計的光內(nèi)同軸送粉激光寬帶熔覆噴頭示意圖，根據(jù)該光內(nèi)送粉激光寬帶熔覆噴頭所形成的匯聚光斑長度(L=13 mm),設(shè)計光內(nèi)送粉裝置。從圖2可以看出,由于送粉噴嘴位于激光光束的內(nèi)部，其形狀尺寸受到光束限制。根據(jù)設(shè)計的聚焦光路，送粉噴嘴的長度小于30 mm,寬度小于15 mm,厚度小于10 mm。由于單根粉管的窄槽送粉裝置送出的粉末不均勻，粉斑濃度呈高斯分布，故而擬采用并列多根送粉管道的送粉方式。

圖2　光內(nèi)同軸送粉噴頭示意圖

1.1連續(xù)相湍流控制方程

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

質(zhì)量守恒方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

式中,ρg為氣體的密度;vg為氣體的速度；p為氣相微元體上的壓力；g為重力加速度。

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:

(3)

(4)

(5)

式中,ρp為粉末密度;vp為粉末速度;FD(vg-vp)為單位質(zhì)量粉末顆粒的牽引力,D為流體計算控制域;gi為重力加速度在i方向上的分量;dp為顆粒直徑;CD為牽引系數(shù);μ為氣相的動態(tài)黏度；Re為相對雷諾數(shù);Fi為由流體壓力梯度引起的在i方向上的力。

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

根據(jù)激光熔覆實驗對粉束的要求,內(nèi)徑為1 mm的單根送粉粉管在載氣壓力p為0.075 MPa、送粉量為1.25 g/min、載氣量qV為0.75 L/min、平均粒徑d為75 μm的計算條件下進行FLUNET數(shù)值分析所得結(jié)果如圖3所示。通過測量可知，距離送粉噴嘴出粉口20 mm處，粉束的發(fā)散角度約為4.9°,故而擬采用四根粉管并列送粉(圖4a),將粉束的發(fā)散角度按5°計算，可知四根粉管的間距為3 mm。單根粉管送粉，粉末呈高斯分布,但是由于粉束的發(fā)散,在兩根粉管之間的區(qū)域有重疊，重疊區(qū)域的粉末進行累積，可實現(xiàn)相鄰兩粉斑相互補償,得到均勻分布的粉斑(圖4b)。

圖3　單根粉管送粉FLUENT分析

(a)四粉管并列送粉(b)粉斑相互補償示意圖圖4　送粉管設(shè)計原理圖

采用同樣的計算條件，對四根粉管并列送粉進行了FLUENT數(shù)值模擬分析,結(jié)果如圖5所示。粉束的發(fā)散角度約為4.2°(圖5a),離粉管出粉口20 mm處的粉斑尺寸約為12.5 mm×2.9 mm(圖5b),達到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

(a)四粉管并列送粉

(b)粉斑尺寸圖5　四根粉管送粉FLUENT分析

根據(jù)上述計算參數(shù)設(shè)計了光內(nèi)送粉寬帶熔覆的送粉噴嘴,根據(jù)流體力學(xué)中流體向阻力最小的方向流動的原理可知,當(dāng)采用一分四的流道模型時，靠近主流道較近的兩個分流道中流體流量大。為了使四根送粉管內(nèi)粉末量均勻，采用一分二、二分四的流道模式，該噴嘴通過一根入口粉管供粉，四根粉管并列出粉(圖6)?？赏ㄟ^對四根出粉管的出口直徑進行微調(diào)達到精確的送粉寬度。

圖6　光內(nèi)同軸送粉裝置示意圖

2　光內(nèi)寬帶送粉流場分析

2.1分粉管道模型建立與網(wǎng)格劃分

采用Pro/E軟件建立送粉管道的三維流場模型,在粉管出口處建立一個矩形的大氣流場區(qū)域,模型初步設(shè)定的尺寸參數(shù)為L1=3 mm,L3=3 mm,如圖7a所示。其次,對所所建立的流場模型進行網(wǎng)格劃分,如圖7b所示。

(a)流場模型(b)網(wǎng)格劃分圖7　流場模型建立與網(wǎng)格劃分

2.2模擬結(jié)果分析

計算參數(shù)設(shè)定為:載氣壓力p為0.3 MPa,載氣量qV為3 L/min,送粉量為5 g/min,平均粒徑d為75 μm。計算結(jié)果如圖8所示。

從圖8a可以看出,各個分支管路出口處的速度方向比較雜亂,從圖8b出口處粉末的濃度分布圖可以看出,在四根粉管出口處粉末分布較為集中,未能達到均勻送粉的目的。從圖8c、圖8d中可以看出，在各個分支管路處的湍流比較明顯，從而導(dǎo)致出口處的粉末速度方向比較混亂,粉束發(fā)散嚴(yán)重，不能匯聚成均勻的矩形粉斑。對圖8d分析可知,湍流主要發(fā)生在突縮和拐角處，主管路內(nèi)部的湍流相對要小很多。

(a)流體速度(b)出口處粉末濃度

(c)湍流(d)湍流圖的部分放大圖圖8　L1=3 mm,L3=3 mm,p=0.3 MPa時計算結(jié)果

管路路線的突然變化,會導(dǎo)致流體所受的正壓力和速度方向產(chǎn)生強烈的變化，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動從而產(chǎn)生許多漩渦，形成的渦旋會不斷地從主流中獲得能量，通過渦旋之間的相互作用，能量由大尺度渦旋向小尺度渦旋傳遞，而小尺度渦旋受到管壁黏性力的作用而破裂形成更小尺度的渦旋，伴隨著湍流能量的耗散，湍流會隨著分支管道長度的增加而減小并最終消失[10-12]。

根據(jù)上述流體理論,增加分支管路的長度就可以緩解出口處的湍流，但是本文設(shè)計的送粉裝置要安裝在激光熔覆管頭內(nèi)部，尺寸上受到嚴(yán)格限制。所以必須對圖6所示模型中三段粉管的尺寸(L1、L2、L3)進行分析,找出較佳的分支管路的長度,實現(xiàn)粉管出口處氣流的湍動均勻分布,以保證送出的粉末均勻,熔池內(nèi)能獲得較均勻的粉末。表1為送粉器FLUENT仿真分析的各個送粉通道長度的尺寸參數(shù)表,依據(jù)表1中的4組尺寸進行仿真分析,確定出較佳的尺寸參數(shù)。

表1　圖9～圖12送粉器FLUENT仿真分析參數(shù)表

(a)流體速度(b)出口處粉末濃度圖9　L1=6 mm,L3=5 mm、p=0.3 MPa時計算結(jié)果

(a)流體速度(b)出口處粉末濃度圖10　L1=8 mm,L3=7 mm、p=0.3 MPa時計算結(jié)果

(a)流體速度(b)出口處粉末濃度圖11　L1=8 mm,L3=13 mm、p=0.3 MPa時計算結(jié)果

(a)流體速度(b)出口處粉末濃度圖12　L1=8 mm,L3=13 mm、p=0.2 MPa時計算結(jié)果

對比圖8、圖9和圖10可知，當(dāng)?shù)谝欢畏至鲗?dǎo)管(L1)和四根出口導(dǎo)管(L3)加長后,出口氣流變得有規(guī)律,出口粉末濃度變得較為均勻,送粉效果有所改善。

對比圖10和圖11可知，只加長四根出口導(dǎo)管(L3)，出口氣流所呈現(xiàn)的規(guī)律基本無變化,從而可知,當(dāng)四根出口導(dǎo)管的長度達到一定值后再增加其長度對出口氣流的狀態(tài)無明顯影響。

對比圖11和圖12可知，在不同送粉氣壓下,出口氣流所呈現(xiàn)的規(guī)律基本無變化,因此該送粉機構(gòu)可以滿足不同送粉氣壓下的送粉要求,實現(xiàn)了設(shè)計意圖。

3　實驗研究

3.1送粉噴嘴研制

根據(jù)上述模擬分析,結(jié)合分粉器尺寸限制范圍,采用L1=10 mm，L2=5 mm,L3=15 mm的尺寸設(shè)計制造送粉噴嘴,采用3D打印快速成形技術(shù)制造送粉噴嘴裝置流道。為了使送粉噴嘴盡可能地貼近熔池送粉,送粉噴嘴出口處與四根長度為40 mm的金屬管相連,圖13為送粉噴嘴的實物照片。

圖13　送粉噴嘴實物照片

3.2送粉實驗

將送粉噴嘴的粉末入口粉管與送粉器相連,本實驗采用的是GTV Impex GmbH公司的GTV PF2/2M型送粉器,采用高純度的氮氣作為載氣,粉末材質(zhì)選用鐵基合金粉末(Fe310),粒度為100～200目(74～149 μm);送粉量為8.0 r/min,載氣壓力為0.3 MPa,載氣流量為3.0 L/min,掃描速度為6 mm/s,送粉噴嘴離工件表面高度為20 mm。掃描所得的粉斑如圖14所示。

(a)粉柱側(cè)面照片

(b)粉柱正面照片

(c)粉斑尺寸照片(d)粉斑放大照片圖14　送粉實驗照片

從圖14可以看出:送粉噴嘴所送出的有效粉斑寬度約為14 mm,基本達到了預(yù)期設(shè)計想要達到的13 mm的尺寸要求,粉斑兩側(cè)的粉束發(fā)散比較小。從圖14d可以看出,粉末分布較為均勻，粉末飛濺量較少。

根據(jù)上述送粉參數(shù),采用DILAS.3 kW高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)、KUKA機器人系統(tǒng)、GTV PF2/2M型送粉器,激光功率為1.5 kW,在Fe314基材上進行激光寬帶表面熔覆實驗,結(jié)果如圖15所示。從圖15a中可以看出，熔道寬度為13 mm,從圖15b中可以看出,送粉比較均勻,達到了預(yù)期設(shè)計的要求。

(a)單道熔覆層(b)熔道剖面圖圖15　單道熔覆實驗

4　結(jié)論

(1)用筆者設(shè)計的分粉流道,根據(jù)流固耦合理論,采用FLUENT軟件仿真分析方法，得到了用于激光寬帶熔覆光內(nèi)送粉的新型結(jié)構(gòu)。

(2)由數(shù)值分析可知,采用一分二、二分四的分粉管結(jié)構(gòu)時，各個分支管路的長度對出口處粉末形態(tài)影響較大,當(dāng)采用L1≥8 mm、L2≥3 mm、L3≥7 mm的管路尺寸時，空中粉束較為穩(wěn)定,具有較好的方向性,矩形熔池中的粉末分布較為均勻，粉斑長度與光斑長度尺寸接近，滿足了送粉要求。

(3)由數(shù)值分析可知，當(dāng)送粉噴嘴內(nèi)部管路采用同一種尺寸時，在不同送粉壓力的條件下，其送粉效果基本保持一致，這就保證了送粉噴嘴可以適用于不同送粉壓力條件。

(4)采用最佳管路尺寸設(shè)計制造的送粉噴嘴,在出粉口下端20 mm處粉末分布最為理想,粉斑寬度達到14 mm,粉末在長度和寬度方向匯聚性俱佳，較好地滿足了寬帶送粉要求。

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(編輯王艷麗)

Research on Inside-laser Powder Feeding Nozzle for Broadband Laser Cladding

Lei DingzhongShi ShihongFu Geyan

Soochow University,Suzhou,Jiangsu,215021

In order to improve the situation of the uneven heating of metal powder existing in the current outside-laser powder feeding broadband laser cladding nozzle and the low coaxial coupling accuracy, a inside-laser coaxial powder feeding broadband laser cladding nozzle was designed.The entire device was located inside the laser cladding nozzle,surrounded by laser beam,senting cladding powder to the laser molten pool.A flow channel was designed to realize the uniformity of inside-laser powder feeding and ensure the powder was heated evenly and the direction of the powder velocity was perpendicular to the molten pool throughout.FLUENT software was used to analyze the divergence of powder to determine the size of the export channel spacing and the internal flow field of powder channel to determine the size of the device partially channel so that the turbulence at the outlet could be reduced and the best results of powder feeding could be achieved.Finally,the powder feeding nozzle for powder feeding test was used to validate the experimental effects of powder feeding device.

broadband laser cladding;inside-laser powder feeding;powder feeding device;numerical simulation

2014-06-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(10972150)；江蘇省科技支撐計劃資助重點項目(BE2012068)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金資助項目(BY2012109)

TG665< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.015

雷定中,男,1988年生。蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院碩士研究生。石世宏，男，1956年生。蘇州大學(xué)激光加工與特種制造研究所教授、博士。傅戈雁，女，1959年生。蘇州大學(xué)激光加工與特種制造研究所教授、博士。