激光旁軸送氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

徐超，東岳峰，熊杰，蒙思羽，李素麗，楊來俠

激光旁軸送氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

徐超1，東岳峰1，熊杰1，蒙思羽2，李素麗1，楊來俠1

（1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，西安 712100）

通過了解激光增材技術(shù)，設(shè)計(jì)一種送絲送氣一體化機(jī)構(gòu)，并建立相應(yīng)模型。通過對(duì)不同送絲送氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)計(jì)出3種方案，并通過流體模型分析保護(hù)氣體氬氣的流動(dòng)情況，最終得出最合理的安裝位置。第1種方案是采用送絲機(jī)構(gòu)與送氣機(jī)構(gòu)對(duì)沖的兩軸送絲送氣設(shè)計(jì)方案；第2種方案是采用送絲機(jī)構(gòu)與送氣機(jī)構(gòu)同路的設(shè)計(jì)方案；第3種方案是選擇兩路送氣機(jī)構(gòu)與送絲機(jī)成夾角對(duì)沖的設(shè)計(jì)方案。在第1種方案中，送絲機(jī)構(gòu)與送氣機(jī)構(gòu)的對(duì)沖會(huì)導(dǎo)致氣流紊亂，產(chǎn)生氣體流動(dòng)擴(kuò)散現(xiàn)象，可以明顯看到有一個(gè)保護(hù)氣體比較密集的區(qū)域。在第2種方案中，當(dāng)送絲機(jī)構(gòu)與送氣機(jī)構(gòu)同路時(shí)，在工作過程中有可能出現(xiàn)防氧化效果不夠好的情況。在第3種方案中，兩路送氣機(jī)構(gòu)與送絲機(jī)成夾角對(duì)沖可以有效控制氬氣的流動(dòng)，提高氬氣的利用率，在這里進(jìn)行絲材的激光熔覆將會(huì)起到最大的防氧化保護(hù)作用。通過對(duì)不同送絲送氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定三路送氣方案的保護(hù)效果最佳。

激光增材制造；送絲送氣一體化設(shè)計(jì)；帶傳動(dòng)送絲機(jī)構(gòu)；流體模擬；氬氣

激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技術(shù)是一種以激光為能量源的增材制造技術(shù)。激光具有能量密度高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)難加工金屬的制造，如航空航天領(lǐng)域的鈦合金、高溫合金等，同時(shí)激光增材制造技術(shù)還具有不受零件結(jié)構(gòu)限制的優(yōu)點(diǎn)，可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難加工薄壁零件的加工制造[1-3]。目前，激光增材制造技術(shù)涉及的材料已涵蓋鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金、難熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等，該技術(shù)在制造航空航天領(lǐng)域中的高性能復(fù)雜構(gòu)件和生物制造領(lǐng)域中的多孔復(fù)雜結(jié)構(gòu)件方面具有顯著優(yōu)勢?；诩す庠霾闹圃旒夹g(shù)的送絲送氣一體化設(shè)計(jì)旨在防止熔覆過程中發(fā)生大量氧化，從而影響制造成形過程[4-8]。為了解決如何保持絲材在送給時(shí)的絲滑性以及絲材氧化的問題，目前研究者主要關(guān)注了送絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而很少研究防氧化的絲路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9-15]。因此，本文將采用3種方案進(jìn)行對(duì)比分析，以確定最佳的設(shè)計(jì)方案。通過比較不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為增材制造技術(shù)的送絲送氣一體化設(shè)計(jì)提供參考與指導(dǎo)。

1 不同送氣方式的數(shù)值分析

1.1 同路送氣

對(duì)同軸送絲噴頭進(jìn)行建模，如圖1所示。同軸送絲路是指與出絲的絲材一起從送絲口處送出，在很大程度上提供了一個(gè)充足的氣體保護(hù)。同軸送絲路可以確保激光光束和材料之間的精確對(duì)齊，同時(shí)提供足夠的保護(hù)氣體來防止氧化和燃燒等不利反應(yīng)的發(fā)生。

圖1 流體模型

建立流體模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分前需要對(duì)氣體進(jìn)行約束，設(shè)置入口、出口和邊界條件等，如圖2所示。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，選擇以5 mm為單位的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

圖2 Fluent軟件內(nèi)的流體模型

本文采取氬氣作為保護(hù)氣體，氬氣是稀有氣體，在工業(yè)和科研中有廣泛的應(yīng)用[16-20]。氬氣具有十分穩(wěn)定的性質(zhì)，既不能燃燒物質(zhì)，也不會(huì)助燃物質(zhì)。在航空航天、制船業(yè)、原子能化工業(yè)和機(jī)械設(shè)備工業(yè)部門，對(duì)特種合金（鋁合金、鎂合金、銅合金和不銹鋼合金等）進(jìn)行焊接時(shí)，常用采用氬氣作為焊接保護(hù)氣，以防止焊接件與空氣接觸后發(fā)生氧化現(xiàn)象或氮化現(xiàn)象[21-23]。實(shí)驗(yàn)室一般用罐裝氬氣供氣，在模擬仿真時(shí)將設(shè)置2種壓力，通過對(duì)比這2種壓力下的保護(hù)情況來評(píng)估保護(hù)氣體瓶的壓力大小對(duì)整個(gè)保護(hù)效果的影響[24]。

氣瓶壓力與匯集區(qū)的對(duì)比如圖3所示?？梢钥闯觯瑲馄繅毫κ菍?duì)整個(gè)氣體的保護(hù)效果有很大影響，當(dāng)氬氣瓶中的氣壓減小后，提供的防氧化效果也會(huì)減弱。為確保產(chǎn)品的加工精度，需要盡量地降低熔覆區(qū)的氧化程度。因此，保證工作時(shí)氬氣量的充足可以提高產(chǎn)品的加工精度[25]。

圖3 氣瓶壓力與匯集區(qū)對(duì)比

氣瓶壓力充足（10 MPa）和氣瓶壓力不足（2 MPa）時(shí)氣壓的對(duì)比分析結(jié)果如圖4所示。可以看出，在不同的壓力下，氣體噴出后的壓力是不一樣的，圖4a中的氣體顏色更深，說明氣壓越高，保護(hù)效果越好。

圖4 氣壓結(jié)果分析圖

1.2 兩路對(duì)沖方案的仿真分析

1.2.1 模型建立

通過SolidWorks對(duì)兩路送氣噴頭進(jìn)行建模，如圖5所示。在激光增材制造中，絲材和保護(hù)氣體都是非常重要的因素。然而，對(duì)于一些極易氧化的金屬，兩路送絲方案可能更加適用。該方案采用了對(duì)沖的方法，當(dāng)絲材從送絲頭中送出后，兩路送氣管道被打開，對(duì)絲材進(jìn)行保護(hù)，如圖5a所示。這種方法可以更好地控制氬氣的流動(dòng)，從而為設(shè)備提供最佳的防氧化保護(hù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。其原理如圖5所示。

1.2.2 模擬

在網(wǎng)格劃分前需要對(duì)氣體進(jìn)行約束，設(shè)置入口、出口和邊界條件等。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，選擇以5 mm為單位的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖6所示。

圖5 兩路送氣噴頭三維模型及設(shè)計(jì)原理圖

圖6 流體網(wǎng)絡(luò)劃分

本文采取氬氣作為保護(hù)氣體，設(shè)置2種壓力進(jìn)行模擬，對(duì)比保護(hù)氣體瓶的壓力大小對(duì)整個(gè)保護(hù)情況的影響。不同壓力的分析結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，氣瓶壓力對(duì)整個(gè)氣體的保護(hù)作用有很大影響，當(dāng)氬氣瓶中的氣體減少后，可以提供的防氧化效果也會(huì)變?nèi)酢Ｓ捎谛枰M量降低熔覆區(qū)的氧化程度，因此，保證工作時(shí)氬氣量的充足可以提高產(chǎn)品的加工精度。

圖7 氣瓶壓力與匯集區(qū)對(duì)比

兩路對(duì)沖方案與同路送氣送絲方案不同，其實(shí)質(zhì)是一種對(duì)沖的形式，當(dāng)兩路氣體交匯時(shí)，由于氣體的流動(dòng)擴(kuò)散現(xiàn)象，可以明顯看到一個(gè)保護(hù)氣體比較密集的區(qū)域，如圖8所示。在實(shí)際生產(chǎn)工作中，為了對(duì)熔覆區(qū)更好地進(jìn)行防氧化保護(hù)，在安置出絲口時(shí)，要安置在保護(hù)氣體密集區(qū)，以達(dá)到更好的防氧化作用。

圖8 氣瓶壓力充足（10 MPa）和氣瓶壓力不足（2 MPa）時(shí)壓力仿真分析結(jié)果

仿真時(shí)，在尺寸為80 mm的圓柱體中切割出2個(gè)夾角為60°的平面。在仿真結(jié)果中可以看到，整個(gè)區(qū)域的中部是氣體匯聚最好的地方，所以在整體安裝過程中，要使送氣路和送絲路保持10～20 mm的距離，在保證送絲路和送氣路不干涉的情況下，實(shí)現(xiàn)最好的防氧化保護(hù)。

1.3 三路對(duì)沖方案的仿真分析

1.3.1 模型建立

三路對(duì)沖噴氣方案結(jié)合了前2種方案，將一條同軸送氣送絲路和兩路送氣噴頭組合在一起。這種方案不僅可以防止溫度沿絲材擴(kuò)散、發(fā)生氧化現(xiàn)象，還可以彌補(bǔ)因絲材從送絲口出來后保護(hù)氣體包裹不嚴(yán)而導(dǎo)致的氧化問題。因此，該方案可以實(shí)現(xiàn)全方位的保護(hù)。三路流體模型如圖9所示。

1.3.2 仿真分析

設(shè)置入口、出口和邊界條件等。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，選擇以5 mm為單位的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖10所示。

圖9 三路流體模型

圖10 流體網(wǎng)絡(luò)劃分

本文采用氬氣作為保護(hù)氣體，設(shè)置2種壓力進(jìn)行模擬，對(duì)比保護(hù)氣體瓶的壓力大小對(duì)整個(gè)保護(hù)情況的影響，結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯觯瑲馄繅毫?duì)整個(gè)氣體的保護(hù)作用有很大影響。

圖11 氣瓶壓力與匯集區(qū)關(guān)系曲線

仿真結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，在3個(gè)氣管的交匯處有一個(gè)氬氣聚集區(qū)。在本方案中，氬氣聚集區(qū)是防氧化最佳區(qū)域。因此，本文建議在進(jìn)行激光熔覆加工時(shí)，將光線聚焦在氬氣聚集區(qū)，這樣可以確保在熔覆過程中最大限度地減少氧化現(xiàn)象的發(fā)生。

圖12 不同壓力仿真分析

2 方案對(duì)比

同路送氣方案具有裝置簡單的等優(yōu)點(diǎn)，但在整個(gè)工作過程中有可能出現(xiàn)防氧化效果不夠好的情況。通過仿真分析可以看出，保護(hù)氣體噴出后呈現(xiàn)為一個(gè)圓臺(tái)形，絲材包裹在其中，由于送絲口的約束，保護(hù)氣體剛出來時(shí)形成的空氣柱體直徑較小。因此，在加工過程中需要讓絲材在出口處移動(dòng)一段距離后再進(jìn)行激光熔覆加熱，以提高防氧化效果。

與同路送絲方案相比，兩路送氣方案增設(shè)了一條送氣管，從保護(hù)氣體的保護(hù)效果來看，并沒有比同路送絲方案好很多，如圖13所示。然而，通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，2個(gè)送氣管前方氣體交匯處的保護(hù)效果最好。但是需要注意的是，這種方案不能預(yù)防因溫度升高而引起的氧化危險(xiǎn)。

從整個(gè)保護(hù)氣體的效果來看，三路送氣方案的保護(hù)效果無疑是最好的。然而，使用這種方案的成本非常高。仿真分析結(jié)果表明，在氣體匯集處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)密集區(qū)，因此，在進(jìn)行熔覆加工時(shí)需要特別注意絲材的位置。

經(jīng)過調(diào)查可知，實(shí)驗(yàn)室常用的保護(hù)氣體氬氣常以氣瓶儲(chǔ)存，而每瓶高純Ar（純度≥99.999 2%）的價(jià)格為800元，比較昂貴。很多因素都會(huì)影響整體方案的選擇：1）氬氣瓶中氣體的含量會(huì)對(duì)防氧化效果產(chǎn)生較大影響，因此在加工時(shí)可以考慮多種組合方式，如當(dāng)氣體充足時(shí)采用同路送氣方案，當(dāng)同路氣體不足時(shí)，可按情況打開一到兩路送氣管，進(jìn)行輔助保護(hù)；2）加工絲材的屬性也是一個(gè)很重要的影響因素，如采用鋁合金和不銹鋼合金進(jìn)行加工時(shí)，采用的方案是不同的，因?yàn)殇X合金易氧化，所以使用防氧化效果最好的三路送氣方案，而加工不銹鋼合金這種不易氧化的金屬時(shí)，使用同路方案就可以達(dá)到防護(hù)目的。

圖13 氣體密集區(qū)壓力曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)中氣體保護(hù)模塊的必要性，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：打開保護(hù)氣路進(jìn)行加工；不打開保護(hù)氣路進(jìn)行加工，最后對(duì)比加工結(jié)果。采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖14所示。

圖14 加工機(jī)器

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示?？梢钥闯?，打開保護(hù)氣路和不打開保護(hù)氣路加工的金屬條有明顯差別，在不打開保護(hù)氣路的情況下，加工的金屬條表面發(fā)生了極為嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，整個(gè)表面粗糙度提升，甚至在一些邊界處發(fā)生了較為嚴(yán)重的變形情況，這對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的加工精度造成了較大的影響。

本文采用的保護(hù)氣體為氬氣，故設(shè)置氬氣的屬性參數(shù)，分別采用10 MPa和2 MPa的設(shè)定壓力值進(jìn)行模擬，通過在流體的出口和入口設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，最后運(yùn)行計(jì)算得出結(jié)果。

圖15 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

?Fig.15 Comparison of experimental results: a) experimental results after opening the gas path; b) test results without opening the gas path

4 結(jié)論

通過分析3種方案下保護(hù)氣體的流動(dòng)現(xiàn)象，得出以下結(jié)論：

1）由于在日常使用中，一般用氣瓶來供應(yīng)保護(hù)氣體，所以在真正的工作環(huán)境下保護(hù)氣體的氣壓并不是一成不變的，因此在仿真過程中，模擬了2種工作情況：氣瓶氣壓充足（10 MPa）；氣瓶氣壓不足（2 MPa）。經(jīng)過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣瓶氣壓不足時(shí)，保護(hù)效果較差。

2）對(duì)絲氣同路進(jìn)行了模擬，可以觀察到當(dāng)氣體剛從氣口流出時(shí)，由于氣體還具有較大的初速度，所以擴(kuò)散并不明顯，而經(jīng)過一段時(shí)間的擴(kuò)散后，產(chǎn)生了一塊藍(lán)色區(qū)域，該區(qū)域能夠包裹更多的熔覆區(qū)域。因此，為了獲得更好的效果，應(yīng)該將激光聚焦于該區(qū)域。

3）對(duì)兩路對(duì)沖送氣絲氣進(jìn)行了模擬，可以觀察到兩股氣體交匯后產(chǎn)生了一塊范圍極大的藍(lán)色區(qū)（在10～20 mm范圍內(nèi)），故可知在該方案下送絲路碰頭的位置應(yīng)保持在藍(lán)色區(qū)內(nèi)。

4）對(duì)三路送絲送氣進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)三路氣體交匯后產(chǎn)生了更大的交匯區(qū)，增加氣路會(huì)使保護(hù)范圍增大，從而有效提高了防氧化效果。

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Design and Analysis of Laser Paraxial Air Supply Structure

XU Chao1, DONG Yuefeng1, XIONG Jie1,MENG Siyu2,LI Suli1, YANG Laixia1

(1. College of Mechanical Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China; 2. College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Xi'an 712100, China)

The work aims to understand the laser additive manufacturing technology, design an integrated wire feeding and air supply mechanism and establish a model for it. Through comparative analysis of different wire feeding and air supply mechanisms, three design schemes were developed. By utilizing fluid models, the flow of protective gas, argon, was analyzed to determine the most suitable installation position. The first scheme involved a dual-axis design where the wire feeding mechanism and air supply mechanism were opposing each other. The second scheme utilized a single path for both the wire feeding mechanism and air supply mechanism. The third scheme involved an angle-offset design where two gas delivery pathways were opposing the wire feeding machine at an angle. In the first scheme, the opposing flow of the wire feeding mechanism and air supply mechanism caused turbulence in the gas flow, resulting in a diffusion phenomenon where there was a concentrated area of protective gas. In the second scheme, there was a possibility of insufficient oxidation protection during the operation when the wire feeding mechanism and air supply mechanism were in the same path. In the third scheme, the opposing flow of the two air supply pathways with respect to the wire feeding machine effectively controlled the flow of argon, improving the utilization efficiency of argon. Laser cladding of wire materials in this configuration would provide the maximum oxidation protection.Through the comparative analysis of different wire feeding and air supply mechanisms, it is finally determined that the protection effect of the three-way air supply scheme is the most suitable.

laser additive manufacturing; integrated design of wire feeding and air supply mechanism; belt drive wire feeding mechanism; fluid simulation;argon

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.019

TH122

A

1674-6457(2024)01-0167-07

2023-09-08

2023-09-08

陜西省廳市聯(lián)動(dòng)重點(diǎn)項(xiàng)目（2022GD-TSLD-63，2022GD-TSLD-64）；陜西省秦創(chuàng)原“科學(xué)家+工程師”隊(duì)伍建設(shè)（2022KXJ-071）

Key Projects of Provincial Departments and Cities in Shaanxi Province (2022GD-TSLD-63, 2022GD-TSLD-64); Shaanxi Province Qin Chuangyuan “Scientist+Engineer”Team Construction (2022KXJ-071)

徐超, 東岳峰, 熊杰, 等. 激光旁軸送氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 167-173.

XU Chao, DONG Yuefeng, XIONG Jie, et al. Design and Analysis of Laser Paraxial Air Supply Structure[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 167-173.