激光熔覆喷嘴粉末汇聚特性及其与熔池相互作用研究

发布时间：2019-10-24 03:33

【摘要】：激光熔覆技术是一种重要的先进制造技术,它被广泛的应用于零件的修复和表面改性中。近年来,以此为基础发展出了激光熔融沉积成型技术,作为增材制造技术中的一种,更是有着广阔的发展前景。激光熔覆的质量和效率对粉末在熔覆头喷嘴内部和外部的流动特性有密切关系。为了获得不同工业应用条件下的最佳送粉参数,对喷嘴结构和粉末流动与汇聚特性进行深入研究具有重要的意义。本文以同轴环形送粉喷嘴、同轴三束流送粉喷嘴为研究对象,基于Fluent、Flow3D流体计算软件,分别建立了气-固两相流的粉末流动模型以及气-液-固多相耦合的粉末与熔池相互作用模型,对激光熔覆过程中粉末在喷嘴内部及出射后的流动特性,粉末与激光及熔池间的相互作用进行了研究分析,并通过高速摄像及实际熔覆层几何尺寸比对验证了模型的准确性。同时也通过对粉末与激光、粉末与熔池作用过程的高速摄像拍摄,分析并解释了激光熔覆过程中三者相互作用中的特殊现象及其影响因素。研究发现,对于依靠三根送粉管路传输粉末的同轴三束流喷嘴,粉末在喷嘴内管路内壁的碰撞会导致粉末流在喷嘴出口处的发散,通过提高管路长度,增大载粉气流量,减小粉末粒径等手段可以获得更小的粉斑尺寸。通过对不同工艺条件下粉末流动特性的模拟分析,解释了同轴环形喷嘴能够获得更小粉斑尺寸以及同轴三束流喷嘴具有更好鲁棒性的原因。通过对激光与粉末相互作用过程进行高速摄像拍摄,发现了粉末在激光辐照下的特殊变化过程,探究了激光在不同功率及离焦量变化情况下粉末的物态变化,认为激光光斑与粉末汇聚焦斑存在一定离焦量的情况下粉末可以较好的被激光辐照,同时也不会发生过度烧蚀。通过对粉末与熔池相互作用的模拟计算发现,粉末会对熔池流动造成较大影响,由无粉末注入状态下的中心向外发散的流动转变为复杂多涡流状态。采用高速摄像对熔覆过程中熔池区域进行拍摄,发现熔覆层表面粘粉的主要原因是由于粉末射入了熔池侧方及后方的熔合线上,对于射入熔池前方熔合线的粉末,可以随着熔池的运动被熔化。通过调整工艺参数,提高熔池大小或熔池长度,可以较为有效地减少熔覆层表面粘粉。
【图文】：

示意图,喷嘴,流形,粉末

a) 旁轴喷嘴 b) 同轴环形喷嘴 c) 同轴三束流喷嘴图 1-1 不同类型喷嘴的粉末流形貌旁轴喷嘴的结构一般较为简单，只存在一条送粉管路。然而对于同轴构大多数比较复杂。如图 1-2 所示，，其中图 1-2 a)为文献中某同轴环内部特殊构造，可以明显看出内部激光同轴保护气通道采用了阶梯式喷嘴外部含有水冷套筒以防止长时间工作造成的喷嘴过热；图 1-2 ecitec YC52 型同轴激光熔覆头的喷嘴内部结构示意图，其内部有许计的金属块固定在喷嘴上方，这种设计是为了更好的让粉末在喷嘴内合，从而能够均匀的从环形喷嘴出口处射出。

示意图,环形喷嘴,同轴,复杂结构

a) 旁轴喷嘴 b) 同轴环形喷嘴 c) 同轴三束流喷嘴图 1-1 不同类型喷嘴的粉末流形貌旁轴喷嘴的结构一般较为简单，只存在一条送粉管路。然而对于同轴喷结构大多数比较复杂。如图 1-2 所示，其中图 1-2 a)为文献中某同轴环的内部特殊构造，可以明显看出内部激光同轴保护气通道采用了阶梯式时喷嘴外部含有水冷套筒以防止长时间工作造成的喷嘴过热；图 1-2 b)Precitec YC52 型同轴激光熔覆头的喷嘴内部结构示意图，其内部有许设计的金属块固定在喷嘴上方，这种设计是为了更好的让粉末在喷嘴内混合，从而能够均匀的从环形喷嘴出口处射出。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG174.4;TG665

【参考文献】