光粉交互对同轴送粉增材制造能量传输的影响

发布时间：2021-10-08 00:58

　　激光同轴送粉增材制造涉及复杂的光粉交互作用,也是决定粉末物化状态和激光能量有效利用的关键.因此,借助背影增效瞬态影像捕捉技术和图像处理技术,以时间序列上粉末粒子亮区面积的实时值与平均值变化规律为依据,分析光粉交互作用过程及其对用于熔化基体剩余激光能量的影响.结果表明,送粉速率和光粉作用距离是影响有效熔化基体能量的关键因素;送粉速率不变时,载气流量增加提高了粉末颗粒的飞行速度,但是对有效熔化基体的能量影响很小;粉末粒径较小时,光粉交互作用过程越激烈,有效熔化基体的能量随之下降.总体而言,粉末颗粒飞行速度不变时,光粉作用过程中亮区面积的大小和有效熔化基体能量呈正相关. 

【文章来源】：焊接学报. 2020,41(06)北大核心EICSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

试验用设备布置示意图

如图1所示，将一把特制的“空气刀”固定在三维可调的机构上，置于喷嘴下端的某一高度位置，利用其狭缝约束形成的薄层高速流动气流，将粉末束流“拦腰截断”.“空气刀”进气口的气体为经过过滤的压缩空气或氩气，压力设为0.6～1.0 MPa.通过改变“空气刀”的高度位置，即可实现对不同位置处流经该区域粉末颗粒运动轨迹的调整.“空气刀”喷出的高速气流对作用位置以上粉末束流内的粒子运动特性几乎不产生影响，其实际效果如图2所示.空气刀的作用位置可根据实际需要进行上下调节.实际测量时，将激光功率计置于喷嘴正下端一定距离处.同时，为了防止意外下落物对功率计造成损伤，影响其测量精度，在其上方放置一块高透光率的玻璃.在保证激光发射功率、发射时间、空间位置参数都不变的情况下，无粉末流出时的功率记为P0，添加粉末发生光粉交互作用后剩余的激光功率记为P2，则光粉交互作用过程中损失掉的激光能量P1可以用式(1)表示，即为提高试验数据的可靠性，每一组工艺参数的数据均测试3次，取其平均值作为该工艺参数的有效数据，依次分析主要工艺参数对光粉交互作用后损失能量或剩余能量的影响.

不同送粉速率下，激光辐照下粉末颗粒的状态如图3所示.可以看出，送粉速率增加，粉末颗粒在空间分布的密度提高，出现在激光传输路径上的概率也会随之提升.粉末颗粒被激光辐照时间和辐照功率密度的不同，光粉交互作用的程度也不相同：部分粉末颗粒在激光功率密度较弱的区域只是处于高温状态；而当粉末颗粒位于功率密度较高区域时，其表面会瞬间汽化，形成金属蒸气.这种辐照程度的不同会使空间中的粉末颗粒处于不同的物化状态，而亮度信息的差异就是光粉作用过程中程度差异的直接证据.利用MATLAB图像处理技术对时间序列上的1 000帧光粉交互作用瞬态影像做二值化处理，提取同一视场内亮度高于一定阈值的区域进行统计分析获得每一帧图像亮区的总面积，其波动程度及其均值变化规律如图4所示.可以看出，在一定长度的时间范围内，每一帧高亮状态的面积均处于波动状态，这意味着一定的时间间隔?t内，其过程存在一定的不稳定性，这和粉末束流本质上是一种离散的气固两相流有直接关系.但是，横向对比分析可以看出，送粉速率较高时每一帧亮度面积大部分均高于送粉速率较低时每一帧的亮度面积，这又说明该工艺自身虽然具有一定的波动性，但是从宏观上看该工艺也存在一定的稳定性.因此，该工艺目前难以运用于批量化生产之中.图4 送粉速率对亮度面积的影响

【参考文献】：
期刊论文
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硕士论文
[1]燃气轮机叶片激光增材修复基础研究[D]. 杨义成.机械科学研究总院 2017



本文编号：3423117