华南理工大学
硕士学位论文
激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计制造及工艺实验
姓名：黄勇
申请学位级别：硕士
专业：机械工程
指导教师：杨永强;戚文军
20041125
激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，是激光先进制造技术最重要的支撑技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。 为推动激光熔覆技术的产业化，世界各国的研究人员针对激光熔覆涉及到的关键技术进行了系统的研究，已取得了重大的进展。国内外有大量的研究和会议论文、专利介绍激光熔覆技术及其最新的应用：包括激光熔覆设备、材料、工艺、监测与控制、质量检测、过程的模拟与仿真等研究内容。但到目前为止，激光熔覆技术还不能大面积工业化应用。分析其原因，这里有政府导向的因素、激光熔覆技术本身成熟程度的限制、社会各界对激光熔覆技术的认可程度等因素。因此，激光熔覆技术欲实现全面的工业化应用，必须加大宣传力度，以市场需求为导向，重点突破制约发展的关键因素，解决工程应用中涉及到的关键技术，相信在不远的将来，激光熔覆技术的应用领域及其强度将不断的扩大。下面介绍激光熔覆技术几个发展的动态，以飨读者。 激光熔覆的优势 激光束的聚焦功率密度可达1010~12W/cm2，作用于材料能获得高达1012K/s的冷却速度，这种综合特性不仅为材料科学新学科的生长提供了强有力的基础，同时也为新型材料或新型功能表面的实现提供了一种前所未有的工具。激光熔覆所创造的熔体在高温度梯度下远离平衡态的快速冷却条件，使凝固组织中形成大量过饱和固溶体、介稳相甚至新相，已经被大量研究所证实。它提供了制造功能梯度原位自生颗粒增强复合层全新的热力学和动力学条件。同时激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件的直接制造的重要基础，受到世界各国科学界和企业的高度重视和多方面的研究。 目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。 最新的研究表明，在我国工程应用中钢铁基的金属材料占主导地位。同时，
第38卷 第9期中 国 激 光 V ol.38,N o.92011年9月 CHINESE JO URNAL OF LASERS September,2011 同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量的衰减作用 靳绍巍 何秀丽 武 扬 宁伟健 虞 钢 * (中国科学院力学研究所先进制造工艺力学重点实验室,北京100190) 摘要 为了得到同轴送粉激光熔覆中激光束穿过粉末流后的能量变化,研究了粉末浓度分布对激光能量的衰减作用。模拟了稳态、存在基底和熔池的情况下粉末流的空间分布,通过粉末浓度与激光能量衰减的关系,得到了任意粉末分布及激光能量分布下的衰减率。研究了基底对气流场的作用以及基底对粉末的反弹作用两种因素对粉末浓度分布的影响,并比较了平顶形光束在不同熔池尺寸和送粉率下的衰减率。结果表明,存在基底时粉末流对激光的衰减率比无基底作用时一般高2倍以上,与送粉率成正比,在熔池尺寸较小时与其大小成反比。关键词 激光技术;激光熔覆;粉末浓度;能量衰减 中图分类号 T G665;T N249 文献标识码 A do i :10.3788/CJL 201138.0903005 Laser Powe r Attenuation by Powde r Flow in Coaxial Lase r Cladding Jin Shaowei He Xiuli Wu Yang Ning Weijian Yu Gang (Key La bor a tor y of Mecha n ics in Adva n ced Ma nu fa ctur ing ,Instit ut e of Mechan ics , Chin ese Aca dem y of Scien ces ,Beijing 100190,Chin a ) Abstract The laser power attenuation by powder flow in coaxial laser cladding is investigated numeric ally and experimenta lly.A steady model of powder concentration distribution is developed,considering the effect of substrate on gas -flow and rebound of powder particles.The relationship between powder conc entration and attenuation of laser power is ana lyzed.The effects of melt pool size and powder flow rate on a top hat la ser beam attenuation are investigated.Results indicate that power attenuation by powder flow with the effect of substrate c an be twice more than that without substrate.The attenuation is proportional to the powder flow rate and dec reases with the inc rease of melt pool size when the pool size is small. Key wo rds la ser technique;la ser cladding;powder c oncentration;power attenuation OCIS co des 140.3390;350.3390;350.3850 收稿日期:2011-03-28;收到修改稿日期:2011-04-22 基金项目:国家自然科学基金重点项目(10832011)和面上项目(10972222)资助课题。 作者简介:靳绍巍(1984)),男,硕士研究生,主要从事激光熔覆工艺力学与数值模拟方面的研究。E -mail:jsw10000@https://www.doczj.com/doc/b017420362.html, 导师简介:何秀丽(1973)),女,副研究员,主要从事激光先进制造传输现象及工艺力学等方面的研究。E -mail:xlhe@https://www.doczj.com/doc/b017420362.html, *通信联系人。E -mail:gy u@https://www.doczj.com/doc/b017420362.html, 1 引 言 激光熔覆技术是现有的重要表面改性技术之一,因其在材料性能、经济效益、环境效益等方面的优秀表现而日益受到重视。同轴送粉激光熔覆是激光熔覆技术的重要组成部分,具有稀释率低、合金混合性能好等优点[1]。在常见的载气式同轴送粉激光熔覆中,金属粉末由气体输运,并由外侧气流约束粉末流形状,使其投入到由激光照射基底表面而产生的熔池当中,粉末经快速的熔化及冷却后与基底冶 金结合,形成熔覆层。 这种同心圆或轴对称形式的喷嘴出口可以摆脱 对加工方向的依赖,但由于其结构所限,很难获得理想的聚焦粉末,所以熔覆效率较侧向送粉差[2]。而且在粉末到达熔池之前一定距离内存在粉末流、气流和激光束之间的相互作用[3~8] ,对于激光熔覆效率及熔覆质量有重要影响,其中粉末对激光的衰减率(或激光的透射率)是既重要但又难以获得的参数之一 [9] 。现有的数值或解析模型均没有考虑存在基 0903005-1
实验12 激光熔覆 一、实验目的 1、熟悉激光熔覆的概念、特性和基本方法； 2、了解激光熔覆所涉及的激光器、加工机床、送粉器和喷嘴； 3、用侧向送粉法在45钢表面进行镍基合金的激光熔覆，优化工艺参数获得良 好的熔覆层； 4、测量熔覆层的尺寸，观察显微组织。 二、实验原理 激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。 与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。 熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，又以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格便宜。工艺设备原理 熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。 预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---
预热---激光熔化---后热处理。 同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。 按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。 三、实验设备 YLS-2000（IPG）光纤激光器、45钢板材（40╳60╳15），Ni基合金粉末。 四、实验步骤 1.预先准备好的45钢试样表面用酒精和丙酮清洗干净，用电吹风机吹干备用； 2.在激光加工工作头上安装反射聚焦工作头，接通电源，调节送粉嘴的位置； 在送粉器中加入适量的NiCrSiB合金粉末； 3.将试样平放在工作太平面上； 4.启动数控机床，移动激光工作头至试样上面，调节Z轴高度使喷嘴离试样距 离约为1.5mm； 5.启动激光器； 6.改变激光功率1000-2000W，改变扫描速度2-7mm/s，改变送粉速度6-13g/s， 进行送粉激光熔覆实验，得到不同结果的激光熔覆层；观察实验过程中的实验现象； 7.关闭激光器，关闭水冷机组，关闭数控机床；清理送粉器中的残留粉末；关 闭送粉器电源； 8.待试样冷却后用游标卡尺测量各种熔覆层的高度和宽度，观察记录熔覆层的 外观形貌； 9.观察描画相近工艺参数处理的试样快熔覆层的显微组织。 五、实验数据处理及分析 1.功率对熔覆层外观形貌的影响
激光熔覆粉喷涂机 本实用新型为解决目前在激光表面处理之前需对工件喷涂熔覆粉而缺少相应的设备，提供一种能进行编程的、全方位的、涂层均匀的激光熔覆粉喷涂机。 采用的技术方案是： 激光熔覆粉喷涂机包括机座、传动装置、喷涂装置、气路控制机构，其结构要点是： 所述的喷涂装置包括喷具小车、旋转环、喷枪立壁，喷具小车底座的下部四角固定连接有四个滑块，四个滑块设置在上导轨座的轨面上；在喷具小车的底座上面装设一固定环，在固定环上面连接一旋转环，在固定环与旋转环之间活动连接一锁紧压板，在旋转环的上面固定连接一喷枪立壁，喷枪立壁的顶端与横臂的一端通过销轴活动连接，在喷枪立壁的中部装设一气缸座，气缸活塞杆的顶端铰接在横臂的中部。横臂的前端装设一调角器，调角器上紧固连接一喷枪固定架，喷枪固定架上装设有双轴气缸及喷枪，双轴气缸的双活塞杆的顶端同时与喷枪勾机铰接。 一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化的涂料本发明的目的在于提供一种高功率CO2激光器快速扫描在冶金热轧辊表面获得高性能合金化层的涂料。 采用的技术方案是： 本发明为一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化的涂料，其特征在于该涂料是由碳化硼、碳化钨、碳化钛、碳化铬混合均匀配制而
成，其各成份的重量百分比为：碳化硼40—70%、碳化钨15—30%、碳化钛0—15%、碳化铬5—20%。 上述纳米碳化物陶瓷材料碳化硼、碳化钨、碳化钛、碳化铬的尺度为30—200纳米。 本发明选用的陶瓷材料具有高硬度、高强度、高刚度、低密度和的化学稳定特性，以及高温下优良的力学性能。而且，陶瓷材料在激光的照射下几乎能吸收激光的全部光能。 碳化硼、碳化钨、碳化钛、碳化铬都是具有许多优良性能的重要的陶瓷。 一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化工艺针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高功率CO2激光器快速扫描在冶金热轧辊表面获得高性能合金化层工艺。该工艺不仅可以大大提高轧辊表面的硬度，减少轧辊使用的磨损量，而且还可以带来较大的经济效益。 采用的技术方案是： 一种冶金热轧辊表面激光纳米陶瓷合金化工艺，其要点在于它包括以下工艺过程： -1- （1）首先机加工轧辊去掉表面疲劳层，得到所需尺寸和形状。然后对激光将要辐照处理的一面进行研磨，去油污和适当的清洗。 （2）用酚醛树脂粘接剂将纳米碳化物陶瓷涂料混合均匀，然后均匀地涂在预处理后的轧辊表面，预涂厚度为0.01～0.05mm，然后
激光熔覆实验报告 1.实验目的 1)熟悉激光熔覆的概念、特性和基本方法； 2)了解激光熔覆所涉及的激光器、加工机床、送粉器和喷嘴； 3)用侧向送粉法在45钢表面进行镍基合金的激光熔覆，优化工艺参数获得良好的熔 覆层； 4)测量熔覆层的尺寸，观察显微组织。 2．实验原理 激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。 与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。 熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，又以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格便宜。 工艺设备原理 熔覆工艺：激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为两大类，即预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。同步式激光熔覆则是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材进行同步送料。 预置式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---预置熔覆材料---预热---激光熔化---后热处理。 同步式激光熔覆的主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理---送料激光熔化---后热处理。 按工艺流程，与激光熔覆相关的工艺主要是基材表面预处理方法、熔覆材料的供料方法、预热和后热处理。 3．实验设备 YLS-2000（IPG）光纤激光器、45钢板材（40╳60╳15），Ni基合金粉末。 4．实验步骤 1)预先准备好的45钢试样表面用酒精和丙酮清洗干净，用电吹风机吹干备用； 2)在激光加工工作头上安装反射聚焦工作头，接通电源，调节送粉嘴的位置；在送粉 器中加入适量的NiCrSiB合金粉末；
目录 1 绪论 .................................................................................................................. 错误！未定义书签。 1.1 前言 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2 课题背景的与现状................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2.1 国外研究情况............................................................................... 错误！未定义书签。 1.2.2 国内研究情况............................................................................... 错误！未定义书签。 1.3 送粉技术现状及存在的问题................................................................... 错误！未定义书签。 1.3.1 送粉方式....................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3.2 目前送粉技术存在的问题........................................................... 错误！未定义书签。 2 计算流体学的基本原理....................................................................................... 错误！未定义书签。 2.1 流体力学基本方程................................................................................... 错误！未定义书签。 2.1.1 质量守恒定律............................................................................... 错误！未定义书签。 2.1.2 动量守恒方程............................................................................... 错误！未定义书签。 2.1.3 能量守恒方程............................................................................... 错误！未定义书签。3FLUENT软件介绍 .............................................................................................. 错误！未定义书签。 3.1FLUENT软件概述 .................................................................................. 错误！未定义书签。 3.1.1 网格划分技术............................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.2 软件的灵活设置........................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.3 软件的基本构成........................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.4 计算类型及应用领域................................................................... 错误！未定义书签。 4 同轴送粉喷嘴模型的建立................................................................................... 错误！未定义书签。 4.1 同轴送粉喷嘴模型................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2 同轴送粉模拟计算前处理....................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.1 同轴送粉喷嘴建模....................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.2 划分网格....................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2.3 设定边界类型............................................................................... 错误！未定义书签。 4.3 同轴送粉喷嘴的模拟计算步骤............................................................... 错误！未定义书签。 5 汇聚过程的计算结果与分析 (17) 5.1同轴送粉的汇聚效果的总体分析 (17) 5.2粉气同角时汇聚特性数值模拟 (17) 5.2.1两腔锥角变化对汇聚性能影响 (17) 5.2.2气腔进口速度对汇聚性能影响 (21) 5.3粉气非同角时汇聚特性数值模拟 (24) 5.3.1 气腔进口速度对汇聚性能影响 (24) 5.3.2粉腔锥角变化的汇聚性能比较 (27) 致谢 .......................................................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 ...................................................................................................................... 错误！未定义书签。附录 .......................................................................................................................... 错误！未定义书签。
第五章 激光延寿技术 5.1激光熔覆表面处理技术 2、熔覆层的气孔和裂纹问题 熔覆层中的气孔是常见的缺陷。空气和保护气中的水分以及涂层（或粉）中吸附的水分是产生气孔的主要原因。在激光加热时，金属表面的预涂层中的水将逐步分解。分解出的水分和空气及保护气中的水分可以在激光作用的高温区直接分解产生H 。 同时，涂层中的碳粉也会和金属氧化物发生氧化还原反应产生二氧化碳。 这些H 溶入过热的激光熔覆的熔池中，随后在熔池的冷却结晶过程中析出而形成气泡，这些气泡如不能上浮逸出则成为焊接气孔。由于激光熔覆速度高，熔池的体积又很小，因此熔池的冷却结晶速度极快，不利于气泡的上浮逸出。 从冶金原理知道，对于一般熔覆火花，为防止产生气孔，可以从两方向着手：第一，限制氢溶入焊接熔池，或者减少氢的来源，或者减少氢与熔池的作用时间。第二，尽量促使氢从熔池析出，即在熔池凝固之前使氢以气泡形式及时排出。可以采取的办法：减少氢的来源即是彻底清除涂层中的水分，并加强对熔池的保护；减少熔池吸氢时间也就是减少熔池的存在时间，其中焊接速度是主要参数；对表面进行激光重熔处理。产生裂纹的原因为工艺原因、显微组织因素和残余应力。可以采取合适的办法降低裂纹的发生。如选择合适的熔覆材料，使熔覆层内的残余应力降低；优化激光熔覆技术的工艺方法和参数；合理设计熔覆层等。图2（a ，b ）是应用不同的掺杂和工艺参数获得熔覆层的裂纹检测。图2掺杂5％，10％合金。 HO H O H +→)(2汽2 CO M C O M y x +→+
图2 掺杂5％，10％合金粉末在不同功率下熔覆层裂纹检测 3、激光熔覆工艺参数与优化 脉冲激光可调参数较多，包括单脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、光斑尺寸、光斑重叠率及激光扫描速度等，这些参数并不是孤立存在的，它们之间的关系以及对溶覆涂层质量的影响较复杂，因此在选择激光工艺参数时需综合考虑各参量，以获得满意的处理效果。 1．1激光工艺参数对熔覆层尺寸的影响 对工件表面进行激光溶覆处理后，表面粗糙度通常较大，因此在实际使用之前，往往需对工件表面进行磨抛处理，这就需要表面培覆层有一定的加工余量,以确保激光擦覆层在磨抛后仍有一定的强化深度。脉冲激光培覆工艺参数中对溶覆层尺寸影响最大的是单脉冲能量、脉冲频率和激光扫描速度,因此应该对这几个工艺参数与强化层尺寸之间的关系进行研究，例如采用粉体材料是50%镍+50%纳米Al 2O 3,采用单道熔覆。 1．2激光工艺参数对溶覆层表面质量的影响 脉冲激光作用下的熔覆层是由多个脉冲重叠而成,因此与连续激光熔覆相比,培覆层表面的粗链度较高,这就导致培覆后需磨抛去除的厚度较大。在激光溶覆过程中,应尽量减少磨抛去除厚度,增加表面光洁度。脉冲激光的工艺参数较多,而影响表面光洁度的主要参数是激光扫描速度和脉冲频率。 脉冲频率与激光扫描)%(560)(323C O B WO Ni a +++) %(1060)(323C O B WO Ni b +++
高速激光熔覆的加工成本是多少 高速激光熔覆近两年在金属表面处理行业博得很多的关注，相较传统表面处理工艺，高速激光熔覆技术从原理到应用有着诸多显著的优势。要想深入了解高速激光熔覆，那么激光熔覆是必然绕不开的话题。激光熔覆工艺已不算新鲜，与常见的电镀、热喷涂、堆焊、等离子焊等表面处理工艺类似，激光熔覆历经近15年的发展，设备技术及工业应用已经比较成熟。高速激光熔覆是在原有激光熔覆基础上发展而来，与普通激光熔覆相比具有熔覆加工效率高，熔覆表层平整以及熔覆成本低等优势。高速激光熔覆一经推出就刷新了人们对传统激光熔覆的认知，高速激光熔覆集成了电镀及热喷涂二者的优点，是最先进的绿色环保金属表面处理技术。 很多金属表面处理行业大型国企或领头企业纷纷开始引入该项技术，实现生产力的提高以及利润的提升。而对于一些还在观望的中小型企业甚至是个企，普遍关心的问题是高速激光熔覆工艺的生产成本问题，下面就这个问题做详细的介绍。以当前高速激光熔覆已广泛应用的煤矿液压支架行业为例，我们来计算高速熔覆修复一个平方面积的加工成本。 以目前市场占有率最多的中科中美6000高速激光熔覆设备为例，该台设备在客户现场实测加工修复液压支架时，熔覆层单边0.65mm厚度（简单抛磨后剩0.35mm)，实际效率为0.8㎡/h。 高速激光熔覆设备生产加工成本主要包括电费、易损件、气体、人员工资以及材料粉末的消耗成本这几大块。 （1）电费消耗。以中科中美ZKZM-6000为例，全套（机床+水冷+除尘+激光器）耗电功率约为34KW，这样以单平方加工需要电能为42.5KWh,按照工业用电1元每度，则单平方熔覆加工耗电费用约为42.5元。 （2）易损件消耗。普通激光熔覆工作时需要定期更换保护镜片。中科中美高速激光熔覆目前所有易损件质保期内免费赠送，因此该项费用可忽略。 （3）气体费用。高速激光熔覆设备在加工过程中需要使用氮气或氩气作为送粉气和保护气，在保证合适气压情况下，单平方米的熔覆加工使用的氮气消耗约为20元。 （4）人员工资。以城市平均工资6000元起算，月工作22天，每天工作8小时，以0.8㎡/h效率计算，高速熔覆单位面积人员费用为42元。 （5）金属粉末费用。中科中美6000W设备采用中心送粉技术，粉末利用率可达90%，以金属表面修复比较常见金属粉末来算，粉末单价约为70元/kg，则熔覆1个平米面积的金属粉末费用约为400元。 从上述几大费用来看，ZKZM-6000W高速激光熔覆设备加工1个平方米的面积，其费用约为505元。其中金属粉末成本占了整个消耗费用近80%。而普通激光熔覆因为其效率
1．目的和意义 在激光再制造技术中，激光熔敷是其基础。激光熔敷是利用高能密度的激光束所产生的快速冷凝过程，在基材表面形成与基材相互融合的且具有完全不同成分与性能的合金熔敷层。激光打在基体表面，高温使基体局部融化形成熔池，合金粉末落入熔池被融化，同时又快速冷却与基体一起形成熔敷层。影响熔敷层质量的好坏，不仅取决于材质特性和激光工艺参数，而且与落入熔池内的粉末均匀性密切相关。 送粉器的功能是按照工艺要求向加工部位均匀、准确地输送粉末，因此送粉器的性能将直接影响着熔敷层的质量。不好的送粉性能可以导致熔敷层厚薄不均匀、结合强度不高等。随着激光熔敷越来越多的应用，对送粉器的性能提出越来越高的要求。尤其是超细粉末的大量使用，要求送粉器能均匀连续的输送超细粉末以及超细粉与普通粉组成的混合粉末，并能远距离送粉，因此开发新型的适合此要求的送粉器是十分必要的。 针对现有技术的不足之处，设计了激光再制造双料斗送粉器,解决了超细送粉和混合送粉的难题，成功实现超细粉末的连续均匀送粉。同时利用双料斗贮存不同粉末，当需要混合送粉时两斗同时送粉，在气流作用下均匀混合，实现稳定的混合送粉及远距离送粉。 该系统可以大量应用于冶金、石油、铁路、航空行业中大型、重要零部件的激光修复，如大型柴油机曲轴、冶金轧辊、发动机叶片等，具有非常广阔的市场前景。 2．送粉器的研制现状及其性能比较 送粉器是激光再制造技术中的一项关键技术。而对于送粉器的研究，其历史不是很久，现在国内外已研制出几种类型的激光熔敷送粉器。根据送粉方式的不同，目前主要采用的送粉器主要有以下几种：螺杆式、刮板式、鼓轮式、流化式和雾化式送粉器。 2.1 螺杆式送粉器 螺杆式送粉器是根据机械力学原理工作的。图2-1是其原理图，由螺旋杆、料斗、粉桶、混合器和振动器组成。螺旋杆由电机驱动旋转，带动粉末沿着粉桶内壁螺旋槽运动，并输送到混合器中。混合器中的载流气体将粉末以流体的形式
在很长一段时间内，传统的工业制造加工或者再修复，需要通过电镀技术，这一技术虽然曾一度在金属表面防护、装饰加工等方面发挥了很大的作用，但长期以来带来的污染问题让许多制造企业头疼不已，因此为减少污染，新的激光熔覆技术受到人们的欢迎。 激光表面熔覆具有能量密度高，熔覆质量致密，结合强度高，熔覆层组织的稀释率低、热影响区小等特点。激光表面熔覆为非接触式加工且输入热量可控，采用的规范激光修复方法可以解决其它焊接方法造成焊接残余应力和开裂倾向。因此可以先采用机械加工的方法去除牌坊表面的腐蚀层和磨损的疲劳层，然后选取耐腐蚀性和耐磨性都优于基材的粉末，采用激光熔覆的方法对牌坊进行修复，这样既避免了多次去除材料给牌坊造成的强度下降的缺陷，又避免了堆焊造成的因应力集中导致的变形问题，而且提高了牌坊的耐腐性和耐磨性。 激光熔覆技术是使用激光将金属粉末直接熔融，逐层沉积成型。激光熔覆技术完成的熔覆涂层冶金质量高、稀释率低、变形小、表面光洁度高，属于先进环保的再制造加工技术，在工业再制造领域极大地减少企业的后续机加工成本，能有效延长产品使用周期，在钢铁行业轧机牌坊修复中大受欢迎。
现场激光修复案例分析 1、修复加工方法 因为轧机机架体积及重量大，附属管路等多，拆卸、安装、运输繁杂，另外有大修时间限制。轧机牌坊材质是ZG25，设计使用寿命年限为40年，牌坊工作面腐蚀失效深度1~2.5mm。通过现场勘察及使用工况的调研，综上因素，在考虑满足使用要求的前提下，确定针对轧机牌坊现场修复方法为： 通过在线机械加工，去除牌坊失效工作面（四块衬板下面及两个轧机轴承座底面）表面腐蚀疲劳层，上半面腐蚀较轻，下半面较严重，平均铣去大约2或3mm的深度，为激光熔覆前基体表面处理做准备。在通过机械加工去除材料，清除牌坊表面腐蚀层过程中，要保证恢复失效工作面（和安装面）的垂直度、平面度及粗糙度要求。再通过激光熔覆技术将特殊耐腐蚀材料熔覆到前面加工的基体表面，彻底改变了牌坊表面的特性。预计熔覆涂层寿命在十年以上，避免了对牌坊表面频繁的机加工修复带来的危害，彻底解决轧机牌坊磨损腐蚀的难题。 另外对各工作面原有螺栓孔的处理方法是：清理各螺栓孔，清除断折的螺杆，损伤螺纹
激光熔覆技术 激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。 激光熔覆技术 激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术。具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上,可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能,可以极大提高材料的使用寿命。同时,还可以用于废品件的处理,大量节约加工成本。激光溶覆应用到快速制造金属零件,所需设备少,可以减少工件制造工序,节约成本,提高零件质量,广泛应用于航空、军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。 激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程,熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度、扫描速度、熔池温度等,他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。同时,各参数之间也相互影响,是一个非常复杂的过程。必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在溶覆工艺允许的范围内。 随着控制技术以及计算机技术的发展,激光熔覆技术越来越向智能化、自动化方向前进。国外在这方面做的比较好。从直线和旋转的一维激光熔覆,经过X和Y两个方向同时运动的二维熔覆,到上世纪90年代初开始向三维同时运动熔覆构造金属零件发展。如今,已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路系统、自动化可调合金粉末输送系统(也可送丝)、专用CAD/CAM软件和全过程参数检测系统,集成构筑了闭环控制系统,直接制造出金属零件。标志着激光熔覆技术的发展登上了新的台阶。各国在激光控制方面的研究的新成果往往都以专利的形式进行保护, 如高质量的同轴送粉熔覆系统以及闭环反馈控制系统等。国内西北工业大学、清华大学、北京工业大学、上海交通大学和中国科学院等单位在激光熔覆过程控制方面做了许多研究工作,国内还有许多单位正在积极开展这方面的研究工作。清华大学机械系激光加工研究中心己研制出适合于直接制造金属零件的各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器,已申请相关发明专利两项。中科院已经开发出集成化激光智能加工系统。但相对国外的研究和开发水平,国内在控制方面的研究还处在起步阶段,控制措施和手段还不完善。对激光熔覆融池温度的闭环控制鲜有报道,对熔覆质量的闭环控制系统研究的并不充分。 激光雕刻加工是利用数控技术为基础，激光为加工媒介。加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达到加工的目的。激光加工特点：与材料表面没有接触，不受机械运动影响，表面不会变形，一般无需固定。不受材料的弹性、柔韧影响，方便对软质材料。加工精度高，速度快，应用领域广范。
一、激光熔覆的原理 激光溶覆是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性能。能充分发挥二者的优势，克服彼此的不足。 可以根据工件的工况要求，熔覆各种（设计）成分的金属或非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。通过激光熔覆，可在低熔点材料上熔覆一层高熔点的合金，亦可使非相变材料 （AI 、Cu 、Ni 等）和非金属材料的表面得到强化。 在工件表面制备覆层以改善表面性能的方法很多，在工业中应用较多的是堆焊、热喷涂和等离子喷焊等，与上述表面强化技术相比，激光熔覆具 有下述优点： （1 ）熔覆层晶粒细小，结构致密，因而硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能 亦更为优异。 （2 ）熔覆层稀释率低，由于激光作用时间短，基材的熔化量小，对熔覆层的冲淡率低（一般仅为 5％-8%），因此可在熔覆层较薄的情况下，获得所要求的 成分与性能，节约昂贵的覆层材料。 （3 ）激光熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高。 （4 ）激光熔覆过程易实现自动化生产，覆层质量稳定，如在熔覆过程中熔覆厚度可实现连续调节，这在其他工艺中是难以实现的。 由于激光熔覆的上述优点，它在航空、航天乃至民用产品工业领域中都有较广阔的应用前景，已成为当今材料领域研究和开发的热点。 激光熔覆技术应用过程中的关键问题之一是熔覆层的开裂问题，
尤其是大工件的熔覆层，裂缝几乎难以避免，为此，研究者们除了改进设备，探索合适工艺，还在研制适合激光熔覆工艺特点的熔覆用合金粉末和其他熔覆材 料。 二、激光熔覆工艺方法 激光熔覆工艺方法有两种类型： 1、二步法（预置法） 该法是在激光熔覆处理前，先将熔覆材料置于工作表面，然后采用激光将其熔化，冷凝后形成熔覆层。预置熔覆材料的方式包括： （1 ）预置涂覆层：通常是应用手工涂敷，最为经济、方便、它是用粘结剂将熔覆用粉末调成糊状置于工件表面，干燥后再进行激光熔覆处理。但此法生产效率低，熔覆厚度不一致，不宜用于大批量生产。 （2 ）预置片：将熔覆材料的粉末加入少量粘结剂模压成片，置于工件需熔覆部位，再进行激光处理。此法粉末利用率高，且质量稳定，适宜于一些深孔零件，如小口径阀体，采用此法处理能获得高质量涂层。 2、一步法（同步法） 这是在激光束辐照工件的同时向激光作用区送熔覆材料的工艺， 它又有两种方/法。 同步送粉法：使用专用喷射送粉装置（见图）将单种或混合粉末送入熔池，控制粉末送入量和激光扫描速度即可调整熔覆层的厚度。由于松散的粉末对激光的吸收率大，热效率高，可获得比其他方法更厚的熔覆层，容易 实现自动化。国外实际生产中采用较多。 同步送丝法：此法工艺原理虽与同步送粉法相同，但熔覆材料是预先加工成丝材或使用填充丝材。此法便利且不浪费材料，更易保证熔覆层的成分均匀性，尤其是当熔覆层是复合材料时，不会因粉末比重或粒度大小的不同而影响覆层质量，且通过对丝材进行预热的精细处理可提高熔覆速率。但是丝材表面光滑，对激光的反射较强，激光利用率相时较低；此外，线材制造过程较 复杂，且品种规格少。
第37卷 第1期中 国 激 光 Vol.37,No.12010年1月 CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS J anuary ,2010 文章编号:025827025(2010)0120261205 激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟 董辰辉1,2 姚建华1,2 胡晓冬1,2 陈智君1,2 1 浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,浙江杭州310014 2 浙江工业大学激光加工技术工程研究中心,浙江杭州310014 摘要 根据Navier 2Stokes 方程,采用COMSOL Multiphysics 软件进行了载气式同轴送粉系统的三维气流流场数值模拟。结果显示熔覆层的存在会使其上方气流流速减小、压强增大、相应的气流流量减小,并得到了气流汇聚点距喷嘴的距离。 关键词 激光技术;同轴送粉;三维流场;数值模拟;Navier 2Stokes 方程;喷嘴 中图分类号 TN249;TF124 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103701.0261 Th ree Di me ns i o n al N u me rical Si m ul a t i on of Coa xi al P ow de r Feedi n g Fl ow wi t h Ca r r yi n g Gas Dong Chenhui 1,2 Y ao J ianhua 1,2 Hu Xiaodong 1,2 Chen Zhijun 1,2 1 Key L abor a tor y of Mecha nical Ma n uf act u re a n d Autom a tion ,M u nist r y of Ed ucation ,Zheji a ng U niversit y of Tech nology ,Ha ngzhou ,Zheji a ng 310014,Chi n a 2 Resea rch Cen ter of L aser Processi ng Tech nology a n d Engi neeri ng ,Zheji a ng U niversit y of Tech nology ,Ha ngzhou , Zheji a ng 310014,Chi n a Abs t r act The three 2dimensional incomp ressible Navier 2Stokes application mode of COMSOL Multiphysics software is used for modeling and simulating the coaxial powder feeding flow with carrying gas in this article.The dist ributing of velocity field and p ressure of flow is studied.Numerical simulations show the cladding layer results in the decrease of velocity and flow of gas ,and the increase of p ressure.The distance between the powder head and the convergent point of gas is calculated. Key w or ds laser technique ;coaxial powder feeding ;three dimensional flow ;numerical simulation ;Navier 2Stokes equation ;nozzle 收稿日期:2009203223;收到修改稿日期:2009204203 基金项目:科技部国际合作项目(J G 2JD 22008001),浙江省自然科学基金(Y107489)和浙江工业大学教改项目资助课题。 作者简介:董辰辉(1983—),男,硕士研究生,主要从事激光熔覆中送粉过程的数值模拟方面的研究。E 2mail :dch_1209@https://www.doczj.com/doc/b017420362.html, 导师简介:姚建华(1965— ),男,博士,教授,主要从事激光先进制造与加工技术等方面的研究。E 2mail :laser @https://www.doczj.com/doc/b017420362.html, 1 引 言 激光熔覆技术是采用高能激光束在金属表面熔 覆一层硬度高、热稳定性好、与基体形成冶金结合的复合涂层的工艺。载气式同轴送粉是实现激光熔覆的关键技术之一,它主要依靠载气的动能把粉末均匀、稳定地输送出去,辅之以气体动力分散和运输,使粉末分散均匀、运输流畅,且能够重点解决立体送粉和合金粉末的长距离输送问题。同轴送粉中粉末流与激光束同轴输出,能够将粉末均匀分散成环形,再汇聚后送入聚焦的激光光束中,并很好地适应扫 描方向的变化,具有激光熔覆技术所需要的各向同性的功能。在载气式同轴送粉系统中,金属粉末流 存在能量、动量和质量输送物理过程,它们直接决定熔覆层的尺寸、精度和性能,因此需要对其粉末流场进行深入的研究。 工业应用中有许多与载气式同轴送粉激光熔覆相似的工艺,如冷喷涂等,对这些类似的工艺过程中的两相流动,人们从理论到实践进行了研究[1]。此外,J ehnming [2]研究了雷诺数为2000时,同轴送粉喷嘴内的气粉两相流动,计算和分析粉末流浓度的