宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟

激光宽带熔覆光内送粉喷嘴研制雷定中 石世宏 傅戈雁苏州大学,苏州,215021摘要:针对现有光外送粉宽带熔覆中金属粉末受热不均匀㊁光粉同轴耦合精度不高的问题,设计了一种光内送粉激光熔覆喷头㊂送粉装置位于激光熔覆喷头内部,四周被激光束包裹㊂为了实现在宽带激光束内部均匀地对熔池送粉,保证粉末受热均匀,粉末速度方向始终垂直于熔池,设计了一种分粉流道;应用F L U E N T 软件对粉束发散情况进行了数值分析,确定了出口粉管的间距尺寸;应用F L U E N T 软件对粉管内部流场进行分析,确定了装置内部分粉管路的尺寸,减少了出口处的紊流,达到了较佳的送粉效果㊂最后利用所研制的送粉装置进行了送粉实验,验证了其效果㊂关键词:激光宽带熔覆;光内送粉;送粉装置;数值模拟中图分类号:T G 665 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.22.015R e s e a r c ho n I n s i d e ‐l a s e rP o w d e rF e e d i n g N o z z l e f o rB r o a d b a n dL a s e rC l a d d i n gL e i D i n g z h o n g S h i S h i h o n g F uG e ya n S o o c h o w U n i v e r s i t y ,S u z h o u ,J i a n gs u ,215021A b s t r a c t :I no r d e r t o i m p r o v e t h e s i t u a t i o no f t h eu n e v e nh e a t i n g o fm e t a l p o w d e r e x i s t i n g in t h e c u r r e n t o u t s i d e ‐l a s e r p o w d e r f e e d i n g b r o a d b a n d l a s e r c l a d d i n g n o z z l e a n d t h e l o wc o a x i a l c o u p l i n g a c -c u r a c y ,a i n s ide ‐l a s e r c o a x i a l p o w d e rf e e d i ng b r o a d b a n d l a s e r c l a d d i n g n o z z l ew a s d e s i g n e d .Th e e n ti r e d e v i c ew a s l o c a t e d i n s i d e t h e l a s e r c l a d d i n g n o z z l e ,s u r r o u n d e db y l a s e r b e a m ,s e n t i n g c l a d d i n gpo w d e r t o t h e l a s e rm o l t e n p o o l .Af l o wc h a n n e lw a s d e s i g n e d t o r e a l i z e t h eu n i f o r m i t y of i n s i d e ‐l a s e r p o w d e r f e e d i ng a n d e n s u r e th e p o w d e rw a s h e a t e d e v e n l y a n d t h e di r e c t i o n o f t h e p o w d e r v e l o c i t y w a s p e r p e n -d i c u l a r t o t h em o l t e n p o o l t h r o u g h o u t .F L U E N Ts o f t w a r ew a s u s e d t o a n a l y z e t h e d i v e r g e n c e o f p o w -d e r t od e t e r m i n e t h e s i z e o f t h e e x p o r t c h a n n e l s p a c i n g a n d t h e i n t e r n a l f l o wf i e l d o f po w d e r c h a n n e l t o d e t e r m i n e t h e s i z e o f t h e d e v i c e p a r t i a l l y ch a n n e l s o t h a t t h e t u r b u l e n c e a t t h e o u t l e t c o u l db e r e d u c e d a n d t h e b e s t r e s u l t s o f p o w d e r f e e d i n g c o u l d b e a c h i e v e d .F i n a l l y ,t h e p o w d e r f e e d i n g no z z l e f o r p o w d e r f e e d i n g t e s tw a s u s e d t ov a l i d a t e t h e e x p e r i m e n t a l e f f e c t s o f p o w d e r f e e d i n g de v i c e .K e y w o r d s :b r o a d b a n d l a s e r c l a d d i n g ;i n s i d e ‐l a s e r p o w d e rf e e d i ng ;p o w d e r f e e d i n g d e v i c e ;n u m e r i -c a l s i m u l a t i o n收稿日期:20140626基金项目:国家自然科学基金资助项目(10972150);江苏省科技支撑计划资助重点项目(B E 2012068);江苏省产学研联合创新资金资助项目(B Y 2012109)0 引言激光熔覆技术被广泛用于材料表面的强化㊁修复和改性[1‐3]㊂对于一些大型工件,如大型轴类零件表面㊁大面积平面激光熔覆等场合,利用宽带激光进行熔覆,能够大大提高熔覆效率,同时由于减少了搭接次数而使得熔覆层质量也得到提高[4‐5]㊂现有激光宽带熔覆方法为:实心宽带激光束照射到待加工表面形成熔池,同步从光束的一侧或者两侧将同样为狭长形的粉束送进熔池[6]㊂本文提出了一种光内送粉激光宽带熔覆方法,实现了在中空的宽带激光束内部进行送粉熔覆㊂光内送粉技术是激光熔覆成形中较为先进的粉末供给方式,送粉装置位于激光熔覆喷头内部,四周被激光束包裹,由喷头向激光熔池内部喷送金属熔覆粉末[7‐8]㊂为了实现在宽带激光束内部均匀地对熔池送粉,保证粉末受热均匀㊁粉末速度方向始终垂直于熔池表面,光和粉对称耦合以消除离焦量对光粉耦合精度的影响,本文研究设计了一种分粉流道,借助于F L U E N T 软件研究了分粉流道的形状和尺寸对送粉效果的影响,对送粉机构进行了不同尺寸参数的数值模拟,选出了较优方案,最终通过送粉实验验证了送粉机构的合理性[9‐16]㊂1 光内宽带送粉结构设计图1a 为光外送粉激光宽带熔覆原理图,激光㊃6703㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.束为实心宽带光束,送粉装置位于光束两侧为熔池送粉;图1b 为光内送粉激光宽带熔覆原理图,激光束为中空光束,送粉装置位于光束内部为熔池送粉㊂(a)光外宽带送粉熔覆原理(b)光内宽带送粉熔覆原理图1 激光宽带熔覆示意图图2为自主研发设计的光内同轴送粉激光宽带熔覆喷头示意图,根据该光内送粉激光宽带熔覆喷头所形成的汇聚光斑长度(L =13mm ),设计光内送粉装置㊂从图2可以看出,由于送粉喷嘴位于激光光束的内部,其形状尺寸受到光束限制㊂根据设计的聚焦光路,送粉喷嘴的长度小于30mm ,宽度小于15mm ,厚度小于10mm ㊂由于单根粉管的窄槽送粉装置送出的粉末不均匀,粉斑浓度呈高斯分布,故而拟采用并列多根送粉管道的送粉方式㊂图2 光内同轴送粉喷头示意图1.1 连续相湍流控制方程载气粉末在粉管内的流动物理模型为气固两相流动,本文采用F L U N E T 软件中的离散模型进行研究,采用k ‐ε模型进行求解,其中连续相为输送气,满足以下方程㊂质量守恒方程:∂ρg ∂t+Ñ㊃(ρg v g )=0(1)动量守恒方程:∂v g ∂t +(Ñ㊃v g )v g =g -1ρg Ñp +μÑ2v g(2)式中,ρg 为气体的密度;v g 为气体的速度;p 为气相微元体上的压力;g 为重力加速度㊂1.2 颗粒相轨迹方程在F L U N E T 软件中,粉末颗粒的作用力满足以下平衡方程:d v pd t =F D (v g -v p )+g i (ρp -ρg )ρp +F i (3)F D =18μρp p d 2p C D Re 24(4)R e =ρg d p |v g -v p |μ(5)式中,ρp 为粉末密度;v p 为粉末速度;F D (v g -v p )为单位质量粉末颗粒的牵引力,D 为流体计算控制域;g i 为重力加速度在i 方向上的分量;d p 为颗粒直径;C D 为牵引系数;μ为气相的动态黏度;R e 为相对雷诺数;F i 为由流体压力梯度引起的在i 方向上的力㊂1.3 结构设计与仿真根据激光熔覆实验对粉束的要求,内径为1mm 的单根送粉粉管在载气压力p 为0.075M P a ㊁送粉量为1.25g /m i n ㊁载气量q V 为0.75L /m i n ㊁平均粒径d 为75μm 的计算条件下进行F L U N E T 数值分析所得结果如图3所示㊂通过测量可知,距离送粉喷嘴出粉口20mm 处,粉束的发散角度约为4.9°,故而拟采用四根粉管并列送粉(图4a ),将粉束的发散角度按5°计算,可知四根粉管的间距为3mm ㊂单根粉管送粉,粉末呈高斯分布,但是由于粉束的发散,在两根粉管之间的区域有重叠,重叠区域的粉末进行累积,可实现相邻两粉斑相互补偿,得到均匀分布的粉斑(图4b)㊂图3 单根粉管送粉F L U E N T 分析采用同样的计算条件,对四根粉管并列送粉进行了F L U E N T 数值模拟分析,结果如图5所示㊂粉束的发散角度约为4.2°(图5a),离粉管出粉口20mm 处的粉斑尺寸约为12.5mm ×2.9mm (图5b),达到了预期设计目标㊂根据上述计算参数设计了光内送粉宽带熔覆的送粉喷嘴,根据流体力学中流体向阻力最小的方向流动的原理可知,当采用一分四的流道模型时,靠近主流道较近的两个分流道中流体流量大㊂为了使四根送粉管内粉末量均匀,采用一分㊃7703㊃激光宽带熔覆光内送粉喷嘴研制雷定中 石世宏 傅戈雁Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(a)四粉管并列送粉(b)粉斑相互补偿示意图图4送粉管设计原理图(a)四粉管并列送粉(b)粉斑尺寸图5 四根粉管送粉F L U E N T 分析二㊁二分四的流道模式,该喷嘴通过一根入口粉管供粉,四根粉管并列出粉(图6)㊂可通过对四根出粉管的出口直径进行微调达到精确的送粉宽度㊂图6 光内同轴送粉装置示意图2 光内宽带送粉流场分析2.1 分粉管道模型建立与网格划分采用P r o /E软件建立送粉管道的三维流场模型,在粉管出口处建立一个矩形的大气流场区域,模型初步设定的尺寸参数为L 1=3mm ,L 3=3mm ,如图7a 所示㊂其次,对所所建立的流场模型进行网格划分,如图7b 所示㊂(a)流场模型(b)网格划分图7 流场模型建立与网格划分2.2 模拟结果分析计算参数设定为:载气压力p 为0.3M P a,载气量q V 为3L/m i n ,送粉量为5g /m i n ,平均粒径d 为75μm ㊂计算结果如图8所示㊂从图8a 可以看出,各个分支管路出口处的速度方向比较杂乱,从图8b 出口处粉末的浓度分布图可以看出,在四根粉管出口处粉末分布较为集中,未能达到均匀送粉的目的㊂从图8c ㊁图8d 中可以看出,在各个分支管路处的湍流比较明显,从而导致出口处的粉末速度方向比较混乱,粉束发散严重,不能汇聚成均匀的矩形粉斑㊂对图8d 分析可知,湍流主要发生在突缩和拐角处,主管路内部的湍流相对要小很多㊂(a )流体速度(b)出口处粉末浓度 (c)湍流(d)湍流图的部分放大图图8 L 1=3mm ,L 3=3mm ,p =0.3M P a 时计算结果㊃8703㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.管路路线的突然变化,会导致流体所受的正压力和速度方向产生强烈的变化,从而形成回流,输送粉末的气体和周围相对低速的载气形成剪切运动从而产生许多漩涡,形成的涡旋会不断地从主流中获得能量,通过涡旋之间的相互作用,能量由大尺度涡旋向小尺度涡旋传递,而小尺度涡旋受到管壁黏性力的作用而破裂形成更小尺度的涡旋,伴随着湍流能量的耗散,湍流会随着分支管道长度的增加而减小并最终消失[10‐12]㊂根据上述流体理论,增加分支管路的长度就可以缓解出口处的湍流,但是本文设计的送粉装置要安装在激光熔覆管头内部,尺寸上受到严格限制㊂所以必须对图6所示模型中三段粉管的尺寸(L 1㊁L 2㊁L 3)进行分析,找出较佳的分支管路的长度,实现粉管出口处气流的湍动均匀分布,以保证送出的粉末均匀,熔池内能获得较均匀的粉末㊂表1为送粉器F L U E N T 仿真分析的各个送粉通道长度的尺寸参数表,依据表1中的4组尺寸进行仿真分析,确定出较佳的尺寸参数㊂表1 图9~图12送粉器F L U E N T 仿真分析参数表L 1(mm )L 2(mm )L 3(mm )p (M P a )图96350.3图108370.3图1183130.3图1283130.2(a)流体速度(b)出口处粉末浓度图9L 1=6mm ,L 3=5mm ㊁p =0.3M P a 时计算结果 (a)流体速度(b)出口处粉末浓度图10 L 1=8mm ,L 3=7mm ㊁p =0.3M P a 时计算结果 (a)流体速度(b)出口处粉末浓度图11 L 1=8mm ,L 3=13mm ㊁p =0.3M P a 时计算结果 (a)流体速度(b)出口处粉末浓度图12 L 1=8mm ,L 3=13mm ㊁p =0.2M P a 时计算结果 对比图8㊁图9和图10可知,当第一段分流导管(L 1)和四根出口导管(L 3)加长后,出口气流变得有规律,出口粉末浓度变得较为均匀,送粉效果有所改善㊂对比图10和图11可知,只加长四根出口导管(L 3),出口气流所呈现的规律基本无变化,从而可知,当四根出口导管的长度达到一定值后再增加其长度对出口气流的状态无明显影响㊂对比图11和图12可知,在不同送粉气压下,出口气流所呈现的规律基本无变化,因此该送粉机构可以满足不同送粉气压下的送粉要求,实现了设计意图㊂3 实验研究3.1 送粉喷嘴研制根据上述模拟分析,结合分粉器尺寸限制范围,采用L 1=10mm ,L 2=5mm ,L 3=15mm 的尺寸设计制造送粉喷嘴,采用3D 打印快速成形技术制造送粉喷嘴装置流道㊂为了使送粉喷嘴尽可能地贴近熔池送粉,送粉喷嘴出口处与四根长度为40mm 的金属管相连,图13为送粉喷嘴的实物照片㊂3.2 送粉实验将送粉喷嘴的粉末入口粉管与送粉器相连,㊃9703㊃激光宽带熔覆光内送粉喷嘴研制雷定中 石世宏 傅戈雁Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图13 送粉喷嘴实物照片本实验采用的是G T V I m pe x G m b H 公司的G T VP F 2/2M 型送粉器,采用高纯度的氮气作为载气,粉末材质选用铁基合金粉末(F e 310),粒度为100~200目(74~149μm );送粉量为8.0r /m i n ,载气压力为0.3M P a ,载气流量为3.0L /m i n ,扫描速度为6mm /s ,送粉喷嘴离工件表面高度为20mm ㊂扫描所得的粉斑如图14所示㊂(a)粉柱侧面照片(b)粉柱正面照片 (c)粉斑尺寸照片(d)粉斑放大照片图14 送粉实验照片从图14可以看出:送粉喷嘴所送出的有效粉斑宽度约为14mm ,基本达到了预期设计想要达到的13mm 的尺寸要求,粉斑两侧的粉束发散比较小㊂从图14d 可以看出,粉末分布较为均匀,粉末飞溅量较少㊂根据上述送粉参数,采用D I L A S .3k W 高功率半导体激光器系统㊁K U K A 机器人系统㊁G T VP F 2/2M 型送粉器,激光功率为1.5k W ,在F e 314基材上进行激光宽带表面熔覆实验,结果如图15所示㊂从图15a 中可以看出,熔道宽度为13mm ,从图15b 中可以看出,送粉比较均匀,达到了预期设计的要求㊂(a)单道熔覆层(b)熔道剖面图图15 单道熔覆实验4 结论(1)用笔者设计的分粉流道,根据流固耦合理论,采用F L U E N T 软件仿真分析方法,得到了用于激光宽带熔覆光内送粉的新型结构㊂(2)由数值分析可知,采用一分二㊁二分四的分粉管结构时,各个分支管路的长度对出口处粉末形态影响较大,当采用L 1≥8mm ㊁L 2≥3mm ㊁L 3≥7mm 的管路尺寸时,空中粉束较为稳定,具有较好的方向性,矩形熔池中的粉末分布较为均匀,粉斑长度与光斑长度尺寸接近,满足了送粉要求㊂(3)由数值分析可知,当送粉喷嘴内部管路采用同一种尺寸时,在不同送粉压力的条件下,其送粉效果基本保持一致,这就保证了送粉喷嘴可以适用于不同送粉压力条件㊂(4)采用最佳管路尺寸设计制造的送粉喷嘴,在出粉口下端20mm 处粉末分布最为理想,粉斑宽度达到14mm ,粉末在长度和宽度方向汇聚性俱佳,较好地满足了宽带送粉要求㊂参考文献:[1] 宋建丽,李永堂,邓琦林,等.激光熔覆成形技术的研究进展[J ].机械工程学报,2010,46(14):29‐39.S o n g J i a n l i ,L iY o n g t a n g ,D e n g Qi l i n ,e t a l .R e s e a r c h P r o c e s s o fL a s e rC l a d d i n g F o r m i n g T e c h n o l o g y[J ].J o u r n a l o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2010,46(14):㊃0803㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.29‐39.[2] 肖荣诗,王智勇,杨晓,等.同步送粉大功率激光表面宽带熔覆技术[J].应用激光,2000,20(3):115‐116.X i a o R o n g s h i,W a n g Z h i y o n g,Y a n g X i a o,e ta l.T e c h n i q u e sf o r W i d e T r a c e C l a d d i n g w i t h H i g hP o w e rL a s e r s[J].A p p l i e dL a s e r,2000,20(3):115‐116.[3] 杨森,钟敏霖,张庆茂,等.激光快速成型金属零件的新方法[J].激光技术,2001,25(4):254‐257.Y a n g S e n,Z h o n g M i n l i n,Z h a n g Q i n g m a o,e t a l.N e wT e c h n i q u e t oR a p i d l y M a n u f a c t u r eM e t a l P a r t sw i t hL a s e r[J].L a s e rT e c h n i q u e,2001,25(4):254‐257.[4] 史建军.激光宽带熔覆装置及工艺研究[D].苏州:苏州大学,2007.[5] 杨胶溪,左铁钏,徐文清,等.宽带激光熔覆制造高速线材硬质合金辊环术[J].应用激光,2006,26(6): 369‐371.Y a n g J i a o x i,Z u oT i e c h u a n,X u W e n q i n g,e ta l.T h eF a b r i c a t i o no fH i g h‐s p e e d W i r eR o l l sb y W i d e‐s t r i pL a s e rC l a d d i n g C e m e n t e dC a r b i d e[J].A p p l i e dL a-s e r,2006,26(6):369‐371.[6] 王智勇,陈虹,左铁钏.一种大功率激光加工用带式积分镜的设计[J].北京工业大学学报,2002,28(3): 334‐336.W a nZ h i y o n g,C h e n H o n g,Z u oT i e c h u a n.D e s i g no f S t r i p I n t e g r a lM i r r o r f o rH i g hP o w e r L a s e r P r o c e s s-i n g[J].J o u r n a l o f B e i j i n g U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,2002,28(3):334‐336.[7] 石皋莲,石世宏,吴少华,等.光内送粉激光熔覆快速成形粉末利用率实验研究[J].热加工工艺,2010, 39(7):152‐154.S h iG a o l i a n,S h iS h i h o n g,W u S h a o h u a,e ta l.R e-s e a r c ho nE f f e c t i v eU t i l i z a t i o nR a t eo fP o w e r i n I n-s i d eL a s e rC o a x i a lP o w d e rF e e d i n g L a s e rC l a d d i n ga n d R a p i d P r o t o t y p i n g P r o c e s s[J].H o t W o r k i n gT e c h n o l o g y,2010,39(7):152‐154.[8] 石世宏,傅戈雁.激光加工成形制造光内送粉工艺与光内送粉喷头:中国,200610116413.1[P].2006‐09‐22.[9] 王维,才磊,杨光,等.激光熔覆同轴送粉喷嘴研制[J].中国激光,2012,39(4):0403003.W a n g W e i,C a iL e i,Y a n g G u a n g,e t a l.R e s e a r c ho n t h eC o a x i a lP o w d e rF e e d i n g N o z z l e f o rL a s e rC l a d-d i n g[J].C h i ne s eJ o u r n a lo fL a s e r s,2012,39(4):0403003.[10] 朱刚贤,李涤尘,张安峰,等.沉积层结构对同轴送粉喷嘴粉末流场的影响规律[J].中国激光,2010,37(6):1636‐1642.Z h uG a n g x i a n,L iD i c h e n,Z h a n g A n f e n g,e t a l.I n-f l u e n c eo fD e p o s i t e d L a y e r’sS t r u c t u r eo n F l o wF i e l do fC o a x i a lP o w d e rF e e d i n g N o z z l e[J].C h i-n e s e J o u r n a l o fL a s e r s,2010,37(6):1636‐1642.[11] W e nSY,S h i nYC,M u r t h y JY,e t a l.M o d e l i n g o fC o a x i a l P o w d e rF l o wf o r t h eL a s e rD i r e c tD e p o s i-t i o nP r o c e s s[J].I n t.J.H e a tT r a n s f e r,2009,52(25/26):5867‐5877.[12] 董敢,刘继常,李媛媛.激光熔覆中同轴送粉气体粉末流数值模拟[J].强激光与粒子束,2013,25(8):1951‐1955.D o n g G a n,L i uJ i c h a n g,L i Y u a n y u a n.N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fG a s‐p o w d e rF l o wi nL a s e rC l a d d i n gw i t hC o a x i a lP o w d e rF e e d i n g[J].H i g hP o w e rL a-s e r a n dP a r t i c l eB e a m s,2013,25(8):1951‐1955.[13] N a n Y a n g.C o n c e n t r a t i o n M o d e lB a s e do n M o v e-m e n t M o d e lo f P o w d e r F l o w i n C o a x i a l L a s e rC l a d d i n g[J].O p t.&L a s e r T e c h n o l.,2009,41(1):94‐98.[14] W a n g X i a o b i n g,S u nB i,C h e n g Y o n g,e t a l.P r o p e r-t i e s o f F l a t t e n e d G a u s s l a n B e a m i n D i r e c t i o n a lP r i s m C a v i t y[J].L a s e rT e c h n o l o g y,2002,26(2):117‐119.[15] 赵维义,胡芳友,易德先.三通道激光熔覆同轴送粉喷嘴气体速度场试验[J].中国表面工程,2012,25(1):51‐55.Z h a o W e i y i,H u F a n g y o u,Y iD e x i a n.E x p e r i m e n to fS h i e l d i n g G a sF l o w F i e l do na T h r e e T u n n e l sC o a x i a l P o w d e rF e e d i n g N o z z l e[J].C h i n aS u r f a c eE n g i n e e r i n g,2012,25(1):51‐55.[16] 韦俊尤,胡晓冬,姚建华.激光熔覆沸腾式送粉器气固两相流数值模拟研究[J].激光技术,2012,36(6):719‐723.W e i J u n y o u,H uX i a o d o n g,Y a oJ i a n h u a.N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fG a s‐s o l i dT w o‐p h a s eF l o wi nF l u i d-i z e dB e dB a s e dP o w d e r f o rL a s e rC l a d d i n g[J].L a-s e rT e c h n o l o g y,2012,36(6):719‐723.(编辑 王艳丽)作者简介:雷定中,男,1988年生㊂苏州大学机电工程学院硕士研究生㊂石世宏,男,1956年生㊂苏州大学激光加工与特种制造研究所教授㊁博士㊂傅戈雁,女,1959年生㊂苏州大学激光加工与特种制造研究所教授㊁博士㊂㊃1803㊃激光宽带熔覆光内送粉喷嘴研制 雷定中 石世宏 傅戈雁Copyright©博看网. 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同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究同轴载气送粉激光熔覆技术是一种先进的制备方法，具有高效率、高质量、高可控性等优点，因此在加工领域得到了广泛的应用。

在使用该技术进行熔覆粉末流成形时，粉末流参数的选择对于熔覆质量的影响非常大。

本文将针对同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数进行研究，从以下几个方面进行分析。

一、粉末流速度粉末流速度是影响熔覆质量的重要参数之一。

当粉末流速度过大时，会导致熔滴的飞溅和熔覆质量下降；当粉末流速度过小时，会导致熔池面积减小、熔覆质量下降。

因此，应根据熔覆材料的性质和设备的能力，选择合适的粉末流速度。

二、载气流量载气流量是指粉末颗粒在流动过程中所受到的空气流动的力量大小。

合适的载气流量可以保证熔覆粉末流形成正常，同时也可以将存在于熔合池中的杂质、气泡等物质排出，保证熔覆质量的提高。

过大或过小的载气流量都会影响熔覆质量，应选取合适的值。

三、喷嘴与底板的距离喷嘴和底板的距离也是影响熔覆质量的重要参数之一。

当喷嘴和底板的距离过大时，粉末流速度将变低，影响熔覆质量；当喷嘴和底板的距离过小时，容易导致熔滴飞溅，同样影响熔覆质量。

因此，喷嘴和底板的距离应根据熔覆材料的性质、熔覆质量要求和设备的能力，进行合理的选择。

四、粉末流角度和喷嘴半径粉末流角度和喷嘴半径也会影响熔覆质量。

当粉末流角度过大或喷嘴半径过小时，会导致粉末流速度过大，熔滴飞溅，熔覆质量下降；当粉末流角度过小或喷嘴半径过大时，会导致粉末流速度过小，熔覆层减薄，熔覆质量下降。

因此，粉末流角度和喷嘴半径也应进行合理的选择。

通过以上分析，我们可以得出同轴载气送粉激光熔覆的粉末流参数的研究，是保证熔覆质量和生产效率的必要措施。

因此，在使用该技术进行熔覆粉末流成形时，应根据熔覆材料的性质、熔覆质量要求和设备的能力，选择合适的粉末流速度、载气流量、喷嘴和底板的距离、粉末流角度和喷嘴半径。

第29卷 第11期光 学 学 报V ol.29,No.112009年11月ACTA OPTICA SINICANovember,2009文章编号:0253-2239(2009)11-3114-07激光熔覆中同轴粉末流温度场的数值模拟杨洗陈 栗 丽 张 烨(天津工业大学激光技术研究所,天津300160)摘要 在激光同轴送粉熔覆中,由于激光与粉末流相互作用,粉末流整体温度分布直接影响激光熔覆的质量。

基于非预混燃烧模型,将激光相处理为连续性介质,粉末颗粒相看作离散相物质,建立了激光作用下粉末流的质量、动量和能量方程。

用Fluent 软件进行了不同激光功率和粉末流速度条件下粉末流整体温度场数值模拟,讨论了各种参数对温度场分布的影响。

为了验证该模型的准确度,利用CCD 比色测温方法测量了粉末流整体温度场分布。

结果表明,数值模拟与CCD 检测结果具有良好的一致性,数值模拟结果对激光熔覆具有指导意义。

关键词 激光熔覆;粉末流;温度场;数值模拟;Fluent 软件;CCD 相机;温度测量中图分类号 T N 249 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 20092911.3114Nume rical Simulation of Temperature Fie ld of Coaxial Powder Flowin Lase r CladdingYang Xichen Li Li Zhang Ye(La ser Pr ocessing Cent er ,T ian jin P olytechnic Un iver sit y ,T ia n jin 300160,Chin a )Abstract I n la ser coaxia l cladding,laser casing qualities are directly affected by temperature field of powder flow for the interaction between laser and powers.According to the model of non -premixed c om bustion,regarding laser beam as c ontinuity medium pha se and powder a s disperse medium phase,the conservation equations of mass,m oment um and energy are established in laser and powder puter simulations of tem perature field in different para meters are finished using Fluent software.Some effects of laser c ladding parameters on temperat ure distribution such as laser power and powder flow velocity are discussed.Temperature field distribution in the powder flow is measured by CCD c amera.It is shown that simulation and experimental results agree well,numeric al simulation of temperature field in powder flow is important for laser cladding.Key wo rds la ser cladding;powder flow;temperature field;num eric al simulation;Fluent software;CCD camera;m ea surments temperature收稿日期:2009-07-20;收到修改稿日期:2009-09-28基金项目:国家自然科学基金(60478004)和天津市科技支撑计划重点项目(08ZCKF GX02300)资助课题。

文章编号:0258-7025(2008)03-0452-04激光熔覆中粉嘴流场的数值模拟杨 楠 杨洗陈(天津工业大学激光技术研究所,天津300160)摘要 建立了激光熔覆中由粉嘴输出的保护气体-金属粉末两相流场计算模型,应用FL U EN T 软件进行计算。

该模型中考虑了两相流中动量和质量的传输。

分析了金属粉末流场的水平方向和中心线上的速度分布规律,以及粉嘴内外粉末流的速度矢量分布规律。

计算结果表明,中心线处粉末流速度分布先呈现微小的增大减小过程,而后单调递增,大约从粉嘴下方100mm 后呈线性递增;速度水平分布先在中心线附近达到最大而后在径向距离6~11mm 区间内线性递减至零。

在相同的工艺参数下,应用数字粒子图像测速(DPIV )技术对同一流场进行检测,计算值和测量值吻合较好。

结果表明,所建立的保护气体-金属粉末流速度场模型是可靠的,该模型对掌握流场参数分布和进一步指导粉嘴尺寸设计有一定的参考作用。

关键词 激光技术;粉末流速度场;数字粒子图像测速技术;粉嘴中图分类号 T N 249;T F 124 文献标识码 ANumerical Simulation of Flow Field of Nozzle in Laser CladdingYang Nan Yang Xichen(L aser P r ocessing Center ,T ianj in Poly technic Univ er sity ,T ianj in 300160,China)Abstract A numerical mo del of velocity dist ribution of shielding g as -metal pow der two phases f low field o utputfrom t he nozzle in laser cladding is established,and it is calculated by FL U EN T soft war e.In t his model,the influences of mo mentum and mass tr ansmissio n o n the tw o phases flow are taken into co nsideration.T he metal po wder flow field velo city distributio n on hor izontal and center line is analyzed,as well as the v elocity vector distr ibut ion of pow der flow inside or outside the no zzle.T he results show that po wder velocity mag nitude on center line increases first,then decr eases,finally it keeps linearly increasing fr om the stand -o ff distance 100mm belo w the no zzle;pow der v elo city mag nitude on ho rizo ntal line r eaches its maximum near the center line,then linear ly decreases to 0from t he r adial distance 6mm to 11mm.U nder the same pr ocess parameter s,the same flow field is measured w ith digit al par ticle imag e v elo city (D PIV )technique.T he calculated r esult ag rees well with the measured result,w hich indicates that the est ablished model is r eliable.T he mo del can be used to obtain flow field par amet ers and further design the no zzle size.Key words laser technique;velo city field of pow der flo w;digita l particle imag e velo city technique;nozzle收稿日期:2007-08-07;收到修改稿日期:2007-09-23 基金项目:国家自然科学基金(60478004)资助项目。

激光熔覆中同轴送粉气体-粉末流数值模拟董敢;刘继常;李媛媛【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2013(025)008【摘要】The discrete phase module in FLUENT is used to build the two-dimensional model of gas-powder flow.The im pacts of the amounts of shielding gas,transporting gas and fed powder on the concentration field and velocity field distribution,divergence angle and the focus of powder flow are discussed.The calculated results show that with increase in transporting gas flux,the powder velocity increases and the gas-powder flow's divergence angle decreases,and with increase in powder feed amount,the gas-powder flow's focus moves down a little and the powder concentration at this focus increases.At the same values of the process parameters as in the calculation,the camera is used to take photos of the powder flow distribution.It is shown that the experimental results agree well with the computational results.%应用FLUENT软件的离散相模块建立了激光熔覆中气体-粉末流的二维模型,研究了保护气和输送气流量及送粉量对粉末流浓度场和速度场的分布规律的影响以及对粉末流发散角和焦点的影响.计算结果表明:随着输送气流量的增大,粉末流速度增加,粉末流发散角逐渐减小；送粉量增加,焦点略微下移,焦点处粉末流浓度值增大.在相同的工艺参数下,使用单反相机拍摄粉末流分布,结果表明试验与计算结果基本吻合.【总页数】5页(P1951-1955)【作者】董敢;刘继常;李媛媛【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TN249;TF124【相关文献】1.同轴送粉激光熔覆过程中粉光匹配影响因素及控制研究 [J], 刘喜明2.宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟 [J], 郭翔宇;倪茂;刘华明;雷凯云;杜甫3.同轴送粉激光熔覆中激光透过率研究 [J], 申卫国;岑虎;雷剑波;刘立峰;王云山4.送粉激光熔覆中送粉速率对激光束与粉末流相互作用的影响(英文) [J], 黄延禄;李建国;梁工英;苏俊义5.激光制造中载气式同轴送粉粉末流场的数值模拟 [J], 靳晓曙;杨洗陈;冯立伟;王云山因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第１７卷第６期２０１９年１２月福建工程学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｕｊｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ.１７Ｎｏ.６Ｄｅｃ.２０１９ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７２－４３４８.２０１９.０６.０１１基于ＥＤＥＭ的激光熔覆粉末利用率仿真分析李春雨(福建工程学院机械与汽车工程学院ꎬ福建福州３５０１１８)摘要:针对现有同轴载气激光熔覆粉末利用率低的不足ꎬ设计环式同轴载气激光熔覆头ꎬ利用离散单元法对熔覆粉末在粉流道内的运动进行仿真分析ꎬ研究熔覆头喷嘴结构参数对粉末汇聚和利用率的影响规律ꎮ结果发现ꎬ粉流道夹角对粉焦距和汇聚性能影响较大ꎬ当夹角为３６ʎ时ꎬ粉末颗粒分布较为集中ꎬ熔覆头的粉末利用率达到最高４８.５％ꎮ研究成果可为熔覆头结构设计提供理论依据ꎮ关键词:激光熔覆ꎻ离散单元法ꎻ熔覆头设计ꎻ粉末利用率ꎻＥＤＥＭ中图分类号:ＴＮ２４９ꎻＴＦ１２４文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７２－４３４８(２０１９)０６－０５６９－０６ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｐｏｗｄｅｒｂａｓｅｄｏｎＥＤＥＭＬＩＣｈｕｎｙｕ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＦｕｊｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＦｕｚｈｏｕ３５０１１８ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｌｏｗｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｐｏｗｄｅｒｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｃｏａｘｉａｌｇａｓ￣ｃａｒｒｙｉｎｇｌａｓｅｒｃｌａｄ￣ｄｉｎｇꎬａｒｉｎｇ￣ｔｙｐｅｃｏａｘｉａｌｃａｒｒｉｅｒｇａｓｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄꎬａｎｄｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｐｏｗｄｅｒｉｎｔｈｅｐｏｗｄｅｒｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ.Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄ ｓｎｏｚｚｌｅｏｎｐｏｗｄｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｐｏｗｄｅｒｃｈａｎｎｅｌｈａｓｇｒｅａｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｆｏｃａｌｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｅｃｏｎ￣ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｗｄｅｒ.Ｗｈｅｎｔｈｅａｎｇｌｅｗａｓ３６ʎꎬｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｏｗｄｅｒｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄꎬａｎｄｔｈｅｐｏｗｄｅｒｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄｒｅａｃｈｅｄａｍａｘｉｍｕｍｏｆ４８.５％.Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇꎻｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄꎻｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄｄｅｓｉｇｎꎻｐｏｗｄｅｒｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏꎻＥＤＥＭ引言激光熔覆是指在高能量密度激光束的辐照下熔覆粉体和基体表层迅速熔融ꎬ并形成稀释度低㊁与基体成冶金结合的表面涂层ꎬ是激光加工领域较为前沿的新兴技术ꎬ根据送粉工艺不同又细分为预置粉式和同轴送粉式激光熔覆[１]ꎮ通过选择不同熔覆材料可显著改善基体表层的耐磨㊁耐蚀㊁耐热㊁抗氧化及电特性等ꎬ从而达到表面改性或修复的目的ꎬ既满足了对材料表面特定性能的要求ꎬ又可节省大量的贵重元素[２－３]ꎮ送粉喷嘴是激光熔覆工艺装备关键部件之一ꎬ运用仿真技术研究不同喷嘴结构的粉末流场对于工艺现象理解ꎬ以及研究粉末利用率及熔覆效果具有关键作用[４]ꎮＨＰａｎ等[４]建立一种考虑颗粒形状效应的随机模型模拟整个熔覆过程ꎬ分析了激光熔覆头结构对粉末运动规律的影响ꎬ并通过实验验证了该随机型模型的有效性ꎮＹａｎ等[５]运用有限元建模分析方法研究适用于Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ粉末在建筑薄壁结构中的沉积特性ꎬ通过优化喷嘴形状ꎬ获取粉末的高利用率和激光能量需求的最小化之间的平衡ꎮＴａｋｅｍｕｒａ等[６]则收稿日期:２０１９－０８－１９基金项目:福建省教育厅项目(ＪＡ１４２０８ꎬＪＡ１４２１６)ꎮ作者简介:李春雨(１９８１－)ꎬ女ꎬ黑龙江齐齐哈尔人ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ研究方向:检测与测量ꎬ增材制造ꎮ福建工程学院学报第１７卷利用ＣＦＤ多相流仿真分析研究了粉末的利用率问题ꎬ仿真结果发现粉焦距短于激光束焦距㊁降低气体流速可以改善粉末汇聚ꎬ提高粉末利用率ꎮ申卫国和王宁等[７－８]分别运用仿真手段研究了同轴送粉时粉末流的汇聚特性与喷嘴的结构参数的关联性ꎮ以上研究多是基于宏观尺度的有限元或多相流场的建模分析ꎬ而本文则是希望通过将宏观连续的粉末流离散为一系列颗粒ꎬ从粉末颗粒尺度出发研究粉流在喷嘴内部的流动特性ꎮ离散单元法以其考虑材料微结构及处理碰撞方面的独特优势ꎬ在工程领域得到广泛的应用[９－１２]ꎮ本文采用颗粒离散元法对环式同轴式熔覆头喷嘴进行ＥＤＥＭ建模分析ꎬ研究结构参数㊁粉焦距㊁载气速度对于涂层粉末汇聚性能(粉斑直径㊁粉末速度)的影响规律ꎮ１㊀颗粒离散单元法建模离散单元法是将颗粒离散体看作有限离散元的组合ꎬ通过建模与仿真分析颗粒运动以及颗粒与颗粒之间应力的交互作用[９]ꎮ结合熔覆粉体特征ꎬ采用硬球模型的离散单元法ꎬ力学模型为Ｈｅｒｔｚ￣ＭＤ无滑移接触模型ꎬ忽略颗粒表面粘连ꎬ颗粒接触如图１所示ꎬ其法向力计算一般会采用半径分别为Ｒ１和Ｒ２的两球形颗粒发生了弹性接触ꎬ法向重叠量δｎ为:δｎ＝Ｒ１＋Ｒ２－ｒ１－ｒ２>０(１)式中Ｒ１和Ｒ２表示颗粒１和颗粒２的半径ꎻｒ１和ｒ２是两颗粒的球心位置矢量ꎮ图１㊀Ｈｅｒｔｚ理论中两球形颗粒弹性接触变形Ｆｉｇ.１㊀ＥｌａｓｔｉｃｃｏｎｔａｃｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｗｏｓｐｈｅｒｉｃａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎＨｅｒｔｚｔｈｅｏｒｙ由于产生弹性变形ꎬ两颗粒接触面为圆形ꎬ定义接接触面的半径ｒ∗ꎬ则ｒ∗可用式(２)进行计算:ｒ∗＝㊀δｎＲ∗(２)颗粒间法向力Ｆｎ可由式(３)求出[１０]:Ｆｎ＝４３Ｅ∗Ｒ(∗)１２δ３２(３)式(２)和式(３)中ꎬＲ∗和Ｅ∗分别为有效颗粒半径和有效弹性模量ꎮ１Ｒ∗＝１Ｒ１＋１Ｒ２ꎬ１Ｅ∗＝１－ｖ２１Ｅ１＋１－ｖ２２Ｅ２(４)式中ꎬＥｉ㊁ｖｉ分别为颗粒１和颗粒２的弹性模量和泊松比ꎮ设两颗粒间发生碰撞前的速度分别为Ｖ１㊁Ｖ２ꎬ发生碰撞时的法向单位矢量为ｎꎬ则相对速度的法向分量Ｖｒｅｌｎ可由式(５)求出:Ｖｒｅｌｎ＝(Ｖ１－Ｖ２) ｎ(５)则颗粒间的法向阻尼力Ｆｄｎ为[１３]Ｆｄｎ＝－２５６βＳｎｍ∗Ｖｒｅｌｎ(６)式中ｍ∗㊁β和Ｓｎ分别为等效颗粒质量㊁模型系数和法向刚度ꎬ可分别由下式计算[１３]:ｍ∗＝ｍ１ｍ２ｍ１＋ｍ２ꎬβ＝ｌｎｅ㊀ｌｎ２ｅ＋π２ꎬＳｎ＝２Ｅ∗Ｒ∗δｎ(７)式中ｅ为恢复系数ꎮ颗粒间的切向力Ｆｔ可由式(８)求出:Ｆｔ＝－Ｓｔδｔ(８)式中δｔ为切向重叠量ꎻＳｔ为切向刚度ꎬ可由式(９)求出[１４]:Ｓｔ＝８Ｇ∗Ｒ∗δｎ(９)式中Ｇ∗为等效剪切模量ꎬ可由式(１０)求出[１０]:Ｇ∗＝２－ｖ２１Ｇ１＋２－ｖ２２Ｇ２(１０)式中Ｇ１ꎬＧ２为颗粒的剪切模量ꎬ可由材料的弹性模量和泊松比运算而得:Ｇ１＝Ｅ１２１＋ｖ１()ꎬＧ２＝Ｅ２２１＋ｖ２()(１１)颗粒间的切向阻尼力Ｆｄｔ可由下式求出[１４]:Ｆｄｔ＝－２５６βＳｔｍ∗ｖｒｅｌｔ(１２)式中ｖｒｅｌｔ是切向相对速度ꎮ以上力学建模为后续仿真分析基础ꎬ模型建立后ꎬ只需在ＥＤＥＭ软件中设置相应参数即可获取颗粒的运动特性ꎮ０７５第６期李春雨:基于ＥＤＥＭ的激光熔覆粉末利用率仿真分析２㊀ＥＤＥＭ仿真环境设置ＥＤＥＭ是进行颗料力学建模与仿真的软件平台ꎬ主要由Ｃｒｅａｔｏｒ㊁Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ和Ａｎａｌｙｓｔ三部份构成ꎮＣｒｅａｔｏｒ是前处理工具ꎬ完成几何结构导入和颗粒模型建立等ꎮ如图２所示ꎬ将熔覆头三维模型导入ＥＤＥＭ中ꎬ设置中心位置ꎬ在熔覆头下端建立基体板料ꎬ设置为直线运动ꎮ同时ꎬ生成３个虚拟平面ꎬ用以生成颗粒ꎮ在仿真开始前ꎬ先要对环式载气同轴送粉喷嘴进行结构设计与分析ꎮ图２㊀熔覆头三维建模㊀Ｆｉｇ.２㊀３－Ｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｈｅａｄ２.１㊀同轴送粉喷嘴结构环式载气同轴送粉喷嘴的工作原理如图３所示ꎬ其内部通道有冷却水通道㊁环形粉末通道㊁保护气体通道与激光光束通道ꎬ下部喷嘴具有冷却和送粉功能ꎻ喷嘴芯内孔的锥形孔为激光束通道ꎬ切向设计３个入粉口ꎬ粉末在载气作用下在环形送粉通道内充分分散ꎮ激光束的大部份能量汇聚于基体熔池区域ꎬ除用于热熔融ꎬ仍有部份以热辐射形式对外扩散ꎬ对喷嘴头的热作用很强烈ꎮ因此ꎬ粉末聚焦点和出粉口之间距离不宜过短ꎬ且喷嘴头应具有优良粉末汇聚性能ꎮ喷嘴头圆锥面与工件表面的距离为粉焦距为λꎻ喷嘴头圆锥面处孔径为φ＝４.７ｍｍꎬ孔中心线与喷嘴轴心线夹角为ａꎻ通过光斑直径与激光镜片焦距ꎬ算得激光束夹角ꎻ当粉末聚焦点和光束焦点在熔池处重合ꎬ误差控制在１ｍｍ的范围内ꎮ２.２㊀ＥＤＥＭ仿真参数选取颗粒和流道内壁之间的接触力采用式(６)－式(１２)建立的Ｈｅｒｔｚ－ＭＤ理论计算颗粒－颗粒间图３㊀载气同轴送粉喷嘴工作原理Ｆｉｇ.３㊀Ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｃｏａｘｉａｌｇａｓ￣ｃａｒｒｙｉｎｇｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｎｏｚｚｌｅ的作用力ꎬ并假定壁面不会因为颗粒和壁面相互碰撞而移动ꎮ通过实验观察ꎬ熔覆粉末基本呈现规则球形[２]ꎬ假设接触力为理论状态ꎬ颗粒的属性可以直接计算获得ꎮ颗粒接触方法为网格法ꎬ计算得时间步长设置为５％~４０％ꎮ设置仿真时间步长为２０％ꎬ仿真时间为２ｓꎮ仿真环境材料属性与边界接触参数选取见表１和表２ꎮ表１㊀材料属性Ｔａｂ.１㊀Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ材料泊松比剪切模量/Ｐａ密度/(ｋｇ ｍ－３)静电力Ｎｉ０.３１０７.９０Ｅ＋１０８５０００青铜０.３２０８.２０Ｅ＋１０９６２００Ｑ２３５Ａ０.２８８２.１０Ｅ＋１１７８６００表２㊀材料接触属性Ｔａｂ.２㊀Ｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｔａｃｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ相互关系恢复系数静摩擦系数动摩擦系数镍粉－镍粉０.４２０.３５０.２３镍粉－青铜０.５３０.６２０.４８镍粉－钢０.２１０.６３０.５３３㊀仿真结果与分析本文主要探究喷嘴结构参数对粉末汇聚性能的影响ꎬ因此ꎬ不考虑激光热能对颗料运动的影响ꎬ仿真时只需将喷嘴进行建模处理即可ꎮ同时ꎬ１７５福建工程学院学报第１７卷忽略粉末颗粒从送粉器被输送至熔覆头过程中的能量损失ꎮ３.１㊀颗粒速度仿真与分析由多次实验得知在激光行走速度为４ｍｍ/ｓꎬ激光功率为１８００Ｗꎬ送粉速率为３０ｇ/ｍｉｎ时ꎬ激光熔覆层品质较好[２]ꎮ设定重力加速度为９.８１ｍ/ｓ２ꎬ大气压为标准大气压ꎮ图４为３.５ｍ/ｓ的载气初速度下ꎬ颗粒的速度变化趋势曲线ꎮ图４㊀颗粒速度图Ｆｉｇ.４㊀Ｐａｒｔｉｃｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉａｇｒａｍ由图４可知ꎬ颗粒在载气和重力的复合效应下ꎬ以一定加速度驱动速度提升ꎬ当颗粒第１次撞击到入粉孔内壁时ꎬ产生能量损失ꎬ当损失量大于颗粒受重力场施加的机械能时ꎬ颗粒做减速运动ꎬ这是颗粒的第１次减速ꎬ如图４所示ꎻ同时ꎬ后面加速运动的颗粒和之前减速的颗粒发生碰撞ꎬ由动量守恒定理知减速的颗粒将被加速ꎬ加速的颗粒被减速ꎮ由于颗粒碰撞是瞬态过程ꎬ在重力场的作用下ꎬ颗粒群仍会呈现加速运动趋势ꎬ即:颗粒从０.０３ｓ到１.４０ｓ左右发生持续加速状态ꎬ但后期出现速度不规则变化ꎮ当速度达到最大值２５.３ｍ/ｓ时ꎬ颗粒接触到基体表面并出现大幅度下降ꎬ到１.６０ｓ时ꎬ粒子停止运动ꎬ速度仿真结果分析与实验现象相符ꎮ图５为喷嘴行走速度为ｖ１＝４ｍ/ｓꎬ时间为ｔ＝２ｓ的颗粒堆积形态ꎬ粉末生成速率为ｖ２＝３０ｇ/ｍｉｎꎬ镍粉的密度为ｅ＝８５００ｋｇ/ｍ３ꎬ颗粒的半径设置为ｒ１＝０.０１ｍｍꎬ则粉末利用率ε可由下式进行计算[１５]:ε＝ｅˑｎˑｒ１３/(ｖ１ｔ)(１３)图５㊀颗粒堆积形态Ｆｉｇ.５㊀Ｐａｒｔｉｃｌｅｐａｃｋｉｎｇｓｔａｔｕｓ式中ｎ表示颗粒堆积数目ꎮ结合仿真统计结果可算得粉焦距为６ｍｍ时的粉末利用率为３３.９％ꎬ粉末在基体表面的堆积形态符合实际熔覆层的分布状态ꎬ如图５所示ꎮ但在实际工艺实施中ꎬ熔覆颗粒在高能束下会产生热粘结现象ꎬ即当颗粒从出粉孔飞散出去后ꎬ受到激光的影响ꎬ颗粒之间发生粘结ꎬ造成颗粒与基体表面的撞击能量损失增大ꎬ缓解了颗粒飞散ꎬ更多的颗粒将粘结成熔覆层ꎬ致使粉末利用率将提高１０％~１３％左右[１５]ꎮ因此ꎬ仿真结果与文献[４ꎬ１６]载气式同轴送粉喷嘴的粉末利用率可达４０％的结论一致ꎮ３.２㊀夹角ａ对粉末汇聚性能的影响分析如图３所示ꎬ送粉通道夹角ａ直接决定粉焦距ꎬ又同时影响粉斑大小ꎬａ取值不同粉焦距不同ꎬ实验时应适配不同激光焦距ꎮ因此ꎬ本文仅针对喷嘴夹角ａ进行仿真优化ꎮａ不应太小ꎬ影响到喷嘴芯的整体结构性ꎻａ太大ꎬ则使入粉环式通道过小ꎮ通过查阅文献与初步计算ａ取值范围在３０ʎ－３８ʎ较为合理[１５]ꎮ设置角度间隔为２ʎꎬ并分析不同粉焦距时粉末汇聚特性ꎬ仿真环境为:载气速度为１５ｍ/ｓꎬ离焦量为６ｍｍꎬ送粉速率为３０ｇ/ｍｉｎꎬ熔覆头行走速度为４ｍｍ/ｓꎮ粉斑大小的确定是利用比例法ꎬ观察仿真边界切面上粉斑所占切面面积的比例可计算出粉斑直径和气流汇聚焦距[１６]ꎮ图６为不同参数下喷嘴果颗粒的运动轨迹ꎬ由图６知ａ＝３６ʎ时ꎬ轨迹相对集中ꎮ根据仿真颗粒统计ꎬ可计算获得不同夹角ａ下的粉斑和粉焦距ꎬ见表３ꎮ仿真结果均与设计目标有所偏差ꎬ为了定量评价仿真结果ꎬ此处采用数值加权法分析夹角对汇聚性能的影响ꎮ２７５第６期李春雨:基于ＥＤＥＭ的激光熔覆粉末利用率仿真分析图６㊀不同夹角ａ时喷嘴颗粒的运动轨迹Ｆｉｇ.６㊀Ｍｏｖｅｍｅｎｔｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｆｎｏｚｚｌｅｐａｒｔｉｃｌｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｓａ表３㊀不同夹角ａ时熔覆头仿真获得的汇聚焦距和粉斑数值Ｔａｂ.３㊀Ｐｏｗｄｅｒｆｏｃａｌｌｅｎｇｔｈａｎｄｐｏｗｄｅｒｓｐｏｔｖａｌｕｅｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｓａ夹角ａ/(ʎ)气流汇聚焦距ｆ/ｍｍ粉斑ｄ/ｍｍ３０７.３３.９３２７.２３.５３４６.３３.４３６５.９３.１３８５.７３.３由于设计依据激光光源的光斑直径为３.２ｍｍꎬ光斑直径应大于粉末汇聚的粉斑直径是熔覆头设计的原则之一ꎬ以粉斑直径和光斑直径的外径差绝对值为指标ꎬ以Δｄ表示ꎮ设计的离焦量为６ｍｍꎬ在激光熔覆加工时ꎬ为让激光光斑与粉斑重合ꎬ分析以气流汇聚焦距和离焦量６ｍｍ的距离差绝对值为指标ꎬ用Δｆ表示ꎬ如表４所示ꎮ由于环式结构头的环形通道ꎬ激光加工时不会出现粉末提前熔化堵塞出粉口的现象ꎮ因此ꎬ粉末汇聚焦距指标是影响不大的试验指标ꎬ在综合评分时ꎬ设该权值为０.３ꎮ本次分析的重点是研究粉斑直径ꎬ因此设定该权值为０.７[１６]ꎮ综合评分越低ꎬ则说明熔覆头的汇聚性能越好ꎮ由表４的综合评分结果可知当ａ＝３６ʎ分值最小ꎬ为０.１ꎮ表４㊀仿真结果加权评分表Ｔａｂ.４㊀Ｗｅｉｇｈｔｅｄｓｃｏｒｅｓｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ试验号夹角ａ/(ʎ)仿真结果分析粉斑直径ｄ/ｍｍ气流汇聚焦距ｆ/ｍｍ试验指标粉斑直径Δｄ/３.２ｍｍ气流汇聚焦距Δｆ/６ｍｍ综合评分Δｄ∗０.７＋Δｆ∗０.３１３０３.９６.９０.７０.９０.７６２３２３.５６.５０.３０.５０.３６３３４３.４６.３０.２０.３０.２３４３６３.１５.９０.１０.１０.１０５３８３.３５.７０.１０.３０.１６３.３㊀粉焦距对粉末利用率的影响分析粉末利用率是评价熔覆头性能优良的关键参数之一ꎮ依据表３仿真结果知:在给定的粉流道夹角范围内ꎬ粉焦距在５~８ｍｍ范围内变化ꎮ为了扩大分析范围ꎬ粉焦距选取３~９ｍｍꎬ仿真环境与表３相同ꎬ可结合式(１３)粉末利用率的变化曲线ꎬ如图７所示ꎬ可以得到:在离焦量为６ｍｍ时ꎬ熔覆头粉末利用率较高ꎬ达到４８.５％ꎬ当送粉孔离工件高度为３ｍｍ和９ｍｍ时ꎬ粉末利用率较低ꎮ３７５福建工程学院学报第１７卷图７㊀粉末利用率图Ｆｉｇ.７㊀Ｐｏｗｄｅｒｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏ４㊀总结本文以某型号激光光源为依据ꎬ设计了一种环式载气同轴送粉喷嘴ꎬ研究在不同夹角下送粉孔的对粉末汇聚特性及粉末利用率的影响ꎬ通过离散元力学建模与ＥＤＥＭ仿真分析获得的主要结果为:１)粉流道夹角越大ꎬ粉焦距越小ꎬ当夹角ａ＝３６ʎ时ꎬ此时喷嘴的粉焦距和粉斑大小与设计目标较为接近ꎬ汇聚性能最好ꎻ２)粉焦距与粉末利率呈现非线性关系ꎬ当粉焦距为６ｍ时ꎬ粉末利率最高ꎮ参考文献:[１]李方义ꎬ李振ꎬ王黎明ꎬ等.内燃机增材再制造修复技术综述[Ｊ].中国机械工程ꎬ２０１９ꎬ３０(９):１１１９－１１２７ꎬ１１３３. 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