送粉式激光熔覆数值模型基本问题研究_刘振侠

收稿日期:2006年12月同轴送粉激光熔覆件质量影响因素的研究季　霞　周建忠　郭华锋　徐大鹏江苏大学摘　要:介绍了同轴送粉激光熔覆的工艺过程以及激光与金属粉末的作用机理,分析了影响熔覆件质量的主要因素。

建立了粉末对激光能量的吸收表达式和稀释率的表达式,提出从材料特性和工艺参数方面改善熔覆件质量的途径。

最后对同轴送粉激光熔覆成形研究中急需解决的关键问题进行了展望。

关键词:激光熔覆,　同轴送粉,　材料特性,　工艺参数,　熔覆件质量I nfluencing F actors on Q uantity of Cladding P arts by Coaxial Laser CladdingJi X ia Zhou Jianzhong G uo Huafeng et alAbstract :The technical process of the coaxial laser cladding is introduced and the reaction mechanism between metallic pow 2der particle and laser is analyzed.The main in fluencing factors on quantity of cladding parts by coaxial laser cladding are dis 2cussed.The equation of the energy abs orbed by the metallic powder particle from the laser beam is established.The expression of dilution and the path of im proving the quality of cladding parts from material characteristics and processing parameters are present 2ed.The key problem in coaxial laser cladding rapid prototyping is put forward.K eyw ords :laser cladding ,　coaxial feeding ,　material characteristics ,　processing parameters ,　quantity of cladding parts 1　引言同轴送粉激光熔覆技术是快速成形技术的一个重要发展方向。

光内送粉激光直接成形数值分析基于激光熔覆的快速成形技术可以根据三维零件的模型直接制造出各种复杂的金属零件，在航天航空汽车船舶武器装备等领域得到了很大的发展。

激光熔覆快速成形技术结合了激光熔覆与快速成形两大技术的优点，成为目前先进制造技术的一个重要研究方向。

2 计算模型分析2.1 激光、粉末与基板的相互作用模型针对激光对基板的加热熔化作用、粉末与保护气之间形成的气固两相流、激光对粉末的影响、以及粉末与基板的相互作用等物理过程，建立包括基板的熔化、气固两相流的形成、粉末对激光的遮蔽、激光对粉末的加热、熔池熔化粉末、粉末与基板的碰撞等数值计算模型，研究激光、粉末与基板之间的相互作用以及对成型件表面质量、温度、应力等的影响。

2.2 熔覆层与基板的相互作用模型针对基板受热后形成熔覆层的形貌、温度和应力分布，以及激光参数、扫描速度和路径对熔覆层的影响等物理过程，建立包括熔覆层形貌、温度应力分布、基板变形、熔覆层的生长和堆积、成型件表面质量等数值计算模型，研究熔覆层与基板的相互作用以及对成型件质量和温度应力的影响。

3 计算方案3.1 激光、粉末与基板的相互作用模型3.1.1 基板的熔化基板受到激光的加热熔化形成熔池，在熔化的过程中，粘度、密度、比热、导热率等材料参数都是随着温度变化而变化。

以此为基础，建立材料属性参数随温度的变化模型模拟金属基板的熔化现象，并通过定义材料随温度变化的热焓H来考虑熔化和凝固潜热，即，其中，（T）为材料密度，c（T）为材料比热。

熔化过程中的热传导遵循热传导方程，并且导热率随温度变化。

3.1.2 气固两相流模型激光对熔池加热以后，喷嘴以一定的速率喷出载有保护气的合金粉末，这个过程中形成了气固两相流。

其中，气体为连续相，采用N-S方程描述，粉末为离散相，采用力平衡方程描述。

3.1.3 粉末对激光的遮蔽及激光对粉末的加热激光的能量服从Gauss分布，粉末会对激光产生遮蔽作用，对激光的能量产生影响，同时激光也会对粉末加热，以激光路径方向粉末截面积分数的分布为基础，建立粉末对激光的遮蔽模型以及激光与粉末的传热模型，对激光和粉末能量进行修正。

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。

激光熔覆同轴送粉喷嘴的研究状况薛菲;王耀民;刘双宇【摘要】Powder feeding nozzle is used as one of the key components in the powder feeding system which has direct influ-ences on the effect of the laser cladding. With the development of the laser cladding technology, powder feeding nozzle is stud-ied both at home and abroad, so a variety of new powder nozzles are developed to effectively improve the effect of the cladding and powder utilization ratio and reduce the waste. This paper briefly summarizes the domestic and foreign coaxial powder noz-zle progress and powder feeding principle, analyses the existing coaxial powder feeding nozzle status quo, points out the short-comings of the existing powder feed nozzle and proposes that strengthening the powder feed nozzle design is one of the key is-sues of accelerating the laser cladding development, and then the predicts the future development of the coaxial powder feed-ing nozzle.%送粉喷嘴作为送粉系统的关键部件之一，直接影响着激光熔覆的效果。

用于激光熔覆直接成形的载气式送粉器研制的开题报告一、课题背景：激光熔覆直接成形是一种高精度、高效的先进制造技术，它可以用于快速制造各种金属构件，具有精度高、损耗低、材料利用率高等优点。

激光熔覆直接成形技术被广泛应用于航空航天、国防军工等领域，也逐渐应用于民用领域。

激光熔覆直接成形需要在高温、高能量激光束下进行，为确保成形效果，需要保持熔覆区域内的粉末处于一种稳定的状态。

传统激光熔覆直接成形常常采用的是人工喷粉方式，但该方式存在粉末过少、喷粉不均匀等缺点，严重影响成形效果。

为了解决这一问题，需要研发一种高效、准确的载气式送粉器，以保持熔覆区域内的粉末在合适的状态下进行成形。

二、研究目的：本课题旨在研发一种具有高效、精准、稳定的载气式送粉器，以满足激光熔覆直接成形技术对于粉末送入的要求，实现高精度、高效率的金属构件制造。

三、研究内容：（一）载气式送粉器研发本课题将采用气-固两相流动数值模拟方法，对载气式送粉器进行优化设计，提高粉末的喷雾均匀性，降低杂质掺入率，保证激光熔覆直接成形的成形质量。

（二）实验验证根据优化设计的载气式送粉器原型，进行实验验证，并分析实验参数数据，验证其精度、效率以及成形质量，为进一步的应用提供实验数据参考。

四、研究方法：（一）数值模拟采用气-固两相流动数值模拟软件对载气式送粉器进行优化设计，通过参数分析来确定最优设计参数，以达到均匀、准确的粉末喷雾效果。

（二）实验研究根据优化设计的载气式送粉器原型，建立成形设备环境，对原型进行实验验证，通过实验数据的分析，评估其喷粉效率、精度等指标，验证其适用性及成形效果。

五、预期成果：（一）研发一种高效、准确、稳定的载气式送粉器，实现激光熔覆直接成形技术的高质量制造。

（二）优化设计参数，深入探究载气式送粉器的数值模拟方法，为其它相关技术的研发提供参考。

（三）实验数据分析和成果总结，为后续研究提供理论、技术及方法支持。

六、研究时间进度：本课题研究时间为一年。

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。

激光熔覆同轴送粉机理研究及装置设计的开题报告一、选题背景激光熔覆技术是一种高效、精度高、质量可控的先进制造技术，其应用范围涵盖航空、航天、汽车、医疗、电子等领域。

激光熔覆过程中，材料在激光热作用下快速熔化、凝固，形成高质量的涂层或零件。

然而，激光熔覆过程中对粉末进料的粗粒度和颗粒堆积状态等因素要求较高，传统的粉末喂料方式已经不能满足要求，需要研发更加先进的喂粉方式。

因此，本文选题“激光熔覆同轴送粉机理研究及装置设计”，旨在通过研究同轴送粉机理，设计一种可靠的送粉装置，以提高激光熔覆技术的粉末喂料效率和质量。

二、研究目标本文的研究目标是：1. 研究激光熔覆同轴送粉原理及机理，探究因素对喂粉效果的影响。

2. 设计一种可靠的激光熔覆同轴送粉装置，包括喷嘴、螺杆输送机、振动盘等组成部分。

3. 通过实验验证同轴送粉装置的效果，评价其喂粉效率和质量。

三、研究内容本文的研究内容包括：1. 激光熔覆同轴送粉机理研究：探究同轴喂粉方式的原理，分析材料粒径、喷嘴结构、喷嘴间距、粉末密度等因素对喂粉效果的影响。

2. 同轴送粉装置设计：设计包括喷嘴、螺杆输送机、振动盘等组成部分的同轴送粉装置。

其中，喷嘴的结构、位置、尺寸等参数需要根据机理研究的结果进行优化设计。

3. 次级送粉结构设计：为保证喂粉效果，需要设计一种次级送粉结构，以防止粉末堵塞或者过度喂粉的情况发生。

该结构应采用可调节的方式，以适应不同的工艺要求。

4. 实验验证：利用设计好的同轴送粉装置进行激光熔覆喂粉实验，对比同轴送粉和传统喂粉方式下的喂粉效率和质量，评价同轴送粉装置的优劣。

四、研究方法本文的研究采用以下方法：1. 文献综述法：对激光熔覆喂粉技术的现状和发展进行研究，了解同轴喂粉方式的原理和应用情况，为后续研究提供理论基础和实验参考。

2. 数值仿真法：采用ANSYS等数值分析软件，对同轴送粉的流场和喂粉效果进行仿真计算，分析其优缺点，并优化设计同轴喂粉装置的参数。