同轴送粉喷嘴保护气体流场研究

专利名称：一种包含导向保护气流的激光熔覆同轴送粉喷嘴专利类型：实用新型专利
发明人：张显程,轩福贞,刘志勇,王正东,涂善东
申请号：CN201020293633.3
申请日：20100817
公开号：CN201823642U
公开日：
20110511
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种激光熔覆同轴送粉喷嘴，包括连接套、粉末套、导向保护气套、冷却水套，喷嘴芯，为多层的同心锥筒结构，连接套下端与喷嘴芯可拆卸连接，内部的锥孔与喷嘴芯内部的通孔相通，用作激光束及保护气体的共用通道；粉末套的内锥面与连接套的外锥面之间形成粉末通道；导向保护气套的内锥面与粉末套的外锥面之间形成导向保护气通道；冷却水套的内锥面与导向保护气套的外锥面之间形成冷却水通道；其中，激光束及保护气体的共用通道、粉末通道、导向保护气通道和冷却水通道同轴。

本实用新型的激光熔覆同轴送粉喷嘴，可及时冷却喷嘴端部，提供导向保护气流能够更好地保护激光熔池并汇聚粉末流，使得喷嘴工作更加稳定。

申请人：华东理工大学
地址：200237 上海市徐汇区梅陇路130号
国籍：CN
代理机构：上海智信专利代理有限公司
代理人：薛琦
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光内送粉喷头空间变姿态粉气流场数值模拟姜付兵;石世宏;傅戈雁【摘要】光内送粉喷头是一种新型的激光熔覆同轴送粉喷头,具有空心光束、单根粉束指向性好、无干涉、光粉气一体同轴等优势.为了分析喷头倾斜角度和外层准直气流速对粉束汇聚特性的影响,采用FLUENT软件进行模拟计算,对喷头在空间变姿态作业过程中单喷嘴出口粉束的汇聚特性进行了理论分析和实验验证.结果表明,喷嘴出口粉末质量浓度分布沿x方向服从高斯分布,对称轴上沿-y方向质量浓度先基本保持恒定,后逐渐下降为0kg/m3;随喷头倾斜角度的增大,粉末汇聚长度h不断减小,h变化范围为11mm～17mm,偏移量△x大致呈增大趋势,△x变化范围为0.0mm ～ 0.4mm;随外层准直气速度增加,汇聚长度h呈轻微上升趋势,h上升幅度为1mm～2mm,而偏移量△x在不同倾斜角度范围内呈现出不同变化趋势,△x变化幅度为0.05mm～0.15mm;实验数据与模拟结果变化趋势基本吻合.所建模型和模拟结果对于选择和优化实验工艺参量具有参考价值.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(039)002【总页数】7页(P145-151)【关键词】激光技术;气固两相流;数值模拟;光内同轴送粉【作者】姜付兵;石世宏;傅戈雁【作者单位】苏州大学机电工程学院,苏州215021;苏州大学机电工程学院,苏州215021;苏州大学机电工程学院,苏州215021【正文语种】中文【中图分类】TG156.99;TN249Key words:laser technique; gas-solid two-phase flow; numerical simulation; inside-beam coaxial powder feeding*通讯联系人。

E-mail：*******************.cn金属零构件空间修复和3维自由成形在工程与国防领域具有很好的应用前景[1]，而光粉耦合工艺是实现激光直接成形的关键技术之一，对送粉喷头喷嘴出口流场特性进行数值模拟分析，对于优化喷嘴结构和工艺参量具有重要意义。

方形光斑激光增材制造同轴送粉喷嘴结构优化及工艺研究方形光斑激光增材制造技术是一种利用激光束将粉末熔融成熔池，逐层堆积形成零件的先进制造技术。

在方形光斑激光增材制造过程中，送粉喷嘴的结构优化和工艺研究对于提高制造质量和效率至关重要。

首先，对于送粉喷嘴的结构优化，需要考虑以下几个因素：1. 喷嘴形状：传统的圆形喷嘴存在粉末堵塞和剧烈粉尘飞扬的问题。

通过优化喷嘴形状，如改变喷嘴截面形状为方形，可以有效减少粉尘产生和堵塞现象。

2. 喷孔布置：合理的喷孔布置可以保证粉末均匀喷到光斑区域，避免出现过多或过少的喷粉现象。

同时，喷孔的尺寸和形状也需要进行优化，以保证粉末喷出的径向气流能够均匀地覆盖整个光斑区域。

3. 材料选择：喷嘴的材料应具有良好的耐热性和耐磨性，以适应高温和高速的喷粉环境。

常见的材料选择包括不锈钢、陶瓷等。

其次，工艺研究是为了优化方形光斑激光增材制造的操作参数，提高制造效率和质量。

1. 光斑尺寸和功率：光斑的尺寸和功率直接影响到熔池的形成和稳定性。

通过调整激光参数，如功率和焦距，可以控制光斑的尺寸和能量密度，从而实现精细的熔池控制。

2. 加热策略：熔池的加热策略会影响到零件的成形速度和质量。

选择合适的加热策略，如预热、快速加热和复合加热等，可以实现零件的快速成形和减少热应力。

3. 粉末喷射速度和气流压力：粉末喷射速度和气流压力的控制对于粉末的均匀喷射和溅射现象的抑制至关重要。

通过优化送粉喷嘴的结构和调整气流参数，可以实现精确的喷粉控制。

综上所述，方形光斑激光增材制造同轴送粉喷嘴的结构优化和工艺研究是提高制造质量和效率的关键。

通过优化喷嘴结构和调整工艺参数，可以实现精细的熔池控制和粉末喷射控制，从而提高制造质量和效率。

气液同轴式雾化喷嘴外流场数值模拟与分析
郭宇
【期刊名称】《南方农机》
【年(卷),期】2024(55)11
【摘要】【目的】常规液体单相工质雾化喷嘴在外流场射流时会出现射流速度衰减快、范围变化小,湍动能波动较小等问题。

【方法】使用一种气液两相同轴喷嘴,通过在单相液体水喷嘴的周围增加空气通道,并保证液体和气体同轴,设计了两种不同结构的喷嘴,采用流体分析软件FLUENT,对气液同轴式雾化喷嘴的外流场进行数值模拟及仿真分析,并绘制了雾化喷嘴在射流场内不同位置处动压、湍动能和射流速度的云图和折线图。

【结果】a型喷嘴的射流效果较好,在不同气体进口压力下气液同轴雾化喷嘴的速度、动压和湍动能呈现规律性变化。

【结论】气液两相雾化喷嘴对速度和动压的衰减有延缓作用,其湍动能数值大,辐射范围更广,对周围空气的扰动能力更强,因此喷射效果好,对雾滴的利用率更高,对煤矿降尘有着很好的效果。

【总页数】4页(P32-35)
【作者】郭宇
【作者单位】山西电子科技学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH122;V434
【相关文献】
1.气液两相同轴式超声喷嘴内流场数值模拟研究
2.气液同轴离心式喷嘴雾化特性试验研究
3.气液同轴离心式喷嘴喷雾流场数值模拟
4.内直外旋气液同轴式喷嘴流量及雾化特性
5.气液同轴双离心式喷嘴宏观雾化特性实验研究
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工艺参量对同轴送粉喷嘴气体保护效果的影响易德先;胡芳友;徐成伟;崔爱永;卢长亮【摘要】为了解决激光直接制造金属零件中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,采用烟雾流动显示技术对喷嘴保护气体流场进行了研究.系统研究了喷嘴保护气流速率、喷嘴出口距零件表面距离、喷嘴移动速率和侧风速率对气体保护效果的影响.结果表明,随着喷嘴保护气流速率的增加,保护范围先增加后减小;随着侧风速率和喷嘴移动速率的增大,气流轴线偏离喷嘴轴线距离增大;当侧风速率超过喷嘴气流速率50%,距喷嘴出口10mm处,气流完全偏离喷嘴轴线,完全失去对金属熔池的保护.这一结果为选择合适的喷嘴气流参量提供了依据.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)005【总页数】4页(P584-586,623)【关键词】激光技术;工艺参量;烟雾流动显示;同轴送粉喷嘴【作者】易德先;胡芳友;徐成伟;崔爱永;卢长亮【作者单位】海军航空工程学院青岛分院,航空机械系,青岛,266041;海军航空工程学院青岛分院,航空机械系,青岛,266041;海军航空工程学院青岛分院,航空机械系,青岛,266041;海军航空工程学院青岛分院,航空机械系,青岛,266041;海军航空工程学院青岛分院,航空机械系,青岛,266041【正文语种】中文【中图分类】TN249引言同轴送粉喷嘴是激光直接制造金属零件系统的关键部件之一，是保证激光制造金属零件质量的重要环节之一[1-3]。

惰性保护气体在激光直接制造过程中起着非常重要的作用，一是保护聚焦透镜免受飞溅物和熔化金属颗粒的污染；二是输送金属粉末，为激光金属熔池提供稳定，连续和精确的粉末流；三是隔绝激光金属熔池区域的空气，使熔化的金属免受空气中有害气体的影响，保证金属零件的制造质量[4-5]。

从同轴送粉喷嘴喷出的保护气体是一种柔性的保护气套，保护效果容易受工艺参量(如喷嘴保护气流速率、喷嘴出口距零件表面距离、激光扫描速率等因素)的影响[6]。

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。

激光熔覆孔式同轴送粉系统设计及实验研究周余;杨永强;黄延禄【摘要】为了解决送粉激光熔覆系统中因重力作用发生偏聚及水冷效果差等问题,采用以激光束轴心为中心轴圆周均匀分布送粉孔的方法,设计了一系列孔式同轴送粉喷嘴(主要结构包括激光束通道、保护气体通道、水冷通道、气载送粉通道),从而获得良好的粉末流形态,提高送粉激光熔覆的质量.用该系列喷嘴在竖直(90°),60°,30°和水平(0°)等工况下进行粉末汇集性实验,发现粉末汇集效果良好.通过对Ti和Ni粉末、工具钢和等材料进行熔覆实验,送粉系统输送的粉末稳定、均匀,得到的熔覆样品表面光滑、熔覆层组织均匀,熔覆层与基体呈冶金结合.结果表明,孔式同轴送粉系统较好地满足了激光熔覆对送粉喷嘴的要求,并且能用来进行多种元素粉未的材料合成.所开发的送粉系统适用于材料表面改性和熔覆3维制造.%To solve the problems of unsatisfied water-cooling and deposit deviation induced by gravity during laser cladding, a series of feeding nozzles distributed radially and symmetrically was designed to obtain satisfied powder stream and improve cladding quality (the main structure including laser beam routeway, shielding gas routeway, water-cooling routeway and gas feeding routeway).It was found that the powder pooling was satisfied during experiments conducted under conditions that the angles between the nozzle and horizontal plane were 90°, 60°, 30 °and 0° respectively.Some experiments were also conducted adopting powders of Ti, Ni and tool steel respectively.Powders were fed stably and uniformly during experiments.The cladding samples with smooth surface and homogeneous microstructure were metallurgically bonded with thesubstrate.Experimental results show that the nozzles are satisfactory for powder feeding in laser cladding and can be used for material synthesis of powders.The system is suit for surface modification and 3-D solid fabrication.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)001【总页数】4页(P102-105)【关键词】激光技术;激光熔覆;同轴送粉;粉末流【作者】周余;杨永强;黄延禄【作者单位】华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510640【正文语种】中文【中图分类】TG156.99引言激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种表面改性技术。

第33卷第2期中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程Vol.33No.22020年4月CHINA SURFACE ENGINEERINGApril 2020收稿日期:2019-10-24;㊀修回日期:2020-02-01通信作者:李强(1986 ),男(汉),讲师,博士;研究方向:难加工材料增减材实验及机理研究;E-mail :neuliqiang@基金项目:辽宁省自然科学基金(20180550167);辽宁省教育厅重点攻关项目(LJ2019ZL005,LJ2017ZL001);辽宁省高水平创新团队国(境)外培养项目(2018LNGXGJWPY-ZD001)Fund :Supported by Natural Science Foundation of Liaoning Province (20180550167),Key Projects of Education Department of Liaoning Prov-ince (LJ2019ZL005,LJ2017ZL001)and Oversea Training Project of High Level Innovation Team of Liaoning Province(2018LNGXGJWPY-ZD001).引用格式:郭辰光,郭昊,李强,等.同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律[J].中国表面工程,2020,33(2):136-148.GUO C G,GUO H,LI Q,et al.Effects law of coaxial powder feeding process parameters on flow field of laser additive remanufactur-ing nozzle[J].China Surface Engineering,2020,33(2):136-148.doi:10.11933/j.issn.10079289.20191024001同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律郭辰光1,2,郭㊀昊1,2,李㊀强1,岳海涛1,王㊀闯1(1.辽宁工程技术大学机械工程学院,阜新123000;2.辽宁工程技术大学辽宁省大型工矿装备重点实验室,阜新123000)摘㊀要:激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流汇聚特性是影响零件成形质量和成形效率的重要因素,基于DEM-CFD 耦合方法,开展三维同轴送粉喷嘴粉-气流场仿真分析,依据表征粉流汇聚特性的喷嘴中心轴向粉流分布浓度㊁焦点距离㊁上焦点截面粉流分布浓度和单位距离粉流分布浓度等参数,设计单因素试验,在喷嘴结构不变的条件下,分析输粉气流速度㊁送粉速率和中心光路保护气速度对粉流分布的影响规律㊂结果表明:输粉气流速度越大,焦点距离越小,轴向粉流分布浓度越小,上焦点截面粉流浓度分布直径越小,单位距离粉流分布浓度越大,粉流的集聚性越好;中心光路保护气速度对粉流焦点浓度影响较小,保护气速度越大,焦点距离越大,上焦点截面粉流浓度分布直径越小,单位距离粉流分布浓度增加,粉流的集聚性越好;送粉速率对焦点距离影响较小,送粉速率越大,喷嘴轴向粉流分布浓度越大,上焦点截面粉流浓度分布直径越大,单位距离粉流分布浓度出现先增大后减小的趋势㊂关键词:激光增材再制造;同轴送粉喷嘴;离散单元法-计算流体力学(DEM-CFD);粉流分布中图分类号:TN249文献标志码:A文章编号:1007-9289(2020)02-0136-13Effects Law of Coaxial Powder Feeding Process Parameters on Flow Field of LaserAdditive Remanufacturing NozzleGUO Chenguang 1,2,GUO Hao 1,2,LI Qiang 1,YUE Haitao 1,WANG Chuang 1(1.School of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Liaoning Provincial Key Labo-ratory of Large-scale Industrial and Mining Equipment,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)Abstract :Powder flow convergence of coaxial powder feeding nozzle was an important factor that affects the forming qualityand efficiency in laser additive remanufacturing.The powder-gas flow field simulation analysis of coaxial powder feeding nozzle was carried out based on DEM-CFD coupling method.According to the parameters such as nozzle center axial powder flow dis-tribution concentration,focal distance,powder flow concentration distribution at upper focal section and concentration of pow-der flow per unit distance,a single-factor experiment was designed to analyze the influence of carrier gas flow,powder feedingrate and shielding gas velocity on the powder flow distribution under the nozzle structure remained unchanged.Results showthat,with the increased of the carrier gas flow,the focal distance,nozzle center axial powder flow distribution concentrationand diameter of powder flow concentration distribution at upper focal section decreases gradually,concentration of powder flow㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律per unit distance increases,the powder flow convergence become excellent.The shielding gas velocity has few influence on the focal concentration.The higher the shielding gas velocity is,the smaller the diameter of powder flow concentration distribution at upper focal section is,while the focal distance,concentration of powder flow per unit distance and the powder flow conver-gence become larger and better.The effect of powder feeding rate on the focal distance is not significant,with the increased of powder feeding rate,the nozzle center axial powder flow distribution concentration and the diameter of powder flow concentra-tion distribution at upper focal section also increase,concentration of the powder flow per unit distance increases first and then decreases.Keywords:laser additive remanufacturing;coaxial powder feeding nozzle;Discrete element method-computational fluid dy-namics(DEM-CFD);powder flow distribution0㊀引㊀言激光增材再制造技术是近年来兴起的一种表面修复技术,采用该技术对缺损的零件进行再制造修复,能够极大地降低生产成本[1-2]㊂同轴送粉法是同步送粉式激光熔覆最为先进和应用最多的一种送粉方式,此种送粉方式能够满足各向同性的要求[3-5],并能在加工过程中形成方向不受限制的均匀熔覆层,适用于增材修复[6]㊂同轴送粉喷嘴引导粉流均匀送入激光强作用区域并与基体同时熔化形成熔覆层,其工作性能直接影响毛坯再制造后的成形质量[7-8]㊂现阶段增材再制造的主要缺陷之一在于粉末输送稳定性差㊁粉末使用率低,因此研究同轴送粉喷嘴粉流流场对优化同轴送粉喷嘴结构㊁改善零部件再制造后的成形质量具有重要的指导意义[9-11]㊂目前,国内外学者的大量研究与试验发现气固两相流理论对粉末输运流场的研究具有较高的准确性和可靠性㊂Pan等[12]研究了重力驱动送粉模式的粉流与粉末特性㊁喷嘴形状和保护气设置对粉流流场的影响,建立三维喷嘴数值模型来预测粉流浓度变化;Kovaleva等[13]开发出用于不同同轴喷嘴的气粉输送三维物理和数学模型,通过数值模拟获得了基体上的粉流质量和定量流动特性;Zhang等[14]使用CFD理论建立了同轴送粉三维数值模型,研究环境压力和喷嘴尺寸对激光熔覆粉末颗粒速度和分布的影响;Tan等[15]使用粒子成像系统拍出的粉流图像分析送粉工艺参数和喷嘴距基体表面距离对粉流流场的影响;Zhu等[16]应用FLUENT2-D离散相模型计算同轴送粉粉流场分布情况;靳晓曙等[17]建立了粉流简化物理模型并采用欧拉双流体方法对同轴送粉粉流流场进行数值分析㊂上述对同轴送粉喷嘴粉-气流场研究的分析计算模型主要为DPM模型和Euler双流体模型,依照上述方法虽能通过计算得到粉流场大致变化规律㊁但此类方法忽略颗粒自身物性及碰撞问题,并不能准确描述粉流在实际情况下的空间分布㊂离散单元法将不连续体分散为刚性元素的集合,分散后的每一个单元都作为独立的个体计算它的运动方程,颗粒系统的模拟需要对颗粒位移增量与接触力增量进行循环计算[18]㊂研究采用DEM-CFD耦合方法来模拟同轴送粉气固两相流流场分布及颗粒运动情况的数值方法,并应用Navier-Stokes方程计算气相流动信息,通过DEM接触模型计算粉体颗粒的运动㊁碰撞㊁受力等信息[19]㊂以喷嘴中心轴向粉流浓度分布㊁焦点距离㊁上焦点截面粉流浓度分布㊁单位距离粉流分布浓度等参数作为衡量指标,探究输粉气流速度㊁中心光路保护气速度㊁送粉速率对粉流分布的影响,结合EDEM-FLUENT 软件进行模拟仿真,以输粉气流速度为4m/s㊁中心光路保护气速度为1.5m/s㊁送粉速率20g/min作为基础参数,设计单因素试验㊂通过数值模拟,可以清晰直观地观察气-粉两相的流场分布以及颗粒在喷嘴内部的运动情况,实现了粉流流场的可视化,提高了对同轴送粉过程模拟的准确性,对同轴送粉粉流输运流场的研究具有重要的指导意义㊂1㊀气粉流场理论模型1.1㊀颗粒受力模型当颗粒在气相中运动时,颗粒边界层存在法向速度梯度,当气体流经颗粒表面并与颗粒产生相对运动时,会形成压差阻力,因此颗粒在气流731中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年中运动时的运动阻力主要由黏性摩擦阻力和涡流压差阻力两部分组成,运动阻力方程如式(1)所示:F R=18πCρd2p v2p(1)㊀㊀式中:C是绕流阻力系数;ρ是流体密度,kg/m3;d p是球状颗粒直径,m;v p是颗粒的速度,m/s㊂除此之外,颗粒在流体中以一定速度运动时,沿颗粒边界层法向的速度梯度会发生剪切效应,出现颗粒表面的压力差并形成了如式(2)所示Saffman升力;气流中颗粒与颗粒之间㊁颗粒与壁面之间发生碰撞后会产生如式(3)所示Mag-nus螺旋升力[14]:F Saff=1.61d2p(ρμ)12ωf-12(v p-v f)ωf(2)㊀㊀式中:v f是流体的速度,m/s;μ是流体动力黏度,N㊃s/m2;ωf是沿颗粒边界层法向的速度梯度,ωf=∇㊃v f㊂F Mag=14πd3pρ(v p-v f)ωf[1+O(R e)](3)式中:O(R e)表示未明确写出的级数余数㊂金属粉末颗粒粒径范围为50~500μm,属于介观尺度范围,材料密度大,属于低速气固两相流动,因此只考虑碰撞接触力㊁重力㊁曳力等对颗粒的作用,其他力暂不考虑㊂此外,粉末存在不规则表面形态,颗粒基本为不同直径大小的球形颗粒,以球当量径来描述颗粒直径,采用平均体积粒径方法统计粒度分布情况㊂可求得平均体积粒径d aV㊂d aV=3ðnd3pðn(4)1.2㊀颗粒接触模型离散单元法把分析对象看成充分多的离散单元,根据全过程中的每一时刻各颗粒间的相互作用计算接触力,再用牛顿运动定律计算单元的运动参数,实现颗粒对象运动情况的预测㊂根据处理问题的不同,颗粒模型可分为硬球模型和软球模型两类,硬球模型颗粒之间的碰撞是瞬时的且不会发生显著的塑性变形,在计算时只需考虑颗粒的同时碰撞㊂软球模型把颗粒间的法向力简化为弹簧k n和阻尼器βn,切向力简化为弹簧k b㊁阻尼器βb和滑动器μ,依据颗粒间法相重叠量和切向位移计算接触力,颗粒接触力简化模型如图1(a)所示㊂由于同轴送粉喷嘴喷粉时,粉体颗粒之间会产生相互碰撞,且能够发生弹塑性变形,产生小尺度重叠量,因此采用软球模型㊂如图1(b)所示,当颗粒i 与颗粒j在相互接触时,存在一法向的重叠量α,其中v为粒子速度㊁F n为颗粒法向力㊁F t为颗粒切向力㊁ω为颗粒角速度㊁g为重力加速度㊂对于颗粒接触模型,应用EDEM中的Hertz-Mindlin无滑动接触模型来描述颗粒间的力作用关系㊂图1㊀软球模型颗粒间接触受力模型Fig.1㊀Simplified model of contact forces between particles假设粉体颗粒输运的过程,颗粒间的碰撞均为弹性碰撞,不考虑颗粒之间的其他作用因素㊂两个球状颗粒在空间发生接触碰撞,半径分别为R1,R2,则两颗粒间的法向接触力F n计算公式为:F n=43Eᶄ(Rᶄ)12ε32(5)㊀㊀式中:Eᶄ为等效弹性模量,MPa;Rᶄ为等效颗粒半径,m;εn为碰撞时法向重叠量,m㊂据下述公式求出㊂831㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律1Rᶄ=R 1+R 2R 1R 2(6)1Eᶄ=1-21E 1+1-22E 2(7)ε=R 1+R 2-r 1-r 2(8)㊀㊀式中:n为颗粒泊松比;E n 为弹性模量,MPa;r n 为球心位置矢量㊂两颗粒间的切向接触力F t 计算公式为:F t =-S t εt(9)㊀㊀式中:εt 是颗粒碰撞时切向重叠量,m;S t 是切向接触刚度,N /m;可根据下式求出:S t =8GᶄRᶄε(10)㊀㊀式中:Gᶄ是等效剪切模量,MPa㊂1Gᶄ=2-21G 1+2-22G 2(11)1.3㊀气相控制方程激光熔覆同轴送粉过程中,在常规送粉工艺参数下,输粉气流㊁保护气均体现为温度恒定㊁不可压缩㊁稳定的湍流流动,粉流输运期间不考虑激光发出的热量及气流㊁颗粒之间的热传递,即不考虑能量方程㊂粉末颗粒在同轴送粉中所占体积分数小于10%,为了更加准确描述粉末运动状态,考虑粉末颗粒体积对流场的影响,采用Eu-lerian 多相流模型分析气-粉流场的特性㊂为了显示颗粒体积对流体的影响,在气相控制方程里引入颗粒体积分数ε作为影响因子,其连续性方程如式(12)所示:∂ερ∂t+∇㊃ρεv f =0(12)㊀㊀式中:ρ为气体密度,kg /m 3;ε为颗粒的体积分数㊂动量守恒方程如下所示:∂ερv f ∂t+∇㊃ρεμv f =-∇ρ+∇㊃(εμ㊃∇v f )+ρεg -ðni(F R +F Mag +F saff )V(13)㊀㊀式中:μ为气体的运动黏度,N ㊃s /m 2;g 为重力加速度,取9.81m /s 2;V 为CFD 流体网格单元的体积㊂1.4㊀颗粒相控制方程m pd u p (t )d t=m p g +F R (t )+F Mag (t )+F Saff (t )-Cu p (t )(14)I pd ωp (t )d t=T p (t )-Cωp (t )(15)㊀㊀式中:m p 为颗粒的质量,kg;u p (t )为t 时刻颗粒运动速度,m/s;T p (t )为t 时刻由颗粒间接触力而产生的合力矩,N ㊃s;I p 为颗粒转动惯量,kg ㊃m 2;ωp (t )为颗粒在t 时刻颗粒转动速度,rad /s;F R (t )㊁F Mag (t )㊁F Saff (t )分别为t 时刻气体作用在颗粒上的运动阻力㊁Magnus 升力㊁Saffman 剪切力㊂2㊀DEM-CFD 耦合方法模拟验证2.1㊀喷嘴计算域模型建立分析同轴送粉喷嘴粉流空间形貌,了解粉流的空间分布特征,是研究喷嘴粉流流场分布的基础㊂因此在已有试验研究基础上构建如图2(a)所示的二维同轴送粉粉流分布特征模型,图中f 1表示粉流上焦点距离喷嘴出口的位置,即上焦距;f 2表示粉流上㊁下焦点之间的距离,即焦柱长;下焦距为f 1+f 2;f 3表示激光离焦量,d 1㊁d 2分别表示粉流上焦点直径和光斑直径㊂运用三维建模软件Solidworks 构建了同轴送粉喷嘴粉流管道计算模型如图2所示㊂从图2(b)可以看出同轴送粉喷嘴计算域主要分为3个部分,上部为圆环型送粉通道;中部为内㊁外壁不同倾角的漏斗状环型通道,下部为圆柱形粉流分布计算域,粉流从四个均布在喷嘴上方的粉流入口射入,经过内㊁外壁成一定角度的漏斗状渐缩环形通道聚拢,从出口喷出进入圆柱形粉流分布计算域㊂二维计算域如图2(c)所示,为了描述同轴送粉喷嘴计算域几何特征,如表1所示,设置以下参数变量:d 为粉流入口直径,h 1㊁h 2分别为喷嘴整体与圆环型粉流通道的高度,α为漏斗状渐缩环型通道内外壁夹角,β为漏斗状渐缩环型通道外壁夹角,δ为喷嘴出口宽度,m 为中心光路保护气圆环通道高度,w ㊁r 分别为为中心光路保护气入㊁出口半径,b ㊁h 分别为圆柱形计算区域的长和宽㊂931中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年图2㊀同轴送粉喷嘴粉流分布特征及模型计算域Fig.2㊀Nozzle powder flow distribution characteristics and model calculation domain of coaxial powder feeding表1㊀计算域特征参数初始值Table 1㊀Initial values of characteristic parameters of the calculation domainParameter α/(ʎ)β/(ʎ)δ/mm w /mm m /mm r /mm d /mm Value106015546Parameter k /mm e /mm b /mm h /mm h 1/mm h 2/mm Value 201010257230图3㊀同轴送粉喷嘴结构化计算网格Fig.3㊀Structured grids of coaxial feeding nozzle2.2㊀网格划分通过ICEM 网格前处理软件进行同轴送粉喷嘴计算域网格划分,为提高计算网格质量及计算效率,选择六面体结构化网格㊂相关网格划分如图3所示㊂由于粉末汇聚区域运动变化情况明显,需对其网格进行加密,其余部分网格设定适当稀疏,设定喷嘴入口处网格大小为0.8mm,保护气域及圆柱计算域网格大小为0.75mm,喷嘴环形通道计算域网格大小为1.5mm,由于3个计算域相接触部分为计算核心域,设定该计算域网格大小为0.2mm,并对划分后的网格进行优化,选取Quality 在0.4及其以上的网格,As-pect Ratio 控制在0~1内,Determinant 控制在0~1内,划分后的网格总数量为377959个㊂定义喷嘴出口圆环中心点为基准坐标点,y 轴沿圆柱计算域轴向中心线方向,x 轴沿圆柱计算域径向分布㊂2.3㊀耦合仿真模拟参数设置DEM-CFD 耦合方法可以使流体与颗粒在更能发挥本身优势计算领域中进行受力与运动的求解,通过耦合的曳力模型来实现两相之间力㊁位移等数据的互相传输㊂2.3.1㊀FLUENT 相关求解参数设置㊀㊀同轴送粉喷嘴气流场属于低速㊁连续㊁不可压缩的湍流流动,对于多相流的仿真不能是恒稳态,必须设置一个依赖于时间的仿真,仿真选择Pressure-Based 求解器,时间类型选择Transient,重力加速度设置为Y =9.81m /s 2,方41㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律向应与EDEM中所设置的重力方向一致,进行数值模拟的参数设定㊂由于仅涉及气固流场问题,因此不考虑壁面传热及激光与颗粒之间的能量交换㊂FLUENT具体参数设置如表2所示㊂FLUENT在求解同轴送粉喷嘴气-粉两相流场时会表现出的非线性特征通过松弛因子来控制收敛与变化情况,在满足同轴送粉喷嘴流场稳定的前提下确定出同轴送粉流场模拟求解的松驰因子具体参数数值,其中pressure 为0.3㊁density为1㊁body forces为1㊂表2㊀FLUENT仿真参数设置Table2㊀FLUENT simulation parameters settingSimulation parameters Model and valueTurbulence model Standard k-e,stand-ard wall function Multiphase flow model Eulerian Fluid material N2 Powder inlet boundary condition/(m/s)Velocity-inlet:4 Protective gas inlet boundary condi-tion/(m/s)Velocity-inlet:1.5 Wall boundary condition Wall Export boundary conditions/Pa Pressure-outlet:0 Solution method Phase Coupled SIMPLE Convergence residual0.001 Automatic data retention interval Time step of50 Time step/s8ˑ105 Number of time steps1250 Maximum number of iterations perstep60 2.3.2㊀EDEM求解模型及参数设置㊀㊀采用超景深显微镜观察Ni60A粉末颗粒的细观真实形貌,粉末颗粒形状大多为形状相对均匀且基本为球状,假设粉末颗粒为均匀的㊁等直径的球形颗粒,由公式(4)可求得平均体积粒径为0.06mm,将喷嘴的4个入口处分别设置颗粒工厂,粒径为0.06mm,每个颗粒工厂设置质量流率为5g/min,依次设置粉末相关参数以及仿真求解参数,EDEM中的参数设置如表3所示㊂在耦合模块中采用Eulerian耦合方法,曳力模型选用Freestream Equation,升力模型选用Magnus Lift及Saffman Lift,进行耦合仿真㊂表3㊀EDEM仿真参数设置Table3㊀EDEM simulation parameters settingSimulation parameter Model and value Particle contact model Hertz-Mindlin(no slip) Gravity acceleration/(m/s2)Y=9.81 Particle material Ni60A Particle Poissonᶄs ratio0.25 Particle shear modulus/(N/m2)8ˑ109 Particle density/(kg/m3)8000 Geometry material Cu Geometric Poissonᶄs ratio0.36 Geometric shear modulus/(N/m2) 3.9ˑ1010 Geometric density/(kg/m3)8800 Particle generation rate/(g/min)20 Particle incident velocity/(m/s)4 Time step/s1ˑ10-6 Data retention interval/s0.0005 Calculate the domain grid size4ˑR2.4㊀试验验证试验激光头配有Fraunhofer公司的同轴送粉喷嘴IWS-COAX8,送粉器为德国GTV公司的PF2/2送粉器,保护气为N2,设定总颗粒生成速率为20g/min㊁颗粒入射速度为4m/s㊁保护气速度为1.5m/s的条件下,验证DEM-CFD耦合方法对同轴送粉喷嘴流场数值模拟的准确性,如图4(a)(b)所示,分别为同轴送粉喷嘴粉末速度迹线图与DEM-CFD耦合方法的仿真速度迹线图,试验结果与仿真结果对比如表4所示㊂从表4中可以看出,仿真模拟结果的粉流上焦距㊁下焦距㊁焦柱直径相较于试验结果准确度均达到了90%以上,焦柱长也达到了75%,这说明使用DEM-CFD耦合方法来模拟同轴送粉喷嘴粉流流场与试验结果极为接近,仿真模拟分析结果具有较高的准确性,对粉流流场模拟具有较大的参考价值㊂图4㊀试验与仿真结果对比图Fig.4㊀Comparison chart of experimental and simulation results141中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年表4㊀试验结果与仿真结果对比Table 4㊀Comparison of experimental and simulation resultsData Experimental result SimulationresultsAccuracy /%Upper focus distance /mm16.017.590.6Lower focal length /mm20.020.597.5Focus column length /mm4.03.075.0Focus cylindricaldiameter /mm2.52.2690.43㊀送粉参数对粉流流场的影响分析送粉参数是决定激光再制造质量与效率的重要影响因素之一,也是决定同轴送粉分流集聚效果好坏的主要凭据㊂本节中,以喷嘴中心轴向粉流分布浓度㊁焦点距离㊁上焦点截面粉流分布浓度㊁单位距离粉流分布浓度等参数为衡量指标,探究输粉气流速度㊁送粉速率㊁中心光路保护气速度对粉流分布的影响㊂3.1㊀粉末集聚性衡量指标粉末的集聚性是影响增材再制造成形质量㊁成形效率和粉末利用率的重要指标,粉末集聚性依据喷嘴中心轴向粉流分布浓度和上焦点截面粉流分布浓度来判断,同时,为了量化表示粉末聚集性,考虑单位尺度上粉末的分布浓度,引入单位距离粉流分布浓度ψi 为衡量指标,其计算如式(16)所示:ψi =Q C D(16)㊀㊀式中:Q C 为截面粉流浓度,D 为粉流浓度分布直径,m㊂以参数化描述粉末集聚性,单位距离粉流分布浓度数值越大,粉末集聚性越好㊂3.2㊀输粉气流速度的影响在中心光路保护气速度为1.5m /s㊁送粉速率20g /min 不变的条件下分别对v =3㊁4㊁6㊁8m /s的输粉气流速度下同轴送粉喷嘴粉流流场进行数值模拟㊂图5为不同输粉气流速度下粉末颗粒速度迹线图㊂令发散角θ为粉流由喷嘴喷出后的发散范围㊂当输粉气流速度v =3m /s 时,粉末由于受到气流的曳力作用较小,粉末喷出后的动能也小,因此粉末受到重力及其他阻力的影响比较严重,粉流具有较大的发散角为26ʎ,发散性较大,上焦点位置距离喷嘴口较远,焦柱长度小;随着输粉气流速度的增大,由于气流对颗粒的曳力作用和颗粒本身的惯性越来越大,受到重力等因素的影响变小,使得粉流在集聚区域的集聚性得以改善,粉流发散性逐渐变小;当输粉气流速度v =8m /s 时,发散角减小至18ʎ,粉流集聚性增强,上焦点位置距离喷嘴口较近,形成了较长的焦柱长度㊂不同输气速度下的喷嘴中心轴向粉流分布浓度情况如图6所示㊂从整体上看,不同输粉气流速度下的喷嘴中心轴向粉流浓度在沿Y 轴方向均存在两个极大值㊁一个极小值,说明粉流在喷出后形成了一个上焦点和一个下焦点,且二者总体趋势大致相同㊂当输粉气流速度取最小值v =3m /s 时,粉流受到输粉气流的曳力作用较小且受到重力因素作用较大,粉流焦点位置会向下移动,总体粉流浓度最大,在Y =21.5mm 处的上焦点位置粉流浓度达到最大值0.0145,在下焦点位置Y =23mm 处,粉流浓度为0.0051;当输粉气流速度取最大值v =8m /s 时,整体的粉流浓度相图5㊀不同输气速度下粉流速度迹线Fig.5㊀Distribution of powder flow velocity traces under different carrier gas velocities241㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律较于其他输气速度下的浓度最低,上焦点距离喷嘴出口最近,上焦点位置上移至Y =12.5mm,浓度为0.0068,下焦点在Y =23mm 处,浓度为0.0042㊂图6㊀不同输气速度下喷嘴中心轴向粉流浓度分布Fig.6㊀Concentration distribution of axial powder flow inthe center of the nozzle under different carrier gas velocities图7给出了粉流上焦点浓度与焦点距离随输粉气流速度的变化曲线,从图中见,随着输粉气流速度的不断增大,粉流的上焦点浓度逐渐减小,焦点位置迅速上移,这是由于随着输粉气流速度变大,粉流受到输粉气流的曳力作用也就越㊀㊀㊀大,同时粉流的惯性也越大,粉末从喷嘴喷出后受到重力㊁空气阻力等其他因素的影响就越小,粉流的运动准直性较好,聚焦效果明显,因此焦点位置会随着输粉气流速度的增大而向上移动㊂图7㊀粉流上焦点浓度与焦点距离随输粉气流速度变化Fig.7㊀Variation of upper focus concentration of powder flowand focal distance with carrier gas velocities图8为不同输气速度下上焦点截面粉流浓度分布情况㊂从整体上看,焦点截面浓度基本呈中心对称分布,汇聚点中心浓度最高,粉流浓度沿径向逐渐降低至0㊂经计算,输粉气流速度从小到大的顺序下,上焦点截面粉流浓度分布直径图8㊀不同输气速度下上焦点截面粉流浓度分布Fig.8㊀Concentration distribution of powder flow in upper focal section under different carrier gas velocities341中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年分别为2.52㊁2.26㊁1.3和1.0mm㊂同时,由式(16)计算单位距离粉流分布浓度分别为5.57㊁5.66㊁6.53和6.80kg /m 4㊂可见,随着输粉气流速度的不断增大,焦点中心浓度不断减小,粉流焦点浓度分布直径不断缩小,单位距离粉流分布浓度增加,粉末的集聚效果增强㊂根据上述分析可以得出,输粉气流速度对粉流的集聚特性有非常明显的影响,随着输粉气流速度的不断增大,整体粉流分布浓度逐渐减小,焦点逐渐上移,粉流焦点浓度分布直径越来越小,粉末集聚性明显㊂较大的输粉气流速度会使得颗粒的惯性增大,粉末颗粒在碰撞基体后会产生强烈的反弹,产生飞溅,降低粉末的使用率,高速气流也会冲击熔池,对熔覆层成形质量产生很大的影响㊂因此,在调节输粉气流速度时,应在满足熔覆要求和质量的前提下适当加大输粉气流速度,有利于改善粉末的集聚性,提高粉末的使用率㊂3.3㊀中心光路保护气速度的影响同轴送粉喷嘴中心光路保护气是防止激光熔覆时产生的熔渣或烟气进入中心光路从而导致光路镜片受到损坏和污染的有效手段㊂在输粉气流速度为4m /s㊁送粉量为20g /min 不变的条件下分别对v 1=1㊁1.5㊁2和3m /s 的中心光路保护气速度下的同轴送粉喷嘴粉流流场进行数值仿真模拟㊂图9㊀不同中心光路保护气速度下喷嘴中心轴向粉流浓度分布Fig.9㊀Concentration distribution of axial powder flow inthe center of the nozzle at different central optical pathshielding gas velocities如图9所示,为不同中心光路保护气速度下的轴向粉流浓度分布曲线㊂从整体上看,当中心光路保护气速度取最小值v 1=1m /s 时,粉流浓度最大,焦点距离喷嘴出口也最近,在Y =16mm 的上焦点处的粉末浓度流为0.0137,在Y =19mm 处下焦点的浓度为0.0085;当中心光路保护气速度取最大值v 1=3m /s 时,整体粉末浓度最低,焦点距离喷嘴出口也最远,上焦点位置在Y =19.5mm 处,浓度为0.0101,下焦点的位置在Y =22mm 处,浓度为0.0055㊂如图10所示,为粉流上焦点浓度与焦点距离随中心光路保护气速度的变化曲线,从图中可以看出,随着中心光路保护气速度不断提高,粉流上焦点浓度不断减小,粉流上焦点距离喷嘴出口越来越远,这是由于粉流在输粉气流的曳力带动下向喷嘴中心轴线集聚时,受到中心光路保护气垂直向下的曳力作用,随着中心光路保护气速度的不断提高,粉末颗粒受到向下的曳力也就越大,因此粉末焦点会逐渐向下移动;随着保护气速度的增大,粉流的运动由于受到垂直向下力的作用越来越大,部分颗粒不再向中心集聚,因此粉末颗粒向中心集聚的数量越来越少,粉流上焦点浓度随着中心光路保护气的速度增大而越来越小㊂中心光路保护气速度v 1=2~3m /s 时,粉流焦点浓度的下降趋势和焦点下移趋势开始平缓,这是由于粉末喷出后的速度是一定的,当施加给颗粒的竖直速度分量到达某一个值后,再继续增加竖直速度分量大小,随着粉流速度的增大,水平速度分量减小的就越来越慢,因此,粉末颗粒向中心集聚的数量减小的越来越慢,粉流焦点浓度的下降趋势和焦点的下移趋势也就渐趋平缓㊂图10㊀粉流上焦点浓度与焦点距离随中心光路保护气速度的变化Fig.10㊀Variation of upper focus concentration of powderflow and focal distance with protection gas velocities at cen-ter laser path441。

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。