激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计制造及工艺实验

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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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。

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、测量熔覆曾的尺寸，观察显微组织。

实验内容1. 采用侧向送粉法进行激光熔覆实验，基体材料为45钢，熔覆材料为NiCrSiB合金粉末；2. 改变激光功率、光斑大小、扫描速度和送分量，得到不同尺寸的熔覆层，优化参数得到外观饱满光洁的熔覆层；3. 测试熔覆曾的外形尺寸，总结熔覆层外形与工艺参数的关系，观察熔覆层的显微组织。

4.实验原理激光熔覆是一种基于高能激光束的先进涂层制备技术。

用高能激光束局部融化材料的表面薄层形成熔池、同时向熔池中添加一种或几种合金混合粉末，形成与基体牢固冶金结合的高性能涂层，涂层材料自成冶金体系，基体对涂层的稀释率很低，能够在保持基体材料韧性的同时有目的的实现局部表面的高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化等多种性能，最大限度的实现材料表面与整体、强度与柔韧的良好有机结合，是近些年来材料和激光加工领域的研究前沿。

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。

实验设备和材料YLS-2000（IPG）光纤激光器、45钢板材（40╳60╳15），Ni基合金粉末。

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。

激光熔覆组合式送粉喷嘴的研制苏伦昌;董春春;李振;杜学芸【摘要】To meet the industrial requirements of the powder feeding nozzle for laser cladding processing technology in production practice,a combined gravity powder feeding nozzle with powder feeding buffer tank,adjustable tilt angle and circulating water cooling system for large capacity powder feeder was designed and developed in our company. It is shown that processing technology of this feeding powder nozzle is advanced, the cooling effect is good and the powder conveying is more uniformly distributed. It can meet the needs of industrial applications of laser cladding, and greatly improve the producing efficiency.%针对生产实践中激光熔覆加工技术对送粉喷嘴的使用需求,设计研制了一种组合式重力送粉喷嘴.该喷嘴带有送粉缓冲槽,倾斜角度可调,利用循环水进行冷却,适于大容量送粉器使用.实践证明,该新型送粉喷嘴机加工工艺具有技术先进、冷却效果良好、输送粉末流均匀的特点,可以满足激光熔覆的工业应用需求,大大提高了生产效率.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】3页(P6-8)【关键词】激光熔覆技术;重力送粉;送粉喷嘴;工业应用【作者】苏伦昌;董春春;李振;杜学芸【作者单位】山东能源机械集团大族再制造有限公司,山东新泰 271222;山东能源机械集团大族再制造有限公司,山东新泰 271222;山东能源机械集团大族再制造有限公司,山东新泰 271222;山东能源机械集团大族再制造有限公司,山东新泰271222【正文语种】中文【中图分类】TN249激光熔覆是一种近几年才兴起的材料加工与表面改性技术，其实质是按照快速成形的理念，将激光熔覆层沿垂直方向向空间多层叠加，直接制造出三维金属零件或实现对重大零件的快速再制造绿色修复，以提高基材的综合性能[1]。

激光近净成型技术层片处理软件的开发及同轴送粉喷嘴的设计的开题报告一、研究背景激光近净成型技术在制造领域已经得到了广泛应用，其在制造领域的重要性越来越被重视。

激光近净成型技术能够实现对复杂零件快速、高效、精准的打造，而且可以满足个性化以及小批量的生产需求。

因此，从长远发展的角度来看，该类技术具有巨大的潜力。

在激光近净成型技术中，层片处理软件是不可或缺的一环。

层片处理软件要保证激光的准确控制以及材料的均匀性，同时能够满足设计师对制品的要求。

目前，国内关于激光近净成型技术层片处理软件开发的研究还不够深入，急需加强研究力度。

同轴送粉喷嘴是激光近净成型技术中最关键的部件之一。

同轴送粉喷嘴的设计直接关系到制品的成型精度、质量以及制品的生产效率。

因此，同轴送粉喷嘴的研究具有非常重要的意义。

二、研究内容本文将重点研究以下两个内容：1. 激光近净成型技术层片处理软件的开发激光近净成型技术层片处理软件的开发是本文的重点。

该软件要具有以下特点：（1）能够对激光进行准确控制，保证制品的准确性和稳定性；（2）能够满足设计师的要求，进行自由曲面的设计和切割；（3）能够将设计软件生成的对象进行优化，以达到制品成型的高效和精准。

2. 同轴送粉喷嘴的设计同轴送粉喷嘴是制品成型的核心部件之一，其设计影响到制品成型的精度、质量和生产效率。

因此，本文还将重点研究同轴送粉喷嘴的设计，并考虑以下因素：（1）粉末的输送：要保证粉末在输送过程中的均匀性；（2）气体的流动：要保证粉末与气体的流动速度和压力的均衡性；（3）喷射角度：要保证喷射的角度能够满足设计师的要求，以达到制品的成型质量和效率。

三、研究方法本研究将采用以下研究方法：1. 层片处理软件的开发通过分析现有的激光近净成型技术层片处理软件，在此基础上，研究其优化方案，开发出符合中国国情的激光近净成型技术层片处理软件。

2. 同轴送粉喷嘴的设计通过对同轴送粉喷嘴中的粉末输送、气体流动、喷射角度等因素分析，设计出符合制品成型需求的同轴送粉喷嘴，并对其进行实验验证。