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

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

针对现有光外送粉宽带熔覆中金属粉末受热不均匀、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。送粉装置位于激光熔覆喷头内部,四周被激光束包裹。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FLUENT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FLUENT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。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。

激光宽带熔覆;光内送粉;送粉装置;数值模拟

0　引言

激光熔覆技术被广泛用于材料表面的强化、修复和改性[1-3]。对于一些大型工件,如大型轴类零件表面、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]。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]。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。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]。

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FLUENT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]。

1　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。

(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=13 mm),设计光内送粉装置。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。根据设计的聚焦光路，送粉喷嘴的长度小于30 mm,宽度小于15 mm,厚度小于10 mm。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。

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FLUNET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。

质量守恒方程:

(1)

动量守恒方程:

(2)

式中,ρg为气体的密度;vg为气体的速度；p为气相微元体上的压力；g为重力加速度。

1.2颗粒相轨迹方程

在FLUNET软件中,粉末颗粒的作用力满足以下平衡方程:

(3)

(4)

(5)

式中,ρp为粉末密度;vp为粉末速度;FD(vg-vp)为单位质量粉末颗粒的牵引力,D为流体计算控制域;gi为重力加速度在i方向上的分量;dp为颗粒直径;CD为牵引系数;μ为气相的动态黏度；Re为相对雷诺数;Fi为由流体压力梯度引起的在i方向上的力。

1.3结构设计与仿真

根据激光熔覆实验对粉束的要求,内径为1 mm的单根送粉粉管在载气压力p为0.075 MPa、送粉量为1.25 g/min、载气量qV为0.75 L/min、平均粒径d为75 μm的计算条件下进行FLUNET数值分析所得结果如图3所示。通过测量可知，距离送粉喷嘴出粉口20 mm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3 mm。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)。

图3　单根粉管送粉FLUENT分析

(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

采用同样的计算条件，对四根粉管并列送粉进行了FLUENT数值模拟分析,结果如图5所示。粉束的发散角度约为4.2°(图5a),离粉管出粉口20 mm处的粉斑尺寸约为12.5 mm×2.9 mm(图5b),达到了预期设计目标。

(a)四粉管并列送粉

(b)粉斑尺寸图5　四根粉管送粉FLUENT分析

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。为了使四根送粉管内粉末量均匀，采用一分二、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)。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。

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Pro/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L1=3 mm,L3=3 mm,如图7a所示。其次,对所所建立的流场模型进行网格划分,如图7b所示。

(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0.3 MPa,载气量qV为3 L/min,送粉量为5 g/min,平均粒径d为75 μm。计算结果如图8所示。

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。从图8c、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。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。

(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　L1=3 mm,L3=3 mm,p=0.3 MPa时计算结果

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]。

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。所以必须对图6所示模型中三段粉管的尺寸(L1、L2、L3)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。表1为送粉器FLUENT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。

表1　图9～图12送粉器FLUENT仿真分析参数表

(a)流体速度(b)出口处粉末浓度图9　L1=6 mm,L3=5 mm、p=0.3 MPa时计算结果

(a)流体速度(b)出口处粉末浓度图10　L1=8 mm,L3=7 mm、p=0.3 MPa时计算结果

(a)流体速度(b)出口处粉末浓度图11　L1=8 mm,L3=13 mm、p=0.3 MPa时计算结果

(a)流体速度(b)出口处粉末浓度图12　L1=8 mm,L3=13 mm、p=0.2 MPa时计算结果

对比图8、图9和图10可知，当第一段分流导管(L1)和四根出口导管(L3)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。

对比图10和图11可知，只加长四根出口导管(L3)，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。

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。

3　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L1=10 mm，L2=5 mm,L3=15 mm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。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40 mm的金属管相连,图13为送粉喷嘴的实物照片。

图13　送粉喷嘴实物照片

3.2送粉实验

将送粉喷嘴的粉末入口粉管与送粉器相连,本实验采用的是GTV Impex GmbH公司的GTV PF2/2M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(Fe310),粒度为100～200目(74～149 μm);送粉量为8.0 r/min,载气压力为0.3 MPa,载气流量为3.0 L/min,扫描速度为6 mm/s,送粉喷嘴离工件表面高度为20 mm。扫描所得的粉斑如图14所示。

(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14 mm,基本达到了预期设计想要达到的13 mm的尺寸要求,粉斑两侧的粉束发散比较小。从图14d可以看出,粉末分布较为均匀，粉末飞溅量较少。

根据上述送粉参数,采用DILAS.3 kW高功率半导体激光器系统、KUKA机器人系统、GTV PF2/2M型送粉器,激光功率为1.5 kW,在Fe314基材上进行激光宽带表面熔覆实验,结果如图15所示。从图15a中可以看出，熔道宽度为13 mm,从图15b中可以看出,送粉比较均匀,达到了预期设计的要求。

(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FLUENT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。

(2)由数值分析可知,采用一分二、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L1≥8 mm、L2≥3 mm、L3≥7 mm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。

(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。

(4)采用最佳管路尺寸设计制造的送粉喷嘴,在出粉口下端20 mm处粉末分布最为理想,粉斑宽度达到14 mm,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。

[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.

Song Jianli,Li Yongtang,Deng Qilin,et al.Research Process of Laser Cladding Forming Technology[J].Journal of Mechanical Engineering,2010,46(14):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.

Xiao Rongshi,Wang Zhiyong,Yang Xiao,et al.Techniques for Wide Trace Cladding with High Power Lasers[J].Applied Laser,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.

Yang Sen,Zhong Minlin,Zhang Qingmao,et al.New Technique to Rapidly Manufacture Metal Parts with Laser[J].Laser Technique,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.

Yang Jiaoxi,Zuo Tiechuan,Xu Wenqing,et al.The Fabrication of High-speed Wire Rolls by Wide-strip Laser Cladding Cemented Carbide[J].Applied Laser,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.

Wan Zhiyong,Chen Hong,Zuo Tiechuan.Design of Strip Integral Mirror for High Power Laser Processing[J].Journal of Beijing University of Technology,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.

Shi Gaolian,Shi Shihong,Wu Shaohua,et al.Research on Effective Utilization Rate of Power in Inside Laser Coaxial Powder Feeding Laser Cladding and Rapid Prototyping Process[J].Hot Working Technology,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.

Wang Wei,Cai Lei,Yang Guang,et al.Research on the Coaxial Powder Feeding Nozzle for Laser Cladding[J].Chinese Journal of Lasers,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.

Zhu Gangxian,Li Dichen,Zhang Anfeng,et al.Influence of Deposited Layer’s Structure on Flow Field of Coaxial Powder Feeding Nozzle[J].Chinese Journal of Lasers,2010,37(6):1636-1642.

[11]Wen S Y,Shin Y C,Murthy J Y,et al.Modeling of Coaxial Powder Flow for the Laser Direct Deposition Process[J].Int. J. Heat Transfer,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.

Dong Gan,Liu Jichang,Li Yuanyuan.Numerical Simulation of Gas-powder Flow in Laser Cladding with Coaxial Powder Feeding[J].High Power Laser and Particle Beams,2013,25(8):1951-1955.

[13]Nan Yang.Concentration Model Based on Movement Model of Powder Flow in Coaxial Laser Cladding[J].Opt. & Laser Technol.,2009,41(1):94-98.

[14]Wang Xiaobing,Sun Bi,Cheng Yong,et al.Properties of Flattened Gausslan Beam in Directional Prism Cavity[J].Laser Technology,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.

Zhao Weiyi,Hu Fangyou,Yi Dexian.Experiment of Shielding Gas Flow Field on a Three Tunnels Coaxial Powder Feeding Nozzle[J].China Surface Engineering,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.

Wei Junyou,Hu Xiaodong,Yao Jianhua.Numerical Simulation of Gas-solid Two-phase Flow in Fluidized Bed Based Powder for Laser Cladding[J].Laser Technology,2012,36(6):719-723.

(编辑王艳丽)

Research on Inside-laser Powder Feeding Nozzle for Broadband Laser Cladding

Lei DingzhongShi ShihongFu Geyan

Soochow University,Suzhou,Jiangsu,215021

In order to improve the situation of the uneven heating of metal powder existing in the current outside-laser powder feeding broadband laser cladding nozzle and the low coaxial coupling accuracy, a inside-laser coaxial powder feeding broadband laser cladding nozzle was designed.The entire device was located inside the laser cladding nozzle,surrounded by laser beam,senting cladding powder to the laser molten pool.A flow channel was designed to realize the uniformity of inside-laser powder feeding and ensure the powder was heated evenly and the direction of the powder velocity was perpendicular to the molten pool throughout.FLUENT software was used to analyze the divergence of powder to determine the size of the export channel spacing and the internal flow field of powder channel to determine the size of the device partially channel so that the turbulence at the outlet could be reduced and the best results of powder feeding could be achieved.Finally,the powder feeding nozzle for powder feeding test was used to validate the experimental effects of powder feeding device.

broadband laser cladding;inside-laser powder feeding;powder feeding device;numerical simulation

2014-06-26

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(BE2012068)；江苏省产学研联合创新资金资助项目(BY2012109)

TG665< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.015

雷定中,男,1988年生。苏州大学机电工程学院硕士研究生。石世宏，男，1956年生。苏州大学激光加工与特种制造研究所教授、博士。傅戈雁，女，1959年生。苏州大学激光加工与特种制造研究所教授、博士。