激光制造中同轴粉末流场分析与检测

激光同轴送粉头喷出的粉末汇聚和分布特性直接影响激光制造的质量和精度。研究了同轴送粉时粉末分布规律和汇聚情况,提出了同轴送粉式粉末分布理论模型,开发了一种粉末流场检测系统,对喷嘴喷出的粉末汇聚情况和分布形貌进行了实时检测,结果表明,计算结果与实验测量结果比较吻合。通过系统观察和分析粉末流的汇聚和分布的实时变动行为,有利于更好地优化设计送粉头和控制激光制造过程。     

高汇聚温度显示激光快速制造同轴送粉喷嘴的研制

高汇聚同轴送粉喷嘴是激光快速制造的核心装置之一 ,同轴送粉喷嘴最基本的功能应该包括通光与粉末的均匀汇聚 ,粉末汇聚程度越高 ,则粉末利用率越高、制造精度越高。本文通过优化喷嘴结构设计 ,使喷嘴的汇聚率大大提高 ,所得到的熔覆道宽度可达到 1mm以内 ,通过加入导向气流 ,进一步提高了粉末的汇聚率 ,同时又对熔池进行保护 ,为提高激光直接制造的精度提供了可能性 ;喷嘴核心结构均通水冷却 ,使喷嘴在工作过程中始终保持较低温度 ,延长了使用寿命又保持了熔覆过程的稳定性 ;喷嘴上加装了温度传感器 ,随时监测喷嘴温度 ,一旦温度超过设定值 ,便给出报警信号 ;根据熔覆过程中对熔覆道宽窄要求的不同 ,喷嘴结构上设计了调节光斑大小的功能 ;为了确保激光束能从喷嘴的正中出来 ,使光束与粉末流完全同轴 ,喷嘴结构上设计了调节机构。利用此喷嘴进行激光熔覆 ,获得了较为满意的效果。     

激光加工同轴送粉喷嘴两相流流场的数值模拟

激光金属沉积成形过程中,送粉喷嘴结构参数一定时,载气式同轴送粉喷嘴的粉末流场主要受送粉参数影响如载气速度、送粉量。为了进一步改善现有送粉喷嘴的汇聚性和提高粉末利用率,基于固气两相流数值计算模型,应用FLUENT软件模拟两种因素对同轴送粉喷嘴粉末流场的影响。结果表明:载气流速过小则会导致粉末流汇聚焦点浓度较低;载气速度过大则焦点形状不规则,降低成形表面质量;载气流速过小或者过大都会导致粉末利用率降低。送粉量主要影响粉末流焦点中心的汇聚浓度和粉末流速度以及速度波动。数值计算结果对同轴送粉喷嘴设计和优化激光加工工艺参数具有一定的参考价值。     

激光三维直接制造和再制造新型同轴送粉喷嘴的研究

对激光直接制造和再制造技术的关键部件之一即送粉喷嘴进行研究,侧向送粉喷嘴具有方向性,不适于3D熔覆,而同轴送粉喷嘴尤其是新型同轴送粉喷嘴的研制,可真正实现三维激光直接制造和再制造,应用于复杂零件的直接制造和大型设备的再制造;通过试验研究分析了影响同轴送粉喷嘴粉末流形貌和粉末流参数的因素.     

激光制造中金属粉末流浓度场的检测

研究激光同轴送粉中金属粉末流场的分布特性,对指导激光制造技术应用具有直接指导意义。重点研究了激光制造中同轴送粉条件下金属粉末流的浓度场,建立了同轴送粉嘴金属粉末流的浓度场理论模型,开发了一种新型数字粒子图像检测系统检测粉末流浓度场。该系统主要包括Nd3 ∶YAG激光器和CCD相机。它具有非接触测量、检测速度快、能同时给出流场的三维信息等特点。实验结果表明,粉末流的聚焦参数和浓度场分布可以通过数字粒子图像检测技术进行检测,为指导同轴粉嘴设计和激光制造粉末流参数测定提供了新的手段。     

宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟

为了设计一种适用于大功率的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴,采用FLUENT软件中的离散相模型,对送粉喷嘴的送粉道在不同倾角和不同出口间隙条件下的粉末汇聚特性和浓度分布特性进行了研究。分析了其它条件不变时,外层保护气流速对粉末汇聚的影响,得到了较优的结构尺寸,并利用设计研制的宽带同轴送粉喷嘴装置,进行了送粉和熔覆实验。结果表明,宽带激光同轴送粉喷嘴的焦点浓度在汇聚中心的径向和轴向都近似服从高斯分布;随着倾角的增大,出口间隙对焦距的影响也越来越大,且出口间隙越小,焦距越大;当倾角为70°; ,出口间隙为3.5mm时粉末汇聚性较好,粉末利用率较高;在其它条件不变时,外层保护气体流速过大或过小均不利于粉末汇聚,当外层保护气体流速略小于载气速率时,送粉喷嘴的粉末汇聚特性最佳。表面熔覆质量达到了预期要求,验证了该结构的合理性。所设计的宽带同轴送粉喷嘴对后续宽带激光熔覆的研究与应用具有重要意义。     

同轴送粉激光熔覆中粉末流对光束能量的衰减作用

为了得到同轴送粉激光熔覆中激光束穿过粉末流后的能量变化,研究了粉末浓度分布对激光能量的衰减作用。模拟了稳态、存在基底和熔池的情况下粉末流的空间分布,通过粉末浓度与激光能量衰减的关系,得到了任意粉末分布及激光能量分布下的衰减率。研究了基底对气流场的作用以及基底对粉末的反弹作用两种因素对粉末浓度分布的影响,并比较了平顶形光束在不同熔池尺寸和送粉率下的衰减率。结果表明,存在基底时粉末流对激光的衰减率比无基底作用时一般高2倍以上,与送粉率成正比,在熔池尺寸较小时与其大小成反比。     

YAG激光束与金属粉末流相互作用检测研究

为研究同轴送粉熔覆中YAG激光束与粉末流的相互作用机理, 采用CCD检测技术, 对不同功率、不同送粉量下粉末流分布进行检测, 得到不同参数下粉末流的图像、灰度分布图和伪彩色分布图。结果表明: 随着激光功率增加, 粉末流图像由暗变亮, 最后到白炽状态, 其温度逐渐升高。激光功率400 W时, 随着送粉量的增加, 粉末流图像由暗变亮, 到一定程度后变暗。该检测结果可用于激光熔覆工艺优化, 提高熔覆的质量以及材料的利用率。     

同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究

同轴气动送粉激光熔覆过程中,金属粉末落入熔池的速度、浓度的分布等物理参数对熔覆层的形貌有一定的影响。DPIV(d igital partic le im age veloc im etry)是试验确定粉末流运动规律的有效方法,通过建立DPIV试验装置,对同轴载气送粉装置输送的粉末的速度、浓度进行了取值计算。结果表明,随气体流量的增加粉末的浓度有一定的减少。沿z轴方向,存在发散汇聚在发散的变化,粉末粒子流量与粒子速度在一定范围内有线性关系,超出Mp=0.33g/s~0.83g/s,Vp=0~1.3m/s范围,其影响将减弱。     

粉末流场数字图像处理技术的一种新算法

在基于激光同轴送粉的激光制造中，金属粉末流场的分布与特性对制造质量具有重要影响。针对激光同轴送粉金属粉末流速度场提出一种新的分级式搜索算法。通过CCD相机直接记录粒子图像的运动序列，应用新算法编制的粉末流场照片图像处理程序对数字化阵列进行快速分析处理，用分级搜索的方法找到粒子图像上相关度最大的两个小区域，用它们之间的位移除以两次拍照的时间间隔，得到该小区域的速度矢量，就可得到粉末流的速度场。本算法比传统算法减少了运算时间，提高了分析效率。     

激光熔覆Ni/WC涂层温度场及形貌模拟

根据同轴送粉激光熔覆的特点,利用有限元软件ANSYS模拟温度场的动态过程,采用生死单元法求得熔覆层形貌的三维模型,模拟中加入了熔覆粉末的温升、激光的衰减、相变潜热以及温度对材料热物理性能的影响等因素的影响作用,并且对温度场的结果进行了分析和试验验证。结果表明,熔池前方温度梯度比后方大,熔池最高温度在短时间之后会基本保持稳定。在高锰钢表面采用4000 W多模光纤激光器熔覆镍包WC复合粉末,涂层组织主要为细化树枝晶,通过对熔覆层横截面形貌、组织形貌、温度场分布的观察分析,验证了模拟结果的准确性,可作为制备涂层的工艺的理论参考。     

激光快速成形过程中熔池形态的演化

采用高速摄影技术对激光快速成形过程中液态熔池的形成及其演化过程进行了实时观察。结果发现,以一定速度向前运动的激光束辐照基材时,基材表面开始熔化并形成液态熔池,经过一个较短的时间间隔(约1．0 s)后熔池深度增大至一定值,熔池长度则围绕一恒定值波动。以恒定送粉率向熔池中连续送进金属粉末时,熔池的长度和宽度逐渐减小,熔池寿命缩短。同时熔池后沿不断抬高即熔覆层厚度不断增加,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间的夹角由几度逐渐增大到20°～30°左右。熔池自由表面发生周期性的变化,实验观察到熔池后沿有周期性的“岛状凸起”出现和消失现象。数值计算结果证实这主要是熔池中熔体在表面张力梯度下引起的强制对流作用的结果。     

同轴送粉激光成形中粉末与激光的相互作用

详细介绍了同轴送粉激光成形过程中，金属粉末与激光束相互作用时间的计算方法。在ANSYS软件平台上，建立了金属粉末穿越激光束过程中粉末温度场的计算模型。系统计算了不同颗粒大小316L不锈钢粉末与不同功率激光束相互作用后的温度。在此基础上，计算了金属粉末与激光束的能量交换及金属粉末落入激光熔池后与激光熔池的能量交换。计算结果表明，在激光束直径为3mm条件下，316L不锈钢粉末穿过功率大于1000W的激光束后，所有尺寸金属粉末均被熔化，即金属粉末以液态进入激光熔池。通过金属粉末与激光束及激光熔池的能量交换计算，可知在激光成形中，约有5％的激光能量用于加热和熔化粉末，而大约95％的激光能量用于激光熔池的形成及由于热传导造成的热量损失。     

垂直面送粉激光强化系统与应用研究

针对汽车发动机缸体、缸套、模具侧壁等垂直表面激光强化的需求 ,研制了垂直面送粉喷嘴和垂直面送粉激光强化系统 ,适合于内侧和外侧垂直面送粉激光熔覆和合金化及不送粉熔凝、相变硬化 ;利用该系统 ,选择合适的激光处理工艺参数 ,在垂直放置的灰铸铁表面进行了激光熔凝、送粉激光合金化、送粉激光熔覆等表面处理 ,分析了处理层的显微组织 ,合金元素成分分布与硬度分布。激光强化显著提高了基材的使用性能。垂直面送粉激光强化技术有良好的工业应用前景。     

激光切割用拉伐尔喷嘴的设计分析与实现

应用附面层理论和小扰动稳定性理论提出并分析激光切割前沿熔层控制方法，认为熔融层充动趋于稳定的条件是由切应力驱动流动而非压力驱动流动或压力驱动流动为流动的次国因素，     

激光制造中同轴粉末流动量和质量传输

激光制造同轴粉末/载流气体两相流中存在动量、质量和能量传输等物理过程,它们直接决定激光制造的质量和精度.重点报道国内外粉末流中动量和质量输运方面的综合研究结果:提出了激光同轴送粉二相流物理模型;根据气体/固体两相流理论建立了动量质量传输方程,开发了基于FLUENT的计算机模拟专用软件;建立了基于DPIV(Digital Particle Image Veloeimetry)的气体/金属粉末两相流的速度场和浓度场检测方法,开发了图像处理专用软件;完成了气体/金属粉末两相流的速度场和浓度场的数值模拟和试验检测.结果表明:理论模拟和试验检测结果基本一致.     

连续移动三维瞬态激光熔池温度场数值模拟

详细介绍了在ANSYS软件平台上,建立连续移动三维瞬态激光熔池温度场计算模型的方法,计算模型中考虑了材料表面温度对激光吸收率的影响及材料相变过程对激光熔池温度场的影响。系统分析了连续移动三维激光熔池温度场随时间的变化规律。通过该计算模型,可以掌握激光加工过程中连续移动激光熔池的加热和冷却规律。计算结果表明,当激光沿45#钢基板表面由一端向另一端沿直线扫描时,由于热传导的作用,激光熔池温度随时间增加而升高,同时连续移动熔池表面温度最高点不在激光束中心,而是稍稍偏后于激光束中心。在相同激光工艺参数下,计算熔池横截面尺寸与实验所测熔池横截面尺寸相吻合,表明所建立的连续移动熔池温度场计算模型是正确和可靠的。     

铜磷合金粉末选区激光熔化成型研究

为了应用选区激光熔化技术直接制造金属零件,采用Dimetal 240快速成型机对平均直径为75μm的铜磷合金粉末进行了工艺试验。成型机配备200W半导体抽运Nd:YAG激光器,激光功率为103W～117W,内部扫描速度为0.25m/s～0.41m/s,边框扫描速度为0.15m/s,铺粉厚度为0.2mm。所得试样用扫描电镜和光学显微镜进行了微观组织分析。试样层问结合为冶金结合,致密度达到90%以上,层内组织为细长枝晶,层问组织为细小等轴晶。结果表明,通过设定合适的工艺参量,选区激光熔化技术可以直接成型金属零件。     

基于环形光光内送粉激光熔覆温度场的数值模拟

针对"光束中空,光内送粉"的激光熔覆工艺方法,利用Ansys软件的参数化设计语言(APDL)建立了环形激光光斑连续移动加载的激光熔覆模型。通过计算该模型,可以掌握环形激光光内送粉激光熔覆过程中温度场的分布规律。计算结果表明,采用环形激光束加载时,熔池的最高温度区域的形状呈现出"马鞍形"。在基体纵切面上,熔池的高温区域分布呈不对称的"W"形,且高温区域主要分布在光斑中心往后;在基体横截面上,熔池的高温区域分布呈对称的"W"形,熔池中心温度低,两侧温度高,通过基体横断面等温线的分布能够判断熔覆层与基体的结合情况。位于扫描路径中心位置的点在激光束扫过其过程中会经历迅速升温、降温、升温、再迅速降温的急冷急热过程,且第二次升温高于第一次的温度值;位于光斑内外环之间的点在激光束扫过其过程中只有一次升温降温的过程,温度分布较均匀。