激光熔覆制造中的粉末输送检测与控制技术

针对激光熔覆制造过程中存在的粉末输送不均匀问题,提出了一种基于光电传感器的粉末流量检测与控制方法.在分析粉末流对光线的吸收特性的基础上,设计了一种新型的光电式粉末流量传感器.该传感器采用红色发光二极管作为光源,二极管所发出的光线经粉末流散射后照射到光电变送器上.通过信号调理可以将传感器输出电压信号与粉末流量相对应.对该传感器进行测试,试验数据表明:粉末流量与传感器输出信号具有较好的线性相关度.为实现粉末流量控制,基于模糊PID控制策略,开发了一套采用PIC单片机作为控制元件的粉末流控制器,对辊轮式送粉器的粉末传榆进行流量控制,粉末流量稳定性提高60%以上.     

激光熔覆同轴送粉喷嘴研制

针对现有送粉喷嘴粉末汇聚性差、出粉口容易堵塞以及受热变形的缺点,设计了一种四孔式同轴送粉喷嘴。喷嘴中央为激光束及保护气通道,沿中心锥孔轴向均布的4个小孔,为粉末通道。建立了数值计算模型,应用FLUENT软件对粉末通道不同出口形状和不同倾角条件下粉末流场情况进行数值模拟,选择最优方案。计算结果表明,在其他工艺参数一定的前提下,采用收缩出口与粉末通道倾角为70°时有利于改善熔覆成形效果。最后利用研制的送粉喷嘴进行粉末汇聚、激光熔覆成形等实验,验证该送粉喷嘴的实验效果。     

激光熔覆孔式同轴送粉系统设计及实验研究

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,没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末的材料合成。所开发的送粉系统适用于材料表面改性和熔覆3维制造。     

基于图像的激光熔覆粉末粒子运动行为分析

为研究送粉参量(送粉量和送粉气流量)变化对激光熔覆过程同轴载气粉末粒子运动行为的影响,建立了数字粒子图像测速试验装置,开发了图像处理软件,得到了不同送粉参量精确的速度场云图以及z轴方向(垂直方向)浓度分布情况.结果表明,在送粉量一定的情况下,随送粉气流量的增加,粉末粒子的初始速度呈线性增大,并使z轴方向速度的增加值加大,而对粉末流浓度影响较小.在气流量一定的情况下,送粉量与粒子速度在一定范围内有一定比例关系,超出送粉量0.33g/s～0.83g/s范围,其影响将减弱.由于粉嘴结构的原因,沿出粉方向存在粉末发散汇聚再发散的变化.汇聚的实现与气体流量关系较大.     

基于图像的激光熔覆粉末粒子运动行为分析

为研究送粉参量(送粉量和送粉气流量)变化对激光熔覆过程同轴载气粉末粒子运动行为的影响,建立了数字粒子图像测速试验装置,开发了图像处理软件,得到了不同送粉参量精确的速度场云图以及z轴方向(垂直方向)浓度分布情况。结果表明,在送粉量一定的情况下,随送粉气流量的增加,粉末粒子的初始速度呈线性增大,并使z轴方向速度的增加值加大,而对粉末流浓度影响较小。在气流量一定的情况下,送粉量与粒子速度在一定范围内有一定比例关系,超出送粉量0.33g/s～0.83g/s范围,其影响将减弱。由于粉嘴结构的原因,沿出粉方向存在粉末发散汇聚再发散的变化。汇聚的实现与气体流量关系较大。     

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。     

激光熔覆沸腾式送粉器气固两相流数值模拟研究

为了改进激光熔覆沸腾式送粉器的性能,对送粉器的送粉过程运用FLUENT软件进行了3维非定常的气固两相流仿真。通过对比Syamlal-O'Brien,Gidaspow,Mckeen和修正的Syamlal-O'Brien曳力模型中Ni基合金粉末输送的模拟结果,发现Mckeen模型得到的粉末流量与实验值相符。利用Mckeen模型,分别对不同沸腾气流量进行计算,其平均的粉末流量也与实验值接近,从而确定了Mckeen曳力模型适用于该类送粉器的数值模拟;并分析了2.6L/min的沸腾气流量下的气体与粉末的流化特性。结果表明,沸腾进气口2对送粉的影响不大,关闭该气流入口也可得到很好的送粉结果。这为激光熔覆送粉器结构改进和优化提供了理论依据。     

激光直接金属沉积316L不锈钢表面粘粉工艺研究

为了探究激光直接金属沉积316L不锈钢的表面粉末粘附工艺规律, 利用高速摄像机分析粉末粘附类型, 采用单因素试验的方法, 定量研究了单道多层沉积中的送粉速率、送粉气流量和线能量密度对粉末粘附的影响规律。结果表明, 粉末粘附主要包括熔池熔液逸出和未熔粉末粘附两种类型; 随着送粉速率的增加和送粉气流量的减小, 薄壁件侧表面粉末粘附程度增加, 而粉末粘附程度则对激光线能量密度的变化不敏感; 激光功率700W、扫描速率700mm/min、送粉量13.54g/min、送粉气流量14L/min、离焦量+22mm时, 激光直接金属沉积薄壁件表面粉末粘附较少。研究结果能够成为改善316L不锈钢增材制件表面质量的重要依据。     

用于激光再制造的沸腾式送粉器仿真与控制优化

设计了一种用于激光再制造的沸腾式送粉器,并基于PICF877A单片机开发了送粉器控制系统。为探索送粉器输送规律,以Fluent软件为工具,通过变化沸腾气流量值、送粉气流量值等参数,探讨气体输送流量大小、输送策略等对粉末输送特性的影响。在仿真研究的基础上,建立控制系统的控制策略,并以所开发的控制系统为实验平台对控制规律进行实验验证。实验结果证明:该系统控制精度高、稳定性好,能够满足再制造系统的需要。     

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。