（机械电子工程专业论文）用于激光再制造双料斗载气式送粉器的研制.pdf

摘要 摘要 激光加工技术作为高新技术重要组成部分之一现在己广泛应用于航 空航天、汽车、冶金、石化、交通能源、电子信息、医疗器械和轻纺等产 业部门。其中激光再制造技术是激光技术的重要研究和应用领域。送粉器 是激光再制造技术中的关键技术，本课题就是针对目前激光再制造技术应 用中合金粉末的长距离输送难题，研制出了一种新型双料斗载气式送粉 器，以满足这方面的实际需要。 论文首先从激光加工的基本理论入手，讨论了激光再制造技术应用的 特点及其存在的一些重要问题，并且研究了目前常用的粉末材料体系及其 特性。论文从基本豹气固两相流理论出发，对气力长距离输送合金粉末进 行了分析。并且综合机电设计和气力输送相关理论，创新性地设计出一种 载气式送粉器。 送粉器用粉轮拨送和计量粉末，为了增加粉轮转动的平稳性，用步进 电机提供动力。粉末喂送装置采用封闭式载气系统，可造成负压输送。其 主体结构采用分体式，粉斗、粉体腔可分离。输送气体分三路进入送粉器， 即分别进入粉斗、粉斗与粉体腔之间的落粉通道、落粉腔以形成平衡气体。 选用n i 4 5 、w c 两种不同典型料性的合金粉末应用该装置进行了气 动送粉试验，对送粉器的性能进行了测定，获得了理想的效果。 最后利用研制的送粉器和三维送粉工作头对导套零件和不锈钢板进 行了大量的激光再制造的初步试验研究，为进一步发展激光再卷4 造技术奠 定了基础。 关键词：激光加工技术激光再制造气固两相流气力输送 送粉器合余粉末 a b s t r a e t a b s t r a o t l a s e rp r o c e s s i n gi so n eo fh i g ht e c h n o l o g i e sa n di th a sb e e nr a p i d l yu s e di n m a n yi n d u s t r i e so fa v i a t i o n ，a u t o m o b i l e ，m e t a l h i r g y , p e t r o l e u m ，t r a f f i ca n ds o o n l a s e rr e m a n u f a c t u r i n gh a sb e e nr e g a r d e da si m p o r t a n tf i e l d si nr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n p o w d e rf e e d e ri st h ek e yt ol a s e rr e m a n u f a e t u r i n g f o rt h i sr e a s o n ，a n e wd u a lp o w d e rf e e d e rw i t hc a r r y i n gg a si nl o n gd i s t a n c eh a sb e e nd e v e l o p e d f o rp e r f e c t i n gl a s e r - r e m a n u f a c t u r i n go c c a s i o n s b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fl a s e rp r o c e s s i n g ，t h i sp a p e rf i r s t l yd i s c u s s e s t h ef e a t u r e so fl a s e rr e m a n u f a c t u r i n ga n di t sm a n yp r o b l e m si n a p p l y i n g c o u r s e s a n da tt h es a m et i m e ，w ea l s os t u d yt h es y s t e ma n df e a t u r e so ft h e a l l o yp o w d e r , w h i c ha r ea p p l i e di nl a s e rr e m a n u f a c t u r i n gf i e l d s a tp r e s e n t s e c o n d l y , b a s e do nt h et h e o r yo f g a s s o l i dt w o p h a s ef l o w , t h et r a n s p o r to f a l l o y p o w d e rw i t hc a r r y i n gg a si sa n a l y z e d an e wp o w d e rf e e d e rw i t hc a r r y i n gg a s w a sa l s od e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm e c h a n i c a ld e s i g na n dp n e u m a t i c c o n v e y i n g p o w d e ri st r a n s p o r t e da n dm e a s u r e db ys p e c i a lw h e e l i no r d e rt oi m p r o v e t h e s t e a d yo fp o w d e rf e e dw h e e l ，s t e p - b y - s t e pm o t o ri su s e di n p o w d e r t r a n s p o r t i n gu n i ti sp l a c e di nac l o s e ds y s t e mf i l l i n gw i t hp r e s sa i r , a n dp o w d e r c a l lb et r a n s p o r t e du n d e rn e g a t i v ep r e s s u r e p o w d e rh o p p e ra n dm a i nb o d yc a n b es e p a r a t e di nw h i c hb a l a n c eg a si sf i l l e di nt h e m c a r r y i n gg a s e sa r ef e di n t o t h r e ew a y so fp o w d e rh o p p e r , f e e dw h e e lc a v i t ya n df a l l i n gp o w d e rc a v i t y r e s p e c t i v e l y m a n yt e s t so fp n e u m a t i cp o w d e rt r a n s p o r t 、 v e r ed o n ef o re v a l u a t i n gt h i s d e v i c ew i t hn i 4 5a n dw c i ti ss h o w nt h a ti tc a ns o l v et h et r a n s p o r tp r o b l e mo f a l l o yp o w d e ri nl o n gd i s t a n c e f i n a l l y ，l a r g ea r e al a s e rr e m a n u f a c t u r i n gw a sc a r r i e do u ti nm e t a l l i cs h e a t h a n ds t a i n l e s ss t e e lp l a t e su s i n gt h ep o w d e rf e e d e ra n d3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a d t h er e s e a r c hc a n l a yt h e f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to fl a s e r r e m a n u f a c t u r i n g k e y w o r d ：l a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yg a s - s o l i dt w o - p h a s ef l o w l a s e rr e m a n u f a c t u r i n g p n e u m a t i cc o n v e y i n gp o w d e rf e e d e r a l l o yp o w d e r i i 独创性声明 v7 7 3 8 2 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，沦文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他 教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 甚两p 签字日期：。s 年j 月2 日 学位论文版权使用授权书 乖学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权云鎏兰些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制于段保存、汇编以供查 阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：壤而闯 签字日期：如a s 年3 月2 日 学位论文的主要创新点 一 综合运用气固两相流和有关机电设计的理论设计了一种新 型双料斗载气式送粉器：设计了送粉器的控制系统，控制系统采 用单片机对步进电机进行控制。 二 解决了不同粒度和不同比重的合金粉末的混合输送问题。 三 解决了合金粉末的长距离输送问题，以及长距离输送合金 粉末用于激光熔敷的侧向送粉和同轴送粉问题。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 激光加工技术的发展 1 1 1 激光加工技术概述 自1 9 6 0 年美国梅曼发明世界上第一台红宝石激光器以来，由于激光 的优异特性，以激光器为基础的激光技术得到了蓬勃发展。它与先进制造 技术、计算机技术、数控技术、精密机械技术、传感与控制技术、材料科 学技术、光学、物理等重要学科技术迅速交叉、融合，诞生了一门新兴学 科和技术激光加工技术，即采用高功率激光作“光刀”，在激光的工 业应用方面已成功实现了切割、焊接、热处理、熔敷、打孔、打标和雕刻 等。 近年来，随着激光技术和电子信息、能源、生命科学、材料、先进制 造等重大高新技术领域的发展，对激光产生更大的技术和市场需求。激光 加工技术又发展到激光制造阶段，即利用高功率激光实现重要零部件的微 纳米制造、快速原型制造、零部件的直接制造和再制造。各种光机电一体 化的激光切割机、焊接机、热处理机、熔敷机、打孔机、雕刻机、打标机 如雨后春笋般开发起来。除了常规l 维、2 维机床外，3 维乃至1 0 维激光 加工机及激光机器人也大量涌现出来。不仅用于宏观尺寸的加工制造，而 且用于纳米级尺寸加工制造，其应用遍及航空航天、汽车、冶金、石化、 交通能源、电子信息、医疗器械和轻纺等产业部门，产生了重大的经济效 益和社会效益。激光加工与制造技术已成为2 1 世纪先进制造技术的尖兵， 人类制造模式将从机械制造为主进入光机电一体化的光子制造时代【2 j 。 1 1 2 激光加工技术的演变 自第一台激光器发明诞生，由于激光具有极高的功率密度，把它作为 “光刀”制造工具的重大革命性思想立即产生，它与数控、计算机及 c a d c a m 软件相结合，具有自动化生产、无屑加工、无刀具磨损、无模 制造和无污染绿色制造等一系列特点，因而成为激光几大重要应用之一。 激光加工应用发展阶段大致如下【3 ： 第章绪论 第一阶段( 1 9 6 0 一1 9 7 0 ) ：发展激光器品种，提高激光器性能，探索 应用阶段。此阶段没有成批产品，没有产业形成，仅有实验装置和样机。 如1 9 6 2 年开始用红宝石激光器进行手表轴承打孔探索等。 第二阶段( 1 9 7 0 1 9 8 0 ) ：用于材料加工的激光器发展很快，c 0 2 激光器功率高达2 0 k w ：n d ：y a g 激光器功率高达5 0 0 w 。激光应用首先 在热处理上取得很大进展，美国通用汽车公司所属s a q i n a w 分厂，1 9 7 3 1 9 7 4 年在国际上首先用于汽车转向器壳体的激光热处理，并形成生产 线，以后又用于汽车缸套、缸体生产线上。 第三阶段( 1 9 8 0 1 9 9 0 ) ：是激光切割大发展时期，大批光机电一体 化的激光切割机研发出来，形成商品。大批以激光切割为主的激光加工站 ( j o bs h o p ) 如雨后春笋般产生，美国约有8 0 0 家、欧洲9 0 0 家、日本1 0 0 0 余家。激光切割大发展的原因：广泛的市场需求；高光束质量的快轴流 c 0 2 激光器诞生；数控、计算机及c a d c a m 软件的发展和高精度机床 的发展。 第四阶段( 1 9 9 0 一现在) ：常规激光加工( 切割、焊接、热处理、打 孔等) 继续发展的同时，又产生了一门新技术激光制造。不仅用激光 作加工工具，还用于制造工具，于是诞生了激光快速原型技术、激光直接 制造技术和激光再制造技术。它们的发展主要来源于机械学科先进制造理 论的发展，如虚拟制造、敏捷制造、快速成型等。 近年来，随着信息产业发展，用于微电子加工与制造的激光纳微米加 工突飞猛进地发展起来，产值占全部激光加工的5 0 以上。 综上所述，激光宏观加工( 切割、焊接、热处理、打孔、雕刻) 、激 光制造及激光纳微米加工构成本领域三大支柱。其发展的共同先导技术 为：激光技术、计算机技术、数控技术、c a d c a m 、c a p p 、c i m s 等制 造信息化技术、先进制造理念、先进材料技术等 1 1 3 国内外激光加工的发展。3 1 1 3 ，1 国外发展状况 由于激光与光学的重要地位，主要的工业发达国家近年柬都在加强与 其有关的科学、经济和政治等方面的措施。美国、德国、日本等国政府对 光学技术市场的建立给予了巨大的支持。 ( 1 ) 美国国家研究理事会报告：“h a r n e s s i n gl i g h t o p t i c a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n gf o r2 1 “c e n t u r y ”。 ( 2 ) 日本“r i p e - p r g r a m ”计划。 筇。鼋绪论 ( 3 ) 欧洲“尤里卡计划”和“光学振兴”计划。 在这些计划中激光加工与制造均占有十分大的比例，德国是世界上工 业激光后起之秀，德国政府2 0 年来对激光加工给予极大的关注，联邦科 学技术部设立激光技术专项基金，例如“l a s e r2 0 0 0 ”计划，共投入2 9 亿欧元( 2 6 亿人民币) 。2 0 0 2 年德国总理提出：把光学( 激光) 、电子 和生物一起作为科技领域三大新的发展重点。 鉴于此，无论从工业激光器到激光加工机，国外一直都处于领先地位。 随着激光技术的广泛深入应用，激光器也随之由气体激光器( c 0 2 、h e _ n e ) 到固体激光器( n d ：y a g ) 再到半导体激光器和光纤激光器。由 低效、庞大、低速、不稳定、能耗大向高效、紧凑、快速、可靠、节能的 方向发展。 ( 1 ) 目前工业激光器世界上形成几大家。德国r o f i n s i n a r 是世界第 一大厂家，生产1 - 1 0 k w 快轴流激光器，近年又推出板条状激光器，主要 与加工机配套，占世界销量的1 3 。 ( 2 ) 以激光切割机为代表的激光加工机，是一个光、机、电、控制及 检测为一体的高技术设备，主要厂家为德国通快、瑞士百超、意大利普瑞 玛三大公司。日本有几家，韩国、澳大利亚等国也有，但规模小，其市场 占有量和技术水平均高于中国。 1 1 3 2 国内发展状况 近2 0 年来，中国的改革开放和迅速发展着的市场经济，极大地推动 着高新技术的研发和应用。激光科学技术和激光加工是中国发展较快的高 新技术产业之一。至今，国内从事制造工业激光系统公司超过1 0 0 家，正 在形成研法、批量生产和供、销、维修服务的体系。国产激光器己能批量 生产供应中、小功率( 3 0 w - - 5 0 0 w ) 的n d ：y a g 固体激光加工系统设备 和高功率( 1 0 0 w - - 5 0 0 0 w ) c 0 2 激光加工系统设备。国内工业激光制造企 业已能小批量提供低、中档激光标记、划线、焊接、切割、打孔等设备。 中国的激光器和激光技术产业的初步规模正在形成。 ( 1 ) 在工业激光器方面主要研发和生产厂家有武汉中国光谷团结 激光公司生产2 5 k w 激光器及成套加工设备市场占有率7 0 。其次有 沈阳大陆激光公司、华工激光公司，主要用于激光热处理、涂敷和焊接。 用于切割的工业激光器要求模式好( 基模、低阶模) ，国内几乎不能生产 工艺用快轴流激光器，仅南京东方激光与r o f i n - - s i n a r 公司合资，生产 2 k w 以下的激光器，国内切割用激光器9 0 依靠进口。 在微电子行业用低功率n d ：y a g 激光，用于打孑l 、打标、雕刻，国 笫尊终论 内华工激光、楚天激光、大族激光及大恒公司( 北京) 等单位力量雄厚， 约占国内市场8 0 左右，其余为进口。 ( 2 ) 激光加工机方面，主要是激光切割机。目前国内主要生产厂家为 上海团结一普瑞玛激光公司( 中意合资) 。由于价位低，质量也可靠，国 内市场占有率7 0 其余为进口。 1 1 4 光加工与制造技术研发和产业应用 由于该项技术是一个不断成长的综合性交叉新技术，研究发展占很大 比重。国外有许多大型科研机构和大学从事这方面工作。如德国b i a s 研 究所、夫琅和费研究所、美国海军实验室、密执根大学、英国利物浦大学、 日本大阪大学等。当前重点研发项目如下【2 】： ( 1 ) 激光快速原型机开发及应用：已用于航空航天、汽车、电子等领 域。 ( 2 ) 激光直接制造系统及应用：己用于航天航空( 叶片、机匣等) 、 汽车、电子信息。 ( 3 ) 激光再制造技术及应用；已用于大型机车、航空飞机、水电设备、 发电设备上。 ( 4 ) 激光焊接生产线：已用于大众、通用等汽车装配生产线及船舶制 造生产线。 ( 5 ) 激光切割：主要用于工厂批量生产和加工站( j o bs h o p ) 对外加 工上。 ( 6 ) 激光热处理：己用于汽车缸体、缸套生产线上，如大众、丰田、 菲亚特等。 ( 7 ) 激光纳微米加工制造：用于电子信息产业激光焊接、打孑l 、达标 1 2 激光再制造技术h 1 1 2 1 激光再制造技术及其必要性 随着中国加入世贸组织( w t o ) ，中国将成为世界制造业中心，作 为中国支柱产业的制造业面临着激烈的竞争并经历着一场深刻的技术变 革，用高新技术改造提升传统制造业成为必然的趋势。改革开放以来，国 外大批的高精尖设备引入我国，许多重大工程装备造价十分昂贵，一旦出 现损坏，使生产线中断。特别是进口设备，缺少备件，临时引进不仅价格 昂贵，而且时间紧迫，不能保证及时生产，将造成重大的经济损失。据了 第章绪论 解，我国每年用于修复大型装备的费用高达5 0 0 亿元。因此、开展重大装 备修复，发展快速、高效、精密的修复技术不仅具有广阔的市场需求，而 且具有重大的经济效益和社会效益【4 】。 常规修复技术有电镀、电弧和火焰堆焊、热喷涂( 火焰、等离子) 等。 堆焊、热喷涂或喷焊，热注入大，能量不集中，零件基体热影响很大，稀 释率高，降低了基材的性能，而且易使零件变形，甚至产生开裂。不仅如 此，由于手工操作，修复尺寸不能精确控制，后加工量大，造成了财力、 物力和时间的浪费。对有些精度要求高( 如长轴类) 的零件或特殊材料( 硬 质合金、高温合金、陶瓷等) 几乎用常规技术无法修复，致使一些贵重部 件因得不到修复而报废。发展精密可控成形再制造的修复技术已成为制造 业的迫切需要。 近年来，国际上诞生了一门新兴技术再制造技术( r e f a b r i c a t i n g t e c h n o l o g y ) 。与以往修复技术不同，再制造技术是一种全新概念的先进 修复技术，它集先进高能束技术、先进数控和计算机技术、c a d c a m 技 术、先进材料技术、光电检测控制技术为一体，不仅能使损坏的零件恢复 原有或近形尺寸，而且性能达到或超过原基材水平。由此形成了一门新的 光、机、电、计算机、自动化、材料综合交叉的先进制造技术【4 j 。 1 2 2 激光再制造技术构成 激光再制造技术的技术基础是激光熔敷。激光熔敷原本是一种表面强 化技术，它不涉及零件精确成形问题。以激光熔敷为修复技术平台，加上 现代先进制造、快速原形等技术理念，则发展成为激光再制造技术。它是 以金属粉末为材料，在具有零件原型的c a d c a m 软件支持下，c n c ( 计 算机数控) 控制激光头，送粉咀和机床按指定空间轨迹运动，光束与粉末 同步输送，形成一支金属笔，在修复部位逐层熔敷，最后生成与原型零件 形近的三维实体，如图1 1 所示。 图1 1 激光再制造系统的构成 篇章绪论 一个完整的激光再制造系统要由以下几个部分构成【4 j ： ( 1 ) 激光器：l 5 k w c 0 2 激光器，多模即可，或用o ，4 2 k w n d ：y a g 激光器，多模即可。 ( 2 ) 光学系统：采用聚焦光束和宽带光束两种方法，宽带光束可使熔 敷表面光滑平整，一般采用激光宽带扫描转镜。 ( 3 ) 送粉器：采用载气式或非载气式输送两种均可。非载气式送粉， 粉末利用率高达9 0 ，载气式仅3 0 4 0 。在进行二维以下运动修复时 采用非载气式送粉可节省粉末，从而降低使用成本。 ( 4 ) 监测控制系统。激光在制造过程中重点要考虑的就是加工的精度， 凭借以往激光加工中经验的观察调整方法显然不行。因此智能化控制加工 过程十分必要。对激光再制造进行在线监控一般可以通过监测熔池温度、 熔覆层厚度或者熔池的形状变化来控制工艺参数，从而来实现精确再制 造。 1 2 3 送粉器目前研制状况” 送粉器是激光再制造技术中的一项关键技术。而对于送粉器的研究， 其历史不是很久，现在国内外已研制出几种类型的激光熔敷送粉器。根据 送粉方式的不同，目前主要采用的送粉器主要有以下几种：螺杆式、刮板 式、鼓轮式和流化式送粉器。 1 2 3 1 螺杆式送粉器 螺杆式送粉器是根据机械力学原理工作的。图1 2 是其原理图，由螺 旋杆、料斗、粉桶、混合器和振动器组成。螺旋杆由电机驱动旋转，带动 粉末沿着粉桶内壁螺旋槽运动，并输送到混合器中。混合器中的载流气体 将粉末以流体的形式输送出去。为了使粉术充满螺旋槽内以便计量精确， 在粉斗底部装有振动器。螺旋杆、料斗、粉桶、混合器处于有载流气体的 密封仓内。其送粉量与螺杆的旋转速度成正比，调节控制螺杆转动电机的 转速，就能精确地控制送粉量。这种送粉器灵敏度高、稳定可靠、送粉均 匀，但不适用于比重不同的混合粉末和颗粒度相异的粉末，且易堵粉。 第章绪论 j 影转盘。刮板 一组垮甾柬 压缩气鲥r 。i 意；t 。0 “、 第章绪论 动，小槽内的粉末依次从出粉口流出。通过调节鼓轮的转速、漏粉孔直径 和漏粉孔与鼓轮间的间隙，就能精确控制送粉量。这种送粉器主要优点是： 可适用于混合粉的送粉。不会造成不同比重和不同粒度粉末的分层。不过， 它同样要求粉末具有较好的球形和流动性。并由于没有载流气体，对于长 距离送粉、侧向送粉和同轴送粉较为困难。 图1 - 4 鼓轮式送粉器原理示意图图1 5 流化式送粉器原理示意图 1 2 3 4 流化式送粉器 图1 5 所示的是流化式送粉器原理图，主要有料斗、送粉轴和振予组 成。其是根据气动力学原理工作的，依靠粉粒自重、料斗的振动和压缩空 气使送粉轴周围的粉粒流化。送粉轴位于料斗的底部，中空的，且在送粉 轴的圆周上有小孔。当载流气体从送粉轴中间通过时形成负压，通过送粉 轴上的小孔将送粉轴周围流化过的粉粒吸入送粉轴，再在载流气体作用 下，将粉束输送出去，但不够稳定。有不同规格的送粉轴，用来适应不同 粒度的粉末。 1 2 。4 目前常用送粉器的性能比较 对几种常用送粉器的比较：螺杆式和刮板式送粉器存在粉末与送粉元 件之间的摩擦、挤压现象，粉末易阻塞，影响了送粉的连续性和稳定性。 螺杆式、刮板式和自重式鼓轮送粉器对较细合金粉末的输送还存在一定的 问题。常常因粉末的粘结，形成粉帘，不能实现连续送粉，造成输送不均 匀，稳定性差等问题。此外，自重式鼓轮送粉器要求粉末具有较好的球形 和流动性，并由于没有载流气体，对于长距离送粉、侧向送粉和同轴送粉 较为困难。 筇“章绪论 1 3 本课题研究的内容和意义 在激光再制造技术中，激光熔敷是其基础。激光熔敷是利用高能密度 的激光束所产生的快速冷凝过程，在基材表面形成与基材相互融合的且具 有完全不同成分与性能的合金熔敷层。激光打在基体表面，高温使基体局 部融化形成熔池，合金粉末落入熔池被融化，同时又快速冷却与基体一起 形成熔敷层。影响熔敷层质量的好坏，不仅取决于材质特性和激光工艺参 数，而且与落入熔池内的粉末均匀性密切相关。 送粉器的功能是按照工艺要求向 j h t 部位均匀、准确地输送粉末，因 此送粉器的性能将直接影响着熔敷层的质量。不好的送粉性能可以导致熔 敷层厚薄不均匀、结合强度不高等。随着激光熔敷越来越多的应用，对送 粉的均匀性提出越来越高的要求。目前研究较多的是流化式送粉器和载气 式送粉器，载气式送粉器主要依靠动能把粉术均匀、稳定地输送出来，辅 之以气体分散和运输，粉末容易分散均匀及流畅运输，且重点解决了立体 送粉和合金粉末的氏距离输送问题。 本课题从基本的气固二相流出发，重点针对气体输送超细粉末进行研 究。解决气体送粉的连续性和稳定性。此外研制出一种新型双料斗载气式 送粉器，能精确、连续、稳定地输送合金粉末。 本课题是激光再制造的重要组成部分，给激光再制造的温度场模拟、 同轴送粉等不仅提供了理论支持，而且提供了设备保证。该课题解决的问 题具有广泛的实用意义，不仅可以全面推进激光再制造技术的发展，而且 在热喷涂等技术方面具有较大的实用价值。 本课题来自天津工业大学激光研究所杨洗陈教授主持的天津市科委 的重点科研攻关项目“激光再制造及工业应用”。 第二章激兜熔激基础弹沦 第二章激光熔敷基础理论 2 1 激光熔敷基础 2 1 1 激光熔覆技术概述 早期熔覆技术的研究主要集中在提高材料的耐磨性上，他们将耐磨材 料预置到工件表面，使用热喷涂或等离子喷涂的方法使其附着于工件表面， 改善其性能。直到六十年代末七十年代初，高功率激光器研制成功并投入 商业应用。由于激光具有的优异特性，很快引起了研究人员的注意。激光 熔覆的试验研究始于本世纪7 0 年代，美国d s g n a n m u t h u 于1 9 7 6 年获得了 激光熔覆一层金属于另一层金属基体的熔覆方法专利1 6 j 。 激光再制造技术的技术基础是激光熔敷。激光熔覆亦称激光涂敷，它 通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面 薄层一起熔凝的方法。在基材表面形成与基材相互熔合且具有完全不同成 分与性能的合金覆层。基材的熔化层很薄，因而对熔覆层的成分影响极小。 它综合了光、机、电技术，涉及材料学、物理学、自动化技术、机械等多 门学科，是未来工业发展的一个重要方向【4 】。 激光熔敷的工艺过程与激光表面合金化相似，但却有原则上的区别。 激光表面合金化，即当激光束扫描添加了金属或合金粉末的工件表面时， 工件表面和添加元素同时熔化。当激光束撤出后，熔池很快凝固而形成一 种急冷金属的晶体组织，形成具有某种特殊性能的新的合金敷层：而激光 熔敷不是把基体上的熔融金属作为溶剂，而是将另行配制的合金粉末熔化， 使其成为熔覆层的主体台金，j 司时基体合金也有一薄层熔化，与之结合。 激光熔覆层自成合金体系，具备基体所没有的高性能，从而扩展了金属表 面强化技术。 2 1 2 激光熔池的温度场 在激光熔覆中，激光熔池内温度场的分布直接影响其对流、传热和传 质，进而影响其凝固过程和成分的均匀性。温度场的分布规律及其影响因 素对于光束质量的优化、工艺参数的选择和敷层质量的控制都是十分重 要的。 可以用两种方法得到温度场的分布数据。一种方法为实时检测与控制 激光再制造激光熔池内温度场，即用一套新型c c d 红外图像比色测温与反 第带激光熔敬基础理论 馈系统模型。此系统模型采用单镜头采集两种波长的激光熔池温度场红外 图象，c c d 摄相机接收热辐射信号，将得到的信息传输到计算机进行处理， 得到激光熔池温度场分布数据，根据这些数据可以进行激光加工控制，如 图2 1 【8 】d 一 堕蚓， 次、臀 上，、弋、川 叶汜蔷罐影f i 到 焉 i 切：二一一一 一l 一 图2 - 1 测温系统模型示意图 另一种方法是依据热传导偏微分方程，并附以具体的边界条件，通过 计算而得出。三维热传导偏微分方程的数学表达式为1 2 3 j ： 三堡一vz r ：旦1 口o ta 式中：d 为热扩散系数，t 为温度，t 为时问，o 为功率密度， 为导热系 数。 影响激光熔池温度场的工艺因素主要是激光束的能量密度，能量分布、 扫描速度和其他几何形状 1 】。 为了求解偏微分方程解析解的方便，计算中做了一些假设：被加热的 材料均匀且各向同性、材料的光学和热力学参数与温度无关、对流和辐射 造成的热量损失和相变潜热忽略不计等。还要用数学表达式给出激光束的 能量分布，目前主要研究能量呈高斯分布和均匀分布两种情况下的激光熔 池温度场【“。 如图2 - 2 的坐标，采用能量呈高斯分布和均匀分布的激光束熔化材料 的表面时，沿y 方向温度场的分布是对称的。由于光束移动的结果，熔池 表面的最高温度并不在正中心，而是相对于光束扫描方向略偏后的部位， 并且后移量随光束移动的速度增大而增大。 熔池内沿深度方向上的温度和熔化时间的分布都不是均匀的。在z = o 处熔化时间最长，温度也最高。在熔池底部液、固界面附近，只有瞬时的 熔化，温度也最低。在影响熔池深度方向温度一熔化时间的诸因素中，光 第擎激光焰败基础坪绝 束的功率密度起着重要作用，功率密度越大，其深度方向的温度梯度也越 大。 图2 - 2x 方向激光扫描加热工件示意图 2 1 3 激光熔敷工艺 2 1 。3 1 激光熔敷工艺 激光熔覆按熔覆材料的供给方式有两类：预置式激光熔覆和同步式激 光熔覆。预置式是将熔覆材料先放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、丝和板的形式加入，其主要工艺流程 为：基材熔覆表面预处理一预制熔覆材料一预热一一激光熔化一 后热处理 同步式激光熔覆是将熔材料覆直接送入激光束中，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，粉末输送形式主要由送粉器 来完成。有的也采用线材或板材同步送料。其主要工艺流程为：基材熔覆 表面预处理一一送料激光熔化一后热处理。 简言之，激光熔覆是利用高能密度的激光束所产生快速熔凝过程，在 基材表面形成与基材相互熔合的且具有完全不同成份与性能的合金覆层。 其中覆层材料完全熔化，而基材熔化层极薄，对覆层的影响极小。从目前 实现这项技术的手段上看，多数场合采用送粉方式。因此，我们研制专用 送粉器的根本目的就是为了满足在送粉方式下这种先进加工技术能更好地 为工业生产服务。 2 1 3 2 激光工艺参数对熔敷层形状特征和稀释率的影响 激光熔敷层的形状特征是指单道激光熔敷层横截面的形状和尺寸特 征，是由熔敷层的宽度w 、熔敷层的高度h 、熔敷层的厚度t 、接触角0 和形状系数n ( n = w h ) 所描述的，如图2 3 。激光熔敷层的接触角0 主 要取决于熔敷层高度h 、熔化层的表面张力与基材间的湿润性。对于确定 第i 章 激危熔散毖础理论 的熔敷合金与基材，e 是由预置粉末层深或绝对送粉率决定的：随预置粉 末层深或绝对送粉率的增加而线形减小，且不受激光功率和扫描速度的强 烈影响。 图2 3 激光熔敷的形状特征尺寸示意图 在送粉率不变的前提下，随着扫描速度的增加，h 和w 均降低，而0 和n 则升高，但w 随扫描速度的变化幅度与h 相比要小得多。熔敷带的宽 度w 主要取决于光斑尺寸，扫描速度的增加只是使其适当的变窄。在扫描 速度相同时，增加送粉率主要提高熔敷层高度h ，并使0 和n 降低，但w 变化不明显。 在送粉率与激光功率不变的条件下，随着光斑直径的增加，熔敖层高 度h 降低而w 、0 和n 增加。 在其他参数恒定的条件下，熔敷层高度h 随着扫描速度的增加而明显 减小。而激光功率的改变对h 的影响是很有限的，激光功率增大造成熔敷 带的加宽，扫描速度的提高使其适当变窄。 21 3 3 激光工艺参数对熔敷层稀释率的影响 稀释率是指在激光熔敷中，出于熔化的基材的混入而引起的熔敷合金 成分的变化程度，用基材合金在熔敷层中所占的百分率表示。计算稀释率 的方法可分为两种，即按敷熔层的成分实测值计算，或按熔敷道横截面的 测量值计算稀释率其中后者称为几何稀释率，是一种最简单也最常用的 测量方法。 按图2 - 4 所示的熔敷道横截面示意图，几何稀释率的计算公式为： 可：_ o ( 2 2 ) 栌j 商 瞄 式中，n 为稀释率，a l 为基材熔区截面积，a 2 为熔敷道截面积。 由于敷熔层的宽度与基材的熔化宽度存在着对应关系，且基本不为敷 熔工艺参数所影响，因此几何稀释率的计算可简化为： 第i 审激觅熔敷基础理论 7 7 2 百万 式中：n 为稀释率，h 为基材熔深，h 为熔敷高度。 图2 - 4 单道激光熔敷层横截面示意图 ( 2 3 ) 在激光熔敷中，为了获得冶金结构的熔敷层，必须要佼基材表面产生 熔化，因此，基材对熔敷合金的稀释率是不可避免的。但为保持熔敷合金 的高性能，又必须尽量减少基材稀释的有害影响，将稀释率控制在适当的 程度。 对于同步送粉法的激光熔敷，在激光功率与光斑尺寸不变的条件下， 基材的熔化深度与敷层的稀释率主要取决于光束扫描速度和送粉率。单位 面积上的粉末沉积越多，则所需的熔化能量就越多，在送粉率低于某值时基 材的熔化层深随扫描速度的增大而减小；当送粉率大于某值时基材的熔化 层深随扫描速度的增大而增加。在送粉率不变时，稀释率随扫描速度的增 加而增大，在相同的激光工艺参数下，随着送粉率的增大，稀释率则显著 下降，可以认为送粉率是决定熔敷层稀释率的关键因素。 2 2 激光熔覆材料 激光熔敷可将高熔点的材料熔敷在低熔点的基材表面，且材料的成分 亦不受通常的冶金热力学条件限制，因此所采用的熔敷材料的范围是相当 广泛的，包括镍基、钻基和铁基合金、碳化物复合合金材料以及陶瓷材料 等。 应用气动送粉方式实现激光熔覆技术就涉及到所输送粉末成份及其料 性等问题，因为这些粉末的特性会对气动输送过程及工艺有较大的影响， 也影响到我们对载气送粉器结构设计和材料的使用等诸多问题。而激光熔 凝层的性能也主要地取决于其所选粉末材料的成分和料性，因此有必要了 解在激光熔覆过程中所使用的粉末材料。 第i 翠激光熔救藤 _ i j j 雕沧 2 2 1 常用激光熔敷材料 目前激光熔敷常采用的材料主要是热喷涂或热喷焊类材料，其类型包 括自熔性合金材料、炭化物弥散或复合材料、陶瓷材料等。这类材料具有 优异的耐磨、耐蚀等性能，已广泛应用于机械、冶金、水电、航空、玻璃 等行业。 2 2 1 1 自熔合金粉末 所谓自熔性是指合金粉末中含有的硼和硅，这两种元素具有自我脱氧 和造渣的性能。其优点在于：熔覆后，在熔覆层表面形成b 2 0 2 、s i 0 2 薄膜， 这种薄膜既能防止合金中的元素氧化，又能与这些元素的氧化物形成硼硅 酸盐熔渣，从而获得氧化物含量低、气孔率少的熔覆层。 现今，国内外常用的自熔性合金粉末可分为镍基、钴基和铁基三大类， 另外还有w c 型自熔合金粉末，其中镍基和钴基合金粉末的自熔性良好， 耐腐蚀、喇磨、抗氧化性能也优良，但价格昂贵，比铁基贵1 3 倍，铁基 自熔性冶金粉末最大的优点是成本低，但抗氧化性差，熔层内气孔夹渣较 多。 在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，镍基、钴基和铁基 自熔性合金已不能胜任，此时在上述的白熔性合金粉末中加入一定量的w c 粉末。熔覆后，熔覆层不仅具有高的硬度、耐磨性和红硬性，又有一定的 韧性。 自熔性合金粉末的流动性很好，比重一般也较大，但对于气动输送来 说，这类粉末要依靠较大的能量来输送。 表2 1 给出一些工业上常用的合金粉末牌号、粒度( 目数) 、硬度、 比重、熔点等物理性能。从表中可看出镍基粉末比重一般在7 2 77 之间， 碳化钨( w c ) 一般约为8 3 9 _ 3 。以作为气动送粉时选择工艺参数时的依 据。 2 2 1 2 碳化物复合粉末 碳化物复合粉末系由碳化物硬质相与金属或合金作为粘结相的粉末体 系，它可分为( c o 、n i ) w c 、( n i c r 、n i c r a l ) c r 3 c 2 等系列。这类粉末的 粘结相可以在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，从而可获得具有硬质 合盒性能的覆层。碳化物复合粉术具有很高的硬度和良好的耐磨性。其中 ( c o 、n i ) w c 系粉末适应于低于5 0 0 。c 的工作条件，( n i c r 、n i c r a i ) c r 3 c 2 则适用于高温环境。这类粉末流动性较差，但比重较大，对于目数很低的 超细粉末，输送是很困难的。 第? 拳激光熔般毖础理沦 表2 - 1 常用的合金粉末 膨胀系数典型硬度 系列牌号比重熔点( )( 2 0 7 0 0 )( h r c ) 规格目数 a 1 0 6 ( 粒度) n i 2 51 0 4 02 51 5 0 镍n i 3 57 51 0 5 0 1 3 83 5- 1 5 0 基 n i 4 5 7 2 1 0 8 51 314 51 5 0 粉 n i 5 57 51 0 9 7l365 5一1 5 0 末 n i 6 07 5 1 0 2 7 3 46 01 5 0 n i 6 27 71 0 5 7 1 2 26 21 5 0 钴基c 0 4 21 1 8 21 744 26 0 + 2 0 0 粉末c 0 5 0731 1 2 0 1 3 35 0- 1 5 0 铁 f e 3 0 1 0 5 0 - - l l o o 1 6 2 3 01 5 0 基f e 3 0 a1 0 5 0 1 l o o1 5 23 01 5 0 粉f e 5 07 41 0 5 0 1 1 0 01 415 0 - 6 0 + 2 0 0 末 f e 5 5 7 4 】0 5 0 1 1 0 01 5o5 51 5 0 碳化 n i w c 2 583 9 8 0 1 0 4 0 1 1 _ 3 6 0 7 015 0 钨型n i w c 2 58 - 39 8 0 1 0 4 01 096 0 7 015 0 粉末c o w c 3 59 31 0 5 0 1 2 1 01 0 7 5 0 7 0 15 0 2 2 1 3 自粘结复合粉末 这种粉末最初用于热喷涂。它具有工作粉末和打底粉末的作用。粒度 一般在1 0 0 3 2 0 之间。目前的主要类型有：自粘结碳化钨、自粘结不锈钢、 自粘结铝青铜、自粘结合金钢等系列。自粘结复合粉末的流动性也差，而 且目数较大，比重不一。此种粉末材料与基材结合强度高，并具有良好的 耐磨性、抗冲击性、适合于耐磨部件的表面修复，因此在送粉式激光熔覆 中也是常用到的。 2 2 1 4 氧化物陶瓷粉末 第二蕈激光熔数基础理论 氧化物陶瓷粉末一般的粒度在一2 0 0 3 2 0 之间。具有抗高温、抗氧化、 耐磨、耐蚀等特性。主要成分为氧化铝、氧化锆两个系列，其中氧化锆系 列陶瓷粉末比氧化铝系列陶瓷粉末具有更低的热传导和抗热震性能。 2 2 2 粉末料性对输送性能的影响 合金粉末的料性影响着它的输送。根据上述的主要粉末体系及其成分 和物理特性，我们可以看出：比重、粒度、形状、目数等都影响着它的输 送。一般是粉末颗粒的比重较大、目数较小、形状呈球形或较为规则时其 流动性较好。在输送时充分利用这样的特点进行输送，如一般的n i 基粉末； 如果比重大的超细粉末( 如有的w c 粉末 ，其流动性较差，粉末在输送 管腔里易滞留，甚至会堵塞，因此要顺畅地输送可以借助外部动力，如加 载气力输送等【1 7 】；对于比重较低，即轻系列粉末，如果是超细粉末，则更 难输送，对送粉器的性能要求更高。因此，在粉末的可输送性方面，粉末 颗粒的目数、比重等料性对送粉器的输送性能影响很大，一定程度上也影 响着送粉器的设计。另外，粉末材料的硬度、耐磨性等特点对送粉器的零 部件的制造也有较大影响。所以，根据这些情况，送粉器必须能适应目数 范围较大一些；粉体腔内部与粉末材料相接触的零部件的表面必须耐磨、 耐挤压；对于目数较低的超细粉末，比重较小的轻粉末，由于其流动性更 差，既要求送粉器能提供均匀性送粉、又要在输送管腔能提供动力输送， 避免粉末滞留、出现粉帘和堵塞等。 因此，可以说粉末的成分直接影响其料性，而料性又对气力运输送过 程产生重要影响，直接关系送粉器的设计和制造，这一点必须有足够的重 视。 第二二：章粉体的气力输送疆n 仑 第三章粉体的气力输送理论 3 1 固气两相流输送理论 载气式送粉器主要依靠动能把粉术均匀、稳定地输送出来，辅之以气 体分散和运输，粉末容易分散均匀及流畅运输。因此送粉器的结构设计和 送粉器的应用都要用到固气两相流输送的相关理论。 3 1 1 固气两相流输送原理 固气两相流，常称气力输送，是一种利用空气流作为输送动力在管道 中输送粉粒状颗粒料的方法。 物料在管道中的流动状态实际上很复杂，