（机械设计及理论专业论文）基于激光再制造的三维同轴送粉工作头研究.pdf

天津工业大学硕士学位论文 摘要 激光再制造是一种以激光熔覆技术为核心的新兴绿色修复技术。它可以实现 对重大零件的快速修复，降低成本，为企业参与市场竞争赢得时间。同轴送粉工 作头是激光再制造系统的关键部件，涉及激光与材料相互作用许多基本问题，深 入开展三维同轴送粉工作头的研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文介绍了激光再制造技术的原理，综述了国内外研究发展现状。建立了粒 子受热状态、光能分配模型和粉末流场浓度模型，对光粉相互作用进行了较深入 的理论分析。综合机械设计的相关理论，设计出具有三维空间工作功能、粉末流 束焦点可调的新型送粉工作头。首次结合数字粒子图像测速技术( d p i v ) 设计了 对粉末流束的速度场和浓度场的试验方案，并实际检测了在不同工作状态下的粉 末流束的速度场和浓度场。开展了送粉工作头的实际应用试验研究，利用研制的 三维送粉工作头对导套零件和不锈钢板进行了大面积激光再制造的初步试验研 究，取得了良好的效果。分析t i 艺参数对粉末利用率、熔覆层质量等方面的影 响。 试验表明同轴送粉工作头具有全方向性和和其粉末流束的焦点可调节特性。 其主要技术参数如下： 聚焦方式：透镜反射聚焦 送粉方式：载气式月e 载气式 。轴转角：0 0 _ 一3 6 0 0 v 轴转角：6 0 0 _ _ + 6 0 0 粉末利用率： 载气式兰3 0 ，非载气式兰6 0 关键词：激光再制造，三维同轴送粉工作头，d p i v ，粉末调焦，速度场 浓度场 黜箩、导帅同避、 勿垒文黼一 丕堡三些查兰堡主兰垡望兰 a b s t r a c t l a s e rr e f a b r i c a t i o ni sak i n do fn e wg r e e nr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yt h a tb a s e d 0 1 1l a s e rc l a d d i n g i tc a l lb eu s e dt or e p a i ri m p o r t a n tw e a r e dp a r t sr a p i d l y ，s oi tm a y b r i n gt h er e d u c i n gp r o d u c t i o n c o s ta n ds a v i n gw o r k i n gt i m e 3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a d i st h em o s t i n a p o r t a n t a n dk e y p a r t i nl a s e r r e f a b r i c a t i o n m a n yp r o b l e m s o f i n t e r a c t i o n sb e t w e e nl a s e ra n dm a t e r i a l sw e r ei n v o l v e di n i ti s s i g n i f i c a n t a n d v a l u a b l et oc a r r yt h r o u g ht h er e s e a r c ho f3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a d d e e p t y i nt h i sp a p e r , t e c h n i c a lp r i n c i p l e so fl a s e rr e f a b r i c a t i o nw e r ei n t r o d u c e d c u r r e n t s t a t e so fd e v e l o p m e n tw e r es u m m a r i z e di nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s m o d e lo ft h e h e a t e dp a r t i c l e s ，m o d e lo fd i v i s i o no ft h el a s e re n e r g ya n dc o n c e n t r a t i o no f p o w d e r s t r e a mw e r ep r e s e n t e d i n t e r a c t i o nb e t w e e np o w d e r p a r t i c l e sa n dl a s e rw a sa n a l y z e d d e e p l y n e w 3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a dw i t i la d j u s t a b l eo ft h e p o w d e r s t r e a mf o c u sw a s d e s i g n e d d p i v ( d i g i t a lp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) t e c h n o l o g yw a s u s e dt oo b s e r v e v e l o c i t yf i e l d sa n dc o n c e n t r a t i o nf i e l d so f p o w d e rs t r e d i n i s as e r i e so f p r o c e s s i n gt e s t s u s i n g3 d c o a x i a lf e e d i n gh e a dw e r ec a r r i e do u t u s i n g3 dc o a x i a lf e e d i n g h e a d 1 a r g e a r e al a s e rr e f a b r i c a t i o nw a sc a r r i e do u ti nm e t a l l i cs h e a t ha n ds t a i n l e s ss t e e lp l a t e s t h ei n f l u e n c eo ft h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r st op o w d e ru t i l i z a t i o nr a t i oa n d q u a l i t y o f c l a d d i n gw e r ea n a y z e d i t i ss h o w nt h a tt h e3 dc o a x i a l f e e d i n g h e a dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c o f f u l l d i r e c t i o na n d a d j u s t a b l ef o c u so f p o w d e rs t r e a m m a j o r t e c h n i c a lp a r a m e t e r so f3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a d ： f o c u sm o d e l ： l e l l sf o c u s r e f l e c t i o nf o c u s f e e d i n gm o d e l ： c a r r y i n gg a s w i t h o u tg a s r o t a t i o n a la n g l eo f 中a x i s ： o o 一3 6 0 0 r o t a t i o n a la n g l eo f 掣a x i s ： 6 0 0 - _ + 6 0 0 p o w d e ru t i l i z a t i o nr a t i o ： f e e d i n gw i t hc a r r yg a s 三3 0 f e e d i n gw i t h o u tg a s 三6 0 k e y w o r d ：l a s e rr e f a b r i c a t i o n ，3 dc o a x i a lf e e d i n gh e a d ，d p i v , a d j u s t a b l ef o c u so f p o w d e rs t r e a m ，v e l o c i t yf i e l d s ，c o n c e n t r a t i o nf i e l d s 独创性声明 y 6 2 7 4 6 5 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、除了文中特月0 加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，电不包含为获得丞整王些去堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 一栩* ：。，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 ：j n j 1 i 表示了诎- j 誊、。 学位论文作者签氢剀适忒 签字吼勿孵月万目 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解丞淫工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞盐墨j 世三垦茎兰_ 司以：博学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 行采用影印、编印或扫摊等复制手段杲存、汇编斟供奁阅和借阅。同意学校向国家 。j 猢豉比 ：送父0 1 ，：靛复西p ：和磁盘。 “：一曾r 掌心i t 一僖暂后适蜀水援权晓明) 、 1 、 学位论又作者签名：列边诫 导师签名 、 il j 勿勿汜厂y 物 j 掺字目煳：罗蒯夕年二月刊目 第一章绪 论 1 1 激光熔敷技术的发展 1 1 1 激光熔覆技术概述 激光熔覆亦称激光涂敷或激光包覆，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 材相互熔台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 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。 自这种新兴的的表面改性技术出现以来，取得了迅速的发展。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。由于激光所具有的优异特 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 1 2 激光熔覆技术特点 激光熔覆技术发展至今，熔覆材料已从丝状、膏状的金属，发展到现在 的粉状的金属、陶瓷等。材料添加方式也由原来的预置式发展到同步送料式。同 步送料也多种多样，例如送丝、送膏、送粉等。同步送粉法也发展为侧向送粉法 和同轴送粉法，同时还有载气式送粉和自重式送粉之分。同步送粉法可使粉末在 落入基体表面前即可充分熔化并保持熔融状态，既保证了与基体的冶金结合，又 保证了基体适量熔化，因此，同步送粉法是当前发展的主流。 在同步送粉法中，同轴送粉的熔覆方法具有全方向性的优点，而且粉末利用 率高，因此越来越受到了研究人员的重视。设计出能供工业修复应用的同轴送粉 天津工业大学硕士学位论文 工作头不仅具有重要的学术价值和具有深远的经济意义。 良好的熔覆层应有良好的冶金结合，即最小的稀释率和变形程度，因而要 求 ( 1 ) 熔覆层与基体材料的熔点相近，以保证两者问的稀释最小 ( 2 ) 避免脆性相的形成，确保界面结合强度； ( 3 ) 材料具有一定塑性来补偿热应变，防止形成裂纹。 1 1 3 激光表面技术的应用 ( 1 ) 航空工业中的应用。航空发动机叶片的接触磨损问题一直是使用和维 修中的一大难题，而通过激光熔覆技术可以获得优质的涂层，有效的缓解和克服 了这一问题。相比较热喷涂方法，具有热影响变形小，质量稳定，效率高等特点。 ( 2 ) 汽车工业中的应用。汽车发动机的缸套是易磨损部件，使用激光淬火 可以有效地解决缸套磨损问题，延长使用寿命。另外如凸轮轴的激光淬火，曲轴 的激光淬火也提高了其使用寿命。还有车身的激光焊接技术更是先进制造技术中 的代表。德国的大众汽车公司已经将激光焊接技术应用于新款奥迪汽车的车顶焊 接中。国内天津工业大学已成功将其应用于吉利轿车的凸轮轴淬火和火车缸套类 零件淬火。 ( 3 ) 模具工业中的应用。模具的制造成本很高。对于模具的损坏，以前多 是通过堆焊的方法来实现的，随着激光熔覆技术的发展，使得激光再制造模具成 为可能。并且修复效率高，节约了成本，赢得了时间。如天津工业大学为扎努西 压缩机公司成功修复了模具，为企业赢得了效益。 ( 4 ) 石油工业中的应用。在石油工业中，采油设备连续运转，一些关键零 部件如轴等磨损严重，一根进口泵轴达十几万美元，而使用激光熔覆技术只需很 少的投入就可以使这根轴焕然一新，极大降低了石油开采成本，为企业赢得了效 益。天津工业大学为渤海油田进行的泵轴修复，取得了显著的效果。 ( 5 ) 冶金工业中的应用。轧辊是冶金工业的常用零件之一，轧辊的激光再 制造技术大大延长了轧辊的报废时间，而且熔覆轧辊的性能更为优良，提高产品 质量，节约生产成本。 天津工业大学硕士学位论文 1 2 三维激光再制造技术 1 2 1 激光再制造技术概述 2 0 世纪全球经济高速发展，与此同时，对自然资源的任意开发和对环境的 无偿利用造成全球的生态破坏、资源浪费和短缺、环境污染等重大问题。其中生 产制造业是最大的资源使用者，也是最大的环境污染源之一。为解决这一时代课 题，再制造工程应运而生。再制造工程技术属绿色先进制造技术，是对先进制造 技术的补充和发展。报废产品的再制造是其产品全寿命周期管理的延伸和创新， 是实现可持续发展的重要技术途径，再制造技术可带来新的经济增长点。 再制造技术( r e f a b r i c a t i n gt e c h n 0 1 0 9 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，它集先进高能柬技术、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 件恢复原有尺寸，而且性能达到或超过原基材零件水平。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。 1 2 2 激光再制造技术构成 激光再制造技术是再制造技术的一个重要分支，它来源于激光熔覆。激光熔 覆原本是一种表面强化技术，它不涉及零件精确控制成形问题，而是依靠后续的 机加工来保证尺寸精度。以激光熔覆为修复技术平台，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，送粉工 作头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相近似或相同的完好零件。同时利用i r 比色测温传感器对加工过程进行监控，控制成型的精度。系统结构如图1 1 所示。 蒌堡三些查兰堡主兰垡望兰 图1 1 激光再制造系统的构成 从光束与送粉工作头相互运动关系来看，可将激光再制造分为一维、二维及 三维再制造，如图i 一2 所示。 ( a ) ( b )( c ) 图1 1 2 一维( a ) 、二维( b ) 、三维( c ) 激光再制造运动图 一维的激光再制造系统可以实现单一方向的修复，一般采用侧向送粉方式， 利用轴向旋转或者单方向重复往返来实现对零件的大面积再制造。为了能实现二 维平面的全方向再制造，同轴送粉的技术就应运而生了。如零件在某一平面上具 有不规则裂纹，利用数控和同轴送粉系统就可以实现再制造。但是对于些贵重 的大型零部件，损坏的部位可能是空间曲线形状，而且装卡比较困难，二维激光 再制造系统就无能为力了。因此我们要重点研制三维激光再制造系统，这也是目 前激光加工领域研究的热点之一，具有重大的经济意义和学术价值。 - 4 一 天津工业大学硕士学位论文 1 2 3 三维激光再制造技术 实现精确的激光再制造，有几个部分是不可缺少的。 1 三维同轴送粉工作头。激光再制造的修复范围已经不再局限于轴类、轮盘 类零件。对于复杂空间形状的零件，如箱体，使用一维修复系统就显得无能为力 了。对于二维的修复系统，在水平平面上可以达到较好的效果，而复杂的空间曲 面上也无法使用。所以开发出适合全空间三维再制造使用的送粉工作头是必不可 少的。国内除天津工业大学正在从事此方面研究外，如台湾的成功大学，英国的 利物浦大学和国内的清华大学等另外一些研究机构也着手研究同轴送粉技术，但 三维同轴送粉技术的研究还未见报道。三维同轴送粉工作头是本文主要研究的内 容。 2 送粉器。激光再制造系统中另一个重要的组成部分就是送粉器，在不同的 修复状态下也同样要求送粉器能根据要求来调节粉量，既能实现载气送粉也能实 现非载气重力送粉。因为这样在二维平面工作或者一维修复时可以提高粉末利用 率，粉末损失小，而转到三维立体工作面工作时切抉到载气时可以准确的把粉末 输送到工作部位。另外送粉器的波动率也是一个重要影响因素，实现精确的再制 造也需要高的送粉精度。 3 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 3 本课题研究的内容和意义 实现激光再制造其中关键要解决的就是三维激光同轴送粉工作头的研制。它 是激光再制造的关键执行部件。由于激光再制造和激光直接烧结快速原型等技术 的发展，使得这项研究成为了热点。 国内外学者已经相继开发出多种同轴送粉工作头，如英国利物浦大学的研究 人员和美国一些国家实验室、德国宇航研究院和一些研究机构、台湾和韩国的一 些大学都开展了此项研究。有些还取得了一定的成果，研制出了具有实用价值的 天津工业大学硕士学位论文 二维同轴送粉工作头，并且进行了一些应用试验。如德国宇航研究院利用二维同 轴送粉工作头对叶片和蜗杆进行的快速制造取得了良好的效果。国内进行此项研 究的单位也不少，如天津工业大学、清华大学和西北工业大学等等。 但是目前研制出来的同轴送粉工作头都是只能进行二维平面加工，对于空间 三维加工就无能为力了。针对这种情况，天津工业大学激光技术研究所提出了三 维同轴送粉工作头的构想，并得到了天津市科委的基金资助。在过去的两年中， 天津工业大学激光技术研究所一直致力于激光再制造的研究工作，已经成功实现 了基于二维平面的大面积再制造，并创造了一定的经济效益。同时也看到了二维 激光再制造存在的不足和进行三维同轴送粉工作头研制的必要性。 本课题从基础研究开始，从建立激光再制造的数值模型入手，详细分析粉末 流场及光束的相互作用。粒子进入激光后，吸收激光的能量，同时由于自身辐射， 与保护气对流散热等等原因又使得研究的过程变得复杂。昆明理工大学的研究人 员进行过简单的粒子温度计算，但仅考虑了吸收的能量而未考虑粒子损失的能 量，因此结果具有一定的局限性。最近又有西北工业大学的学者将其推进一步， 在粒子温度分析过程中考虑了粒子辐射能量的损失，但其未考虑其他诸如对流散 热的损失。我们利用热传导和能量守恒相关理论推导出粒子温度计算公式，并由 此推导出粉末粒子对光能的吸收公式等等一系列数值模型。建立了粉末流场的几 何模型并由此对粉末流束的浓度进行了理论分析。从理论上建立了粉末流束焦点 变化的几何模型并进行了计算分析。 在理论的指导下结合机械设计的基本原理，设计出用于激光再制造的可调焦 同轴送粉工作头和三维转动机构。同轴送粉工作头粉末汇聚焦点可调，以适应不 同的加工要求。采用可更换内筒技术，可以安装不同镜组实现透镜和反射透镜聚 焦方式加工，同时防止加工过程中的意外损坏。透镜、反射镜组和送粉工作头具 有独立的水冷系统，迅速导走多余热量，保护工作头不被损坏。具有双层保护气 通道，可以整形粉末流束，提高加工质量。 设计完成的三维同轴送粉工作头利用先进的数字图像粒予测速技术( d p i v ) 对其进行粉末流场进行速度和浓度的分析，检测工作头性能。最后通过加工试验 来检测工艺参数对覆层质量的影响，绘制工艺参数影响曲线供使用人员参考。另 一方面可以为实现自动控制，完成再制造提供依据。 天津工业大学硕士学位论文 本项目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”的子项目。 蒌望三些查堂堡主堂些笙苎 一 第二章光粉相互作用的理论模型 2 1 粉末粒子对高能激光的吸收 在激光熔覆过程中，高能激光束从激光器产生后经过光路到达加工区。在我 们研究的同轴送粉熔覆过程中，高能激光束穿过粉末流场到达试件表面。一部分 能量被粉末流束所吸收，从而导致粉末粒子温度升高，甚至熔化或蒸发损耗。另 一部分能量透射过粉末流束到达材料基体，加热基体，从而产生熔池。而其余的 能量是在对流、衍射等物理作用中损耗了。用公式就可以表示为： e = e t + e 2 + e 3 式中e 表示激光输出的总能量。e l 就表示粉末流束吸收的激光能量，e 2 代 表透射过粉末流束到达基体表面的激光能量，e 3 表示损失的能量。 在这个过程中，所存在的物理过程是非常复杂的。例如在激光再制造过程中 除了粉末流束中粒子本身间存在着吸收、衍射和反射的物理现象外，它吸收了热 量还会向熔池辐射热量，同时熔池也会向粉末流束辐射热量。另一方面，使用高 能激光束进行加工试验时产生的等离子体的现象研究起来也十分困难，在这种复 杂的状态下，严格区分e - 和e 2 是十分困难的。而深入地进行粉末流束中粒子间 的相互作用研究也不是我们要研究的范畴，我们需要的是一个简洁有效的物理模 型。建立起激光束与材料相互作用的简洁的数学模型可以实施现场控制，确定最 佳工艺参数和优化送粉工作头设计等。 在激光再制造技术中，由于使用同轴送粉工作头，相比较以前使用的侧向送 粉而言，粉末流束与光束交互作用时间长，粉末粒予运动情况复杂，受热状态变 化也很大。光束经过粉末流束的衰减情况还没有完全搞清楚。 粉末流束经送粉系统到达送粉工作头后，以一定初速度出射并迸入光束中和 激光相互作用，吸收激光的能量，从而引起自身的温度升高，同时也导致激光能 量的衰减。因此，首先进行粒子温度研究很重要。随着激光应用技术的发展，越 来越多的学者认识到了对加工理论研究的重要，特别对发展激光再制造技术和激 光快速原型更有很大的影响。但对于具体研究粉末粒子的文献还较少。 为了分析问题的方便，我们做了如下的假设： 丕望三些查堂堡主堂垡堡塞 1 _ 由于激光再制造使用多模光束，因此我们假设激光的功率密度在光斑范围 内均匀分布 2 由于粒子只有一面受光，因此粒子的有效吸收面积为万r ；，其中r ，为 粒子半径，忽略粒子间的相互作用。 3 保护气流的速度恒定，不计激光束与保护气之间的相互作用。 4 粒子辐射、对流的传热过程稳定。 5 不考虑粒子吸收其他粒子的辐射能量。 在光束中，单个被加热粉末粒子吸收的能量为： o = 艘。晓巴t 其中r 。为粒子半径，口为粒子对激光能量的平均吸收率，已是激光的功率 密度，它是激光功率与光斑面积的比值。t 表示作用时间。 粒子在高能激光束中被加热，引起粒子温度上升，会产生熔化、蒸发等物理 现象。因此我们令 q 1 = 棚 乜一t o ) = 芸枷，3 d 阢一t o ) q 2 = q l + m 。l 。 q 3 = q 2 + m ，c ，( t l ) q 4 = q 2 + m p c p ( t 一乙) + m p 三， 其中q l 表示粉末粒子在临近熔化温度状态下所具有能量，q ：和蜴分别表示 粉末粒子在完全熔化和临界蒸发状态下具有的能量，q 。是粉末粒子蒸发时所需 的能量。c ，是粉末材料的比热，m ，是单个粒子的质量，兀是粉末粒子初始温度 值，l 和t 分别是粒子在熔化状态和蒸发状态的温度值，其中的温度值均为k 氏温度。工。和l 分别表示粉末粒子熔化潜热和蒸发潜热。 根据能量守恒的原理，建立起如下的方程： m p cp ( t - t o ) = a e c 。 丁表示粒子被加热达到的温度，e 二就代表粉末粒子向外辐射和对流导热等 天津工业大学硕士学位论文 损失的能量，辐射损耗能量根据传热学的公式可以得到q ：盯p 4 一毛4s p t ，s 粉末粒子的表面发射率，盯是s t e f a n b o l t z m a n n 常数。其值为5 6 7 1 0 “w m 2 k 4 。 乙是粉流束中保护气的温度，s p 是粉末粒子的外表面积。 而对流产生的能量损耗q = p 一b ，f ，h 为热对流系数，上式中的粉末 粒子外表面积s ，= 4 z r ，2 。 ( 1 ) q q 时，只存在对流和辐射散热损失，因此能量守恒方程为： v ，掣：碣2 峨一向p i ) s l ，一盯p 一t b ， ( 2 ) q l q q ，时，粉末粒子处于熔化状态，虽然吸收热量但由于熔化潜热 的影响，温度并没有升高。 t = t 。 ( 3 ) q 2 q g 时，粒子处于熔融态，温度仍然继续升高，能量守恒方程如 下： 州，六( r - ，t o ) = 艘，2 哦一a 仃一毛b ，一盯p 4 一4 b ，一_ l m m p ( 4 ) q 3 q 幺时，粒子处于蒸发状态，粒予保持温度不变而继续吸收热 量维持蒸发过程，所以其温度值为： t = t 。 ( 5 ) 9 4 q 时，粉末粒子蒸发烧损，对熔覆层的质量不会产生影响，但粉末 的利用率下降。讨论汽化状态的粒子温度对我们的研究意义不大，因此我们在此 略过不作讨论。 在以前的研究中多以b e e r - l a m b e r t 定理来计算激光作用能量的分布，也有 学者通过热传导的一些规律，利用差分方法进行求解。我们现在采取一种直接根 据热平衡的原理来分析粉末与光束的作用效率的方法。在把光束的能量离散化来 看，也就是说每份激光束的能量作用于一份粉末粒子。在实际加工过程中使用的 是连续激光器，光束能量是连续的，而且给定送粉量后，在不计送粉波动的情况 天津工业大学硕士学位论文 下送粉量也是相对稳定的值。因此在整个加工过程都是稳定的条件下，提出对能 量离散化是合理的。 在激光再制造过程中，光束在时间t 内释放的能量为e = p t ，在这里p 定义 为激光功率，而在这段时间f 内作用于粉末的能量为p 却，为激光束与粉末的 作用效率。在这项计算中，因为我们分析的是光能被粉末流的衰减，因此粉末吸 收能量后的辐射对流损失将不会考虑在内。另外，我们控制功率使其在粒子不至 于产生蒸发的范围内，这样就消除了蒸发烧损的影响。 如果假设时间，内送出的粉末质量为m ，那么这部分粉末吸收能量后可以分 两种情况： 1 粉末落到基体表面前并未熔化，则吸收的能量表示为： m c 。仃一瓦) 其中c p 为粉末粒子的比热容( ( m g 。c ) ) ，t 为粉末粒子被加热的温度 ( 。c + 2 7 3 ) 。 2 若粉末落到基体表面前已熔化，则吸收的能量表示为： m c 。仃一t 。) + m l 。 根据能量守恒的原理，激光作用于m 质量粉末的能量应该等于粉末吸收 的能量，也就是： p t q = m c ，仃一7 o ) 或厅7 7 = “o p 一兀) + m l 。 基于激光能量离散化的假设，一份能量与一份粒子相互作用。在时间t 不为 零的前提下，可以将其作简单变形： p q 2 m rc p p 一死) 或p 叩2 了m c p p t o ) + 芋k 在这里可以发现式中的m t 就等于单位时间的送粉质量m 。一一送粉量 ( 聊g s ) ，因此上式可表示为： 卵：掣 或v = 坐学 ( 2 ) 天津工业大学硕士学位论文 从式中可以看出，在给定工艺参数和熔覆材料的条件下，剩下的未知量就是 粉末在与基体接触前的l 临界温度l 根据单位时间内坛质量的粒子最终被加热 的温度，就可以通过上式计算出粉末与光束的作用效率。基于提出的光束能量离 散化和粒子吸收光能的物理模型，在稳定的加工条件下，我们可以用单个粒子的 温度来近似 t 质量的粒子团的温度。 粉末粒子与光束的相互作用时间是主要要解决的问题。在这套激光再制造系 统中，既可以采用载气式送粉系统也可以使用非载气送粉方式进行工作。在计算 中，我们采用非载气式送粉方式作为示例。载气式送粉系统中涉及的气固两相流 的情况十分复杂，因此需要结合d p w 技术进行研究，这在后面的章节中还会详 细介绍。图2 1 是粉末粒子射入光束中的模型示意图。 解出 送粉 熔覆 图2 1 粉末粒子在光束中的运动示意图 子 其中粉末粒子从送粉工作头出来到达基体的时间r 我们可以根据运动学公式 矿= 4 2 9 h + ( v oc o s ( ，) 2 巧= c o s + 铲、匝2 9 h + ( v o c o s ；8 ) 2 _ v o c o s 9 g 天津工业大学硕士学位论文 。一2 弘+ ( c o s o ) 2 _ v o c o s 0 s gs i n 0 s ：，+ 竺一旦 h 为粉末与光束从干涉点到基体表面的距离，为粉末粒子的初速度， 是 粉末粒子到达基体表面时的最终速度，s 是光束边缘到送粉工作头环形出粉口中 间位置的距离，g 为重力加速度，d 是光斑直径。将其代入上式可以得到： q = 警f 巫萼丑型一丽s 在粉末粒子下落到基体表面并未熔化时，即q q 2 时，我们就要考虑熔 化潜热并未引起温升： 嘲+ 考一 + 善4 r gr p p p c p 巫警一去 专 分别将( 3 ) 、( 4 ) 式代入( 1 ) 、( 2 ) 式均可得到 ( 4 ) 叩2 呜。卜嘭圳，彘( 熊盟掣一壶i 上式就是推导出的激光束与粉末流束相互作用的效率公式。此式尽管形式上 看来较为复杂，而实际涉及的变量参数比较少，特别对于工艺参数的控制和调整 都具有现实的指导意义。从式中可以看出，送粉量的增加与粉末吸收的能量成正 比。除此之外，粉末入射的角度、送粉t 作头与加工表面之间的距离及粉末粒子 进入光束范围的初速度等参数都对粉末吸收激光能量具有一定影响。这些信息对 天津工业大学硕士学位论文 于送粉工作头的设计都具有重要的参考意义。 2 2 粉末流束浓度的数值模型 2 2 1 浓度分布基本模型的建立 我们希望设计的送粉工作头具有粉末流束焦点可调功能，因此粉末流场的浓 度分析必不可少。粉末流和激光同轴耦合输出，从浓度的分布可以判断粉末汇聚 的焦点。另一方面，粉末流场浓度分布的变化对于激光能量的衰减和粉末利用率 都具有重要的影响。在这小节中，我们力图建立个简洁的浓度分布模型，为了 研究问题的方便，我们作出如图2 2 示意图： 图2 - 2 粉末流场粒子分布模型示意图 图中的，是粉腔内壁到轴心的距离，w 是出粉口的宽度，口是粉末流束的发 散角，是粉束外缘与竖直方向的夹角，口是粉束内侧与竖直方向的夹角，是 粉末流束的扩张角。彦1 是粉流束的上焦距，j 睥是下焦距，明是上焦点焦半径， 毋2 是下焦点焦半径，巧是粉流束的焦深。根据相互间的几何关系，我们可以求 出： 天津工业大学五且士学位论文 力12 而r t a l l f + a ) 彦2 = 面r + w 可2 彦2 一彦1 2 i p + 万w 面司 可1 = ( r + w ) 棚t a n 一目) = p + w ) 一r 黜高 可2 = 彤1 _ 巧加) = 彤卜l 石r + 万w 一南j 诅n 一目) ( 1 ) o z l ，在这时，粉末流束基本还没有和激光发生交互作用，其中任 意截面积s = 睁+ w ) 一z t a i l 0 一目) 】2 万一1 一z ) t a n p + a ) 】2 厅 浓度c ( z ) 2 两m p2 习再面面历m f p 呖刁酾 ( 2 ) f p l f t ，粒子就会吸附于基材表 面上，反之就会弹开而损失掉，为了研究方便我们定义一个吸附系数g 。 f x 4 冗6 f t k r y 由上式我们可以看出，当吸附系数g 大于1 时粉末粒子才能吸附于基材上。 提高粉末粒子的吸附率，我们可以降低熔覆材料的粒子半径或者降低粒子和基体 接触时的冲击速度，另外的个方面就是提高熔池表面张力。换句话说，使用较 小粒度的熔覆材料和减小粉末粒子的出射速度有利于粉末利用率的提高。另外熔 池表面张力也是影响粉末粒子吸附的一个重要因素，不同的基体材料熔化时具有 表面张力也不同，它影响着基材对粒子的捕获。 天津工业大学硕士学位论文 2 3 2 基材稀释率的研究 激光熔覆的优越性就在于能在成本低廉的基材上获得性能优异、耐磨、耐高 温、耐腐蚀的涂层。从工艺控制上来说，在保证基材和熔覆材料能够产生冶金结 合的前提下，尽量减少基材的熔化。这样一方面保证了涂层性能的稳定，另一方 面减少了基材的热注入量，有利于减小变形和对芯部性能的影响。 由于激光再制造中的熔覆过程包含了熔化、对流、凝固、金属相变、传热等 多种复杂的冶金和物理现象，建立准确的数学模型需要大量的边界条件，同时求 解也是一件比较困难的事。对于激光再制造技术这样种面向社会的应用技术， 实施现场工艺控制就需要简洁实用的数学模型来优化工艺参数。 基材稀释率是指基材熔化的材料在熔覆材料中所占的比例。在实际研究中， 我们也常用几何稀释率来表示。 口彳2 = 爿1 + a 2 稀释率的模型示意图如图2 8 所示。 图2 - 8 基材稀释率的几何模型 稀释率是评价熔覆质量的一个重要因素，一般我们尽量把它控制在5 一 1 0 之间。过高的稀释率会影响基材的性能，同时也会造成材料开裂，变形。而 过低又不能使熔覆材料和基材完好的结合。因此，控制稀释率对于覆层质量有着 重要的意义。 由于熔覆材料吸收的能量等于其内部能量的变化，质量为i t 1 的熔覆材料， 温度从t o 升到t 时吸收的能量为q x ，则 蒿 天津工业大学硕士学位论文 q = 所g 。a t + l 。) ( 5 ) 式中c 。为熔覆材料的比热容，l 。为熔覆材料的熔化潜热。激光功率为p ， 与粉末的作用效率为q ，在时间t 内作用于熔覆材料上的能量为：p 们。与( 5 ) 式联立可得到在时间t 内沿扫描方向熔覆层的质量： 脚： 丝翌 c p a t + k 同时就可以得到在单位长度上的质量为： = 瓦南( 6 ) 上式中的k 是扫描速度。因此，上图中的爿一= 万了忑j p 嘲q 同理，a ，：挚= 翌2i p y s k ：a t + l m s ) 计算爿z 中的a 为基体材料的密度，q 是基体材料的比热容，l ，是基体材 料的熔化潜热，a t = t 一瓦。 尸( 1 一r ) 删拈二等醴等赤r , o p v , ( c e a r + 三。) 。n ( c ；a t + 三。) 丑：1 + ! 里c p a t + l m 上式中的叩在前面的分析中我们已经求出，从公式中来看，稀释率五与粉末 吸收光能效刁是呈反比的。换句话说，能量作用于粉末流束上越多，基材的稀释 - g 就n 4 , ，根据以前的试验结果来看，这和实际的情况也是相符的。 天津工业大学硕士学位论文 第三章三维同轴送粉系统的设计 激光再制造技术发展至今，已经从原有的一维单向熔覆经二维平面熔覆发展 到现在的空间三维熔覆技术。但三维熔覆技术目前还只是处于初步研究阶段，实 际应用还未见报道。发展三维再制造技术可以解决大型轴瓦、阀座、活塞环等难 修复部位的激光再制造，具有实际意义。 3 1 送粉系统的选择 在三维激光再制造系统中，我们可以实现对零件不同部位的激光修复，因此 也需要粉末能够顺利送达工作点。非载气重力送粉在竖直方向输送粉末的效果 好，但在倾斜输送粉末时，粉末水平方向动力不足。使用非载气式送粉较载气式 可以提高粉末利用率，获得平滑的覆层。为了达到最好的使用效果，设计力求可 以适应不同的工作条件，所以我们既可以选用载气式送粉又可以采用非载气式送 粉。 一般送粉器在出粉口是使用单根粉管输出的，在同轴送粉过程中，要实现粉 末的环状输出一路输入的效果显然是不好的。为了实现环状粉帘的状态，在假定 送粉器出粉口的横截面上粉末浓度分布均匀的条件下，我们选用了本研究所先前 已开发成功的四路分粉器。四路分粉器可以实现粉末分流，从圆周对称的四个方 向输入粉流，经过分流通道发散开，在出口处形成环形粉帘。 3 2 送粉工作头的设计 同轴送粉工作头选用铜质材料制造，因为钢铁类材料的导热性较差，很容易 产生热累积，导致材料变形，影响加工效果并且容易烧损。铝质的材料导热性较 好但刚性较差，常需调节的部分容易磨损而且不易更换。因此综合衡量后选择铜 作为制造材料。 在这套系统中，采用了从内到外四层结构，内层通激光。采用透镜聚焦和反 射聚焦两种方式得到聚焦光斑。在采用红外透镜聚焦时，中心通有同轴保护气保 证透镜不被污染和整形粉末流束。第二层是粉末通道，粉末经粉流腔到达环形