激光三维直接制造和再制造同轴送粉装置的设计论文

1 激光三维直接制造和再制造同轴送粉装置的设计 第一章 前言及国内外趋势 激光熔敷作为一种先进的材料表面强化技术 ,在工业中已获得若干重要应用。目前激光熔敷多采用侧向送粉的方式 , 由于它只进行单一方向熔敷 ,应用上受到了一定的限制。近年来 ,同轴送粉技术受到国内外广泛关注 ,它能实现二维平面熔敷。但多采用载气式送粉 , 粉末利用率较低 ( 30% 40% )。实际上 , 对于二维平面熔敷 , 只要求实现 连续、 稳定和无方向性影响的送粉 ,输送粉末是否采用载流气体并不是必要条件。本文研制了一种新型的非载气式同轴送粉系统 , 它具有较高的粉末利用率 ;能进行全方向二维熔敷 ,工作空间大 ; 送粉元件与粉末不存在摩擦、 挤压现象 ,不堵粉 , 输送粉末连续稳定。国内激光熔覆的研究始于 2 到 2 0世纪 8 O 年代已发展成为表面工程 、 摩擦学、 应用激光等领域的前沿性课 题。进入 2 9 该领域的科学研究与应用开发都 蓬勃发展 ， 在工业上已经有了一些实 际应用， 尤其在轧辊行业中激光熔覆技术对轧辊表而进行改性和修复已成为国内 外普遍关注的实际问题 。向熔覆层质量重要因素之 一的送粉技术及送 粉装置也受到了越来越多的重视 目前激光 熔覆送粉方式主要有 2种， 即预置粉末法和同步送粉法。 预置粉末法是将待熔覆的合金粉末用适当的方法预先覆盖 在基材的表面， 然后用激光束扫描。同步送粉法是通过送粉装 置在激光熔覆的过程中将合金粉末直接送入激光作用区， 在激 光作用下基材和合金粉末同时熔化， 结晶形成合金熔覆层。后 一种方法的优点是工艺过程简单， 合金材料利用率高， 可控性 ，好， 容易实现自动化。因此， 同步送粉法是激光熔覆技术的首选 送粉方法， 国内外实际生产中采用较多 。 同步送粉激光熔覆 中合金粉末足由送粉器传送到激光熔池 中的， 目前专门应用于该项技术的送粉设备有 白重式送粉器、 刮 板式送粉器、 刮吸式送粉器、 毛细管送粉器等。以上这些送粉器 都有各自的特点， 适合于不同的情况 1 。 为了满足获得较薄熔覆层的需要， 本文设计并制作了一种螺旋送粉器 ， 它具有送粉速度较小且可调、 送粉均匀、 稳定的特点， 对激光熔覆技术的实际应用具有一定的实用价值。 激光熔覆过程中熔覆层的质量 (如表面粗糙度等 )很大程度上取决于送粉过程是否稳定 ,此外 ,送粉率的精确控制也是制造梯度材料零件的基础现阶段对激 光熔覆过程中的粉末输送技术的研究大多关注送粉器电机驱动等设计。 上述文献中所采用的送粉装置对粉末输送量的调节主要采用对计量容积 凹槽容 2 积螺纹沟槽容积 和电机速度的调节来实现 依靠输料装置的稳定运转来实现粉末输送的稳定性但实际的粉末输送过程中 一方面 由于气压波动 粉末团聚等原因 粉末的输送量未必与电机转速具有确定的对应关系 另一方面 即使送粉器输出口的粉末输出量稳定 经过管道的输送 粉料到达输送管道出口处的输送量未必准确 稳定 这是因为粉末在管道中的流动状态实际上很复杂 与气流速度气流中所含的粉末量粉末本身 料性等相关 粉末在管道中的输送状态可能是依靠高速流的气流动压被输送的悬浮流 也可能是依靠气流的静压推送的栓流或者是介于两种气流状态之间的输送方式 粉末在管道中的传送可能是时而停滞时而吹走交替进行的状态 因此 送粉器输出粉末的准确性不能保证管道出口处粉末输出的稳定 通过检测装置检测粉末在送粉管里的流量 进而实现粉末的闭环控制对提高表面熔覆质量具有重要意义激光熔覆过程中的粉末流属于气固两相流 由于气固两相流动的复杂使得检测技术存在不少困难 目 前 还没有哪个理论模型能完整地阐述其流动的规律特性 因此 实验成为研 究其规律的主要手段之一 现阶段用于气固两相流的测量方法主要有光学法 电容法 超声波法等 由于光电检测具有高精度 高速度远距离 非接触测量 寿命长 很强的信息处理和运算能力等优点 所以常被采用。 第 2 章 同轴送粉及方案 轴送粉装置简介 激光直接制造和再制造技术是近几年才兴起的先进制造技术，其实质是按照快速原型的理念将激光熔覆层沿垂直方向向空间多层叠加直接制造出三维金属零件或实现对零件的修复再制造。在激光直接制造和再制造过程中，材料的添加是要控制的关键因素之一，熔覆材料的状态有粉末状、丝状 (带状 )和膏状等。带状和丝状在堆焊上应用较多，这种状态成分可调性差，应用不够灵活；膏状材料因需要特殊的冷却装置和对粘接剂的特殊要求而应用较少，目前使用的熔覆材料的主要为粉末状，由送粉喷嘴送入激光熔池，它具有灵活的成分可调性。喷嘴输出粉末流形态直接影响熔覆层形貌和质量，因此人们一直致力于高性能送粉喷嘴的研制开发。 粉方法 激光熔覆工艺按熔覆材料的添加方式的不同可分为预置法和同步送粉法两大类。两种方法具有不同的发展经历、应用范围和优缺点。预置法采用热喷涂、电镀、电沉积、等离子喷涂或直接粘接、粉末松散铺展等方 法，将覆层材料预先粘接在基体表面，然后利用激光辐照，使覆层材料和基体材料熔化，进而实现冶金结合。其优点是经济 3 方便，不受材料的限制，易于进行复合成分粉末的熔覆，工艺简单，操作灵活，但熔覆层易产生气孔、变形、开裂、夹渣等现象，难以获得光滑的熔覆层，增加了机械加丁量。此外还存在着熔覆层稀释率不易控制、过程难以实现自动化和粉末材料在激光辐照下定位难等缺陷，严重影响熔覆材料的性能。同步送粉法是在激光辐照基体表面的同时，由送粉器连续的输入熔覆材料粉末，在保护气氛条件下，基体和熔覆材料同时被加热，又迅速凝固，实现界面的 冶金结合，最终形成具有一定几何形貌的熔覆层。同步送粉法按粉末运动驱动力的不同可分为重力送粉法和气动送粉法。气动送粉采用气体动力分散和运输，粉末容易分散均匀，运输流畅，可长距离输送，且能实现混合送粉，因此，激光直接制造和再制造技术主要使用载气式同步送粉。同步送粉有侧向送粉和同轴送粉两种方法。 侧向送粉工作方式如图 l 示，送粉喷嘴位于光束一侧，喷嘴位置由喷嘴与工件间的夹角 决定。根据文献 末利用率与 1二件上光斑直径和粉末流直径之比有 关 。 侧 向 送 粉 时 粉 末 流 离 开 喷 嘴 是 发 散 的 ( 图 2) ， 4 末流在工件上的横截面小，因此粉末利用率也高。另外一个影响侧向送粉粉末利用率的因素则是熔覆的方向，当粉末流方向与工件移动方向相同时，直接落人熔池的粉末量增加，因此粉末利用率也高，反之则相反。该种送粉方法的优点是：粉末的出口和光的出口相距较远，粉末与光的可控性较好，不会 出现因粉末过早熔化而阻塞出光口的现象。但它最大的局限在于：只有一个送粉方向，无法克服因激光束和粉末输入的不对称而带来的对扫描方向限制的缺点，因而不能实现在任意方向生成均匀的熔覆层，所以不适用于 3 图 3 为侧向送粉喷嘴， 5 带有调节装置，可调节 的大小，为保证喷嘴长时间连续工作侧向送粉喷嘴带有水冷装置。 轴送粉 同轴送粉中粉末流和激光同轴耦合输出，如图 4示通过两个共轴的喷嘴来实现，加工时粉末流由送粉器经分粉器分为四路粉末流进入同轴送粉喷嘴。通过锥形喷嘴后汇聚输出与激光束作用实现熔覆制造。为 长时问连续工作，喷嘴加有水 冷套。同轴送粉克服了侧向送粉的缺点，能够将粉末均匀分散成环形再汇聚后送入聚焦的激光光束中，在生产中可以像使用一支金属笔那样灵活的使用，达到特殊的加工效果。同轴送粉粉末流具有直接制造和再制造技术所需要的各向同性的功能，但是 粉末流环的各向同性取决于粉末在喷嘴嘴粉末流腔内的分布状态，当喷嘴倾斜时，粉末流将会受重力影响 (图 5所示 )，那么同轴送粉喷嘴倾斜角度将受到限制。因此，我们设计研制了新型同轴送粉喷嘴 (图 6)，采用模块化结构便于拆装更换。四路分粉器将四路粉末流送人环形粉腔，在粉腔内气 一粉形成均匀的、各向同性的“粉云”，然后经特殊形状的通道，进入粉末流锥聚焦，在出粉口处形成环形粉帘，粉末流与激束同轴输出。 6 轴送粉粉末流分析 同轴送粉尤其是载气式送粉，粉末粒子的运动情况非常复杂，除理论上的模拟计算外，还需辅以相应的试验研究，我们应用 7。粉末从喷嘴流出后，粉末流的空间分布如图 7所示，图中 嘴锥角， 流束的发散角，是出粉口的宽度。粉末流形貌主要由 喷嘴的结构包括喷嘴锥角 B 和出光孔半径 保证良好的粉末流束， 0。，一般 30。一 40。；出光口的半径 为随着 于粉末流的发散， 粉口宽度 w对 实验结果可知，当环形出粉口宽度 当其宽度过小，容易产生粉末堵塞，其值 1 3送粉喷嘴结构一定时，那么粉末流参数 8为用 定气流量下，不同送粉量的粉末流束照片， a、 b、 59 s、 0 679 s、 0 839 s，气流量为 1 2由图可以看出，在一定的气流量下，送粉量增加，粉末粒子浓度增加，粉流汇聚发散更加明显， 就是说在其他参数不变的情况下，送粉量的变化仅仅影响了粉末流的浓度，对粉末流的形貌没有影响，对粉末流参数 根据文献建立的浓度模型，粉末利用率与工件上光斑直径和粉末流直径比有关，比值大则粉末利用率高，工件上光斑直径、 8、 末利用 率与 8 出粉口和工件之间的距离 时，粉末利用率最高。粉末从喷嘴喷出以后会有一段距离几乎以直线的方式传输。而后才会发散。在熔敷过程中激光熔池的面积不是很大，而且由于热辐射的原因，输送粉末的送粉喷嘴不可能距离激光熔池很近粉末从送粉喷嘴喷嘴出来之后，在还没有过度分散之前就送人激光熔池，这样，不仅可以提高粉末的利用率，而且可以使落入熔池的粉末更加均匀，从而提高熔敷的质量。新型同轴送粉喷嘴粉末流更均匀，可倾斜角度增大，图 10所示是同轴送粉喷嘴在一定气流量和送粉量下，倾斜 120。时的粉末流束照片，因此更适 合于三维激光直接制造和 再 制 造 6 送 粉 喷 嘴 的 应 用 表 l 示 出 了 送 粉 喷 嘴 的 应 用 。 9 侧向送粉适合 2应用于冶金轧辊拉丝辊的修复、石油行业的采油泵体主轴的修复、铁路石化行业大型柴油机曲轴的修复，均收到良好的效果。同轴送粉喷嘴适合于 3其是新型同轴送粉喷嘴的研制，可应用于复杂零件的三维直接制造和再制造。送粉喷嘴是基于激光直接制造和再制造技术的关键部件之一，侧向送粉喷嘴主要应用于 2曲轴和主轴的再制造，而同轴送粉喷嘴适合应用于 2I)熔覆，如模具的