宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟
激光宽带熔覆光内送粉喷嘴研制
激光宽带熔覆光内送粉喷嘴研制雷定中 石世宏 傅戈雁苏州大学,苏州,215021摘要:针对现有光外送粉宽带熔覆中金属粉末受热不均匀㊁光粉同轴耦合精度不高的问题,设计了一种光内送粉激光熔覆喷头㊂送粉装置位于激光熔覆喷头内部,四周被激光束包裹㊂为了实现在宽带激光束内部均匀地对熔池送粉,保证粉末受热均匀,粉末速度方向始终垂直于熔池,设计了一种分粉流道;应用F L U E N T 软件对粉束发散情况进行了数值分析,确定了出口粉管的间距尺寸;应用F L U E N T 软件对粉管内部流场进行分析,确定了装置内部分粉管路的尺寸,减少了出口处的紊流,达到了较佳的送粉效果㊂最后利用所研制的送粉装置进行了送粉实验,验证了其效果㊂关键词:激光宽带熔覆;光内送粉;送粉装置;数值模拟中图分类号:T G 665 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.22.015R e s e a r c ho n I n s i d e ‐l a s e rP o w d e rF e e d i n g N o z z l e f o rB r o a d b a n dL a s e rC l a d d i n gL e i D i n g z h o n g S h i S h i h o n g F uG e ya n S o o c h o w U n i v e r s i t y ,S u z h o u ,J i a n gs u ,215021A b s t r a c t :I no r d e r t o i m p r o v e t h e s i t u a t i o no f t h eu n e v e nh e a t i n g o fm e t a l p o w d e r e x i s t i n g in t h e c u r r e n t o u t s i d e ‐l a s e r p o w d e r f e e d i n g b r o a d b a n d l a s e r c l a d d i n g n o z z l e a n d t h e l o wc o a x i a l c o u p l i n g a c -c u r a c y ,a i n s ide ‐l a s e r c o a x i a l p o w d e rf e e d i ng b r o a d b a n d l a s e r c l a d d i n g n o z z l ew a s d e s i g n e d .Th e e n ti r e d e v i c ew a s l o c a t e d i n s i d e t h e l a s e r c l a d d i n g n o z z l e ,s u r r o u n d e db y l a s e r b e a m ,s e n t i n g c l a d d i n gpo w d e r t o t h e l a s e rm o l t e n p o o l .Af l o wc h a n n e lw a s d e s i g n e d t o r e a l i z e t h eu n i f o r m i t y of i n s i d e ‐l a s e r p o w d e r f e e d i ng a n d e n s u r e th e p o w d e rw a s h e a t e d e v e n l y a n d t h e di r e c t i o n o f t h e p o w d e r v e l o c i t y w a s p e r p e n -d i c u l a r t o t h em o l t e n p o o l t h r o u g h o u t .F L U E N Ts o f t w a r ew a s u s e d t o a n a l y z e t h e d i v e r g e n c e o f p o w -d e r t od e t e r m i n e t h e s i z e o f t h e e x p o r t c h a n n e l s p a c i n g a n d t h e i n t e r n a l f l o wf i e l d o f po w d e r c h a n n e l t o d e t e r m i n e t h e s i z e o f t h e d e v i c e p a r t i a l l y ch a n n e l s o t h a t t h e t u r b u l e n c e a t t h e o u t l e t c o u l db e r e d u c e d a n d t h e b e s t r e s u l t s o f p o w d e r f e e d i n g c o u l d b e a c h i e v e d .F i n a l l y ,t h e p o w d e r f e e d i n g no z z l e f o r p o w d e r f e e d i n g t e s tw a s u s e d t ov a l i d a t e t h e e x p e r i m e n t a l e f f e c t s o f p o w d e r f e e d i n g de v i c e .K e y w o r d s :b r o a d b a n d l a s e r c l a d d i n g ;i n s i d e ‐l a s e r p o w d e rf e e d i ng ;p o w d e r f e e d i n g d e v i c e ;n u m e r i -c a l s i m u l a t i o n收稿日期:20140626基金项目:国家自然科学基金资助项目(10972150);江苏省科技支撑计划资助重点项目(B E 2012068);江苏省产学研联合创新资金资助项目(B Y 2012109)0 引言激光熔覆技术被广泛用于材料表面的强化㊁修复和改性[1‐3]㊂对于一些大型工件,如大型轴类零件表面㊁大面积平面激光熔覆等场合,利用宽带激光进行熔覆,能够大大提高熔覆效率,同时由于减少了搭接次数而使得熔覆层质量也得到提高[4‐5]㊂现有激光宽带熔覆方法为:实心宽带激光束照射到待加工表面形成熔池,同步从光束的一侧或者两侧将同样为狭长形的粉束送进熔池[6]㊂本文提出了一种光内送粉激光宽带熔覆方法,实现了在中空的宽带激光束内部进行送粉熔覆㊂光内送粉技术是激光熔覆成形中较为先进的粉末供给方式,送粉装置位于激光熔覆喷头内部,四周被激光束包裹,由喷头向激光熔池内部喷送金属熔覆粉末[7‐8]㊂为了实现在宽带激光束内部均匀地对熔池送粉,保证粉末受热均匀㊁粉末速度方向始终垂直于熔池表面,光和粉对称耦合以消除离焦量对光粉耦合精度的影响,本文研究设计了一种分粉流道,借助于F L U E N T 软件研究了分粉流道的形状和尺寸对送粉效果的影响,对送粉机构进行了不同尺寸参数的数值模拟,选出了较优方案,最终通过送粉实验验证了送粉机构的合理性[9‐16]㊂1 光内宽带送粉结构设计图1a 为光外送粉激光宽带熔覆原理图,激光㊃6703㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.束为实心宽带光束,送粉装置位于光束两侧为熔池送粉;图1b 为光内送粉激光宽带熔覆原理图,激光束为中空光束,送粉装置位于光束内部为熔池送粉㊂(a)光外宽带送粉熔覆原理(b)光内宽带送粉熔覆原理图1 激光宽带熔覆示意图图2为自主研发设计的光内同轴送粉激光宽带熔覆喷头示意图,根据该光内送粉激光宽带熔覆喷头所形成的汇聚光斑长度(L =13mm ),设计光内送粉装置㊂从图2可以看出,由于送粉喷嘴位于激光光束的内部,其形状尺寸受到光束限制㊂根据设计的聚焦光路,送粉喷嘴的长度小于30mm ,宽度小于15mm ,厚度小于10mm ㊂由于单根粉管的窄槽送粉装置送出的粉末不均匀,粉斑浓度呈高斯分布,故而拟采用并列多根送粉管道的送粉方式㊂图2 光内同轴送粉喷头示意图1.1 连续相湍流控制方程载气粉末在粉管内的流动物理模型为气固两相流动,本文采用F L U N E T 软件中的离散模型进行研究,采用k ‐ε模型进行求解,其中连续相为输送气,满足以下方程㊂质量守恒方程:∂ρg ∂t+Ñ㊃(ρg v g )=0(1)动量守恒方程:∂v g ∂t +(Ñ㊃v g )v g =g -1ρg Ñp +μÑ2v g(2)式中,ρg 为气体的密度;v g 为气体的速度;p 为气相微元体上的压力;g 为重力加速度㊂1.2 颗粒相轨迹方程在F L U N E T 软件中,粉末颗粒的作用力满足以下平衡方程:d v pd t =F D (v g -v p )+g i (ρp -ρg )ρp +F i (3)F D =18μρp p d 2p C D Re 24(4)R e =ρg d p |v g -v p |μ(5)式中,ρp 为粉末密度;v p 为粉末速度;F D (v g -v p )为单位质量粉末颗粒的牵引力,D 为流体计算控制域;g i 为重力加速度在i 方向上的分量;d p 为颗粒直径;C D 为牵引系数;μ为气相的动态黏度;R e 为相对雷诺数;F i 为由流体压力梯度引起的在i 方向上的力㊂1.3 结构设计与仿真根据激光熔覆实验对粉束的要求,内径为1mm 的单根送粉粉管在载气压力p 为0.075M P a ㊁送粉量为1.25g /m i n ㊁载气量q V 为0.75L /m i n ㊁平均粒径d 为75μm 的计算条件下进行F L U N E T 数值分析所得结果如图3所示㊂通过测量可知,距离送粉喷嘴出粉口20mm 处,粉束的发散角度约为4.9°,故而拟采用四根粉管并列送粉(图4a ),将粉束的发散角度按5°计算,可知四根粉管的间距为3mm ㊂单根粉管送粉,粉末呈高斯分布,但是由于粉束的发散,在两根粉管之间的区域有重叠,重叠区域的粉末进行累积,可实现相邻两粉斑相互补偿,得到均匀分布的粉斑(图4b)㊂图3 单根粉管送粉F L U E N T 分析采用同样的计算条件,对四根粉管并列送粉进行了F L U E N T 数值模拟分析,结果如图5所示㊂粉束的发散角度约为4.2°(图5a),离粉管出粉口20mm 处的粉斑尺寸约为12.5mm ×2.9mm (图5b),达到了预期设计目标㊂根据上述计算参数设计了光内送粉宽带熔覆的送粉喷嘴,根据流体力学中流体向阻力最小的方向流动的原理可知,当采用一分四的流道模型时,靠近主流道较近的两个分流道中流体流量大㊂为了使四根送粉管内粉末量均匀,采用一分㊃7703㊃激光宽带熔覆光内送粉喷嘴研制雷定中 石世宏 傅戈雁Copyright ©博看网. All Rights Reserved.(a)四粉管并列送粉(b)粉斑相互补偿示意图图4送粉管设计原理图(a)四粉管并列送粉(b)粉斑尺寸图5 四根粉管送粉F L U E N T 分析二㊁二分四的流道模式,该喷嘴通过一根入口粉管供粉,四根粉管并列出粉(图6)㊂可通过对四根出粉管的出口直径进行微调达到精确的送粉宽度㊂图6 光内同轴送粉装置示意图2 光内宽带送粉流场分析2.1 分粉管道模型建立与网格划分采用P r o /E软件建立送粉管道的三维流场模型,在粉管出口处建立一个矩形的大气流场区域,模型初步设定的尺寸参数为L 1=3mm ,L 3=3mm ,如图7a 所示㊂其次,对所所建立的流场模型进行网格划分,如图7b 所示㊂(a)流场模型(b)网格划分图7 流场模型建立与网格划分2.2 模拟结果分析计算参数设定为:载气压力p 为0.3M P a,载气量q V 为3L/m i n ,送粉量为5g /m i n ,平均粒径d 为75μm ㊂计算结果如图8所示㊂从图8a 可以看出,各个分支管路出口处的速度方向比较杂乱,从图8b 出口处粉末的浓度分布图可以看出,在四根粉管出口处粉末分布较为集中,未能达到均匀送粉的目的㊂从图8c ㊁图8d 中可以看出,在各个分支管路处的湍流比较明显,从而导致出口处的粉末速度方向比较混乱,粉束发散严重,不能汇聚成均匀的矩形粉斑㊂对图8d 分析可知,湍流主要发生在突缩和拐角处,主管路内部的湍流相对要小很多㊂(a )流体速度(b)出口处粉末浓度 (c)湍流(d)湍流图的部分放大图图8 L 1=3mm ,L 3=3mm ,p =0.3M P a 时计算结果㊃8703㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.管路路线的突然变化,会导致流体所受的正压力和速度方向产生强烈的变化,从而形成回流,输送粉末的气体和周围相对低速的载气形成剪切运动从而产生许多漩涡,形成的涡旋会不断地从主流中获得能量,通过涡旋之间的相互作用,能量由大尺度涡旋向小尺度涡旋传递,而小尺度涡旋受到管壁黏性力的作用而破裂形成更小尺度的涡旋,伴随着湍流能量的耗散,湍流会随着分支管道长度的增加而减小并最终消失[10‐12]㊂根据上述流体理论,增加分支管路的长度就可以缓解出口处的湍流,但是本文设计的送粉装置要安装在激光熔覆管头内部,尺寸上受到严格限制㊂所以必须对图6所示模型中三段粉管的尺寸(L 1㊁L 2㊁L 3)进行分析,找出较佳的分支管路的长度,实现粉管出口处气流的湍动均匀分布,以保证送出的粉末均匀,熔池内能获得较均匀的粉末㊂表1为送粉器F L U E N T 仿真分析的各个送粉通道长度的尺寸参数表,依据表1中的4组尺寸进行仿真分析,确定出较佳的尺寸参数㊂表1 图9~图12送粉器F L U E N T 仿真分析参数表L 1(mm )L 2(mm )L 3(mm )p (M P a )图96350.3图108370.3图1183130.3图1283130.2(a)流体速度(b)出口处粉末浓度图9L 1=6mm ,L 3=5mm ㊁p =0.3M P a 时计算结果 (a)流体速度(b)出口处粉末浓度图10 L 1=8mm ,L 3=7mm ㊁p =0.3M P a 时计算结果 (a)流体速度(b)出口处粉末浓度图11 L 1=8mm ,L 3=13mm ㊁p =0.3M P a 时计算结果 (a)流体速度(b)出口处粉末浓度图12 L 1=8mm ,L 3=13mm ㊁p =0.2M P a 时计算结果 对比图8㊁图9和图10可知,当第一段分流导管(L 1)和四根出口导管(L 3)加长后,出口气流变得有规律,出口粉末浓度变得较为均匀,送粉效果有所改善㊂对比图10和图11可知,只加长四根出口导管(L 3),出口气流所呈现的规律基本无变化,从而可知,当四根出口导管的长度达到一定值后再增加其长度对出口气流的状态无明显影响㊂对比图11和图12可知,在不同送粉气压下,出口气流所呈现的规律基本无变化,因此该送粉机构可以满足不同送粉气压下的送粉要求,实现了设计意图㊂3 实验研究3.1 送粉喷嘴研制根据上述模拟分析,结合分粉器尺寸限制范围,采用L 1=10mm ,L 2=5mm ,L 3=15mm 的尺寸设计制造送粉喷嘴,采用3D 打印快速成形技术制造送粉喷嘴装置流道㊂为了使送粉喷嘴尽可能地贴近熔池送粉,送粉喷嘴出口处与四根长度为40mm 的金属管相连,图13为送粉喷嘴的实物照片㊂3.2 送粉实验将送粉喷嘴的粉末入口粉管与送粉器相连,㊃9703㊃激光宽带熔覆光内送粉喷嘴研制雷定中 石世宏 傅戈雁Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图13 送粉喷嘴实物照片本实验采用的是G T V I m pe x G m b H 公司的G T VP F 2/2M 型送粉器,采用高纯度的氮气作为载气,粉末材质选用铁基合金粉末(F e 310),粒度为100~200目(74~149μm );送粉量为8.0r /m i n ,载气压力为0.3M P a ,载气流量为3.0L /m i n ,扫描速度为6mm /s ,送粉喷嘴离工件表面高度为20mm ㊂扫描所得的粉斑如图14所示㊂(a)粉柱侧面照片(b)粉柱正面照片 (c)粉斑尺寸照片(d)粉斑放大照片图14 送粉实验照片从图14可以看出:送粉喷嘴所送出的有效粉斑宽度约为14mm ,基本达到了预期设计想要达到的13mm 的尺寸要求,粉斑两侧的粉束发散比较小㊂从图14d 可以看出,粉末分布较为均匀,粉末飞溅量较少㊂根据上述送粉参数,采用D I L A S .3k W 高功率半导体激光器系统㊁K U K A 机器人系统㊁G T VP F 2/2M 型送粉器,激光功率为1.5k W ,在F e 314基材上进行激光宽带表面熔覆实验,结果如图15所示㊂从图15a 中可以看出,熔道宽度为13mm ,从图15b 中可以看出,送粉比较均匀,达到了预期设计的要求㊂(a)单道熔覆层(b)熔道剖面图图15 单道熔覆实验4 结论(1)用笔者设计的分粉流道,根据流固耦合理论,采用F L U E N T 软件仿真分析方法,得到了用于激光宽带熔覆光内送粉的新型结构㊂(2)由数值分析可知,采用一分二㊁二分四的分粉管结构时,各个分支管路的长度对出口处粉末形态影响较大,当采用L 1≥8mm ㊁L 2≥3mm ㊁L 3≥7mm 的管路尺寸时,空中粉束较为稳定,具有较好的方向性,矩形熔池中的粉末分布较为均匀,粉斑长度与光斑长度尺寸接近,满足了送粉要求㊂(3)由数值分析可知,当送粉喷嘴内部管路采用同一种尺寸时,在不同送粉压力的条件下,其送粉效果基本保持一致,这就保证了送粉喷嘴可以适用于不同送粉压力条件㊂(4)采用最佳管路尺寸设计制造的送粉喷嘴,在出粉口下端20mm 处粉末分布最为理想,粉斑宽度达到14mm ,粉末在长度和宽度方向汇聚性俱佳,较好地满足了宽带送粉要求㊂参考文献:[1] 宋建丽,李永堂,邓琦林,等.激光熔覆成形技术的研究进展[J ].机械工程学报,2010,46(14):29‐39.S o n g J i a n l i ,L iY o n g t a n g ,D e n g Qi l i n ,e t a l .R e s e a r c h P r o c e s s o fL a s e rC l a d d i n g F o r m i n g T e c h n o l o g y[J ].J o u r n a l o f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,2010,46(14):㊃0803㊃中国机械工程第26卷第22期2015年11月下半月Copyright ©博看网. 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同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究
同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究同轴载气送粉激光熔覆技术是一种先进的制备方法，具有高效率、高质量、高可控性等优点，因此在加工领域得到了广泛的应用。
在使用该技术进行熔覆粉末流成形时，粉末流参数的选择对于熔覆质量的影响非常大。
本文将针对同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数进行研究，从以下几个方面进行分析。
一、粉末流速度粉末流速度是影响熔覆质量的重要参数之一。
当粉末流速度过大时，会导致熔滴的飞溅和熔覆质量下降；当粉末流速度过小时，会导致熔池面积减小、熔覆质量下降。
因此，应根据熔覆材料的性质和设备的能力，选择合适的粉末流速度。
二、载气流量载气流量是指粉末颗粒在流动过程中所受到的空气流动的力量大小。
合适的载气流量可以保证熔覆粉末流形成正常，同时也可以将存在于熔合池中的杂质、气泡等物质排出，保证熔覆质量的提高。
过大或过小的载气流量都会影响熔覆质量，应选取合适的值。
三、喷嘴与底板的距离喷嘴和底板的距离也是影响熔覆质量的重要参数之一。
当喷嘴和底板的距离过大时，粉末流速度将变低，影响熔覆质量；当喷嘴和底板的距离过小时，容易导致熔滴飞溅，同样影响熔覆质量。
因此，喷嘴和底板的距离应根据熔覆材料的性质、熔覆质量要求和设备的能力，进行合理的选择。
四、粉末流角度和喷嘴半径粉末流角度和喷嘴半径也会影响熔覆质量。
当粉末流角度过大或喷嘴半径过小时，会导致粉末流速度过大，熔滴飞溅，熔覆质量下降；当粉末流角度过小或喷嘴半径过大时，会导致粉末流速度过小，熔覆层减薄，熔覆质量下降。
因此，粉末流角度和喷嘴半径也应进行合理的选择。
通过以上分析，我们可以得出同轴载气送粉激光熔覆的粉末流参数的研究，是保证熔覆质量和生产效率的必要措施。
因此，在使用该技术进行熔覆粉末流成形时，应根据熔覆材料的性质、熔覆质量要求和设备的能力，选择合适的粉末流速度、载气流量、喷嘴和底板的距离、粉末流角度和喷嘴半径。
激光熔覆组合式送粉喷嘴的研制
粉喷嘴 。该喷嘴 带 有送粉 缓 冲槽 ， 倾 斜 角度 可调 ， 利 用循 环 水进 行 冷却 ， 适 于 大容 量送 粉 器使 用 。 实践 证
明， 该新 型送粉 喷嘴 机加 工 工艺具 有技 术 先进 、 冷却 效 果 良好 、 输 送粉 末流 均 匀的特 点 ， 可 以满足 激 光 熔
覆 的工业 应 用需求 ， 大 大提 高 了生 产 效 率 。
ｐｒ ｏｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎｇ ｔ ｅ ｃ ｈｎｏ ｌ ｏ ｇｙ ｏ ｆ ｔ ｈｉ ｓ ｆ ｅ ｅ ｄｉ ｎ ｇ ｐ ｏｗｄｅ ｒ ｎ ｏｚ ｚ ｌ ｅ ｉ ｓ ａ ｄ ｖ ａｎ ｃ ｅ ｄ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎｇ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｓ ｇ ｏｏ ｄ ａ ｎｄ ｔ ｈｅ ｐｏ ｗｄ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎｖ ｅ ｙｉ ｎ ｇ ｉ ｓ ｍ ｏｒ ｅ ｕ ｎｉ ｆ ｏｒ ｍｌ ｙ ｄｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕｔ ｅ ｄ ．Ｉ ｔ ｃ ａ ｎ ｍｅ ｅ ｔ ｔ ｈｅ ｎｅ ｅ ｄｓ ｏ ｆ ｉ ｎ ｄｕｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ ａ ｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｓ ｏｆ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｌ ａ ｄｄｉ ｎ ｇ，ａｎ ｄ ｇｒ ｅ ａ ｔ ｌ ｙ ｉ ｍｐ ｒ ｏｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏｄｕ ｃ ｉ ｎｇ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ ： ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｌ ａ ｄｄｉ ｎ ｇ，ｇｒ ａｖ ｉ ｔ ｙ ｆ ｅ ｅ ｄｉ ｎｇ ｐ ｏｗｄｅ ｒ ，ｆ ｅ ｅ ｄｉ ｎｇ ｐｏｗｄｅ ｒ ｎ ｏｚ ｚ ｌ ｅ， ｉ ｎｄ ｕｓ ｔ ｒ ｉ ａｌ ａ ｐｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ
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激光熔覆专用合金粉末雾化喷嘴的设计
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４８，１０１４０４（２０１１）
激光与光电子学进展
激光熔覆中同轴粉末流温度场的数值模拟_杨洗陈
第29卷 第11期光 学 学 报V ol.29,No.112009年11月ACTA OPTICA SINICANovember,2009文章编号:0253-2239(2009)11-3114-07激光熔覆中同轴粉末流温度场的数值模拟杨洗陈 栗 丽 张 烨(天津工业大学激光技术研究所,天津300160)摘要 在激光同轴送粉熔覆中,由于激光与粉末流相互作用,粉末流整体温度分布直接影响激光熔覆的质量。
基于非预混燃烧模型,将激光相处理为连续性介质,粉末颗粒相看作离散相物质,建立了激光作用下粉末流的质量、动量和能量方程。
用Fluent 软件进行了不同激光功率和粉末流速度条件下粉末流整体温度场数值模拟,讨论了各种参数对温度场分布的影响。
为了验证该模型的准确度,利用CCD 比色测温方法测量了粉末流整体温度场分布。
结果表明,数值模拟与CCD 检测结果具有良好的一致性,数值模拟结果对激光熔覆具有指导意义。
关键词 激光熔覆;粉末流;温度场;数值模拟;Fluent 软件;CCD 相机;温度测量中图分类号 T N 249 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 20092911.3114Nume rical Simulation of Temperature Fie ld of Coaxial Powder Flowin Lase r CladdingYang Xichen Li Li Zhang Ye(La ser Pr ocessing Cent er ,T ian jin P olytechnic Un iver sit y ,T ia n jin 300160,Chin a )Abstract I n la ser coaxia l cladding,laser casing qualities are directly affected by temperature field of powder flow for the interaction between laser and powers.According to the model of non -premixed c om bustion,regarding laser beam as c ontinuity medium pha se and powder a s disperse medium phase,the conservation equations of mass,m oment um and energy are established in laser and powder puter simulations of tem perature field in different para meters are finished using Fluent software.Some effects of laser c ladding parameters on temperat ure distribution such as laser power and powder flow velocity are discussed.Temperature field distribution in the powder flow is measured by CCD c amera.It is shown that simulation and experimental results agree well,numeric al simulation of temperature field in powder flow is important for laser cladding.Key wo rds la ser cladding;powder flow;temperature field;num eric al simulation;Fluent software;CCD camera;m ea surments temperature收稿日期:2009-07-20;收到修改稿日期:2009-09-28基金项目:国家自然科学基金(60478004)和天津市科技支撑计划重点项目(08ZCKF GX02300)资助课题。
激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟
A bs t r act The t hree2dime nsional incomp ressible Navie r2Stokes application mode of COMSOL Multip hysics sof tware is used for modeling and simulati ng t he coaxial p owde r feeding flow wit h car ryi ng gas in t his article . The dis t ributing of velocit y field and p ress ure of flow is s t udied. Numerical simulations s how t he cladding layer res ults in t he decrease of velocit y and flow of gas , and t he i ncrease of p ress ure . The dis tance betwee n t he p owde r head and t he conve rge nt p oint of gas is calculated. Key w o r ds lase r technique ; coaxial p owde r feeding ; t hree dime nsional flow ; numerical simulation ; Navie r2Stokes equation ; nozzle
4 数值模拟
载气式同轴送粉系统中 ,金属粉末通过 4 个进 气口由载气送入到送粉头中 ,并最终喷出至熔池 。 采用 COMSOL Multip hysics 软件的 Navier2Sto kes 3D 模型对送粉头的 3D 流场进行模拟 。
激光熔覆中同轴送粉气体一粉末流数值模拟
激 光 熔 覆 中 同轴 送 粉 气 体一 粉 末 流 数 值 模 拟
董 敢， 刘继常， 李媛媛
（ 湖 南 大 学 汽 车 车 身 先 进设 计 制造 国家 重 点 实 验 室 ，长 沙 ４ １ ０ ０ ８ ２ ）
摘
要： 应用 Ｆ Ｌ ＵＥ ＮＴ 软 件 的 离 散 相 模 块 建 立 了激 光 熔 覆 中气 体 一 粉 末 流 的二 维 模 型 ， 研 究 了 保 护 气 和
化 规律 ， 并且 进 行 了试 验 验证 。
ｌ 试 验 装 置
激 光熔 覆试 验装 置 由激光 器 、 同轴送 粉 系统 和检 测系 统构 成 ， 其 中同轴 送粉 系 统 主要 由送粉 器 、 分 粉器 和 喷 嘴组成 。气粉 混合 流 由送粉 器送 出 ， 经 过分 粉器 均 匀地 分 为 ４路 ， 同速 同量地 进 入 喷嘴 ， 然 后 粉末 均 匀分 散 成环 形 ， 再 汇聚后 与激 光束 同轴 输 出 。 在 既定 的工 艺参数 下 ， 在相 同位 置粉 末 流的浓 度分 布 、 聚焦 特 性 和发 散 角都 是稳 定 不 变 的 ， 所 以采用 快 门 速度 可 达 ０ ． ２ ５ ｍｓ 、 有 效像 素达 １ ２ ３ ０万 的尼 康 Ｄ５ ０ ０ ０单 反 相机 拍摄 喷 嘴下 方 的粉末 流 分布 ， 得到 的图片可 以
激光熔覆中粉嘴流场的数值模拟_杨楠
文章编号:0258-7025(2008)03-0452-04激光熔覆中粉嘴流场的数值模拟杨 楠 杨洗陈(天津工业大学激光技术研究所,天津300160)摘要 建立了激光熔覆中由粉嘴输出的保护气体-金属粉末两相流场计算模型,应用FL U EN T 软件进行计算。
该模型中考虑了两相流中动量和质量的传输。
分析了金属粉末流场的水平方向和中心线上的速度分布规律,以及粉嘴内外粉末流的速度矢量分布规律。
计算结果表明,中心线处粉末流速度分布先呈现微小的增大减小过程,而后单调递增,大约从粉嘴下方100mm 后呈线性递增;速度水平分布先在中心线附近达到最大而后在径向距离6~11mm 区间内线性递减至零。
在相同的工艺参数下,应用数字粒子图像测速(DPIV )技术对同一流场进行检测,计算值和测量值吻合较好。
结果表明,所建立的保护气体-金属粉末流速度场模型是可靠的,该模型对掌握流场参数分布和进一步指导粉嘴尺寸设计有一定的参考作用。
关键词 激光技术;粉末流速度场;数字粒子图像测速技术;粉嘴中图分类号 T N 249;T F 124 文献标识码 ANumerical Simulation of Flow Field of Nozzle in Laser CladdingYang Nan Yang Xichen(L aser P r ocessing Center ,T ianj in Poly technic Univ er sity ,T ianj in 300160,China)Abstract A numerical mo del of velocity dist ribution of shielding g as -metal pow der two phases f low field o utputfrom t he nozzle in laser cladding is established,and it is calculated by FL U EN T soft war e.In t his model,the influences of mo mentum and mass tr ansmissio n o n the tw o phases flow are taken into co nsideration.T he metal po wder flow field velo city distributio n on hor izontal and center line is analyzed,as well as the v elocity vector distr ibut ion of pow der flow inside or outside the no zzle.T he results show that po wder velocity mag nitude on center line increases first,then decr eases,finally it keeps linearly increasing fr om the stand -o ff distance 100mm belo w the no zzle;pow der v elo city mag nitude on ho rizo ntal line r eaches its maximum near the center line,then linear ly decreases to 0from t he r adial distance 6mm to 11mm.U nder the same pr ocess parameter s,the same flow field is measured w ith digit al par ticle imag e v elo city (D PIV )technique.T he calculated r esult ag rees well with the measured result,w hich indicates that the est ablished model is r eliable.T he mo del can be used to obtain flow field par amet ers and further design the no zzle size.Key words laser technique;velo city field of pow der flo w;digita l particle imag e velo city technique;nozzle收稿日期:2007-08-07;收到修改稿日期:2007-09-23 基金项目:国家自然科学基金(60478004)资助项目。
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第 ４２卷 第 ３期 ２０１８年 ５月
激 光 技 术 ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．３ Ｍａｙ，２０１８
文章编号：１００１３８０６（２０１８）０３０３６２０７
宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟
郭翔宇１，２，倪 茂１，２ ，刘华明１，２，雷凯云１，２，杜 甫３
关键词：激光技术；宽带同轴送粉喷嘴；离散相模型；激光熔覆 中图分类号：ＴＧ１５６．９９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０７５１０／ｊｇｊｓｉｓｓｎ１００１３８０６２０１８０３０１４
Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｂｒｏａｄｃｏａｘｉａｌ ｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｎｏｚｚｌｅｓｆｏｒｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ
（１．武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 ４３００７０；２．武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协 同创新中心，武汉 ４３００７０；３．中国北方车辆研究所 底盘技术部，北京 １０００７２）
摘要：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。
ＧＵＯＸｉａｎｇｙｕ１，２，ＮＩＭａｏ１，２，ＬＩＵＨｕａｍｉｎｇ１，２，ＬＥＩＫａｉｙｕｎ１，２，ＤＵＦｕ３
（１．ＨｕｂｅｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０， Ｃｈｉｎａ；２．ＨｕｂｅｉＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｆｏｒＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ；３．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈａｓｓｉｓ，ＣｈｉｎａＮｏｒｔｈＶｅｈｉｃｌｅＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７２，Ｃｈｉｎａ）