同轴送粉喷嘴保护气体流场研究

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一种包含导向保护气流的激光熔覆同轴送粉喷嘴[实用新型专利]

专利名称：一种包含导向保护气流的激光熔覆同轴送粉喷嘴专利类型：实用新型专利
发明人：张显程,轩福贞,刘志勇,王正东,涂善东
申请号：CN201020293633.3
申请日：20100817
公开号：CN201823642U
公开日：
20110511
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种激光熔覆同轴送粉喷嘴，包括连接套、粉末套、导向保护气套、冷却水套，喷嘴芯，为多层的同心锥筒结构，连接套下端与喷嘴芯可拆卸连接，内部的锥孔与喷嘴芯内部的通孔相通，用作激光束及保护气体的共用通道；粉末套的内锥面与连接套的外锥面之间形成粉末通道；导向保护气套的内锥面与粉末套的外锥面之间形成导向保护气通道；冷却水套的内锥面与导向保护气套的外锥面之间形成冷却水通道；其中，激光束及保护气体的共用通道、粉末通道、导向保护气通道和冷却水通道同轴。

本实用新型的激光熔覆同轴送粉喷嘴，可及时冷却喷嘴端部，提供导向保护气流能够更好地保护激光熔池并汇聚粉末流，使得喷嘴工作更加稳定。

申请人：华东理工大学
地址：200237 上海市徐汇区梅陇路130号
国籍：CN
代理机构：上海智信专利代理有限公司
代理人：薛琦
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光内送粉喷头空间变姿态粉气流场数值模拟

光内送粉喷头空间变姿态粉气流场数值模拟姜付兵;石世宏;傅戈雁【摘要】光内送粉喷头是一种新型的激光熔覆同轴送粉喷头,具有空心光束、单根粉束指向性好、无干涉、光粉气一体同轴等优势.为了分析喷头倾斜角度和外层准直气流速对粉束汇聚特性的影响,采用FLUENT软件进行模拟计算,对喷头在空间变姿态作业过程中单喷嘴出口粉束的汇聚特性进行了理论分析和实验验证.结果表明,喷嘴出口粉末质量浓度分布沿x方向服从高斯分布,对称轴上沿-y方向质量浓度先基本保持恒定,后逐渐下降为0kg/m3;随喷头倾斜角度的增大,粉末汇聚长度h不断减小,h变化范围为11mm～17mm,偏移量△x大致呈增大趋势,△x变化范围为0.0mm ～ 0.4mm;随外层准直气速度增加,汇聚长度h呈轻微上升趋势,h上升幅度为1mm～2mm,而偏移量△x在不同倾斜角度范围内呈现出不同变化趋势,△x变化幅度为0.05mm～0.15mm;实验数据与模拟结果变化趋势基本吻合.所建模型和模拟结果对于选择和优化实验工艺参量具有参考价值.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(039)002【总页数】7页(P145-151)【关键词】激光技术;气固两相流;数值模拟;光内同轴送粉【作者】姜付兵;石世宏;傅戈雁【作者单位】苏州大学机电工程学院,苏州215021;苏州大学机电工程学院,苏州215021;苏州大学机电工程学院,苏州215021【正文语种】中文【中图分类】TG156.99;TN249Key words:laser technique; gas-solid two-phase flow; numerical simulation; inside-beam coaxial powder feeding*通讯联系人。

E-mail：*******************.cn金属零构件空间修复和3维自由成形在工程与国防领域具有很好的应用前景[1]，而光粉耦合工艺是实现激光直接成形的关键技术之一，对送粉喷头喷嘴出口流场特性进行数值模拟分析，对于优化喷嘴结构和工艺参量具有重要意义。

方形光斑激光增材制造同轴送粉喷嘴结构优化及工艺研究

方形光斑激光增材制造同轴送粉喷嘴结构优化及工艺研究方形光斑激光增材制造技术是一种利用激光束将粉末熔融成熔池，逐层堆积形成零件的先进制造技术。

在方形光斑激光增材制造过程中，送粉喷嘴的结构优化和工艺研究对于提高制造质量和效率至关重要。

首先，对于送粉喷嘴的结构优化，需要考虑以下几个因素：1. 喷嘴形状：传统的圆形喷嘴存在粉末堵塞和剧烈粉尘飞扬的问题。

通过优化喷嘴形状，如改变喷嘴截面形状为方形，可以有效减少粉尘产生和堵塞现象。

2. 喷孔布置：合理的喷孔布置可以保证粉末均匀喷到光斑区域，避免出现过多或过少的喷粉现象。

同时，喷孔的尺寸和形状也需要进行优化，以保证粉末喷出的径向气流能够均匀地覆盖整个光斑区域。

3. 材料选择：喷嘴的材料应具有良好的耐热性和耐磨性，以适应高温和高速的喷粉环境。

常见的材料选择包括不锈钢、陶瓷等。

其次，工艺研究是为了优化方形光斑激光增材制造的操作参数，提高制造效率和质量。

1. 光斑尺寸和功率：光斑的尺寸和功率直接影响到熔池的形成和稳定性。

通过调整激光参数，如功率和焦距，可以控制光斑的尺寸和能量密度，从而实现精细的熔池控制。

2. 加热策略：熔池的加热策略会影响到零件的成形速度和质量。

选择合适的加热策略，如预热、快速加热和复合加热等，可以实现零件的快速成形和减少热应力。

3. 粉末喷射速度和气流压力：粉末喷射速度和气流压力的控制对于粉末的均匀喷射和溅射现象的抑制至关重要。

通过优化送粉喷嘴的结构和调整气流参数，可以实现精确的喷粉控制。

综上所述，方形光斑激光增材制造同轴送粉喷嘴的结构优化和工艺研究是提高制造质量和效率的关键。

通过优化喷嘴结构和调整工艺参数，可以实现精细的熔池控制和粉末喷射控制，从而提高制造质量和效率。

气液同轴式雾化喷嘴外流场数值模拟与分析

气液同轴式雾化喷嘴外流场数值模拟与分析
郭宇
【期刊名称】《南方农机》
【年(卷),期】2024(55)11
【摘要】【目的】常规液体单相工质雾化喷嘴在外流场射流时会出现射流速度衰减快、范围变化小,湍动能波动较小等问题。

【方法】使用一种气液两相同轴喷嘴,通过在单相液体水喷嘴的周围增加空气通道,并保证液体和气体同轴,设计了两种不同结构的喷嘴,采用流体分析软件FLUENT,对气液同轴式雾化喷嘴的外流场进行数值模拟及仿真分析,并绘制了雾化喷嘴在射流场内不同位置处动压、湍动能和射流速度的云图和折线图。

【结果】a型喷嘴的射流效果较好,在不同气体进口压力下气液同轴雾化喷嘴的速度、动压和湍动能呈现规律性变化。

【结论】气液两相雾化喷嘴对速度和动压的衰减有延缓作用,其湍动能数值大,辐射范围更广,对周围空气的扰动能力更强,因此喷射效果好,对雾滴的利用率更高,对煤矿降尘有着很好的效果。

【总页数】4页(P32-35)
【作者】郭宇
【作者单位】山西电子科技学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH122;V434
【相关文献】
1.气液两相同轴式超声喷嘴内流场数值模拟研究
2.气液同轴离心式喷嘴雾化特性试验研究
3.气液同轴离心式喷嘴喷雾流场数值模拟
4.内直外旋气液同轴式喷嘴流量及雾化特性
5.气液同轴双离心式喷嘴宏观雾化特性实验研究
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工艺参量对同轴送粉喷嘴气体保护效果的影响

工艺参量对同轴送粉喷嘴气体保护效果的影响易德先;胡芳友;徐成伟;崔爱永;卢长亮【摘要】为了解决激光直接制造金属零件中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题,采用烟雾流动显示技术对喷嘴保护气体流场进行了研究.系统研究了喷嘴保护气流速率、喷嘴出口距零件表面距离、喷嘴移动速率和侧风速率对气体保护效果的影响.结果表明,随着喷嘴保护气流速率的增加,保护范围先增加后减小;随着侧风速率和喷嘴移动速率的增大,气流轴线偏离喷嘴轴线距离增大;当侧风速率超过喷嘴气流速率50%,距喷嘴出口10mm处,气流完全偏离喷嘴轴线,完全失去对金属熔池的保护.这一结果为选择合适的喷嘴气流参量提供了依据.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2010(034)005【总页数】4页(P584-586,623)【关键词】激光技术;工艺参量;烟雾流动显示;同轴送粉喷嘴【作者】易德先;胡芳友;徐成伟;崔爱永;卢长亮【作者单位】海军航空工程学院青岛分院,航空机械系,青岛,266041;海军航空工程学院青岛分院,航空机械系,青岛,266041;海军航空工程学院青岛分院,航空机械系,青岛,266041;海军航空工程学院青岛分院,航空机械系,青岛,266041;海军航空工程学院青岛分院,航空机械系,青岛,266041【正文语种】中文【中图分类】TN249引言同轴送粉喷嘴是激光直接制造金属零件系统的关键部件之一，是保证激光制造金属零件质量的重要环节之一[1-3]。

惰性保护气体在激光直接制造过程中起着非常重要的作用，一是保护聚焦透镜免受飞溅物和熔化金属颗粒的污染；二是输送金属粉末，为激光金属熔池提供稳定，连续和精确的粉末流；三是隔绝激光金属熔池区域的空气，使熔化的金属免受空气中有害气体的影响，保证金属零件的制造质量[4-5]。

从同轴送粉喷嘴喷出的保护气体是一种柔性的保护气套，保护效果容易受工艺参量(如喷嘴保护气流速率、喷嘴出口距零件表面距离、激光扫描速率等因素)的影响[6]。

激光熔覆中同轴送粉气体_粉末流数值模拟_董敢

Fig． 4 图4
Focus position of powder flow 不同送粉量粉末流焦点位置
Fig． 5 图5
Maximum concentration of powder flow at focus vs powder feed amount 不同送粉量粉末流焦点处浓度峰值
vs powder feed amount
3
3． 1
模拟与试验结果分析
送粉量对焦点的影响图 2 所示是保护气和输送气流量均为 8 L / min，送粉量为 2 g / s
时的粉末浓度分布云图。由图可知，气体携带粉末流出时产生较明显的射流现象，使粉末流产生发散。粉末流离开喷嘴将在喷嘴正下方汇聚成焦点。粉末流从喷嘴出口运动到粉末流焦点处，粉 3 末浓度逐渐增加，并在焦点处达到最大 0． 324 kg / m 。除去少部分发生碰撞，大量的粉末依然按照原有的运动方向通过焦点，然后呈，，。分散状浓度逐渐降低最后浓度稳定不变图 3 所示分别为在相同工艺参数下（保护气和输送气气流量均为 8 L / min，送粉量为 2 g / s ），试验和模拟计算的粉末流焦点位置。图 3 （ a）采用单反相机拍摄气体粉末流，尽管由于粉末颗粒快速移动以及相机曝光时间等原因造成拍摄有拖尾现象，但依然可
1954
强
激
光
与

粒
子
束
第 25 卷
Fig． 6
Maximum velocity of powder flow 图6 粉末流速度峰值
Fig． 7
Divergence angle of powder flow 图7 粉末流发散角
4
结

激光熔覆同轴送粉喷嘴的研究状况

激光熔覆同轴送粉喷嘴的研究状况薛菲;王耀民;刘双宇【摘要】Powder feeding nozzle is used as one of the key components in the powder feeding system which has direct influ-ences on the effect of the laser cladding. With the development of the laser cladding technology, powder feeding nozzle is stud-ied both at home and abroad, so a variety of new powder nozzles are developed to effectively improve the effect of the cladding and powder utilization ratio and reduce the waste. This paper briefly summarizes the domestic and foreign coaxial powder noz-zle progress and powder feeding principle, analyses the existing coaxial powder feeding nozzle status quo, points out the short-comings of the existing powder feed nozzle and proposes that strengthening the powder feed nozzle design is one of the key is-sues of accelerating the laser cladding development, and then the predicts the future development of the coaxial powder feed-ing nozzle.%送粉喷嘴作为送粉系统的关键部件之一，直接影响着激光熔覆的效果。

激光熔覆孔式同轴送粉系统设计及实验研究

激光熔覆孔式同轴送粉系统设计及实验研究周余;杨永强;黄延禄【摘要】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,设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未的材料合成.所开发的送粉系统适用于材料表面改性和熔覆3维制造.%To solve the problems of unsatisfied water-cooling and deposit deviation induced by gravity during laser cladding, a series of feeding nozzles distributed radially and symmetrically was designed to obtain satisfied powder stream and improve cladding quality (the main structure including laser beam routeway, shielding gas routeway, water-cooling routeway and gas feeding routeway).It was found that the powder pooling was satisfied during experiments conducted under conditions that the angles between the nozzle and horizontal plane were 90°, 60°, 30 °and 0° respectively.Some experiments were also conducted adopting powders of Ti, Ni and tool steel respectively.Powders were fed stably and uniformly during experiments.The cladding samples with smooth surface and homogeneous microstructure were metallurgically bonded with thesubstrate.Experimental results show that the nozzles are satisfactory for powder feeding in laser cladding and can be used for material synthesis of powders.The system is suit for surface modification and 3-D solid fabrication.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)001【总页数】4页(P102-105)【关键词】激光技术;激光熔覆;同轴送粉;粉末流【作者】周余;杨永强;黄延禄【作者单位】华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510640;华南理工大学,机械与汽车工程学院,广州,510640【正文语种】中文【中图分类】TG156.99引言激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种表面改性技术。

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表明：嘴中心、喷内环和外环气流流速由内向外递减时可获得稳定的流场；嘴中心、喷内环、环喷出的气流速度外接近一致时，场比较稳定；嘴中心气流速度小于内环和外环的气流速度时，件表面出现漩涡，坏了流场流喷工破
（Ｖ）ａｄＦｌｅｔｓｆｗａｅｘｅｉｎａｎｕｒｃｌｓｍｕａｉｎｒｓｌｓｏｏｘａｅｓａｄｃａｉｌＰＩｎｕｎｏｔｒ．Ｅｐｒｍｅｔｌａｄｎｍｅｉａｉｌｔｅｕｔｆｃａｉｌｊｔｎｏｘａｏ
ｔｆｆｏｗｉｌｓａｌｅｙｔｍｉａｌＴｈｅｒｓｌｓｓｗｈｔｇａｌｗｉｌｅｄｓｔｒｔｂｅｙｏｌｆｅｄｉｎａｙｚｄｓｓｅｃｌｙ．ｅｕｔｈｏｔａｓｆｏｆｅｄｔｎｏｂｅｍｏｅｓａｌ
ｉｉｇｎｅｓｏｏｚｅｇｓｆｏａｅｃｍｐｒｄｍｐｎｉｇｊｔｆｚｌａｌｗｒｏａｅ．Ｔｈｎｌｅｃｆｃａｇｆｎｚｌａｅｏｉｙｏｔｂｌｎｅｉｆｕｎｅｏｈｎｅｏｏｚｅｇｓｖｌｃｔｎｓａｉ — ｉ
摘要：解决飞机结构损伤激光在线修复过程中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题，用粒子图像测速为利（ａｔｌｉｇｅｏｉｔｙＰＶ）Ｆｕｎ软件对喷嘴保护气体流场进行了研究。将喷嘴气流的同轴射流和同Ｐｒｉｅｍａｅｖｌｃｍｅｒ，Ｉ和ｌｅｔｃ轴冲击射流的数值计算结果和实验测量结果进行了比较，析了喷嘴气流速度变化对流场稳定性的影响。结果分
同轴送粉喷嘴保护气体流场研究
赵维义顾蕴松易德先胡芳友
（．军航空工程学院青岛分院，岛，６０１２南京航空航天大学航空宇航学院，京，１０６１海青２６４；．南２０１）
ＳｅｄｎｇＧａｏｓＦｌｗｅｄｏａａｗｄｅｅｒＮｏｚｅｒＦｅｄｅｚｌ
ＺｈａｅｙｉｏＷｉ，ＧｕＹｕｎｏｓｎｇ，ＹｉＤｅａ，ＨｕＦａｇｕｘｉｎｎｙｏ
Ａｂｔａｔ：ｍｐｒｅｔｈｅｄｎｇｅｆｃｆｇａｌｗｎｌｓｒｏｎｌｎｅｒｐｉｉｃａｔｓｒｃｕｅｄａｇｓｒｃＴｏｉｏｖｈｅｓｉｌｉｆｅｔｏｓｆｏｉａｅ－ｉｅａｒｏｆａｒｒｆｔｕｔｒｍａｅ，ｔｈｉｌｎｇｓｌｗｉｌｎｃａａｗｄｅｅｄｅｎｚｅｓｓｕｄｉｄｂｙｐｒｉｌｍａｌｉｅｒｈｅｓｅｄｉｇａｆｏｆｅｄｏｏｘｉｌｐｏｒｆｅｒｏｚｌｓｉｔｅａｔｃｅｉｇｅｖｅｏｃｍｔｙ
（．ｎｄｏＢｒｎｈ，Ｎａａｒｎｕｉａｎｔｏａｔａｉｅｓｔ１ＱｉｇａａｃｖｌＡｅｏａｔｌａｄＡｓｒｎｕｉｌＵｎｖｒｉｙ，Ｑｉｇａｃｃｎｄｏ，２６４，Ｃｈｎ；６０１ｉａ
２ＣｌｇｆｒｓａｅＥｇｎｅｉｇＮａｊｇＵｎｖｒｉｆＡｒｎｕｉＬｔｏａｔｓａｉｇ２０１，ｈｎ）．ｏｌｅｏｏｐｃｎｉｅｒ，ｎｉｉｅｓｙｏｅｏａｔｓｒｎｕｉ，Ｎｎｉ，１０６ＣｉａｅＡｅｎｎｔｃ８Ａｓｃｎ
的稳定性。
关键词：光技术；轴送粉喷嘴；体流场；子图像测速激同气粒中图分类号：５．０３３５文献标识码：Ａ文章编号：０５２１（０２０— １８０１０ —６５２１）２０９ —６
第４第２期４卷
２１０２年４月
南京
航
空
航
天
大
学
学
报
Ｖｏ．４Ｎｏ２Ｉ４．Ａｐ．２１ｒ０２
ＪｕｎｌｆＮａｊｇＵｎｖｒｉｆｒｎｕｉｓ＆ＡｓｒｎｕｉｓｏｒａｎｉｉｅｓｔｏｏｎｙＡｅｏａｔｃｔｏａｔｃ
ｗｈｎｔｅｖｌｃｔｆｔｒｅｓｃｉｎｇｓｆｏｄｃｅｓｓｇａｕｌｙｆｏｃｎｅｏｏｔｒＷｈｎｔｅｔｒｅｅｈｅｏｉｏｈｅ — ｅｔａｌｗｅｒａｅｒｄａｌｒｍｅｔｒｔｕｅ．ｙｏｅｈｈｅ —