基于激光光斑直径的激光熔覆粉末汇聚特性数值模拟

赵陈敏,练国富,冯美艳,陈昌荣,黄 旭

(福建工程学院机械与汽车工程学院,福建 福州 350118)

1 引 言

激光熔覆喷嘴作为送粉系统的关键部位之一,影响着粉末的输送特性和熔覆层质量[1]。合适的粉末输送特性不仅可以提高粉末利用率,还有助于提高涂层质量。要准确获得粉末输送过程的流动特性,需要详细的分析和计算[2]。

激光熔覆根据送粉方式的不同分为旁轴送粉、同轴送粉以及预置粉末等,其中同轴送粉消除了激光束与粉末流不对称导致激光扫描方向无法随意改变的问题[1,3]。在同轴送粉的激光熔覆过程中,粉末的汇聚特性是影响着熔覆层质量的关键因素,而同轴送粉的喷嘴结构、送粉参数等是影响粉末汇聚特性的主要因素。

在喷嘴结构研究方面,Kovalenko等[4]利用气-粉两相流的数值模拟结果,设计了多通道喷嘴结构,并进行了实验研究,确定了激光熔覆多通道喷嘴的最佳工艺参数,发现熔覆层尺寸的增加主要与聚焦激光束与工件表面“聚焦”气流相遇区域粉末浓度的增加有关。Ju等[5]基于CFD的三维模型,研究了环境压力和喷嘴尺寸对激光熔覆过程中粒子分布和速度的影响,结果表明,60°喷嘴角度可以获得较小的粉末流焦点,使用较短的焦距可以获得较高粉末质量浓度。Korsmik等[6]通过研究喷嘴结构与激光熔覆效率的关系,发现熔高由于粉末转移系数的增加而增加,直至气体粉末射流的焦点；当气粉射流焦点位于熔覆表面上方时,由于射流中粒子浓度低且不稳定,导致粉末传输系数降低。……