激光宽带熔覆光内送粉喷嘴准直气罩研制

雷定中，石世宏，傅戈雁

(苏州大学机电工程学院，苏州215021)

引 言

激光宽带熔覆广泛应用于一些大型工件材料表面强化、修复和改性［1-3］，利用宽带激光扫描一次扫过的面积大，能够大大提高熔覆效率，并由于减少了搭接次数而提高了熔覆层质量［4-5］。

在激光宽带熔覆中，能否尽可能多地将熔覆粉末送人激光熔池，是激光熔覆中直接影响粉末利用率的重要因素;粉束离开送粉喷嘴进入大气后会发生较严重的发散，在准直气帘的束缚作用下，粉束才能准、直的送人激光熔池中［6-8］。

为了实现对宽带激光熔池内部高效送粉，保证粉末较高的利用率，本文中研究设计了一种准直气罩;借助于FLUENT软件研究了准直气帘的宽度对送粉效果的影响，对准直气罩进行了不同尺寸参量的数值模拟，选出较优方案，最终通过送粉实验验证了准直气罩的压粉效果［9-16］。

1 送粉喷嘴准直气罩结构设计

图1a为光外送粉激光宽带熔覆原理图，激光束为实心宽带光束，送粉装置位于光束侧面为熔池送粉。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。

Fig.1 Schematic of broadband laser cladding

Fig.2 Picture of powder feeding nozzle

图2为自主研制的光内送粉激光宽带熔覆喷头的送粉喷嘴照片，该送粉喷嘴主要用于实现对宽度为13mm的宽带熔覆熔池内部送粉。采用GTV Impex GmbH公司的GTV PF3/3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(Fe310)，粒度为－100目～+200目(74μm～149μm);送粉量为4.0r/min，载气压力为0.3MPa，载气流量为3.0L/min，送粉喷嘴粉末出口处尺寸为1mm×10mm，送粉器壁厚0.5mm，送粉结果如图3所示。从图3a侧面图可以看出，粉束发散比较严重，需要准直气进行准直;从图3b正面图可以看出，粉束的宽度达到了13mm的送粉宽度要求。

Fig.3 Picture of powder feeding experiment

针对上述实验中粉束在侧面发散的问题，设计了准直气罩装置(见图4a)。为了更好地实现对粉束侧面的准直，设计的准直气罩装置的准直气入口分布于送粉器的两侧，准直气罩的中段采用收缩结构，出气端采用直线型结构。出口结构、尺寸如图4b所示。本文中借助于FLUENT软件研究准直气帘宽度对准直气罩准直效果的影响。

Fig.4 Schematic of a collimation hood

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，本文中采用FLUNET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。

式中，ρg是气体的密度;vg是气体的速率;p是气相微元体上的压力;g为重力加速度;μ是立相的动态黏度。

1.2 颗粒相轨迹方程

在FLUNET软件中，粉末颗粒的作用力满足以下平衡方程:

式中，ρp是粉末密度;vp是粉末速度大小;FD(vg－vp)是单位质量粉末颗粒的牵引力;Fi是由流体压力梯度在i方向引起的力;gi是重力加速度在i方向的分量。

2 宽带送粉准直气罩流场分析

2.1 送粉器与准直气罩内部流场模型建立与网格划分

采用ProENGINEER软件建立送粉管道的3维流场模型，在粉管出口处建立一个矩形的大气流场区域，由于送粉喷嘴的出口处尺寸为2mm×11mm，初步设定准直气帘的宽度为粉束宽度的1倍，所以准直气罩模型出口的尺寸参量设定为L1=4mm，L2=13mm，见图5a。其次，将所建立的流场模型进行网格划分，见图5b。

Fig.5 Flow field model and meshing

2.2 模拟结果分析

准直气罩模型出口尺寸参量为L1=4mm，L2=13mm，计算参量设定为:载气压力p1=0.3MPa，载气量Q1=4L/min，送粉量 5g/min，平均粒径为d=75μm，准直气管入口直径为∅4mm，载气量Q2=9L/min，准直气压力p2=0.214MPa，计算结果见图6。

从图6a可以看出，准直气罩出口处的速度方向比较杂乱，准直气流的准直效果只保留留了很短的一段距离，随着准直气流能量的耗散，准直气流的速度方向变得比较杂乱，准直气流中间的送粉喷嘴流体速度方向随之变得紊乱，无法起到准直效果。

Fig.6 Calculation result of FLUENT when L1=4mm，L2=13mm，Q1=4L/min

从图6b分析可知，湍流主要发生在突缩和出口处，送粉管路内部的湍流相对要小很多，由于准直气管出口尺寸相对于准直气流而言过窄，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漩涡。当准直气流的流速保持不变时，准直气罩出口的尺寸变大，这种产生湍流的现象会减小并最终消失。

根据上述流体理论，为了保证准直罩出口处的气体流速不变，只考虑准直罩出口尺寸改变对准直效果的影响，设定准直气帘宽度为粉束宽度的1.5倍和2倍，计算得出另外两组FLUENT计算参量，如表1所示。

Table 1 Parameter table of powder feeding by FLUENT analysis

对比图6a、图7a、图8a 3组计算参量下，准直气罩出口处的气流速度基本一致，这验证了计算参量的准确性;对比图6b、图7b、图8b，随着准直气罩出口尺寸的增大，出口处的湍流越来越弱，气流变得稳定。

Fig.7 Calculation result of FLUENT when L1=5mm，L2=13mm，Q1=4L/min

Fig.8 Calculation result of FLUENT when L1=6mm，L2=13mm，Q1=4L/min

对比图6a、图7a、图8a 3组计算参量下，当准直气帘宽度为粉束宽度的1.5倍时，准直气流最为稳定。当准直气帘宽度为粉束宽度的1倍时，一方面在较强湍流的作用下，准直气流方向发生较大改变;另一方面，由于准直气帘的厚度较薄，在空气和粉束的作用下，能量消耗过快。当准直气帘宽度为粉束宽度的2倍时，虽然准直气罩出口处的湍流最小，但是在气流速度一定的情况下，较厚的气帘会受到更大的正面空气阻力，导致准直效果不佳。

对比图7、图9、图10 3组计算参量下，当准直气帘宽度为粉束宽度的1.5倍时，送粉参量发生变化后，准直气帘的准直效果基本保持一直，随着送粉量的增加，准直效果有所降低，但仍满足送粉要求。

Fig.9 Calculation result of FLUENT when L1=5mm，L2=13mm，Q1=6L/min

Fig.10 Calculation result of FLUENT when L1=5mm，L2=13mm，Q1=8L/min

3 实验研究

3.1 送粉喷嘴研制

根据上述的模拟分析，采用L1=5mm，L2=13mm的尺寸设计制造准直气罩，采用3-D打印快速成型技术制造送粉喷嘴装置流道和准直气罩装置，图11为安装有准直气罩的送粉器喷嘴实物照片。

Fig.11 A collimation hood of powder feeding nozzle

3.2 送粉实验

将送粉喷嘴的粉末入口粉管与送粉器相连，本实验中采用的是GTV Impex GmbH公司的GTV PF3/3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(KF310)，粒度为－100目～+200目(74μm ～ 149μm);送粉量为 4.0r/min，载气压力为0.3MPa，载气流量为 4.0L/min，准直气载气量Q2=12.9L/min，准直气压力p2=0.307MPa，粉束在空中形态如图12所示。

Fig.12 Picture of collimation hood powder feeding experiment

从图12中可以看出，在距离送粉喷嘴出口20mm的加工面处，送粉喷嘴所送出的有效粉斑宽带约为14mm，基本达到了预期设计想要达到的13mm的尺寸要求;粉斑两边的粉束发散比较小，达到了预期设计要求。

4 结论

(1)用设计的准直气罩，根据流固耦合理论，采用FLUENT仿真分析方法，得到了用于激光宽带熔覆光内送粉的新型准直结构。(2)经数值分析可知，当送粉喷嘴尺寸为2mm×11mm，准直气帘的宽度为粉束宽度的1.5倍，即准直气罩出口尺寸为L1=5mm，L2=13mm时，空中粉束较为稳定，具有较好的准直性。(3)当送粉参量不同时，保证准直气罩出口处气帘宽度为粉束宽度的1.5倍时，其准直效果基本保持一致，这就保证了不同送粉条件下的粉束准直要求。(4)采用较佳管路尺寸设计制造的准直气罩，在出粉口下端20mm处的粉末分布最为理想，粉斑宽度达到14mm，粉末在长度和宽度方向的汇聚性俱佳，较好地满足了宽带送粉要求。

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