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(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024)

裂紋激光修復(fù)技術(shù)利用大功率激光器對金屬件裂紋區(qū)域進(jìn)行加熱并在達(dá)到基體熔點時填入金屬粉末完成缺陷修補。作為一種非接觸修復(fù)方法，填入粉末的方式方法影響著修復(fù)效果[1]。為使送粉系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，形成了以載氣式輸送原理為基礎(chǔ)，由送粉器、噴嘴等構(gòu)成的多種類型輸送系統(tǒng)。噴嘴作為粉末進(jìn)入熔池前所經(jīng)過的最后一步，決定著粉末是否能夠穩(wěn)定流出達(dá)到預(yù)期效果，進(jìn)一步影響著粉末的使用效率和修復(fù)效果，因此送粉噴嘴的設(shè)計不可忽略。佟明針對激光快速成形的輸送噴嘴，調(diào)整粉末通道為兩段傾斜結(jié)構(gòu)，減小粉末與邊界的碰撞，使粉末匯聚達(dá)到要求且利用率較高[2]。楊斌針對激光熔覆場合設(shè)計了一體式同軸噴嘴，粉末通道采用光滑傾斜漸縮結(jié)構(gòu)，避免流體流向大角度改變，送粉效果良好[3]。周余針對現(xiàn)有激光熔覆同軸送粉噴嘴送粉和冷卻等問題設(shè)計了孔式和環(huán)式組裝型同軸送粉噴嘴，明顯增強(qiáng)了送粉穩(wěn)定性和冷卻效果，提高了粉末利用率[4]。Wang W針對氣流送粉利用率問題，改用由超聲振動提供驅(qū)動力的輸送裝置將粉末送入激光加熱區(qū)，顯著提高粉末的利用率，但是局限于豎直加工工況[5]。綜合以上不同場合下送粉系統(tǒng)和噴嘴的設(shè)計方法，本文根據(jù)小型激光修復(fù)設(shè)備的要求建立一套送粉系統(tǒng)，設(shè)計了適用于該系統(tǒng)的送粉噴嘴，通過調(diào)整噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸對氣固兩相流體進(jìn)行整流匯聚。

1 微裂紋激光修復(fù)送粉系統(tǒng)組成

送粉系統(tǒng)利用氣力輸送原理，在激光加熱過程中同步輸送金屬粉末。目前將粉末同步送入熔池的常用方法有同軸和側(cè)向兩種[6]，通過對比，同軸送粉方法不受加工時軌跡方向約束，有利于粉末準(zhǔn)確覆蓋裂紋修復(fù)區(qū)，修復(fù)組織具有良好的性能，應(yīng)用場合更廣泛。整個送粉系統(tǒng)主要包括氣泵、送粉器、粉末流量檢測結(jié)構(gòu)、同軸送粉噴嘴。系統(tǒng)組成及布局見圖1。

圖1 送粉系統(tǒng)

該送粉系統(tǒng)與激光光路同一水平線布置，氣體和粉末在送粉器出口處混合，最終通過噴嘴的流體通道輸出。為減小管路對流體流動的影響，采用管路走向角度變化小，短距離輸送布置方式。這種方式可以有效減小管路對流體流動的影響，但是對于氣固兩相混合流體，由于金屬粉末依托氣體流動而流動且金屬粉末的跟隨性較差，很容易與管路內(nèi)壁發(fā)生碰撞而使流動變的紊亂復(fù)雜。這將導(dǎo)致流體從噴嘴輸出后金屬粉末不會匯聚到一個點上，不僅影響粉末的利用效率而且使修復(fù)效果變差。因此，除了考慮流體輸送方面的問題，噴嘴結(jié)構(gòu)也決定著能否獲得穩(wěn)定流動的流體。

2 噴嘴結(jié)構(gòu)及設(shè)計分析

由于激光經(jīng)過聚焦系統(tǒng)聚焦，光路形狀由平行轉(zhuǎn)為錐形，噴嘴中心腔體采用與光路同軸的圓截面錐形結(jié)構(gòu)，因此取噴嘴粉末出口的間距d1=4 mm，輸送粉末顆粒直徑較小，取流體出口直徑d=1 mm。對于流體的管路輸送，常采用較長直管路布置方式，使流體在長直管路流動中逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，或者使用某些整流結(jié)構(gòu)。本文送粉系統(tǒng)輸送管路較短、占用空間較小且流體由氣體與金屬粉末混合構(gòu)成，為使流體輸送穩(wěn)定，采用流體水平直線輸送方式，設(shè)計噴嘴接口可以與輸送管路直接對接；此外，通過修整噴嘴內(nèi)通道結(jié)構(gòu)，使流體進(jìn)入噴嘴內(nèi)部后的流動狀態(tài)穩(wěn)定。除了考慮流體的流動穩(wěn)定性，為實現(xiàn)噴嘴對流體的匯聚功能，噴嘴末端采用錐形結(jié)構(gòu)。綜合上述內(nèi)容及相關(guān)文獻(xiàn)[7-8]，設(shè)計送粉噴嘴剖面及三維結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)

整個噴嘴為一體式結(jié)構(gòu)，中間空腔為激光光路通道并以其為中心均布四條流體通道。按流體流動方向?qū)娮靹澐譃閮蓚€功能部分，即粉末引入段和粉末匯聚段。引入段包括收縮和傾斜結(jié)構(gòu)，匯聚段為錐形收縮結(jié)構(gòu)。

引入段入口處采用內(nèi)壁流線型收縮結(jié)構(gòu)，對進(jìn)入噴嘴的流體進(jìn)行整流，使流體均勻加速并使氣體與固體粉末流線混合收縮，在流出收縮段后流動較均勻，利于流體在后續(xù)結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定流動[9]。引入段傾斜部分為等直徑傾斜圓柱形管路，連接收縮結(jié)構(gòu)和匯聚段，使用較小的傾斜角度，主要完成流體流向改變。

匯聚段通道采用錐形漸縮方式，實現(xiàn)粉末的匯聚。這部分結(jié)構(gòu)尺寸決定了粉末流體的匯聚效果。

3 仿真方法及假設(shè)

為觀察流體在噴嘴內(nèi)部的流動穩(wěn)定性和匯聚效果，利用Fluent軟件模擬該結(jié)構(gòu)中氣固兩相流體的流動，觀察流體流動軌跡和金屬粉末流體形成的匯聚焦距和匯聚直徑，分析結(jié)構(gòu)尺寸的影響并對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行修整。

本文中兩相流體中金屬粉末的體積分?jǐn)?shù)小于10%，將粉末相作離散相處理，采用離散相模型對氣固兩相流動模擬研究。首先利用standardk-ε湍流模型在流體僅為空氣的情況下進(jìn)行模擬仿真，獲得收斂的結(jié)構(gòu)尺寸后，加入離散相模型進(jìn)行氣固兩相混合流動模擬，此外需要作出一些理想性的假設(shè)[10]：

1)假設(shè)兩相流在噴嘴入口處混合均勻，穩(wěn)定流動且具有相同速度，將氣體視為不可壓縮流體；

2)只考慮流體運動，不考慮傳熱等問題；

3)假設(shè)粉末均為直徑0.05 mm的球形顆粒，僅考慮重力，忽略其他力的作用。

4 仿真分析

本文考慮噴嘴對流體流動穩(wěn)定性和匯聚性的影響。為使噴嘴內(nèi)的流體具有較好流動特性，噴嘴結(jié)構(gòu)中加入流體引入段，改變流體流向的傾斜角度c值是一個重要因素。

圖3 仿真模型

為研究方便，將噴嘴結(jié)構(gòu)簡化為僅包含粉末輸送管路的二維結(jié)構(gòu)[12]。根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)，在Gambit中建立流場分析模型見圖3。將上方入口的邊界條件設(shè)置為VELOCITY-INLET，根據(jù)設(shè)計計算取氣流速度2 m/s[13]。下方出口邊界條件設(shè)置為PRESSURE-OUTLET。首先對匯聚段參數(shù)a、b進(jìn)行模擬分析，取得良好的匯聚效果后，在此基礎(chǔ)上對引入段的參數(shù)c進(jìn)行模擬設(shè)計。

4.1 匯聚性分析

4.1.1 角度a對匯聚性影響

圖4 流體理想流動

以理想粉末流體匯聚點為起點經(jīng)過粉末出口反向進(jìn)行直線延伸[14]，形成理想的粉末流體匯聚路徑，見圖4。

以這種情況下錐形收縮通道軸線與噴嘴軸線形成的夾角a′和通道壁面夾角b′為參考依據(jù)。根據(jù)經(jīng)驗及噴嘴設(shè)計要求，取a=15°、17°、19°、21°。通過仿真計算得到數(shù)據(jù)見表1。

表1夾角a分析結(jié)果

圖5 匯聚焦距

根據(jù)模擬所得的匯聚焦距值和匯聚點處粉末濃度分布得到如圖5和圖6所示曲線圖。

由以上仿真試驗結(jié)果圖表分析發(fā)現(xiàn)，在其他情況確定的條件下，角度a對匯聚焦距影響較大，隨著角度a的增大，匯聚焦距數(shù)

圖6 匯聚點粉末濃度分布

值逐漸減小。匯聚點處粉末濃度曲線近似于峰形。第2組的粉末匯聚直徑較小，且濃度分布較高，粉末輸出更加集中。綜合對比分析各組模擬結(jié)果的參考數(shù)值，當(dāng)角度a=17°時匯聚焦距、匯聚直徑接近設(shè)計要求且粉末濃度分布較高，噴嘴具有良好的匯聚效果。

4.1.2 角度b對匯聚性影響

在軸向夾角a=17°的條件下，考慮壁面夾角b的大小對粉末流動效果的影響。取b=2.5°、3°、3.5°、4°，經(jīng)過模擬分析得到結(jié)果如表2。

表2夾角b分析結(jié)果

匯聚點處直徑方向粉末濃度分布如圖7。

圖7 匯聚點粉末濃度分布

由以上圖表可以看出，夾角b的變化對粉末匯聚焦距和匯聚直徑的影響較小，但是對匯聚點粉末的濃度分布起到一定優(yōu)化作用。分析圖表中三種參考數(shù)值，夾角b=3°時匯聚焦點直徑和匯聚焦距達(dá)到設(shè)計要求，粉末輸出更加集中，提高了匯聚點處粉末濃度，有利于獲得良好修復(fù)組織及形貌，且有利于增加粉末的利用效率。

綜合以上結(jié)果，該噴嘴在軸線間夾角a=17°和通道壁面夾角b=3°的情況下滿足設(shè)計要求，且具有良好的匯聚性。

4.2 穩(wěn)定性分析

與未加入噴嘴引入段的普通噴嘴結(jié)構(gòu)相比，對于固體粉末流動，引入段的加入可以減少粉末流體在管路流動中的往復(fù)碰撞，流體在經(jīng)過引入段進(jìn)入?yún)R聚段的過程中流動更加穩(wěn)定。因此，在上述所得匯聚段結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，對傾斜角度c的值進(jìn)行考慮。通過改變傾斜段角度c的值，模擬噴嘴內(nèi)部流場的流動效果，觀察流體流動穩(wěn)定性，得到結(jié)果如圖8。

圖8 粉末軌跡

當(dāng)角度c由0°變化到12°，觀察噴嘴內(nèi)部粉末流體的流動軌跡。0°時即不加入引入段的噴嘴結(jié)構(gòu)，該種情況下粉末流體與邊界反復(fù)碰撞，造成流動紊亂。隨著角度c的增加，粉末流體的匯聚性逐漸變好，當(dāng)角度c繼續(xù)增加流體又會發(fā)生紊亂現(xiàn)象。當(dāng)c=9°時流體流動穩(wěn)定，具有較好的匯聚性。

4.3 三維仿真結(jié)果

根據(jù)以上噴嘴尺寸結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，選取模擬得到的最佳設(shè)計參數(shù)，建立噴嘴三維結(jié)構(gòu)分析模型進(jìn)行仿真計算[15]，使用與上述二維模擬相同的假設(shè)條件和模擬方法，觀察三維模型中流體流動情況。如圖9所示，三維結(jié)構(gòu)內(nèi)流體流動狀態(tài)較穩(wěn)定，匯聚性較好。

圖9 三維結(jié)構(gòu)內(nèi)粉末流動軌跡

流體匯聚處粉末斑點近似于圓形，如圖10所示，當(dāng)設(shè)備隨著裂紋路徑的變化而任意角度移動時，輸出流體可以較好覆蓋修復(fù)區(qū)且鋪料均勻，能夠獲得較好的修復(fù)形貌，提高修復(fù)質(zhì)量。

圖10 粉末匯聚點形狀

5 結(jié)論

1)根據(jù)粉末輸送要求，設(shè)計送粉噴嘴結(jié)構(gòu)。將噴嘴劃分為引入段和匯聚段，噴嘴引入段使固體粉末流具有良好的流線形狀，確保流動的穩(wěn)定性，噴嘴匯聚段引導(dǎo)流體匯聚，滿足設(shè)計要求。

2)通過考慮同軸送粉噴嘴的送粉結(jié)構(gòu)，在已知流體通道出口直徑和出口間距的條件下，利用Fluent構(gòu)建離散相模型進(jìn)行流體運動模擬可知，隨著a的增大，匯聚焦距數(shù)值逐漸減小，夾角b的值對匯聚點直徑和粉末濃度分布存在一定影響。綜合考慮固體粉末的匯聚焦距、粉斑直徑、濃度分布，當(dāng)a=17°，b=3°，c=9°時噴嘴達(dá)到設(shè)計要求，經(jīng)三維仿真分析，流體的流動效果較好。