趙陳敏,練國富,馮美艷,陳昌榮,黃 旭

(福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 福州 350118)

1 引 言

激光熔覆噴嘴作為送粉系統(tǒng)的關(guān)鍵部位之一,影響著粉末的輸送特性和熔覆層質(zhì)量[1]。合適的粉末輸送特性不僅可以提高粉末利用率,還有助于提高涂層質(zhì)量。要準(zhǔn)確獲得粉末輸送過程的流動特性,需要詳細(xì)的分析和計(jì)算[2]。

激光熔覆根據(jù)送粉方式的不同分為旁軸送粉、同軸送粉以及預(yù)置粉末等,其中同軸送粉消除了激光束與粉末流不對稱導(dǎo)致激光掃描方向無法隨意改變的問題[1,3]。在同軸送粉的激光熔覆過程中,粉末的匯聚特性是影響著熔覆層質(zhì)量的關(guān)鍵因素,而同軸送粉的噴嘴結(jié)構(gòu)、送粉參數(shù)等是影響粉末匯聚特性的主要因素。

在噴嘴結(jié)構(gòu)研究方面,Kovalenko等[4]利用氣-粉兩相流的數(shù)值模擬結(jié)果,設(shè)計(jì)了多通道噴嘴結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,確定了激光熔覆多通道噴嘴的最佳工藝參數(shù),發(fā)現(xiàn)熔覆層尺寸的增加主要與聚焦激光束與工件表面“聚焦”氣流相遇區(qū)域粉末濃度的增加有關(guān)。Ju等[5]基于CFD的三維模型,研究了環(huán)境壓力和噴嘴尺寸對激光熔覆過程中粒子分布和速度的影響,結(jié)果表明,60°噴嘴角度可以獲得較小的粉末流焦點(diǎn),使用較短的焦距可以獲得較高粉末質(zhì)量濃度。Korsmik等[6]通過研究噴嘴結(jié)構(gòu)與激光熔覆效率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)熔高由于粉末轉(zhuǎn)移系數(shù)的增加而增加,直至氣體粉末射流的焦點(diǎn)；當(dāng)氣粉射流焦點(diǎn)位于熔覆表面上方時,由于射流中粒子濃度低且不穩(wěn)定,導(dǎo)致粉末傳輸系數(shù)降低。在送粉參數(shù)研究方面,Liu等[7]基于氣-粉兩相流理論建立了數(shù)值模型,發(fā)現(xiàn)隨著保護(hù)氣體流量的增加,粉末與噴嘴出口的焦距增大,最大粉末濃度減小。Gao等[8]基于Euler-Lagrange理論,建立了四流噴嘴的氣粉流動數(shù)值模型,研究了LMD過程中的送粉機(jī)理,結(jié)果表明,在2.5～3.5 kg/h的粉末流量和6 l/min的載氣流量下,金屬粉末可以有效地輸送。

目前對于激光熔覆粉末匯聚特性的研究主要集中在噴嘴結(jié)構(gòu)和送粉參數(shù)對于粉末濃度上,對于激光光斑大小與粉末流焦點(diǎn)直徑的作用關(guān)系研究較少。本文基于FDH0273激光熔覆頭,采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,探索激光熔覆過程激光與粉末流的耦合作用機(jī)理,指導(dǎo)激光熔覆工藝實(shí)施。

2 計(jì)算模型及方法

通過測繪實(shí)際激光熔覆頭模型(如圖1(a)所示),建立如圖1(b)所示同軸送粉噴嘴模型,本文計(jì)算區(qū)域包括噴嘴位置和噴嘴下方的擴(kuò)展的圓柱區(qū)域,噴嘴位置用于計(jì)算內(nèi)部顆粒的碰撞和氣-粉輸送過程；噴嘴下方的擴(kuò)展的圓柱區(qū)域用于計(jì)算氣-粉匯聚情況。為了提高網(wǎng)格生成的精度,采用自頂向下八叉樹法對非結(jié)構(gòu)四面體單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分,網(wǎng)格如圖1(c)所示。對于氣體、氣-粉入口設(shè)置為速度入口邊界條件,噴嘴內(nèi)外壁設(shè)置成壁面邊界條件,圓柱側(cè)面及區(qū)域下方設(shè)置成壓力出口邊界條件,圓柱側(cè)面設(shè)置成逃逸邊界。

圖1 同軸送粉噴嘴模型

在同軸送粉過程中主要有四路載粉氣體、一路中心保護(hù)氣以及冷卻管路,載粉氣體主要作用是承載和運(yùn)輸粉末,其與粉末顆粒形成氣-固兩相流；中心保護(hù)氣主要作用是抑制粉末反彈和保護(hù)鏡片；冷卻管路主要作用是帶走激光器在電光轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的多余熱量,帶走外光路鏡片反射激光束過程中所吸收的熱量,使激光系統(tǒng)在工作過程中處于熱平衡。

同軸送粉的數(shù)值模擬中,將載粉氣和中心保護(hù)氣視為不可壓縮連續(xù)相處理,有流體動力學(xué)中的連續(xù)方程和動量方程求解[9]。粉末顆粒的體積遠(yuǎn)小于同管道氣體的體積的10 %,故將粉末顆粒視為離散相處理,采用離散相描述顆粒分布行為。

2.1 氣相模型及控制方程

為了準(zhǔn)確描述噴嘴內(nèi)部氣體動態(tài)流動,氣相采用粘性可壓縮定常流動的Navier-Stokes方程,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型求解[10]。湍流流動的控制方程如下所示[5,11]:

質(zhì)量守恒方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

其中,i、j=1,2,3 表示張量;ρ是氣體密度;ui和uj分別代表i和j方向的速度矢量;xi和xj是i和j方向的x向量;P是壓力;gi是重力加速度;μ是分子粘度;μt是湍流粘度,其中湍流粘度定義如下:

(3)

其中,Cμ=0.09為常數(shù);k為湍流動能;ε為耗散率。

湍流動能守恒方程:

(4)

湍流動能耗散守恒方程:

(5)

(6)

(7)

其中,Gk為平均速度產(chǎn)生的湍動能;Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能;Pt為湍流普朗特常數(shù),其中常數(shù)σk=1.0,ε=1.3,C1=1.44,C2=1.92是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2.2 粉末運(yùn)輸與軌跡模擬

對于粉末顆粒模型,采用Euler-Lagrange描述離散相模型,顆粒在Lagrange坐標(biāo)下的受力平衡方程為[12-13]:

(8)

其中,upi為顆粒速度;ρp為顆粒密度;Fi為附加力;FD(ui-upi)為顆粒的單位質(zhì)量曳力:

(9)

其中,dp是顆粒直徑;μ是氣體的粘度;Re是雷諾數(shù),其定義如下:

(10)

CD是阻力系數(shù),其定義為:

(11)

其中,a1、a2、a3為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2.3 粉末顆粒碰撞描述

粉末顆粒從進(jìn)入噴嘴到熔覆過程中,顆粒與顆粒之間、顆粒與噴嘴內(nèi)壁之間的碰撞程度不同,在顆粒運(yùn)輸過程中,顆粒經(jīng)歷多次碰撞,隨著碰撞次數(shù)的增多對粉末的匯聚情況影響越大[14]。

顆粒碰撞引起的動量損失可以通過恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行描述,恢復(fù)系數(shù)定義為碰撞前后的速度比,公式如下所示:

(12)

其中,u1為碰撞前粒子速度;u2為碰撞后粒子速度。

在彈性碰撞中kn=1,非彈性碰撞中kn<1。而kn一般在0.9～0.99之間[2]。本文考慮了顆粒之間、顆粒與噴嘴內(nèi)壁之間的碰撞,并將kn設(shè)為一個常數(shù)。

2.4 主要計(jì)算參數(shù)

計(jì)算的初始條件為:出口壓力P=P0=0.1 MPa,溫度T=T0=300 K。本次研究采用的載粉氣為氬氣,參數(shù)如表1所示,粉末顆粒為W6Mo5Cr4V2 高速鋼粉末,性能參數(shù)見表2。假設(shè)載粉氣和粉末在進(jìn)入噴嘴前是均勻的,并且兩者速度矢量相同。載粉氣的入射速度可以定義為[2]:

表1 氬氣性質(zhì)表

表2 粉末及相關(guān)參數(shù)表

(13)

其中,Q是載粉氣體的流量;S是送粉管的橫截面積。

本次模擬遵循如下假設(shè):

(1)氣-粉流體認(rèn)為是一種粘性、可壓縮、定常的湍流流體。

(2)計(jì)算只包括阻力、慣性力和重力,而忽略了其他力。

(3)粒子是球形的,其大小假定遵循一般的Rossin-Rammler分布。

(4)忽略了顆粒對氣流的影響。

3 計(jì)算模型驗(yàn)證

圖2為在送氣速度為17.0 m/s下的數(shù)值模擬圖與實(shí)驗(yàn)所得送粉實(shí)際情況圖,從圖中可以看出數(shù)值模擬噴粉圖與實(shí)際噴粉過程較為吻合,模擬與實(shí)際的粉末噴射情況具有較好的一致性,具有明顯的粉末流焦點(diǎn)與發(fā)散區(qū)域,說明了噴嘴模型的準(zhǔn)確性和數(shù)值模型模擬的可行性。

圖2 同軸送粉模型的實(shí)驗(yàn)對比與驗(yàn)證

4 計(jì)算結(jié)果與討論

4.1 送粉速度對粉末匯聚特性的影響

圖3顯示了不同送粉速度下的DPM速度云圖和速度圖,其中不同顏色代表不同速度大小。由于激光熔覆噴嘴具有對稱性,故速度圖具有良好的對稱性。從圖3(a)和圖3(b)可以看出,由于載粉氣噴出噴嘴口后,會帶動周圍氣流形成氣旋,從而導(dǎo)致部分粉末顆粒受到影響向周圍飛散,遠(yuǎn)離噴嘴位置的顆粒飛散,從而使得粉末造成一定的浪費(fèi)。顆粒在氣動力帶動下和顆粒自身重力的共同作用下,下降速度不斷提升,在噴嘴底端達(dá)到最大速度。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

從圖4可以看出,隨著送粉速度的提高,粉末流焦點(diǎn)直徑逐漸減少,表3為送粉速度與粉末焦點(diǎn)結(jié)果對應(yīng)關(guān)系,這是由于送粉速度較小時,顆粒在剛出噴嘴時受到的重力和顆粒之間的碰撞力作用,具有一定的發(fā)散作用,從而粉末流焦點(diǎn)直徑相對較大；當(dāng)送粉速度較大時粉末慣性力較大,剛出噴嘴時發(fā)散較小,因此粉末在交點(diǎn)區(qū)域碰撞后下落,或者沿原來的速度方向運(yùn)動,故粉末流焦點(diǎn)直徑變小。

(a)11.3 m/s

表3 送粉速度與粉末焦點(diǎn)結(jié)果對應(yīng)表

4.2 粉末焦點(diǎn)與激光光斑的相互關(guān)系

同軸送粉激光熔覆的激光器符合高斯圓形光源,根據(jù)激光光斑直徑為5 mm,進(jìn)行計(jì)算得出如圖5所示激光光斑模擬圖,從中可以看出在光斑直徑小于4 mm時能量較高。從圖6中可以得出隨著送粉速度的增加,粉末流焦點(diǎn)直徑減小,當(dāng)粉末流焦點(diǎn)直徑大于4 mm的時候,激光光斑直徑開始小于粉末流直徑,此時部分粉末未受到激光直接照射,不能獲得足夠的能量完全熔化；當(dāng)粉末流直徑在4 mm時,激光光斑直徑與粉末流焦點(diǎn)直徑相同,此時粉末正好在激光高能區(qū)域內(nèi)均勻分布能得到足夠的能量熔化,獲得較好的熔覆形貌與較大的橫截面積,如圖7所示。

圖5 高斯圓形激光光斑圖

圖6 激光光斑直徑與粉末流焦點(diǎn)直徑圖

圖7 送粉速度17.0 m/s 熔覆圖

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

送粉速度越大,單位時間的送粉量越大,在實(shí)際生產(chǎn)中生產(chǎn)效率更高,然而根據(jù)激光光斑與粉末焦點(diǎn)的相互關(guān)系可知,當(dāng)送粉速度大于17.0 m/s時,激光光斑直徑大于粉末流焦點(diǎn),為了更好地探索激光與粉末焦點(diǎn)的耦合作用關(guān)系,故將送粉速度大于17.0 m/s的時候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,以激光功率1500 W,掃描速度6 mm/s開展實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)粉末流焦點(diǎn)直徑進(jìn)一步減小時,單位體積內(nèi)的粉末含量上升,從而使得部分粉末受到遮蔽無法獲得足夠的能量,因此產(chǎn)生了粘粉現(xiàn)象。

當(dāng)粉末流焦點(diǎn)直徑小于激光光斑直徑時,隨著送粉速度的增加,粉末流焦點(diǎn)直徑變小,粉末顆粒分布區(qū)域小于激光的高能區(qū)域,粉末焦點(diǎn)之外激光高能光斑直徑內(nèi)的基體被激光照射加熱,使得熱影響區(qū)域增大,熔覆形貌隨著送粉速度的提升出現(xiàn)明顯的層次感,當(dāng)送粉速度達(dá)到最大時(圖8中最右邊樣件),熔覆層周邊熱影響區(qū)增大,熔覆層由于高能過燒表面形貌逐漸變差。

圖8 實(shí)際熔覆圖

5 結(jié) 論

為了探索激光熔覆過程激光與粉末流的耦合作用機(jī)理,獲得激光光斑與粉末流焦點(diǎn)直徑的作用關(guān)系,通過數(shù)值模擬獲得送粉速度與粉末匯聚特性的影響關(guān)系,并通過研究激光光斑大小與粉末流焦點(diǎn)直徑的相互關(guān)系對熔覆效率與形貌的作用機(jī)理,得出結(jié)論如下:

(1)通過數(shù)值模擬與實(shí)際噴粉過程對比結(jié)果可知該模型能夠較好地預(yù)測激光熔覆粉末流場。隨著送粉速度的提升,粉末顆粒具有較快的流動速度,使得粉末流焦點(diǎn)直徑減小,因此粉末獲得更好的收斂性。

(2)當(dāng)粉末流焦點(diǎn)直徑與激光光斑直徑相近時,粉末利用率得到顯著提升并能獲得良好的熔覆形貌。

(3)通過對激光熔覆實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證可發(fā)現(xiàn),過大的送粉速度會造成熱影響區(qū)域增大,熔覆表面形貌變差,因此送粉速度為17.0 m/s時能獲得較好的熔覆形貌。