楊衛(wèi)紅,張 雪,孔 敏,羅惜照

(1.武昌理工學(xué)院AI學(xué)院電子與信系工程,湖北 武漢 430074；2.文華學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院智能制造系,湖北 武漢 430074；3.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430074)

1 引 言

縱觀我國(guó)超高速激光熔覆技術(shù)的發(fā)展,盡管有越來(lái)越多的公司和科研單位參與超高速激光熔覆技術(shù)的研發(fā),但是他們主要的研發(fā)側(cè)重點(diǎn)還是在于設(shè)備集成與工藝實(shí)驗(yàn)研究[1],缺少了超高速激光熔覆過(guò)程仿真模型的開(kāi)發(fā)。

國(guó)外在該領(lǐng)域所做工作比國(guó)內(nèi)深入很多[2-7],2000年Jehnming Lin[2]進(jìn)行過(guò)激光熔覆送粉頭的粉末氣流數(shù)值仿真以及FLUENT不同噴嘴結(jié)構(gòu)下粉末的流動(dòng)狀態(tài)模擬,發(fā)現(xiàn):噴嘴結(jié)構(gòu)和送氣量對(duì)粉末匯聚的效果有很大的影響；采用同軸送粉頭噴嘴,可以使粉末匯聚的質(zhì)量濃度至少提高50 %。Frank Liou[3]和Heng Pan[4]開(kāi)發(fā)了粉末顆粒形狀對(duì)粉末流匯聚的影響的模型,該模型分析了顆粒形狀與規(guī)則球體的偏差以及非球面碰撞等因素引起的粉末流分散現(xiàn)象,并將模擬的粉末流與粉末空間濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)模型在預(yù)測(cè)非球形粉末顆粒的匯聚情況時(shí)結(jié)果較好,但是對(duì)于球形顆粒的預(yù)測(cè),將會(huì)導(dǎo)致沿軸向方向的峰值粉末的空間質(zhì)量濃度偏高,而沿徑向方向的濃度寬度變窄。

在光粉互作用的仿真方面國(guó)外也有相關(guān)報(bào)道,S.Y.Wen等人[5]提出了一種復(fù)雜的二維激光熔覆數(shù)值模型。通過(guò)追蹤拉格朗日坐標(biāo)系下的顆粒運(yùn)動(dòng)研究粉末的流動(dòng)狀態(tài)。模型中考慮了非規(guī)則球形粉末顆粒對(duì)粉末流動(dòng)的影響,并可以計(jì)算噴嘴下方粉末經(jīng)過(guò)激光輻射后的空間粉末溫度分布。但是,由于模型研究低送粉量的情況,粉末對(duì)激光造成的衰減問(wèn)題在此模型中沒(méi)有考慮。因此仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)獲得的粉末溫度略有差異。

英國(guó)曼切斯特大學(xué)Juansethi Ibarra-Medina[6]和Andrew J Pinkerton[7]在2010年通過(guò)商用CFD軟件FLUENT研究粉末流、激光束和基材三者的關(guān)系。模型中首次考慮到熔池漫反射對(duì)粉末粒子加熱的影響,并對(duì)比了有無(wú)基材的情況下粉末流的濃度變化與空間溫度分布,并計(jì)算出噴嘴下方激光能量衰減的空間分布情況。

基于國(guó)內(nèi)缺少超高速激光熔覆過(guò)程仿真模型的開(kāi)發(fā)的較少。本文以計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)一種的超高速激光熔覆粉末流的計(jì)算機(jī)仿真模型,利用FLUENT建立了基于非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤技術(shù)的CFD仿真模型,并能計(jì)算不同激光功率、光束質(zhì)量、送粉量、送氣量等工藝條件下粉末的空間流場(chǎng)分布。

2 原 理

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí),非化學(xué)反應(yīng)的單向流動(dòng)現(xiàn)象可以用連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程來(lái)描述。以此二方程為基礎(chǔ),本文分析激光熔覆粉末流動(dòng)與加熱的過(guò)程涉及的基本理論,并對(duì)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),分析超高速激光熔覆環(huán)形熔覆頭粉末匯聚特點(diǎn)。

本文建模采用FLUENT軟件內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤技術(shù)。因?yàn)榉€(wěn)態(tài)粒子追蹤,模型在向流場(chǎng)釋放粒子時(shí)就會(huì)開(kāi)始跟蹤,直到粒子束從計(jì)算域中逸出為止。在這一過(guò)程中,粒子束在流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是隨著流場(chǎng)的迭代過(guò)程而整體迭代的,在模型仿真中無(wú)法單獨(dú)描述顆粒在流場(chǎng)中的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)過(guò)程。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤,用戶可以通過(guò)設(shè)置流場(chǎng)的時(shí)間步長(zhǎng),從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量地向計(jì)算域注入顆粒,所有注入的顆粒都可以在流場(chǎng)迭代過(guò)程中單獨(dú)計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,它們是相互獨(dú)立存在又相互影響的,尤其在粒子與壁面存在碰撞的模型中,非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤的技術(shù)更能反映每一顆離散相粒子的運(yùn)動(dòng)。

因此,在討論激光熔覆粉末流場(chǎng)的模型中,采用非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤更能反映每一顆金屬粉末在熔覆過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖1為非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤(圖1(a))與穩(wěn)態(tài)粒子(圖1(b))追蹤技術(shù)仿真的結(jié)果對(duì)比。

圖1 粒子追蹤技術(shù)的對(duì)比

3 建 模

3.1 前處理

以武鋼華工超高速激光熔覆環(huán)形熔覆頭為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)的流道尺寸測(cè)量,同時(shí)結(jié)合熔覆頭下方一定空間,便可以得到相應(yīng)的粉末流場(chǎng)的計(jì)算域。由所分析模型均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),沿對(duì)稱軸選擇四分之一計(jì)算域進(jìn)行建模。武鋼華工超高速激光熔覆環(huán)形熔覆頭的實(shí)物圖及計(jì)算域模型如圖2所示。

圖2 激光頭和四分之一計(jì)算域建模

在ICEM中建立送粉頭的計(jì)算域模型后劃分網(wǎng)格。為保證保證足夠的求解精度與節(jié)約計(jì)算資源,網(wǎng)格劃分通常要占到CFD總體模型與參數(shù)設(shè)置時(shí)間的40 %以上[8]。并利用ICEM進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,步驟包括:建立拓?fù)洹獎(jiǎng)澐謆lock—網(wǎng)格優(yōu)化—網(wǎng)格生成 。激光熔覆環(huán)形送粉頭的網(wǎng)格劃分策略如圖3所示,劃分中對(duì)粉末會(huì)聚區(qū)域進(jìn)行加密,網(wǎng)格數(shù)量在30右,網(wǎng)格質(zhì)量在0.7以上。

圖3 超高速激光熔覆環(huán)形熔覆的網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件設(shè)置與求解

流場(chǎng)模型求解前的假設(shè):

(1)假設(shè)保護(hù)氣和混有金屬粉末流以恒定初速度垂直計(jì)算域入口面流入的,進(jìn)入計(jì)算域前粉末顆粒初速度與載氣相同；

(2)仿真前提為送粉、送氣量工藝參數(shù)恒定,因此模型主要分析穩(wěn)態(tài)情況,采用壓力差值的分離求解器；

(3)離散相模型中,顆粒的力平衡僅考慮曳力、慣性力和重力,粒子占?xì)怏w總體積不高于10 %,忽略粒子間碰撞對(duì)軌跡的影響；顆粒的質(zhì)量和濃度較低,忽略顆粒對(duì)流場(chǎng)的影響；

(4)雖然模型利用Rosin-Rammler分布和形狀因子進(jìn)行粉末顆粒建模,但是,出于對(duì)本文研究?jī)?nèi)容以及降低計(jì)算成本的考慮,模型中粉末假定為大小相同的球形顆粒；

仿真中采用氬氣(Ar)作為保護(hù)氣與載氣,其密度為ρa(bǔ)rgon=1.6228 kg/m3,粘度為μargon=2.125×10-5kg/m·s,根據(jù)式(1)可以計(jì)算出氣-粉流的雷諾數(shù),以確保標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型適用于此模型。式中,ρmix為氣固兩相流的密度,vinlet為流入流場(chǎng)的初速度,D為水力直徑。

(1)

對(duì)于超高速激光熔覆環(huán)形送粉頭,進(jìn)粉管直徑6 mm,載氣送氣量為12 L/min,送粉量為24 g/min時(shí),計(jì)算得出粉末進(jìn)入送粉頭時(shí)雷諾數(shù)為4200以上,同樣屬于湍流范疇。為了在仿真中真實(shí)反映湍流對(duì)粉末流動(dòng)的影響,采用非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤DPM模型。

實(shí)驗(yàn)采用鐵基粉末,平均顆粒直徑約為30 um,模型中離散相材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型中使用的材料參數(shù)表

模型采用k-ε模型,除了確定流體初速度vinlet和流動(dòng)初始方向之外,還要給出入口流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度I與湍流長(zhǎng)度l[9],計(jì)算公式為:

(2)

l=0.07L

(3)

(4)

式中,L為特征長(zhǎng)度或水力直徑；R為圓形進(jìn)粉口半徑；r2,r1為環(huán)形進(jìn)粉口時(shí)的圓環(huán)內(nèi)外半徑。在計(jì)算域的邊界條件設(shè)置中,設(shè)置流體入口均為速度入口(velocity-inlet),設(shè)置離散相在入口處為逸出(escape)；流體出口為壓力出口(pressure-outlet),離散相在出口處也為逸出(escape)；粉末流道設(shè)置為壁面(wall)。最后,FLUENT解算器采用SIMPLE算法保證計(jì)算效率。

4 流場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比與驗(yàn)證

4.1 流場(chǎng)穩(wěn)定性

為了個(gè)更好地說(shuō)明環(huán)形送粉頭的性能,仿真結(jié)果與同參數(shù)下同軸環(huán)形送粉頭模擬仿真進(jìn)行了比較,圖4(a)為同軸四路送粉管在保護(hù)氣、載氣的送氣量均為3 L/min時(shí),求解收斂獲得的流線圖。如圖所示,同軸四路送粉管管徑只有2 mm,載氣在送粉管內(nèi)流速最可達(dá)22 m/min,當(dāng)載氣流出送粉管,四路載氣流會(huì)在熔覆頭下方一定距離處相遇形成湍流,湍流會(huì)產(chǎn)生向上的氣流向噴嘴內(nèi)部的光學(xué)元件處流動(dòng)。若在激光熔覆過(guò)程中,由于反向氣流可能會(huì)攜帶高溫金屬顆?；蚪饘僬羝?損壞熔覆頭內(nèi)部以及光學(xué)元件。熔覆頭中心通道的保護(hù)氣可以對(duì)這種上升氣流起到阻擋作用。

圖4 熔覆頭速度流線圖

圖4(b)為超高速激光熔覆環(huán)形熔覆頭的流場(chǎng)速度流線圖,比較圖4(a),環(huán)形送粉頭的氣流場(chǎng)更穩(wěn)定,載氣通道出口與保護(hù)氣相互作用,大大降低了熔覆頭下方的氣體流場(chǎng)波動(dòng)性,雖然載氣可以引起四周空氣低速的渦旋,但對(duì)中心流場(chǎng)影響較小。載氣與保護(hù)氣形成了一個(gè)惰性氣體保護(hù)區(qū),阻止了高溫金屬顆粒接觸外部空氣而氧化。

3.2 粉末濃度分布

圖5為四路送粉管熔覆頭的粉末空間濃度分布圖,送粉量為24 g/min,如圖所示,粉末從送粉管出口飛出后粉末流發(fā)散,濃度下降,熔覆頭下方一定距離內(nèi)(-16 mm

圖5 四路送粉管熔覆頭粉末空間濃度分布

圖6 超高速激光熔覆環(huán)形熔覆頭粉末空間濃度分布

4.3 粉斑

粉末匯聚后粉斑的大小是衡量熔覆頭對(duì)粉末匯聚能力的重要指標(biāo)之一,粉末的空間濃度分布符合高斯分布[10],根據(jù)激光光學(xué)基模高斯光束光斑定義,從圖7中可以看出超高速激光熔覆環(huán)形熔覆頭的粉斑半徑在0.8 mm左右,而同軸四路送粉管激光熔覆頭的粉斑半徑達(dá)到2.3 mm；兩組曲線都證實(shí)匯聚區(qū)粉末的空間濃度具有高斯分布的特征,但是超高速激光熔覆環(huán)形熔覆頭在粉末匯聚區(qū)的粉末峰值濃度是同軸送粉管式熔覆頭的30倍。說(shuō)明環(huán)形送粉方式比管形送分方式的粉末流場(chǎng)更穩(wěn)定,對(duì)粉末流動(dòng)的約束能力與粉末的匯聚能力更強(qiáng)。

利用高速相機(jī)可以對(duì)粉末流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。圖8為高速相機(jī)獲得的同軸四路送粉管激光熔覆頭的粉末流動(dòng)狀態(tài)與仿真獲得的粉末流動(dòng)狀態(tài)的比較。由圖8(b)中可以看出,在實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)粉末束飛出送粉管之后會(huì)開(kāi)始發(fā)散,在熔覆頭下方約13 mm左右,粉末開(kāi)始匯聚并在13～22 mm的范圍內(nèi)形成一處濃度較高的匯聚區(qū),隨后粉末開(kāi)始劇烈發(fā)散。對(duì)比圖8(a)的仿真結(jié)果,可以看出仿真與實(shí)驗(yàn)較為吻合,佐證了模型流場(chǎng)仿真結(jié)結(jié)果可靠性。

圖7 徑向粉末濃度分布曲線

圖8 高速相機(jī)拍攝與仿真結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 論

本文基于FLUENT仿真軟件,建立超高速激光熔覆熔覆頭的有限體積模型,利用非穩(wěn)態(tài)粒子追蹤手段仿真獲得了熔覆頭的粉末流場(chǎng)。模擬了熔覆頭模型的流場(chǎng)狀態(tài)和粉末會(huì)聚狀態(tài),獲得了熔覆頭的空間粉末濃度分布圖與匯聚區(qū)的粉末濃度曲線。主要結(jié)論如下:

(1)仿真結(jié)果顯示超高速激光熔覆環(huán)形熔覆頭可以形成半徑0.8 mm的粉斑,熔覆頭下方16～19 mm空間內(nèi)出現(xiàn)粉末濃度最高區(qū)；多孔送粉熔覆頭能形成半徑2.4 mm的粉斑,熔覆頭下方13～15 mm空間內(nèi)出現(xiàn)粉末濃度最高區(qū)。通過(guò)模擬結(jié)果說(shuō)明環(huán)形熔覆頭在控制粉末流動(dòng)速度、粉末匯聚能力等方面優(yōu)于多孔送粉熔覆頭；仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比佐證了模型流場(chǎng)仿真結(jié)結(jié)果可靠性。

(2)超高速激光熔覆技術(shù)取代電鍍硬鉻,可解決電鍍鉻工藝重金屬鉻離子(Cr6+)重金屬污染,被禁止或限制的國(guó)民經(jīng)濟(jì)重大應(yīng)用問(wèn)題。超高速激光熔覆溫度場(chǎng)模擬仿真模型的開(kāi)發(fā),填補(bǔ)國(guó)內(nèi)該方向研究側(cè)重點(diǎn)在于設(shè)備集成與工藝實(shí)驗(yàn)的空白,為國(guó)內(nèi)超高速激光熔覆科技研發(fā)提供理論支持。