朱 璟

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，鹽城 224005）

激光熔覆同軸送粉噴嘴的設(shè)計及有限元分析

朱 璟

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，鹽城 224005）

闡述激光熔覆同軸送粉噴嘴的設(shè)計，通過公式，推導(dǎo)得出送粉噴嘴的幾何特征參數(shù)，對激光到達熔覆基體的強度分布情況和粉末流的匯聚性能有顯著影響，確定了激光熔覆同軸送粉噴嘴各個幾何特征的尺寸參數(shù)，設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單緊湊且具有良好粉末匯聚性能和冷卻性能的免裝配孔式同軸送粉噴嘴。對試驗結(jié)果進行有限元分析，找到了噴嘴設(shè)計的最優(yōu)因素水平組合，達到了優(yōu)化設(shè)計噴嘴的目的，為激光熔覆技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

激光熔覆 同軸送粉噴嘴 有限元分析

引言

隨著制造技術(shù)的發(fā)展，激光熔覆作為新型的制造技術(shù)在表面改性、擴大原料使用范圍、增強機件使用性能方面有許多顯著優(yōu)勢，在工業(yè)應(yīng)用和增強的機械性方面也存在巨大潛力。在激光熔覆系統(tǒng)中，同軸送粉作為一個良好的供粉方法，極大提高了激光熔覆處理后材料表面的耐磨損、耐腐蝕等性能[1]。同軸送粉噴嘴在系統(tǒng)中有著非常重要的地位，送粉穩(wěn)定、均勻和包層，對熔覆質(zhì)量有重要影響。因此，建立同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，對噴嘴效果結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提高粉末匯聚率，尤為重要。

本文對激光熔覆送粉噴嘴進行優(yōu)化設(shè)計，通過結(jié)構(gòu)和制造方法上的創(chuàng)新，提高熔覆層質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時，對試驗結(jié)果進行有限元分析，探索噴嘴軸向與送粉通道錐角、出粉口寬度以及激光出光口半徑的不同尺寸組合對粉末匯聚性能的影響規(guī)律[2]，并將該規(guī)律反饋于指導(dǎo)噴嘴尺寸優(yōu)化設(shè)計。利用選區(qū)激光熔化快速成型技術(shù)制造噴嘴的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果，得到具有高粉末匯聚性能的噴嘴，并驗證了噴嘴結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性，對激光熔覆技術(shù)的推廣具有重大的現(xiàn)實意義。

1 激光熔覆送粉噴嘴設(shè)計

基于固氣兩相流理論，噴嘴中央的激光束和屏蔽氣體通道，沿中心錐軸為四孔粉路。圖1是一個同軸送粉機的示意圖。由于激光加工點附近的激光反射、輻射和熱鍍液的作用，升溫迅速，可能嚴重?zé)齻麌娮於氯勰┣?。所以，選擇噴嘴銅制造，確保送粉在低溫穩(wěn)定狀態(tài)下進行[3]。該粉體噴嘴為同軸送粉，由送粉器通過錐形噴嘴將粉體的流量輸出會聚，形成熔池，完成包層成型和制造。圖2為送粉噴嘴的示意圖。在工藝過程中，為了保證良好的粉體噴嘴冷卻效果，采用雙冷室結(jié)構(gòu)，保證了長激光成形，避免了噴嘴通道變形、出口堵塞。

圖1 同軸送粉示意圖

圖2 同軸送粉噴嘴示意圖

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用激光束通道內(nèi)的內(nèi)壁焊接冷卻腔，將冷卻腔作為噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直接實現(xiàn)冷卻功能。除外部的粉料通道外，其余設(shè)計成中空結(jié)構(gòu)，從而增加冷卻腔體積，提高冷卻效果。該噴嘴實現(xiàn)了水冰套的分開處理，沒有集成結(jié)構(gòu)。由于激光熔化快速成形技術(shù)（SLM技術(shù)）實現(xiàn)了任何復(fù)雜零件的成型能力，結(jié)合先進加工技術(shù)的投入使用，設(shè)計過程中不再需要考慮利用噴嘴設(shè)計進行后續(xù)處理，從而使安裝孔自由配方粉噴嘴的設(shè)計更加合理[4]。噴嘴外部為激光系統(tǒng)連接器，激光束路徑、冷卻室和多個傳粉通道；通過激光冷卻室周邊的通道，送粉通道和噴嘴芯壁的外表面之間形成空腔；噴嘴上端外壁與送粉通道和冷卻室出口連通，噴嘴的下端開口、出粉通道、冷卻水通道分別是外接冷卻系統(tǒng)。運行中，外部冷卻系統(tǒng)由冷卻水進入噴嘴入口，然后在噴嘴出口的上端被冷卻系統(tǒng)外部重新回收。

1.2 尺寸設(shè)計

圖3 噴嘴粉流簡化模型

對新型孔式同軸送粉噴嘴的設(shè)計，其尺寸設(shè)計還需通過建立噴嘴粉流簡化模型作為理論指導(dǎo)[5]。圖3即為建立的同軸送粉噴嘴粉流簡化模型。下焦點處焦距，fL是粉流聚焦焦深，Rf1、Rf2分別為粉流上、下焦點處半徑，θ為出粉口處粉末流發(fā)散角。根據(jù)各參數(shù)間的幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)出粉末流焦點處半徑和焦距與同軸送粉噴嘴各幾何特征參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系表達式[6]。

粉末流形貌主要由噴嘴軸向與送粉通道錐角α和出光孔半徑r決定。為保證粉末的流束，α值應(yīng)小于30°；出光孔的半徑r不能小于激光束的半徑。由它們的函數(shù)關(guān)系表達式可知，r增大，粉末聚焦焦距fp也增大。由于粉流的發(fā)散，導(dǎo)致聚焦半徑Rf也增大；出粉口寬度w對粉未聚焦半徑Rf有顯著影響，即w增大，Rf將顯著增大。由經(jīng)驗可知[7]，當環(huán)形出粉口寬度w大于4mm時，粉末流束不能實現(xiàn)很好的匯聚；而當其寬度過小時，則容易產(chǎn)生粉末堵塞，故其值取1～4mm為宜。送粉量的變化僅僅影響粉末流的濃度，對粉末流的形貌沒有影響，粉氣流量影響噴嘴出處粉末流速度。噴嘴設(shè)計參數(shù)為：進出水孔半徑1.5mm；外接激光系統(tǒng)通道半徑1.5mm；激光束通道出口半徑不能小于激光束半徑，為2.5mm；激光束通道內(nèi)壁與中心軸夾角為15°；送粉通道與中心軸夾角為23°；送粉通道出口直徑約為1.3mm；噴嘴芯、光束通道、送粉通道的壁厚均設(shè)計為5mm。

2 有限元分析

2.1 有限元方法

試驗采用的Comsol Multiphysics軟件是大型數(shù)值模擬軟件，廣泛應(yīng)用于科學(xué)和工程計算的各個領(lǐng)域。軟件可以集中解決物理耦合問題，具有優(yōu)異的計算性能，可實現(xiàn)高精度多物理場的數(shù)值模擬，已在數(shù)值模擬領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。軟件采用有限元方法仿真模擬單相或多相流動的層流和湍流流動、多孔介質(zhì)流、攪拌容器和流體結(jié)構(gòu)耦合。

本文中，粉末饋送激光熔覆在本主題使用N2作為粉末載氣，利用數(shù)值模擬方法，獲得粉末在氣體壓力和聚集限制作用以及不同濃度條件下的分布，為噴嘴的激光熔覆結(jié)構(gòu)設(shè)計起到了借鑒作用。實際上，流體為氣體-粉末兩相流，但由于在載氣同軸粉末饋送過程，粉末饋送量小，粉末對氣流分布的影響非常小，僅受粉末粒子運動單方面的影響。空氣中，氣相運動特性在氣流場分布影響下是相同的，主要用于三維流場的數(shù)值仿真，因此流場可以簡化為一個單一的相流。

2.2 正交試驗設(shè)計

試驗研究孔式同軸粉末噴嘴的噴嘴錐角、出口半徑、出口寬度三因素，對粉末聚焦焦距、粉斑大小的影響。利用Comsol Multiphysics軟件，提高了工作效率，并由于實驗數(shù)量減少，總結(jié)規(guī)則的實驗結(jié)果變得相對簡單[9]。按正交實驗規(guī)律安排共有9組實驗，每組仿真實驗完成后均需記錄實驗結(jié)果，最后對實驗結(jié)果進行方差和極差分析，正交實驗方案見表1。

2.3 結(jié)果分析

通過軟件模擬來完成正交試驗，沒有改變試驗組和試驗組之間的條件，也沒有人為因素的影響，因此不必考慮各因素水平之間的差異，不必進行方差分析檢驗。根據(jù)計算可知，α因素所對應(yīng)的k值不相等，表明α水平的變化影響了測試指標的指標，可以確定測試指標的影響大小。由于綜合評分的試驗指標越小，其對應(yīng)的因素水平組合越合理，而kα1＜kα2＜kα3，所以可以斷定α1為最優(yōu)水平。同樣，可以計算并確定r2、w2分別為r、w因素的優(yōu)水平。三個因素的優(yōu)水平組合α1、r2、w2為本試驗的最優(yōu)水平組合，即激光熔覆送粉噴嘴的最優(yōu)尺寸組合為出粉口寬度1.3mm、出光口直徑4.4mm、送粉通道錐角為26°。分別計算各因素的極差R，根據(jù)比較各極差R的大小，可以判斷各因素對試驗指標的影響主次。由于Rw＞Rα＞Rr，Rw最大，表明因素w的水平變動時，試驗指標的變動幅度最大，即該因素對試驗指標的影響最大，即出粉口寬度影響最大，送粉通道錐角的影響較小，出光口半徑的影響最小[10]。

表1 正交試驗結(jié)果統(tǒng)計表

3 結(jié)論

本文對激光熔覆同軸送粉噴嘴進行設(shè)計，在結(jié)構(gòu)上對其進行改進，并對設(shè)計的噴嘴進行有限元分析，得出結(jié)論：（1）送粉噴嘴的幾何特征參數(shù)對激光到達熔覆基體的強度分布情況和粉末流的匯聚性能有顯著影響；（2）確定了激光熔覆同軸送粉噴嘴各個幾何特征的尺寸參數(shù)，設(shè)計出了結(jié)構(gòu)簡單緊湊且具有良好粉末匯聚性能和冷卻性能的免裝配孔式同軸送粉噴嘴；（3）找到了噴嘴設(shè)計的最優(yōu)因素水平組合，即送粉通道錐角26°、出光口直徑4.4mm、出粉口寬度1.3mm，從而達到了優(yōu)化設(shè)計噴嘴的目的。

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Coaxial Laser Cladding Powder Feeding Nozzle Design and Finite Element Analysis

ZHU Jing
(School of automobile engineering, Yancheng Career Technical College, Yancheng 224005)

The laser cladding powder feeding nozzle design made an exposition, a large number of formulas derived by analysis, the powder nozzle geometric parameters of the laser reaches the intensity distribution and aggregation performance cladding matrix powder flow are significantly affected, identified by laser cladding coaxial powder nozzle of each geometric feature size parameters, to design a simple and compact structure and good convergence performance and cooling performance powder-free fitting hole coaxial powder nozzle. The test results of finite element analysis, to find the optimal factor level combination nozzle design to achieve the purpose of optimizing the design of the nozzle, in order to promote the use of laser cladding technology provides a theoretical basis.

laser cladding, coaxial powder nozzle ,finite element analysis