機(jī)械設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)-激光熔覆送粉器設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：激光熔覆送粉器設(shè)計(jì)激光熔覆送粉器設(shè)計(jì)摘要激光熔覆技術(shù)是一種新興的材料加工與表面改性技術(shù)，該技術(shù)可以在低成本鋼上制成高性能表面，代替大量的高級(jí)合金，以節(jié)約貴重、稀有的戰(zhàn)略金屬，提高材料的綜合性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)重大零件的快速綠色修復(fù)再制造。送粉器是激光熔覆系統(tǒng)中重要的部分之一，送粉器性能的好壞直接影響熔覆層的質(zhì)量和加工零件尺寸等，所以開(kāi)發(fā)高性能的送粉器對(duì)激光熔覆加工顯得尤為重要[2]。本課題主要圍繞為了滿足獲得較薄熔覆層的需要,設(shè)計(jì)并制作了一種多倉(cāng)鼓輪可調(diào)式送粉器，噴嘴采用同軸微量式,它具有送粉速度較小且可調(diào)、送粉同步均勻、粉末利用率高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，對(duì)激光熔覆技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有一定的實(shí)用價(jià)值。首先，按照激光熔覆送粉噴嘴的功能要求，綜合機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并利用三維制造軟件Solidworks繪制出了一種裝配結(jié)構(gòu)的激光熔覆送粉噴嘴的參數(shù)化幾何模型。其次，是按照多倉(cāng)式送粉器的功能要求，綜合相關(guān)資料，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并利用三維制造軟件Solidworks繪制出一種裝配結(jié)構(gòu)的激光熔覆多倉(cāng)鼓輪式送粉器的參數(shù)化幾何模型。關(guān)鍵詞：激光熔覆;同步送粉;同軸送粉;矩形噴嘴LaserCladdingPowderFeederDesignAbstractLasercladdingtechnologyisanemergingtechnologymaterialsprocessingandsurfacemodification,Thistechniquecanbemadeinlow-costhigh-performancesteelsurface,Insteadofalargenumberofhighalloy,inordertosaveprecious,rarestrategicmetals,Improvetheoverallperformanceofthematerial,Achieveasignificantpartoftherapidrestorationofgreenremanufacturing.Powderfeedinglasercladdingsystemisoneoftheimportantpart,Powderfeederperformancehasadirectimpactonthequalityofthecladdinglayerandprocessingpartsizeetc.Therefore,thedevelopmentofhigh-performancepowderfeederforlasercladdingprocessisparticularlyimportant.Themaintopictogetaroundinordertomeettheneedsofthincladdinglayer,Designandproductionofamulti-positionadjustabledrumpowderfeeder,Microcoaxialnozzletype.Ithasasmallpowderfeedrateandadjustable,powdersyncuniform,highutilizationofpowder,goodstability,Onthepracticalapplicationoflasercladdingtechniquehassomepracticalvalue.Firstofall,Lasercladdingpowdernozzleinaccordancewiththefunctionalrequirements,Comprehensivetheoreticalknowledgeofmechanicaldesign,innovativedesignofitsstructure,Andtheuseofthree-dimensionalmanufacturingsoftwareSolidworksdrawingapowderfeedinglasercladdingnozzlegeometryparametersofanassembledstructure.Secondly,Accordancewiththemulti-warehouse-typepowderfeederfunctionalrequirements,Comprehensiveinformation,itsstructureinnovativedesign,AndmanufacturingsoftwareSolidworksusingthree-dimensionallasercladdingmapoutamulti-positiondrumwheelassemblystructurepowderfeederparametricgeometry.KeyWords:Lasercladding;Synchronizationpowderfeed;Coaxialpowder;Rectangularnozzle主要符號(hào)表功率體積鼓輪的轉(zhuǎn)速合金粉末的質(zhì)量密度熱流強(qiáng)度水流速度熱阻熱負(fù)荷比熱時(shí)間流熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)水流量溫升目錄1緒論 11.1研究背景及意義 11.2激光熔覆技術(shù)概述 21.2.1激光熔覆技術(shù)的原理 21.2.2激光熔覆技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 21.3激光熔覆送粉系統(tǒng) 41.3.1粉末送粉方式及送粉噴嘴 41.3.2同步送粉裝置 61.4激光熔覆送粉器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 71.4.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 71.4.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 81.5本文主要研究的內(nèi)容及其意義 92激光熔覆送粉裝置的設(shè)計(jì) 102.1設(shè)計(jì)依據(jù) 102.1.1多倉(cāng)式的設(shè)計(jì)依據(jù) 102.1.2鼓輪式送粉方式的設(shè)計(jì)依據(jù) 102.1.3粉末輸送的機(jī)理 112.2同軸式送粉裝置的設(shè)計(jì) 112.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 112.2.2尺寸設(shè)計(jì) 112.3主要功能分析 153激光熔覆送粉器噴嘴的設(shè)計(jì) 173.1設(shè)計(jì)依據(jù) 173.1.1出光部分依據(jù) 173.1.2噴嘴應(yīng)具備冷卻裝置 183.1.3粉末對(duì)激光的遮蓋影響 183.1.4粉末吸收的能量及被加熱后的溫升 183.1.5光粉相互作用機(jī)理 203.1.6噴嘴應(yīng)具備良好的匯聚性 213.2同軸送粉噴嘴的設(shè)計(jì) 213.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 213.2.2尺寸設(shè)計(jì) 223.3主要功能分析 234總結(jié) 26參考文獻(xiàn) 27致謝 29畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 30畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 311緒論激光熔覆技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)，是一種兼具多門(mén)類、綜合性高科技的加工制造方法，其可使涂層與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，大幅度改善和提高機(jī)體表面性能，并且?guī)缀蹩梢匀鄹菜械暮辖鸹蛱沾刹牧?，因此在各個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。送粉裝置是激光熔覆中重要的配套工藝裝備，是得到良好熔覆層質(zhì)量的重要保證，送粉過(guò)程是多方因素共同作用的結(jié)果，對(duì)送粉器進(jìn)行研究可有效的指導(dǎo)激光熔覆，提高熔覆質(zhì)量，提高粉末的利用率，降低加工成本。1.1研究背景及意義課題來(lái)源于西安高斯激光公司下一步開(kāi)發(fā)的研究項(xiàng)目。激光熔覆技術(shù)通過(guò)不同的送粉方式在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔化后凝固，在基材表面形成冶金結(jié)合的添加熔覆層，大大的改善了基材的表面質(zhì)量，同時(shí)可以修復(fù)表面破損。采用不同的送粉方式及送粉工藝參數(shù)對(duì)熔覆層的質(zhì)量有這直接的影響，隨著激光熔覆技術(shù)的日漸成熟及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，其對(duì)送粉裝置設(shè)計(jì)的合理性、可控性和精度等要求不斷提高，因此開(kāi)發(fā)高性能的工藝裝備是非常重要的。同軸送粉法是目前最為先進(jìn)的激光熔覆送粉術(shù)，它克服了單側(cè)送粉的缺點(diǎn)，能夠?qū)⒎勰┚鶆蚍稚⒊森h(huán)型再匯聚后送入聚焦的激光光束熔池中達(dá)到各向同時(shí)均勻性的功能。同軸送粉裝置在激光熔覆生產(chǎn)中可以靈活使用，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，達(dá)到特殊的加工效果，因而，本文選用同軸送粉技術(shù)作為激光熔覆的送粉方式，對(duì)同軸送粉機(jī)理進(jìn)行研究并設(shè)計(jì)相關(guān)的應(yīng)用裝置。激光同軸送粉過(guò)程是依靠自重將粉末輸送、粉末與送粉裝置碰撞、粉末受到激光束照射融化、熔化的粉末落入熔覆層凝固的綜合結(jié)果，涉及粒子動(dòng)力學(xué)、兩相流運(yùn)動(dòng)學(xué)、傳熱學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科。與傳統(tǒng)側(cè)送粉技術(shù)相比，同軸送粉技術(shù)需要將單束粉末流均勻分為多束，然后在同軸送粉裝置內(nèi)均勻混合噴出，同時(shí)，送粉裝置的不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)粉末的碰撞、摩擦、運(yùn)動(dòng)均勻性影響較大，使得粉末噴出后的濃度、速度和受熱熔化狀態(tài)在時(shí)間和空間會(huì)有不同的分布，伴隨著顆粒的不同運(yùn)動(dòng)結(jié)果對(duì)熔覆層的外貌形態(tài)與微觀組織也產(chǎn)生較大變化。盡管許多學(xué)者對(duì)激光熔覆同軸送粉技術(shù)進(jìn)行了大量的理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，并取得了很大的進(jìn)展，但由于不同結(jié)構(gòu)條件的送粉過(guò)程、粉末匯聚結(jié)果各不相同，對(duì)許多影響粉末運(yùn)動(dòng)和匯聚的因素只作了定性分析，對(duì)于使用同軸送粉裝置加工條件下的同軸送粉機(jī)理、粉末均勻輸送規(guī)律缺乏進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。在同軸送粉過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)激光能量在粉末顆粒和熔覆層之間的合理分配，明確不同參數(shù)對(duì)激光能量分布的影響，需要對(duì)同軸送粉裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)；更為重要的是，為了獲得好的粉末聚焦?jié)舛确植迹岣叻勰├寐?，需要設(shè)計(jì)同軸送粉噴嘴不同的最佳幾何參數(shù)對(duì)粉末噴射后聚焦?jié)舛鹊挠绊憽Ｒ虼?，為了提高激光熔覆同軸送粉效率及粉末利用率，需要設(shè)計(jì)出良好的同軸送粉裝置。1.2激光熔覆技術(shù)概述1.2.1激光熔覆技術(shù)的原理激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)新興的零件加工于表面改性技術(shù)及再制造技術(shù)。指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，具有較低稀釋率、熱影響區(qū)小、與基面形成冶金結(jié)合、熔覆件扭曲變形比較小、過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。激光熔覆技術(shù)應(yīng)用到表面處理上,可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機(jī)械性能,可以極大提高材料的使用壽命。同時(shí),還可以用于廢品件的處理,實(shí)現(xiàn)綠色快速再制造，大量節(jié)約加工成本，減少浪費(fèi)。激光溶覆應(yīng)用到快速制造金屬零件,所需設(shè)備少,可以減少工件制造工序,節(jié)約成本,提高零件質(zhì)量,廣泛應(yīng)用于航空、軍事、石油、化工、醫(yī)療器械等各個(gè)方面。圖1.1所示的是激光熔覆原理示意圖。圖1.1激光原理示意圖1.2.2激光熔覆技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用激光熔覆是利用激光束作為熱源使兩種性質(zhì)不同或差別很大的材料達(dá)到原子結(jié)合，同時(shí)又不改變（或改變很少）各自的基本性質(zhì)和性能的工藝方法。與其它表面處理技術(shù)如熱噴涂技術(shù)、堆焊技術(shù)以及常規(guī)的表面涂覆工藝相比較，激光熔覆具有以下顯著的特點(diǎn)：激光熔覆技術(shù)可以在廉價(jià)、易加工的基本材料表面有選擇地制備高性能熔覆層，并且熔覆層的厚度不受限制，還可以根據(jù)需要進(jìn)行單層熔覆后多層熔覆，使表層具備梯度功能；由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過(guò)程，所以激光熔覆對(duì)基材的熱影響較小，引起的熱變形也相對(duì)較?。煌瑫r(shí)，高達(dá)106℃/s的冷卻速度使熔覆層組織晶粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密，所以其硬度一般相對(duì)比較高，耐磨損、耐腐蝕等性能也比較好等；激光熔覆可以將高熔點(diǎn)的材料熔覆在低熔點(diǎn)的基材表面，且材料的成分亦不受通常的熱力學(xué)條件的限制，因此所采用的熔覆材料的范圍是相對(duì)廣泛的，包括鈷基和鐵基合金、陶瓷材料以及碳化物符合合金材料等。另外，實(shí)驗(yàn)研究表明，激光熔覆生成的熔覆層具有平整的外觀形貌、致密的微觀結(jié)構(gòu)、與基材良好的冶金結(jié)合性能以及均勻的化學(xué)組成。這些特點(diǎn)都可以極大的提高激光熔覆處理后材料表面的耐腐蝕、耐磨損等性能。正是基于上述的一系列優(yōu)點(diǎn)，激光熔覆技術(shù)是激光熱處理中研究很早、很多、進(jìn)展很快、應(yīng)用很廣的一種新工藝，被認(rèn)為是一種新的、很有發(fā)展前景的表面改性和綠色再制造的技術(shù)。隨著大功率激光器的日益商業(yè)化和激光熔覆送粉器的不斷研制開(kāi)發(fā)，帶動(dòng)了激光熔覆技術(shù)的迅猛發(fā)展，加快了激光熔覆技術(shù)工業(yè)用用的步伐?，F(xiàn)如今，激光熔覆技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用大致有一下幾個(gè)方面：a.汽車工業(yè)中的應(yīng)用：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套是易磨損部件，使用激光淬火可以有效地解決缸套磨損問(wèn)題，延長(zhǎng)使用壽命。在汽車工業(yè)中，汽車覆蓋件如駕駛室、引擎蓋等部件都是通過(guò)沖壓成型的，而機(jī)械沖壓對(duì)模具的磨損和破壞性很大。模具一旦磨損，沖壓出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量就會(huì)下降，為此必須更換新的模具，從而造成模具的浪費(fèi)和消耗很大，如何提高模具的使用壽命成為該類企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑和方法。此前，由于該類模具比較大，進(jìn)行熱處理比較難。很多企業(yè)往往不進(jìn)行熱處理或采用火焰法進(jìn)行處理，效果往往很不理想。而受到技術(shù)條件的限制，激光熱處理方法在此類大型模具上也少有應(yīng)用。b.航空工業(yè)中的應(yīng)用：航空航天工業(yè)是最先吸收激光熔覆的優(yōu)點(diǎn)用于生產(chǎn)的部門(mén)。通過(guò)激光熔覆可以改變鈦合金表面顯微硬度為800-3000H，用激光熔覆技術(shù)對(duì)鋁合金表面進(jìn)行表面強(qiáng)化是解決鋁合金表面耐磨性差、易塑性變形等問(wèn)題的有效方法。另外，在鈦合金、鋁合金表面熔覆高性能的陶瓷涂層，材料的耐磨性、耐高溫性能等可以得到大幅度提高。c.石油工業(yè)中的應(yīng)用：由于設(shè)備在長(zhǎng)期的工作中和惡劣的環(huán)境下，容易使產(chǎn)品發(fā)生腐蝕、磨損的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致大型零部件的失去工作能力，例如葉輪、大型轉(zhuǎn)子的軸頸、輪盤(pán)、軸套、軸瓦等，然而這些零部件價(jià)格往往是非常的貴，涉及的零部件品種很多，形狀復(fù)雜，工況差異較大。因此，在激光熔覆技術(shù)的再生產(chǎn)的功能下可以使這些零部件恢復(fù)原來(lái)的性能，并且加強(qiáng)了這些部件的使用壽命。在現(xiàn)在石化企業(yè)中，都會(huì)采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行對(duì)大型零件修復(fù)，不需要預(yù)熱工件，就可以恢復(fù)部件的尺寸，而且后續(xù)加工量小，不產(chǎn)生冶金裂紋，硬度也是非常的堅(jiān)固，修復(fù)的效果非常的好。修復(fù)的部件強(qiáng)度將會(huì)是原來(lái)部件的一倍，修復(fù)的價(jià)格也非常的便宜，更縮短了維修的時(shí)間，解決了石油化工業(yè)中重要的麻煩。另外，對(duì)關(guān)鍵部件表面通過(guò)激光熔覆，使重要部件具有超耐磨抗的特點(diǎn)，同時(shí)大大的提高了部件的使用壽命。d.其他方面的應(yīng)用：礦山機(jī)械零件的激光強(qiáng)化與修復(fù)，截齒是采掘機(jī)組上直接切割煤巖的關(guān)鍵零件，屬易損件。其失效方式主要是磨損失效，磨損失效的主要形式為截齒端部基體磨損，導(dǎo)致合金頭剝落。激光強(qiáng)化截齒端頭表面硬度、耐磨度有明顯提高，截齒使用壽命顯著延長(zhǎng)。與普通截齒相比，激光熔覆截齒壽命延長(zhǎng)了3-4倍，表面合金化截齒壽命延長(zhǎng)5-6倍。另外隨著激光熔覆三維同軸送粉器的研制，激光熔覆技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、快速成型等技術(shù)理念耦合，已發(fā)展成為激光再制造技術(shù)。它是以金屬粉末為材料，在具備有零件原型的CAD/CAM軟件支持下，CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)控)控制激光頭，送粉工作和機(jī)床按指定空間軌跡運(yùn)動(dòng)，光束與粉末同步輸送，形成一支金屬筆，在修復(fù)部位逐層熔覆，最后生成與原型零件相近似或相同的完好零件。同時(shí)利用IR比色測(cè)溫傳感器對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，控制成型的精度。1.3激光熔覆送粉系統(tǒng)1.3.1粉末送粉方式及送粉噴嘴在激光熔覆送粉的方式可分為預(yù)置粉末法和同步送粉法兩種。a.預(yù)置粉末法是將待熔覆的合金粉末用適當(dāng)?shù)姆椒A(yù)先覆蓋在基材的表面,然后用光束掃描。理想的涂層應(yīng)厚度均勻、孔隙率低，并且與基體有良好的附著性，在激光掃描時(shí)無(wú)不良作用存在。預(yù)置的方法主要采用熱噴涂或粘結(jié)等方法。熱噴涂的優(yōu)點(diǎn)是噴涂效率高，可獲得大面積涂層，涂層材料基體不受污染，涂層厚度均勻且與材料結(jié)合牢固，激光熔覆中不易脫落；其不足是粉末利用率低，需要專門(mén)的設(shè)備與技術(shù)，操作程序也較復(fù)雜。粘結(jié)預(yù)置法就是針對(duì)熱噴涂的不足而發(fā)展的，其優(yōu)點(diǎn)是具有較好的經(jīng)濟(jì)性和方便性，但這類預(yù)置層導(dǎo)熱性差，需要消耗更多的激光能量，粘接劑的氣化和分解也易于對(duì)熔覆層合金造成污染和氣孔等缺陷，激光熔覆中粘結(jié)層易脫落。b.同步送粉法是通過(guò)送粉裝置在激光熔覆的過(guò)程中通過(guò)一定的機(jī)械裝置將合金粉末送入管路，并控制送粉量大小，依靠粉末自重或氣體載送實(shí)現(xiàn)粉末傳輸控制傳輸速度，再由噴嘴導(dǎo)引粉末直接送入激光作用區(qū),在激光作用下基材和合金粉末同時(shí)熔化,結(jié)晶形成合金熔覆層。該方法是目前最為先進(jìn)的激光熔覆技術(shù)，它可大大提高熔覆質(zhì)量，降低熔覆層的稀釋率和基材的熱影響，與預(yù)置熔覆相比可使所需的熔覆能量降低一倍以上，還易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，現(xiàn)在已被廣泛采用。因此,同步送粉法是激光熔覆技術(shù)的首選送粉方法,國(guó)內(nèi)外實(shí)際生產(chǎn)中采用較多。同步送粉激光熔覆中合金粉末是由送粉器傳送到激光熔池中的,目前專門(mén)應(yīng)用于該項(xiàng)技術(shù)的送粉設(shè)備有螺旋式送粉器、轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器、刮板式送粉器、毛細(xì)管送粉器、鼓輪式送粉器、自重式送粉器、刮吸式送粉器等。以上這些送粉器都有各自的特點(diǎn),適合于不同的情況[1]。送粉噴嘴則是將從送粉裝置輸送出來(lái)的粉流轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌螤畈⑺腿爰す馊鄢刂?，起到控制粉末流的噴入角度、截面尺寸、粉流均勻等作用，噴嘴的結(jié)構(gòu)和性能直接影響整個(gè)加工效果。同步送粉用的送粉噴嘴有幾種不同類型，它們的工作方式和優(yōu)點(diǎn)各不相同，其中比較有代表性的主要有如下兩種：（1）激光熔覆旁軸送粉噴嘴，其原理圖如圖1.2所示：其中：1-光路鏡筒；2-激光頭；3-熔覆層；4-工作臺(tái)；5-試樣；6-送粉管；7-運(yùn)動(dòng)方向。圖1.2旁軸送粉原理圖由于這種偏置一側(cè)的旁軸送粉噴嘴設(shè)計(jì)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，并且粉末的出口和光的出口相距比較遠(yuǎn)而不會(huì)出現(xiàn)因粉末過(guò)早熔化賭賽送粉口，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但其最大的局限是在于送粉方向只有一個(gè)，這使得當(dāng)加工面是平面時(shí)加工軌跡只能是一條直線，而不能走諸如圓、方形等這些曲線，其方便性、靈活性受到極大限制，不能實(shí)現(xiàn)在任意方向生成均勻的熔覆層，所以不適用于3D熔覆。（2）激光熔覆同軸送粉噴嘴及其原料示意圖如圖1.3所示。其中：1-粉末束；2-試樣；3-工作臺(tái)；4-熔覆層；5-光束；6-光路鏡筒；7-運(yùn)動(dòng)方向。圖1.3同軸送粉原理圖同軸送粉噴嘴則克服了旁軸送粉噴嘴的很多缺點(diǎn)，它能夠?qū)⒎勰┚鶆蚍稚⒑笤趨R集成一點(diǎn)送入聚焦的激光熔池中，即粉末流與激光束同軸輸出，故能很好地適應(yīng)掃描方向的變化，其輸出的粉流具有激光技術(shù)所需要的各向同性的特點(diǎn)，在生產(chǎn)中可以像使用一支金屬筆那樣靈活地使用。同軸送粉激光熔敷能得到沿各個(gè)方向性能一致的熔敷層。本課題所研究的新型激光熔敷噴嘴就是采用自重式送粉方的同軸送粉噴嘴，它是針對(duì)公司即將研發(fā)的下一個(gè)項(xiàng)目“激光熔覆”所設(shè)計(jì)的矩形式同軸送粉噴嘴，打破傳統(tǒng)的圓形噴嘴。它具有冷卻面積大，一次性加工面積大，工作效率高，可以保證送粉均勻性良好的一種新型的矩形孔式同軸送粉噴嘴。1.3.2同步送粉裝置同步送粉裝置主要由貯粉斗、貯粉槽、粉勺和送粉鼓輪等組成。其中，送粉裝置和送粉噴嘴是激光熔覆的核心部件。送粉裝置的主要作用是將粉斗中的粉末變成均勻連續(xù)的粉流，實(shí)現(xiàn)此功能可以有不同的實(shí)現(xiàn)方式。根據(jù)送粉方式的不同，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制的送粉器主要可以分為：螺旋式送粉器、轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器、刮板式送粉器、毛細(xì)管式送粉器、鼓輪式送粉器等。其工作原理包括：重力場(chǎng)、氣體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械力學(xué)等。本文是采用鼓輪式送粉裝置，其工作原理如圖1.4所示。粉末從貯粉斗落入下面的粉槽，利用大氣壓強(qiáng)和粉糟內(nèi)的氣壓維持粉末堆積量在一定范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡。鼓輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，其上均勻分布的粉勺不斷從粉槽舀取粉末，然后從右側(cè)倒出粉末，粉末由于重力從出粉口送出。通過(guò)調(diào)節(jié)鼓輪的轉(zhuǎn)速和更換不同大小的粉勺來(lái)實(shí)現(xiàn)送粉率的控制。圖1.4鼓輪式送粉器1.4激光熔覆送粉器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著激光熔覆技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，對(duì)激光加工的配套設(shè)備的要求越來(lái)越高。目前為送粉噴嘴輸送粉末的供料裝置使用較多的結(jié)構(gòu)的主要有：基于刮板式的供料裝置、基于氣體動(dòng)力學(xué)的刮吸式供料裝置、基于機(jī)械力學(xué)的螺旋式供料裝置、基于超聲振動(dòng)的毛細(xì)管供料裝置基于重力學(xué)自重式送粉裝置等，這些裝置的送粉速率一般由直流馬達(dá)轉(zhuǎn)速確定，轉(zhuǎn)速愈高，粉末流動(dòng)速度愈快，可以實(shí)現(xiàn)多種粉末的混合輸送。但也存在送粉量不易精確調(diào)節(jié)，堆粉堵粉現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，成本較高。激光熔覆加工技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究中具有重要的應(yīng)用前景，送粉器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)是激光熔覆設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著激光熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，以及對(duì)熔覆層的加工精度和質(zhì)量要求的提高，國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)了基于不同原理的送粉器。1.4.1國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)激光熔覆的研究始于20世紀(jì)70年代初，到20世紀(jì)80年代已發(fā)展成為表面工程、摩擦學(xué)、應(yīng)用激光等領(lǐng)域的前沿性課題。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，該領(lǐng)域的科學(xué)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)都蓬勃發(fā)展,在工業(yè)上已經(jīng)有了一些實(shí)際應(yīng)用,尤其在軋輥行業(yè)中利用激光熔覆技術(shù)對(duì)軋輥表面進(jìn)行改性和修復(fù)已成為國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的實(shí)際問(wèn)題。作影響熔覆層質(zhì)量重要因素之一的送粉技術(shù)送粉裝置也受到了越來(lái)越多的重視。目前激光熔覆送粉方式主要有兩種，即預(yù)置粉末法和同步送粉法[1]。1.4.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)激光熔覆的送粉過(guò)程自動(dòng)化控制還不全面，配套設(shè)備較差。激光裝備的研究特別是激光供料裝置的研制較少，研制出的供料裝置的送粉工藝穩(wěn)定性不能令人滿意。目前國(guó)內(nèi)的激光熔覆用供料裝置主要有鼓輪式、刮板式和螺桿式等幾種，只適用于較大或較小粉量的送進(jìn)，存在每次送粉結(jié)束有粉末殘留的問(wèn)題，表1.1中列出了不同供料裝置的送粉特性。表1.1不同供料裝置送粉特性名稱原理粉末干濕粉末直徑/μm粉末輸送率刮吸式螺旋式轉(zhuǎn)盤(pán)刮板式毛細(xì)管消磨針式轉(zhuǎn)刷式氣體動(dòng)力學(xué)機(jī)械力學(xué)機(jī)械力學(xué)重力楊氣體力+機(jī)械力摩擦力學(xué)干粉干、濕干粉干粉干、濕干粉>20>15>20>0.4>1.2>0.65不可控可控可控不可控不可控可控在同軸送粉噴嘴的研究方面，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心在1979年已將側(cè)向送粉的方式運(yùn)用于激光熔覆，但鑒于側(cè)向送粉的粉末各向異性，不能滿足日益發(fā)展的激光熔覆制造與研究，因此西方發(fā)達(dá)國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始高度重視同軸送粉噴嘴的研究。LENS工藝研究了一種環(huán)形同軸送粉噴嘴，首次將同軸送粉噴嘴應(yīng)用于金屬零件的激光快速成形。Lasform成形工藝、DLF成形工藝和DMD成形工藝等均采用了環(huán)形同軸送粉噴嘴。以上幾種噴嘴的組成結(jié)構(gòu)均為多層同心錐筒設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上有軸光束通道、粉末通道、冷卻水管路和保護(hù)氣通道，粉末流采用多路垂直方式進(jìn)入，在靠近噴嘴的端部設(shè)計(jì)有冷卻裝置，結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。圖1.5環(huán)形同軸送粉噴嘴目前，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)應(yīng)用的同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)和國(guó)外的結(jié)構(gòu)相似，均為多路環(huán)向送粉，以氣體保護(hù)回路和水冷卻回路作為輔助結(jié)構(gòu)，由于國(guó)內(nèi)的研究較晚，與國(guó)外送粉系統(tǒng)相比在自動(dòng)化水平和工藝水平等方面還有較大的差距。1.5本文主要研究的內(nèi)容及其意義激光熔覆技術(shù)，是激光直接快速成形和激光綠色再制造的一種重要方法，它是在快速凝固過(guò)程中，通過(guò)送粉器向工作區(qū)域添加熔覆材料，利用高能量密度激光束將不同成分和性能的合金快速熔化，直接堆積形成非常致密的金屬零件和在已損壞零件表面形成與零件具有完全相同成分和性能的合金層。通過(guò)激光熔覆，可以無(wú)需借助刀具和模具就能從CAD文件直接制造出各種復(fù)雜的近凈致密金屬零件和在已經(jīng)損壞的零件表面直接進(jìn)行修復(fù)和再制造，以縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約成本，降低能源消耗，在航空航天、武器制造、汽車石油和機(jī)械電子等行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景[2]。在激光同步送粉熔覆工藝中，加工質(zhì)量主要依賴的參數(shù)有：加工速度、粉末單位時(shí)間輸送率、激光功率密度分布、光斑直徑和粉末的輸送速度；其中粉末單位時(shí)間輸送率和粉末的輸送速度是由送粉器的輸送特性決定的，送粉器是激光熔覆技術(shù)中的核心元件之一，它按照加工工藝向激光熔池輸送設(shè)定好的粉末。送粉器性能的好壞直接影響熔覆層的質(zhì)量和加工零件尺寸等，所以開(kāi)發(fā)高性能的送粉器對(duì)激光熔覆加工顯得尤為重要[2]。2激光熔覆送粉裝置的設(shè)計(jì)本文基于Dlight4000高功率半導(dǎo)體激光器的接口進(jìn)行同軸送粉裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，激光器的最大功率4KW，激光器焦距為300mm，加工時(shí)激光聚焦后的光斑為6.8X2.98mm2的矩形。光路系統(tǒng)的示意圖如圖2.1所示。圖2.1激光熔覆光路示意圖2.1設(shè)計(jì)依據(jù)2.1.1多倉(cāng)式的設(shè)計(jì)依據(jù)激光熔覆送粉裝置是為激光加工提供原料，它主要實(shí)現(xiàn)的功能就是均勻定量的輸出一種或多種合金粉末，由于基材的不同而需要多種金屬粉末混合起來(lái)使用，古采用多倉(cāng)試的送粉裝置，可以減少人工的參與、混合均勻等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)有一下幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：a.在設(shè)計(jì)多倉(cāng)式要考慮粉末的儲(chǔ)存量，確保平時(shí)每次加工的原材料夠用，而不用在加工的過(guò)程中再次上料。b.工作時(shí)要考慮粉末在輸送的流暢性能，不會(huì)出現(xiàn)堵塞、擠壓成塊的現(xiàn)象。c.每次取粉時(shí)保證粉勺能夠裝滿，均勻的輸送粉末，最后能夠把勺里的粉末依靠自身的重力和離心力的作用下完全送出去。2.1.2鼓輪式送粉方式的設(shè)計(jì)依據(jù)現(xiàn)有的送粉方式有：螺旋式送粉器、轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器、刮板式送粉器、毛細(xì)管式送粉器、鼓輪式送粉器等。用刮或擠的方法對(duì)粉末進(jìn)行取粉，再用氣流沿管路送到工件表面。此類裝置存在以下缺陷：a.是由于熔覆粉料受送粉機(jī)構(gòu)的擠壓、摩擦，會(huì)使粉料結(jié)粒，堵塞出粉口，造成送粉不均勻，直接影響涂敷質(zhì)量。b.是由于送料采用氣流輸送方式，控制不好，熔覆粉料容易被輸送氣流吹跑、吹散、吹不到位等，既影響熔覆質(zhì)量，又浪費(fèi)了粉料，同時(shí)還影響或污染了環(huán)境。為了能夠使激光熔覆得到高質(zhì)量的效果，本課題設(shè)計(jì)要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述技術(shù)的不足，提供一種更為簡(jiǎn)單、有效和可調(diào)節(jié)的送粉裝置，它具有送粉均勻，保證質(zhì)量，粉末利用率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)一種同步式送粉的激光熔覆送粉器。2.1.3粉末輸送的機(jī)理多倉(cāng)式同步送粉激光熔覆送粉器的粉末輸送機(jī)理是，首先將準(zhǔn)備好的粉末裝在粉斗內(nèi)，通過(guò)本身的自重，粉斗內(nèi)的粉末通過(guò)輸料管儲(chǔ)存在粉槽內(nèi)，將粉槽裝滿，且同時(shí)可以將兩種不同的粉末同時(shí)輸送，通過(guò)分別控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且可以嚴(yán)格的按照一定的比例混合起來(lái)，大大提高了人工攪拌的不均勻現(xiàn)象，減少人力，節(jié)約加工成本。一方面，粉沫是在輪轂式送粉輪的一側(cè)堆積，且粉沫堆積的上方為自由空間，以及送粉輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和由下而上的取粉方式，可以避免或減少了對(duì)粉料的擠壓、摩擦、因而可以避免或減少粉料的結(jié)粒和堵塞，從而保證和提高熔覆質(zhì)量；另一方面，送粉沒(méi)有使用氣流吹動(dòng)，而是依靠輪轂式送粉輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的粉勺把粉料定量取走，隨后依靠重力和鼓輪轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力把粉勺里全部的粉料從垂直的出料口自然送出，即采用重力式送粉方式，沒(méi)有粉末飛散，容易控制，又提高了激光熔覆過(guò)程中的粉料利用率，同時(shí)也避免了對(duì)環(huán)境的污染。因此，與傳統(tǒng)的刮板式或螺桿式同步送粉激光熔覆送粉器相比，多倉(cāng)式同步鼓輪激光熔覆送粉裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(不需要?dú)鈩?dòng)系統(tǒng))、送粉均勻、清潔生產(chǎn)、提高質(zhì)量等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。2.2同軸式送粉裝置的設(shè)計(jì)2.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多倉(cāng)式同步送粉的激光熔覆送粉裝置，其主要包括殼體、其上面安裝有貯粉斗，其下面開(kāi)有出粉口，殼體內(nèi)貯粉斗的下面安裝有貯粉槽，貯粉槽內(nèi)安裝有與貯粉斗的斗口接通的料位管，其特征在于所述的貯粉槽內(nèi)安裝有與貯粉斗的斗口接通的料位管；所述貯粉槽的一側(cè)開(kāi)有一個(gè)缺口，缺口與殼體內(nèi)的圓形空心座接通；所述的圓形空心座在缺口對(duì)應(yīng)的另一側(cè)與所述的出粉口垂直相切接通；所述的圓形空心座內(nèi)匹配安裝有輪轂式送粉輪，且輪轂式送粉輪的圓周上均勻的安裝上多個(gè)粉勺，所述的出粉口上端側(cè)面接通粉勺，下端與送粉管道插頭連接。2.2.2尺寸設(shè)計(jì)為了保證每次儲(chǔ)存的粉料可以多次使用，因此將儲(chǔ)粉斗的上端設(shè)計(jì)成直徑為94mm，高為95mm的圓柱桶形，可以儲(chǔ)存大量的粉料，中間設(shè)計(jì)成一個(gè)錐臺(tái)形，目的是為了讓粉料可以順利的向下流，下端是直徑分別為24mm和4mm的圓柱桶形，外部帶有螺紋，目的是用來(lái)調(diào)整粉槽內(nèi)粉末的儲(chǔ)存高度，稱之為料位管。粉槽的設(shè)計(jì)是用來(lái)裝配儲(chǔ)粉斗和接通粉勺取粉的通道，在粉槽的內(nèi)側(cè)靠鼓輪的一側(cè)開(kāi)有相切的通孔，通過(guò)論文與儲(chǔ)粉斗連接。鼓輪的設(shè)計(jì)是直徑為64.03mm，上面切出25個(gè)燕尾槽，用來(lái)安裝不同容量的粉勺以滿足不同熔覆的要求，中間是帶有鍵槽的通孔，與動(dòng)力系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)相匹配，其送粉鼓輪三維幾何建模圖如圖2.2所示。圖2.2送粉鼓輪三維幾何建模圖粉勺的設(shè)計(jì)要考慮每次能舀多少粉料，并且要保證每次都能夠粉勺裝滿，且保證把粉勺里的粉料運(yùn)送到出口處全部輸出，因此將粉勺設(shè)計(jì)成簸箕型，這樣的設(shè)計(jì)及可以容易取料又可以保證將粉勺內(nèi)的粉料完全送出去，同時(shí)也考慮到不同的熔覆需粉量的不同，將粉勺設(shè)計(jì)成裝粉量不同的一個(gè)系列的粉勺，可以滿足不同的需求。本文以容積為170.7mm3為例設(shè)計(jì)的，其三維幾何建模結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示。圖2.3粉勺三維幾何建模圖伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇應(yīng)滿足：a.慣性小、動(dòng)力大，具有良好的動(dòng)態(tài)特性；b.體積小、質(zhì)量輕，利用功率密度來(lái)評(píng)價(jià)。表達(dá)公式： （2.1）式中：輸出功率；執(zhí)行元件的重量。c.高可靠性、高效率、和高準(zhǔn)確性；d.便于維修和安裝；e.宜于計(jì)算機(jī)控制。因此步進(jìn)電機(jī)選用86系列兩相混合式步進(jìn)電機(jī)LL86HB80型號(hào)，步距角為1.8o。按照相關(guān)的格尺寸可以直接應(yīng)用。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與鼓輪可以輸送粉料的體積計(jì)算公式如下： （2.2）式中：送粉體積；表示鼓輪有25個(gè)粉勺；表示每勺可以裝粉料的體積；表示鼓輪的轉(zhuǎn)速。例如選用體積為170.7mm3的粉勺，則粉末輸送合金粉末的質(zhì)量計(jì)算公式如下： （2.3）式中：合金粉末的質(zhì)量；合金粉末的密度。腔體的整體尺寸設(shè)計(jì)要考慮鼓輪的大小、進(jìn)粉孔和出粉孔、兩個(gè)粉倉(cāng)的大小等因素。因此設(shè)計(jì)為長(zhǎng)220mm、寬53mm、高160mm的腔體，其三維幾何建模內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示。圖2.4腔體的三維幾何建模內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖兩個(gè)分倉(cāng)的粉末要均勻混合并且還要均等的分別輸送到兩個(gè)噴嘴管噴出，為了能夠滿足這一要求，利用快速插頭FPY的結(jié)構(gòu)就可以滿足要求此要求，其結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示。圖2.5利用快速插頭FPY的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖整個(gè)送粉裝置的相關(guān)零部件都設(shè)計(jì)完成，最總的完整裝配結(jié)果圖如圖2.6所示。其中：1-粉斗蓋；2-貯粉斗；3-粉勺；4-步進(jìn)電機(jī)；5-送粉鼓輪；6-貯粉槽；7-出粉口。圖2.6完整的送粉裝置三維幾何建模內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.3主要功能分析初步確定送粉裝置的尺寸后，利用Solidwroks軟件建立多倉(cāng)式同步送粉裝置的三維幾何建模。在建造模型的過(guò)程中，根據(jù)送粉的順序和功能的時(shí)序關(guān)系，先按照送粉裝置的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建基體，然后創(chuàng)建粉斗、鼓輪、粉勺的結(jié)構(gòu)等。如圖2.7所示，多倉(cāng)式同步送粉裝置的三維外觀圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。a外觀圖b內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖2.7多倉(cāng)式同步送粉裝置的三維幾何模型圖從外觀上看，多倉(cāng)式同步送粉裝置的機(jī)構(gòu)緊湊，體積小，可以儲(chǔ)存兩種合金粉末，并能夠?qū)⑦@兩種粉末可以按照任意的比例均勻混合起來(lái)，同時(shí)一起輸送到噴嘴。粉斗中的粉末依靠自身的重力將粉末輸送到粉曹內(nèi)儲(chǔ)存一定量，粉末是在輪轂式送粉輪的側(cè)面堆積，且粉料堆積的上方為自由空間，以及送粉輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)和由下而上的取粉方式，可以避免或減少了對(duì)粉料的擠壓，摩擦、因而可以避免或減少粉料的結(jié)粒和堵塞。送粉沒(méi)有使用氣流吹動(dòng)，而是依靠輪轂式送粉輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的粉勺把粉料定量取走，隨后依靠重力把粉料從垂直的出料口自然送出，即采用重力式送粉方式，沒(méi)有粉末飛散，既提高了激光涂敷過(guò)程中的粉料利用率，同時(shí)也避免了對(duì)環(huán)境的污染。在送粉過(guò)程中，貯粉槽中粉末由貯粉斗得到補(bǔ)充，使粉料堆積高度一定，并保持在一定送粉量程內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)貯粉槽內(nèi)料位管的出粉口(下口)被粉料的料位高度面堆積增高而堵塞時(shí)，由于氣壓平衡，使得貯粉斗自動(dòng)停止供料，當(dāng)貯粉槽內(nèi)的粉料被送粉輪勻速送出而使料位高度面逐漸下降達(dá)到一定高度時(shí)，料位管出粉口處的氣壓平衡被打破，貯粉斗自動(dòng)開(kāi)始供料，因此，貯粉槽內(nèi)的粉料容量始終可以保持動(dòng)態(tài)平衡，也即位高度面可以自動(dòng)保持一定，可以保證粉勺每次都能夠取走都是滿的。這種料位自動(dòng)平衡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、定量取量，特別是為高效、均勻送粉打下了可靠基礎(chǔ)。本章首先對(duì)激光熔覆多倉(cāng)式同步送粉裝置的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的闡述，通過(guò)大量的公式推導(dǎo)和結(jié)構(gòu)分析，可以得出送粉量的一些特征參數(shù)（如每勺取粉量、粉末的輸送速度和電機(jī)的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系、粉末的儲(chǔ)存量等），并對(duì)在多倉(cāng)式同步送粉裝置的原則指導(dǎo)下，初步確定了送粉裝置的結(jié)構(gòu)。然后建立多倉(cāng)式同步送粉裝置的簡(jiǎn)單模型并對(duì)鼓輪式送粉量與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)，初步確定了各個(gè)零件結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。最后按照初步確定的結(jié)構(gòu)幾何尺寸利用Solidworks創(chuàng)建三維幾何模型，并對(duì)其主要功能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、送粉精確、效率高的多倉(cāng)式同步送粉裝置。3激光熔覆送粉器噴嘴的設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)依據(jù)激光熔覆同軸送粉噴嘴最基本的功能是實(shí)現(xiàn)激光光束焦點(diǎn)與粉末匯集面積重合。以此為前提，為了更好的獲得熔覆層的質(zhì)量效果和使用方便，矩形孔式送粉噴嘴在結(jié)構(gòu)上有以下幾個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。3.1.1出光部分依據(jù)在設(shè)計(jì)激光熔覆送粉噴嘴的過(guò)程中，應(yīng)該考慮激光焦平面與加工面之間的位置關(guān)系。材料上表面與聚焦透鏡焦平面之間的距離稱為離焦量，離焦的方式有兩種——正離焦和負(fù)離焦。如圖3.1所示，焦平面位于材料上方時(shí)（圖a）稱為正離焦，反之（圖c）稱為負(fù)離焦。11-激光束，2-聚焦透鏡圖3.1離焦量原理圖送粉噴嘴在用于激光熔覆加工時(shí)應(yīng)該采用正離焦，其原理主要有以下3點(diǎn)：第一，從同軸送粉噴嘴的設(shè)計(jì)目的來(lái)說(shuō)，是想把粉末均勻分散之后在匯集成一條狀送入激光輻射區(qū)，而位于焦平面之上的激光輻射區(qū)是倒錐型，位于其下的輻射區(qū)是正錐型，顯然粉末進(jìn)入正錐型區(qū)域時(shí)粉末利用率更高些；第二，按幾何學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦量相等時(shí)，所對(duì)應(yīng)平面上的功率密度相近，但實(shí)際所獲得的熔池形狀不同，負(fù)離焦的時(shí)候，材料內(nèi)部的功率密度比表面要高，形成更強(qiáng)的熔化汽化，使光向材料更深傳遞，而激光熔覆要求基材表面熔化層極薄，要求材料的稀釋率低，顯然采用負(fù)離焦是不合適的；第三，激光熔覆加工時(shí)，送粉噴嘴與加工面的距離是很小的，一般只有幾個(gè)毫米到十幾個(gè)毫米，采用正離焦剛好能增大光學(xué)系統(tǒng)的工作距離，減少熔池高溫及飛濺的熔化物對(duì)噴嘴的影響，同時(shí)還可以防止熔覆時(shí)產(chǎn)生的煙塵污染透鏡。3.1.2噴嘴應(yīng)具備冷卻裝置在激光熔覆加工過(guò)程中，噴嘴出粉口與熔池的距離很近，噴嘴要承受來(lái)自激光反射以及熔池?zé)彷椛渌鶐?lái)的很高熱量，而隨著噴嘴的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，會(huì)使噴嘴的熱量不斷累積，最終可能是粉末還未噴出就熔化，使得噴嘴堵塞，更嚴(yán)重的會(huì)燒壞噴嘴。所以為了防止在連續(xù)加工的噴嘴不能正常工作，在設(shè)計(jì)噴嘴的時(shí)候，應(yīng)該考慮要冷卻的腔體結(jié)構(gòu)，這里采用循環(huán)水冷卻的方式進(jìn)行冷卻。其三維幾何結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。其中：1-進(jìn)水口；2-冷卻內(nèi)腔；3-噴粉嘴；4-出水口；5-光路通道。圖3.2冷卻內(nèi)腔的三維幾何結(jié)構(gòu)圖3.1.3粉末對(duì)激光的遮蓋影響遮光率是指粉末遮擋的功率與激光原始輻照功率之比，如圖#所示，其值對(duì)應(yīng)于射出的粉末顆粒在激光照射方向上的遮擋面積或者說(shuō)粉末顆粒與光束相交面在熔覆層和基體上的投影與激光束本身在基體和熔覆層上的投影面積之比。由于粉末在射流中的體積分?jǐn)?shù)很小，一般的模型都假設(shè)一個(gè)顆粒在另一個(gè)顆粒上的陰影忽略不計(jì)，也就是說(shuō)這些顆粒在遮蔽激光時(shí)全部展開(kāi)毫不重疊，且激光束在透過(guò)熔覆材料顆?？障稌r(shí)不發(fā)生衍射、散射。3.1.4粉末吸收的能量及被加熱后的溫升粉末在遮擋激光的同時(shí)，也吸收了部分激光能量，從而使自身的溫度升高。對(duì)于一個(gè)完備的熔覆模型還必須考慮進(jìn)入熔池自由表面（熔池的氣-液界面）的粉末顆粒的溫度。實(shí)際上，在不考慮等離子體影響的情況下，粒子直接吸收激光輻射能，并放出輻射能。在空氣中粉末顆粒也會(huì)由于空氣對(duì)流散失能量，粒子之間也會(huì)相互加熱。這些能量在總能量中的比例很小，為了計(jì)算方便，在一般的模型中都假設(shè)：a.粉末顆粒在氣-粉射流中的體積分?jǐn)?shù)很低，可以忽略激光的反射、折射和粒離子之間的相互加熱，忽略對(duì)流換熱。b.粉末顆粒是半徑為rp的球體。由于粉末顆粒足夠小，在能量計(jì)算時(shí)將其看成一個(gè)點(diǎn)，粒子的熱導(dǎo)率為無(wú)限大，即認(rèn)為粉末顆粒的溫度是均勻一致的，在迎光面和背光面沒(méi)有差異。c.粉末顆粒只在迎光面吸收能量，但對(duì)外輻射則在整個(gè)球體表面發(fā)生。d.粉末不吸收來(lái)自基體的反光。冷卻水流量對(duì)冷卻壁熱面溫度的影響，其中冷卻水與冷卻量換熱計(jì)算公式： （3.1）式中熱流強(qiáng)度，kW/m2;冷卻壁熱面溫度，℃；冷卻水進(jìn)水溫度，℃；冷卻水與冷卻壁熱面之間的熱阻，（m2·K）/W。熱阻R主要由冷卻水與 （3.2） （3.3）式中水管與冷卻水對(duì)流熱系數(shù)，W/（m2·℃）;冷卻水導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);冷卻水比熱容，J/（kg·℃）;水流速度，m/s;水管外徑，m。因此噴嘴所承擔(dān)熱負(fù)荷必須通過(guò)水冷卻水帶走，利用熱流強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成冷卻水流量計(jì)算公式如下： （3.4） （3.5） （3.6）式中熱負(fù)荷，kJ/h;冷卻面積，m2;冷卻水比熱容，kj/(kg·℃)；冷卻水流量，m3/h;冷卻水進(jìn)水溫度，℃；冷卻水出水溫度，℃。利用上面的公式就可以計(jì)算出在激光熔覆加工中噴嘴冷卻水所需的速度和流量，有效的冷卻可以保證熔覆的質(zhì)量。在激光熔覆加工中，激光的吸收率R約為90％，對(duì)于激光功率P=4KW的高功率半導(dǎo)體激光器，假設(shè)在輸出過(guò)程中沒(méi)有損失且所有未被利用的激光全部被噴嘴吸收，側(cè)其溫度的計(jì)算過(guò)程為： W （3.7）當(dāng)噴嘴連續(xù)工作時(shí)， （3.8）式中質(zhì)量，比熱，溫升，加工時(shí)間。這里m=2Kg，噴嘴的材料1Cr13的密度ρ=7.75kg/m3,20℃時(shí)比熱CP=435J/(kg℃),根據(jù)上述公式可得 （s/℃） （3.9）即約5.4375ΔTs噴嘴升溫1℃，1Cr13材料的熔點(diǎn)T熔=1430℃，則若不施加冷卻系統(tǒng)的話，從25℃開(kāi)始升溫，1小時(shí)左右噴嘴就會(huì)被燒損，故噴嘴必須添加冷卻系統(tǒng)。 當(dāng)（3.10）時(shí)，保證噴嘴無(wú)明顯溫升。其中，(ml/s)冷卻水流量；=1000J/(kg℃)；冷卻水的溫升。為了保證水管即密封件，控制水的溫升小于35℃，則 ml/s （3.11）即在設(shè)計(jì)噴嘴用于熔覆加工時(shí)，冷卻水的最小流量為10ml/s，送粉噴嘴無(wú)明顯溫升，可以保證期長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。3.1.5光粉相互作用機(jī)理熔覆粉末材料通過(guò)同軸送粉噴嘴輸送到熔池，在此過(guò)程中粉末顆粒穿越激光束吸收能量，溫度升高，有些粉末顆粒在到達(dá)基材表面時(shí)可能已經(jīng)熔化，其狀態(tài)對(duì)熔覆層表面質(zhì)量有很大影響。因此分析粉末顆粒穿越激光束時(shí)的光粉相互作用規(guī)律對(duì)掌握激光熔覆送粉機(jī)理有重要意義。激光熔覆同軸送粉過(guò)程中，激光束、粉末顆粒、基體的相對(duì)位置關(guān)系如圖3.3所示。圖3.3同軸送粉粉末與光束的相對(duì)位置3.1.6噴嘴應(yīng)具備良好的匯聚性在激光熔覆加工過(guò)程中，粉末的匯聚性能（包括粉末匯聚見(jiàn)面的大小和聚焦距）不僅直接影響熔覆層形貌和質(zhì)量，而且粉末流匯聚性不好會(huì)導(dǎo)致粉末利用率降低，造成大量昂貴金屬粉末的浪費(fèi)，增加加工成本，不利于激光熔覆技術(shù)的推廣應(yīng)用。本課題所設(shè)計(jì)的同軸矩形孔式送粉噴嘴采用自重式送粉，粉末顆粒依靠自身的重力輸送和噴射匯聚過(guò)程，所以粉末從噴嘴噴射出來(lái)后的匯聚性能主要受噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸的影響。對(duì)于矩形孔式噴嘴，送粉通道一般不止一個(gè)，送粉通道的結(jié)構(gòu)和布置形式可以應(yīng)可以使沿著送粉孔噴射出來(lái)的粉末匯聚到矩形激光輻射下的熔池內(nèi)，保證粉末流與激光束同軸輸出，并且粉末流的矩形粉面大小不大于激光矩形光斑的尺寸，以此達(dá)到提高粉末利用率的效果。送粉噴嘴的幾何尺寸對(duì)粉末流的匯聚性能及熔覆的質(zhì)量都有顯著的影響，因此本課題著重對(duì)送粉噴嘴幾個(gè)尺寸與粉末匯聚性能之間的影響關(guān)系展開(kāi)研究，期待找到噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的最優(yōu)水平組合，并在此指導(dǎo)下設(shè)計(jì)出具有良好匯聚性能的激光熔覆送粉噴嘴。3.2同軸送粉噴嘴的設(shè)計(jì)3.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本課題所設(shè)計(jì)的矩形孔式同軸送粉噴嘴的機(jī)構(gòu)如圖3.4所示，噴嘴中心開(kāi)設(shè)一個(gè)圓柱孔作為激光束通道，沿圓柱孔方向均勻分布送粉通道、冷卻通道，送粉通道呈錐狀均勻分布于激光通道外側(cè)兩個(gè)，同時(shí)聚焦于光束軸上，在噴嘴的激光束通道內(nèi)壁上加工出一個(gè)冷卻內(nèi)腔，用冷卻套于與激光束通道分離開(kāi)，通粉管道通過(guò)冷卻內(nèi)腔。從加工方法上來(lái)看這種結(jié)構(gòu)的送粉噴嘴，其送粉通道是采用鉆孔方法加工的，單獨(dú)加工送粉通道，噴嘴采用特殊加工，內(nèi)腔加工成一個(gè)矩形孔，是將圓柱型的粉流改變成矩形狀后噴射出去。由于送粉通道要通過(guò)冷卻內(nèi)腔，加工空難，所以先加工成管狀，再在冷卻結(jié)構(gòu)上鉆出兩個(gè)孔，最后利用焊接將送粉管道和冷卻腔密封起來(lái)。其冷卻腔和冷卻套形成一個(gè)密封的內(nèi)腔，冷卻套內(nèi)部是激光束通道，外部與冷卻腔相連，使用密封螺紋緊密連接。a沿著進(jìn)水孔的刨面b沿著送粉管的刨面圖3.4矩形孔式同軸送粉噴嘴的機(jī)構(gòu)圖激光通道為噴嘴中心位置開(kāi)設(shè)的通孔，通孔優(yōu)先選用圓柱形孔，連接頭設(shè)有四個(gè)螺紋孔，與外界固定和調(diào)節(jié)所使用。送粉通道為內(nèi)壁光滑的通道，通道的孔徑從進(jìn)粉口到出粉口有圓柱形粉流改變成矩形粉流，各個(gè)送粉通道圍繞噴嘴的中心軸線均勻分布，其各送粉通道沿著出粉方向的延長(zhǎng)線匯聚于一個(gè)矩形平面，送粉通道設(shè)置為兩個(gè)，進(jìn)粉口和出粉口德數(shù)目與送粉通道的數(shù)目一致。3.2.2尺寸設(shè)計(jì)綜合上述對(duì)新型孔式同軸送粉噴嘴的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，我們已對(duì)其結(jié)構(gòu)和大體輪廓有了初步的構(gòu)想，其尺寸設(shè)計(jì)還需要通過(guò)建立噴嘴粉流簡(jiǎn)化模型作為理論指導(dǎo)。即為建立起來(lái)的同軸送粉噴嘴三維幾何模型如圖3.5所示。圖3.5同軸送粉噴嘴粉流簡(jiǎn)化模型送粉通道傾角的選擇：送粉通道與基體表面之間的夾角稱之為傾角。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)"送粉通道的傾角不宜小于60度。傾角的同軸送粉噴嘴沿中心軸線粉末流濃度傾角的增加，粉末流匯聚焦點(diǎn)下移，傾角越大粉末流匯聚后分散得越慢，匯聚效果越好，所以選擇70度，在這種傾角條件下，沿中心軸線粉末流濃度最高值分別出現(xiàn)在出粉口平面下端處。傾角較大，粉末流匯聚焦點(diǎn)距離出粉口下端面較遠(yuǎn)!粉末流的匯聚性較好但反彈現(xiàn)象明顯，傾角較小粉末流匯聚焦點(diǎn)距離出粉口下端面較近，在激光加工過(guò)程中，受熔池反濺以及激光反射的影響較大，噴嘴容易受熱變形，對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)要求較高，易出現(xiàn)送粉通道出口堵塞現(xiàn)象。噴嘴傾角對(duì)焦點(diǎn)處粉末流匯聚濃度和焦點(diǎn)半徑略有影響，但不明顯，綜合考慮以上分析結(jié)果，本文選擇同軸送粉噴嘴送粉通道傾角為70度[6]。噴嘴尺寸的設(shè)計(jì)，為了滿足光斑為6.8X2.98mm2的矩形熔池，將出粉口設(shè)計(jì)成尺寸為1.45X6.48mm2矩形孔。與70度的傾斜角配合下到達(dá)熔池平面時(shí)匯聚成6.8X2.98mm2的矩形熔池，噴嘴的大體尺寸設(shè)計(jì)如圖3.6所示。圖3.6噴嘴的基本尺寸設(shè)計(jì)圖3.3主要功能分析初步確定噴嘴的結(jié)構(gòu)和尺寸后，利用Solidworks軟件建立噴嘴的三維幾何模型。建造模型式，根據(jù)基體結(jié)構(gòu)與內(nèi)腔的時(shí)序關(guān)系，先按照噴嘴的外形構(gòu)建基體，然后構(gòu)建內(nèi)腔形狀，內(nèi)腔與基體進(jìn)行布爾運(yùn)算，獲得噴嘴的三維幾何模型，如圖3.7所示的分別是裝配的同軸送粉噴嘴的三維外觀圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。a三維外觀圖b內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3.7同軸送粉噴嘴裝配體的三維幾個(gè)結(jié)構(gòu)圖從外觀上看，本課題所設(shè)計(jì)的同軸送粉噴嘴有外露的水管、粉管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊；噴嘴為裝配好的一體化結(jié)構(gòu)，利用焊接技術(shù)將粉管與腔體焊為一體，其次在有通光孔的密封螺紋的配合，可以保證腔體是一個(gè)密封的，利用循環(huán)水冷可以大大減輕整個(gè)噴嘴的質(zhì)量同時(shí)也大大增加了冷卻腔的體積，具有非常好的冷卻效果。粉末通過(guò)通兩個(gè)對(duì)稱的粉管利用自重可以將粉末送到熔池內(nèi)，送粉質(zhì)量高，粉末不會(huì)亂飛保證粉末的利用率；噴嘴送粉采用了（70度）傾斜工作，不會(huì)出現(xiàn)明顯粉末偏聚現(xiàn)象，提高粉末質(zhì)量。為了考核該送粉器的粉末利用率高低，提供了一種粉末利用率計(jì)算方法。首先選用某種基材作為激光熔覆的粉末，測(cè)定方法是：a.將準(zhǔn)備好的標(biāo)準(zhǔn)試樣在化學(xué)天平上（精密度0.1克）稱重后，記下其原始重量。b.用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的長(zhǎng)度L，測(cè)三次后取平均值。c.激光熔覆試驗(yàn)后，將試樣在盛有灑精的器皿中用鋼絲刷洗凈，烘干后稱重，記錄此時(shí)的重量。則試樣的實(shí)際增重為： （3.12）由于選用的掃描速度及粉末流量均已知，則激光熔覆時(shí)試樣的應(yīng)增重量（即實(shí)際注入量）為： (3.13)因此(3.14)即為粉末利用率,每個(gè)參數(shù)量重復(fù)三次后取平均值。通過(guò)此方法可以檢驗(yàn)激光熔覆的粉末利用率。由于現(xiàn)有的條件和時(shí)間有限，無(wú)法做出成品來(lái)試驗(yàn)，只能理論上進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。4總結(jié)經(jīng)過(guò)三個(gè)月的努力，在老師和同學(xué)的幫助指導(dǎo)下，激光熔覆送粉器設(shè)計(jì)順利完成。本文的激光熔覆送粉器設(shè)計(jì)總體上分為送粉裝置和噴嘴裝置兩個(gè)部分來(lái)設(shè)計(jì)的。用來(lái)對(duì)材料加工、表面改性、廢舊零件的再制造領(lǐng)域。送粉裝置采用的是鼓輪式送粉，通過(guò)安裝在鼓輪的粉勺和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以保證定量穩(wěn)定的把粉末輸送出去。擁有兩個(gè)粉斗，可以同時(shí)輸送兩只合金粉末，并將其均勻的混合起來(lái)，通過(guò)送粉管道輸送到噴嘴。其性能穩(wěn)定，微量可調(diào)，可以滿足大部分的激光熔覆需求。噴嘴裝置主要是由噴嘴頭和冷卻系統(tǒng)組成，它的作用就是將粉末均勻的噴到熔池內(nèi)，確保準(zhǔn)確、定量的輸出，冷卻系統(tǒng)是為了吸收激光輻射的余熱，防止噴嘴裝置的溫度過(guò)高而影響送粉的效果，嚴(yán)重會(huì)損壞整個(gè)裝置。在這次設(shè)計(jì)中遇到很多的問(wèn)題，查閱了很多相關(guān)的文獻(xiàn)，從中吸取優(yōu)良的設(shè)計(jì)理論和方法。