激光熔覆快速成形技术送粉喷嘴的研制
张正伟,杨武雄,陈 铠,肖荣诗
激光杂志
提要:本文针对激光熔覆快速成形技术对送粉喷嘴的要求,分析了已有用于激光熔覆和激光熔覆快速成形技术送粉喷嘴存在的问题,研制了一种在以激光束为中心轴的圆周方向均匀对称分布四个具有同轴汇聚气的双层送粉管的送粉喷嘴。实验研究表明,此送粉喷嘴可以满足激光熔覆快速成形技术对送粉喷嘴的要求。
关键词:激光快速成形;送粉喷嘴;同轴送粉;汇聚气
激光快速成形技术集机械工程、CAD/CAM、数控技术、激光技术及材料学等领域的最新成果于一体,解决了传统方法中的许多难题,缩短了设计和生产周期,降低了成本,提高了企业的竞争能力〔1,2〕。
快速成形技术的基本原理是离散/堆积。激光熔覆快速成形技术是被熔覆的金属粉末通过送粉装置用气体或重力输送,采用高功率激光同步熔化被送粉末,加工过程中采用数控系统控制工作台根据CAD模型给定的路线往复扫描,在基板上逐线、逐层堆积形成非常致密的金属零件〔3〕。零件的强度达到甚至超过常规铸造或锻造方法生产的零件。由于激光熔覆快速成形技术可以制造传统方法难以加工甚至不能加工的复杂零件,如悬臂结构、封闭内腔结构和共形冷却结构,零件的不同部位可以采用不同的化学成分进行制造,从而得到局部增强结构和梯度功能材料,可以为航空维修和大修提供新颖独特的解决方案〔4〕,所以在航空航天、武器制造和机械电子等行业具有良好的应用前景。
送粉系统是激光熔覆快速成形系统中一个非常重要的系统。送粉喷嘴作为送粉系统中的一个组成部分,直接影响着成形零件的质量和精度。
1 激光熔覆快速成形对送粉喷嘴的要求
要求送粉喷嘴输送的粉末流具有良好的稳定性和均匀性。输送的粉末流不稳定,将会导致熔覆表面不规则,即在高度和厚度方向出现波动现象,最终产生不稳定的沉积结果。输送的粉末不均匀,将会导致熔覆层在各个方向的性能不相等。
要求送粉喷嘴输送的粉末流具有良好的汇聚性。输送的粉末汇聚性能差,即从送粉喷嘴喷射出的粉末的最终分散面积大于熔池的面积,粉末沉积在熔池的外面,将会降低金属零件的性能和结构上的准确性。另外,粉末的汇聚性能差将会导致粉末的利用率低,降低了激光熔覆快速制造的生产效率和增加成本。
要求送粉喷嘴的末端距离激光加工工作点较远。粉末末端距离激光加工工作点越近,在成形过程中,从熔覆表面产生的飞溅越易粘附在粉末出口附近,粘附的残渣将会改变粉末的流向,难以确保成形金属零件的精度。另外,送粉喷嘴末端距离激光加工工作点越近,送粉喷嘴在热积累和激光反射光的作用下,升温就越快,严重时可能烧坏喷嘴,堵塞粉末通道,迫使整个工作停止。
2 现有送粉喷嘴存在的问题
送粉喷嘴是激光熔覆快速成形的核心技术之一、国内外对送粉喷嘴均进行了不少研究工作。
由于设计简单及粉末的出口和光的出口相距较远而不会出现因粉末过早熔化而阻塞送粉口的原因〔5〕,偏置于激光一侧的旁轴送粉喷嘴在激光熔覆快速成形的初期,得到了广泛的应用。激光熔覆快速成形要求熔覆层的尺寸和性能沿各个方向保持一致,而旁轴送粉喷嘴只适合线形轨迹的运动,不适合于复杂轨迹的运动〔6〕,不能保证熔覆层在各个方向的尺寸和性能一致,所以旁轴送粉喷嘴在激光快速成形中无法满足使用要求。
激光熔覆快速成形技术,类似于激光熔覆在三维空间的叠加。激光熔覆、激光表面合金化是出现较早的激光表面处理技术,相应地产生了用于这些工艺的同轴送粉喷嘴。图1为早期的同轴送粉喷嘴。
这种同轴送粉喷嘴基本构造分为两个腔,内腔装有聚焦镜对激光束进行聚焦,是激光束通道,同时在该腔中通有惰性气体,阻止激光加工过程中产生的烟尘和飞溅的粉末进入激光束通道,对激光聚焦镜起到保护作用。外腔的下端是两个圆锥形成的圆锥形粉末环形通道,粉末由气体输送进入外腔的上部,上部装有有一圈小孔的金属圆盘,使粉末均匀地进入粉末通道。但是,粉末通道是由内外两个锥面形成的环形通道,粉末由气体送入该空腔,空腔比较大,容易造成粉末在圆周方向的分布不均匀,容易发散〔7〕。
为了改善送粉的稳定性和汇聚性,一些科研单位进一步研究了如图2所示的送粉喷嘴。
该送粉喷嘴由内部喷嘴,中间喷嘴,外部喷嘴和冷却水套组成。激光束通过内部喷嘴,是激光束通道,内部喷嘴通有保护气体,防止熔覆过程中产生的飞溅对聚焦镜的污染,同时保护熔覆层不被氧化。中间喷嘴和外部喷嘴形成锥形的环形通道,粉末通过四个管子由气体输送进入环形通道,四束粉末在环形通道上相遇并汇聚成锥形粉末流,其交点在激光束的焦点附近。为了防止过热,送粉喷嘴在外侧加有冷却水套〔8〕。这种送粉喷嘴在送粉的稳定性和汇聚性方面取得了较大的进步,但是,由于送粉喷嘴的末端和激光加工工作点的距离较小,飞溅的熔融粉末容易粘附在喷嘴的末端,粉末出口易于堵塞,不利于长时间的工作。
为了保证激光加工能够长时间的工作,国内外一些科研单位研制了多路送粉管道的送粉喷嘴〔9-10〕。这种送粉喷嘴是以激光束为中心轴的圆周方向均匀对称地分布了若干管状送粉通道,粉末由气体输送最终汇于激光束一点。喷嘴不提供保护气氛,整个工作在充满惰性气体的保护箱中进行〔11〕。这种送粉喷嘴可以提供连续稳定的粉末束流,能实现较远距离送粉,一般不会出现堵塞送粉出口的现象。但是,由于从送粉口出来的粉末束的发散角较大,致使粉末的利用率较低。
3 送粉喷嘴的研制及实验研究
根据激光熔覆快速成形对送粉喷嘴的要求,针对现有送粉喷嘴的不足,提出了以激光束为中心轴的圆周方向均匀对称地分布四个具有同轴汇聚气的双层送粉管道的送粉喷嘴,四个双层送粉管道的中心线交于激光束一点。这种送粉喷嘴是在每个粉末流的外侧同轴输送出汇聚气〔12〕,汇聚气体在粉末流的外围形成管状气帘,由于汇聚气的拘束和汇聚作用,粉末流保持了出口的形态,并且具有较长距离的挺度。通过调节气体流量和送粉量的配比,四束粉末流在激光束一点汇聚成一束粉末流,实现同轴送粉,如图3所示。该送粉喷嘴可以为激光加工提供均匀、稳定和汇聚性能良好的粉末束流,并且具有可调焦性能和冷却性能。利用该送粉喷嘴进行了实验研究。基板材料为5cm厚的不锈钢板。粉末为Ni25合金(成份见表1),颗粒度为-140-325目。
采用Rofin-Sinar 2.5KW固体Nd:YAG激光器,使用功率为1000W。送粉器为北京工业大学激光工程研究院自行研制的送粉器,送粉量为3.0g/min。激光扫描速度为0.2m/min,离焦量为10mm,对应的焦斑直径为1.6mm。采用上述参数在基板上进行多层叠加熔覆,每熔覆一层在Z向抬高0.6mm,总共扫描层数为30层。上述实验采用氩气保护,保护气流量为25l/min。
对试样横向剖一断面,采用X荧光光谱分析仪(PW2403)测量其成份,测量结果见表2。
通过实验观察,熔覆层平整光滑,在断面的层与层中间没有氧化物夹杂,可知该送粉喷嘴可以为激光熔覆快速成形技术提供均匀稳定的粉末束流,并且可以提供良好的保护气氛,喷嘴末端距离工作点距离较远,避免了送粉管的堵塞和烧损。
4 结论
本文研制了一种运用于激光熔覆快速成形技术的送粉喷嘴,该送粉喷嘴是在激光束周围均匀对称分布四个具有同轴汇聚气体的双层送粉管道,由于汇聚气体对粉末的整流和约束作用,使粉末流具有良好的汇聚形态,同时,汇聚气体为激光加工提供了保护气氛。通过实验研究证明,该送粉喷嘴可以满足激光熔覆快速成形技术的要求。
参考文献略
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