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激光再制造的光与粉末流相互作用机理及试验研究

李会山  
【摘要】:激光熔覆(laser cladding)经过多年的发展,已成为重要的载能束金属零部件表面修复的一项重要技术。但现有的熔覆技术的推广并未达到人们所期望的结果,发展高度柔性的再制造修复技术已成为制造业的迫切需要。目前,国内外研究激光再制造主要集中于工艺研究及相关设备的开发上,对制约该技术全面发展和影响该技术独特潜力优势充分发挥的关键理论问题缺乏深入研究,有些基础理论研究甚至仍停留在熔覆层面。本文旨在研究激光再制造过程中激光与流动的金属粉末粒子流相互作用的基础理论,为该先进制造技术在工业中的应用提供指导。 本文综述了激光再制造技术的发展历史,并在简单回顾激光/粉末流动相关技术发展的基础上,主要围绕研究对象物理输运规律依次展开以下研究工作。 第一部分主要进行了激光在粉末颗粒流中传播规律的理论研究。建立了激光在同轴送粉条件下的简单物理模型。参考前人对散射、吸收和透射机理的研究成果,对球粒子群传播规律进行了研究,利用Mie理论及矢量球谐函数的加法定理得出了具体数学表达。计算结果表明,粒子浓度、尺寸对光的散射和吸收都有一定的影响。 第二部分从理论上建立激光在粉末流中传递热能的物理模型,提出了粉末粒子流与激光束的作用规律。利用ANSYS软件,在空间用有限元离散,在时间域用差分法离散,两者结合得出温度空间的变化分布,从而能够较准确地表示实际状态热传导、热辐射规律。 第三部分在对两相流分析的基础上,用数值方法求解非线性联立偏微分方程组,导出与粉末流相关的其它参数间关系。数值模拟了气体流动、送粉量与粉末流参数(速度、浓度)的关系,为激光再制造送粉装置的优化设计与研制提供了科学依据。 第四部分利用DPIV技术对气载粉末粒子流进行了测试研究。针对所研究对象的特点,提出了改进的互相关算法。利用小波理论开发了图像处理软件,它在处理测量数据速度以及精度均满足要求。试验结果与数值模拟结果基本吻合。 第五部分主要是纺织工业应用试验。基体材料为45#钢,试样尺寸80mm×60mm×10mm,选用了粉末材料Ni60合金进行了激光再制造试验。试验结果表明:光束尺寸、粉末粒子浓度与熔覆层宽度关系较密切;激光功率、送粉量以及气体流量对熔覆层厚度的影响较其它因素明显。


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