激光再制造的光與粉末流相互作用機理及試驗研究.pdf

1、激光熔覆(lasercladding)經(jīng)過多年的發(fā)展，已成為重要的載能束金屬零部件表面修復(fù)的一項重要技術(shù)。但現(xiàn)有的熔覆技術(shù)的推廣并未達到人們所期望的結(jié)果，發(fā)展高度柔性的再制造修復(fù)技術(shù)已成為制造業(yè)的迫切需要。目前，國內(nèi)外研究激光再制造主要集中于工藝研究及相關(guān)設(shè)備的開發(fā)上，對制約該技術(shù)全面發(fā)展和影響該技術(shù)獨特潛力優(yōu)勢充分發(fā)揮的關(guān)鍵理論問題缺乏深入研究，有些基礎(chǔ)理論研究甚至仍停留在熔覆層面。本文旨在研究激光再制造過程中激光與流動的金屬粉末粒子

2、流相互作用的基礎(chǔ)理論，為該先進制造技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。 本文綜述了激光再制造技術(shù)的發(fā)展歷史，并在簡單回顧激光/粉末流動相關(guān)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，主要圍繞研究對象物理輸運規(guī)律依次展開以下研究工作。 第一部分主要進行了激光在粉末顆粒流中傳播規(guī)律的理論研究。建立了激光在同軸送粉條件下的簡單物理模型。參考前人對散射、吸收和透射機理的研究成果，對球粒子群傳播規(guī)律進行了研究，利用Mie理論及矢量球諧函數(shù)的加法定理得出了具體數(shù)學(xué)表

3、達。計算結(jié)果表明，粒子濃度、尺寸對光的散射和吸收都有一定的影響。 第二部分從理論上建立激光在粉末流中傳遞熱能的物理模型，提出了粉末粒子流與激光束的作用規(guī)律。利用ANSYS軟件，在空間用有限元離散，在時間域用差分法離散，兩者結(jié)合得出溫度空間的變化分布，從而能夠較準確地表示實際狀態(tài)熱傳導(dǎo)、熱輻射規(guī)律。 第三部分在對兩相流分析的基礎(chǔ)上，用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立偏微分方程組，導(dǎo)出與粉末流相關(guān)的其它參數(shù)間關(guān)系。數(shù)值模擬了氣體流動、

4、送粉量與粉末流參數(shù)(速度、濃度)的關(guān)系，為激光再制造送粉裝置的優(yōu)化設(shè)計與研制提供了科學(xué)依據(jù)。 第四部分利用DPIV技術(shù)對氣載粉末粒子流進行了測試研究。針對所研究對象的特點，提出了改進的互相關(guān)算法。利用小波理論開發(fā)了圖像處理軟件，它在處理測量數(shù)據(jù)速度以及精度均滿足要求。試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。 第五部分主要是紡織工業(yè)應(yīng)用試驗?；w材料為45＃鋼，試樣尺寸80mm×60mm×l0mm，選用了粉末材料Ni60合金進行了