激光熔覆粉末输送系统研究

论文摘要

激光熔覆是在基体表面形成与基体相互熔合且具有完全不同成分与性能的合金覆层的先进技术。基体的熔化层很薄,因而对覆层的成分影响极小。它综合了光、机、电技术,有广阔的发展前景。本文从提高送粉流量的稳定性从而改善激光三维再制造成形质量的目的出发,结合气固两相流理论对激光熔覆中的粉末流进行了研究。在此基础上,设计并实现了电容式测量系统和光电式测量系统对粉末流量进行检测,再从实验和理论上分析比较两种测量系统的分辨率问题。最后根据粉末流量标定实验和不稳定实验,设计了粉末流量控制策略。然后本文从基础理论开始对同轴送粉模型进行了研究,通过使用COMSOL Multiphysics软件对同轴送粉头进行三维数值模拟得到了气流的分布状态。本文通过实验和数值模拟分析得到以下结论：(1)从实验结果来看,光电式浓度测量系统的分辨率为0.1g/min而电容式测量系统的分辨率为5g/min。在实验的基础上进行理论分析得出两者分辨率差异原因：电容式测量系统分辨率不高的主要原因在于其检测的金属粉末的体积含量变化小,而光电式测量系统检测的是粉末的质量浓度的大小,金属粉末的质量浓度的变化量明显大于同等情况下的体积浓度的变化。因此光电式浓度测量系统具有更高的分辨率。基于光电式传感器设计的粉末输送控制系统具有良好的送粉精度。(2)气流在喷出喷嘴之后并不是完全沿着喷嘴角度的方向汇聚的,而是更倾向于流向“外侧”。基体与熔覆层的存在改变了气流的汇聚状态。距喷口距离越近,气流受熔覆层影响越小；气流速度场在空间范围内的分布受熔覆层的影响不是对称、均匀的,熔覆层上方的气流速度较小。本文设计了光电式粉末浓度测量系统,可以为送粉系统的精确控制和送粉质量检测提供可靠的实验方法。另外本文的数值模拟可以对试验中选取激光焦距和喷嘴到加工平面的距离等参数提供参考,并为在此基础上的耦合温度场和应力场、其他送粉头喷嘴设计参数优化、进行误差更小的数值模拟提供了技术基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 激光熔覆技术及其应用
• 1.2 熔覆过程的送粉系统与测量装置研究进展
• 1.2.1 送粉系统研究进展
• 1.2.2 测量装置研究进展
• 1.2.3 送粉头数值模拟研究进展
• 1.3 本课题研究的内容和意义
• 第2章 激光三维再制造粉末输送系统
• 2.1 前言
• 2.2 送粉器和分配器
• 2.3 同轴送粉喷嘴
• 2.4 本章小结
• 第3章 粉末流量测量与控制系统设计
• 3.1 前言
• 3.2 电容式粉末浓度测量系统的设计
• 3.2.1 电容式传感器的工作原理和优点
• 3.2.2 粉末浓度测量系统
• 3.2.3 实验结果与讨论
• 3.3 光电式粉末浓度测量系统的设计
• 3.3.1 光电式粉末浓度测量原理
• 3.3.2 光电式粉末浓度测量系统设计
• 3.3.3 光电测量实验和讨论
• 3.4 电容式和光电式粉末浓度测量系统分辨率的讨论
• 3.5 粉末流量控制系统设计
• 3.5.1 控制器设计
• 3.5.2 软件设计
• 3.5.3 实验与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 同轴送粉三维气流模拟
• 4.1 送粉头模型建立与模拟
• 4.1.1 气流模拟理论模型
• 4.1.2 COMSOL Multiphysics软件
• 4.1.3 送粉头三维模型
• 4.1.4 边界条件与求解参数设置
• 4.2 模拟结果分析
• 4.2.1 模拟结果定性分析
• 4.2.2 气流速度场分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果