激光熔覆同軸送粉噴嘴優(yōu)化設(shè)計及試驗研究.pdf

1、同軸送粉噴嘴作為激光熔覆系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，因其能實現(xiàn)在載氣流的作用下熔覆粉末與激光束同軸輸出，具有加工效率高，熔覆層各向同性好，易于自動化控制等顯著優(yōu)點，目前已經(jīng)成為激光熔覆材料供給設(shè)備的研究熱點。本文針對目前同軸送粉噴嘴普遍存在的粉流匯聚形態(tài)不易控制，匯聚效果不理想，激光熔覆質(zhì)量差等問題，進(jìn)行了送粉噴嘴流場分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和試驗研究。
　　本文基于歐拉雙流體模型對三維條件下同軸送粉噴嘴的粉末流場進(jìn)行了仿真模擬，并研究了載氣流量和送

2、粉量對粉末流場的影響。結(jié)果表明，粉末流由噴嘴噴出后，在噴嘴下端逐漸匯聚，焦點位置粉末濃度達(dá)到最大，粉流直徑達(dá)到最小;為了獲得合適的粉末流，確定了載氣流量不小于9L/min，送粉量不超過7.5g/min的送粉工藝參數(shù)范圍。采用響應(yīng)面回歸分析法以及中心復(fù)合試驗方案對噴嘴主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了試驗研究，并對其進(jìn)行了顯著性分析和回歸擬合，得出了對粉流形態(tài)具有顯著影響的一次項、二次項和交互項，最終建立了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與粉流形態(tài)特征間的數(shù)學(xué)回歸模型。為了

3、改善粉流匯聚效果，對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，得到了噴嘴結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)組合，即θ=62.94°、w=1.00mm、r=5.83mm、λ=3.00°。針對優(yōu)化前后的送粉噴嘴進(jìn)行送粉試驗，通過提取圖像灰度，分析了優(yōu)化前后粉末流的濃度分布情況并對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，優(yōu)化后的送粉噴嘴粉流束腰直徑降低了39.4％，焦點深度降低了46.4％，優(yōu)化效果明顯。仿真與實驗結(jié)果誤差均在10％以內(nèi)，總體比較接近，說明仿真結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。采用優(yōu)化