機械設計說明書-激光熔覆送粉器設計

本科畢業(yè)設計(論文)題目：激光熔覆送粉器設計激光熔覆送粉器設計摘要激光熔覆技術是一種新興的材料加工與表面改性技術，該技術可以在低成本鋼上制成高性能表面，代替大量的高級合金，以節(jié)約貴重、稀有的戰(zhàn)略金屬，提高材料的綜合性能，實現(xiàn)對重大零件的快速綠色修復再制造。送粉器是激光熔覆系統(tǒng)中重要的部分之一，送粉器性能的好壞直接影響熔覆層的質(zhì)量和加工零件尺寸等，所以開發(fā)高性能的送粉器對激光熔覆加工顯得尤為重要[2]。本課題主要圍繞為了滿足獲得較薄熔覆層的需要,設計并制作了一種多倉鼓輪可調(diào)式送粉器，噴嘴采用同軸微量式,它具有送粉速度較小且可調(diào)、送粉同步均勻、粉末利用率高、穩(wěn)定性好等特點，對激光熔覆技術的實際應用具有一定的實用價值。首先，按照激光熔覆送粉噴嘴的功能要求，綜合機械設計的相關理論知識，對其結(jié)構進行創(chuàng)新設計，并利用三維制造軟件Solidworks繪制出了一種裝配結(jié)構的激光熔覆送粉噴嘴的參數(shù)化幾何模型。其次，是按照多倉式送粉器的功能要求，綜合相關資料，對其結(jié)構進行創(chuàng)新設計，并利用三維制造軟件Solidworks繪制出一種裝配結(jié)構的激光熔覆多倉鼓輪式送粉器的參數(shù)化幾何模型。關鍵詞：激光熔覆;同步送粉;同軸送粉;矩形噴嘴LaserCladdingPowderFeederDesignAbstractLasercladdingtechnologyisanemergingtechnologymaterialsprocessingandsurfacemodification,Thistechniquecanbemadeinlow-costhigh-performancesteelsurface,Insteadofalargenumberofhighalloy,inordertosaveprecious,rarestrategicmetals,Improvetheoverallperformanceofthematerial,Achieveasignificantpartoftherapidrestorationofgreenremanufacturing.Powderfeedinglasercladdingsystemisoneoftheimportantpart,Powderfeederperformancehasadirectimpactonthequalityofthecladdinglayerandprocessingpartsizeetc.Therefore,thedevelopmentofhigh-performancepowderfeederforlasercladdingprocessisparticularlyimportant.Themaintopictogetaroundinordertomeettheneedsofthincladdinglayer,Designandproductionofamulti-positionadjustabledrumpowderfeeder,Microcoaxialnozzletype.Ithasasmallpowderfeedrateandadjustable,powdersyncuniform,highutilizationofpowder,goodstability,Onthepracticalapplicationoflasercladdingtechniquehassomepracticalvalue.Firstofall,Lasercladdingpowdernozzleinaccordancewiththefunctionalrequirements,Comprehensivetheoreticalknowledgeofmechanicaldesign,innovativedesignofitsstructure,Andtheuseofthree-dimensionalmanufacturingsoftwareSolidworksdrawingapowderfeedinglasercladdingnozzlegeometryparametersofanassembledstructure.Secondly,Accordancewiththemulti-warehouse-typepowderfeederfunctionalrequirements,Comprehensiveinformation,itsstructureinnovativedesign,AndmanufacturingsoftwareSolidworksusingthree-dimensionallasercladdingmapoutamulti-positiondrumwheelassemblystructurepowderfeederparametricgeometry.KeyWords:Lasercladding;Synchronizationpowderfeed;Coaxialpowder;Rectangularnozzle主要符號表功率體積鼓輪的轉(zhuǎn)速合金粉末的質(zhì)量密度熱流強度水流速度熱阻熱負荷比熱時間流熱系數(shù)導熱系數(shù)水流量溫升目錄1緒論 11.1研究背景及意義 11.2激光熔覆技術概述 21.2.1激光熔覆技術的原理 21.2.2激光熔覆技術的特點及應用 21.3激光熔覆送粉系統(tǒng) 41.3.1粉末送粉方式及送粉噴嘴 41.3.2同步送粉裝置 61.4激光熔覆送粉器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 71.4.1國外研究現(xiàn)狀 71.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 81.5本文主要研究的內(nèi)容及其意義 92激光熔覆送粉裝置的設計 102.1設計依據(jù) 102.1.1多倉式的設計依據(jù) 102.1.2鼓輪式送粉方式的設計依據(jù) 102.1.3粉末輸送的機理 112.2同軸式送粉裝置的設計 112.2.1結(jié)構設計 112.2.2尺寸設計 112.3主要功能分析 153激光熔覆送粉器噴嘴的設計 173.1設計依據(jù) 173.1.1出光部分依據(jù) 173.1.2噴嘴應具備冷卻裝置 183.1.3粉末對激光的遮蓋影響 183.1.4粉末吸收的能量及被加熱后的溫升 183.1.5光粉相互作用機理 203.1.6噴嘴應具備良好的匯聚性 213.2同軸送粉噴嘴的設計 213.2.1結(jié)構設計 213.2.2尺寸設計 223.3主要功能分析 234總結(jié) 26參考文獻 27致謝 29畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權聲明 30畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 311緒論激光熔覆技術作為一項先進的制造技術，是一種兼具多門類、綜合性高科技的加工制造方法，其可使涂層與基體實現(xiàn)冶金結(jié)合，大幅度改善和提高機體表面性能，并且?guī)缀蹩梢匀鄹菜械暮辖鸹蛱沾刹牧?，因此在各個領域有著廣闊的應用前景。送粉裝置是激光熔覆中重要的配套工藝裝備，是得到良好熔覆層質(zhì)量的重要保證，送粉過程是多方因素共同作用的結(jié)果，對送粉器進行研究可有效的指導激光熔覆，提高熔覆質(zhì)量，提高粉末的利用率，降低加工成本。1.1研究背景及意義課題來源于西安高斯激光公司下一步開發(fā)的研究項目。激光熔覆技術通過不同的送粉方式在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔化后凝固，在基材表面形成冶金結(jié)合的添加熔覆層，大大的改善了基材的表面質(zhì)量，同時可以修復表面破損。采用不同的送粉方式及送粉工藝參數(shù)對熔覆層的質(zhì)量有這直接的影響，隨著激光熔覆技術的日漸成熟及應用范圍的不斷擴大，其對送粉裝置設計的合理性、可控性和精度等要求不斷提高，因此開發(fā)高性能的工藝裝備是非常重要的。同軸送粉法是目前最為先進的激光熔覆送粉術，它克服了單側(cè)送粉的缺點，能夠?qū)⒎勰┚鶆蚍稚⒊森h(huán)型再匯聚后送入聚焦的激光光束熔池中達到各向同時均勻性的功能。同軸送粉裝置在激光熔覆生產(chǎn)中可以靈活使用，易于實現(xiàn)自動控制，達到特殊的加工效果，因而，本文選用同軸送粉技術作為激光熔覆的送粉方式，對同軸送粉機理進行研究并設計相關的應用裝置。激光同軸送粉過程是依靠自重將粉末輸送、粉末與送粉裝置碰撞、粉末受到激光束照射融化、熔化的粉末落入熔覆層凝固的綜合結(jié)果，涉及粒子動力學、兩相流運動學、傳熱學、計算機技術等學科。與傳統(tǒng)側(cè)送粉技術相比，同軸送粉技術需要將單束粉末流均勻分為多束，然后在同軸送粉裝置內(nèi)均勻混合噴出，同時，送粉裝置的不同結(jié)構形式對粉末的碰撞、摩擦、運動均勻性影響較大，使得粉末噴出后的濃度、速度和受熱熔化狀態(tài)在時間和空間會有不同的分布，伴隨著顆粒的不同運動結(jié)果對熔覆層的外貌形態(tài)與微觀組織也產(chǎn)生較大變化。盡管許多學者對激光熔覆同軸送粉技術進行了大量的理論、實驗和數(shù)值仿真研究，并取得了很大的進展，但由于不同結(jié)構條件的送粉過程、粉末匯聚結(jié)果各不相同，對許多影響粉末運動和匯聚的因素只作了定性分析，對于使用同軸送粉裝置加工條件下的同軸送粉機理、粉末均勻輸送規(guī)律缺乏進一步的認識。在同軸送粉過程中，為了實現(xiàn)激光能量在粉末顆粒和熔覆層之間的合理分配，明確不同參數(shù)對激光能量分布的影響，需要對同軸送粉裝置進行創(chuàng)新設計；更為重要的是，為了獲得好的粉末聚焦?jié)舛确植?，提高粉末利用率，需要設計同軸送粉噴嘴不同的最佳幾何參數(shù)對粉末噴射后聚焦?jié)舛鹊挠绊?。因此，為了提高激光熔覆同軸送粉效率及粉末利用率，需要設計出良好的同軸送粉裝置。1.2激光熔覆技術概述1.2.1激光熔覆技術的原理激光熔覆技術是一項新興的零件加工于表面改性技術及再制造技術。指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，具有較低稀釋率、熱影響區(qū)小、與基面形成冶金結(jié)合、熔覆件扭曲變形比較小、過程易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。激光熔覆技術應用到表面處理上,可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機械性能,可以極大提高材料的使用壽命。同時,還可以用于廢品件的處理,實現(xiàn)綠色快速再制造，大量節(jié)約加工成本，減少浪費。激光溶覆應用到快速制造金屬零件,所需設備少,可以減少工件制造工序,節(jié)約成本,提高零件質(zhì)量,廣泛應用于航空、軍事、石油、化工、醫(yī)療器械等各個方面。圖1.1所示的是激光熔覆原理示意圖。圖1.1激光原理示意圖1.2.2激光熔覆技術的特點及應用激光熔覆是利用激光束作為熱源使兩種性質(zhì)不同或差別很大的材料達到原子結(jié)合，同時又不改變（或改變很少）各自的基本性質(zhì)和性能的工藝方法。與其它表面處理技術如熱噴涂技術、堆焊技術以及常規(guī)的表面涂覆工藝相比較，激光熔覆具有以下顯著的特點：激光熔覆技術可以在廉價、易加工的基本材料表面有選擇地制備高性能熔覆層，并且熔覆層的厚度不受限制，還可以根據(jù)需要進行單層熔覆后多層熔覆，使表層具備梯度功能；由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過程，所以激光熔覆對基材的熱影響較小，引起的熱變形也相對較??；同時，高達106℃/s的冷卻速度使熔覆層組織晶粒細小、結(jié)構致密，所以其硬度一般相對比較高，耐磨損、耐腐蝕等性能也比較好等；激光熔覆可以將高熔點的材料熔覆在低熔點的基材表面，且材料的成分亦不受通常的熱力學條件的限制，因此所采用的熔覆材料的范圍是相對廣泛的，包括鈷基和鐵基合金、陶瓷材料以及碳化物符合合金材料等。另外，實驗研究表明，激光熔覆生成的熔覆層具有平整的外觀形貌、致密的微觀結(jié)構、與基材良好的冶金結(jié)合性能以及均勻的化學組成。這些特點都可以極大的提高激光熔覆處理后材料表面的耐腐蝕、耐磨損等性能。正是基于上述的一系列優(yōu)點，激光熔覆技術是激光熱處理中研究很早、很多、進展很快、應用很廣的一種新工藝，被認為是一種新的、很有發(fā)展前景的表面改性和綠色再制造的技術。隨著大功率激光器的日益商業(yè)化和激光熔覆送粉器的不斷研制開發(fā)，帶動了激光熔覆技術的迅猛發(fā)展，加快了激光熔覆技術工業(yè)用用的步伐?，F(xiàn)如今，激光熔覆技術在工業(yè)中的應用大致有一下幾個方面：a.汽車工業(yè)中的應用：汽車發(fā)動機的缸套是易磨損部件，使用激光淬火可以有效地解決缸套磨損問題，延長使用壽命。在汽車工業(yè)中，汽車覆蓋件如駕駛室、引擎蓋等部件都是通過沖壓成型的，而機械沖壓對模具的磨損和破壞性很大。模具一旦磨損，沖壓出來的產(chǎn)品質(zhì)量就會下降，為此必須更換新的模具，從而造成模具的浪費和消耗很大，如何提高模具的使用壽命成為該類企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益的重要途徑和方法。此前，由于該類模具比較大，進行熱處理比較難。很多企業(yè)往往不進行熱處理或采用火焰法進行處理，效果往往很不理想。而受到技術條件的限制，激光熱處理方法在此類大型模具上也少有應用。b.航空工業(yè)中的應用：航空航天工業(yè)是最先吸收激光熔覆的優(yōu)點用于生產(chǎn)的部門。通過激光熔覆可以改變鈦合金表面顯微硬度為800-3000H，用激光熔覆技術對鋁合金表面進行表面強化是解決鋁合金表面耐磨性差、易塑性變形等問題的有效方法。另外，在鈦合金、鋁合金表面熔覆高性能的陶瓷涂層，材料的耐磨性、耐高溫性能等可以得到大幅度提高。c.石油工業(yè)中的應用：由于設備在長期的工作中和惡劣的環(huán)境下，容易使產(chǎn)品發(fā)生腐蝕、磨損的現(xiàn)象，會導致大型零部件的失去工作能力，例如葉輪、大型轉(zhuǎn)子的軸頸、輪盤、軸套、軸瓦等，然而這些零部件價格往往是非常的貴，涉及的零部件品種很多，形狀復雜，工況差異較大。因此，在激光熔覆技術的再生產(chǎn)的功能下可以使這些零部件恢復原來的性能，并且加強了這些部件的使用壽命。在現(xiàn)在石化企業(yè)中，都會采用激光熔覆技術進行對大型零件修復，不需要預熱工件，就可以恢復部件的尺寸，而且后續(xù)加工量小，不產(chǎn)生冶金裂紋，硬度也是非常的堅固，修復的效果非常的好。修復的部件強度將會是原來部件的一倍，修復的價格也非常的便宜，更縮短了維修的時間，解決了石油化工業(yè)中重要的麻煩。另外，對關鍵部件表面通過激光熔覆，使重要部件具有超耐磨抗的特點，同時大大的提高了部件的使用壽命。d.其他方面的應用：礦山機械零件的激光強化與修復，截齒是采掘機組上直接切割煤巖的關鍵零件，屬易損件。其失效方式主要是磨損失效，磨損失效的主要形式為截齒端部基體磨損，導致合金頭剝落。激光強化截齒端頭表面硬度、耐磨度有明顯提高，截齒使用壽命顯著延長。與普通截齒相比，激光熔覆截齒壽命延長了3-4倍，表面合金化截齒壽命延長5-6倍。另外隨著激光熔覆三維同軸送粉器的研制，激光熔覆技術與計算機技術、快速成型等技術理念耦合，已發(fā)展成為激光再制造技術。它是以金屬粉末為材料，在具備有零件原型的CAD/CAM軟件支持下，CNC(計算機數(shù)控)控制激光頭，送粉工作和機床按指定空間軌跡運動，光束與粉末同步輸送，形成一支金屬筆，在修復部位逐層熔覆，最后生成與原型零件相近似或相同的完好零件。同時利用IR比色測溫傳感器對加工過程進行監(jiān)控，控制成型的精度。1.3激光熔覆送粉系統(tǒng)1.3.1粉末送粉方式及送粉噴嘴在激光熔覆送粉的方式可分為預置粉末法和同步送粉法兩種。a.預置粉末法是將待熔覆的合金粉末用適當?shù)姆椒A先覆蓋在基材的表面,然后用光束掃描。理想的涂層應厚度均勻、孔隙率低，并且與基體有良好的附著性，在激光掃描時無不良作用存在。預置的方法主要采用熱噴涂或粘結(jié)等方法。熱噴涂的優(yōu)點是噴涂效率高，可獲得大面積涂層，涂層材料基體不受污染，涂層厚度均勻且與材料結(jié)合牢固，激光熔覆中不易脫落；其不足是粉末利用率低，需要專門的設備與技術，操作程序也較復雜。粘結(jié)預置法就是針對熱噴涂的不足而發(fā)展的，其優(yōu)點是具有較好的經(jīng)濟性和方便性，但這類預置層導熱性差，需要消耗更多的激光能量，粘接劑的氣化和分解也易于對熔覆層合金造成污染和氣孔等缺陷，激光熔覆中粘結(jié)層易脫落。b.同步送粉法是通過送粉裝置在激光熔覆的過程中通過一定的機械裝置將合金粉末送入管路，并控制送粉量大小，依靠粉末自重或氣體載送實現(xiàn)粉末傳輸控制傳輸速度，再由噴嘴導引粉末直接送入激光作用區(qū),在激光作用下基材和合金粉末同時熔化,結(jié)晶形成合金熔覆層。該方法是目前最為先進的激光熔覆技術，它可大大提高熔覆質(zhì)量，降低熔覆層的稀釋率和基材的熱影響，與預置熔覆相比可使所需的熔覆能量降低一倍以上，還易于實現(xiàn)自動控制，現(xiàn)在已被廣泛采用。因此,同步送粉法是激光熔覆技術的首選送粉方法,國內(nèi)外實際生產(chǎn)中采用較多。同步送粉激光熔覆中合金粉末是由送粉器傳送到激光熔池中的,目前專門應用于該項技術的送粉設備有螺旋式送粉器、轉(zhuǎn)盤式送粉器、刮板式送粉器、毛細管送粉器、鼓輪式送粉器、自重式送粉器、刮吸式送粉器等。以上這些送粉器都有各自的特點,適合于不同的情況[1]。送粉噴嘴則是將從送粉裝置輸送出來的粉流轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌螤畈⑺腿爰す馊鄢刂?，起到控制粉末流的噴入角度、截面尺寸、粉流均勻等作用，噴嘴的結(jié)構和性能直接影響整個加工效果。同步送粉用的送粉噴嘴有幾種不同類型，它們的工作方式和優(yōu)點各不相同，其中比較有代表性的主要有如下兩種：（1）激光熔覆旁軸送粉噴嘴，其原理圖如圖1.2所示：其中：1-光路鏡筒；2-激光頭；3-熔覆層；4-工作臺；5-試樣；6-送粉管；7-運動方向。圖1.2旁軸送粉原理圖由于這種偏置一側(cè)的旁軸送粉噴嘴設計起來比較簡單，并且粉末的出口和光的出口相距比較遠而不會出現(xiàn)因粉末過早熔化賭賽送粉口，因而得到了廣泛的應用。但其最大的局限是在于送粉方向只有一個，這使得當加工面是平面時加工軌跡只能是一條直線，而不能走諸如圓、方形等這些曲線，其方便性、靈活性受到極大限制，不能實現(xiàn)在任意方向生成均勻的熔覆層，所以不適用于3D熔覆。（2）激光熔覆同軸送粉噴嘴及其原料示意圖如圖1.3所示。其中：1-粉末束；2-試樣；3-工作臺；4-熔覆層；5-光束；6-光路鏡筒；7-運動方向。圖1.3同軸送粉原理圖同軸送粉噴嘴則克服了旁軸送粉噴嘴的很多缺點，它能夠?qū)⒎勰┚鶆蚍稚⒑笤趨R集成一點送入聚焦的激光熔池中，即粉末流與激光束同軸輸出，故能很好地適應掃描方向的變化，其輸出的粉流具有激光技術所需要的各向同性的特點，在生產(chǎn)中可以像使用一支金屬筆那樣靈活地使用。同軸送粉激光熔敷能得到沿各個方向性能一致的熔敷層。本課題所研究的新型激光熔敷噴嘴就是采用自重式送粉方的同軸送粉噴嘴，它是針對公司即將研發(fā)的下一個項目“激光熔覆”所設計的矩形式同軸送粉噴嘴，打破傳統(tǒng)的圓形噴嘴。它具有冷卻面積大，一次性加工面積大，工作效率高，可以保證送粉均勻性良好的一種新型的矩形孔式同軸送粉噴嘴。1.3.2同步送粉裝置同步送粉裝置主要由貯粉斗、貯粉槽、粉勺和送粉鼓輪等組成。其中，送粉裝置和送粉噴嘴是激光熔覆的核心部件。送粉裝置的主要作用是將粉斗中的粉末變成均勻連續(xù)的粉流，實現(xiàn)此功能可以有不同的實現(xiàn)方式。根據(jù)送粉方式的不同，目前國內(nèi)外已經(jīng)研制的送粉器主要可以分為：螺旋式送粉器、轉(zhuǎn)盤式送粉器、刮板式送粉器、毛細管式送粉器、鼓輪式送粉器等。其工作原理包括：重力場、氣體動力學和機械力學等。本文是采用鼓輪式送粉裝置，其工作原理如圖1.4所示。粉末從貯粉斗落入下面的粉槽，利用大氣壓強和粉糟內(nèi)的氣壓維持粉末堆積量在一定范圍內(nèi)的動態(tài)平衡。鼓輪勻速轉(zhuǎn)動，其上均勻分布的粉勺不斷從粉槽舀取粉末，然后從右側(cè)倒出粉末，粉末由于重力從出粉口送出。通過調(diào)節(jié)鼓輪的轉(zhuǎn)速和更換不同大小的粉勺來實現(xiàn)送粉率的控制。圖1.4鼓輪式送粉器1.4激光熔覆送粉器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著激光熔覆技術的不斷成熟與發(fā)展，對激光加工的配套設備的要求越來越高。目前為送粉噴嘴輸送粉末的供料裝置使用較多的結(jié)構的主要有：基于刮板式的供料裝置、基于氣體動力學的刮吸式供料裝置、基于機械力學的螺旋式供料裝置、基于超聲振動的毛細管供料裝置基于重力學自重式送粉裝置等，這些裝置的送粉速率一般由直流馬達轉(zhuǎn)速確定，轉(zhuǎn)速愈高，粉末流動速度愈快，可以實現(xiàn)多種粉末的混合輸送。但也存在送粉量不易精確調(diào)節(jié)，堆粉堵粉現(xiàn)象，結(jié)構相對較復雜，成本較高。激光熔覆加工技術在工業(yè)應用和科學研究中具有重要的應用前景，送粉器的設計和開發(fā)是激光熔覆設備的關鍵技術之一。隨著激光熔覆技術的快速發(fā)展，以及對熔覆層的加工精度和質(zhì)量要求的提高，國內(nèi)外相繼研發(fā)了基于不同原理的送粉器。1.4.1國外研究現(xiàn)狀國內(nèi)激光熔覆的研究始于20世紀70年代初，到20世紀80年代已發(fā)展成為表面工程、摩擦學、應用激光等領域的前沿性課題。進入20世紀90年代后，該領域的科學研究與應用開發(fā)都蓬勃發(fā)展,在工業(yè)上已經(jīng)有了一些實際應用,尤其在軋輥行業(yè)中利用激光熔覆技術對軋輥表面進行改性和修復已成為國內(nèi)外普遍關注的實際問題。作影響熔覆層質(zhì)量重要因素之一的送粉技術送粉裝置也受到了越來越多的重視。目前激光熔覆送粉方式主要有兩種，即預置粉末法和同步送粉法[1]。1.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)激光熔覆的送粉過程自動化控制還不全面，配套設備較差。激光裝備的研究特別是激光供料裝置的研制較少，研制出的供料裝置的送粉工藝穩(wěn)定性不能令人滿意。目前國內(nèi)的激光熔覆用供料裝置主要有鼓輪式、刮板式和螺桿式等幾種，只適用于較大或較小粉量的送進，存在每次送粉結(jié)束有粉末殘留的問題，表1.1中列出了不同供料裝置的送粉特性。表1.1不同供料裝置送粉特性名稱原理粉末干濕粉末直徑/μm粉末輸送率刮吸式螺旋式轉(zhuǎn)盤刮板式毛細管消磨針式轉(zhuǎn)刷式氣體動力學機械力學機械力學重力楊氣體力+機械力摩擦力學干粉干、濕干粉干粉干、濕干粉>20>15>20>0.4>1.2>0.65不可控可控可控不可控不可控可控在同軸送粉噴嘴的研究方面，美國聯(lián)合技術研究中心在1979年已將側(cè)向送粉的方式運用于激光熔覆，但鑒于側(cè)向送粉的粉末各向異性，不能滿足日益發(fā)展的激光熔覆制造與研究，因此西方發(fā)達國家的研究機構開始高度重視同軸送粉噴嘴的研究。LENS工藝研究了一種環(huán)形同軸送粉噴嘴，首次將同軸送粉噴嘴應用于金屬零件的激光快速成形。Lasform成形工藝、DLF成形工藝和DMD成形工藝等均采用了環(huán)形同軸送粉噴嘴。以上幾種噴嘴的組成結(jié)構均為多層同心錐筒設計，結(jié)構上有軸光束通道、粉末通道、冷卻水管路和保護氣通道，粉末流采用多路垂直方式進入，在靠近噴嘴的端部設計有冷卻裝置，結(jié)構如圖1.5所示。圖1.5環(huán)形同軸送粉噴嘴目前，國內(nèi)設計應用的同軸送粉噴嘴結(jié)構和國外的結(jié)構相似，均為多路環(huán)向送粉，以氣體保護回路和水冷卻回路作為輔助結(jié)構，由于國內(nèi)的研究較晚，與國外送粉系統(tǒng)相比在自動化水平和工藝水平等方面還有較大的差距。1.5本文主要研究的內(nèi)容及其意義激光熔覆技術，是激光直接快速成形和激光綠色再制造的一種重要方法，它是在快速凝固過程中，通過送粉器向工作區(qū)域添加熔覆材料，利用高能量密度激光束將不同成分和性能的合金快速熔化，直接堆積形成非常致密的金屬零件和在已損壞零件表面形成與零件具有完全相同成分和性能的合金層。通過激光熔覆，可以無需借助刀具和模具就能從CAD文件直接制造出各種復雜的近凈致密金屬零件和在已經(jīng)損壞的零件表面直接進行修復和再制造，以縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本，降低能源消耗，在航空航天、武器制造、汽車石油和機械電子等行業(yè)具有良好的應用前景[2]。在激光同步送粉熔覆工藝中，加工質(zhì)量主要依賴的參數(shù)有：加工速度、粉末單位時間輸送率、激光功率密度分布、光斑直徑和粉末的輸送速度；其中粉末單位時間輸送率和粉末的輸送速度是由送粉器的輸送特性決定的，送粉器是激光熔覆技術中的核心元件之一，它按照加工工藝向激光熔池輸送設定好的粉末。送粉器性能的好壞直接影響熔覆層的質(zhì)量和加工零件尺寸等，所以開發(fā)高性能的送粉器對激光熔覆加工顯得尤為重要[2]。2激光熔覆送粉裝置的設計本文基于Dlight4000高功率半導體激光器的接口進行同軸送粉裝置的結(jié)構設計，激光器的最大功率4KW，激光器焦距為300mm，加工時激光聚焦后的光斑為6.8X2.98mm2的矩形。光路系統(tǒng)的示意圖如圖2.1所示。圖2.1激光熔覆光路示意圖2.1設計依據(jù)2.1.1多倉式的設計依據(jù)激光熔覆送粉裝置是為激光加工提供原料，它主要實現(xiàn)的功能就是均勻定量的輸出一種或多種合金粉末，由于基材的不同而需要多種金屬粉末混合起來使用，古采用多倉試的送粉裝置，可以減少人工的參與、混合均勻等優(yōu)點。其結(jié)構有一下幾個設計要點：a.在設計多倉式要考慮粉末的儲存量，確保平時每次加工的原材料夠用，而不用在加工的過程中再次上料。b.工作時要考慮粉末在輸送的流暢性能，不會出現(xiàn)堵塞、擠壓成塊的現(xiàn)象。c.每次取粉時保證粉勺能夠裝滿，均勻的輸送粉末，最后能夠把勺里的粉末依靠自身的重力和離心力的作用下完全送出去。2.1.2鼓輪式送粉方式的設計依據(jù)現(xiàn)有的送粉方式有：螺旋式送粉器、轉(zhuǎn)盤式送粉器、刮板式送粉器、毛細管式送粉器、鼓輪式送粉器等。用刮或擠的方法對粉末進行取粉，再用氣流沿管路送到工件表面。此類裝置存在以下缺陷：a.是由于熔覆粉料受送粉機構的擠壓、摩擦，會使粉料結(jié)粒，堵塞出粉口，造成送粉不均勻，直接影響涂敷質(zhì)量。b.是由于送料采用氣流輸送方式，控制不好，熔覆粉料容易被輸送氣流吹跑、吹散、吹不到位等，既影響熔覆質(zhì)量，又浪費了粉料，同時還影響或污染了環(huán)境。為了能夠使激光熔覆得到高質(zhì)量的效果，本課題設計要解決的技術問題是針對上述技術的不足，提供一種更為簡單、有效和可調(diào)節(jié)的送粉裝置，它具有送粉均勻，保證質(zhì)量，粉末利用率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點。設計一種同步式送粉的激光熔覆送粉器。2.1.3粉末輸送的機理多倉式同步送粉激光熔覆送粉器的粉末輸送機理是，首先將準備好的粉末裝在粉斗內(nèi)，通過本身的自重，粉斗內(nèi)的粉末通過輸料管儲存在粉槽內(nèi)，將粉槽裝滿，且同時可以將兩種不同的粉末同時輸送，通過分別控制步進電機的轉(zhuǎn)速，并且可以嚴格的按照一定的比例混合起來，大大提高了人工攪拌的不均勻現(xiàn)象，減少人力，節(jié)約加工成本。一方面，粉沫是在輪轂式送粉輪的一側(cè)堆積，且粉沫堆積的上方為自由空間，以及送粉輪勻速轉(zhuǎn)動和由下而上的取粉方式，可以避免或減少了對粉料的擠壓、摩擦、因而可以避免或減少粉料的結(jié)粒和堵塞，從而保證和提高熔覆質(zhì)量；另一方面，送粉沒有使用氣流吹動，而是依靠輪轂式送粉輪勻速轉(zhuǎn)動的粉勺把粉料定量取走，隨后依靠重力和鼓輪轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力把粉勺里全部的粉料從垂直的出料口自然送出，即采用重力式送粉方式，沒有粉末飛散，容易控制，又提高了激光熔覆過程中的粉料利用率，同時也避免了對環(huán)境的污染。因此，與傳統(tǒng)的刮板式或螺桿式同步送粉激光熔覆送粉器相比，多倉式同步鼓輪激光熔覆送粉裝置具有結(jié)構簡單(不需要氣動系統(tǒng))、送粉均勻、清潔生產(chǎn)、提高質(zhì)量等諸多優(yōu)點，具有明顯的經(jīng)濟和社會意義。2.2同軸式送粉裝置的設計2.2.1結(jié)構設計多倉式同步送粉的激光熔覆送粉裝置，其主要包括殼體、其上面安裝有貯粉斗，其下面開有出粉口，殼體內(nèi)貯粉斗的下面安裝有貯粉槽，貯粉槽內(nèi)安裝有與貯粉斗的斗口接通的料位管，其特征在于所述的貯粉槽內(nèi)安裝有與貯粉斗的斗口接通的料位管；所述貯粉槽的一側(cè)開有一個缺口，缺口與殼體內(nèi)的圓形空心座接通；所述的圓形空心座在缺口對應的另一側(cè)與所述的出粉口垂直相切接通；所述的圓形空心座內(nèi)匹配安裝有輪轂式送粉輪，且輪轂式送粉輪的圓周上均勻的安裝上多個粉勺，所述的出粉口上端側(cè)面接通粉勺，下端與送粉管道插頭連接。2.2.2尺寸設計為了保證每次儲存的粉料可以多次使用，因此將儲粉斗的上端設計成直徑為94mm，高為95mm的圓柱桶形，可以儲存大量的粉料，中間設計成一個錐臺形，目的是為了讓粉料可以順利的向下流，下端是直徑分別為24mm和4mm的圓柱桶形，外部帶有螺紋，目的是用來調(diào)整粉槽內(nèi)粉末的儲存高度，稱之為料位管。粉槽的設計是用來裝配儲粉斗和接通粉勺取粉的通道，在粉槽的內(nèi)側(cè)靠鼓輪的一側(cè)開有相切的通孔，通過論文與儲粉斗連接。鼓輪的設計是直徑為64.03mm，上面切出25個燕尾槽，用來安裝不同容量的粉勺以滿足不同熔覆的要求，中間是帶有鍵槽的通孔，與動力系統(tǒng)步進電機相匹配，其送粉鼓輪三維幾何建模圖如圖2.2所示。圖2.2送粉鼓輪三維幾何建模圖粉勺的設計要考慮每次能舀多少粉料，并且要保證每次都能夠粉勺裝滿，且保證把粉勺里的粉料運送到出口處全部輸出，因此將粉勺設計成簸箕型，這樣的設計及可以容易取料又可以保證將粉勺內(nèi)的粉料完全送出去，同時也考慮到不同的熔覆需粉量的不同，將粉勺設計成裝粉量不同的一個系列的粉勺，可以滿足不同的需求。本文以容積為170.7mm3為例設計的，其三維幾何建模結(jié)構圖如圖2.3所示。圖2.3粉勺三維幾何建模圖伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選擇應滿足：a.慣性小、動力大，具有良好的動態(tài)特性；b.體積小、質(zhì)量輕，利用功率密度來評價。表達公式： （2.1）式中：輸出功率；執(zhí)行元件的重量。c.高可靠性、高效率、和高準確性；d.便于維修和安裝；e.宜于計算機控制。因此步進電機選用86系列兩相混合式步進電機LL86HB80型號，步距角為1.8o。按照相關的格尺寸可以直接應用。電機的轉(zhuǎn)速與鼓輪可以輸送粉料的體積計算公式如下： （2.2）式中：送粉體積；表示鼓輪有25個粉勺；表示每勺可以裝粉料的體積；表示鼓輪的轉(zhuǎn)速。例如選用體積為170.7mm3的粉勺，則粉末輸送合金粉末的質(zhì)量計算公式如下： （2.3）式中：合金粉末的質(zhì)量；合金粉末的密度。腔體的整體尺寸設計要考慮鼓輪的大小、進粉孔和出粉孔、兩個粉倉的大小等因素。因此設計為長220mm、寬53mm、高160mm的腔體，其三維幾何建模內(nèi)部結(jié)構圖如圖2.4所示。圖2.4腔體的三維幾何建模內(nèi)部結(jié)構圖兩個分倉的粉末要均勻混合并且還要均等的分別輸送到兩個噴嘴管噴出，為了能夠滿足這一要求，利用快速插頭FPY的結(jié)構就可以滿足要求此要求，其結(jié)構圖如圖2.5所示。圖2.5利用快速插頭FPY的內(nèi)部結(jié)構圖整個送粉裝置的相關零部件都設計完成，最總的完整裝配結(jié)果圖如圖2.6所示。其中：1-粉斗蓋；2-貯粉斗；3-粉勺；4-步進電機；5-送粉鼓輪；6-貯粉槽；7-出粉口。圖2.6完整的送粉裝置三維幾何建模內(nèi)部結(jié)構圖2.3主要功能分析初步確定送粉裝置的尺寸后，利用Solidwroks軟件建立多倉式同步送粉裝置的三維幾何建模。在建造模型的過程中，根據(jù)送粉的順序和功能的時序關系，先按照送粉裝置的結(jié)構創(chuàng)建基體，然后創(chuàng)建粉斗、鼓輪、粉勺的結(jié)構等。如圖2.7所示，多倉式同步送粉裝置的三維外觀圖和內(nèi)部結(jié)構圖。a外觀圖b內(nèi)部結(jié)構圖圖2.7多倉式同步送粉裝置的三維幾何模型圖從外觀上看，多倉式同步送粉裝置的機構緊湊，體積小，可以儲存兩種合金粉末，并能夠?qū)⑦@兩種粉末可以按照任意的比例均勻混合起來，同時一起輸送到噴嘴。粉斗中的粉末依靠自身的重力將粉末輸送到粉曹內(nèi)儲存一定量，粉末是在輪轂式送粉輪的側(cè)面堆積，且粉料堆積的上方為自由空間，以及送粉輪勻速轉(zhuǎn)動和由下而上的取粉方式，可以避免或減少了對粉料的擠壓，摩擦、因而可以避免或減少粉料的結(jié)粒和堵塞。送粉沒有使用氣流吹動，而是依靠輪轂式送粉輪勻速轉(zhuǎn)動的粉勺把粉料定量取走，隨后依靠重力把粉料從垂直的出料口自然送出，即采用重力式送粉方式，沒有粉末飛散，既提高了激光涂敷過程中的粉料利用率，同時也避免了對環(huán)境的污染。在送粉過程中，貯粉槽中粉末由貯粉斗得到補充，使粉料堆積高度一定，并保持在一定送粉量程內(nèi)的動態(tài)平衡。當貯粉槽內(nèi)料位管的出粉口(下口)被粉料的料位高度面堆積增高而堵塞時，由于氣壓平衡，使得貯粉斗自動停止供料，當貯粉槽內(nèi)的粉料被送粉輪勻速送出而使料位高度面逐漸下降達到一定高度時，料位管出粉口處的氣壓平衡被打破，貯粉斗自動開始供料，因此，貯粉槽內(nèi)的粉料容量始終可以保持動態(tài)平衡，也即位高度面可以自動保持一定，可以保證粉勺每次都能夠取走都是滿的。這種料位自動平衡設計結(jié)構簡單、工作穩(wěn)定、定量取量，特別是為高效、均勻送粉打下了可靠基礎。本章首先對激光熔覆多倉式同步送粉裝置的設計做了詳細的闡述，通過大量的公式推導和結(jié)構分析，可以得出送粉量的一些特征參數(shù)（如每勺取粉量、粉末的輸送速度和電機的轉(zhuǎn)速之間的關系、粉末的儲存量等），并對在多倉式同步送粉裝置的原則指導下，初步確定了送粉裝置的結(jié)構。然后建立多倉式同步送粉裝置的簡單模型并對鼓輪式送粉量與電機轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關系表達式進行推導，初步確定了各個零件結(jié)構的幾何尺寸。最后按照初步確定的結(jié)構幾何尺寸利用Solidworks創(chuàng)建三維幾何模型，并對其主要功能進行分析，設計出了結(jié)構簡單、工作穩(wěn)定、送粉精確、效率高的多倉式同步送粉裝置。3激光熔覆送粉器噴嘴的設計3.1設計依據(jù)激光熔覆同軸送粉噴嘴最基本的功能是實現(xiàn)激光光束焦點與粉末匯集面積重合。以此為前提，為了更好的獲得熔覆層的質(zhì)量效果和使用方便，矩形孔式送粉噴嘴在結(jié)構上有以下幾個設計要點。3.1.1出光部分依據(jù)在設計激光熔覆送粉噴嘴的過程中，應該考慮激光焦平面與加工面之間的位置關系。材料上表面與聚焦透鏡焦平面之間的距離稱為離焦量，離焦的方式有兩種——正離焦和負離焦。如圖3.1所示，焦平面位于材料上方時（圖a）稱為正離焦，反之（圖c）稱為負離焦。11-激光束，2-聚焦透鏡圖3.1離焦量原理圖送粉噴嘴在用于激光熔覆加工時應該采用正離焦，其原理主要有以下3點：第一，從同軸送粉噴嘴的設計目的來說，是想把粉末均勻分散之后在匯集成一條狀送入激光輻射區(qū)，而位于焦平面之上的激光輻射區(qū)是倒錐型，位于其下的輻射區(qū)是正錐型，顯然粉末進入正錐型區(qū)域時粉末利用率更高些；第二，按幾何學理論，當正負離焦量相等時，所對應平面上的功率密度相近，但實際所獲得的熔池形狀不同，負離焦的時候，材料內(nèi)部的功率密度比表面要高，形成更強的熔化汽化，使光向材料更深傳遞，而激光熔覆要求基材表面熔化層極薄，要求材料的稀釋率低，顯然采用負離焦是不合適的；第三，激光熔覆加工時，送粉噴嘴與加工面的距離是很小的，一般只有幾個毫米到十幾個毫米，采用正離焦剛好能增大光學系統(tǒng)的工作距離，減少熔池高溫及飛濺的熔化物對噴嘴的影響，同時還可以防止熔覆時產(chǎn)生的煙塵污染透鏡。3.1.2噴嘴應具備冷卻裝置在激光熔覆加工過程中，噴嘴出粉口與熔池的距離很近，噴嘴要承受來自激光反射以及熔池熱輻射所帶來的很高熱量，而隨著噴嘴的長時間連續(xù)工作，會使噴嘴的熱量不斷累積，最終可能是粉末還未噴出就熔化，使得噴嘴堵塞，更嚴重的會燒壞噴嘴。所以為了防止在連續(xù)加工的噴嘴不能正常工作，在設計噴嘴的時候，應該考慮要冷卻的腔體結(jié)構，這里采用循環(huán)水冷卻的方式進行冷卻。其三維幾何結(jié)構如圖3.2所示。其中：1-進水口；2-冷卻內(nèi)腔；3-噴粉嘴；4-出水口；5-光路通道。圖3.2冷卻內(nèi)腔的三維幾何結(jié)構圖3.1.3粉末對激光的遮蓋影響遮光率是指粉末遮擋的功率與激光原始輻照功率之比，如圖#所示，其值對應于射出的粉末顆粒在激光照射方向上的遮擋面積或者說粉末顆粒與光束相交面在熔覆層和基體上的投影與激光束本身在基體和熔覆層上的投影面積之比。由于粉末在射流中的體積分數(shù)很小，一般的模型都假設一個顆粒在另一個顆粒上的陰影忽略不計，也就是說這些顆粒在遮蔽激光時全部展開毫不重疊，且激光束在透過熔覆材料顆?？障稌r不發(fā)生衍射、散射。3.1.4粉末吸收的能量及被加熱后的溫升粉末在遮擋激光的同時，也吸收了部分激光能量，從而使自身的溫度升高。對于一個完備的熔覆模型還必須考慮進入熔池自由表面（熔池的氣-液界面）的粉末顆粒的溫度。實際上，在不考慮等離子體影響的情況下，粒子直接吸收激光輻射能，并放出輻射能。在空氣中粉末顆粒也會由于空氣對流散失能量，粒子之間也會相互加熱。這些能量在總能量中的比例很小，為了計算方便，在一般的模型中都假設：a.粉末顆粒在氣-粉射流中的體積分數(shù)很低，可以忽略激光的反射、折射和粒離子之間的相互加熱，忽略對流換熱。b.粉末顆粒是半徑為rp的球體。由于粉末顆粒足夠小，在能量計算時將其看成一個點，粒子的熱導率為無限大，即認為粉末顆粒的溫度是均勻一致的，在迎光面和背光面沒有差異。c.粉末顆粒只在迎光面吸收能量，但對外輻射則在整個球體表面發(fā)生。d.粉末不吸收來自基體的反光。冷卻水流量對冷卻壁熱面溫度的影響，其中冷卻水與冷卻量換熱計算公式： （3.1）式中熱流強度，kW/m2;冷卻壁熱面溫度，℃；冷卻水進水溫度，℃；冷卻水與冷卻壁熱面之間的熱阻，（m2·K）/W。熱阻R主要由冷卻水與 （3.2） （3.3）式中水管與冷卻水對流熱系數(shù)，W/（m2·℃）;冷卻水導熱系數(shù)，W/(m·℃);冷卻水比熱容，J/（kg·℃）;水流速度，m/s;水管外徑，m。因此噴嘴所承擔熱負荷必須通過水冷卻水帶走，利用熱流強度轉(zhuǎn)換成冷卻水流量計算公式如下： （3.4） （3.5） （3.6）式中熱負荷，kJ/h;冷卻面積，m2;冷卻水比熱容，kj/(kg·℃)；冷卻水流量，m3/h;冷卻水進水溫度，℃；冷卻水出水溫度，℃。利用上面的公式就可以計算出在激光熔覆加工中噴嘴冷卻水所需的速度和流量，有效的冷卻可以保證熔覆的質(zhì)量。在激光熔覆加工中，激光的吸收率R約為90％，對于激光功率P=4KW的高功率半導體激光器，假設在輸出過程中沒有損失且所有未被利用的激光全部被噴嘴吸收，側(cè)其溫度的計算過程為： W （3.7）當噴嘴連續(xù)工作時， （3.8）式中質(zhì)量，比熱，溫升，加工時間。這里m=2Kg，噴嘴的材料1Cr13的密度ρ=7.75kg/m3,20℃時比熱CP=435J/(kg℃),根據(jù)上述公式可得 （s/℃） （3.9）即約5.4375ΔTs噴嘴升溫1℃，1Cr13材料的熔點T熔=1430℃，則若不施加冷卻系統(tǒng)的話，從25℃開始升溫，1小時左右噴嘴就會被燒損，故噴嘴必須添加冷卻系統(tǒng)。 當（3.10）時，保證噴嘴無明顯溫升。其中，(ml/s)冷卻水流量；=1000J/(kg℃)；冷卻水的溫升。為了保證水管即密封件，控制水的溫升小于35℃，則 ml/s （3.11）即在設計噴嘴用于熔覆加工時，冷卻水的最小流量為10ml/s，送粉噴嘴無明顯溫升，可以保證期長時間連續(xù)工作。3.1.5光粉相互作用機理熔覆粉末材料通過同軸送粉噴嘴輸送到熔池，在此過程中粉末顆粒穿越激光束吸收能量，溫度升高，有些粉末顆粒在到達基材表面時可能已經(jīng)熔化，其狀態(tài)對熔覆層表面質(zhì)量有很大影響。因此分析粉末顆粒穿越激光束時的光粉相互作用規(guī)律對掌握激光熔覆送粉機理有重要意義。激光熔覆同軸送粉過程中，激光束、粉末顆粒、基體的相對位置關系如圖3.3所示。圖3.3同軸送粉粉末與光束的相對位置3.1.6噴嘴應具備良好的匯聚性在激光熔覆加工過程中，粉末的匯聚性能（包括粉末匯聚見面的大小和聚焦距）不僅直接影響熔覆層形貌和質(zhì)量，而且粉末流匯聚性不好會導致粉末利用率降低，造成大量昂貴金屬粉末的浪費，增加加工成本，不利于激光熔覆技術的推廣應用。本課題所設計的同軸矩形孔式送粉噴嘴采用自重式送粉，粉末顆粒依靠自身的重力輸送和噴射匯聚過程，所以粉末從噴嘴噴射出來后的匯聚性能主要受噴嘴結(jié)構尺寸的影響。對于矩形孔式噴嘴，送粉通道一般不止一個，送粉通道的結(jié)構和布置形式可以應可以使沿著送粉孔噴射出來的粉末匯聚到矩形激光輻射下的熔池內(nèi)，保證粉末流與激光束同軸輸出，并且粉末流的矩形粉面大小不大于激光矩形光斑的尺寸，以此達到提高粉末利用率的效果。送粉噴嘴的幾何尺寸對粉末流的匯聚性能及熔覆的質(zhì)量都有顯著的影響，因此本課題著重對送粉噴嘴幾個尺寸與粉末匯聚性能之間的影響關系展開研究，期待找到噴嘴結(jié)構尺寸參數(shù)的最優(yōu)水平組合，并在此指導下設計出具有良好匯聚性能的激光熔覆送粉噴嘴。3.2同軸送粉噴嘴的設計3.2.1結(jié)構設計本課題所設計的矩形孔式同軸送粉噴嘴的機構如圖3.4所示，噴嘴中心開設一個圓柱孔作為激光束通道，沿圓柱孔方向均勻分布送粉通道、冷卻通道，送粉通道呈錐狀均勻分布于激光通道外側(cè)兩個，同時聚焦于光束軸上，在噴嘴的激光束通道內(nèi)壁上加工出一個冷卻內(nèi)腔，用冷卻套于與激光束通道分離開，通粉管道通過冷卻內(nèi)腔。從加工方法上來看這種結(jié)構的送粉噴嘴，其送粉通道是采用鉆孔方法加工的，單獨加工送粉通道，噴嘴采用特殊加工，內(nèi)腔加工成一個矩形孔，是將圓柱型的粉流改變成矩形狀后噴射出去。由于送粉通道要通過冷卻內(nèi)腔，加工空難，所以先加工成管狀，再在冷卻結(jié)構上鉆出兩個孔，最后利用焊接將送粉管道和冷卻腔密封起來。其冷卻腔和冷卻套形成一個密封的內(nèi)腔，冷卻套內(nèi)部是激光束通道，外部與冷卻腔相連，使用密封螺紋緊密連接。a沿著進水孔的刨面b沿著送粉管的刨面圖3.4矩形孔式同軸送粉噴嘴的機構圖激光通道為噴嘴中心位置開設的通孔，通孔優(yōu)先選用圓柱形孔，連接頭設有四個螺紋孔，與外界固定和調(diào)節(jié)所使用。送粉通道為內(nèi)壁光滑的通道，通道的孔徑從進粉口到出粉口有圓柱形粉流改變成矩形粉流，各個送粉通道圍繞噴嘴的中心軸線均勻分布，其各送粉通道沿著出粉方向的延長線匯聚于一個矩形平面，送粉通道設置為兩個，進粉口和出粉口德數(shù)目與送粉通道的數(shù)目一致。3.2.2尺寸設計綜合上述對新型孔式同軸送粉噴嘴的設計要點，我們已對其結(jié)構和大體輪廓有了初步的構想，其尺寸設計還需要通過建立噴嘴粉流簡化模型作為理論指導。即為建立起來的同軸送粉噴嘴三維幾何模型如圖3.5所示。圖3.5同軸送粉噴嘴粉流簡化模型送粉通道傾角的選擇：送粉通道與基體表面之間的夾角稱之為傾角。根據(jù)實踐經(jīng)驗"送粉通道的傾角不宜小于60度。傾角的同軸送粉噴嘴沿中心軸線粉末流濃度傾角的增加，粉末流匯聚焦點下移，傾角越大粉末流匯聚后分散得越慢，匯聚效果越好，所以選擇70度，在這種傾角條件下，沿中心軸線粉末流濃度最高值分別出現(xiàn)在出粉口平面下端處。傾角較大，粉末流匯聚焦點距離出粉口下端面較遠!粉末流的匯聚性較好但反彈現(xiàn)象明顯，傾角較小粉末流匯聚焦點距離出粉口下端面較近，在激光加工過程中，受熔池反濺以及激光反射的影響較大，噴嘴容易受熱變形，對冷卻結(jié)構要求較高，易出現(xiàn)送粉通道出口堵塞現(xiàn)象。噴嘴傾角對焦點處粉末流匯聚濃度和焦點半徑略有影響，但不明顯，綜合考慮以上分析結(jié)果，本文選擇同軸送粉噴嘴送粉通道傾角為70度[6]。噴嘴尺寸的設計，為了滿足光斑為6.8X2.98mm2的矩形熔池，將出粉口設計成尺寸為1.45X6.48mm2矩形孔。與70度的傾斜角配合下到達熔池平面時匯聚成6.8X2.98mm2的矩形熔池，噴嘴的大體尺寸設計如圖3.6所示。圖3.6噴嘴的基本尺寸設計圖3.3主要功能分析初步確定噴嘴的結(jié)構和尺寸后，利用Solidworks軟件建立噴嘴的三維幾何模型。建造模型式，根據(jù)基體結(jié)構與內(nèi)腔的時序關系，先按照噴嘴的外形構建基體，然后構建內(nèi)腔形狀，內(nèi)腔與基體進行布爾運算，獲得噴嘴的三維幾何模型，如圖3.7所示的分別是裝配的同軸送粉噴嘴的三維外觀圖和內(nèi)部結(jié)構圖。a三維外觀圖b內(nèi)部結(jié)構圖圖3.7同軸送粉噴嘴裝配體的三維幾個結(jié)構圖從外觀上看，本課題所設計的同軸送粉噴嘴有外露的水管、粉管，結(jié)構簡單緊湊；噴嘴為裝配好的一體化結(jié)構，利用焊接技術將粉管與腔體焊為一體，其次在有通光孔的密封螺紋的配合，可以保證腔體是一個密封的，利用循環(huán)水冷可以大大減輕整個噴嘴的質(zhì)量同時也大大增加了冷卻腔的體積，具有非常好的冷卻效果。粉末通過通兩個對稱的粉管利用自重可以將粉末送到熔池內(nèi)，送粉質(zhì)量高，粉末不會亂飛保證粉末的利用率；噴嘴送粉采用了（70度）傾斜工作，不會出現(xiàn)明顯粉末偏聚現(xiàn)象，提高粉末質(zhì)量。為了考核該送粉器的粉末利用率高低，提供了一種粉末利用率計算方法。首先選用某種基材作為激光熔覆的粉末，測定方法是：a.將準備好的標準試樣在化學天平上（精密度0.1克）稱重后，記下其原始重量。b.用游標卡尺測量試樣的長度L，測三次后取平均值。c.激光熔覆試驗后，將試樣在盛有灑精的器皿中用鋼絲刷洗凈，烘干后稱重，記錄此時的重量。則試樣的實際增重為： （3.12）由于選用的掃描速度及粉末流量均已知，則激光熔覆時試樣的應增重量（即實際注入量）為： (3.13)因此(3.14)即為粉末利用率,每個參數(shù)量重復三次后取平均值。通過此方法可以檢驗激光熔覆的粉末利用率。由于現(xiàn)有的條件和時間有限，無法做出成品來試驗，只能理論上進行設計研究。4總結(jié)經(jīng)過三個月的努力，在老師和同學的幫助指導下，激光熔覆送粉器設計順利完成。本文的激光熔覆送粉器設計總體上分為送粉裝置和噴嘴裝置兩個部分來設計的。用來對材料加工、表面改性、廢舊零件的再制造領域。送粉裝置采用的是鼓輪式送粉，通過安裝在鼓輪的粉勺和電機的轉(zhuǎn)速，可以保證定量穩(wěn)定的把粉末輸送出去。擁有兩個粉斗，可以同時輸送兩只合金粉末，并將其均勻的混合起來，通過送粉管道輸送到噴嘴。其性能穩(wěn)定，微量可調(diào)，可以滿足大部分的激光熔覆需求。噴嘴裝置主要是由噴嘴頭和冷卻系統(tǒng)組成，它的作用就是將粉末均勻的噴到熔池內(nèi)，確保準確、定量的輸出，冷卻系統(tǒng)是為了吸收激光輻射的余熱，防止噴嘴裝置的溫度過高而影響送粉的效果，嚴重會損壞整個裝置。在這次設計中遇到很多的問題，查閱了很多相關的文獻，從中吸取優(yōu)良的設計理論和方法。