机械设计说明书-激光熔覆送粉器设计

本科毕业设计(论文)题目：激光熔覆送粉器设计激光熔覆送粉器设计摘要激光熔覆技术是一种新兴的材料加工与表面改性技术，该技术可以在低成本钢上制成高性能表面，代替大量的高级合金，以节约贵重、稀有的战略金属，提高材料的综合性能，实现对重大零件的快速绿色修复再制造。送粉器是激光熔覆系统中重要的部分之一，送粉器性能的好坏直接影响熔覆层的质量和加工零件尺寸等，所以开发高性能的送粉器对激光熔覆加工显得尤为重要[2]。本课题主要围绕为了满足获得较薄熔覆层的需要,设计并制作了一种多仓鼓轮可调式送粉器，喷嘴采用同轴微量式,它具有送粉速度较小且可调、送粉同步均匀、粉末利用率高、稳定性好等特点，对激光熔覆技术的实际应用具有一定的实用价值。首先，按照激光熔覆送粉喷嘴的功能要求，综合机械设计的相关理论知识，对其结构进行创新设计，并利用三维制造软件Solidworks绘制出了一种装配结构的激光熔覆送粉喷嘴的参数化几何模型。其次，是按照多仓式送粉器的功能要求，综合相关资料，对其结构进行创新设计，并利用三维制造软件Solidworks绘制出一种装配结构的激光熔覆多仓鼓轮式送粉器的参数化几何模型。关键词：激光熔覆;同步送粉;同轴送粉;矩形喷嘴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主要符号表功率体积鼓轮的转速合金粉末的质量密度热流强度水流速度热阻热负荷比热时间流热系数导热系数水流量温升目录1绪论 11.1研究背景及意义 11.2激光熔覆技术概述 21.2.1激光熔覆技术的原理 21.2.2激光熔覆技术的特点及应用 21.3激光熔覆送粉系统 41.3.1粉末送粉方式及送粉喷嘴 41.3.2同步送粉装置 61.4激光熔覆送粉器的国内外研究现状 71.4.1国外研究现状 71.4.2国内研究现状 81.5本文主要研究的内容及其意义 92激光熔覆送粉装置的设计 102.1设计依据 102.1.1多仓式的设计依据 102.1.2鼓轮式送粉方式的设计依据 102.1.3粉末输送的机理 112.2同轴式送粉装置的设计 112.2.1结构设计 112.2.2尺寸设计 112.3主要功能分析 153激光熔覆送粉器喷嘴的设计 173.1设计依据 173.1.1出光部分依据 173.1.2喷嘴应具备冷却装置 183.1.3粉末对激光的遮盖影响 183.1.4粉末吸收的能量及被加热后的温升 183.1.5光粉相互作用机理 203.1.6喷嘴应具备良好的汇聚性 213.2同轴送粉喷嘴的设计 213.2.1结构设计 213.2.2尺寸设计 223.3主要功能分析 234总结 26参考文献 27致谢 29毕业设计（论文）知识产权声明 30毕业设计（论文）独创性声明 311绪论激光熔覆技术作为一项先进的制造技术，是一种兼具多门类、综合性高科技的加工制造方法，其可使涂层与基体实现冶金结合，大幅度改善和提高机体表面性能，并且几乎可以熔覆所有的合金或陶瓷材料，因此在各个领域有着广阔的应用前景。送粉装置是激光熔覆中重要的配套工艺装备，是得到良好熔覆层质量的重要保证，送粉过程是多方因素共同作用的结果，对送粉器进行研究可有效的指导激光熔覆，提高熔覆质量，提高粉末的利用率，降低加工成本。1.1研究背景及意义课题来源于西安高斯激光公司下一步开发的研究项目。激光熔覆技术通过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与基材表面薄层一起熔化后凝固，在基材表面形成冶金结合的添加熔覆层，大大的改善了基材的表面质量，同时可以修复表面破损。采用不同的送粉方式及送粉工艺参数对熔覆层的质量有这直接的影响，随着激光熔覆技术的日渐成熟及应用范围的不断扩大，其对送粉装置设计的合理性、可控性和精度等要求不断提高，因此开发高性能的工艺装备是非常重要的。同轴送粉法是目前最为先进的激光熔覆送粉术，它克服了单侧送粉的缺点，能够将粉末均匀分散成环型再汇聚后送入聚焦的激光光束熔池中达到各向同时均匀性的功能。同轴送粉装置在激光熔覆生产中可以灵活使用，易于实现自动控制，达到特殊的加工效果，因而，本文选用同轴送粉技术作为激光熔覆的送粉方式，对同轴送粉机理进行研究并设计相关的应用装置。激光同轴送粉过程是依靠自重将粉末输送、粉末与送粉装置碰撞、粉末受到激光束照射融化、熔化的粉末落入熔覆层凝固的综合结果，涉及粒子动力学、两相流运动学、传热学、计算机技术等学科。与传统侧送粉技术相比，同轴送粉技术需要将单束粉末流均匀分为多束，然后在同轴送粉装置内均匀混合喷出，同时，送粉装置的不同结构形式对粉末的碰撞、摩擦、运动均匀性影响较大，使得粉末喷出后的浓度、速度和受热熔化状态在时间和空间会有不同的分布，伴随着颗粒的不同运动结果对熔覆层的外貌形态与微观组织也产生较大变化。尽管许多学者对激光熔覆同轴送粉技术进行了大量的理论、实验和数值仿真研究，并取得了很大的进展，但由于不同结构条件的送粉过程、粉末汇聚结果各不相同，对许多影响粉末运动和汇聚的因素只作了定性分析，对于使用同轴送粉装置加工条件下的同轴送粉机理、粉末均匀输送规律缺乏进一步的认识。在同轴送粉过程中，为了实现激光能量在粉末颗粒和熔覆层之间的合理分配，明确不同参数对激光能量分布的影响，需要对同轴送粉装置进行创新设计；更为重要的是，为了获得好的粉末聚焦浓度分布，提高粉末利用率，需要设计同轴送粉喷嘴不同的最佳几何参数对粉末喷射后聚焦浓度的影响。因此，为了提高激光熔覆同轴送粉效率及粉末利用率，需要设计出良好的同轴送粉装置。1.2激光熔覆技术概述1.2.1激光熔覆技术的原理激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改性技术及再制造技术。指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上,可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能,可以极大提高材料的使用寿命。同时,还可以用于废品件的处理,实现绿色快速再制造，大量节约加工成本，减少浪费。激光溶覆应用到快速制造金属零件,所需设备少,可以减少工件制造工序,节约成本,提高零件质量,广泛应用于航空、军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。图1.1所示的是激光熔覆原理示意图。图1.1激光原理示意图1.2.2激光熔覆技术的特点及应用激光熔覆是利用激光束作为热源使两种性质不同或差别很大的材料达到原子结合，同时又不改变（或改变很少）各自的基本性质和性能的工艺方法。与其它表面处理技术如热喷涂技术、堆焊技术以及常规的表面涂覆工艺相比较，激光熔覆具有以下显著的特点：激光熔覆技术可以在廉价、易加工的基本材料表面有选择地制备高性能熔覆层，并且熔覆层的厚度不受限制，还可以根据需要进行单层熔覆后多层熔覆，使表层具备梯度功能；由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，所以激光熔覆对基材的热影响较小，引起的热变形也相对较小；同时，高达106℃/s的冷却速度使熔覆层组织晶粒细小、结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等性能也比较好等；激光熔覆可以将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，且材料的成分亦不受通常的热力学条件的限制，因此所采用的熔覆材料的范围是相对广泛的，包括钴基和铁基合金、陶瓷材料以及碳化物符合合金材料等。另外，实验研究表明，激光熔覆生成的熔覆层具有平整的外观形貌、致密的微观结构、与基材良好的冶金结合性能以及均匀的化学组成。这些特点都可以极大的提高激光熔覆处理后材料表面的耐腐蚀、耐磨损等性能。正是基于上述的一系列优点，激光熔覆技术是激光热处理中研究很早、很多、进展很快、应用很广的一种新工艺，被认为是一种新的、很有发展前景的表面改性和绿色再制造的技术。随着大功率激光器的日益商业化和激光熔覆送粉器的不断研制开发，带动了激光熔覆技术的迅猛发展，加快了激光熔覆技术工业用用的步伐。现如今，激光熔覆技术在工业中的应用大致有一下几个方面：a.汽车工业中的应用：汽车发动机的缸套是易磨损部件，使用激光淬火可以有效地解决缸套磨损问题，延长使用寿命。在汽车工业中，汽车覆盖件如驾驶室、引擎盖等部件都是通过冲压成型的，而机械冲压对模具的磨损和破坏性很大。模具一旦磨损，冲压出来的产品质量就会下降，为此必须更换新的模具，从而造成模具的浪费和消耗很大，如何提高模具的使用寿命成为该类企业降低生产成本、提高经济效益的重要途径和方法。此前，由于该类模具比较大，进行热处理比较难。很多企业往往不进行热处理或采用火焰法进行处理，效果往往很不理想。而受到技术条件的限制，激光热处理方法在此类大型模具上也少有应用。b.航空工业中的应用：航空航天工业是最先吸收激光熔覆的优点用于生产的部门。通过激光熔覆可以改变钛合金表面显微硬度为800-3000H，用激光熔覆技术对铝合金表面进行表面强化是解决铝合金表面耐磨性差、易塑性变形等问题的有效方法。另外，在钛合金、铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层，材料的耐磨性、耐高温性能等可以得到大幅度提高。c.石油工业中的应用：由于设备在长期的工作中和恶劣的环境下，容易使产品发生腐蚀、磨损的现象，会导致大型零部件的失去工作能力，例如叶轮、大型转子的轴颈、轮盘、轴套、轴瓦等，然而这些零部件价格往往是非常的贵，涉及的零部件品种很多，形状复杂，工况差异较大。因此，在激光熔覆技术的再生产的功能下可以使这些零部件恢复原来的性能，并且加强了这些部件的使用寿命。在现在石化企业中，都会采用激光熔覆技术进行对大型零件修复，不需要预热工件，就可以恢复部件的尺寸，而且后续加工量小，不产生冶金裂纹，硬度也是非常的坚固，修复的效果非常的好。修复的部件强度将会是原来部件的一倍，修复的价格也非常的便宜，更缩短了维修的时间，解决了石油化工业中重要的麻烦。另外，对关键部件表面通过激光熔覆，使重要部件具有超耐磨抗的特点，同时大大的提高了部件的使用寿命。d.其他方面的应用：矿山机械零件的激光强化与修复，截齿是采掘机组上直接切割煤岩的关键零件，属易损件。其失效方式主要是磨损失效，磨损失效的主要形式为截齿端部基体磨损，导致合金头剥落。激光强化截齿端头表面硬度、耐磨度有明显提高，截齿使用寿命显著延长。与普通截齿相比，激光熔覆截齿寿命延长了3-4倍，表面合金化截齿寿命延长5-6倍。另外随着激光熔覆三维同轴送粉器的研制，激光熔覆技术与计算机技术、快速成型等技术理念耦合，已发展成为激光再制造技术。它是以金属粉末为材料，在具备有零件原型的CAD/CAM软件支持下，CNC(计算机数控)控制激光头，送粉工作和机床按指定空间轨迹运动，光束与粉末同步输送，形成一支金属笔，在修复部位逐层熔覆，最后生成与原型零件相近似或相同的完好零件。同时利用IR比色测温传感器对加工过程进行监控，控制成型的精度。1.3激光熔覆送粉系统1.3.1粉末送粉方式及送粉喷嘴在激光熔覆送粉的方式可分为预置粉末法和同步送粉法两种。a.预置粉末法是将待熔覆的合金粉末用适当的方法预先覆盖在基材的表面,然后用光束扫描。理想的涂层应厚度均匀、孔隙率低，并且与基体有良好的附着性，在激光扫描时无不良作用存在。预置的方法主要采用热喷涂或粘结等方法。热喷涂的优点是喷涂效率高，可获得大面积涂层，涂层材料基体不受污染，涂层厚度均匀且与材料结合牢固，激光熔覆中不易脱落；其不足是粉末利用率低，需要专门的设备与技术，操作程序也较复杂。粘结预置法就是针对热喷涂的不足而发展的，其优点是具有较好的经济性和方便性，但这类预置层导热性差，需要消耗更多的激光能量，粘接剂的气化和分解也易于对熔覆层合金造成污染和气孔等缺陷，激光熔覆中粘结层易脱落。b.同步送粉法是通过送粉装置在激光熔覆的过程中通过一定的机械装置将合金粉末送入管路，并控制送粉量大小，依靠粉末自重或气体载送实现粉末传输控制传输速度，再由喷嘴导引粉末直接送入激光作用区,在激光作用下基材和合金粉末同时熔化,结晶形成合金熔覆层。该方法是目前最为先进的激光熔覆技术，它可大大提高熔覆质量，降低熔覆层的稀释率和基材的热影响，与预置熔覆相比可使所需的熔覆能量降低一倍以上，还易于实现自动控制，现在已被广泛采用。因此,同步送粉法是激光熔覆技术的首选送粉方法,国内外实际生产中采用较多。同步送粉激光熔覆中合金粉末是由送粉器传送到激光熔池中的,目前专门应用于该项技术的送粉设备有螺旋式送粉器、转盘式送粉器、刮板式送粉器、毛细管送粉器、鼓轮式送粉器、自重式送粉器、刮吸式送粉器等。以上这些送粉器都有各自的特点,适合于不同的情况[1]。送粉喷嘴则是将从送粉装置输送出来的粉流转变为不同形状并送入激光熔池中，起到控制粉末流的喷入角度、截面尺寸、粉流均匀等作用，喷嘴的结构和性能直接影响整个加工效果。同步送粉用的送粉喷嘴有几种不同类型，它们的工作方式和优点各不相同，其中比较有代表性的主要有如下两种：（1）激光熔覆旁轴送粉喷嘴，其原理图如图1.2所示：其中：1-光路镜筒；2-激光头；3-熔覆层；4-工作台；5-试样；6-送粉管；7-运动方向。图1.2旁轴送粉原理图由于这种偏置一侧的旁轴送粉喷嘴设计起来比较简单，并且粉末的出口和光的出口相距比较远而不会出现因粉末过早熔化赌赛送粉口，因而得到了广泛的应用。但其最大的局限是在于送粉方向只有一个，这使得当加工面是平面时加工轨迹只能是一条直线，而不能走诸如圆、方形等这些曲线，其方便性、灵活性受到极大限制，不能实现在任意方向生成均匀的熔覆层，所以不适用于3D熔覆。（2）激光熔覆同轴送粉喷嘴及其原料示意图如图1.3所示。其中：1-粉末束；2-试样；3-工作台；4-熔覆层；5-光束；6-光路镜筒；7-运动方向。图1.3同轴送粉原理图同轴送粉喷嘴则克服了旁轴送粉喷嘴的很多缺点，它能够将粉末均匀分散后在汇集成一点送入聚焦的激光熔池中，即粉末流与激光束同轴输出，故能很好地适应扫描方向的变化，其输出的粉流具有激光技术所需要的各向同性的特点，在生产中可以像使用一支金属笔那样灵活地使用。同轴送粉激光熔敷能得到沿各个方向性能一致的熔敷层。本课题所研究的新型激光熔敷喷嘴就是采用自重式送粉方的同轴送粉喷嘴，它是针对公司即将研发的下一个项目“激光熔覆”所设计的矩形式同轴送粉喷嘴，打破传统的圆形喷嘴。它具有冷却面积大，一次性加工面积大，工作效率高，可以保证送粉均匀性良好的一种新型的矩形孔式同轴送粉喷嘴。1.3.2同步送粉装置同步送粉装置主要由贮粉斗、贮粉槽、粉勺和送粉鼓轮等组成。其中，送粉装置和送粉喷嘴是激光熔覆的核心部件。送粉装置的主要作用是将粉斗中的粉末变成均匀连续的粉流，实现此功能可以有不同的实现方式。根据送粉方式的不同，目前国内外已经研制的送粉器主要可以分为：螺旋式送粉器、转盘式送粉器、刮板式送粉器、毛细管式送粉器、鼓轮式送粉器等。其工作原理包括：重力场、气体动力学和机械力学等。本文是采用鼓轮式送粉装置，其工作原理如图1.4所示。粉末从贮粉斗落入下面的粉槽，利用大气压强和粉糟内的气压维持粉末堆积量在一定范围内的动态平衡。鼓轮匀速转动，其上均匀分布的粉勺不断从粉槽舀取粉末，然后从右侧倒出粉末，粉末由于重力从出粉口送出。通过调节鼓轮的转速和更换不同大小的粉勺来实现送粉率的控制。图1.4鼓轮式送粉器1.4激光熔覆送粉器的国内外研究现状随着激光熔覆技术的不断成熟与发展，对激光加工的配套设备的要求越来越高。目前为送粉喷嘴输送粉末的供料装置使用较多的结构的主要有：基于刮板式的供料装置、基于气体动力学的刮吸式供料装置、基于机械力学的螺旋式供料装置、基于超声振动的毛细管供料装置基于重力学自重式送粉装置等，这些装置的送粉速率一般由直流马达转速确定，转速愈高，粉末流动速度愈快，可以实现多种粉末的混合输送。但也存在送粉量不易精确调节，堆粉堵粉现象，结构相对较复杂，成本较高。激光熔覆加工技术在工业应用和科学研究中具有重要的应用前景，送粉器的设计和开发是激光熔覆设备的关键技术之一。随着激光熔覆技术的快速发展，以及对熔覆层的加工精度和质量要求的提高，国内外相继研发了基于不同原理的送粉器。1.4.1国外研究现状国内激光熔覆的研究始于20世纪70年代初，到20世纪80年代已发展成为表面工程、摩擦学、应用激光等领域的前沿性课题。进入20世纪90年代后，该领域的科学研究与应用开发都蓬勃发展,在工业上已经有了一些实际应用,尤其在轧辊行业中利用激光熔覆技术对轧辊表面进行改性和修复已成为国内外普遍关注的实际问题。作影响熔覆层质量重要因素之一的送粉技术送粉装置也受到了越来越多的重视。目前激光熔覆送粉方式主要有两种，即预置粉末法和同步送粉法[1]。1.4.2国内研究现状国内激光熔覆的送粉过程自动化控制还不全面，配套设备较差。激光装备的研究特别是激光供料装置的研制较少，研制出的供料装置的送粉工艺稳定性不能令人满意。目前国内的激光熔覆用供料装置主要有鼓轮式、刮板式和螺杆式等几种，只适用于较大或较小粉量的送进，存在每次送粉结束有粉末残留的问题，表1.1中列出了不同供料装置的送粉特性。表1.1不同供料装置送粉特性名称原理粉末干湿粉末直径/µm粉末输送率刮吸式螺旋式转盘刮板式毛细管消磨针式转刷式气体动力学机械力学机械力学重力杨气体力+机械力摩擦力学干粉干、湿干粉干粉干、湿干粉>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轴送粉喷嘴的研究方面，美国联合技术研究中心在1979年已将侧向送粉的方式运用于激光熔覆，但鉴于侧向送粉的粉末各向异性，不能满足日益发展的激光熔覆制造与研究，因此西方发达国家的研究机构开始高度重视同轴送粉喷嘴的研究。LENS工艺研究了一种环形同轴送粉喷嘴，首次将同轴送粉喷嘴应用于金属零件的激光快速成形。Lasform成形工艺、DLF成形工艺和DMD成形工艺等均采用了环形同轴送粉喷嘴。以上几种喷嘴的组成结构均为多层同心锥筒设计，结构上有轴光束通道、粉末通道、冷却水管路和保护气通道，粉末流采用多路垂直方式进入，在靠近喷嘴的端部设计有冷却装置，结构如图1.5所示。图1.5环形同轴送粉喷嘴目前，国内设计应用的同轴送粉喷嘴结构和国外的结构相似，均为多路环向送粉，以气体保护回路和水冷却回路作为辅助结构，由于国内的研究较晚，与国外送粉系统相比在自动化水平和工艺水平等方面还有较大的差距。1.5本文主要研究的内容及其意义激光熔覆技术，是激光直接快速成形和激光绿色再制造的一种重要方法，它是在快速凝固过程中，通过送粉器向工作区域添加熔覆材料，利用高能量密度激光束将不同成分和性能的合金快速熔化，直接堆积形成非常致密的金属零件和在已损坏零件表面形成与零件具有完全相同成分和性能的合金层。通过激光熔覆，可以无需借助刀具和模具就能从CAD文件直接制造出各种复杂的近净致密金属零件和在已经损坏的零件表面直接进行修复和再制造，以缩短开发周期，节约成本，降低能源消耗，在航空航天、武器制造、汽车石油和机械电子等行业具有良好的应用前景[2]。在激光同步送粉熔覆工艺中，加工质量主要依赖的参数有：加工速度、粉末单位时间输送率、激光功率密度分布、光斑直径和粉末的输送速度；其中粉末单位时间输送率和粉末的输送速度是由送粉器的输送特性决定的，送粉器是激光熔覆技术中的核心元件之一，它按照加工工艺向激光熔池输送设定好的粉末。送粉器性能的好坏直接影响熔覆层的质量和加工零件尺寸等，所以开发高性能的送粉器对激光熔覆加工显得尤为重要[2]。2激光熔覆送粉装置的设计本文基于Dlight4000高功率半导体激光器的接口进行同轴送粉装置的结构设计，激光器的最大功率4KW，激光器焦距为300mm，加工时激光聚焦后的光斑为6.8X2.98mm2的矩形。光路系统的示意图如图2.1所示。图2.1激光熔覆光路示意图2.1设计依据2.1.1多仓式的设计依据激光熔覆送粉装置是为激光加工提供原料，它主要实现的功能就是均匀定量的输出一种或多种合金粉末，由于基材的不同而需要多种金属粉末混合起来使用，古采用多仓试的送粉装置，可以减少人工的参与、混合均匀等优点。其结构有一下几个设计要点：a.在设计多仓式要考虑粉末的储存量，确保平时每次加工的原材料够用，而不用在加工的过程中再次上料。b.工作时要考虑粉末在输送的流畅性能，不会出现堵塞、挤压成块的现象。c.每次取粉时保证粉勺能够装满，均匀的输送粉末，最后能够把勺里的粉末依靠自身的重力和离心力的作用下完全送出去。2.1.2鼓轮式送粉方式的设计依据现有的送粉方式有：螺旋式送粉器、转盘式送粉器、刮板式送粉器、毛细管式送粉器、鼓轮式送粉器等。用刮或挤的方法对粉末进行取粉，再用气流沿管路送到工件表面。此类装置存在以下缺陷：a.是由于熔覆粉料受送粉机构的挤压、摩擦，会使粉料结粒，堵塞出粉口，造成送粉不均匀，直接影响涂敷质量。b.是由于送料采用气流输送方式，控制不好，熔覆粉料容易被输送气流吹跑、吹散、吹不到位等，既影响熔覆质量，又浪费了粉料，同时还影响或污染了环境。为了能够使激光熔覆得到高质量的效果，本课题设计要解决的技术问题是针对上述技术的不足，提供一种更为简单、有效和可调节的送粉装置，它具有送粉均匀，保证质量，粉末利用率高，不污染环境等诸多优点。设计一种同步式送粉的激光熔覆送粉器。2.1.3粉末输送的机理多仓式同步送粉激光熔覆送粉器的粉末输送机理是，首先将准备好的粉末装在粉斗内，通过本身的自重，粉斗内的粉末通过输料管储存在粉槽内，将粉槽装满，且同时可以将两种不同的粉末同时输送，通过分别控制步进电机的转速，并且可以严格的按照一定的比例混合起来，大大提高了人工搅拌的不均匀现象，减少人力，节约加工成本。一方面，粉沫是在轮毂式送粉轮的一侧堆积，且粉沫堆积的上方为自由空间，以及送粉轮匀速转动和由下而上的取粉方式，可以避免或减少了对粉料的挤压、摩擦、因而可以避免或减少粉料的结粒和堵塞，从而保证和提高熔覆质量；另一方面，送粉没有使用气流吹动，而是依靠轮毂式送粉轮匀速转动的粉勺把粉料定量取走，随后依靠重力和鼓轮转动所产生的离心力把粉勺里全部的粉料从垂直的出料口自然送出，即采用重力式送粉方式，没有粉末飞散，容易控制，又提高了激光熔覆过程中的粉料利用率，同时也避免了对环境的污染。因此，与传统的刮板式或螺杆式同步送粉激光熔覆送粉器相比，多仓式同步鼓轮激光熔覆送粉装置具有结构简单(不需要气动系统)、送粉均匀、清洁生产、提高质量等诸多优点，具有明显的经济和社会意义。2.2同轴式送粉装置的设计2.2.1结构设计多仓式同步送粉的激光熔覆送粉装置，其主要包括壳体、其上面安装有贮粉斗，其下面开有出粉口，壳体内贮粉斗的下面安装有贮粉槽，贮粉槽内安装有与贮粉斗的斗口接通的料位管，其特征在于所述的贮粉槽内安装有与贮粉斗的斗口接通的料位管；所述贮粉槽的一侧开有一个缺口，缺口与壳体内的圆形空心座接通；所述的圆形空心座在缺口对应的另一侧与所述的出粉口垂直相切接通；所述的圆形空心座内匹配安装有轮毂式送粉轮，且轮毂式送粉轮的圆周上均匀的安装上多个粉勺，所述的出粉口上端侧面接通粉勺，下端与送粉管道插头连接。2.2.2尺寸设计为了保证每次储存的粉料可以多次使用，因此将储粉斗的上端设计成直径为94mm，高为95mm的圆柱桶形，可以储存大量的粉料，中间设计成一个锥台形，目的是为了让粉料可以顺利的向下流，下端是直径分别为24mm和4mm的圆柱桶形，外部带有螺纹，目的是用来调整粉槽内粉末的储存高度，称之为料位管。粉槽的设计是用来装配储粉斗和接通粉勺取粉的通道，在粉槽的内侧靠鼓轮的一侧开有相切的通孔，通过论文与储粉斗连接。鼓轮的设计是直径为64.03mm，上面切出25个燕尾槽，用来安装不同容量的粉勺以满足不同熔覆的要求，中间是带有键槽的通孔，与动力系统步进电机相匹配，其送粉鼓轮三维几何建模图如图2.2所示。图2.2送粉鼓轮三维几何建模图粉勺的设计要考虑每次能舀多少粉料，并且要保证每次都能够粉勺装满，且保证把粉勺里的粉料运送到出口处全部输出，因此将粉勺设计成簸箕型，这样的设计及可以容易取料又可以保证将粉勺内的粉料完全送出去，同时也考虑到不同的熔覆需粉量的不同，将粉勺设计成装粉量不同的一个系列的粉勺，可以满足不同的需求。本文以容积为170.7mm3为例设计的，其三维几何建模结构图如图2.3所示。图2.3粉勺三维几何建模图伺服驱动系统的选择应满足：a.惯性小、动力大，具有良好的动态特性；b.体积小、质量轻，利用功率密度来评价。表达公式： （2.1）式中：输出功率；执行元件的重量。c.高可靠性、高效率、和高准确性；d.便于维修和安装；e.宜于计算机控制。因此步进电机选用86系列两相混合式步进电机LL86HB80型号，步距角为1.8º。按照相关的格尺寸可以直接应用。电机的转速与鼓轮可以输送粉料的体积计算公式如下： （2.2）式中：送粉体积；表示鼓轮有25个粉勺；表示每勺可以装粉料的体积；表示鼓轮的转速。例如选用体积为170.7mm3的粉勺，则粉末输送合金粉末的质量计算公式如下： （2.3）式中：合金粉末的质量；合金粉末的密度。腔体的整体尺寸设计要考虑鼓轮的大小、进粉孔和出粉孔、两个粉仓的大小等因素。因此设计为长220mm、宽53mm、高160mm的腔体，其三维几何建模内部结构图如图2.4所示。图2.4腔体的三维几何建模内部结构图两个分仓的粉末要均匀混合并且还要均等的分别输送到两个喷嘴管喷出，为了能够满足这一要求，利用快速插头FPY的结构就可以满足要求此要求，其结构图如图2.5所示。图2.5利用快速插头FPY的内部结构图整个送粉装置的相关零部件都设计完成，最总的完整装配结果图如图2.6所示。其中：1-粉斗盖；2-贮粉斗；3-粉勺；4-步进电机；5-送粉鼓轮；6-贮粉槽；7-出粉口。图2.6完整的送粉装置三维几何建模内部结构图2.3主要功能分析初步确定送粉装置的尺寸后，利用Solidwroks软件建立多仓式同步送粉装置的三维几何建模。在建造模型的过程中，根据送粉的顺序和功能的时序关系，先按照送粉装置的结构创建基体，然后创建粉斗、鼓轮、粉勺的结构等。如图2.7所示，多仓式同步送粉装置的三维外观图和内部结构图。a外观图b内部结构图图2.7多仓式同步送粉装置的三维几何模型图从外观上看，多仓式同步送粉装置的机构紧凑，体积小，可以储存两种合金粉末，并能够将这两种粉末可以按照任意的比例均匀混合起来，同时一起输送到喷嘴。粉斗中的粉末依靠自身的重力将粉末输送到粉曹内储存一定量，粉末是在轮毂式送粉轮的侧面堆积，且粉料堆积的上方为自由空间，以及送粉轮匀速转动和由下而上的取粉方式，可以避免或减少了对粉料的挤压，摩擦、因而可以避免或减少粉料的结粒和堵塞。送粉没有使用气流吹动，而是依靠轮毂式送粉轮匀速转动的粉勺把粉料定量取走，随后依靠重力把粉料从垂直的出料口自然送出，即采用重力式送粉方式，没有粉末飞散，既提高了激光涂敷过程中的粉料利用率，同时也避免了对环境的污染。在送粉过程中，贮粉槽中粉末由贮粉斗得到补充，使粉料堆积高度一定，并保持在一定送粉量程内的动态平衡。当贮粉槽内料位管的出粉口(下口)被粉料的料位高度面堆积增高而堵塞时，由于气压平衡，使得贮粉斗自动停止供料，当贮粉槽内的粉料被送粉轮匀速送出而使料位高度面逐渐下降达到一定高度时，料位管出粉口处的气压平衡被打破，贮粉斗自动开始供料，因此，贮粉槽内的粉料容量始终可以保持动态平衡，也即位高度面可以自动保持一定，可以保证粉勺每次都能够取走都是满的。这种料位自动平衡设计结构简单、工作稳定、定量取量，特别是为高效、均匀送粉打下了可靠基础。本章首先对激光熔覆多仓式同步送粉装置的设计做了详细的阐述，通过大量的公式推导和结构分析，可以得出送粉量的一些特征参数（如每勺取粉量、粉末的输送速度和电机的转速之间的关系、粉末的储存量等），并对在多仓式同步送粉装置的原则指导下，初步确定了送粉装置的结构。然后建立多仓式同步送粉装置的简单模型并对鼓轮式送粉量与电机转速之间的函数关系表达式进行推导，初步确定了各个零件结构的几何尺寸。最后按照初步确定的结构几何尺寸利用Solidworks创建三维几何模型，并对其主要功能进行分析，设计出了结构简单、工作稳定、送粉精确、效率高的多仓式同步送粉装置。3激光熔覆送粉器喷嘴的设计3.1设计依据激光熔覆同轴送粉喷嘴最基本的功能是实现激光光束焦点与粉末汇集面积重合。以此为前提，为了更好的获得熔覆层的质量效果和使用方便，矩形孔式送粉喷嘴在结构上有以下几个设计要点。3.1.1出光部分依据在设计激光熔覆送粉喷嘴的过程中，应该考虑激光焦平面与加工面之间的位置关系。材料上表面与聚焦透镜焦平面之间的距离称为离焦量，离焦的方式有两种——正离焦和负离焦。如图3.1所示，焦平面位于材料上方时（图a）称为正离焦，反之（图c）称为负离焦。11-激光束，2-聚焦透镜图3.1离焦量原理图送粉喷嘴在用于激光熔覆加工时应该采用正离焦，其原理主要有以下3点：第一，从同轴送粉喷嘴的设计目的来说，是想把粉末均匀分散之后在汇集成一条状送入激光辐射区，而位于焦平面之上的激光辐射区是倒锥型，位于其下的辐射区是正锥型，显然粉末进入正锥型区域时粉末利用率更高些；第二，按几何学理论，当正负离焦量相等时，所对应平面上的功率密度相近，但实际所获得的熔池形状不同，负离焦的时候，材料内部的功率密度比表面要高，形成更强的熔化汽化，使光向材料更深传递，而激光熔覆要求基材表面熔化层极薄，要求材料的稀释率低，显然采用负离焦是不合适的；第三，激光熔覆加工时，送粉喷嘴与加工面的距离是很小的，一般只有几个毫米到十几个毫米，采用正离焦刚好能增大光学系统的工作距离，减少熔池高温及飞溅的熔化物对喷嘴的影响，同时还可以防止熔覆时产生的烟尘污染透镜。3.1.2喷嘴应具备冷却装置在激光熔覆加工过程中，喷嘴出粉口与熔池的距离很近，喷嘴要承受来自激光反射以及熔池热辐射所带来的很高热量，而随着喷嘴的长时间连续工作，会使喷嘴的热量不断累积，最终可能是粉末还未喷出就熔化，使得喷嘴堵塞，更严重的会烧坏喷嘴。所以为了防止在连续加工的喷嘴不能正常工作，在设计喷嘴的时候，应该考虑要冷却的腔体结构，这里采用循环水冷却的方式进行冷却。其三维几何结构如图3.2所示。其中：1-进水口；2-冷却内腔；3-喷粉嘴；4-出水口；5-光路通道。图3.2冷却内腔的三维几何结构图3.1.3粉末对激光的遮盖影响遮光率是指粉末遮挡的功率与激光原始辐照功率之比，如图#所示，其值对应于射出的粉末颗粒在激光照射方向上的遮挡面积或者说粉末颗粒与光束相交面在熔覆层和基体上的投影与激光束本身在基体和熔覆层上的投影面积之比。由于粉末在射流中的体积分数很小，一般的模型都假设一个颗粒在另一个颗粒上的阴影忽略不计，也就是说这些颗粒在遮蔽激光时全部展开毫不重叠，且激光束在透过熔覆材料颗粒空隙时不发生衍射、散射。3.1.4粉末吸收的能量及被加热后的温升粉末在遮挡激光的同时，也吸收了部分激光能量，从而使自身的温度升高。对于一个完备的熔覆模型还必须考虑进入熔池自由表面（熔池的气-液界面）的粉末颗粒的温度。实际上，在不考虑等离子体影响的情况下，粒子直接吸收激光辐射能，并放出辐射能。在空气中粉末颗粒也会由于空气对流散失能量，粒子之间也会相互加热。这些能量在总能量中的比例很小，为了计算方便，在一般的模型中都假设：a.粉末颗粒在气-粉射流中的体积分数很低，可以忽略激光的反射、折射和粒离子之间的相互加热，忽略对流换热。b.粉末颗粒是半径为rp的球体。由于粉末颗粒足够小，在能量计算时将其看成一个点，粒子的热导率为无限大，即认为粉末颗粒的温度是均匀一致的，在迎光面和背光面没有差异。c.粉末颗粒只在迎光面吸收能量，但对外辐射则在整个球体表面发生。d.粉末不吸收来自基体的反光。冷却水流量对冷却壁热面温度的影响，其中冷却水与冷却量换热计算公式： （3.1）式中热流强度，kW/m2;冷却壁热面温度，℃；冷却水进水温度，℃；冷却水与冷却壁热面之间的热阻，（m2·K）/W。热阻R主要由冷却水与 （3.2） （3.3）式中水管与冷却水对流热系数，W/（m2·℃）;冷却水导热系数，W/(m·℃);冷却水比热容，J/（kg·℃）;水流速度，m/s;水管外径，m。因此喷嘴所承担热负荷必须通过水冷却水带走，利用热流强度转换成冷却水流量计算公式如下： （3.4） （3.5） （3.6）式中热负荷，kJ/h;冷却面积，m2;冷却水比热容，kj/(kg·℃)；冷却水流量，m3/h;冷却水进水温度，℃；冷却水出水温度，℃。利用上面的公式就可以计算出在激光熔覆加工中喷嘴冷却水所需的速度和流量，有效的冷却可以保证熔覆的质量。在激光熔覆加工中，激光的吸收率R约为90％，对于激光功率P=4KW的高功率半导体激光器，假设在输出过程中没有损失且所有未被利用的激光全部被喷嘴吸收，侧其温度的计算过程为： W （3.7）当喷嘴连续工作时， （3.8）式中质量，比热，温升，加工时间。这里m=2Kg，喷嘴的材料1Cr13的密度ρ=7.75kg/m3,20℃时比热CP=435J/(kg℃),根据上述公式可得 （s/℃） （3.9）即约5.4375ΔTs喷嘴升温1℃，1Cr13材料的熔点T熔=1430℃，则若不施加冷却系统的话，从25℃开始升温，1小时左右喷嘴就会被烧损，故喷嘴必须添加冷却系统。 当（3.10）时，保证喷嘴无明显温升。其中，(ml/s)冷却水流量；=1000J/(kg℃)；冷却水的温升。为了保证水管即密封件，控制水的温升小于35℃，则 ml/s （3.11）即在设计喷嘴用于熔覆加工时，冷却水的最小流量为10ml/s，送粉喷嘴无明显温升，可以保证期长时间连续工作。3.1.5光粉相互作用机理熔覆粉末材料通过同轴送粉喷嘴输送到熔池，在此过程中粉末颗粒穿越激光束吸收能量，温度升高，有些粉末颗粒在到达基材表面时可能已经熔化，其状态对熔覆层表面质量有很大影响。因此分析粉末颗粒穿越激光束时的光粉相互作用规律对掌握激光熔覆送粉机理有重要意义。激光熔覆同轴送粉过程中，激光束、粉末颗粒、基体的相对位置关系如图3.3所示。图3.3同轴送粉粉末与光束的相对位置3.1.6喷嘴应具备良好的汇聚性在激光熔覆加工过程中，粉末的汇聚性能（包括粉末汇聚见面的大小和聚焦距）不仅直接影响熔覆层形貌和质量，而且粉末流汇聚性不好会导致粉末利用率降低，造成大量昂贵金属粉末的浪费，增加加工成本，不利于激光熔覆技术的推广应用。本课题所设计的同轴矩形孔式送粉喷嘴采用自重式送粉，粉末颗粒依靠自身的重力输送和喷射汇聚过程，所以粉末从喷嘴喷射出来后的汇聚性能主要受喷嘴结构尺寸的影响。对于矩形孔式喷嘴，送粉通道一般不止一个，送粉通道的结构和布置形式可以应可以使沿着送粉孔喷射出来的粉末汇聚到矩形激光辐射下的熔池内，保证粉末流与激光束同轴输出，并且粉末流的矩形粉面大小不大于激光矩形光斑的尺寸，以此达到提高粉末利用率的效果。送粉喷嘴的几何尺寸对粉末流的汇聚性能及熔覆的质量都有显著的影响，因此本课题着重对送粉喷嘴几个尺寸与粉末汇聚性能之间的影响关系展开研究，期待找到喷嘴结构尺寸参数的最优水平组合，并在此指导下设计出具有良好汇聚性能的激光熔覆送粉喷嘴。3.2同轴送粉喷嘴的设计3.2.1结构设计本课题所设计的矩形孔式同轴送粉喷嘴的机构如图3.4所示，喷嘴中心开设一个圆柱孔作为激光束通道，沿圆柱孔方向均匀分布送粉通道、冷却通道，送粉通道呈锥状均匀分布于激光通道外侧两个，同时聚焦于光束轴上，在喷嘴的激光束通道内壁上加工出一个冷却内腔，用冷却套于与激光束通道分离开，通粉管道通过冷却内腔。从加工方法上来看这种结构的送粉喷嘴，其送粉通道是采用钻孔方法加工的，单独加工送粉通道，喷嘴采用特殊加工，内腔加工成一个矩形孔，是将圆柱型的粉流改变成矩形状后喷射出去。由于送粉通道要通过冷却内腔，加工空难，所以先加工成管状，再在冷却结构上钻出两个孔，最后利用焊接将送粉管道和冷却腔密封起来。其冷却腔和冷却套形成一个密封的内腔，冷却套内部是激光束通道，外部与冷却腔相连，使用密封螺纹紧密连接。a沿着进水孔的刨面b沿着送粉管的刨面图3.4矩形孔式同轴送粉喷嘴的机构图激光通道为喷嘴中心位置开设的通孔，通孔优先选用圆柱形孔，连接头设有四个螺纹孔，与外界固定和调节所使用。送粉通道为内壁光滑的通道，通道的孔径从进粉口到出粉口有圆柱形粉流改变成矩形粉流，各个送粉通道围绕喷嘴的中心轴线均匀分布，其各送粉通道沿着出粉方向的延长线汇聚于一个矩形平面，送粉通道设置为两个，进粉口和出粉口德数目与送粉通道的数目一致。3.2.2尺寸设计综合上述对新型孔式同轴送粉喷嘴的设计要点，我们已对其结构和大体轮廓有了初步的构想，其尺寸设计还需要通过建立喷嘴粉流简化模型作为理论指导。即为建立起来的同轴送粉喷嘴三维几何模型如图3.5所示。图3.5同轴送粉喷嘴粉流简化模型送粉通道倾角的选择：送粉通道与基体表面之间的夹角称之为倾角。根据实践经验"送粉通道的倾角不宜小于60度。倾角的同轴送粉喷嘴沿中心轴线粉末流浓度倾角的增加，粉末流汇聚焦点下移，倾角越大粉末流汇聚后分散得越慢，汇聚效果越好，所以选择70度，在这种倾角条件下，沿中心轴线粉末流浓度最高值分别出现在出粉口平面下端处。倾角较大，粉末流汇聚焦点距离出粉口下端面较远!粉末流的汇聚性较好但反弹现象明显，倾角较小粉末流汇聚焦点距离出粉口下端面较近，在激光加工过程中，受熔池反溅以及激光反射的影响较大，喷嘴容易受热变形，对冷却结构要求较高，易出现送粉通道出口堵塞现象。喷嘴倾角对焦点处粉末流汇聚浓度和焦点半径略有影响，但不明显，综合考虑以上分析结果，本文选择同轴送粉喷嘴送粉通道倾角为70度[6]。喷嘴尺寸的设计，为了满足光斑为6.8X2.98mm2的矩形熔池，将出粉口设计成尺寸为1.45X6.48mm2矩形孔。与70度的倾斜角配合下到达熔池平面时汇聚成6.8X2.98mm2的矩形熔池，喷嘴的大体尺寸设计如图3.6所示。图3.6喷嘴的基本尺寸设计图3.3主要功能分析初步确定喷嘴的结构和尺寸后，利用Solidworks软件建立喷嘴的三维几何模型。建造模型式，根据基体结构与内腔的时序关系，先按照喷嘴的外形构建基体，然后构建内腔形状，内腔与基体进行布尔运算，获得喷嘴的三维几何模型，如图3.7所示的分别是装配的同轴送粉喷嘴的三维外观图和内部结构图。a三维外观图b内部结构图图3.7同轴送粉喷嘴装配体的三维几个结构图从外观上看，本课题所设计的同轴送粉喷嘴有外露的水管、粉管，结构简单紧凑；喷嘴为装配好的一体化结构，利用焊接技术将粉管与腔体焊为一体，其次在有通光孔的密封螺纹的配合，可以保证腔体是一个密封的，利用循环水冷可以大大减轻整个喷嘴的质量同时也大大增加了冷却腔的体积，具有非常好的冷却效果。粉末通过通两个对称的粉管利用自重可以将粉末送到熔池内，送粉质量高，粉末不会乱飞保证粉末的利用率；喷嘴送粉采用了（70度）倾斜工作，不会出现明显粉末偏聚现象，提高粉末质量。为了考核该送粉器的粉末利用率高低，提供了一种粉末利用率计算方法。首先选用某种基材作为激光熔覆的粉末，测定方法是：a.将准备好的标准试样在化学天平上（精密度0.1克）称重后，记下其原始重量。b.用游标卡尺测量试样的长度L，测三次后取平均值。c.激光熔覆试验后，将试样在盛有洒精的器皿中用钢丝刷洗净，烘干后称重，记录此时的重量。则试样的实际增重为： （3.12）由于选用的扫描速度及粉末流量均已知，则激光熔覆时试样的应增重量（即实际注入量）为： (3.13)因此(3.14)即为粉末利用率,每个参数量重复三次后取平均值。通过此方法可以检验激光熔覆的粉末利用率。由于现有的条件和时间有限，无法做出成品来试验，只能理论上进行设计研究。4总结经过三个月的努力，在老师和同学的帮助指导下，激光熔覆送粉器设计顺利完成。本文的激光熔覆送粉器设计总体上分为送粉装置和喷嘴装置两个部分来设计的。用来对材料加工、表面改性、废旧零件的再制造领域。送粉装置采用的是鼓轮式送粉，通过安装在鼓轮的粉勺和电机的转速，可以保证定量稳定的把粉末输送出去。拥有两个粉斗，可以同时输送两只合金粉末，并将其均匀的混合起来，通过送粉管道输送到喷嘴。其性能稳定，微量可调，可以满足大部分的激光熔覆需求。喷嘴装置主要是由喷嘴头和冷却系统组成，它的作用就是将粉末均匀的喷到熔池内，确保准确、定量的输出，冷却系统是为了吸收激光辐射的余热，防止喷嘴装置的温度过高而影响送粉的效果，严重会损坏整个装置。在这次设计中遇到很多的问题，查阅了很多相关的文献，从中吸取优良的设计理论和方法。