激光熔覆同軸送粉噴嘴的研究狀況

薛菲，王耀民，劉雙宇

(1. 長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130022； 2. 吉林省激光加工中心，吉林 長春 130022)

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激光熔覆同軸送粉噴嘴的研究狀況

薛菲1，王耀民2，劉雙宇1

(1. 長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130022； 2. 吉林省激光加工中心，吉林 長春 130022)

摘要：送粉噴嘴作為送粉系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，直接影響著激光熔覆的效果。隨著激光熔覆技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對送粉噴嘴進(jìn)行了深入研究，研制出了多種新型送粉噴嘴，有效的提高了熔覆效果和粉末的利用率。簡要的概括了國內(nèi)外對于同軸送粉噴嘴的研究進(jìn)展以及送粉原理，分析了現(xiàn)有同軸送粉噴嘴現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有送粉噴嘴存在的不足，提出加強(qiáng)送粉噴嘴的設(shè)計(jì)是加速送粉激光熔覆發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，并對同軸送粉噴嘴的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：激光熔覆；同軸送粉噴嘴；研究狀況；現(xiàn)狀分析

0引言

激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)80年代后興起的一種新的表面改性技術(shù)[1,2]，是指在基體表面上涂覆不同材料，這些材料以粉末的形式經(jīng)送粉裝置輸送到基體材料表面，然后通過激光照射使粉末材料熔化后逐漸凝固在基體上，形成一種新的復(fù)合材料，從而改善基體材料表面的耐磨、耐熱、耐腐蝕的特性及其強(qiáng)度的工藝方法[3]。激光熔覆技術(shù)具有很高的經(jīng)濟(jì)效益，它能在形成高性能致密表面的同時不降低基體材料的特性，目前在制造和修復(fù)金屬零件方面已得到廣泛應(yīng)用[4]，另外在航空航天、機(jī)械電子和武器制造等行業(yè)也具有良好的應(yīng)用前景[5]。

在激光熔覆過程中，粉末材料的輸送非常重要，好的輸送可以減少粉末的浪費(fèi)，提高粉末的利用率，得到的熔覆層表面具有較好的各向同性[6,7]，而且更平整光滑等，因此送粉系統(tǒng)成為激光熔覆技術(shù)中的一個非常重要的環(huán)節(jié)，而送粉噴嘴作為送粉系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，它會直接影響熔覆零件的精度，國內(nèi)外學(xué)者對送粉噴嘴進(jìn)行了一系列研究，并取得了一定的成果[8-10]。

1激光熔覆送粉的方式

目前，激光熔覆技術(shù)中主要有預(yù)置粉末法和同步送粉法。預(yù)置粉末法雖然可以大面積熔覆，但制造出的熔覆層容易產(chǎn)生氣孔、變形、開裂和脫落等缺陷[13]，而且預(yù)置的粉末導(dǎo)熱性差，需要激光具有很大的能量。同步送粉法又分為側(cè)向送粉和同軸送粉[11,12]。側(cè)向送粉是指在激光束的一側(cè)安裝送粉噴嘴，因此粉末出口和激光束出口相距較遠(yuǎn)，不會出現(xiàn)粉末過早熔化阻塞光口的現(xiàn)象。側(cè)向送粉具有方向性，只能用于二維軌跡的熔覆，不適用于圓形、方形等復(fù)雜三維軌跡，所以它在某些場合無法完成難度高，形狀加工復(fù)雜的工件的熔覆。而同軸送粉可以滿足不同復(fù)雜零件的制造，沒有方向的限制，所以現(xiàn)在的激光熔覆大多采用同軸送粉的方法[14]。

同軸送粉又分為自重式送粉和載氣式送粉。自重式送粉是依靠粉末的自重進(jìn)行輸送，這種送粉方式粉末利用率高，得到的熔覆層平滑，但是它輸送的粉末連續(xù)性差，并且傾斜送粉時粉末的水平方向動力不足，影響粉末的匯聚，降低利用率造成較大的浪費(fèi)。載氣式送粉是基于固氣兩相流原理依靠氣體的動力輸送粉末，這種方式粉末混合均勻可以連續(xù)的輸送。但是由于受氣體影響較大，難于控制粉末的流向所以粉末利用率低[13]。目前大多數(shù)激光器上都使用的是同軸送粉，但是它有粉末匯聚性差、粉末利用率低和出粉口易堵塞等問題都亟待解決[15-17]?；谕S送粉存在的一系列問題，國內(nèi)外都致力于同軸送粉噴嘴的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，來克服送粉時的一些缺點(diǎn)。

2同軸送粉噴嘴國內(nèi)外研究狀況

早期的同軸送粉噴嘴的結(jié)構(gòu)主要分為兩個腔：內(nèi)腔和外腔。內(nèi)腔是激光束通道：其內(nèi)安裝有聚焦鏡來對激光束聚焦，并且通有惰性氣體以避免飛濺的粉末污染聚焦鏡。外腔是由在內(nèi)腔外圍的圓錐和噴嘴的圓錐外廓形成的環(huán)形圓錐腔即為粉末輸送通道，粉末由氣體通過外腔上端的帶有小孔的金屬圓盤將其均勻送入[12]。但是由于外腔的空隙比較大，輸出粉末容易發(fā)散，而且不能均勻的散落到基材上[18]。圖1為早期的同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖。

圖1　早期的同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖

隨著激光熔覆的進(jìn)一步發(fā)展，為了改善早期送粉器的缺點(diǎn)，科研單位對其進(jìn)行改進(jìn)以提高輸送粉末的均勻性和匯聚性。與早期同軸送粉噴嘴不同，改進(jìn)后的噴嘴有內(nèi)噴嘴、中間噴嘴和外噴嘴構(gòu)成。內(nèi)噴嘴為激光束通道，通過聚焦鏡聚焦激光束。中間噴嘴和內(nèi)噴嘴之間形成的圓錐形空腔為粉末通道，輸送來的粉末在此匯聚[19]。外噴嘴和中間噴嘴之間形成的空腔為水冷腔，保護(hù)由于長時間激光加工引起的噴嘴過熱導(dǎo)致的局部變形而使送粉出口堵塞。改進(jìn)后的送粉噴嘴在粉末的匯聚性和均勻連續(xù)性上有了提高。但是噴嘴離工件表面比較近，粉末容易粘附在噴嘴上堵塞粉末出口，改變粉末的流動方向，不利于送粉噴嘴長時間加工[12]。圖2為改進(jìn)后的同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖[12]。

圖2　改進(jìn)后的同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖

2.1國內(nèi)研究狀況

沈陽航空航天大學(xué)的王維等人設(shè)計(jì)了一種四孔式的同軸送粉噴嘴[20]。此送粉噴嘴的中心依然是激光束通道，沿激光束通道外圍軸向分布4個送粉管，與改進(jìn)后的送粉噴嘴相比，粉末是由4個送粉管噴出而不是匯聚到錐形腔內(nèi)噴出，所以它距離基材表面距離較遠(yuǎn)，避免了出粉口的堵塞。并且這種四孔式送粉噴嘴還采用雙層冷卻，在保留原來激光束通道和送粉通道之間的內(nèi)腔冷卻層的基礎(chǔ)上，又在送粉通道和外錐體之間設(shè)計(jì)上了外腔水冷層。這樣不僅可以提高送粉噴嘴的工作時間還有效的避免了由于噴嘴在高溫影響下的變形而使粉末阻塞出粉口的情況。最后通過粉末匯聚性試驗(yàn)、粉末粒子反彈試驗(yàn)、粉末利用率試驗(yàn)等選取了最佳的粉末管傾斜角度。圖3為四孔式同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖。

圖3　四孔式同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖

盡管上述的四孔式同軸噴嘴提高了粉末的利用率及冷卻性能，但是由于粉末經(jīng)氣體送出后開始是直線輸出，但是不能較長距離的保持，未送達(dá)基體表面便會出現(xiàn)分散的情況，匯聚性和利用率還是有待提升。所以針對這種情況北京工業(yè)大學(xué)的張正偉等人則設(shè)計(jì)了一種雙層送粉管道的送粉噴嘴[12]。載氣式送粉由于粉末受氣體影響很大，不容易控制，利用率≥30%，而非載氣式≥60%[21]。所以這種送粉噴嘴在其送粉管上部安裝粉氣分離體將粉末和氣體分離，粉末經(jīng)送粉管中間層輸出，氣體則由送粉管外層輸出，在粉末流外圍形成管狀氣簾。在氣簾的保護(hù)下，可以較好的保持粉末開始輸出時的狀態(tài)及較長距離的挺度，避免了粉末的分散和反彈，既有效的提高粉末的匯聚性、穩(wěn)定性和利用率又避免了非載氣式(自重式)送粉噴嘴傾斜送粉不足的缺點(diǎn)[22]。圖4為雙層送粉管的同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖。

圖4　雙層送粉管的同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖

沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司也設(shè)計(jì)了一款氣簾保護(hù)式同軸送粉噴嘴，但是它與上述氣簾的形成不同。它是在送粉通道和外腔水冷層中間設(shè)有一空腔，并配著帶進(jìn)氣口的進(jìn)氣管，空腔下端設(shè)計(jì)成垂直邊緣，形成氣簾保護(hù)里面的粉末流，來實(shí)現(xiàn)粉末的高度匯聚和較好的挺度防止粉末的分散。圖5為氣簾保護(hù)式同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖[23]。

圖5　氣簾保護(hù)式同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖

因?yàn)檩d氣式送粉噴嘴的粉末利用率低于非載氣式的，所以現(xiàn)在對于送粉噴嘴的設(shè)計(jì)大多都以粉末的利用率為一個重點(diǎn)考慮因素。田鳳杰設(shè)計(jì)的卸載氣激光同軸送粉噴嘴就是基于非載氣送粉利用率高設(shè)計(jì)的帶有氣固分離均分器的送粉噴嘴[24]，但是卸載了氣體的送粉噴嘴又會有動力不足的缺點(diǎn)。將有送粉器輸送的載氣粉末通過氣固分離均分器將氣體分離，提高了粉末的利用率。分離出的粉末流入送粉噴嘴的送粉通道，在噴嘴內(nèi)的送粉通道外部有的圓錐形空腔，輸入氣體形成保護(hù)氣體，改善粉末的匯聚性。圖6(a)為送粉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖6(b)為送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖。

圖6　(a)送分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，(b)送粉噴嘴結(jié)構(gòu)圖

2.2國外研究狀況

Pratt等人設(shè)計(jì)了一種用于激光熔覆中側(cè)向送粉的單點(diǎn)送粉噴嘴[25]。這種噴嘴上安裝有可以選擇每單位時間輸送到基材上粉末量的裝置，并且還設(shè)計(jì)有一種裝置可以保護(hù)基材表面反射的激光對噴嘴的損害，避免粉末熔化堵塞和粘結(jié)在噴嘴的粉末出口處。由于側(cè)向送粉方向單一，不適于復(fù)雜的三維送粉，所以Stephen Aleshin等人又設(shè)計(jì)了一種同軸的單點(diǎn)送粉噴嘴[26]。內(nèi)噴嘴輸出激光并與外噴嘴同軸，內(nèi)噴嘴有粉末進(jìn)出口，外噴嘴有氣體進(jìn)出口，形成保護(hù)氣體來提高熔覆品質(zhì)。

Heng Pan等人[27]研究了在同軸送粉噴嘴中通過重力驅(qū)動輸送金屬粉末，發(fā)現(xiàn)粉末流與粉末性能、噴嘴的形狀以及保護(hù)氣體的設(shè)置有關(guān)。通過影響保護(hù)氣體方向、氣體流量、粉末通道口直徑大小等進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些因素都會影響到熔覆的效果。

Guijun Bi等人[28]研制的送粉噴嘴帶有監(jiān)測系統(tǒng)可以對激光熔覆系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測，而且它還可以反映送粉噴嘴的溫度，避免連續(xù)長時間工作對送粉噴嘴的損害。提高了送粉噴嘴的壽命，并且有效的改善熔覆效果。

3同軸送粉噴嘴的研究現(xiàn)狀分析

由以上研究可知目前的同軸送粉噴嘴很好的解決了粉末的均勻性、匯聚性、利用率、噴嘴的冷卻和壽命等問題，有效的改善了熔覆層的品質(zhì)。但是仍然沒有設(shè)計(jì)出最佳的同軸送粉噴嘴。以上所研究的送粉噴嘴也大多是基于功率較大的大送粉量的CO2激光器，適用于YAG激光器的精細(xì)送粉噴嘴較少。隨著大功率YAG固體激光器的研究和發(fā)展，它越來越多的被用于激光熔覆中。YAG固體激光波長是1.06 um，波長較CO2激光的短，能減少能量的反射損失，因此它具有較高的吸收率[29]。經(jīng)理論和實(shí)驗(yàn)證明YAG激光的吸收率是CO2激光的3倍[30]。再者YAG激光器制作簡單、操作方便、價(jià)格低廉而且可以使用光纖傳輸，便于實(shí)現(xiàn)加工的柔性化，方便遠(yuǎn)距離和多工位傳輸。脈沖YAG激光器則更適于激光熔覆，具有更突出的優(yōu)點(diǎn)[31]。以脈沖方式工作的激光器不需要連續(xù)的送粉，能實(shí)現(xiàn)小粉量送粉，并且產(chǎn)生的激光束間斷性的注入到基材上，能夠減少由于大量熱量引起的零件變形[30]，較連續(xù)的CO2激光器和連續(xù)的YAG激光器的熔覆效果好，對于精細(xì)送粉噴嘴的研究有指導(dǎo)意義。因此為了改善激光熔覆的效率，科研人員對小粉量的精確送粉也進(jìn)行了一些研究。華中科技大學(xué)閆江松等人研制了一種容積式送粉系統(tǒng)，通過采用雙電機(jī)傳動結(jié)構(gòu)和精確的計(jì)算粉末流量的裝置，實(shí)現(xiàn)小送粉量的輸送[32]。Lehua Qi等人研究使用超聲波振動毛細(xì)管來平穩(wěn)的微量的輸送粉末。不同毛細(xì)管的錐角角度、內(nèi)直徑、外直徑等都對粉末的平穩(wěn)輸送有影響。最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到了適合穩(wěn)定輸送微量粉末的毛細(xì)管錐角角度和內(nèi)外直徑等[3]。

4前景展望

隨著激光熔覆技術(shù)的不斷發(fā)展，對熔覆層的效果要求也越來越高，送粉噴嘴作為激光熔覆送粉系統(tǒng)的一個重要部件，對激光熔覆效果起著至關(guān)重要的作用。經(jīng)過長時間的探索，國內(nèi)外已經(jīng)設(shè)計(jì)出了很多新型的送粉噴嘴，有效的改善了送粉過程時粉末發(fā)散、不均勻、匯聚性差和利用率低等缺點(diǎn)，并且使熔覆得到的復(fù)合材料的表面也更加平整光滑，較好的實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零件的制造和修復(fù)。盡管送粉噴嘴的研究取得了一定成果，但是粉末的匯聚性和利用率仍需要提高。加強(qiáng)送粉噴嘴的設(shè)計(jì)是加速送粉激光熔覆發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，因此進(jìn)行激光送粉頭進(jìn)一步的研究仍有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

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Research on Coaxial Powder Feeding Nozzle for Laser Cladding

XUE Fei1, WANG Yao-min2, LIU Shuang-yu1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Changchun University of Science and Technology,

Changchun 130022, China; 2. Laser Processing Center of Jilin Province, Changchun 130022, China)

Abstract:Powder feeding nozzle is used as one of the key components in the powder feeding system which has direct influences on the effect of the laser cladding. With the development of the laser cladding technology, powder feeding nozzle is studied both at home and abroad, so a variety of new powder nozzles are developed to effectively improve the effect of the cladding and powder utilization ratio and reduce the waste. This paper briefly summarizes the domestic and foreign coaxial powder nozzle progress and powder feeding principle, analyses the existing coaxial powder feeding nozzle status quo, points out the shortcomings of the existing powder feed nozzle and proposes that strengthening the powder feed nozzle design is one of the key issues of accelerating the laser cladding development, and then the predicts the future development of the coaxial powder feeding nozzle.

Keywords:laser cladding； coaxial powder feeding nozzle； research status;situation analysis

收稿日期：2014-11-27

中圖分類號：TG456.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)03-0046-04

作者簡介：薛菲(1987-)，女，研究生，主要從事激光-電弧復(fù)合焊接及激光熔覆方面的研究。