En alimentació coaxial en pols revestiment làser, la interacció entre la pols i el làser afectarà directament la precisió i la qualitat de formació de revestiment. La càmera d'infrarojos no pot obtenir directament el comportament de fusió de la pols en làser. Per tant, analitzant l'absorció de calor per pols, s'utilitza un sistema de càmeres d'alta velocitat per recollir el comportament dinàmic de la fusió de pols i s'estableix un model analític dinàmic del procés de fusió de pols. La influència de la potència del làser en les diferents etapes de fusió i les característiques de temperatura de la pols que entra a la piscina fosa s'analitzen mitjançant simulació. Els resultats mostren que hi ha tres etapes característiques de fusió típiques de "estat sòlid → estat sòlid-líquid bifàsic → estat líquid" en el comportament de fusió dinàmic de la pols recollida pel sistema de càmeres d'alta velocitat en làser. El comportament dinàmic de la fusió de pols es pot analitzar mitjançant un model analític matemàtic, i el comportament termofísic de diferents etapes té un model analític dinàmic d'interacció tèrmica entre pols i làser. S'analitza la influència de la potència del làser, la quantitat de desenfocament i el cabal de gas que transporta la pols en el comportament de la fusió de la pols. Al mateix temps, es simula i s'analitza la influència de diferents potències làser en la durada de cada etapa característica per predir la distribució de temperatura de les partícules de pols que arriben al substrat. Es troba que quan la potència del làser augmenta de 100 W a 1500 W, la temperatura de la pols que entra a la piscina fosa canvia de manera no lineal i la temperatura augmenta de 750 ℃ ​​a 3250 ℃.

El procés de revestiment làser té els avantatges d'un fort enfocament energètic, una petita zona afectada per la calor del revestiment, un bon format, etc. El procés de revestiment és fàcil de controlar, el cost de producció és baix i té bons efectes en la reparació i l'enfortiment de la superfície del metall. parts. Com que el mode de revestiment làser d'alimentació de pols coaxial té un bon acoblament lleuger-pols, una alta precisió de formació, una gran llibertat espacial i una forta isotropia, s'ha convertit en una opció important per a la tecnologia de fabricació additiva làser. La precisió de la formació i el control de qualitat són la clau per a la fabricació additiva làser. Actualment, en la pràctica de producció, la majoria d'ells es basen en un gran nombre de proves de procés i experiència manual per a la regulació. Els models teòrics s'estableixen des de la perspectiva del mecanisme de formació i l'evolució organitzativa per aconseguir la predicció de precisió i qualitat. Entre ells, la interacció tèrmica entre el làser i el material, el mecanisme de distribució de calor, etc. tenen una influència important en la formació precisa i la formació d'alt rendiment del revestiment làser. Per tant, per dur a terme investigacions sobre el mode complex d'interacció tèrmica entre làser i pols, és necessari combinar experiments amb modelatge, analitzar la interacció tèrmica entre pols d'alimentació de pols coaxial i làser, establir un model analític dinàmic i aclarir el mecanisme de la influència de les característiques de la font de calor làser en l'estat físic tèrmic de la pols a punt d'entrar a la piscina fosa.

Actualment, la investigació sobre el comportament físic tèrmic del revestiment làser d'alimentació de pols coaxial se centra principalment en el mode d'absorció i dispersió de la pols sobre el làser, la forma d'interacció tèrmica entre la llum i la pols i l'estat físic tèrmic de la piscina fosa. Entre ells, la interacció tèrmica entre la llum i la pols té una influència important en altres processos físics. Molts estudiosos nacionals i estrangers han dut a terme moltes investigacions sobre això, com Shrey et al. Per al procés de revestiment làser preestablert, es proposa un model d'anàlisi integrat de paràmetres que considera el mecanisme de transferència i pèrdua d'energia i la tensió superficial del material fos per predir la temperatura de la piscina fosa, la geometria del revestiment i la dilució del substrat; Yang Yicheng et al. va utilitzar el mètode de captura d'imatge transitòria "millora de la imatge posterior" i la tecnologia de processament d'informació d'imatge per estudiar les característiques canviants del feix de pols i les partícules sota irradiació làser, va extreure el nombre de partícules en l'estat destacat, l'àrea total de l'àrea brillant i l'àrea mitjana de l'àrea brillant d'una sola partícula com a paràmetres característics, combinada amb la caracterització de la influència dels paràmetres del procés en el procés de fabricació d'additius d'alimentació de pols coaxial làser, i va proposar que el procés d'interacció llum-pols es pugui regulat fent coincidir raonablement els paràmetres principals del procés; Zhu Ming et al. modelat i simulat el comportament d'interacció entre la pols preestablerta i el làser. En resum, la investigació rellevant se centra principalment en la transferència d'energia durant el procés d'acció de la pols lleugera i la distribució espacial del camp de la temperatura del procés d'acció de la pols lleugera, mentre que hi ha menys investigacions sobre el procés dinàmic de l'acció de la pols lleugera, el evolució de l'estat físic tèrmic de la pols durant l'acció de la pols lleugera i l'estat de les partícules de pols que entren a la piscina fosa.

Durant el procés de revestiment làser d'alimentació de pols coaxial, a causa de la presència de vapor metàl·lic i plasma a la superfície de la piscina fosa, és difícil que els mètodes d'imatge tèrmica convencionals reflecteixin amb precisió la temperatura i l'estat de la pols a punt d'entrar a la piscina fosa. . També és molt difícil analitzar quantitativament el mecanisme de la font de calor làser en l'etapa final de fusió de pols. Per tal d'estudiar amb precisió la influència dels paràmetres del procés sobre la temperatura i l'estat de la pols en l'etapa final, un disseny L'alimentació coaxial de pols revestiment làser Es van desenvolupar una plataforma de prova, un sistema d'adquisició d'imatge tèrmica infraroja i un sistema d'adquisició de càmeres d'alta velocitat. Segons les diferents etapes de fusió de la pols, es va establir un model analític termofísic dinàmic que pot descriure el comportament de fusió de la pols. Es va simular i calcular la durada de l'etapa característica de fusió de pols sota diferents potències làser. El model es va corregir i optimitzar segons la càmera d'alta velocitat. Finalment, es va obtenir quantitativament la temperatura i l'estat de la pols quan va arribar a la piscina fosa sota diferents potències làser, la qual cosa va proporcionar una base teòrica per estudiar més el comportament de transferència de calor de la pols a la piscina fosa, l'estat termodinàmic de la piscina fosa. , etc., i va proporcionar una base teòrica per realitzar el control del comportament de fusió de pols.

1 Mètode de prova

Com a substrat es va utilitzar acer estructural al carboni de selecció de prova núm. 45 amb una mida de 120 mm × 80 mm × 6 mm. La pols d'aliatge Ni60A d'alta duresa es va seleccionar com a material en pols amb una mida de partícula de pols de 80 ~ 160 μm. La composició química es mostra a la taula 1. Abans de la prova, la pols es va col·locar en un forn de resistència de 120 ℃ per assecar-la durant 1 h per eliminar la humitat de la pols. Al mateix temps, l'acer núm. 45 es va polir amb paper de vidre per eliminar l'òxid superficial i la pel·lícula d'òxid, i després es va netejar amb alcohol d'acetona per eliminar l'oli superficial.

La font de calor làser FL-Dlight-1500 utilitzada en aquest document es compon principalment d'un làser semiconductor de punt rectangular de sortida directa. La mida mínima del punt és d'1 mm × 3 mm, la longitud d'ona és de 976 nm ± 10 nm i la potència de sortida màxima és de 1 500 W. L'equip d'alimentació de pols és un alimentador de pols de plasma ECPF 2-2 LC i està equipat amb un alt -Boquet d'alimentació de pols anular coaxial de precisió, utilitzant el DIAS fabricat per Aidis. La càmera tèrmica infraroja d'ona curta d'alta temperatura es va utilitzar per observar el procés tèrmic de la interacció tèrmica llum-pols. La temperatura mesurada va ser de 900 ~ 2 500 ℃, l'error va ser de l'1% i la freqüència de mesura va ser de 60 Hz. L'additiu làser i el sistema d'adquisició del procés de remanufactura utilitzava una càmera d'alta velocitat VEO 410L, la velocitat de fotograma de rodatge era de 10 000 fps, el temps d'exposició era d'1 μs, la lent era una lent macro d'enfocament fix Nikon AF60 mm f/2.8D, i la font de llum auxiliar va utilitzar una làmpada de xenó HSX-F300 per millorar el contrast del procés d'adquisició. El sistema de prova i adquisició es mostra a la figura 1.

2 Detecció, modelització i simulació del comportament de fusió de pols

2.1 Adquisició d'imatges tèrmiques d'infrarojos i anàlisi del procés de fusió de pols

Per explorar la distribució de temperatura de la pols a l'espai d'interacció tèrmica llum-pols i l'estat físic tèrmic de la pols que entra a la piscina fosa, la velocitat d'alimentació de la pols era de 0.25 r/min, el cabal de gas portador era de 7 L/min. , l'alçada d'alimentació de la pols era de 20 mm, el desenfocament del làser era de 0 mm i la velocitat d'escaneig era de 4 mm/s en condicions experimentals, es va recollir la interacció tèrmica entre làser i pols sota diferents potències làser mitjançant una imatge tèrmica infraroja, tal com es mostra a la figura 2, i les posicions del broquet i el substrat es mostren a la figura 3.

Tal com es mostra a la figura 2, a mesura que la potència del làser augmenta gradualment, la temperatura del camp d'interacció tèrmica llum-pols augmenta gradualment, l'àrea d'alta temperatura de la temperatura de la pols augmenta gradualment i s'apropa gradualment al filtre d'alimentació de pols i la pols. La temperatura es distribueix gradualment de manera uniforme al llarg de l'eix longitudinal. Mitjançant l'anàlisi, es pot veure que a mesura que la potència del làser augmenta gradualment, la densitat d'energia làser en el camp d'interacció tèrmica llum-pols també augmenta gradualment. L'augment o la disminució de la potència del làser no afecta la trajectòria de moviment de la pols. Tanmateix, si augmenta la potència del làser, després de l'acció de la pols de llum durant el mateix temps, la pols absorbeix una energia làser més alta i la temperatura de la pols augmenta immediatament. Per tant, l'àrea d'alta temperatura de la pols s'estén longitudinalment i s'acosta gradualment al broquet d'alimentació de pols. La proporció de pols fosa abans d'arribar a la piscina fosa augmenta. Quan la potència del làser és de 700 W o superior, la temperatura de la pols augmenta ràpidament i el vapor metàl·lic apareix a prop de la piscina fosa i l'àrea propera a la piscina fosa, i augmenta gradualment amb la potència del làser. El vapor metàl·lic té una gran influència en la mesura d'imatge tèrmica infraroja de la temperatura de la pols. El rang màxim d'imatge tèrmica infraroja és de 2 500 ℃, mentre que la temperatura de l'àrea coberta pel vapor metàl·lic supera aquest rang, i aquesta àrea augmenta amb l'augment de la potència del làser. Per tant, només quan la pols amb baixa potència làser entra a la piscina fosa, la temperatura es pot mesurar mitjançant imatges infrarojes.

2.2 Recollida i anàlisi del comportament d'interacció tèrmica entre l'alimentació de pols coaxial i el làser

Durant el procés de fabricació d'alimentació de pols coaxial làser semiconductor, la pols passarà de "estat sòlid → estat sòlid-líquid bifàsic → estat líquid → expansió de volum → gasificació → plasma" després d'entrar al camp làser. La literatura mostra que l'estat físic de la pols obtinguda sota la interacció tèrmica llum-pols és diferent amb diferents nivells d'irradiació làser, i la diferència de brillantor entre pols pot reflectir directament la diferència en el grau d'interacció tèrmica llum-pols. Mitjançant la "millora de la imatge posterior", la pols sòlida s'introdueix coaxialment al camp làser i la pols s'irradia amb energia làser i s'escalfa. Quan arribi al punt de fusió, continuarà absorbint calor. La calor latent de fusió s'allibera cap a l'exterior i es produeix la transformació sòlid-líquid. En aquest moment, es pot observar que el color de la pols canvia gradualment de negre a blanc brillant mitjançant la fotografia d'alta velocitat. Quan tota la pols canvia de negre a blanc brillant, indica que el canvi de fase s'ha completat. Si la pols fosa continua absorbint calor, el volum s'expandirà. Quan la temperatura arriba a la temperatura de vaporització, es generarà vapor metàl·lic al voltant de la pols fosa i fins i tot apareixerà plasma. El comportament de fusió d'una sola pols és molt similar al comportament de fusió del feix de pols global. Tot i que hi ha més pols durant el revestiment làser d'alimentació de pols coaxial, es pot estudiar el comportament de fusió típic d'una sola pols.

Utilitzant la figura 1, es va construir el sistema de prova de revestiment làser de semiconductors d'alimentació de pols coaxial i es va seleccionar el procés típic de revestiment de pols per analitzar i recollir el comportament de fusió d'una sola pols. Quan la potència del làser s'estableix de manera raonable, la pols que entra al làser no es convertirà completament en vapor metàl·lic o plasma a causa de l'acció del làser, i aquest procés tèrmic d'acció de pols lleugera també és regular. Per tant, es pot simplificar el procés de fusió de la pols que entra al camp d'acció del làser.

Com que la probabilitat que totes les pols es converteixin en gas o plasma és petita i té poc efecte en tot el procés tèrmic, el procés de fusió de pols es simplifica per obtenir tres etapes característiques, tal com es mostra a la figura 4. Sota els paràmetres de velocitat d'alimentació de pols 0.25 r/min, cabal de gas portador de pols 7 L/min, alçada d'alimentació de pols 20 mm, quantitat de desenfocament làser 0 mm i velocitat d'escaneig de 4 mm/s, s'utilitzen diferents potències làser. El procés de fusió de pols sòlid es recull mitjançant vídeo d'alta velocitat i es processa amb el programari Matlab. La brillantor i l'àrea de píxels de la pols que es fon a la imatge s'utilitzen com a senyals característics. L'anàlisi mostra que hi ha tres etapes típiques des del moment en què la pols entra al camp d'acció del làser fins al moment en què cau a la piscina fosa, és a dir, 3 etapa característica 1: l'inici de l'etapa de fusió, la pols s'expulsa de la boquilla, la El temps de moviment és de 0 ~ 9.8 ms, i després d'entrar a l'àrea d'irradiació làser, absorbeix calor i comença a canviar d'un sòlid negre a un líquid blanc. Les característiques de la pols en aquesta etapa són els valors d'escala de grisos 0 ~ 160 i els valors de píxels 0 ~ 2 píxels; Etapa característica 2: l'etapa destacada completa, el temps de moviment de la pols és de 9.9 ~ 12 ms, la pols continua absorbint la calor sota la interacció tèrmica del làser, es fon de dalt a baix i, finalment, es converteix en una partícula líquida totalment brillant. Les característiques de la pols en aquesta etapa són els valors d'escala de grisos 160 ~ 255 i els valors de píxels 2 ~ 5 píxels; Etapa característica 3: la gota fosa entra a l'etapa de la piscina fosa, el temps de moviment de la pols és de 12.1 ~ 18 ms, la pols líquida continua absorbint calor a través de la interacció tèrmica del làser i el volum continua augmentant. També és possible que es produeixi una ploma en aquest moment. Finalment, la pols entra a la piscina fosa com un líquid a alta temperatura. Les característiques de la pols en aquesta etapa són valors en escala de grisos. 255, el valor de píxels és superior a 5 píxels. En resum, la pols experimenta una transformació d'"estat sòlid → estat sòlid-líquid bifàsic → estat líquid" al làser.

2.3 Anàlisi del procés físic tèrmic del comportament de fusió de la pols quan s'introdueix al làser

Com es mostra a la figura 4, la forma de fusió de la pols al làser és dinàmica i el procés d'absorció d'energia també és dinàmic. Per tant, la descripció del comportament de fusió de la pols després d'entrar al làser també hauria de ser dinàmica. No obstant això, la majoria dels existents
Els models físics tèrmics utilitzen equacions estàtiques i d'absorció de calor simple. Per tant, cal establir un model físic tèrmic dinàmic segons diferents etapes característiques per descriure el comportament de fusió de la pols sòlida al làser, i calcular i analitzar l'estat i la temperatura de la pols que entra a la piscina fosa.

2.3.1 Model de font de calor làser

Per analitzar la influència de les característiques de la font de calor en el comportament de fusió de la pols, primer s'estableix un model de font de calor làser. Atès que la forma de transmissió d'energia i el portador en la interacció tèrmica llum-pols són relativament complexos, cal fer els supòsits següents per al procés d'interacció tèrmica llum-pols: ① L'atenuació de l'energia làser es produeix mitjançant l'absorció i la dispersió de pols, ignorant la influència. de plasma; ② L'anàlisi de la densitat d'energia làser que actua sobre la pols està d'acord amb la distribució trapezoïdal; ③ La pols estudiada finalment entra a la piscina fosa després de la interacció entre la llum i la pols; ④ El vapor metàl·lic actua sobre la pols en forma de conducció de calor, però l'efecte és relativament petit, de manera que la influència del vapor de metall en la temperatura de la pols s'ignora a l'estudi. La font de calor làser de semiconductor rectangular és gaussiana distribuïda en la direcció x i trapezoïdal distribuïda en la direcció y, tal com es mostra a la figura 5.

La font de calor làser semiconductor és la distribució trapezoïdal que millor reflecteix la uniformitat de la distribució d'energia en la direcció de la longitud. Al mateix temps, la direcció del revestiment del làser és perpendicular a la direcció de la longitud del punt làser. Per tant, per simplificar el model de font de calor làser, cal suposar que la pols es mou a la piscina fosa al llarg del pla amb l'energia màxima perpendicular a la direcció de l'amplada del làser. Després de ser afectat per la calor del làser, s'analitza el comportament físic tèrmic segons la distribució trapezoïdal de la densitat d'energia del làser. La fórmula simplificada de distribució d'energia làser es mostra a la fórmula (1) de la figura, on: qlaser és la densitat d'energia làser en qualsevol posició de l'espai d'acció de pols de llum; P és la potència del làser; W és l'amplada del punt làser; L és la longitud del punt; y és la distància al llarg de la longitud del raig làser.

Quan el revestiment làser es realitza en forma d'alimentació de pols coaxial, la pols es veu afectada pel flux d'aire que transporta la pols i la forma de moviment és relativament complexa. Per a l'alimentació de pols anular, la pols a l'espai d'interacció tèrmica de pols lleugera es veu afectada per la resistència al flux d'aire i la seva pròpia gravetat, de manera que la forma de força és més complexa i és més difícil analitzar les seves formes de força i moviment. Tanmateix, a causa de l'alta simetria del capçal de revestiment d'alimentació de pols anular i del feix de pols, quan els paràmetres d'alimentació de pols són constants, les pols amb la mateixa secció transversal tenen la mateixa força i la mateixa forma de moviment. Per tant, aquest article analitza el model de moviment de la pols en la secció transversal bidimensional en la direcció central de l'amplada del punt làser i la força
El mode es mostra a la figura 6.

El moviment d'una sola pols des del broquet d'alimentació de pols fins a la piscina fosa es pot descompondre en direccions horitzontals i verticals. El temps de moviment t1 i t2 en les dues direccions es pot calcular per cinemàtica. El temps màxim de moviment en el camp d'acció del làser es pot calcular com t = min[t1, t2], és a dir, vegeu la fórmula (2) de la figura, on: v0 és la velocitat de la pols a la boquilla d'alimentació de pols; az és l'acceleració de la pols en direcció vertical; ay és l'acceleració de la pols en direcció horitzontal; θ és l'angle d'incidència de la pols.
La distribució d'energia làser (1) s'acobla amb el model de moviment de pols (2), i la densitat d'energia qlaser en qualsevol moment t del feix làser s'obté com (3), que es mostra a la figura. On: t és el temps necessari perquè la pols es mogui a qualsevol posició del làser.

2.3.2 Modelització de processos físics tèrmics en l'etapa característica 1

En la primera etapa d'entrada al camp làser, la pols no es fon per la interacció del làser, sinó que canvia d'un estat sòlid de baixa temperatura a un estat sòlid d'alta temperatura. L'equació del balanç de transferència d'energia en aquest moment es mostra a la figura. Fórmula (4) (5). En la fórmula: la pols és sòlida; Qp-sòlid és la calor absorbida per la pols; Qp-solidabs és la calor làser absorbida per la pols a l'etapa t1; Qp-solidcon és la calor perduda per la pols per convecció tèrmica; Qp-solidrad és la calor perduda per la pols per radiació tèrmica; αsòlid és la proporció de la pols que absorbeix el làser; hp-solid és el coeficient de transferència de calor de convecció tèrmica en pols; Tp-solid(t) és la temperatura final en temps real de la pols en la primera etapa característica; ρp-sòlid és la densitat de la pols; Cp-sòlid és la capacitat calorífica específica de la pols; és el radi d'una sola partícula de pols; T0 és la temperatura ambient; és l'emissivitat de la pols al làser; és la constant de Boltzmann.

A partir de la fórmula (5), es pot veure que la durada t1 de l'etapa característica 1 augmenta amb qlaser(t) És a dir, quan la potència del làser P i l'angle d'incidència de la pols θ disminueixen, el desenfocament del làser D i l'inici de la pols incident. la velocitat v0 augmenta, la durada t1 de l'etapa característica 1 augmenta i la velocitat de creixement de la temperatura en temps real de la pols Tp-sòlid(t) es desaccelera.

2.3.3 Modelització de processos termofísics de l'etapa característica 2

La pols comença a experimentar una transició de fase sòlid-líquid. Mentre que la pols absorbeix calor, allibera calor latent de fusió a causa de la transició de fase. En aquesta etapa, l'estat físic tèrmic del portador d'energia làser canvia i l'equació de balanç de transferència d'energia es mostra a la fórmula (6) (7) de la figura. On: Qp-latent és l'energia alliberada quan la pols experimenta una transició de fase.

On: ∆Hf és la calor latent de fusió, i Tm és el punt de fusió de la pols. Com que la diferència de temperatura de la pols és petita durant la transició sòlid-líquid, aquest valor és aproximadament igual a Tm, de manera que la fórmula (7) es simplifica a la fórmula (8) a la figura.

Es pot concloure de l'equació (8) que la durada de l'etapa característica 2 (t2−t1) augmenta a mesura que disminueix la potència del làser P i l'angle incident θ de la pols, i també disminueix a mesura que la mida mitjana de partícula rp de la pols, la velocitat inicial v0 de la pols i la quantitat de desenfocament làser D disminueixen.

2.3.4 Modelització de processos termofísics de l'etapa característica 3

La pols ha completat la transició sòlid-líquid i encara està sotmesa a una calor làser contínua abans de caure a la piscina fosa. A causa de la gran diferència en els paràmetres termofísics de les fases sòlida i líquida de la pols, el procés termofísic d'aquesta etapa s'ha d'ajustar segons els paràmetres termofísics de la transmissió de l'estat líquid. L'equació del balanç de transferència de calor es mostra a l'equació (9) de la figura. A la fórmula: les pols són totes líquides; Qp-líquid és la calor absorbida per la pols; Qp-liquidabs és la calor del làser que actua sobre la pols; Qp-liquidcon és la calor perduda per la pols a causa de la convecció tèrmica; Qp-liquidrad és la calor que perd la pols a causa de la radiació tèrmica.

A la fórmula: les pols són totes líquides; αlíquid és la taxa d'absorció del làser; hp-líquid és el coeficient de transferència de calor per convecció; Tp-líquid(t) és la temperatura en temps real; ρp-líquid és la densitat; Cp-líquid és la capacitat calorífica específica.

A partir de la fórmula (10), es pot veure que la durada de l'etapa característica 2 (t3−t2) està relacionada amb la temperatura en temps real de la pols líquida Tp-líquid (t), la velocitat inicial del moviment de la pols v0, el làser potència P, la quantitat de desenfocament positiu del làser D, l'angle d'incidència de la pols θ i altres paràmetres. Si la temperatura de la pols augmenta al mateix temps, la quantitat de desenfocament positiu del làser D, es pot reduir la velocitat inicial del moviment de la pols v0. Reduïu la potència del làser P, augmenteu l'angle d'incidència de la pols θ i, en aquest moment, la pols durarà més temps a l'etapa característica 3.

2.4 Anàlisi de simulació del comportament de fusió de pols

2.4.1 Efecte de la potència del làser sobre el comportament de fusió de pols

Tot i que la superfície de la piscina fosa està coberta de vapor metàl·lic durant el procés de fabricació d'alimentació de pols coaxial làser semiconductor, cosa que dificulta mesurar la temperatura de la pols quan entra a la piscina fosa, el model anterior es pot utilitzar per calcular la temperatura de la pols quan entra a la piscina fosa i predir l'estat físic de la pols quan entra a la piscina fosa. El model s'utilitza per calcular la durada de la pols en les tres etapes característiques sota diferents potències làser. Amb la mateixa potència làser i altres paràmetres, la durada real de cada etapa característica es registra per una càmera d'alta velocitat. La precisió del model es verifica comparant la durada abans i després. A partir del model obtingut, s'analitzen i jutgen la temperatura i l'estat de la pols quan entra a la piscina fosa.

En les següents condicions de simulació: velocitat d'alimentació de pols 0.25 r/min, cabal de gas portador de pols 7 L/min, desenfocament làser 0 mm, alçada d'alimentació de pols 20 mm, angle d'incidència de pols 45 °, fórmula (3), fórmula (5) , fórmula La temperatura de pols en temps real T(t) corresponent al temps t1, t2 i t3 a (8) i (10) és simulada per Matlab per obtenir la influència de diferents potències làser qlaser en la durada de cada etapa característica t1 , (t2−t1) i (t3−t2). Els paràmetres de simulació es mostren a la taula 2.

El valor de simulació té una certa desviació del valor experimental. El valor de simulació de l'etapa característica 1 sempre és més gran que el valor experimental i el valor de simulació de l'etapa característica 3 sempre és inferior al valor experimental. Els resultats de simulació de la durada de l'etapa característica 1 amb baixa potència i la durada de l'etapa característica 3 amb gran potència són força diferents dels resultats experimentals, perquè la durada de l'etapa característica 1 amb baixa potència i la característica de l'etapa 3 amb gran potència són relativament llarg. Ambdós processos estan interferits per factors com la reflexió de la calor de la piscina fosa i l'elevat calor del vapor metàl·lic, que s'ignoren en el modelatge de simulació, tal com es mostra a la figura 7.

2.4.2 Efecte del desenfocament sobre el comportament de fusió de pols

Sota els paràmetres de velocitat d'alimentació de pols de 0.25 r/min, cabal de gas portador de pols 7 L/min, velocitat d'escaneig 4 mm/s, alçada d'alimentació de pols de 20 mm i potència làser 1 100 W, el desenfocament es va ajustar per estudiar l'efecte del desenfocament sobre la distribució de la temperatura a l'espai d'interacció llum-pols durant el revestiment làser coaxial, tal com es mostra a la figura 8.

Com es pot veure a la figura 8, l'augment del desenfocament augmentarà la quantitat de fusió de la pols al llarg de la direcció lateral del punt làser, i la uniformitat de la distribució de la temperatura de les partícules de pols també es millorarà al llarg de la direcció lateral del punt làser. . L'àrea de l'àrea d'alta temperatura de la temperatura de la pols primer augmenta i després disminueix, i les partícules de pols en estat d'alta temperatura es troben primer a prop i després allunyades del filtre. El motiu és que el desenfocament augmenta des de 0 mm, la qual cosa significa que la secció transversal màxima de distribució d'energia de la direcció lateral del làser es mou gradualment des del substrat fins al broquet. Quan el desenfocament és de + 10 mm, la densitat d'energia mitjana que les partícules de pols poden absorbir en la interacció llum-pols és la més gran; quan el desenfocament supera els + 10 mm Després d'això, la distància entre el focus làser i el substrat és massa gran i el punter làser es troba en un estat divergent, de manera que la densitat d'energia mitjana que les partícules de pols poden absorbir en la interacció llum-pols disminueix amb l'augment de la distància focal. Per tant, s'observa que les partícules de pols es fonen més al llarg de la direcció lateral del punt làser, i la deshomogeneïtat de la pols de fusió disminueix en aquesta direcció, i l'àrea de l'àrea d'alta temperatura de la temperatura de la pols augmenta i després disminueix.

Sota els paràmetres de quantitat d'alimentació de pols 0.25 r/min, velocitat d'escaneig 4 mm/s, alçada d'alimentació de pols 20 mm, potència làser 1 100 W i quantitat de desenfocament 0 mm, ajustant el cabal de gas portador de pols, l'efecte de la S'estudia el cabal de gas portador de pols sobre la distribució de la temperatura a l'espai d'interacció llum-pols durant el revestiment làser coaxial. Quan el cabal de gas portador de pols és de 5, 7, 9 i 11 L/min, tal com es mostra a la figura 9.

A la figura 9 es pot veure que a mesura que el cabal de gas portador augmenta gradualment, el nombre de partícules de pols foses disminueix lleugerament, l'àrea de l'àrea d'alta temperatura de les partícules de pols disminueix relativament i la uniformitat de la temperatura la distribució de les partícules de pols es debilita. El motiu és que el cabal de gas portador afecta la velocitat de moviment i la distribució espacial de les partícules de pols a l'espai d'acció de pols lleuger. A mesura que augmenta el cabal de gas portador, la velocitat de moviment de les partícules de pols a l'espai d'acció de pols lleuger augmenta i el temps d'acció a l'espai d'acció de pols lleuger disminueix, de manera que la temperatura de les partícules de pols a la mateixa posició gradualment disminueix, i la temperatura també disminuirà en conseqüència quan cau a la piscina fosa. El vapor metàl·lic generat durant tot el procés de revestiment també disminuirà en conseqüència, i la concentració de partícules de pols a l'espai d'acció de pols lleuger també està disminuint. En comparació amb la influència de la potència del làser i el desenfocament en la distribució de la temperatura de l'espai d'acció de la pols de llum, el canvi del cabal de gas portador té menys influència en la distribució de la temperatura de l'espai d'acció de la pols de llum.

2.4.3 Simulació de temperatura de l'etapa de fusió de pols a diferents potències làser

Quan la mida de la partícula de pols és de 120 μm, el cabal de gas portador és de 7 L/min, l'angle d'incidència de la pols és de 45 °, la velocitat inicial de la pols és de 0.8 mm/ms i el desenfocament làser és de 0 mm i l'alimentació de pols. l'alçada és de 20 mm. A partir de la modificació del model de física tèrmica, l'eina Matlab s'utilitza per simular la temperatura de la pols corresponent a diferents potències làser, i s'obté la tendència de variació de la temperatura de la pols al llarg del temps sota diferents potències làser, tal com es mostra a la figura 10.

Tal com es mostra a la figura 10, l'increment de l'augment de temperatura de la pols en l'etapa inicial de l'acció del làser és significativament més gran que el de les etapes mitjanes i finals de la fusió, la qual cosa explica el fenomen que la pols sòlida absorbeix més energia làser i perd. menys energia que la pols líquida. En segon lloc, excepte quan la potència del làser és de 100 W, la corba de temperatura té dos punts d'inflexió, és a dir, 1 060 ℃ i 1 260 ℃. Es pot veure que la velocitat de creixement més ràpida és la corba d'escalfament per sota dels 1 060 ℃, i la taxa de creixement més lenta és la corba d'escalfament per sobre de 1 260 ℃. La taxa de creixement de la temperatura en el rang d'escalfament de 1 060 ~ 1 260 ℃ es troba entre les dues anteriors. El motiu és que la pols comença a fondre a 1 060 ℃ i es fon a 1 260 ℃. ℃, i com que la taxa d'absorció i la taxa de pèrdua de la pols al làser en estat sòlid i líquid són diferents, el pendent de la corba d'escalfament és diferent, és a dir, la taxa de creixement de la temperatura és diferent. A més, des de la corba d'escalfament es pot veure que la taxa de creixement de la temperatura augmenta gradualment quan la pols entra al làser per interactuar amb la pols al principi; al final de la fusió, la velocitat de creixement de la temperatura disminueix gradualment. El motiu és que es mouen a la vora de la font de calor làser trapezoïdal i la densitat d'energia canvia.

3 Conclusió

(1) El comportament de fusió dinàmic de la pols al làser es recull mitjançant vídeo d'alta velocitat. Es troba que hi ha tres etapes característiques típiques de la fusió de pols: "sòlid → estat sòlid-líquid bifàsic → estat líquid". La durada de les diferents etapes característiques i l'equació característica de la fusió són diferents. A partir d'això, s'estableix un model analític matemàtic que pot descriure el comportament dinàmic de la fusió de pols.

(2) S'analitzen els efectes de la potència del làser, la quantitat de desenfocament i el cabal de gas que transporta la pols sobre la distribució de la temperatura de la pols a l'espai d'acció de la pols lleugera. Al mateix temps, el model s'utilitza per analitzar l'efecte de diferents potències làser en la durada de cada etapa característica. Es simula i prediu la distribució de temperatura de les partícules de pols que arriben al substrat. Es troba que a mesura que la potència del làser augmenta de 100 W a 200 W, augmenta la temperatura de fusió de la pols. Quan la potència del làser augmenta a 1500 W, la temperatura de la pols que entra a la piscina fosa canvia de manera no lineal. A partir dels resultats de la simulació, es pot trobar que quan la potència del làser augmenta de 100 W a 1500 W, la temperatura de la pols que entra a la piscina fosa augmenta de 750 ℃ ​​a 3250 ℃.