Koaksiālajā pulvera barošanā lāzera apšuvums, pulvera un lāzera mijiedarbība tieši ietekmēs precizitāti un kvalitāti apšuvuma veidošana. Infrasarkanā kamera nevar tieši noteikt pulvera kušanas izturēšanos lāzerā. Tāpēc, analizējot pulvera siltuma absorbciju, tiek izmantota ātrgaitas kameru sistēma, lai savāktu pulvera kušanas dinamisko uzvedību, un tiek izveidots pulvera kausēšanas procesa dinamisks analītiskais modelis. Lāzera jaudas ietekme uz dažādām kušanas stadijām un pulvera temperatūras raksturlielumi, kas nonāk izkausētā baseinā, tiek analizēti ar simulācijas palīdzību. Rezultāti parāda, ka ātrgaitas kameru sistēmā lāzerā savāktā pulvera dinamiskajā kušanas darbībā ir trīs tipiski kušanas raksturīgie posmi: “ciets stāvoklis → ciets-šķidrums divfāzu stāvoklis → šķidrais stāvoklis”. Pulvera kušanas dinamisko uzvedību var analizēt ar matemātisku analītisko modeli, un dažādu posmu termofizikālajai uzvedībai ir dinamisks analītisks pulvera un lāzera termiskās mijiedarbības modelis. Tiek analizēta lāzera jaudas, defokusēšanas daudzuma un pulveri nesošās gāzes plūsmas ātruma ietekme uz pulvera kušanas izturēšanos. Tajā pašā laikā tiek simulēta un analizēta dažādu lāzera jaudu ietekme uz katra raksturīgā posma ilgumu, lai prognozētu pulvera daļiņu temperatūras sadalījumu, kas sasniedz substrātu. Konstatēts, ka, palielinoties lāzera jaudai no 100 W līdz 1500 W, pulvera temperatūra, kas nonāk izkausētā baseinā, mainās nelineāri, un temperatūra paaugstinās no 750 ℃ ​​līdz 3250 ℃.

Lāzera apšuvuma procesa priekšrocības ir spēcīga enerģijas fokusēšana, neliela apšuvuma siltuma ietekmētā zona, laba formēšana utt. Apšuvuma procesu ir viegli kontrolēt, ražošanas izmaksas ir zemas, un tam ir laba ietekme uz metāla remontu un virsmas nostiprināšanu. daļas. Tā kā koaksiālās pulvera padeves lāzera apšuvuma režīmam ir laba gaismas pulvera savienojums, augsta formēšanas precizitāte, augsta telpiskā brīvība un spēcīga izotropija, tas ir kļuvis par svarīgu izvēli lāzera piedevu ražošanas tehnoloģijā. Formēšanas precizitāte un kvalitātes kontrole ir lāzera piedevu ražošanas atslēga. Pašlaik ražošanas praksē lielākā daļa no tiem regulēšanai paļaujas uz lielu skaitu procesa pārbaužu un manuālu pieredzi. Teorētiskie modeļi tiek veidoti no formēšanas mehānisma un organizācijas evolūcijas viedokļa, lai sasniegtu precizitātes un kvalitātes prognozēšanu. Tostarp lāzera un materiāla termiskā mijiedarbība, siltuma sadales mehānisms utt. būtiski ietekmē lāzera apšuvuma precīzu formēšanu un augstas veiktspējas formēšanu. Tāpēc, lai veiktu lāzera un pulvera termiskās mijiedarbības kompleksā režīma izpēti, ir jāapvieno eksperimenti ar modelēšanu, jāanalizē termiskā mijiedarbība starp koaksiālo pulvera padeves pulveri un lāzeru, jāizveido dinamisks analītisko modeli, kā arī jānoskaidro tās darbības mehānisms. lāzera siltuma avota raksturlielumu ietekme uz pulvera termisko agregātstāvokli, kas gatavojas iekļūt izkusušajā baseinā.

Pašlaik pētījumi par koaksiālā pulvera padeves lāzera apšuvuma termisko fizikālo uzvedību galvenokārt koncentrējas uz pulvera absorbcijas un izkliedes režīmu uz lāzera, gaismas un pulvera termiskās mijiedarbības veidu un izkausētā baseina termisko fizisko stāvokli. Tostarp gaismas un pulvera termiskā mijiedarbība būtiski ietekmē citus fizikālos procesus. Daudzi zinātnieki gan mājās, gan ārvalstīs ir veikuši daudz pētījumu par to, piemēram, Shrey et al. Iepriekš iestatītam lāzera apšuvuma procesam tiek piedāvāts parametru integrētas analīzes modelis, kurā ņemts vērā enerģijas pārneses un zudumu mehānisms un izkausētā materiāla virsmas spraigums, lai prognozētu izkausētā baseina temperatūru, apšuvuma ģeometriju un substrāta atšķaidījumu; Yang Yicheng et al. izmantoja “aizmugurējā attēla uzlabošanas” pārejošo attēlu uzņemšanas metodi un attēla informācijas apstrādes tehnoloģiju, lai pētītu pulvera staru un daļiņu mainīgās īpašības lāzera apstarošanas rezultātā, ekstrahēja daļiņu skaitu izceltā stāvoklī, gaišā apgabala kopējo laukumu un vienas daļiņas gaišā laukuma vidējais laukums kā raksturīgie parametri, apvienojumā ar procesa parametru ietekmes raksturojumu uz lāzera koaksiālās pulvera padeves piedevas ražošanas procesu un ierosināja, ka gaismas pulvera mijiedarbības procesu var regulē, saprātīgi saskaņojot galvenos procesa parametrus; Zhu Ming et al. modelēja un simulēja mijiedarbības uzvedību starp iepriekš iestatīto pulveri un lāzeru. Rezumējot, attiecīgie pētījumi galvenokārt ir vērsti uz enerģijas pārnesi gaismas pulvera darbības procesa laikā un gaismas pulvera darbības procesa telpiskās temperatūras lauka sadalījumu, savukārt par gaismas pulvera darbības dinamisko procesu ir mazāk pētījumu. pulvera termiskā fizikālā stāvokļa attīstība gaismas pulvera iedarbības laikā un pulvera daļiņu stāvoklis, kas nonāk izkausētā baseinā.

Koaksiālās pulvera padeves lāzera apšuvuma procesa laikā metāla tvaiku un plazmas klātbūtnes dēļ uz izkausētā baseina virsmas tradicionālajām termiskās attēlveidošanas metodēm ir grūti precīzi atspoguļot pulvera temperatūru un stāvokli, kas gatavojas iekļūt izkausētā baseinā. . Pulvera kausēšanas beigu posmā ir arī ļoti grūti kvantitatīvi analizēt lāzera siltuma avota mehānismu. Lai precīzi izpētītu procesa parametru ietekmi uz pulvera temperatūru un stāvokli pēdējā posmā, tika izstrādāta koaksiālā pulvera padeve. lāzera apšuvums Tika izstrādāta testa platforma, infrasarkanās termiskās attēlveidošanas sistēma un ātrgaitas kameru iegūšanas sistēma. Saskaņā ar dažādām pulvera kušanas stadijām tika izveidots dinamisks termofizikālais analītiskais modelis, kas var aprakstīt pulvera kušanas izturēšanos. Tika simulēts un aprēķināts pulvera kausēšanas raksturīgā posma ilgums pie dažādām lāzera jaudām. Modelis tika koriģēts un optimizēts atbilstoši ātrgaitas kamerai. Visbeidzot, kvantitatīvi tika iegūta pulvera temperatūra un stāvoklis, kad tas sasniedza kausējuma baseinu ar dažādām lāzera jaudām, kas nodrošināja teorētisku pamatu turpmākai pulvera siltuma pārneses uz izkausētā baseina izpētei, izkausētā baseina termodinamisko stāvokli. utt., un sniedza teorētisku pamatu pulvera kušanas uzvedības kontroles īstenošanai.

1 Pārbaudes metode

Testa atlases Nr. 45 oglekļa konstrukcijas tērauds tika izmantots kā substrāts ar izmēru 120 mm × 80 mm × 6 mm. Par pulvera materiālu tika izvēlēts augstas cietības Ni60A sakausējuma pulveris ar pulvera daļiņu izmēru 80–160 μm. Ķīmiskais sastāvs parādīts 1. tabulā. Pirms testa pulveris tika ievietots 120 ℃ pretestības krāsnī žāvēšanai uz 1 stundu, lai noņemtu pulvera mitrumu. Tajā pašā laikā tērauds Nr.45 tika pulēts ar smilšpapīru, lai noņemtu virsmas rūsu un oksīda plēvi, un pēc tam noslaucīja ar acetona spirtu, lai noņemtu virsmas eļļu.

Šajā rakstā izmantotais lāzera siltuma avots FL-Dlight-1500 galvenokārt sastāv no tiešas izejas taisnstūrveida punktveida pusvadītāju lāzera. Minimālais plankuma izmērs ir 1 mm × 3 mm, viļņa garums ir 976 nm ± 10 nm, un maksimālā izejas jauda ir 1 500 W. Pulvera padeves iekārta ir ECPF 2-2 LC plazmas pulvera padeve, un tā ir aprīkota ar augstu -precīza koaksiālā gredzenveida pulvera padeves uzgalis, izmantojot Aidis ražoto DIAS. Īsviļņu augstas temperatūras infrasarkanais termovizors tika izmantots, lai novērotu gaismas un pulvera termiskās mijiedarbības termisko procesu. Mērītā temperatūra bija 900 ~ 2 ℃, kļūda bija 500%, un mērījumu frekvence bija 1 Hz. Lāzera piedevu un pārstrādes procesa iegūšanas sistēmā tika izmantota VEO 60L ātrgaitas kamera, fotografēšanas kadru ātrums bija 410 10 kadri sekundē, ekspozīcijas laiks 000 μs, objektīvs bija Nikon AF1 mm f/60D fiksēta fokusa makro objektīvs, un papildu gaismas avots izmantoja HSX-F2.8 ksenona lampu, lai uzlabotu iegūšanas procesa kontrastu. Pārbaudes un iegūšanas sistēma ir parādīta 300. attēlā.

2 Pulvera kušanas uzvedības noteikšana, modelēšana un modelēšana

2.1. Infrasarkanās termiskās attēlveidošanas iegūšana un pulvera kausēšanas procesa analīze

Lai izpētītu pulvera temperatūras sadalījumu gaismas-pulvera termiskās mijiedarbības telpā un pulvera termisko fizikālo stāvokli, kas nonāk izkausētā baseinā, pulvera padeves ātrums bija 0.25 r/min, nesējgāzes plūsmas ātrums bija 7 l/min. , pulvera padeves augstums bija 20 mm, lāzera defokuss bija 0 mm, un skenēšanas ātrums bija Eksperimentālajos apstākļos 4 mm/s, lāzera un pulvera termiskā mijiedarbība ar dažādām lāzera jaudām tika savākta, izmantojot infrasarkano termisko attēlu, kā parādīts 2. attēlā, un sprauslas un substrāta pozīcijas ir parādītas 3. attēlā.

Kā parādīts 2. attēlā, lāzera jaudai pakāpeniski palielinoties, temperatūra gaismas pulvera termiskās mijiedarbības laukā pakāpeniski palielinās, pulvera temperatūras augstas temperatūras laukums pakāpeniski palielinās un pakāpeniski tuvojas pulvera padeves sprauslai, un pulveris. temperatūra pakāpeniski sadalās vienmērīgi pa garenisko asi. Izmantojot analīzi, var redzēt, ka, pakāpeniski palielinoties lāzera jaudai, pakāpeniski palielinās arī lāzera enerģijas blīvums gaismas pulvera termiskās mijiedarbības laukā. Lāzera jaudas palielināšana vai samazināšanās neietekmē pulvera kustības trajektoriju. Tomēr, ja lāzera jauda tiek palielināta, pēc gaismas pulvera iedarbības tikpat ilgi pulveris absorbē lielāku lāzera enerģiju, un pulvera temperatūra nekavējoties paaugstinās. Tāpēc pulvera augstas temperatūras zona stiepjas gareniski un pakāpeniski tuvojas pulvera padeves sprauslai. Palielinās pulvera īpatsvars, kas izkusis pirms izkusuma baseina sasniegšanas. Kad lāzera jauda ir 700 W vai lielāka, pulvera temperatūra strauji paaugstinās, un metāla tvaiki parādās pie izkausētā baseina un apgabalā pie izkausētā baseina, un pakāpeniski palielinās līdz ar lāzera jaudu. Metāla tvaikiem ir liela ietekme uz pulvera temperatūras infrasarkano termisko attēlu mērījumu. Maksimālais infrasarkanās termiskās attēlveidošanas diapazons ir 2 ℃, savukārt metāla tvaiku klātā zonas temperatūra pārsniedz šo diapazonu, un šis laukums palielinās, palielinoties lāzera jaudai. Tāpēc tikai tad, kad pulveris ar zemu lāzera jaudu nonāk izkausētā baseinā, temperatūru var izmērīt ar infrasarkano staru attēlu.

2.2. Termiskās mijiedarbības vākšana un analīze starp koaksiālo pulvera padevi un lāzeru

Pusvadītāju lāzera koaksiālās pulvera padeves ražošanas procesā pulveris pēc nokļūšanas lāzera laukā pāriet no “cietā stāvokļa → cietā-šķidruma divfāzu stāvokļa → šķidrā stāvokļa → tilpuma paplašināšanās → gazifikācijas → plazma”. Literatūrā redzams, ka gaismas pulvera termiskās mijiedarbības rezultātā iegūtā pulvera fizikālais stāvoklis atšķiras ar dažādiem lāzera apstarošanas līmeņiem, un pulveru spilgtuma atšķirība var tieši atspoguļot gaismas un pulvera termiskās mijiedarbības pakāpes atšķirību. Izmantojot “aizmugures attēla uzlabošanu”, cietais pulveris tiek koaksiāli ievadīts lāzera laukā, un pulveris tiek apstarots ar lāzera enerģiju un uzsildīts. Sasniedzot kušanas temperatūru, tas turpinās absorbēt siltumu. Slēptais kušanas siltums tiek izvadīts uz āru, un notiek pārveide par cietu šķidrumu. Šajā laikā var novērot, ka pulvera krāsa pakāpeniski mainās no melnas uz spilgti baltu, fotografējot ātrdarbīgi. Kad viss pulveris mainās no melna uz spilgti baltu, tas norāda, ka fāzes maiņa ir pabeigta. Ja izkusušais pulveris turpina absorbēt siltumu, apjoms palielināsies. Kad temperatūra sasniegs iztvaikošanas temperatūru, ap izkusušo pulveri radīsies metāla tvaiki, un parādīsies pat plazma. Atsevišķa pulvera kušanas izturēšanās ir ļoti līdzīga visa pulvera kūļa kušanas izturībai. Lai gan koaksiālās pulvera padeves lāzera apšuvuma laikā ir vairāk pulveru, var izpētīt viena pulvera tipisko kušanas izturēšanos.

Izmantojot 1. attēlu, tika izveidota koaksiālā pulvera padeves pusvadītāju lāzera apšuvuma testa sistēma, un tika izvēlēts tipiskais pulvera apšuvuma process, lai analizētu un savāktu viena pulvera kušanas izturēšanos. Ja lāzera jauda ir iestatīta saprātīgi, pulveris, kas nonāk lāzerā, lāzera darbības dēļ netiks pilnībā pārveidots metāla tvaikos vai plazmā, un arī šis gaismas pulvera darbības termiskais process ir regulārs. Tāpēc pulvera kušanas procesu, kas nonāk lāzera darbības laukā, var vienkāršot.

Tā kā varbūtība, ka visi pulveri tiks pārvērsti gāzē vai plazmā, ir maza un tam ir maza ietekme uz visu termisko procesu, pulvera kausēšanas process tiek vienkāršots, lai iegūtu trīs raksturīgās stadijas, kā parādīts 4. attēlā. Pulvera padeves ātruma parametros 0.25 r/min, pulvera nesējgāzes plūsmas ātrums 7 l/min, pulvera padeves augstums 20 mm, lāzera defokusa daudzums 0 mm un skenēšanas ātrums 4 mm/s, tiek izmantotas dažādas lāzera jaudas. Cietā pulvera kausēšanas process tiek savākts ar ātrgaitas video un apstrādāts, izmantojot Matlab programmatūru. Kā raksturīgie signāli tiek izmantoti attēlā kūstošā pulvera spilgtums un pikseļu laukums. Analīze rāda, ka ir trīs tipiski posmi no brīža, kad pulveris nonāk lāzera darbības laukā līdz brīdim, kad tas nokrīt izkusušajā baseinā, proti, 3. 1. raksturīgā stadija: kausēšanas stadijas sākums, pulveris tiek izmests no sprauslas, kustības laiks ir 0 ~ 9.8 ms, un pēc nokļūšanas lāzera apstarošanas zonā tas absorbē siltumu un sāk mainīties no melnas cietas uz baltu šķidrumu. Pulvera īpašības šajā posmā ir pelēktoņu vērtības 0 ~ 160 un pikseļu vērtības 0 ~ 2 pikseļi; Raksturīgā 2. stadija: pilna izcelšanas stadija, pulvera kustības laiks ir 9.9–12 ms, pulveris turpina absorbēt siltumu lāzera termiskās mijiedarbības rezultātā, kūst no augšas uz leju un beidzot kļūst par pilnībā spilgtu šķidruma daļiņu. Pulvera īpašības šajā posmā ir pelēktoņu vērtības 160 ~ 255 un pikseļu vērtības 2 ~ 5 pikseļi; Raksturīgais 3. posms: izkusušais piliens nonāk izkausētā baseina stadijā, pulvera kustības laiks ir 12.1–18 ms, šķidrais pulveris turpina absorbēt siltumu lāzera termiskās mijiedarbības rezultātā, un tilpums turpina palielināties. Iespējams arī, ka šajā laikā notiek apspalvošanās. Visbeidzot, pulveris nonāk izkausētā baseinā kā augstas temperatūras šķidrums. Pulvera īpašības šajā posmā ir pelēktoņu vērtības. 255, pikseļu vērtība ir lielāka par 5 pikseļiem. Rezumējot, pulveris lāzerā tiek pārveidots no “cietā stāvokļa → cietā-šķidruma divfāzu stāvokļa → šķidrā stāvokļa”.

2.3. Pulvera kušanas termiskā fizikālā procesa analīze, kad tas tiek ievadīts lāzerā

Kā parādīts 4. attēlā, pulvera kušanas forma lāzerā ir dinamiska, un arī enerģijas absorbcijas process ir dinamisks. Tāpēc pulvera kušanas uzvedības aprakstam pēc lāzera ievadīšanas arī jābūt dinamiskam. Tomēr lielākā daļa esošo
termiski fizikālie modeļi izmanto statiskus un vienu siltuma absorbcijas vienādojumu. Tāpēc ir nepieciešams izveidot dinamisku termisko fizikālo modeli atbilstoši dažādiem raksturīgajiem posmiem, lai aprakstītu cietā pulvera kušanas izturēšanos lāzerā, kā arī aprēķinātu un analizētu pulvera stāvokli un temperatūru, kas nonāk izkausētā baseinā.

2.3.1. Lāzera siltuma avota modelis

Lai analizētu siltuma avota raksturlielumu ietekmi uz pulvera kušanas izturēšanos, vispirms tiek izveidots lāzera siltuma avota modelis. Tā kā gaismas un pulvera termiskās mijiedarbības enerģijas caurlaidības forma un nesējs ir salīdzinoši sarežģīti, gaismas un pulvera termiskās mijiedarbības procesam ir jāizdara šādi pieņēmumi: ① Lāzera enerģijas vājināšanās notiek pulvera absorbcijas un izkliedes rezultātā, ignorējot ietekmi. plazmas; ② Lāzera enerģijas blīvuma analīze, kas iedarbojas uz pulveri, ir saskaņā ar trapecveida sadalījumu; ③ Pētītais pulveris beidzot nonāk izkusušajā baseinā pēc gaismas un pulvera mijiedarbības; ④ Metāla tvaiki iedarbojas uz pulveri siltuma vadīšanas veidā, taču efekts ir salīdzinoši neliels, tāpēc pētījumā metāla tvaiku ietekme uz pulvera temperatūru tiek ignorēta. Taisnstūra pusvadītāju lāzera siltuma avots ir Gausa sadalīts x virzienā un trapecveida sadalīts y virzienā, kā parādīts 5. attēlā.

Pusvadītāju lāzera siltuma avots ir trapecveida sadalījums, kas vislabāk atspoguļo enerģijas sadalījuma vienmērīgumu garuma virzienā. Tajā pašā laikā lāzera apšuvuma virziens ir perpendikulārs lāzera vietas garuma virzienam. Tāpēc, lai vienkāršotu lāzera siltuma avota modeli, ir jāpieņem, ka pulveris virzās uz izkusušo baseinu pa plakni ar maksimālo enerģiju perpendikulāri lāzera platuma virzienam. Pēc lāzera siltuma ietekmes termiskā fizikālā uzvedība tiek analizēta atbilstoši lāzera enerģijas blīvuma trapecveida sadalījumam. Vienkāršotā lāzera enerģijas sadales formula ir parādīta (1) attēlā, kur: qlāzers ir lāzera enerģijas blīvums jebkurā gaismas pulvera darbības telpas pozīcijā; P ir lāzera jauda; W ir lāzera vietas platums; L ir vietas garums; y ir attālums visā lāzera stara garumā.

Kad lāzera apšuvums tiek veikts koaksiālās pulvera padeves veidā, pulveri ietekmē pulveris nesošā gaisa plūsma, un kustības forma ir salīdzinoši sarežģīta. Gredzenveida pulvera padevei pulveri gaismas pulvera termiskās mijiedarbības telpā ietekmē gaisa plūsmas pretestība un tā gravitācija, tāpēc spēka forma ir sarežģītāka, un ir grūtāk analizēt to spēka un kustības formas. Tomēr gredzenveida pulvera padeves apšuvuma galvas un pulvera sijas augstās simetrijas dēļ, kad pulvera padeves parametri ir nemainīgi, pulveriem ar vienādu šķērsgriezumu ir vienāds spēks un kustības forma. Tāpēc šajā rakstā ir analizēts pulvera kustības modelis divdimensiju šķērsgriezumā lāzera plankuma platuma centra virzienā un spēks.
režīms ir parādīts 6. attēlā.

Viena pulvera kustību no pulvera padeves sprauslas uz izkausēto baseinu var sadalīt horizontālā un vertikālā virzienā. Kustības laiku t1 un t2 abos virzienos var aprēķināt ar kinemātiku. Maksimālo kustības laiku lāzera darbības laukā var aprēķināt kā t = min[t1, t2], tas ir, skatīt formulu (2) attēlā, kur: v0 ir pulvera ātrums pie pulvera padeves sprauslas; az ir pulvera paātrinājums vertikālā virzienā; ay ir pulvera paātrinājums horizontālā virzienā; θ ir pulvera krišanas leņķis.
Lāzera enerģijas sadalījums (1) ir savienots ar pulvera kustības modeli (2), un enerģijas blīvums qlāzers jebkurā brīdī t lāzera starā tiek iegūts kā (3), kas parādīts attēlā. Kur: t ir laiks, kas nepieciešams, lai pulveris pārietu uz jebkuru lāzera pozīciju.

2.3.2. Termiski fizikālo procesu modelēšana raksturīgajā 1. posmā

Lāzera lauka ievadīšanas sākuma stadijā pulveris lāzera mijiedarbības rezultātā netiek izkusis, bet gan pāriet no zemas temperatūras cietā stāvokļa uz augstas temperatūras cieto stāvokli. Enerģijas pārneses bilances vienādojums šajā laikā ir parādīts attēlā. Formula (4) (5). Formulā: pulveris ir ciets; Qp-cietais ir pulvera absorbētais siltums; Qp-solidabs ir lāzera siltums, ko absorbē pulveris stadijā t1; Qp-solidcon ir siltums, ko pulveris zaudē termiskās konvekcijas rezultātā; Qp-solidrad ir siltums, ko pulveris zaudē termiskā starojuma rezultātā; αcietā ir lāzera absorbējošā pulvera attiecība; hp-solid ir pulvera termiskās konvekcijas siltuma pārneses koeficients; Tp-solid(t) ir pulvera galīgā reāllaika temperatūra pirmajā raksturīgajā posmā; ρp-cietais ir pulvera blīvums; Cp-cietais ir pulvera īpatnējā siltumietilpība; ir vienas pulvera daļiņas rādiuss; T0 ir apkārtējās vides temperatūra; ir pulvera emisijas spēja uz lāzeru; ir Bolcmaņa konstante.

No formulas (5) var redzēt, ka 1. raksturlieluma stadijas ilgums t1 palielinās ar qlaser(t) Tas ir, kad lāzera jauda P un pulvera krišanas leņķis θ samazinās, lāzera defokuss D un pulvera krītošā sākuma sākums. pieaugot ātrumam v0, palielinās raksturīgās 1. stadijas ilgums t1, un pulvera reāllaika temperatūras Tp-solid(t) augšanas ātrums palēninās.

2.3.3. Raksturīgās 2. stadijas termofizikālā procesa modelēšana

Pulveris sāk iziet cietās-šķidruma fāzes pāreju. Kamēr pulveris absorbē siltumu, tas atbrīvo latentu kušanas siltumu fāzes pārejas dēļ. Šajā posmā mainās lāzera enerģijas nesēja termiskais fiziskais stāvoklis, un enerģijas pārneses bilances vienādojums ir parādīts (6) (7) attēlā. Kur: Qp-latents ir enerģija, kas izdalās, kad pulverim notiek fāzes pāreja.

Kur: ∆Hf ir latentais kušanas siltums, un Tm ir pulvera kušanas temperatūra. Tā kā pulvera temperatūras starpība ir maza pārejas laikā ar cietu šķidrumu, šī vērtība ir aptuveni vienāda ar Tm, tāpēc formula (7) ir vienkāršota līdz formulai (8) attēlā.

No (8) vienādojuma var secināt, ka 2. raksturīgās stadijas ilgums (t2−t1) palielinās, samazinoties lāzera jaudai P un pulvera krišanas leņķim θ, kā arī samazinās, ja pulvera vidējais daļiņu izmērs rp, pulvera sākotnējais ātrums v0 un lāzera defokusēšanas apjoms D samazinās.

2.3.4. Raksturīgās 3. stadijas termofizikālā procesa modelēšana

Pulveris ir pabeidzis cietā-šķidruma pāreju un joprojām tiek pakļauts nepārtrauktai lāzera karstumam, pirms iekrīt izkausētajā baseinā. Tā kā pulvera cietās un šķidrās fāzes termofizikālie parametri ir ļoti atšķirīgi, šī posma termofizikālais process ir jāpielāgo atbilstoši šķidrā stāvokļa pārraides termofizikālajiem parametriem. Siltuma pārneses bilances vienādojums ir parādīts (9) vienādojumā attēlā. Formulā: visi pulveri ir šķidri; Qp šķidrums ir pulvera absorbētais siltums; Qp-liquidabs ir lāzera siltums, kas iedarbojas uz pulveri; Qp-liquidcon ir siltums, ko pulveris zaudē termiskās konvekcijas dēļ; Qp-liquidrad ir siltums, ko pulveris zaudē termiskā starojuma dēļ.

Formulā: visi pulveri ir šķidri; αšķidrums ir lāzera absorbcijas ātrums; hp-liquid ir konvekcijas siltuma pārneses koeficients; Tp-šķidrums(t) ir reāllaika temperatūra; ρp-šķidrums ir blīvums; Cp-šķidrums ir īpatnējā siltuma jauda.

No formulas (10) var redzēt, ka raksturīgās 2. stadijas ilgums (t3−t2) ir saistīts ar šķidrā pulvera reāllaika temperatūru Tp-šķidrums(t), pulvera kustības sākotnējo ātrumu v0, lāzeru. jauda P, lāzera pozitīvais defokusa daudzums D, pulvera krišanas leņķis θ un citi parametri. Ja tajā pašā laikā pulvera temperatūru paaugstina augstāk, var samazināt lāzera pozitīvo defokusa daudzumu D, pulvera kustības sākotnējo ātrumu v0. Samaziniet lāzera jaudu P, palieliniet pulvera krišanas leņķi θ, un šajā laikā pulveris kalpos ilgāk raksturīgajā 3. stadijā.

2.4. Pulvera kušanas uzvedības simulācijas analīze

2.4.1. Lāzera jaudas ietekme uz pulvera kušanas izturēšanos

Lai gan pusvadītāju lāzera koaksiālās pulvera padeves ražošanas procesā izkausētā baseina virsma ir pārklāta ar metāla tvaikiem, kas apgrūtina pulvera temperatūras mērīšanu, kad tas nonāk kausētā baseinā, iepriekš minēto modeli var izmantot, lai aprēķinātu pulvera temperatūru. pulveris, kad tas nonāk izkausētā baseinā, un paredzēt pulvera fizisko stāvokli, kad tas nonāk kausējuma baseinā. Modelis tiek izmantots, lai aprēķinātu pulvera ilgumu trīs raksturīgajos posmos ar dažādām lāzera jaudām. Ar vienādu lāzera jaudu un citiem parametriem katra raksturīgā posma faktisko ilgumu reģistrē ātrgaitas kamera. Modeļa precizitāti pārbauda, ​​salīdzinot ilgumu pirms un pēc. Pamatojoties uz iegūto modeli, tiek analizēta un novērtēta pulvera temperatūra un stāvoklis, kad tas nonāk kausējuma baseinā.

Šādos simulācijas apstākļos: pulvera padeves ātrums 0.25 apgr./min, pulvera nesējgāzes plūsmas ātrums 7 l/min, lāzera defokuss 0 mm, pulvera padeves augstums 20 mm, pulvera kritiena leņķis 45°, formula (3), formula (5) , formula Reālā laika pulvera temperatūru T(t), kas atbilst laikam t1, t2 un t3 punktos (8) un (10), Matlab simulē, lai iegūtu dažādu lāzera jaudu qlāzera ietekmi uz katras raksturīgās stadijas t1 ilgumu. , (t2−t1) un (t3−t2). Simulācijas parametri ir parādīti 2. tabulā.

Simulācijas vērtībai ir noteikta novirze no eksperimentālās vērtības. 1. raksturīgās stadijas simulācijas vērtība vienmēr ir lielāka par eksperimentālo vērtību, un 3. raksturīgās stadijas simulācijas vērtība vienmēr ir mazāka par eksperimentālo vērtību. Simulācijas rezultāti par 1. raksturīgā posma ilgumu ar mazu jaudu un raksturīgā 3. posma ilgumu ar lielu jaudu krasi atšķiras no eksperimenta rezultātiem, jo ​​raksturīgās 1. posma ar mazu jaudu un raksturīgās 3. posma ar lielu jaudu ilgums ir relatīvi. garš. Abus procesus traucē tādi faktori kā izkausētā baseina siltuma atstarošana un lielais metāla tvaiku siltums, kas tiek ignorēti simulācijas modelēšanā, kā parādīts 7. attēlā.

2.4.2. Defokusēšanas ietekme uz pulvera kušanas darbību

Pie parametriem pulvera padeves ātrums 0.25 r/min, pulvera nesējgāzes plūsmas ātrums 7 l/min, skenēšanas ātrums 4 mm/s, pulvera padeves augstums 20 mm un lāzera jauda 1 100 W, defokuss tika noregulēts, lai izpētītu defokusa ietekmi uz temperatūras sadalījumu gaismas un pulvera mijiedarbības telpā koaksiālās lāzera apšuvuma laikā, kā parādīts 8. attēlā.

Kā redzams 8. attēlā, defokusa palielināšanās palielinās pulvera kušanas daudzumu lāzera punkta sānu virzienā, un pulvera daļiņu temperatūras sadalījuma vienmērīgums tiks uzlabots arī lāzera vietas sānu virzienā. . Pulvera temperatūras augstas temperatūras zonas laukums vispirms palielinās un pēc tam samazinās, un pulvera daļiņas augstas temperatūras stāvoklī vispirms atrodas tuvu un pēc tam tālu prom no sprauslas. Iemesls ir tāds, ka defokuss palielinās no 0 mm, kas nozīmē, ka lāzera sānu virziena maksimālais enerģijas sadalījuma šķērsgriezums pakāpeniski virzās no pamatnes uz sprauslu. Kad defokuss ir + 10 mm, vidējais enerģijas blīvums, ko pulvera daļiņas var absorbēt gaismas un pulvera mijiedarbībā, ir lielākais; kad defokuss pārsniedz + 10 mm Pēc tam attālums starp lāzera fokusu un substrātu ir pārāk liels, un lāzera stars ir atšķirīgā stāvoklī, tāpēc vidējais enerģijas blīvums, ko pulvera daļiņas var absorbēt gaismas un pulvera mijiedarbībā, samazinās, palielinoties fokusa attālumam. Tāpēc tiek novērots, ka pulvera daļiņas vairāk kūst lāzera plankuma sānu virzienā, un pulvera kušanas neviendabīgums šajā virzienā samazinās, un pulvera temperatūras augstas temperatūras zonas laukums palielinās un pēc tam palielinās. samazinās.

Pie parametriem pulvera padeves daudzums 0.25 apgr./min, skenēšanas ātrums 4 mm/s, pulvera padeves augstums 20 mm, lāzera jauda 1 100 W un defokusa daudzums 0 mm, regulējot pulvera nesējgāzes plūsmas ātrumu. Tiek pētīts pulvera nesējgāzes plūsmas ātrums uz temperatūras sadalījumu gaismas-pulvera mijiedarbības telpā koaksiālās lāzera apšuvuma laikā. Ja pulvera nesējgāzes plūsmas ātrums ir 5, 7, 9 un 11 l/min, kā parādīts 9. attēlā.

No 9. attēla redzams, ka, pakāpeniski palielinoties nesējgāzes plūsmas ātrumam, nedaudz samazinās izkusušo pulvera daļiņu skaits, relatīvi samazinās pulvera daļiņu augstās temperatūras zonas laukums un temperatūras vienmērība. pulvera daļiņu sadalījums vājinās. Iemesls ir tāds, ka nesējgāzes plūsmas ātrums ietekmē pulvera daļiņu kustības ātrumu un telpisko sadalījumu gaismas pulvera darbības telpā. Palielinoties nesējgāzes plūsmas ātrumam, palielinās pulvera daļiņu kustības ātrums gaismas pulvera darbības telpā un darbības laiks gaismas pulvera darbības telpā samazinās, tādējādi pulvera daļiņu temperatūra vienā un tajā pašā stāvoklī pakāpeniski palielinās. samazinās, un arī temperatūra attiecīgi samazināsies, krītot izkusušajā baseinā. Attiecīgi samazināsies arī visa apšuvuma procesa laikā radušies metāla tvaiki, kā arī samazinās pulvera daļiņu koncentrācija gaismas pulvera darbības telpā. Salīdzinot ar lāzera jaudas un defokusa ietekmi uz gaismas pulvera darbības telpas temperatūras sadalījumu, nesējgāzes plūsmas ātruma maiņa mazāk ietekmē gaismas pulvera darbības telpas temperatūras sadalījumu.

2.4.3. Pulvera kausēšanas stadijas temperatūras simulācija pie dažādām lāzera jaudām

Ja pulvera daļiņu izmērs ir 120 μm, nesējgāzes plūsmas ātrums ir 7 l/min, pulvera krišanas leņķis ir 45°, pulvera sākotnējais ātrums ir 0.8 mm/ms, lāzera defokuss ir 0 mm un pulvera padeve. augstums ir 20 mm. Pamatojoties uz termiskās fizikas modeļa modifikāciju, tiek izmantots Matlab instruments, lai modelētu pulvera temperatūru, kas atbilst dažādām lāzera jaudām, un tiek iegūta pulvera temperatūras variācijas tendence laika gaitā pie dažādām lāzera jaudām, kā parādīts 10. attēlā.

Kā parādīts 10. attēlā, pulvera temperatūras paaugstināšanās lāzera darbības sākumposmā ir ievērojami lielāka nekā kausēšanas vidējā un beigu stadijā, kas izskaidro fenomenu, ka cietais pulveris absorbē vairāk lāzera enerģijas un zaudē. mazāk enerģijas nekā šķidrajam pulverim. Otrkārt, izņemot gadījumus, kad lāzera jauda ir 100 W, temperatūras līknei ir divi lēciena punkti, proti, 1 060 ℃ un 1 260 ℃. Redzams, ka visstraujākais augšanas ātrums ir sildīšanas līkne zem 1 060 ℃, bet lēnākais augšanas ātrums ir sildīšanas līkne virs 1 260 ℃. Temperatūras pieauguma ātrums sildīšanas diapazonā no 1 060 ~ 1 260 ℃ ir starp iepriekšminētajiem diviem. Iemesls ir tāds, ka pulveris sāk kust 1 060 ℃ un kūst pie 1 260 ℃. ℃, un tā kā pulvera absorbcijas ātrums un zuduma ātrums lāzeram cietā un šķidrā stāvoklī ir atšķirīgs, sildīšanas līknes slīpums ir atšķirīgs, tas ir, temperatūras pieauguma ātrums ir atšķirīgs. Turklāt no sildīšanas līknes var redzēt, ka temperatūras pieauguma ātrums pakāpeniski palielinās, kad pulveris nonāk lāzerā, lai sākumā mijiedarbotos ar pulveri; kausēšanas beigās temperatūras pieauguma ātrums pakāpeniski samazinās. Iemesls ir tāds, ka tie pārvietojas trapecveida lāzera siltuma avota malā un mainās enerģijas blīvums.

3 Secinājums

(1) Lāzera pulvera dinamiskās kušanas īpašības tiek apkopotas ar ātrgaitas video. Konstatēts, ka ir trīs tipiski raksturīgi pulvera kušanas posmi: “ciets → ciets-šķidrs divfāzu stāvoklis → šķidrs stāvoklis”. Dažādu raksturīgo posmu ilgums un raksturīgais kušanas vienādojums ir atšķirīgs. Pamatojoties uz to, tiek izveidots matemātiski analītisks modelis, kas var aprakstīt pulvera kušanas dinamisko uzvedību.

(2) Tiek analizēta lāzera jaudas, defokusēšanas daudzuma un pulveri nesošās gāzes plūsmas ātruma ietekme uz pulvera temperatūras sadalījumu gaismas pulvera darbības telpā. Tajā pašā laikā modelis tiek izmantots, lai analizētu dažādu lāzera jaudu ietekmi uz katra raksturīgā posma ilgumu. Tiek simulēts un prognozēts pulvera daļiņu temperatūras sadalījums, kas nonāk substrātā. Ir konstatēts, ka, palielinoties lāzera jaudai no 100 W līdz 200 W, pulvera kušanas temperatūra palielinās. Kad lāzera jauda palielinās līdz 1500 W, izkausētā baseinā nonākošā pulvera temperatūra mainās nelineāri. No simulācijas rezultātiem var secināt, ka, lāzera jaudai palielinoties no 100 W līdz 1500 W, pulvera temperatūra, kas nonāk kausējuma baseinā, palielinās no 750 ℃ ​​līdz 3250 ℃.