Sa coaxial powder feeding laser cladding, ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng pulbos at laser ay direktang makakaapekto sa katumpakan at kalidad ng pagbubuo ng cladding. Ang infrared camera ay hindi maaaring direktang makuha ang pagtunaw ng pulbos sa laser. Samakatuwid, sa pamamagitan ng pagsusuri sa pagsipsip ng init sa pamamagitan ng pulbos, ang isang high-speed camera system ay ginagamit upang kolektahin ang dynamic na pag-uugali ng pagtunaw ng pulbos, at isang dynamic na analytical na modelo ng proseso ng pagtunaw ng pulbos ay itinatag. Ang impluwensya ng laser power sa iba't ibang yugto ng pagkatunaw at ang mga katangian ng temperatura ng pulbos na pumapasok sa molten pool ay sinusuri sa pamamagitan ng simulation. Ang mga resulta ay nagpapakita na mayroong tatlong tipikal na natutunaw na mga yugto ng katangian ng "solid state → solid-liquid two-phase state → liquid state" sa dynamic na pagtunaw ng pulbos na kinokolekta ng high-speed camera system sa laser. Ang dynamic na pag-uugali ng pagtunaw ng pulbos ay maaaring masuri sa pamamagitan ng mathematical analytical na modelo, at ang thermophysical na pag-uugali ng iba't ibang yugto ay may dynamic na analytical na modelo ng thermal interaksyon sa pagitan ng pulbos at laser. Ang impluwensya ng laser power, defocusing amount at powder-carrying gas flow rate sa powder melting behavior ay sinusuri. Kasabay nito, ang impluwensya ng iba't ibang mga kapangyarihan ng laser sa tagal ng bawat yugto ng katangian ay ginagaya at sinusuri upang mahulaan ang pamamahagi ng temperatura ng mga particle ng pulbos na umaabot sa substrate. Napag-alaman na kapag ang lakas ng laser ay tumaas mula 100 W hanggang 1500 W, ang temperatura ng pulbos na pumapasok sa molten pool ay nagbabago nang hindi linear, at ang temperatura ay tumataas mula 750 ℃ ​​hanggang 3250 ℃.

Ang proseso ng pag-cladding ng laser ay may mga pakinabang ng malakas na pagtutok ng enerhiya, maliit na cladding na apektado ng init na zone, mahusay na pagbuo, atbp. Ang proseso ng cladding ay madaling kontrolin, ang gastos sa produksyon ay mababa, at ito ay may magandang epekto sa pagkumpuni at pagpapalakas ng ibabaw ng metal. mga bahagi. Dahil ang coaxial powder feeding laser cladding mode ay may magandang light-powder coupling, mataas na forming accuracy, mataas na spatial freedom, at malakas na isotropy, ito ay naging isang mahalagang pagpipilian para sa laser additive manufacturing technology. Ang pagbuo ng katumpakan at kontrol sa kalidad ay ang susi sa paggawa ng laser additive. Sa kasalukuyan, sa kasanayan sa produksyon, karamihan sa kanila ay umaasa sa isang malaking bilang ng mga pagsubok sa proseso at manu-manong karanasan para sa regulasyon. Ang mga teoretikal na modelo ay itinatag mula sa pananaw ng pagbuo ng mekanismo at ebolusyon ng organisasyon upang makamit ang hula ng katumpakan at kalidad. Kabilang sa mga ito, ang thermal na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng laser at materyal, mekanismo ng pamamahagi ng init, atbp ay may mahalagang impluwensya sa tumpak na pagbuo at mataas na pagganap na pagbubuo ng laser cladding. Samakatuwid, upang magsagawa ng pananaliksik sa kumplikadong paraan ng thermal interaksyon sa pagitan ng laser at pulbos, kinakailangan na pagsamahin ang mga eksperimento sa pagmomodelo, pag-aralan ang thermal interaksyon sa pagitan ng coaxial powder feeding powder at laser, magtatag ng isang dinamikong analytical na modelo, at linawin ang mekanismo ng ang impluwensya ng mga katangian ng pinagmumulan ng init ng laser sa thermal pisikal na estado ng pulbos na papasok sa molten pool.

Sa kasalukuyan, ang pananaliksik sa thermal physical behavior ng coaxial powder feeding laser cladding ay pangunahing nakatuon sa absorption at scattering mode ng powder sa laser, ang anyo ng thermal interaction sa pagitan ng liwanag at powder, at ang thermal physical state ng molten pool. Kabilang sa mga ito, ang thermal interaksyon sa pagitan ng liwanag at pulbos ay may mahalagang impluwensya sa iba pang mga pisikal na proseso. Maraming mga iskolar sa loob at labas ng bansa ang nagsagawa ng maraming pananaliksik tungkol dito, tulad ng Shrey et al. Para sa pre-set na proseso ng laser cladding, isang parameter integrated analysis model na isinasaalang-alang ang energy transfer at loss mechanism at ang surface tension ng molten material ay iminungkahi upang mahulaan ang molten pool temperature, cladding geometry at substrate dilution; Yang Yicheng et al. ginamit ang "back image enhancement" na lumilipas na paraan ng pagkuha ng imahe at teknolohiya sa pagpoproseso ng impormasyon ng imahe upang pag-aralan ang pagbabago ng mga katangian ng powder beam at mga particle sa ilalim ng laser irradiation, kinuha ang bilang ng mga particle sa highlight na estado, ang kabuuang lugar ng maliwanag na lugar at ang average na lugar ng maliwanag na lugar ng isang partikulo bilang mga parameter ng katangian, na sinamahan ng pagkilala sa impluwensya ng mga parameter ng proseso sa proseso ng paggawa ng additive na pagpapakain ng laser coaxial powder, at iminungkahi na ang proseso ng pakikipag-ugnayan ng light-powder ay maaaring kinokontrol sa pamamagitan ng makatwirang pagtutugma ng mga pangunahing parameter ng proseso; Zhu Ming et al. na-modelo at na-simulate ang pag-uugali ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng pre-set na pulbos at ng laser. Sa buod, ang nauugnay na pananaliksik ay pangunahing nakatuon sa paglipat ng enerhiya sa panahon ng proseso ng pagkilos ng light-powder at ang spatial na pamamahagi ng field ng temperatura ng proseso ng pagkilos ng light-powder, habang may mas kaunting pananaliksik sa dinamikong proseso ng pagkilos ng light-powder, ang ebolusyon ng thermal physical state ng powder sa panahon ng light-powder action, at ang estado ng powder particles na pumapasok sa molten pool.

Sa panahon ng coaxial powder feeding laser cladding na proseso, dahil sa pagkakaroon ng metal vapor at plasma sa ibabaw ng molten pool, mahirap para sa conventional thermal imaging na pamamaraan na tumpak na maipakita ang temperatura at estado ng powder na papasok sa molten pool. . Napakahirap ding quantitatively na pag-aralan ang mekanismo ng laser heat source sa huling yugto ng pagtunaw ng pulbos. Upang tumpak na pag-aralan ang impluwensya ng mga parameter ng proseso sa temperatura at estado ng pulbos sa huling yugto, isang disenyo Ang coaxial powder feeding laser cladding ang platform ng pagsubok, infrared thermal imaging acquisition system at high-speed camera acquisition system ay binuo. Ayon sa iba't ibang yugto ng pagkatunaw ng pulbos, isang dynamic na thermophysical analytical na modelo na maaaring maglarawan sa pag-uugali ng pagkatunaw ng pulbos ay itinatag. Ang tagal ng katangian na yugto ng pagtunaw ng pulbos sa ilalim ng iba't ibang kapangyarihan ng laser ay ginaya at kinakalkula. Ang modelo ay naitama at na-optimize ayon sa high-speed camera. Sa wakas, ang temperatura at estado ng pulbos kapag umabot ito sa molten pool sa ilalim ng iba't ibang mga laser powers ay quantitatively nakuha, na nagbigay ng teoretikal na batayan para sa karagdagang pag-aaral ng heat transfer behavior ng powder sa molten pool, ang thermodynamic state ng molten pool. , atbp., at nagbigay ng teoretikal na batayan para sa pagsasakatuparan ng kontrol ng pag-uugali ng pagtunaw ng pulbos.

1 Paraan ng pagsubok

Ang pagpili ng pagsubok No. 45 carbon structural steel ay ginamit bilang substrate na may sukat na 120 mm × 80 mm × 6 mm. Ang high-hardness na Ni60A alloy powder ay pinili bilang powder material na may powder particle size na 80 ~ 160μm. Ang kemikal na komposisyon ay ipinapakita sa Talahanayan 1. Bago ang pagsubok, ang pulbos ay inilagay sa isang 120 ℃ resistance furnace para sa pagpapatuyo ng 1 h upang maalis ang kahalumigmigan sa pulbos. Kasabay nito, ang No. 45 na bakal ay pinakintab ng papel de liha upang alisin ang ibabaw na kalawang at oxide film, at pagkatapos ay pinunasan ng acetone alcohol upang alisin ang ibabaw ng langis.

Ang FL-Dlight-1500 laser heat source na ginamit sa papel na ito ay pangunahing binubuo ng isang direktang output na rectangular spot semiconductor laser. Ang pinakamababang laki ng spot ay 1 mm × 3 mm, ang wavelength ay 976 nm ± 10nm, at ang maximum na output power ay 1 500 W. Ang powder feeding equipment ay isang ECPF 2-2 LC plasma powder feeder, at nilagyan ng mataas na -precision coaxial annular powder feeding nozzle, gamit ang DIAS na ginawa ng Aidis. Ginamit ang short-wave high-temperature infrared thermal imager para obserbahan ang thermal process ng light-powder thermal interaction. Ang sinusukat na temperatura ay 900 ~ 2 500 ℃, ang error ay 1%, at ang dalas ng pagsukat ay 60 Hz. Ang laser additive at remanufacturing process acquisition system ay gumamit ng VEO 410L high-speed camera, ang shooting frame rate ay 10 000 fps, ang exposure time ay 1 μs, ang lens ay isang Nikon AF60 mm f/2.8D fixed-focus macro lens, at ang auxiliary light source ay gumamit ng HSX-F300 xenon lamp upang pahusayin ang contrast ng proseso ng pagkuha. Ang sistema ng pagsubok at pagkuha ay ipinapakita sa Figure 1.

2 Pagtuklas, pagmomodelo at simulation ng pag-uugali ng pagtunaw ng pulbos

2.1 Infrared thermal imaging acquisition at pagsusuri ng proseso ng pagtunaw ng pulbos

Upang tuklasin ang pamamahagi ng temperatura ng pulbos sa puwang ng interaksyon ng thermal ng light-powder at ang pisikal na pisikal na estado ng pulbos na pumapasok sa molten pool, ang rate ng pagpapakain ng pulbos ay 0.25r/min, ang rate ng daloy ng carrier ng gas ay 7 L/min. , ang taas ng powder feeding ay 20 mm, ang laser defocus ay 0 mm, at ang bilis ng pag-scan ay Sa ilalim ng eksperimentong kondisyon na 4 mm/s, ang thermal interaction sa pagitan ng laser at powder sa ilalim ng iba't ibang kapangyarihan ng laser ay nakolekta gamit ang infrared thermal imager, tulad ng ipinapakita sa Figure 2, at ang mga posisyon ng nozzle at substrate ay ipinapakita sa Figure 3.

Tulad ng ipinapakita sa Figure 2, habang ang kapangyarihan ng laser ay unti-unting tumataas, ang temperatura sa light-powder thermal interaction field ay unti-unting tumataas, ang mataas na temperatura na lugar ng temperatura ng powder ay unti-unting tumataas at unti-unting lumalapit sa powder feeding nozzle, at ang powder. Ang temperatura ay unti-unting namamahagi nang pantay-pantay kasama ang longitudinal axis. Sa pamamagitan ng pagsusuri, makikita na habang unti-unting tumataas ang kapangyarihan ng laser, unti-unti ding tumataas ang density ng enerhiya ng laser sa larangan ng interaksyon ng thermal ng light-powder. Ang pagtaas o pagbaba ng kapangyarihan ng laser ay hindi nakakaapekto sa paggalaw ng pulbos. Gayunpaman, kung ang laser power ay tumaas, pagkatapos ng light-powder action para sa parehong oras, ang powder ay sumisipsip ng mas mataas na laser energy, at ang powder temperature ay tumataas kaagad. Samakatuwid, ang mataas na temperatura na lugar ng pulbos ay umaabot nang pahaba at unti-unting lumalapit sa powder feeding nozzle. Ang proporsyon ng pulbos na natunaw bago maabot ang molten pool ay tumataas. Kapag ang lakas ng laser ay 700 W o mas mataas, ang temperatura ng pulbos ay mabilis na tumataas, at ang singaw ng metal ay lilitaw malapit sa molten pool at sa lugar na malapit sa molten pool, at unti-unting tumataas sa lakas ng laser. Ang singaw ng metal ay may malaking impluwensya sa pagsukat ng infrared thermal imaging ng temperatura ng pulbos. Ang maximum na saklaw ng infrared thermal imaging ay 2 500 ℃, habang ang temperatura ng lugar na sakop ng metal na singaw ay lumampas sa saklaw na ito, at ang lugar na ito ay tumataas sa pagtaas ng kapangyarihan ng laser. Samakatuwid, kapag ang pulbos sa ilalim ng mababang kapangyarihan ng laser ay pumasok sa molten pool, ang temperatura ay maaaring masukat sa pamamagitan ng infrared imaging.

2.2 Pagkolekta at pagsusuri ng pag-uugali ng thermal interaction sa pagitan ng coaxial powder feeding at laser

Sa panahon ng proseso ng pagmamanupaktura ng semiconductor laser coaxial powder feeding, ang pulbos ay sasailalim sa paglipat mula sa "solid state → solid-liquid two-phase state → liquid state → volume expansion → gasification → plasma" pagkatapos pumasok sa laser field. Ang panitikan ay nagpapakita na ang pisikal na estado ng pulbos na nakuha sa ilalim ng light-powder thermal interaction ay naiiba sa iba't ibang antas ng laser irradiation, at ang pagkakaiba sa ningning sa pagitan ng mga powder ay maaaring direktang sumasalamin sa pagkakaiba sa antas ng light-powder thermal interaction. Sa pamamagitan ng "back image enhancement", ang solid powder ay coaxially fed sa laser field, at ang powder ay irradiated ng laser energy at pinainit. Kapag ito ay umabot sa punto ng pagkatunaw, ito ay patuloy na sumisipsip ng init. Ang nakatagong init ng pagkatunaw ay inilabas palabas, at nangyayari ang solid-liquid transformation. Sa oras na ito, ang kulay ng pulbos ay maaaring obserbahan na unti-unting nagbabago mula sa itim hanggang sa maliwanag na puti sa pamamagitan ng high-speed photography. Kapag ang lahat ng pulbos ay nagbago mula sa itim hanggang sa maliwanag na puti, ito ay nagpapahiwatig na ang pagbabago ng bahagi ay nakumpleto. Kung ang natunaw na pulbos ay patuloy na sumisipsip ng init, ang volume ay lalawak. Kapag ang temperatura ay umabot sa temperatura ng singaw, ang singaw ng metal ay bubuo sa paligid ng natunaw na pulbos, at kahit na ang plasma ay lilitaw. Ang pag-uugali ng pagkatunaw ng isang pulbos ay halos kapareho sa pag-uugali ng pagkatunaw ng pangkalahatang sinag ng pulbos. Kahit na mayroong higit pang mga pulbos sa panahon ng coaxial powder feeding laser cladding, ang tipikal na pag-uugali ng pagkatunaw ng isang solong pulbos ay maaaring pag-aralan.

Gamit ang Figure 1 Ang coaxial powder feeding semiconductor laser cladding test system ay binuo, at ang tipikal na proseso ng powder cladding ay pinili upang pag-aralan at kolektahin ang natutunaw na gawi ng isang pulbos. Kapag ang kapangyarihan ng laser ay nakatakda nang makatwiran, ang pulbos na pumapasok sa laser ay hindi ganap na mako-convert sa singaw ng metal o plasma dahil sa pagkilos ng laser, at ang proseso ng thermal na pagkilos ng light-powder na ito ay regular din. Samakatuwid, ang proseso ng pagtunaw ng pulbos na pumapasok sa larangan ng pagkilos ng laser ay maaaring gawing simple.

Dahil ang posibilidad ng lahat ng mga pulbos na na-convert sa gas o plasma ay maliit at may maliit na epekto sa buong proseso ng thermal, ang proseso ng pagtunaw ng pulbos ay pinasimple upang makakuha ng tatlong mga yugto ng katangian, tulad ng ipinapakita sa Figure 4. Sa ilalim ng mga parameter ng rate ng pagpapakain ng pulbos 0.25 r/min, powder carrier gas flow rate 7 L/min, powder feeding height 20 mm, laser defocus amount 0 mm, at scanning speed na 4 mm/s, iba't ibang laser powers ang ginagamit. Ang proseso ng pagtunaw ng solid powder ay kinokolekta ng high-speed na video at pinoproseso gamit ang Matlab software. Ang liwanag at lugar ng pixel ng pulbos na natutunaw sa imahe ay ginagamit bilang mga signal ng katangian. Ipinapakita ng pagsusuri na mayroong tatlong tipikal na yugto mula sa sandaling ang pulbos ay pumasok sa larangan ng pagkilos ng laser hanggang sa sandaling ito ay bumagsak sa tinunaw na pool, katulad ng 3 Katangian na yugto 1: ang simula ng yugto ng pagkatunaw, ang pulbos ay inilabas mula sa nozzle, ang Ang oras ng paggalaw ay 0 ~ 9.8 ms, at pagkatapos na makapasok sa lugar ng pag-iilaw ng laser, sinisipsip nito ang init at nagsisimulang magbago mula sa isang itim na solido patungo sa isang puting likido. Ang mga katangian ng pulbos sa yugtong ito ay mga grayscale na halaga 0 ~ 160 at mga halaga ng pixel 0 ~ 2 pixel; Katangian na yugto 2: ang buong yugto ng highlight, ang oras ng paggalaw ng pulbos ay 9.9 ~ 12 ms, ang pulbos ay patuloy na sumisipsip ng init sa ilalim ng laser thermal interaction, natutunaw mula sa itaas hanggang sa ibaba, at sa wakas ay nagiging isang ganap na maliwanag na particle ng likido. Ang mga katangian ng pulbos sa yugtong ito ay mga grayscale na halaga 160 ~ 255 at mga halaga ng pixel 2 ~ 5 pixels; Katangian na yugto 3: ang tunaw na patak ay pumapasok sa tunaw na yugto ng pool, ang oras ng paggalaw ng pulbos ay 12.1 ~ 18 ms, ang likidong pulbos ay patuloy na sumisipsip ng init sa pamamagitan ng laser thermal interaction at ang dami ay patuloy na tumataas. Posible rin na ang balahibo ay nangyayari sa oras na ito. Sa wakas, ang pulbos ay pumapasok sa molten pool bilang isang mataas na temperatura na likido. Ang mga katangian ng pulbos sa yugtong ito ay mga grayscale na halaga. 255, ang halaga ng pixel ay higit sa 5 mga pixel. Sa buod, ang pulbos ay sumasailalim sa pagbabago mula sa "solid state → solid-liquid two-phase state → liquid state" sa laser.

2.3 Pagsusuri ng thermal physical process ng pagtunaw ng pulbos kapag ito ay ipinasok sa laser

Tulad ng ipinapakita sa Figure 4, ang natutunaw na anyo ng pulbos sa laser ay pabago-bago, at ang proseso ng pagsipsip ng enerhiya ay pabago-bago din. Samakatuwid, ang paglalarawan ng pag-uugali ng pagkatunaw ng pulbos pagkatapos na ipasok ang laser ay dapat ding maging dynamic. Gayunpaman, karamihan sa mga umiiral na
Ang mga thermal physical model ay gumagamit ng static at single heat absorption equation. Samakatuwid, ito ay kinakailangan upang magtatag ng isang dynamic na thermal pisikal na modelo ayon sa iba't ibang mga yugto ng katangian upang ilarawan ang natutunaw na pag-uugali ng solid powder sa laser, at kalkulahin at pag-aralan ang estado at temperatura ng pulbos na pumapasok sa molten pool.

2.3.1 Modelo ng laser heat source

Upang masuri ang impluwensya ng mga katangian ng pinagmumulan ng init sa pag-uugali ng pagkatunaw ng pulbos, isang modelo ng laser heat source ang unang itinatag. Dahil ang anyo ng paghahatid ng enerhiya at carrier sa light-powder thermal interaction ay medyo kumplikado, ang mga sumusunod na pagpapalagay ay kailangang gawin para sa light-powder thermal interaction na proseso: ① Ang attenuation ng laser energy ay sa pamamagitan ng powder absorption at scattering, hindi pinapansin ang impluwensya ng plasma; ② Ang pagsusuri ng laser energy density na kumikilos sa powder ay alinsunod sa trapezoidal distribution; ③ Ang pulbos na pinag-aralan sa wakas ay pumapasok sa tinunaw na pool pagkatapos ng interaksyon sa pagitan ng liwanag at pulbos; ④ Ang singaw ng metal ay kumikilos sa pulbos sa anyo ng pagpapadaloy ng init, ngunit ang epekto ay medyo maliit, kaya ang impluwensya ng metal na singaw sa temperatura ng pulbos ay hindi pinansin sa pag-aaral. Ang rectangular semiconductor laser heat source ay Gaussian na ibinahagi sa x direksyon at trapezoidal na ibinahagi sa y direksyon, tulad ng ipinapakita sa Figure 5.

Ang semiconductor laser heat source ay ang trapezoidal distribution na pinakamahusay na sumasalamin sa pagkakapareho ng pamamahagi ng enerhiya sa direksyon ng haba. Kasabay nito, ang direksyon ng laser cladding ay patayo sa direksyon ng haba ng laser spot. Samakatuwid, upang gawing simple ang modelo ng laser heat source, kinakailangang ipagpalagay na ang pulbos ay gumagalaw sa molten pool kasama ang eroplano na may pinakamataas na enerhiya na patayo sa direksyon ng lapad ng laser. Matapos maapektuhan ng init ng laser, sinusuri ang thermal physical behavior ayon sa trapezoidal distribution ng laser energy density. Ang pinasimpleng laser energy distribution formula ay ipinapakita sa formula (1) sa figure, kung saan: ang qlaser ay ang laser energy density sa anumang posisyon sa light-powder action space; P ay ang kapangyarihan ng laser; W ay ang lapad ng laser spot; L ay ang haba ng lugar; y ay ang distansya sa kahabaan ng laser beam.

Kapag ang laser cladding ay ginanap sa anyo ng coaxial powder feeding, ang pulbos ay apektado ng daloy ng hangin na nagdadala ng pulbos, at ang anyo ng paggalaw ay medyo kumplikado. Para sa annular powder feeding, ang powder sa light-powder thermal interaction space ay apektado ng airflow resistance at sarili nitong gravity, kaya mas kumplikado ang force form, at mas mahirap pag-aralan ang kanilang force at movement form. Gayunpaman, dahil sa mataas na simetrya ng annular powder feeding cladding head at ang powder beam, kapag ang mga parameter ng powder feeding ay pare-pareho, ang mga powder na may parehong cross section ay may parehong puwersa at anyo ng paggalaw. Samakatuwid, sinusuri ng papel na ito ang modelo ng paggalaw ng pulbos sa dalawang-dimensional na cross section sa gitnang direksyon ng lapad ng laser spot, at ang puwersa.
ang mode ay ipinapakita sa Figure 6.

Ang paggalaw ng isang pulbos mula sa powder feeding nozzle patungo sa molten pool ay maaaring mabulok sa pahalang at patayong direksyon. Ang oras ng paggalaw t1 at t2 sa dalawang direksyon ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng kinematics. Ang maximum na oras ng paggalaw sa larangan ng pagkilos ng laser ay maaaring kalkulahin bilang t = min[t1, t2], iyon ay, tingnan ang formula (2) sa figure, kung saan: v0 ay ang bilis ng powder sa powder feeding nozzle; az ay ang acceleration ng powder sa patayong direksyon; ay ang acceleration ng powder sa pahalang na direksyon; θ ay ang anggulo ng insidente ng pulbos.
Ang pamamahagi ng enerhiya ng laser (1) ay isinasama sa modelo ng paggalaw ng pulbos (2), at ang qlaser ng density ng enerhiya sa anumang oras na t sa laser beam ay nakuha bilang (3), na ipinapakita sa figure. Kung saan: t ay ang oras na kinakailangan para sa pulbos na lumipat sa anumang posisyon sa laser.

2.3.2 Pagmomodelo ng mga thermal physical na proseso sa katangiang yugto 1

Sa maagang yugto ng pagpasok sa larangan ng laser, ang pulbos ay hindi natutunaw sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan ng laser, ngunit nagbabago mula sa isang mababang temperatura na solidong estado sa isang mataas na temperatura na solidong estado. Ang equation ng balanse ng paglipat ng enerhiya sa oras na ito ay ipinapakita sa figure. Formula (4) (5). Sa pormula: ang pulbos ay solid; Ang Qp-solid ay ang init na hinihigop ng pulbos; Ang Qp-solidabs ay ang init ng laser na hinihigop ng pulbos sa yugto t1; Ang Qp-solidcon ay ang init na nawala ng pulbos sa pamamagitan ng thermal convection; Ang Qp-soligrad ay ang init na nawala ng pulbos sa pamamagitan ng thermal radiation; Ang αsolid ay ang ratio ng pulbos na sumisipsip ng laser; hp-solid ay ang powder thermal convection heat transfer coefficient; Ang Tp-solid(t) ay ang huling real-time na temperatura ng powder sa unang yugto ng katangian; Ang ρp-solid ay ang density ng pulbos; Ang Cp-solid ay ang tiyak na kapasidad ng init ng pulbos; ay ang radius ng isang solong butil ng pulbos; Ang T0 ay ang ambient temperature; ay ang emissivity ng pulbos sa laser; ay ang Boltzmann constant.

Mula sa formula (5), makikita na ang tagal ng t1 ng katangian na yugto 1 ay tumataas sa qlaser(t) Iyon ay, kapag ang laser power P at ang powder incident angle θ ay bumaba, ang laser defocus D at ang powder incident initial. pagtaas ng bilis v0, tumataas ang tagal ng t1 ng katangiang yugto 1, at bumabagal ang rate ng paglago ng real-time na temperatura ng powder na Tp-solid(t).

2.3.3 Thermophysical process modelling ng katangian na yugto 2

Ang pulbos ay nagsisimulang sumailalim sa solid-liquid phase transition. Habang ang pulbos ay sumisipsip ng init, naglalabas ito ng nakatagong init ng pagkatunaw dahil sa phase transition. Sa yugtong ito, ang thermal physical state ng laser energy carrier ay nagbabago, at ang energy transfer balance equation ay ipinapakita sa formula (6) (7) sa figure. Kung saan: Ang Qp-latent ay ang enerhiya na inilabas kapag ang pulbos ay sumasailalim sa phase transition.

Kung saan: ∆Hf ay ang nakatagong init ng pagkatunaw, at ang Tm ay ang punto ng pagkatunaw ng pulbos. Dahil ang pagkakaiba ng temperatura ng pulbos ay maliit sa panahon ng solid-liquid transition, ang halagang ito ay humigit-kumulang katumbas ng Tm, kaya ang formula (7) ay pinasimple sa formula (8) sa figure.

Maaari itong tapusin mula sa equation (8) na ang tagal ng katangian na yugto 2 (t2−t1) ay tumataas habang ang laser power P at ang anggulo ng insidente θ ng powder ay bumababa, at bumababa rin habang ang average na laki ng particle rp ng powder, ang paunang bilis v0 ng pulbos, at ang halaga ng laser defocusing D ay bumaba.

2.3.4 Thermophysical process modelling ng katangian na yugto 3

Nakumpleto na ng pulbos ang solid-liquid transition at sumasailalim pa rin sa tuluy-tuloy na laser heat bago mahulog sa molten pool. Dahil sa malaking pagkakaiba sa thermophysical parameter ng solid at liquid phase ng powder, ang thermophysical process ng stage na ito ay kailangang ayusin ayon sa thermophysical parameters ng liquid state transmission. Ang heat transfer balance equation ay ipinapakita sa equation (9) sa figure. Sa formula: ang mga pulbos ay likido lahat; Ang Qp-liquid ay ang init na hinihigop ng pulbos; Ang Qp-liquidabs ay ang init ng laser na kumikilos sa pulbos; Ang Qp-liquidcon ay ang init na nawala ng pulbos dahil sa thermal convection; Ang Qp-liquidrad ay ang init na nawala ng pulbos dahil sa thermal radiation.

Sa formula: ang mga pulbos ay likido lahat; Ang αliquid ay ang rate ng pagsipsip ng laser; hp-liquid ay ang convection heat transfer coefficient; Ang Tp-liquid(t) ay ang real-time na temperatura; ρp-likido ay ang density; Ang Cp-liquid ay ang tiyak na kapasidad ng init.

Mula sa formula (10), makikita na ang tagal ng katangian na yugto 2 (t3−t2) ay nauugnay sa real-time na temperatura ng likidong pulbos Tp-likido(t), ang paunang bilis ng paggalaw ng pulbos v0, ang laser kapangyarihan P, ang laser positive defocus halaga D, ang pulbos insidente anggulo θ at iba pang mga parameter. Kung ang temperatura ng pulbos ay itinaas nang mas mataas sa parehong oras, ang halaga ng laser positive defocus D, ang paunang bilis ng paggalaw ng pulbos v0 ay maaaring mabawasan. Bawasan ang laser power P, dagdagan ang anggulo ng insidente ng pulbos θ, at sa oras na ito, tatagal ang pulbos sa katangiang yugto 3.

2.4 Pagsusuri ng simulation ng pag-uugali ng pagtunaw ng pulbos

2.4.1 Epekto ng kapangyarihan ng laser sa pag-uugali ng pagtunaw ng pulbos

Kahit na ang ibabaw ng molten pool ay natatakpan ng metal vapor sa panahon ng semiconductor laser coaxial powder feeding process, na nagpapahirap sa pagsukat ng temperatura ng powder kapag ito ay pumasok sa molten pool, ang modelo sa itaas ay maaaring gamitin upang kalkulahin ang temperatura ng ang pulbos kapag ito ay pumasok sa molten pool, at hulaan ang pisikal na estado ng powder kapag ito ay pumasok sa molten pool. Ginagamit ang modelo upang kalkulahin ang tagal ng pulbos sa tatlong yugto ng katangian sa ilalim ng iba't ibang kapangyarihan ng laser. Sa ilalim ng parehong kapangyarihan ng laser at iba pang mga parameter, ang aktwal na tagal ng bawat yugto ng katangian ay naitala ng high-speed camera. Ang katumpakan ng modelo ay napatunayan sa pamamagitan ng paghahambing ng tagal bago at pagkatapos. Sa batayan ng nakuha na modelo, ang temperatura at estado ng pulbos kapag ito ay pumasok sa molten pool ay sinusuri at hinuhusgahan.

Sa ilalim ng mga sumusunod na kundisyon ng simulation: powder feeding rate 0.25 r/min, powder carrier gas flow rate 7 L/min, laser defocus 0 mm, powder feeding height 20 mm, powder incident angle 45 °, formula (3), formula (5) , formula Ang real-time na temperatura ng pulbos na T(t) na tumutugma sa oras na t1, t2, at t3 sa (8) at (10) ay ginagaya ng Matlab upang makuha ang impluwensya ng iba't ibang kapangyarihan ng laser qlaser sa tagal ng bawat yugto ng katangian t1 , (t2−t1) at (t3−t2). Ang mga parameter ng simulation ay ipinapakita sa Talahanayan 2.

Ang halaga ng simulation ay may tiyak na paglihis mula sa pang-eksperimentong halaga. Ang simulation value ng characteristic stage 1 ay palaging mas malaki kaysa sa experimental value, at ang simulation value ng characteristic stage 3 ay palaging mas mababa kaysa sa experimental value. Ang mga resulta ng simulation ng tagal ng katangian na yugto 1 na may mababang kapangyarihan at ang tagal ng katangian na yugto 3 na may mataas na kapangyarihan ay medyo naiiba mula sa mga resulta ng eksperimento, dahil ang tagal ng katangian na yugto 1 na may mababang kapangyarihan at katangian na yugto 3 na may mataas na kapangyarihan ay medyo mahaba. Ang parehong mga proseso ay naaabala ng mga kadahilanan tulad ng init na pagmuni-muni ng tinunaw na pool at ang mataas na init ng singaw ng metal, na hindi pinapansin sa simulation modeling, tulad ng ipinapakita sa Figure 7.

2.4.2 Epekto ng defocus sa pag-uugali ng pagtunaw ng pulbos

Sa ilalim ng mga parameter ng powder feeding rate 0.25 r/min, powder carrier gas flow rate 7 L/min, scanning speed 4 mm/s, powder feeding height 20 mm, at lakas ng laser 1 100 W, ang defocus ay nababagay upang pag-aralan ang epekto ng defocus sa pamamahagi ng temperatura sa puwang ng pakikipag-ugnayan ng light-powder sa panahon ng coaxial laser cladding, tulad ng ipinapakita sa Figure 8.

Tulad ng makikita mula sa Figure 8, ang pagtaas ng defocus ay tataas ang halaga ng natutunaw na pulbos kasama ang lateral na direksyon ng laser spot, at ang pagkakapareho ng pamamahagi ng temperatura ng mga particle ng pulbos ay mapapahusay din kasama ang lateral na direksyon ng laser spot. . Ang lugar ng mataas na temperatura na lugar ng temperatura ng pulbos ay unang tumataas at pagkatapos ay bumababa, at ang mga particle ng pulbos sa mataas na temperatura na estado ay unang malapit at pagkatapos ay malayo sa nozzle. Ang dahilan ay ang pagtaas ng defocus mula sa 0 mm, na nangangahulugan na ang pinakamataas na cross-section ng pamamahagi ng enerhiya ng laser lateral na direksyon ay unti-unting gumagalaw mula sa substrate patungo sa nozzle. Kapag ang defocus ay + 10 mm, ang average na density ng enerhiya na maaaring makuha ng mga particle ng pulbos sa interaksyon ng light-powder ay ang pinakamalaking; kapag ang defocus ay lumampas sa + 10 mm Pagkatapos noon, ang distansya sa pagitan ng laser focus at ang substrate ay masyadong malaki, at ang laser beam ay nasa isang divergent na estado, upang ang average na density ng enerhiya na maaaring makuha ng mga particle ng pulbos sa interaksyon ng light-powder ay bumababa sa pagtaas ng focal length. Samakatuwid, napansin na ang mga particle ng pulbos ay mas natutunaw kasama ang lateral na direksyon ng laser spot, at ang inhomogeneity ng pagtunaw ng pulbos ay bumababa kasama ang direksyon na ito, at ang lugar ng mataas na temperatura na lugar ng temperatura ng pulbos ay tumataas at pagkatapos bumababa.

Sa ilalim ng mga parameter ng halaga ng pagpapakain ng pulbos 0.25 r/min, bilis ng pag-scan 4 mm/s, taas ng pagpapakain ng pulbos 20 mm, kapangyarihan ng laser 1 100 W, at halaga ng defocus na 0 mm, sa pamamagitan ng pagsasaayos ng rate ng daloy ng gas carrier ng pulbos, ang epekto ng powder carrier gas flow rate sa pamamahagi ng temperatura sa light-powder interaction space sa panahon ng coaxial laser cladding ay pinag-aralan. Kapag ang pulbos carrier gas flow rate ay 5, 7, 9, at 11 L/min, tulad ng ipinapakita sa Figure 9.

Mula sa Figure 9 Makikita na habang unti-unting tumataas ang rate ng daloy ng carrier ng gas, ang bilang ng mga particle ng pulbos na natunaw ay bahagyang bumababa, ang lugar ng mataas na temperatura na lugar ng mga particle ng pulbos ay medyo bumababa, at ang pagkakapareho ng temperatura. humihina ang pamamahagi ng mga particle ng pulbos. Ang dahilan ay naaapektuhan ng carrier gas flow rate ang bilis ng paggalaw at spatial distribution ng mga powder particle sa light-powder action space. Habang tumataas ang rate ng daloy ng carrier gas, tumataas ang bilis ng paggalaw ng mga particle ng pulbos sa puwang ng pagkilos ng light-powder, at bumababa ang oras ng pagkilos sa puwang ng pagkilos ng light-powder, nang sa gayon ay unti-unting bumababa ang temperatura ng mga particle ng pulbos sa parehong posisyon. bumababa, at bababa din ang temperatura nang naaayon kapag nahuhulog sa molten pool. Ang singaw ng metal na nabuo sa buong proseso ng cladding ay bababa din nang naaayon, at ang konsentrasyon ng mga particle ng pulbos sa puwang ng pagkilos ng light-powder ay bumababa din. Kung ikukumpara sa impluwensya ng laser power at defocus sa pamamahagi ng temperatura ng light-powder action space, ang pagbabago ng carrier gas flow rate ay may mas kaunting impluwensya sa pamamahagi ng temperatura ng light-powder action space.

2.4.3 Simulation ng temperatura ng yugto ng pagtunaw ng pulbos sa iba't ibang kapangyarihan ng laser

Kapag ang laki ng powder particle ay 120 μm, ang carrier gas flow rate ay 7 L/min, ang powder incident angle ay 45°, ang powder initial velocity ay 0.8 mm/ms, at ang laser defocus ay 0 mm, at ang powder feeding. ang taas ay 20 mm. Batay sa pagbabago ng modelo ng thermal physics, ang Matlab tool ay ginagamit upang gayahin ang temperatura ng pulbos na tumutugma sa iba't ibang kapangyarihan ng laser, at ang pagkakaiba-iba ng takbo ng temperatura ng pulbos sa paglipas ng panahon sa ilalim ng iba't ibang kapangyarihan ng laser ay nakuha, tulad ng ipinapakita sa Figure 10.

Tulad ng ipinapakita sa Figure 10, ang pagtaas ng pagtaas ng temperatura ng pulbos sa paunang yugto ng pagkilos ng laser ay higit na malaki kaysa doon sa gitna at huling mga yugto ng pagtunaw, na nagpapaliwanag sa kababalaghan na ang solidong pulbos ay sumisipsip ng mas maraming laser energy at nawawala. mas kaunting enerhiya kaysa sa likidong pulbos. Pangalawa, maliban kung ang kapangyarihan ng laser ay 100 W, ang curve ng temperatura ay may dalawang inflection point, katulad ng 1 060 ℃ at 1 260 ℃. Makikita na ang pinakamabilis na rate ng paglago ay ang heating curve sa ibaba 1 060 ℃, at ang pinakamabagal na rate ng paglago ay ang heating curve sa itaas 1 260 ℃. Ang rate ng paglago ng temperatura sa hanay ng pag-init na 1 060 ~ 1 260 ℃ ay nasa pagitan ng dalawa sa itaas. Ang dahilan ay ang pulbos ay nagsisimulang matunaw sa 1 060 ℃ at natutunaw sa 1 260 ℃. ℃, at dahil ang rate ng pagsipsip at pagkawala ng rate ng pulbos sa laser sa solid at likidong estado ay iba, ang slope ng heating curve ay iba, iyon ay, ang temperatura ng paglago rate ay naiiba. Bilang karagdagan, makikita mula sa heating curve na ang rate ng paglago ng temperatura ay unti-unting tumataas kapag ang pulbos ay pumasok sa laser upang makipag-ugnayan sa pulbos sa simula; sa pagtatapos ng pagtunaw, unti-unting bumababa ang rate ng paglago ng temperatura. Ang dahilan ay ang paglipat nila sa gilid ng trapezoidal laser heat source at nagbabago ang density ng enerhiya.

3 Konklusyon

(1) Ang pabago-bagong pag-uugali ng pagkatunaw ng pulbos sa laser ay kinokolekta ng high-speed na video. Napag-alaman na mayroong tatlong tipikal na yugto ng pagtunaw ng pulbos: "solid → solid-liquid two-phase state → liquid state". Ang tagal ng iba't ibang yugto ng katangian at ang katangiang equation ng pagkatunaw ay iba. Batay dito, nabuo ang isang mathematical analytical model na maaaring maglarawan sa dynamic na pag-uugali ng pagtunaw ng pulbos.

(2) Ang mga epekto ng laser power, defocusing amount, at powder-carrying gas flow rate sa temperature distribution ng powder sa light-powder action space ay sinusuri. Kasabay nito, ginagamit ang modelo upang pag-aralan ang epekto ng iba't ibang kapangyarihan ng laser sa tagal ng bawat yugto ng katangian. Ang pamamahagi ng temperatura ng mga particle ng pulbos na dumarating sa substrate ay ginagaya at hinuhulaan. Napag-alaman na habang tumataas ang kapangyarihan ng laser mula 100 W hanggang 200 W, tumataas ang temperatura ng pagkatunaw ng pulbos. Kapag tumaas ang kapangyarihan ng laser sa 1500 W, ang temperatura ng pulbos na pumapasok sa molten pool ay nagbabago nang hindi linear. Mula sa mga resulta ng simulation, makikita na kapag ang lakas ng laser ay tumaas mula 100 W hanggang 1500 W, ang temperatura ng powder na pumapasok sa molten pool ay tumataas mula 750 ℃ ​​hanggang 3250 ℃.