Koaksiyel toz beslemede lazer kaplamaToz ve lazer arasındaki etkileşim, doğrudan hassasiyet ve kaliteyi etkileyecektir. kaplama şekillendirme. Kızılötesi kamera, tozun lazerdeki erime davranışını doğrudan elde edemez. Bu nedenle, tozun ısı emilimini analiz ederek, toz erimesinin dinamik davranışını toplamak için yüksek hızlı bir kamera sistemi kullanılır ve toz eritme işleminin dinamik bir analitik modeli oluşturulur. Lazer gücünün farklı erime aşamaları üzerindeki etkisi ve erimiş havuza giren tozun sıcaklık özellikleri simülasyonla analiz edilir. Sonuçlar, lazerde yüksek hızlı kamera sistemi tarafından toplanan tozun dinamik erime davranışında "katı hal → katı-sıvı iki fazlı hal → sıvı hal" olmak üzere üç tipik erime karakteristik aşaması olduğunu gösterir. Toz eritmenin dinamik davranışı matematiksel analitik modelle analiz edilebilir ve farklı aşamaların termofiziksel davranışı, toz ve lazer arasındaki termal etkileşimin dinamik bir analitik modeline sahiptir. Lazer gücünün, odaksızlaştırma miktarının ve toz taşıyan gaz akış hızının toz eritme davranışı üzerindeki etkisi analiz edilir. Aynı zamanda, farklı lazer güçlerinin her bir karakteristik aşamanın süresi üzerindeki etkisi simüle edilir ve alt tabakaya ulaşan toz parçacıklarının sıcaklık dağılımını tahmin etmek için analiz edilir. Lazer gücünün 100 W'tan 1500 W'a çıkmasıyla erimiş havuza giren tozun sıcaklığının doğrusal olmayan bir şekilde değiştiği, sıcaklığın 750 ℃'den 3250 ℃'ye çıktığı görülmektedir.

Lazer kaplama işlemi, güçlü enerji odaklama, küçük kaplama ısısından etkilenen bölge, iyi şekillendirme vb. avantajlara sahiptir. Kaplama işlemi kontrol edilmesi kolaydır, üretim maliyeti düşüktür ve metal parçaların onarımı ve yüzey güçlendirmesi üzerinde iyi etkileri vardır. Koaksiyel toz beslemeli lazer kaplama modu iyi ışık-toz kuplajına, yüksek şekillendirme doğruluğuna, yüksek mekansal özgürlüğe ve güçlü izotropiye sahip olduğundan, lazer katkı üretim teknolojisi için önemli bir seçim haline gelmiştir. Şekillendirme doğruluğu ve kalite kontrolü, lazer katkı üretiminin anahtarıdır. Şu anda, üretim uygulamasında, çoğu düzenleme için çok sayıda işlem testine ve manuel deneyime güvenmektedir. Teorik modeller, doğruluk ve kalite tahminini elde etmek için şekillendirme mekanizması ve organizasyonel evrim perspektifinden oluşturulmuştur. Bunlar arasında, lazer ve malzeme arasındaki termal etkileşim, ısı dağıtım mekanizması vb., lazer kaplamanın hassas şekillendirilmesi ve yüksek performanslı şekillendirilmesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, lazer ve toz arasındaki karmaşık termal etkileşim modu üzerinde araştırma yapmak için, deneyleri modellemeyle birleştirmek, koaksiyel toz besleme tozu ve lazer arasındaki termal etkileşimi analiz etmek, dinamik bir analitik model oluşturmak ve lazer ısı kaynağı özelliklerinin erimiş havuza girmek üzere olan tozun termal fiziksel durumu üzerindeki etkisinin mekanizmasını açıklamak gerekir.

Şu anda, koaksiyel toz beslemeli lazer kaplama işleminin termal fiziksel davranışı üzerine yapılan araştırmalar esas olarak tozun lazer üzerindeki emilim ve saçılma moduna, ışık ve toz arasındaki termal etkileşimin biçimine ve erimiş havuzun termal fiziksel durumuna odaklanmaktadır. Bunlar arasında, ışık ve toz arasındaki termal etkileşimin diğer fiziksel süreçler üzerinde önemli bir etkisi vardır. Yurt içinde ve yurt dışında birçok bilim insanı, örneğin Shrey vd., bu konuda çok sayıda araştırma yapmıştır. Önceden ayarlanmış lazer kaplama işlemi için, enerji transferi ve kayıp mekanizmasını ve erimiş malzemenin yüzey gerilimini dikkate alan bir parametre entegre analiz modeli, erimiş havuz sıcaklığını, kaplama geometrisini ve alt tabaka seyreltmesini tahmin etmek için önerilmiştir; Yang Yicheng vd. "Arka görüntü iyileştirme" geçici görüntü yakalama yöntemini ve görüntü bilgi işleme teknolojisini kullanarak lazer ışınımı altında toz demeti ve parçacıkların değişen özelliklerini incelemiş, vurgulu durumdaki parçacık sayısını, parlak alanın toplam alanını ve tek bir parçacığın parlak alanının ortalama alanını karakteristik parametreler olarak çıkarmış, lazer koaksiyel toz besleme katkı maddesi üretim sürecindeki işlem parametrelerinin etkisinin karakterizasyonu ile birleştirilmiş ve ışık-toz etkileşim sürecinin ana işlem parametrelerinin makul şekilde eşleştirilmesiyle düzenlenebileceği önerilmiştir; Zhu Ming ve arkadaşları önceden ayarlanmış toz ve lazer arasındaki etkileşim davranışını modellemiş ve simüle etmiştir. Özetle, ilgili araştırma esas olarak ışık-toz eylem süreci sırasındaki enerji transferine ve ışık-toz eylem sürecinin mekansal sıcaklık alanı dağılımına odaklanırken, ışık-toz eyleminin dinamik süreci, ışık-toz eylemi sırasında tozun termal fiziksel durumunun evrimi ve erimiş havuza giren toz parçacıklarının durumu hakkında daha az araştırma vardır.

Eş eksenli toz besleme lazer kaplama işlemi sırasında, erimiş havuzun yüzeyinde metal buharı ve plazmanın bulunması nedeniyle, geleneksel termal görüntüleme yöntemlerinin erimiş havuza girmek üzere olan tozun sıcaklığını ve durumunu doğru bir şekilde yansıtması zordur. Ayrıca, toz eritme işleminin son aşamasında lazer ısı kaynağının mekanizmasını nicel olarak analiz etmek de çok zordur. İşlem parametrelerinin son aşamada tozun sıcaklığı ve durumu üzerindeki etkisini doğru bir şekilde incelemek için, bir tasarım Eş eksenli toz besleme lazer kaplama test platformu, kızılötesi termal görüntüleme edinim sistemi ve yüksek hızlı kamera edinim sistemi geliştirildi. Tozun farklı erime aşamalarına göre, tozun erime davranışını tanımlayabilen dinamik bir termofiziksel analitik model oluşturuldu. Farklı lazer güçleri altında toz erimesinin karakteristik aşamasının süresi simüle edildi ve hesaplandı. Model, yüksek hızlı kameraya göre düzeltildi ve optimize edildi. Son olarak, tozun farklı lazer güçleri altında erimiş havuza ulaştığı zamanki sıcaklığı ve durumu nicel olarak elde edildi, bu da tozun erimiş havuza ısı transfer davranışını, erimiş havuzun termodinamik durumunu vb. daha fazla incelemek için teorik bir temel sağladı ve toz erime davranışının kontrolünü gerçekleştirmek için teorik bir temel sağladı.

1 Test yöntemi

Test seçimi No. 45 karbon yapı çeliği, 120 mm × 80 mm × 6 mm boyutunda alt tabaka olarak kullanıldı. Toz malzeme olarak, 60 ~ 80 μm toz parçacık boyutuna sahip yüksek sertlikte Ni160A alaşımlı toz seçildi. Kimyasal bileşim Tablo 1'de gösterilmiştir. Testten önce toz, içindeki nemi gidermek için 120 saat boyunca kurutulmak üzere 1 ℃ dirençli bir fırına yerleştirildi. Aynı zamanda, No. 45 çeliği yüzey pasını ve oksit filmini çıkarmak için zımpara kağıdı ile parlatıldı ve ardından yüzey yağını gidermek için aseton alkol ile silindi.

Bu makalede kullanılan FL-Dlight-1500 lazer ısı kaynağı esas olarak doğrudan çıkışlı dikdörtgen nokta yarı iletken lazerden oluşmaktadır. Minimum nokta boyutu 1 mm × 3 mm, dalga boyu 976 nm ± 10 nm ve maksimum çıkış gücü 1 500 W'tır. Toz besleme ekipmanı bir ECPF 2-2 LC plazma toz besleyicidir ve Aidis tarafından üretilen DIAS'ı kullanan yüksek hassasiyetli bir koaksiyel halka toz besleme memesi ile donatılmıştır. Kısa dalga yüksek sıcaklıklı kızılötesi termal görüntüleyici, ışık-toz termal etkileşiminin termal sürecini gözlemlemek için kullanıldı. Ölçülen sıcaklık 900 ~ 2 500 ℃, hata %1 ve ölçüm frekansı 60 Hz idi. Lazer eklemeli ve yeniden üretim süreci edinim sistemi bir VEO 410L yüksek hızlı kamera kullandı, çekim kare hızı 10 fps, pozlama süresi 000 μs idi, lens bir Nikon AF1 mm f/60D sabit odaklı makro lensti ve yardımcı ışık kaynağı edinim sürecinin kontrastını iyileştirmek için bir HSX-F2.8 ksenon lambası kullandı. Test ve edinim sistemi Şekil 300'de gösterilmiştir.

2 Toz eritme davranışının tespiti, modellenmesi ve simülasyonu

2.1 Toz eritme işleminin kızılötesi termal görüntüleme ile elde edilmesi ve analizi

Tozun ışık-toz termal etkileşim uzayındaki sıcaklık dağılımını ve erimiş havuza giren tozun termal fiziksel durumunu incelemek amacıyla toz besleme hızı 0.25r/dak, taşıyıcı gaz akış hızı 7 L/dak, toz besleme yüksekliği 20 mm, lazer defokus değeri 0 mm ve tarama hızı 4 mm/sn olarak ayarlandı. 2 mm/sn'lik deneysel koşul altında, farklı lazer güçleri altında lazer ve toz arasındaki termal etkileşim, Şekil 3'de gösterildiği gibi bir kızılötesi termal görüntüleyici kullanılarak toplandı ve nozul ve alt tabakanın konumları Şekil XNUMX'te gösterildi.

Şekil 2'de görüldüğü gibi, lazer gücü kademeli olarak arttıkça, ışık-toz termal etkileşim alanındaki sıcaklık kademeli olarak artar, toz sıcaklığının yüksek sıcaklık alanı kademeli olarak artar ve kademeli olarak toz besleme nozuluna yaklaşır ve toz sıcaklığı kademeli olarak uzunlamasına eksen boyunca eşit olarak dağılır. Analiz yoluyla, lazer gücü kademeli olarak arttıkça, ışık-toz termal etkileşim alanındaki lazer enerji yoğunluğunun da kademeli olarak arttığı görülebilir. Lazer gücünün artması veya azalması tozun hareket yörüngesini etkilemez. Ancak, lazer gücü artırılırsa, aynı süre boyunca ışık-toz etkisinden sonra toz daha yüksek lazer enerjisi emer ve toz sıcaklığı hemen yükselir. Bu nedenle, tozun yüksek sıcaklık alanı uzunlamasına gerilir ve kademeli olarak toz besleme nozuluna yaklaşır. Erimiş havuza ulaşmadan önce eriyen toz oranı artar. Lazer gücü 700 W veya üzeri olduğunda, toz sıcaklığı hızla yükselir ve erimiş havuzun yakınında ve erimiş havuzun yakınındaki alanda metal buharı belirir ve lazer gücüyle kademeli olarak artar. Metal buharı, toz sıcaklığının kızılötesi termal görüntüleme ölçümü üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Kızılötesi termal görüntülemenin maksimum aralığı 2 500 ℃'dir, metal buharının kapladığı alanın sıcaklığı ise bu aralığı aşar ve bu alan lazer gücünün artmasıyla birlikte artar. Bu nedenle, yalnızca düşük lazer gücündeki toz erimiş havuza girdiğinde, sıcaklık kızılötesi görüntüleme ile ölçülebilir.

2.2 Eş eksenli toz besleme ve lazer arasındaki termal etkileşim davranışının toplanması ve analizi

Yarı iletken lazer koaksiyel toz beslemesinin üretim süreci sırasında, toz lazer alanına girdikten sonra “katı hal → katı-sıvı iki fazlı hal → sıvı hal → hacim genişlemesi → gazlaştırma → plazma” geçişine uğrayacaktır. Literatür, ışık-toz termal etkileşimi altında elde edilen tozun fiziksel halinin farklı lazer ışınlama seviyeleriyle farklı olduğunu ve tozlar arasındaki parlaklık farkının doğrudan ışık-toz termal etkileşiminin derecesindeki farkı yansıtabileceğini göstermektedir. “Arka görüntü iyileştirme” yoluyla, katı toz lazer alanına koaksiyel olarak beslenir ve toz lazer enerjisiyle ışınlanır ve ısıtılır. Erime noktasına ulaştığında, ısıyı emmeye devam edecektir. Erimenin gizli ısısı dışarıya doğru salınır ve katı-sıvı dönüşümü meydana gelir. Bu sırada, toz renginin yüksek hızlı fotoğrafçılık yoluyla siyahtan parlak beyaza doğru kademeli olarak değiştiği gözlemlenebilir. Tüm toz siyahtan parlak beyaza döndüğünde, faz değişiminin tamamlandığını gösterir. Erimiş toz ısıyı emmeye devam ederse, hacim genişleyecektir. Sıcaklık buharlaşma sıcaklığına ulaştığında, erimiş tozun etrafında metal buharı oluşacak ve hatta plazma bile ortaya çıkacaktır. Tek bir tozun erime davranışı, genel toz ışınının erime davranışına çok benzerdir. Eş eksenli toz beslemeli lazer kaplama sırasında daha fazla toz olmasına rağmen, tek bir tozun tipik erime davranışı incelenebilir.

Şekil 1'i kullanarak, koaksiyel toz beslemeli yarı iletken lazer kaplama test sistemi inşa edildi ve tek bir tozun erime davranışını analiz etmek ve toplamak için tipik toz kaplama işlemi seçildi. Lazer gücü makul bir şekilde ayarlandığında, lazere giren toz, lazer eylemi nedeniyle tamamen metal buharına veya plazmaya dönüşmeyecektir ve bu hafif toz eylemli termal işlem de düzenlidir. Bu nedenle, lazer eylem alanına giren tozun erime işlemi basitleştirilebilir.

Tüm tozların gaza veya plazmaya dönüşme olasılığı düşük olduğundan ve tüm termal işlem üzerinde çok az etkisi olduğundan, toz eritme işlemi, Şekil 4'te gösterildiği gibi üç karakteristik aşama elde etmek için basitleştirilmiştir. Toz besleme hızı 0.25 dev/dak, toz taşıyıcı gaz akış hızı 7 L/dak, toz besleme yüksekliği 20 mm, lazer defokus miktarı 0 mm ve tarama hızı 4 mm/s parametreleri altında farklı lazer güçleri kullanılır. Katı toz eritme işlemi yüksek hızlı video ile toplanır ve Matlab yazılımı kullanılarak işlenir. Görüntüdeki toz eritmesinin parlaklığı ve piksel alanı karakteristik sinyaller olarak kullanılır. Analiz, tozun lazer eylem alanına girdiği andan erimiş havuza düştüğü ana kadar üç tipik aşama olduğunu göstermektedir, yani 3 Karakteristik aşama 1: Erime aşamasının başlangıcı, toz nozuldan dışarı atılır, hareket süresi 0 ~ 9.8 ms'dir ve lazer ışınlama alanına girdikten sonra ısıyı emer ve siyah katıdan beyaz sıvıya dönüşmeye başlar. Bu aşamadaki tozun özellikleri gri tonlamalı değerler 0 ~ 160 ve piksel değerleri 0 ~ 2 pikseldir; Karakteristik aşama 2: Tam vurgu aşaması, toz hareket süresi 9.9 ~ 12 ms'dir, toz lazer termal etkileşimi altında ısıyı emmeye devam eder, yukarıdan aşağıya doğru erir ve sonunda tamamen parlak bir sıvı parçacığı haline gelir. Bu aşamadaki tozun özellikleri gri tonlamalı değerler 160 ~ 255 ve piksel değerleri 2 ~ 5 pikseldir; Karakteristik aşama 3: Erimiş damla erimiş havuz aşamasına girer, toz hareket süresi 12.1 ~ 18 ms'dir, sıvı toz lazer termal etkileşimi yoluyla ısıyı emmeye devam eder ve hacim artmaya devam eder. Bu sırada tüylenme meydana gelmesi de mümkündür. Son olarak toz erimiş havuza yüksek sıcaklıkta bir sıvı olarak girer. Bu aşamada tozun karakteristikleri gri tonlamalı değerlerdir. 255, piksel değeri 5 pikselden büyüktür. Özetle, toz lazerde “katı hal → katı-sıvı iki fazlı hal → sıvı hal” dönüşümüne uğrar.

2.3 Tozun lazere beslendiğinde erime davranışının termal fiziksel sürecinin analizi

Şekil 4'te gösterildiği gibi, tozun lazerdeki erime biçimi dinamiktir ve enerjiyi emme süreci de dinamiktir. Bu nedenle, tozun lazere girdikten sonraki erime davranışının tanımı da dinamik olmalıdır. Ancak, mevcut olanların çoğu
Termal fiziksel modeller statik ve tek ısı emilim denklemlerini kullanır. Bu nedenle, lazerdeki katı tozun erime davranışını tanımlamak ve erimiş havuza giren tozun durumunu ve sıcaklığını hesaplamak ve analiz etmek için farklı karakteristik aşamalara göre dinamik bir termal fiziksel model oluşturmak gerekir.

2.3.1 Lazer ısı kaynağı modeli

Tozun erime davranışı üzerinde ısı kaynağı özelliklerinin etkisini analiz etmek için öncelikle bir lazer ısı kaynağı modeli oluşturulur. Işık-toz termal etkileşimindeki enerji iletim biçimi ve taşıyıcısı nispeten karmaşık olduğundan, ışık-toz termal etkileşim süreci için aşağıdaki varsayımların yapılması gerekir: ① Lazer enerjisinin zayıflaması, plazmanın etkisini göz ardı ederek tozun emilimi ve saçılması yoluyla gerçekleşir; ② Toz üzerinde etkili olan lazer enerjisi yoğunluğunun analizi trapezoidal dağılıma uygundur; ③ İncelenen toz, ışık ve toz arasındaki etkileşimden sonra sonunda erimiş havuza girer; ④ Metal buharı toz üzerinde ısı iletimi şeklinde etki eder, ancak etki nispeten küçüktür, bu nedenle metal buharının toz sıcaklığı üzerindeki etkisi çalışmada göz ardı edilmiştir. Dikdörtgen yarı iletken lazer ısı kaynağı, Şekil 5'te gösterildiği gibi x yönünde Gauss dağılımına ve y yönünde trapezoidal dağılıma sahiptir.

Yarı iletken lazer ısı kaynağı, enerji dağılımının uzunluk yönündeki düzgünlüğünü en iyi yansıtan trapezoidal dağılımdır. Aynı zamanda, lazer kaplama yönü lazer noktasının uzunluk yönüne diktir. Bu nedenle, lazer ısı kaynağı modelini basitleştirmek için, tozun erimiş havuza lazer genişlik yönüne dik maksimum enerjiye sahip düzlem boyunca hareket ettiğini varsaymak gerekir. Lazer ısısından etkilendikten sonra, termal fiziksel davranış, lazer enerji yoğunluğunun trapezoidal dağılımına göre analiz edilir. Basitleştirilmiş lazer enerji dağılımı formülü, şekildeki formül (1)'de gösterilmiştir, burada: qlaser, ışık-toz eylem uzayındaki herhangi bir konumdaki lazer enerji yoğunluğudur; P, lazer gücüdür; W, lazer noktası genişliğidir; L, nokta uzunluğudur; y, lazer ışınının uzunluğu boyunca olan mesafedir.

Lazer kaplama, koaksiyel toz beslemesi şeklinde gerçekleştirildiğinde, toz, toz taşıyan hava akışından etkilenir ve hareket biçimi nispeten karmaşıktır. Halka şeklindeki toz beslemesi için, hafif toz termal etkileşim alanındaki toz, hava akışı direncinden ve kendi yer çekiminden etkilenir, bu nedenle kuvvet biçimi daha karmaşıktır ve kuvvet ve hareket biçimlerini analiz etmek daha zordur. Ancak, halka şeklindeki toz besleme kaplama kafasının ve toz ışınının yüksek simetrisi nedeniyle, toz besleme parametreleri sabit olduğunda, aynı kesite sahip tozlar aynı kuvvete ve hareket biçimine sahiptir. Bu nedenle, bu makale, lazer nokta genişliğinin merkez yönündeki iki boyutlu kesitteki tozun hareket modelini ve kuvveti analiz eder.
Mod Şekil 6'da gösterilmektedir.

Tek bir tozun toz besleme nozulundan erimiş havuza hareketi yatay ve dikey yönlere ayrıştırılabilir. İki yöndeki hareket süresi t1 ve t2 kinematikle hesaplanabilir. Lazer eylem alanındaki maksimum hareket süresi t = min[t1, t2] olarak hesaplanabilir, yani şekildeki formül (2)'ye bakın, burada: v0 toz besleme nozulundaki tozun hızıdır; az tozun dikey yöndeki ivmesidir; ay tozun yatay yöndeki ivmesidir; θ toz olay açısıdır.
Lazer enerji dağılımı (1), toz hareket modeli (2) ile birleştirilir ve lazer ışınındaki herhangi bir t anındaki lazer enerjisi yoğunluğu q, şekilde gösterilen (3) ile elde edilir. Burada: t, tozun lazerdeki herhangi bir konuma hareket etmesi için gereken zamandır.

2.3.2 Karakteristik aşama 1'deki termal fiziksel süreçlerin modellenmesi

Lazer alanına girmenin erken aşamasında, toz lazer etkileşimi tarafından eritilmez, ancak düşük sıcaklıktaki katı halden yüksek sıcaklıktaki katı hale dönüşür. Bu andaki enerji transfer dengesi denklemi şekilde gösterilmiştir. Formül (4) (5). Formülde: toz katıdır; Qp-katı toz tarafından emilen ısıdır; Qp-katıbs toz tarafından t1 aşamasında emilen lazer ısısıdır; Qp-katıkon toz tarafından termal konveksiyonla kaybedilen ısıdır; Qp-katırad toz tarafından termal radyasyonla kaybedilen ısıdır; αkatı tozun lazeri emme oranıdır; hp-katı toz termal konveksiyon ısı transfer katsayısıdır; Tp-katı(t) tozun ilk karakteristik aşamadaki son gerçek zamanlı sıcaklığıdır; ρp-katı tozun yoğunluğudur; Cp-katı tozun özgül ısı kapasitesidir; tek bir toz parçacığının yarıçapıdır; T0 ortam sıcaklığıdır; tozun lazere yayılımı; Boltzmann sabitidir.

Formül (5)'ten, karakteristik aşama 1'in süresi t1'in qlaser(t) ile arttığı görülebilir. Yani, lazer gücü P ve toz olay açısı θ azaldığında, lazer defokus D ve toz olay başlangıç ​​hızı v0 artar, karakteristik aşama 1'in süresi t1 artar ve toz gerçek zamanlı sıcaklığı Tp-katı(t)'nin büyüme hızı yavaşlar.

2.3.3 Karakteristik aşama 2'nin termofiziksel proses modellemesi

Toz katı-sıvı faz geçişine girmeye başlar. Toz ısıyı emerken, faz geçişi nedeniyle erimenin gizli ısısını serbest bırakır. Bu aşamada, lazer enerji taşıyıcısının termal fiziksel durumu değişir ve enerji transfer dengesi denklemi şekildeki formül (6) (7)'de gösterilir. Burada: Qp-latent, toz faz geçişine girdiğinde serbest bırakılan enerjidir.

Burada: ∆Hf erimenin gizli ısısıdır ve Tm tozun erime noktasıdır. Katı-sıvı geçişi sırasında tozun sıcaklık farkı küçük olduğundan, bu değer yaklaşık olarak Tm'ye eşittir, bu nedenle formül (7) şekilde formül (8) olarak basitleştirilmiştir.

Denklem (8)'den, karakteristik aşama 2'nin süresinin (t2−t1), lazer gücü P ve tozun olay açısı θ azaldıkça arttığı, ayrıca tozun ortalama parçacık boyutu rp, tozun başlangıç ​​hızı v0 ve lazer odaksızlaştırma miktarı D azaldıkça azaldığı sonucuna varılabilir.

2.3.4 Karakteristik aşama 3'nin termofiziksel proses modellemesi

Toz katı-sıvı geçişini tamamlamıştır ve erimiş havuza düşmeden önce hala sürekli lazer ısısına tabi tutulur. Tozun katı ve sıvı fazlarının termofiziksel parametrelerindeki büyük fark nedeniyle, bu aşamanın termofiziksel işlemi sıvı hal iletiminin termofiziksel parametrelerine göre ayarlanmalıdır. Isı transferi denge denklemi, şekildeki denklem (9)'da gösterilmiştir. Formülde: tozların hepsi sıvıdır; Qp-sıvı toz tarafından emilen ısıdır; Qp-sıvıdabs toz üzerinde etkili olan lazerin ısısıdır; Qp-sıvıcon toz tarafından termal konveksiyon nedeniyle kaybedilen ısıdır; Qp-sıvıdrad toz tarafından termal radyasyon nedeniyle kaybedilen ısıdır.

Formülde: tozlar sıvıdır; αsıvı lazerin emilim oranıdır; hp-sıvı konveksiyon ısı transfer katsayısıdır; Tp-sıvı(t) gerçek zamanlı sıcaklıktır; ρp-sıvı yoğunluktur; Cp-sıvı özgül ısı kapasitesidir.

Formül (10)'dan, karakteristik aşama 2'nin süresinin (t3−t2) sıvı tozun gerçek zamanlı sıcaklığı Tp-sıvı (t), toz hareketinin başlangıç ​​hızı v0, lazer gücü P, lazer pozitif odak dışı miktarı D, toz olay açısı θ ve diğer parametrelerle ilişkili olduğu görülebilir. Aynı zamanda toz sıcaklığı daha da yükseltilirse, lazer pozitif odak dışı miktarı D, toz hareketinin başlangıç ​​hızı v0 azaltılabilir. Lazer gücünü P azaltın, toz olay açısını θ artırın ve bu sırada toz karakteristik aşama 3'te daha uzun süre dayanacaktır.

2.4 Toz eritme davranışının simülasyon analizi

2.4.1 Lazer gücünün toz eritme davranışına etkisi

Yarı iletken lazer koaksiyel toz besleme üretim süreci sırasında erimiş havuzun yüzeyi metal buharı ile kaplı olmasına rağmen, tozun erimiş havuza girdiği zamanki sıcaklığının ölçülmesi zor olsa da, yukarıdaki model tozun erimiş havuza girdiği zamanki sıcaklığını hesaplamak ve tozun erimiş havuza girdiği zamanki fiziksel durumunu tahmin etmek için kullanılabilir. Model, tozun farklı lazer güçleri altında üç karakteristik aşamadaki süresini hesaplamak için kullanılır. Aynı lazer gücü ve diğer parametreler altında, her bir karakteristik aşamanın gerçek süresi yüksek hızlı kamera ile kaydedilir. Modelin doğruluğu, öncesi ve sonrası sürenin karşılaştırılmasıyla doğrulanır. Elde edilen modele dayanarak, tozun erimiş havuza girdiği zamanki sıcaklığı ve durumu analiz edilir ve değerlendirilir.

Aşağıdaki simülasyon koşulları altında: toz besleme hızı 0.25 dev/dak, toz taşıyıcı gaz akış hızı 7 L/dak, lazer defokus 0 mm, toz besleme yüksekliği 20 mm, toz olay açısı 45 °, formül (3), formül (5), formül (1) ve (2)'daki t3, t8 ve t10 zamanlarına karşılık gelen gerçek zamanlı toz sıcaklığı T(t), farklı lazer güçlerinin qlaser'in her bir karakteristik aşama t1, (t2−t1) ve (t3−t2) süresi üzerindeki etkisini elde etmek için Matlab tarafından simüle edilir. Simülasyon parametreleri Tablo 2'de gösterilmiştir.

Simülasyon değeri deneysel değerden belirli bir sapmaya sahiptir. Karakteristik aşama 1'in simülasyon değeri her zaman deneysel değerden büyüktür ve karakteristik aşama 3'ün simülasyon değeri her zaman deneysel değerden küçüktür. Düşük güçlü karakteristik aşama 1'in süresi ile yüksek güçlü karakteristik aşama 3'ün süresinin simülasyon sonuçları deneysel sonuçlardan oldukça farklıdır, çünkü düşük güçlü karakteristik aşama 1'in ve yüksek güçlü karakteristik aşama 3'ün süresi nispeten uzundur. Her iki işlem de Şekil 7'de gösterildiği gibi simülasyon modellemesinde göz ardı edilen erimiş havuzun ısı yansıması ve metal buharının yüksek ısısı gibi faktörler tarafından engellenmektedir.

2.4.2 Odaklanmamanın toz eritme davranışına etkisi

Toz besleme hızı 0.25 dev/dak, toz taşıyıcı gaz akış hızı 7 L/dak, tarama hızı 4 mm/s, toz besleme yüksekliği 20 mm ve lazer gücü 1 100 W, Şekil 8'de gösterildiği gibi, koaksiyel lazer kaplama sırasında ışık-toz etkileşim alanındaki sıcaklık dağılımı üzerinde odak dışılığın etkisini incelemek için odak dışılık ayarlandı.

Şekil 8'den görülebileceği gibi, odak dışılığın artması, toz erime miktarını lazer noktasının yanal yönü boyunca artıracak ve toz parçacıklarının sıcaklık dağılımının düzgünlüğü de lazer noktasının yanal yönü boyunca artacaktır. Toz sıcaklığının yüksek sıcaklık alanının alanı önce artar ve sonra azalır ve yüksek sıcaklık durumundaki toz parçacıkları önce nozüle yakın sonra da uzaktır. Bunun nedeni, odak dışılığın 0 mm'den artmasıdır, bu da lazer yanal yönünün maksimum enerji dağılım kesitinin alt tabakadan nozüle doğru kademeli olarak hareket ettiği anlamına gelir. Odak dışılık + 10 mm olduğunda, toz parçacıklarının ışık-toz etkileşiminde emebileceği ortalama enerji yoğunluğu en büyüktür; odak dışılık + 10 mm'yi aştığında Bundan sonra, lazer odağı ile alt tabaka arasındaki mesafe çok büyüktür ve lazer ışını ıraksak bir durumdadır, böylece toz parçacıklarının ışık-toz etkileşiminde emebileceği ortalama enerji yoğunluğu odak uzaklığının artmasıyla azalır. Bu nedenle, toz parçacıklarının lazer noktasının yanal yönünde daha fazla eridiği ve toz erime homojenliğinin bu yönde azaldığı ve toz sıcaklığının yüksek sıcaklık alanının alanının artıp sonra azaldığı görülmektedir.

Toz besleme miktarı 0.25 r/dk, tarama hızı 4 mm/sn, toz besleme yüksekliği 20 mm, lazer gücü 1 100 W ve defokus miktarı 0 mm parametreleri altında, toz taşıyıcı gaz akış hızı ayarlanarak, toz taşıyıcı gaz akış hızının koaksiyel lazer kaplama sırasında ışık-toz etkileşim uzayındaki sıcaklık dağılımına etkisi incelenmiştir. Şekil 5'da gösterildiği gibi toz taşıyıcı gaz akış hızı 7, 9, 11 ve 9 L/dk olduğunda.

Şekil 9'dan görülebileceği gibi taşıyıcı gaz akış hızı kademeli olarak arttıkça, erimiş toz parçacıklarının sayısı hafifçe azalır, toz parçacıklarının yüksek sıcaklık alanının alanı nispeten azalır ve toz parçacıklarının sıcaklık dağılımının düzgünlüğü zayıflar. Bunun nedeni, taşıyıcı gaz akış hızının, toz parçacıklarının hafif toz eylem alanındaki hareket hızını ve mekansal dağılımını etkilemesidir. Taşıyıcı gaz akış hızı arttıkça, toz parçacıklarının hafif toz eylem alanındaki hareket hızı artar ve hafif toz eylem alanındaki eylem süresi azalır, böylece aynı konumdaki toz parçacıklarının sıcaklığı kademeli olarak azalır ve erimiş havuza düştüğünde sıcaklık da buna göre azalacaktır. Tüm kaplama işlemi sırasında oluşan metal buharı da buna göre azalacaktır ve hafif toz eylem alanındaki toz parçacıklarının konsantrasyonu da azalmaktadır. Lazer gücünün ve odak dışılığın ışık-toz etki uzayının sıcaklık dağılımı üzerindeki etkisine kıyasla, taşıyıcı gaz akış hızındaki değişimin ışık-toz etki uzayının sıcaklık dağılımı üzerinde daha az etkisi vardır.

2.4.3 Farklı lazer güçlerinde toz eritme aşamasının sıcaklık simülasyonu

Toz parçacık boyutu 120 μm olduğunda, taşıyıcı gaz akış hızı 7 L/dak, toz olay açısı 45°, toz başlangıç ​​hızı 0.8 mm/ms ve lazer defokus 0 mm ve toz besleme yüksekliği 20 mm'dir. Termal fizik modelinin modifikasyonuna dayanarak, Matlab aracı farklı lazer güçlerine karşılık gelen toz sıcaklığını simüle etmek için kullanılır ve farklı lazer güçleri altında toz sıcaklığının zaman içindeki değişim eğilimi Şekil 10'da gösterildiği gibi elde edilir.

Şekil 10'da görüldüğü gibi, lazer etkisinin başlangıç ​​aşamasında tozun sıcaklık artışındaki artış, erimenin orta ve son aşamalarındaki artıştan önemli ölçüde daha fazladır; bu da katı tozun daha fazla lazer enerjisi emmesi ve sıvı tozdan daha az enerji kaybetmesi olgusunu açıklar. İkinci olarak, lazer gücü 100 W olmadığı sürece, sıcaklık eğrisinin 1 060 ℃ ve 1 260 ℃ olmak üzere iki dönüm noktası vardır. En hızlı büyüme hızının 1 060 ℃'nin altındaki ısıtma eğrisi, en yavaş büyüme hızının ise 1 260 ℃'nin üzerindeki ısıtma eğrisi olduğu görülebilir. 1 060 ~1 260 ℃ ısıtma aralığındaki sıcaklık büyüme hızı yukarıdaki ikisi arasındadır. Bunun nedeni, tozun 1 060 ℃'de erimeye başlaması ve 1 260 ℃'de erimesidir. ℃ ve tozun lazere katı ve sıvı haldeki emilim oranı ve kayıp oranı farklı olduğundan, ısıtma eğrisinin eğimi farklıdır, yani sıcaklık büyüme oranı farklıdır. Ayrıca, ısıtma eğrisinden, toz başlangıçta tozla etkileşime girmek için lazere girdiğinde sıcaklık büyüme oranının kademeli olarak arttığı; erimenin sonunda sıcaklık büyüme oranının kademeli olarak azaldığı görülebilir. Bunun nedeni, trapezoidal lazer ısı kaynağının kenarında hareket etmeleri ve enerji yoğunluğunun değişmesidir.

3 Sonuç

(1) Tozun lazerdeki dinamik erime davranışı yüksek hızlı video ile toplanır. Toz erimesinin üç tipik karakteristik aşaması olduğu bulunur: "katı → katı-sıvı iki fazlı durum → sıvı durum". Farklı karakteristik aşamaların süresi ve erimenin karakteristik denklemi farklıdır. Buna dayanarak, toz erimesinin dinamik davranışını tanımlayabilen matematiksel bir analitik model oluşturulur.

(2) Lazer gücünün, odaksızlaştırma miktarının ve toz taşıyan gaz akış hızının, hafif toz eylem alanındaki tozun sıcaklık dağılımı üzerindeki etkileri analiz edilir. Aynı zamanda, model farklı lazer güçlerinin her bir karakteristik aşamanın süresi üzerindeki etkisini analiz etmek için kullanılır. Alt tabakaya ulaşan toz parçacıklarının sıcaklık dağılımı simüle edilir ve tahmin edilir. Lazer gücü 100 W'tan 200 W'a çıktığında, toz erime sıcaklığının arttığı bulunur. Lazer gücü 1500 W'a çıktığında, erimiş havuza giren tozun sıcaklığı doğrusal olmayan bir şekilde değişir. Simülasyon sonuçlarından, lazer gücü 100 W'tan 1500 W'a çıktığında, erimiş havuza giren tozun sıcaklığının 750 ℃'den 3250 ℃'ye çıktığı görülebilir.