王軍華,許俊飛,路 妍,彭建軍,李東林,頡潭成

(1．河南科技大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023;2．河南省智能制造裝備工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽(yáng) 471003;3．智能數(shù)控裝備河南省工程實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

同軸送粉式激光熔覆技術(shù)是以高能量密度激光束為移動(dòng)熱源,以金屬粉末為成形材料,根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的掃描路徑逐道掃描實(shí)現(xiàn)金屬零件表面改性,達(dá)到強(qiáng)度增加和耐磨性提升的目的[1-3]。粉束內(nèi)粉末顆粒的空間質(zhì)量分布密度是決定激光熔覆幾何形狀尺寸的關(guān)鍵核心問(wèn)題之一[4]。掌握同軸送粉粉束匯聚特性及空間質(zhì)量分布是精確控制激光熔覆過(guò)程中單道沉積層截面形狀尺寸的前提。

國(guó)內(nèi)外科研工作者采用數(shù)值模擬仿真、理論模型推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)檢測(cè)等手段,研究送粉噴頭結(jié)構(gòu)及尺寸、粉末顆粒形狀及大小、載氣流量及送粉速率等因素,對(duì)粉束運(yùn)動(dòng)軌跡、匯聚特性的影響。文獻(xiàn)[5]采用歐拉-拉格朗日框架,建立了1個(gè)四流道氣-粉噴嘴的流體動(dòng)力學(xué)模型來(lái)分析送粉過(guò)程。結(jié)果表明:當(dāng)內(nèi)層氣體和載氣的速度相等時(shí),由于形成了穩(wěn)定的層狀粉末流,粉末流在熔池區(qū)域表現(xiàn)出最佳濃度。文獻(xiàn)[6]利用點(diǎn)-粒子大渦流模擬和高速成像,研究壁面粗糙度和粉末顆粒大小對(duì)從垂直圓形噴嘴發(fā)出的粉末流動(dòng)特性的影響。結(jié)果顯示:壁面粗糙度增強(qiáng)了粉末顆粒的橫向分散性,并消除了顆粒在近壁區(qū)域的優(yōu)先積累,導(dǎo)致了噴嘴內(nèi)平均顆粒速度的降低和顆粒在噴嘴核心的聚集。文獻(xiàn)[7]通過(guò)基于高斯光束的射線表示法對(duì)粉末流進(jìn)行建模,并通過(guò)高速相機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:在噴嘴出口位置,由高速攝像機(jī)粒子跟蹤獲得的粉末流的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與該模型相符。文獻(xiàn)[8]為闡明粉末顆粒在連續(xù)同軸送粉過(guò)程中的傳輸機(jī)制,開發(fā)了一種試驗(yàn)和匹配方法來(lái)量化,用于描述顆粒與噴嘴壁之間非彈性碰撞的恢復(fù)系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),外層屏蔽氣體流對(duì)多層射流流場(chǎng)有很大影響,在外層屏蔽氣體流為20 L/min時(shí),最有利于粉末聚焦。文獻(xiàn)[9]采用雷諾平均Navier-Stokes方程進(jìn)行數(shù)值模擬,在不同實(shí)驗(yàn)條件條件下分別進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示:仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好一致性,且氣體流速、粉末流速和噴嘴結(jié)構(gòu)均對(duì)粉末流直徑有影響。文獻(xiàn)[10]以粉末流的焦距和有效粉斑直徑為研究對(duì)象,分析了載氣、同軸保護(hù)氣、送粉速率對(duì)粉末束流關(guān)鍵特征的影響規(guī)律,為粉末流調(diào)控提供依據(jù)。文獻(xiàn)[11]基于氣固兩相流原理,通過(guò)建立三維粉末流輸送模型,分析了彈性恢復(fù)系數(shù)對(duì)同軸噴嘴外流粉末場(chǎng)的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、焦點(diǎn)距離和粉斑尺寸的影響。綜上可知,國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)側(cè)向送粉或同軸環(huán)形送粉模式,在粉束匯聚特性[12-13]、粉束內(nèi)粉末顆?？臻g質(zhì)量分布密度[14-16]等方面做了大量研究,取得了一些成果,但研究多采用數(shù)值模擬開展,而目前應(yīng)用廣泛的多粉針同軸送粉模式涉及較少。

為了實(shí)現(xiàn)四粉針同軸送粉模式下粉束空間質(zhì)量分布密度的全參數(shù)化準(zhǔn)確預(yù)測(cè),本研究根據(jù)送粉噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和送粉工藝參數(shù),建立粉末空間質(zhì)量分布密度全參數(shù)化理論計(jì)算數(shù)學(xué)模型,并提出一種簡(jiǎn)易的粉束內(nèi)粉末顆?？臻g質(zhì)量分布密度實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法,以驗(yàn)證所建粉束空間質(zhì)量分布密度理論模型的正確性與有效性。

1 數(shù)學(xué)模型

四粉針同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)模型及其粉末流示意圖,如圖1所示。在粉末輸送過(guò)程中,粉末顆粒在載

氣作用下與送粉管道及粉針內(nèi)壁反復(fù)碰撞,單個(gè)粉末顆粒的運(yùn)動(dòng)并非沿粉針中心射出,致使整個(gè)粉束在出粉口有一定發(fā)散,在成形基面上并未匯聚一點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域。由圖1可知:不同粉針噴射粉束在與出粉口垂直距離fb處匯聚為一點(diǎn),此時(shí),fb為焦距,θ為粉束發(fā)散角,α為粉針與成形基面夾角。

1.1 單粉針粉束質(zhì)量分布密度數(shù)學(xué)模型

在建立單粉針粉束質(zhì)量分布密度數(shù)學(xué)模型前,需作出基本假設(shè)[17-18]：若要建立單粉針粉束在空間任意平面內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度數(shù)學(xué)計(jì)算模型,則應(yīng)將其在垂直粉管軸線上相應(yīng)平面內(nèi)的高斯分布函數(shù)進(jìn)行幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化?？臻g任意平面內(nèi)單粉針粉束質(zhì)量分布密度幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化示意圖如圖2所示。

通過(guò)引入離焦量的影響,以(fb+DL)作為限定目標(biāo)平面位置變量,表示目標(biāo)平面至粉針出粉口的垂直距離。單粉針粉束在垂直于粉針中心軸線X0O0Y0平面內(nèi)服從高斯分布,在該平面內(nèi)其粉末質(zhì)量分布密度可表示為:

(1)

其中:r0為X0O0Y0平面內(nèi)粉束半徑,mm,其大小隨垂直于粉針中心軸線平面位置的改變而變化。同時(shí),若要根據(jù)X0O0Y0平面內(nèi)粉束質(zhì)量分布密度,通過(guò)理論計(jì)算獲得X1O1Y1平面內(nèi)粉束質(zhì)量分布密度,需對(duì)圖2中各參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行幾何換算,各參數(shù)間關(guān)系可由公式(2)表示:

r0=r′+Ltanθ;

(2)

(3)

(4)

(5)

其中:r′為單粉針出粉口半徑, mm;L為X0O0Y0平面沿粉針中心軸線方向至出粉口距離,mm;fb為粉斑焦距,mm;DL為離焦量,mm;α為單粉針與成形基面夾角,其取值應(yīng)視具體送粉噴頭結(jié)構(gòu)而定,本研究所用送粉噴頭α為65°;D為粉針出粉口間距,mm, 本研究所用送粉噴頭D為15.6 mm。

針對(duì)單粉針噴射粉束,當(dāng)送粉工藝參數(shù)一定時(shí),送粉過(guò)程是穩(wěn)定的,可以認(rèn)為粉束空間內(nèi)某點(diǎn)處粉末質(zhì)量分布密度恒定不變。而該點(diǎn)處粉末質(zhì)量分布密度函數(shù)表達(dá)與所考察目標(biāo)平面有關(guān),有:

f1(x1,y1)Δx1Δy1=f0(x0,y0)Δx0Δy0。

(6)

由公式(4)和公式(6)可知,空間任意平面內(nèi)某一點(diǎn)P處粉末質(zhì)量分布密度函數(shù)可表示為:

(7)

1.2 四粉針粉束質(zhì)量分布密度數(shù)學(xué)模型

四粉針同軸送粉模式粉束在空間任意平面內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖如圖3所示。由圖3可知,由于四粉針同軸送粉噴嘴空間結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性以及送粉參數(shù)一致性,各粉針噴射粉束在目標(biāo)平面內(nèi)的形狀尺寸完全相同,只是方向和位置存在一定差異。在XOY平面內(nèi)通過(guò)沿坐標(biāo)原點(diǎn)O旋轉(zhuǎn),則可以實(shí)現(xiàn)彼此完全重疊。通過(guò)對(duì)4個(gè)不同粉針噴射粉束在XOY平面內(nèi)的粉斑建立如圖3所示坐標(biāo)系,則可通過(guò)公式(7)計(jì)算不同粉束在各自坐標(biāo)系內(nèi)的粉末質(zhì)量分布密度,然后利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式(8),可將其轉(zhuǎn)化為XOY平面內(nèi)的粉末質(zhì)量分布密度函數(shù)。

圖3 四粉針同軸送粉噴嘴粉束在空間任意平面內(nèi)粉束坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示為:

(8)

由于公式(1)是經(jīng)過(guò)歸一化處理后的粉末質(zhì)量分布密度模型,由此推導(dǎo)出的公式(7)也是歸一化模型。為了實(shí)現(xiàn)真實(shí)送粉工藝參數(shù)條件下,四粉針同軸送粉模式下粉束粉末質(zhì)量分布密度預(yù)測(cè)計(jì)算,需要引入送粉速率,并將其送粉量均勻分散在四粉針內(nèi),同時(shí)結(jié)合坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式(8),可將空間任意平面內(nèi)某一點(diǎn)P處的粉末質(zhì)量分布密度函數(shù)表示為:

(9)

另外,發(fā)散角θ可由公式(10)給出[19]：

(10)

其中:ν為載氣運(yùn)動(dòng)黏度,mm2·s-1;V0為載氣流速,mm·s-1,可以表示為:

(11)

其中:Lp為載氣流量,L·min-1;rpipe為輸粉管內(nèi)徑,mm。

對(duì)于具體送粉噴頭而言,結(jié)構(gòu)尺寸固定,相應(yīng)參數(shù)均為常數(shù),比如粉針軸線傾角、出粉口半徑、粉針出粉口間距等。因此,針對(duì)四粉針同軸送粉模式來(lái)說(shuō),真正影響粉束內(nèi)粉末顆?？臻g質(zhì)量分布密度的只有送粉速率和離焦量。

1.3 同軸送粉模式粉束質(zhì)量分布密度Matlab計(jì)算

不同離焦量四粉針同軸送粉模式下,粉束在空間任意平面內(nèi)匯聚情況示意圖如圖4所示。由圖4可知:當(dāng)目標(biāo)平面位于焦平面上方時(shí),其離焦量為負(fù)值,此時(shí)單個(gè)粉針噴射粉束未到達(dá)焦點(diǎn)位置,各自靠近出粉口位置,各粉束未完全匯聚,激光束輻照O點(diǎn)處粉末質(zhì)量分布密度較小,當(dāng)離焦距離較大時(shí),O點(diǎn)處粉末質(zhì)量分布密度甚至為0;同樣,當(dāng)目標(biāo)平面位于焦平面下方時(shí),其離焦量為正值,此時(shí)單個(gè)粉針噴射粉束越過(guò)焦點(diǎn)位置,使得各粉束無(wú)法完全匯聚,激光束輻照O點(diǎn)處粉末質(zhì)量分布密度也有所降低,不同的是此時(shí)總有粉末顆粒被激光束輻照。

圖4 不同離焦量條件下四粉針同軸送粉模式下粉束匯聚情況示意圖

為了研究不同離焦量條件下目標(biāo)平面內(nèi)粉束質(zhì)量分布密度特征,利用Matlab軟件對(duì)公式(9)進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而定量計(jì)算了不同成形基面上粉束質(zhì)量分布密度函數(shù)fp(x,y),計(jì)算所用各參數(shù)如表1和表2所示。

表1 理論計(jì)算所用送粉工藝參數(shù)

表2 理論計(jì)算所用送粉噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

不同離焦量條件下,目標(biāo)平面內(nèi)粉束質(zhì)量分布密度理論計(jì)算結(jié)果如圖5所示,XY平面為考察目標(biāo)平面,該考察目標(biāo)平面內(nèi)不同位置處粉末質(zhì)量分布密度如縱坐標(biāo)所示。如圖5a所示,當(dāng)考察目標(biāo)平面在焦平面上方且離焦量較大時(shí),四粉針同軸送粉噴嘴噴射粉束在此平面內(nèi)并未匯聚,各粉束噴射粉末顆粒在XY平面O點(diǎn)位置(激光束輻照位置)只有極少一部分,致使此處粉束質(zhì)量分布密度相對(duì)較小,相應(yīng)地在激光熔覆時(shí)粉末利用率較低。由圖5b可知:當(dāng)考察目標(biāo)平面在焦平面附近時(shí),四粉針同軸送粉噴嘴噴射粉束匯聚特性較好,在XY平面O點(diǎn)位置(激光束輻照位置)粉末質(zhì)量分布密度相對(duì)較大,分布特性近似高斯分布特征。尤其是在離焦量為0的焦平面上,粉束匯聚特性最好,粉束質(zhì)量分布密度呈現(xiàn)高斯分布特征,即在激光輻照位置粉末質(zhì)量分布密度達(dá)到最大值,相應(yīng)地在激光熔覆過(guò)程中粉末利用率也將最大。由圖5c和圖5d可知:當(dāng)考察目標(biāo)平面在焦平面下方且離焦量較大時(shí),在XY平面O點(diǎn)位置(激光束輻照位置)粉末質(zhì)量分布密度顯著下降,同時(shí)粉束匯聚特性變差,粉斑尺寸明顯增大。由此可知,當(dāng)考察目標(biāo)平面偏離焦平面時(shí),無(wú)論離焦量為正還是負(fù),隨著離焦量絕對(duì)值的增大,考察目標(biāo)平面上粉斑尺寸逐漸增大,激光束輻照位置處粉末質(zhì)量分布密度逐漸減小[124]。

(a) DL=-3.5 mm

由于四粉針同軸送粉噴嘴結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,粉束質(zhì)量分布密度曲線在X軸和Y軸線完全相同。不同離焦量條件下X軸線截面內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度如圖6所示。從圖6中明顯看出:當(dāng)離焦量不同時(shí),X軸線截面內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度差異顯著。當(dāng)離焦量為0 mm時(shí),粉末質(zhì)量分布密度曲線呈現(xiàn)高斯分布特征,激光輻照區(qū)域內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度最大;當(dāng)離焦量在±1.5 mm范圍內(nèi)時(shí),X軸線截面內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度基本服從高斯分布,粉束匯聚特性相對(duì)較好。隨著離焦量的增大,無(wú)論是正離焦還是負(fù)離焦,粉束匯聚特性顯著變差,激光輻照區(qū)域內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度顯著降低。

圖6 不同離焦量條件下X軸截面內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 粉束質(zhì)量分布密度測(cè)量方法

粉束內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度的準(zhǔn)確測(cè)量十分困難,原因就在于送粉過(guò)程為動(dòng)態(tài)過(guò)程,且不同水平面內(nèi)粉束形狀及質(zhì)量分布密度均存在差異[20]。若要實(shí)現(xiàn)空間任意平面內(nèi)任一位置處粉末質(zhì)量分布密度的準(zhǔn)確測(cè)量,核心問(wèn)題則是目標(biāo)平面內(nèi)待考察位置處粉末顆粒的高精度收集與測(cè)量。為了解決這一問(wèn)題,提出利用內(nèi)徑為0.5 mm的銅管作為集粉管,在單位時(shí)間內(nèi)較為精確地收集粉束內(nèi)待考察位置粉末顆粒并稱質(zhì)量,然后計(jì)算出該位置的粉末質(zhì)量分布密度。如果單位時(shí)間內(nèi),運(yùn)動(dòng)到粉束內(nèi)某位置處(單位面積)的粉末顆粒質(zhì)量已知,此時(shí)粉末顆粒質(zhì)量則為該位置處的粉末質(zhì)量分布密度,由此則有:

(12)

其中:fc(x,y)為目標(biāo)平面待考察位置處粉末質(zhì)量分布密度,g·mm-2·min-1;mc為集粉器內(nèi)粉末顆粒質(zhì)量,g;rc為測(cè)量銅管內(nèi)徑,mm;tc為測(cè)量用時(shí),min。

粉末質(zhì)量分布密度實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法示意圖如圖7所示。由圖7可知:將內(nèi)徑為0.5 mm的銅管放置于粉束區(qū)域目標(biāo)平面待考察位置處,確保集粉銅管頂部端面與目標(biāo)平面重合。在預(yù)設(shè)送粉參數(shù)條件下打開送粉裝置,粉束內(nèi)待考察位置處粉末顆粒將射入集粉銅管管口區(qū)域內(nèi),并沿集粉銅管內(nèi)壁自由下落進(jìn)入集粉器,以2 min為計(jì)時(shí)單位,利用電子天平稱量集粉器內(nèi)收集的粉末質(zhì)量,然后利用公式(12)計(jì)算出粉末質(zhì)量分布密度。通過(guò)不斷變換目標(biāo)平面待考察點(diǎn)的位置,重復(fù)上述操作,則可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)平面不同位置處粉末質(zhì)量分布密度測(cè)量。

圖7 粉束質(zhì)量分布密度實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法示意圖

2.2 粉束質(zhì)量分布密度測(cè)量裝置及參數(shù)選擇

實(shí)驗(yàn)所用粉材為17-4PH,粉末形貌及粒度分布分別如圖8和圖9所示,粉末密度為7.9 g·cm-3。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。實(shí)驗(yàn)所用粉材為馬氏體沉淀硬化不銹鋼(17-4PH)粉,粉末顆粒呈圓球形,粒度為50～110 μm。由圖8和圖9可知:實(shí)驗(yàn)所用馬氏體沉淀硬化不銹鋼(17-4PH)粉材粒度均勻,粒度主要為80～90 μm。

圖9 馬氏體沉淀硬化不銹鋼(17-4PH)粉末顆粒粒度分布 (120倍)

表3 實(shí)驗(yàn)所用參數(shù)

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程是將內(nèi)徑為0.5 mm的集粉銅管連同集粉器一起固定在機(jī)床工作臺(tái)上,通過(guò)調(diào)整數(shù)控機(jī)床工作臺(tái),確保集粉銅管頂部端面與目標(biāo)平面重合,并放于粉束區(qū)域目標(biāo)平面待考察位置處。然后,在預(yù)設(shè)送粉參數(shù)條件下打開送粉裝置,以2 min為計(jì)時(shí)單位,計(jì)時(shí)結(jié)束后利用電子天平稱量集粉器內(nèi)收集的粉末質(zhì)量。此后,通過(guò)控制數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)將集粉管移動(dòng)至下一測(cè)量點(diǎn),重復(fù)上述操作。在每個(gè)目標(biāo)平面內(nèi),測(cè)量點(diǎn)如圖10所示,分別沿如圖10所示XY軸每隔1 mm測(cè)量1個(gè)位置點(diǎn),每個(gè)目標(biāo)平面內(nèi)共測(cè)17個(gè)位置點(diǎn)。

為了考察不同離焦量條件下粉末質(zhì)量分布密度變化情況,通過(guò)三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控裝置控制激光噴頭沿Z軸移動(dòng),調(diào)整其與集粉銅管頂部端面間的距離,實(shí)現(xiàn)離焦量的調(diào)整。本實(shí)驗(yàn)研究共檢測(cè)3個(gè)目標(biāo)平面,其離焦量分別為 -3.5 mm、-1.5 mm、0 mm、5.5 mm,每個(gè)目標(biāo)平面內(nèi)共檢測(cè)17個(gè)考察位置點(diǎn),每個(gè)位置點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次求取平均值,然后分別代入公式(12),計(jì)算相應(yīng)考察位置處粉末質(zhì)量分布密度。

3 分析討論

不同目標(biāo)平面內(nèi)X軸不同位置處粉末質(zhì)量分布密度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖11所示。由圖11可知:不同目標(biāo)平面內(nèi),粉束內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度差異顯著。不同目標(biāo)平面以及同一目標(biāo)平面的不同位置處,粉末顆粒質(zhì)量分布密度存在顯著差異。如圖11c所示,當(dāng)目標(biāo)平面離焦量為 0 mm時(shí),粉束內(nèi)在X軸截面內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度呈現(xiàn)近似高斯分布特征,相比其他目標(biāo)平面而言,此時(shí)在激光輻照O點(diǎn)位置粉末質(zhì)量分布密度最大,而且粉束尺寸最小,匯聚特性最好。當(dāng)目標(biāo)平面離開焦平面,即有一定離焦量時(shí),無(wú)論離焦量為正還是為負(fù),激光輻照位置(X軸原點(diǎn)O)粉末質(zhì)量分布密度均出現(xiàn)不同程度下降,且偏離焦平面距離越遠(yuǎn),粉末質(zhì)量分布密度下降越顯著。與正離焦不同的是,當(dāng)目標(biāo)平面離焦量為-3.5 mm時(shí),粉束內(nèi)在X軸截面內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度不再服從高斯分布,而是呈現(xiàn)雙駝峰分布特征,如圖11a所示,這說(shuō)明此目標(biāo)平面內(nèi)多粉口噴射出粉末流并未匯聚一處。

(a) DL=-3.5 mm

結(jié)合不同目標(biāo)平面內(nèi)X軸不同位置處粉末質(zhì)量分布密度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,將其與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)一步驗(yàn)證前文所建立的粉末質(zhì)量分布密度理論計(jì)算模型的正確性。不同目標(biāo)平面內(nèi)X軸不同位置處粉末質(zhì)量分布密度理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖12所示。由圖12可知:不同目標(biāo)平面內(nèi)X軸不同位置處粉末質(zhì)量分布密度理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果吻合較好,不同目標(biāo)平面內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)完全相同,尤其是目標(biāo)平面接近焦平面時(shí)(離焦量較小情況),在激光輻照位置處二者高度吻合,接近100%(如圖12b和圖12c所示),說(shuō)明前文所建立理論計(jì)算模型可以用于四粉針同軸送粉模式下粉束內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度的準(zhǔn)確計(jì)算。

然而,理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果之間也存在一定偏差,如圖12d所示O點(diǎn)附近和圖12b～圖12cO點(diǎn)兩側(cè)2～4 mm處,偏差相對(duì)較大。分析認(rèn)為,造成理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差的原因可能是實(shí)際送粉過(guò)程中單粉針噴射粉束發(fā)散角大于理論計(jì)算值(如圖13所示),由于建立粉束質(zhì)量分布密度理論模型時(shí)假定單粉束粉末顆粒運(yùn)動(dòng)至發(fā)散角以外的可能性為0,而實(shí)際送粉時(shí)極有可能出現(xiàn)部分粉末顆粒射出理論發(fā)散角以外,即實(shí)際發(fā)散角大于理論發(fā)散角,此時(shí)運(yùn)動(dòng)至A區(qū)域粉末顆粒增多,導(dǎo)致圖12a中激光輻照區(qū)域粉末顆粒增大,相應(yīng)粉末質(zhì)量分布密度大于理論計(jì)算值。同理,由于實(shí)際發(fā)散角偏大,運(yùn)動(dòng)至B區(qū)域內(nèi)的粉末顆粒也增多,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)檢測(cè)時(shí)圖12b～圖12c中激光輻照區(qū)域兩側(cè)2～4 mm處粉末質(zhì)量分布密度大于理論計(jì)算值。而在如圖13所示C區(qū)域內(nèi),粉末質(zhì)量分布密度增大的原因可能是不同粉針噴射出粉束在聚焦點(diǎn)處匯聚,粉末顆粒相互之間的碰撞或者在其他粉束載氣作用下,粉末顆粒水平運(yùn)動(dòng)速度降低,致使粉束內(nèi)多數(shù)粉末顆粒下落在C區(qū)域,導(dǎo)致此處實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)值高于理論計(jì)算數(shù)值,這或許就是圖12d所示粉末顆粒質(zhì)量分布密度實(shí)際測(cè)量值大于理論計(jì)算值的原因所在。

(a) DL=-3.5 mm

(b) DL=0 mm

(c) DL=3.5 mm

(d) DL=5.5 mm

圖13 粉束發(fā)散角對(duì)粉末質(zhì)量分布密度影響分析示意圖

4 結(jié)論

(1)空間任意平面內(nèi)粉束質(zhì)量分布密度主要取決于送粉速率、離焦量和送粉噴頭結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù);對(duì)具體送粉噴頭而言,結(jié)構(gòu)尺寸固定,而真正影響粉末質(zhì)量分布密度的因素,則是送粉速率和離焦量;

(2)不同目標(biāo)平面內(nèi),粉束內(nèi)粉末質(zhì)量分布密度差異顯著。當(dāng)目標(biāo)平面有一定離焦量時(shí),無(wú)論正離焦量還是負(fù)離焦,光斑處粉末質(zhì)量分布密度均下降,且離焦量越大下降越顯著。