Регистрация / Вход
Прислать материал

Оптимизация динамики газо-порошковых потоков в соплах для лазерной порошковой наплавки

Сведения об участнике
ФИО
Исхаков Фанис Рустэмович
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева-КАИ»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Производственные технологии
Тема
Оптимизация динамики газо-порошковых потоков в соплах для лазерной порошковой наплавки
Резюме
Данная работа посвящена экспериментальному исследованию газо-порошковых потоков в соплах для лазерной наплавки. Теневым шлирен-методом и высокоскоростной видеорегистрацией получены картины газовых и порошковых струй.
Ключевые слова
аддитивное производство, лазерная порошковая наплавка, оптические методы диагностики
Цели и задачи
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование динамики газопорошковых потоков в головках для лазерной наплавки. Для её достижения были поставлены и решены следующие задачи:
- исследование газовых потоков в латеральном сопле;
- исследование порошковых потоков в латеральном сопле;
Введение

Лазерная порошковая наплавка нашла широкое применение при нанесении защитных и функциональных покрытий на металлические поверхности и восстановлении формы изношенных деталей. Качество конечного результата при лазерной наплавке зависит от огромного числа параметров. Применение оптических методов мониторинга и последующий параметрический анализ позволяет получить устойчивую причинно-следственную связь между набором входных параметров (давление, расход и тип транспортного и защитного газа, материал и форма подложки, тип порошка, его гранулометрический состав, мощность излучения и степень его расфокусировки, скорость сканирования и т.д.) и качеством наплавляемого валика.

Методы и материалы

Экспериментальное исследование работы проведено на различном оборудовании для оптической диагностики физических процессов.

Газовая динамика регистрировалась на оригинальном теневом приборе.

Для изучения характеристик порошковых струй использовалась скоростная камера и импульсная вспышка. Кроме того скорости полета были измерены на лазерном допплеровской анемометре.
В качестве тестового материала для визуализации порошковых потоков использовался бронзовый порошок ПР-БрО10 с фракционным составом 0-63 мкм производства фирмы «Полема».

Описание и обсуждение результатов

Для количественной характеристики струи были выбраны параметры длины ламинарной части потока и ее поперечного размера.

Опыты с использованием различных насадок показали сильную зависимость структуры потока от используемого тыльного колпачка.  Параметрический анализ различных режимов эксплуатирования выявил однозначные зависимости степени ламинарности и поперечного размера струи от отверстия колпачка, из которых можно выделить наиболее оптимальную конфигурацию сопла.

Эксперименты с использованием порошка показали хорошее качественное согласие с зависимостями, полученными при анализе газовых потоков. Для получения плотной струи с малой расходимостью подходит ограниченный набор насадок сопла. Подача порошка на плоскую подложку также подтверждает его расстилание вдоль поверхности.

Для получения количественных оценок скорости движения частиц ЛДА-методом были сняты поперечные профили скоростей в различных зонах струи. Большинство измеренных профилей имеет осесимметричное 3-мерное распределение в зависимости от поперечных горизонтальных координат. Ширина струи, которую можно оценить по сечению диаграммы на полувысоте от максимальной амплитуды составляет 0.5-1 см.

Анализ данных о скоростей показал, что скорость вылета порошинок при неизменных расходах транспортного газа слабо зависит от диаметра используемого сопла. В то же время уменьшение отверстия на заднем колпачке ведет к росту общей скорости частиц, что вызвано перераспределением потоков между выходными форсунками (Рис. 19). Для колпачка с отверстием 1.5 мм скорости истечения составляют 4-5 м/с, тогда как перекрытие выхода циклона обеспечивает скорости подачи 7-9 м/с.

Используемые источники
1. Andrew J. Pinkerton Advances in the modeling of laser direct metal deposition // JOURNAL OF LASER APPLICATIONS, 2015.
2. V.S. Bitrafunta, T. Sparkcs, F. Liou Performance metric for powder feeder systems in additive manufacturing // 2006, P. 473-491.
3. Е.В. Земляков, Я. Туоминен, Е.Ю. Поздеева, Г.А. Туричин, Е.А. Комарова Формирование поверхностных слоев при лазерной наплавке с использованием мощных волоконных лазеров // Научно-технические ведомости Cанкт-Петербургского государственного политехнического университета, 2013.
4. Ахметшин Д.Ш., Цивильский И.В., Нагулин К.Ю., Гильмутдинов А.Х. 3-D нестационарное численное моделирование динамики запыленных газовых потоков в головках для лазерной порошковой наплавки // Сборник докладов девятой всероссийской школы по лазерной физике и лазерным технологиям, 2015, С. 9-17.
Information about the project
Surname Name
Iskhakov Fanis
Project title
Gas and powder jets dynamics optimization in laser cladding nozzles
Summary of the project
This work is devoted to experimental study of powder flows that are exhausted form off-axis powder nozzles. Optical diagnostics methods revealed the most effective configuration of the cladding head.
Keywords
additive manufacturing, laser metal deposition, optical diagnostics