激光熔覆同步送粉器的研究現(xiàn)狀

1、激光熔覆同步送粉器的研究現(xiàn)狀激光熔覆技術(shù)，是激光直接快速成形和激光綠色再制造的一種重要方法，它是在快速凝固過(guò)程中，通過(guò)送粉器向工作區(qū)域添加熔覆材料，利用高能量密度激光束將不同成分和性能的合金快速熔化，直接堆積形成非常致密的金屬零件和在已損壞零件表面形成與零件具有完全相同成分和性能的合金層1。通過(guò)激光熔覆，可以無(wú)需借助刀具和模具就能從CAD文件直接制造出各種復(fù)雜的近凈致密金屬零件和在已經(jīng)損壞的零件表面直接進(jìn)行修復(fù)和再制造，以縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約成本，降低能源消耗，在航空航天、武器制造和機(jī)械電子等行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景2。 激光熔覆加工根據(jù)材料的供應(yīng)方式不同分為兩大類(lèi)：預(yù)置法和同步送粉法。同步送粉法

2、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，合金材料利用率高，可控性好，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，是激光熔覆技術(shù)的首選方法，國(guó)內(nèi)外實(shí)際生產(chǎn)中采用較多。在激光同步送粉熔覆工藝中，加工質(zhì)量主要依賴(lài)的參數(shù)有：加工速度、粉末單位時(shí)間輸送率、激光功率密度分布、光斑直徑和粉末的輸送速度3；其中粉末單位時(shí)間輸送率和粉末的輸送速度是由送粉器的輸送特性決定的，送粉器是激光熔覆技術(shù)中的核心元件之一，它按照加工工藝向激光熔池輸送設(shè)定好的粉末。送粉器性能的好壞直接影響熔覆層的質(zhì)量和加工零件尺寸等，所以開(kāi)發(fā)高性能的送粉器對(duì)激光熔覆加工顯得尤為重要。 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 激光熔覆技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究中具有重要的應(yīng)用前景，送粉器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)是激光熔覆設(shè)備的關(guān)鍵

3、技術(shù)之一。隨著激光熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，以及對(duì)熔覆層的加工精度和質(zhì)量要求的提高，國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)了基于不同原理的送粉器。 B.Grunenwald和St.Nowotny設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器4，是用刮板將轉(zhuǎn)盤(pán)上的粉末推到凹槽內(nèi)，再用載流氣體將粉末輸送走。L. Li和W. M. Steen設(shè)計(jì)的螺旋式送粉器5，是把螺桿置于料斗的底部，通過(guò)螺紋把粉末送到混合器，再用氣體將粉末輸送出去。Atsusaka和Motohiro Urakaw設(shè)計(jì)的毛細(xì)管式送粉器6，是通過(guò)毛細(xì)管的振動(dòng)來(lái)輸送粉末，但是送粉率不可控制。Amit Suri和Masayuki Horio所試驗(yàn)的送粉器7，一路氣體對(duì)粉末進(jìn)行沸騰使之落入下部管

4、道，另一路氣體運(yùn)輸降下的顆粒，通過(guò)兩路氣流能夠更好地控制送粉量。 在國(guó)內(nèi)，陳德善等研制了一種GL型輥輪式送粉器8，它是一種機(jī)械定量式送粉器，可以使粉末按著“先定量堆積而后輸出”的基本程序進(jìn)行輸送，送粉量穩(wěn)定，送粉粒度為320目以下，送粉進(jìn)度可達(dá)±0.5%；閆江松等研制了一種容積式送粉器9，在200目FNi07B材料輸送的實(shí)驗(yàn)中，送粉量為040g/min，送粉誤差為1.67%；田鳳杰等設(shè)計(jì)的同軸送粉系統(tǒng)，能夠輸送功能梯度材料10，在粉末充分混合后運(yùn)用刮吸式送粉機(jī)構(gòu)將粉末輸送，顆粒度為100350目的粉末，其送粉量為225g/min，送粉誤差3%以下；馮立偉等研究的雙料斗載氣式送粉器11

5、，可實(shí)現(xiàn)單料斗運(yùn)粉或雙料斗同時(shí)送粉，且可實(shí)現(xiàn)2種粉末的混合輸送，150目的Ni25與320目的WC混合粉末輸送試驗(yàn)中，送粉量為520g/min；李艷麗等設(shè)計(jì)的螺旋送粉器12可實(shí)現(xiàn)760g/min的送粉量。 送粉器的結(jié)構(gòu)原理和特性 送粉器的功能是將粉末按照加工工藝要求精確的送入激光熔池，并確保加工過(guò)程中，粉末能連續(xù)、均勻、穩(wěn)定地輸送。針對(duì)不同類(lèi)型的粉末要求，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制的送粉器主要可以分為：螺旋式送粉器、轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器、刮板式送粉器13、毛細(xì)管式送粉器、鼓輪式送粉器14、電磁振動(dòng)送粉器15和沸騰式送粉器。其工作原理包括：重力場(chǎng)、氣體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械力學(xué)等。各種送粉器的具體工作過(guò)程如下。 1螺旋式

6、送粉器 螺旋式送粉器主要是基于機(jī)械力學(xué)原理，如圖1所示，它主要由粉末存儲(chǔ)倉(cāng)斗、螺旋桿、振動(dòng)器和混合器等組成。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，使粉末沿著桶壁輸送至混合器，然后混合器中的載流氣體將粉末以流體的方式輸送至加工區(qū)域。為了使粉末充滿螺紋間隙，粉末存儲(chǔ)倉(cāng)斗底部加有振動(dòng)器，能提高送粉量的精度。送粉量的大小可以由電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。這種送粉器能傳送粒度大于15m的粉末，粉末的輸送速率為10150g/min。 2轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器 轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器是基于氣體動(dòng)力學(xué)原理，其結(jié)構(gòu)如2所示，主要由粉斗、粉盤(pán)和吸粉嘴組成。粉盤(pán)上帶有凹槽，整個(gè)裝置處于密閉環(huán)境中，粉末由粉斗通過(guò)自身重力落入轉(zhuǎn)盤(pán)凹槽，并且電機(jī)帶動(dòng)粉盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，將粉

7、末運(yùn)至吸粉嘴，密閉裝置中由進(jìn)氣管充入保護(hù)性氣體，通過(guò)氣體壓力將粉末從吸粉嘴處送出，然后在經(jīng)過(guò)出粉管到達(dá)激光加工區(qū)域。 圖2 轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器原理圖3刮板式送粉器 刮板式送粉器，如圖3所示，它主要由存儲(chǔ)粉末的粉斗、轉(zhuǎn)盤(pán)、刮板、接粉斗等組成。工作時(shí)粉末從粉斗經(jīng)過(guò)漏粉孔靠自身的重力和載流氣體的壓力流至轉(zhuǎn)盤(pán)，在轉(zhuǎn)盤(pán)上方固定一個(gè)與轉(zhuǎn)盤(pán)表面緊密接觸的刮板，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不斷將粉末刮下至接粉斗，在載流氣體作用下，通過(guò)送粉管送至激光加工區(qū)域。送粉量大小是通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速來(lái)決定的，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)便可以控制送粉量的大小，同時(shí)調(diào)節(jié)粉斗和轉(zhuǎn)盤(pán)的高度和漏粉孔的大小，可以使送粉量的調(diào)節(jié)達(dá)到更寬的范圍。刮板式送粉器適用于顆

8、粒直徑大于20m的粉末輸送。 4毛細(xì)管式送粉器 這種方法主要是使用一個(gè)振動(dòng)的毛細(xì)管來(lái)送粉，振動(dòng)是為了粉末微粒的分離，該送粉器由1個(gè)超聲波振蕩器、1個(gè)帶貯粉斗的毛細(xì)管和1個(gè)盛水的容器組成（見(jiàn)圖4）。電源驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，用水來(lái)傳送超聲波。粉末存儲(chǔ)在毛細(xì)管上面的漏斗里，毛細(xì)管在水面下面,下端漏在容器外面，通過(guò)產(chǎn)生的振動(dòng)將粉末打散開(kāi)，由重力場(chǎng)傳送。送粉顆粒最小直徑約0.4m。 5鼓輪式送粉器 鼓輪式送粉器的主要結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要有貯粉斗，粉槽和送粉輪組成。粉末從貯粉斗落入下面的粉槽，利用大氣壓強(qiáng)和粉糟內(nèi)的氣壓維持粉末堆積量在一定范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡。鼓輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，其上均勻分布的粉勺不斷從粉槽

9、舀取粉末，又從右側(cè)倒出粉末，粉末由于重力從出粉口送出。通過(guò)調(diào)節(jié)鼓輪的轉(zhuǎn)速和更換不同大小的粉勺來(lái)實(shí)現(xiàn)送粉率的控制。 6電磁振動(dòng)送粉器 電磁振動(dòng)送粉器的原理圖如圖6所示，在電磁振動(dòng)器的推動(dòng)下，阻分器振動(dòng)，儲(chǔ)藏在貯粉倉(cāng)內(nèi)的粉末沿著螺旋槽逐漸上升到出粉口，由氣流送出。阻分器還有阻止粉末分離的作用。電磁振動(dòng)器實(shí)質(zhì)上是一塊電磁鐵，通過(guò)調(diào)節(jié)電磁鐵線圈電壓的頻率和大小就可實(shí)現(xiàn)送粉率的控制。 7沸騰式送粉器 沸騰式送粉器用氣流將粉末流化或達(dá)到臨界流化，由氣體將這些流化或臨界流化的粉末吹送運(yùn)輸?shù)囊环N送粉裝置（見(jiàn)圖7）。底部和上部的兩個(gè)進(jìn)氣道使粉末流化或達(dá)到臨界流化。中部的載流氣體將流化的粉末送出。沸騰式送粉器能使

10、氣體與粉末混合均勻，不易發(fā)生堵塞；送粉量大小由氣體調(diào)節(jié)，可靠方便；并且不像刮吸式與螺旋式等機(jī)械式送粉器，粉末輸送過(guò)程中與送粉器內(nèi)部發(fā)生機(jī)械擠壓和摩擦容易發(fā)生粉末堵塞現(xiàn)象，造成送粉量的不穩(wěn)定。 送粉器的性能分析比較 幾種送粉器的原理不同，在實(shí)際應(yīng)用加工中，表現(xiàn)出的優(yōu)缺點(diǎn)也不同。 （1）螺旋式送粉器：這種送粉器比較適合小顆粒粉末輸送,工作中輸送均勻，連續(xù)性和穩(wěn)定性高，并且這種送粉方式，對(duì)粉末的干濕度沒(méi)有要求，可以輸送稍微潮濕的粉末。但是不適用于大顆粒粉末的輸送，容易堵塞。由于是靠螺紋的間隙送粉，送粉量不能太小，所以很難實(shí)現(xiàn)精密激光熔覆加工中所要求的微量送粉，并且不適合輸送不同材料的粉末。 （2）轉(zhuǎn)

11、盤(pán)式送粉器：是基于氣體動(dòng)力學(xué)原理，通入的氣體作為載流氣體進(jìn)行粉末輸送，這種送粉器適合球形粉末的輸送，并且不同材料的粉末可以混合輸送，最小粉末輸送率可1g/min。但是對(duì)其他形狀的粉末輸送效果不好，工作時(shí)送粉率不可控，并且對(duì)粉末的干燥程度要求高，稍微潮濕的粉末，會(huì)使送粉的連續(xù)性和均勻性降低。 （3）刮板式送粉器：對(duì)于顆粒較大的粉末流動(dòng)性好，易于傳輸。但在輸送顆粒較小的粉末時(shí)，容易團(tuán)聚，流動(dòng)性較差，送粉的連續(xù)性和均勻性差，容易造成出粉管口堵塞。 （4）毛細(xì)管送粉器：這種送粉器能輸送的粉末直徑大于0.4m。粉末輸送率可以達(dá)到1g/min。能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)精密熔覆中要求的微量送粉，但是它是靠自身的

12、重力輸送粉末，必須是干燥的粉末，否則容易堵塞，送粉的重復(fù)性和穩(wěn)定性差，對(duì)于不規(guī)則的粉末輸送，輸送時(shí)在毛細(xì)管中容易堵，所以只適合于球形粉末的輸送。 （5）鼓輪式送粉器：其工作原理是基于重力場(chǎng)，對(duì)于顆粒比較大的粉末，因其流動(dòng)性好能夠連續(xù)送粉，并且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于它是通過(guò)送粉輪上的粉勺輸送粉末，對(duì)粉末的干燥度要求高，微濕的粉末和超細(xì)粉末容易堵塞粉勺，使送粉不穩(wěn)定，精度降低。 （6）電磁振動(dòng)送粉器：是基于機(jī)械力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)原理工作的，反應(yīng)靈敏，由于是用氣體做為載流體將粉末輸出，所以對(duì)粉末的干燥程度要求高，微濕粉末會(huì)造成送粉的重復(fù)性差。并且對(duì)于超細(xì)粉末的輸送不穩(wěn)定，在出粉管處超細(xì)粉末容易團(tuán)聚，發(fā)生堵塞。

13、 （7）沸騰式送粉器：是基于氣固兩相流原理設(shè)計(jì)的。工作時(shí)，載流氣體在氣體流化區(qū)域直接將粉末吹出送至激光熔池。但同樣要求所送粉末干燥。沸騰式送粉器對(duì)于粉末的流化和吹送都是通過(guò)氣體來(lái)完成的，所以避免了前面螺旋式，刮板式等粉末與送粉器元件的機(jī)械摩擦，對(duì)粉末的粒度和形狀有較寬的適用范圍。 激光熔覆送粉器的發(fā)展特點(diǎn) 隨著激光熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，送粉器作為熔覆設(shè)備的核心元件之一，也得到了廣泛的研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)送粉器的研制目標(biāo)是將送粉器工作時(shí)的連續(xù)性、均勻性、穩(wěn)定性和可控性提高到一個(gè)更科學(xué)，更先進(jìn)的水平。對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料的整理和分析可以看出送粉器發(fā)展的特點(diǎn)： （1）多功能化?，F(xiàn)有的送粉器基本都能夠?qū)我?/p>

14、的粉末進(jìn)行連續(xù)送粉，以后送粉器的發(fā)展向著混合送粉、多方式送粉和高精度方向發(fā)展，目前已先后研制出多料倉(cāng)混合的送粉器16，熔覆材料組成及配比連續(xù)可調(diào)的送粉器以及高度集成帶有信息反饋附件的送粉器等。 （2）微量化。現(xiàn)有的送粉器都是連續(xù)送粉，送粉量都比較大，僅適合大面積熔覆應(yīng)用和三維快速制造。目前的激光熔覆技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于精密熔覆和微成形，在這種加工過(guò)程中，需要對(duì)激光熔覆加工區(qū)域進(jìn)行微量輸送，這對(duì)送粉器的性能要求很高。當(dāng)進(jìn)行零件的激光熔覆精密修復(fù)時(shí)，大送粉量的送粉器根本無(wú)法滿足工作的要求。 （3）超細(xì)化?，F(xiàn)在的送粉器能夠?qū)^大尺寸粉末，進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的送粉，因?yàn)槠淞鲃?dòng)性好，易于傳輸。然而，對(duì)于尺寸在毫米級(jí)以下的微細(xì)熔覆粉末，現(xiàn)有送粉器的輸送粉末顆粒比較大，特別是對(duì)于有些工件表面的缺陷特別微小（如小的磨損坑、裂痕、小孔洞和腐蝕坑等）無(wú)法滿足加工的要求。 結(jié)束語(yǔ) 隨著激光技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多種嘗試，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出很多類(lèi)型的送粉器。一般情況下，較大尺寸的粉末(顆粒直徑>100m)流動(dòng)性較好，易于傳送，而顆粒直徑較小的粉末(顆粒直徑<1m)容易聚團(tuán)和粘滯，流動(dòng)性較差，通常傳送這樣尺寸的粉末是非常困難的17，所以，在同步送粉