CN108193204A - 一种激光熔覆用送粉喷头及送粉量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光熔覆用送粉喷头及送粉量控制方法，一样那我送粉喷头包括：主体，设置有供金属粉末流动的喷腔，进粉管，连接在所述主体的上端，将金属粉末送入所述喷腔；分流柱，设置在所述喷腔内靠近所述进粉管的一端，且轴向与所述进粉管的轴向垂直；喷嘴，有多个且并排安装在所述主体下端的安装槽中，用于分别排出所述喷腔内的金属粉末。发明由进料管吹入喷腔内的金属粉末，在分流柱的圆柱绕流作用下，会在喷腔内形成相应的粉末流场分布，使各喷嘴喷出不同的金属粉末浓度，从而为激光熔覆提供不同的送粉效果。本发明的控制方法可以通过调整分流柱的位置和直径的方式，改变喷腔内的粉末流场，从而使喷嘴满足不同的送粉要求。

Description

一种激光熔覆用送粉喷头及送粉量控制方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆领域，特别是涉及一种能够控制各出粉喷嘴出粉量的控制方法，以及应用于该控制方法的送粉喷嘴。

背景技术

激光熔覆技术是把激光加工与数控技术相结合，通过在金属基体表面预置粉末或同步送粉的方法,利用激光的高能量把金属粉末熔化,与基体形成良好的冶金结合，从而达到改善产品性能的特种加工方法。激光熔覆件表面硬度较高，具有良好的耐磨、耐蚀性能。利用激光熔覆表面强化技术可以把高性能的合金材料熔覆到价格低廉的金属件上，可以改善制品的工作性能,。此外，由于激光熔覆的热影响区极小，零部件基本不变形，特别适合于高精度零部件的磨损后修复。

现有的宽带送粉喷嘴多采用矩形出口或特定形状的单一出口，这样的喷嘴出口容易导致粉末流在喷嘴厚度方向上形成大的发散角，而且不易控制喷嘴各处的出粉量。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够控制各出粉喷嘴出粉量的控制方法，以及应用于该控制方法的送粉喷嘴。

特别地，本发明提供一种激光熔覆用送粉喷头，包括：

主体，设置有供金属粉末流动的喷腔；

进粉管，连接在所述主体的上端，将金属粉末送入所述喷腔；

分流柱，设置在所述喷腔内靠近所述进粉管的一端，且轴向与所述进粉管的轴向垂直；

喷嘴，有多个且并排安装在所述主体下端的安装槽中，用于分别排出所述喷腔内的金属粉末。

在本发明的一个实施方式中，所述喷腔为立体梯形，其正面为矩形，侧面为顶部宽度大于底部宽度的等腰梯形。

在本发明的一个实施方式中，所述喷腔的正面宽度与并排后所述喷嘴的宽度相同。

在本发明的一个实施方式中，所述喷腔的侧面的顶部宽度与所述进粉管的直径相同，侧面的底部宽度与所述喷嘴的直径相同。

在本发明的一个实施方式中，所述主体由具备对称结构的左右两部分扣合形成；所述进粉管连接有与所述主体的形状相同的封闭盖，所述封闭盖固定在所述主体的上端并封闭所述喷腔的上开口；在所述主体宽度方向的两端分别设置有将所述主体和所述封闭盖套在内的限位套。

在本发明的一个实施方式中，提供一种前述送粉喷头的出粉量控制方法，包括如下步骤：

步骤100、获取当前送粉喷头上各部件的参数信息；

步骤200、利用CFD先模拟一个或多个分流柱在某个高度时，不同直径下腔体内的粉末流场分布状态，然后改变分流柱的高度，继续模拟不同直径下腔体内的粉末流场分布状态；

步骤300、根据模拟结果，即可得到出粉喷头在不同结构时喷嘴的出粉量状况，从而能够制定出符合任意送粉要求的送粉喷头结构。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤200中，采用如下的公式进行计算，

其中，N_i表示与喷嘴相关的特征尺寸参数；L_j表示与分流柱相关的特征尺寸参数；I_k表示与送粉喷头上其它部件相关的特征尺寸参数；Q表示气流量；R_powder表示送粉速率。

在本发明的一个实施方式中，与所述喷嘴相关的特征尺寸参数包括喷嘴的个数、长度、外径、内径和空间安装位置。

在本发明的一个实施方式中，与所述分流柱相关的特征尺寸参数包括分流柱的个数、长度、直径和空间安装位置。

在本发明的一个实施方式中，与所述送粉喷头上其它部件相关的特征尺寸参数包括：

送粉管的内径、外径、长度和空间安装位置；

封闭盖的长、宽、高，安装送粉管的孔半径、孔深、孔中心位置及孔的空间安装位置；

限位套的长、宽、高，和凹槽的长、宽、高及壁厚；

喷嘴的长、宽、高；

喷腔的长、宽、高和等腰角度；

主体上安装喷嘴的安装槽半径、安装槽个数和安装槽长度。

发明由进料管吹入喷腔内的金属粉末，在分流柱的圆柱绕流作用下，会在喷腔内形成相应的粉末流场分布，使各喷嘴喷出不同的金属粉末浓度，从而为激光熔覆提供不同的送粉效果。

本发明的控制方法根据理想的金属粉末流场分布和送粉参数Q和R_powder，再选择合理的N_i,L_j，之后通过数值模拟和优化算法，比较不同I_k，L₁,L₂,…L_n特征尺寸下的金属粉末流场，使其逼近理想的粉末流场，从而可得到能够满足预定喷嘴出粉量的出粉喷头结构。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的出粉喷头结构示意图；

图2是图1所示出粉喷头的立体图；

图3是是本发明一个实施方式的出粉量控制方法流程示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明公开一种激光熔覆用送粉喷头100，一般性地包括主体20、进粉管10、分流柱30和喷嘴40；

该主体20内设置有供金属粉末流动的喷腔21；进粉管10连接在主体20的上端，用于将金属粉末送入喷腔21；分流柱30为安装在喷腔21内靠近进粉管10一端的柱状结构，其轴向与进粉管10的轴向垂直；喷嘴40设置有多个，且各喷嘴40并排设置在主体20的下端，用于分别排出喷腔21内的金属粉末。

在本实施方式中，由进料管10吹入喷腔21内的金属粉末，在分流柱30的圆柱绕流作用下，会在喷腔21内形成相应的粉末流场分布，使各喷嘴40喷出不同的金属粉末浓度，从而为激光熔覆提供不同的送粉效果。

本实施方式可以通过调整分流柱30的位置和直径的方式，改变喷腔21内的粉末流场，从而使喷嘴40满足不同的送粉要求。

本实施方式中的分流柱可以是一根，然后改变其在空间上水平和垂直方向的安装位置，来达到改变粉末流场的目的；还可以是并列且间隔设置的几根分流柱，然后改变它们在空间上水平和垂直方向上的安装位置，来达到改变粉末流场的目的。以四根喷嘴40为例，通过改变粉末流场至少可以实现：1.两侧的喷嘴送粉量大于中间两个喷嘴送粉量；2.两侧的喷嘴送粉量小于中间两个喷嘴送粉量；3.四个喷嘴的送粉量一致；4.由一侧至另一侧送粉量逐渐增加或减少。

具体的喷腔21可以为倒着设置的立体梯形，其正面为矩形，侧面为顶部宽度大于底部宽度的等腰梯形。金属粉末由喷腔21的上部进入，经过收缩的腔体21后由底端排出。其中喷腔21的正面宽度与并排安装后的各喷嘴40合并总宽度相同。喷腔21的侧面的顶部宽度与进粉管10的外直径相同，侧面的底部宽度与喷嘴40的外直径相同。

在主体20的下端可设置与喷腔21连通的安装槽22，各喷嘴40分别插接在相应的安装槽22中。

在本发明的一个实施方式中，主体20可以由具备对称结构的左右两半扣合形成，即在两个平板上分别制作出喷腔21的一半结构，然后扣合后利用胶进行粘接以形成一个完整的喷腔21；喷腔21的上端可以为开口，然后在进粉管10上连接与主体20的外部形状相同的封闭盖60，封闭盖60利用胶固定在主体20的上端以封闭喷腔21的上开口，同时将进粉管10与喷腔21连接在一起。

为防止扣合后的主体20和封闭盖60分开，可以在主体20宽度方向的两端分别设置将主体20和封闭盖60套同时包在内的限位套50。限位套50为一个带有凹槽的结构，该凹槽正好将主体20和封闭盖50的侧边同时箍在内，从而达到防止主体20或封闭盖60撑开。

可以在主体20的喷腔21内壁上设置对应的凹槽，以方便分流柱30的两端插入。

如图3所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种送粉喷头100的出粉量控制方法，包括如下步骤：

步骤100、获取当前送粉喷头上各部件的参数信息；

这里的参数包括送粉管10、腔体21、喷嘴40及分流柱30一类影响金属粉末流场分布的部件的具体结构参数及安装时的空间位置参数信息。

步骤200、利用CFD先模拟一个或多个分流柱在某个高度时，不同直径下腔体内的粉末流场分布状态，然后改变分流柱的高度，继续模拟不同直径下腔体内的粉末流场分布状态；

该步骤可以获取送粉喷头100在不同结构和条件下其喷嘴40的送粉量变化情况，包括一根或多根分流柱在空间上不同高度不同水平位置状态时对粉末流场的影响；具体的计算可以采用如下的公式，

其中，N_i表示与喷嘴40相关的特征尺寸参数，i≥1，包括：

N₁：喷嘴的个数；N₂：喷嘴的长度；N₃：喷嘴的外径；N₄：送粉喷嘴内径；N₅、N₆、N₇：喷嘴安装的空间位置(x、y、z坐标)；N₁～N₇可视为固定值，即已知。

L_j表示与分流柱30相关的特征尺寸参数，j≥1，包括：

L₁：分流柱的个数、L₂：分流柱的长度；L₃：分流柱的直径；L₄、L₅、L₆：分流柱安装的空间位置(x、y、z坐标)；其中，L₁、L₂、L₄、L₅可视为固定值，L₃、L₆则是调节流场变化的主要参数。

I_k表示与送粉喷头100上其它部件相关的特征尺寸参数，k≥1，包括：

l₁～l₆：为进粉管的内径、外径、长度和空间安装位置(x、y、z)；

l₇～l₁₆：为封闭盖的长、宽、高，和安装进粉管的孔半径、孔深、孔中心位置(x、y)及空间安装位置(x、y、z)；

l₁₇～l₂₃：为限位套的长、宽、高，和凹槽的长、宽、高及壁厚；

l₂₄～l₃₃：为喷嘴主体的长、宽、高，喷腔正面宽度，喷腔侧面的长、宽、高及等腰夹角，安装槽的半径、数量、长度。

Q表示气流量；R_powder表示送粉速率。

步骤300、根据模拟结果，即可得到出粉喷头在不同结构时喷嘴的出粉量状况，从而能够制定出符合任意送粉要求的送粉喷头结构。

根据理想的金属粉末流场分布和送粉参数Q和R_powder，再选择合理的N_i,L_j，之后通过数值模拟和优化算法，比较不同I_k，L₁,L₂,…L_n特征尺寸下的金属粉末流场，使其逼近理想的粉末流场，从而可得到能够满足预定喷嘴出粉量的出粉喷头结构；即根据模拟结果，可以制造出满足任意出粉要求的出粉喷头。

实施例一：

一、确定浓度场分布及已知条件：

现以在空间上呈均匀分布为例，已知：送粉区域为5mm*1mm，分流柱为1个，喷嘴个数为4，喷嘴直径为1.2mm，气流量为20～200L/min，送粉率2～20g/min。再确定分流柱的空间位置及本身的几何尺寸。

二、依据已知条件确定分流柱尺寸：

先确定分流柱的几何尺寸：分别计算空间某一位置下，分流柱直径为0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.0mm的情况下金属粉末流场的分布情况，0.5mm时，中间两管的粉末浓度较高，1.5mm，2.0mm时两边的喷嘴粉末浓度较高而中间两管的喷嘴粉末浓度较低。当1.0mm时四个喷嘴的粉末浓度相对均匀。

因此，只需要确定分流柱在高度上的位置，即可通过计算得到相应的金属粉末空间浓度分布，从而可优化得到一个空间位置较好的出粉喷头结构。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种激光熔覆用送粉喷头，其特征在于，包括：

主体，设置有供金属粉末流动的喷腔；

进粉管，连接在所述主体的上端，将金属粉末送入所述喷腔；

分流柱，设置在所述喷腔内靠近所述进粉管的一端，且轴向与所述进粉管的轴向垂直；

喷嘴，有多个且并排安装在所述主体下端的安装槽中，用于分别排出所述喷腔内的金属粉末。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆用送粉喷头，其特征在于，

所述喷腔为立体梯形，其正面为矩形，侧面为顶部宽度大于底部宽度的等腰梯形。

3.根据权利要求2所述的激光熔覆用送粉喷头，其特征在于，

所述喷腔的正面宽度与并排后所述喷嘴的宽度相同。

4.根据权利要求2所述的激光熔覆用送粉喷头，其特征在于，

所述喷腔的侧面的顶部宽度与所述进粉管的直径相同，侧面的底部宽度与所述喷嘴的直径相同。

5.根据权利要求1所述的激光熔覆用送粉喷头，其特征在于，

所述主体由具备对称结构的左右两部分扣合形成；所述进粉管连接有与所述主体的形状相同的封闭盖，所述封闭盖固定在所述主体的上端并封闭所述喷腔的上开口；在所述主体宽度方向的两端分别设置有将所述主体和所述封闭盖套在内的限位套。

6.如权利要求1所述的送粉喷头的出粉量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100、获取当前送粉喷头上各部件的参数信息；

步骤200、利用CFD先模拟一个或多个分流柱在某个高度时，不同直径下腔体内的粉末流场分布状态，然后改变分流柱的高度，继续模拟不同直径下腔体内的粉末流场分布状态；

步骤300、根据模拟结果，即可得到出粉喷头在不同结构时喷嘴的出粉量状况，从而能够制定出符合任意送粉要求的送粉喷头结构。

7.根据权利要求6所述的送粉方法，其特征在于，

所述步骤200中，采用如下的公式进行计算，

其中，N_i表示与喷嘴相关的特征尺寸参数；L_j表示与分流柱相关的特征尺寸参数；I_k表示与送粉喷头上其它部件相关的特征尺寸参数；Q表示气流量；R_powder表示送粉速率。

8.根据权利要求7所述的送粉方法，其特征在于，

与所述喷嘴相关的特征尺寸参数包括喷嘴的个数、长度、外径、内径和空间安装位置。

9.根据权利要求7所述的送粉方法，其特征在于，

与所述分流柱相关的特征尺寸参数包括分流柱的个数、长度、直径和空间安装位置。

10.根据权利要求7所述的送粉方法，其特征在于，

与所述送粉喷头上其它部件相关的特征尺寸参数包括：

送粉管的内径、外径、长度和空间安装位置；

封闭盖的长、宽、高，安装送粉管的孔半径、孔深、孔中心位置及孔的空间安装位置；

限位套的长、宽、高，和凹槽的长、宽、高及壁厚；

喷嘴的长、宽、高；

喷腔的长、宽、高和等腰角度；

主体上安装喷嘴的安装槽半径、安装槽个数和安装槽长度。