激光再制造过程中的粉末流场检测技术（一）

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承, 　　近年来，随着激光快速制造技术的发展，激光同轴送粉逐层熔敷的方法直接制造金属实体零件技术已成为国内外研究热点。它利用计算机生成的CAD模型，无需特定模具而在短时间内制造出复杂形状的立体模型或实体。除此之外运用这种技术还可进行高精度修复工作，使其迅速恢复原有的精度和性能，节省了成本和时间。　　激光同轴送粉是个复杂的高功率激光与金属粉-载流气体二相流相互作用的物理过程。存在着金属粉末粒子对高功率激光的反射、散射、衍射、吸收和透过等现象，涉及到光子与微粒子间散射，Beer-Lambert透射，金属粒子对激光的韧致辐射吸收，金属粒子内部传热、对流、传质等基础理论问题。要使激光束与粉末流形成良好空间耦合，涉及到激光光斑、几何形状、模式分布、粉嘴几何设计，气-粉流的空间浓度分布，气-粉流的空间速度场等理论描述及检测问题。同步送粉激光熔敷工艺参数的优化，涉及激光在粉末流吸收和透过的能量平衡，吸收后热粉末温度场的理论描述及检测等问题。激光同轴送粉中气-粉两相的浓度场、速度场、温度场检测是个难度大的课题。搞清它们不仅具有重要的学术价值，更有利于指导应用。国际上已充分认识到激光同轴送粉基础研究的重要性，已有人开始初步研究，但研究内容和结果都是初步的，缺少先进的手段和方法。　　随着科学技术的发展，常被用于流场测试的PIV(Particle Image Velocimetry)技术渐渐显现出来它的优势。而另一种IR红外测温技术的出现也为我们进行粉末流场提供了可能。　　粉末流场的流动过程和其中内部的各种物理现象是复杂的。但通过我们的分析，可以把主要研究重点放在以下三个方面：　　(1)粉末流速度场的研究　　粉末流速度场的研究还是一个空白，特别对于载气式送粉。从粉嘴喷出粉末粒子的速度分布影响着熔池的形状。对粉末利用率，以及进一步的理论分析都有着重要影响。在流体力学领域，由于工程上的需要常进行一些流体测试。PIV粒子图像测速技术技术自二十世纪七十年代以来，已取得了长足和令人鼓舞的进展。目前PIV技术已应用于各种流动的流场观测研究中，但将PIV技术应用于激光快速制造中送粉器出口的三维气固二相流场研究，这在国内外的文献资料中还未见报道。　　通过测量送粉嘴出口粉末粒子流横向和纵向的速度场分布，得到测试截面内的二维或三维速度向量场分布、等速度场、等涡量场和二维截面流线分布。　　在二氧化碳激光束中，由于单台脉冲激光器不能提供高能且脉冲间隔极短的激光，因此使用双脉冲YAG激光器输出的532nm激光束合束后经过导光臂以及片光源圆柱透镜组形成的片光源照明金属粉末流场，给拍摄提供照明光源。这样经同步器调节后可以和数码相机形成很好的同步配合。　　检测中采用8比特CCD跨帧相机镜头附加532nm滤光片对流场的流动图像进行实时记录。相机的双曝光模式可以在瞬间曝光两次，通过同步器的控制和脉冲照明光源同步，极短时间(粒子下落几个像素)内捕捉两幅图像。再通过数字图像处理的方法得到所需要的速度场信息。　　对于垂直于送粉器出口轴线截面的速度场测量，由于相机不能对流场进行正直拍摄，得到的流场图像产生了变形，这就需要结合数字图像处理中的图像拉伸变形匹配技术进行校正，然后再进行速度场的计算。通过得到的速度场分布，可以进一步通过环量计算公式得到相应的涡量场，以及通过积分计算得到相应的二维流线分布。　　三维速度场是通过同样两套PIV系统同时拍摄，将两套二维速度场结果，按照双目视觉体视原理合成计算三维的速度场。　　(2)粉末流浓度场分布和颗粒直径分布的测量研究　　快速制造所使用的粉嘴中，我们最希望它的环形咀送出的粉末是均匀的，具有轴对称分布。这不仅有利于提高成型件表面质量，而且便于优化激光能量分布。在非载气送粉中，由于粉末依靠自重下落，受到外界影响比较小，送出的粉末均匀性较好，但也并不能知道其具体情况。而载气式送粉方法中，由于气流的影响，粉末的流动情况是复杂多变的，利用理论的方法得到的结论不尽如人意。　　使用PIV技术中的数字图像处理技术，结合激光片光的照明技术，通过拍摄到的金属粉末流场图像灰度分布，可以分析得到送粉器出口流场的浓度场分布。同时根据粒子在图像中所占据的像素个数还可以得到单个粒子直径及大小，以便于对被测金属微粒粒径进行统计分析。

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