Лазерно-оптическая регистрация динамики скорости и температуры частиц при лазерной газопорошковой наплавке

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лазерно-оптическая регистрация динамики скорости и температуры частиц при лазерной газопорошковой наплавке

Д.В. Сергачев, А.А. Михальченко, В.И. Кузьмин Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

П.А. Пинаев Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Развитие и широкое распространение аддитивных лазерных технологий восстановления трущихся поверхностей деталей и механизмов приводит к необходимости их детального изучения. Свойства готовых изделий и эффективность режима нанесения покрытия методом лазерной наплавки зависят от таких параметров порошка как температура и скорость одиночных частиц в полете перед их осаждением на подложку. Используемые методы исследования в проведенных экспериментальных исследованиях поведения частиц при лазерной наплавки и твердотельном лазерном конструировании [1-2] не дают полной информации о состоянии частиц.

В данной работе для исследования динамики скорости и температуры частиц с удалением от среза сопла использовался времяпролетный двухфокусный анемометр [3]. Все эксперименты по исследованию дисперсной фазы в условиях лазерной коаксиальной наплавки были проведены с CO₂-лазером ЛОК-3СГУ [4] мощностью до 3 кВт и длиной волны 10.6 мкм, который использовался в качестве источника излучения. Лазер генерирует непрерывное или импульсно-периодическое (ИП) излучение. Частота повторения лазерных импульсов регулируется в диапазоне 3-120 кГц. Соответственно эксперименты проводились в трех режимах: I - режим без лазерного излучения; II - режим постоянного лазерного излучения; III - ИП режим. Частицы подаются в лазерный пучок через сопло транспортирующим газом. В качестве транспортирующего и несущего газа использовались три вида газа: воздух, аргон, азот. Для азота и воздуха расходы транспортирующего и несущего газа составили G_тр=0,33 г/с и G_нес=0,15 г/с, соответственно. Когда использовался аргон, G_тр=0,30 г/с, G_нес=0,13 г/с.

В приведенной выше постановке были проведены измерения скорости частиц Al₂O₃, Ni с применением лазерно-оптического диагностического комплекса [3] в струе. Для анализа динамики ускорения частиц измерения проводились в трех точках на центральной оси симметрии сопла z (z=0 на срезе сопла, ось Oz направлена вниз по потоку). Взяты 3 точки z=10, 30 и 50 мм, диаметр пучка в этих точках D_п равен 3.1, 4,5 и 7 мм, соответственно. Также удалось измерить температуру нагретых одиночных частиц методом трехцветовой пирометрии. Были рассчитаны размеры частиц Al₂O₃, используя известные зависимости коэффициента преломления окиси алюминия.

Рис. 1. Динамика ускорения и нагрева частиц Al₂O₃ в среде воздуха: а - зависимость среднего значения скорости частиц v от расстояния z; б - зависимость среднего значения температуры T от расстояния z. - режим I, - режим II, и - режим III (частота f=15 кГц, мощность в импульсе P_имп=280 кВт, плотность потока энергии W=36ГВт/м² и f=60кГц, P_имп=96 кВт, W=13ГВт/м², соответственно).

С помощью проведенных измерений скорости и температуры одиночных частиц Al₂O₃ в разных режимах были получены средние значения скорости v и температуры T частиц на оси симметрии сопла в зависимости от координаты z (рис.1). В качестве рабочего газа использовался воздух. Видно, что в режиме I максимальное среднее значение скорости 15 м/с достигается в точке z=30 мм (рис. 1а). В режиме II (мощность лазерного излучения P=1700 Вт) максимальная средняя скорость 24 м/с в точке z=10 мм, где наблюдается наибольшее отклонение от режима I. Такое же ускорение было достигнуто в режиме III. Не смотря на близкие значения средних скоростей во II и III режимах, среднее значение температуры в режиме II оказалось выше, чем в режиме III. По измерениям температуры были рассчитаны значения диаметров частиц (рис. 2а) в предположение, что они имеют сферическую форму. Средний размер частиц до прохождения через лазерный пучок составлял 34 мкм. Как видно из рис. 2б размер оплавленных частиц превышает 34 мкм в несколько раз, что может объяснить завышение рассчитанных значений диаметров частиц.

Рис. 2. Порошок Al₂O₃: а - зависимость среднего значения диаметра частиц D от расстояния z; б - фотография порошка собранного с подложки.

Получена динамика ускорения частиц Ni, средний размер которых составлял 100 мкм. В качестве рабочих газов использовались азот (рис 3 а) и аргон (рис 3 б). В рабочей среде азота наблюдается не значительное ускорение частиц в режиме II по сравнению с режимом I. В то время, как в режиме III зарегистрировано значительное ускорение частиц с 5 до 15 м/с. В аргоне максимальное ускорение, как и в случае частиц Al₂O₃ в воздухе, отмечено в режиме II на дистанции z=10 мм от среза сопла.

Рис. 3. Динамика ускорения частиц Ni: а - зависимость среднего значения скорости v частиц от расстояния z в среде азота; б - в среде аргона. - режим I, - режим II, - режим III (f=60кГц, P_имп=117 кВт, W=16 ГВт/м²).

Проведены измерения скорости частиц Al₂O₃, Ni при лазерной наплавке с использованием различных рабочих газов. Показано, что динамика среднего значения скорости частиц на интервале от z=10 мм до 50 мм может значительно меняться при включении лазера не только количественно, но и качественно. Выявлено, что влияние лазерного излучение приводит к дополнительному ускорению частиц. Впервые было проведено измерение температуры частиц в условиях процесса лазерной наплавки.

лазер наплавка скорость температура

Список литературы

Zhang Fengying, Chen Jing, Tan Hua, Lin Xin, Huang Weidong. Composition control for laser solid forming from blended elemental powders // J. Optics &Laser Technology V 41, 2009. PP. 601-607.

Liu Weihong, Xu Binshi, Dong Shiyun,Yan Shixing. Characteristic Analysis of the Gas-Powder Stream for Laser Cladding // Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress , Lecture Notes in Electrical Engineering 199. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013. P. 99-107.

Сергачев Д.В., Михальченко А.А., Картаев Е.В. Разработка лазерного времяпролетного двухфокусного анемометра // IX Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», Новосибирск, 23-25 апреля 2012г.

G.N. Grachev, A.G. Ponomarenko, A.L. Smirnov, V.B.Shulyat'ev. Multifunctional 3 kW CO₂ laser with controllable spectral and temporal characteristics for industrial and scientific applications // Proc. of SPIE, vol. 4165 (2000), p. 185-196.

Размещено на Allbest.ru