Sergachev - X Всероссийская конференция молодых ученых

ЛАЗЕРНО-ОПТИЧЕСКАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ДИНАМИКИ
СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЧАСТИЦ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ
ГАЗОПОРОШКОВОЙ НАПЛВКЕ
Д.В. Сергачев1, А.А. Михальченко 1, П.А. Пинаев2, В.И. Кузьмин1
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.
Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук
630090, Новосибирск
2
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской
академии наук
630090, Новосибирск
1
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 импульснопериодическое (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
 Сергачев Д.В., Михальченко А.А., Пинаев П.А., Кузьмин В.И., 2014
1
воздуха расходы транспортирующего и несущего газа составили
Gтр=0,33 г/с и Gнес=0,15 г/с, соответственно. Когда использовался аргон,
Gтр=0,30 г/с, Gнес=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
Dп 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
а
б
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 Pимп=280 кВт,
плотность потока энергии W=36ГВт/м2 и f=60кГц, Pимп=96 кВт, W=13ГВт/м2,
соответственно).
известные зависимости коэффициента преломления окиси алюминия.
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
2
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
а
б
Рис. 2. Порошок Al2O3
а – зависимость среднего значения диаметра частиц D от расстояния z;
б – фотография порошка собранного с подложки.
оплавленных частиц превышает 34 мкм в несколько раз, что может
объяснить завышение рассчитанных значений диаметров частиц.
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
3
а
б
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, Pимп=117 кВт, W=16 ГВт/м2).
Al2O3 в воздухе, отмечено в режиме II на дистанции z=10 мм от среза
сопла.
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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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.
2. Liu Weihong, Xu Binshi, Dong Shiyun,Yan Shixing. Characteristic Analysis of the GasPowder 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.
3. 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.
4
4. 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.
5