激光旁軸送氣結構設計與分析

徐超，東岳峰，熊杰，蒙思羽，李素麗，楊來俠

激光旁軸送氣結構設計與分析

徐超1，東岳峰1，熊杰1，蒙思羽2，李素麗1，楊來俠1

（1.西安科技大學 機械工程學院，西安 710054；2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，西安 712100）

通過了解激光增材技術，設計一種送絲送氣一體化機構，并建立相應模型。通過對不同送絲送氣機構進行對比分析，設計出3種方案，并通過流體模型分析保護氣體氬氣的流動情況，最終得出最合理的安裝位置。第1種方案是采用送絲機構與送氣機構對沖的兩軸送絲送氣設計方案；第2種方案是采用送絲機構與送氣機構同路的設計方案；第3種方案是選擇兩路送氣機構與送絲機成夾角對沖的設計方案。在第1種方案中，送絲機構與送氣機構的對沖會導致氣流紊亂，產生氣體流動擴散現象，可以明顯看到有一個保護氣體比較密集的區域。在第2種方案中，當送絲機構與送氣機構同路時，在工作過程中有可能出現防氧化效果不夠好的情況。在第3種方案中，兩路送氣機構與送絲機成夾角對沖可以有效控制氬氣的流動，提高氬氣的利用率，在這里進行絲材的激光熔覆將會起到最大的防氧化保護作用。通過對不同送絲送氣機構進行對比分析，最終確定三路送氣方案的保護效果最佳。

激光增材制造；送絲送氣一體化設計；帶傳動送絲機構；流體模擬；氬氣

激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技術是一種以激光為能量源的增材制造技術。激光具有能量密度高的特點，可實現難加工金屬的制造，如航空航天領域的鈦合金、高溫合金等，同時激光增材制造技術還具有不受零件結構限制的優點，可用于結構復雜、難加工薄壁零件的加工制造[1-3]。目前，激光增材制造技術涉及的材料已涵蓋鈦合金、高溫合金、鐵基合金、鋁合金、難熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等，該技術在制造航空航天領域中的高性能復雜構件和生物制造領域中的多孔復雜結構件方面具有顯著優勢。基于激光增材制造技術的送絲送氣一體化設計旨在防止熔覆過程中發生大量氧化，從而影響制造成形過程[4-8]。為了解決如何保持絲材在送給時的絲滑性以及絲材氧化的問題，目前研究者主要關注了送絲機構的設計，而很少研究防氧化的絲路結構設計[9-15]。因此，本文將采用3種方案進行對比分析，以確定最佳的設計方案。通過比較不同方案的優缺點，為增材制造技術的送絲送氣一體化設計提供參考與指導。

1 不同送氣方式的數值分析

1.1 同路送氣

對同軸送絲噴頭進行建模，如圖1所示。同軸送絲路是指與出絲的絲材一起從送絲口處送出，在很大程度上提供了一個充足的氣體保護。同軸送絲路可以確保激光光束和材料之間的精確對齊，同時提供足夠的保護氣體來防止氧化和燃燒等不利反應的發生。

圖1 流體模型

建立流體模型，進行網格劃分。在網格劃分前需要對氣體進行約束，設置入口、出口和邊界條件等，如圖2所示。進行網格劃分時，選擇以5 mm為單位的網格進行劃分。

圖2 Fluent軟件內的流體模型

本文采取氬氣作為保護氣體，氬氣是稀有氣體，在工業和科研中有廣泛的應用[16-20]。氬氣具有十分穩定的性質，既不能燃燒物質，也不會助燃物質。在航空航天、制船業、原子能化工業和機械設備工業部門，對特種合金（鋁合金、鎂合金、銅合金和不銹鋼合金等）進行焊接時，常用采用氬氣作為焊接保護氣，以防止焊接件與空氣接觸后發生氧化現象或氮化現象[21-23]。實驗室一般用罐裝氬氣供氣，在模擬仿真時將設置2種壓力，通過對比這2種壓力下的保護情況來評估保護氣體瓶的壓力大小對整個保護效果的影響[24]。

氣瓶壓力與匯集區的對比如圖3所示。可以看出，氣瓶壓力是對整個氣體的保護效果有很大影響，當氬氣瓶中的氣壓減小后，提供的防氧化效果也會減弱。為確保產品的加工精度，需要盡量地降低熔覆區的氧化程度。因此，保證工作時氬氣量的充足可以提高產品的加工精度[25]。

圖3 氣瓶壓力與匯集區對比

氣瓶壓力充足（10 MPa）和氣瓶壓力不足（2 MPa）時氣壓的對比分析結果如圖4所示。可以看出，在不同的壓力下，氣體噴出后的壓力是不一樣的，圖4a中的氣體顏色更深，說明氣壓越高，保護效果越好。

圖4 氣壓結果分析圖

1.2 兩路對沖方案的仿真分析

1.2.1 模型建立

通過SolidWorks對兩路送氣噴頭進行建模，如圖5所示。在激光增材制造中，絲材和保護氣體都是非常重要的因素。然而，對于一些極易氧化的金屬，兩路送絲方案可能更加適用。該方案采用了對沖的方法，當絲材從送絲頭中送出后，兩路送氣管道被打開，對絲材進行保護，如圖5a所示。這種方法可以更好地控制氬氣的流動，從而為設備提供最佳的防氧化保護，實現穩定的工作狀態。其原理如圖5所示。

1.2.2 模擬

在網格劃分前需要對氣體進行約束，設置入口、出口和邊界條件等。進行網格劃分時，選擇以5 mm為單位的網格進行劃分，如圖6所示。

圖5 兩路送氣噴頭三維模型及設計原理圖

圖6 流體網絡劃分

本文采取氬氣作為保護氣體，設置2種壓力進行模擬，對比保護氣體瓶的壓力大小對整個保護情況的影響。不同壓力的分析結果如圖7所示。可以看出，氣瓶壓力對整個氣體的保護作用有很大影響，當氬氣瓶中的氣體減少后，可以提供的防氧化效果也會變弱。由于需要盡量降低熔覆區的氧化程度，因此，保證工作時氬氣量的充足可以提高產品的加工精度。

圖7 氣瓶壓力與匯集區對比

兩路對沖方案與同路送氣送絲方案不同，其實質是一種對沖的形式，當兩路氣體交匯時，由于氣體的流動擴散現象，可以明顯看到一個保護氣體比較密集的區域，如圖8所示。在實際生產工作中，為了對熔覆區更好地進行防氧化保護，在安置出絲口時，要安置在保護氣體密集區，以達到更好的防氧化作用。

圖8 氣瓶壓力充足（10 MPa）和氣瓶壓力不足（2 MPa）時壓力仿真分析結果

仿真時，在尺寸為80 mm的圓柱體中切割出2個夾角為60°的平面。在仿真結果中可以看到，整個區域的中部是氣體匯聚最好的地方，所以在整體安裝過程中，要使送氣路和送絲路保持10～20 mm的距離，在保證送絲路和送氣路不干涉的情況下，實現最好的防氧化保護。

1.3 三路對沖方案的仿真分析

1.3.1 模型建立

三路對沖噴氣方案結合了前2種方案，將一條同軸送氣送絲路和兩路送氣噴頭組合在一起。這種方案不僅可以防止溫度沿絲材擴散、發生氧化現象，還可以彌補因絲材從送絲口出來后保護氣體包裹不嚴而導致的氧化問題。因此，該方案可以實現全方位的保護。三路流體模型如圖9所示。

1.3.2 仿真分析

設置入口、出口和邊界條件等。進行網格劃分時，選擇以5 mm為單位的網格進行劃分，如圖10所示。

圖9 三路流體模型

圖10 流體網絡劃分

本文采用氬氣作為保護氣體，設置2種壓力進行模擬，對比保護氣體瓶的壓力大小對整個保護情況的影響，結果如圖11所示。可以看出，氣瓶壓力對整個氣體的保護作用有很大影響。

圖11 氣瓶壓力與匯集區關系曲線

仿真結果如圖12所示。可以看出，在3個氣管的交匯處有一個氬氣聚集區。在本方案中，氬氣聚集區是防氧化最佳區域。因此，本文建議在進行激光熔覆加工時，將光線聚焦在氬氣聚集區，這樣可以確保在熔覆過程中最大限度地減少氧化現象的發生。

圖12 不同壓力仿真分析

2 方案對比

同路送氣方案具有裝置簡單的等優點，但在整個工作過程中有可能出現防氧化效果不夠好的情況。通過仿真分析可以看出，保護氣體噴出后呈現為一個圓臺形，絲材包裹在其中，由于送絲口的約束，保護氣體剛出來時形成的空氣柱體直徑較小。因此，在加工過程中需要讓絲材在出口處移動一段距離后再進行激光熔覆加熱，以提高防氧化效果。

與同路送絲方案相比，兩路送氣方案增設了一條送氣管，從保護氣體的保護效果來看，并沒有比同路送絲方案好很多，如圖13所示。然而，通過仿真分析可以發現，2個送氣管前方氣體交匯處的保護效果最好。但是需要注意的是，這種方案不能預防因溫度升高而引起的氧化危險。

從整個保護氣體的效果來看，三路送氣方案的保護效果無疑是最好的。然而，使用這種方案的成本非常高。仿真分析結果表明，在氣體匯集處會產生一個密集區，因此，在進行熔覆加工時需要特別注意絲材的位置。

經過調查可知，實驗室常用的保護氣體氬氣常以氣瓶儲存，而每瓶高純Ar（純度≥99.999 2%）的價格為800元，比較昂貴。很多因素都會影響整體方案的選擇：1）氬氣瓶中氣體的含量會對防氧化效果產生較大影響，因此在加工時可以考慮多種組合方式，如當氣體充足時采用同路送氣方案，當同路氣體不足時，可按情況打開一到兩路送氣管，進行輔助保護；2）加工絲材的屬性也是一個很重要的影響因素，如采用鋁合金和不銹鋼合金進行加工時，采用的方案是不同的，因為鋁合金易氧化，所以使用防氧化效果最好的三路送氣方案，而加工不銹鋼合金這種不易氧化的金屬時，使用同路方案就可以達到防護目的。

圖13 氣體密集區壓力曲線

3 實驗驗證

為驗證設計機構中氣體保護模塊的必要性，設計了相關實驗進行驗證：打開保護氣路進行加工；不打開保護氣路進行加工，最后對比加工結果。采用的實驗設備如圖14所示。

圖14 加工機器

實驗結果如圖15所示。可以看出，打開保護氣路和不打開保護氣路加工的金屬條有明顯差別，在不打開保護氣路的情況下，加工的金屬條表面發生了極為嚴重的氧化現象，整個表面粗糙度提升，甚至在一些邊界處發生了較為嚴重的變形情況，這對整個產品的加工精度造成了較大的影響。

本文采用的保護氣體為氬氣，故設置氬氣的屬性參數，分別采用10 MPa和2 MPa的設定壓力值進行模擬，通過在流體的出口和入口設置相應參數，最后運行計算得出結果。

圖15 實驗結果

?Fig.15 Comparison of experimental results: a) experimental results after opening the gas path; b) test results without opening the gas path

4 結論

通過分析3種方案下保護氣體的流動現象，得出以下結論：

1）由于在日常使用中，一般用氣瓶來供應保護氣體，所以在真正的工作環境下保護氣體的氣壓并不是一成不變的，因此在仿真過程中，模擬了2種工作情況：氣瓶氣壓充足（10 MPa）；氣瓶氣壓不足（2 MPa）。經過對比可以發現當氣瓶氣壓不足時，保護效果較差。

2）對絲氣同路進行了模擬，可以觀察到當氣體剛從氣口流出時，由于氣體還具有較大的初速度，所以擴散并不明顯，而經過一段時間的擴散后，產生了一塊藍色區域，該區域能夠包裹更多的熔覆區域。因此，為了獲得更好的效果，應該將激光聚焦于該區域。

3）對兩路對沖送氣絲氣進行了模擬，可以觀察到兩股氣體交匯后產生了一塊范圍極大的藍色區（在10～20 mm范圍內），故可知在該方案下送絲路碰頭的位置應保持在藍色區內。

4）對三路送絲送氣進行了模擬，發現三路氣體交匯后產生了更大的交匯區，增加氣路會使保護范圍增大，從而有效提高了防氧化效果。

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Design and Analysis of Laser Paraxial Air Supply Structure

XU Chao1, DONG Yuefeng1, XIONG Jie1,MENG Siyu2,LI Suli1, YANG Laixia1

(1. College of Mechanical Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China; 2. College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Xi'an 712100, China)

The work aims to understand the laser additive manufacturing technology, design an integrated wire feeding and air supply mechanism and establish a model for it. Through comparative analysis of different wire feeding and air supply mechanisms, three design schemes were developed. By utilizing fluid models, the flow of protective gas, argon, was analyzed to determine the most suitable installation position. The first scheme involved a dual-axis design where the wire feeding mechanism and air supply mechanism were opposing each other. The second scheme utilized a single path for both the wire feeding mechanism and air supply mechanism. The third scheme involved an angle-offset design where two gas delivery pathways were opposing the wire feeding machine at an angle. In the first scheme, the opposing flow of the wire feeding mechanism and air supply mechanism caused turbulence in the gas flow, resulting in a diffusion phenomenon where there was a concentrated area of protective gas. In the second scheme, there was a possibility of insufficient oxidation protection during the operation when the wire feeding mechanism and air supply mechanism were in the same path. In the third scheme, the opposing flow of the two air supply pathways with respect to the wire feeding machine effectively controlled the flow of argon, improving the utilization efficiency of argon. Laser cladding of wire materials in this configuration would provide the maximum oxidation protection.Through the comparative analysis of different wire feeding and air supply mechanisms, it is finally determined that the protection effect of the three-way air supply scheme is the most suitable.

laser additive manufacturing; integrated design of wire feeding and air supply mechanism; belt drive wire feeding mechanism; fluid simulation;argon

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.019

TH122

A

1674-6457(2024)01-0167-07

2023-09-08

2023-09-08

陜西省廳市聯動重點項目（2022GD-TSLD-63，2022GD-TSLD-64）；陜西省秦創原“科學家+工程師”隊伍建設（2022KXJ-071）

Key Projects of Provincial Departments and Cities in Shaanxi Province (2022GD-TSLD-63, 2022GD-TSLD-64); Shaanxi Province Qin Chuangyuan “Scientist+Engineer”Team Construction (2022KXJ-071)

徐超, 東岳峰, 熊杰, 等. 激光旁軸送氣結構設計與分析[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 167-173.

XU Chao, DONG Yuefeng, XIONG Jie, et al. Design and Analysis of Laser Paraxial Air Supply Structure[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 167-173.