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