裂纹激光修复实验装置粉末输送系统研发

摘要

金属零部件在使用过程中由于疲劳等原因会产生裂纹，严重影响机械产品的使用、寿命和安全性等，为避免裂纹扩展造成的机械故障和工艺等问题，研发一种对初始裂纹进行修复的设备，具有显著的应用价值。 针对304金属件表面微裂纹修复问题，参考现有的裂纹修复技术方法并结合实际应用场合的要求，形成了采用激光加热结合同步送粉方式对表面微裂纹进行修复的实验装置框架。影响该实验装置实际修复效果的因素主要来自两个方面，其中一个与激光有关，另外一个重要因素与送粉有关，如金属粉末流动的稳定性和汇聚性、输送量等。 首先，根据发现裂纹、加热裂纹区、修复裂纹的加工要求，确定实验装置的基本构成。通过对比各种方法的优缺点，选择合理的裂纹检测方式，根据相关影响因素对激光部分进行简要设计，确定整体结构布局。 然后对适用于该实验装置的送粉系统进行详细设计。不同于常用送粉结构，为操作方便、加工灵活，该送粉系统需具有粉末储存量小、粉末输送稳定而且不受系统位置变化的影响、与装置的其他部分协调组合等特点。 结合送粉系统设计和使用要求，修复加工时装置与工件存在间距，采用气固两相流输送方法将粉末送到工件表面。采用螺杆传输方式将粉末从送粉器内取出，使粉末输送量均匀可控，并采用同轴输送方法将粉末准确输送到加热区。因此形成了由动力供应、送粉器、流量检测、输送喷嘴几部分构成的输送系统。并根据两相流输送理论，设计计算输送管路的直径和气流速度，作为系统设计的基本参数。 根据加工条件，设计了包含引入段和汇聚段的两通道一体式同轴送粉喷嘴结构，利用Fluent对流体通道结构尺寸参数设计优化，使得该喷嘴具有良好的流体汇聚效果，达到了设计要求，为相关喷嘴设计提供参考。此外设计了自重螺旋输送锥形送粉器，根据经验公式对其组成件壳体、螺旋输送杆进行设计计算，并用Fluent验证了该结构的可行性。通过对比各种固体粉末流量检测方法，基于光电法设计了流量采集系统并编写上位机labview程序采集显示信号，并验证了采集系统运行的可行性。 最后综合上述设计计算，利用Creo建立输送系统三维装配图校核输送系统的连接配合，并利用3D打印制作试验系统样件。经过调试，喷嘴输送效果与模拟设计结果基本吻合，同时验证了系统和送粉器设计的可行性。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 裂纹修复技术研究现状

1.2.2 送粉系统研究现状

1.2.3 输送喷嘴研究现状

1.3 研究内容

2 裂纹修复实验系统总体设计

2.1 裂纹修复方法

2.2 实验系统组成

2.2.1 裂纹检测部分

2.2.2 激光加热部分

2.2.3 粉末输送部分

2.3 实验系统结构布局

2.4 小结

3 粉末输送系统总体设计

3.1 输送系统组成

3.2 气体输送基本参数

3.2.1 气固两相流理论

3.2.2 气流输送速度计算

3.2.3 管路直径设计

3.3 小结

4 输送喷嘴设计

4.1 喷嘴设计要求

4.2 喷嘴结构

4.3 喷嘴尺寸设计

4.4 喷嘴内部气固两相流体仿真

4.4.1 仿真方法及假设

4.4.2 模型网格划分及边界条件

4.4.3 汇聚性分析

4.4.4 稳定性分析

4.4.5 适用性分析

4.4.5 仿真结果

4.5 喷嘴通道数优化

4.5.1 三维喷嘴模型内部两相流体仿真

4.5.2 仿真结果对比分析

4.6 小结

5 送粉器及流量检测设计

5.1 送粉器设计

5.1.1 送粉器原理

5.1.2 送粉器结构及各组成部分

5.1.3 壳体自由流动分析

5.1.4 螺旋体流体输送分析

5.1.5 送粉器主体三维模型

5.2 流量检测设计

5.2.1 流量检测方法

5.2.2 检测系统构成

5.2.3 检测布置

5.2.4 labview数据采集程序

5.3 小结

6 送粉实验系统

6.1 送粉实验系统三维模型

6.2 送粉实验系统

6.3 小结

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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