超高速激光熔覆粉末动力学研究（下）

粉末光斑离焦对粉末温度场的影响

粉末光斑半径的定义与高斯光束光斑半径的定义相似，是根据粉末颗粒密度分布得到的。在传统激光熔覆工艺中，通常将粉末流的焦点位置设在工件表面，以减少粉末流的发散，提高熔覆精度。粉末流的焦点位置直接决定了粉末颗粒从熔覆喷嘴到熔池的飞行距离。通过改变粉末的离焦量，可以改变粉末的飞行距离以及被激光照射的时间。

当给气速度为12升/分钟、送粉速度为21克/分钟、粉末粒径为30微米时，粉末流会在熔覆头以下10.5毫米处开始汇聚，粉末光斑会在18毫米处汇聚到最小。假设功率3千瓦的激光光斑始终聚焦在工件表面，图8（a）是激光光斑与粉末光斑位置重合时的模拟温度场，此时粉末处于零离焦状态。

图8（b）显示的是激光聚焦面高度（即工件表面）粉末颗粒的平均温度和该高度粉末光斑半径。随着粉末焦点从负离焦到零离焦再到正离焦这个变化过程，粉末在工件表面的平均温度逐渐升高。

在离焦-2~2毫米范围内，粉末光斑半径约为0.8~1.1毫米，与激光光斑半径（0.9毫米）基本相等。当离焦量超过该范围时，由于粉末在汇聚前后会发散，粉末光斑半径会迅速增大（1.2~2毫米），就与激光光斑尺寸不匹配了。

在激光光斑以外的大量粉末，受不到激光加热，粉末利用率会显著下降。因此，为了保证粉末光斑尺寸与激光光斑尺寸匹配，最好将粉末焦点的离焦量设定在0~2毫米，即将粉末焦点设定在工件上方0~2毫米处。

激光功率对粉末温度场的影响

在给气速度为12升/分钟、送粉速度为21克/分钟、粉末粒径为30微米、粉末离焦2毫米、激光功率分别为1、2、3、4千瓦的条件下，模拟粉末温度场，如图9所示。模拟结果显示：增加激光功率有利于提高到达基材表面的粉末温度。

图10显示的是激光功率为1千瓦和4千瓦时，粉末在同一高度的径向温度分布。通过分析粉末在不同激光功率下的径向温度分布可以看到：激光功率为1千瓦时，粉末颗粒的温度低于熔点，所以太多的粉末颗粒在激光光斑里得不到充分加热，此时的温度低于1400 开氏度。

但当激光功率增加到4千瓦时，粉末吸收的能量增加，激光光斑中几乎所有粉末颗粒的温度都会上升到1400开式度。同时激光光斑中心部分的颗粒温度会超过熔点（1723开式度），开始熔化。熔融粉末颗粒的重量占粉末总重量的14%，但熔融粉末主要集中在激光辐射区。

送粉速度对粉末温度场的影响

研究激光功率为4 千瓦、送粉速度分别为10、21、31和42克/分钟时的粉末温度场。温度场截面如图11所示。从粉末的汇聚状态看出：增加送粉速度可以提高粉末的汇聚能力。图12给出了温度的径向分布。

当送粉速度为10克/分钟时，约90%的粉末温度会超过1400开式度。当送粉速度增加到42克/分钟时，1400开式度以上的粉末重量比仍能达到79%，且在此温度以上的粉末重量会大于送粉速度为10克/分钟时的粉末重量。粉末汇聚区的粉末浓度会随着送粉速度的增加而增加，使粉末吸收激光的比例增大。

来源：荣格-《国际工业激光商情》


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