Skip to main content
SUPERVISOR
Ehsan Foroozmehr,Mohsen DavazdahEmami,Nili ahmadabadi Mehdi
احسان فروزمهر (استاد راهنما) محسن دوازده امامی (استاد مشاور) مهدی نیلی احمدآبادی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad bagher Mahaki
محمدباقر مهکی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Numerical Simulation and Experimental Investigation of Gas- Metal Powder Flow in Laser Cladding Process
Laser cladding process includes transferring a desired material to a substrate and melting it by a laser heat source. The purpose of this process is depositing a thin layer of a desired metal on a substrate. Different geometries of deposition can be obtained by moving substrate in 2D plane. There are several methods for transferring the deposited material to the substrate: powder injection, pre-placed powder on the substrate and wire feeding. Laser cladding by powder is the most effective method among these methods; because in powder injection method, there is no direct contact with the melt pool and the laser beam can pass through the stream of powder particles. Many researchers have studied exhaust gas- powder flow from nozzles; since the powder feed behaviors have important influences on the deposited layer quality. In the present work, exhaust gas- powder flow from nozzles in a laser cladding process has been simulated. For verification of simulation results, the powder flow was investigated experimentally. Three dimensional (3D) multi-phase gas–powder flow structures of radially symmetrical nozzles are modeled. The jet gas–powder flow problem was treated as a steady-state turbulent flow. The fluid flow was considered regardless of the particles flow. Simulation results show that flow exhausted from nozzles divided into three regions: convergence region, focus region and divergence region. In experimental section of this study, the powder flow was visualized by flash light. The numerical results are in good agreements with experimental results. In the second part of thesis, the effect of some parameters on powder flow behavior was studied. The results illustrate that decreasing career gas flow rate leads to an increase in powder flow concentration and does not affect focus region length and width. It can be noticed from results that increasing or decreasing protective gas flow rate has not any influence on powder flow behavior. Also, the simulation results indicate that a decrease in nozzle angles leads to increase in focus region length and distance between focus region and nozzle tip. It can be summarized that increase in powder particle density increases powder concentration and does not affect powder flow shape. The presence of oxygen in molten pool results in oxidation through laser cladding process. The phenomenon of oxidation leads to a low quality clad. Because of the importance of this effect, in the last part of this study, the ambient air has been considered in solution domain. In fact, an inhomogeneous mixture model has been used to simulate mixing ambient air and argon gas. The aim of this simulation is to know how ambient air enters in molten pool. In order to decreasing air volume fraction in molten pool, a new geometry for nozzles has been developed. In this geometry, the area between nozzles was closed. Also, air volume fraction at planes with different distances from nozzle tip was reported and compared for new and old geometries. As a result, it can be noticed that the air volume fraction in focus region has been optimized in the new geometry Keywords: Laser Cladding, Powder concentration, Numerical Simulation, Eulerian- Lagrangian, Mixture Model
فناوری پوشش‌دهی به وسیله لیزر، در سال های اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته است. در این فرایند از یک منبع حرارتی لیزر برای لایه‌نشانی یک فلز دلخواه بر روی یک زیرلایه استفاده می شود. ماده لایه نشانی می تواند به روش های مختلف به سطح کار برسد، اما درمیان این روش‌ها، تزریق پودر که در پوشش‌دهی به وسیله لیزر به کار گرفته می شود از روش های دیگر دقیق‌تر و کارآمدتر است. در این پایان‌نامه، جریان دو فازی گاز- پودر فلز خروجی از نازل در یک فرآیند پوشش‌دهی توسط لیزر، شبیه سازی شده و به منظور تأیید شبیه‌سازی عددی، نتایج آن با نتایج حاصل از بررسی تجربی جریان خروجی از نازل مقایسه می‌شود. شبیه‌سازی به صورت پایا، سه بعدی و توسط نرم افزار ANSYS CFX انجام گرفته است. به دلیل کسر حجمی اندک، از اثرات ذرات بر روی گاز حامل و خود ذرات صرف نظر شده است. نتایج شبیه‌سازی عددی بیانگر آن است که جریان پودر خروجی از نازل به سه ناحیه همگرایی، تمرکز و واگرایی تقسیم می‌شود. به منظور بررسی تجربی جریان، جریان توسط فلاش مرئی و سپس از آن عکس‌برداری می‌شود. نتایج بررسی تجربی و شبیه‌سازی عددی انطباق مناسبی با هم دارد. در قسمت بعدی پایان‌نامه، اثرات پارامترهای مختلفی مانند زاویه بین نازل‌ها، چگالی ذرات و دبی گاز حامل و گاز محافظ بر تمرکز ذرات به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد در محدوده پارامترهای انتخاب شده، کاهش دبی گاز حامل باعث افزایش تمرکز ذرات شده و تأثیری بر طول و عرض ناحیه تمرکز ندارد. افزایش دبی گاز محافظ نیز تأثیری بر تمرکز ذرات ندارد. همچنین کاهش زاویه بین نازل‌ها باعث افزایش طول ناحیه تمرکز و دورتر شدن آن از خروجی نازل می‌شود. افزایش چگالی ذرات نیز باعث افزایش تمرکز جرمی ذرات می‌شود. چگونگی کشیده شدن آن به حوضچه مذاب شبیه‌سازی می‌شود. در این شبیه‌سازی از مدل دوفازی اختلاط برای بررسی کسر حجمی هوا در هندسه‌ی موجود و یک هندسه‌ی دیگر بهره گرفته شده است. با مقایسه‌ی کسر حجمی هوا در ناحیه تمرکز ذرات،مشخص شده است که در هندسه‌ی جدید، کسر حجمی ذرات در حوضچه مذاب کمتر از هندسه‌ی قبلی است. کلمات کلیدی: پوش‌دهی توسط لیزر، شبیه‌سازی عددی، تمرکز ذرات، مدل اویلری- لاگرانژی، مدل اختلاط

ارتقاء امنیت وب با وف بومی