CN103060795A - 一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头 - Google Patents

Abstract

一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头属于激光加工技术领域。本发明包括凹面反射镜组、凸面反射镜组、保护镜片组和调节组：加工工作头集成的聚焦系统由凸面反射镜和凹面反射镜组成，通过优化光学设计，通过两者之间距离的变化，实现该聚焦系统输出焦距的变化。保护镜片的安装，有效抑制部分热辐射光进入激光谐振腔。对光纤激光器及半导体激光器而言，可以有效保证输出功率的稳定性。本加工工作头在激光熔覆过程中，可以实现熔覆层宽度的实时变化。

Description

一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头

技术领域

本发明涉及一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头，具体的说就是一种适用于激光熔覆工艺及激光成形制造工艺的一种熔覆层宽度根据工艺要求可实时改变的激光加工工作头，其特殊的聚焦系统设计，尤其适用于半导体激光器和光纤激光器的应用，属于激光制造技术及设备领域。 

背景技术

激光熔覆工艺是一种先进的表面改性技术，它是在被熔覆的基体上通过激光辐照加热的方式将耐磨、耐蚀等熔覆材料熔化，以冶金结合方式同基体结合，达到基体材料表面改性或修复的目的。由于激光熔覆层组织致密，结合逐层堆积技术，可以进行三维零件的实体制造，这也是近些年来的研究热点。目前熔覆技术通过采用大的正离焦方式获得激光熔覆工艺所需要的光斑尺寸，结合粉末添加技术，获得所需要的熔覆层宽度。虽然激光熔覆功率密度较低，为10⁴W/cm²，但由于熔池宽度宽，所以激光器输出功率高。而透射式聚焦镜由于在高功率（>2.5KW）长时间工作热积累的情况下，发生热透镜效应及炸裂等情况，并且冷却困难，不适宜长时间工作。所以激光熔覆工艺，通常采用反射式聚焦系统进行激光的传输和聚焦，如图1所示。 

通过优化送粉工艺，在离焦量为△F1的情况下，可以获得熔覆宽度为W1的熔覆层5，如图1a所示。如要将熔覆层5宽度改变为W2，则需将机床Z轴上移一定距离，则离焦量变为△F2。由于反射镜7、聚焦镜2、送粉喷嘴3均固定在机床Z轴上，所以导致送粉喷嘴移动距离△F2-△F1，这会导致旁轴粉末束流4在基体6的作用点偏离激光束1在基体6的作用点，如图b所示，从而影响熔覆工艺。该现象同样存在采用同轴送粉工艺的激光熔覆工艺。所以需要调整旁轴送粉喷嘴3在机床Z轴的安装位置，以保证熔覆工艺的顺利进行。该操作也将导致熔覆工艺中断，无法实现熔覆宽度连续可变的自动化加工。另外，由于机床Z轴同熔覆工件可能存在相关干涉，熔覆过程中不允许机床Z轴在垂直方向运动。 

另外，在熔覆过程中，反射光及熔池热辐射光通过聚焦系统会返回到激光谐振腔内，轻则影响激光器的工作稳定性，重则烧损半导体激光器发光单 元及光纤激光器传输光纤，影响熔覆工艺的长期可靠性。 

基于此，根据激光传输与聚焦的相关理论，并结合光学计算，发明了一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头，并从光学原理上保证了熔覆工艺反射光和热辐射光不会对激光谐振腔造成损害。通过优化设计，可以实现熔覆过程中熔覆层宽度实时可变。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有采用同步送粉熔覆方式中，无法实现熔覆层宽度实时变化所需要的激光离焦量与粉末输送位置实时匹配的缺点，解决现有激光熔覆修复及激光熔覆制造技术中存在的熔覆层宽度不能实时变化的现状，而发明的一种激光加工工作头。 

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 

一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头，其特征在于，包括凹面反射镜组、凸面反射镜组、保护镜组和调节组： 

凹面反射镜组，包括凹面反射镜2，其通过螺钉安装在凹面反射镜镜座21上，并通过螺钉将凹面反射镜镜座21安装在凹面反射镜安装体22上； 

凸面反射镜组，包括凸面反射镜8，其通过螺钉安装在凸面反射镜镜座9上，并通过螺钉将凸面反射镜镜座9安装在凸面反射镜安装体10上； 

当激光束采用光纤传输时，调节组，包括通过电机安装座19刚性固定在凹面反射镜安装体22上的电机18，通过联轴器17连接在电机18输出轴上的丝杠15，同丝杠15螺纹连接配合可移动并且刚性固定在凸面反射镜安装体10上的滑块14，同凹面反射镜安装体22刚性连接并使得凸面反射镜安装体10可自由移动的直线滑动轴承13，将丝杠15刚性固定在凹面反射镜安装体22上的轴承座16；通过电机18转动，在联轴器17作用下，丝杠15转动，带动滑块14移动，从而带动凸面反射镜安装体10移动，凹面反射镜安装体10和凸面反射镜安装体22之间只发生移动而不发生转动，从而实现凹面反射镜2和凸面反射镜8之间距离发生变化； 

当激光束采用镜组传输时，调节组，包括通过电机安装座19刚性固定在凹面反射镜安装体22上的电机18，通过联轴器17连接在电机18输出轴上的丝杠15，同丝杠15螺纹连接配合可移动并且刚性固定在刚性固定在凹面反射镜安装体22的滑块14，同凸面反射镜安装体10刚性连接并使得凹面反射镜 安装体22可自由移动的直线滑动轴承13，将丝杠15刚性固定在凸面反射镜安装体10上的轴承座16；通过电机18转动，在联轴器17作用下，丝杠15转动，带动滑块14移动，从而带动凹面反射镜安装体22移动，凹面反射镜安装体10和凸面反射镜安装体22之间只发生移动而不发生转动，从而实现凹面反射镜2和凸面反射镜8之间距离发生变化； 

保护镜组，包括保护镜11，安装在保护镜座12内；保护镜座12安装在凸面反射镜安装体10上，使得保护镜11位于凹面反射镜和凸面反射镜之间，并且在激光传播方向上，保护镜、凹面反射镜和凸面反射镜三者处于同一水平中心线。 

保护镜11为平面镜，对于激光能全部透过；并且在激光传播方向上，保护镜11位于凹面反射镜和凸面反射镜三者处于同一水平中心线保护镜垂直于该水平中心线设置11为平面镜。 

合理计算凸面反射镜8和凹面反射镜2两者的光学参数。在激光熔覆过程中，通过调节组的运动，将两个反射镜之间中心距离从L1变化为L2，则由凹面反射镜8和凹面反射镜2组成的聚焦系统输出的焦距由F1变为F2，则离焦量由△F1变为△F2，导致激光束作用在基体6上的光斑由W1变为W2，导致熔覆层5宽度由W1变化为W2，结合激光器功率控制及送粉量控制方法，实现熔覆过程中熔覆层宽度的实时变化。 

本发明与现有激光熔覆工作头相比，具有以下突出优点和效果： 

1、加工工作头集成的聚焦系统由凸面反射镜和凹面反射镜组成，通过优化光学设计，通过两者之间距离的变化，实现该聚焦系统输出焦距的变化。 

2、本加工工作头在激光熔覆过程中，可以实现熔覆层宽度的实时变化。 

3、保护镜片的安装，有效抑制部分热辐射光进入激光谐振腔。对光纤激光器及半导体激光器而言，可以有效保证输出功率的稳定性。 

附图说明

图1a是离焦方式激光熔覆原理图； 

图1b是离焦量变化引起粉末输送位置变化示意图； 

图2a是熔覆层初始宽度加工头原理图； 

图2b是熔覆层宽度变化后加工头原理图； 

图3a是光纤传输旁轴送粉熔覆层初始宽度加工头原理图； 

图3b是光纤传输旁轴送粉熔覆层宽度变化后加工头原理图； 

图4是透镜聚焦系统激光熔覆过程反射激光传播示意图； 

图5是双反射聚焦系统激光熔覆反射光路传输示意图； 

图6a是光纤传输同轴送粉熔覆层初始宽度加工头原理图； 

图6b是光纤传输同轴送粉熔覆层宽度变化后加工头原理图； 

图7a是镜组传输旁轴送粉熔覆层初始宽度加工头原理图； 

图7b是镜组传输旁轴送粉熔覆层宽度变化后加工头原理图； 

图8a是熔覆方向同调节方向水平的熔覆层初始宽度加工图原理图； 

 图8b是熔覆方向同调节方向水平的熔覆层宽度变化后加工图原理图； 

图1a, 图1b图中所示标号说明： 

1、激光束 1-1、近中心线光 1-2、远中心线光 1-3、近中心线反射光 1-4、远中心线反射光 2、凹面反射镜 3、旁轴送粉喷嘴 4、旁轴粉末束流 5、熔覆层 6、基体 7、反射镜  8、凸面反射镜9、凸面反射镜镜座 10、凸面反射镜安装体11、保护镜 12、保护镜座 13、直线滑动轴承 14、滑块 15、丝杠 16、轴承座 17、联轴器18、电机 19、电机安装座 20、工作头与机床Z轴安装座 21、凹面反射镜镜座 22、凹面反射镜安装体 23、熔覆头安装体 24、同轴送粉喷嘴 25、同轴粉末束流 26、准直单元27、传输光纤 28、激光谐振腔 29、透镜传输光束 29-1 入射光 29-2 反射法线 29-3 反射光 30、透镜 

具体实施方式

下面结合附图3~图8详细描述本发明所提供的一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头。根据激光器的不同，存在激光束经过光纤传输及镜组传输两种实施方式。 

实施方式一 

图3所示为激光束采用光纤传输的旁轴送粉熔覆工艺的熔覆层宽度实时可变工作原理图， 

其中包括： 

光纤传输组，包括传输光纤27，其通过标准QBH接口同准直单元26刚性连接，经过镜准直单元输出的激光1为近平行光。 

定反射镜组，包括凹面反射镜2，其通过螺钉安装在凹面反射镜镜座21上，并通过螺钉将凹面反射镜镜座21安装在凹面反射镜安装体22上； 

动反射镜组，包括凸面反射镜8，通过螺钉安装在凸面反射镜镜座9上，并通过螺钉将凸面反射镜镜座9安装在凸面反射镜安装体10上； 

调节组，包括通过电机安装座19刚性固定在凹面反射镜安装体22上的电机18，通过联轴器17连接在电机18输出轴上的丝杠15，同丝杠15螺纹连接配合可移动并且刚性固定在凸面反射镜安装体10上的滑块14，同凹面反射镜安装体22刚性连接并使得凸面反射镜安装体10可自由移动的直线滑动轴承13，将丝杠15刚性固定在凹面反射镜安装体22上的轴承座16；通过电机18转动，在联轴器17作用下，丝杠15转动，带动滑块14移动，从而带动凸面反射镜安装体10在滑动轴承13上移动，由于滑块14、丝杠15和轴承座16在水平光轴方向为刚性体，不发生转动运动，所以凸反射镜安装体10和凹面反射镜安装体22之间只发生移动而不发生转动，从而实现凹面反射镜2和凸面反射镜8之间距离发生变化； 

保护镜组，包括保护镜11，安装在保护镜座12内；保护镜座12安装在凸面反射镜安装体10上，使得保护镜11位于凹面反射镜和凸面反射镜之间，并且在激光传播方向上，三者的轴心为处于同一水平中心线。 

随着全固态激光器的发展，以半导体激光器和光纤激光器为代表的新型全固态激光器得到了迅速发展和工业化应用。全固态激光器由于波长短，适用于采用光纤传输。光纤传输为柔性传输，所以在凸面反射镜安装体10运动时，不会影响激光的传输特性。 

另外，本加工工作头中凸凹反射镜组成的聚焦系统可以有效抑制熔覆过程中反射光及热辐射光对光纤激光器和半导体激光器的工作稳定性的影响；而保护镜一方面可以有效屏蔽熔池的热辐射光进入激光器，另一方面可以保证熔覆过程中产生的烟尘污染凸面聚焦镜和传输光纤。具体说明如下： 

采用透镜聚焦系统的半导体激光器和光纤激光器熔覆工作头激光传播示意图如图4所示。 

激光熔覆过程中，根据光路传输可逆原理，一部分激光29-1经金属表面反射形成反射光29-3，其会沿激光输出光路经过聚焦透镜30返回到激光谐振腔28内。对光纤激光器而言，这部分激光如果超过光纤激光器反射光报警阈 值，轻则激光器中断工作，重则烧蚀传输光纤输出端面。对于半导体激光器而言，半导体激光束是由若干个半导体发光点经过准直透镜准直后组合而成，根据光路可逆原理，反射光传输回半导体激光器时，经过准直透镜变为聚焦光束，这部分反射激光会影响半导体发光单元前腔工作特性，恶化激光功率稳定性和光束质量；而基体热辐射光也会造成半导体发光单元温度升高，影响半导体发光单元异质结工作稳定性，影响半导体激光器功率输出稳定性。 

而本加工工作头的由凸面反射镜和凹面反射镜组成的聚焦系统则可以从原理上避免反射光对半导体激光器和光纤激光器的影响，其光学传输原理图如图5所示： 

其中，双聚焦系统聚焦光束1在聚焦传输过程中，其远中心线光1-1和近中心线光1-2，在经过焦距为F1的透镜传输并经过离焦量△F照射到基体表面，根据几何光学原理，其反射光1-3和1-4经过凹面反射镜2和凸面反射镜8传输后，会偏离激光传输光路，无法进入激光谐振腔28；从而避免了反射光对半导体激光器和光纤激光器的损害，保证激光熔覆工艺的稳定可靠进行。  

设定凸面反射镜8的焦距为f1,凹面反射镜2的焦距为f2,凸面反射镜和凹面反射镜之间的中心距离为d，聚焦系统输出焦距为f，f’为聚焦系统输出负焦距，f1’为反射镜8的负焦距，则根据光的传播与变化定理，存在以下关系： 

$f_1=f(1+\frac{d}{f_2})\·\·\·\left(1\right)$

$L=f^{\′}(1-\frac{d}{f_1^{\′}})\·\·\·\left(2\right)$

根据公式（1），（2），经计算可知，在f1为负值，既为凸面镜，f2为正值，既为凹面镜时，在f1和f2合适匹配后，d的调节量会引起聚焦系统输出焦距f的变化。 

由于d的变化只引起激光束在基体作用点宽度的变化，并不引起旁轴送粉喷嘴输出粉末束流在基体位置的变化，所以结合激光器功率控制和粉末输送技术的控制，可以实现熔覆层宽度的连续变化。 

图6为同轴送粉方式下，光纤传输熔覆层宽度实时可变工作原理图； 

在激光熔覆工程中，当通过电机18转动，带动凸面反射镜8和凹面反射镜2之间距离由L1变为L2时，由凸面反射镜8和凹面反射镜2组成的聚焦 系统的输出焦距由F1变为F2，激光束作用在基体6上的光斑直径由W1变为W2，结合激光功率和送粉量的变化，可实施熔覆过程中熔覆宽度的实时变化。 

实施方式二 

图7为激光束采用镜组传输的旁轴送粉熔覆工艺的熔覆层宽度实时可变工作原理图。 

包括： 

镜组传输的激光束由于上级反射传输镜的存在，只能使得凹面反射镜运动，来实施凸凹反射镜组成的聚焦系统的焦距变化。方式二和方式一的动反射镜组是不一样的，正好相反。反射镜组，包括凹面反射镜2，其通过螺钉安装在凹面反射镜镜座21上，并通过螺钉将凸面反射镜镜座21安装在凹面反射镜安装体22上； 

定反射镜组，包括凸面反射镜8，通过螺钉安装在凸面反射镜镜座9上，并通过螺钉将凸面反射镜镜座9安装在凸面反射镜安装体10上； 

调节组，包括通过电机安装座19刚性固定在凸面反射镜安装体10上的电机18，通过联轴器17连接在电机18输出轴上的丝杠15，同丝杠15螺纹连接配合可移动并且刚性固定在凹面反射镜安装体22上的滑块14，同凸面反射镜安装体10刚性连接并使得凹面反射镜安装体22可自由移动的直线滑动轴承13，将丝杠15刚性固定在凸面反射镜安装体10上的轴承座16；通过电机18转动，在联轴器17作用下，丝杠15转动，带动滑块14移动，从而带动凹面反射镜安装体22在滑动轴承13上移动，由于滑块14、丝杠15和轴承座16在水平方向为刚性体，不发生转动运动，所以凹面反射镜安装体22和凸面反射镜安装体10之间只发生移动而不发生转动，从而实现凹面反射镜2和凸面反射镜8之间距离L发生变化； 

保护镜组，包括保护镜11，安装在保护镜座12内；保护镜座12安装在凸面反射镜安装体10上，使得保护镜11位于凹面反射镜和凸面反射镜之间，并且在激光传播方向上，三者的轴心为处于同一水平中心线。这部分不是很清楚当熔覆方向同凸面反射镜8和凹面反射镜2组成的镜组调节方向Y1垂直时，如图7所示（熔覆方向为垂直于纸面方向），此时熔覆轨迹同机床系统Y轴无关。其中，Y1方向与L变化方向相同。当L发生变化时，凹面反射镜安装体22在Y1方向发生移动，带动凹面反射镜2在Y1方向发生移动，从而带 动激光束在基体上的作用点也会沿Y1方向发生移动，其移动量和移动速度同凸面反射镜8和凹面反射镜2组成的镜组调节量和调节速度相同。在熔覆过程中，当凸面反射镜8和凹面反射镜2之间的距离L发生变化时，镜组输出焦距发生变化，从而离焦量发生变化，导致熔覆层宽度发生变化，于此同时，熔覆轨迹会随着凹面反射镜2在Y1方向的移动也会发生变化。所以在机床程序中，需要机床Y轴在运行轨迹上在Y1方向上做出相应的补偿运动，其补偿量及运动速度同镜组调节量和调节速度相同即可。 

当熔覆方向同凸面反射镜8和凹面反射镜2组成的镜组调节方向Y1水平时，如图8所示，此时机床Y轴运动轨迹决定了激光熔覆轨迹。 

由于凸面反射镜8和凹面反射镜2组成的镜组调节方向Y1同机床Y轴方向相同，在熔覆过程中，定义机床在Y方向的运动长度为y,镜组移动距离为（L1-L2）。在镜组不进行调节时，机床在Y方向的运动长度等于熔覆长度。在凹面反射镜2移动时，则实际熔覆长度等于机床在Y方向的运动长度y同镜组在Y1方向移动距离（L1-L2）之和。为了保证熔覆轨迹不变，只需要将机床Y方向熔覆轨迹的长度修改为y-（L1-L2）即可。 

本发明具体的说就是一种适用于激光熔覆工艺及激光成形制造工艺的一种熔覆层宽度根据工艺要求可实时改变的激光加工工作头，其特殊的聚焦系统和结构设计，在不改变机床Z轴上下运动的情况下，可实现熔覆层宽度的实施改变，属于激光制造技术及设备领域。 

综上所述，本发明所述的一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头。在熔覆系统Z轴无需做出变动的情况下，可实现熔覆过程中熔覆层宽度实时可变。在此基础上，又解决了激光熔覆过程中反射光和热辐射光对光纤激光器和半导体激光器的影响。既适用于采用光纤传输的全固态激光器系统，又适用于采用镜组传输的激光器系统。本发明的设计合理，操作使用方便，可控制性好。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。 

Claims (1)

1.一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头，其特征在于，包括凹面反射镜组、凸面反射镜组、保护镜组和调节组：

凹面反射镜组，包括凹面反射镜（2），其通过螺钉安装在凹面反射镜镜座（21）上，并通过螺钉将凹面反射镜镜座（21）安装在凹面反射镜安装体（22）上；

凸面反射镜组，包括凸面反射镜（8），其通过螺钉安装在凸面反射镜镜座（9）上，并通过螺钉将凸面反射镜镜座（9）安装在凸面反射镜安装体（10）上；

当激光束采用光纤传输时，调节组，包括通过电机安装座（19）刚性固定在凹面反射镜安装体（22）上的电机（18），通过联轴器（17）连接在电机（18）输出轴上的丝杠（15），同丝杠（15）螺纹连接配合可移动并且刚性固定在凸面反射镜安装体（10）上的滑块（14），同凹面反射镜安装体（22）刚性连接并使得凸面反射镜安装体（10）可自由移动的直线滑动轴承（13），将丝杠（15）刚性固定在凹面反射镜安装体（22）上的轴承座（16）；通过电机（18）转动，在联轴器（17）作用下，丝杠（15）转动，带动滑块（14）移动，从而带动凸面反射镜安装体(10）移动，凹面反射镜安装体(10)和凸面反射镜安装体(22)之间只发生移动而不发生转动，从而实现凹面反射镜(2)和凸面反射镜(8)之间距离发生变化；

当激光束采用镜组传输时，调节组，包括通过电机安装座(19)刚性固定在凹面反射镜安装体(22)上的电机（18），通过联轴器（17）连接在电机(18)输出轴上的丝杠(15)，同丝杠(15)螺纹连接配合可移动并且刚性固定在刚性固定在凹面反射镜安装体(22)的滑块(14)，同凸面反射镜安装体(10)刚性连接并使得凹面反射镜安装体(22)可自由移动的直线滑动轴承(13)，将丝杠(15)刚性固定在凸面反射镜安装体(10)上的轴承座(16)；通过电机(18)转动，在联轴器(17)作用下，丝杠(15)转动，带动滑块(14)移动，从而带动凹面反射镜安装体(22)移动，凹面反射镜安装体（10）和凸面反射镜安装体（22）之间只发生移动而不发生转动，从而实现凹面反射镜(2)和凸面反射镜（8）之间距离发生变化；

保护镜组，包括保护镜（11），安装在保护镜座（12）内；保护镜座（12）安装在凸面反射镜安装体（10）上，使得保护镜11位于凹面反射镜和凸面反射镜之间，并且在激光传播方向上，保护镜、凹面反射镜和凸面反射镜三者处于同一水平中心线。

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