CN103197420A

CN103197420A - 一种激光聚焦装置

Info

Publication number: CN103197420A
Application number: CN2013101335510A
Authority: CN
Inventors: 石世宏; 郁佳莉; 傅戈雁; 朱刚贤; 张甲
Original assignee: Suzhou Kelaide Laser Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Huanju Laser Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-17
Also published as: CN103197420B

Abstract

本发明公开了一种激光聚焦装置，其特征在于：包括平行设置的第一级抛物面反射聚焦镜及第二级锥形直面反射镜，所述第一级抛物面反射聚焦镜与所述第二级锥形直面反射镜相对且底面相互平行，并与激光束同轴布置，所述第二级锥形直面反射镜内部中空构成激光束的入射口。本发明解决了现有技术中激光聚焦存在的不足，在加工各种材料的零件时，光斑大小可调，且占空比不变，从而能量密度分布形式不变，可以满足不同加工方法和材料的需要。

Description

一种激光聚焦装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种激光聚焦装置，尤其是一种可变聚焦光斑大小而占空比不变的激光聚焦装置。

背景技术

利用聚焦高能激光束进行高性能金属零部件特种加工、高性能材料制备及高性能零部件直接成形，是先进制造技术的重要组成部分。

在激光加工中，聚焦光斑按预定轨迹作二维或三维的运动，如在激光熔覆堆积中，聚焦光斑在运动的同时，熔覆材料被不断实时添加到移动的激光聚焦光斑中实现熔覆，并在光斑的运动轨迹上形成一条条熔道，而这一条条熔道本身及各熔道之间的连接质量、层间的冶金结合质量、熔道表面及其与基体结合面的强度，形貌、组织的均匀性和致密性、熔道表面平整度、粗糙度等，与光源质量及参数紧密相关，特别是最后的聚焦光斑内光能的分布形式，对熔池内熔体的对流、凝固构形影响极大。

在成形壁厚不均匀零件时，常规采用多道搭接方式，而多道搭接不但耗时，生产率低，表面平整度差，特别是容易造成熔层内部冷却不均匀而造成搭接处的冶金缺陷。为避免和改善这些问题，可以采用变激光光斑方法，即宽熔道采用大光斑扫描熔覆，窄熔道采用小光斑扫描熔覆，而且在扫描熔覆中根据熔道宽窄变化而适时变化光斑大小，这样可通过二维运动逐层堆积制造出三维壁厚不均的实体，如不等宽叶片等零件。激光光斑内的光能分布形式直接影响熔覆层成形质量，所以要求在连续改变聚焦光斑尺寸的过程中，光斑内的光能分布形式最好保持不变。

现有光束聚焦技术中，聚焦光斑有实心和环形2种。中国发明专利CN101148760A公开了一种环形光光内送料加工方法及加工装置，此装置通过光路变换，将由激光器发射出的圆截面光束变换为圆环形截面光束，圆环形光束扩束后，聚焦成为圆环锥形聚焦光束，在成形加工表面形成一圆环形聚焦光斑，在圆环锥形聚焦光束中产生一锥形中空无光区，单根送粉管由光束外伸入此无光区内并与圆环锥形聚焦光束同轴线，送粉管中的粉末在气载或重力作用下送入加工面上的聚焦光斑中，粉末在喷射或下落过程中，始终位于圆环锥形聚焦光束内部的中空区内，直至接近工件表面，粉束进入聚焦光斑，粉束在工件表面形成的粉斑外径位于环形聚焦光斑的内光环与外光环之间。该方法实现了聚焦光束与送料的完全同轴，但并未考虑在加工壁厚不均零件时，需要不同直径的光斑。

当采用上述装置加工壁厚不均零件时，如附图1所示，图中，D1—平移前加工面光斑外径，d1—平移前加工面光斑内径，α—平移前聚焦光外径与水平面的夹角，β—平移前聚焦光内径与水平面的夹角，D2—平移后加工面光斑外径，d2—平移后加工面光斑内径，γ—平移后聚焦光外径与水平面的夹角，δ—平移后聚焦光内径与水平面的夹角，h—抛物面反射镜竖直方向平移的距离，H—光头与工件的距离，A—平移前圆锥反射镜底部与加工面的距离，B—平移前圆锥反射镜顶部与加工面的距离，Z1—加工面至焦点的距离，即离焦量，O—聚焦光焦点，占空比

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE002

对于抛物面反射镜数学模型如图2所示，抛物线几何方程为

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE004

，其中p为抛物线的焦距。由图可见，

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE006

，所以，

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE008

，同理，

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE010

，

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE012

，

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE014

如图1所示，平移前，在Z1处，

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE016

，

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE018

，此时占空比

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE020

，又因为

，

所以

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE022

，

向上平移h后，在Z1处,, ,此时占空比

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE028

,

又因为

，

所以

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE030

此时，若要使T₁=T₂，则

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE032

，由待定系数法得

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE034

，得出，h=0，即只要将圆锥面反射镜向上平移，占空比即会发生变化。由此可见，该激光聚焦系统中将圆锥面反射镜向上平移后，虽然激光外径发生了变化，但同时环形光光斑的占空比也发生了变化，即光斑内光能分布形式发生了变化。

发明内容

本发明的发明目的是，提供一种可变光斑大小而占空比不变的激光聚焦装置，以克服现有技术的缺陷，保证光斑内的光能分布规律不变，实现对壁厚不均零件的成形加工。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种激光聚焦装置，主要由二块反射镜组成，一块为圆锥抛物面反射聚焦镜，另一块为环锥形直面反射镜，二块反射镜均为绕中心轴线的旋转对称结构，反射面相对布置。

上述技术方案中，圆锥抛物面反射聚焦镜为第一级，环锥形直面反射镜为第二级，环锥形直面反射镜内部中空构成激光束的入射口，入射激光从入射口进入，经圆锥抛物面反射聚焦镜反射成环状光束后，再由环锥形直面反射镜反射，获得出射光束。

进一步的技术方案，所述圆锥抛物面反射聚焦镜与所述环锥形直面反射镜形面相对布置，二块反射镜的形面中心共轴线，工作时，圆形激光束沿二块反射镜中心轴线首先入射到圆锥反射镜形面上，圆锥反射镜将入射光聚焦并沿径向反射到环锥形直面反射镜上，圆锥直面反射镜继续将入射光反射至焦面上实现聚焦。

进一步的技术方案，圆锥抛物面反射镜顶尖朝向入射激光束，并具有沿轴线上下移动的自由度。配合激光喷头的运动，通过圆锥抛物面反射镜沿轴线相对环锥形直面反射镜的上下移动，可在加工面上得到实心圆光斑或不同直径的环形光斑，环形光斑的中空比随光斑外径的变化而变化，也可以不变化。

本发明是利用聚焦镜和反射镜的聚焦和反射原理，把激光光束的光斑聚焦成圆环，并且调节聚焦镜在竖直方向的位置可使环形光光斑大小改变而占空比不变。主要分为两步：第一步将激光束聚焦成倒平面环形光束；第二步将倒平面环形光束反射聚焦，并在环锥形光束中形成一个平面中空无光区。得到一个中空环状的聚焦光斑。

本发明采用一级抛物面反射聚焦镜和二级环锥形直面反射镜，整体聚焦装置的结构为环绕对称结构，两级反射镜同轴，锥形直面反射镜在外围环绕包围抛物面反射聚焦镜，在整体结构上保证了聚焦光斑的圆对称性。

本发明中第一级为抛物面反射聚焦镜，起到聚焦作用，第二级为锥形直面反射镜，起反射作用。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明把激光光束的光斑聚焦成圆环状，并且可以通过调节抛物面聚焦镜在竖直光轴方向的相对位置而达到调节环形光光斑大小且占空比不变的目的，在加工各种材料的零件时，光斑大小可调，且占空比不变，从而能量密度分布形式不变，可以满足不同加工方法和材料的需要。

附图说明

图1是现有技术中加工装置示意图；

图2是抛物面反射镜数学模型示意图；

图3是本发明实施例的光头内部结构图；

图4是图3中第一级抛物面聚焦镜轴截面图；

图5是图3中第二级锥形直面反射镜镜轴截面图；

图6是激光光头工作示意图。

其中：1、激光光束，2、第一级抛物面反射聚焦镜，3、第二级锥形直面反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例一：

参见附图3至附图5所示，一种激光聚焦装置，第一级抛物面反射聚焦镜2和第二级锥形直面反射镜3这两级反射镜与激光光束1同轴布置，且第一级抛物面反射聚焦镜2与第二级锥形直面反射镜3平面顶端同向放置，第二级锥形直面反射镜3与工作台垂直如图5所示。激光束1从第二级直面反射镜3中空部分穿过照射到第一级抛物面反射聚焦镜2，经反射聚焦，然后经第二级锥形直面反射镜3反射，形成聚焦环形光束。通过调节第一级抛物面反射聚焦镜2在竖直方向的位置，可以调节环形光光斑大小，使加工面上光斑占空比不变，即保证了照射在加工面上的光斑内光能分布形式不变。

图6是激光光头工作示意图，其中：实线表示未移动抛物面聚焦镜时光头的工作情况，虚线表示移动抛物面聚焦镜后光头的工作情况。

通过光斑大小变化，改变熔道大小，而占空比不变，则不影响熔道的凹凸度和平整度。

本实施例中，第一级抛物面反射聚焦镜和第二级锥形直面反射镜相对且底面相互平行，第二级锥形直面反射镜为中空结构，在第一级抛物面反射聚焦镜的上方及反射光路上布置，其中中空部分为激光光束入射口。激光束沿着与这个环绕对称结构同轴方向入射，穿过第二级锥形直面反射镜的中空部分照射在第一级抛物面反射聚焦镜上，经反射后形成反射聚焦环形光，反射聚焦环形光又经过第二级锥形直面反射镜反射后汇聚。当调节第一级抛物面反射镜的竖直方向位置时，可以使经过第二级锥形直面反射镜反射后汇聚而成的环形光光斑大小（外径D）改变，同时占空比（T）不变。

验证如下：参见附图3所示，图中，D1—平移前光斑外径，d1—平移前光斑内径，α—平移前聚焦光外径与水平面的夹角，β—平移前聚焦光内径与水平面的夹角，D2—平移后光斑外径，d2—平移后光斑内径，γ—平移后聚焦光外径与水平面的夹角，δ—平移后聚焦光内径与水平面的夹角，h—抛物面反射镜竖直方向平移的距离，A—平移前抛物面反射镜底部与工作台的距离，B—平移后抛物面反射镜顶部与工作台的距离，Z1—工作台距焦点的距离，即离焦量，如图3所示，平移前，在离焦量Z1处，

，

，此时

向上平移h后，对应光线的入射角并没有发生变化，所以在离焦量Z1处，

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE036

，

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE038

，此时，

Figure 2013101335510100002DEST_PATH_IMAGE040

，即占空比不变。

综上，抛物面反射聚焦镜向上移动，即可在同一高度处获得外径变化（D₁≠D₂），占空比不变（T₁=T₂）的环形光斑。

一般激光光头与工件的竖直距离不可随意变化，离得太远会出现激光束照不到工件的可能，反之太近则会出现占空比过大，熔覆也不可进行。本发明装置可在激光光头与工件竖直位置不变的情况下，即在同一高度处，通过改变光头内抛物面聚焦镜竖直方向位置，即可改变光斑大小，同时保证占空比不发生变化。

Claims

1.一种激光聚焦装置，其特征在于：聚焦装置主要由二块反射镜组成，一块为圆锥抛物面反射聚焦镜，另一块为环锥形直面反射镜，二块反射镜均为绕中心轴线的旋转对称结构，反射面相对布置。

2.根据权利要求1所述的激光聚焦装置，其特征在于：所述圆锥抛物面反射聚焦镜与所述环锥形直面反射镜形面相对布置，二块反射镜的形面中心共轴线，工作时，圆形激光束沿二块反射镜中心轴线首先入射到圆锥反射镜形面上，圆锥反射镜将入射光聚焦并沿径向反射到环锥形直面反射镜上，圆锥直面反射镜继续将入射光反射至焦面上实现聚焦。

3.根据权利要求1所述的激光聚焦装置，其特征在于：圆锥抛物面反射镜顶尖朝向入射激光束，并具有沿轴线上下移动的自由度。