CN104816086B - 一种管道内壁激光加工头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种管道内壁激光加工头，包括光路腔体、第一锥透镜、第二锥透镜、聚焦镜、圆锥反射镜、吹气机构、两个导轨滑块机构和两个锁紧机构；第一锥透镜、第二锥透镜、聚焦镜和圆锥反射镜均顺序安装在光路腔体内部，并沿着光路腔体的轴线方向依次布置；光路腔体的侧壁上设置有一长条形孔，长条形孔的位置与一个导轨滑块机构的位置对应，两个锁紧机构分别穿过长条形孔与第二锥透镜和聚焦镜连接；光路腔体的侧壁上设置有用于输出激光束的环形窗口镜。该管道内壁激光加工头利用多个锥透镜、聚焦镜和圆锥反射镜的组合，构成了环形聚焦线光束，无须加工头或管道自旋，即可高效率、高精度、高质量的完成管道内壁的激光加工，如热处理、清洗等。

Description

一种管道内壁激光加工头
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及一种管道内壁激光加工头。
背景技术
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。
激光加工的基本原理是把具有足够功率(或能量)的激光束聚焦后照射到材料适当的部位，材料在接受激光照射能量后，在10的负11秒内便开始将光能转变为热能，被照部位迅速升温。根据不同的光照参量，材料可以发生气化、熔化、金相组织变化以及产生相当大的热应力，从而达到工件材料被去除、连接、改性和分离等加工目的。
锥透镜包括平凸(PCX)锥透镜和平凹(PCV)锥透镜。平凸(PCX)锥透镜具有一个凸锥面和一个平面；平凹(PCV)锥透镜具有一个凹锥面和一个平面。它们用于产生可随着距离增加直径，但又保持一致环形厚度的非衍射环形光束。若与准直高斯光束配合使用，平凸(PCX)锥透镜将可形成近似贝塞尔光束并适用于一系列医疗、研究、测量和校准应用的环形光束。这些锥透镜具有精确熔融的石英基片并备有无镀膜以及各种增透膜选项。贝塞尔光束是一种由相等功耗的环形所形成的非衍射光束，平凸(PCX)锥透镜和平凹(PCV)锥透镜可沿着光轴形成环形成像，或形成近似贝塞尔光束的非衍射光束。
目前，激光加工已经用于管道内壁的激光熔覆、焊接、热处理以及清洗等领域，但是他们都有个共同的特点，就是都是激光头自旋(焦点沿圆周路径在管壁上移动)或者管道自旋(效果跟前面一样)。这些方法具有诸多缺点，比如：1)使加工头旋转则需要产生旋转运动的机构并且要对应设计合理激光光路，从而加工头机构复杂，若让管道旋转则工件变位机构复杂(管道太长则可能无法旋转)且难以保证管道与入射光束同轴(同样要求对应设计合理激光光路)；2)上述焦点与管道之间相对移动的方式还导致激光加工效率不高、加工效果不均匀，并且激光焦点沿圆周方向顺序移动存在圆周热应力循环变化，导致管道可能变形等问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种管道内壁激光加工头；该管道内壁激光加工头利用多个锥透镜、聚焦镜和圆锥反射镜的组合，构成了环形聚焦线光束，无须加工头或管道自旋，即可高效率、高精度、高质量的完成管道内壁的激光加工，如热处理、清洗等。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种管道内壁激光加工头，包括光路腔体、第一锥透镜、第二锥透镜、聚焦镜、圆锥反射镜、吹气机构、两个导轨滑块机构和两个锁紧机构；
所述光路腔体呈圆柱筒形，一端设置有用于与外部机构连接的接口法兰座，并设置有与光路腔体内部相通的激光入射孔，另一端封闭；
所述两个导轨滑块机构均安装在光路腔体的内部；第一锥透镜、第二锥透镜、聚焦镜和圆锥反射镜均顺序安装在光路腔体内部，并沿着光路腔体的轴线方向依次布置；第一锥透镜固定安装在光路腔体敞口端部的内侧，圆锥反射镜固定安装在光路腔体封闭端部的内侧，第二锥透镜和聚焦镜均通过导轨滑块机构可滑移的安装在光路腔体的侧壁上；
光路腔体的侧壁上设置有一长条形孔，长条形孔的位置与一个导轨滑块机构的位置对应，两个锁紧机构分别穿过长条形孔与第二锥透镜和聚焦镜连接，用于调节和固定第二锥透镜和聚焦镜的位置；光路腔体的侧壁上设置有用于输出激光束的环形窗口镜；
激光束经光路腔体上的激光入射孔入射后，进入第一锥透镜，第一锥透镜输出非衍射的环形光束并传输至第二锥透镜，第二锥透镜将入射的环形光束转换成直径不变的平行传播的环形光束至聚焦镜，聚焦镜将入射环形光束聚焦后形成细环形光束输出至圆锥反射镜，圆锥反射镜表面镀有全反膜，将细环形光束全部经环形窗口镜反射至管道内壁，在管道内壁上形成环形激光焦点；
所述吹气机构环绕光路腔体的外壁安装，吹气机构设置有两个吹气嘴，第一吹气嘴吹出的一股气流沿着环形窗口镜的表面吹，第二吹气嘴吹出的一股气流吹向管道内壁激光作用位置。
优选的，所述长条形孔上设置有用于防止灰尘进入的滑盖。
优选的，所述环形窗口镜上镀有增透膜。
优选的，所述光路腔体的壁内设置有冷却水循环流道。
本发明具体如下有益效果：
1、本发明利用多个锥透镜、聚焦镜和圆锥反射镜的组合，构成了环形聚焦线光束，无须加工头或管道自旋，就实现了管道内壁的激光束加工，若要加工整根长管道内壁，只需让加工头沿管道行进即可，因此本发明所述的管道内壁激光加工头结构简单，与现有设备相比，无复杂的旋转机构，成本显著降低，可靠性显著提高。
2、本发明中形成的环形聚焦线光束比传统的聚集点光束，由于没有焦点与管道之间相对移动，而是同时加工整个圆周，因此加工效率大大提高。
3、采用本发明所述的管道内壁激光加工头进行管道内壁加工时，内壁在圆周方向同时受到激光作用，沿圆周方向无热应力梯度，大大减小热变形，同时激光辐照均匀，有利于提高激光加工质量。
4、本发明自带完善的双吹气系统，一股气流提供气帘保护，另一股气流吹向管道内壁激光作用位置，起到吹走残渣作用。同时吹气嘴的角度可以调节，这样能够适应不同管径的管道内壁在激光加工时的吹气保护需求，灵活性很好。
5、本发明可以自由调节两个锥透镜之间的距离，从而获得不同外径的环形光束后再入射聚焦镜，从而可以有效控制聚焦光束的线宽尺寸，并且聚焦镜与圆锥反射镜的距离可调(从聚焦镜出来的光束经反射后到达管壁的光程固定等于聚焦焦距，所以调近则加工大管径，调远则加工小管径)，满足不同管径的加工需求。
附图说明
图1为本发明所述管道内壁激光加工头的结构图；
图中各标号的含义如下：
光路腔体1、第一锥透镜2、第二锥透镜3、聚焦镜4、圆锥反射镜5、吹气机构6、导轨滑块机构7、锁紧机构8、接口法兰座9、长条形孔10、环形窗口镜11、第一吹气嘴12、第二吹气嘴13、激光束14。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种管道内壁激光加工头，包括光路腔体1、第一锥透镜2、第二锥透镜3、聚焦镜4、圆锥反射镜5、吹气机构6、两个导轨滑块机构7和两个锁紧机构8；
所述光路腔体1呈圆柱筒形，一端设置有用于与外部机构连接的接口法兰座9，并设置有与光路腔体1内部相通的激光入射孔，另一端封闭；
所述两个导轨滑块机构7均安装在光路腔体1的内部；第一锥透镜2、第二锥透镜3、聚焦镜4和圆锥反射镜5均顺序安装在光路腔体1内部，并沿着光路腔体1的轴线方向依次布置；第一锥透镜2固定安装在光路腔体1敞口端部的内侧，圆锥反射镜5固定安装在光路腔体1封闭端部的内侧，第二锥透镜3和聚焦镜4均通过导轨滑块机构7可滑移的安装在光路腔体1的侧壁上，并且一旦设置好安装位置即可固定在该位置(使得加工过程中不至于移动)；
光路腔体1的侧壁上设置有一长条形孔10，长条形孔10的位置与一个导轨滑块机构7的位置对应，两个锁紧机构8分别穿过长条形孔10与第二锥透镜3和聚焦镜4连接，用于调节和固定第二锥透镜3和聚焦镜4的位置；同时长条形孔10上设置有滑盖，用于防止灰尘进入光路腔体1内。
光路腔体1的侧壁上还设置有环形窗口镜11，用于输出激光束。
优选的，环形窗口镜11上镀有增透膜。
激光束14经光路腔体1上的激光入射孔入射后，进入第一锥透镜2，第一锥透镜2输出非衍射的环形光束并传输至第二锥透镜3，第二锥透镜3将入射的环形光束转换成直径不变的平行传播的环形光束至聚焦镜4，聚焦镜4将入射环形光束聚焦后形成细环形光束输出至圆锥反射镜5，圆锥反射镜5表面镀有全反膜，将细环形光束全部经环形窗口镜11反射至管道内壁，在管道内壁上形成环形激光焦点。
所述吹气机构环绕光路腔体1的外壁安装，吹气机构设置有两个吹气嘴，即提供两股气流，第一吹气嘴12吹出的一股气流沿着环形窗口镜11的表面吹，起到对环形窗口镜11的气帘保护作用，第二吹气嘴13吹出的一股气流吹向管道内壁激光作用位置，起到吹走残渣作用。同时要求吹气嘴的角度可以调节，以便适应不同管道的管径。
优选的，必须让环形激光焦点能够落在管道内壁上，这由聚焦镜4的焦距、聚焦镜4与圆锥反射镜5的距离、接口法兰座9的外径三者协调而定，但总之接口法兰座9的外径有要求，不能太大。
优选的，可以在光路腔体1的壁内设置冷却水循环流道(壁外接出、入水管)，用于激光加工时给光路上镜片散热。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，比如在激光束进入聚焦镜之前，在光路的任意合适位置添加扩束准直镜、或者添加若干反射镜使光路多反射转折几次再进入聚焦镜等等，这样的常规技术手段改变不认为脱离本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种管道内壁激光加工头，其特征在于，包括光路腔体(1)、第一锥透镜(2)、第二锥透镜(3)、聚焦镜(4)、圆锥反射镜(5)、吹气机构(6)、两个导轨滑块机构(7)和两个锁紧机构(8)；
所述光路腔体(1)呈圆柱筒形，一端设置有用于与外部机构连接的接口法兰座(9)，并设置有与光路腔体(1)内部相通的激光入射孔，另一端封闭；
所述两个导轨滑块机构(7)均安装在光路腔体(1)的内部；第一锥透镜(2)、第二锥透镜(3)、聚焦镜(4)和圆锥反射镜(5)均顺序安装在光路腔体(1)内部，并沿着光路腔体(1)的轴线方向依次布置；第一锥透镜(2)固定安装在光路腔体(1)敞口端部的内侧，圆锥反射镜(5)固定安装在光路腔体(1)封闭端部的内侧，第二锥透镜(3)和聚焦镜(4)均通过导轨滑块机构(7)可滑移的安装在光路腔体(1)的侧壁上；
光路腔体(1)的侧壁上设置有一长条形孔(10)，长条形孔(10)的位置与一个导轨滑块机构(7)的位置对应，两个锁紧机构(8)分别穿过长条形孔(10)与第二锥透镜(3)和聚焦镜(4)连接，用于调节和固定第二锥透镜(3)和聚焦镜(4)的位置；光路腔体(1)的侧壁上设置有用于输出激光束的环形窗口镜(11)；
激光束(14)经光路腔体(1)上的激光入射孔入射后，进入第一锥透镜(2)，第一锥透镜(2)输出非衍射的环形光束并传输至第二锥透镜(3)，第二锥透镜(3)将入射的环形光束转换成直径不变的平行传播的环形光束至聚焦镜(4)，聚焦镜(4)将入射环形光束聚焦后形成细环形光束输出至圆锥反射镜(5)，圆锥反射镜(5)表面镀有全反膜，将细环形光束全部经环形窗口镜(11)反射至管道内壁，在管道内壁上形成环形激光焦点；
所述吹气机构环绕光路腔体(1)的外壁安装，吹气机构设置有两个吹气嘴，第一吹气嘴(12)吹出的一股气流沿着环形窗口镜(11)的表面吹，第二吹气嘴(13)吹出的一股气流吹向管道内壁激光作用位置。
2.根据权利要求1所述的管道内壁激光加工头，其特征在于，所述长条形孔(10)上设置有用于防止灰尘进入的滑盖。
3.根据权利要求1所述的管道内壁激光加工头，其特征在于，所述环形窗口镜(11)上镀有增透膜。
4.根据权利要求1所述的管道内壁激光加工头，其特征在于，所述光路腔体(1)的壁内设置有冷却水循环流道。
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