CN105499793A - 一种同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元，该分光单元主要包括：准直镜，前四分光透镜，后四分光透镜，聚焦透镜和金属斜平面反射镜。该单元目的是将准直后的激光束通过两面相对位置固定的四分光透镜按照激光能量，平均分为水平面上中心对称的四束光路，分离后的光束通过聚焦透镜聚焦，经过金属斜平面反射镜聚焦至焦点，光路中空部分嵌入送丝机构，使光路焦点最终聚焦在焊丝上，实现高精度、高质量、全方向的同轴送丝。

Description

一种同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元

技术领域

本发明属于激光熔敷，激光焊接与三维成形领域，具体地，涉及一种同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元。

背景技术

激光送丝沉积成形，是在CAD与切片软件的帮助下，将需要沉积的模型生成合理的激光轨迹与路径；实际工作过程中以机器人或者工作台为行动载体，借助自动送丝装置与保护气装置，利用激光熔敷头发出的激光完全熔化被送到熔池的金属丝，按照指定路径熔覆出各种形状的熔道，从而成型为与切片轮廓和厚度一致的薄片，重复直至实体件成形。

同轴送丝激光熔敷技术，具体是指激光熔敷头与送丝机构主轴通在同一轴上，以保证焊丝工作点与激光光斑的相对位置的固定，进而使融化的焊丝能够按照指定轨迹熔敷，精确稳定地完成熔敷过程。

现有的激光送丝沉积成形设备中，采用的激光熔敷头和送丝机构往往是分离的，熔敷方式多采用同向/侧向熔敷方式，由于其结构局限性，无法做到真正意义的焊丝与激光光斑同轴。类似互相分离的熔敷方式容易引起一系列问题：①焊丝输送的方向性限制了熔敷的方向，增加了曲线行走的难度，熔覆层的尺寸和性能在各个方向难以保持一致；②焊丝和激光光斑的耦合性差引起的相对位置偏差，容易导致激光无法完全融化焊丝等现象的发生；③在非同轴情况下，为了保证金属丝与激光光斑的耦合，多采用较大的光斑直径(离焦量)，导致激光能量大量作用在基板或前次熔敷的金属上，激光能量浪费较大，基板受热变形严重。

因此，针对上述技术问题，有必要提供设计一种同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元的构建方案，以实现高质量、高精度、全方向的激光送丝沉积。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元，由此解决激光送丝沉积成形中光丝耦合程度差的问题，保证提供光路中空部分嵌入送丝机构，光路最终聚焦于焊丝上，以实现高精度、高质量、全方向的成形件熔敷。

为实现上述目的，本发明提供了一种针对同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元该单元主要由准直镜、前四分光透镜、后四分光透镜、聚焦镜和金属斜平面反射组成，本单元通过将准直后的激光束通过两面相对位置固定的四分光透镜按照激光能量平均分为水平面上四束中心对称的平行光路，分离后的光束通过聚焦镜聚焦，经过金属斜平面反射镜聚焦至焦点，光路中空部分嵌入送丝机构，通过耦合实现光路焦点聚焦在焊丝上，最终实现同轴送丝。

优选地，所用激光器是使用光纤传输的中高功率激光器，例如光纤激光器、半导体激光器、DISK激光器等。激光器采用连续激光的出光方式；

优选地，所用准直镜为空气间隔组合镜，实现光路准直；

优选地，所用聚焦镜为平凸透视镜，实现光路聚焦；

优选地，所用斜平面反射镜材质为反射率较高的铜及其合金基材，反射平面为与原光路光轴呈45°，反射镜斜平面中心沿向曲面方向带有通孔用于嵌入送丝机构，实现光路反射聚焦以及与送丝机构的同轴耦合；

本发明提出的同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元，针对目前送丝沉积中精度不足，方向局限性等问题，通过实现光路中空嵌入送丝机构，聚焦于焊丝上实现同轴送丝，实现高精度、高质量、全方向熔敷。

附图说明

图1为本发明一种实施例中针对同轴送丝熔敷激光头光路的分光单元光路示意图；

图2为本发明中沿光路各部分的剖视图；

图3为本发明的四分光透镜结构视图；

图4为本发明的四分光透镜结构直观图。

图1中部件名称与附图标记的对应关系为：

1-准直镜、2-前四分光透镜、3-后四分光透镜、4-聚焦镜、5-金属斜平面反射镜。

具体实施说明

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明旨在设计一种分光单元，保证光束从一束发散光路分离为四束中心对称的平行光路，实现光路中空且能够嵌入送丝机构，最终聚焦于焊丝上。参看附图1，本实施例中，光路硬件设备主要由1-准直镜、2-前四分光透镜、3-后四分光透镜、4-聚焦镜、5-金属斜平面反射镜组成。激光光束通过准直镜和四分光透镜后被分光为中心对称的四束平行光束，平行光束经过聚焦镜聚焦，经过金属斜平面反射镜反射后在聚焦于光路中心。金属斜平面反射镜斜面与原光路光轴以及反射后光路光轴互成45°，以保证反射后光路与送死机构主轴同轴，金属斜平面反射镜设有通孔，通过嵌入送丝机构，使焦点聚焦在焊丝上，最终完成同轴耦合。

具体地，参看图1，激光器采用4000W的光纤激光器，通过光纤传输的入射光为0.3mm的均匀入射光，光路经过准直镜后准直为均匀分布的平行光束，本实施例中所用准直镜为外径D＝38.1mm，焦距F＝125mm的空气间隔组合镜。

均匀分布的平行光经过前四分光透镜后，被均匀分离成四束光路，在光轴交汇后，入射至后四分光透镜。其中，前四分光透镜实现光束分离成不平行的四束，由于光路可逆性，光束通过后四分光透镜后即实现准直，通过设置合理的透镜间距以及两面透镜的大小比例，可以保证最后的平行光保持均匀分布的四束。

图3、4分别给出了本发明中的前、后四分光透镜结构视图和直观图。本实施例中，前四分光透镜为38.1mm×38.1mm，后四分光透镜为60mm×60mm，前后四分光透镜屋脊的顶角均为150°，分光角度决定分光时光路的折射角度。参看图2，由于光的可逆性，光路被准直为以原光路中心点为对称中心的四束中心对称的平行光束，每束光的光斑形状一般呈类似四分之一圆的形状，能量靠光斑外沿最高、且对称地向光轴中心方向递减。

中心对称的四束平行光束经过聚焦镜后以其焦点为聚焦点收束，本实施例中，聚焦镜使用平凸透视镜，向焦点聚焦的四束光束经过金属斜平面反射镜反射后在与原光路呈90度垂直的方向上聚焦，从聚焦镜到金属斜平面反射镜的长度与反射后光路长度总和等同于聚焦镜焦距。

参看图1，本实施例中，金属斜平面反射镜外径为60mm，开有20mm的通孔，以金属斜平面反射镜通孔轴向为中心轴，光路在中心轴上聚焦且呈现出中空的形态，通孔中空部分给予送丝机构嵌入足够的空间，最终在焊丝上聚焦，实现同轴送丝。

以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元，包括依光路顺序布放的准直镜、前四分光透镜、后四分光透镜、聚焦透镜和金属斜平面反射镜，其特征在于：

所述准直镜用于对激光器发出的光束准直；

所述前四分光透镜和后四分光透镜结构相同、两者反向相对同光轴设置；前四分光透镜用于将准直光均匀分成四束输出，四束光在光轴交汇后，分别入射至后四分光透镜；后四分光透镜将入射光准直为以光轴为对称中心的四束对称平行光束，每束光的光斑形状一般呈四分之一圆的形状，能量靠光斑外沿最高、且对称地向光轴中心方向递减；

所述聚焦透镜设置在后四分透镜之后，与准直镜、前四分光透镜、后四分光透镜共光轴设置，用于将四束中心对称的平行光束全部聚焦投射到金属斜平面反射镜面上；

所述金属斜平面反射镜设置在聚焦透镜输出光路上，其镜面中心光轴与聚焦透镜光轴垂直相交，其镜面中部在轴线方向开设有通孔，用于送丝机构通过；其反射面用于将入射的四束平行光束反射到送丝机构主轴上并聚焦，从而实现激光熔敷头和送丝机构同轴设置。

2.根据权利要求1所述的光路分光单元，其特征在于，所述前四分光透镜、后四分光透镜均为整体结构，该结构看作由两块几何形状全等、底面为正方形的屋脊透镜和一块正方形透镜组成，两屋脊透镜结构底面相对，两底面之间设有与底面尺寸相同的正方形透镜结构；所述两块屋脊透镜和一块正方形透镜厚度相同，两块屋脊透镜结构的屋脊互相垂直，以保证分光效果与稳定。

3.根据权利要求1或2所述的光路分光单元，其特征在于，所述的前四分光透镜和后四分光透镜大小不同，后四分光透镜径向尺寸大于前四分光透镜，以覆盖前四分光透镜的输出光束。

4.如权利要求1或2所述的光路分光单元，其特征在于，所述的激光器是采用光纤传输的高功率激光器。

5.如权利要求1或2所述的光路分光单元，其特征在于，所述的聚焦透镜为平凸透视镜。

6.如权利要求1或2所述的光路分光单元，其特征在于，所述的金属斜平面反射镜材料为铜或铜合金。

7.一种基于权利要求1至6中任一所述分光单元的同轴送丝激光熔敷系统，其特征在于，还包括激光器和送丝机构；所述送丝机构穿过所述金属斜平面反射镜通孔，其主轴与反射镜光轴同轴；所述激光器产生的激光通过光纤传输后从分光单元的准直镜送入，经前、后四分光单元分成四束中心对称的光，从聚集透镜输出，经金属斜平面反射镜反射后聚焦在送丝机构主轴上，从而实现与激光熔敷头与送丝机构的同轴设置。