CN106513987B - 一种变斑激光熔覆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变斑激光熔覆装置，包括可调变光斑镜组和可调变粉斑激光喷头；其可调变光斑镜组包括自适应反射镜和聚焦镜；其中自适应反射镜可以连续改变表面曲率从而改变输出光斑大小，可调变粉斑激光喷头则用于配合自适应反射镜输出的光斑大小以不同半径的输出管道进行粉末输送，从而实现可调变斑熔覆；本发明提供的这种变斑激光熔覆装置结构简单，操作方便，光斑变化范围大，调节精度高，响应快，能够输出不同大小的粉斑，光粉耦合效率高，有效减少粉末浪费，可用于多种激光熔覆加工。

Description

一种变斑激光熔覆装置

技术领域

本发明属于激光熔覆工艺与设备技术领域，更具体地，涉及一种变斑激光熔覆装置。

背景技术

激光熔覆成型技术综合了激光熔覆技术与快速成型技术的优点，将激光束聚焦光斑照射在工件表面，将熔覆材料以粉斑形式输送至光斑内，以实现熔覆过程。在这种动态加工过程中，实现熔覆材料粉斑与激光聚焦光斑的精确耦合是降低加工成本的关键，而适时改变激光聚焦光斑大小是提高熔覆效率的重要手段。

现有的光斑激光熔覆成型系统在熔覆过程中不改变光斑大小，采用的是区域多道搭接堆积成型方案，该方法在熔道搭接处存在着搭接缺陷，主要包括：搭接率不合理影响成型表面精度、熔覆层冷却不均匀导致熔覆层开裂、扫描路径规划不合理导致效率低下、内部热应力分布不均直接影响熔覆层的微观组织及力学性能。

相比较以上的等光斑熔覆方式，近年来，国内外出现了一种变光斑激光熔覆成型系统，采用移动准直镜变焦方式实现变斑，需要电机控制镜片移动，光斑变化范围较小，操作难度大，调节精度低，响应时间长，对于复杂不规则不等厚壁构件的一次性成型无法实现高质量、高精度的激光熔覆；另外该方法采用透镜式准直，不方便加载水冷系统，并且激光变斑范围无法固定在一个平面，不利于光粉耦合。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种变斑激光熔覆装置，其目的在于解决现有的移动准直镜变斑方式需要附加电机控制、光斑变化范围小的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种变斑激光熔覆装置，包括可调变光斑镜组和可调变粉斑激光喷头；

其中，可调变光斑镜组包括自适应反射镜和聚焦镜，其自适应反射镜的表面曲率半径可连续变化；在对入射平行光束进行汇聚过程中，通过这种曲率半径的连续变化以改变输出的光斑大小，实现了可调变光斑；

可调变光斑镜组输出的光斑平面与可调变粉斑激光喷头输出的粉斑平面均固定在可调变粉斑激光喷头下方的工作面内，且粉末只在工作面上进入光斑与光斑耦合。

优选的，上述变斑激光熔覆装置，其自适应反射镜具有气动式可调节能力，通过改变气压值，使自适应反射镜表面曲率半径连续变化。

优选的，上述变斑激光熔覆装置，自适应反射镜为水冷自适应反射镜，包括第一水冷装置、第二水冷装置、反射镜面和空气腔；第一水冷装置和第二水冷装置分散设于空气腔腔体的两侧，反射镜面覆盖在空气腔上；通过控制空气腔内气压变化来改变反射镜面的反射面的焦距，从而对入射平行光束进行汇聚，以改变最终输出光斑大小。

优选的，上述变斑激光熔覆装置，其可调变粉斑激光喷头为同轴式变粉斑光外送粉喷头。

优选的，上述变斑激光熔覆装置，同轴式变粉斑光外送粉喷头由多个同心环形送粉喷嘴组成，或者由多个环形分布的送粉喷管组成，均可根据光斑大小来选择不同环道进行组合；送粉喷头采用上述多种不同的送粉管道组合方式实现可调变粉斑以增强光粉耦合效果。

优选的，上述变斑激光熔覆装置，聚焦镜为水冷反射式离轴抛物镜。

优选的，上述变斑激光熔覆装置，还包括准直镜，准直镜设置在自适应反射镜之前，用于对外部激光器输出的激光光束进行准直处理后再送入自适应反射镜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的这种变斑激光熔覆装置，可以进行变斑熔覆，解决复杂不规则不等厚壁构件激光增材制造中一次性成型的技术难题，提高激光增材制造构件质量和精度；

(2)本发明提供的这种变斑激光熔覆装置，采用自适应镜变焦变斑方式，相比移动准直镜变焦变斑法，光斑变化范围更大，调节精度更高，响应快；解决了现有的移动准直镜变斑方式的光斑变化范围小、操作难度大、调节精度低、响应时间长的问题；

(3)本发明提供的这种变斑激光熔覆装置，采用反射镜实现变焦变斑，更方便对镜体进行水冷却，降低由于高温造成的镜片损坏风险；

(4)本发明提供的这种变斑激光熔覆装置，将变斑范围固定在工作面上的一个平面内，有利于粉斑与光斑在工作面上的耦合；

(5)本发明提供的这种变斑激光熔覆装置，不需要电机控制镜片移动，节约加工成本，降低操作难度，控制更加方便，解决了现有的移动准直镜变斑方式需要附加电机控制的问题；

(6)本发明提供的这种变斑激光熔覆装置，针对加工过程中的粉末浪费现象，采用一种变粉斑送粉喷头，可配合不同的输出光斑半径选择不同大小的粉斑输送，进一步提高了光粉耦合效率，课有效减少粉末浪费。

附图说明

图1是本发明变斑激光熔覆装置实施例1的示意图；

图2是实施例1的自适应反射镜结构示意图；

图3是实施例1的聚焦镜的结构示意图；

图4是实施例1的可调变粉斑激光喷头的示意图；

图5是实施例1的可调变粉斑激光喷头的送粉喷管组合图样；

图6是本发明变斑激光熔覆装置实施例2示意图；

图7是实施例2的可调变粉斑激光喷头的示意图；

图8是实施例2的可调变粉斑激光喷头输出的粉斑组合示意图；

图9是本发明变斑激光熔覆装置实施例3的示意图；

图10是本发明变斑激光熔覆装置中准直镜5的结构示意图；

图11是本发明变斑激光熔覆装置实施例4的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-自适应反射镜、2-聚焦镜、3-实施例1的可调变粉斑激光喷头、4-实施例2的可调变粉斑激光喷头、5-准直镜、11-第一水冷装置、12-反射镜面、13-空气腔、14-第二水冷装置、21-反射镜体、22-第三水冷装置、31-第一送粉喷管组、32-第二送粉喷管组、33-第三送粉喷管组、34-第一控制装置、35-光束通道、36-第二控制装置、3a-第一喷管组合、3b-第二喷管组合、3c-第三喷管组合、41-第一送粉通道、42-第二送粉通道、43-第三送粉通道、45、44、46、4a-光束输出光斑位置、4b-第一送粉环道、4c-第二送粉环道、4d-第三送粉环道、51-反射镜体、52-第四水冷装置。

具体实施方式

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。

本发明的采用自适应镜变焦方式实现光斑大小连续可调，相比现有的移动准直镜变斑法，具有操作更加方便，调节精度更高，加工效率高的优点；并使用可调变粉斑激光喷头以进一步提高光粉耦合效率，有效减少粉末浪费。以下结合实施例和附图进一步具体阐述本发明。

实施例1提供的变斑激光熔覆装置的结构如图1所示意的，包括可调变光斑镜组和可调变粉斑激光喷头；其中，可调变光斑镜组包含自适应反射镜1和聚焦镜2；入射平行光束通过自适应反射镜1后偏转90度，再经由聚焦镜2聚焦，再次偏转90度后，输出大小符合预设要求且可连续变换的光斑照射在工件的工作面上。

实施例1中，自适应反射镜1的结构如图2所示，包括第一水冷装置11、第二水冷装置14、反射镜面12和空气腔13；第一水冷装置11和第二水冷装置14分别设于空气腔13的腔体上，反射镜面12覆盖在空气腔13上；通过控制空气腔13内气压变化改变反射镜面12的反射面的焦距，从而对入射平行光束进行汇聚，以改变最终输出光斑大小。

聚焦镜2为反射式离轴抛物镜放置在自适应镜1的出射光束方向上，用于将光束聚焦，并通过可调变粉斑激光喷头3输出；其结构如图3所示，包含反射镜体21、第三水冷装置22，第三水冷装置22设于反射镜体21上；第三水冷装置22用于冷却光束聚焦所产生的热量。

可调变粉斑激光喷头3为同轴送粉喷头，其截面图如图4所示，包括第一控制装置34、第二控制装置36和三组同轴环形分布的送粉喷管组：第一送粉喷管组31、第二送粉喷管组32、第三送粉喷管组33；三组送粉喷管组的上端分别与第一控制装置34和第二控制装置36相连；图中35标识的为光束通道，由第一控制装置34、第二控制装置36控制送光束通道进口的开关，根据光斑大小选择不同的送粉喷管组进行匹配。

可调变粉斑激光喷头3的送粉喷管组合图样如图5所示，3a，3b，3c代表三组不同喷管组合，其中3a、3b由4个喷头组成，3c由8个喷头组成；所有喷头输出口均在同一平面上，每组喷头都分布在以输出光斑中心为圆心，半径不同的圆上，组内喷头相互间等距；根据分布半径不同，每组喷头输出粉斑大小也不同，按照从小到大依次为3a，3b，3c，用于匹配大小不同的输出光斑，以提高光粉耦合效率，节约成本。

实施例2提供的变斑激光熔覆装置的结构如图6所示，包括可调变光斑镜组和可调变粉斑激光喷头；其可调变光斑镜组包含自适应反射镜1和聚焦镜2；其可调变粉斑激光喷头4的结构与实施例1不同，具体如图7所示意的，送粉部分包括三个同心环锥面送粉通道：第一送粉通道41、第二送粉通道42、第三送粉通道43，图中45标识的为光束通道，由第一控制装置44、第二控制装置46控制光束通道进口的开关，根据光斑大小，选择不同半径的送粉环道进行匹配。

可调变粉斑激光喷头的送粉环道组合输出的粉斑组合如图8所示，其中，4a表示光束输出光斑位置，4b、4c、4d代表半径不同的三层送粉环道；所有环道输出端口均在同一平面上，构成以输出光斑中心为圆心，半径不同的三组圆环；根据圆环半径不同，每条粉道输出粉斑大小也不同，按照从小到大依次为4b，4c，4d，用于匹配大小不同的输出光斑，以提高光粉耦合效率，节约成本。

实施例3提供的变斑激光熔覆装置的结构如图9所示，包括可调变光斑镜组和送粉激光喷头；本实施例提供的变斑激光熔覆装置针对光纤激光器输出的扩散型光束，通过前置一个准直镜以获得准直光束；其可调变光斑镜组包含准直镜5、自适应反射镜1和聚焦镜2；准直镜5放置在激光出射方向上，将输出光束准直并偏转90度，照向自适应反射镜1；本实施例中，所采用的准直镜5为反射式离轴抛物镜，结构如图10所示，包含反射镜体51、第四水冷装置52；本实施例采用的可调变粉斑激光喷头与实施例2采用的可调变粉斑激光喷头相同。

实施例4提供的变斑激光熔覆装置的结构如图11所示，包括可调变光斑镜组和送粉激光喷头；其可调变光斑镜组包含准直镜5、自适应反射镜1和聚焦镜2；本实施例采用的可调变粉斑激光喷头与实施例1采用的可调变粉斑激光喷头相同。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种变斑激光熔覆装置，其特征在于，包括可调变光斑镜组和可调变粉斑激光喷头；

所述可调变光斑镜组输出的光斑平面与可调变粉斑激光喷头输出的粉斑平面均固定在可调变粉斑激光喷头下方的工作面内，且粉末只在工作面上进入光斑与光斑耦合；

所述可调变光斑镜组包括自适应反射镜和聚焦镜，所述聚焦镜设于自适应反射镜的出射光方向上；所述自适应反射镜的表面曲率半径可连续变化；所述可调节变光斑镜组用于输出大小不同的光斑；

所述可调变粉斑激光喷头用于根据光斑大小输出与光斑大小匹配的粉斑；

所述可调变粉斑激光喷头为同轴式变粉斑光外送粉喷头；所述同轴式变粉斑光外送粉喷头由多个同心环形送粉喷嘴组成，或者由多个环形分布的送粉喷管组成；根据应用所需的光斑大小来选择不同环道进行组合。

2.如权利要求1所述的变斑激光熔覆装置，其特征在于，所述自适应反射镜具有气动式可调节能力，包括空气腔和覆盖在空气腔上的反射镜面；通过改变所述空气腔的气压值使所述自适应反射镜表面曲率半径连续变化。

3.如权利要求2所述的变斑激光熔覆装置，其特征在于，所述自适应反射镜为水冷自适应反射镜，包括第一水冷装置、第二水冷装置、反射镜面和空气腔；所述第一水冷装置和第二水冷装置分别设于空气腔腔体的两侧，所述反射镜面覆盖在空气腔上；通过控制所述空气腔内气压变化来改变反射镜面的反射面的焦距，从而对入射平行光束进行汇聚，以改变最终输出光斑大小。

4.如权利要求1或2所述的变斑激光熔覆装置，其特征在于，所述聚焦镜为水冷反射式离轴抛物镜。

5.如权利要求1所述的变斑激光熔覆装置，其特征在于，还包括准直镜，准直镜设置在自适应反射镜之前，用于对外部激光器输出的激光光束进行准直处理后再送入自适应反射镜。