CN106711765B - 一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构 - Google Patents

一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，包括叠阵合束制成的三个半导体激光器A、B、C，三个半导体激光器A、B、C从上至下罗列排放，每个激光器内装有用于调节其光斑尺寸的扩束器，三个半导体激光器A、B、C输出的三束激光在同一竖直面内朝同一方向射出，最终三束激光作用到同一工作面上。其作用在于：将三个叠阵半导体激光器组合，采用激光直接输出的模式，利用三种不同功率、不同尺寸的光斑进行激光熔覆加工，半导体激光器A的激光的预热功能减小了材料表面的热应力，有效地避免了半导体激光器B的激光加工后的熔覆层开裂现象，半导体激光器C的激光的平整修复功能更起到了优化材料表面平整度的作用。

Description

一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源 结构
技术领域：
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构。
背景技术：
由于半导体激光器具有体积小、电光转换效率高及可靠性高等优点，已逐渐应用到激光加工领域，包括激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光3D打印等，其中激光熔覆技术是激光加工的一个重要应用方面，通过利用高能量密度激光束在基材表面辐照，将不同成分和性能的合金与基材表层快速熔化、扩展和凝固，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层，以起到材料表面改性作用，使材料更耐磨、耐蚀、耐热，提高材料表面硬度及抗氧化性。目前，激光熔覆技术多采用一束激光源加工，由于加工过程中材料表面的热应力及组织应力较大，导致熔覆层出现开裂，熔池边缘也会出现难以避免的凹陷区，因此严重影响了材料表面的平整度及激光熔覆的加工质量，更增加了后续的工作量。
发明内容：
本发明要解决现有激光熔覆技术材料表面熔覆层开裂和平整度较低的问题，提出一种避免材料表面开裂及提高其平整度的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构。
为了解决上述技术问题，本发明的具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构的技术方案具体如下：
一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，包括叠阵合束制成的三个半导体激光器A、B、C，三个半导体激光器A、B、C从上至下罗列排放，每个激光器内装有用于调节其光斑尺寸的扩束器，三个半导体激光器A、B、C输出的三束激光在同一竖直面内朝同一方向射出，并分别经过各自的聚焦镜聚焦，在半导体激光器A输出的光路和半导体激光器C输出的光路中分别放置一组用于调节光斑边缘间隔的反射镜组，最终三束激光作用到同一工作面上，或者在半导体激光器A与半导体激光器B之间、半导体激光器B与半导体激光器C之间设有用于调节光斑边缘间隔的支架，最终三束激光作用到同一工作面上；三个半导体激光器A、B、C、扩束器、聚焦镜和反射镜组或者三个半导体激光器A、B、C、扩束器、聚焦镜和支架均设于外壳内，并通过外壳组装成一体。三个半导体激光器A、B、C的激光作用分别为：半导体激光器A的激光用于预热被加工材料表面，减小加工过程中由于温差变化过快而引起的各种应力，避免熔覆层表面开裂；半导体激光器B的激光与传统激光熔覆光源的功能相同，用于熔覆加工材料；半导体激光器C的激光用于对第二束光熔覆加工材料后熔池边缘形成的凹陷区进行二次加工，使熔覆后的材料表层二次熔化，达到修复材料表面不平整部位的效果。
本发明进一步的技术方案为，三个叠阵半导体激光器A、B、C的激光输出功率范围均在1000W~3000W的范围内。
本发明更进一步的技术方案为，三个叠阵半导体激光器A、B、C的激光输出功率大小关系为：半导体激光器A的将输出功率与半导体激光器C的激光输出功率相等，并且小于半导体激光器B的激光输出功率。
本发明更进一步的技术方案为，所述聚焦透镜为球面透镜、非球面透镜或者两个分离的柱面镜。
本发明更进一步的技术方案为，所述反射镜组使包括两片成角度相向放置的反射镜。
本发明更进一步的技术方案为，所述反射镜均镀有对应波长的高反膜，所述高反膜的反射率在99%以上。
本发明更进一步的技术方案为，三个叠阵半导体激光器A、B、C的波长范围均在400nm~2000nm的范围内。
本发明更进一步的技术方案为，三个半导体激光器A、B、C作用到工作面上的光斑边缘间隔尺寸与加工材料的尺寸匹配。
本发明更进一步的技术方案为，三个半导体激光器A、B、C作用到工作面上的光斑均为矩形。
本发明更进一步的技术方案为，三个半导体激光器A、B、C作用到工作面上的光斑的尺寸大小关系为：半导体激光器A形成的光斑尺寸与半导体激光器C形成的光斑尺寸相等，并且大于半导体激光器B形成的光斑尺寸。三束激光的作用分别为：第一束光用于预热被加工材料表面，减小加工过程中由于温差变化过快而引起的各种应力，避免熔覆层表面开裂；第二束光与传统激光熔覆光源的功能相同，用于熔覆加工材料；第三束光用于对第二束光熔覆加工材料后熔池边缘形成的凹陷区进行二次加工，使熔覆后的材料表层二次熔化，达到修复材料表面不平整部位的效果。
本发明更进一步的技术方案为，根据材料加工中对第一束和第三束光斑的要求，可通过改变反射镜组或直接移动第一个和第三个半导体激光器调整其光斑边缘间隔和照射角度。
本发明的有益效果在于：
本发明的具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，具有以下的优点：
第一、本发明的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，将三个叠阵半导体激光器组合，采用激光直接输出的模式，利用三种不同功率、不同尺寸的光斑进行激光熔覆加工，半导体激光器A的激光的预热功能减小了材料表面的热应力，有效地避免了半导体激光器B的激光加工后的熔覆层开裂现象，半导体激光器C的激光的平整修复功能更起到了优化材料表面平整度的作用，突破了传统激光熔覆光源的一束加工激光模式，解决了加工材料熔覆层表面开裂、平整度低的问题，大幅度地提高了激光熔覆的加工质量及效率，减小了后续的工作量。
第二、本发明的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构中，三个叠阵半导体激光器的激光输出功率和三光斑尺寸可根据材料性能及加工需求确定，三光斑边缘间隔及半导体激光器A的激光、半导体激光器C的激光照射角度可通过调整反射镜组或直接移动半导体激光器A和半导体激光器C调节，十分灵活。
附图说明：
图1是本发明的具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构的实施例1的结构示意图。
图2是本发明的具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构的实施例2的结构示意图。
图3是图1所示的具体实施方式中的叠阵半导体激光器A的立体结构示意图。
图4是图1所示的具体实施方式中的叠阵半导体激光器A的侧向结构示意图。
图5是图1所示的具体实施方式中的三束光斑熔覆效果与一束光斑熔覆效果的对比图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做一下详细说明。
实施例1
图1、图3和图4显示了本发明的具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构的一种具体实施方式，参照图1，本发明的具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，包括三个半导体激光器A1、B2、C3，三个扩束器4，三片聚焦镜5，两组反射镜组6，最后所有器件通过外壳7组装成一体，其中8为激光束。
本发明的具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构的一种具体实施方式中，以半导体激光器A1为例，图1中所使用的半导体激光器A1结构示意图如图3和4所示，采用一只915nm1-1和一只976nm1-2半导体激光叠阵，每只叠阵由20只bar条组成，bar条均采用快慢轴准直镜对其进行准直，976nm波长的光通过反射镜1-3反射后，与915nm光束在合束镜1-4处实现波长合束，合束镜1-4镀有915nm波长光的增透膜及976nm波长光的高反膜，其透射率及反射率均在99%以上。然后，使用2倍扩束器4对合束光进行扩束，再通过聚焦镜5聚焦，输出功率达2kW，其中1-5为挡光板，防止976nm透射光影响激光器性能。半导体激光器C3与半导体激光器A1结构类似，其结构差异在于第三束光路中所使用的的反射镜组方向与第一束光路中的反射镜组相反。半导体激光器B2较半导体激光器A1相比，结构差异在于半导体激光器B2内所使用的扩束器的倍数为4倍，且聚焦镜后无反射镜组反射光路，聚焦后的光束直接作用到工作面上，且输出功率达3kW。
本发明的具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构中，首先将扩束倍数不同的扩束器4分别固定在三个半导体激光器A1、B2、C3内，三个激光器按顺序从上至下罗列排放，根据拟定工作面的位置，利用机械件固定聚焦镜5，采用六轴调整架将两组反射镜组6安装在第一和第三束光路上，反射镜均镀有对应波长的高反膜，其反射率均在99%以上，调节六轴调整架使三路光心保持在同一竖直面内以同一方向出射，且工作面上的三光斑边缘间隔为2mm，成轴对称的“三”字形分布，半导体激光器A1、B2、C3的光斑尺寸分别为2×6mm2、2×4mm2和2×6mm2的矩形光斑，这样就完成了光路系统的调节。
图1的具体实施方式的使用过程为：首先，开启半导体激光器A1的激光对被加工材料表面进行预热处理；然后，开启半导体激光器B2的激光，在半导体激光器A1的激光预热完毕的材料表面区域进行熔覆加工，最后，利用半导体激光器C3的激光对半导体激光器B2的激光熔覆后的材料表面进行二次熔化，修复材料表面不平整区域。一束光斑加工与三束光斑加工的熔覆效果如图5所示，图5中a图为一束光斑加工材料表面后熔覆层的结构图，中间的凹陷区即为熔池边缘造成的表面不平整，且其熔覆层厚度为3mm，图5中b图为三光斑加工材料表面后的熔覆层结构图，与图a相比，通过一光斑的预热及三光斑的修复功能，较为理想地修复了材料表面的不平整区域，且熔覆层厚度可减至1mm。
本发明的具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，将三个叠阵半导体激光组合，采用激光直接输出的模式，利用三种不同功率、不同尺寸的光斑进行激光熔覆工作，半导体激光器A1的激光的预热功能减小了材料表面的热应力，有效地避免了半导体激光器B2的激光加工后的熔覆层开裂现象，半导体激光器C3的激光的平整修复功能更起到了优化材料表面平整度的作用，突破了传统激光熔覆光源的一束加工激光模式，解决了加工材料熔覆层表面开裂、平整度低的问题，大幅度地提高了激光熔覆的加工质量。
实施例2
图2显示了本发明的减小激光熔覆后工件形变量结构的另外一种具体实施方式。与图1所示的实施例1相比不同的是，去掉了半导体激光器A1的激光光路和半导体激光器C3的激光光路的反射镜组6，增加了支架9，用于调整半导体激光器A1和半导体激光器C3的位置及出光角度，工作面上三光斑的边缘间隔及照射角度可直接通过支架9调整半导体激光器A1和半导体激光器C3的位置进行调节。本实施方式的减小激光熔覆后工件形变量结构的工作原理与图1所示的具体实施方式相同，故在此不再描述。
显然，上述实施例仅清楚说明所做实例，而并非对实施方式的限定。在不脱离本发明的设计理念与范围内，在形式和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，其特征在于：包括叠阵合束制成的三个半导体激光器A、B、C（1、2、3），三个半导体激光器A、B、C（1、2、3）从上至下罗列排放，每个激光器内装有用于调节其光斑尺寸的扩束器（4），三个半导体激光器A、B、C（1、2、3）输出的三束激光在同一竖直面内朝同一方向射出，并分别经过各自的聚焦镜（5）聚焦，在半导体激光器A（1）输出的光路和半导体激光器C（3）输出的光路中分别放置一组用于调节光斑边缘间隔的反射镜组（6），最终三束激光作用到同一工作面上，或者在半导体激光器A（1）与半导体激光器B（2）之间、半导体激光器B（2）与半导体激光器C（3）之间设有用于调节光斑边缘间隔的支架（9），最终三束激光作用到同一工作面上；三个半导体激光器A、B、C（1、2、3）、扩束器（4）、聚焦镜（5）和反射镜组（6）或者三个半导体激光器A、B、C（1、2、3）、扩束器（4）、聚焦镜（5）和支架（9）均设于外壳（7）内，并通过外壳（7）组装成一体；
三个叠阵半导体激光器A、B、C（1、2、3）的激光输出功率大小关系为：半导体激光器A（1）的将输出功率与半导体激光器C（3）的激光输出功率相等，并且小于半导体激光器B（2）的激光输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，其特征在于：三个叠阵半导体激光器A、B、C（1、2、3）的激光输出功率范围均在1000W~3000W的范围内。
3.根据权利要求1所述的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，其特征在于：所述聚焦透镜（5）为球面透镜、非球面透镜或者两个分离的柱面镜。
4.根据权利要求1所述的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，其特征在于：所述反射镜组（6）使包括两片成角度相向放置的反射镜。
5.根据权利要求4所述的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，其特征在于：所述反射镜均镀有对应波长的高反膜，所述高反膜的反射率在99%以上。
6.根据权利要求1-5其中任意一条所述的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，其特征在于：三个叠阵半导体激光器A、B、C（1、2、3）的波长范围均在400nm~2000nm的范围内。
7.根据权利要求1-5其中任意一条所述的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，其特征在于：三个半导体激光器A、B、C（1、2、3）作用到工作面上的光斑边缘间隔尺寸与加工材料的尺寸匹配。
8.根据权利要求1-5其中任意一条所述的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，其特征在于：三个半导体激光器A、B、C（1、2、3）作用到工作面上的光斑均为矩形。
9.根据权利要求1-5其中任意一条所述的一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构，其特征在于：三个半导体激光器A、B、C（1、2、3）作用到工作面上的光斑的尺寸大小关系为：半导体激光器A（1）形成的光斑尺寸与半导体激光器C（3）形成的光斑尺寸相等，并且大于半导体激光器B（2）形成的光斑尺寸。
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