CN109536948A - 一种基于激光熔覆的半导体激光器系统 - Google Patents

一种基于激光熔覆的半导体激光器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，它包括半导体激光器模组、激光熔覆头和自动送粉机构；所述的半导体激光器模组的激光光束输出端的光纤激光头上套接有所述激光熔覆头；所述的自动送粉机构通过软管将合金粉末送入到所述激光熔覆头的内部实现激光光束和熔化的合金粉末同步输出的激光熔覆。通过在主半导体激光器周围添加辅助半导体激光器实现对主半导体激光器输出的光斑上能量的分布进行补偿，保证最后输出的激光光斑上的能量均匀分布，进而保证每条激光熔覆带上边缘和中间的激光熔覆层再相同或者相近的激光加工工艺参数下形成，保证了整个还原罐筒体激光熔覆层的可靠性以及整体修复结果的可靠性。

Description

一种基于激光熔覆的半导体激光器系统
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器系统，尤其涉及一种基于激光熔覆的半导体激光器系统。
背景技术
还原罐在车间内使用，所处的环境含有少量的粉尘、水蒸汽和少量的氯化镁烟气。还原罐是用来反应生成海绵钛的关键设备。在每个循环使用过程中，先作为还原设备(在一定条件下，通过液态镁与四氯化钛发生还原反应生成钛金属的反应器)，再作为蒸馏设备(在高温真空条件下，用来蒸发反应过程中生成的钛金属中的镁和氯化镁等杂质，最终生产出高纯度海绵钛的反应器)。还原罐是一种周期性循环使用的设备，每个周期约为16天。
因此还原罐经常在常温至1050℃范围内加热、冷却循环进行，致使罐体在压力、温度等循环交变载荷下主要出现筒体伸长而导致还原罐筒体壁减薄而报废。对于还原罐因长期在压力和温度循环交变载荷使得筒体伸长进而导致还原罐筒体壁减薄而报废。现有通过激光熔覆技术对还原罐筒体壁进行修复的，但是在通过激光对还原罐筒体进行修复的过程中对激光的加工工艺参数有严格的要求；为保证在还原罐筒体上每条激光熔覆带的边缘和中间的激光熔覆层在相同或者相近的激光加工工艺参数下形成，进而保证还原罐筒体上每条激光熔覆带的可靠性以及整个修复结果的可靠性；而激光输出光斑大小以及光斑上能量的均匀分布是保证可靠性的重要参数，而激光系统输出的光斑上的能量分布一般都不是均匀的，会出现能量集中在中心而边缘的能量分布较少的情况，因此需要对激光系统的输出光斑尺寸以及光斑上能量的均匀分布进行调节控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，能够对激光系统输出的光斑大小和光斑上能量的分布进行调节。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，它包括半导体激光器模组、激光熔覆头和自动送粉机构；所述的半导体激光器模组的激光光束输出端的光纤激光头上套接有所述激光熔覆头；所述的自动送粉机构通过软管将合金粉末送入到所述激光熔覆头的内部实现激光光束和熔化的合金粉末同步输出的激光熔覆。
所述的半导体激光器模组包括一个主半导体激光器和多个辅助半导体激光器；所述的多个辅助半导体激光器安装在所述主半导体激光器的四周，且与所述主半导体激光器沿同一方向发射激光光束；所述的辅助半导体激光器发射的激光光束实现对所述主半导体激光器发射的激光光束光斑进行扩展以及光斑外围上的能量分布进行补偿，使得从光纤激光头发射的激光光束的光斑上的能量均匀分布，在每条激光熔覆带的形成过程中使得激光熔覆带边缘和中心激光熔覆层在相同或者相近的激光加工工艺参数下形成。
所述的多个辅助半导体激光器安装在所述主半导体激光器的四周的位置关系为多个辅助半导体激光器紧邻所述主半导体激光器且均匀分布在所述主半导体激光器的四周，且多个辅助半导体激光器所安装的点相互依次连接可以组成等边多边形，所述主半导体激光器所安装的点位于等边多边形的中心处。
所述的辅助半导体激光器的光束输出端安装有聚焦镜，激光光束从半导体激光器输出后分别经过各自的聚焦镜进行光束聚焦，使得辅助半导体激光器的激光光束发散程度小于所述主半导体激光器激光光束的发散程度，进而实现所述主半导体激光器发射的激光光束光斑进行扩展以及光斑外围上的能量分布进行补偿。
所述的辅助半导体激光器的聚焦镜光束输出端安装有用于调节辅助半导体激光器和所述主半导体激光器之间边缘间隔的反射镜组，使得辅助半导体激光器输出的激光光束能够对所述主半导体激光器发射的激光光束光斑进行扩展以及光斑外围上的能量分布进行补偿。
所述的辅助半导体激光器激光光束与所述主半导体激光器的激光光束汇聚后的输出端安装有用于多光束进行整形和对输出光斑大小进行调节的光学整形模组。
所述的光学整形模组包括至少一个对光束进行汇聚的聚焦镜、至少一个对光束进行发散扩束的扩束镜以及一个准直镜；所述的聚焦镜和所述扩束镜可以移动；通过调节所述聚焦镜和所述扩束镜之间的距离实现对输出的激光光束的整形和光斑大小的调节。
所述的聚焦镜、扩束镜和准直镜相对于激光光束输出方向安装的顺序依次为聚焦镜、扩束镜和准直镜或者依次为扩束镜、聚焦镜和准直镜。
所述的主半导体激光器和辅助半导体激光器的供电正负极分别连接与电流/电压监测装置、反馈电路和电源并联；所述的电流/电压监测装置用于检测所述主半导体激光器和所述辅助半导体激光器两端的实际电流/电源，通过所述反馈电路反馈的电流/电压的数值对所述主半导体激光器和所述辅助半导体激光器的激光输出功率进行调节，进而对输出光斑的能量大小进行调节。
所述的自动送粉机构包括送粉机、误差补偿性分粉器和送气泵；所述的误差补偿性分粉器通过软管与所述激光熔覆头的入粉端连通；所述的送粉机通过软管与所述误差补偿性分粉器连通；所述的送气泵输出端分别与所述激光熔覆头和所述误差补偿性分粉器的进气端连通。
本发明的有益效果是：一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，通过在主半导体激光器周围添加辅助半导体激光器实现对主半导体激光器输出的光斑上能量的分布进行补偿，保证最后输出的激光光斑上的能量均匀分布，进而保证每条激光熔覆带上边缘和中间的激光熔覆层再相同或者相近的激光加工工艺参数下形成，保证了整个还原罐筒体激光熔覆层的可靠性以及整体修复结果的可靠性。
附图说明
图1为主半导体激光器和辅助半导体激光器的安装位置示意图；
图2为主半导体激光器和辅助半导体激光器光路传输示意图；
图中，1-主半导体激光器，2-辅助半导体激光器，3-反射镜组，4-光学整形模组。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，它包括半导体激光器模组、激光熔覆头和自动送粉机构；所述的半导体激光器模组的激光光束输出端的光纤激光头上套接有所述激光熔覆头；所述的自动送粉机构通过软管将合金粉末送入到所述激光熔覆头的内部实现激光光束和熔化的合金粉末同步输出的激光熔覆。
如图1所示，所述的半导体激光器模组包括一个主半导体激光器1和多个辅助半导体激光器2；所述的多个辅助半导体激光器2安装在所述主半导体激光器1的四周，且与所述主半导体激光器1沿同一方向发射激光光束；所述的辅助半导体激光器2发射的激光光束实现对所述主半导体激光器1发射的激光光束光斑进行扩展以及光斑外围上的能量分布进行补偿，使得从光纤激光头发射的激光光束的光斑上的能量均匀分布，在每条激光熔覆带的形成过程中使得激光熔覆带边缘和中心激光熔覆层在相同或者相近的激光加工工艺参数下形成。
所述的多个辅助半导体激光器2安装在所述主半导体激光器1的四周的位置关系为多个辅助半导体激光器2紧邻所述主半导体激光器1且均匀分布在所述主半导体激光器1的四周，且多个辅助半导体激光器2所安装的点相互依次连接可以组成等边多边形，所述主半导体激光器1所安装的点位于等边多边形的中心处。
优选地，主半导体激光器1和辅助半导体激光器2为输出相同波长的半导体激光器，辅助半导体激光器2的个数至少为三个，辅助半导体激光器2的数量越多最后激光系统输出光斑上的能量分布就越均匀，最后形成的每条激光熔覆带的可靠性就越高；为保证输出光斑上能量的均匀分布，一般辅助半导体激光器2的输出功率小于主半导体激光器1的输出功率，实现辅助半导体激光器2输出通过小于主半导体激光器1输出光斑中心区域能量的能量为光斑边缘区域的能量进行补偿。
优选地，主半导体激光器1输出的光斑直径大小为4～6mm，辅助半导体激光管输出的光斑直径大小为1～2mm，辅助半导体激光器2输出的光斑直径为主半导体激光器1输出的光斑直径的三分之一左右，主要为补偿主半导体激光器1输出的光斑边缘区域的能量。
所述的辅助半导体激光器2的光束输出端安装有聚焦镜，激光光束从半导体激光器输出后分别经过各自的聚焦镜进行光束聚焦，使得辅助半导体激光器2的激光光束发散程度小于所述主半导体激光器1激光光束的发散程度，进而实现所述主半导体激光器1发射的激光光束光斑进行扩展以及光斑外围上的能量分布进行补偿。
所述的辅助半导体激光器2的聚焦镜光束输出端安装有用于调节辅助半导体激光器2和所述主半导体激光器1之间边缘间隔的反射镜组3，使得辅助半导体激光器2输出的激光光束能够对所述主半导体激光器1发射的激光光束光斑进行扩展以及光斑外围上的能量分布进行补偿。
优选地，反射镜组3包括两篇成角度相向放置的反射镜，在两片反射镜的迎光面上镀有半导体激光器输出波长反射率大于99％的高反膜，在两片反射镜的背光面镀有半导体激光器输出波长透过率大于99％的高透膜。
所述的辅助半导体激光器2激光光束与所述主半导体激光器1的激光光束汇聚后的输出端安装有用于多光束进行整形和对输出光斑大小进行调节的光学整形模组4。
所述的光学整形模组4包括至少一个对光束进行汇聚的聚焦镜、至少一个对光束进行发散扩束的扩束镜以及一个准直镜；所述的聚焦镜和所述扩束镜可以移动；通过调节所述聚焦镜和所述扩束镜之间的距离实现对输出的激光光束的整形和光斑大小的调节。
优选地，聚焦镜和扩束镜的数量可以根据要求的具体光斑大小以及聚焦镜和扩束镜可以移动的距离进行决定；聚焦镜可采用平凸透镜或者双凸透镜，扩束镜可采用平凹透镜或者双凹透镜。
所述的聚焦镜、扩束镜和准直镜相对于激光光束输出方向安装的顺序依次为聚焦镜、扩束镜和准直镜或者依次为扩束镜、聚焦镜和准直镜。
所述的主半导体激光器1和辅助半导体激光器2的供电正负极分别连接与电流/电压监测装置、反馈电路和电源并联；所述的电流/电压监测装置用于检测所述主半导体激光器1和所述辅助半导体激光器2两端的实际电流/电源，通过所述反馈电路反馈的电流/电压的数值对所述主半导体激光器1和所述辅助半导体激光器2的激光输出功率进行调节，进而对输出光斑的能量大小进行调节。
所述的自动送粉机构包括送粉机、误差补偿性分粉器和送气泵；所述的误差补偿性分粉器通过软管与所述激光熔覆头的入粉端连通；所述的送粉机通过软管与所述误差补偿性分粉器连通；所述的送气泵输出端分别与所述激光熔覆头和所述误差补偿性分粉器的进气端连通。
优选地，通过送气泵降合金粉末送入到激光熔覆头中，通过控制送气泵的送气速度进而控制将合金粉末送入到激光熔覆头中的速度以及一次性送入到激光熔覆头中合金粉末的数量。
以上所述仅为本发明/发明的实施例，并非因此限制本发明/发明的专利范围，凡是利用本发明/发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明/发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，其特征在于：它包括半导体激光器模组、激光熔覆头和自动送粉机构；所述的半导体激光器模组的激光光束输出端的光纤激光头上套接有所述激光熔覆头；所述的自动送粉机构通过软管将合金粉末送入到所述激光熔覆头的内部实现激光光束和熔化的合金粉末同步输出的激光熔覆。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，其特征在于：所述的半导体激光器模组包括一个主半导体激光器和多个辅助半导体激光器；所述的多个辅助半导体激光器安装在所述主半导体激光器的四周，且与所述主半导体激光器沿同一方向发射激光光束；所述的辅助半导体激光器发射的激光光束实现对所述主半导体激光器发射的激光光束光斑进行扩展以及光斑外围上的能量分布进行补偿，使得从光纤激光头发射的激光光束的光斑上的能量均匀分布，在每条激光熔覆带的形成过程中使得激光熔覆带边缘和中心激光熔覆层在相同或者相近的激光加工工艺参数下形成。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，其特征在于：所述的多个辅助半导体激光器安装在所述主半导体激光器的四周的位置关系为多个辅助半导体激光器紧邻所述主半导体激光器且均匀分布在所述主半导体激光器的四周，且多个辅助半导体激光器所安装的点相互依次连接可以组成等边多边形，所述主半导体激光器所安装的点位于等边多边形的中心处。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，其特征在于：所述的辅助半导体激光器的光束输出端安装有聚焦镜，激光光束从半导体激光器输出后分别经过各自的聚焦镜进行光束聚焦，使得辅助半导体激光器的激光光束发散程度小于所述主半导体激光器激光光束的发散程度，进而实现所述主半导体激光器发射的激光光束光斑进行扩展以及光斑外围上的能量分布进行补偿。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，其特征在于：所述的辅助半导体激光器的聚焦镜光束输出端安装有用于调节辅助半导体激光器和所述主半导体激光器之间边缘间隔的反射镜组，使得辅助半导体激光器输出的激光光束能够对所述主半导体激光器发射的激光光束光斑进行扩展以及光斑外围上的能量分布进行补偿。
6.根据权利要求2所述的一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，其特征在于：所述的辅助半导体激光器激光光束与所述主半导体激光器的激光光束汇聚后的输出端安装有用于多光束进行整形和对输出光斑大小进行调节的光学整形模组。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，其特征在于：所述的光学整形模组包括至少一个对光束进行汇聚的聚焦镜、至少一个对光束进行发散扩束的扩束镜以及一个准直镜；所述的聚焦镜和所述扩束镜可以移动；通过调节所述聚焦镜和所述扩束镜之间的距离实现对输出的激光光束的整形和光斑大小的调节。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，其特征在于：所述的聚焦镜、扩束镜和准直镜相对于激光光束输出方向安装的顺序依次为聚焦镜、扩束镜和准直镜或者依次为扩束镜、聚焦镜和准直镜。
9.根据权利要求2所述的一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，其特征在于：所述的主半导体激光器和辅助半导体激光器的供电正负极分别连接与电流/电压监测装置、反馈电路和电源并联；所述的电流/电压监测装置用于检测所述主半导体激光器和所述辅助半导体激光器两端的实际电流/电源，通过所述反馈电路反馈的电流/电压的数值对所述主半导体激光器和所述辅助半导体激光器的激光输出功率进行调节，进而对输出光斑的能量大小进行调节。
10.根据权利要求1所述的一种基于激光熔覆的半导体激光器系统，其特征在于：所述的自动送粉机构包括送粉机、误差补偿性分粉器和送气泵；所述的误差补偿性分粉器通过软管与所述激光熔覆头的入粉端连通；所述的送粉机通过软管与所述误差补偿性分粉器连通；所述的送气泵输出端分别与所述激光熔覆头和所述误差补偿性分粉器的进气端连通。
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