CN111041474A - 一种高功率激光熔覆头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率激光熔覆头。该激光熔覆头的半导体激光叠阵的全部出射光先进行快慢轴准直，然后半导体激光叠阵上半部分准直光束被条纹镜透射后再被间隔一定距离反射镜反射，下半部分准直光束被条纹透射后，与上半部分的反射光合束，从而填充到半导体激光叠阵上各巴条之间不发光的死区，形成一个近似完整的光斑，接着通过聚焦镜和扩束镜按照一定比例压缩光束宽度，进入万花筒匀化镜中，最终形成均匀的光斑，从而使得在进行激光熔覆作业时粉末受热均匀，大大提高了激光熔覆的效果。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，具体涉及一种高功率激光熔覆头。
背景技术
激光熔覆技术是激光加工技术的一个重要的应用方面，是一种新型的材料加工与表面改性技术，涉及物理、化学、冶金、材料科学等领域。其研究历史可追溯到20世纪70年代。1974年国外申请人提出并申请了一份采用激光熔覆技术熔覆金属于金属基体的方法专利。进入80年代，激光熔覆技术已经发展成为表面工程、摩擦学、应用激光等领域的前沿性课题，可以在低成本钢板上制成高性能表面，代替大量的高级合金，以节约贵重、稀有的金属材料，提高材料的综合性能，降低能源消耗，适用于局部易磨损、剥蚀、氧化及腐蚀等零部件，受到了国内外的普遍重视；到90年代后，相关科学研究与应用开发得到快速发展。现已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经过激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层。显著改善了基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的。
激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料,对环境无污染。因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。
激光熔覆具有以下特点：
(1)冷却速度快(高达106K/s)，属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等；
(2)涂层稀释率低(一般小于5％)，与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控；
(3)热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内；
(4)粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金；
(5)熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0mm；
(6)能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；
(7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷；
(8)工艺过程易于实现自动化。
目前激光熔覆的技术路线主要包括两种：(1)采用高功率半导体激光器叠阵作为光源；(2)采用光纤激光器或者光纤耦合半导体激光器作为光源。前者能够实现大光斑输出，具有更高的电光效率，目前在市场上得到了较为广泛的应用。但是半导体激光器叠阵的输出光斑均匀性较差，如图1所示，在熔覆过程中导致粉末受热不均匀，导致熔覆的工件表面一致性较差。因此，必须通过光学整形方法对半导体激光器叠阵光斑进行整形，得到均匀的光斑。
发明内容
为了解决现有技术中采用半导体激光器叠阵进行激光熔覆时出现的输出光斑均匀性较差导致熔覆过程粉末受热不均匀，导致熔覆的工件表面一致性较差的问题，本发明提供了一种高功率激光熔覆头。
本发明的基本原理是：
首先半导体激光叠阵的全部出射光先进行快慢轴准直，然后半导体激光叠阵上半部分准直光束被条纹镜透射后再被间隔一定距离反射镜反射，下半部分准直光束被条纹透射后，与上半部分的反射光合束，从而填充到半导体激光叠阵上各巴条之间不发光的死区，形成一个近似完整的光斑。接着通过聚焦镜和扩束镜按照一定比例压缩光束宽度，进入万花筒匀化镜中，最终形成均匀的光斑。
本发明的具体技术方案如下：
本发明提供了一种高功率激光熔覆头，包括半导体激光器叠阵、条纹镜、反射镜、聚焦镜、扩束镜以及万花筒匀化镜；
半导体激光器叠阵的出射光分为上半部分出射光和下半部分出射光；
条纹镜倾斜放置在半导体激光器叠阵的出光方向上，且条纹镜的尺寸覆盖半导体激光器叠阵的所有出射光；所述条纹镜的条纹间距与半导体激光器叠阵上巴条间距相同；
上半部分出射光经过条纹镜上半部分透射后，再被反射镜反射，从而形成第一光束组；
下半部分出射光经过条纹镜下半部分透射后形成第二光束组；
第一光束组和第二光束组合束后依次经过聚焦镜、扩束镜以及万花筒匀化镜后形成均匀光斑。
进一步地，上述条纹镜和反射镜之间的距离需要满足以下关系：
当半导体激光器叠阵上巴条数目n为奇数时：
d＝n/2×a；
当半导体激光器叠阵1上巴条10数目n为偶数时：
d＝(n-1)/2×a；
d为条纹镜和反射镜之间的垂直距离，a为相邻两个巴条的间距。
进一步地，上述条纹镜的倾斜角为45度，反射镜的倾斜角为45度。
进一步地，上述扩束镜与万花筒匀化镜之间的光路上设有至少一个聚焦镜。
进一步地，上述万花筒匀化镜为N边形结构，N≥4。
进一步地，上述激光熔覆头还包括若干个快轴准直镜以及若干个慢轴准直镜；半导体激光器叠阵的每个巴条分别对应有一个快轴准直镜以及一个慢轴准直镜。
本发明具有以下技术效果：
1、本发明通过条纹镜、反射镜、聚焦镜、扩束镜以及万花筒匀化镜构成的一个较为简单的光路，制作成本较低。利用条纹镜的透射和反射兼备的特性，使得半导体激光器叠阵各巴条之间的死区被补偿，实现了半导体激光器叠阵的均匀光斑输出，从而使得粉末受热均匀，大大提高了激光熔覆的效果。
2、本发明通过使用边数、长度、端面尺寸的万花筒匀化镜，可产生不同光斑的形状以满足不同的场景要求。
附图说明
图1为半导体激光器叠阵未整形的光斑形状；
图2为激光熔覆头的结构示意图；
图3为图2中反射镜及条纹镜的关系示意图；
图4为不同形状万花筒匀化镜对叠阵光斑匀化后得到的光斑形状及能量分布图；
图5为不同尺寸与距离方形万花筒匀化镜对叠阵光斑匀化后的能量分布图。
附图标记如下：
1-半导体激光器叠阵，2-快轴准直镜，3-快慢轴准直镜，4-条纹镜，5-反射镜，6-聚焦镜，7-扩束镜，8-聚焦镜，9-万花筒匀化镜，10-巴条。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高功率激光熔覆头。作进一步详细说明。根据下面说明本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如图2和图3所示，一种高功率激光熔覆头，包括半导体激光器叠阵1、条纹镜4、反射镜5、聚焦镜6、扩束镜7以及万花筒匀化镜9；
半导体激光器叠阵1的出射光分为上半部分出射光和下半部分出射光；需要说明的是：该激光熔覆头中半导体激光器叠阵1的每个巴条10出射光路上均依次设置一个快轴准直镜2以及一个慢轴准直镜3。
条纹镜4倾斜放置在半导体激光器叠阵1的出光方向上，且条纹镜4的尺寸覆盖半导体激光器叠阵1的所有出射光；条纹镜4的条纹间距与半导体激光器叠阵1上巴条10间距相同；条纹镜4和反射镜5需要满足如下关系：
θ1＝θ2，即条纹镜与反射镜需保持相互平行；
当半导体激光器叠阵1上巴条10数目n为奇数时：
d＝n/2×a；
当半导体激光器叠阵1上巴条10数目n为偶数时：
d＝(n-1)/2×a；
d为条纹镜和反射镜之间的垂直距离，a为相邻两个巴条的距离；θ1为条纹镜4的倾斜角(优选θ1为45°)，θ2为反射镜5的倾斜角(优选θ2为45°)。
上半部分出射光经过条纹镜4上半部分透射后，再被反射镜5反射，从而形成第一光束组；
下半部分出射光经过条纹镜下半部分透射后形成第二光束组；
第一光束组和第二光束组合束后依次经过聚焦镜6、扩束镜7以及万花筒匀化镜9后形成均匀光斑。
优选地，为了满足不同的光斑需求，扩束镜7与万花筒匀化镜9之间的光路上可以再设置至少一个聚焦镜8。
优选地，通过使用边数、长度、端面尺寸的万花筒匀化镜9，可产生不同光斑的形状以满足不同的场景要求
现以15个巴条的半导体激光器叠阵为例，将采用不同万花筒匀化镜进行光斑匀化的效果进行说明：
首先半导体激光器叠阵上半部分的准直光束被条纹镜透射后再被间隔一定距离镀反射膜的反射，下半部分的准直光束被条纹镜透射后，与上半部分反射光合束，从而填充到巴条之间不发光的死区。接着通过聚焦镜、扩束镜最后进入方形万花筒中。使用的方形万花筒匀化镜长度为400mm端面边长为2mm，结果得到均匀度93.2％的2mm×2mm方形匀化光斑。
不同形状万花筒匀化镜对光斑匀化的效果
若要缩短系统长度可适当增加万花筒匀化镜边数，例如换成五边形、六边形的万花筒匀化镜。模拟方形、五边形、六边形的万花筒得到不同距离探测面的能量分布，如图4所示，可以看出增加边数可以减小匀化面的距离，但是对于大于六边形的偶数正N边形，其光强分布不一定更均匀，因为边数增加时端面形状趋近于圆形，光斑能量分布会导致汇聚作用。
不同尺寸与距离方形万花筒匀化镜对叠阵光斑匀化后的效果
对于方形万花筒匀化镜，分别改变其端面边长与探测面的距离，得到的光斑能量分布.如图5所示，光斑的匀化效果取决于万花筒的长度和端面尺寸，端面尺寸越小，长度越大，匀化效果越好，可以看出端面边长增大与探测距离减小都会使光斑均匀性变差。
最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (6)
1.一种高功率激光熔覆头，包括半导体激光器叠阵，其特征在于，还包括条纹镜、反射镜、聚焦镜、扩束镜以及万花筒匀化镜；
半导体激光器叠阵的出射光分为上半部分出射光和下半部分出射光；
条纹镜倾斜放置在半导体激光器叠阵的出光方向上，且条纹镜的尺寸覆盖半导体激光器叠阵的所有出射光；所述条纹镜的条纹间距与半导体激光器叠阵上巴条间距相同；
上半部分出射光经过条纹镜上半部分透射后，再被反射镜反射，从而形成第一光束组；
下半部分出射光经过条纹镜下半部分透射后形成第二光束组；
第一光束组和第二光束组合束后依次经过聚焦镜、扩束镜以及万花筒匀化镜后形成均匀光斑。
2.根据权利要求1所述的高功率激光熔覆头，其特征在于：所述条纹镜和反射镜之间的距离需要满足以下关系：
当半导体激光器叠阵上巴条数目n为奇数时：
d＝n/2×a；
当半导体激光器叠阵上巴条数目n为偶数时：
d＝(n-1)/2×a；
d为条纹镜和反射镜之间的垂直距离；a为相邻两个巴条的间距。
3.根据权利要求2所述的高功率激光熔覆头，其特征在于：所述条纹镜的倾斜角为45度，反射镜的倾斜角为45度。
4.根据权利要求3所述的高功率激光熔覆头，其特征在于：所述扩束镜与万花筒匀化镜之间的光路上设有至少一个聚焦镜。
5.根据权利要求4所述的高功率激光熔覆头，其特征在于：所述万花筒匀化镜为N边形结构，N≥4。
6.根据权利要求5所述的高功率激光熔覆头，其特征在于：所述激光熔覆头还包括若干个快轴准直镜以及若干个慢轴准直镜；半导体激光器叠阵的每个巴条分别对应有一个快轴准直镜以及一个慢轴准直镜。
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