CN111471992B - 一种应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统，包含有高功率激光模块、靶面叠加式激光镜片模组、水冷模块、送粉模块及保护气模块；高功率激光模块与靶面叠加式激光镜片模组相连，水冷模块分别与高功率激光模块及靶面叠加式激光镜片模组相连，送粉模块及保护气模块均与靶面叠加式激光镜片模组相连；本发明主要用于生成靶面叠加的混合双激光光束，以替代传统的单激光光束作用到激光熔覆技术上。本发明的优点有：结构简单，成本低，光束可调节性强，抗高反能力强，粉末穿透能力好，能解决急冷急热产生的应力问题，能提高激光熔覆效率与粉末利用率，双光束在传输过程中不会产生明显的损耗，能避免产生额外的热效应。

Description

一种应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体的说是涉及一种应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统。

背景技术

双激光光束作为一种新兴的技术，将是超高速激光熔覆技术的理想光源之一。与常规单束激光加工相比，业界已证实双光束激光加工具有显著的优越性，如可减少加工缺陷、开裂，提高加工效率，改善加工质量。双激光束加工目前多用于焊接领域，而对于双光束激光熔覆的研究还比较少。在现有技术中，有相关文献提出了采用一定光束间距的并联双激光光束进行铸铁表面熔覆技术，模拟时发现双激光光束有效提高了熔覆效率，并且相邻两熔道可彼此预热与缓冷，降低了熔覆过程中激光急剧升温与冷却产生的巨大温度梯度，有效减少了熔层和结合区的残余应力，达到了抑制裂纹产生的效果。由此可知，双激光光束应用在激光熔覆工艺上不仅有助于解决裂纹缺陷、稀释率过大等问题，还能有效地提高激光熔覆的工作效率。但目前关于双激光光束在激光熔覆工艺上的应用主要停留在理论模拟上，还没有进行相应的激光熔覆实验。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统，以获得混合型双激光光束，通过将其实实在在的应用至激光熔覆或激光焊接上，克服传统激光熔覆工艺仅停留在理论模拟上而没有转化为实践的问题，本发明提供的应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组，不仅可以提高激光加工效率，并且还有效去除基材内应力。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统，包含有高功率激光模块、靶面叠加式激光镜片模组、水冷模块、送粉模块及保护气模块；所述高功率激光模块与所述靶面叠加式激光镜片模组相连，所述水冷模块分别与所述高功率激光模块及靶面叠加式激光镜片模组相连，所述送粉模块及保护气模块均与所述靶面叠加式激光镜片模组相连；

其中，所述高功率激光模块、用于输出多路激光光束到所述靶面叠加式激光镜片模组中；

所述靶面叠加式激光镜片模组、用于将高功率激光模块输出的多路激光光束合成两束后、经过扩束、反射及扫描处理后输出为能在金属合金粉末上形成靶面叠加的混合双激光光束；

所述水冷模块、用于对高功率激光模块与靶面叠加式激光镜片模组进行水冷散热处理；

所述送粉模块、用于向靶面叠加式激光镜片模组输送激光熔覆所需的金属合金粉末；

所述保护气模块、用于向靶面叠加式激光镜片模组输送惰性保护气，以防止在激光熔覆过程金属合金粉末氧化和避免流体状的金属合金飞溅至靶面叠加式激光镜片模组内部。

上述技术方案中，所述高功率激光模块包含至少两个高功率激光器，且每个高功率激光器均与所述靶面叠加式激光镜片模组及水冷模块相连。

上述技术方案中，所述靶面叠加式激光镜片模组包含一个信号合束模块、一个QBH准直单元、一个光束扩束单元一个反射镜单元、一个f-θ场镜单元、一个保护镜单元、一个激光熔覆头及一个保护壳；

所述信号合束模块一端对应与高功率激光模块所包含的每个高功率激光器的输出端相连，另一端对应与所述QBH准直单元相连，所述QBH准直单元固定在保护壳一端；所述激光熔覆头固定在保护壳另一端；所述光束扩束单元、反射镜单元、f-θ场镜单元及保护镜单元均设置在保护壳内，且光束扩束单元布设在QBH准直单元的输出光路上，反射镜单元布设在光束扩束单元的输出光路上，f-θ场镜单元布设在反射镜单元的输出光路上，保护镜单元布设在f-θ场镜单元的输出光路上，激光熔覆头布设在保护镜单元的输出光路上；

其中，信号合束模块、用于将高功率激光模块输出的多路激光光束合成一束，并输入到QBH准直单元中；

QBH准直单元、用于将信号合束模块输出的合束激光光束分成两路独立激光光束，并分别输送到光束扩束单元中；

光束扩束单元、用于将由QBH准直单元输出的两路独立激光光束根据需要进行发射角减小，束腰半径变大处理，然后再以不同的入射角度入射至反射镜单元中；

反射镜单元、用于将由光束扩束单元输出的入射角度不同的两路独立激光光束以预设好的不同反射角度分别反射至f-θ场镜单元中；

f-θ场镜单元、用于根据需要调节由反射镜单元输出的反射角度不同的两路独立激光光束的作用范围，然后再将反射角度不同的两路独立激光光束透过保护镜单元输送到激光熔覆头中，并在由激光熔覆头输出的金属合金粉末上形成靶面叠加，与此同时对金属合金粉末进行加热；

保护镜单元用于防止在激光熔覆过程流体状的金属飞溅至靶面叠加式激光镜片模组内部。

上述技术方案中，在所述激光熔覆头内设有一个激光束传输通道、一个保护气输送通道及若干个送粉通道；所述激光束传输通道与保护镜单元出射端连通，所述保护气输送通道通过送气管与保护气模块连通，每个送粉通道通过一条送粉管与送粉模块连通。

上述技术方案中，所述信号合束模块为一个光纤合束器；

所述QBH准直单元为包含有两个QBH输出头的QBH准直器；

所述光束扩束单元为一个扩束镜；

所述反射镜单元为一个反射镜；

所述f-θ场镜单元为一个F-Theta扫描场镜；

所述保护镜单元为一个保护镜；

所述激光熔覆头为一个宽带激光熔覆头。

上述技术方案中，所述水冷模块为水冷机。

上述技术方案中，所述送粉模块为金属粉末送粉机。

上述技术方案中，所述保护气模块为惰性气体保护机。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)传统的双激光光束需要采用繁琐的光学镜片系统，包括光束整形器DOE，分束镜，焦点控制DOE等等，而本发明仅采用简单的靶面叠加式镜片模组就能实现双激光光束的靶面，并且光束可调节性非常强；

(2)本发明提供的靶面叠加式激光镜片模组可实现超高斯光束、M型光束、环形光束、螺旋光束及网格状光束等等各类双光束输出，并能在金属合金粉末上实现双光束靶面叠加，并能应用各类激光加工，比如激光熔覆，激光焊接，激光清洗，激光切割等等，该激光加工方式成本低、结构简单，抗高反能力强，粉末穿透能力好，不仅能解决急冷急热产生的应力问题，还能有效地提高激光熔覆效率和粉末利用率；

(3)本发明提供的靶面叠加式激光镜片模组不包含合束器与分束器，双光束在传输过程中不会产生明显的损耗，从而能避免产生额外的热效应。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中激光熔覆头的立体结构示意图；

图3为本发明中激光熔覆头的内部结构示意图；

图4为本发明的一种应用实施例示意图；

图5为本发明的另一种应用实施例示意图；

附图标记说明：100、高功率激光模块；101、高功率激光器；200、靶面叠加式激光镜片模组；201、信号合束模块；202、QBH准直单元；203、光束扩束单元；204、反射镜单元；205、f-θ场镜单元；206、保护镜单元；207、激光熔覆头；207a、激光束传输通道；207b、保护气输送通道；207c、送粉通道；300、水冷模块；400、送粉模块；500、保护气模块；600、金属合金粉末；700、激光束；800、冶金工件基体；900、工作台。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。

参阅图1所示，本发明提供的一种应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统，包含有高功率激光模块100、靶面叠加式激光镜片模组200、水冷模块300、送粉模块400及保护气模块500；其中，高功率激光模块100通过光纤与靶面叠加式激光镜片模组200相连，水冷模块300分别与高功率激光模块100及靶面叠加式激光镜片模组200通过水冷管道相连，送粉模块400通过送粉管道与靶面叠加式激光镜片模组200相连，保护气模块500通过送气管道与靶面叠加式激光镜片模组200相连；

其中，高功率激光模块100、用于输出多路激光光束到所述靶面叠加式激光镜片模组200中；

靶面叠加式激光镜片模组200、用于将高功率激光模块100输出的多路激光光束合成两束后、经过扩束、反射及扫描处理后输出为能在金属合金粉末上形成靶面叠加的混合双激光光束；

水冷模块300、用于对高功率激光模块100与靶面叠加式激光镜片模组200进行水冷散热处理；

送粉模块400、用于向靶面叠加式激光镜片模组200输送激光熔覆所需的金属合金粉末600；

保护气模块500、用于向靶面叠加式激光镜片模组200输送惰性保护气，以防止在激光熔覆过程金属合金粉末600氧化和避免流体状的金属合金飞溅至靶面叠加式激光镜片模组200内部的保护镜单元上。

具体的说，在本发明中，参阅图1所示，高功率激光模块100包含至少两个高功率激光器101，且每个高功率激光器101均与靶面叠加式激光镜片模组200及水冷模块300相连。

具体的说，在本发明中，参阅图1所示，靶面叠加式激光镜片模组200包含一个信号合束模块201、一个QBH准直单元202、一个光束扩束单元203、一个反射镜单元204、一个f-θ场镜单元205、一个保护镜单元206、一个激光熔覆头207及一个保护壳208；

其中，信号合束模块201一端对应与高功率激光模块100所包含的每个高功率激光器101的输出端相连，另一端对应与QBH准直单元202相连，QBH准直单元202固定在保护壳208一端；激光熔覆头207固定在保护壳208另一端；光束扩束单元203、反射镜单元204、f-θ场镜单元205及保护镜单元206均设置在保护壳208内，且光束扩束单元203布设在QBH准直单元202的输出光路上，反射镜单元204布设在光束扩束单元203的输出光路上，f-θ场镜单元205布设在反射镜单元204的输出光路上，保护镜单元206布设在f-θ场镜单元205的输出光路上，激光熔覆头207布设在保护镜单元206的输出光路上；

其中，信号合束模块201、用于将高功率激光模块100输出的多路激光光束合成一束，并输入到QBH准直单元202中；

QBH准直单元202、用于将信号合束模块201输出的合束激光光束分成两路独立激光光束，并分别输送到光束扩束单元203中；

光束扩束单元203、用于将由QBH准直单元202输出的两路独立激光光束根据需要进行发射角减小，束腰半径变大处理，然后再以不同的入射角度入射至反射镜单元204中；

反射镜单元204、用于将由光束扩束单元203输出的入射角度不同的两路独立激光光束以预设好的不同反射角度分别反射至f-θ场镜单元205中；

f-θ场镜单元205、用于根据需要调节由反射镜单元204输出的反射角度不同的两路独立激光光束的作用范围，然后再将反射角度不同的两路独立激光光束透过保护镜单元206输送到激光熔覆头207中，并在由激光熔覆头207输出的金属合金粉末600上形成靶面叠加，与此同时对金属合金粉末600进行加热；

保护镜单元206、用于防止在激光熔覆过程流体状的金属飞溅至靶面叠加式激光镜片模组200内部。

更具体的说，在本发明中，参阅图2和图3所示，在激光熔覆头207内设有一个激光束传输通道207a、一个保护气输送通道207b及若干个送粉通道207c；其中，激光束传输通道207a与保护镜单元206出射端连通，保护气输送通道207b通过送气管与保护气模块500连通，每个送粉通道207c通过一条送粉管与送粉模块400连通；激光束传输通道207a、保护气输送通道207b及每个送粉通道207c的出口在激光熔覆头207下端汇聚。

具体的说，作为本发明的一种优选例：信号合束模块201为一个布设在QBH准直单元202输入端上的光纤合束器；其作用是将由高功率激光模块100输出的多路激光光束进行合束。

具体的说，作为本发明的一种优选例：QBH准直单元202为包含有两个QBH输出头的QBH准直器；其作用是将经信号合束模块201输出的合束激光输出为两路独立激光光束。

具体的说，作为本发明的一种优选例：光束扩束单元203为一个布置在QBH准直单元202出射端光路上的扩束镜；其作用是对由QBH准直单元202输出的两路独立激光光束进行扩束，使其发射角减小，束腰半径变大，实现激光光束光斑大小调节，即使得QBH准直单元202输出的两路独立激光光束以不同的入射角度入射至反射镜单元204。

具体的说，作为本发明的一种优选例：反射镜单元204为一个布置在光束扩束单元203出射端光路上的反射镜；其作用是将经光束扩束单元203扩束处理输出的入射角度不同的两路独立激光光束以预先设计的角度分别反射至至f-θ场镜单元205。

具体的说，作为本发明的一种优选例：f-θ场镜单元205为一个布置在反射镜单元204反射端光路上的F-Theta扫描场镜；其作用是调节各光束作用范围，具体是将经反射镜单元204反射过来的两路独立激光光束透过保护镜单元206输送到激光熔覆头207中，使得这两路独立激光光束在激光熔覆头207输出的金属合金粉末600上形成靶面叠加。

具体的说，作为本发明的一种优选例：保护镜单元206为一个布置在f-θ场镜单元205出射端光路上的保护镜；其作用是防止在激光熔覆过程流体状的金属飞溅至靶面叠加式激光镜片模组100内部其它镜片上。

具体的说，作为本发明的一种优选例：激光熔覆头207为宽带激光熔覆头；

具体的说，作为本发明的一种优选例：水冷模块300为水冷机；

具体的说，作为本发明的一种优选例：送粉模块400为金属粉末送粉机；

具体的说，作为本发明的一种优选例：保护气模块500为惰性气体保护机；例如：输出氩气或氦气的惰性气体保护机。

当将本发明提供的靶面叠加式激光镜片模组系统应用到激光熔覆系统中对某个冶金工件基体800表面进行激光熔覆处理时，其操作过程具体如下：

步骤1、将本发明提供的靶面叠加式激光镜片模组系统安装到需要对上述某个冶金工件基体800进行激光熔覆加工的激光熔覆系统(图中未示出)上；

步骤2、将待进行表面激光熔覆加工处理的某个冶金工件基体800固定到激光熔覆加工的工作台900上；该工作台900可以是如图4所示的具有回转功能的工作台，也可以是如图5所示的具有水平移动功能的工作台，还可以是其它任何一种形式，其具体功能及结构样式是根据待激光熔覆加工处理的冶金工件基体800加工部位或结构形式确定的；

步骤3、将在步骤1中安装好的靶面叠加式激光镜片模组系统中的激光熔覆头207移动到在步骤2中安装好的冶金工件基体800上方，并将激光熔覆头207的出料口对准冶金工件基体800表面，参阅图4所示；

步骤4、同时启动高功率激光模块100、水冷模块300、送粉模块400及保护气模块500工作，通过高功率激光模块100向靶面叠加式激光镜片模组200提供激光束700，通过水冷模块300向高功率激光模块100及靶面叠加式激光镜片模组200提供冷却水，通过送粉模块400给靶面叠加式激光镜片模组200中的激光熔覆头207输送激光熔覆所需的金属合金粉末600，通过靶面叠加式激光镜片模组200的激光熔覆头207输出能在金属合金粉末600上形成靶面叠加的混合双激光光束700到冶金工件基体800上(混合双激光光束700与金属合金粉末600在激光熔覆头207与待加工的冶金工件基体800之间进行融合)，与此同时通过靶面叠加的混合双激光束700对金属合金粉末600进行加热；

步骤5、通过靶面叠加式激光镜片模组200中的激光熔覆头207将步骤4中被加热的金属合金粉末600注入到步骤3中已安装固定的冶金工件基体800表面上，开始对冶金工件基体800表面进行激光熔覆加工处理；

当上述冶金工件基体800为圆柱体状或管筒状时，需要熔覆加工处理的部位为其外圆周面，则上述工作台900呈如图4所示的具有回转功能的旋转体样式(例如机床的卡盘)；在对这种样式的冶金工件基体800进行激光熔覆加工处理时，则工作台900需带着冶金工件基体800在一起做旋转运动及前进运动，这样才能实现对上述冶金工件基体800的表面进行激光熔覆加工处理；

当上述冶金工件基体800为平板状时，需要熔覆加工处理的部位为其外表面，则上述工作台900呈如图5所示的具体水平移动功能的滑动体样式(例如底部带有滑道或导轨的平台)；在对其进行激光熔覆加工处理时，则需要工作台900需带着冶金工件基体800一起呈左右或前后来回移动，这样才能实现对上述冶金工件基体800的表面进行激光熔覆加工处理；

以此类推，工作台900的结构形式及工作方式要与该冶金工件基体800的形状及加工部位做相应调整；

步骤6、待此件冶金工件基体800表面激光熔覆加工完成，停止高功率激光模块100、水冷模块300、送粉模块400、保护气模块500及工作台900工作，并将表面激光熔覆加工完成的冶金工件基体800取下，结束此次操作，即完成冶金工件基体800表面激光熔覆处理。

若要进行下一个冶金工件基体800表面激光熔覆处理，重复上述步骤2至5即可。

最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本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的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统，其特征在于：包含有高功率激光模块（100）、靶面叠加式激光镜片模组（200）、水冷模块（300）、送粉模块（400）及保护气模块（500），所述高功率激光模块（100）与所述靶面叠加式激光镜片模组（200）相连，所述水冷模块（300）分别与所述高功率激光模块（100）及靶面叠加式激光镜片模组（200）相连，所述送粉模块（400）及保护气模块（500）均与所述靶面叠加式激光镜片模组（200）相连；

其中，所述高功率激光模块（100）用于输出多路激光光束到所述靶面叠加式激光镜片模组（200）中；所述靶面叠加式激光镜片模组（200）用于将高功率激光模块（100）输出的多路激光光束合成两束后、经过扩束、反射及扫描处理后输出为能在金属合金粉末上形成靶面叠加的混合双激光光束；所述水冷模块（300）用于对高功率激光模块（100）与靶面叠加式激光镜片模组（200）进行水冷散热处理；所述送粉模块（400）用于向靶面叠加式激光镜片模组（200）输送激光熔覆所需的金属合金粉末（600）；所述保护气模块（500）用于向靶面叠加式激光镜片模组（200）输送惰性保护气，以防止在激光熔覆过程金属合金粉末（600）氧化和避免流体状的金属合金飞溅至靶面叠加式激光镜片模组（200）内部；

其中，所述高功率激光模块（100）包含至少两个高功率激光器（101），且每个高功率激光器（101）均与所述靶面叠加式激光镜片模组（200）及水冷模块（300）相连；

所述靶面叠加式激光镜片模组（200）包含一个信号合束模块（201）、一个QBH准直单元（202）、一个光束扩束单元（203）、一个反射镜单元（204）、一个f-θ场镜单元（205）、一个保护镜单元（206）、一个激光熔覆头（207）及一个保护壳（208）；所述信号合束模块（201）一端对应与高功率激光模块（100）所包含的每个高功率激光器（101）的输出端相连，另一端对应与所述QBH准直单元（202）相连，所述QBH准直单元（202）固定在保护壳（208）一端；所述激光熔覆头（207）固定在保护壳（208）另一端；所述光束扩束单元（203）、反射镜单元（204）、f-θ场镜单元（205）及保护镜单元（206）均设置在保护壳（208）内，且光束扩束单元（203）布设在QBH准直单元（202）的输出光路上，反射镜单元（204）布设在光束扩束单元（203）的输出光路上， f-θ场镜单元（205）布设在反射镜单元（204）的输出光路上，保护镜单元（206）布设在f-θ场镜单元（205）的输出光路上，激光熔覆头（207）布设在保护镜单元（206）的输出光路上；

其中，信号合束模块（201）用于将高功率激光模块（100）输出的多路激光光束合成一束，并输入到QBH准直单元（202）中；

QBH准直单元（202）用于将信号合束模块（201）输出的合束激光光束分成两路独立激光光束，并分别输送到光束扩束单元（203）中；

光束扩束单元（203）用于将由QBH准直单元（202）输出的两路独立激光光束根据需要进行发射角减小，束腰半径变大处理，然后再以不同的入射角度入射至反射镜单元（204）中；

反射镜单元（204）用于将由光束扩束单元（203）输出的入射角度不同的两路独立激光光束以预设好的不同反射角度分别反射至f-θ场镜单元（205）中；

f-θ场镜单元（205）用于根据需要调节由反射镜单元（204）输出的反射角度不同的两路独立激光光束的作用范围，然后再将反射角度不同的两路独立激光光束透过保护镜单元（206）输送到激光熔覆头（207）中，并在由激光熔覆头（207）输出的金属合金粉末（600）上形成靶面叠加，与此同时对金属合金粉末（600）进行加热；

保护镜单元（206）用于防止在激光熔覆过程流体状的金属飞溅至靶面叠加式激光镜片模组（200）内部。

2.根据权利要求1所述的应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统，其特征在于：在所述激光熔覆头（207）内设有一个激光束传输通道（207a）、一个保护气输送通道（207b）及若干个送粉通道（207c）；所述激光束传输通道（207a）与保护镜单元（206）出射端连通，所述保护气输送通道（207b）通过送气管与保护气模块（500）连通，每个送粉通道（207c）通过一条送粉管与送粉模块（400）连通。

3.根据权利要求1所述的应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统，其特征在于：

所述信号合束模块（201）为一个光纤合束器；

所述QBH准直单元（202） 为包含有两个QBH输出头的QBH准直器；

所述光束扩束单元（203）为一个扩束镜；

所述反射镜单元（204）为一个反射镜；

所述f-θ场镜单元（205）为一个F-Theta 扫描场镜；

所述保护镜单元（206）为一个保护镜；

所述激光熔覆头（207）为一个宽带激光熔覆头。

4.根据权利要求1所述的应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统，其特征在于：所述水冷模块（300）为水冷机。

5.根据权利要求1所述的应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统，其特征在于：所述送粉模块（400）为金属粉末送粉机。

6.根据权利要求1所述的应用于激光熔覆的靶面叠加式激光镜片模组系统，其特征在于：所述保护气模块（500）为惰性气体保护机。

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