CN112011795A - 一种宽光斑激光能量回收装置和激光熔覆头装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种宽光斑激光能量回收装置和激光熔覆头装置，所述宽光斑激光能量回收装置包括积分镜和反光罩，反光罩设置于积分镜的反射光路上，积分镜向反光罩反射输出宽光斑激光束，反光罩上形成有通光孔，通光孔的外形与宽光斑激光束相匹配，宽光斑激光束全部穿过通光孔，反光罩的下表面形成反光区和清洁区，反光区上形成有反光面，反光面能够按原光路反射来自宽光斑激光束焦点的光束，反光罩内形成有气腔，清洁区上形成有吹扫气路，吹扫气路将气腔和反光面连通。本发明通过创新设置宽光斑激光能量回收装置，将熔池反射光以反射的形式再次返回至熔池，提高了激光能量的利用率，对人和设备更安全，解决了激光熔覆技术的发展瓶颈问题。

Description

一种宽光斑激光能量回收装置和激光熔覆头装置

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其是涉及一种宽光斑激光能量回收装置和激光熔覆头装置。

背景技术

零部件腐蚀是机械设备损伤的主要原因，零部件防蚀能力的优劣直接关系到机械设备的安全运行，通过激光将熔覆材料熔覆在工件表面是最近发展起来的防腐蚀技术，然而熔覆过程中，基材及熔覆材料不能完全吸收能量，经测算统计激光吸收率不足一半，其余大部分以反射光的形式浪费掉，且这部分反射光不仅是能量的的浪费，更会损伤人或设备，然而目前激光熔覆头都没有能量回收装置，阻碍了激光熔覆技术的发展。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出一种宽光斑激光能量回收装置和激光熔覆头装置，通过创新设置的宽光斑激光能量回收装置，将熔池反射光以反射的形式再次返回至熔池，提高激光能量的利用率，对人和设备更安全，本发明结构简单可靠，解决了激光熔覆技术的发展瓶颈问题。

一种宽光斑激光能量回收装置，包括：积分镜5和反光罩6，所述反光罩6设置于所述积分镜5的反射光路上，所述积分镜5向所述反光罩6反射输出宽光斑激光束1，所述反光罩6上形成有通光孔，所述通光孔的外形与所述宽光斑激光束1相匹配，所述宽光斑激光束1全部穿过所述通光孔，所述反光罩6的下表面形成反光区和清洁区，所述反光区上形成有反光面10，所述反光面10能够按原光路反射来自宽光斑激光束1焦点的光束，所述反光罩内形成有气腔7，所述清洁区上形成有吹扫气路9，所述吹扫气路9将所述气腔7和所述反光面10连通。

进一步的根据本发明所述的宽光斑激光能量回收装置，其中所述宽光斑激光束1具有矩形光斑焦点，所述通光孔为沿反光罩厚度从上至下从大到小渐变的椭圆锥孔，所述椭圆锥孔的形状相似于所述宽光斑激光束1的外形，在同一截面同一方向上所述椭圆锥孔的尺寸大于所述宽光斑激光束1的尺寸。

进一步的根据本发明所述的宽光斑激光能量回收装置，其中所述反光面10为以所述宽光斑激光束1的矩形光斑焦点长度方向的中心线为轴心的圆柱面或积分面，来自宽光斑激光束1矩形光斑焦点的光束入射到所述反光面10后，被所述反光面10按原光路反射至宽光斑激光束1的矩形光斑焦点处。

进一步的根据本发明所述的宽光斑激光能量回收装置，其中所述通光孔穿过反光面10的中央，且所述通光孔的椭圆锥孔的长轴方向平行于所述宽光斑激光束1的矩形光斑焦点长度方向的中心线，位于所述通光孔两侧的反光面10关于通光孔的椭圆锥孔的长轴对称。

进一步的根据本发明所述的宽光斑激光能量回收装置，其中还包括有盖板8，所述盖板8安装于所述反光罩下表面的清洁区上，所述气腔7的底面延伸至反光罩下表面的清洁区，并在清洁区形成气腔开口，所述盖板8将气腔开口封闭。

进一步的根据本发明所述的宽光斑激光能量回收装置，其中所述清洁区上形成有连通所述反光面和气腔的气路槽，所述盖板8覆盖所述气路槽，由所述盖板和气路槽共同形成所述吹扫气路9。

进一步的根据本发明所述的宽光斑激光能量回收装置，其中所述吹扫气路9在厚度方向形成为狭窄气路缝隙，所述吹扫气路在宽度方向的尺寸大于所述通光孔在反光面处的宽度，进入气腔内的吹扫气体从所述吹扫气路9吹出至所述反光面。

进一步的根据本发明所述的宽光斑激光能量回收装置，其中所述反光罩上形成有连通所述气腔7的进气口，所述进气口上安装有进气接口4，所述进气接口外接气源，来自气源的吹扫气体由进气接口4进入气腔7使气腔内的气体升压，升压后的气体从吹扫气路9迅速吹出，形成一道宽薄气带并吹出至反光面。

进一步的根据本发明所述的宽光斑激光能量回收装置，其中所述反光罩6的内部围绕通光孔形成循环水冷却通道，所述反光罩上形成连通循环水冷却通道的进水口和出水口，所述进水口上安装有进水接口2，所述出水口上安装有出水接口3，所述进水接口2和出水接口3分别外接冷水机的进出水口。

一种激光熔覆头装置，包括激光器、准直系统和本发明所述的宽光斑激光能量回收装置，所述激光器输出激光束，并经所述准直系统整形为圆柱形激光束，所述积分镜5将圆柱形激光束反射至反光罩6，并将所述圆柱形激光束通过反射形成为具有矩形光斑焦点的所述宽光斑激光束1。

本发明的主要创新技术及其技术效果至少包括：

1）本发明创新的将反光罩的通光孔设置为椭圆锥孔，适应光束的形状，开孔面积开到最小，最大限度的阻止反射光返回激光头。

2）本发明创新的在反光罩的下部设有圆柱面或积分面，将激光返回至熔池，提高了激光利用率的同时防止任何设备被激光损伤。

3）本发明创新的在反光罩的下部设有气体吹扫结构，保持反光面长时间清洁。

4）本发明创新的在反光罩内部设有水冷结构，可保持长时间的温度恒定。

综上，本发明提出的宽光斑激光能量回收装置，实现了宽光斑激光能量的回收，适应于大部分的宽光斑激光熔覆头，结构简单可靠，操作方便灵活，解决了现有激光熔覆技术的发展瓶颈问题，大大提高了激光熔覆的安全性、质量和效率，具有广阔的推广应用前景，同时本发明宽光斑激光能量回收装置的结构简单、操作方便和固定可靠，属于新一代宽光斑激光能量回收装置。

附图说明

图1为本发明所述的宽光斑激光能量回收装置的整体结构示意图。

图2为图1的A-A向剖面图。

图3为图2的左视图。

图中各附图标记的含义如下：

1、宽光斑激光束；2、进水接口；3、出水接口；4、进气接口；5、积分镜；6、反光罩；7、气腔；8、盖板；9、吹扫气路；10、反光面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

同时结合附图1至附图3，本发明所述的宽光斑激光能量回收装置，包括进水接口2、出水接口3、进气接口4、积分镜5、反光罩6、气腔7、盖板8、吹扫气路9和反光面10；积分镜5和反光罩6安装于宽光斑激光熔覆头的最下端，具体的积分镜5将来自外接准直系统的圆柱形激光束反射形成为矩形焦点的宽光斑激光束1，反光罩6设置于积分镜5的反射光路上。

所述反光罩6的中部形成有供反射后的宽光斑激光束1通过的通光孔，通光孔为从上至下从大到小渐变的椭圆锥孔，椭圆锥孔形状相似于宽光斑激光束1外形，在同一截面上椭圆锥孔的尺寸大于或略大于宽光斑激光束1的尺寸，椭圆锥孔完全适应宽光斑激光束的形状且开孔面积开到最小，并使得宽光斑激光束1能够全部穿过椭圆锥孔，并最大程度的防止宽光斑激光束1在穿过通光孔时返回至熔覆头。

所述反光罩6的内部围绕通光孔形成有循环水冷却通道，且在反光罩6的右侧形成有进水口和出水口，进水口和出水口连通于循环水冷却通道，且在进水口上安装有进水接口2，在出水口上安装有出水接口3，进水接口2和出水接口3分别外接冷水机的进出水口，通过循环水冷却通道使得反光罩能够长时间保持温度恒定，进而可以长时间使用。

在所述反光罩6的下表面形成反光区和清洁区，在反光区上形成有反光面10，反光面10形成为以宽光斑激光束1矩形焦点的长度方向的中心线为轴心的圆柱面或积分面，当宽光斑激光束1在其矩形焦点处（熔覆工件表面）发生反射时，反射光束按原路反射回反光面10，可再次被反光面反射至其矩形焦点处，实现了激光束能量的再回收利用。的通光孔优选的沿反光面10的正中央穿过反光面。

在所述反光罩6的内部形成有气腔7，反光罩6的右侧形成有进气口，进气口连通于气腔，在进气口上安装有进气接口4，进气接口4外接气源。气腔的底面延伸至反光罩下表面的清洁区，并在清洁区形成气腔开口，盖板8安装于反光罩下表面的清洁区上，且盖板8将气腔开口封闭，在清洁区上形成有连通反光面和气腔的气路槽，盖板8同时覆盖气路槽，并由盖板和气路槽共同形成吹扫气路9，吹扫气路9优选为上下距离为一个狭窄的气路缝隙，但吹扫气路的宽度大于反光面上通光孔的最大宽度，吹扫气体由进气接口进入气腔7后使整个气腔7升压，升压后的气体从吹扫气路迅速流出形成一道宽薄的气带，熔池发出的烟尘和飞溅均被气带吹走，使反光面10的表面长期保持清洁。盖板8优选的通过螺钉安装于反光罩6下表面的清洁区。

综上，本发明提出的宽光斑激光能量回收装置，实现了激光熔覆头数据化判断保护镜的更换时机，结构简单可靠，操作方便灵活，解决了现有激光熔覆技术的发展瓶颈问题，大大提高了激光熔覆的安全性、质量和效率，具有广阔的推广应用前景，同时本发明宽光斑激光能量回收装置的结构简单、操作方便和固定可靠，属于新一代宽光斑激光能量回收装置。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (10)

1.一种宽光斑激光能量回收装置，其特征在于，包括：积分镜（5）和反光罩（6），所述反光罩（6）设置于所述积分镜（5）的反射光路上，所述积分镜（5）向所述反光罩（6）反射输出宽光斑激光束（1），所述反光罩（6）上形成有通光孔，所述通光孔的外形与所述宽光斑激光束（1）相匹配，所述宽光斑激光束（1）全部穿过所述通光孔，所述反光罩（6）的下表面形成反光区和清洁区，所述反光区上形成有反光面（10），所述反光面（10）能够按原光路反射来自宽光斑激光束（1）焦点的光束，所述反光罩内形成有气腔（7），所述清洁区上形成有吹扫气路（9），所述吹扫气路（9）将所述气腔（7）和所述反光面（10）连通。

2.根据权利要求1所述的宽光斑激光能量回收装置，其特征在于，所述宽光斑激光束（1）具有矩形光斑焦点，所述通光孔为沿反光罩厚度从上至下从大到小渐变的椭圆锥孔，所述椭圆锥孔的形状相似于所述宽光斑激光束（1）的外形，在同一截面同一方向上所述椭圆锥孔的尺寸大于所述宽光斑激光束（1）的尺寸。

3.根据权利要求2所述的宽光斑激光能量回收装置，其特征在于，所述反光面（10）为以所述宽光斑激光束（1）的矩形光斑焦点长度方向的中心线为轴心的圆柱面或积分面，来自宽光斑激光束（1）矩形光斑焦点的光束入射到所述反光面（10）后，被所述反光面（10）按原光路反射至宽光斑激光束（1）的矩形光斑焦点处。

4.根据权利要求3所述的宽光斑激光能量回收装置，其特征在于，所述通光孔穿过反光面（10）的中央，且所述通光孔的椭圆锥孔的长轴方向平行于所述宽光斑激光束（1）的矩形光斑焦点长度方向的中心线，位于所述通光孔两侧的反光面（10）关于通光孔的椭圆锥孔的长轴对称。

5.根据权利要求1-4任一项所述的宽光斑激光能量回收装置，其特征在于，还包括有盖板（8），所述盖板（8）安装于所述反光罩下表面的清洁区上，所述气腔（7）的底面延伸至反光罩下表面的清洁区，并在清洁区形成气腔开口，所述盖板（8）将气腔开口封闭。

6.根据权利要求5所述的宽光斑激光能量回收装置，其特征在于，所述清洁区上形成有连通所述反光面和气腔的气路槽，所述盖板（8）覆盖所述气路槽，由所述盖板和气路槽共同形成所述吹扫气路（9）。

7.根据权利要求1-6任一项所述的宽光斑激光能量回收装置，其特征在于，所述吹扫气路（9）在厚度方向形成为狭窄气路缝隙，所述吹扫气路在宽度方向的尺寸大于所述通光孔在反光面处的宽度，进入气腔内的吹扫气体从所述吹扫气路（9）吹出至所述反光面。

8.根据权利要求7所述的宽光斑激光能量回收装置，其特征在于，所述反光罩上形成有连通所述气腔（7）的进气口，所述进气口上安装有进气接口（4），所述进气接口外接气源，来自气源的吹扫气体由进气接口（4）进入气腔（7）使气腔内的气体升压，升压后的气体从吹扫气路（9）迅速吹出，形成一道宽薄气带并吹出至反光面。

9.根据权利要求1-9任一项所述的宽光斑激光能量回收装置，其特征在于，所述反光罩（6）的内部围绕通光孔形成循环水冷却通道，所述反光罩上形成连通循环水冷却通道的进水口和出水口，所述进水口上安装有进水接口（2），所述出水口上安装有出水接口（3），所述进水接口（2）和出水接口（3）分别外接冷水机的进出水口。

10.一种激光熔覆头装置，其特征在于，包括激光器、准直系统和权利要求1-9任一项所述的宽光斑激光能量回收装置，所述激光器输出激光束，并经所述准直系统整形为圆柱形激光束，所述积分镜（5）将圆柱形激光束反射至反光罩（6），并将所述圆柱形激光束通过反射形成为具有矩形光斑焦点的所述宽光斑激光束（1）。

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