CN112853343B - 一种自变焦激光熔覆成形装置及方法 - Google Patents

一种自变焦激光熔覆成形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自变焦激光熔覆成形装置及方法，成形装置包括筒体，筒体上下两端分别设有入光口和出光口，入光口与出光口之间的筒体内设有光斑整形单元、光束整形单元、光束聚焦单元和送料单元；所述光斑整形单元用于将激光束整形为均匀光斑光束；所述光束整形单元用于将光束变换为圆环激光束；所述光束聚焦单元用于将圆环激光束转换为发散光束，然后将发散光束转换为会聚光束，通过调整发散光束的光距实现激光束焦点的变换；所述送料单元位于光束整形单元的下方，用于提供涂覆粉料，通过改变送粉距离使粉束焦点与激光束焦点重合。本装置结构简单，操作方便，且易于实现，可实现在熔覆装置无法探入的深孔工件或者表面起伏大的复杂工件上高效熔覆。

Description

一种自变焦激光熔覆成形装置及方法
技术领域
本发明涉及材料表面处理技术领域，具体涉及一种自变焦激光熔覆成形装置及方法。
背景技术
激光熔覆成形方法是一种通过利用高能密度激光束在基材表面使熔覆材料与基材表面薄层一起熔凝最终形成基材与熔覆材料冶金结合熔覆层的方法。在激光熔覆成形过程中，为应对深孔工件或者表面高度起伏较大变化的工件的连续熔覆加工并且实现高效率高质量熔覆的加工要求，进一步摆脱对车床及机器人控制的需求，需要实现对光斑聚焦长度的实时可变和粉斑尺寸的精确控制，而现有技术中，激光光斑到输出装置的距离很短并且为定值，不能满足要求。
现有激光加工和激光熔覆成形制造技术中，传统激光熔覆成形装置设计采用光斑居中粉斑在外的设计，如果单纯改变光斑焦距不改变粉斑焦距，会引起粉斑焦点与光斑焦点不重合，影响熔覆成形质量和粉末利用率；如果同时移动粉斑焦点，需要综合考虑保护气体设计及可灵活改变粉斑喷射方向的装置，增加了装置制作难度。
中国专利CN101774084A一种光、粉、气同轴输送激光熔覆成形制造的方法及装置，其采用圆锥形反射镜和圆环形聚焦镜，将L形送粉管置于圆环形光斑中央，实现光内送粉工艺，然而因普通激光束为能量分布集中在圆心处的高斯型激光束，对于这种入射激光束而言，直接采用圆锥形反射镜扩束激光器，存在两方面的问题：一方面激光能量损耗大，另一方面对圆锥形反射镜的材料和散热要求高。并且上述专利使用圆环形聚焦镜作为聚焦单元，由于圆环形聚焦镜形状固定而且位置受圆锥形反射镜反射的光束方向固定，无法实现激光熔覆成形装置自变焦设计。
因此，如何实现光斑焦距与粉斑焦距同时变焦，从而更好的满足加工要求，成为需要解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中光斑焦距与粉斑焦距无法同时变焦的问题，提供一种自变焦激光熔覆成形装置及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种自变焦激光熔覆成形装置，包括筒体，所述筒体上端设有入光口，筒体的下端设有出光口，所述入光口与出光口之间的筒体内设有光斑整形单元、光束整形单元、光束聚焦单元和送料单元；
所述光斑整形单元用于将激光束整形为能量均匀分布的均匀光斑光束并将其传输至光束整形单元；
所述光束整形单元用于将光束变换为圆环激光束，并将该圆环激光束传输至光束聚焦单元；
所述光束聚焦单元用于将圆环激光束转换为发散光束，然后将发散光束转换为会聚光束，通过调整发散光束的光距实现激光束焦点的变换；
所述送料单元位于光束整形单元的下方，用于提供涂覆粉料，通过改变送粉距离使粉束焦点与激光束焦点重合。
本发明的有益效果是：
1.本装置结构简单，操作方便，且易于实现，可实现在熔覆装置无法探入的深孔工件或者表面起伏大的复杂工件上高效熔覆。
2.本发明通过改变送粉距离，实现了激光熔覆成形自变焦过程中粉管到光斑焦点的距离不变，消除了焦点改变引起粉斑与光斑不重合的影响，极大提高了熔覆成形质量、效率和粉末利用率。
3.本发明把激光束变换为圆环激光束前使用光斑整形单元，将激光束光斑变换为能量分布均匀且光斑扩大的光束，激光能量损耗大大减小，经实际测算，激光能量损耗可实现超过60％的降幅。
4.简化了调焦方式增大了可变焦量程，且熔覆成形装置内避免了激光实焦点的存在并可实现长工作距离下的激光熔覆成形。
在上述技术方案的基础上，本发明为了达到使用的方便以及装备的稳定性，还可以对上述的技术方案作出如下的改进：
进一步，所述光斑整形单元包括圆形积分反射镜和准直扩束透镜，入射激光束从入光口以45°入射角入射到所述圆形积分反射镜，所述圆形积分反射镜将光束以45°出射角反射到所述准直扩束透镜，所述准直扩束透镜将光束传输至光束整形单元。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：将激光束光斑变换为能量分布均匀且光斑扩大的光束，使光束在后续的过程中激光能量损耗大大减小，并且降低了圆锥形反射镜的散热需求和制作难度。
进一步，所述光束整形单元包括圆锥形反射镜和内圆锥面反射镜，所述圆锥形反射镜和内圆锥面反射镜锥度相等、镜面相对且同轴放置，光束正入射至圆锥形反射镜的锥角，所述圆锥形反射镜将光束反射至内圆锥面反射镜，所述内圆锥面反射镜将光束反射形成圆环激光束并将该圆环激光束反射至光束聚焦单元。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：避开了中通送粉装置，将激光束有效整形至光斑所设定尺寸并通过出光口传输到所定位置，保证了激光能量高效率使用。
进一步，所述光束整形单元还包括反射镜支架，所述反射镜支架将所述圆锥形反射镜固定在筒体的中轴线上，所述反射镜支架表面涂有吸光膜。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：结构简单，操作方便，保证圆锥反射镜正常使用，吸光膜可避免反射镜支架对光束传输的干扰，保证光束正常传输。
进一步，所述反射镜支架内设有液路通道、粉管通道和水路通道。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：粉管通道保证粉料的正常传输，水路通道实现对反射镜和聚焦透镜的水冷降温，保证其正常使用。
进一步，所述送料单元位于反射镜支架下方。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：既能避免对光束传输的干扰，同时提供足够的空间，以便于对送料距离进行调整。
进一步，所述光束聚焦单元包括凹面聚焦透镜、凸面聚焦透镜和保护镜，所述圆环激光束入射至凹面聚焦透镜后形成发散光束，所述发散光束入射至凸面聚焦透镜形成会聚光束，所述会聚光束从出光口处的保护镜出射，所述会聚光束在工件表面形成激光束焦点，所述凹面聚焦透镜在筒体内可移动设置实现激光束焦点的变焦。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：采用组合聚焦透镜中透镜位置改变实现变焦，在相同装置尺寸情况下，变焦范围提高，选用正负分离，负组在前的组合透镜设计，简化了调焦方式增大了可变焦量程。
进一步，所述筒体内壁两侧设有丝杠和微型直线导轨，所述凹面聚焦透镜分别与丝杠和微型直线导轨连接，所述丝杠与微型电机连接，所述丝杠在微型电机的驱动下带动凹面聚焦透镜沿微型直线导轨移动。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：丝杠和微型直线导轨实现凹面聚焦透镜在筒体内位置的变化，从而实现激光束焦点的变化，结构简单，移动稳定。
进一步，所述送料单元包括送粉管，所述送粉管包括软管段和金属管段，所述软管段穿过筒体侧壁与筒体内的金属管段连接，所述金属管段一端与微型多级中空式液压缸连接，另一端贯穿所述光束聚焦单元由出光口伸出筒体外，所述微型多级中空式液压缸带动送粉管沿筒体轴向移动。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：采用软管和金属管连接，软管的柔性和余量以保证金属管在调节送粉距离时的有效连接，金属管的刚性来保证其在筒体内位置稳定性及送粉至聚焦点。
本发明还公开了一种自变焦激光熔覆成形方法，采用如上所述成形装置，具体步骤如下：
将入光口射入的光束整形为能量均匀分布的均匀光斑光束；将均匀光斑光束变为准直扩束均匀光斑光束；
将准直扩束均匀光斑光束转换为圆环激光束；
将圆环激光束转换为发散光束，然后将发散光束转换为会聚光束，所述会聚光束从出光口射出在工件上形成激光束焦点，通过调整发散光束的光距，实现聚焦光斑的变化；
将送料单元设置在圆环激光束的中空无光区中，调整送料单元的出料口的位置，使粉束焦点与激光束焦点重合。
本发明发明的有益效果是：粉束焦点与激光束焦点可实现自动聚焦，实现了对激光束聚焦长度的实时可变和粉束焦点位置的精确控制，满足了深孔工件或者表面高度起伏较大变化的工件的连续熔覆加工要求。
附图说明
图1为本申请自变焦激光熔覆成形装置的剖视图；
图2为本申请自变焦激光熔覆成形方法的短焦示意图；
图3为本申请自变焦激光熔覆成形方法的长焦示意图。
附图标记记录如下：1、筒体；1-1、入光口；1-2-1、圆形积分反射镜；1-2-2、准直扩束透镜；1-3-1、圆锥形反射镜；1-3-2、内圆锥面反射镜；1-3-3、反射镜支架；1-4-1、凹面聚焦透镜；1-4-1’、第二位置凹面聚焦透镜；1-4-2、凸面聚焦透镜；1-4-3、丝杠；1-4-4、微型直线导轨；1-4-5、保护镜；1-5-1、送粉管；1-5-2、微型多级中空式液压缸；1-6、出光口；2-1、入射激光束；2-2、均匀光斑光束；2-3、准直扩束均匀光斑光束；2-4、圆环激光束；2-5、发散光束；2-5’、第二发散光束；2-6、会聚光束；2-6’、第二会聚光束。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图3所示，一种自变焦激光熔覆成形装置，包括筒体1，所述筒体1呈L型，所述筒体1上端设有入光口1-1，筒体1的下端设有出光口1-6，激光束从所述筒体1起始处的入光口1-1入射，从出光口1-6出射，所述入光口1-1与出光口1-6之间的筒体1内设有光斑整形单元、光束整形单元、光束聚焦单元和送料单元；
所述光斑整形单元用于将激光束整形为能量均匀分布的均匀光斑光束2-2并将其传输至光束整形单元；
所述光束整形单元用于将光束变换为圆环激光束2-4，并将该圆环激光束2-4传输至光束聚焦单元；
所述光束聚焦单元用于将圆环激光束2-4转换为发散光束2-5，然后将发散光束2-5转换为会聚光束2-6，通过调整发散光束2-5的光距实现激光束焦点的变换；
所述送料单元位于光束整形单元的下方，用于提供涂覆粉料，通过改变送粉距离使粉束焦点与激光束焦点重合。
由激光器发出的入射激光束2-1从入光口1-1入射后首先传输到光斑整形单元，所述光斑整形单元包括圆形积分反射镜1-2-1和准直扩束透镜1-2-2，入射激光从入光口1-1以45°入射角入射到所述圆形积分反射镜1-2-1，圆形积分反射镜1-2-1与光轴呈45°夹角放置将入射圆形高斯能量分布光束整形为能量均匀分布的均匀光斑光束2-2，所述圆形积分反射镜1-2-1将均匀光斑光束2-2以45°出射角反射到所述准直扩束透镜1-2-2，准直扩束透镜1-2-2将均匀光斑光束2-2变为准直扩束均匀光斑光束2-3后进入光束整形单元。
所述光束整形单元包括圆锥形反射镜1-3-1和内圆锥面反射镜1-3-2，所述圆锥形反射镜1-3-1和内圆锥面反射镜1-3-2锥度相等、镜面相对且同轴放置，光束即准直扩束均匀光斑光束2-3正入射至圆锥形反射镜1-3-1的锥角，所述圆锥形反射镜1-3-1将光束反射至内圆锥面反射镜1-3-2，所述内圆锥面反射镜1-3-2将光束反射形成圆环激光束2-4并将该圆环激光束2-4反射至光束聚焦单元。圆环激光束2-4中央形成一个圆柱形中空无光区。
所述光束整形单元还包括反射镜支架1-3-3，反射镜支架1-3-3一端固定在筒体1上，另一端一端穿过圆环激光束2-4进入圆柱形中空无光区中，并将上述圆锥形反射镜1-3-1固定在筒体1中轴线上，所述反射镜支架1-3-3表面涂有吸光膜可吸收入射光，避免对光束传播的干扰。
所述反射镜支架1-3-3内设有液路通道、粉管通道和水路通道。
所述光束聚焦单元包括凹面聚焦透镜1-4-1、凸面聚焦透镜1-4-2和保护镜1-4-5，所述圆环激光束2-4正入射至凹面聚焦透镜1-4-1后形成发散光束2-5，所述发散光束2-5入射至凸面聚焦透镜1-4-2形成会聚光束2-6，所述会聚光束2-6从出光口1-6处的保护镜1-4-5出射，所述会聚光束2-6在工件表面形成激光束焦点，凸面聚焦透镜1-4-2固定在筒体1内壁上，所述凹面聚焦透镜1-4-1在筒体1内可移动设置实现激光束焦点的变焦。
所述筒体1内壁两侧设有丝杠1-4-3和微型直线导轨1-4-4，所述凹面聚焦透镜1-4-1分别与丝杠1-4-3和微型直线导轨1-4-4连接，所述丝杠1-4-3与微型电机连接，所述丝杠1-4-3在微型电机的驱动下带动凹面聚焦透镜1-4-1沿微型直线导轨1-4-4移动。凹面聚焦透镜1-4-1在筒体1内移动时可实现凹面聚焦透镜1-4-1相对凸面聚焦透镜1-4-2的位置改变，从保护镜1-4-5出射的会聚光束2-6在工件表面形成激光束焦点，随着凹面聚焦透镜1-4-1位置的改变，激光束焦点沿轴向不断移动，即实现光束自变焦。
所述送料单元位于反射镜支架1-3-3下方。所述送料单元包括送粉管1-5-1，所述送粉管1-5-1包括软管段和金属管段，送粉管1-5-1管口圆周方向设有沿粉管轴向输出的准直保护气出口，以保护镜1-4-5组不受粉尘影响。所述软管段穿过筒体1侧壁与筒体1内的金属管段连接，所述金属管段一端与微型多级中空式液压缸1-5-2连接，另一端贯穿所述光束聚焦单元由出光口1-6伸出筒体1外，所述微型多级中空式液压缸1-5-2带动送粉管1-5-1沿筒体1轴向移动，即完成送粉管1-5-1匹配自变焦距离运动，实现输出粉束焦点与激光束焦点重合。
所述凹面聚焦透镜1-4-1、凸面聚焦透镜1-4-2和保护镜1-4-5的中心位置具有送粉管1-5-1通孔。
在本实施例中，软管段从筒体1侧面进入，沿所述反射镜支架1-3-3底部进入圆柱形中空无光区内，在微型多级中空式液压缸1-5-2内转向并接到金属管段上。
一种自变焦激光熔覆成形方法，采用上面所述的成形装置，具体步骤如下：
将入光口1-1射入的入射激光束2-1整形为能量均匀分布的均匀光斑光束2-2，将均匀光斑光束2-2变为准直扩束均匀光斑光束2-3；
将准直扩束均匀光斑光束2-3转换为圆环激光束2-4；
将圆环激光束2-4转换为发散光束2-5，然后将发散光束2-5转换为会聚光束2-6，所述会聚光束2-6从出光口1-6射出在工件上形成激光束焦点，通过调整发散光束2-5的光距，实现聚焦光斑的变化；
将送料单元设置在圆环激光束2-4的中空无光区中，调整送料单元的出料口的位置，使粉束焦点与激光束焦点重合。
本申请具体实现长短自变焦的方法如下：
当激光熔覆成形需要短焦距时，如图2所示，微型电机驱动筒体1内微型直线丝杠1-4-3向上运动，实现凹面聚焦透镜1-4-1沿筒体1中轴线向上移动，形成筒体1激光自变短焦距，由凹面聚焦透镜1-4-1和凸面聚焦透镜1-4-2组成的组合聚焦镜的焦距变短，此凹面聚焦透镜1-4-1和凸面聚焦透镜1-4-2出射的光束分别为发散光束2-5和会聚光束2-6,同时，微型多级中空式液压缸1-5-2收缩，带动送粉管1-5-1沿筒体1中轴线向上移动，实现送粉管1-5-1末端与会聚光束2-6的激光焦点距离不变，即粉束焦点与激光束焦点重合。
当激光熔覆成形需要长焦距时，如图3所示，微型电机驱动筒体1内微型直线丝杠1-4-3向下运动，实现凹面聚焦透镜1-4-1沿筒体1中轴线向下移动即变为第二位置凹面聚焦透镜1-4-1’，从而组合聚焦镜焦距变长，即实现筒体1激光自变长焦距，此时第二位置凹面聚焦透镜1-4-1’和凸面聚焦透镜1-4-2出射的光束分别为第二发散光束2-5’和第二会聚光束2-6’,同时，微型多级中空式液压缸1-5-2伸长，带动送粉管1-5-1沿筒体1中轴线向下移动，同样实现送粉管1-5-1末端与第二会聚光束2-6激光焦点距离不变，即粉束焦点与激光束焦点重合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自变焦激光熔覆成形装置，其特征在于，包括筒体(1)，所述筒体(1)上端设有入光口(1-1)，筒体(1)的下端设有出光口(1-6)，所述入光口(1-1)与出光口(1-6)之间的筒体(1)内设有光斑整形单元、光束整形单元、光束聚焦单元和送料单元；
所述光斑整形单元用于将激光束整形为能量均匀分布的均匀光斑光束(2-2)并将其传输至光束整形单元，所述光斑整形单元包括圆形积分反射镜(1-2-1)和准直扩束透镜(1-2-2)，入射激光束(2-1)从入光口(1-1)以45°入射角入射到所述圆形积分反射镜(1-2-1)，所述圆形积分反射镜(1-2-1)将光束以45°出射角反射到所述准直扩束透镜(1-2-2)，所述准直扩束透镜(1-2-2)将光束传输至光束整形单元；
所述光束整形单元用于将光束变换为圆环激光束(2-4)，并将该圆环激光束(2-4)传输至光束聚焦单元，所述光束整形单元包括圆锥形反射镜(1-3-1)和内圆锥面反射镜(1-3-2)，所述圆锥形反射镜(1-3-1)和内圆锥面反射镜(1-3-2)锥度相等、镜面相对且同轴放置，光束正入射至圆锥形反射镜(1-3-1)的锥角，所述圆锥形反射镜(1-3-1)将光束反射至内圆锥面反射镜(1-3-2)，所述内圆锥面反射镜(1-3-2)将光束反射形成圆环激光束(2-4)并将该圆环激光束(2-4)反射至光束聚焦单元；
所述光束聚焦单元用于将圆环激光束(2-4)转换为发散光束(2-5)，然后将发散光束(2-5)转换为会聚光束(2-6)，通过调整发散光束(2-5)的光距实现激光束焦点的变换；所述光束聚焦单元包括凹面聚焦透镜(1-4-1)、凸面聚焦透镜(1-4-2)和保护镜(1-4-5)，所述圆环激光束(2-4)入射至凹面聚焦透镜(1-4-1)后形成发散光束(2-5)，所述发散光束(2-5)入射至凸面聚焦透镜(1-4-2)形成会聚光束(2-6)，所述会聚光束(2-6)从出光口(1-6)处的保护镜(1-4-5)出射，所述会聚光束(2-6)在工件表面形成激光束焦点，所述凹面聚焦透镜(1-4-1)在筒体(1)内可移动设置实现激光束焦点的变焦；
所述送料单元位于光束整形单元的下方，用于提供涂覆粉料，通过改变送粉距离使粉束焦点与激光束焦点重合。
2.根据权利要求1所述的自变焦激光熔覆成形装置，其特征在于，所述光束整形单元还包括反射镜支架(1-3-3)，所述反射镜支架(1-3-3)将所述圆锥形反射镜(1-3-1)固定在筒体(1)的中轴线上，所述反射镜支架(1-3-3)表面涂有吸光膜。
3.根据权利要求2所述的自变焦激光熔覆成形装置，其特征在于，所述反射镜支架(1-3-3)内设有液路通道、粉管通道和水路通道。
4.根据权利要求2所述的自变焦激光熔覆成形装置，其特征在于，所述送料单元位于反射镜支架(1-3-3)下方。
5.根据权利要求1所述的自变焦激光熔覆成形装置，其特征在于，所述筒体(1)内壁两侧设有丝杠(1-4-3)和微型直线导轨(1-4-4)，所述凹面聚焦透镜(1-4-1)分别与丝杠(1-4-3)和微型直线导轨(1-4-4)连接，所述丝杠(1-4-3)与微型电机连接，所述丝杠(1-4-3)在微型电机的驱动下带动凹面聚焦透镜(1-4-1)沿微型直线导轨(1-4-4)移动。
6.根据权利要求1所述的自变焦激光熔覆成形装置，其特征在于，所述送料单元包括送粉管(1-5-1)，所述送粉管(1-5-1)包括软管段和金属管段，所述软管段穿过筒体(1)侧壁与筒体(1)内的金属管段连接，所述金属管段一端与微型多级中空式液压缸(1-5-2)连接，另一端贯穿所述光束聚焦单元由出光口(1-6)伸出筒体(1)外，所述微型多级中空式液压缸(1-5-2)带动送粉管(1-5-1)沿筒体(1)轴向移动。
7.一种自变焦激光熔覆成形方法，其特征在于，采用如权利要求1至6中任一项所述的成形装置，具体步骤如下：
将入光口(1-1)射入的入射激光束(2-1)整形为能量均匀分布的均匀光斑光束(2-2)，将均匀光斑光束(2-2)变为准直扩束均匀光斑光束(2-3)；
将准直扩束均匀光斑光束(2-3)转换为圆环激光束(2-4)；
将圆环激光束(2-4)转换为发散光束(2-5)，然后将发散光束(2-5)转换为会聚光束(2-6)，所述会聚光束(2-6)从出光口(1-6)射出在工件上形成激光束焦点，通过调整发散光束(2-5)的光距，实现聚焦光斑的变化；
将送料单元设置在圆环激光束(2-4)的中空无光区中，调整送料单元的出料口的位置，使粉束焦点与激光束焦点重合。
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