CN113088631B - 一种激光热处理用的光回收利用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光热处理用的光回收利用装置,包括半椭球形反射盖,半椭球形反射盖设有两个通光口,两个通光口中心轴线向半椭球形反射盖内方向的延长线交会于半椭球形反射盖的第一个焦点处;还包括准直聚束镜组、导光器,准直聚束镜组入光端实焦点与半椭球形反射盖的第二个焦点重合,导光器中间有多道弯折,每道弯折处分别设为反射面,导光器一端连接于准直聚束镜组出光端、另一端连接于半椭球形反射盖的其中一个通光口。本发明可实现激光热处理时反射光的重新再利用,能够有效提高激光利用率,并节约激光热处理时的能源和降低激光热处理时的成本。

Description

一种激光热处理用的光回收利用装置
技术领域
本发明涉及激光热处理装置领域,具体是一种激光热处理用的光回收利用装置。
背景技术
利用高能激光束产生的热效应对金属材料表面进行热处理,是目前材料表面处理的新技术。该技术的工作过程是:用激光照射零件表面,加热至临界相变温度以上,移去激光束后,表面迅速冷却自行淬火。激光热处理在提高金属表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐疲劳性和冲击性等方面都具有明显的优良效果。
激光处理的优点是无污染,压力小、变形小,具有广阔的应用前景。但是对于一些反射率较高的材料而言如合金材料等,由于合金材料对激光的反射率极高,例如铜、铝合金对波长为532-650nm的激光的反射率为90%以上,因此在采用激光对这种反射率较高的材料表面进行热处理时,由于激光过高的反射率,导致激光利用率低的问题,进而导致能源浪费和加工成本居高不下。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光热处理用的光回收利用装置,以解决现有技术采用激光对反射率高的材料进行表面热处理时存在的激光利用率低的问题。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案为:
一种激光热处理用的光回收利用装置,其特征在于:包括半椭球形反射盖,所述半椭球形反射盖至少内表面为反射面,半椭球形反射盖设有两个通光口,两个通光口位于半椭球形反射盖不同位置,两个通光口中心轴线向半椭球形反射盖内方向的延长线交会于半椭球形反射盖的第一个焦点处;还包括准直聚束镜组、导光器,所述准直聚束镜组的入光端为一个凸透镜,准直聚束镜组入光端的一侧实焦点与半椭球形反射盖的第二个焦点重合,所述导光器中间有多道弯折,导光器内部至少每道弯折处分别设为反射面,导光器一端连接于准直聚束镜组出光端,导光器另一端连接于半椭球形反射盖的其中一个通光口,且导光器连接于准直聚束镜组出光端的一段与准直聚束镜组同轴,导光器连接于通光口的一段与所连接的通光口同轴。
所述的一种激光热处理用的光回收利用装置,其特征在于:所述半椭球形反射盖的一个通光口设为通孔形式、另一个通光口设为导光管形式,其中通孔形式的通光口作为热处理用的激光入射口,导光管形式的通光口用于连接所述导光器。
所述的一种激光热处理用的光回收利用装置,其特征在于:所述准直聚束镜组包括依次同轴的第一级凸透镜、第二级凸透镜、第三级凸透镜,其中第一级凸透镜的焦距大于第三级凸透镜的焦距,第二级凸透镜朝向第三级凸透镜方向一侧的焦点与第三级凸透镜朝向第二级凸透镜方向一侧的实焦点重合,准直聚束镜组中以第一级凸透镜作为入光端、以第三级凸透镜作为出光端,第一级凸透镜的实焦点与半椭球形反射盖第二个焦点重合。
所述的一种激光热处理用的光回收利用装置,其特征在于:所述准直聚束镜组还包括镜筒,镜筒内依次同轴固定有三个镜架一一对应用于安装第一级凸透镜、第二级凸透镜、第三级凸透镜。
所述的一种激光热处理用的光回收利用装置,其特征在于:所述每级凸透镜和对应镜架之间分别设有橡胶圈。
所述的一种激光热处理用的光回收利用装置,其特征在于:所述导光器包括第一直管、第一直角连接器、第二直管、第二直角连接器、第三直管、中间有一道折弯的弯连接管,第一直管的一端与所述准直聚束镜组的出光端同轴连接,第一直管的另一端与第一直角连接器的一端同轴连接,第一直角连接器的另一端与第二直管一端同轴连接,第二直管另一端与第二直角连接器的一端同轴连接,第二直角连接器的另一端与第三直管一端同轴连接,第三直管另一端与弯连接管一端同轴连接,弯连接管另一端与半椭球形反射盖的其中一个通光口同轴连接,其中至少第一直角连接器内的折弯处、第二直角连接器内的折弯处、弯连接管内的折弯处分别设为反射面。
所述的一种激光热处理用的光回收利用装置置,其特征在于:所述半椭球形反射盖内表面、准直聚束镜组中镜筒内表面、导光器的内表面分别镀有银层。
所述的一种激光热处理用的光回收利用装置,其特征在于:还包括壳体,壳体由上、下壳体对合连接构成,上壳体顶部固定有连接盖板,所述半椭球形反射盖第二焦点方向的底边固定于连接盖板顶面,连接盖板中设有竖直通孔,半椭球形反射盖第二个焦点位于竖直通孔中心轴线向上的延长线上;
所述准直聚束镜组设置于上壳体内,准直聚束镜组入光端对应的镜筒一端同轴连通固定于连接盖板竖直通孔的下端孔口;
所述导光器中的第一直管、第一直角连接器、第二直管、第二直角连接器、第三直管分别设于下壳体中,弯连接管设于壳体上方,其中第一直管一端上穿至上壳体内与准直聚束镜组出光端对应的镜筒一端同轴连通,第三直管用于连接弯连接管的一端向上穿出壳体后与弯连接管对应端连接。
本发明工作原理为:将半椭球形反射盖中第一个焦点所在一侧置于待处理的高反射率材料表面,使高反射率材料表面的待处理点与半椭球形反射盖中第一个焦点重合。然后通过半椭球形反射盖其中未连接导光器的一个通光口使激光入射至高反射率材料表面的待处理点,激光被高反射率材料表面待处理点向四周反射至半椭球形反射盖内表面,根据椭圆焦点反射定律,经半椭球形反射盖内表面再次反射的激光必定会聚于半椭球形反射盖的第二个焦点。
由于准直聚束镜组中作为入光端的第一级凸透镜一侧实焦点与半椭球形反射盖的第二个焦点重合,因此会聚于半椭球形反射盖第二个焦点的光经第一级凸透镜后能够形成粗平行光,粗平行光经第二级凸透镜后会聚至第二、第三级凸透镜重合的实焦点,然后再经过第三级凸透镜后能够形成细平行光,由此完成对光的准直聚束。
准直聚束的光经过导光器导入至半椭球形反射盖的另一个通光口,由该通光口出射至高反射率材料表面待处理点,从而实现原先高反射率材料表面待处理点反射光的回收再利用。
由此,本发明基于椭圆焦点反射定律,设计了一种激光热处理时反射光的回收再利用装置,达到将反射的激光重新再利用的目的,能够有效提高激光利用率,并节约激光热处理时的能源和降低激光热处理时的成本。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明结构正剖视图。
图3是本发明除去外壳后结构示意图。
图4是本发明光路原理示意图。
图5是本发明准直聚束镜组结构示意图。
图6是本发明准直聚束镜组中各级凸透镜的光路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2、图3、图4所示,一种激光热处理用的光回收利用装置,包括壳体,壳体由上、下壳体1、2对合连接构成,上壳体1顶部固定有连接盖板3。还包括半椭球形反射盖4,半椭球形反射盖4是由一个椭球形反射盖沿焦点所在平面切开后得到的,半椭球形反射盖4内表面为镀银的反射面,半椭球形反射盖4的第一个焦点F1、第二个焦点F2均位于切开面,其中第一个焦点F1位于切开面的左半部分,第二个焦点F2位于切开面的右半部分,其中半椭球形反射盖4第二个焦点F2对应的切开面右侧周边固定于连接盖板3顶面,半椭球形反射盖4第一个焦点F1所在的切开面左半部分为自然敞开状态。
半椭球形反射盖4左半部分位于第一个焦点F1正上方位置设有一个通孔5形式的通光口,该通孔5中心轴线沿竖直方向,半椭球形反射盖4右半部分设有一个导光管6形式的通光口,该导光管6中心轴线沿倾斜方向,并且通孔5中心轴线、导光管6中心轴线向半椭球形反射盖4内方向的延长线交会于半椭球形反射盖4的第一个焦点F1。
如图5、图6所示,连接盖板3中设有竖直通孔,半椭球形反射盖4的第二个焦点F2位于竖直通孔中心轴线向上的延长线上。上壳体1内部设置有准直聚束镜组,该准直聚束镜组包括轴向竖直的镜筒7,镜筒7内壁镀有银层,镜筒7内部从上至下依次同轴安装有三个镜架8,每个镜架8中分别同轴固定安装有凸透镜,且每个镜架8与对应的凸透镜之间设有橡胶圈9。凸透镜按从上至下方向依次为第一级凸透镜10.1、第二级凸透镜10.2、第三级凸透镜10.3,其中第一级凸透镜的焦距大于第三级凸透镜的焦距,第二级凸透镜朝向第三级凸透镜方向的下侧实焦点与第三级凸透镜朝向第二级凸透镜方向的上侧实焦点重合,由镜筒7内部的第一级凸透镜10.1作为入光端、第三级凸透镜10.3作为出光端,镜筒7的上端筒口同轴连通固定于连接盖板3中竖直通孔下端孔口,并使作为入光端的第一级凸透镜10.1的上侧实焦点与半椭球形反射盖的第二个焦点F2重合。
下壳体2内部设置有轴向竖直的第一直管11.1、第一直角连接器11.2、轴向水平的第二直管11.3、第二直角连接器11.4、轴向竖直的第三直管11.5,其中第一直管11.1上端上穿至上壳体1内并与准直聚束镜组中镜筒7下端同轴连接,第一直管11.1的下端与第一直角连接器11.2的一端同轴连接,第一直角连接器11.2的另一端与第二直管11.3一端同轴连接,第二直管11.3另一端与第二直角连接器11.4的一端同轴连接,第二直角连接器11.4的另一端与第三直管11.5的下端同轴连接,第三直管11.5上端向上穿过下壳体2后再继续向上从上壳体1顶部穿出。在上壳体1上方还设有中间有一道折弯的弯连接管11.6,弯连接管11.6一端同轴连接第三直管11.5的上端,弯连接管11.6另一端同轴连接于半椭球形反射盖4右半部分的导光管6。由第一直管11.1、第一直角连接器11.2、第二直管11.3、第二直角连接器11.4、第三直管11.5、弯连接管11.6构成导光器。
导光器中位于第一直角连接器11.2内的折弯处、第二直角连接器11.4内的折弯处、弯连接管11.6内的折弯处分别设为反射面。导光器中各部分的内表面均镀有银层。
如图4所示,以合金材料为例,将合金材料待处理的表面置于半椭球形反射盖4切开面左半部,使半椭球形反射盖4的第一个焦点F1与合金材料表面待处理点重合,然后外部激光源发出的热处理用的激光经过通孔5进入半椭球形反射盖4内并入射至合金材料表面待处理点(即第一个焦点F1),经合金材料表面待处理点向四周反射至半椭球形反射盖4的内表面。
根据椭圆焦点反射定律可知,由椭圆一个焦点出射的光经椭圆反射后,必定会聚于椭圆另一个焦点。因此本发明中,由合金材料表面待处理点(即第一个焦点F1)向四周反射至半椭球形反射盖4内表面的激光,经过半椭球形反射盖4的内表面再次反射后必然会聚于半椭球形反射盖4的第二个焦点F2。
准直聚束镜组的光路原理如图6所示,会聚于第一级凸透镜10.1上侧实焦点A的光经过第一级凸透镜10.1后,变为粗平行光S1,粗平行光S1经过第二级凸透镜10.2后会聚于第二级凸透镜10.2、第三级凸透镜10.3重合的焦点B,然后从焦点B再经过第三级凸透镜10.3后形成细平行光S2,由此可完成对光的准直聚束。设粗平行光的直径为d 2,细平行光的直径为d 1,第二级凸透镜10.2的焦距为f 2,第三级凸透镜10.1的焦距为f 3,则最终准直聚束镜组得到的细平行光S2的直径d 2 =
Figure DEST_PATH_IMAGE002
本发明中,由于作为准直聚束镜组入光端的第一级凸透镜10.1上侧的实焦点A与半椭球形反射盖4的第二个焦点F2重合,因此会聚于半椭球形反射盖4第二个焦点F2的光经过第一级凸透镜10.1后能够形成粗平行光S1,并最终由第三级凸透镜10.3形成细平行光S2出射。
基于上述原理,最终可将由合金材料表面待处理点(即第一个焦点F1)一次反射、再经半椭球形反射盖4内表面再次反射至第二个焦点F2的激光,通过准直聚束镜组进行准直聚束形成细平行光S2。
细平行光S2同轴进入导光器的第一直管11.1,并由第一直管11.1进入第一直角连接器11.2,经第一直角连接器11.2内部弯折处的反射面90度反射后同轴进入水平的第二直管11.3,并由第二直管11.3进入第二直角连接器11.4,经第二直角连接器11.4内部弯折处的反射面90度反射后同轴进入竖直的第三直管11.5,并由第三直管11.5进入弯连接管11.6,经弯连接管11.6内部弯折处的反射面反射后同轴进入导光管6,由于半椭球形反射盖4的第一个焦点F1位于导光管6的中心轴线延长线上,因此导光管6的出射光最终会到达半椭球形反射盖4的第一个焦点F1,即到达合金材料表面的待处理点。由此,合金材料表面待处理点的反射光又重新回到合金材料表面待处理点,实现光的回收再利用。
本发明中,由准直聚束镜组出射的细平行光B的直径为3-5mm,第一直管管11.1的长度为50mm、第二直管11.3的长度为110mm、第三直管11.5的长度为170mm,三个直管的内部直径均为10mm,可满足细平行光B通过时的尺寸要求。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述,并非对本发明构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计思想的前提下,本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进,均应落入本发明的保护范围,本发明请求保护的技术内容,已经全部记载在权利要求书中。

Claims (1)

1.一种激光热处理用的光回收利用装置,其特征在于:包括半椭球形反射盖,所述半椭球形反射盖至少内表面为反射面,半椭球形反射盖设有两个通光口,两个通光口位于半椭球形反射盖不同位置,两个通光口中心轴线向半椭球形反射盖内方向的延长线交会于半椭球形反射盖的第一个焦点处;还包括准直聚束镜组、导光器,所述准直聚束镜组的入光端为一个凸透镜,准直聚束镜组入光端的一侧实焦点与半椭球形反射盖的第二个焦点重合,所述导光器中间有多道弯折,导光器内部至少每道弯折处分别设为反射面,导光器一端连接于准直聚束镜组出光端,导光器另一端连接于半椭球形反射盖的其中一个通光口,且导光器连接于准直聚束镜组出光端的一段与准直聚束镜组同轴,导光器连接于通光口的一段与所连接的通光口同轴;
所述半椭球形反射盖的一个通光口设为通孔形式、另一个通光口设为导光管形式,其中通孔形式的通光口作为热处理用的激光入射口,导光管形式的通光口用于连接所述导光器;
所述准直聚束镜组包括依次同轴的第一级凸透镜、第二级凸透镜、第三级凸透镜,其中第一级凸透镜的焦距大于第三级凸透镜的焦距,第二级凸透镜朝向第三级凸透镜方向一侧的焦点与第三级凸透镜朝向第二级凸透镜方向一侧的实焦点重合,准直聚束镜组中以第一级凸透镜作为入光端、以第三级凸透镜作为出光端,第一级凸透镜的实焦点与半椭球形反射盖第二个焦点重合;
所述准直聚束镜组还包括镜筒,镜筒内依次同轴固定有三个镜架一一对应用于安装第一级凸透镜、第二级凸透镜、第三级凸透镜;
所述每级凸透镜和对应镜架之间分别设有橡胶圈;
所述导光器包括第一直管、第一直角连接器、第二直管、第二直角连接器、第三直管、中间有一道折弯的弯连接管,第一直管的一端与所述准直聚束镜组的出光端同轴连接,第一直管的另一端与第一直角连接器的一端同轴连接,第一直角连接器的另一端与第二直管一端同轴连接,第二直管另一端与第二直角连接器的一端同轴连接,第二直角连接器的另一端与第三直管一端同轴连接,第三直管另一端与弯连接管一端同轴连接,弯连接管另一端与半椭球形反射盖的其中一个通光口同轴连接,其中至少第一直角连接器内的折弯处、第二直角连接器内的折弯处、弯连接管内的折弯处分别设为反射面;
所述准直聚束镜组中镜筒内表面、导光器的内表面分别镀有银层;
所述的一种激光热处理用的光回收利用装置,还包括壳体,壳体由上、下壳体对合连接构成,上壳体顶部固定有连接盖板,所述半椭球形反射盖第二个焦点方向的底边固定于连接盖板顶面,连接盖板中设有竖直通孔,半椭球形反射盖第二个焦点位于竖直通孔中心轴线向上的延长线上;所述准直聚束镜组设置于上壳体内,准直聚束镜组入光端对应的镜筒一端同轴连通固定于连接盖板竖直通孔的下端孔口;所述导光器中的第一直管、第一直角连接器、第二直管、第二直角连接器、第三直管分别设于下壳体中,弯连接管设于壳体上方,其中第一直管一端上穿至上壳体内与准直聚束镜组出光端对应的镜筒一端同轴连通,第三直管用于连接弯连接管的一端向上穿出壳体后与弯连接管对应端连接。
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