CN117123916A - 一种激光加工中空光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光加工中空光学系统，属于激光加工技术领域，包括自激光光路传输方向依次设置的准直镜，锥形分光镜，锥形反射镜，屋脊分束镜，中空反射镜，屋脊合束镜，聚焦镜，保护镜，还包括准直反射镜、监控传感器和监控反射镜，可以同时兼容丝材和金属粉末，将待加工熔融的丝材或者粉末置于激光中心，实现了激光包围在丝材外面，通过将光路整形为中空的环形光斑，金属丝材(或者粉末)从环形激光中心同轴送出，得到一种近乎完美的光包丝(粉末)的解决方案，由于激光和丝材是同轴的，因此成形工艺无方向性，特别适用于增材制造、表面熔覆和焊接等激光应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光加工中空光学系统，属于激光加工技术领域。
背景技术
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接工艺，激光焊接的系统组成有机器人、激光器、焊接激光头、送丝机和水冷机等。激光焊接时，激光不仅要融化填入的金属丝材，还需要融化母材形成激光熔池。激光焊接可以单道焊接，也可以进行多道堆叠焊接。激光焊接具有焊接效率高、热输入低、焊接质量高，且可难加工材料进行焊接，能有效提高材料利用率，减低结构种类，降低成本。
但是传统的激光焊接，激光光路和外部的填丝并非同轴布局的，而是将焊丝侧向旁轴送入。这样的激光焊接在焊接复杂路径时需要不断调整激光头的姿态，大大限制的激光焊接的应用。
理想的方案是将激光和焊丝同轴布局，与现有的同轴送粉的技术方案类似。但是同轴送粉熔覆的技术方案是将粉末同轴外置的激光光路外部。而要想丝材和激光同轴布局，只能将激光包覆在丝材外面，这样就需要一种中空的光学系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光加工中空光学系统，可以同时兼容丝材和金属粉末，将待加工熔融的丝材或者粉末置于激光中心，实现了激光包围在丝材外面，通过将光路整形为中空的环形光斑，金属丝材(或者粉末)从环形激光中心同轴送出，得到一种近乎完美的光包丝(粉末)的解决方案，由于激光和丝材是同轴的，因此成形工艺无方向性，特别适用于增材制造、表面熔覆和焊接等激光应用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种激光加工中空光学系统，包括自激光光路传输方向依次设置的准直镜，锥形分光镜，锥形反射镜，屋脊分束镜，中空反射镜，屋脊合束镜，聚焦镜，保护镜。
进一步，激光光纤入口可以竖直布局也可以水平布局，在竖直布局的光路中，还包括准直反射镜、监控传感器和监控反射镜，准直反射镜设置在准直镜和锥形分光镜之间，可以反射激光，使激光传输方向改变90度，激光光路传输至准直反射镜后，透过准直反射镜上的透光孔后经过监控反射镜传输至监控传感器。
进一步，锥形分光镜材质为铜或铝，其圆锥面朝向激光光路输入方向，圆锥面上具有高反射膜，圆柱平行光入射到锥形分光镜的锥面上时，传输方向改变90度；锥形反射镜是一种内锥面的反射镜，材质为铜或铝，表面镀高反射膜，由锥形分光镜辐射来的光经过内锥面反射后改变90度传输，锥形分光镜和锥形反射镜是成对使用的，锥形分光镜将圆柱形准直光沿锥面反射后再次经过锥形反射镜的锥面反射，形成了一种内部空心的中空平行光。
进一步，锥形分光镜和锥形反射镜的相对位置是可以调整的，考虑到镜座等机械加工件的加工和装配误差，可以通过微调锥形分光镜和锥形反射镜的相对位置来实现分光后得到能量均匀的环形光。环形光的内中空直径在10mm～100mm之间。
进一步，屋脊分束镜(屋脊棱镜)是一种类似屋脊形状的透射镜，屋脊分束镜的中心有一个圆孔，经过锥形分光镜和锥形反射镜后形成的环形中空平行光射入屋脊分束镜后，将激光分裂为两个半环形光柱，两个半环形光柱的间距在4mm～20mm之间。
进一步，屋脊合束镜将两个半环形光柱重新合束为一个中空的环形光斑，中空的环形光经过聚焦镜聚焦后形成激光焦点。
进一步，聚焦镜和丝材(或粉材)的相对位置是可以调整的，通常可以调整聚焦镜的位置使得丝材和激光对中良好。
本发明的有益效果是：
1、由于光路都是中空的，且是两个分裂的半环形光柱，丝材或者粉末在光路内不会被激光辐照到；
2、待加工熔融的金属丝材或者金属粉末置于激光中心，这样就实现了激光包围在丝材或者粉末外面，得到一种近乎完美的光包丝(粉末)的解决方案，由于激光和丝材是同轴的，因此成形工艺无方向性。
附图说明
图1为本发明实施例1光学系统结构示意图；
图2为本发明锥形分光镜的结构示意图；
图3为本发明锥形反射镜的结构示意图；
图4为本发明屋脊分束镜的结构示意图；
图5为本发明中空的环形光柱示意图；
图6为本发明分裂的两个半环形光柱示意图；
图7为本发明实施例2光学系统结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
准直镜1，准直反射镜2，锥形分光镜3，锥形分光镜外锥面301，锥形反射镜4，锥形反射镜内锥面401，屋脊分束镜5，屋脊分束镜圆孔501，中空反射镜6，屋脊合束镜7，聚焦镜8，保护镜9，监控传感器10，监控反射镜11，丝材12。
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。
实施例1
参阅图1，本发明提供的一种实施例1：一种激光加工中空光学系统，包括准直镜1，准直反射镜2，锥形分光镜3，锥形反射镜4，屋脊分束镜5，中空反射镜6，屋脊合束镜7，聚焦镜8，保护镜9，监控传感器10和监控反射镜11。
激光源为发散光，激光源发出的光束经过准直镜1后整形为实心的圆柱形平行光。从图1可以看出，激光入射口是竖直向上的，经过准直反射镜2反射激光后光路沿着水平方向传输，再次经过中空反射镜6反射后激光再次竖直传输，可以看出激光光纤入口和最终的光点都是竖直排布的，这样的结构方案在整机系统集成时能节省安装空间。
准直反射镜2可以反射激光，激光传输方向改变90度。
参照图2，锥形分光镜3是一种锥形的反射镜，基材通常为铜或铝，表面根据需求选择镀高反射膜，圆柱平行光入射到锥形分光镜3的外锥面301后传输方向改变90度，即形成了由中心向外发散的辐射光。
参照图3，锥形反射镜4是一种内锥面的反射镜，材料通常为铜或铝，表面镀高反射膜，由锥面中心辐射来的光经过内锥面401反射后改变90度传输。
锥形分光镜3和锥形反射镜4是成对使用的，锥形分光镜3将圆柱形准直光沿锥面反射后再次经过锥形反射镜4的锥面反射，形成了一种内部空心的中空平行光，参照图5。图5的空心的中空平行光，内部没有激光能量，激光能量分布在了圆环形光柱上。如果激光光源是高斯光，则圆环形光柱的能量密度由内向外逐渐变大。如果激光光源是能量分布较为均匀的平顶光，则圆环形光柱内的能量密度也是较为均匀的。锥形分光镜3和锥形反射镜4的相对位置是可以调整的，考虑到镜座等机械加工件的加工和装配误差，可以通过微调锥形分光镜3和锥形反射镜4的相对位置来实现分光后得到能量均匀的环形光。环形光的内中空直径在10mm～100mm之间。
参照图4，屋脊分束镜5是一种类似屋脊形状的透射镜，屋脊分束镜5的中心有一个圆孔501。经过锥形分光镜3和锥形反射镜4后形成的环形中空平行光射入屋脊分束镜5后，光束分裂为两个半环形光柱，参照图6。两个半环形光柱的间距在4mm～20mm之间。
参照图1，屋脊分束镜5将激光分裂为两个半环形光柱，经过中空反射镜6反射后激光传输方向改变90度。再次经过屋脊合束镜7，两个半环形光柱重新合束为一个中空的环形光斑。中空的环形光经过聚焦镜8聚焦后形成激光焦点。保护镜9起到隔离作用，能防止外部飞溅物进入光路。
由上述实施例可以看出，激光经过锥形反射镜4后续的光路均为空心的中空光路。经过屋脊分束镜5后，激光分裂为两个半环形光柱。
参照图1，丝材12可以通过中空反射镜6的圆孔插入到光路中，由于光路都是中空的，且是两个分裂的半环形光柱，因此，丝材12在光路内不会被激光辐照到。丝材是金属丝，通常是焊接用的金属丝，丝材直径在0.8mm～2.0mm之间。
考虑到制造和安装误差，为了实现良好的加工工艺效果，丝材末端点和聚焦的激光光点应该保持良好的同轴。本市实施例中，聚焦镜8和丝材12的相对位置是可以调整的，通常可以调整聚焦镜8的位置使得丝材和激光对中良好。
实施例2
参照图7，在某些应用场合，不需要对熔池进行过程监控，本实施例2在实施例1的基础上移除了监控传感器功能。本实施例的一种激光加工中空光学系统，包括准直镜1，锥形分光镜3，锥形反射镜4，屋脊分束镜5，中空反射镜6，屋脊合束镜7，聚焦镜8和保护镜9。此实施例，激光光纤是水平安装的，经过中空反射镜6反射后激光改变90度向下传输。激光光纤的入射和激光聚焦的出射是垂直排布的。
上述的两个实施例中提供的中空光路方案，可以将待加工熔融的金属丝材或者金属粉末置于激光中心，这样就实现了激光包围在丝材或者粉末外面。此种技术方案，通过将光路整形为中空的环形光斑，金属丝材(或者粉末)从环形激光中心同轴送出，得到一种近乎完美的光包丝(粉末)的解决方案，由于激光和丝材是同轴的，因此成形工艺无方向性，特别适用于增材制造、表面熔覆和焊接等激光应用。
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 (5)
1.一种激光加工中空光学系统，其特征在于，包括自激光光路传输方向依次设置的准直镜，锥形分光镜，锥形反射镜，屋脊分束镜，中空反射镜，屋脊合束镜，聚焦镜，保护镜。
2.根据权利要求1所述的激光加工中空光学系统，其特征在于，还包括准直反射镜、监控传感器和监控反射镜，所述准直反射镜设置在所述准直镜和锥形分光镜之间使激光光路形成90度弯折，所述激光光路传输至所述准直反射镜后，透过所述准直反射镜上的透光孔后经过所述监控反射镜传输至所述监控传感器。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工中空光学系统，其特征在于，所述锥形分光镜的圆锥面朝向激光光路输入方向，所述圆锥面上具有高反射膜，所述锥形分光镜的材质为铜或铝；
所述锥形反射镜的内锥面对应所述锥形分光镜设置，所述内锥面上具有高反射膜，所述锥形反射镜的材质为铜或铝。
4.根据权利要求1或2所述的激光加工中空光学系统，其特征在于，所述锥形分光镜和所述锥形反射镜的相对位置使所形成的环形光的内中空直径为10mm～100mm。
5.根据权利要求1或2所述的激光加工中空光学系统，其特征在于，所述屋脊分束镜的中心具有圆孔，所述屋脊分束镜将激光分裂为两个半环形光柱，两个半环形光柱的间距为4mm～20mm。
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