CN117697124A - 一种光内送材激光加工头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光内送材激光加工头，属于激光加工技术领域，包括沿激光光路方向依次放置的第一平面反射镜、第二平面反射镜和聚焦透镜；第一平面反射镜和第二平面反射镜均包括多个倾斜角度均不相同的反射平面；第一平面反射镜用于对经过准直后的入射激光束进行分光；第二平面反射镜用于将分光得到的多束激光反射后，平行入射到聚焦透镜上，经由聚焦透镜将各反射平面的反射光线聚焦到工作面上，实现对送材装置同轴送入的丝/粉材料进行加工；相比于现有的光内送材激光加工头，本发明显著降低了光学系统设计的复杂度，同时光学组件数量较少，光路稳定性较好，实现了一种光路结构简单的轻量化同轴送丝/粉的光内送材激光加工头。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种光内送材激光加工头。
背景技术
随着激光先进制造技术的发展，面对汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等的制造需求，对激光加工系统提出了更高的需求。光内送材技术是指利用不同的分光技术，使得材料居中并垂直喷射到加工表面，保证激光束与材料中心线同轴，光内送材激光加工头由于送材方向性好，材料受热均匀，激光与材料耦合性强，使得加工性能更加优良，因此研究一种光内送材激光加工头具有重要意义。
现有的光内送材激光加工头一般使用同轴送丝/粉加工方式，目前，同轴送丝/粉加工主要包括环形光内送丝/粉加工与分光光内送丝/粉加工两种方式；传统的分光方式一般采用锥形镜、棱镜、调节镜等进行分光，所需镜片多，光路稳定性差，不利于激光加工头轻量化、质量化发展。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光内送材激光加工头，其目的在于提供一种光路稳定性较好的轻量化同轴送丝/粉光内送材激光加工头。
为了实现上述目的，本发明提供了光内送材激光加工头，包括：沿激光光路方向依次放置的第一平面反射镜、第二平面反射镜和聚焦透镜；
第一平面反射镜的反射面包括N个第一反射平面；第二平面反射镜的反射面包括与N个第一反射平面一一对应的N个第二反射平面，且第二平面反射镜和聚焦透镜中空，用于放置送材装置；
第一平面反射镜的各第一反射平面的倾斜角度均不相同，用于对经过准直后的入射激光束进行分光，得到N束激光，并分别入射至对应的第二反射平面上；
第二平面反射镜的各第二反射平面的倾斜角度均不相同，用于将N束激光反射后，平行入射到聚焦透镜上；
聚焦透镜用于对平行入射的N束激光聚焦到工作面上，以对送材装置同轴送入的材料进行加工；
其中，N≥2；送材装置包括：送丝装置或送粉装置。
进一步优选地，第一平面反射镜的各第一反射平面及第二平面反射镜的各第二反射平面的倾斜角度通过以下方式确定：
在同一平面上预设N个均匀分布的扇形光斑的顶点位置；
取入射激光束中经过第一反射镜中心的光线，基于该光线经过第一平面反射镜和第二反射平面后的N条光线平行反射至各顶点位置的光路过程，确定各第一反射面及对应的第二反射面的入射光线和反射光线；
计算任一第一反射平面的入射光线与反射光线的角平分线所在的方向，得到该第一反射平面的法向量方向，从而得到该第一反射平面的倾斜角度；
计算任一第二反射平面的入射光线与反射光线的角平分线所在的方向，得到该第二反射平面的法向量方向，从而得到该第二反射平面的倾斜角度。
进一步优选地，第一反射平面与其对应的第二反射平面平行。
进一步优选地，聚焦透镜的面型为非球面，用于对平行入射的N束激光整形后聚焦到工作面上。
进一步优选地，第一平面反射镜的反射面上镀有高反射膜。
进一步优选地，第二平面反射镜的反射面上镀有高反射膜。
进一步优选地，第一平面反射镜上设置有水冷通道。
进一步优选地，第二平面反射镜上设置有水冷通道。
进一步优选地，上述光内送材激光加工头还包括：沿着光路方向设置在聚焦透镜之后、工作面之前的保护镜。
进一步优选地，保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成；
或者，保护镜为中空的双层保护镜结构，包括远离工作面的里层保护镜和靠近工作面的外层保护镜；其中，里层保护镜为中空的环形保护镜；外层保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成。
进一步优选地，上述光内送材激光加工头还包括：沿着光路方向设置在所述第一平面反射镜之前的准直透镜，用于对入射激光束进行准直。
进一步优选地，N＝4。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种光内送材激光加工头，包括沿激光光路方向依次放置的第一平面反射镜、第二平面反射镜和聚焦透镜；第一平面反射镜和第二平面反射镜均包括多个倾斜角度均不相同的反射平面；第一平面反射镜用于对经过准直后的入射激光束进行分光；第二平面反射镜用于将分光得到的多束激光反射后，平行入射到聚焦透镜上，经由聚焦透镜将各反射平面的反射光线聚焦到工作面上，实现对送材装置同轴送入的丝/粉材料进行加工；相比于现有的光内送材激光加工头，本发明显著降低了光学系统设计的复杂度，同时光学组件数量较少，光路稳定性较好，实现了一种光路结构简单的轻量化同轴送丝/粉的光内送材激光加工头。
2、进一步地，本发明所提供的光内送材激光加工头，能精准设计第一平面反射镜的各第一反射平面及第二平面反射镜的各第二反射平面的倾斜角度，并通过一体化加工提高了加工精度。
3、进一步地，本发明所提供的光内送材激光加工头，第一平面反射镜和/或第二平面反射镜的反射面上镀有高反射膜，能够进一步提高反射率，降低光损耗。
4、进一步地，本发明所提供的光内送材激光加工头，第一平面反射镜和/或第二平面反射镜上设置有水冷通道，能够为反射镜的反射面降温，从而提高了光内送材激光加工头的抗热效率。
5、进一步地，本发明所提供的光内送材激光加工头，还包括：沿着光路方向设置在平面反射镜之后、工作面之前的保护镜，以防止粉尘杂散对光内送材激光加工头的污染。
6、进一步地，本发明所提供的光内送材激光加工头，所使用的保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成，方便灵活拆卸，避免了更换保护镜拆卸的困难。
7、进一步地，本发明所提供的光内送材激光加工头，所使用的保护镜为为中空的双层保护镜结构，外层保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成，方便灵活拆；里层为中空的环形保护镜，用于保护光路，在更换保护镜不会污染光路。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种光内送材激光加工头的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的二个平面反射镜的倾斜角度示意图；
图3为本发明实施例提供的点光斑的各处的光斑示意图；
图4为本发明实施例提供的保护镜的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光内送材激光加工头，包括：沿激光光路方向依次放置的第一平面反射镜、第二平面反射镜和聚焦透镜；
第一平面反射镜的反射面包括N个第一反射平面；第二平面反射镜的反射面包括与N个第一反射平面一一对应的N个第二反射平面，且第二平面反射镜和聚焦透镜中空，用于放置送材装置；
第一平面反射镜的各第一反射平面的倾斜角度均不相同，用于对经过准直后的入射激光束进行分光，得到N束激光，并分别入射至对应的第二反射平面上；
第二平面反射镜的各第二反射平面的倾斜角度均不相同，用于将N束激光反射后，后的N条光线平行平行入射到聚焦透镜上；
聚焦透镜用于对平行入射的N束激光聚焦到工作面上，以对送材装置同轴送入的材料进行加工；
其中，N≥2；送材装置包括：送丝装置或送粉装置，例如导丝或导粉的空心管，即送丝管或送粉管，保证送粉(送丝)结构与激光束为同轴。
为了实现精确地控制，可以设计第一平面反射镜的各第一反射平面及第二平面反射镜的各第二反射平面的倾斜角度，具体通过以下方式确定：
在同一平面上预设N个均匀分布的扇形光斑的顶点位置；
取入射激光束中经过第一反射镜中心的光线，基于该光线经过第一平面反射镜和第二反射平面后的N条光线平行反射至各顶点位置的光路过程，确定各第一反射面及对应的第二反射面的入射光线和反射光线；
计算任一第一反射平面的入射光线与反射光线的角平分线所在的方向，得到该第一反射平面的法向量方向，从而得到该第一反射平面的倾斜角度；
计算任一第二反射平面的入射光线与反射光线的角平分线所在的方向，得到该第二反射平面的法向量方向，从而得到该第二反射平面的倾斜角度。
在上述过程中，可以先将第一反射平面的倾斜角度预设至合适的角度，然后根据上述过程计算第二反射平面的倾斜角度；同样地，也可以先将第二反射平面的倾斜角度预设至合适的角度，然后根据上述过程计算第一反射平面的倾斜角度。
在一种可选实施方式下，第一反射平面与其对应的第二反射平面平行，以进一步提高控制精确度。
聚焦透镜可以为普通的透镜，将平行入射的激光束聚焦到工作面上的一个点，也可以为非球面透镜，利用能量守恒定律以及等光程原理将平行入射的激光束整形成平顶或环凹光斑。优选地，在一种可选实施方式下，聚焦透镜的面型为非球面，用于对平行入射的N束激光整形后聚焦到工作面上。
在一种可选实施方式下，第一平面反射镜的反射面上镀有高反射膜，以提高反射率，降低光损耗。
在一种可选实施方式下，第二平面反射镜的反射面上镀有高反射膜，以提高反射率，降低光损耗。
在一种可选实施方式下，第一平面反射镜上设置有水冷通道，用于为第一平面反射镜的反射面降温，以提高光内送材激光加工头的抗热效率。
在一种可选实施方式下，第二平面反射镜上设置有水冷通道，用于为第二平面反射镜的反射面降温，以提高光内送材激光加工头的抗热效率。
在一种可选实施方式下，上述光内送材激光加工头还包括：沿着光路方向设置在聚焦透镜之后、工作面之前的保护镜，以防止粉尘杂散对光内送材激光加工头的污染。
在一种可选实施方式下，保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成，方便灵活拆卸，避免了更换保护镜拆卸的困难。在另一种可选实施方式下，保护镜还可以采用双层保护镜结构，外层保护镜为中空的环形保护镜，采用抽屉式的分体结构，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成，方便灵活拆；里层为中空的环形保护镜，用于保护光路，在更换保护镜不会污染光路。
在一种可选实施方式下，上述光内送材激光加工头还包括：沿着光路方向设置在所述第一平面反射镜之前的准直透镜，用于对入射激光束进行准直。
需要说明的是，N为大于或等于2的整数，可以取值为3、4、5、6、7、8等，这里不做限定；优选地，N＝4。
综上，本发明显著降低了光学系统设计的复杂度，同时光学组件数量较少，光路稳定性较好，能显著降低光内送材激光加工头的组装难度，光斑径向能量分布可设计，进一步增强了光内送材激光加工头的灵活性，适用于高功率激光加工熔覆及焊接工艺，可广泛应用于激光加工领域。
为了进一步说明本发明所提供的光内送材激光加工头，下面结合具体实施例进行详述：
如图1所示，本实施例提供了一种多分光的光内同轴送粉(送丝)的光内送材激光加工头，现以四分光(N＝4)为例，详细描述其原理过程。本实施例中的光内送材激光加工头包括：光纤接头1、准直透镜2、第一个平面反射镜3、第二个平面反射镜4、聚焦透镜5、工作面6、传输面7，送丝(送粉)管8；
光纤接头1与光纤激光器连接，输入高功率激光束，激光束经准直透镜后，变成平行的激光束。
第一平面反射镜3的四个第一反射平面的倾斜角度均不同，将激光束四分，并形成四个扇形光斑；激光束四分后，经过第二平面反射镜4，可将激光再次偏转并平行出射。
如图2所示为二个平面反射镜倾斜角度确定方法示意图；
在同一平面上预设N个均匀分布的扇形光斑的顶点位置；取入射激光束中经过第一反射镜中心的光线，基于该光线经过第一平面反射镜和第二反射平面后的N条光线平行反射至各顶点位置的光路过程，确定各第一反射面及对应的第二反射面的入射光线和反射光线；计算任一第一反射平面的入射光线与反射光线的角平分线所在的方向，得到该第一反射平面的法向量方向，从而得到该第一反射平面的倾斜角度；计算任一第二反射平面的入射光线与反射光线的角平分线所在的方向，得到该第二反射平面的法向量方向，从而得到该第二反射平面的倾斜角度。
具体地，光线AB经过第一平面反射镜出射光线为BC，光线BC经过第二平面反射镜出射光线为CD，D点为目标面中均匀的四个点中的一个，其中B点为第一平面反射镜的中心，E点为第二平面反射镜的中心，光线BA和光线BC的角平分线即为第一个平面反射镜对应反射平面的法线，光线CB和光线CD的角平分线即为第二个平面反射的对应反射平面的法线。
四光束平行入射到聚焦透镜。聚焦透镜可以为普通的平凸透镜，以将入射光束聚焦到一个点光斑，也可以为非球面透镜，以将平行入射的光斑整形成平顶环光斑或环凹光斑。
如图3所示为成点光斑的各处的光斑示意图，其中圆形光斑经第一个平面反射镜后进行四分光，分为四个扇形光斑，然后经过第二个平面反射镜后偏转，通过透射聚焦镜后在工作面聚焦成点光斑。
图4为保护镜结构示意图，使用双保护镜结构，里层环形保护镜保护光路，在更换保护镜不会污染光路；外层保护镜采用抽屉式的分体结构，由N个扇形可以独立插拔的保护镜组合而成，方便灵活拆。
本发明在保证分光质量的同时，能够简化光学系统设计，显著降低光学组件数量，同时增强光内送材激光加工头的灵活性，本发明提出的光学机构方法优点在于：
(1)相比于现有的激光加工头，本发明结构简单，设计难度低，制造工艺要求低，能广泛应用于激光加工头的设计，同时光学组件数量较少，光路稳定性好；
(2)本发明采用反射式镜面，可用于更高功率激光的加工应用，大大拓展了应用领域；
(3)可以确保送丝或送粉管不需要弯曲角度，同轴方式将丝(或粉)送入光斑的中心，提高了成形精度。
(4)激光传输过程不会照射到送丝或送粉管，确保光斑的完整性，也不存在由于送丝或送粉管的遮挡，而造成光路的损耗。
(5)双保护镜结构，外层保护镜采用抽屉式的分体结构，方便灵活拆，里层环形保护镜保护光路，在更换保护镜不会污染光路。
(6)组合平面反射镜可以采用一体结构，通过加工确保精度，降低了系统的对准难度并提高了使用过程中的稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光内送材激光加工头，其特征在于，包括：沿激光光路方向依次放置的第一平面反射镜、第二平面反射镜和聚焦透镜；
所述第一平面反射镜的反射面包括N个第一反射平面；所述第二平面反射镜的反射面包括与N个第一反射平面一一对应的N个第二反射平面，且所述第二平面反射镜和所述聚焦透镜中空，用于放置送材装置；
所述第一平面反射镜的各第一反射平面的倾斜角度均不相同，用于对经过准直后的入射激光束进行分光，得到N束激光，并分别入射至对应的第二反射平面上；
所述第二平面反射镜的各第二反射平面的倾斜角度均不相同，用于将N束激光反射后，平行入射到所述聚焦透镜上；
所述聚焦透镜用于对平行入射的N束激光聚焦到工作面上，以对所述送材装置同轴送入的材料进行加工；
其中，N≥2；所述送材装置包括：送丝装置或送粉装置。
2.根据权利要求1所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述第一平面反射镜的各第一反射平面及所述第二平面反射镜的各第二反射平面的倾斜角度通过以下方式确定：
在同一平面上预设N个均匀分布的扇形光斑的顶点位置；
取入射激光束中经过第一反射镜中心的光线，基于该光线经过第一平面反射镜和第二反射平面后的N条光线平行反射至各顶点位置的光路过程，确定各第一反射面及对应的第二反射面的入射光线和反射光线；
计算任一第一反射平面的入射光线与反射光线的角平分线所在的方向，得到该第一反射平面的法向量方向，从而得到该第一反射平面的倾斜角度；
计算任一第二反射平面的入射光线与反射光线的角平分线所在的方向，得到该第二反射平面的法向量方向，从而得到该第二反射平面的倾斜角度。
3.根据权利要求2所述的光内送材激光加工头，其特征在于，第一反射平面与其对应的第二反射平面平行。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述聚焦透镜的面型为非球面，用于对平行入射的N束激光整形后聚焦到工作面上。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜的反射面上镀有高反射膜。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜上设置有水冷通道。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，还包括：沿着光路方向设置在所述聚焦透镜之后、所述工作面之前的保护镜。
8.根据权利要求7所述的光内送材激光加工头，其特征在于，所述保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成；
或者，所述保护镜为中空的双层保护镜结构，包括远离所述工作面的里层保护镜和靠近所述工作面的外层保护镜；
所述里层保护镜为中空的环形保护镜；所述外层保护镜为中空的环形保护镜，由多个能够独立插拔的扇形保护镜拼接而成。
9.根据权利要求1-3任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，还包括：沿着光路方向设置在所述第一平面反射镜之前的准直透镜，用于对入射激光束进行准直。
10.根据权利要求1-3任意一项所述的光内送材激光加工头，其特征在于，N＝4。
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