CN210924108U - 一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，解决现有激光熔覆设备对于孔类零件内孔表面熔覆无法进行有效加工的问题。该系统包括壳体、沿光束方向依次设在壳体内的光束变换传输组、光束能量变换及整形分系统、光束变向优化组，壳体上设通光孔，光束变换传输组包括1～6个透镜，用于将光纤输出光束进行横截面尺寸及光斑形状调整变换，可进行远距离传输；光束能量变换及整形分系统包括光束能量变换组和光束整形组；光束能量变换组包括1～4个阵列透镜，用于对传输光束能量分布进行调整变换；光束整形组包括1～4个变换透镜，用于对光束形状进行整形变换将传输光束变换为矩形光斑；光束变向优化组用于改变光束传播方向及优化光束能量分布。

Description

一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种内孔熔覆光学系统，具体涉及一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统。

背景技术

激光熔覆技术是指通过大功率激光的照射，将涂层粉末与基材表面材料同时熔化，并在极短时间内凝固在结合面形成冶金结合的表面增材制造技术。激光熔覆技术能够提高基体表面的硬度并显著改善其耐磨、耐腐蚀等特性。特别对于因表面损伤而失效的零件，使用激光熔覆技术能够直接进行修复，既能满足修复零件的表面特性要求，又能大幅节约成本，目前已广泛应用于航空航天、电力、煤炭等行业。

对于加工空间无限制的外表面熔覆，现有的激光熔覆设备已经有了成熟的加工方案。但是对于孔类零件的内孔表面熔覆加工，现有的激光熔覆设备无法进行有效加工。

一是由于现有设备外形尺寸偏大，对于尺寸小于其设备外径的内孔，设备无法进入；

二是由于内孔类的加工零件，深度都比较长，即使现有的外表面熔覆设备可以进入内孔，但加工设备的行程远远不够，还是无法提供有效的加工方案。

三是目前仅有的内孔加工设备输出的工作光斑皆为圆形，相对于外面表熔覆，此种熔覆产品的熔覆效果及熔覆效率还有待进一步提高。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有激光熔覆设备对于孔类零件的内孔表面熔覆无法进行有效加工的技术问题，而提供一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是：一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特殊之处在于，包括壳体、及沿光束方向依次设置的光束变换传输组、光束能量变换及整形分系统及光束变向优化组；光束变换传输组、光束能量变换及整形分系统及光束变向优化组均设置在壳体内，所述壳体上设有用于光束通过的通光孔；所述光束变换传输组由1～6个透镜组成，用于将光纤输出的光束进行横截面尺寸及光斑形状调整变换，可进行远距离传输；所述光束能量变换及整形分系统包括光束能量变换组和光束整形组；所述光束能量变换组由1～4个阵列透镜组成，用于对传输的光束能量分布进行调整变换；所述光束整形组由1～4个变换透镜组成，用于对光束形状进行整形变换，将传输光束变换为矩形形状光斑；所述光束变向优化组用于改变光束传播方向及对光束能量分布做调整优化；所述光束能量变换组设置在光束变换传输组与光束整形组之间，或者设置在光束整形组与光束变向优化组之间。

进一步地，还所述壳体包括同轴依次设置的第一壳体和第二壳体，第一壳体沿轴向相对第二壳体可做往复移动，用于调节所述光束变换传输组与光束能量变换及整形分系统之间的距离；

光束变换传输组固定在第一壳体上，光束能量变换及整形分系统、光束变向优化组固定在第二壳体上；

所述第一壳体的两端均设有通光孔，第二壳体侧壁上与光束变向优化组相对的位置设有通光孔。

进一步地，光束变换传输组与光束能量变换及整形分系统之间的调节距离范围为0.6m～3m。

进一步地，所述光束变换传输组包括沿光束方向依次设置的第一正透镜、第二正透镜、第三透镜，所述第三透镜为正透镜或负透镜。

进一步地，所述光束能量变换组包括依次设置的正光焦度第一透镜阵列和正光焦度第二透镜阵列；第一透镜阵列用于弱化中心能量，第二透镜阵列用于进行光斑能量的匀化。

进一步地，所述第一透镜阵列包括阵列分布的四个透镜，所述四个透镜包括一个正透镜和三个负透镜、或者两个正透镜和两个负透镜、或者三个正透镜和一个负透镜。

进一步地，所述光束整形组包括依次设置的第一光束尺寸变换透镜和第二光束尺寸变换透镜，所述第一光束尺寸变换透镜光焦度为正，由1～4个柱透镜组成，且曲面方向沿弧矢方向设置，所述第二光束尺寸变换透镜光焦度为正，由1～4个柱透镜组成，且曲面方向沿子午方向设置。

进一步地，所述第一光束尺寸变换透镜和第二光束尺寸变换透镜中柱透镜的数量、参数均相同。

进一步地，所述光束变向优化组为反射镜或棱镜。

进一步地，所述反射镜为平面反射镜，与入射光束呈45度。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1、本实用新型的光学系统通过光束变换传输组对光束进行变换实现远距离传输、光束能量变换组对传输的光束能量分布进行调整变换、光束整形组对光束形状进行整形变换、光束变向优化组改变光束传播方向，可实现长工作距离传输，具有工作距离长、光斑尺寸灵活可变、光斑能量分布均匀、结构紧凑的特点，可应用于细长型的内孔熔覆，能够有效提高熔覆粉末的利用率及熔覆效率。

2、本实用新型光学系统还包括壳体，通过调整第一壳体和第二壳体间的距离，进而改变光束变换传输组与光束能量变换及整形分系统间的距离，可实现不同内孔深度的熔覆。

3、本实用新型光束变换传输组可由第一正透镜、第二正透镜、第三透镜组成，可避免出现大发散角，有效对光束进行整合。

4、本实用新型光束能量变换组可由第一透镜阵列和第二透镜阵列组成，有效弱化中心能量、对光斑能量进行匀化，避免能量损失。

5、本实用新型光束整形组将传输光束变换为矩形形状光斑，矩形形状光斑具有熔覆效果的特点；

所述光束整形组可采用多个柱透镜，可根据能量分布选择柱透镜的数量，两个方向得到不同的光斑尺寸，实现光斑的整形、能量分布整形。

6、本实用新型光束变向优化组可为反射镜或棱镜，反射镜优选为平面反射镜，与入射光束呈45度，到达内孔壁距离短、熔覆效果好。

附图说明

图1是本实用新型输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统实施例一的光学结构示意图(壳体未画出)；

图2是本实用新型输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统实施例二的内部结构示意图；

图中各标号的说明如下：

1—光束变换传输组，11—第一正透镜，12—第二正透镜，13—第三透镜，2—光束能量变换及整形分系统，21—光束能量变换组，211—第一透镜阵列，212—第二透镜阵列，22—光束整形组，3—光束变向优化组，4-第一壳体，5-第二壳体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例一

如图1所示，一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，包括壳体、及沿光束方向依次设置的光束变换传输组1、光束能量变换及整形分系统2及光束变向优化组3，图中未示出壳体；所述光束变换传输组1、光束能量变换及整形分系统2、光束变向优化组3均设置在壳体内；所述壳体上设有用于光束通过的通光孔；光束变换传输组1由1～6个透镜组成，用于将光纤输出的光束进行光斑尺寸及形状调整变换，可进行远距离传输；光束能量变换及整形分系统2包括光束能量变换组21和光束整形组22；

光束能量变换组21由1～4个阵列透镜组成，用于对传输的光束能量分布进行调整变换；光束整形组22由1～4个变换透镜组成，用于对光束形状进行整形变换，将传输光束变换为矩形形状光斑；光束变向优化组3用于改变光束传播方向及对光束能量分布做调整优化；光束能量变换组21设置在光束变换传输组1与光束整形组22之间，亦可以设置在光束整形组22与光束变向优化组3之间；该光学系统具有结构紧凑、工作距离长、光斑尺寸灵活可变、光斑能量分布均匀的特点，可应用于细长型的内孔熔覆，能够有效提高熔覆粉末的利用率及熔覆效率，该光学系统适用于800nm-1200nm波段。

光束变换传输组1包括沿光束方向依次设置的第一正透镜11、第二正透镜12、第三透镜13，第三透镜13为正透镜或负透镜。第一正透镜11用于对光束发散角初步进行压缩，第二正透镜12进一步调整光线，压缩光束发散角；第二正透镜12输出光束的光斑小时，第三透镜13为负透镜；第二正透镜12输出光束的光斑大时，第三透镜13为正透镜，以得到合适的光斑尺寸。

光束能量变换组21包括依次设置的正光焦度第一透镜阵列211和正光焦度第二透镜阵列212；第一透镜阵列211用于弱化中心能量，第二透镜阵列212用于进行光束(光斑)能量的匀化。透镜阵列由众多光学参数相等的小型透镜按照一定的规律排列而成，优选地，第一透镜阵列211包括阵列分布的四个透镜，四个透镜整体呈圆形或者四边形分布，四个透镜包括一个正透镜和三个负透镜、或者两个正透镜和两个负透镜、或者三个正透镜和一个负透镜；第二透镜阵列212包括阵列分布的四个透镜，四个透镜包括一个正透镜和三个负透镜、或者两个正透镜和两个负透镜、或者三个正透镜和一个负透镜。

光束整形组22包括依次设置的第一光束尺寸变换透镜和第二光束尺寸变换透镜，所述第一光束尺寸变换透镜光焦度为正，由1～4个柱透镜组成，且曲面方向沿弧矢方向设置，所述第二光束尺寸变换透镜光焦度为正，由1～4个柱透镜组成，且曲面方向沿子午方向设置。

第一光束尺寸变换透镜和第二光束尺寸变换透镜中柱透镜的数量、参数、光焦度、透镜尺寸、透镜材料均可相同，相同时方便加工；也可不同，根据实际需要进行合理选择和布置。

光束变向优化组3为反射镜或棱镜，优选反射镜为平面反射镜，与入射光束呈45度。

实施例二

如图2所示，在实施例一基础上对壳体进行改进，壳体包括同轴依次设置的第一壳体4和第二壳体5，第一壳体4沿轴向相对第二壳体5可做往复移动；其中，光束变换传输组1设置在第一壳体4上，光束能量变换及整形分系统2、光束变向优化组3设置在第二壳体5上，所述光束变换组通过调整各透镜之间的距离，配合第一壳体和第二壳体之间的移动，可以保证光束在0.3-6m之间进行传输。

第一壳体4的两端开设有用于光束通过的通光孔，第一壳体4也可为两端开口的圆筒结构；相应地，第二壳体5可为一端开口的圆筒结构，该开口端用于与第一壳体4连接并可实现相对移动，第二壳体5的侧壁上设有用于光束通过的通光孔，且位于与光束变向优化组相对的位置。第二壳体5也可为两端开口的圆筒结构，第二壳体5远离第一壳体4的一端增加端面保护盖，当需要对盲孔的孔底面进行熔覆时，先去掉光束变向优化组3，再去掉保护盖，使光束沿第二壳体断面出射即可。

通过调整第一壳体4和第二壳体5间的距离，进而改变光束变换传输组与光束能量变换及整形分系统间的距离，可实现不同内孔深度的熔覆，光束变换传输组1与光束能量变换及整形分系统2之间的调节距离范围为0.6m-3m。

以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域技术人员在本实用新型主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特征在于：包括壳体、及沿光束方向依次设置的光束变换传输组(1)、光束能量变换及整形分系统(2)、光束变向优化组(3)；

所述光束变换传输组(1)、光束能量变换及整形分系统(2)、光束变向优化组(3)均设置在壳体内；

所述壳体上设有用于光束通过的通光孔；

所述光束变换传输组(1)由1～6个透镜组成，用于将光纤输出的光束进行横截面尺寸及光斑形状调整变换，可进行远距离传输；

所述光束能量变换及整形分系统(2)包括光束能量变换组(21)和光束整形组(22)；

所述光束能量变换组(21)由1～4个阵列透镜组成，用于对传输的光束能量分布进行调整变换；

所述光束整形组(22)由1～4个变换透镜组成，用于对光束形状进行整形变换，将传输光束变换为矩形形状光斑；

所述光束变向优化组(3)用于改变光束传播方向及对光束能量分布做调整优化；

所述光束能量变换组(21)设置在光束变换传输组(1)与光束整形组(22)之间，或者设置在光束整形组(22)与光束变向优化组(3)之间。

2.根据权利要求1所述的一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特征在于：所述壳体包括同轴依次设置的第一壳体(4)和第二壳体(5)，第一壳体(4)沿轴向相对第二壳体(5)可做往复移动，用于调节所述光束变换传输组(1)与光束能量变换及整形分系统(2)之间的距离；

光束变换传输组(1)固定在第一壳体(4)上，光束能量变换及整形分系统(2)、光束变向优化组(3)固定在第二壳体(5)上；

所述第一壳体(4)的两端均设有通光孔，第二壳体(5)侧壁上与光束变向优化组(3)相对的位置设有通光孔。

3.根据权利要求2所述的一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特征在于：所述光束变换传输组(1)与光束能量变换及整形分系统(2)之间的调节距离范围为0.6m～3m。

4.根据权利要求1至3任一所述的一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特征在于：

所述光束变换传输组(1)包括沿光束方向依次设置的第一正透镜(11)、第二正透镜(12)、第三透镜(13)，所述第三透镜(13)为正透镜或负透镜。

5.根据权利要求4所述的一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特征在于：

所述光束能量变换组(21)包括依次设置的正光焦度第一透镜阵列(211)和正光焦度第二透镜阵列(212)；

第一透镜阵列(211)用于弱化中心能量，第二透镜阵列(212)用于进行光斑能量的匀化。

6.根据权利要求5所述的一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特征在于：

所述第一透镜阵列(211)包括阵列分布的四个透镜，所述四个透镜包括一个正透镜和三个负透镜、或者两个正透镜和两个负透镜、或者三个正透镜和一个负透镜。

7.根据权利要求6所述的一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特征在于：

所述光束整形组(22)包括依次设置的第一光束尺寸变换透镜和第二光束尺寸变换透镜，

所述第一光束尺寸变换透镜光焦度为正，由1～4个柱透镜组成，且曲面方向沿弧矢方向设置，

所述第二光束尺寸变换透镜光焦度为正，由1～4个柱透镜组成，且曲面方向沿子午方向设置。

8.根据权利要求7所述的一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特征在于：

所述第一光束尺寸变换透镜和第二光束尺寸变换透镜中柱透镜的数量、参数均相同。

9.根据权利要求1所述的一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特征在于：

所述光束变向优化组(3)为反射镜或棱镜。

10.根据权利要求9所述的一种输出矩形光斑的长工作距离内孔熔覆光学系统，其特征在于：

所述反射镜为平面反射镜，与入射光束呈45度。

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