CN210967462U

CN210967462U - 一种可调变的宽带激光加工光学系统

Info

Publication number: CN210967462U
Application number: CN201921855375.0U
Authority: CN
Inventors: 秦应雄; 车昕; 刘晓东; 唐霞辉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-07-10
Anticipated expiration: 2029-10-31

Abstract

本实用新型公开了一种可调变的宽带激光加工光学系统，属于激光加工光学系统领域。该系统包括激光器、移动聚焦透镜单元、扫描振镜单元和工作面；所述移动聚焦透镜单元包括聚焦透镜、第一电机和导轨，所述第一电机控制所述聚焦透镜沿所述导轨运动；所述扫描振镜单元包括振镜、第二电机，所述振镜与所述第二电机连接；所述激光器发出的光束以一定发散角入射至所述聚焦透镜，光束经所述聚焦透镜准直聚焦后入射至所述振镜，再经所述振镜反射，从而用于对所述工作面上的工件进行激光加工。本实用新型可快速灵敏地调节工作光斑的尺寸，尤其针对异形或不平整的加工表面具有明显的优势，还提高了加工的均匀性及加工效率。

Description

一种可调变的宽带激光加工光学系统

技术领域

本实用新型属于激光加工光学系统领域，更具体地，是涉及一种可调变的宽带激光加工光学系统。

背景技术

激光加工技术是一种利用高能激光和纳米材料对各类零件进行合金强化处理的表面改性技术，可在零部件表面无形变的情况下显著改善基层的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等工程属性。近年来随着工业化和激光技术产业的飞速发展，激光加工作为提高器件表面质量及使用寿命的有效方法在直接成型和再制造生产工艺中得到了广泛应用。

现有的激光加工成型系统多采用光学元件对激光束进行切割整形重组，激光加工光学系统的作用是将激光器发出的激光束转换并投射在加工面上用于激光熔覆加工。现有的激光加工光学系统难以满足加工的效率和质量要求，其固定的工作模式通常不能灵活变斑，不适用于结构比较复杂的零件，尤其是对一些尺寸较小、表面不规则的工件加工效率不高。而且，传统加工系统的熔敷的效率和质量有限，以积分变换镜熔敷系统为例，其利用标量衍射理论对光束进行重新分配再会聚，积分镜变换后的光场分布带有强烈的干涉及衍射效应，在较短工作时长内，其光斑条纹结构明显，破坏了光束均匀度；尽管由于热扩散作用的存在，其条纹结构会随激光照射时长增加而逐步减弱，但由于激光的高速扫描过程，其工作温度场仍不能保证均匀性，从而会影响熔敷的效率和质量。因此，开发一种可调变的宽带激光加工光学系统对激光加工应用具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型了提出一种可调变的宽带激光加工光学系统，旨在解决现有的激光加工系统加工质量差、效率低的问题。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种可调变的宽带激光加工光学系统，该系统包括激光器、移动聚焦透镜单元、扫描振镜单元和工作面；所述移动聚焦透镜单元包括聚焦透镜、第一电机和导轨，所述第一电机控制所述聚焦透镜沿所述导轨运动；所述扫描振镜单元包括振镜、第二电机，所述振镜与所述第二电机连接；所述激光器发出的光束以一定发散角入射至所述聚焦透镜，光束经所述聚焦透镜准直聚焦后入射至所述振镜，再经所述振镜反射，从而用于对所述工作面上的工件进行激光加工。本实用新型使用一片准直聚焦组合镜，不需要先准直再聚焦，减少镜片污染且节约了加工成本，降低了操作难度。

进一步地，该系统还包括分光装置，所述分光装置包括分光棱镜、两个对称放置的反射镜和滑动槽，所述分光棱镜可沿所述滑动槽移动；

光束经所述振镜反射至所述分光棱镜的两分光棱面，通过所述分光棱镜反射分光为两个子光束，所述两个子光束分别经所述反射镜反射后会聚于所述工作面上得到两个光斑。

进一步地，所述两个子光束会聚时呈一特定夹角，在两个子光束之间形成的中空无光区域内放置多通道送粉管以进行光粉同步输送。

进一步地，所述聚焦透镜与导轨上的支架相连接，通过所述第一电机控制其在导轨上沿光轴方向来回移动，以调节扫描时的光斑宽度。通过移动聚焦透镜的位置，可以快速调节在工作面上光斑的宽度，提高了设备加工的灵活性和加工效率。

进一步地，所述第二电机驱动所述振镜来回振动进行宽带光束扫描，通过编程调整所述振镜扫描的角度，调节光斑的扫描范围，实现对不同尺寸的零件的高效加工。

进一步地，通过调节所述振镜的扫描速度控制各个位置光斑的停留时长，以获得特定形状的光场分布。

进一步地，控制所述振镜在偏转角度较大时的扫描速度小于偏转角度较小时的扫描速度，在所述工作面上获得光场分布呈现两侧高、中心低的鞍形光场。

本实用新型具有如下有益效果：

(1)本实用新型通过控制振镜角度改变光斑的扫描范围，结合聚焦透镜移动调节实现变斑，提高了加工的灵活性，实现了对于各种尺寸工件的高效加工。

(2)本实用新型利用分光装置一方面实现光束中空、光内送粉激光熔敷，提高了光粉耦合利用率；另一方面，其分光得到的双光束同步进行双光斑扫描，大大提高了加工效率。

(3)本实用新型通过编程控制振镜的偏转，可实现鞍形、抛物线形等根据实际需求的特殊光场分布，以实现对于异形表面的加工；尤其是鞍形光场可以得到均匀分布的扫描温度场，提高了熔覆层的加工质量。

附图说明

图1是本实用新型可调变的宽带激光加工光学系统实施例的示意图；

图2是本实用新型可调变的宽带激光加工光学系统另一实施例的示意图；

图3是准直聚焦镜移动变斑原理示意图；

图4是分光棱镜移动调节两光斑能量比例的示意图；

图5(a)是改变反射镜角度调控双光斑中心间距的示意图；

图5(b)是改变反射镜角度调控双光斑中心间距时对应的光斑分布示意图；

图6(a)是实现鞍形分布光斑停留时长、光强分布及温度场分布示意图；

图6(b)是实现鞍形分布对应的一个扫描周期内扫描光斑分布示意图；

图7是分光装置内置送粉管实现光内送粉的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案以及优点更加的清楚明白，以下结合附图与实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种可调变的宽带激光加工光学系统包括光纤激光器1、聚焦透镜2、用于控制聚焦透镜2移动的第一电机与导轨3、振镜4、驱动振镜振动的第二电机5和工作面6。光纤激光器1发出的光束以一定发散角入射至聚焦透镜2，光束经聚焦透镜2准直聚焦后入射至振镜4，再经振镜4反射至工作面6。

所述的聚焦透镜2与导轨上的支架相连接，通过第一电机控制其在导轨上沿光轴方向来回移动，以实现工作面上6变斑的效果。传统的激光加工光学系统采用多个聚焦镜组合移动调节变斑，而本实用新型使用准直聚焦组合镜，可以实现非常方便的长距离聚焦，减少镜片污染，且调节速度快，有利于实时变斑处理。

所述振镜4与第二电机5连接，通过第二电机5控制振镜4的来回振动，以实现宽带光束扫描的过程。在针对大型轴类零件表面等特定场合下，采用振镜扫描可自由调节矩形光斑的长度(如图中y方向所示)。另外，采用扫描方式反复照射，有利于激光熔池的震动，改善熔池，提高熔覆质量，加深激光熔覆或激光强化的硬化深度。

实施例2

如图2，本实用新型实施例提供的另一种可调变的宽带激光加工光学系统包括光纤激光器1、聚焦透镜2、用于控制聚焦透镜2移动的第一电机与导轨3、振镜4、驱动振镜振动的第二电机5、分光棱镜7、反射镜8、用于控制分光棱镜7位置的滑动槽9和工作面6，其中分光棱镜7、反射镜8、用于控制分光棱镜7位置的滑动槽9构成分光装置。光纤激光器1发出的光束以一定发散角入射至聚焦透镜2，光束经聚焦透镜2准直聚焦后入射至振镜4，经振镜4反射至分光棱镜7的两分光棱面，光束由分光棱镜7反射分光后，经两对称放置的反射镜8反射后会聚于工作面6上。所述的分光棱镜7可在滑动槽9上前后移动，并采用销钉进行限位。

所述的聚焦透镜2与导轨上的支架相连接，通过第一电机控制其在导轨上沿光轴方向来回移动，以实现工作面上6变斑的效果。所述振镜4偏振至虚线位置时，光束由实线变为虚线所示，光斑在工作面6沿图中所示y方向在确定范围内来回扫描，形成一定长度的双矩形光斑。

图3示出聚焦透镜2移动至导轨3上虚线位置时，系统光路由实线变为虚线所示，实现工作面6上双矩形光斑宽度(图中x方向)变化功能。所述第二电机5通过编程控制振镜4的振动角度，可调控反射光斑在工作面上的扫描范围，实现扫描双光斑在扫描方向长度(图中y方向)的变化，结合上述聚焦镜前后移动调节光斑宽度变化，实现可调变的矩形双光斑功能。

图4所示分光棱镜7沿滑动槽9由实线中心位置移动至虚线位置时，两分光光束能量比例不同，振镜4振动范围由实线至虚线位置，在工作面6得到两宽度不等的双矩形光斑。

图5(a)所示反射镜8由实线位置转动至虚线位置时，两分光光束由实线变为虚线，其工作面的光斑分布变化情况如图5(b)所示，两光束的会聚角度改变可实现工作面上双光斑间距的变化。

通过编程控制振镜的偏转可实现鞍形、抛物线形等根据实际需求的特殊光场分布，以实现对异形表面的加工。例如，在本实施例中，通过调节振镜的扫描速度以控制各位置光斑的停留时长获得鞍形光场分布。图6(a)所示为对应加工过程中光斑停留时长t、光场强度分布I及温度场分布T情况，图6(b)所示为形成的鞍形光场在一个扫描周期内扫描光斑的分布情况。振镜的偏转角度较大时扫描速度小、偏转角度较小时扫描速度大，从而实现工作面上光场分布呈现两侧高、中心低的鞍形光场。从图6(b)可以看出，鞍形光场对应下的熔敷温度场近似为矩形分布，使得熔覆层形成的热作用过程均匀，克服了常规硬化层的月牙形状分布的缺陷，获得硬化厚度均匀的熔敷层，显著改善了加工质量。又如，当振镜偏转角度较大时，其扫描速度大，偏转角度较小时，其扫描速度小，实现工作面上光场分布呈现两侧低、中心高的抛物线形的光场，以实现对局部凸形表面的加工。由此可见，通过编程控制振镜偏转角度下的扫描速度，可以得到任意特定形状的光场分布，实现了对于异形表面的加工。

在上述解释了激光加工光学系统组成的基础上，图7所示为分光装置内置送粉管实现光内送粉的示意图。分光棱镜7和一对反射镜8使得两分光子光束以一定的倾斜角度会聚在工作面6上，两分光子光束之间形成的中空无光区域放置多通道送粉管10以实现光内送粉及光粉同步输送，其光束中空的装置特点为实现光内送粉提供了空间，如此实现了光粉的高效结合及利用，从而大大提高熔敷层的加工质量。而且，加入分光装置实现双光斑同步加工，有效提高了加工效率。

此外，本实用新型还可以直接与带有QBH接头光纤激光器和工业机器人相结合，提高激光加工系统的加工效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种可调变的宽带激光加工光学系统，其特征在于，该系统包括激光器、移动聚焦透镜单元、扫描振镜单元和工作面；

所述移动聚焦透镜单元包括聚焦透镜、第一电机和导轨，所述第一电机控制所述聚焦透镜沿所述导轨运动；

所述扫描振镜单元包括振镜、第二电机，所述振镜与所述第二电机连接；

所述激光器发出的光束以一定发散角入射至所述聚焦透镜，光束经所述聚焦透镜准直聚焦后入射至所述振镜，再经所述振镜反射，从而用于对所述工作面上的工件进行激光加工。

2.如权利要求1所述的宽带激光加工光学系统，其特征在于，该系统还包括分光装置，所述分光装置包括分光棱镜、两个对称放置的反射镜和滑动槽，所述分光棱镜可沿所述滑动槽移动；

3.如权利要求2所述的宽带激光加工光学系统，其特征在于，所述两个子光束会聚时呈一特定夹角，在两个子光束之间形成的中空无光区域内放置多通道送粉管以进行光粉同步输送。

4.如权利要求1-3任一项所述的宽带激光加工光学系统，其特征在于，所述聚焦透镜与导轨上的支架相连接，通过所述第一电机控制其在导轨上沿光轴方向来回移动，以调节扫描时的光斑宽度。

5.如权利要求1-3任一项所述的宽带激光加工光学系统，其特征在于，所述第二电机驱动所述振镜来回振动进行宽带光束扫描，通过编程调整所述振镜扫描的角度，调节光斑的扫描范围。

6.如权利要求1-3任一项所述的宽带激光加工光学系统，其特征在于，通过调节所述振镜的扫描速度控制各个位置光斑的停留时长，以获得特定形状的光场分布。

7.如权利要求6所述的宽带激光加工光学系统，其特征在于，控制所述振镜在偏转角度较大时的扫描速度小于偏转角度较小时的扫描速度，在所述工作面上获得光场分布呈现两侧高、中心低的鞍形光场。