CN211680576U - 一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学机构,包括多分光椭球面镜，平面反射镜，送丝结构，丝材，本实用新型结构设计新颖，基于多分光椭球面镜对入射发散点光源分光聚焦特性，基于聚焦多分光束等角分布特性，配合送丝机构光内出丝同轴特性，可大幅提高送丝材料利用效率，激光加工速度，加工质量与一致性，适用于光纤激光器送丝激光加工，尤其适用于高功率光纤激光送丝焊接、送丝熔覆等激光加工工艺。

Description

一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学机构

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器送丝激光加工技术领域，具体为一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学机构。

背景技术

激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。由于激光束具有与加工材料的非接触性、加工速度快与质量优异等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。

光纤激光器由于光纤柔韧性好、电光转换效率高、体积较小等优势，使得光纤激光器在工业激光加工的市场占有率日益突出。随着中高功率光纤激光器价格的大幅降低，激光焊接、激光熔覆等也逐步获得广泛推广。

送丝激光焊接、送丝激光熔覆在激光焊接与熔覆中十分常见，这里统称为送丝激光加工。通常的送丝激光加工，大致可分为两类，一类是旁轴送丝激光加工，一类是同轴送丝激光加工。

旁轴送丝激光加工，是指激光束垂直或近似垂直于加工基材，送丝采用相对于加工基材有锐角角度的侧向送丝方式，送丝位置受激光束扫描方向的影响，这将导致送丝激光加工各向一致性差，送丝材料利用率低，加工速度缓慢且加工质量与一致性很难保证。

同轴送丝加工，是指送丝材料相对于加工基材垂直或基本垂直，激光束环绕送丝材料进行加工的方式。同轴送丝加工相对于旁轴送丝加工，有助于解决送丝材料利用率、加工速度与加工质量以及各向一致性问题。目前，同轴送丝加工主要包括环形光内送丝加工与分光光内送丝加工。

环形光内送丝加工，如专利公开号CN 101386111 A以及CN 104259461 A，大体是采用圆锥反射镜将光束分为360°环形光束，环形光束经过环形抛物镜聚焦，聚焦焦点为实心点，离焦部分则为空心的环形光束，问题在于送丝结构与环形光束会产生干涉，存在安全隐患；又如Precitec方案，光路依次是准直镜、平反镜、等厚凹凸轴锥透镜、等厚凹凸二分光镜、中空平反镜、中空等厚凹凸二分光镜以及中空聚焦镜和中空保护镜，虽然在保证环形光束的同时，解决了送丝结构与光束干涉问题，但该光路结构复杂，整形镜片难加工并导致成本奇高，且与前面环形光学方案一样，镜片的安装要求极高，给机械设计大幅增加难度。

分光光内送丝加工，如专利公开号CN 105499793 A，采用四分光透镜将入射激光束分为四束光束后聚焦，再经中间带有通孔的反射镜反射，送丝机构由反射镜通孔处送丝。其一定程度上解决了环形光内送丝方案环形光束能量分散的问题，且避免了送丝机构与激光束直接接触而引起能量损失以及送丝机构发热变形等问题。但问题在于，四分光镜片在加工上极难保证镜片两边的棱垂直度以及分光面的棱角一致性，更何况采用两片四分光镜，容易导致聚焦光束从理想的正方形分布变为棱形分布，四路分光束的聚焦焦点无法重合到一点，且无法校正回来。

基于上述各点，本实用新型提出一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学方案，基于多分光椭球面镜对入射发散点光源分光聚焦特性，基于聚焦多分光束等角分布特性，配合送丝机构光内出丝同轴特性，可大幅提高送丝材料利用效率、激光加工速度、加工质量与一致性，适用于光纤激光器送丝激光加工，尤其适用于高功率光纤激光送丝焊接、送丝熔覆等激光加工工艺。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学机构及其工作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学机构,包括多分光椭球面镜，平面反射镜，送丝结构，所述同轴送丝光学机构上设有多分光椭球面镜，平面反射镜，送丝结构，丝材；

所述多分光椭球面镜为金属反射镜，采用材料有铜、铝合金，设有冷却水通道；

所述多分光椭球面镜具有m个反射镜面，所有相邻反射镜面之间的交线交汇于一个顶点，所有相邻交线夹角相等；

所述多分光椭球面镜每个反射镜面均为椭球面面型，光束偏转角相同，并具有相同的椭球面焦距；

所述平面反射镜相对于多分光椭球面镜的顶点角向与径向均匀排布，光束偏转角相同。

优选的，所述多分光椭球面镜反射镜面数量m与平面反射镜镜片数量n 相同，且满足m＝n≥2；

所述平面反射镜可以角度调节。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型结构设计新颖，基于多分光椭球面镜对入射发散点光源分光聚焦特性，基于聚焦多分光束等角分布特性，配合送丝机构光内出丝同轴特性，可大幅提高送丝材料利用效率，激光加工速度，加工质量与一致性，适用于光纤激光器送丝激光加工，尤其适用于高功率光纤激光送丝焊接、送丝熔覆等激光加工工艺；

(2)本实用新型提出的多分光椭球面镜为金属反射镜，内置水冷通道，可直接水冷，有助于提高承受功率上限，另外同时兼顾将光纤激光束聚焦及分光特性，最佳整合及优化常规准直，分光与聚焦方案，高度简化光学系统并降低机械设计难度与复杂度，使整体结构变得更紧凑；

(3)本实用新型提出的光学方案，平面反射镜系列角度可调，为解决与校正实际加工应用中光斑与丝不同轴、不同离焦量加工丝材做了最基础的准备，确保理论与实际相符，并有助于优化同轴送丝加工工艺。

附图说明

图1为本实用新型同轴送丝光学机构示意图；

图2为本实用新型同轴送丝光学机构俯视图；

图3为本实用新型光学镜片剖面图；

图4为本实用新型多分光椭球面镜俯视图；

图5为本实用新型多分光椭球面镜剖视图。

图中：1、多分光椭球面镜；2、平面反射镜(2-1，2-2，……， 2-n-1，2-n)；3、送丝结构；4、丝材。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-5,本实用新型提供一种技术方案：一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学机构,包括同轴送丝光学机构4，多分光椭球面镜1，平面反射镜2(2-1，2-2，……，2-n-1，2-n)，送丝结构3，其特征在于：所述同轴送丝光学机构(4)上设有多分光椭球面镜1，平面反射镜2(2-1， 2-2，……，2-n-1，2-n)，送丝结构3，丝材4；

多分光椭球面镜1为金属反射镜，采用材料有铜、铝合金，设有冷却水通道；

多分光椭球面镜1具有m个反射镜面，所有相邻反射镜面之间的交线交汇于一个顶点，所有相邻交线夹角相等；

多分光椭球面镜1每个反射镜面均为椭球面面型，光束偏转角相同，并具有相同的椭球面焦距；

平面反射镜系列(2-1，2-2，……，2-n-1，2-n)相对于多分光椭球面镜(1)的顶点角向与径向均匀排布，光束偏转角相同。

多分光椭球面镜1反射镜面数量m与平面反射镜系列(2-1，2-2，……， 2-n-1，2-n)镜片数量n相同，且满足m＝n≥2；

平面反射镜系列(2-1，2-2，……，2-n-1，2-n)可以角度调节。

工作原理：光纤激光器出射发散光到多分光椭球面镜1上，被聚焦并分束成m条分光聚焦光束，对应分光聚焦光束再经过平面反射镜系列2-1， 2-2，……，2-n-1，2-n反射，最终所有分光聚焦光束汇聚到一点。

在其中两束分光聚焦光束之间侧向插入送丝结构3，使得送丝结构3 最终出丝端与所有分光聚焦光束的中心对称轴同轴，丝材4不断从送丝结构3最终出丝端出丝，最终在所有分光聚焦光束的作用下融化并进行激光焊接或激光熔覆应用。

为确保实际送丝与分光聚焦光束重合性以及各向受光均匀性，通过调节平面反射镜系列2-1，2-2，……，2-n-1，2-n角度即可实现，对于不同直径的丝材4，或根据激光加工工艺需要，可能还会用到激光束离焦熔丝，同样调节平面反射镜系列2-1、2-2、……、2-n-1、2-n角度即可实现。

本实用新型结构设计新颖，基于多分光椭球面镜对入射发散点光源分光聚焦特性，基于聚焦多分光束等角分布特性，配合送丝机构光内出丝同轴特性，可大幅提高送丝材料利用效率、激光加工速度、加工质量与一致性，适用于光纤激光器送丝激光加工，尤其适用于高功率光纤激光送丝焊接、送丝熔覆等激光加工工艺。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学机构,包括多分光椭球面镜(1)，平面反射镜(2)，送丝结构(3)，其特征在于：所述同轴送丝光学机构上设有多分光椭球面镜(1)，平面反射镜(2)，送丝结构(3)，丝材(4)；

所述多分光椭球面镜(1)为金属反射镜，采用材料有铜、铝合金，设有冷却水通道；

所述多分光椭球面镜(1)具有m个反射镜面，所有相邻反射镜面之间的交线交汇于一个顶点，所有相邻交线夹角相等；

所述多分光椭球面镜(1)每个反射镜面均为椭球面面型，光束偏转角相同，并具有相同的椭球面焦距；

所述平面反射镜相对于多分光椭球面镜(1)的顶点角向与径向均匀排布，光束偏转角相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学机构，其特征在于：所述多分光椭球面镜(1)反射镜面数量m与平面反射镜镜片数量n相同，且满足m＝n≥2；

所述平面反射镜可以角度调节。

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