CN214937800U - 基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，包括N个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块对应的M个光学成像系统及与光学成像系统对应的P个光学偏转器件；所述M个光学成像系统的光轴平行；所述光学偏转器件位于与之对应的所述光学成像系统的后方，所述光学偏转器件为光楔或者反射镜；所述光纤输出激光模块发出的光通过与之对应的所述光学成像系统及与之对应的光学偏转器件后，在光学成像系统后方形成复合光斑，本实用新型的激光加工头可应用于多种激光加工领域，特别是能够进一步降低激光加工系统的制造难度及制造成本。

Description

基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头

技术领域

本实用新型属于激光加工技术领域，尤其涉及一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头。

背景技术

在大功率激光加工中，需要采用各种光斑结构满足加工加工要求。目前业界实现复杂光斑结构的方法是：(1)首先将小功率激光模块发出的光通过合束器变成大功率光束；(2)然后通过分光元件和光学系统产生所需的复杂光斑结构。这种技术方案的主要问题是合束器的引入带来了极大的热问题需要解决，使合束器的制造难度极高，制造成本也很高。中国专利ZL201921322737.X“基于多个光纤输出激光模块的复合光斑激光系统及加工头”公布了一种新的技术方案，它回避了合束器的使用，直接基于多个小功率激光输出模块构建激光光斑结构，带来的好处是激光系统中的热问题分布在多个点处，每个点处的热问题都大幅降低，使系统的稳定性和成本都大幅降低。但在该技术方案中，多个准直器系统共享同一个聚焦镜头，当准直器通道数量较大时，聚焦透镜的通光孔径变大，数值孔径也变大，这增加设计和制造难度，增加系统成本。中国专利ZL201921319138.2“基于多个光纤输出激光模块的中心送料激光系统及加工头”公布了一种新的激光熔覆技术方案，该技术方案实现了光包粉激光熔覆，可以大幅提高光粉的作用距离，为超高速激光熔覆提供了一种完美的解决方案，但该方案由于采用中心带孔的特种镜头，制造成本高。同样，当准直系统增多式，聚焦透镜的通光孔径变大，数值孔径也变大，这增加设计和制造难度，增加系统成本。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，本实用新型的激光加工头可应用于多种激光加工领域，特别是能够进一步降低激光加工系统的制造难度及制造成本。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，包括N个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块对应的M个光学成像系统及与光学成像系统对应的P个光学偏转器件；其中：M大于等于2；M小于等于N；P小于等于M；

所述M个光学成像系统的光轴平行；所述N个光纤输出激光模块分成M组，每组光纤输出激光模块的输出光纤端面设置在与之对应的所述光学成像系统的前方；所述光学偏转器件位于与之对应的所述光学成像系统的后方，所述光学偏转器件为光楔或者反射镜；所述光纤输出激光模块发出的光通过与之对应的所述光学成像系统及与之对应的光学偏转器件后，在光学成像系统后方形成复合光斑。

进一步的，通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸、所对应成像系统的放大率、及所对应偏转光学器件参数，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的光学系统及所述偏转器件后在像面成的像叠加在一起，形成一个单一的光斑；所述形成的单一的光斑区域的强度相同，或者光斑区域内中间功率高、边缘功率低，或者光斑区域内中间功率低，边缘功率高。

进一步的，通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸、所对应成像系统的放大率、及所对应偏转光学器件参数，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的光学系统及所述偏转器件后在像面成的像叠加在一起，形成分布在几个分离区域的光斑。

进一步的，所述诸光纤输出激光模块分成两组，每组诸光纤输出激光模块各对应设置有一个光学成像系统，两个所述光学成像系统参数相同，两个所述光学成像系统的光轴位于同一平面且对称设置在一轴线的两侧，所述两组光纤输出模块输出光纤的端面各排成一列分别设置在所对应光学成像系统的前方，光纤端面排列方向与所述两光学系统轴线所在平面垂直；所述两光学系统的后方分别设置一个光楔作为偏转光学器件，使所述光纤端面的像在所述两光学系统光轴所在平面内向两光学成像系统轴线的对称轴方向偏转，并在中心对称轴线上重合；所述重合像形成一均匀条状光斑，用于激光淬火。

进一步的，在所述诸光学成像系统之间设置一送料管，送料管的轴线与所述光学成像系统的轴线平行；所述送料管用于输送粉状材料、或者丝状材料或者条状材料；所述送料管的送料区域，与所述诸光纤输出激光模块发出的光通过与之对应的诸所述光学成像系统及相应的光学偏转器件后形成的光斑重叠，用于实现光学烧结加工。

进一步的，通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸、所对应成像系统的放大率、及所对应偏转光学器件参数，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的光学系统及所述偏转器件后在像面成的像叠加在一起，形成一个圆形光斑，或者环形光斑，或者条形光斑；所述圆形光斑或者环形光斑或者条形光斑与所述送料管的送料区重叠。

进一步的，所述诸光纤输出激光模块分成两组，两个所述光学成像系统参数相同，其光轴位于同一平面且对称设置在所述送料管的两侧，所述两组光纤输出模块输出光纤的端面各排成一列分别设置在所对应光学成像系统的前方，光纤端面排列方向与所述两光学成像系统轴线所在平面垂直；所述两光学成像系统的后方分别设置一个光楔作为偏转光学器件，使所述光纤端面的像在所述两光学成像系统光轴所在平面内向所述送料管轴线方向偏转，并在送料管轴线上重合；所述重合像与送料管的送粉区重叠，用于宽带激光熔覆。

进一步的，所述诸光纤输出激光模块分成六组，六个所述光学成像系统参数相同，其光轴等角度分布在以所述送料管轴线为轴线的圆周上；所述六组光纤输出模块输出光纤的端面各排成一圆环，分别设置在对应的光学成像系统的前方；所述六个光学系统的后方分别设置一个光楔作为偏转光学器件，使所述光纤端面的像向所述送料管轴方向偏转，并在送料管轴线上重合；所述重合像与送料管的送粉区重叠，用于高速激光熔覆。

进一步的，所述诸光纤输出激光模块分成两组，两个所述光学成像系统参数相同，光轴平行且位于同一平面；所述两组光纤输出模块输出光纤的端面按一定规律排列并分别设置在所对应光学成像系统的前方；在所述两光学成像系统的后方设置一送料管，送料管的轴线垂直于所述光学成像系统轴线所在平面，且距两轴线的距离相等；所述送料管或者输送粉状材料，或者输送丝状材料，或者输送条状材料；在两所述光学成像系统后方，送料管的两侧对称分别设置一个反射镜作为偏转光学器件，使所述光纤端面的像偏转约90度，同时向送料管轴线方向偏转，并在送料管轴线上重合；所述重合像与送料管的送粉区重叠，用于孔内壁激光熔覆。

进一步的，所述诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是相同的，或者是不同的；各光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率是相同的，或者是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是同步的，或者是不同步的；所述光学输出激光模块发出的光的波长是相同的，或者是不同的。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果，本实用新型提供的激光加工头，由于所采用聚焦镜头设计和加工简单，并且，本实用新型的激光加工头对于聚焦透镜需求简单，采用普通透镜即可，具有设计加工容易的优点，极大程度上降低了本实用新型的激光加工头的生产制造成本。其中的激光熔覆和3D打印技术方案，与现有技术方案相比，消除了中心带有通孔的特种镜头的使用，不仅能够实现光包粉激光熔覆的目的，而且较低了生产成本，适于工业实施。

进一步的，本实用新型的激光加工头结构设计合理，灵活度高，可通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸、所对应成像系统的放大率、及所对应偏转光学器件参数，使诸所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的光学系统及所述偏转器件后在像面附近形成所需要的多种结构的光斑，从而实现以较低的成本提供激光加工所需的光斑，对应光加工头可实现多种功能用途，因此本实用新型的激光加工头具有非常广阔的市场前景。

进一步的，本实用新型的激光加工头提供的光学系统可以非常低的加工制造成本提供用于孔内壁的激光熔覆方案；该方案可以采用比现有技术更优化的复杂光斑结构进行孔内壁熔覆，提高孔内壁熔覆质量和效率。

附图说明

图1为本实用新型提出的基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头的结构示意图。

图2为本实用新型提出的中间设置有送料通道的基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头的结构示意图。

图3A为本实用新型提出的中间设置有送料通道的用于孔内壁加工的基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头的结构示意图的侧视图。

图3B为本实用新型提出的中间设置有送料通道的用于孔内壁加工的基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头的结构示意图的俯视图。

其中：M-1、M-2、…、M-i、…、M-M分别表示光纤输出激光模块组，每组至少有一个模块；OC-1、OC-2、…、OC-i、…、OC-M分别表示光学成像系统；OP-1、OP-2、…、OP-i、…、OP-M分别表示光学偏转器件；SLG表示送料管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型提出的基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头进行详细说明。

图1为本实用新型提出的基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头的结构示意图。其中：M-1、M-2、…、M-i、…、M-M分别表示光纤输出激光模块组，每组至少有一个模块；OC-1、OC-2、…、OC-i、…、OC-M分别表示光学成像系统；OP-1、OP-2、…、OP-i、…、OP-M分别表示光学偏转器件；每组光纤输出激光模块的输出端面按一定规律排列并设置在相应的光学成像系统前方，每组光纤端面经光纤成像系统后在后方各自成像；这些像经设置在光学成像系统后的偏转光学器件后发生偏转，重合在某一个区域中。

在该技术方案中，M个光学成像系统的光轴平行，光纤输出激光模块分成M组，每组模块的输出光纤端面按一定规律分布在与之对应的所述光学成像系统的前方；光学偏转器件位于与之对应的所述光学成像系统的后方，可以是光楔，也可以是反射镜；光纤输出激光模块发出的光通过与之对应的成像透镜及与之对应的光学偏转器件后，形成激光加工光斑。

在该技术方案中，通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸、所对应成像系统的放大率、及所对应偏转光学器件参数，使诸光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的光学系统及所述偏转器件后在像面附近成的像叠加在一起，形成一个单一的光斑；光斑区域的强度相同，或者光斑区域内中间功率高、边缘功率低，或者光斑区域内中间功率低，边缘功率高。这些光斑结构可以满足各种不同的激光加工需求，如激光焊接、激光淬火、激光切割等。

在该技术方案中，通过调整激光模块光纤输出端面位置、纤芯形状、纤芯尺寸、所对应成像系统的放大率、及所对应偏转光学器件参数，使诸光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的光学系统及所述偏转器件后在像面附近成的像叠加在一起，形成分布在几个分离区域的光斑。这种光斑可以用于激光焊接。

在该技术方案中，若：诸光纤输出激光模块分成两组；两个光学成像系统参数相同，其光轴位于同一平面且对称设置在一轴线的两侧；两组光纤输出模块输出光纤的端面各排成一列分别设置在所对应光学成像系统的前方，光纤端面排列方向与所述两光学系统轴线所在平面垂直；两光学系统的后方分别设置一个光楔作为偏转光学器件，使所述光纤端面的像在所述两光学系统光轴所在平面内向两光学成像系统轴线的对称轴方向偏转，并在中心对称轴线上重合。这时重合像可形成一均匀条状光斑，用于激光淬火。

参见图2，在该技术方案中，如果：在诸光学成像系统之间设置一送料管，送料管的轴线与所述光学成像系统的轴线平行；送料管可以输送粉状材料，也可以输送丝状材料，还可以输送条状材料；送料管的送料区域，与诸光纤输出激光模块发出的光通过与之对应的诸光学成像系统及相应的光学偏转器件后形成的光斑重叠，则可以实现光学烧结加工，用于激光熔覆和激光3D打印。

在图2所示技术方案中，如果：诸光纤输出激光模块分成两组，两个光学成像系统参数相同，其光轴位于同一平面且对称设置在所述送料管的两侧，两组光纤输出模块输出光纤的端面各排成一列分别设置在所对应光学成像系统的前方，光纤端面排列方向与所述两光学系统轴线所在平面垂直；两光学系统的后方分别设置一个光楔作为偏转光学器件，使光纤端面的像在两光学系统光轴所在平面内向送料管轴方向偏转，并在送料管轴线上重合；这时，所述重合像与送料管的送粉区重叠，可以用于宽带激光熔覆。

在图2所示技术方案中，在本实用新型的某一具体实施例中，诸光纤输出激光模块分成六组，六个光学成像系统参数相同，其光轴等角度分布在以送料管轴线为轴线的圆周上；六组光纤输出模块输出光纤的端面各排成一圆环，分别设置在对应的光学成像系统的前方；六个光学系统的后方分别设置一个光楔作为偏转光学器件，使光纤端面的像向送料管轴方向偏转，并在送料管轴线上重合；该重合像与送料管的送粉区重叠，用于高速激光熔覆。

如图3A及3B所示，在本实用新型的某一具体实施例中，诸光纤输出激光模块分成两组，两个光学成像系统参数相同，光轴平行且位于同一平面；两组光纤输出模块输出光纤的端面按一定规律排列并分别设置在所对应光学成像系统的前方；在两光学系统的后方设置一送料管，送料管的轴线垂直于光学系统轴线所在平面，且距两轴线的距离相等；送料管可以输送粉状材料，也可以输送丝状材料，还可以输送条状材料；在两光学成像系统后方，送料管的两侧对称分别设置一个反射镜作为偏转光学器件，使光纤端面的像在偏转约90度，并向送料管轴线方向偏转，在送料管轴线上重合；该重合像与送料管的送粉区重叠，用于孔内壁激光熔覆。

在上述技术方案中，诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间可以是相同的，也可以是不同的；各光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率可以是相同的，也可以是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间可以是同步的，也可以是不同步的；诸光学输出激光模块发出的光的波长可以是相同的，也可以是不同的。

按照本实用新型提出的技术方案，我们设计的第一个系统是用于激光淬火的激光加工头，具体参数为：功率6000瓦，采用20个功率300瓦的激光模块，输出光纤包层直径220微米，芯径200微米，数值孔径0.22；光学成像系统采用准直镜头+聚焦镜头结构准直透镜焦距90毫米，聚焦透镜焦距630毫米；两光学系统光轴间距50毫米；光楔偏转角为2.5度，使光斑汇聚到两成像系统光轴的对称轴线上；光纤输出模块分成两组，每组10个，一字排列，排列方向垂直两个光轴所在平面，两个像在重合处沿长度方向错位半个光纤间距，可以得到一个均匀的条状光斑用于激光淬火，条状光斑的尺寸为17毫米X1.4毫米，可用于高速激光淬火。

按照本实用新型提出的技术方案，我们设计的第二个系统是用于高速激光熔覆的激光加工头，具体参数为：功率10800瓦，采用36个功率300瓦的激光模块，输出光纤包层直径220微米，芯径200微米，数值孔径0.22；光学成像系统采用准直镜头+聚焦镜头结构准直透镜焦距70毫米，聚焦透镜焦距700毫米；六个光学系统光轴等角间距分布在直径80毫米的圆柱面上；光楔偏转角为3.5度，使光斑汇聚到六个成像系统光轴的对称轴线上；光纤输出模块分成六组，每组6个，排列成圆环形；这六个圆环光斑像叠加后形成直径3.6的环状光斑，可用于超高速激光熔覆。

按照本实用新型提出的技术方案，我们设计的第三个系统是用于孔内壁激光熔覆的激光加工头，具体参数为：功率2000瓦，采用12个功率170瓦的激光模块，输出光纤包层直径220微米，芯径200微米，数值孔径0.22；光学成像系统采用准直镜头+聚焦镜头结构准直透镜焦距40毫米，聚焦透镜焦距120毫米；两光学系统光轴间距35毫米；光楔反射镜，使成像系统光轴偏转90度，并向送料管轴线方向偏转，使光斑汇聚送料管轴线上；光纤输出模块分成两组，每组6个，排列成环状，形成直径1.08毫米的圆环光斑，可以用于内壁高速激光熔覆。

本实用新型提供了一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，与现有在商用产品相比，可以在多个加工领域提高所需的加工光斑，同时降低成本。特别是，为孔内壁激光熔覆提供了更理想的解决方案。

Claims (10)

1.一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，其特征是：包括N个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块对应的M个光学成像系统及与光学成像系统对应的P个光学偏转器件；其中：M大于等于2；M小于等于N；P小于等于M；

所述M个光学成像系统的光轴平行；所述N个光纤输出激光模块分成M组，每组光纤输出激光模块的输出光纤端面设置在与之对应的所述光学成像系统的前方；所述光学偏转器件位于与之对应的所述光学成像系统的后方，所述光学偏转器件为光楔或者反射镜；所述光纤输出激光模块发出的光通过与之对应的所述光学成像系统及与之对应的光学偏转器件后，在光学成像系统后方形成复合光斑。

2.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，其特征是：所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的光学系统及所述偏转器件后在像面成的像叠加在一起，形成一个单一的光斑；所述形成的单一的光斑区域的强度相同，或者光斑区域内中间功率高、边缘功率低，或者光斑区域内中间功率低，边缘功率高，该光斑用于激光切割、焊接等。

3.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，其特征是：所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的光学系统及所述偏转器件后在像面成的像叠加在一起，形成分布在几个分离区域的光斑，用于激光焊接。

4.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，其特征是：诸光纤输出激光模块分成两组，每组诸光纤输出激光模块各对应设置有一个光学成像系统，两个所述光学成像系统参数相同，两个所述光学成像系统的光轴位于同一平面且对称设置在一轴线的两侧，两组光纤输出激光模块输出光纤的端面各排成一列分别设置在所对应光学成像系统的前方，光纤端面排列方向与两光学系统轴线所在平面垂直；所述两光学系统的后方分别设置一个光楔作为偏转光学器件，使所述光纤端面的像在所述两光学系统光轴所在平面内向两光学成像系统轴线的对称轴方向偏转，并在中心对称轴线上重合；重合像形成一均匀条状光斑，用于激光淬火。

5.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，其特征是：在诸光学成像系统之间设置一送料管，送料管的轴线与所述光学成像系统的轴线平行；所述送料管用于输送粉状材料、或者丝状材料或者条状材料；所述送料管的送料区域，与诸光纤输出激光模块发出的光通过与之对应的诸所述光学成像系统及相应的光学偏转器件后形成的光斑重叠，用于实现光学烧结加工。

6.根据权利要求5所述的一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，其特征是：所述光纤输出激光模块输出光纤端面通过对应的光学系统及所述偏转器件后在像面成的像叠加在一起，形成一个圆形光斑，或者环形光斑，或者条形光斑；所述圆形光斑或者环形光斑或者条形光斑与所述送料管的送料区重叠。

7.根据权利要求5所述的一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，其特征是：所述诸光纤输出激光模块分成两组，两个所述光学成像系统参数相同，其光轴位于同一平面且对称设置在所述送料管的两侧，两组光纤输出激光模块输出光纤的端面各排成一列分别设置在所对应光学成像系统的前方，光纤端面排列方向与两光学成像系统轴线所在平面垂直；两光学成像系统的后方分别设置一个光楔作为偏转光学器件，使所述光纤端面的像在所述两光学成像系统光轴所在平面内向所述送料管轴线方向偏转，并在送料管轴线上重合；重合像与送料管的送粉区重叠，用于宽带激光熔覆。

8.根据权利要求5所述的一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，其特征是：所述诸光纤输出激光模块分成六组，六个所述光学成像系统参数相同，其光轴等角度分布在以所述送料管轴线为轴线的圆周上；六组所述光纤输出模块输出光纤的端面各排成一圆环，分别设置在对应的光学成像系统的前方；六个所述光学系统的后方分别设置一个光楔作为偏转光学器件，使所述光纤端面的像向所述送料管轴方向偏转，并在送料管轴线上重合；重合像与送料管的送粉区重叠，用于高速激光熔覆。

9.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，其特征是：诸光纤输出激光模块分成两组，两个所述光学成像系统参数相同，光轴平行且位于同一平面；两组光纤输出激光模块输出光纤的端面按一定规律排列并分别设置在所对应光学成像系统的前方；在两光学成像系统的后方设置一送料管，送料管的轴线垂直于所述光学成像系统轴线所在平面，且距两轴线的距离相等；所述送料管或者输送粉状材料，或者输送丝状材料，或者输送条状材料；在两所述光学成像系统后方，送料管的两侧对称分别设置一个反射镜作为偏转光学器件，使所述光纤端面的像偏转约90度，同时向送料管轴线方向偏转，并在送料管轴线上重合；重合像与送料管的送粉区重叠，用于孔内壁激光熔覆。

10.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出模块和多通道光学系统的激光加工头，其特征是：诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是相同的，或者是不同的；各光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率是相同的，或者是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是同步的，或者是不同步的；所述光学输出激光模块发出的光的波长是相同的，或者是不同的。

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