一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头制造技术

本发明专利技术公开一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头，光路分光单元包括可调反射镜和至少一级分光反射镜，若干可调反射镜分布于分光反射镜的四周，分光反射镜能够将入射光束分成多条垂直于入射光束的分光光束，每条分光光束通过可调反射镜聚焦于一点；同轴送丝熔覆头包括设置有光路分光单元和送丝管的熔覆头镜腔，送丝管与准直后的激光光束同轴设置，送丝管延伸出熔覆头镜腔，丝材依次通过送丝管和送丝嘴，可调反射镜能够调整分光光束聚焦到丝材上；本发明专利技术通过分光单元形成分光光路，使得可调反射镜能够调节分光光束与丝材的角度，进而在同轴送丝的过程中使得丝材熔滴位于基材熔池的正上方，同时保证聚焦到丝材顶端的分光光束的能量分布均匀。

An optical path splitting unit and its coaxial wire feeding cladding head

【技术实现步骤摘要】
一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头
本专利技术涉及激光熔覆领域，特别是涉及一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头。
技术介绍
随着近十年高功率光纤激光器的快速发展，激光表面改性，如激光表面强化，激光表面合金化，激光熔覆已经被广泛应用于汽车与航空航天领域。激光熔覆以及激光多层熔覆技术，是采用激光束熔化丝材(或粉材)及薄层基材材料，待快速凝固后形成稀释度极低、成分与基材大体一致的熔覆层的方法称为激光表面熔覆。通过送丝(或送粉)熔覆其熔覆层与基材材料形成冶金结合，从而改善基材材料表面的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化等性能。激光送丝熔覆成形技术是激光熔覆成形技术中的一种，熔覆成形过程采用金属焊丝代替传统粉材作为主要材料，送丝机将丝材送进激光在基材上形成的熔池中，同时激光部分能量也会作用在丝材上形成独特的双熔池现象，并随着激光移动，丝材与基材熔化、结合、冷却最终形成熔覆层。传统的激光送粉熔覆粉材利用率低，熔覆时间长不适用于大型复杂构件的加工成型工作，且熔覆层与基材的结合强度低，熔覆粉末的成份、粒度等都会极大地影响成型件的精度与性能。相比之下送丝熔覆的丝材利用率可以达到100％，且加工效率高，成型件完整性好，性能稳定。然而目前现有且已经开始使用的送丝熔覆技术大都是采用旁轴送丝熔覆，其加工柔性较低，只能沿着送丝方向成型，由于激光聚焦后呈锥形，因此激光作用在基材上形成的熔池，与激光作用在丝材上形成的熔滴在水平方向上存在偏离，这会导致丝材熔化形成的熔滴很难滴落到基材熔池中，导致熔覆缺陷，这大大限制了送丝熔覆技术的推广。<br>为改善旁轴送丝熔覆的上述问题，专利文献1(公开号：CN105499793A)公开了一种同轴送丝熔敷激光头的光路分光单元，采用两个相对位置固定的四分光透镜将准直光束分成四束平行光束，入射到聚焦镜上，在通过金属斜平面反射镜将四束准直光聚焦到丝材上，这种方法不能调整四束光束最终的聚焦夹角，很难保证聚焦后的四束光恰好都聚焦在丝材上，并且该方法中大量采用结构复杂的光学透镜，加工难度大，应用成本很高；另外该专利采用透镜分光，这种方式对透镜的加工要求非常高，透镜的热效应会非常明显，分光效率低，光路易发散，而要想达到较好的分光效果，势必需要将分光透镜做的很大，导致成本非常高。专利文献2(公开号：CN208147143U)公开了一种用于激光金属打印的同轴送丝熔敷头，先通过两组锥形镜将实心光束转换为环形中空光束，再通过环形光束分裂镜将环形光束分开，以便送入丝材；该方法不能调节环形光束最终的聚焦夹角，一旦丝材发生轻微的弯曲，很难保证激光光斑落在丝材上。专利文献3(公开号：CN207326178U)公开了一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学系统，采用的是n个相同的光路，环绕在送丝机构的周围，该方法结构复杂，需要n个相同功率的激光光源，也就是专利文献3中所提的光纤激光器，实现成本非常高。因此，针对上述问题，提出了一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头，通过分光单元形成分光光束，光束的劈分与换向均采用反射镜，避免了采用透镜分光对透镜的加工要求高、透镜的热效应明显、分光效率低、光路易发散的弊端，能够大大减少激光的能量损失，省去复杂的水冷系统；分光光束垂直于入射激光光束且在同一平面，能够使得经可调反射镜反射后的反射光束同样与入射激光光束在同一平面，在调整可调反射镜时只需要在同一平面内调整反射光束的角度就可以精确的调整聚焦点在丝材的位置，保证聚焦到丝材顶端的分光光束的能量分布均匀，大大降低了调整的难度也提高了调整的精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头，以解决上述现有技术存在的问题，通过分光单元形成分光光路，使得可调反射镜能够通过简单的方式调节分光光束与丝材的角度，进而保证聚焦到丝材顶端的分光光束的能量分布均匀，同时提高调整的精确度。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种光路分光单元，包括可调反射镜和至少一级分光反射镜，若干所述可调反射镜分布于分光反射镜的四周，所述分光反射镜能够将入射激光光束分成多条分光光束，所述分光光束垂直于入射激光光束，且二者在同一平面内，每条所述分光光束对应照射至所述可调反射镜上，若干所述可调反射镜调整所述分光光束聚焦于一点。优选地，所述分光反射镜包括第一分光反射镜、第二分光反射镜和22.5°反射镜，所述第一分光反射镜和第二分光反射镜为截面顶角是直角的三棱柱，所述22.5°反射镜为截面一锐角是22.5°的三棱柱，所述第一分光反射镜直角顶角对应的边与入射激光光束的入射方向垂直，将入射激光光束均匀分成二分之一光束，所述第二分光反射镜直角顶角对应的边与所述第一分光反射镜直角顶角对应的边垂直且与二分之一光束的入射方向垂直，将二分之一光束分成平行的四分之一光束，所述第二分光反射镜包括两个且对称设置在所述第一分光反射镜的两侧，所述22.5°反射镜包括四个且每个分别对应一条四分之一光束，所述22.5°反射镜的反射面与四分之一光束成22.5°，四分之一光束经所述22.5°反射镜反射后相互成90°照射至所述可调反射镜。优选地，所述分光反射镜为三棱锥或四棱锥，入射激光光束入射到分光反射镜的顶点，所述三棱锥能够将准直后的激光光束均匀分成三条三分之一光束且所述三分之一光束位于同一平面，所述三分之一光束照射至所述可调反射镜；所述四棱锥能够将所述准直后的激光光束均匀分成四条四分之一光束且所述四分之一光束位于同一平面，所述四分之一光束照射至所述可调反射镜。优选地，还包括光源准直模块，所述光源准直模块将准直后的激光光束照射至所述分光反射镜上。还提供一种应用上述光路分光单元的同轴送丝熔覆头，包括封盖和熔覆头镜腔；所述熔覆头镜腔内设置有光路分光单元和送丝管，所述封盖上设置有光源准直模块；所述送丝管与准直后的激光光束同轴设置，所述送丝管延伸出所述熔覆头镜腔且送丝管的底端安装有送丝嘴，丝材依次通过所述送丝管和所述送丝嘴；所述可调反射镜能够调整所述分光光束聚焦到所述送丝嘴伸出的丝材上。优选地，所述可调反射镜安装在二维光学镜架上；所述光源准直模块上安装有QBH安装座。优选地，所述封盖上开设有通道，所述通道延伸到所述熔覆头镜腔内与所述送丝管连通。优选地，所述送丝管的中间设置有送丝圆孔，四周均布多个通气圆孔。优选地，所述可调反射镜反射后的分光光束的传播方向上还设置有非球聚焦镜。优选地，所述非球聚焦镜安装在聚焦镜镜腔内，所述聚焦镜镜腔内设置有Z轴焦距调节机构，所述聚焦镜镜腔沿光束传播的方向上还设置有保护镜镜腔，所述保护镜镜腔内设置有聚焦镜保护镜，所述聚焦镜保护镜与所述非球聚焦镜平行。本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：1、本专利技术通过分光单元形成分光光束，光束的劈分与换向均采用反射镜，避免了采用透镜分光对透镜的加工要求高、透镜的热效应明显、分光效率低、光路易发散的弊端，能够大大减少激光的能量损失，省去复杂的水冷系统；分光光束垂直于入射激光光束且在同一平面，能够使得经可调反射镜反射后的反射光束同样与入射激光光束在同一平面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光路分光单元，其特征在于，包括可调反射镜和至少一级分光反射镜，若干所述可调反射镜分布于分光反射镜的四周，所述分光反射镜能够将入射激光光束分成多条分光光束，所述分光光束垂直于入射激光光束，且二者在同一平面内，每条所述分光光束对应照射至所述可调反射镜上，若干所述可调反射镜调整所述分光光束聚焦于一点。/n

【技术特征摘要】
1.一种光路分光单元，其特征在于，包括可调反射镜和至少一级分光反射镜，若干所述可调反射镜分布于分光反射镜的四周，所述分光反射镜能够将入射激光光束分成多条分光光束，所述分光光束垂直于入射激光光束，且二者在同一平面内，每条所述分光光束对应照射至所述可调反射镜上，若干所述可调反射镜调整所述分光光束聚焦于一点。


2.根据权利要求1所述的一种光路分光单元，其特征在于，所述分光反射镜包括第一分光反射镜、第二分光反射镜和22.5°反射镜，所述第一分光反射镜和第二分光反射镜为截面顶角是直角的三棱柱，所述22.5°反射镜为截面一锐角是22.5°的三棱柱，所述第一分光反射镜直角顶角对应的边与入射激光光束的入射方向垂直，将入射激光光束均匀分成二分之一光束，所述第二分光反射镜直角顶角对应的边与所述第一分光反射镜直角顶角对应的边垂直且与二分之一光束的入射方向垂直，将二分之一光束分成平行的四分之一光束，所述第二分光反射镜包括两个且对称设置在所述第一分光反射镜的两侧，所述22.5°反射镜包括四个且每个分别对应一条四分之一光束，所述22.5°反射镜的反射面与四分之一光束成22.5°，四分之一光束经所述22.5°反射镜反射后相互成90°照射至所述可调反射镜。


3.根据权利要求1所述的一种光路分光单元，其特征在于，所述分光反射镜为三棱锥或四棱锥，入射激光光束入射到分光反射镜的顶点，所述三棱锥能够将准直后的激光光束均匀分成三条三分之一光束且所述三分之一光束位于同一平面，所述三分之一光束照射至所述可调反射镜；所述四棱锥能够将所述准直后的激光光束均匀分成四条四分之一光束且所述四分之一光束位于同一平面，所述四分之一光束...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修泉，周邵巍，米高阳，许天宇，刘庆，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42