基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，包括送料装置和至少一个激光头；所述每个激光头包括多个光纤输出激光模块和成像透镜，所述多个光纤输出激光模块的光纤输出端面在一个平面内至少排列成一排，当排列为多排时，排与排之间平行成条状；所述成像透镜包括至少一片透镜元件，成像透镜位于激光模块的光纤输出端面的输出光路上；该系统直接利用小功率模块，构建所需结构的条状光斑，光斑的各个部分可以独立控制以使光斑结构满足不同的激光加工工艺要求。由于采用常规光学元件并避免了大功率激光器的使用，降低了设备成本；系统调试简单。

Laser broadband cladding system based on multiple fiber output laser modules

【技术实现步骤摘要】
基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统
本专利技术属于激光
，涉及一种激光宽带熔覆装置，特别是一种基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，可广泛应用于激光加工产业中。
技术介绍
激光熔覆是通过在物体表面上用激光烧结某种材料来改变物体表面的特性，烧结材料可以是粉、丝和片等。通常激光熔覆分窄带熔覆和宽带熔覆。窄带熔覆只能熔覆3-5毫米的宽度，当熔覆面积大时，接头多，表面特性变差。激光宽带熔覆既能保证熔覆效率，又能保证熔覆质量，在工业中得到更广泛的应用。激光宽带熔覆分两种方式，一种是激光垂直照射被熔覆表面，物料从一个侧面或两个侧面送入；另一种是物料垂直送向被熔覆表面，激光从一个或两个侧面照射。为了实现激光宽带熔覆，需要送料装置和产生条状光斑的激光系统。目前产生条状光斑的激光系统主要有两种：一种是直接输出半导体激光系统，这种光源将多个条状阵列半导体发光芯片封装在一起，并用复杂微透镜光学系统整形形成条状光斑，激光系统体积庞大；另一种由大功率光纤输出激光器与激光整形光学系统组成，整形光学系统主要有两种，一种是采用微透镜阵列的激光整形光学系统，一种是采用光束积分镜的激光整形光学系统。相比之下，光纤输出式激光头要小很多，使用方便，但价格昂贵。目前，这些产生条状光斑的激光系统用于熔覆时在技术上主要还有下面一些问题：1、这些激光器通常只能产生简单的条状结构的光斑。并且相关研究表明，在宽带激光熔覆中，如果能在烧结前使基体预热，在烧结后使基体缓冷，都可以大幅提高激光熔覆的质量，消除或减小烧结应力。但要产生这种光斑，必须采用特种光学元件，制造困难，调试复杂，如中国专利“激光宽带熔覆装置”(专利申请号CN201610879013.X)。2、这些激光设备一旦生产，其光斑结构就不能变化。在实际应用中，不同的基体不同的材料需要不同的光斑结构产生，比如中心功率和边缘功率，如果这些功率可以实时调整，无疑会大大增加设备的适用范围，满足更多的工业需求。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，该系统直接利用小功率模块，构建所需结构的条状光斑，光斑的各个部分可以独立控制以使光斑结构满足不同的激光加工工艺要求。由于采用常规光学元件并避免了大功率激光器的使用，降低了设备成本。另外，系统调试简单。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，包括送料装置和至少一个激光头；所述每个激光头包括多个光纤输出激光模块和成像透镜，所述多个光纤输出激光模块的光纤输出端面在一个平面内至少排列成一排，当排列为多排时，排与排之间平行成条状；所述成像透镜包括至少一片透镜元件，成像透镜位于激光模块的光纤输出端面的输出光路上；当所述送料装置将物料垂直送到待熔覆物体表面时，所述激光头在送料装置两侧的至少一侧将成像透镜对排列成条状的光纤端面成的像，透射到物料上，并使条状像的长边与物料的长边平行；当所述激光头将成像透镜对排列成条状的光纤端面成的像垂直照射到待熔覆物体表面，送料装置将物料从两侧的至少一侧送到待熔覆物体表面激光照射区；该激光宽带熔覆系统将物料与物体表面烧结在一起。进一步的，所述激光头中设置至少包含一个分光元件的分光部件，所述分光部件用于将光束分离成多份，所述条状排列的光纤输出激光模块输出光纤的端面经分光部件和成像透镜后成多个像，这些像组合后形成均匀的条形光斑。进一步的，所述分光部件为偏振分光器件，或者为空间波面分光器件，或者是偏振分光器件和空间波面分光器件的组合；所述偏振分光器件是将O光(正常光)和E光(异常光)分束并产生相对位移的平行平板晶体位移片，或者是将O光(正常光)和E光(异常光)分束并产生相对角位移的晶体楔形片；所述空间波面分光器件是产生光束相对偏转的空间排列的光楔，或者是产生光束相对偏转的空间排列的多个反射镜。进一步的，所述光纤输出激光模块的输出光纤纤芯截面是圆形的，或者是矩形的。进一步的，所述诸光纤输出激光模块独立控制，发光的相对持续时间是相同的，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；形成光斑结构随时间变化的光斑结构，满足不同激光加工对光斑的要求。进一步的，所述两激光头发出的条状光斑沿垂直于条形物料方向靠在一起，条状物料位于合成光斑中心，两个条状光斑相邻的部分区域的功率高于其它区域的功率，形成中心功率高两边功率低具有预热和缓降温功能的光斑。进一步的，所述两激光头发出的条状光斑在垂直于条形物料方向部分重叠，该重叠区域与条状物料重叠，这种光斑中心功率高，两边功率低，具有预热和缓降温功能。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：首先，通过对光学系统进行合理设计，直接利用小功率光纤输出激光模块，避免了大功率激光器的采用；利用小功率光纤输出激光模块直接构成的系统成本大幅降低，通常小功率激光模块单位功率的价格不高于大功率激光器单位功率价格的0.5倍；现有技术中采用大功率光纤输出激光器与光学整形系统产生条状光斑，由于大功率光斑是由许多小功率模块的光合束形成的，且光学整形系统采用特种光学元件，这种系统技术复杂，价格昂贵；另外，在本专利技术的系统中，全部采用常规光学元件，降低了加工成本和调试难度；同时，本专利技术可通过独立控制诸小功率模块，实时根据需要改变加工光斑的结构。进一步的，本专利技术的方案可实现在光斑上垂直于长度方向的截面上，光斑具有中心功率高边缘功率低的结构，或者，在光斑上垂直于长度方向的截面上，具有一个中心高功率光斑和两个低功率边光斑的结构，这些结构可以提供基体预热和缓冷却功能，提高烧结质量。这些光斑的相对功率分布可以实时控制，可以根据工艺需求灵活调整，适应不同的需求。附图说明图1A为本专利技术提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的一种中心送料双侧照射的系统结构示意图。图1B为本专利技术提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的一种中心激光照射，单侧送料的系统结构示意图。图2A为本专利技术提出的第一种分光部件的结构示意图，它是产生相对位移的平行平板晶体位移片。图2B为本专利技术提出的第二种分光部件的结构示意图，它是产生相对角位移的晶体楔形片。图3A为本专利技术提出的第三种分光部件的结构示意图，它是产生光束相对偏转的光楔。图3B为本专利技术提出的第四种分光部件的结构示意图，它是产生光束相对偏转的空间排列的多个反射镜。图4A为本专利技术提出的激光头中光纤输出激光模块输出光纤端面的一种排列结构。图4B为本专利技术提出的激光头中光纤输出激光模块输出光纤端面的第二种排列结构。图5A为本专利技术提出的激光头中一种光路结构；图5B为光纤输出激光模块输出光纤端面的一种排列结构；图5C为图5B所示光纤端面排列结构经图5A所示激光头光路结构后产生的像的排列结构；图6A为本专利技术提出的激光头中光纤输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，其特征在于，包括送料装置和至少一个激光头；所述每个激光头包括多个光纤输出激光模块和成像透镜，所述多个光纤输出激光模块的光纤输出端面在一个平面内至少排列成一排，当排列为多排时，排与排之间平行成条状；所述成像透镜包括至少一片透镜，成像透镜位于激光模块的光纤输出端面的输出光路上；/n当所述送料装置将物料垂直送到待熔覆物体表面时，所述激光头在送料装置两侧的至少一侧将成像透镜对排列成条状的光纤端面成的像，透射到物料上，并使条状像的长边与物料的长边平行；/n当所述激光头将成像透镜对排列成条状的光纤端面成的像垂直照射到待熔覆物体表面，送料装置将物料从两侧的至少一侧送到待熔覆物体表面激光照射区；该激光宽带熔覆系统将物料与物体表面烧结在一起。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，其特征在于，包括送料装置和至少一个激光头；所述每个激光头包括多个光纤输出激光模块和成像透镜，所述多个光纤输出激光模块的光纤输出端面在一个平面内至少排列成一排，当排列为多排时，排与排之间平行成条状；所述成像透镜包括至少一片透镜，成像透镜位于激光模块的光纤输出端面的输出光路上；
当所述送料装置将物料垂直送到待熔覆物体表面时，所述激光头在送料装置两侧的至少一侧将成像透镜对排列成条状的光纤端面成的像，透射到物料上，并使条状像的长边与物料的长边平行；
当所述激光头将成像透镜对排列成条状的光纤端面成的像垂直照射到待熔覆物体表面，送料装置将物料从两侧的至少一侧送到待熔覆物体表面激光照射区；该激光宽带熔覆系统将物料与物体表面烧结在一起。


2.根据权利要求1所述的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，其特征在于，所述激光头中设置至少包含一个分光元件的分光部件，所述分光部件用于将光束分离成多份，所述条状排列的光纤输出激光模块输出光纤的端面经分光部件和成像透镜后成多个像，这些像组合后形成均匀的条形光斑。


3.根据权利要求2所述的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，其特征在于，所述分光部件为偏振分光器件，或者为空间波面分光器件，或者是偏振分光器件和空间波面分光器件的组合；所述偏振分光器件是将O光和E...

【专利技术属性】
技术研发人员：方强，方笑尘，
申请(专利权)人：方强，
类型：发明
国别省市：陕西;61