矩形匀化光斑激光熔覆头的制作方法

本发明涉及激光熔覆领域，具体涉及一种矩形匀化光斑激光熔覆头。

背景技术：

现有技术中，成形矩形光斑通常是采用直线带式矩形光斑积分镜，这种积分镜的基本原理是将输入的光斑分段反射，在工作面上得到相同位置和大小的输出光斑进行叠加，从而达到匀化和整形的效果。对于这种分段直线带式矩形光斑积分镜，由于平面反射，输出光斑尺寸约等于输入光斑尺寸除以分隔段数，因此无法获得大尺寸光斑，另外，由于入射激光是高斯光斑，分隔段数少时，得到的矩形光斑并非矩形匀化光斑，在用于激光熔覆加工时会造成激光熔覆层的平整度较差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种矩形匀化光斑激光熔覆头，以获得矩形匀化光斑而用于激光熔覆加工。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种矩形匀化光斑激光熔覆头，所述激光熔覆头包括具有激光入射通道的导光座、沿所述激光入射通道自后向前依次设置的准直镜组、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、第一柱聚焦镜、第二柱聚焦镜及保护镜，以及设置在所述导光座远端的熔覆加工头，其中，所述第一微透镜阵列包括以第一方向阵列排布的多个第一微透镜，所述第二微透镜阵列包括以第二方向阵列排布的多个第二微透镜，所述第一方向与所述第二方向相互垂直且均垂直于所述激光入射通道内激光的投射方向；所述第一柱聚焦镜与所述第二柱聚焦镜呈正交方向设置。

优选地，所述第一微透镜具有接收激光束的第一入射面，所述第二微透镜具有接收激光束的第二入射面，所述第一入射面、所述第二入射面均为迎着投射的激光束自前向后拱起的弧形面。

优选地，所述第一聚焦镜具有第一聚焦面，所述第二聚焦镜具有第二聚焦面，所述第一聚焦面、所述第二聚焦面均为顺着激光束投射的方向自后向前拱起的弧形面。

优选地，所述导光座旁还附设有附加座，所述附加座上设置有用于监控所述熔覆加工头下方加工状况的摄像机，所述附加座与所述导光座之间还设有用于将所述激光投射通道内的光束反射至所述摄像机的反射镜组。

进一步地，所述反射镜组包括设于所述激光投射通道内的反射透射镜、设于所述附加座上的反射镜，所述反射镜具有将自所述反射透射镜的出光面投射出的光束反射后投射至所述摄像机的反射面。

更进一步地，所述反射透射镜在所述激光入射通道内设置在所述准直镜组与所述第一微透镜阵列之间。

优选地，所述熔覆加工头包括附接在所述导光座远端且具有出光通道的出光嘴，以及设置在所述出光嘴外侧部上的送粉喷嘴。

进一步地，所述出光嘴具有沿周向相接的四个外侧面，每个所述外侧面均为自后向前逐渐向中间倾斜延伸的斜面，所述送粉喷嘴设置有两个，两个所述送粉喷嘴分设于其中相对的两个所述外侧面的外侧。

更进一步地，每个所述送粉喷嘴上均设有沿自身宽度方向间隔分布的多个送粉通道。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的矩形匀化光斑激光熔覆头，其结构简单，能够将圆形光斑转换为较大尺寸匀化的矩形光斑，相较传统的圆形光斑光学系统，单次熔覆形成的熔覆层宽很多，能够显著地提升熔覆的效率，同时熔覆平整度也大幅提高，能够广泛地用于各种产品部件外表面的激光熔覆加工。

附图说明

附图1为本发明的激光熔覆头的整体结构示意图；

附图2为附图1的激光熔覆头的纵向剖切示意图；

附图3为附图1的激光熔覆头中送粉喷嘴的纵向剖切示意图；

附图4为附图1的激光熔覆头的结构分解示意图；

附图5a、5b为本发明中第一柱聚焦镜的示意图；

附图6a、6b为本发明中第二柱聚焦镜的示意图；

附图7为本发明的激光熔覆头中激光束的投射路线图；

其中：1、导光座；101、激光器连接头；2、准直镜组；3、第一微透镜阵列；4、第二微透镜阵列；5、第一柱聚焦镜；51、第一聚焦面；6、第二柱聚焦镜；61、第二聚焦面；7、保护镜；8、风刀；9、出光嘴；91、出光通道；10、送粉喷嘴；10a、送粉通道；11、附加座；12、摄像机；13、反射透射镜；14、反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

参见图1至6b所示，一种矩形匀化光斑激光熔覆头，该激光熔覆头包括具有激光入射通道的导光座1、设置在导光座1远端的熔覆加工头，导光座1的近端设置有激光器连接头101，该激光器连接头101具有qbh接口，以用于与激光器连接。此处，近端与远端是按照该激光熔覆头在使用的过程中，靠近激光器或操作人员的端部为近端，反之为远端；前后是以激光束沿激光投射通道传输时的前后方向予以参考定义的，具体为由后向前投射。

该激光熔覆头还包括沿导光座1的激光入射通道自后向前依次设置的准直镜组2、第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4、第一柱聚焦镜5、第二柱聚焦镜6及保护镜7。其中：

第一微透镜阵列2包括以第一方向阵列排布的多个第一微透镜，第二微透镜阵列3包括以第二方向阵列排布的多个第二微透镜，上述第一方向与第二方向相互垂直且均垂直于激光入射通道内激光的投射方向。第一微透镜具有接收激光束的第一入射面，第二微透镜具有接收激光束的第二入射面，上述第一入射面、第二入射面均为迎着投射的激光束自前向后拱起的弧形面。

第一柱聚焦镜5与第二柱聚焦镜6呈正交方向设置，参见图5a、图5b所示；第一柱聚焦镜5具有第一聚焦面51，参见图6a、图6b所示；第二柱聚焦镜6具有第二聚焦面61，所述第一聚焦面51、所述第二聚焦面61均为顺着投射的激光束自后向前拱起的弧形面。具体为，第一聚焦面51具有沿第一柱聚焦镜5的径向延伸的第一弧形拱起，第二聚焦面61具有沿第二柱聚焦镜6的径向延伸的第二弧形拱起，上述第一弧形拱起与上述第二弧形拱起这两者的长度延伸方向相互垂直。

如此，自激光器发出的激光束，先经过准直镜组2进行准直处理后变为平行激光束，再依次经过第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4、第一柱聚焦镜5、第二柱聚焦镜6及保护镜7，能够变化为竖直方向均匀、水平方向呈高斯分布的矩形光斑，且矩形光斑的大小可以达到15mm*3mm，相较传统的圆形光斑光学系统，单次熔覆形成的熔覆层宽很多，熔覆效率大大提高。并且，该矩形光斑为匀化光斑，光斑内部各点能量密度相同，从而与粉末耦合时能够形成平整的熔覆层。

该激光熔覆头中的矩形匀化光斑光学系统使用的是两组非成像型微透镜阵列匀化系统。每组非成像型微透镜阵列匀化系统包括一个微透镜阵列和柱聚焦镜。两组非成像型微透镜阵列匀化系统两两相交。根据非成像型微透镜阵列匀化系统得到的是一个矩形的匀化光斑。图7示出了本发明的激光熔覆头中激光束投射路线及原理，在图中的方向上，激光束由光纤射出，经过准直镜2准直后射向水平方向的一维微透镜阵列（第一微透镜阵列3），通过第一微透镜阵列3将光束分割为多束子光束，然后通过竖直方向的一维微透镜阵列（第二微透镜阵列4），进一步将光束分割为多束子光束，然后通过竖直方向聚焦的柱聚焦透镜（第一柱聚焦镜5）进行聚焦，形成一个一维的非成像型微透镜匀化系统，在竖直方向聚焦的柱聚焦透镜的后焦面上得到一定宽度均匀分布的光斑；由于两个柱聚焦透镜的焦面要重合在工作面，所以经过竖直方向的柱聚焦镜，再经过水平方向的柱聚焦镜（第二柱聚焦镜6）后，得到长度均匀分布的光斑。从而，可以获得长度宽度两个方向都均匀分布的光斑，形成双向矩形匀化光斑光学系统。通过选择不同的微透镜阵列参数以及聚焦镜参数，可以到长和宽不等的矩形光斑，其中两个柱聚焦镜的焦面要重合在工作面。

参见图1至图4所示，导光座1旁还附设有附加座11，该附加座11上设置有用于监控熔覆加工头下方加工状况的摄像机12，附加座11与导光座1之间还设有用于将激光投射通道内光束反射至摄像机12的反射镜组。具体地，参见图2所示，该反射镜组包括设于激光投射通道内的反射透射镜13、设于附加座11上的反射镜14，反射透射镜13在激光入射通道内设置在准直镜组2与第一微透镜阵列3之间，反射镜14具有将自反射投射镜13的出光面投射出的光束反射后投射至摄像机12的反射面。具体设置时，可以将摄像机12的观察通道的延伸方向设置为与激光投射通道的延伸方向相互平行。这样，在激光熔覆加工的过程中，能够通过摄像机12来观察到熔池的状况，从而能够及时地调整熔覆参数，能够更好地保证熔覆层的效果。

参见各附图所示，熔覆加工头包括附接在导光座1远端且具有出光通道91的出光嘴9，以及设置在出光嘴9外侧部上的送粉喷嘴10。此处，出光嘴9具有沿周向相接的四个外侧面，每个外侧面均为自后向前逐渐向中间倾斜延伸的斜面，亦即该出光嘴9的横截面为方形且自后向前逐渐减小。送粉喷嘴10设置有两个，两个送粉喷嘴10分设于出光嘴9其中相对的两个外侧面的外侧。每个送粉喷嘴10上均设有沿自身宽度方向间隔分布的多个送粉通道10a，使得自送粉喷嘴10送出的粉末能够均匀地分布至待加工表面的待加工位置处，并与自出光通道91内的激光束进行激光熔覆加工。

该激光熔覆头还包括设于导光座1上且具有出风口的风刀8，该风刀8位于保护镜8的前方，并位于出光嘴9的后方，这样能够保证高温飞散的粉末不会进入激光投射通道内而损坏各镜片。

用于对工件的激光熔覆加工时，可以将导光座1固定至如机械手等部件上，从而在加工过程中移动激光熔覆头。

综上，本发明的矩形匀化光斑激光熔覆头，其结构简单，采用该激光熔覆头能够将圆形光斑转换为较大尺寸匀化的矩形光斑，相较传统的圆形光斑光学系统，单次熔覆形成的熔覆层宽很多，能够显著地提升熔覆的效率，同时熔覆平整度也大幅提高。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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