CN207326178U - 一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学***，结构设计新颖，基于扫描式同轴送丝概念，基于楔形镜扫描图形多样性与高频性，基于斜向多光路等角分布特性，基于机械视觉成像以及校正跟踪特性，基于送丝机构及送丝材料光内竖直同轴特性，可大幅提高送丝材料利用效率、激光加工速度、激光加工质量与一致性，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

一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学***

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，特别涉及一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学***。

背景技术：

激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、熔覆、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。

所谓旁轴送丝激光加工，这里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。

所谓同轴送丝加工，这里是指送丝材料相对于加工基材垂直或基本垂直，激光束则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 101386111A以及CN 104259461A，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。其问题在于，圆锥反射镜、送丝机构、送丝材料等在不挡光前提下组装难以实现；环形光束只有聚焦焦点及附近很小的离焦段才能对送丝材料进行加工，离焦距离稍大一些能量就十分分散，以至于送丝速度较快则很难完全将送丝材料熔化，且对送丝速度的精度要求相对也比较高，否则影响激光加工一致性；环形光束各向能量均匀性严格依赖于圆锥反射镜，在激光束本身圆度不够或能量分布不完全中心对称甚至入射光位置问题，都容易导致环形光束各向能量不一致，进而影响激光加工；在送丝过程中，难免会出现送丝材料偏离光斑汇聚点而导致送丝材料各向受热明显不均，而引起加工基材表面突变；环形聚焦光束锥度与送丝机构末端到激光汇聚点距离互相牵制，环形聚焦光束锥度大，有利于送丝机构末端与激光汇聚点距离的缩减，但激光汇聚点实心光束部分长度缩短，又不利于提高熔丝速度，反之亦然。

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。但是其存在的问题是，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；与环形光束同轴送丝方案一样，四分光聚焦光束锥度与送丝机构末端到激光汇聚点距离互相牵制，聚焦光束锥度小，可以增大实心光束段尺寸，但易导致送丝机构末端到聚焦焦点距离较远，送丝材料容易弯曲以至于无法送到光束汇聚点，反之则实心光束段很短，送丝材料与激光束接触面积小，限制加工速度。另外，为确保送丝机构末端与激光汇聚点位置较短，也就是增大四分光聚焦光束锥度，第二片四分光镜片尺寸得加工到很大，极大程度增加镜片加工难度。

基于上述各点，本实用新型提出一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学***，基于扫描式同轴送丝概念，基于楔形镜扫描图形多样性与高频性，基于斜向多光路等角分布特性，基于机械视觉成像以及校正跟踪特性，基于送丝机构及送丝材料光内竖直同轴特性，可大幅提高送丝材料利用效率、激光加工速度、激光加工质量与一致性，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：

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种技术方案：一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学***，包括：送丝机构和送丝材料，所述送丝材料设置在送丝机构中，其创新点在于：还包括n个相同光路，所述光路含光纤激光器、消像差准直镜、第一楔形镜、第二楔形镜、合束镜、消像差聚焦镜、保护镜、窄带通滤光片、平反镜、机械视觉镜头和电荷耦合元件；所述光纤激光器的下方位置设有一个消像差准直镜；所述消像差准直镜的下方位置设有一个第一楔形镜；所述第一楔形镜的下方位置设有一个第二楔形镜；所述第二楔形镜的下方位置设有一个合束镜；所述合束镜的下方位置设有一个消像差聚焦镜；所述消像差聚焦镜的下方位置设有一个保护镜；所述保护镜对准送丝材料；所述合束镜的右侧位置设有一个平反镜；所述平反镜上设有一个窄带通滤光片；所述平反镜的上方设有一个机械视觉镜头；所述机械视觉镜头的上方设有一个电荷耦合元件。

作为优选，所述消像差准直镜和消像差聚焦镜均可替换为消像差非球面镜。

作为优选，所述消像差准直镜、第一楔形镜、第二楔形镜、合束镜、消像差聚焦镜、保护镜均为圆柱形的熔融石英材料；所述第一楔形镜和第二楔形镜具有相同的楔角，可分别独立绕对应中心轴旋转，实时不同的转速与转向配合，在一定范围内可扫描不同形状图形；所述合束镜具有45°倾斜角，镜面上镀有光纤激光增透膜；所述消像差聚焦镜沿对应光轴可移动，即焦点在光轴上可调；所述窄带通滤光片为圆柱形镜片，透光波段属于可见光波段，以其中一种色光波段为透光波段，其他可见光波段以及部分近红外与近紫外波段截止，截止深度为OD3～OD8；所述平反镜为圆柱形镜片，角度可调；所述光纤激光器出光点、消像差准直镜中心轴、第一楔形镜中心轴、第二楔形镜中心轴、合束镜迎光面中心点对应光路同轴；所述合束镜出光面光斑中心与消像差聚焦镜中心轴、保护镜中心轴对应光路同轴，且与对应消像差准直镜中心轴平行；所述窄带通滤光片、平反镜、机械视觉镜头、电荷耦合元件在对应光路外侧，避开送丝机构与送丝材料；所述送丝机构不受外形限制，送丝材料不受材料限制，送丝机构竖直向下放置，送丝材料竖直向下移动，并垂直于加工基材。

作为优选，所述光路在第一楔形镜、第二楔形镜配合扫描的聚焦点为一个固定点时，光路相对于送丝机构中心轴即竖直方向有相同夹角，相邻光路***夹角相同，且聚焦光路汇聚到一点，送丝材料穿过光路的汇聚点；所述光路以特殊图形同时对送丝材料小幅度扫描，并可对加工基材适度扫描，扫描图形、幅度甚至频率可不同；每个光路通过机械视觉镜头、电荷耦合元件在线同步检测送丝材料移动情况，并实时反馈校正各光路扫描图形，同时监控送丝材料物态变化以及送丝材料与加工基材作用情况。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型提供的一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学***，基于扫描式同轴送丝概念，基于楔形镜扫描图形多样性与高频性，基于斜向多光路等角分布特性，基于机械视觉成像以及校正跟踪特性，基于送丝机构及送丝材料光内竖直同轴特性，可大幅提高送丝材料利用效率、激光加工速度、激光加工质量与一致性，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、本实用新型提供的消像差准直镜与消像差聚焦镜，有利于保证聚焦光束质量，提高光束汇聚性；第一楔形镜、第二楔形镜组合，可以通过不同的实时转速与转向配合，实现诸如“—”、“8”、“S”、“0”等任意图形扫描，其一是单光路无分光确保聚焦光斑的瞬时功率密度，降低送丝材料每个部位的熔化时间，二是可以大幅增大送丝材料与激光作用面积，使得送丝材料能够更充分更均匀受热，从而显著提高激光加工速度、送丝材料利用率、加工基材上的激光加工质量以及各向扫描加工一致性。

3、本实用新型提供的窄带通滤光片、平反镜、机械视觉镜头、电荷耦合元件所组成的机械视觉***，可以实时在线监控送丝材料的移动情况，在送丝材料有弯曲或方向性偏差时，能够跟踪反馈给控制***，并通过适当改变扫描图形以确保送丝材料与激光作用充分性，最大幅度降低对激光加工的影响。另外可通过电荷耦合元件呈现的送丝材料的物态变化以及送丝材料与加工基材作用实际情况，调整优化各项工艺参数，以获得最佳加工效果与效率。

4、本实用新型提供的n个相同光路(n≥2)，与送丝机构互不干涉，聚焦光束锥度与送丝机构末端到激光汇聚点距离不受牵制，二者可兼得，突破了现有技术瓶颈；光路相互独立，可单独优化每道光路的工艺参数，不仅对送丝材料进行扫描，也可对加工基材进行辐照，***可操作性强，适用范围广，就激光加工基材而言，相同材质不同厚度、不同材质之间的激光加工，都有充裕的调控余量以满足激光加工需求。

附图说明：

为了易于说明，本实用新型由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学***，包括：送丝机构1和送丝材料2，所述送丝材料2设置在送丝机构1中，还包括n个相同光路，所述光路含光纤激光器3、消像差准直镜4、第一楔形镜5、第二楔形镜6、合束镜7、消像差聚焦镜8、保护镜9、窄带通滤光片10、平反镜11、机械视觉镜头12和电荷耦合元件13；所述光纤激光器3 的下方位置设有一个消像差准直镜4；所述消像差准直镜4的下方位置设有一个第一楔形镜5；所述第一楔形镜5的下方位置设有一个第二楔形镜6；所述第二楔形镜6的下方位置设有一个合束镜7；所述合束镜7的下方位置设有一个消像差聚焦镜8；所述消像差聚焦镜8 的下方位置设有一个保护镜9；所述保护镜9对准送丝材料2；所述合束镜7的右侧位置设有一个平反镜11；所述平反镜11上设有一个窄带通滤光片10；所述平反镜11的上方设有一个机械视觉镜头12；所述机械视觉镜头12的上方设有一个电荷耦合元件13。

其中，所述消像差准直镜4和消像差聚焦镜8均可替换为消像差非球面镜；所述消像差准直镜4、第一楔形镜5、第二楔形镜6、合束镜7、消像差聚焦镜8、保护镜9均为圆柱形的熔融石英材料；所述第一楔形镜5和第二楔形镜6具有相同的楔角，可分别独立绕对应中心轴旋转，实时不同的转速与转向配合，在一定范围内可扫描不同形状图形；所述合束镜7具有45°倾斜角，镜面上镀有光纤激光增透膜；所述消像差聚焦镜8沿对应光轴可移动，即焦点在光轴上可调；所述窄带通滤光片10为圆柱形镜片，透光波段属于可见光波段，以其中一种色光波段为透光波段，其他可见光波段以及部分近红外与近紫外波段截止，截止深度为OD3～OD8；所述平反镜11为圆柱形镜片，角度可调；所述光纤激光器3出光点、消像差准直镜4中心轴、第一楔形镜5中心轴、第二楔形镜6中心轴、合束镜7迎光面中心点对应光路同轴；所述合束镜7出光面光斑中心与消像差聚焦镜8中心轴、保护镜9中心轴对应光路同轴，且与对应消像差准直镜4中心轴平行；所述窄带通滤光片10、平反镜11、机械视觉镜头12、电荷耦合元件 13在对应光路外侧，避开送丝机构1与送丝材料2；所述送丝机构1 不受外形限制，送丝材料2不受材料限制，送丝机构1竖直向下放置，送丝材料2竖直向下移动，并垂直于加工基材；所述光路在第一楔形镜5、第二楔形镜6配合扫描的聚焦点为一个固定点时，光路相对于送丝机构1中心轴即竖直方向有相同夹角，相邻光路***夹角相同，且聚焦光路汇聚到一点，送丝材料2穿过光路的汇聚点；所述光路以特殊图形同时对送丝材料2小幅度扫描，并可对加工基材适度扫描，扫描图形、幅度甚至频率可不同；每个光路通过机械视觉镜头12、电荷耦合元件13在线同步检测送丝材料2移动情况，并实时反馈校正各光路扫描图形，同时监控送丝材料2物态变化以及送丝材料2与加工基材作用情况。

本实用新型的使用状态为：如图1所示，光纤激光器3输出光束经过消像差准直镜4准直后，准直光束正入射到第一楔形镜5并发生折射偏转，相对于原光轴方向产生一个夹角，偏转的准直光束由第二楔形镜6发生二次折射偏转，偏转角度及出光方向与第一楔形镜5、第二楔形镜6楔角方向有关，经过二次折射偏转的准直光束透过合束镜7，传输方向不变，会发生一定的位移偏差，位移光束最后依次经过消像差聚焦镜8聚焦、保护镜9透射，并聚焦到送丝材料2上或附近。

当第一楔形镜5、第二楔形镜6实时以不同转速与转向配合，偏转角度以及出光方向会实时跟随变化，那么聚焦扫描图形也实时变化，在特定的扫描图形对送丝机构1不断传动的送丝材料2进行高频扫描时，大幅增加了激光与送丝材料2接触面积，使得送丝材料2更充分更均匀受热。

在激光束与送丝材料2甚至加工基材相互作用的同时，送丝材料 2与加工基材附近产生的高亮度可见光以及极少量激光、红外光依次穿过保护镜9、消像差聚焦镜8，并由合束镜7对各波长光的反射或透射，反射光主要包含高亮度可见光成分，反射光在窄带通滤光片 10作用下，仅有满足透射波长的光能够透过，其他光束被窄带通滤光片10吸收或反射处理，此时透过窄带通滤光片10的光亮度基本达到电荷耦合元件13可探测亮度。透过的窄波段光在平反镜11反射以及机械视觉镜头12作用下，使得送丝材料2与加工基材附近的变化完全成像到电荷耦合元件13中，由此可通过电荷耦合元件13来观察送丝材料2与加工基材的实时变化情况。

如果使用过程中电荷耦合元件13无法完全显示送丝材料2与加工基材的实时变化过程，可通过调节平反镜11角度以获得需求效果；当送丝材料发生形变或偏离原位置时，可通过电荷耦合元件13监控反馈位置图像，并由控制***控制对应光路扫描图形的优化，来确保激光加工处于最佳加工状态。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学***，包括：送丝机构(1)和送丝材料(2)，所述送丝材料(2)设置在送丝机构(1)中，其特征在于：还包括n个相同光路，所述光路含光纤激光器(3)、消像差准直镜(4)、第一楔形镜(5)、第二楔形镜(6)、合束镜(7)、消像差聚焦镜(8)、保护镜(9)、窄带通滤光片(10)、平反镜(11)、机械视觉镜头(12)和电荷耦合元件(13)；

所述光纤激光器(3)的下方位置设有一个消像差准直镜(4)；

所述消像差准直镜(4)的下方位置设有一个第一楔形镜(5)；

所述第一楔形镜(5)的下方位置设有一个第二楔形镜(6)；

所述第二楔形镜(6)的下方位置设有一个合束镜(7)；

所述合束镜(7)的下方位置设有一个消像差聚焦镜(8)；

所述消像差聚焦镜(8)的下方位置设有一个保护镜(9)；

所述保护镜(9)对准送丝材料(2)；

所述合束镜(7)的右侧位置设有一个平反镜(11)；

所述平反镜(11)上设有一个窄带通滤光片(10)；

所述平反镜(11)的上方设有一个机械视觉镜头(12)；

所述机械视觉镜头(12)的上方设有一个电荷耦合元件(13)。

2.根据权利要求1所述的一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学***，其特征在于：所述消像差准直镜(4)和消像差聚焦镜(8)均可替换为消像差非球面镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学***，其特征在于：所述消像差准直镜(4)、第一楔形镜(5)、第二楔形镜(6)、合束镜(7)、消像差聚焦镜(8)、保护镜(9)均为圆柱形的熔融石英材料；

所述第一楔形镜(5)和第二楔形镜(6)具有相同的楔角，可分别独立绕对应中心轴旋转，实时不同的转速与转向配合，在一定范围内可扫描不同形状图形；

所述合束镜(7)具有45°倾斜角，镜面上镀有光纤激光增透膜；

所述消像差聚焦镜(8)沿对应光轴可移动，即焦点在光轴上可调；

所述窄带通滤光片(10)为圆柱形镜片，透光波段属于可见光波段，以其中一种色光波段为透光波段，其他可见光波段以及部分近红外与近紫外波段截止，截止深度为OD3～OD8；

所述平反镜(11)为圆柱形镜片，角度可调；

所述光纤激光器(3)出光点、消像差准直镜(4)中心轴、第一楔形镜(5)中心轴、第二楔形镜(6)中心轴、合束镜(7)迎光面中心点对应光路同轴；所述合束镜(7)出光面光斑中心与消像差聚焦镜(8)中心轴、保护镜(9)中心轴对应光路同轴，且与对应消像差准直镜(4)中心轴平行；

所述窄带通滤光片(10)、平反镜(11)、机械视觉镜头(12)、电荷耦合元件(13)在对应光路外侧，避开送丝机构(1)与送丝材料(2)；

所述送丝机构(1)不受外形限制，送丝材料(2)不受材料限制，送丝机构(1)竖直向下放置，送丝材料(2)竖直向下移动，并垂直于加工基材。