[发明专利]一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头

说明书

技术领域

本发明涉及一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头，具体的说就是一种适用于激光熔覆工艺及激光成形制造工艺的一种熔覆层宽度根据工艺要求可实时改变的激光加工工作头，其特殊的聚焦系统设计，尤其适用于半导体激光器和光纤激光器的应用，属于激光制造技术及设备领域。 

背景技术

激光熔覆工艺是一种先进的表面改性技术，它是在被熔覆的基体上通过激光辐照加热的方式将耐磨、耐蚀等熔覆材料熔化，以冶金结合方式同基体结合，达到基体材料表面改性或修复的目的。由于激光熔覆层组织致密，结合逐层堆积技术，可以进行三维零件的实体制造，这也是近些年来的研究热点。目前熔覆技术通过采用大的正离焦方式获得激光熔覆工艺所需要的光斑尺寸，结合粉末添加技术，获得所需要的熔覆层宽度。虽然激光熔覆功率密度较低，为10⁴W/cm²，但由于熔池宽度宽，所以激光器输出功率高。而透射式聚焦镜由于在高功率（>2.5KW）长时间工作热积累的情况下，发生热透镜效应及炸裂等情况，并且冷却困难，不适宜长时间工作。所以激光熔覆工艺，通常采用反射式聚焦系统进行激光的传输和聚焦，如图1所示。 

通过优化送粉工艺，在离焦量为△F1的情况下，可以获得熔覆宽度为W1的熔覆层5，如图1a所示。如要将熔覆层5宽度改变为W2，则需将机床Z轴上移一定距离，则离焦量变为△F2。由于反射镜7、聚焦镜2、送粉喷嘴3均固定在机床Z轴上，所以导致送粉喷嘴移动距离△F2-△F1，这会导致旁轴粉末束流4在基体6的作用点偏离激光束1在基体6的作用点，如图b所示，从而影响熔覆工艺。该现象同样存在采用同轴送粉工艺的激光熔覆工艺。所以需要调整旁轴送粉喷嘴3在机床Z轴的安装位置，以保证熔覆工艺的顺利进行。该操作也将导致熔覆工艺中断，无法实现熔覆宽度连续可变的自动化加工。另外，由于机床Z轴同熔覆工件可能存在相关干涉，熔覆过程中不允许机床Z轴在垂直方向运动。 

另外，在熔覆过程中，反射光及熔池热辐射光通过聚焦系统会返回到激光谐振腔内，轻则影响激光器的工作稳定性，重则烧损半导体激光器发光单 元及光纤激光器传输光纤，影响熔覆工艺的长期可靠性。 

基于此，根据激光传输与聚焦的相关理论，并结合光学计算，发明了一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头，并从光学原理上保证了熔覆工艺反射光和热辐射光不会对激光谐振腔造成损害。通过优化设计，可以实现熔覆过程中熔覆层宽度实时可变。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有采用同步送粉熔覆方式中，无法实现熔覆层宽度实时变化所需要的激光离焦量与粉末输送位置实时匹配的缺点，解决现有激光熔覆修复及激光熔覆制造技术中存在的熔覆层宽度不能实时变化的现状，而发明的一种激光加工工作头。 

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 

一种熔覆层宽度实时可变的激光加工工作头，其特征在于，包括凹面反射镜组、凸面反射镜组、保护镜组和调节组： 

凹面反射镜组，包括凹面反射镜2，其通过螺钉安装在凹面反射镜镜座21上，并通过螺钉将凹面反射镜镜座21安装在凹面反射镜安装体22上； 

凸面反射镜组，包括凸面反射镜8，其通过螺钉安装在凸面反射镜镜座9上，并通过螺钉将凸面反射镜镜座9安装在凸面反射镜安装体10上； 

当激光束采用光纤传输时，调节组，包括通过电机安装座19刚性固定在凹面反射镜安装体22上的电机18，通过联轴器17连接在电机18输出轴上的丝杠15，同丝杠15螺纹连接配合可移动并且刚性固定在凸面反射镜安装体10上的滑块14，同凹面反射镜安装体22刚性连接并使得凸面反射镜安装体10可自由移动的直线滑动轴承13，将丝杠15刚性固定在凹面反射镜安装体22上的轴承座16；通过电机18转动，在联轴器17作用下，丝杠15转动，带动滑块14移动，从而带动凸面反射镜安装体10移动，凹面反射镜安装体10和凸面反射镜安装体22之间只发生移动而不发生转动，从而实现凹面反射镜2和凸面反射镜8之间距离发生变化；