[实用新型]一种激光聚焦装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，具体涉及一种激光聚焦装置，尤其是一种可变聚焦光斑大小而占空比不变的激光聚焦装置。

背景技术

利用聚焦高能激光束进行高性能金属零部件特种加工、高性能材料制备及高性能零部件直接成形，是先进制造技术的重要组成部分。

在激光加工中，聚焦光斑按预定轨迹作二维或三维的运动，如在激光熔覆堆积中，聚焦光斑在运动的同时，熔覆材料被不断实时添加到移动的激光聚焦光斑中实现熔覆，并在光斑的运动轨迹上形成一条条熔道，而这一条条熔道本身及各熔道之间的连接质量、层间的冶金结合质量、熔道表面及其与基体结合面的强度，形貌、组织的均匀性和致密性、熔道表面平整度、粗糙度等，与光源质量及参数紧密相关，特别是最后的聚焦光斑内光能的分布形式，对熔池内熔体的对流、凝固构形影响极大。

在成形壁厚不均匀零件时，常规采用多道搭接方式，而多道搭接不但耗时，生产率低，表面平整度差，特别是容易造成熔层内部冷却不均匀而造成搭接处的冶金缺陷。为避免和改善这些问题，可以采用变激光光斑方法，即宽熔道采用大光斑扫描熔覆，窄熔道采用小光斑扫描熔覆，而且在扫描熔覆中根据熔道宽窄变化而适时变化光斑大小，这样可通过二维运动逐层堆积制造出三维壁厚不均的实体，如不等宽叶片等零件。激光光斑内的光能分布形式直接影响熔覆层成形质量，所以要求在连续改变聚焦光斑尺寸的过程中，光斑内的光能分布形式最好保持不变。

现有光束聚焦技术中，聚焦光斑有实心和环形2种。中国发明专利CN101148760A公开了一种环形光光内送料加工方法及加工装置，此装置通过光路变换，将由激光器发射出的圆截面光束变换为圆环形截面光束，圆环形光束扩束后，聚焦成为圆环锥形聚焦光束，在成形加工表面形成一圆环形聚焦光斑，在圆环锥形聚焦光束中产生一锥形中空无光区，单根送粉管由光束外伸入此无光区内并与圆环锥形聚焦光束同轴线，送粉管中的粉末在气载或重力作用下送入加工面上的聚焦光斑中，粉末在喷射或下落过程中，始终位于圆环锥形聚焦光束内部的中空区内，直至接近工件表面，粉束进入聚焦光斑，粉束在工件表面形成的粉斑外径位于环形聚焦光斑的内光环与外光环之间。该方法实现了聚焦光束与送料的完全同轴，但并未考虑在加工壁厚不均零件时，需要不同直径的光斑。

当采用上述装置加工壁厚不均零件时，如附图1所示，图中，D1—平移前加工面光斑外径，d1—平移前加工面光斑内径，α—平移前聚焦光外径与水平面的夹角，β—平移前聚焦光内径与水平面的夹角，D2—平移后加工面光斑外径，d2—平移后加工面光斑内径，γ—平移后聚焦光外径与水平面的夹角，δ—平移后聚焦光内径与水平面的夹角，h—抛物面反射镜竖直方向平移的距离，H—光头与工件的距离，A—平移前圆锥反射镜底部与加工面的距离，B—平移前圆锥反射镜顶部与加工面的距离，Z1—加工面至焦点的距离，即离焦量，O—聚焦光焦点，占空比                                                

对于抛物面反射镜数学模型如图2所示，抛物线几何方程为，其中p为抛物线的焦距。由图可见，，所以，，同理，，，

如图1所示，平移前，在Z1处，，，此时占空比，又因为，

所以，

向上平移h后，在Z1处,,,此时占空比,

又因为，

所以

此时，若要使T₁=T₂，则，由待定系数法得，得出，h=0，即只要将圆锥面反射镜向上平移，占空比即会发生变化。由此可见，该激光聚焦系统中将圆锥面反射镜向上平移后，虽然激光外径发生了变化，但同时环形光光斑的占空比也发生了变化，即光斑内光能分布形式发生了变化。

发明内容

本实用新型的发明目的是，提供一种可变光斑大小而占空比不变的激光聚焦装置，以克服现有技术的缺陷，保证光斑内的光能分布规律不变，实现对壁厚不均零件的成形加工。

为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种激光聚焦装置，主要由二块反射镜组成，一块为圆锥抛物面反射聚焦镜，另一块为环锥形直面反射镜，二块反射镜均为绕中心轴线的旋转对称结构，反射面相对布置。

上述技术方案中，圆锥抛物面反射聚焦镜为第一级，环锥形直面反射镜为第二级，环锥形直面反射镜内部中空构成激光束的入射口，入射激光从入射口进入，经圆锥抛物面反射聚焦镜反射成环状光束后，再由环锥形直面反射镜反射，获得出射光束。