一种大范围可调占空比的激光熔覆装置

1.本发明涉及增材制造领域，特别是涉及一种大范围可调占空比的激光熔覆装置。


背景技术：

2.激光熔覆作为一种先进的表面涂层制备技术，近些年来取得了飞速发展。传统的环形激光熔覆装置，通过调节镜组将实心光斑整形成为环形光斑，同时各激光束具有同一个光学焦点并在该位置汇聚成实心点状光斑。
3.占空比为环形激光束的一个几何参数，对金属材料的熔覆后微观组织具有重大的影响，在不同的占空比值下的材料组织各异，通过研究发现，可以通过改变环形激光束的占空比来调控得到预期的微观组织，并且大量实验表明，占空比在0～0.5的组织调控效果较为理想和明显。
4.目前，改变激光束占空比的常规方法有通过改变离焦量来取得不同的占空比数值，但是该种方法在得到不同占空比的同时会改变其它参数，比如改变离焦量后，在得到新的占空比的同时，光斑的内外径均发生较大变化，外径变化即会影响熔覆单道宽度(熔宽)发生变化，那么，在保证熔宽一定情况下就无法探究不同占空比带来的影响；同时，因为改变了离焦量的缘故，无法得出就占空比本身对激光熔覆过程的影响程度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种大范围可调占空比的激光熔覆装置，可以在不改变环形光斑外径的前提下改变占空比，并且占空比的调节范围较大。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种大范围可调占空比的激光熔覆装置，包括抛物聚焦镜、第一锥镜、第二锥镜和喷粉装置，所述抛物聚焦镜和所述第二锥镜均为环状，所述第一锥镜和所述第二锥镜二者的反射面均与所述抛物聚焦镜的反射面相对，使得从所述抛物聚焦镜的中轴入射至所述第一锥镜和所述第二锥镜的光束，被二者的反射面向圆周反射出而入射至所述抛物聚焦镜的反射面，并进一步被所述抛物聚焦镜的反射面反射并聚焦；
8.所述第二锥镜的位置固定，所述第一锥镜可沿着所述抛物聚焦镜的中轴移动，所述喷粉装置设置于所述第二锥镜的下方，所述抛物聚焦镜的反射面使得光线聚焦的焦点形成围绕所述抛物聚焦镜中轴的环线。
9.可选地，由所述抛物聚焦镜反射出的光线聚焦的焦点位于光学焦平面上，在所述光学焦平面靠近所述抛物聚焦镜一侧存在预设平面，从所述抛物聚焦镜反射出的光线在所述预设平面上形成实心光斑。
10.可选地，由所述抛物聚焦镜反射出的光线聚焦的焦点位于光学焦平面上，在所述光学焦平面靠近所述抛物聚焦镜一侧选取工作平面，所述工作平面的离焦量满足：
11.12.其中，f表示工作平面的离焦量，d表示由所述抛物聚焦镜反射出的光线聚焦的焦点形成环线的直径，θ3表示所述第一锥镜下极限位置出射光路与中轴夹角。
13.可选地，由所述抛物聚焦镜反射出的光线在所选取工作平面的占空比调节范围为：
[0014][0015]
其中，k表示由所述抛物聚焦镜反射出的光线在所选取工作平面的占空比，θ2表示所述第一锥镜上极限位置出射光路与中轴夹角，θ表示所述第二锥镜出射光路与中轴夹角。
[0016]
可选地，所述第二锥镜的内直径小于等于所述第一锥镜的直径。
[0017]
可选地，还包括镜座和运动调节件，所述镜座包括第一环状固定部，所述第二锥镜固定于所述第一环状固定部，所述运动调节件穿设于所述第一环状固定部并带动所述第一锥镜沿着所述抛物聚焦镜的中轴移动，所述第一锥镜固定于所述运动调节件的顶端，所述喷粉装置固定于所述运动调节件的底端。
[0018]
可选地，所述镜座还包括固定所述第一环状固定部的连接部，所述运动调节件为升降螺栓，所述连接部设置有贯通至所述第一环状固定部的通道，所述通道内设置有调节螺栓，所述第一环状固定部设置有传动连接所述调节螺栓和所述升降螺栓的多级锥齿轮。
[0019]
可选地，所述镜座还包括第二环状固定部，所述抛物聚焦镜固定于所述第二环状固定部，所述第二环状固定部位于所述第一环状固定部的外周，两者由所述连接部连接。
[0020]
可选地，所述升降螺栓和所述第一锥镜的内部设置有用于吸收所述第一锥镜积热的水冷却空间，在所述抛物聚焦镜内部设置有冷却空间。
[0021]
可选地，还包括装置外壳，所述装置外壳与所述镜座配合封装所述抛物聚焦镜。
[0022]
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种大范围可调占空比的激光熔覆装置，包括抛物聚焦镜、第一锥镜、第二锥镜和喷粉装置，抛物聚焦镜和第二锥镜均为环状，第一锥镜和第二锥镜二者的反射面均与抛物聚焦镜的反射面相对，使得从抛物聚焦镜的中轴入射至第一锥镜和第二锥镜的光束，被二者的反射面向圆周反射出而入射至抛物聚焦镜的反射面，并进一步被抛物聚焦镜的反射面反射并聚焦。其中，第二锥镜的位置固定，第一锥镜可沿着抛物聚焦镜的中轴移动，喷粉装置设置于第二锥镜的下方。
[0023]
经抛物聚焦镜聚焦后的出射光束，存在一段是环形光束，并且是被第二锥镜反射的光线形成了该段环形光束的外侧光线，被第一锥镜反射的光线形成了该段环形光束的内侧光线。因此第二锥镜的位置固定，将第一锥镜沿着抛物聚焦镜的中轴移动时，该段环形光束的外直径不变，该段环形光束的内直径会随着第一锥镜沿着抛物聚焦镜的中轴移动而改变，如此实现调节该段出射光束的占空比，并且是在不改变环形光束的外直径的前提下改变占空比。另外，抛物聚焦镜的反射面使得光线聚焦的焦点形成围绕抛物聚焦镜中轴的环线，使得由抛物聚焦镜反射出的光线聚焦的焦点偏离了抛物聚焦镜的中轴，能够使出射光束的该段环形光束的内直径较大幅度地减小，使该段环形光束的外直径减小幅度较小，因此可以使得该段环形光束的占空比的调节范围增大。因此，本发明的大范围可调占空比的激光熔覆装置，可以在不改变环形光束的外直径的前提下改变占空比，并且占空比的调节范围较大。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1为本发明实施例的大范围可调占空比的激光熔覆装置出射光束的光路示意图；
[0026]
图2为图1所示的出射光束在各离焦平面处占空比的变化示意图；
[0027]
图3为出射光束聚焦的焦点位于抛物聚焦镜中轴上的光路示意图以及在各离焦平面处占空比的变化示意图；
[0028]
图4为本发明实施例提供的一种大范围可调占空比的激光熔覆装置的纵向剖视图；
[0029]
图5为本发明实施例的激光熔覆装置在所选取工作平面的占空比变化示意图。
具体实施方式
[0030]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0031]
本实施例提供一种大范围可调占空比的激光熔覆装置，包括抛物聚焦镜、第一锥镜、第二锥镜和喷粉装置，所述抛物聚焦镜和所述第二锥镜均为环状，所述第一锥镜和所述第二锥镜二者的反射面均与所述抛物聚焦镜的反射面相对，使得从所述抛物聚焦镜的中轴入射至所述第一锥镜和所述第二锥镜的光束，被二者的反射面向圆周反射出而入射至所述抛物聚焦镜的反射面，并进一步被所述抛物聚焦镜的反射面反射并聚焦；
[0032]
所述第二锥镜的位置固定，所述第一锥镜可沿着所述抛物聚焦镜的中轴移动，所述喷粉装置设置于所述第二锥镜的下方，所述抛物聚焦镜的反射面使得光线聚焦的焦点形成围绕所述抛物聚焦镜中轴的环线。
[0033]
光束从抛物聚焦镜的中轴入射至第一锥镜和第二锥镜，被二者的反射面反射而向圆周发射出，反射出的光线入射至抛物聚焦镜的反射面，被抛物聚焦镜的反射面反射出并聚焦。被抛物聚焦镜的反射面反射出的光线，聚焦的焦点形成围绕抛物聚焦镜中轴的环线。环线是指封闭的曲线。
[0034]
经抛物聚焦镜聚焦后的出射光束，存在一段是环形光束，并且是被第二锥镜反射的光线形成了该段环形光束的外侧光线，被第一锥镜反射的光线形成了该段环形光束的内侧光线。由于第二锥镜的位置固定，将第一锥镜沿着抛物聚焦镜的中轴移动时，该段环形光束的外直径不变，该段环形光束的内直径会随着第一锥镜沿着抛物聚焦镜的中轴移动而改变，如此，实现了调节该段出射光束的占空比，并且，是在不改变环形光束的外直径的前提下改变占空比。
[0035]
另外本装置中，抛物聚焦镜的反射面使得光线聚焦的焦点形成围绕抛物聚焦镜中
轴的环线，使得由抛物聚焦镜反射出的光线聚焦的焦点偏离了抛物聚焦镜的中轴，能够使出射光束的该段环形光束的内直径较大幅度地减小，使该段环形光束的外直径减小幅度较小，因此可以使得该段环形光束的占空比的调节范围增大。因此，本实施例的大范围可调占空比的激光熔覆装置，可以在不改变环形光束的外直径的前提下改变占空比，并且占空比的调节范围较大。
[0036]
由抛物聚焦镜反射出的光线聚焦的焦点位于光学焦平面上，由抛物聚焦镜反射出的光线聚焦在光学焦平面上并且各部分光线的焦点形成一环线。示例地可参考图1和图2，图1为本实施例的大范围可调占空比的激光熔覆装置出射光束的光路示意图，图2为图1所示的出射光束在各离焦平面处占空比的变化示意图，图1和图2所示为取图4中a区域光束占空比的变化过程。结合参考图1和图2所示，e平面为光学焦平面，抛物聚焦镜的光学焦点位于e平面上，出射光束聚焦在该e平面上，并且出射光束在e平面上为环线状。
[0037]
进一步具体地，在光学焦平面靠近抛物聚焦镜一侧存在预设平面，由抛物聚焦镜反射出的光线在预设平面上形成实心光斑。可参考图1和图2，在e平面上方存在c平面，出射光束在c平面上形成实心光斑，由出射光束交叉重叠部分形成。该光斑可认为是出射光束的几何焦点，其占空比可以视为1，并且无法通过改变第一锥镜的位置来改变其占空比的值。
[0038]
e平面下方的d平面为正离焦平面，出射光束在正离焦平面d平面上的光斑，在将第一锥镜沿着抛物聚焦镜的中轴移动时，光斑的内直径不变，外直径变化。
[0039]
e平面上方的a平面、b平面为负离焦平面，本激光熔覆装置选择负离焦平面为进行激光熔覆的工作平面。对应参考图2，图2中右侧的两列光斑依次为第一锥镜处于上极限位置、第一锥镜处于下极限位置时的光斑。如图所示，第一锥镜处于上极限位置时，a平面上的光斑内直径很小，b平面上的光斑内直径很小。对于a平面，第一锥镜处于上极限位置与处于下极限位置相比，a平面上的光斑内直径变化较大；同样地，对于b平面，第一锥镜处于上极限位置与处于下极限位置相比，b平面上的光斑内直径变化较大。通过将第一锥镜在上极限位置与下极限位置之间移动，可实现光斑在两个极限大小之间变化，实现占空比在某个范围内的改变。
[0040]
示例地可结合参考图3，图3为出射光束聚焦的焦点位于抛物聚焦镜中轴上的光路示意图以及在各离焦平面处占空比的变化示意图，图中a、b为负离焦工作平面，c为焦点平面，d为正离焦工作平面。可以明显看出，图3所示与图1和图2所示相比，在不改变光路入射角度和其他光学结构的情况下，图1和图2所示的本实施例的激光熔覆装置出射光束在不同离焦量处的光斑尺寸和占空比调节范围更大。
[0041]
示例地可参考图4，图4为本实施例提供的一种大范围可调占空比的激光熔覆装置的纵向剖视图，如图所示，抛物聚焦镜103和第二锥镜102为环状，第一锥镜101和第二锥镜102二者的反射面均与抛物聚焦镜103的反射面相对。第二锥镜102的位置固定，第一锥镜101可沿着抛物聚焦镜103的中轴移动。
[0042]
图中，虚线表示的第一锥镜101表示第一锥镜101的上极限位置，虚线光线表示第一锥镜101处于上极限位置时的光线传播光路。实线表示的第一锥镜101表示第一锥镜101的下极限位置，对应的实线光线表示第一锥镜101处于下极限位置时的光线传播光路。第二锥镜102对应的实线光线表示第二锥镜102的光线传播光路。
[0043]
具体地，第二锥镜102的内直径小于等于第一锥镜101的直径，比如光束是垂直射
入的，若是第二锥镜102的内直径大于第一锥镜101的直径，就会导致入射的实心圆形光束不能完全落在两个锥镜斜镜面(即两个锥镜的反射面)上，光束会照射到其它零件上，会造成零件因直接受激光束照射而损坏，也可避免影响最终出射的光束尺寸。第一锥镜101可沿着抛物聚焦镜102中轴上下移动。优选地，第一锥镜101处于上极限位置时，第一锥镜101顶端不高于抛物聚焦镜103的反射面顶端，以避免第一锥镜101顶端高于抛物聚焦镜103的反射面顶端时，光束被第一锥镜101分割之后会射向抛物聚焦镜103上方的零件，上方的零件不具备反射光的能力。第一锥镜101处于下极限位置时，所述第一锥镜101底端不低于所述第二锥镜102顶端，若此时第一锥镜101底端低于第二锥镜102的顶端，被第一锥镜101分开的光就会射进第二锥镜102的内壁并且被遮挡，不仅会影响最终的光束尺寸，还会损坏第二锥镜102。
[0044]
其中，抛物聚焦镜103的反射面满足第一锥镜101处于上极限位置对应的光路和处于下极限位置对应的光路，该两光路均与喷粉装置104保持一定安全距离，以及第一锥镜101上极限位置时反射出的光线不能再次入射到第二锥镜102上。
[0045]
进一步地，本实施例装置还可包括镜座和运动调节件，所述镜座包括第一环状固定部，所述第二锥镜固定于所述第一环状固定部，所述运动调节件穿设于所述第一环状固定部并带动所述第一锥镜沿着所述抛物聚焦镜的中轴移动，所述第一锥镜固定于所述运动调节件的顶端，所述喷粉装置固定于所述运动调节件的底端。本实施例中，对驱动运动调节件移动以带动第一锥镜101移动的方式不做限定。可选地在一些实施方式中，镜座105还可包括固定所述第一环状固定部的连接部，所述运动调节件为升降螺栓，所述连接部设置有贯通至所述第一环状固定部的通道，所述通道内设置有调节螺栓，所述第一环状固定部设置有传动连接所述调节螺栓和所述升降螺栓的多级锥齿轮。通过转动调节螺栓，驱动多级锥齿轮旋转，进而驱动升降螺栓带动其顶端的第一锥镜运动。
[0046]
示例地可参考图4所示，第二锥镜102固定于第一环状固定部105，运动调节件106穿设于第一环状固定部105，第一锥镜101固定于运动调节件106的顶端，喷粉装置104固定于运动调节件106的底端。调节螺栓107穿设于连接部(图中未标出)的通道内，通过多级齿轮108将调节螺栓107和升降螺栓108传动连接。通过转动调节螺栓，驱动多级锥齿轮旋转，进而驱动升降螺栓带动其顶端的第一锥镜运动，实现驱动第一锥镜101沿着抛物聚焦镜103的中轴上下移动。
[0047]
进一步地，镜座还可包括第二环状固定部，所述抛物聚焦镜固定于所述第二环状固定部，所述第二环状固定部位于所述第一环状固定部的外周，两者由所述连接部连接。可参考图4所示，抛物聚焦镜103固定于第二环状固定部109。具体的，在第二环状固定部109内设置有通道，该通道与连接部的通道连通，调节螺栓107穿设于第二环状固定部109的通道以及连接部的通道。
[0048]
优选地，升降螺栓107和第一锥镜101的内部设置有用于吸收所述第一锥镜101积热的水冷却空间，抛物聚焦镜103内部可设置冷却空间110，以便对抛物聚焦镜103和第一锥镜101进行冷却。调节螺栓107的外端面可设置旋钮并标注占空比数据，实现量化调节。进一步地，本激光熔覆装置还包括装置外壳111，装置外壳111设置有进光通道112，装置外壳111和镜座的第二环状固定部109配合将抛物聚焦镜103封装，使得进光通道112、装置外壳111、抛物聚焦镜103、第一锥镜101和第二锥镜102均同轴设置，进光通道112可供激光束进入并
到达第一锥镜101和第二锥镜102的反射面。进一步地，本激光熔覆装置还包括激光源，激光源与进光通道连接，向进光通道入射激光束。
[0049]
下面对本激光熔覆装置实现大范围调节占空比的情况进行说明，其中，以非上、下极限位置时的一个位置做具体说明，同时将整个装置进行简化。并且为了阐述的方便，用虚线表示两个极限位置的光路，如图5所示，图5为本实施例的激光熔覆装置在所选取工作平面的占空比变化示意图，取离焦量为f的工作平面为案例进行说明。
[0050]
其中，f表示工作平面的离焦量，d表示由抛物聚焦镜反射出的光线聚焦的焦点形成环线的直径。l表示第二锥镜出射光路，l1表示第一锥镜实际出射光路，l2表示第一锥镜下极限位置出射光路，l3表示第一锥镜上极限位置出射光路。c1表示在第一锥镜实际工作平面下光斑，c2表示在第一锥镜下极限位置出射光路光斑，c3表示在第一锥镜上极限位置出射光路光斑。θ1表示第一锥镜实际工作位置出射光路与中轴夹角，θ2表示第一锥镜上极限位置出射光路与中轴夹角。θ3表示第一锥镜下极限位置出射光路与中轴夹角，θ表示第二锥镜出射光路与中轴夹角。
[0051]
由抛物聚焦镜反射出的光线聚焦的焦点位于光学焦平面上，在光学焦平面靠近抛物聚焦镜一侧选取工作平面，工作平面的离焦量满足：
[0052][0053]
当旋动调节螺栓107带动升降螺栓106移动到某一位置时，第二锥镜102位于图5所示位置。第一锥镜实际出射光路l1处于第一锥镜下极限位置出射光路l2和第一锥镜上极限位置出射光路l3之间，此时可视为在进行激光熔覆时的一般情形。
[0054]
此时在离焦量为f的平面上可取的工作光斑即为c1，其内半径、外半径r1、r2分别为：
[0055][0056][0057]
在该工作平面的最大光斑为第一锥镜上极限位置出射光路l3与第二锥镜出射光路l1构成的光斑c3，其内半径、外半径r3、r4分别为：
[0058][0059][0060]
在该工作平面的最小光斑为第一锥镜下极限位置出射光路l2与第二锥镜出射光路l1构成的光斑c2，其内半径、外半径r5、r6分别为：
[0061][0062][0063]
那么在该工作平面下的激光占空比k的值为：
[0064][0065]
本实施例中以出射光束在工作平面上形成的环形光斑的中空区域和光斑区域的面积比为占空比。其变化范围为：
[0066][0067]
将其带入实验常用的数据：f＝30mm，θ＝19.2
°
。
[0068]
预计达到的数据为：θ2＝18.5
°
，θ3＝16.2
°
。
[0069]
则预计可达到的占空比变化范围为0.185至0.668。
[0070]
以上对本发明所提供的一种大范围可调占空比的激光熔覆装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。