阅读说明：本技术 一种激光同轴熔丝装置及旋转环形光束产生方法 (Laser coaxial fuse device and rotary annular beam generation method ) 是由 王玉岱 刘琦 李怀学 单飞虎 胡全栋 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：一种激光同轴熔丝装置及旋转环形光束产生方法,包括支撑框架,支撑框架的顶部设有入射孔、底部设有与入射孔位置对应的支撑部,支撑部的周围阵列设有多个扇形开口,相邻的扇形开口之间设有连接挡板；入射孔处安装调焦聚焦镜,调焦聚焦镜的顶部设有与激光器光纤接口连接的准直镜；支撑框架的内壁上设有环形反射镜,支撑部上设有驱动电机,驱动电机的输出轴连接倾斜设置的平面反射镜。本发明中,入射激光不需经过变换,通过可快速旋转的平面反射镜和环形反射镜来产生交会于所述预设汇聚点处的旋转环形光束,同时通过调焦聚焦镜来调节预设汇聚点处的光斑直径,具有整体结构简单、制造成本低、能量损耗小及最大可用激光功率较高等优点。(A laser coaxial fuse device and a rotary annular beam generation method comprise a support frame, wherein the top of the support frame is provided with an entrance hole, the bottom of the support frame is provided with a support part corresponding to the entrance hole, a plurality of fan-shaped openings are arranged around the support part in an array mode, and a connecting baffle plate is arranged between every two adjacent fan-shaped openings; a focusing lens is arranged at the incident hole, and a collimating lens connected with a laser optical fiber interface is arranged at the top of the focusing lens; an annular reflector is arranged on the inner wall of the supporting frame, a driving motor is arranged on the supporting part, and an output shaft of the driving motor is connected with the plane reflector which is obliquely arranged. In the invention, the incident laser does not need to be converted, the rotating annular light beam intersected at the preset convergence point is generated by the plane reflector and the annular reflector which can rotate rapidly, and the diameter of the light spot at the preset convergence point is adjusted by focusing the focusing lens, so that the laser has the advantages of simple integral structure, low manufacturing cost, small energy loss, higher maximum available laser power and the like.)

一种激光同轴熔丝装置及旋转环形光束产生方法

技术领域

本发明涉及激光熔丝增材加工技术领域，特别是涉及一种激光同轴熔丝装置及旋转环形光束产生方法。

背景技术

激光同轴熔丝成形技术是一种以激光为热源、以同步送进的丝材为原料且丝材和激光光束保持同轴的激光增材制造技术。其中，一个主流方案是环形光束激光同轴熔丝方案，即将一束激光束通过特殊方式变换为环形光束，环形光束经过反射聚焦在汇聚点聚合，丝材从环形光束内部送进，并与环形光束保持同轴关系，送进的丝材被汇聚点处的激光束照射并熔化形成熔池。

CN201010017158.1号发明专利和CN201410373071.6号发明专利公开的内容中，均采用圆锥镜将一束激光变换为环形光束，再采用环形凹面镜将环形光束进行反射和聚焦。其缺点包括四个方面：一，圆锥镜和环形凹面镜的结构都较为复杂，其加工和镀膜较为困难，制造成本高；二，与常规的光学平面镜和透镜相比，圆锥镜和环形凹面镜的光束能量损耗较大；三，激光功率太大，容易导致圆锥镜损坏(锥顶熔化、镀膜脱落或者锥镜开裂)，因此，其最大可用激光功率受到限制；四、当激光同轴送丝(粉)装置的结构固定后，汇聚点处的光斑直径通常是恒定的，难以调整。上述四个方面严重制约了环形光束激光同轴熔丝装置的应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种激光同轴熔丝装置及旋转环形光束产生方法，通过可快速旋转的平面反射镜和环形反射镜来产生形成交会于所述预设汇聚点处的旋转环形光束，通过调焦聚焦镜来调节预设汇聚点处的光斑直径。

第一方面，本发明提供一种激光同轴熔丝装置，包括支撑框架，所述支撑框架的顶部设有入射孔、底部设有与所述入射孔位置对应的支撑部，所述支撑部的周围阵列设有多个扇形开口，相邻的扇形开口之间设有连接挡板；

所述支撑框架的底部连接送丝管，所述送丝管由所述连接挡板的底部伸入所述支撑部的底部中间处，并向下延伸将丝材送至预设汇聚点处；

所述入射孔处安装调焦聚焦镜，所述调焦聚焦镜的顶部设有与激光器光纤接口连接的准直镜；

所述支撑框架的内壁上设有环形反射镜，所述支撑部上设有驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接倾斜设置的平面反射镜，所述平面反射镜的反射面朝向所述调焦聚焦镜和环形反射镜，所述驱动电机用于带动所述平面反射镜快速旋转，以使所述平面反射镜将入射光束进行旋转反射，并再通过所述环形反射镜进行反射形成交会于所述预设汇聚点处的旋转环形光束。

进一步地，所述支撑部的底部中间处设有向下延伸且用于安装所述送丝管的安装柱。

进一步地，所述入射光束的轴线、平面反射镜的旋转轴线均与丝材同轴。

进一步地，所述平面反射镜与入射光束之间的夹角可调节，调节范围为0°～90°，所述驱动电机的转速为10r/s～100r/s。

进一步地，所述调焦聚焦镜用于通过调节自身的焦距，以调整所述旋转环形光束在所述预设汇聚点处形成的光斑直径，所述光斑直径范围为0.1mm～20mm。

进一步地，所述扇形开口的数量为1～6个，且扇形开口中安装保护镜。

进一步地，所述激光器光纤发射的入射激光为连续激光或脉冲激光。

进一步地，当所述入射激光为脉冲激光时，激光类型为平顶波，激光频率和脉宽由所述驱动电机的转速、所述扇形开口的数量、所述连接挡板的宽度决定，以使所述入射激光旋转至所述连接挡板处时关光，离开所述连接挡板处时开光。

进一步地，所述平面反射镜与入射光束之间的夹角为45°，所述驱动电机的转速为30r/s，所述扇形开口的数量为3个，所述脉冲激光脉宽0.01s、频率90Hz。

第二方面，本发明提供一种旋转环形光束产生方法，采用上述激光同轴熔丝装置来实现，包括以下步骤：

入射激光由激光器光纤发射后经过准直镜和调焦聚焦镜进行准直聚焦后形成入射光束；

入射光束由驱动电机驱动的平面反射镜进行旋转反射，再通过环形反射镜进行反射形成反射光束，各反射光束交会于预设汇聚点处形成旋转环形光束；

通过调节调焦聚焦镜自身的焦距调整旋转环形光束在预设汇聚点处形成预设光斑直径。

综上，本发明中，入射激光不需经过变换，通过可快速旋转的平面反射镜和环形反射镜来产生形成交会于所述预设汇聚点处的旋转环形光束，同时通过调焦聚焦镜来调节预设汇聚点处的光斑直径，具有整体结构简单、制造成本低、能量损耗小及最大可用激光功率较高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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。

图1是本发明中激光同轴熔丝装置的剖面示意图。

图2是图1中支撑框架的仰视图。

图中：

1-入射激光；2-准直镜；3-调焦聚焦镜；4-支撑框架；5-平面反射镜；6-驱动电机；7-环形反射镜；8-反射光束；9-扇形开口；10-送丝管；11-丝材；12-预设汇聚点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参阅图1和图2，第一方面，本发明提供一种激光同轴熔丝装置，包括支撑框架4，所述支撑框架4的顶部设有入射孔、底部设有与所述入射孔位置对应的支撑部，所述支撑部的周围阵列设有3个扇形开口9，相邻的扇形开口9之间设有连接挡板；

所述支撑框架4的底部连接送丝管10，所述送丝管10由所述连接挡板的底部伸入所述支撑部的底部中间处，并向下延伸将丝材11送至预设汇聚点12处；

所述入射孔处安装调焦聚焦镜3，所述调焦聚焦镜3的顶部设有与激光器光纤接口连接的准直镜2；

所述支撑框架4的内壁上设有环形反射镜7，所述支撑部上设有驱动电机6，所述驱动电机6的输出轴连接倾斜设置的平面反射镜5。

需要说明的是，本发明中，所述平面反射镜5的反射面朝向所述调焦聚焦镜3和环形反射镜7，所述驱动电机6用于带动所述平面反射镜5快速旋转，以使所述平面反射镜5将入射光束进行旋转反射，并再通过所述环形反射镜7进行反射形成交会于所述预设汇聚点12处的旋转环形光束。与此同时，丝材11在所述预设汇聚点12处被旋转环形光束熔化。

进一步地需要明确的是，所述扇形开口9的作用是便于透光，入射光束通过扇形开口9后，由于所述连接挡板的遮挡，会在其下方形成三处无光区，无光区尺寸与相邻的两个所述扇形开口9之间的所述连接挡板的宽度有关。所述送丝管10经由无光区(即所述连接挡板的底部)从光区外部***光区内部，避免所述送丝管10对反射光束8造成二次遮挡。

请参阅图1，所述支撑部的底部中间处设有向下延伸且用于安装所述送丝管10的安装柱，以确保所述入射光束的轴线、平面反射镜的旋转轴线均与丝材11同轴，便于丝材11的熔化成型。

在本发明一优选实施方式中，所述平面反射镜5与入射光束之间的夹角可调节，调节范围为0°～90°，所述驱动电机6的转速为10r/s～100r/s，以使所述入射光束经过平面反射镜5旋转反射后，再通过所述环形反射镜7进行反射形成交会于所述预设汇聚点12处的旋转环形光束。

进一步地，所述平面反射镜5与入射光束之间的夹角为45°，所述驱动电机6的转速为30r/s。

需要说明的是，所述调焦聚焦镜3用于通过调节自身的焦距，以调整所述旋转环形光束在所述预设汇聚点12处形成的光斑直径。当调节所述调焦聚焦镜3的焦距时，所述入射光束在所述平面反射镜5上的光斑发生改变，所以所述入射光束再通过所述环形反射镜7进行反射形成交会于所述预设汇聚点12处的旋转环形光束的光斑直径也会发生改变。具体的，所述预设汇聚点12处的光斑直径根据具体激光加工工艺需要调整，所述光斑直径范围为0.1mm～20mm。

在本发明一优选实施方式中，所述激光器光纤发射的入射激光为连续激光或脉冲激光。当采用连续激光时，旋转运动的所述反射光束8会在所述支撑框架4的连接挡板位置产生遮挡，因而会导致少量的能量损耗；当采用脉冲激光时，通过调整脉冲激光频率和脉宽，可以使其在旋转至所述支撑框架4的连接挡板位置时关光，离开连接挡板位置时开光，从而避免能量损耗。

具体的，当所述入射激光为脉冲激光时，激光类型为平顶波，脉宽0.01s，频率90Hz，所述入射激光旋转至所述连接挡板处时关光，离开所述连接挡板处时开光，从而避免能量损耗。可以理解的，在其它实施例中，脉冲激光类型还可以为三角波、梯形波等其它类型。

请参阅图2，本实施例中，所述扇形开口9的数量为3个，且所述扇形开口9中安装保护镜，所述保护镜用于透光。可以理解的，在其它实施例中，所述扇形开口9的数量可以为1个或多个，当设有多个时，多个扇形开口9呈圆周对称分布。由于所述支撑框架4的连接挡板遮挡，会在连接挡板的下方形成一处或多处无光区，无光区数量与所述扇形开口9数量一致，无光区尺寸与所述扇形开口9之间的连接挡板的宽度有关，所述连接挡板的宽度在满足结构强度条件下应尽可能小。

第二方面，本发明提供一种旋转环形光束产生方法，采用上述激光同轴熔丝装置来实现，包括以下步骤S110～步骤S130：

步骤S110，入射激光1由激光器光纤发射后经过准直镜2和调焦聚焦镜3进行准直聚焦后形成入射光束；

步骤S120，入射光束由驱动电机6驱动的平面反射镜5进行旋转反射，再通过环形反射镜7进行反射形成反射光束8，各反射光束8交会于预设汇聚点12处形成旋转环形光束；

步骤S130，通过调节调焦聚焦镜3自身的焦距调整旋转环形光束在预设汇聚点12处形成预设光斑直径。

综上，本发明中，入射激光1不需经过变换，通过可快速旋转的平面反射镜5和环形反射镜7来产生形成交会于所述预设汇聚点12处的旋转环形光束，同时通过调焦聚焦镜3来调节预设汇聚点12处的光斑直径，具有整体结构简单、制造成本低、能量损耗小及最大可用激光功率较高等优点。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。