[实用新型]一种基于楔形镜扫描光内同轴送丝激光加工光学系统

说明书

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系统，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。

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系统。

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。