[发明专利]一种可调变的宽带激光加工光学系统及加工方法

说明书

本发明公开了一种可调变的宽带激光加工光学系统及加工方法，属于激光加工光学系统领域。该系统包括激光器、移动聚焦透镜单元、扫描振镜单元和工作面；所述移动聚焦透镜单元包括聚焦透镜、第一电机和导轨，所述第一电机控制所述聚焦透镜沿所述导轨运动；所述扫描振镜单元包括振镜、第二电机，所述振镜与所述第二电机连接；所述激光器发出的光束以一定发散角入射至所述聚焦透镜，光束经所述聚焦透镜准直聚焦后入射至所述振镜，再经所述振镜反射，从而用于对所述工作面上的工件进行激光加工。本发明可快速灵敏地调节工作光斑的尺寸，尤其针对异形或不平整的加工表面具有明显的优势，还提高了加工的均匀性及加工效率。

技术领域

本发明属于激光加工光学系统领域，更具体地，是涉及一种可调变的宽带激光加工光学系统及方法。

背景技术

激光加工技术是一种利用高能激光和纳米材料对各类零件进行合金强化处理的表面改性技术，可在零部件表面无形变的情况下显著改善基层的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等工程属性。近年来随着工业化和激光技术产业的飞速发展，激光加工作为提高器件表面质量及使用寿命的有效方法在直接成型和再制造生产工艺中得到了广泛应用。

现有的激光加工成型系统多采用光学元件对激光束进行切割整形重组，激光加工光学系统的作用是将激光器发出的激光束转换并投射在加工面上用于激光熔覆加工。现有的激光加工光学系统难以满足加工的效率和质量要求，其固定的工作模式通常不能灵活变斑，不适用于结构比较复杂的零件，尤其是对一些尺寸较小、表面不规则的工件加工效率不高。而且，传统加工系统熔敷的效率和质量有限，以积分变换镜熔敷系统为例，其利用标量衍射理论对光束进行重新分配再会聚，积分镜变换后的光场分布带有强烈的干涉及衍射效应，在较短工作时长内，其光斑条纹结构明显，破坏了光束均匀度；尽管由于热扩散作用的存在，其条纹结构会随激光照射时长增加而逐步减弱，但由于激光的高速扫描过程，其工作温度场仍不能保证均匀性，从而会影响熔敷的效率和质量。因此，开发一种可调变的宽带激光加工光学系统对激光加工应用具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明了提出一种可调变的宽带激光加工光学系统及加工方法，旨在解决现有的激光加工系统加工质量差、效率低的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种可调变的宽带激光加工光学系统，该系统包括激光器、移动聚焦透镜单元、扫描振镜单元和工作面；所述移动聚焦透镜单元包括聚焦透镜、第一电机和导轨，所述第一电机控制所述聚焦透镜沿所述导轨运动；所述扫描振镜单元包括振镜、第二电机，所述振镜与所述第二电机连接；所述激光器发出的光束以一定发散角入射至所述聚焦透镜，光束经所述聚焦透镜准直聚焦后入射至所述振镜，再经所述振镜反射，从而用于对所述工作面上的工件进行激光加工。本发明使用一片准直聚焦组合镜，不需要先准直再聚焦，减少镜片污染且节约了加工成本，降低了操作难度。

进一步地，该系统还包括分光装置，所述分光装置包括分光棱镜、两个对称放置的反射镜和滑动槽，所述分光棱镜可沿所述滑动槽移动；

光束经所述振镜反射至所述分光棱镜的两分光棱面，通过所述分光棱镜反射分光为两个子光束，所述两个子光束分别经所述反射镜反射后会聚于所述工作面上得到两个光斑。

进一步地，所述两个子光束会聚时呈一特定夹角，在两个子光束之间形成的中空无光区域内放置多通道送粉管以进行光粉同步输送。

进一步地，所述聚焦透镜与导轨上的支架相连接，通过所述第一电机控制其在导轨上沿光轴方向来回移动，以调节扫描时的光斑宽度。通过移动聚焦透镜的位置，可以快速调节在工作面上光斑的宽度，提高了设备加工的灵活性和加工效率。

进一步地，所述第二电机驱动所述振镜来回振动进行宽带光束扫描，通过编程调整所述振镜扫描的角度，调节光斑的扫描范围，实现对不同尺寸的零件的高效加工。

本发明还提供了一种基于前述宽带激光加工光学系统的加工方法，通过调节所述振镜的扫描速度控制各个位置光斑的停留时长，以获得特定形状的光场分布。