[发明专利]基于多个光纤输出激光模块的中心送料激光系统及加工头

说明书

本发明公开了一种基于多个光纤输出激光模块的中心送料激光系统及加工头，包括多个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块对应的多个准直透镜、送料管以及一个中心开有通孔的聚焦透镜；所述多个光纤输出激光模块分成几组，每组模块的输出光纤端面按一定规律排列在与之对应的准直透镜的前焦点附近，所述准直透镜至少包括一片透镜；所述中心开有通孔的聚焦透镜至少包括一片透镜，位于准直透镜的后方；所述送料管穿过聚焦透镜的中心通孔；所述准直透镜设置在所述送料管四周；本发明直接利用小功率模块，避免了现有技术先合束再分束的过程，降低了设备成本，另外只使用一个聚焦透镜，系统调试简单。

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种激光加工用激光系统及利用该系统的加工头，特别是一种基于多个光纤输出激光模块的中心送料激光系统及加工头，可广泛应用于激光加工产业中。

背景技术

将材料烧结在一起是激光加工的一类重要应用，如激光焊接、激光熔覆和激光3D打印等。在激光3D打印中，这种烧结过程烧结的材料通常是粉、丝之间的烧结，在焊接和熔覆中，这种烧结过程通常是粉或者丝与金属零件之间的烧结。根据烧结材料的送料方式和光束照射方式，目前烧结技术可分成两类：一类是侧面送料技术，即烧结光垂直烧结表面照射，烧结物料从侧面送入光照区；另一类是中心送料技术，即物料垂直送向烧结表面，烧结光从四周照射物料和烧结区。相比之下，中心送料技术在实现烧结的过程中，可以实现各烧结材料(物料和基体)的同时加温，通常会得到更好的烧结质量，另外，烧结激光头可以在所有方向上自由运动提高了制造过程的灵活性。

对于中心送料技术，目前学术界和产业界已经提出了多种实施方案。比如中国专利CN201711184987一种中心送粉可扩展多束激光熔覆头及其应用；中国专利CN201710790666一种完全环状激光熔覆头；中国专利CN201710059713激光熔覆装置；中国实用新型专利201320761615.7一种平行环形激光熔覆头。这些专利给出了中心送粉的实现方案。又比如中国发明专利201510968684.9公开了一种分束激光聚焦同轴熔丝激光头和激光同轴熔丝成形设备；中国发明专利CN101386111A公开了一种激光光内送丝装置。

在中心送料烧结技术中，为了减少热应力，通常希望烧结基体能有一定的预热和缓冷，中国专利CN201710059713激光熔覆装置和和中国专利CN201610989297基于多焦点透镜产生预热和缓冷光的激光熔覆装置提出了解决方案。

综观目前公开发表的所有中心送料边缘光照射的技术方案，其技术实现路径都可以总结成下述步骤：1、激光束分光成N个平行光；2、N个平行光通过N个聚焦透镜汇聚到加工区。在步骤1中，激光来自同一激光器，通常来自激光器的光被准直成平行光，然后用分束镜分成N束；对于来自光纤输出激光器的光，也有通过光纤分束器分成N束，然后通过N个准直透镜准直成N束。

在激光加工领域，所使用的激光器通常是大功率激光器，这些大功率激光器价格昂贵，另外该技术需要解决大功率激光的分束问题，系统复杂。在步骤2中，N个聚焦透镜的光轴需倾斜设置以使光轴交会在中心送料区。系统调试困难，加工头结构复杂。此外，这类激光加工系统设计好后，加工光斑的结构就被固定，无法进行调整以适应不同的激光加工工艺的要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种基于多个光纤输出激光模块的中心送料激光系统及加工头，该系统直接利用小功率模块，避免了现有技术先合束再分束的过程，降低了设备成本。另外只使用一个聚焦透镜，系统调试简单。最后，通过对诸小功率激光模块的独立控制，可以在加工过程中实时改变光斑的结构，满足不同激光加工工艺的要求。利用该系统，还可以实现中心送料的双侧线状光斑照明烧结，用在激光熔覆加工中，提高熔覆效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：