激光熔覆装置的抛物面的设定方法及激光熔覆装置与流程

本发明涉及一种激光熔覆装置的抛物面的设定方法及激光熔覆装置，属于激光加工领域。

背景技术：

在先进激光加工成形制造技术中，有一个关键技术，即将激光和被熔材料同步传输至加工成形位置，并使金属材料连续、准确、均匀地投入到加工面上按预定轨迹作扫描运动的聚焦光斑内，实现光料精确耦合。材料在光束内进行光能与热能的转换，瞬间熔化并形成熔池，完成材料的快速熔化凝固的冶金过程。国内外现行的送料方法可以分为光外送丝和光内送丝。

其中，光内送丝方法如中国专利第cn101386111a号公开的激光光内送丝熔覆方法采用光内送丝装置，该激光光内送丝熔覆方法采用光内送丝装置的筒体上方有入光口，下方有出光口，入光口与出光口同轴。筒体中心均匀设计三根筋条与筒体内壁相连，筋条上固定了一个圆锥镜，圆锥镜的锥形镜面朝向入光口并与之同轴线。圆锥镜将入射激光束切割、反射变换为环形光束。筒体内壁上还与圆锥镜同轴安装了一个环形反射聚焦镜，其镜面朝向所述圆锥镜。圆锥镜反射的环形光束入射到环形反射聚焦镜上，再由环形反射聚焦镜反射聚焦成环锥形聚焦光束，环锥形聚焦光束中形成一锥形中空无光区和焦点，焦点在出光口之外。单根送丝管从筒体外部插入，穿过圆锥镜与环形反射聚焦镜之间的空隙，到达圆锥镜背面后转为与环锥形光束同轴线，使得送丝管端部的喷丝嘴置于所述环锥形光束的锥形中空无光区内，并与环锥形光束同轴线。喷丝嘴出口位置靠近环锥形光束的焦点。丝材从送丝管中送入，通过送丝管下端的喷丝嘴输出，在接近焦点处被所述环锥形光束下部包围照射，然后在光照与基材表面的熔池热传导、热辐射等的共同作用下被加热并连续熔化而垂直进入熔池，待熔覆的基材表面调整到所述焦点附近，熔入熔池的丝材与部分熔化的基材表层材料共同形成熔池，熔池中的熔体随光束与基材的相对移动而连续凝固形成熔道。

虽然该专利文献实现了光内熔覆工艺，可以减少光照损坏，且实现给装置冷却降温的目的，但是，该文献及现有技术中，普遍存在如下问题：无法系统性及快速的匹配出合适的反射聚焦镜的抛物面。现在常规匹配反射聚焦镜的方法通常采用两种方式：一、根据经验选择适合的反射聚焦镜；二、经过不断的实验后确认适合的反射聚焦镜。所以，目前在反射聚焦镜的选择方面尚处于难题中，而，反射聚焦镜的抛物面则是聚焦熔覆中影响熔覆及工件成形的重要环节，若匹配的抛物面不恰当，则影响熔覆及工件成形效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供能够快速确定抛物面的激光熔覆装置的抛物面的设定方法，通过该方法可以加快激光熔覆装置的组装，同时，使激光熔覆装置能够获得最佳的工作效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光熔覆装置的抛物面的设定方法，所述激光熔覆装置用于接受入射光束并将所述入射光束转换成聚焦光束以在基材上形成焦点，所述激光熔覆装置包括支撑座和位于所述支撑座下方的喷嘴，所述支撑座上设有分光镜和排布在所述分光镜周向上的至少两个反射聚焦镜，每个所述反射聚焦镜具有朝向分光镜的抛物面，所述分光镜接收入射光束并将所述入射光束反射形成反射光束，所述抛物面接收所述反射光束并将所述反射光束转化为聚焦光束，所述设定方法如下：

定义所述抛物面于激光熔覆装置的高度方向上的剖面为基准面，定义所述激光熔覆装置的高度方向为基准面的y轴，定义在所述基准面内的所述抛物面的抛物线为右开口抛物线，且该抛物线经过该基准面的原点，所述抛物线的焦点落在基准面的x轴上；

定义所述分光镜的顶点到抛物面的距离为a，定义所述分光镜的顶点到抛物线焦点的距离为b，进而获得：在该抛物线上，所述分光镜顶点的水平延伸线与该抛物线之间的交点的坐标：p/2-a，b；

将所述交点坐标代入至抛物线方程式中以计算获得抛物面的抛物线，根据所获得的抛物线绕着基准面的x轴旋转形成抛物面。

进一步的：所述反射聚焦镜为三个，三个所述反射聚焦镜均匀分布在所述分光镜的四周。

本本发明还提供了一种激光熔覆装置，用于接受入射光束并将所述入射光束转换成聚焦光束以在基材上形成焦点，所述激光熔覆装置包括支撑座和位于所述支撑座下方的喷嘴，所述支撑座上设有分光镜和反射聚焦镜，所述反射聚焦镜具有朝向分光镜的抛物面，所述分光镜接收入射光束并将所述入射光束反射形成反射光束，所述反射聚焦镜的抛物面接收所述反射光束并将所述反射光束转化为聚焦光束，所述抛物面为通过上述激光熔覆装置的抛物面的设定方法设定，所述反射聚焦镜包括分别与所述抛物面连接的左侧面和右侧面；所述支撑座上还设有调节所述反射聚焦镜位置的调节支架，每个所反射聚焦镜对应一个调节支架设置。

进一步的：所述调节支架包括架体和设置在所述架体上的第一转轴，所述第一转轴连接所述左侧面与架体、连接所述右侧面与架体，所述反射聚焦镜以所述第一转轴为轴心相对所述架体转动。

进一步的：所述架体具有背板，所述调节支架还包括设置在所述架体上的至少一个第一调节件，所述第一调节件设置在所述背板上，所述第一调节件的端部抵持所述聚焦镜；所述第一调节件抵持所述聚焦镜的位置低于所述第一转轴，或者，至少其中一个所述第一条借鉴抵持所述聚焦镜的位置低于所述第一转轴、其余所述第一调节件抵持所述聚焦镜的位置高于所述第一转轴。

进一步的：所述调节支架还包括设置在所述架体下部的第二转轴和设置在所述架体下部的螺杆，所述支撑座上设有与所述第二转轴配合的第二轴孔，所述支撑座上开设有弧形槽，所述螺杆部分伸入至所述弧形槽内。

进一步的：所述支撑座具有支撑座侧壁，所述调节支架还包括设置在所述支撑座侧壁上的至少两个第二调节件，所述第二调节件的端部抵持所述聚焦镜，其中至少一个所述第二调节件设置在所述调节支架的左侧，其余所述第二调节件设置在所述调节支架的右侧。

进一步的：所述支撑座上还设有供冷却介质循环流动以给所述反射聚焦镜降温的第一冷却系统和供冷却介质循环流动以给所述分光镜降温的第二冷却系统。

进一步的：所述支撑座上还设有用于盖合所述支撑座的支座盖，所述支撑座与所述支座盖围设形成用以收纳所述分光镜和所述反射聚焦镜的收纳空间，所述支座盖的顶部开设有使所述收纳空间与外部连通的开口，所述支座盖上设有与所述开口对接的光通管，所述支撑座上设有将所述光通管固定的连接头，所述连接头活动安装在所述支撑座上，所述连接头使所述光通管相对所述支撑座位移和/或偏摆，进而改变所述入射光束与所述分光镜之间的位置和角度关系。

进一步的：所述喷嘴包括喷头、枪身以及用于微调所述喷嘴位置的微调装置，所述喷头设置在所述枪身的底部，所述微调装置活动安装在所述枪身的顶部，且可相对所述支撑座位移。

本发明的有益效果在于：本发明的激光熔覆装置的抛物面的设定方法通过计算获得抛物面所在的抛物线，从而获得该抛物面，该方法简单，易实施，通过该方法解决了现有技术中无法系统性的选择抛物面的难题，通过运用设定方法加快了激光熔覆装置的组装，且使激光熔覆装置能够获得最佳的工作效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例所示的激光熔覆装置的部分分图；

图2为图1中的部分结构的部分分解图；

图3为图2中的部分结构的部分分解图；

图4为图1中喷嘴的部分分解图；

图5为图1中调节支架的部分分解图；

图6为图1中支撑座、调节支架部分结构的分解图；

图7为图1中支座盖、调节支架部分结构的分解图；

图8为图1中连接头的分解图；

图9为图1中分光镜、支撑座、调节支架部分结构的分解图；

图10为图1中反射聚焦镜、分光镜在基座面内的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1和图9，本发明的激光熔覆装置包括支撑座1和位于所述支撑座1下方的喷嘴2。所述支撑座1呈圆柱体，所述支撑座1具有上表面14，所述上表面14设置有调节支架5，所述上表面14上内凹形成有固定所述分光镜的分光镜凹槽15、内凹形成有固定每个所述调节支架5的支架凹槽以及贯通所述支撑座的光出口100。所述支撑座1上设有分光镜3和排布在所述分光镜3周向上的至少两个反射聚焦镜4，所述反射聚焦镜4通过调节支架5固定在所述支撑座1上并通过调节支架5进行位置的微调，所述调节支架5通过支架凹槽(未标号)固定在所述支撑座1上；在本实施例中，以反射聚焦镜4和调节支架5的数目为三进行说明，三个所述反射聚焦镜4均匀分布在所述分光镜3的四周，每个所反射聚焦镜4对应一个调节支架5设置。诚然，在其他实施例中，该反射聚焦镜4和调节支架5的个数还可为两个或四个及以上。所述支撑座1的中心垂线与所述分光镜3的光轴重叠，每个所述支架凹槽16相对于所述分光镜凹槽15均匀设置在所述上表面14的四周。所述分光镜3接收入射光束并将所述入射光束反射形成反射光束，所述反射聚焦镜4接收所述反射光束并将所述反射光束转化为聚焦光束，所述聚焦光束穿过贯通所述支撑座1的光出口100然后在基材(未图示)上形成熔覆焦点。所述支撑座1上还设有供冷却介质循环流动以给所述反射聚焦镜4降温的第一冷却系统6、供冷却介质循环流动以给所述分光镜3降温的第二冷却系统7以及设置在所述支撑座1上的支座盖8。所述支撑座1与所述支座盖8之间形成有收纳所述分光镜3和反射聚焦镜4的收纳空间(未标号)，通过该支撑座1和支座盖8将所述分光镜3和反射聚焦镜4收纳，从而使得装置整体结构集体化，同时起到防尘效果。所述支座盖8的顶部开设有使所述收纳空间与外部连通的开口(未标号)，所述支座盖8上设有与所述开口对接的光通管9，所述支撑座1上设有将所述光通管9固定的连接头10，所述连接头10活动安装在所述支撑座1上，且所述连接头10使所述光通管9相对所述支撑座1位移和/或偏摆，进而改变所述入射光束与所述分光镜3之间的位置和角度关系。

请参见图2，本发明的第一冷却系统6包括连接三个反射聚焦镜4的管路61和形成在每个所述反射聚焦镜4内的冷却通道(未图示)，每个所述管路61与所述冷却通道对接。每个所述管路61的两端设置有水管公接头611；每个所述冷却通道的两侧设有通道口62，每个所述通道口62上设有与所述水管公接头611对接的水管母接头621。在本实施例中，其中两根所述水管61的一端分别被定义为第一进水口612和第一出水口613，所述第一进水口612和第一出水口613设置在所述支座盖(未图示)上。通过该第一冷却系统6可以实现对所述反射聚焦镜4的降温效果，减少反射聚焦镜4的热变形，提高其使用寿命；同时，将第一进水口612和第一出水口613设置在支座盖上，方便其直接与外部的供水系统连接，避免因反复拆卸而影响装置的精密性，并且提高了工作效率。

请参见图3，本发明的第二冷却系统7包括进水口通道71、出水口通道72和形成在所述分光镜3中的分光镜内腔73，所述进水口通道71和所述出水口通道72与所述分光镜内腔73对接。所述进水口通道71和出水口通道72开设在所述支撑座1内，所述支撑座1具有支撑座侧壁11，所述进水口通道71具有形成在所述支撑座侧壁11上的第二进水口711；所述出水口72通道具有形成在所述支撑座侧壁11上的第二出水口721。通过该第二冷却系统7可以实现对所述分光镜3的降温效果，减少分光镜3的热变形，提高其使用寿命；同时，将第二进水口711和第二出水口721设置在支撑座侧壁11上，方便其直接与外部的供水系统连接，避免因反复拆卸而影响装置的精密性，并且提高了工作效率。

请参见图4，本发明的喷嘴2包括喷头21、枪身22以及用于微调所述喷嘴2位置的微调装置23，所述喷头21设置在所述枪身22的底部，所述微调装置23设置在所述枪身22的顶部，所述微调装置23可相对所述支撑座(未图示)位移。在本实施例中，所述微调装置23包括至少一个垫片231以及设置在所述枪身22顶部的固定部232，本实施例中，以所述垫片231的数量为2进行说明，诚然，在其他实施例中，该垫片231的数量还可为一或三个及以上，其主要目的是调节喷嘴与熔覆焦点之间的距离。所述垫片231夹持在所述固定部232与所述支撑座之间；所述垫片231和固定部232上均开设有第二过孔233，所述第二过孔233内插入有第二过孔杆234，所述第二过孔233的直径大于所述第二过孔杆234的直径。由于所述第二过孔233的直径大于所述第二过孔杆234的直径，所以，可通过微移所述微调装置23再通过所述第二过孔杆234紧固所述喷嘴2从而达到喷嘴2相对支撑座实现周向微调的目的。本实施例中，所述第二过孔杆234为螺钉，所述第二过孔杆234与所述支撑座通过螺纹(未图示)连接，通过采用螺纹连接以方便调节第二过孔杆234与支撑座的连接关系。诚然，在其他实施例中，该第二过孔杆234还能为其他紧固件。

在本实施例中，所述喷嘴2为导丝喷嘴，所述枪身22具有侧壁(未标号)和由所述侧壁围设形成的送丝腔(未图示)。丝材位于所述送料腔内，所述送丝腔沿所述侧壁的纵长方向延伸。所述侧壁的一侧设置有纵长开口24，所述纵长开口24沿所述侧壁的纵长方向延伸。

请参见图5并结合图9，本发明的调节支架5包括架体51和设置在所述架体51上的第一转轴52。所述反射聚焦镜4包括将反射光束转化成聚焦光束的抛物面42、分别与所述抛物面42连接的左侧面(未图示)和右侧面(未标号)以及贯通所述左侧面和右侧面的通孔41。所述第一转轴52穿过所述通孔41。所述架体51包括两个相对设置的侧板(未标号)、相对设置的顶板(未标号)和底板(未图示)以及连接所述侧板、顶板及底板的背板(未图示)，所述侧板、顶板、底板和背板围设形成聚焦镜凹槽511，所述反射聚焦镜4设置在所述聚焦镜凹槽511内，所述第一转轴52贯通并安装在所述架体51上，所述反射聚焦镜4以所述第一转轴52为轴心相对所述架体51转动。所述调节支架5还包括设置在所述架体51上的至少一个第一调节件53，在本实施例中，基于成本以及微调工艺的考虑，该第一调节件53的个数为2，且分别相对于所述第一转轴52的上方和下方设置。所述第一调节件53设置在所述背板上，且所述第一调节件53的端部抵持所述反射聚焦镜4。通过转动所述反射聚焦镜4进行反射聚焦镜4位置的微调后，再以所述第一调节件53紧固所述反射聚焦镜4以防止所述反射聚焦镜4因外力或者重力作用而发生位移，从而实现反射聚焦镜4相对所述调节支架5上下转动。

请结合图6，在本实施例中，所述调节支架5还包括设置在所述架体51上的第二转轴54，所述支撑座1上设有与所述第二转轴54配合的第二轴孔12。所述调节支架5还包括设置在所述架体51下部的螺杆55以及设置在所述支撑座侧壁的第二调节件56，所述第二调节件56相对设置所述第二转轴54的左侧和右侧，且所述第二调节件56抵持所述调节支架5；所述支撑座1上开设有弧形槽13，所述螺杆55部分伸入至所述弧形槽13内，所述调节支架5通过所述螺杆55固定在所述支撑座1上。本实施例中，配置第二转轴54能更方便地调节调节支架5从而微调反射聚焦镜(未图示)的周向位置，通过转动所述反射聚焦镜4进行反射聚焦镜4周向位置的微调后，再以所述第二调节件56紧固所述反射聚焦镜4以防止所述反射聚焦镜4因外力作用而发生位移，从而实现反射聚焦镜4相对所述调节支架5周向转动。诚然，在其他实施例中，可以仅设置弧形槽13和第二调节56件来对反射聚焦镜的周向位置进行调节。

本实施例中，将微调反射聚焦镜4周向位置的第二调节件56设置在该激光熔覆装置中光路的外侧，主要考虑到，当调节所述反射聚焦镜4的位置时，必须打开光束，由于光束具有很高的能量，如果接触到人体，就会产生很大的安全事故，所以将第二调节件56设置在装置外侧，具有方便用户调节，减少安全隐患的优点。

请结合图7，本发明的支座盖8具有支座盖侧壁81，所述支座盖侧壁81上设有闸板811和对应每个所述调节支架5位置且用以暴露所述调节支架5的闸口(未标号)，从而便于调节所述第一调节件53，所述闸板811密封所述闸口；同时，将第一调节件53设置在所述激光熔覆装置的光路外侧，方便直接调节所述反射聚焦镜4的位置，减少调节过程中存在的安全隐患。

请参见图8，本发明的连接头10包括具有相对设置的顶面(未标号)和底面(未标号)的固定环102、位于所述顶面上的上环101以及位于所述底面下的下环103；所述固定环102、上环101和下环103内均形成有安装孔104，所述光通管9依次插入至所述上环101、固定环102的安装孔104内，并通过固定环102固定；所述固定环102和上环101上还开设有至少两个螺纹孔(未标号)，每个所述螺纹孔内插入有调节螺钉105，所述调节螺钉105的底端抵持所述下环103，通过旋转可以实现调节螺钉105相对于固定环102上下移动，从而实现固定环102相对于连接头10偏摆调节，从而使入射光束实现角度调节的目的；而下环103的主要作用是避免调节螺钉105的底端刮损支座盖(未图示)的表面，导致其精度下降。本实施例中，基于制造工艺以及微调作用的考虑，所述螺纹孔和调节螺钉105的数量为三，能充分达到调节入射光束角度的目的，诚然，在其他实施例中，该螺纹孔和调节螺钉105的数量还能为二或四个及以上。所述上环101、固定环102和下环103上均开设有第一过孔106，所述支撑座(未图示)上设有第一过孔杆107，所述第一过孔杆107插入至所述第一过孔106内，且所述第一过孔106的直径大于所述第一过孔杆107的直径。由于所述第一过孔106的直径大于所述第一过孔杆107的直径，可通过微移所述连接头10后，再通过所述第一过孔杆107紧固所述连接头10，从而达到入射光束相对支撑座实现周向微调的目的。本实施例中，所述第一过孔杆107为第一过孔螺钉，所述第一过孔螺钉107通过螺纹(未图示)与所述支撑座连接，诚然，在其他实施例中，该第一过孔杆107还能为其他紧固装置。

在本实施例中，所述固定环102包括伸出部1021和夹层部1022，所述伸出部1021穿过所述上环101的安装孔104沿所述连接头10的高度方向设置。并且，所述下环103所采用的材料硬度高与所述支撑座所采用的材料，以防止调节螺钉105刮伤支撑座，从而导致定位精度差。

在本实施例中，所述分光镜3包括对应所述反射聚焦镜4数量设置的至少两个分光镜面31，每个所述分光镜面31为平面；诚然，在其他实施例中，该分光镜面21还可为弧型面。每个所述反射聚焦镜4具有朝向分光镜面31的反射聚焦镜面42；所述反射聚焦镜面42为一弧型镜面，诚然，在其他实施例中，该反射聚焦镜面42还可由多段弧型镜面连接而成。

请参见图10并结合图1及图9，本发明的一种激光熔覆装置的抛物面42的设定方法可用以上述激光熔覆装置，该激光熔覆装置的结构不在赘述，所述设定方法如下：

s1、定义所述抛物面42于激光熔覆装置的高度方向上的剖面为基准面，定义所述激光熔覆装置的高度方向为基准面的y轴(对应的，在基准面中与y轴垂直的另外一个方向为x轴)，定义在所述基准面内的所述抛物面42的抛物线20为右开口抛物线，且该抛物线20经过该基准面的原点o(0，0)，所述抛物线的焦点f落在基准面的x轴上；

s2、定义所述分光镜3的顶点到抛物面42的距离为a，定义所述分光镜3的顶点到抛物线20焦点f的距离为b，进而获得：在该抛物线20上，所述分光镜3顶点的水平延伸线与该抛物线20之间的交点的坐标：p/2-a，b；

s3、将所述交点坐标代入至抛物线20方程式中以计算获得抛物面42的抛物线20，根据所获得的抛物线20绕着基准面的x轴旋转形成抛物面42。该抛物线20方程式为y²＝b²/(p/2-a)*x，其推倒方式如下：

确定交点的坐标：p/2-a，b

由于右开口抛物线20公式为：y²＝2px

故，推导出p＝b²/2(p/2-a)

进而，抛物线20方程为：y²＝2px＝2*b²/2(p/2-a)*x＝b²/(p/2-a)*x

其中，a为分光镜3的顶点到抛物面42的距离，b为分光镜3的顶点到抛物线20焦点的距离。

上述设定方法用于每个反射聚焦镜4的抛物面42，每个抛物面42的抛物线20必须绕着x轴旋转形成抛物面。

综上所述，上述激光熔覆装置的抛物面的设定方法通过计算获得抛物面42所在的抛物线20，从而获得该抛物面，该方法简单，易实施，通过该方法解决了现有技术中无法系统性的选择抛物面的难题，通过运用设定方法加快了激光熔覆装置的组装，且使激光熔覆装置能够获得最佳的工作效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。