基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的制作方法

本实用新型属于激光技术领域，涉及一种激光宽带熔覆装置，特别是一种基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，可广泛应用于激光加工产业中。

背景技术：

激光熔覆是通过在物体表面上用激光烧结某种材料来改变物体表面的特性，烧结材料可以是粉、丝和片等。通常激光熔覆分窄带熔覆和宽带熔覆。窄带熔覆只能熔覆3-5毫米的宽度，当熔覆面积大时，接头多，表面特性变差。激光宽带熔覆既能保证熔覆效率，又能保证熔覆质量，在工业中得到更广泛的应用。

激光宽带熔覆分两种方式，一种是激光垂直照射被熔覆表面，物料从一个侧面或两个侧面送入；另一种是物料垂直送向被熔覆表面，激光从一个或两个侧面照射。为了实现激光宽带熔覆，需要送料装置和产生条状光斑的激光系统。目前产生条状光斑的激光系统主要有两种：一种是直接输出半导体激光系统，这种光源将多个条状阵列半导体发光芯片封装在一起，并用复杂微透镜光学系统整形形成条状光斑，激光系统体积庞大；另一种由大功率光纤输出激光器与激光整形光学系统组成，整形光学系统主要有两种，一种是采用微透镜阵列的激光整形光学系统，一种是采用光束积分镜的激光整形光学系统。相比之下，光纤输出式激光头要小很多，使用方便，但价格昂贵。目前，这些产生条状光斑的激光系统用于熔覆时在技术上主要还有下面一些问题：

1、这些激光器通常只能产生简单的条状结构的光斑。并且相关研究表明，在宽带激光熔覆中，如果能在烧结前使基体预热，在烧结后使基体缓冷，都可以大幅提高激光熔覆的质量，消除或减小烧结应力。但要产生这种光斑，必须采用特种光学元件，制造困难，调试复杂，如中国专利“激光宽带熔覆装置”(专利申请号cn201610879013.x)。

2、这些激光设备一旦生产，其光斑结构就不能变化。在实际应用中，不同的基体不同的材料需要不同的光斑结构产生，比如中心功率和边缘功率，如果这些功率可以实时调整，无疑会大大增加设备的适用范围，满足更多的工业需求。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，该系统直接利用小功率模块，构建所需结构的条状光斑，光斑的各个部分可以独立控制以使光斑结构满足不同的激光加工工艺要求。由于采用常规光学元件并避免了大功率激光器的使用，降低了设备成本。另外，系统调试简单。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统，包括送料装置和至少一个激光头；所述每个激光头包括多个光纤输出激光模块和成像透镜，所述多个光纤输出激光模块的光纤输出端面在一个平面内至少排列成一排，当排列为多排时，排与排之间平行成条状；所述成像透镜包括至少一片透镜元件，成像透镜位于激光模块的光纤输出端面的输出光路上；

当所述送料装置将物料垂直送到待熔覆物体表面时，所述激光头在送料装置两侧的至少一侧将成像透镜对排列成条状的光纤端面成的像，透射到物料上，并使条状像的长边与物料的长边平行；

当所述激光头将成像透镜对排列成条状的光纤端面成的像垂直照射到待熔覆物体表面，送料装置将物料从两侧的至少一侧送到待熔覆物体表面激光照射区；该激光宽带熔覆系统将物料与物体表面烧结在一起。

进一步的，所述激光头中设置至少包含一个分光元件的分光部件，所述分光部件用于将光束分离成多份，所述条状排列的光纤输出激光模块输出光纤的端面经分光部件和成像透镜后成多个像，这些像组合后形成均匀的条形光斑。

进一步的，所述分光部件为偏振分光器件，或者为空间波面分光器件，或者是偏振分光器件和空间波面分光器件的组合；所述偏振分光器件是将o光(正常光)和e光(异常光)分束并产生相对位移的平行平板晶体位移片，或者是将o光(正常光)和e光(异常光)分束并产生相对角位移的晶体楔形片；所述空间波面分光器件是产生光束相对偏转的空间排列的光楔，或者是产生光束相对偏转的空间排列的多个反射镜。

进一步的，所述光纤输出激光模块的输出光纤纤芯截面是圆形的，或者是矩形的。

进一步的，所述诸光纤输出激光模块独立控制，发光的相对持续时间是相同的，或者是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率是相同的，或者是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是同步的，或者是不同步的；形成光斑结构随时间变化的光斑结构，满足不同激光加工对光斑的要求。

进一步的，所述两激光头发出的条状光斑沿垂直于条形物料方向靠在一起，条状物料位于合成光斑中心，两个条状光斑相邻的部分区域的功率高于其它区域的功率，形成中心功率高两边功率低具有预热和缓降温功能的光斑。

进一步的，所述两激光头发出的条状光斑在垂直于条形物料方向部分重叠，该重叠区域与条状物料重叠，这种光斑中心功率高，两边功率低，具有预热和缓降温功能。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：首先，通过对光学系统进行合理设计，直接利用小功率光纤输出激光模块，避免了大功率激光器的采用；利用小功率光纤输出激光模块直接构成的系统成本大幅降低，通常小功率激光模块单位功率的价格不高于大功率激光器单位功率价格的0.5倍；现有技术中采用大功率光纤输出激光器与光学整形系统产生条状光斑，由于大功率光斑是由许多小功率模块的光合束形成的，且光学整形系统采用特种光学元件，这种系统技术复杂，价格昂贵；另外，在本实用新型的系统中，全部采用常规光学元件，降低了加工成本和调试难度；同时，本实用新型可通过独立控制诸小功率模块，实时根据需要改变加工光斑的结构。

进一步的，本实用新型的方案可实现在光斑上垂直于长度方向的截面上，光斑具有中心功率高边缘功率低的结构，或者，在光斑上垂直于长度方向的截面上，具有一个中心高功率光斑和两个低功率边光斑的结构，这些结构可以提供基体预热和缓冷却功能，提高烧结质量。这些光斑的相对功率分布可以实时控制，可以根据工艺需求灵活调整，适应不同的需求。

附图说明

图1a为本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的一种中心送料双侧照射的系统结构示意图。

图1b为本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的一种中心激光照射，单侧送料的系统结构示意图。

图2a为本实用新型提出的第一种分光部件的结构示意图，它是产生相对位移的平行平板晶体位移片。

图2b为本实用新型提出的第二种分光部件的结构示意图，它是产生相对角位移的晶体楔形片。

图3a为本实用新型提出的第三种分光部件的结构示意图，它是产生光束相对偏转的光楔。

图3b为本实用新型提出的第四种分光部件的结构示意图，它是产生光束相对偏转的空间排列的多个反射镜。

图4a为本实用新型提出的激光头中光纤输出激光模块输出光纤端面的一种排列结构。

图4b为本实用新型提出的激光头中光纤输出激光模块输出光纤端面的第二种排列结构。

图5a为本实用新型提出的激光头中一种光路结构；图5b为光纤输出激光模块输出光纤端面的一种排列结构；图5c为图5b所示光纤端面排列结构经图5a所示激光头光路结构后产生的像的排列结构；

图6a为本实用新型提出的激光头中光纤输出激光模块输出光纤端面的一种排列结构；图6b为图6a所示结构经激光头中某光学系统形成的光斑结构。

图7a为本实用新型提出的激光头中一种光路结构；图7b为光纤输出激光模块输出光纤端面的一种排列结构；图7c为图7b所示光纤端面排列结构经图7a所示激光头光路结构后产生的像的排列结构；

其中：m-1、m-2、…、m-n、m1-1、m1-2、…、m1-n1、m2-1、m2-2、…、m2-n2分别表示光纤输出激光模块；l、l1、l2表示成像透镜；l1-1表示准直透镜；l1-2表示聚焦透镜；sl表示送料装置；ob和i分别表示光纤输出激光模块的输出光纤端面所在的物面和其对应的共轭像面；pbs1、pbs2分别表示晶体分光器件；bs1表示光楔分光器件；rbs1和rbs2分别表示反射式分光器件；jgt1、jgt2和jgt表示激光头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统。

图1a为本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的一种结构示意图，这是一种中心送料，两侧激光照射的宽带激光熔覆系统，它由一个位于中心的送料装置sl和分别位于送料装置sl两侧的激光头jgt1和jgt2组成。其中，送料装置sl向待熔覆表面垂直输送物料，待熔覆表面垂直于纸面，物料是片状料或带状粉料，物料分布方向垂直于纸面；位于左侧的激光头jgt1由n1个光纤输出激光模块m1-1、m1-2、…、m1-n1和成像透镜l1组成，n1个光纤输出激光模块m1-1、m1-2、…、m1-n1的输出光纤的端面在垂直于纸面的方向上排成至少一排，当排列成多排时，各排光纤互相平行，呈条状分布；成像透镜l1通常由多片透镜组成以满足成像质量的要求，在这里只画出一片透镜用于示意，其光轴位于纸面上；呈条状分布的光纤端面通过成像透镜l1后成的像重叠在条状物料上；位于右侧的激光头jgt2由n2个光纤输出激光模块m2-1、m2-2、…、m2-n2和成像透镜l2组成，n2个光纤输出激光模块m2-1、m2-2、…、m2-n2的输出光纤的端面在垂直于纸面的方向上排成至少一排，当排列成多排时，各排光纤互相平行，呈条状分布；成像透镜l2通常由多片透镜组成以满足成像质量的要求，在这里只画出一片透镜用于示意，其光轴位于纸面上，呈条状分布的光纤端面通过成像透镜l2后成的像重叠在条状物料上；这两组光斑联合将物料烧结在带熔覆物体表面。

将图1a中的激光头去掉一个，就衍生出本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的一种中心送料，单侧激光照射的宽带激光熔覆系统结构示意图。由于两者处理技术问题的方式相似，在此不专门列出。

图1b为本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的另一种结构示意图，这是一种中心激光照射，单侧送料的宽带激光熔覆系统，由送料装置sl和激光头jgt组成。其中，送料装置sl从激光头jgt的左侧向待熔覆表面输送物料，待熔覆表面垂直于纸面，物料是片状料或带状粉料，物料分布方向垂直于纸面；激光头jgt由n个光纤输出激光模块m-1、m-2、…、m-n和成像透镜l组成，其发出的光垂直照射待熔覆表面，n个光纤输出激光模块m-1、m-2、…、m-n的输出光纤的端面在垂直于纸面的方向上排成至少一排，当排列成多排时，各排光纤互相平行，呈条状分布；成像透镜l通常由多片透镜组成以满足成像质量的要求，在这里只画出一片透镜用于示意，其光轴位于纸面上，呈条状分布的光纤端面通过成像透镜l后成的像重叠在条状物料上；该光斑将物料烧结在带熔覆物体表面。

在图1b中增加一个送料装置，就衍生出本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的一种中心照射，双侧送料的宽带激光熔覆系统结构示意图。由于两者处理技术问题的方式相似，在此不专门列出。

在本实用新型的某一实施例中，为了提高条状光斑的均匀度，可以在激光头的光路中设置分光部件，分光部件至少包含一片分光元件。分光部件使成像光路在空间分离，在激光头的输出端输出多个空间分离的呈条状分布光纤端面的像，分离方向通常平行或垂直条状中光纤的排列方向，这些像组合后形成均匀的条形光斑。实现分光的元件有多种，可以偏振分光器件，也可以是空间波面分光器件，还可以是偏振分光器件和空间波面分光器件的组合。偏振分光器件有两种，一种是将o光(正常光)和e光(异常光)分束并产生相对位移的平行平板晶体位移片，如图2a所示，另一种是将o光(正常光)和e光(异常光)分束并产生相对角位移的晶体楔形片，如图2b所示。空间波面分光器件可以是产生光束相对偏转的空间排列的光楔，如图3a所示，也可以是产生光束相对偏转的空间排列的多个反射镜，如图3b所示。

在本实用新型的某一实施例中，光纤输出模块的输出光纤纤芯截面可以是圆形的，也可以是矩形的。输出光纤的芯大小可以相同，也可以不同。

在本实用新型的某一实施例中，诸光纤输出激光模块可以独立控制，各模块发光的相对持续时间可以是相同的，也可以是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率可以是相同的，也可以是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间可以是同步的，也可以是不同步的。这就形成光斑结构随时间变化的光斑结构，满足不同激光加工对光斑的要求。在本实用新型的某一实施例中，排列成一排的光纤端面对应的模块统一控制。

在本实用新型的某一实施例中，一种好的光斑构成方法是将分别位于两侧的两个激光头发出的条状光斑沿垂直于条形物料方向靠在一起，条状物料位于合成光斑中心，两个条状光斑相邻的部分区域的功率高于其它区域的功率，形成中心功率高两边功率低具有预热和缓降温功能的光斑。

在本实用新型的某一实施例中，一种好的光斑构成方法是将分别位于两侧的两个激光头发出的条状光斑在垂直于条形物料方向部分重叠，该重叠区域与条状物料重叠，这种光斑中心功率高，两边功率低，具有预热和缓降温功能。

实施例1：根据本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的技术方案，本实用新型的某一实施例中，我们设计了一个中心激光照射，单侧送料的激光宽带熔覆系统，结构如图1b所示。在该实施例中，我们设计的一种光斑结构如图4a所示，由3排光纤端面组成，其中边缘两排垂直排列方向上对齐，中间一排在垂直排列方向上错位二分之一个光纤间距，这种结构的光纤端面经成像透镜l成像在待熔覆表面上，稍微保持一个离焦量，就可以形成一个比较均匀的条状光斑。我们设计的另一种光斑结构如图4b所示，这是一个中心一个主光斑，旁边一边一个辅助光斑的结构，这种光斑可以在加工过程中对基体和物料的预热，还可以实现对烧结区域的缓冷。在某一优选实施例中，核心参数如下：激光模块输出光纤的芯径为105微米，包层直径为125微米；主光斑的三排光纤紧贴在一起排列，其中边缘两排垂直排列方向上对齐，中间一排在垂直排列方向上错位二分之一个光纤间距，每个模块的最大输出功率为150瓦；两个辅助光斑均由两排光纤组成，两排光纤之间在垂直排列方向上错位二分之一个光纤间距，每个模块的最大输出功率为50瓦；辅助光斑与主光斑的间距是250微米；主光斑中所有的激光模块统一控制，同步工作；各辅助光斑中的所有激光模块各自统一控制，各自同步工作。通过控制成像透镜参数，就可实现不同大小的加工光斑，该系统可以实时控制主光斑和辅助光斑的相对功率，实现加工参数的优化。

实施例2：根据本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的技术方案，本实用新型的某一实施例中，我们设计了一个中心送料，双侧激光照射的激光宽带熔覆系统，结构如图1a所示。在该系统中，每个激光头的光斑结构相同，每个激光头中光纤输出激光模块的输出光纤端面的排列方式如图5b所示。激光头采用图5a所示光路。在该光路中，偏振分光器件pbs2是一晶体楔形片，它将光纤端面形成o光和e光两个有一定角位移的像，像的间距由位移角和pbs2到物面的距离决定，其工作原理如图2b所示。分光镜为一光楔，占据光束截面一半的区域，在像面上形成两组有一定位移的像，这两组像之间的距离，由该光楔的偏转角和光楔到像面的距离决定，其工作原理如图3a所示。在该光路中，某个输出光纤端面上a点发出的光通过偏振分光器件pbs2后被分成正常光o光和异常光e光，这两束光相对角向位移，相当于形成了a’和a”两个像，在通过成像透镜后，被设置在光传输截面上且占有50％截面的bs1进一步在共轭像面i上形成4个像点ao1、ao2、ae1和ae2。显然，该系统将多个光纤输出模块的输出光纤的端面在像面上形成了4组相互横向错位的像，他们共同组成了像面上的光分布。

在某一优选实施例中，核心参数如下：光纤芯径105微米，包层125微米，图5b所示的两排光纤间距250微米，每排光纤中的光纤靠在一起。偏振分光镜pbs2将通过它的光在物面上形成31.25微米的位移，位移方向与光纤排列方向相同；通过成像透镜l1后，光束又被分光镜bs1分成两组，分光镜bs1占据光束截面一半的区域，在像面上形成两组有一定位移的像，位移量为62.5微米乘以成像系统的放大倍率，且位移方向与光纤端面排列方向相同，这就在共轭像面上形成了4组光纤端面的像，他们叠加后形成图5c所示的条形均匀光分布。

在该实施例中，我们将来自两个激光头的光斑在待熔覆表面上靠在一起排列，两者相邻的一排光纤的最大输出功率150瓦，这两排光纤对应的激光模块统一控制，同步工作，外层的两排光纤的最大输出功率为50瓦，每排单独控制。该组合光斑形成中心功率高，边缘功率低的结构，并且主光斑的功率和辅助光斑的功率可以实时控制，能适应各种熔覆加工要求。

实施例3：根据本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的技术方案，本实用新型的某一实施例中，我们设计了一个中心送料，双侧激光照射的激光宽带熔覆系统，结构如图1a所示。在该系统中，每个激光头的光斑结构相同，每个激光头中光纤输出激光模块的输出光纤端面的排列方式如图6a所示。激光头采用图5a类似光路，改造方法是：在图5a中，将成像透镜后的分光镜bs1去掉，将成像透镜前的光楔型偏振分束镜pbs2换成图2a所示的平行平板晶体位移片pbs1。在该实施例中，光纤芯为100x100微米的方形芯，光纤间距200微米，两排光纤间距200微米。偏振分光镜pbs1将通过它的光在物面上形成100微米的位移，位移方向与光纤排列方向相同；通过成像透镜l1后，形成两组有一定位移的像，位移量为100微米乘以成像系统的放大倍率，且位移方向与光纤端面排列方向相同，它们叠加后形成图6b所示的条形均匀光分布光斑。

在该实施例中，我们将来自两个激光头的光斑在待熔覆表面上靠在一起排列，两者相邻的一排光纤的最大输出功率150瓦，这两排光纤对应的激光模块统一控制，同步工作，外层的两排光纤的最大输出功率为50瓦，每排单独控制。该组合光斑形成中心功率高，边缘功率低的结构，并且主光斑的功率和辅助光斑的功率可以实时控制，能适应各种熔覆加工要求。

实施例4：根据本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽带熔覆系统的技术方案，本实用新型的某一实施例中，我们设计了一个中心送料，双侧激光照射的激光宽带熔覆系统，结构如图1a所示。在该系统中，每个激光头的光斑结构相同，每个激光头中光纤输出激光模块的输出光纤端面的排列方式如图7b所示。激光头采用图7a所示光路。在该光路中，成像透镜由准直透镜l-1和聚焦透镜l-2组成；偏振分光器件pbs1为图2a所示的平行平板晶体位移片，位于准直透镜前；反射分束镜rbs1和rbs2工作原理如图3b所示，使通过两者的反射光成一定夹角，设置在准直透镜和聚焦透镜之间。在该系统中，某个输出光纤端面上a点发出的光通过偏振分光器件pbs1后被分成正常光o光和异常光e光，相当于形成了a’和a”两个像，这两个像在垂直纸面的方向上分离；在通过准直透镜后，被设置在光传输截面上且各占有50％截面的具有一定夹角的反射镜rbs1和rbs2在空间分成两束有一定夹角的光，他们经过聚焦透镜后，在聚焦透镜后焦面i上形成4个像点ao1、ao2、ae1和ae2。反射镜rbs1和rbs2在平行于纸面方向上形成像的分离。显然，该系统的分光系统在两个垂直的方向分光，将多个光纤输出模块的输出光纤的端面在像面上形成了4组相互横向错位的像，他们共同组成了像面上的光分布。

在该实施例中，光纤芯为100x100微米的方形芯，光纤间距200微米，两排光纤间距200微米。偏振分光镜pbs1将通过它的光在物面上形成100微米的位移，位移方向与光纤排列方向垂直；分光镜rbs1和rbs2在物面上形成100微米的位移，位移方向与光纤排列方向平行它们叠加后形成图7c所示的条形均匀光分布光斑。

在该实施例中，我们将来自两个激光头的光斑在待熔覆表面上各一半光斑的宽度重叠在一起，两重叠在一起的光纤端面的最大输出功率150瓦，这两排光纤对应的激光模块统一控制，同步工作；不重叠区域的两排光纤的最大输出功率为100瓦，每排单独控制。该组合光斑形成中心功率高，边缘功率低的结构，并且主光斑的功率和辅助光斑的功率可以实时控制，能适应各种熔覆加工要求。

本实用新型提出的基于多个光纤输出激光模块的激光宽度熔覆系统，在技术上可以提供各种所需的光斑结构，并且这些光斑结构可以实时控制以满足各种激光熔覆加工工艺的要求，拓展了熔覆加工的能力，提高了加工质量。由于采用了小功率模块直接构建系统，具有结构简单、成本低优点。