本发明专利技术专利涉及先进激光增材制造领域，具体涉及一种激光焦点可调的超高速激光熔覆加工头。照激光入射方向，设有依次相连的光纤连接器、光纤水冷模块、准直镜模块、聚焦镜模块、保护镜模块、光轴调节模块、Z轴调节模块和环形送粉系统。光轴调节模块和保护镜模块，可实现激光焦点的微调和精密光学部件的保护。本发明专利技术可对激光焦点位置进行微调，实现粉末粒子与激光束的最佳耦合，可实现超高速率的激光熔覆加工，同时设计有镜片保护模块可有效避免加工时烟尘损害光学系统，并可实现污损保护镜片的快速更换。速更换。速更换。
【技术实现步骤摘要】
一种激光焦点可调的超高速激光熔覆加工头
[0001]本专利技术专利涉及先进激光增材制造领域，具体涉及一种激光焦点可调的超高速激光熔覆加工头。
技术介绍
[0002]超高速激光熔覆技术由德国弗朗霍夫学院于2017年提出，该技术加工时使激光和粉末聚焦于工件上方，使得激光能量大部分用于熔化粉末而少部分作用于基体。金属粉末在工件上方熔化，在重力作用下落在工件表面，因此可实现极高的加工速度，可达25
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200m/mim，同时粉末和基体发生充分的冶金结合，可实现2
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4％的极低稀释率。根据熔覆速度的不同，涂层的厚度在25
‑
400μm之间，且涂层表面光洁平整，后续经过磨削抛光后即可投入使用，极大的提高了制造效率具备广阔的应用前景。
[0003]影响超高速激光熔覆加工质量的因素之一便是粉末粒子与激光束的耦合情况。较好的耦合可使粉末充分熔化落于工件表面形成良好的涂层，而一旦粉末束与激光束产成了较大的偏差，极有可能导致粉末熔化不彻底，造成涂层形成夹杂、孔洞和裂纹等缺陷。因此如何调整激光焦点位置，达到与粉末束良好的耦合状态，成为提高熔覆质量的关键问题。除此之外，在加工过程中工件表面形成的大量的热与烟尘，极有可能对精密光学系统造成影响，如何在加工过程中对精密光学系统进行保护亦是关键。
技术实现思路
[0004]针对上述问题，本专利技术提供一种激光焦点可调的超高速激光熔覆加工头，所述超高速激光熔覆加工头，按照激光入射方向，设有依次相连的光纤连接器、光纤水冷模块、准直镜模块、聚焦镜模块、保护镜模块、光轴调节模块、Z轴调节模块和环形送粉系统。
[0005]光轴调节模块和保护镜模块，可实现激光焦点的微调和精密光学部件的保护。
[0006]进一步地，超高速激光熔覆加工头包括：
[0007]1.光纤连接器，用于连接光纤接口，具体为QBH接口；
[0008]2.光纤水冷模块，用于对光纤连接器进行水冷散热；
[0009]3.准直镜模块，用于将光纤输出的激光光斑放大，从而得到平行光路。准直镜模块由金属保护外壳和安装于外壳内部的光学镜片组成。光学镜片具体为凸透镜和凹透镜的组合，用于将点光源转换为平行光源。
[0010]4.聚焦镜模块，用于将准直镜模块输出的平行光路进行聚焦，将激光聚焦于一点，从而得到能量密度极高的点光源。聚焦镜模块由金属保护外壳和安装于外壳内部的光学镜片组成。光学镜片具体为凸透镜，用于将准直镜模块输出的平行光源转换为点光源。
[0011]5.保护镜模块，保护镜模块内部装有保护镜片，用于保护精密镜片免受加工时烟尘的影响，其中保护镜片为平面透光镜，安装于镜架上，其整体可抽出以便于对受污损保护镜片进行更换。
[0012]6.光轴调节模块，用于对聚焦镜模块聚焦的激光焦点沿XY轴方向进行微调，从而
保证两者的重合，光轴调节模块内部设计有可移动镜片架，凸透镜安装于可移动镜片架上，可随可移动镜片架的移动而调整激光焦点的位置。
[0013]7.Z轴调节模块，用于连接光路系统和环形送粉系统，并可沿Z轴方向调节环形送粉系统的送粉喷嘴位置，从而小范围调节粉末汇聚点与激光汇聚点的距离，更好的实现激光熔覆加工。光路系统所指的是，前文所述的光纤连接器、光纤水冷模块、准直镜模块、聚焦镜模块、保护镜模块和光轴调节模块的总称。这些模块对光纤输出的激光进行准直、聚焦、调节，统称为光路系统。
[0014]8.环形送粉系统，用于将金属粉末汇聚于一点，并施以保护性气体，并借助激光能量将粉末熔化附着工件表面；
[0015]9.固定安装板，用于将超高速激光熔覆加工头和数控机床进行连接。其中固定安装板一端借助圆柱头螺钉安装于准直镜模块的金属外壳上，另一端安装于数控机床对应孔位上。
[0016]其中保护镜模块为抽屉式设计，保护镜外框和镜架结构可分离和锁止，保护镜片安装于保护镜架上，并借助镜片夹片进行固定和夹紧，可根据实际情况进行清洁和更换。镜片夹片有两个，分别安装于保护镜架两侧所开槽内，一端借助螺钉固定，另一端伸入保护镜片安装孔。镜片夹片具有弹性，可从两侧对保护镜片进行夹紧固定。
[0017]所述的保护镜外框包括保护镜上框和保护镜底板，二者通过定位销和螺钉进行连接。镜架结构包括保护镜架和锁止机构，锁止机构借助锁止卡销卡住保护镜上框对应的孔位，达到锁止的目的。保护镜架在两侧开有锁止卡销安装孔，用于安装锁止卡销。锁止卡销有两个，安装于保护镜架相应的锁止卡销安装孔位中，并凸出一部分用于卡住相应孔位。锁止卡销按压时可沿轴向移动。弹簧安置于锁止卡销安装孔位中，一端与锁止卡销接触，另一端与固定的弹簧底盖接触，从而保证锁止卡销的顶起和按压后的回弹。
[0018]锁止拨片一端伸入锁止卡销安装孔中，与锁止卡销相连，可拨动锁止卡销沿轴线向下移动，锁止拨片另一端则由四根弹簧销穿过，借助弹簧销锁止拨片可实现垂直的运动。弹簧销与锁止机构底座相连，弹簧套于弹簧销上，弹簧置于锁止拨片和锁止底座之间，为锁止拨片的按压提供阻力和回弹。锁止按钮安置于锁止拨片和锁止机构上盖之间，可压动锁止拨片向下运动，锁止机构上盖开有相应孔位供锁止按钮穿过。
[0019]其中光轴调节模块，其特征在于，光轴调节模块包括光轴调节外壳、保护盖板、移动镜片架和移动限位装置。透光镜安装于移动镜片架中，调整时借助六角扳手旋转两颗微调螺钉，带动移动镜片架沿XY轴方向平行移动，即可完成对光束中心的调整。
[0020]所述的移动限位装置包括微调螺钉、滚珠、限位块、限位销和弹簧。其中，限位块为一端为L型结构，另一端为开有U型槽的圆形空心管，圆形空心管安置于光轴调节外壳相应的限位孔中，L型结构则与移动镜片架对应的槽位配合。限位块的圆形空心管中装有弹簧，弹簧与空心管同轴安装，弹簧一端与限位块接触，另一端与限位销接触。同时限位销卡住圆形空心管上的U型槽，使得限位块无法沿轴向转动。移动镜片架外表加工有四个相互垂直的端面，相对应的两端面分别开有方槽和凹槽。以垂直于X轴方向上的两端面为例，其中一端面开有方槽(下称方槽x，垂直于Y轴的端面槽同理)与沿X轴方向安置的限位块(下称限位块x，Y轴方向同理)的L型结构配合，另一端面开有凹槽(下称凹槽x，垂直于Y轴的端面槽同理)并安置有滚珠。沿X轴方向安置的微调螺钉(下称微调螺钉x，Y轴方向同理)安装于光轴调节
外壳侧壁上的螺纹孔中，螺钉一端开孔，可卡住滚珠。限位块x在弹簧的弹力作用下抵住移动镜片架，从而使镜片架另一端的滚珠压在凹槽和微调螺钉x之间。沿X轴方向调整移动镜片架位置时，转动微调螺钉x，螺钉伸出顶住滚珠推动镜片架沿X轴方向移动。此时在Y轴方向上，镜片架方槽y与限位块y之间产生沿X轴方向的滑移，限位块y则卡住镜片架使其无法沿Y轴方向移动。同时镜片架凹槽y与滚珠之间也产生滑动，滚珠的存在使得滑动变得顺滑。在二者的共同作用下，可保证在调节X轴位置时镜片架仅沿X轴方向运动，Y轴方向上的运动受到限制。同理，当沿Y轴方向调整移动镜片架位置时，X轴方向上的相同结构本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种激光焦点可调的超高速激光熔覆加工头，其特征在于，所述超高速激光熔覆加工头，按照激光入射方向，设有依次相连的光纤连接器、光纤水冷模块、准直镜模块、聚焦镜模块、保护镜模块、光轴调节模块、Z轴调节模块和环形送粉系统；光纤连接器，用于连接光纤接口；光纤水冷模块，用于对光纤连接器进行水冷散热；准直镜模块，用于将光纤输出的激光光斑放大，从而得到平行光路；准直镜模块由金属保护外壳和安装于外壳内部的光学镜片组成；光学镜片具体为凸透镜和凹透镜的组合，用于将点光源转换为平行光源；聚焦镜模块，用于将准直镜模块输出的平行光路进行聚焦，将激光聚焦于一点，从而得到能量密度极高的点光源；聚焦镜模块由金属保护外壳和安装于外壳内部的光学镜片组成；光学镜片具体为凸透镜，用于将准直镜模块输出的平行光源转换为点光源；保护镜模块，保护镜模块内部装有保护镜片，用于保护精密镜片免受加工时烟尘的影响，其中保护镜片为平面透光镜，安装于镜架上，其整体可抽出以便于对受污损保护镜片进行更换；光轴调节模块，用于对聚焦镜模块聚焦的激光焦点沿XY轴方向进行微调，从而保证两者的重合，光轴调节模块内部设计有可移动镜片架，凸透镜安装于可移动镜片架上，可随可移动镜片架的移动而调整激光焦点的位置；Z轴调节模块，用于连接光路系统和环形送粉系统，并可沿Z轴方向调节环形送粉系统的送粉喷嘴位置，从而小范围调节粉末汇聚点与激光汇聚点的距离，更好的实现激光熔覆加工；环形送粉系统，用于将金属粉末汇聚于一点，并施以保护性气体，并借助激光能量将粉末熔化附着工件表面；固定安装板，用于将超高速激光熔覆加工头和数控机床进行连接；其中固定安装板一端借助圆柱头螺钉安装于准直镜模块的金属外壳上，另一端安装于数控机床对应孔位上。2.如权利要求1所述的一种激光焦点可调的超高速激光熔覆加工头，其特征在于，光纤接口具体为QBH接口。3.如权利要求1所述的一种激光焦点可调的超高速激光熔覆加工头，其特征在于，保护镜模块为抽屉式设计，保护镜外框和镜架结构可分离和锁止，保护镜片安装于保护镜架上，并借助镜片夹片进行固定和夹紧，可根据实际情况进行清洁和更换；镜片夹片有两个，分别安装于保护镜架两侧所开槽内，一端借助螺钉固定，另一端伸入保护镜片安装孔；镜片夹片具有弹性，可从两侧对保护镜片进行夹紧固定；所述的保护镜外框包括保护镜上框和保护镜底板，二者通过定位销和螺钉进行连接；镜架结构包括保护镜架和锁止机构，锁止机构借助锁止卡销卡住保护镜上框对应的孔位，达到锁止的目的；保护镜架在两侧开有锁止卡销安装孔，用于安装锁止卡销；锁止卡销有两个，安装于保护镜架相应的锁止卡销安装孔位中，并凸出一部分用于卡住相应孔位；锁止卡销按压时可沿轴向移动；弹簧安置于锁止卡销安装孔位中，一端与锁止卡销接触，另一端与固定的弹簧底盖接触，从而保证锁止卡销的顶起和按压后的回弹；锁止拨片一端伸入锁止卡销安装孔中，与锁止卡销相连，可...
【专利技术属性】
技术研发人员：鲁金忠，卜星宇，徐祥，罗开玉，林福兵，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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