一种基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头

本发明涉及激光熔覆，尤其是一种基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头。

背景技术：

1、激光熔覆工艺中，输出光斑的能量分布形状对熔池温度均匀性、粉末熔化效率及熔覆层质量具有决定性影响，传统圆形光斑能量呈中心强边缘弱的高斯分布，易导致熔覆层中心过热、边缘熔合不良，而异形光斑（如矩形、长条形、环形等）能提供更均匀的线状或面状能量分布，有效改善搭接质量，抑制裂纹和气孔生成。

2、现有获得异形光斑的手段主要为离线更换衍射光学元件或异形光阑，该方法存在显著缺陷：第一，更换元件需中断加工并拆装校准，操作繁琐，严重制约生产效率；第二，单个元件仅对应单一形状，无法满足复杂工艺对多种异形光斑快速、灵活切换的需求；第三，当应用于多光束并行加工时，现有方案难以同步对各子光束进行独立整形和在线切换，结构兼容性差。

3、因此，现需一种能够在不停机、不更换元件的情况下，在线快速同步切换多种异形光斑，且适配多光束架构的激光熔覆头。

技术实现思路

1、因此，本发明所要解决的技术问题在于：现有技术中异形光斑切换需离线更换元件、效率低、种类少且难以满足多光束同步在线整形的问题。

2、上述技术问题通过如下技术方案进行解决：本发明提出一种基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其包括分光模块，将单束入射激光分束为多束子光束；

3、激光整形模块，包括沿光路依次设置的准直单元、旋转分级整形单元和第二聚焦单元；

4、所述旋转分级整形单元包括至少两层同轴且各自独立旋转的整形盘，每层整形盘沿圆周间隔开设多组孔位，每组孔位设有至少一个通孔，所述通孔为异形孔或通光孔，且通光孔的孔径大于异形孔的外接圆直径；

5、通过独立旋转各层整形盘，使任一层上的目标异形孔组对准对应子光束、其余层对应位置的通光孔组对准该子光束，仅工作层异形孔对子光束实施整形调制，在线切换输出不同形状的异形激光。

6、在本发明所述基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头的一种优选实施方式中：所述分光模块包括中心分光棱镜，设置于入射光轴上，将单束入射激光分为两束对称的水平激光；两个反射棱镜，对称设置于所述中心分光棱镜两侧，将两束水平激光分别反射为两束平行的垂直激光；两个分光棱镜，分别设置于两个反射棱镜下方，将两束垂直激光各自分束，以形成四束彼此平行且呈2×2阵列分布的子光束。

7、在本发明所述基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头的一种优选实施方式中：所述中心分光棱镜为等腰直角三棱镜，其直角面朝向入射激光，两个斜面分别朝向两侧的反射棱镜；

8、所述两个反射棱镜均为等腰直角三棱镜，其斜面分别朝向中心分光棱镜的两斜面，直角面朝向下方的分光棱镜。

9、在本发明所述基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头的一种优选实施方式中：所述旋转分级整形单元包括三层同轴设置且各自可独立旋转的整形盘，分别为第一整形盘、第二整形盘和第三整形盘，各层整形盘上分布的异形孔种类各不相同。

10、在本发明所述基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头的一种优选实施方式中：每层整形盘上的多组孔位沿同一半径的圆周以等圆心角均匀间隔分布，相邻组孔位的圆心角间隔为45°，全盘共设8组孔位。

11、在本发明所述基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头的一种优选实施方式中：所述子光束分为左右两组，第一组子光束对应整形盘上第一角度方向的孔位组，第二组子光束对应与所述第一角度方向相差180°的第二角度方向的孔位组；每组孔位包含两个沿径向同轴排列的通孔，分别对应一组两束子光束的光轴位置。

12、在本发明所述基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头的一种优选实施方式中：所述通光孔的孔径d2与所述异形孔的外接圆直径d1满足d2≥1.5×d1。

13、在本发明所述基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头的一种优选实施方式中：还包括控制系统，所述控制系统包括三套独立驱动机构和运动控制器，三套独立驱动机构分别与所述第一整形盘、第二整形盘和第三整形盘一一对应传动连接；

14、所述运动控制器在同一控制周期内向三套驱动机构同步下发切换指令，驱动三层整形盘按同步运动曲线转动；仅当三层整形盘同时到达目标角度且位置偏差均小于预设阈值时，触发状态切换。

15、在本发明所述基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头的一种优选实施方式中：所述异形孔的形状包括三角形、正方形、菱形、六边形、椭圆形、长条形或环形中的至少一种。

16、在本发明所述基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头的一种优选实施方式中：所述分光模块还包括分别设置于两个分光棱镜下方的第一聚焦单元，用于将分束后的子光束聚焦输出；所述准直单元包括两个准直镜，分别对应接收左右两组子光束；所述第二聚焦单元包括两个聚焦镜，分别将经整形的两组异形激光聚焦至加工面。

17、本发明的有益效果在于：通过棱镜组合实现均匀分束，光路稳定，利用多层独立旋转整形盘及大孔径通光孔的排他性让位机制，结合协同控制系统，实现了不停机在线快速同步切换多种异形光斑，该设计有效消除遮挡与衍射，保证光斑纯净，在提升效率的同时优化熔覆层质量，抑制气孔裂纹。

1.一种基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其特征在于：包括，

2.根据权利要求1所述的基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其特征在于：所述分光模块（1）包括中心分光棱镜（11），设置于入射光轴上，将单束入射激光分为两束对称的水平激光；两个反射棱镜（12），对称设置于所述中心分光棱镜（11）两侧，将两束水平激光分别反射为两束平行的垂直激光；两个分光棱镜（13），分别设置于两个反射棱镜（12）下方，将两束垂直激光各自分束，以形成四束彼此平行且呈2×2阵列分布的子光束。

3.根据权利要求2所述的基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其特征在于：所述中心分光棱镜（11）为等腰直角三棱镜，其直角面朝向入射激光，两个斜面分别朝向两侧的反射棱镜（12）；

4.根据权利要求1所述的基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其特征在于：所述旋转分级整形单元（22）包括三层同轴设置且各自可独立旋转的整形盘（221），分别为第一整形盘（2211）、第二整形盘（2212）和第三整形盘（2213），各层整形盘（221）上分布的异形孔（2221）种类各不相同。

5.根据权利要求1所述的基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其特征在于：每层整形盘（221）上的多组孔位沿同一半径的圆周以等圆心角均匀间隔分布，相邻组孔位的圆心角间隔为45°，全盘共设8组孔位。

6.根据权利要求1所述的基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其特征在于：所述子光束分为左右两组，第一组子光束对应整形盘（221）上第一角度方向的孔位组，第二组子光束对应与所述第一角度方向相差180°的第二角度方向的孔位组；每组孔位包含两个沿径向同轴排列的通孔（222），分别对应一组两束子光束的光轴位置。

7.根据权利要求1所述的基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其特征在于：所述通光孔（2222）的孔径d2与所述异形孔（2221）的外接圆直径d1满足d2≥1.5×d1。

8.根据权利要求4所述的基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其特征在于：还包括控制系统（3），所述控制系统（3）包括三套独立驱动机构（31）和运动控制器（32），三套独立驱动机构（31）分别与所述第一整形盘（2211）、第二整形盘（2212）和第三整形盘（2213）一一对应传动连接；

9.根据权利要求1所述的基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其特征在于：所述异形孔（2221）的形状包括三角形、正方形、菱形、六边形、椭圆形、长条形或环形中的至少一种。

10.根据权利要求2所述的基于分级整形盘的多光束异形激光熔覆头，其特征在于：所述分光模块（1）还包括分别设置于两个分光棱镜（13）下方的第一聚焦单元（14），用于将分束后的子光束聚焦输出；所述准直单元（21）包括两个准直镜（211），分别对应接收左右两组子光束；所述第二聚焦单元（23）包括两个聚焦镜（231），分别将经整形的两组异形激光聚焦至加工面。