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半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置

阅读：64发布：2021-02-12

IPRDB可以提供半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，包括二维Bar条阵列，以及二维Bar条阵列输出的激光光路上依次设置的由微透镜阵列、第一光束间隔压缩整形器、第二光束间隔压缩整形器、聚焦柱透镜、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；所述打印控制平台位于条形同轴送粉喷嘴下方；所述第二光束间隔压缩整形器上安装有光束指示器。应用本发明的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，结合半导体激光器的输出特点，通过二次整形的方法将其直接整形成可直接应用于激光熔覆和激光热处理的条形光斑的激光输出，配合条形同轴送粉喷嘴，实现了高速线扫描激光熔覆，极大地提高了激光熔覆效率。，下面是半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，其特征在于，包括由m×n个Bar条组成的二维Bar条阵列，以及二维Bar条阵列输出的激光光路上依次设置的由m×n个微透镜组成的微透镜阵列、第一光束间隔压缩整形器、第二光束间隔压缩整形器、聚焦柱透镜、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；所述打印控制平台位于条形同轴送粉喷嘴下方；由二维Bar条阵列输出的激光阵列先经过微透镜阵列进行准直形成m×n个准直激光束，再经第一光束间隔压缩整形器和第二光束间隔压缩整形器对光束间的暗区依次进行行方向和列方向消除得到矩形光斑，然后经聚焦柱透镜得到条形光斑；最后经所述条形同轴送粉喷嘴的激光输出端口输出；所述第二光束间隔压缩整形器上安装有光束指示器。

2.如权利要求1所述的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，其特征在于，所述微透镜阵列由多个微透镜组成。

3.如权利要求1所述的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，其特征在于，所述第一光束间隔压缩整形器位于二维半导体激光器阵列1的下方，为一包括有m个45°条形反射面的阶梯反射镜，该m个45°条形反射面与激光束阵列的m行相对应；两个相邻反射镜之间的平面与接收到的激光行进方向相垂直，且反射镜阶梯的棱与激光器的列方向一致；所述45°条形反射面在水平方向上的宽度等于激光光斑列方向上的宽度，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两列光斑之间的暗区宽度。

4.如权利要求1所述的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，其特征在于，所述第二光束间隔压缩整形器4为一包括有n个45°条形反射面的阶梯反射镜，该n个45°条形反射面与激光束阵列的n列相对应；两个相邻反射镜之间的平面与接收到的激光行进方向相垂直，且反射镜阶梯的棱与第一光束间隔压缩整形器的阶梯的棱相垂直；所述45°条形反射面在水平方向上的宽度等于激光光斑直径，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两列光斑之间的暗区高度。

5.如权利要求1所述的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，其特征在于，所述聚焦柱透镜采用圆柱透镜、准圆柱透镜、非球面柱透镜或梯度折射率柱透镜。

6.如权利要求1所述的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，其特征在于，所述条形同轴送粉喷嘴包括连接支架、两个单侧喷嘴、两个转轴连接器和喷嘴倾角调节装置；所述连接支架用于连接激光器的出光口，所述两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架通过一所述转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过所述喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动；所述两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设有外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道四个空腔；所述外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道均为上大下小的倒梯形柱结构；所述外保护气体通道的排气端为条形喷气出口，所述喷粉通道的出粉端设有条形多孔喷粉板。

7.如权利要求6所述的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，其特征在于，所述连接支架包括连接件、两块横向挡板、两块纵向挡板和内保护气体入口；所述两块横向挡板的上半部分和两块纵向挡板围成一激光通道；连接件为一中心开有矩形孔的矩形板，连接件固定在上述激光通道端口，且该端口上覆有激光覆口镜；所述两块纵向挡板的下端分别通过转轴连接器与两个单侧喷嘴的顶端铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过一所述喷嘴倾角调节装置与挡板连接，其中一块纵向挡板上靠近连接件的一端设有一内保护气体入口。

8.如权利要求6所述的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，其特征在于，在所述喷粉通道靠近外保护气体通道一侧上设置多个混粉碰撞柱。

9.如权利要求8所述的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，其特征在于，所述每个入粉口下对应设置6个呈1、2、3排列的混粉碰撞柱。

10.如权利要求6所述的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，其特征在于，所述条形多孔喷粉板上有多个喷粉孔，每个喷粉孔为锥角小于5°的锥状。

说明书全文

半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置

技术领域

[0001] 本发明涉及激光光束整形装置，特别是一种半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，用于将二维Bar条阵列出射的激光进行重新整形成适合于激光熔覆、热处理等应用的线状光斑的均匀激光输出。

背景技术

[0002] 在激光熔覆及材料表面热处理方面，为了提高加工效率，在激光功率密度满足的情况下，常常需要将圆形光斑转换成条形光斑，半导体激光器在这方面有着天然的优势，可以在光束整形过程中直接将阵列半导体激光器整形成条形光斑输出，将其用于激光熔覆、金属材料的表面硬化处理、表面合金化处理等工业加工，具有高效、节能、低成本等优势。

[0003] 目前半导体激光器阵列整形技术主要集中在如何将半导体耦合进光纤或者输出成圆形光斑，一方面技术难度较大，难以实现超大功率，另一方面激光熔覆或激光表面热处理所使用激光器件主要有各类固体激光器、气体激光器及光纤激光器等，这些器件也受到光斑形状和功率的限制，往往加工效率低下，如果能将二维半导体激光器阵列直接整形成激光熔覆及激光热处理使用的条形激光输出，可大幅提升激光加工速度，而且因其优秀的性能价格比及低廉的运营、维护成本，具有广阔的市场前景。

[0004] 通过将大功率阵列半导体激光器整形为条形光斑输出，可以获得比传统其他类型工业激光器更大的加工光斑，而其功率转换效率要比传统工业激光器高很多，使其具有更经济的运营成本；从激光加工功率密度上来说，条形输出完全可以满足激光熔覆所需的激光亮度(或者称单位面积的激光功率)，又因为条形光斑远大于传统的圆形光斑尺寸，使得采用大功率阵列半导体激光器条形输出为激光光源的熔覆设备具有更快的加工速度与效率，更适合于大型设备的激光熔覆。

[0005] 因此，设计一种输出条形光斑，对于提供激光熔覆效率与速度、降低激光熔覆运营成本、扩大激光熔覆的加工范围和提高熔覆质量，满足激光熔覆三维立体制造技术的发展需要，具有重要的现实意义和实际应用价值。

发明内容

[0006] 针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置。

[0007] 为了达到上述技术效果，本发明采用如下的技术解决方案：

[0008] 一种半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，包括由m×n个Bar条组成的二维Bar条阵列，以及二维Bar条阵列输出的激光光路上依次设置的由m ×n个微透镜组成的微透镜阵列、第一光束间隔压缩整形器、第二光束间隔压缩整形器、聚焦柱透镜、条形同轴送粉喷嘴和打印控制平台；所述打印控制平台位于条形同轴送粉喷嘴下方；由二维Bar条阵列输出的激光阵列先经过微透镜阵列进行准直形成m×n个准直激光束，再经第一光束间隔压缩整形器和第二光束间隔压缩整形器对光束间的暗区依次进行行方向和列方向消除得到矩形光斑，然后经聚焦柱透镜得到条形光斑；最后经所述条形同轴送粉喷嘴的激光输出端口输出；所述第二光束间隔压缩整形器上安装有光束指示器。

[0009] 进一步的，所述微透镜阵列由多个微透镜组成。

[0010] 进一步的，所述第一光束间隔压缩整形器位于二维半导体激光器阵列1的下方，为一包括有m个45°条形反射面的阶梯反射镜，该m个45°条形反射面与激光束阵列的m行相对应；两个相邻反射镜之间的平面与接收到的激光行进方向相垂直，且反射镜阶梯的棱与激光器的列方向一致；所述45°条形反射面在水平方向上的宽度等于激光光斑列方向上的宽度，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两列光斑之间的暗区宽度。

[0011] 进一步的，所述第二光束间隔压缩整形器4为一包括有n个45°条形反射面的阶梯反射镜，该n个45°条形反射面与激光束阵列的n列相对应；两个相邻反射镜之间的平面与接收到的激光行进方向相垂直，且反射镜阶梯的棱与第一光束间隔压缩整形器的阶梯的棱相垂直；所述45°条形反射面在水平方向上的宽度等于激光光斑直径，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两列光斑之间的暗区高度。

[0012] 进一步的，所述聚焦柱透镜采用圆柱透镜、准圆柱透镜、非球面柱透镜或梯度折射率柱透镜。

[0013] 进一步的，所述条形同轴送粉喷嘴包括连接支架、两个单侧喷嘴、两个转轴连接器和喷嘴倾角调节装置；所述连接支架用于连接激光器的出光口，所述两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架通过一所述转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过所述喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动；所述两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设有外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道四个空腔；
所述外侧冷却水道、外保护气体通道、喷粉通道和内侧冷却水道均为上大下小的倒梯形柱结构；所述外保护气体通道的排气端为条形喷气出口，所述喷粉通道的出粉端设有条形多孔喷粉板。

[0014] 进一步的，所述连接支架包括连接件、两块横向挡板、两块纵向挡板和内保护气体入口；所述两块横向挡板的上半部分和两块纵向挡板围成一激光通道；连接件为一中心开有矩形孔的矩形板，连接件固定在上述激光通道端口，且该端口上覆有激光覆口镜；所述两块纵向挡板的下端分别通过转轴连接器与两个单侧喷嘴的顶端铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过一所述喷嘴倾角调节装置与挡板连接，其中一块纵向挡板上靠近连接件的一端设有一内保护气体入口。

[0015] 进一步的，在所述喷粉通道靠近外保护气体通道一侧上设置多个混粉碰撞柱。

[0016] 进一步的，所述每个入粉口下对应设置6个呈1、2、3排列的混粉碰撞柱。

[0017] 进一步的，所述条形多孔喷粉板上有多个喷粉孔，每个喷粉孔为锥角小于 5°的锥状。

[0018] 本发明的有益效果如下：

[0019] 应用本发明的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，结合半导体激光器的输出特点，通过二次整形的方法将其直接整形成可直接应用于激光熔覆和激光热处理的条形光斑的激光输出，配合条形同轴送粉喷嘴，实现了高速线扫描激光熔覆，极大地提高了激光熔覆效率。同时，有效降低了设备投入、节约了运营成本和维护成本。

附图说明

[0020] 图1为本发明的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置原理图。

[0021] 图2为本发明的光斑分布演化图。

[0022] 图3为光束整形器结构示意图。

[0023] 图4为条形同轴送粉喷嘴的结构示意图。

[0024] 图5为条形同轴送粉喷嘴的内部结构示意图。

[0025] 图6为单侧喷嘴内的结构示意图。

[0026] 图7为单侧喷嘴顶部各入口的结构示意图。

[0027] 图8为喷粉通道内混粉柱的结构示意图。

[0028] 图9为条形同轴送粉喷嘴底部的结构示意图。

[0029] 图10为喷粉孔的分布示意图。

[0030] 图11为喷粉孔的形状示意图，其中，a、圆形立体图，b、圆形俯视图，[0031] c、椭圆形俯视图，d、方形立体图，e、方形俯视图，f、矩形俯视图。

[0032] 图12为送粉流程图。

[0033] 图13为喷嘴倾角调节装置的结构示意图。

[0034] 图14为不同熔覆角度的喷粉指示调节参考示意图。

具体实施方式

[0035] 如图1所示，本发明的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，包括由 m×n(即m行n列)个Bar条组成的二维Bar条阵列1，以及二维Bar条阵列1 输出的激光光路上依次设置的由m×n个微透镜组成的微透镜阵列2、第一光束间隔压缩整形器3、第二光束间隔压缩整形器4、聚焦柱透镜5、条形同轴送粉喷嘴6和打印控制平台7；打印控制平台7位于条形同轴送粉喷嘴6下方；由二维Bar条阵列1输出的激光阵列先经过微透镜阵列2进行准直形成m×n个准直激光束，再经第一光束间隔压缩整形器3和第二光束间隔压缩整形器4对光束间的暗区依次进行行方向和列方向消除得到矩形光斑，然后经聚焦柱透镜5 得到条形光斑；最后经条形同轴送粉喷嘴6的激光输出端口输出；第二光束间隔压缩整形器4上安装有光束指示器8。

[0036] 如图2所示，为本发明的激光光斑变化图，由二维Bar条阵列1输出的光斑经微透镜阵列8整形后形状如图2(A)所示，为m×n个分立的光斑阵列，如果每个分立的光斑尺寸为a×b，经由第一光束整形器9整形后的光斑形状如图 2(B)所示，为n个线状排列的等间隔光斑，每个光斑尺寸为高m×a，宽b，经由第二光束整形器10整形后的光斑形状如图2(C)标示，为矩形光斑，光斑尺寸高m×a，宽n×b，矩形光斑经由聚焦柱透镜12后光斑形状如图2(D)标示，为条状光斑，光斑尺寸高m×a，宽a，也即相当于m个光斑尺寸为a的光斑线状组合。

[0037] 本发明的上述方案，结合二维Bar条阵列的输出特点，通过二次整形的方法将其直接整形成可直接应用于激光熔覆和激光热处理的条形光斑的激光输出，配合可调试的条形同轴送粉喷嘴，能够实现高速线扫描激光熔覆，解决了现有的3D打印机只能逐点打印的低效率问题，极大地提高激光熔覆效率、降低设备投入、节约运营成本和维护成本。

[0038] 以下详细介绍本发明的每个功能部件的具体结构设计。

[0039] 一、二维Bar条阵列

[0040] 二维Bar条阵列1由m×n(m行n列)个Bar条组成。其制作具体需求需要进行设计与计算。对于激光熔覆来说，需要确定的参数有加工速度，也即单位时间熔覆的面积，设光斑长度为L、光斑宽度为c，光斑移动速度为v，熔覆所需能量密度为e，单个Bar条输出功率为pb，单个Bar条形成的光斑为高a宽 b，总输出功率为P，输出效率为η，则：

[0041]

[0042] 该二维Bar条阵列1，经过整形、汇聚形成列方向的条形光斑，则有[0043]

[0044] 式中，p为单个Bar条沿条形光斑方向上单位长度的输出功率，p＝pb/a。

[0045] 二、微透镜阵列

[0046] 微透镜阵列2由多个微透镜组成。优选的，为了减少能量损失，微透镜阵列2中的微透镜采用平凸结构，双面镀高损伤阈值的增透膜，每个微透镜与一个Bar条对应，置于Bar条的输出方向，微透镜的平面朝向Bar条激光输出方向。优选的，微透镜优选平凸结构非球面透镜，双面镀高损伤阈值的976nm增透膜，透镜采用K9玻璃，微透镜直径为1mm，焦距取30cm。

[0047] 三、第一光束间隔压缩整形器、第二光束间隔压缩整形器、聚焦柱透镜[0048] 由于Bar条之间需要热忱降温，故而各Bar条所形成的激光之间有一定的间隔(暗区)，既影响功率密度也影响光束质量，需要在纵、横两个方向将暗区消除，两次整形的方式和原理都相同，所不同的在于两个整形器的尺寸。

[0049] 具体的，如图3所示，第一光束间隔压缩整形器3位于二维半导体激光器阵列1的下方，为一包括有m个45°条形反射面的阶梯反射镜，该m个45°条形反射面与激光束阵列的m行相对应；两个相邻反射镜之间的平面与接收到的激光行进方向相垂直，且反射镜阶梯的棱与激光器的列方向一致；45°条形反射面在水平方向上的宽度z1等于激光光斑列方向上的宽度a(参见图2(A))，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两列光斑之间的暗区宽度p。

[0050] 第二光束间隔压缩整形器4为一包括有n个45°条形反射面的阶梯反射镜，该n个45°条形反射面与激光束阵列的n列相对应；两个相邻反射镜之间的平面与接收到的激光行进方向相垂直，且反射镜阶梯的棱与第一光束间隔压缩整形器3的阶梯的棱相垂直；45°条形反射面在水平方向上的宽度z2等于激光光斑行方向宽度b，相邻的45°条形反射面之间的水平间隔等于两列光斑之间的暗区宽度q。

[0051] 上述行方向和列方向均为激光器阵列的行方向和列方向。

[0052] 优选的，为提高反射效率，需在45°条形反射面上镀对应激光波长的高损伤阈值的全反射膜。

[0053] 四、光束指示器

[0054] 光束指示器8采用2个对称安装在第二光束间隔压缩整形器4的上表面边缘两侧的可见光半导体激光器。用于通过垂直下射的两条激光指示二维Bar条阵列1打在打印控制平台7上的光斑边界，即以可见光形式指示激光光束轮廓。优选的，采用650nm半导体激光器。

[0055] 五、聚焦柱透镜

[0056] 聚焦柱透镜5可选圆柱透镜、准圆柱透镜、非球面柱透镜、梯度折射率柱透镜等，为了减小反射损耗，宜采用平凸结构，且应在聚焦柱透镜两面镀高损伤阈值的增透膜，聚焦柱透镜5长度略大于除暗区后激光矩形形光斑长度，宽度略大于去除暗区后的矩形光束宽度，焦距长度依据加工条件而定，材料可选用K9或石英玻璃材料。

[0057] 六、条形同轴送粉喷嘴

[0058] 如图4所示，同轴送粉喷嘴6包括连接支架、两个单侧喷嘴、两个转轴连接器和喷嘴倾角调节装置；其中，连接支架用于连接激光器的出光口，两个单侧喷嘴对称安装在连接支架两侧，每个单侧喷嘴的顶端与连接支架通过一转轴连接器相铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器为轴转动；每个单侧喷嘴的下半部分通过喷嘴倾角调节装置与连接支架相连，单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器为轴转动，实现单侧喷嘴相对于半导体激光器的位置在一定范围进行调整；两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形(参见图 9)；单侧喷嘴包括喷嘴外壳，喷嘴外壳内由外向里依次设有外侧冷却水道6- 6、外保护气体通道6-7、喷粉通道6-8和内侧冷却水道6-9四个空腔；为保证喷粉的汇聚性，外侧冷却水道6-6、外保护气体通道6-7、喷粉通道6-8和内侧冷却水道6-9均为上大下小的倒梯形柱结构；外保护气体通道6-7的排气端为条形喷气出口6-7-2，喷粉通道6-8的出粉端设有条形多孔喷粉板。

[0059] 上述技术方案中，两个单侧喷嘴的下端围成的激光输出口为条形，且单侧喷嘴的外保护气体通道6-7的排气端为条形喷气出口6-7-2，喷粉通道6-8的出粉端设有条形多孔喷粉板，因此该同轴送粉喷嘴6能够适用于产生条形光斑的半导体激光器；同时，通过单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下，以转轴连接器为轴转动，能够实现单侧喷嘴相对位置在一定范围进行调整，从而能够适应不同功率及不同喷粉方向需求。以下详细介绍条形同轴喷嘴6的每个功能部件的具体结构设计。

[0060] 1、连接支架

[0061] 如图5所示，连接支架包括连接件6-1、两块横向挡板6-2、两块纵向挡板 6-3和内保护气体入口6-4；其中，两块横向挡板6-2的上半部分和两块纵向挡板6-3围成一激光通道；可选的，连接件6-1为一矩形金属板，其中心开有矩形孔；矩形孔的大小与半导体激光器出光口相匹配，连接件6-1固定在上述激光通道端口，且该端口上覆有激光覆口镜6-16；连接件6-1用于将喷嘴固定在半导体激光器出光口上，以保证喷嘴与阵列半导体激光器出光口相对位置固定；固定后激光器出光口处于连接件6-1的中心位置，且与激光通道的走向匹配。可选的，在连接件6-1与半导体激光器出光口连接处加入一圈气密性材料(如橡胶垫、玻璃胶等)，以保证其气密性，避免内侧保护气从连接件6-1处漏出。

[0062] 两块纵向挡板6-3的下端分别通过转轴连接器6-5与两个单侧喷嘴的顶端铰接，单侧喷嘴能够以转轴连接器6-5为轴转动；转轴连接器6-5加工时须保证气密性；每个单侧喷嘴的下半部分通过一喷嘴倾角调节装置与挡板6-2连接。单侧喷嘴在喷嘴倾角调节装置的调节作用下以转轴连接器6-5为轴转动，实现单侧喷嘴相对于半导体激光器的位置在一定范围进行调整。

[0063] 其中一块纵向挡板6-3上靠近连接件6-1的一端设有一内保护气体入口6- 4，用于注入内保护气体。内保护气通道的作用：①使得喷嘴喷出的粉末在熔覆区形成均匀的“粉末帘”，较好的提高了粉末均匀性，熔覆粉末在载气及保护气体作用下，可实现均匀分布及良好的粉末聚焦功能，②内保护气通入后，在连接支架的矩形通道中扩散并沿矩形通道流动直至从内保护气体出口流出，在喷嘴中心形成与激光束方向一致的内保护气帘，使激光覆口镜免受热气和溅射的污染，有效提高的激光覆口镜寿命，同时可提高喷粉均匀度。可选的，内保护气体入口6-4为圆形，直径6～8mm；内保护气体出口长度与喷粉长度、激光束长度匹配，宽度与两个单侧喷嘴调节角度有关联。保护气体采用氦气、氩气或氮气。

[0064] 2、单侧喷嘴

[0065] 如图5、图6、图7所示，单侧喷嘴的功能包括水冷部分、气体保护部分和喷粉部分。

[0066] 水冷部分：在熔烧过程中，喷嘴底部与熔池的距离很小，喷嘴要承受来自反射的激光以及熔池所带来的很高的热辐射，因此喷嘴在结构上必须设置有效的水冷装置。为提高冷却效果，两个单侧喷嘴上都设置了内侧冷却水通道6-9 和外侧冷却水通道6-6，双侧水冷可使喷嘴长时间连续工作，提高喷嘴利用率。外侧冷却水道6-6的顶端两侧分别设有外侧冷却水入水口6-6-1和外侧冷却水出水口6-6-2；内侧冷却水道6-9的顶端两侧分别设有内侧冷却水入水口9-1和内侧冷却水出水口6-9-2。内侧冷却水通道6-9和外侧冷却水通道6-6分别从内、外两侧直接冷却喷嘴，均采用循环水冷方式，通过冷却水带走长时间加工而蓄积在喷嘴上的热量。为了提高水冷效率，采用入水口管伸出较长，也即冷却水入水口6-
6-1，6-9-1在冷却水通道内延伸到接近底部位置，出水口在冷却水通道内刚好凸出或不凸出即可。当然，也可采用效率更高的蛇形或S型水道，但加工难度较大。

[0067] 气体保护部分：外保护气体通道6-7为上大下小的倒梯形柱结构，其进气端设置一个外保护气体入气口6-7-1；其排气端为条形喷气出口6-7-2。外保护气通道6-7的作用：①用于形成保护气帘，增加粉末的汇聚性，使其处于高压气帘内保持良好的方向性和汇聚性，提高粉末利用率和覆层质量，延长喷嘴寿命，②防止粉末飞溅对喷嘴的影响，保证喷嘴的喷粉孔不发生堵塞，③防止氧化，提高覆层质量；内侧保护气形成保护气帘，可提高激光覆口镜的寿命，免受热气和溅射的污染，同时可提高喷粉均匀度；

[0068] 上述方案中，内、外保护气体入气口均采用单入口设计。可选的，如果激光束长度较长(大于40mm)，则考虑采用双入口或三入口，(如果多入口，在通道上端依次等距布置)以保证条形喷气口所喷气体的均匀性。保护气体采用氦气、氩气或氮气。

[0069] 喷粉部分：为保证喷粉均匀性，喷粉通道6-8的设计需要从入粉、混粉和喷粉方面考虑。首先，喷粉通道6-8的入口设置k(k≥2)个入粉口6-8-1，入粉口的数量主要由喷嘴长度决定，喷嘴越长，入粉口数量也越多，根据实验数据，相邻入粉口6-8-1距离不大于15mm，通常不会影响喷粉均匀性；其次，在喷粉通道6-8靠近外保护气体通道6-7一侧上设置多个凸起的圆柱，即混粉碰撞柱6-8-2，其排列如图6、8所示，其直径约2mm，高度以不触及靠近内侧冷却水道6-9一侧的隔板为原则，其作用是通过高速粉末与混粉碰撞柱6-8-2多次碰撞，进一步提高喷粉均匀度；优选的，混粉碰撞柱6-8-2共3排，如图8所示，每个入粉口下对应设置6个呈1、2、3排列的碰撞柱6-8-2。混粉碰撞柱6-8-2 的设计属于条形同轴送粉喷嘴的独特设计，其作用就是提高喷粉均匀性，即在入粉口6-8-1较少情况下亦可获得较均匀的喷粉输出，这一设计对于较长激光 (特别是长度大于30mm的条形激光)输出光束情况下特别有效。无混粉碰撞柱所带来的弊端是与每个入粉口垂直位置的喷粉密度较大，两个入粉口之间对应位置喷粉密度较小，易形成喷粉波浪形分布。

[0070] 如图9所示，单侧喷嘴的出粉端(即喷粉通道6-8的出粉端)设有条形多孔喷粉板，该条形多孔喷粉板上均匀设置有多个喷粉孔6-8-3；喷粉孔6-8-3的结构设计对喷粉均匀性有着很大的影响。为了提高喷粉行程、喷粉均匀性和粉末利用率，每一个喷粉孔6-8-3为锥角在5°以内锥状。实际上，喷粉孔最佳锥角Φ的设计除了与喷粉孔径D与喷粉行程L(喷粉孔与加工件距离)有关外，还与载气流速、粉末类型、混粉量等因素有关，严格计算过于复杂，根据实验拟合的在常规情况下(也即不考虑载气流速、粉末类型、混粉量等因素变化的情况下)得到的如下经验公式：

[0071] sinΦ≈2D/L

[0072] 如果喷粉孔6-8-3直径1.5mm，喷粉行程40mm，则得到最佳锥角为 4.3°；可选的，如图11所示，锥角5°以内，喷粉孔6-8-3的横截面采用如下几种形式：图11(a)和图11(b)所示的圆形，图11(c)所示的椭圆形，图11(d) 和图11(e)所示的方形，图11(f)所示的矩形。其中以圆形加工最为方便，以圆形为例，直径为0.5mm-3mm。可选的，条形多孔喷粉板单独加工，如图10所示，将其嵌入到喷嘴的出粉口位置，独立设计的目的是能够根据需要更换不同的出粉口。

[0073] 喷粉过程如图12所示，由送粉器输出的粉末经一条送粉管达到分料阀，通过分料阀(采用市场销售的2k路分料阀)将粉末均匀地分成2k路，再分别接入2k个送粉口——也即2个单侧喷嘴的共2k个入粉口6-8-1，然后在两个喷粉通道6-8中与混粉碰撞柱6-8-2碰撞，进行碰撞混粉，最后经由条形多孔喷粉口喷出，两侧的条状喷粉孔所喷粉末汇聚成一个与激光光斑同样大小的条状或长矩形粉末带，可大幅提升熔覆效率和粉末利用率。可选的，载粉气体采用氦气、氩气或氮气。

[0074] 优选的，在每个单侧喷嘴的喷粉通道6-8的两侧靠近出粉端处设置有喷粉指示器6-10；喷粉指示器6-10用于指示单侧喷嘴的喷粉位置；可选的，喷粉指示器6-10包括4个可见波段半导体激光二极管，分别安装如图6、图9所示。喷粉指示器6-10所指方向与喷粉通道6-8的中轴线一致，是在标准载气流速和标准喷粉量情况下，喷嘴垂直向下喷粉所喷出的方向，同侧的激光二极管所发激光的交汇点指示标准情况下喷粉边界位置，两侧激光二极管所发激光的两个交汇点之间便是条形粉末汇聚线，其在加工件上光点显示的是喷粉区域。通过喷粉指示器6-10配合条形半导体激光器的光斑位置指示器(激光器自带)通过喷嘴倾角调节装置，进行最佳喷粉状态调节，常规情况(激光头垂直向下，用于水平面二维熔覆情况)下只需要将二者重合即可达到最佳喷粉状态，对于非常规则需要根据熔覆现场情况，考虑重力影响、粉末颗粒、粉末载气流速和喷粉量进行相应调节。

[0075] 3、转轴连接器

[0076] 转轴连接器结构如图5、6所示，为具有良好气密性的合页状结构，转轴连接器上端与连接支架的纵向挡板6-3连接，下端与单侧喷嘴相连，使得单侧喷嘴能够绕转轴连接器转动。

[0077] 4、喷嘴倾角调节装置

[0078] 喷嘴倾角调节装置的结构如图13所示；包括齿轮6-13、传动轴6-14、驱动装置6-15、弧形齿条6-12和弧形槽6-11；其中，驱动装置6-15位于横向挡板 6-2外侧，驱动装置6-
15通过横穿横向挡板6-2的传动轴6-14连接驱动齿轮6- 13；在每个单侧喷嘴的两侧的喷粉指示器6-10的上方位置各铣出一个以转轴连接器为圆心的弧形槽6-11，弧形槽6-11的位置尽量靠近喷嘴的下端，以减小调节误差，并在弧形槽6-11的一边铣出弧形齿条6-12，用于配合喷嘴倾角调节装置调节单侧喷嘴的倾角；齿轮6-13与弧形齿条6-12啮合。可选的，驱动装置6- 15采用手动旋钮或步进电机。

[0079] 喷嘴倾角调节装置安装在侧向挡板6-2下部靠近两个角的位置，用于控制两个转轴连接器进行一定角度转动，通过调节喷嘴最佳喷粉角度，以期达到和激光器达到最佳配合。喷嘴倾角调节装置固定于连接支架的侧向挡板6-2的下方。如果采用手动调节，喷嘴倾角调节装置建议设为2个，在每个单侧喷嘴上安装一个喷嘴倾角调节装置，2个喷嘴倾角调节装置可以在单侧，亦可在双侧；将喷嘴倾角调节装置固定在横向挡板6-2与单侧喷嘴对应位置，传动轴6-14穿过侧向挡板6-2，内侧固定齿轮6-13嵌入弧形槽6-11并与弧形齿条6-12啮合；每个喷嘴倾角调节装置调节一个单侧喷嘴，通过手动旋转驱动装置6-15，由于其可以获得较大扭矩，通过传动轴6-14和齿轮6-13以刚性扭转力矩带动单侧喷嘴转动。如采用步进电机调节，则需加装步进电机控制器(其属于成熟技术)，可采用4个喷嘴倾角调节装置，也即4个步进电机，每个单侧喷嘴两边配置2个步进电机为一组(一侧一个)，这2个电机须同步控制，2组之间可同步控制相向运动，也可每组单独控制，主要用于一些特殊情况下熔覆，如非垂直喷粉、异形曲面或其他特殊要求。采用4个步进电机作为驱动装置6-
15，可以获得更好的平顺性，同时也可以减小对步进电机扭矩的要求。

[0080] 通过喷嘴倾角调节装置，配合激光器的光斑指示器和喷粉指示器10，使得激光熔烧适应于不同熔烧角度(可以与三维机器臂配合——即将激光器与喷嘴装在机器臂进行熔烧加工)、不同光斑、不同载气流速、不同喷粉量和不同粉末的喷粉需求。这些特征主要通过喷粉指示器汇聚点与激光器焦点相对位置进行调整，条形光斑时，下喷时采用与激光器相同的聚焦方式(参见图14

[0081] (a))，也即喷粉指示器汇聚点与激光器焦点(光斑指示器指示位置)重合，上喷时，喷粉指示器汇聚点比激光器焦点略远(参见图14(b))，侧喷时，喷粉指示器汇聚点比激光器焦点(光斑指示器指示位置)略偏上一点(参见图14 (c))。

[0082] 喷嘴倾角调节装置配合喷粉指示器6-10对喷嘴进行调节，喷粉指示器6-10 所指方向是在标准载气流速和标准喷粉量情况下，垂直向下喷粉所喷出的方向，标准情况下喷粉采用与激光器相同的对焦方式，通常也是采用上离焦，对于条形光斑若激光器经验上多采用3mm或者更大的上离焦，喷粉也可采用相同的上离焦，以便粉末能均匀覆盖所有光斑区域，有些情况则需要实践中加以总结，以获得最佳喷粉角度。

[0083] 实施例：

[0084] 本实施例给出的半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置，采用输出波长为2
976nm激光，针对合金金属粉末，熔覆厚度在1-2mm情况下，所需的能量密度为30-50J/mm ，实施例中取e＝40J/mm2，加工速度也即光斑移动速度取 v＝10mm/s，光斑长度取24mm，即L＝24mm。

[0085] 如果采用长度为12mm输出功率为120W的Bar条，也即pb＝120W，单位长度 Bar条输出功率为p＝10W/mm，单Bar条长度为s＝12mm，整形输出效率及余量取 η＝90％，则：

[0086]

[0087] 根据计算结果，将2个12mm的Bar条堆连成一个长度为24mm的一维Bar 条，然后再将45个这样的一维Bar条堆排列成二维Bar条阵列，此时m＝452， n＝245。

[0088] 如果直接采用长度为24mm输出功率为240W的Bar条，也即p＝240W，单位长度Bar条输出功率为p＝10W/mm，单Bar条长度为a＝24mm，同样取整形输出效率及余量为η＝90％，则：

[0089]

[0090] 根据计算结果，只需要45个Bar条堆叠起来即可。此时m＝1，n＝45。

[0091] 45个半导体激光器叠阵将会形成45个条形激光输出，接着需要对这45个条形激光输出进行整形，经由45个微透镜对45个条形激光进行准直，形成45 个条形激光输出，微柱透镜采用平凸结构，双面镀高损伤阈值的976nm增透膜。这45个条形激光经光束整形器45个具有一定间隔的45°条形斜面反射后，消除各条形激光之间的暗区，也即将45个条形光束之间的间隙压缩为0，形成矩形光束。

[0092] 光束整形器的45°条形反射面长取30mm，Bar间间距为0.27mm，一次整形后单Bar激光束的宽度，z＝0.11mm，45°条形反射面之间的间隔j＝0.16mm。45° 条形反射面上镀976nm的高损伤阈值的全反射膜。

[0093] 聚焦柱透镜材料选用K9或石英。

[0094] 激光封口镜采用K9玻璃，双面镀975nm高损伤阈值增透膜，尺寸选 25mm*50mm*2mm。

[0095] 由于本实施例条形激光光斑为24mm，不是很大，所以每侧喷粉口均采用单一送粉孔，送粉孔直径取4mm，喷粉孔采用圆形台状喷粉孔如图8所示，上直径为Ф2mm，下直径为Ф1.5mm。

[0096] 内保护气入口采用直径4mm圆形入口；外保护气入口采用直径4mm圆形入口，喷气口采用1mm*32mm的条形结构。

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一种激光熔覆头-专利编号CN110230054A	2020-05-11	408
激光熔覆送粉器-专利编号CN110777377A	2020-05-11	741
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激光熔覆喷嘴、激光熔覆装置及激光覆熔方法-专利编号CN107130240A	2020-05-11	590
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激光熔覆装置-专利编号CN107227455A	2020-05-13	657
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半导体激光器阵列条形光斑激光熔覆装置

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