本发明为一种双焦点中心送丝激光加工头及其加工方法，可广泛应用于激光双焦点自熔焊接，激光填丝焊接，激光熔覆及激光3d打印行业，属于激光加工领域。
背景技术：
激光加工领域中，激光焊接凭借光束质量高、热影响区金相变化范围小，焊接质量高，成形效率高等优势广泛应用于航空航天、交通、化工工业等各个领域。激光填丝焊接同其他焊接方法相比，焊接适应性较高，焊接质量更具优势，但其设备较为复杂，需在激光自熔焊设备的基础上添加送丝系统，且为保证焊丝刚好送至光轴与母材的交汇点处，需采用准直焊丝装置。焊丝的直线度较难保证，导致焊接的稳定性较差。普遍激光填丝加工头在实际焊接生产中采用侧向送丝，即激光加工头与焊枪依靠法兰装配，因此在焊接复杂工件时易受干涉影响，从而放弃采用激光填丝焊接方法。另外，保护气嘴同样采用侧向保护，焊接过程中，激光光斑需在保护气嘴的中心位置，且高度为5-10mm之间。因此调节保护气嘴的相对位置较为复杂，且保护效果不佳。
激光加工快速成型领域中，激光束能量使焊丝或粉末熔化并堆积于基材来形成三维实体。与传统工艺相比优点如下：1.快速性：加工周期较传统铸造工艺短，且敏感性低，成型时几乎不考虑外形问题，从而节省大量时间。2.适合成型复杂零件：成型件通过计算机分解为二维数据进行成型制作，无简单复杂之分，从而更适合于传统方法难以制造甚至无法制造的零件。3.高度柔性：一台设备上即可快速成型出具有一定精度并满足一定功能的零件。只需改变其软件模型就能实现对零件的修改。4.高度集成化：激光快速成型技术将软件数据转换为stl格式后，即可开始快速加工。
目前，激光同轴送粉或侧向送丝已成为国内外主流的快速成型方式。多路同轴送粉方式存在的问题如下：1.加工过程送粉管调节对中精度难以控制且较为费时。2.加工过程粉末利用率较低，且未熔化的粉末粘附于加工表面易产生加工不均匀和表面质量差等缺陷。侧向送丝方式优势在于材料利用率及成型效率较高，丝材成本较低，送丝精度更易掌控，但同样存在以下问题：1.成型过程中焊枪与激光加工头相对运动的方位与姿态易受干涉与限制，成型复杂结构件时难以实现路径规划。2.成形的表面质量粗糙且难于保证。3.送丝角度难以调节且重复性较差。4.气体保护不均匀，加工表面易于氧化。
技术实现要素：
发明目的：
本发明提供一种双焦点中心送丝激光加工头及其加工方法，其目的是解决以往所存在的问题。
技术方案：
一种双焦点中心送丝激光加工头，该加工头包括送丝系统和光学系统；
送丝系统包括送丝管(9)、送丝轮(10)和送丝嘴(11)，其中，送丝管(9)嵌于加工头中心内壁，送丝嘴(11)位于送丝管(9)下方，送丝轮(10)设置在送丝管(9)与送丝嘴(11)之间，所述送丝管(9)与送丝嘴(11)同心设置且内部设有焊丝通道；
光学系统包括准直镜模块(3)、棱形分光镜模块(4)和反射聚焦镜模块(5)，其中准直镜模块(3)与棱形分光镜模块(4)位于一组，准直镜模块(3)与棱形分光镜模块(4)依次位于光经过的路径上，两个反射聚焦镜模块(5)位于焊丝(8)的两侧，且反射聚焦镜模块(5)位于能够接收到由棱形分光镜模块(4)分出的光的位置。
所述反射聚焦镜模块(5)以送丝系统为中心对称设置。
所述送丝嘴(11)上端具有多个保护气体通孔(12)。
所述光学模块中包括固定式的准直镜模块(3)、棱形分光镜模块(4)与可调式反射聚焦镜模块(5)，其中可调式反射聚焦镜模块(5)为能够变换双焦点间距的反射聚焦镜。
所述单激光束经过棱形分光镜模块(4)后形成交叉式双平行激光束环绕送丝系统射入反射聚焦镜模块(5)并聚焦于加工平面一点。
所述送丝轮(10)与外界送丝机同步控制，送丝和抽丝通过送丝轮调节。
一种双焦点中心送丝激光加工方法，其特征在于：光纤传输的激光束通过光学模块后形成的双激光束聚焦于工件表面形成熔池，丝材通过同轴保护气体的送丝系统于双激光束间垂直送入该熔池中，实现单光束双焦点中心送丝的激光加工过程。
优点效果：
本发明所要解决的问题是针对普遍激光焊接与激光快速成型方法的不足，提供一种单光束实现双焦点中心送丝激光加工头及其加工方法，保证了激光束与丝材(粉末)的同轴度和加工质量的一致性，提高了加工效率、材料利用率和表面加工质量，避免激光加工头运动过程中的干涉问题。
本发明双焦点中心送丝激光加工头中送丝系统包括送丝管(9)、送丝轮(10)、送丝嘴(11)，其中，送丝管(9)嵌于加工头中心内壁，送丝管(9)底端与送丝嘴(11)之间采用送丝轮(10)连接，所述送丝管(9)与送丝嘴(11)同心设置且内部设有不同直径焊丝通道；光学系统包括准直镜模块(3)，棱形分光镜模块(4)、反射聚焦镜模块(5)，其中准直镜模块(3)与棱形聚焦镜模块(4)位于一组，送丝系统与反射聚焦镜模块(5)位于一组，二组结合为所述激光加工整体，所述反射聚焦镜模块(5)以送丝系统为中心对称设置；焊丝(8)经送丝管(9)、送丝轮(10)、送丝嘴(11)送至工件表面一点，侧向光纤传输的激光束经过光学系统聚焦于该点两侧。
其中，所述送丝嘴(11)上端具有多个保护气体通孔，形成气体通道，且与外界保护气源相连，充分包裹在丝材熔化所形成的熔池周围。送丝轮(10)与外界送丝机同步控制，送丝和抽丝可通过送丝轮调节。所述光学模块中包括固定式准直镜模块(3)、棱形分光镜模块(4)与可调式反射聚焦镜模块(5)，可调式反射聚焦镜模块(5)通过侧边螺纽旋转手动变换双焦点间距。
本发明激光加工的激光加工方法为：光纤传输的激光束通过光学模块使单激光束对称形成双平行激光束并绕过送丝头(7)侧向传输，且聚焦于加工平面内形成熔池。所形成的双激光束对称分布于送丝机构两侧，从而实现单光束双焦点的中心送丝激光加工方式。
与其它激光加工头相比，本发明方法具有如下优点：
1.单束激光通过光学模块可在加工表面聚焦为双激光束围绕于丝材两侧，实现双焦点中心送丝的激光加工方式。保证了激光加工头沿不同方位与姿态加工下的一致性，提高了激光加工质量，同时避免了加工复杂零件时的干涉问题。
2.保护气由激光加工头送丝嘴(11)垂直且均匀吹向熔池，保护效果较好，避免了侧轴送气的调节与干涉问题。送丝轮(10)对焊丝的压力作用，提高了焊丝(8)直度，保证了加工成形质量。
3.可调式反射聚焦镜模块(5)通过手动螺纽上下旋转控制其角度，改变光束反射角度来完成光丝间距的调节。
4.可实现一种双焦点式中心送丝与送粉二合一的多功能激光加工头。
附图说明
图1为本发明双焦点中心送丝激光焊接加工头的结构剖面示意图。
图2为本发明双焦点中心送丝激光焊接加工头中送丝头剖面示意图。
图1中：1-光纤，2-激光束，3-准直镜模块，4-棱形分光镜模块，5-反射聚焦镜模块，6-反射聚焦镜旋钮，7-送丝头，8-焊丝。
图2中：9-送丝管，10-送丝轮，11-送丝嘴，12-保护气通道。
具体实施方式
一种双焦点中心送丝激光加工头，该加工头包括送丝系统和光学系统；
送丝系统包括送丝管(9)、送丝轮(10)和送丝嘴(11)，其中，送丝管(9)嵌于加工头中心内壁，送丝嘴(11)位于送丝管(9)下方，送丝轮(10)设置在送丝管(9)与送丝嘴(11)之间，送丝管(9)底端与送丝嘴(11)之间采用送丝轮(10)连接，所述送丝管(9)与送丝嘴(11)同心设置且内部设有不同直径(焊丝直径有粗有细，所以焊丝通道也得分粗细)焊丝通道；
光学系统包括准直镜模块(3)、棱形分光镜模块(4)和反射聚焦镜模块(5)，其中准直镜模块(3)与棱形分光镜模块(4)位于一组，准直镜模块(3)与棱形分光镜模块(4)依次位于光经过的路径上，两个反射聚焦镜模块(5)位于焊丝(8)的两侧，且反射聚焦镜模块(5)位于能够接收到由棱形分光镜模块(4)分出的光的位置。送丝系统与反射聚焦镜模块(5)位于一组，二组结合为所述激光加工整体。
所述反射聚焦镜模块(5)以送丝系统为中心(焊丝(8)中心)对称设置；焊丝(8)经过送丝管(9)、送丝轮(10)、送丝嘴(11)送至工件表面一点，侧向光纤传输的激光束经过光学系统从两侧聚焦于该点。
所述送丝嘴(11)上端具有多个保护气体通孔(12)(这个通孔出的气是与送丝系统中心空心内部由上至下送的，12与外壁相连，其结构类似于圆片周围钻孔的形状，围绕送丝嘴(11)中心设置)，形成气体通道，且与外界保护气源相连，充分包裹在丝材熔化所形成的熔池周围，避免加工表面氧化和另设保护气嘴的干涉与不同步问题。
所述光学模块中包括固定式的准直镜模块(3)、棱形分光镜模块(4)与可调式反射聚焦镜模块(5)，其中可调式反射聚焦镜模块(5)为能够变换双焦点间距的反射聚焦镜。例如，可通过侧边螺纽旋转手动变换双焦点间距，当然，其结构原理可以采用同汽车外后视镜调节结构雷同的结构，可以手动也可以电动。
所述单激光束经过棱形分光镜模块(4)后形成交叉式双平行激光束环绕送丝系统射入反射聚焦镜模块(5)并聚焦于加工平面一点。
所述可调式反射聚焦镜可通过手动螺纽上下旋转控制角度，改变激光束的反射角度来完成光丝间距的控制。如前所述，其结构原理可以采用同汽车外后视镜调节结构雷同的结构，可以手动也可以电动。
所述光纤传输的单激光束经过光学系统后在工件表面聚焦的双激光束可与丝材至工件表面的那一点重合。
所述送丝轮(10)与外界送丝机同步控制，送丝和抽丝通过送丝轮调节。
一种双焦点中心送丝激光加工方法，光纤传输的激光束通过光学模块后形成的双激光束聚焦于工件表面形成熔池，丝材通过同轴保护气体的送丝系统于双激光束间垂直送入该熔池中，实现单光束双焦点中心送丝的激光加工过程。所述激光加工头均可安装于焊接机器人与多轴联动机床。
所述送丝系统可拆卸并安装送粉系统，实现双光束中心送粉激光加工方法，可用于激光熔覆、激光3d打印等激光快速成型工艺。(把焊丝抽掉，插入送粉管，送粉管与外界送粉器相连)
本发明的一种双焦点中心送丝激光加工头中送丝系统包括送丝管(9)、送丝轮(10)、送丝嘴(11)，其中，送丝管(9)嵌于加工头中心内壁，送丝管(9)底端与送丝嘴(11)之间采用送丝轮(10)连接，所述送丝管(9)与送丝嘴(11)同心设置且内部设有不同直径焊丝通道，送丝嘴(11)上具有多个保护气体通孔，形成气体通道，且与外界保护气源相连，充分包裹在丝材熔化所形成的熔池周围，送丝轮(10)与外界送丝机同步控制，送丝和抽丝可通过送丝轮调节；光学系统包括固定式准直镜模块(3)、棱形分光镜模块(4)与可调式反射聚焦镜模块(5)，其中可调式反射聚焦镜模块(5)通过手动螺纽上下旋转控制角度，改变激光束的反射角度来完成光丝间距的控制。其中准直镜模块(3)与棱形分光镜模块(4)位于一组，送丝系统与反射聚焦镜模块(5)位于一组，二组结合为所述激光加工整体，反射聚焦镜模块(5)以送丝系统为中心对称设置；焊丝(8)经送丝管(9)、送丝轮(10)、送丝嘴(11)送至工件表面一点，侧向光纤传输的激光束经过光学系统聚焦于该点两侧。光纤传输的激光束通过光学模块后形成的双激光束聚焦于工件表面形成熔池，丝材通过同轴保护气体的送丝系统于双激光束间垂直送入该熔池中，实现单光速双焦点中心送丝的激光加工过程。
本发明的一种双焦点中心送丝激光加工头的加工方法为：
激光加工头可安装在焊接机器人或多轴联动机床上，待加工工件采用夹具固定于可加工位置，通过调节送丝系统中送丝轮夹紧力，使送入的丝材垂直送至工件表面且保证其直度，确定焦点位置后，通过调节反射聚焦镜模块侧方旋钮(6)，确定激光束与丝材间距。通过焊接机器人或多轴联动机床编程确定加工路径与加工速度，调节激光器输出功率，即可完成激光加工过程。其中拆卸激光加工头中送丝系统并安装送粉系统，通过设置送粉器送分量，即可完成激光快速成型加工过程。
1.一种双焦点中心送丝激光加工头，其特征在于：该加工头包括送丝系统和光学系统；
送丝系统包括送丝管(9)、送丝轮(10)和送丝嘴(11)，其中，送丝管(9)嵌于加工头中心内壁，送丝嘴(11)位于送丝管(9)下方，送丝轮(10)设置在送丝管(9)与送丝嘴(11)之间，所述送丝管(9)与送丝嘴(11)同心设置且内部设有焊丝通道；
光学系统包括准直镜模块(3)、棱形分光镜模块(4)和反射聚焦镜模块(5)，其中准直镜模块(3)与棱形分光镜模块(4)位于一组，准直镜模块(3)与棱形分光镜模块(4)依次位于光经过的路径上，两个反射聚焦镜模块(5)位于焊丝(8)的两侧，且反射聚焦镜模块(5)位于能够接收到由棱形分光镜模块(4)分出的光的位置。
2.根据权利要求1所述的一种双焦点中心送丝激光加工头，其特征在于：所述反射聚焦镜模块(5)以送丝系统为中心对称设置。
3.根据权利要求1所述的一种双焦点中心送丝激光加工头，其特征在于：所述送丝嘴(11)上端具有多个保护气体通孔(12)。
4.根据权利要求1所述的一种双焦点中心送丝激光加工头，其特征在于：所述光学模块中包括固定式的准直镜模块(3)、棱形分光镜模块(4)与可调式反射聚焦镜模块(5)，其中可调式反射聚焦镜模块(5)为能够变换双焦点间距的反射聚焦镜。
5.根据权利要求1所述的一种双焦点中心送丝激光加工头，其特征在于：所述单激光束经过棱形分光镜模块(4)后形成交叉式双平行激光束环绕送丝系统射入反射聚焦镜模块(5)并聚焦于加工平面一点。
6.根据权利要求1所述的一种双焦点中心送丝激光加工头，其特征在于：所述送丝轮(10)与外界送丝机同步控制，送丝和抽丝通过送丝轮调节。
7.一种双焦点中心送丝激光加工方法，其特征在于：光纤传输的激光束通过光学模块后形成的双激光束聚焦于工件表面形成熔池，丝材通过同轴保护气体的送丝系统于双激光束间垂直送入该熔池中，实现单光束双焦点中心送丝的激光加工过程。
技术总结