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激光熔覆头与光学系统组成

激光器再贵,光束也要经过熔覆头才能落到工件上。熔覆头看似只是“一个喷嘴”,里面其实集成了光束变换、粉末汇聚、气路保护和水冷散热四套子系统,任何一个环节偏差,熔道就会出现偏粉、夹粉、光斑漂移。

光路部分:从平行光到可用光斑

光纤输出的是接近平行的光束,先经过准直镜把光束直径规整到设计值,再由聚焦镜压缩到工作光斑。熔覆常用聚焦镜焦距200~300 mm,配合离焦量调节光斑直径0.6~5 mm。镜组之间装有保护镜片,隔绝送粉气和飞溅物——这是最易损件,一般每周检查一次,污染后必须更换,否则光斑能量被散射,稀释率和熔道成型立刻变差。

送粉与气路:粉末要精准落进熔池

主流结构是同轴送粉喷嘴:四路粉管对称排布,粉末在喷嘴出口处汇聚成束,落点与光斑中心重合。喷嘴端面距工件一般8~15 mm,过高粉束发散、过低易碰溅。保护气分两路:一路随粉末同轴喷出形成惰性气帘,一路侧向吹起屏蔽空气,防止熔池高温氧化。高反材料(铝、铜)加工时,气路流量要放大,避免光斑回打镜组。

水冷与监控

镜组和喷嘴在高功率下会持续发热,冷却水温度要控制在22℃±2℃,流量报警必须接入整机联锁。中高端熔覆头还集成了熔池监控相机和测温传感器,实时观测熔池亮度和温度,辅助判断参数是否漂移。日常维护重点是保护镜片、喷嘴端面和送粉管堵塞,这三项占熔覆头故障的八成以上。

关于光斑如何进一步整形,可继续阅读激光光斑整形与能量分布控制;送粉方式的对比见侧向送粉与同轴送粉的对比。

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