本發(fā)明涉及一種加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，尤其是涉及將高斯光束轉(zhuǎn)換成減弱的高斯光束與環(huán)狀光束的組合的裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的以高斯或平頂光束熔解固化材料的方式進(jìn)行激光送粉熔覆制作工藝技術(shù)(可應(yīng)用于3D打印)或焊接雖能快速有效熔解固化材料，但由于高斯光斑的中心點(diǎn)能量集中，會導(dǎo)致過高的溫度而使材料產(chǎn)生沸騰汽化，從而于汽化分子脫離表面時會造成反沖壓(recoil pressure)而推擠熔池，故常造成材料噴濺和表面凹陷的缺陷。并且，由于高斯光束的中心點(diǎn)能量較高，所形成的焊道會近似橢圓形，故激光送粉熔覆制作工藝熔解區(qū)或焊道重疊率相對較高，甚至高達(dá)50％，因此制作工藝生成率相對偏低。

因此，如何設(shè)計(jì)一種加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，特別是，可避免材料產(chǎn)生沸騰汽化，同時使焊道均勻并降低焊道或激光送粉熔覆制作工藝熔解區(qū)的重疊率，實(shí)為目前本技術(shù)領(lǐng)域人員急迫解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，能產(chǎn)生均勻熔池，以避免材料熔化時過熱而產(chǎn)生氣化噴濺。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置包括：產(chǎn)生能量束的來源單元；位于該能量束的能量路徑中以調(diào)整該能量束的直徑的縮擴(kuò)束單元；位于該能量路徑中的平頂錐狀透鏡組，且該縮擴(kuò)束單元位于產(chǎn)生該能量束的來源單元與該平頂錐狀透鏡組之間，而該平頂錐狀透鏡組至少包含二平頂錐狀透鏡；以及位于該能量束的能量路徑中的聚焦透鏡，且該平頂錐狀透鏡組位于該縮擴(kuò)束單元與該聚焦透鏡之間，而該聚焦透鏡將該能量束聚焦。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該二平頂錐狀透鏡為第一平頂錐狀透鏡及第二平頂錐狀透鏡，該第一平頂錐狀透鏡具有相對的第一頂面 及第一底面，而該第一頂面與該第一底面之間以第一圓錐狀側(cè)面連接，且該第一圓錐狀側(cè)面與該第一底面之間具有第一夾角，并且，該第二平頂錐狀透鏡具有相對的第二頂面及第二底面，而該第二頂面與該第二底面之間以第二圓錐狀側(cè)面連接，且該第二圓錐狀側(cè)面與該第二底面之間具有第二夾角。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該第一頂面與該第二頂面為彼此面對設(shè)置，且該第一底面與該第二底面之間具有距離。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，入射該平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑除以入射該平頂錐狀透鏡組的頂面的直徑的比值介于1至10之間。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該二平頂錐狀透鏡之間的距離更介于40mm至85mm之間。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該第一頂面或該第二頂面的直徑介于1mm至5mm。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該第一夾角或該第二夾角的角度介于5度至40度。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該第一平頂錐狀透鏡的第一頂面、第一底面及第一夾角與該第二平頂錐狀透鏡的第二頂面、第二底面及第二夾角相同或不同。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，入射該平頂錐狀透鏡組的能量束的圖案為高斯光束圖案或多模態(tài)光束圖案。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，入射該平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑介于3mm至40mm。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，出射該平頂錐狀透鏡組的能量束的圖案為強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案與環(huán)狀圖案的結(jié)合。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該聚焦透鏡的直徑大于入射該聚焦透鏡的環(huán)狀圖案的直徑。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該聚焦透鏡具有焦距，該聚焦透鏡將該能量束投射于材料中，且該材料表面離焦的距離介于正負(fù)20mm。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該來源單元產(chǎn)生的能量束形式為點(diǎn)狀來源或準(zhǔn)直的光源。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該縮擴(kuò)束單元為第一凸透鏡， 或該第一凸透鏡與第二凸透鏡的組合，或者該第一凸透鏡、該第二凸透鏡與凹透鏡，又或者該第二凸透鏡與該凹透鏡的組合。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，還包括第三凸透鏡，其位于產(chǎn)生該能量束的來源單元與該縮擴(kuò)束單元之間。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該能量束為高能量射線、可見光、不可見光、微波或其組合的能量束。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該來源單元產(chǎn)生的能量束為激光、點(diǎn)光源或激光經(jīng)光纖單元出射的光源。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，該二平頂錐狀透鏡間的距離可調(diào)整。

本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，其中，改變該入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑、入射該平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射該平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例、該二平頂錐狀透鏡之間的距離、該材料離該聚焦透鏡中心的距離或其組合，而得到所須要的輸出的環(huán)狀圖案能量對比總?cè)肷淠芰康谋壤?、入射該材料表面的高斯光束圖案的直徑、入射該材料表面的環(huán)狀圖案的直徑、入射該材料表面的環(huán)狀圖案的環(huán)狀寬度或其組合。

本發(fā)明提出另一種加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，包括：位于外加的能量束的能量路徑中的縮擴(kuò)束單元，以調(diào)整該外加的能量束的直徑；位于該能量路徑中的平頂錐狀透鏡組，且該縮擴(kuò)束單元位于該外加的能量束的來源與該平頂錐狀透鏡組之間，而該平頂錐狀透鏡組至少包含二平頂錐狀透鏡；以及位于該外加的能量束的能量路徑中的聚焦透鏡，且該平頂錐狀透鏡組位于該縮擴(kuò)束單元與該聚焦透鏡之間，而該聚焦透鏡將該能量束聚焦。

本發(fā)明提出又一種加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置，包括：位于外加的能量束的能量路徑中的縮擴(kuò)束單元，以調(diào)整該外加的能量束的直徑；位于該能量路徑中的平頂錐狀透鏡組，且該縮擴(kuò)束單元位于該外加的能量束的來源與該平頂錐狀透鏡組之間，而該平頂錐狀透鏡組至少包含二平頂錐狀透鏡；以及位于該外加的能量束的能量路徑中的聚焦透鏡，且該平頂錐狀透鏡組位于該縮擴(kuò)束單元與該聚焦透鏡之間，而該聚焦透鏡將該能量束聚焦；其中，該二平頂錐狀透鏡分別為第一平頂錐狀透鏡及第二平頂錐狀透鏡，該第一平頂錐狀透鏡具有相對的第一頂面及第一底面，而該第一頂面與該第一底面之間以第 一側(cè)面連接，并且，該第二平頂錐狀透鏡具有相對的第二頂面及第二底面，而該第二頂面與該第二底面之間以第二側(cè)面連接，且其中，該第一頂面與該第二頂面為彼此面對設(shè)置。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所提出的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置可利用平頂錐狀透鏡組而將入射該平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案或多模態(tài)光束圖案轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案與環(huán)狀圖案的結(jié)合，從而避免材料熔化時過熱而產(chǎn)生氣化噴濺的問題，且能得到近似矩形的焊道且降低焊道重疊率。

附圖說明

圖1A、圖1B、圖1C-1至圖1C-5及圖1D-1至圖1D-4為本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置的能量路徑圖；

圖2A-1、圖2B-1、圖2C-1及圖2D-1為本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的光束圖案、能量分布、焊道形狀和焊道重疊率的示意圖；

圖2A-2、圖2B-2、圖2C-2及圖2D-2則為現(xiàn)有技術(shù)的加熱產(chǎn)生熔池的裝置所輸出的光束圖案、能量分布、焊道形狀和焊道重疊率的示意圖；

圖3為以現(xiàn)有技術(shù)加熱產(chǎn)生熔池的裝置所輸出的光束圖案(高斯光束圖案)、現(xiàn)有技術(shù)加熱產(chǎn)生熔池的裝置所輸出的光束圖案(平頂光束圖案)及本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的光束圖案的光強(qiáng)度分布圖；

圖4為由上至下分別為高斯光束圖案、平頂光束圖案及本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的光束圖案對材料加熱的熱分布圖；

圖5A為本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的環(huán)狀圖案能量對比總?cè)肷淠芰康谋壤c入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例的關(guān)系圖；

圖5B為本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的環(huán)狀圖案能量對比總?cè)肷淠芰康谋壤c入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑的關(guān)系圖；

圖6為入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑不同的情況下，入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關(guān)系圖；

圖7A至圖7E為二平頂錐狀透鏡之間的距離不同的情況下，入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例分別為1.2、2.5、5、7.5及10時，不同比例造成入射材料表面的環(huán)狀圖 案的直徑與材料離聚焦透鏡中心的距離(即離焦的距離)的關(guān)系變化圖；

圖8A-1至圖8A-3為不同材料離聚焦透鏡中心的距離(即離焦的距離)及入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例的情況下，入射材料表面的高斯光束圖案的直徑與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關(guān)系圖，且圖8B-1至圖8B-3為不同入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例的情況下，入射材料表面的環(huán)狀圖案的環(huán)狀寬度與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關(guān)系圖。

符號說明

1 加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置

10 縮擴(kuò)束單元

101 第一凸透鏡

102 第二凸透鏡

103 凹透鏡

11 平頂錐狀透鏡組

111 第一平頂錐狀透鏡

111a 第一底面

111b 第一頂面

111c 第一側(cè)面

111d 第一夾角

112 第二平頂錐狀透鏡

112a 第二底面

112b 第二頂面

112c 第二側(cè)面

112d 第二夾角

12 聚焦透鏡

13 第三凸透鏡

2 來源單元

20 能量束

21 高斯光束圖案

22 圖案

221 強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案

222 環(huán)狀圖案

3 材料

D 距離。

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與功效。然而本發(fā)明也可通過其他不同的具體實(shí)施例加以施行或應(yīng)用。

請參照圖1A、圖1B、圖1C-1至圖1C-5及圖1D-1至圖1D-4，為本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置1的能量路徑圖，其中，圖1C-2至圖1C-5及圖1D-2至圖1D-4則為本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置的來源單元至入射平頂錐狀透鏡組之前的能量路徑放大說明圖。能量束可由來源單元2發(fā)出或由外部施加，且來源單元2處的能量束的圖案可為高斯光束圖案21或多模式光束圖案(未顯示)，接著能量束入射縮擴(kuò)束單元10后再入射平頂錐狀透鏡組11，從而于出射平頂錐狀透鏡組11后產(chǎn)生強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案221與環(huán)狀圖案222的結(jié)合的能量束的圖案22，隨后能量束又入射聚焦透鏡12而使能量束聚焦(以聚焦的圖案22的形式)，進(jìn)一步而言，能量束可聚焦投射于材料3中，以在材料3中加熱產(chǎn)生均勻熔池。

如上所述的能量束可為高能量射線、可見光、不可見光、微波或其組合的能量束，且該能量束可為外加的能量束，特定而言，可為可見光或不可見光。而來源單元2產(chǎn)生的能量束形式可為點(diǎn)狀來源或準(zhǔn)直的光源，特定而言，該能量束可為激光、點(diǎn)光源或激光經(jīng)光纖單元出射的光源。

如上所述的縮擴(kuò)束單元10與來源單元2產(chǎn)生的能量束形式的組合可具有多種組合，以將入射縮擴(kuò)束單元10的高斯光束圖案21的直徑擴(kuò)大輸出，特定而言，擴(kuò)大輸出并入射至平頂錐狀透鏡組11的高斯光束圖案21的直徑可為3mm至40mm。而縮擴(kuò)束單元10與來源單元2產(chǎn)生的能量束形式的組合可為：(1)來源單元2產(chǎn)生的能量束形式為點(diǎn)光源(一般點(diǎn)光源、超出準(zhǔn)直距離的激光或激光經(jīng)光纖單元出射的光源)且縮擴(kuò)束單元10為第一凸透鏡101、(2)來源單元2產(chǎn)生的能量束形式為點(diǎn)光源或準(zhǔn)直光源且縮擴(kuò)束單元10為第一凸透鏡101與第二凸透鏡102的組合、(3)來源單元2產(chǎn)生的能量束形 式為準(zhǔn)直的光源(例如激光或點(diǎn)光源經(jīng)透鏡轉(zhuǎn)成的平行光)且縮擴(kuò)束單元10為第一凸透鏡101及第二凸透鏡102與凹透鏡103的組合、(4)來源單元2產(chǎn)生的能量束形式為點(diǎn)光源且縮擴(kuò)束單元10為第一凸透鏡101與第二凸透鏡102的組合及于來源單元2與第一凸透鏡101之間更包括第三凸透鏡13、或者(5)來源單元2產(chǎn)生的能量束形式為點(diǎn)光源且縮擴(kuò)束單元10為第一凸透鏡101和第二凸透鏡102與凹透鏡103的組合及于來源單元2與第一凸透鏡101之間還包括第三凸透鏡13，然而，本發(fā)明可視光學(xué)設(shè)計(jì)需要而采取其它種類縮擴(kuò)束單元10及配合的額外光學(xué)元件。

請參閱圖1B，若來源單元2產(chǎn)生的能量束形式為點(diǎn)光源且縮擴(kuò)束單元10為第一凸透鏡101的情況下，第一凸透鏡101可位于能量束的能量路徑中，以調(diào)整該能量束的直徑，且來源單元2產(chǎn)生的能量束可為一般點(diǎn)光源、超出準(zhǔn)直距離的激光或激光經(jīng)光纖單元出射的光源。

而如上所述的平頂錐狀透鏡組11可位于該能量路徑中，且第一凸透鏡101位于該能量束的來源單元2與該平頂錐狀透鏡組11之間，而平頂錐狀透鏡組11至少包含二平頂錐狀透鏡(第一平頂錐狀透鏡111及第二平頂錐狀透鏡112)，以使入射平頂錐狀透鏡組11的具有高斯光束圖案的能量束20的圖案于出射平頂錐狀透鏡組11時轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案221與環(huán)狀圖案222的結(jié)合的能量束的圖案。本發(fā)明的第一平頂錐狀透鏡111具有相對的第一頂面111b及第一底面111a，而第一頂面111b與第一底面111a之間以第一側(cè)面111c連接，且第一側(cè)面111c與第一底面111a之間具有第一夾角111d，并且，第二平頂錐狀透鏡112具有相對的第二頂面112b及第二底面112a，而第二頂面112b與第二底面112a之間以第二側(cè)面112c連接，且第二側(cè)面112c與第二底面112a之間具有第二夾角112d。另外，本發(fā)明的第一平頂錐狀透鏡111及第二平頂錐狀透鏡112可具有多種設(shè)計(jì)的值或設(shè)置方式，舉例而言，第一頂面111b與第二頂面112b可彼此面對設(shè)置，且第一平頂錐狀透鏡111與第二平頂錐狀透鏡112之間具有距離，特定而言，第一底面111a與第二底面112a之間具有距離D，且距離D可調(diào)整，更特定而言，距離D的距離可介于40mm至85mm之間。且舉例而言，第一頂面111b或第二頂面112b的直徑可介于1mm至5mm之間。又舉例而言，第一夾角111d或第二夾角112d的角度可介于5度至40度之間。另舉例而言，第一平頂錐狀透鏡111的第一頂面111b、第一底面111a及第一夾角111d的值可與第二平頂 錐狀透鏡112的第二頂面112b、第二底面112a及第二夾角112d相同或不同。

如上所述的聚焦透鏡12可位于能量束的能量路徑中，且平頂錐狀透鏡組11可位于第一凸透鏡101與聚焦透鏡12之間，而聚焦透鏡12可將強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案221與環(huán)狀圖案222的結(jié)合的能量束的圖案聚焦投射于材料3中，以在材料3中加熱產(chǎn)生均勻熔池，從而避免材料3熔化時過熱而產(chǎn)生氣化噴濺。另外，聚焦透鏡12的直徑可大于入射聚焦透鏡12的環(huán)狀圖案222的直徑，且材料3與聚焦透鏡12之間的距離也可調(diào)整，即在聚焦透鏡12具有焦距的情況下，材料3表面離焦的距離可介于正負(fù)20mm之間。

請參閱圖1C-1，若來源單元2產(chǎn)生的能量束形式為準(zhǔn)直光源(例如在準(zhǔn)直距離內(nèi)的激光)且縮擴(kuò)束單元10為第一凸透鏡101與第二凸透鏡102所組成縮擴(kuò)束單元10的情況下，第一凸透鏡101與第二凸透鏡102可位于能量束的能量路徑中，以調(diào)整該能量束的直徑。另外，可于第一凸透鏡101與第二凸透鏡102之間設(shè)置光圈(Aperture)，其位置可位于第一凸透鏡101與第二凸透鏡102之間的光線交會處(未圖示此情況)，以過濾能量束除高斯光束圖案以外的其它模態(tài)(mode)的圖案。

請參閱圖1C-2及圖1C-5，若來源單元2產(chǎn)生的能量束形式為點(diǎn)光源(一般點(diǎn)光源、超出準(zhǔn)直距離的激光或激光經(jīng)光纖單元出射的光源)，則縮擴(kuò)束單元10可為第一凸透鏡101與第二凸透鏡102的組合，或者第一凸透鏡101與凹透鏡103的組合，且加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置1還包括位于來源單元2與縮擴(kuò)束單元10之間的第三凸透鏡13，以將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成平行光而入射縮擴(kuò)束單元10。請參閱圖1D-1，若來源單元2產(chǎn)生的能量束形式為準(zhǔn)直的光源且縮擴(kuò)束單元10為第一凸透鏡101、凹透鏡103與第二凸透鏡102所組成縮擴(kuò)束單元10的情況下，第一凸透鏡101、凹透鏡103與第二凸透鏡102可位于能量束的能量路徑中，以調(diào)整該能量束的直徑。

請參閱圖1D-2至圖1D-4，若來源單元2產(chǎn)生的能量束形式為點(diǎn)光源且縮擴(kuò)束單元10為第一凸透鏡101、凹透鏡103與第二凸透鏡102所組成縮擴(kuò)束單元10的情況下，加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置1還包括位于來源單元2與縮擴(kuò)束單元10之間的第三凸透鏡13，以將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成平行光而入射縮擴(kuò)束單元10，且可調(diào)整凹透鏡103的位置以調(diào)整該能量束的不同出射直徑。

請參閱圖2A-1、圖2B-1、圖2C-1及圖2D-1，其為本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的光束圖案、能量分布、焊道形狀和焊道重疊率的示意 圖，而圖2A-2、圖2B-2、圖2C-2及圖2D-2則為現(xiàn)有技術(shù)的加熱產(chǎn)生熔池的裝置所輸出的光束圖案、能量分布、焊道形狀和焊道重疊率的示意圖。其中，如圖2A-1及圖2B-1所示本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的光束圖案及能量分布為強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案與環(huán)狀圖案的結(jié)合，所造成的焊道形狀(即熔化的材料的形狀)和焊道重疊率則如圖2C-1及圖2D-1所示，形成的熔池深度相對較均勻，故形成的焊道也近似矩形，若以強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案與環(huán)狀圖案的結(jié)合進(jìn)行焊接時，可以因?yàn)楹傅澜凭匦味档秃傅乐丿B率，由此提升制作工藝的生成率，或在激光送粉批覆制作工藝時，也可達(dá)成同樣效果。然而，如圖2A-2及圖2B-2所示以現(xiàn)有技術(shù)加熱產(chǎn)生熔池的裝置所輸出的光束圖案(高斯光束圖案)及能量分布則會造成如圖2C-2及圖2D-2所示的焊道及焊道重疊率，從而得到焊道近似橢圓形且造成激光送粉熔覆制作工藝的焊道重疊率相對較高而導(dǎo)致制作工藝生成率相對偏低的缺點(diǎn)。

請參閱圖3，其為以現(xiàn)有技術(shù)加熱產(chǎn)生熔池的裝置所輸出的光束圖案(高斯光束圖案)、現(xiàn)有技術(shù)加熱產(chǎn)生熔池的裝置所輸出的光束圖案(平頂光束圖案)及本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的光束圖案的光強(qiáng)度分布圖，而圖4則由上至下分別為高斯光束圖案、平頂光束圖案及本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的光束圖案對材料加熱的熱分布圖。由圖4可知，若材料為鐵(鐵的熔點(diǎn)為1538℃，沸點(diǎn)是2862℃)，則高斯光束圖案及平頂光束圖案所加熱的鐵皆會達(dá)到沸點(diǎn)(2862℃)，故會產(chǎn)生沸騰汽化的反沖壓所造成熔池材料噴濺和熔池凹陷的缺陷，反之，本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的光束圖案則僅到達(dá)熔點(diǎn)以上及沸點(diǎn)以下，故不會產(chǎn)生以上缺陷。

請參閱圖5A，其為本發(fā)明加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置所輸出的環(huán)狀圖案能量對比總?cè)肷淠芰康谋壤c入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑與入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑(入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑即入射平頂錐狀透鏡組的首面平頂錐狀透鏡的頂面直徑，該頂面可為第一頂面或第二頂面)的比例的關(guān)系圖?？勺⒁獾氖?，不同入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑與入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比值可以改變光束穿透和折射的比例，從而得到不同所輸出的環(huán)狀圖案能量對比總?cè)肷淠芰康谋壤肷淦巾斿F狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑與入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比值可介于1至10之間。更進(jìn)一步而言，如圖5B所示，不同直 徑的激光光束可以改變光束穿透和折射的比例，其中，穿透光束會形成強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案，折射光束則形成環(huán)狀圖案，兩者的比例由平頂錐狀透鏡的頂面半徑r和底面半徑R的圓面積比決定，可表示如下(1)式。若入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑越大，環(huán)狀圖案所占的總能量比值會增加，其中光束尺寸5-10mm范圍中的變化最大，超過10mm以上則變化趨緩，故在設(shè)計(jì)上可供縮擴(kuò)束單元的光束放大倍率的參考。

(輸出的環(huán)狀圖案能量-強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案能量)/總?cè)肷淠芰浚?R²-r²)/R² (1)

請參閱圖6，其為入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑不同的情況下，入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑與入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關(guān)系圖。值得注意的是，由于光束通過第一片平頂錐狀透鏡后，外圍折射光束的部分會有一折射角度，而第二片平頂錐狀透鏡和第一平頂錐狀透鏡的距離(即二平頂錐狀透鏡之間的距離)必需限制在一范圍內(nèi)，因?yàn)槿舻诙巾斿F狀透鏡距離太近，折射光束會有一部分進(jìn)入平頂錐狀透鏡的平頂區(qū)域，使其產(chǎn)生的折射最后無法產(chǎn)生平行環(huán)形光束輸出而成為非預(yù)期折射光束；若第二片平頂錐狀透鏡距離太遠(yuǎn)，折射光束會有一部分超出平頂錐狀透鏡的可接收范圍，以上兩種狀況都會造成能量損失，因此第二片平頂錐狀透鏡的位移有一范圍限制，即圖6的陰影區(qū)域?yàn)榫嚯x的可操作范圍。而須注意的是，若平頂錐狀透鏡組的幾何尺寸改變，其范圍也會隨著更改。

請參閱圖7A至圖7E，其為二平頂錐狀透鏡之間的距離不同的情況下，入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例分別為1.2、2.5、5、7.5及10時，不同二平頂錐狀透鏡之間的距離造成入射材料表面的環(huán)狀圖案的直徑與材料離聚焦透鏡中心的距離(即離焦的距離)的關(guān)系變化圖。其中可見出射平頂錐狀透鏡組的環(huán)狀圖案的直徑與材料離聚焦透鏡中心的距離的關(guān)系大致呈V形分布，且可變化入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑、材料離聚焦透鏡中心的距離、入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑及/或二平頂錐狀透鏡之間的距離以得到所須要的入射材料表面的環(huán)狀圖案的直徑，從而進(jìn)一步變化焊道的形狀及熱分布等特性。

請參閱圖8A-1至圖8A-3，其為不同材料離聚焦透鏡中心的距離(即離焦 的距離)及入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例的情況下，在不同的材料離聚焦透鏡中心的距離的條件下入射材料表面的高斯光束圖案的直徑與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關(guān)系圖?？勺⒁獾氖?，改變二平頂錐狀透鏡之間的距離不會變化入射材料表面的高斯光束圖案的直徑。另外請參閱圖8B-1至圖8B-3，其為不同入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例的情況下，入射材料表面的環(huán)狀圖案的環(huán)狀寬度與二平頂錐狀透鏡之間的距離的關(guān)系圖。可注意的是，入射材料表面的環(huán)狀圖案的環(huán)狀寬度隨入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例增加而增加，或者，入射材料表面的環(huán)狀圖案的環(huán)狀寬度隨二平頂錐狀透鏡之間的距離增加而減少，故可變化入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例或二平頂錐狀透鏡之間的距離而得到所須要的入射材料表面的環(huán)狀圖案的環(huán)狀寬度，從而進(jìn)一步變化焊道的形狀及熱分布等特性。

由上文的圖5至圖8可知，可改變本發(fā)明的加熱產(chǎn)生均勻熔池的裝置的入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑、入射平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例、二平頂錐狀透鏡之間的距離、材料離聚焦透鏡中心的距離或其組合而得到所須要的輸出的環(huán)狀圖案能量對比總?cè)肷淠芰康谋壤⑷肷洳牧媳砻娴母咚构馐鴪D案的直徑、入射材料表面的高斯光束圖案的直徑對比入射平頂錐狀透鏡組的頂面直徑的比例、入射材料表面的環(huán)狀圖案的直徑、入射材料表面的環(huán)狀圖案的環(huán)狀寬度或其組合等特性。

綜上所述，本發(fā)明通過使用平頂錐狀透鏡組而將入射該平頂錐狀透鏡組的高斯光束圖案轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度減弱的高斯光束圖案與環(huán)狀圖案的結(jié)合，從而能產(chǎn)生均勻熔池，并避免材料熔化時過熱而產(chǎn)生氣化噴濺的問題，且能得到近似矩形的焊道且降低焊道重疊率，由此提升制作工藝的生成率。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士均可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾與改變。因此，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。