KR100650118B1 - 레이저 피닝에 의한 금속의 외형 형성 - Google Patents

레이저 피닝에 의한 금속의 외형 형성 Download PDF

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Abstract

금속 가공품의 표면에 레이저 유도 압축 응력(laser induced compressive stress)을 발생시켜 금속 부분에 형태(shape) 및 외형(contour)을 형성하는 방법 및 장치를 제공한다. 레이저 공정은 금속 표면에 원치않는 인장 응력(tensile stress)을 유도하지 않으면서 두꺼운 부품도 형태를 갖도록 하는 깊은 압축 응력을 발생시킬 수 있다. 레이저 유도 응력의 정교성은 정확한 예측과 부품의 뒤이은 외형성형(contouring)을 가능케 한다. 10 내지 100 J/pulse의 광빔은 금속 표면상에 가해진 흡수층에 60 내지 200 J/㎠의 에너지 흐름을 생성할 수 있게 영상화된다. 흡수층 상에는 물의 충진층(tamping layer)을 흘려보낸다. 광빔의 흡수는 플라즈마의 형성을 야기시키고, 결과적으로 금속내에 깊은 잔류 압축 응력을 유도하는 충격파(shock wave)를 생성하게 된다. 금속은 구부러짐으로써 이러한 잔류 응력에 호응하게 된다.

Description

레이저 피닝에 의한 금속의 외형 형성 {Contour Forming Of Metals By Laser Peening}
본 출원은 1999년 7월 10일자로 출원된 표제 "레이저 피닝 수단에 의한 금속의 외형 형성(Contour Forming Of Metals By Means Of Laser Peening)"의 미국특허출원 제60/144,594호의 우선권을 청구하며, 이것은 참조로서 여기에 합체된다.
미국 정부는 로렌스 리버모어 국립 연구소의 활동에 대한 미국 에너지부와 캘리포니아 대학간의 계약번호 제W-7405-ENG-48호에 의거하여 본 발명에 대한 권리를 가진다.
본 발명은 레이저 충격 가공법(laser shock processing)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 레이저 피닝에 의해 금속의 외형화 기술(technology for contouring metal by laser peening)을 제공한다.
금속의 물성을 향상시키기 위하여 고출력의 레이저를 사용하는 것은 레이저의 가장 중요한 산업적 응용분야의 하나이다. 레이저는 금속 작업을 위해 고에너지 방사의 조절가능한 빔을 전송할 수 있다. 본질적으로, 레이저는 작은 영역상에 위치될 수 있고 조절가능한 고 전력밀도를 발생시킬 수 있다. 이는 비용 효과 및 효율적인 에너지 사용을 가능케하고, 주변 영역에 대한 왜곡을 최소화하며, 물질의 취급을 간소하게 한다. 레이저 펄스는 짧은 시간 간격내에 고 전력의 적용에 관련되어있기 때문에, 공정은 고속 생산에 적용될 수 있다. 빔이 조절될 수 있다는 사실은 부품이 복잡한 형태를 가지도록 가공하는 것을 가능케한다. 또한, 정밀성, 일치성 및 반복성은 시스템의 본질이기도 하다.
냉각 작업(cold working)에 의해 금속의 강도가 향상된다는 것은 의심할바 없이 고대인이 무기와 도구를 망치로 두둘겨 만들었던 문명 초기에 발견되었다. 1950년대 이후, 쇼트 피닝(shot peening)이 금속의 피로 물성을 향상시키는 수단으로 사용되어왔다. 쇼트 가공의 또다른 방법은 금속 표면과 접촉되어있는 고폭발성 물질의 사용과 관련되어있다.
금속의 표면을 처리하기 위한 기계적 충격파(mechanical shock wave)의 발생을 위한 고강력 레이저 출력의 사용은 1970년대 이후 잘 알려져 있다. 레이저 충격 가공(laser shock process)은 강도 및 내부식성 이외에 금속 표면에 압축 응력(compressive stress)을 발생시키는데 사용될 수 있다.
10 내지 100 J의 펄스 출력과 10 내지 100 ns의 펄스 지속성(pulse duration)을 가지는 레이저는 금속의 표면에 관성적으로 한정된 플라즈마(inertially confined plasmas)를 발생시키는데 사용될 수 있다. 이러한 플라즈마는 10,000 내지 100,000 대기압의 압력을 창출하고, 얻어진 충격 압력이 금속의 탄성 한계를 초과할 수 있어서, 금속에서 1 ㎜ 또는 그 이상의 깊이로 표면을 압박하게 된다. 이제, 레이저는 산업 생산에 적정할 수 있는 속도로 기술의 사용에 의미있는 평균 파워 출력을 가지고 사용가능하게 되었다.
레이저 충격 가공의 공정에 있어서, 처리될 금속 표면은 도색되거나 또는 레이저 빛을 많이 흡수하도록 "검은색(black)"으로 만들어진다. 검은색 층은 레이저의 흡수제로서 작용하고, 플라즈마의 고온으로 인한 레이저 융제(ablation) 및 용융으로부터 해당 부분을 보호한다. 통상적으로 1 내지 2 ㎜의 수 박막(thin layer of water)을 이러한 검은색 표면에 흘려보낸다. 물은 짧은 시간의 펄스 지속, 통상, 30 ns 내에 레이저 에너지가 흡수됨에 따라, 발생된 플라즈마를 관성적으로 한정(confine) 또는, 이른바, 채우는(tamp) 작용을 한다. 템퍼(tamper)로서 작용하는 다른 적당한 물질도 가능하다. 공정의 유용성에 대한 한계는 레이저 에너지를 금속의 표면에 공간상으로 균일한 빔으로 전달할 수 있는 능력이다. 균일하지 않다면, 빛의 가장 강한 부분이, 도색된 금속 표면에 의미있는 에너지의 전달을 방해하는 파열(breakdown)을 물에 야기시킬 수 있다. 레이저 빛을 표면에 전달하는 통상적인 기술은 레이저 출력을 제곱 센티미터당 대략 100 J 내지 200 J의 파워 밀도로 집중시킬 수 있는 간단한 렌즈를 사용하는 것이다. 이러한 집중 기술은, 레이저 근접-장 강도 프로파일(laser near-field intensity profile)의 진실된 "영상(image)"이 표면에서 얻어질 수 없다는 점에 한계를 가진다. 근접(near) 및 원(far) 필드 사이의 것을 나타내는 장 강도(field intensity)가 발생된다. 레이저빔이 표면상에 초점이 맞추어질 때의 회절(diffraction)은 매우 강한 공간적 변조(spatial modulation)와 핫 스폿(hot spot)을 초래한다.
빔 내에서 발생한 상 이탈(phase aberration), 특히, 높은 평균 파워의 레이저의 작동과 관련된 상 이탈이 전파되어, 더욱 높은 강도 영역을 빔내에 발생시킨 다. 이들 높은 피크 강도 지역은 수층에 파열을 초래하여, 처리될 표면으로의 레이저 에너지의 효율적 전달을 방해한다. 충진 물질내에서의 파열의 또다른 잠재적인 원인은 광학 파열(optical breakdown) 및 자극 산란(stimulated scattering)과 같은 비선형 효과(non-linear effects)의 발생이다. 레이저내에서의 10 ns 내지 100 ns 펄스의 보통의 발생시, 출력은 서너 펄스폭(pulsewidths)을 초과하는 시간 간격에 걸쳐 느리게 형성된다. 이러한 느리고 약한 강도는, 나노세컨드의 10배의 완성 시간(buildup time)을 요구하는 비선형 공정을 개시하는 것을 돕는다. 종래의 기술에서, 레이저의 펄스 출력은 전자-광학 스위치(electro-optical switch)와 같은 외부 수단이나 익스플로우딩 호일(exploding foil)에 의해 "갈라진다(sliced)". 이들 기술은 고가이고 신뢰성을 제한할 수 있다.
금속 표면의 한쪽에 가해진 압축 응력의 조절된 인가는 그러한 표면이 예측가능한 방법으로 팽창되도록 초래하므로, 매우 조절가능한 방식으로 금속을 휘게 할 수 있다. 휘게 할 때에는, 작동시 부품의 피로 및 부식에 대한 내성에 크게 바람직할 수 있는 잔류 압축 응력이 볼록한 면에 남는다. 쇼트 피닝 수단에 의해 이러한 압축 응력을 포함시키는 기술은 잘 공지되어있고 일반적으로 사용되고 있다. 그러나, 쇼트 피닝은, 표면층의 중대하고 바람직하지 못한 냉각 작업을 발생시키지 않으면서 유도될 수 있는 강한 압축 응력의 깊이에 한계가 있다. 피닝에 사용된 쇼트의 요구되는 구형 형상으로 인하여, 공정은 쇼트의 각각의 개별적인 충격 동안에 시간 대비 비균일 압력 프로파일(non-uniform pressure vs. time profile)을 금속에 부여한다. 압력은 구의 첫 번째 접촉 포인트에서 개시된 다음, 금속이 변형 되고 쇼트 접촉의 전체 단면이 금속에 접촉함에 따라, 충격 영역을 따라 퍼진다. 이러한 압력의 비균일 인가는 금속의 국부적 돌출, 충격 지점의 중심부로부터 바깥쪽으로의 금속의 흐름을 초래한다. 결과적으로, 쇼트 충격에 의해 생성된 압력의 웨지(wedge)로 인하여 물질이 압출됨에 따라, 더 많은 냉각 공정이 금속에 행해진다.
표제 "Method And Apparatus For Imparting A Simple Contour To A Workpiece"의 미국특허 제4,694,672호는 항공기의 표면에 간단한 외형을 부여하는 전통적인 방법 및 장치에 관한 것이다. 처리 챔버는, 가공품이 붙어있는 컨베이어를 가지고 있으며 가공품의 처리를 위한 쇼트 피닝 블라스트 유닛(shot peening blast unit)을 포함하고 있다. 가공품과 블라스트 유닛을 배향하기 위한 조절 시스템이 제공되어있어서, 피닝은 가공품의 오직 좁은 스팬와이즈 스트립(narrow spanwise strips)과 오직 공통 코드 퍼센티지 라인(common chord percentage lines) 상에만 행해진다. 그로인해, 이러한 방법 및 장치는 화합물 만곡 효과(compound curvature effect)를 최소화하면서 가공품에 코드와이즈 심플 만곡을 생성한다. 또한, 미국특허 제3,668,912호를 참조한다.
표제 "Shot Peen Forming Of Compound Contours"의 미국특허 제4,329,862호에는, 평판 금속 부품이 양면에서 전통적으로 쇼트 피닝된다. 부품이 코드와이드 만곡에 일치되도록하는 패턴으로 변화되게 프로그램된 강도를 가지고 부품을 한쪽에서 쇼트 피닝하며, 부품은 항공기 날개 표면의 화합물 만곡에 설장된다.
레이저 공정이 강한 응력을 부품내로 더욱 깊숙이 달성하고 그로써 더욱 두 꺼운 부품의 더욱 큰 만곡을 초래한다면 바람직할 것이다. 레이저 공정이 냉각 공정을 무시해도 좋게끔하고 그로써 매끄러운 표면 마무리를 남긴다면 또한 바람직할 것이다.
본 발명의 목적은 부품내에 더욱 깊이 강한 응력을 달성하여 더욱 두꺼운 금속 부분에 더욱 큰 만곡(curvature)을 초래하는 레이저 피닝 공정을 제공하는 것이다.
본 발명은, 금속 가공품의 표면에 레이저 유도 압축 응력(laser induced compressive stress)을 발행시켜 금속에 형태(shapes)와 외형(contours)을 형성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 레이저 공정은, 금속 표면에 원치않는 인장 응력(tensile stress)을 유도하지 않으면서, 깊은 압축 응력을 발생시켜 두꺼운 부품들도 형상화할 수 있다. 레이저 유도 압축의 정밀성은 정확한 예측과 부품들의 연이은 외형형성을 가능하게 한다.
본 발명에서, 10 내지 100 J/pulse의 광빔은 금속 표면상에 가해진 흡수층에 60 내지 200 J/㎠의 에너지 흐름(energy fluence)을 창출하는 것으로 예상된다. 통상적으로는, 흡수층상에 물을 흘려보낸다. 레이저광의 흡수는 플라즈마의 형성을 야기시키고, 결과적으로, 금속내에 깊은 잔류 압축 응력을 유도하는 충격파(shock wave)를 생성한다. 금속은 구부러짐으로써 이러한 잔류 응력에 응답한다.
얇은 금속 성분의 외형형성을 위하여 기계적 수단을 사용하는 것은 잘 알려 져 있는 개념이다. 금속 내부에 압축 응력을 유도하는 충격파를 발생시키기 위하여 레이저를 사용하는 개념은, 피로 균열 및 부식에 대한 금속 성분의 내성을 향상시키기 위하여 널리 실행되고 있다. 본 발명은 금속 가공품의 한쪽에 레이저 유도 쇼크를 가하여, 정밀하고 국부적인 만곡을 만들어낸다. 보다 넓은 영역에 더많은 쇼크를 전반적으로 가하거나 또는 같은 영역에 여러차례 가함으로써, 더욱 큰 크기의 만곡을 이룬다. 본 발명은 성분들의 정밀한 형상화를 이룰 수 있도록 특정 파라미터에서 작동하도록 설정된 고에너지와 높은 평균 파워의 레이저를 사용한다. 이러한 레이저 핀 포밍 공정(laser peen forming process)은 형태형성 또는 외형형성이 어려운 두께(¾인치 두께 이상)를 가진 금속에 특히 유용하다.
금속은 레이저광을 흡수하는 물질의 층으로 도포된다. 박막 수층(thin layer of water)을 흡수성 물질에 흘려보내고 레이저를 조사한다. 래스터 스캔 유형(raster scan fashion)으로 레이저 펄스를 연속적으로 가함으로써, 조사 표면상에 압축 응력을 유도한다. 그러면, 압축 응력은 금속의 상부층의 변형(strain)을 발생시키고 재료에 만곡을 생성하게 된다. 각각의 국부 영역에 가해진 압축 응력의 강도와 깊이는 레이저 에너지, 레이서 펄스 풋프린트(footprint) 및 오버랩(overlap)을 선택함으로써 조절될 수 있다. 보다 넓은 영역상에 국부적 압력의 쇼크를 체계적으로 가함으로써 부품을 정교하게 외형형성하는 것이 가능하다. 2차원 만곡의 부가적인 조절은, 오목하게 되는 표면에 보상 펄스를 위치시키고, 성분이 곡선 형상으로 변화됨에 따라 부품내에서 발생하는 기계적 관성 모멘트(mechanical moment of inertia)의 증가를 이용함으로써, 볼록하게 되는 표 면상에 위치하는 펄스의 특정 밀도에 의해 달성될 수 있다.
레이저 피닝 기술은 바람직하지 못한 만곡을 가진 성분들을 정교하게 펼칠 때에도 사용될 수 있다. 중요한 예로는, 기계 가공, 열처리, 경화 또는 기타 다른 제조 공정의 결과로서 바람직하지 못한 구부럼짐이 얻어질 수 있는 기계 구동축(mechanical drive shafts)을 들 수 있다. 바람직하지 못한 만곡의 오목한 쪽에 압축 응력을 선택적으로 가함으로써, 부품을 체계적으로 일직선으로 할 수 있다.
쇼트 피닝과는 반대로, 매우 균일한 레이저 강도 프로파일(평평한 상부 프로파일을 가진 재단된 빔을 사용하고 이러한 프로파일을 부품상에 영상화 시킬때)이 전체 충격 영역에 걸쳐 균일하게 금속에 충돌하며, 금속의 압출과 냉각 공정을 거의 야기시키지 않는 "블런트(blunt)" 힘을 초래한다. 따라서, 레이저 핀 포밍 공정은 냉각 공정없이 더욱 큰 부피의 금속을 생산할 수 있다. 금속 표면을 심각하게 왜곡시키지 않고 두꺼운 금속 부분에 상대적으로 큰 만곡이 각인될 수 있다.
도 1A는 평평한 금속판을 도시하고 있다.
도 1B는 상부면에 레이저 피닝 공정을 가한 후에 금속판에 생성된 만곡을 도시하고 있다.
도 2는 금속 기재 및 흡수층에 대한 레이저빔과 충진층의 설정을 도시하고 있다.
도 3A는 금속 표면상으로 향해있는 개개 펄스의 "상부 모자(top hat)"형 강 도 프로파일과, 피닝 이후 금속내에 생성된 변형 및 대응 응력 패턴을 도시하고 있다.
도 3B는 균일한 피닝 변형을 생성하도록 균일하게 떨어져있는 다중 래스터식 펄스의 "상부 모자"형 강도 프로파일과, 래스터식 빔으로의 피닝 이후에 금속내의 균일한 변형 및 대응 응력 패턴을 도시하고 있다.
도 4는 금속 표면의 흡수층 상에 레이저 근접 장을 영상화하는 수단들을 도시하고 있다.
도 5는 구동축내의 원치않는 만곡을 레이저 피닝에 의해 제거하는 것을 도시하고 있다.
도 6A는 넓은 간격으로 떨어진 상태로 표면에 이중으로 피닝된 영역의 조밀한 열을 위치시킴으로써 현저한 일차원 만곡을 생성하는 것을 도시하고 있다.
도 6B는 굴곡 부위의 뒤쪽 또는 오목한 쪽에 직교상의 y-차원을 따라 조밀하게 피닝함으로써 y-차원으로 더 펼쳐진, 도 6A에서 도시된 것과 같은, 패널을 도시하고 있다.
레이저 피닝 기술은, 함께 출원되어있는 표제 "Laser Beam Temporal And Spatial Tailoring For Laser Shock Processing" 의 미국특허출원 제09/133,590호에 개시되어있고, 이들은 참조로서 본 발명에 합체된다. 본 발명에 사용될 수 있는 레이저 기술은 표제 "High Power Regenerative Laser Amplifier" 의 미국특허 제5,285,310호와, 표제 "High Power, High Beam Quality Regenerative Amplifier" 의 미국특허 제5,239,408호에 각각 개시되어있고, 이들은 참조로서 본 발명에 합체된다. 본 발명에 사용될 수 있는 레이저 시스템의 구현예들은 표제 "Long Pulse Width, Narrow-Bandwidth Solid State Laser" 의 미국특허 제5,689,363호에 개시되어있고, 이들은 참조로서 본 발명에 합체된다.
금속 부분에 형태와 외형을 형성하는 공정은 금속의 표면에 생성된 레이저 유도 압축 응력의 사용과 관련이 있다. 레이저 공정은 금속 표면에 원치않는 인장 응력(tensile stress)을 유도하지 않으면서 두꺼운 성분들의 형상화에 크게 기여하는 깊은 압축 응력을 제공할 수 있다. 레이저 유도 응력의 정교성은 정확한 예측 및 부품의 연속적인 외형형성을 가능케 한다.
바람직하지 못한 인장 응력을 유도하지 않으면서 금속 성분들의 정교한 형성 및 형태화는 DOD 및 상업적 응용품들, 특히, 항공기 및 우주선 장치들에 중요한 용도를 가진다. 두꺼운(¾" 내지 1" 이상) 금속 부분들을 형성할 수 있는 능력은, 이들 두꺼운 부분들이 날개 표면과 같은 항공기 장치용으로 형성되는 방법에 있어서 매우 혁신적일 것이다. 이러한 기술은 그것이 없었다면 형성될 수 없을 부품의 제조를 가능하게 만들 것이다.
본 발명의 구체적인 실시예를 이하에서 설명하지만, 개시된 실시예들은 다양한 형태로 구현된 본 발명의 예들에 지나지 않으며, 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 그러한 내용을 바탕으로 본 발명을 다양하게 실시할 수 있을 것이다.
얇은 금속 성분들을 외형형성 및 형태형성하기 위하여 피닝 해머와 같은 기 계적 수단 또는 더욱 최근에는 쇼트 피닝 기술을 사용하는 것은 잘 알려져 있는 개념이다. "두둘겨서(hammered)" 금속내에 압축 응력을 가하면, 그러한 응력을 제거하기 위하여 금속은 한쪽으로 펼쳐지게 된다. 차등적인 팽창은 금속 표면이 굴곡되는 것을 야기시킨다. 레이저를 사용하여 금속내에 압축 응력을 유도하는 충격파를 생성하는 개념은 잘 알려져 있고, 피로 파괴 및 부식에 대한 금속 성분의 내성을 향상시키기 위하여 널리 사용되고 있다.
금속의 한쪽에 레이저 유도 쇼크를 적절히 가함으로써, 정밀한 국부 만곡이 이뤄질 수 있고, 보다 넓은 영역상에 전반적으로 더 쇼크를 가함으로써, 더욱 큰 크기의 만곡이 이뤄질 수 있다. 본 발명은, 부품들의 정교한 형태형성을 달성할 수 있도록 특정 파라미터에서 작동되도록 설정된, 고에너지 및 높은 평균 파워 레이저를 채택한다. 이러한 레이저 핀 포밍 공정은 형태형성 또는 외형형성이 어려운 두꺼운(¾ 인치 이상) 재료에 특히 유용하다. 도 1A는 평평한 금속판(10)을 보여주고 있다. 금속판의 상부면(12)에 레이저 피닝 공정을 적용한 후, 도 1B에서 보는 바와 같이, 금속판은 바람직한 만곡을 이루게 된다.
도 2에 도시되어있는 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예는, 10 내지 25 ns의 펄스 지속과 1 ns 이하의 펄스상 라이싱 엣지(rising edge)를 가지는 펄스 레이저당 25 J(펄스당 25 J 내지 100 J가 적당한 범위이다)의 레이저를 사용한다. 근접 장(near field)은 금속 표면(20)에 60 내지 200 J/㎠의 에너지 흐름을 제공하는 스폿 사이즈(spot size: 6 ㎜ × 6 ㎜ 내지 3 ㎜ × 3 ㎜의 범위)로 영상화된다. 금속은 레이저광을 흡수하는 물질의 층(22: 통상적으로는 대략 200 ㎛ 두께의 폴리 비닐아세테이트 플라스틱)으로 도포되어있다. 통상적으로 플로우 노즐(26)로부터의 물의 박층(24)인, 대략 1 ㎜ 두께의 충진층은 통상적으로 흡수성 물질(22)의 위로 흐르고 레이저 빔(28)에 의해 조사된다. 래스터 스캔 형식으로 레이저 펄스를 연속적으로 인가함으로써, 조사된 표면상에 압축 응력이 도입된다. 래스터식 패턴을 형성하도록 레이저 빔(28) 또는 금속 성분(30)을 이동시킬 수 있다. 그러면, 응력은 금속(30)의 상층에 변형을 발생시키고 재료상에 만곡을 생성하게 된다. 각각의 국부 영역에 가해지는 압축 응력의 강도 및 깊이는 레이저 에너지, 레이저 펄스 풋프린트과 오버랩, 각각의 영역에 가해지는 펄스 지속 및 펄스의 수를 선택함으로써 조절될 수 있다. 이차원 만곡은 피닝 영역과 각각의 좌표 방향에 사용된 펄스의 강도와 수를 선택적으로 조절함으로써 이루어질 수 있다. 부가적으로, 소망하는 방향으로의 변형(deformation)은, 레이저 핀포밍 펄스(laser peenforming pulses)의 인가 동안에 그 방향으로 굴곡 모멘트(금속의 항복 한계(yield limit) 이하일지라도)를 기계적으로 유도함으로써 강화될 수 있다.
국부적으로 인가된 응력이 직접적으로 국부 만곡을 초래하기 때문에, 넓은 영역상에 국부 응력의 충격을 체계적으로 가함으로써, 부품은 더욱 넓은 영역상에서 정밀하게 외형형성이 가능하다. 도 3A는, 금속 표면(40)과, 금속 표면(40)상으로 향해있는 개개 펄스의 "상부 모자(top hat)"형 강도 프로파일(42), 및 피닝 후 금속내의 변형과 대응 응력 패턴(44)을 보여주고 있다. 도 3B는, 금속 표면(50)과, 균일한 피닝 변형을 생산하도록 정밀하게 떨어져 있는 다중 래스터식 펄스(multiple rastered pulses: 52, 54 및 56)의 "상부 모자"형 강도 프로파일을 보여주고 있다. 도면은 래스터식 빔으로의 피닝 후의 균일한 변형 및 대응 응력 패턴(58)을 보여주고 있다. 레이저빔의 직사각형 프로파일 및 상부 모자형 균일 강도와 조합된 다중 펄스 프로파일의 정교한 오버랩은 핀포밍 후 매끄러운 표면 마무리를 제공한다.
도 4는 제거가능 층(ablative layer)상에 근접 장을 영상화하는데 사용될 수 있는 광학 설정을 보여주고 있다. 근접 장(60)은 네가티브 렌즈(negative lens: 62)에서 퍼지고, 일차 포지티브 렌즈(positive lens: 64)에 의해 평행이 되며, 포지티브 렌즈(66)에 의해 금속 조각(70)상의 제거가능 층(68)에 영상화된다. 제거가능 층상에 대한 레이저빔의 근접 장의 영상화는 균일한 강도 프로파일을 생성하고, 상 왜곡이 강도 핫 스폿(hot spot)을 생성하지 못하게 한다.
명목상으로는 평평한 금속에 소망하는 형태를 이루는 유사한 방법으로, 레이저 피닝 기술은 바람직하지 못한 만곡을 가지고 있는 성분들을 정밀하게 펴는데 사용될 수 있다. 중요한 예로는 기계가공, 열처리, 경화 또는 기타 생산공정의 결과로서 원치않는 구부러짐이 얻어질 수 있는 기계 구동축을 들 수 있다. 원치않는 만곡의 오목한 쪽에 압축 응력을 선택적으로 가함으로써, 부품을 체계적으로 펼 수 있다. 도 5를 참조하면, 구동축(80)의 짧은 쪽에 핀포밍(peenforming) 함으로써 구동축에서 원치않는 만곡을 제거한다. 구동축(80)에 흡수/제거가능 층(82) 및 충진층(84)을 제공한다. 레이저빔(86)을 축의 짧은 쪽에 가하여, 다중 펄스가 인가됨에 따라 축은 펼쳐진다(직선으로 된다).
도 6A에서, 표면에 넓은 간격으로 이중 피닝 영역의 조밀한 열(dense row)을 위치시켜 지배적인 일차원 만곡을 이룬다. 피닝의 일차원 본질은 일차원 만곡을 초래한다. 도 6B에서, 도 6A에 도시되어있는 것과 같은 패널은, 굴곡부의 뒤쪽 또는 오목한 쪽에 직교상의 y 차원을 따라 조밀하게 피닝함으로써, y 차원으로 더욱 일직선화된다. 끝으로, 만곡을 포함하고 있는 축(본 예에서는 x-축)에 대한 기계 관성 모멘트 또는 경직성(stiffness)은 부품이 구부러짐에 따라 증가하는 것으로 이해된다. 상기 설명한 두 기술을 적용함으로써, 증가된 관성 모멘트가 일차원 굴곡에 대한 선호성을 창출하는 것을 돕는다. 만곡과 관성 모멘트가 대칭적인 방식으로 발전할 수 있도록, 관성 피닝 패턴이 부품에 체계적이고 균일하게 인가된다.
본 발명에 대한 상기 기재는 설명 및 기재를 목적으로 제공된 것이며, 개시된 특정 형태로 본 발명을 한정하도록 의도된 것은 아니다. 상기 교시 내용의 측면에서 보았을 때 많은 변형 및 변경이 가능하다. 실시예들은 본 발명의 원리를 잘 설명하도록 선택되고 기재된 것이며, 이들에 의한 실제 응용은 본 발명의 당업자가 본 발명을 다양한 실시예로서 잘 사용하고 특정한 사용에 적합하도록 변형된 것들을 잘 사용할 수 있도록 하여준다. 본 발명의 범주는 하기 청구범위에 의해 정의되게 될 것이다.

Claims (26)

  1. 형성할 금속 가공품을 제공하고, 소망하는 형태가 형성될 때까지 상기 금속 가공품의 표면에 레이저 유도 압축 응력을 발생시키며, 피닝 공정 동안에 기계 굴곡 모멘트(mechanical bending moment)를 이용함으로써 상기 금속 가공품에 생성된 굴곡의 량을 증가시키는 것을 포함하는 것으로 구성된, 금속에 형태 및 외형을 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 레이저 유도 압축 응력을 발생시키는 단계는, 상기 금속 가공품의 각각의 영역에 인가될 레이저 에너지, 레이저 펄스 풋프린트, 레이저 펄스 오버랩, 펄스 지속 및 펄스의 수를 선택하여, 상기 금속 가공품의 상기 각각의 국부 영역에 인가될 압축 응력의 강도 및 깊이를 제어하는 것을 더 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 레이저 에너지를 선택하는 단계는 펄스당 10 J 내지 100 J의 범위내에서 레이저 에너지를 선택하는 것을 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 펄스 지속을 선택하는 단계는 10 ns 내지 20 ns의 범위내에서 펄스 지속을 선택하는 것을 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 펄스는 1 ns 이하의 라이싱 엣지(rising edge)를 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 레이저 유도 압축 응력을 발생시키는 단계는 레이저광을 흡수하는 물질의 층으로 상기 가공품을 도포하는 것을 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 가공품상에 스폿 크기(spot size)로 상기 레이저의 근접 장(near field)을 영상화하는 것을 더 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 가공품의 표면에 60 내지 200 J/㎠의 에너지 흐름을 제공하도록 상기 레이저의 근접 장을 스폿 크기로 영상화는 것을 더 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 물질이 플라스틱을 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 플라스틱이 폴리비닐 아세테이트 플라스틱 및 폴리비닐 클로라이드 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택되는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 플라스틱이 대략 200 ㎛ 두께인 방법.
  12. 제 6 항에 있어서, 레이저 유도 압축 응력을 발생시키는 단계는, 상기 물질 상에 박막의 수층을 흘려보내고 상기 박막 수층이 충진층(tamping layer)으로 작용하는 것을 더 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 박막 수층이 대략 1㎜ 두께인 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 레이저 유도 압축 응력을 발생시키는 단계는, 래스트 스캔 방식(raster scan fashion)으로 레이저 펄스를 상기 금속 가공품의 표면에 연속적으로 인가하고, 압축 응력이 상기 표면상에 유도되며, 그로써 상기 압축 응력이 상기 금속 가공품의 상층의 변형을 발생시켜 상기 금속 가공품에 만곡(curvature)을 생성하는 것을 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 레이저 유도 압축 응력을 발생시키는 단계는, 원치않는 만곡을 가진 금속 가공품의 오목한 쪽에 압축 응력을 선택적으로 인가하여 부품을 체계적으로 곧게 하는 것(straighten)을 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 1 항에 있어서, 이차원 영역에 펄스를 선택적으로 인가하고 각각의 스폿 에 인가된 펄스의 수와 각각의 펄스의 강도를 조절함으로써, 이차원내 핀포밍(peenforming)을 제어하는 것을 더 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서, 펄스를 이차원 영역에 선택적으로 인가하고 각 스폿에 인가된 펄스의 수와 각 펄스의 강도를 조절하며, 오목하게 되는 표면에 보상 펄스(compensating pulse)를 위치시키고, 성분이 곡선의 형태로 변함에 따라 부품내에 발생하는 증가적인 기계 관성 모멘트(increasing mechanical moment of inertia)를 이용함으로써, 이차원으로 핀포밍(peenforming)을 조절하는 것을 더 포함하는 것으로 구성되는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서, 레이저 유도 압축 응력을 발생시키는 단계는, 상기 금속 가공품의 표면에 원치않는 인장 응력(tensile stress)을 유도하지 않으면서 소망하는 형태가 형성될 때까지, 상기 금속 가공품의 표면에 레이저 유도 압축 응력을 발생시키는 것을 포함하는 방법.
  20. 일련의 레이저 펄스상의 각 레이저 펄스가 펄스당 10 J 내지 100 J의 에너지를 가지며, 상기 각 레이저 펄스가 10 ns 내지 20 ns의 펄스 지속(pulse duration)과 1 ns 이하의 라이싱 엣지(rising edge)를 가지는, 일련의 레이저 펄스를 생산할 수 있는 레이저 시스템;
    금속 가공품에 고정되게 부착되며 광을 흡수하는 물질의 층;
    상기 물질 층상에 흐르는 물의 박막층; 및
    상기 금속 가공품의 표면에 원치않는 인장 응력을 유도하지 않으면서 소망하는 형태가 형성될 때까지, 상기 일련의 레이저 펄스가 상기 금속 가공품의 표면에 압축 응력을 발생시키게 되는, 상기 물질 층상에 스폿 크기(spot size)로 상기 각 레이저 펄스의 근접 장(near field)을 영상화하는 수단;
    을 포함하는 것으로 구성된 금속 가공품에 형태 및 외형을 형성하는 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 각각의 레이저 펄스의 근접 장을 영상화하는 상기 수단은, 상기 금속 가공품의 표면에 60 내지 200 J/㎠의 에너지 흐름을 제공하는 스폿 사이즈로 상기 각각의 레이저 펄스를 영상화하는 장치.
  22. 제 20 항에 있어서, 상기 물질은 플라스틱으로 구성되는 장치.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 플라스틱은 폴리비닐 아세테이트 또는 폴리비닐 클로라이드 플라스틱으로 구성되는 장치.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 ABS 플라스틱은 대략 200 ㎛의 두께를 가지는 장치.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 박막 수층이 대략 1 ㎜의 두께를 가지는 장치.
  26. 제 20 항에 있어서, 압축 응력이 조사된 표면상에 유도되고, 그로써 상기 압축 응력은 금속 가공품의 상층의 변형(strain)을 발생시키고 상기 금속 가공품에 만곡을 생성하게 되는, 상기 금속 가공품의 표면에 래스터 스캔 방식으로 레이저 펄스를 연속적으로 인가하는 수단을 더 포함하는 것으로 구성된 장치.
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