KR100737625B1

KR100737625B1 - 통합형 노즐 배플 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100737625B1
Application number: KR1020037006814A
Authority: KR
Inventors: 케니스 제이. 우드즈; 찰스 엠. 해케트; 로버트 제이. 딘; 샌제이 가그
Original assignee: 하이퍼썸, 인크.
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2007-07-10
Also published as: JP4945051B2; DE60142175D1; KR20030064791A; WO2002043453A1; EP1336327A1; US6667459B1; CA2429377A1; AU2001277150B2; AU7715001A; JP2004514560A; EP1336327B1; ATE468733T1; CA2429377C

Abstract

노즐을 통한 유체유동을 구체화하는 통합형 배플. 재료의 절단, 용접 및 열처리에 사용된 처리장치의 품질 및 정확도를 개선시키기 위하여, 자체정렬 노즐은 통합형 배플을 포함한다. 이러한 통합형 배플은 금속성 그리드(예를 들어, 스크린) 또는 다른 형태의 멤브레인(예를 들어, 기공성, 투과성 등)일 수 있다. 처리장치에서 초기 사용동안, 이러한 통합형 배플은 레이저 빔 또는 플라즈마 제트와 같은 에너지 빔으로 재단되어 최적의 유체흐름 속도형상을 생성한다. 통합형 배플이 사용으로 나빠진 때, 다른 배플에 의해서 또는 원래 위치에서 교체기구를 사용함으로써 용이하게 교체된다. 노즐과 에너지 빔 사이에서 적절한 정렬을 확보하기 위하여, 정합형 구획면은 인접하는 부품들 사이에 사용된다. 나사면은 또한 적절한 동축 정렬을 달성하는 데 조력하도록 채용될 수 있다.

통합형 배플, 멤브레인, 에너지 빔, 오리피스

Description

통합형 노즐 배플 장치 및 방법{CONFIGURABLE NOZZLE BAFFLE APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 재료처리장치에 관한 것이고, 특히 그에 사용된 노즐과 이러한 노즐을 통과하는 유체를 조절하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 양수인에게 양도된 "재료처리장치 내의 개선된 소모품 정렬의 장치 및 방법" 제하의 계류중인 출원번호 제09/631,814호는 본 명세서에 참조문헌으로 합체된다.

레이저 및 플라즈마 아크토치와 같은 재료처리장치는 금속성 재료의 절단, 용접 및 열처리에 널리 사용된다. 레이저-기반 장치는 일반적으로, 가스 흐름과 레이저 빔이 가공물과 상호작용하도록 관통하는 노즐을 포함한다. 레이저 빔은 가공물을 가열시킨다. 빔과 가스 흐름은 오리피스를 통해서 노즐로부터 방출하여 가공물의 목표구역에 충돌한다. 가스와 가공물 재료 사이의 화학반응에 수반된 가공물의 파생열은 빔의 촛점과 에너지 수위에 따라서 가공물의 선택된 구역을 가열, 액화 또는 기화시키도록 작용한다. 이러한 작용은 작업자가 가공물을 절단 또는 다른 방식으로 변형시키도록 허용한다.

유사하게, 플라즈마 아크토치는 전극이 내부에 장착되어 있는 캐소드 블록과, 중심방출 오리피스가 토치본체의 내부에 장착되어 있는 노즐과, 전기 접속부와, 냉매 및 아크 제어유체용 통로와, 상기 전극과 노즐 사이에 형성된 플라즈마 챔버에서 유체 유동패턴을 제어하는 소용돌이형 링(swirl ring)과, 동력원을 포함한다. 토치는 노즐 오리피스를 통해 방출하고 가공물에 충돌하는 고온이면서 높은 운동량을 갖는 플라즈마 가스의 한정된 이온화 제트인 플라즈마 아크를 생성한다. 토치에 사용된 가스는 비활성(예를 들어, 아르곤 또는 질소)이거나 활성(예를 들어, 산소 또는 공기)일 수 있다.

재료처리의 결과가 양질인 것이 바람직하다. 예를 들어, 레이저 및 플라즈마 절단방식에 의해 생성된 절단면(cutting kerf)의 에지는 직선이면서 균일하여야 한다. 예를 들어, 레이저에 의한 가공물의 불균일한 가열, 보조가스와 가공물 사이의 과도한 화학반응 또는 절단 찌꺼기(debris)의 불완전한 제거에 의해 야기된 에지부 요철은 최소화되어야 한다.

처리 품질을 개선시키기 위한 한가지 방법은 가공물에 충돌하는 가스 흐름을 최적화시킴으로써 에너지 빔과 일치시키는 것이다. 때때로 "보조가스" 또는 "절단가스"로 칭해지는 가스는 단일 노즐 또는 다수의 노즐을 통해 공급될 수 있다. 단일 노즐의 경우에, 보조가스의 흐름은 요구된 흐름특성을 달성하기 위한 노즐 형상에 의해서 최적화될 수 있다(예를 들어, 미국특허 제6,118,097호와 일본특허 제8118063호 참조). 다중 노즐의 설계의 경우에, 부가적인 노즐들은 불연속적 또는 비대칭적 패턴으로 중심노즐의 주위에 분포될 수 있다(예를 들어, 미국특허 제5,786,561호 참조).

산소보조 레이저 절단방식의 경우에, 보조가스의 흐름은 액체의 완전한 제거(드로스가 없는 상태)를 확보하기 위하여 액화된 재료에 충분한 전단력을 제공하도록 조정되어야 한다. 동시에, 가공물 산화의 수준은 과도한 재료 제거를 방지하도록 조절되어야 한다. 이들 2개의 제한요소는 산소 분사속도가 액상금속을 효과적으로 제거하도록 증가되어야 하기 때문에 대부분의 레이저 절단응용에서 서로 대립한다. 그러나, 노즐 직경이 레이저 빔보다 그리고 절단면 너비보다 크기때문에, 증가된 산소 분사속도는 절단면 유입지역 근처에서 정체압력을 증가시키고 이는 불필요한 재료의 연소 및 불량한 절단품질을 진행시킨다.

시스템 성능을 개선시키기 위하여 가스압력을 증가시키는 것은 단점들을 갖는다. 첫째, 가스 소모량을 증가시킨다. 이것은 절단장치의 작동효율을 저감시킨다.

둘째, 가스압력을 증가시키는 것은 반응가스가 사용된 때 '과연소'에 기인하여 레이저 절단의 너비를 증가시킬 수 있다. 이것은 증가된 압력이 (예를 들어, 산화를 향상시킴으로써) 레이저 빔의 크기를 넘어서 가스와 가공물 사이에서 반응의 물리적 개념을 확장시키기 때문이다. 이것은 일반적으로 협소한 절단이 바람직한 재료처리산업에서 불필요하다.

최종적으로, 증가된 가스압력은 절단면의 상부면을 손상시키는 경향이 있어서 '울퉁불퉁한'(ragged) 또는 '들쭉날쭉한'(jagged) 에지를 야기시킨다. 이것의 한가지 표시는 절단단편이 분리되지 않을 때 이들의 인접한 절단면 상에서의 불규칙성 때문에 발생한다.

다중 오리피스를 갖는 노즐은 가공물에 충돌하기 위한 가스흐름을 변형시키도록 사용될 수 있다. 이러한 노즐은 레이저 빔과 가스가 특대형(oversized)의 중심 오리피스를 통과하도록 허용한다. 중심 오리피스를 동심원으로 또는 주변둘레에 둘러싸는 다수의 다른 오리피스도 가공물에 가스를 전달할 수 있다. 이것의 예는 다수의 소형인 주변 오리피스가 대형의 중심 오리피스를 둘러싸는 '샤워 노즐'이다. 다중 오리피스를 갖는 노즐에서, 각각의 오리피스를 다른 오리피스로부터 격리시키는 것이 가능하다. 이것은 예를 들어 각각의 오리피스가 노즐 아래에 위치된 가공물의 상이한 영역에서 개별적인 가스흐름을 상이한 압력으로 전달하도록 허용한다. 가스흐름의 이러한 재단(tailoring)을 통해서, 절단면의 품질이 개선될 수 있다. 예를 들어, 고압의 가스흐름을 활용한 절단구역(예를 들어, 절단면의 깊은 부분)은 그 구역에 인접한 노즐의 하나 이상의 오리피스를 통해서 전달될 수 있는 흐름에 영향을 받을 것이다. 반대로, 저압의 가스흐름이 보다 많이 작용하는 가공물 구역(예를 들어, 절단면의 상부영역)은 그 구역에 인접한 하나 이상의 다른 오리피스로부터 저압의 흐름을 받을 것이다. 다중 오리피스를 갖는 노즐이 제조하기에 복잡할 수 있다는 것을 인식하여야 한다. 또한, 특정 가스흐름과 가공물의 선택된 구역 사이에서 위치결정의 정확도를 달성하기 위해서는 레이저 빔과 노즐의 센터라인 사이에서의 정렬을 유지하는 것을 요구한다. 이것은 전형적인 우툴두툴한(rugged) 현장환경에서 달성하는 것이 어려울 수 있다.

재료처리장치의 작동에서 중요한 것은 절단면의 정확도이다. 예를 들어, 노즐 오리피스의 센터라인에 대한 레이저 빔의 배치는 정확도에 영향을 미친다. 절단면의 방향에 따라서, 어떠한 오정렬은 부적합한 크기와 변형된 에지를 갖는 가공물의 생산을 야기시킬 수 있다. 또한, 노즐 오리피스의 비대칭 마모는 에너지 소스가 플라즈마 제트인 때 발생하여, 노즐의 조속한 교환을 요구한다. 노즐 교체는 현장에서, 전형적으로 열악한 조건하에서 수행되기 때문에, 에너지 빔과 가스흐름의 적절한 정렬은 신속하면서 어려움없이 수행되는 것이 바람직하다.

상기 내용으로부터, 고품질이면서 정확한 절단면을 생성하기에 필요한 가스 분사속도의 프로파일(profile)을 생성할 수 있는 저렴하면서, 쉽게 제작가능하고 용이하게 교체가능한 노즐에 대한 필요가 존재한다는 것은 명백할 것이다.

본 발명은 예를 들어, 가공물에 형성되는 절단면의 품질과 정확도를 개선시키는 가스 분사속도 프로파일을 생성하는 배플(baffle)을 갖는 노즐을 포함한 재료처리장치를 특징으로 한다. 부가적으로, 상기 노즐은 재료처리장치의 구성요소인 에너지 빔의 축과 자체정렬하고, 또한 정확도를 개선시키며 그의 작동수명을 증가시킨다. 배플의 교정(calibration) 및 노즐의 정렬은 사용자의 개입이 거의 없이 이루어져서 본 발명품을 간단하게 조작하도록 하며, 이는 전형적으로 우툴두툴한 현장조건 하에서 요구된다.

일 실시예에서, 재료처리장치는 에너지 빔을 생성하는 레이저 또는 플라즈마 소스와 같은 에너지 소스를 포함한다. 상기 빔은 보조가스와 같은 유체를 수용하기 위하여 챔버, 즉 플레넘(plenum)을 포함하는 처리헤드 조립체(processing head assembly)로 진행한다. 처리헤드 조립체는 또한 중심방출 오리피스를 갖는 노즐과 통합형 배플(configurable baffle)을 포함한다. 통합형 배플은 노즐의 중심방출 오리피스에 배치된다. 통합형 배플은 노즐의 중심방출 오리피스와 실질적으로 일치하고 빔의 진행축에 수직인 개구를 구비할 수 있다. 상기 개구는 빔의 단면적에 실질적으로 등가(equivalent)인 크기를 갖도록 에너지 빔에 의해서 형성될 수 있다. 상기 빔과 유체는 통합형 배플과 오리피스를 통과하여 상기 유체가 한정된 분사속도의 프로파일로 오리피스로부터 방출하도록 야기시킨다.

다른 실시예에서, 처리헤드 장치는 유체를 수용하기 위한 챔버 또는 플레넘(plenum)과, 중심방출 오리피스를 갖는 노즐과, 통합형 배플을 포함한다. 유체는 통합형 배플과 오리피스를 통과하고, 한정된 분사속도 프로파일(velocity profile)로 상기 오리피스로부터 방출한다. 통합형 배플은 노즐의 중심방출 오리피스에 배치된다. 통합형 배플은 노즐의 중심방출 오리피스와 실질적으로 일치하는 개구를 가질 수 있다. 이 개구는 레이저 빔 또는 플라즈마와 같은 에너지 빔의 진행축에 수직이다. 상기 개구는 에너지 빔에 의해 형성될 수 있고, 결과적으로 빔의 단면적에 실질적으로 등가인 크기를 갖는다.

통합형 배플은, 예를 들어 분배형 유동저항 구조체일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이 구조체는 예를 들어 그리드(grid)와 같이 구조화된 금속성 소자를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 이 구조체는 투과성 또는 기공성 멤브레인일 수 있다.

또 다른 실시예에서, 레이저 장착형 재료처리장치는 미리 결정된 축방향의 범주에 걸쳐서 구획된 표면을 갖는 노즐본체를 구비한 노즐을 포함한다. 처리헤드 조립체에 장착될 때, 노즐본체의 구획된 표면은 인접하는 구조체와 결합하고, 그에 의해서 노즐본체의 축을 처리헤드 조립체의 축과 정렬시킨다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 재료처리장치에 사용된 소모품을 특징으로 한다. 상기 소모품은 중심방출 오리피스를 갖는 노즐과 상기 노즐을 둘러싸는 외부부재를 포함한다. 상기 외부부재는 노즐의 중심방출 오리피스와 정렬하는 외부의 중심방출 오리피스를 갖는다. 본 실시예에서, 통합형 배플은 오리피스와 일치하도록 노즐과 외부부재에 상대적으로 배치된다. 외부부재는, 예를 들어 제2(또는 "외부") 노즐일 수 있고, 이에 의해서 2개 단품(two-piece)의 노즐 구조체를 형성한다. 외부부재는 또한 장치작동 동안 노즐에 대한 손상을 최소화시키기 위하여 사용될 수 있는 실드(shield)일 수 있다. 상기 소모품은 또한 처리헤드 조립체에 장착될 때 인접하는 구조체에 결합하기 위한 나사면(threaded surface)을 구비할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 소모품 내의 통합형 배플은 소정량의 배플재료를 포함한다. 이 배플재료의 일부가 사용으로 손상되면, 노즐의 중심방출 오리피스로부터 제거되고 배플재료의 신규부분으로 대체될 수 있다. 배플재료를 이동시키기 위한 기구(mechanism)는, 예시의 방식으로, 사용되지 않은 배플재료를 보유하는 공급릴(supply reel)과 사용된 배플재료를 수용하는 테이크-업 릴(take-up reel)을 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명은 중심방출 오리피스를 갖는 노즐과 상기 오리피스에 상대적으로 배치된 통합형 배플을 특징으로 한다. 통합형 배플은, 예를 들어 중심방출 오리피스와의 억지끼움(friction fit)을 달성하도록 치수화된 프레임을 포함할 수 있다. 바람직하게, 통합형 배플은 중심방출 오리피스와 실질적으로 일치하는 개구를 갖는다. 상술된 바와 같이, 상기 개구는 배플에 충돌하거나 관통하는 에너지 빔의 진행축에 수직이다. 개구는 에너지 빔에 의해서 형성되고, 결과적으로 빔의 단면적에 실질적으로 등가인 크기를 갖는다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 처리헤드 조립체에서 노즐에 상대적으로 배치된 통합형 배플을 형성하는 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은, 예를 들어 노즐의 중심방출 오리피스에 통합형 배플을 고정시키는 단계와, 에너지 소스로부터 에너지 빔을 방사시키는 단계와, 통합형 배플로 상기 빔을 지향시키는 단계를 포함한다. 그 결과는 통합형 배플의 일부를 선택적으로 제거하는 것이고, 이에 의해서 중심방출 오리피스와 일치하는 배플 개구를 한정한다. 에너지 소스는, 예를 들어 레이저 또는 플라즈마 소스일 수 있어서, 에너지 빔을 레이저 빔 또는 플라즈마 제트(jet)로 각각 형성한다.

본 발명의 일 실시예는 가공물을 처리하는 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은, 예를 들어 에너지 소스와 챔버, 노즐 및 통합형 배플을 갖는 처리헤드 조립체를 제공하는 단계를 포함한다. 통합형 배플은 노즐에 상대적으로 배치되고 상기 노즐은 중심방출 오리피스를 포함한다. 노즐과 통합형 배플은 보조가스가 지향되도록 유체가 소통가능한 방식으로 챔버에 연결된다. 일반적으로, 에너지 소스는 통합형 배플과 중심방출 오리피스를 통해서 에너지 빔을 전송하도록 작용된다. 보조가스는 또한 통합형 배플과 중심방출 오리피스를 통해서 이동한다. 가스는 전형적으로 에너지 빔을 둘러싸는 영역에서의 통합형 배플에 의해 에너지 빔의 단면적을 통한 유체속도에 비해 상대적으로 감소된 유체속도로 중심방출 오리피스를 방출한다. 상술된 바와 같이, 에너지 소스는 예를 들어 레이저 또는 플라즈마 소스일 수 있어서 에너지 빔을 레이저 빔 또는 플라즈마 제트로 각각 형성한다.

예시된 구조에서, 본 발명의 실시예는 가스 소스와, 레이저 빔을 제공하는 레이저 소스와, 처리헤드 조립체를 포함하는 재료처리장치를 특징으로 한다. 처리헤드 조립체는 레이저 소스와 임의적으로 소통하고, 유체가 소통가능한 방식으로 가스를 수용하는 플레넘에 연결된다. 처리헤드 조립체에 포함된 것은 레이저 빔과 가스가 통과하는 중심방출 오리피스를 갖는 노즐이다. 중심방출 오리피스를 통과하는 가스유동을 형상화하기 위하여, 통합형 배플은 노즐에 상대적으로 배치된다. 통합형 배플은 레이저 빔의 진행축에 수직이고 중심방출 오리피스와 실질적으로 일치하는 개구를 갖는다. 바람직하게, 개구의 치수는 레이저 빔의 단면적에 실질적으로 등가이다. 일 실시예에서, 이것은 개구를 형성하는 레이저 빔을 구비함으로써 달성된다.

다른 예의 구조에서, 본 발명의 실시예는 가스를 수용하기 위한 플레넘 및 유체가 소통가능한 방식으로 상기 플레넘에 연결되는 노즐을 포함하는 처리헤드 조립체를 특징으로 한다. 노즐은 중심방출 오리피스를 포함하고 통합형 배플은 상기 노즐에 상대적으로 배치된다. 통합형 배플은, 예를 들어 금속성 그리드(예를 들어, 스크린)일 수 있다. 상술된 바와 같이, 통합형 배플은 레이저 빔의 진행축에 수직이고 중심방출 오리피스에 실질적으로 일치하는 개구를 갖는다. 바람직하게, 개구의 크기는 레이저 빔의 단면적에 실질적으로 등가이다. 일 실시예에서, 이것은 개구를 형성하는 레이저 빔을 구비함으로써 달성된다.

본 발명의 다른 특징 및 장점들은 단지 예시의 방법으로 본 발명의 원리를 나타내는 첨부도면과 합체하여 하기 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명 자체뿐만 아니라 본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부도면과 함께 판독할 때 다양한 실시예의 하기 설명으로부터 완전하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 재료처리장치의 블록도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 처리헤드 조립체의 단면도이다.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 노즐의 확대 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소모품의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 재생가능한 배플 구조체의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 억지끼움 구조의 단면도이다.

예시의 목적으로 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시스템은 가공물에 형성된 절단면의 품질 및 정확도를 개선시키고 보정 및 정렬을 위한 사용자의 개입을 필요로 하지 않는다. 본 발명에 따른 재료처리장치용 노즐은 통과하는 유체(예를 들어, 가스)의 유동을 형상화시키는 통합형 배플을 포함한다. 배플은 예를 들어 처리장치에 의해서 생성된 충돌형 에너지 빔에 의해 형성된 개구를 가질 수 있다. 결론적으로, 이 개구는 에너지 빔의 단면적과 동축이면서 실질적으로 동가인 크기를 갖는다. 이 형상은 오정렬에 관련된 문제점을 회피하면서 에너지 빔 내에서 그리고 그 주위에서 유체 유동을 재단하기 위한 간단하면서 비용효과적인 방식을 나타낸다. 이것은 또한 노즐, 배플 및 사용된 특정 재료처리장치들 사이에서 밀접한 결합을 야기시킨다.

도 1은 재료처리 시스템(100)의 실시예의 단면도를 나타낸다. 에너지 소스(102)는 에너지 빔(110)을 생성하고 이것을 처리헤드 조립체(104)로 전송한다. 유체 소스(106)는 보조가스와 같은 유체를 처리헤드 조립체(104)에 공급한다. 노즐(108)은 처리헤드 조립체(104) 내에 배치된다. 처리헤드 조립체(104)는 또한 유체 소스(106)에 의해 공급된 유체를 수용하기 위한 챔버(114)를 포함할 수 있다. 에너지 빔(110)과 유체는 노즐(108)을 통과하고 가공물(112)에 충돌하여 가공물(112)을 절단, 용접, 열처리 또는 다른 방식으로 변형시킨다.

일 실시예에서, 에너지 소스(102)는 플라즈마 소스이고 에너지 빔(110)은 플라즈마이다. 다른 실시예에서, 에너지 소스(102)는 레이저이고 에너지 빔(110)은 레이저 빔이다. 플라즈마 범주에서, 챔버(114)는 플라즈마 챔버의 형태일 수 있다. 레이저 범주에서, 챔버(114)는 플레넘의 형태일 수 있다.

도 2는 처리헤드 조립체(104)와 노즐(108)의 추가적인 상세도를 나타낸다. 도 2a는 노즐(108)의 일부의 확대도를 제공한다. 노즐은 중심방출 오리피스(206)를 포함한다. 통합형 배플(202)은 노즐(108)에 대해 배치된다. 통합형 배플(202)은 에너지 빔(110)의 진행축에 수직이고 중심방출 오리피스(206)와 실질적으로 일치하는 개구(204)를 포함한다.

일 실시예에서, 통합형 배플(202)은 그의 최초 사용전에 개구(204)를 포함하지 않는다. 통합형 배플(202)의 최초 사용시에, 에너지 빔(110)이 충돌하여 통합형 배플(202)의 일부를 선택적으로 제거한다. 이 부분은 에너지 빔(110)의 단면적에 실질적으로 등가인 크기를 갖는다. 이러한 선택적 제거는 개구(204)를 형성하기 때문에, 상기 개구는 또한 에너지 빔(110)의 단면적에 실질적으로 등가인 크기를 갖는다.

통합형 배플(202)은 노즐(108)을 통과하는 보조가스와 같은 유체의 흐름의 속도분배를 형성하도록 작용하는 분배형 유동저항 구조체로서 작용한다. 일 실시예에서, 통합형 배플(202)은 금속이다. 다른 실시예에서, 통합형 배플(202)은 그리드, 투과성 멤브레인 또는 기공성 멤브레인이다. 통합형 배플(202)의 성분에 무관하게, 개구(204)는 노즐(108)과 통합형 배플(202)이 재료처리장치에 장착된 때 에너지 빔(110)에 의해서 통합형 배플(202)의 일부의 선택적인 제거에 의해서 항상 형성된다.

개선된 작동을 위하여, 노즐(108)은 처리헤드 조립체(104)의 축과 정렬되는 축을 형성하는 노즐본체를 포함한다. 이것은 가공물(112)을 향해서 중심방출 오리피스를 통과하는 에너지 빔(110)이 중심방출 오리피스(206)에 중심설정되도록 한다. 이러한 정렬을 유지하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 노즐(108)은 미리 정해진 축범주에 걸쳐서 구획된 구획표면(208)을 갖는 노즐본체를 포함한다. 구획표면(208)은 처리헤드 조립체(104)에 장착되는 경우에 처리헤드 조립체(104)의 인접하는 구조체와 정합한다. 이러한 정합작동은 노즐(108)과 처리헤드 조립체(104)의 축상 정렬을 야기시키고, 이에 의해서 정확도와 품질을 개선시키고 장치의 작동수명을 연장시킨다.

처리헤드 조립체(104)의 "작업단부"(working end)는 가공물(112)에 근접한 부분이다. 작업단부는 전형적으로 재료처리동안 가공물(112) 상에 제공된 열악한 조건에 직접 노출되기 때문에 사용으로 나빠진다. 이들 조건은 예를 들어 반응가스의 고온 및 국부적 분위기를 포함한다. 장치의 작동수명을 적절하게 조작하고 연장하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 작업단부에 2개 단품의 소모품을 제공한다. 도 3에서 설명된 바와 같이, 이러한 소모품(300)은 내부노즐 부품(302)과 상기 내부노즐 부품(302)을 둘러싸는 외부부재(304)를 포함한다. 내부노즐 부품(302)은 내부노즐 중심방출 오리피스(306)를 포함하고 외부부재(304)는 외부중심방출 오리피스(308)를 포함한다. 통합형 배플(202)은 내부노즐 부품(302)과 외부부재(304)에 대해 배치된다. 통합형 배플(202)은 내부노즐 중심방출 오리피스(306) 및 외부중심방출 오리피스(308)와 일치하도록 배치된다.

다른 실시예는 외부부재(304)가 다른 노즐(즉, "외부노즐") 또는 실드인 경우의 것들을 포함한다. 어떠한 경우에 있어서도 이러한 구성의 목적은 사용으로 손상되는 작업단부의 부분들을 용이하게 대체하도록 허용하는 것이다. 소모품은 또한 처리헤드 조립체(104)에 장착되는 경우에 인접하는 구조체의 정합하는 나사면과 결합하는 나사면을 포함할 수 있다.

소모품의 교체 후에 적절한 정렬결과를 확보하기 위하여, 둘러싸는 구획 표면(310, 312)은 내부노즐 부품(302)과 외부부재(304)에 채용된다. 둘러싸는 구획 표면(310, 312)은 인접하는 구조체와 정합하고 이에 의해서 내부노즐 부품(302)과, 외부부재(304)와, 에너지 빔(110)의 축상 정렬을 야기시킨다. 이것은 정확도와 품질을 개선시키고 장치의 작동수명을 연장한다.

작동동안, 통합형 배플(202)은 사용으로 나빠지므로 교체되어야 한다. 이러한 교체를 용이하게 하고 잠재적인 시간 소모성 분해 및 재조립 과정을 피하기 위하여, 다른 실시예는 통합형 배플(202)의 원래 위치에서의 교체를 허용한다. 도 4는 갱신가능한 배플 구조체(400)로서 이러한 실시예를 나타낸다. 이러한 실시예는 소정량의 배플재료(402)와 상기 배플재료(402)를 이동시키기 위한 기구(mechanism)을 포함한다. 이러한 이동은 전형적으로 손상된 부분인 배플재료(402)의 일부가 내부노즐 중심방출 오리피스(306)를 떠나서 이동하도록 야기시킨다. 이러한 이동은 또한 전형적으로 사용되지 않은 부분인 배플재료(402)의 다른 부분이 내부노즐 중심방출 오리피스(306)와 일치하는 위치까지 이동하게 되도록 야기시킨다.

상술된 바와 같이, 배플재료의 사용되지 않은 부분에 개구는 없다. 본 발명의 실시예에 따르면, 에너지 빔(110)은 배플재료(402)에 충돌하고 이에 의해서 그의 일부를 선택적으로 제거한다. 이 부분은 에너지 빔(110)의 단면적에 실질적으로 등가인 크기를 갖는다. 이러한 선택적인 제거는 배플재료(402)에 에너지 빔(110)의 단면적에 실질적으로 등가인 크기를 갖는 개구를 형성한다.

배플재료(402)를 이동시키는 기구는 기술분야에 공지된 편리한 디자인을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 기구는 배플 테이크-업 릴(404)과 배플 공급릴(406)을 포함한다. 배플재료(402)의 사용되지 않은 부분은 배플 공급릴(406)에 배치된다. 배플재료(402)의 사용에 의해서 손상된 부분은 배플 테이크-업 릴(404)에 배치된다. 배플재료(402)의 현장에서의 교체동안, 릴(404, 406)은 내부노즐 중심방출 오리피스(306)와 일치하는 위치로 배플재료(402)의 사용되지 않은 부분을 이동시키도록 작동(예를 들어, 회전)하게 된다. 배플재료(402)의 손상된 부분은 내부노즐 중심방출 오리피스(306)로부터 배플 테이크-업 릴(404)로 동시에 이동하게 된다. 이 후에, 에너지 빔(11)은 배플재료(402)에 개구를 형성하도록 작동하게 된다. 개구가 배플재료(402)에 형성되어서 장치를 사용가능하게 준비한다.

본 발명의 다른 실시예는 억지끼움 구조(500)를 나타내는 도 5에 도시된다. 본 실시예에서, 통합형 배플(202)은 자신과 중심방출 오리피스(206) 사이에 억지끼움을 제공하는 구조를 갖는다. 이것은 통합형 배플(202) 주위에 프레임(미도시)을 포함함으로써 달성된다. 이 프레임은 억지끼움을 형성하도록 치수화된다. 통합형 배플(202)이 사용으로 손상되면, 작업자는 마찰력을 극복하여 이것을 제거한다. 이 후에, 작업자는 예를 들어 신규의 통합형 배플(202)을 중심방출 오리피스(206)에 물리적으로 가압함으로써 프레임을 갖는 신규의 통합형 배플(202)을 중심방출 오리피스(206)에 삽입시킨다. 적절하게 치수화된 프레임에 의해서 야기되어 발생하는 마찰력은 중심방출 오리피스(206)에 통합형 배플(202)을 고정시키기에 충분하다. 상술된 다른 실시예에 유사하게, 에너지 빔(110)은 에너지 빔의 진행축에 수직인 통합형 배플(202)에 개구를 형성한다. 이러한 개구(도 5에 도시하지 않음)는 중심방출 오리피스(206)에 실질적으로 일치하고 에너지 빔(110)의 단면적에 실질적으로 등가인 크기를 갖는다. 이것은 통합형 배플(202)을 사용가능하게 준비한다.

본 발명의 다른 실시예는 처리헤드 조립체에 사용된 노즐에 대해 배치된 통합형 배플을 형성하기 위한 방법을 포함한다. 이 방법은 노즐의 중심방출 오리피스에 상대적으로 통합형 배플을 고착시키는 단계와, 에너지 소스로부터 에너지 빔을 방사시키는 단계와, 에너지 빔을 통합형 배플로 지향시키는 단계를 포함한다. 이 후에, 에너지 빔은 통합형 배플의 일부를 선택적으로 제거하고, 이에 의해서 통합형 배플에 개구를 한정한다. 에너지 빔이 개구를 형성하기 때문에, 개구는 중심방출 오리피스와 일치하고 에너지 빔의 단면적에 실질적으로 등가인 크기를 갖는다. 일 실시예에서, 에너지 소스는 플라즈마 소스일 수 있고 에너지 빔은 플라즈마일 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지 소스는 레이저 소스일 수 있고 에너지 빔은 레이저 빔일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 가공물을 처리하는 방법을 포함한다. 본 실시예에서, 에너지 소스 및 처리헤드 조립체가 제공된다. 처리헤드 조립체는 챔버와, 중심방출 오리피스를 갖는 노즐과, 노즐에 상대적으로 배치된 통합형 배플을 포함한다. 노즐과 통합형 배플은 유체가 소통가능한 방식으로 챔버에 연결된다.

에너지 소스는 에너지 빔이 통합형 배플과 중심방출 오리피스를 통과하도록 작동하게 된다. 동시에, 보조가스는 통합형 배플과 중심방출 오리피스로 전송하기 위해 챔버로 지향된다. 통합형 배플은 에너지 빔에 의해서 형성된 개구를 포함한다. 이 개구는 에너지 빔의 진행축에 수직이고, 중심방출 오리피스와 일치하며, 에너지 빔의 단면적에 실질적으로 등가인 크기를 갖는다. 개구때문에, 에너지 빔의 주위의 가스유동의 속도는 에너지 빔의 단면적을 통한 가스흐름의 속도와 비교해서 감소된다. 이 후에, 에너지 빔과 상이한 속도의 가스흐름이 처리하기 위한 가공물로 지향된다. 일 실시예에서, 에너지 소스는 플라즈마 소스일 수 있고 에너지 빔은 플라즈마일 수 있다는 것을 인식하여야 한다. 본 실시예에서, 챔버는 플라즈마 챔버이다. 다른 실시예에서, 에너지 소스는 레이저 소스일 수 있고 에너지 빔은 레이저 빔일 수 있다. 이러한 두번째 실시예에서, 챔버는 플레넘이고 처리헤드 조립체는 레이저 소스와 광학적으로 소통한다.

상기 내용으로부터, 본 발명에 의해 제공된 통합형 배플은 재료처리장치에 사용된 보조가스와 같은 유체의 유동속도를 재단하는 단순하면서 효과적인 방식을 제공한다. 최적 이하(sub-optimal)의 유체유동에 의해서 야기된 저품질이면서 부정한 절단면의 문제점은 크게 제거된다.

기술분야에서 숙련된 당업자는 본 발명의 요지 또는 필수적인 특징으로부터 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구형될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러므로 상술된 실시예들은 본 명세서에서 설명된 본 발명의 한정보다는 모든 관점의 예시로 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명의 요지는 상술된 설명보다는 첨부된 청구범 위에 의해서 나타나게 되고, 청구범위에 등가인 수단 및 범주 내에서 다가오는 모든 변형은 그러므로 그에 포함될 수 있도록 의도된다.

Claims

에너지 빔을 제공하는 에너지 소스와;

유체와 에너지 빔을 통과시키기 위해 유체 소스 및 에너지 소스와 소통하는 처리헤드 조립체와;

상기 처리헤드 조립체에 배치되고, 상기 유체와 에너지 빔이 통과하는 중심방출 오리피스를 한정하는 노즐과;

상기 노즐에 대해서 배치되어 상기 중심방출 오리피스를 통과하는 유체흐름을 형성하기 위한 통합형 배플로 이루어진 재료처리장치.
제1항에 있어서,

상기 에너지 소스는 플라즈마 소스로 이루어지고 상기 에너지 빔은 플라즈마로 이루어진 재료처리장치.
제1항에 있어서,

상기 에너지 소스는 레이저 소스로 이루어지고 상기 에너지 빔은 레이저 빔으로 이루어진 재료처리장치.
제1항에 있어서,

상기 처리헤드 조립체는 상기 유체를 수용하기 위한 챔버를 더 포함하는 재 료처리장치.
제4항에 있어서,

상기 챔버는 플레넘(plenum)인 재료처리장치.
제4항에 있어서,

상기 챔버는 플라즈마 챔버인 재료처리장치.
제1항에 있어서,

상기 통합형 배플은 에너지 빔의 진행축에 수직인 개구를 한정하고, 상기 개구는 상기 중심방출 오리피스와 일치하고, 상기 개구는 상기 에너지 빔의 단면적에 등가인 크기를 갖는 재료처리장치.
유체를 수용하기 위한 챔버와;

유체가 소통가능한 방식으로 상기 챔버에 연결되고, 상기 유체가 통과하는 중심방출 오리피스를 한정하는 노즐과;

상기 노즐에 대해 배치되어서 상기 중심방출 오리피스를 통과하는 유체흐름을 구체화하는 통합형 배플로 이루어진 처리헤드 조립체.
제8항에 있어서,

상기 챔버는 플레넘인 처리헤드 조립체.
제8항에 있어서,

상기 챔버는 플라즈마 챔버인 처리헤드 조립체.
제8항에 있어서,

상기 통합형 배플은 충돌하는 에너지 빔의 진행축에 수직인 개구를 한정하고, 상기 개구는 상기 중심방출 오리피스와 일치하고, 상기 개구는 상기 에너지 빔의 단면적에 등가인 크기를 갖는 처리헤드 조립체.
제11항에 있어서,

상기 에너지 빔은 플라즈마로 이루어진 처리헤드 조립체.
제11항에 있어서,

상기 에너지 빔은 레이저 빔으로 이루어진 처리헤드 조립체.
제8항에 있어서,

상기 통합형 배플은 유동의 속도분배를 구체화시키도록 의도된 분배형 유동저항 구조체로 이루어진 처리헤드 조립체.
제14항에 있어서,

상기 분배형 유동저항 구조체는 금속성 요소를 더 포함하는 처리헤드 조립체.
제14항에 있어서,

상기 분배형 유동저항 구조체는 그리드를 더 포함하는 처리헤드 조립체.
제14항에 있어서,

상기 분배형 유동저항 구조체는 투과성 멤브레인을 더 포함하는 처리헤드 조립체.
제14항에 있어서,

상기 분배형 유동저항 구조체는 기공성 멤브레인을 더 포함하는 처리헤드 조립체.
레이저 장착된 재료처리장치에 사용하기 위한 노즐에 있어서,

축을 형성하는 노즐본체-상기 노즐본체는 처리헤드 조립체에 장착될 때 상기 노즐의 축을 상기 처리헤드 조립체의 축과 정렬시키기 위하여 인접하는 구조체와 정합하도록 미리 정해진 축범주에 걸쳐서 구획된 외부면을 구비함-를 포함하는 노즐.
재료처리장치에 사용하기 위한 소모품에 있어서,

내부노즐 중심방출 오리피스를 갖는 내부노즐 부품과;

외부부재와 내부노즐 부품 사이에서 견고한 억지끼움을 달성하기 위하여 상기 내부노즐 부품을 둘러싸는 외부부재-상기 외부부재는 상기 내부노즐 중심방출 오리피스와 정렬된 외부중심방출 오리피스를 구비함-와;

상기 내부노즐 부품과 외부부재에 상대적으로 배치된 통합형 배플-상기 통합형 배플은 내부노즐 중심방출 오리피스 및 외부중심방출 오리피스와 일치함-로 이루어진 소모품.
제20항에 있어서,

상기 외부부재는 외부노즐을 더 포함하는 소모품.
제20항에 있어서,

상기 외부부재는 실드를 더 포함하는 소모품.
제20항에 있어서,

상기 통합형 배플은 소정량의 배플재료와, 상기 배플재료의 손상된 부분을 상기 내부노즐 중심방출 오리피스로부터 이격된 위치까지 이동시키고 상기 배플재료의 사용되지 않은 부분을 상기 내부노즐 중심방출 오리피스와 일치하는 위치까지 이동시키는 기구를 더 포함하는 소모품.
제23항에 있어서,

상기 기구는 상기 배플재료의 손상된 부분이 배치되는 배플 테이크-업 릴과, 상기 배플재료의 사용되지 않은 부분이 배치되는 배플공급 릴을 더 포함하는 소모품.
제20항에 있어서,

처리헤드 조립체에 장착된 때 인접하는 구조체의 정합형 나사면과 결합하기 위한 나사면을 더 포함하는 소모품.
중심방출 오리피스를 한정하는 노즐과;

상기 노즐의 오리피스에 상대적으로 배치된 통합형 배플로 이루어진 노즐장치.
제26항에 있어서,

상기 통합형 배플은 상기 중심방출 오리피스와 억지끼움을 달성하도록 치수화된 프레임을 더 포함하는 노즐장치.
제26항에 있어서,

상기 통합형 배플은 충돌하는 에너지 빔의 진행축에 수직인 개구를 한정하고, 상기 개구는 상기 중심방출 오리피스와 일치하고, 상기 개구는 에너지 빔의 단면적에 등가인 크기를 갖는 노즐장치.
처리헤드 조립체에 사용하기 위한 노즐에 상대적으로 배치된 통합형 배플을 형성하는 방법에 있어서,

상기 통합형 배플을 상기 노즐의 중심방출 오리피스에 대해서 고정시키는 단계와;

에너지 소스로부터 에너지 빔을 방사하는 단계와;

상기 통합형 배플의 일부를 선택적으로 제거하도록 상기 통합형 배플로 상기 에너지 빔을 지향시키는 단계-이에 의해서 상기 중심방출 오리피스와 일치하는 배플 개구를 한정함-;로 이루어진 방법.
제29항에 있어서,

상기 에너지 소스는 플라즈마 소스를 더 포함하고 상기 에너지 빔은 플라즈마를 더 포함하는 방법.
제29항에 있어서,

상기 에너지 소스는 레이저 소스를 더 포함하고 상기 에너지 빔은 레이저 빔을 더 포함하는 방법.
가공물을 처리하는 방법에 있어서,

에너지 소스를 제공하는 단계와;

챔버와, 중심방출 오리피스를 한정하는 노즐과, 상기 노즐에 상대적으로 배치된 통합형 배플을 구비한 처리헤드 조립체를 제공하는 단계-상기 노즐과 상기 통합형 배플은 유체가 소통가능한 방식으로 상기 챔버에 연결됨-와;

상기 통합형 배플과 중심방출 오리피스를 통과하는 에너지 빔을 전송하도록 상기 에너지 소스를 작동시키는 단계와;

보조가스를 상기 통합형 배플 및 중심방출 오리피스까지 전달하도록 상기 챔버로 지향시키는 단계-이에 의해서 상기 에너지 빔을 둘러싸는 가스흐름의 속도를 상기 에너지 빔의 단면적을 통과하는 가스흐름의 속도에 비해 상대적으로 감소시킴-와;

상기 에너지 빔을 상기 가공물에 지향시키는 단계로 이루어진 방법.
제32항에 있어서,

상기 에너지 소스는 플라즈마 소스를 더 포함하고, 상기 에너지 빔은 플라즈마를 더 포함하며, 상기 챔버는 플라즈마 챔버인 방법.
제32항에 있어서,

상기 에너지 소스는 레이저 소스를 더 포함하고, 상기 에너지 빔은 레이저 빔을 더 포함하며, 상기 챔버는 플레넘인 방법.
가스 소스와;

레이저 빔을 제공하는 레이저 소스와;

상기 레이저 소스와 광학적으로 소통하는 처리헤드 조립체와;

가스를 수용하기 위한 플레넘-상기 플레넘은 유체가 소통가능한 방식으로 상기 처리헤드 조립체에 연결됨-과;

상기 처리헤드 조립체에 배치된 노즐-상기 노즐은 가스와 레이저 빔이 통과하는 중심방출 오리피스를 한정함-과;

상기 중심방출 오리피스를 통과하는 가스를 조절하도록 상기 노즐에 배치된 통합형 배플-상기 통합형 배플은 상기 레이저 빔의 진행축에 수직인 개구를 한정하고, 상기 개구는 상기 중심방출 오리피스에 일치하고, 상기 개구는 상기 레이저 빔의 단면적에 등가인 크기를 구비함-로 이루어진 재료처리장치.
가스를 수용하기 위한 플레넘과;

유체가 소통가능한 방식으로 상기 플레넘에 연결되는 노즐-상기 노즐은 중심방출 오리피스를 한정함-과;

상기 중심방출 오리피스를 통과하는 가스를 조절하도록 상기 노즐에 배치된 통합형 배플-상기 통합형 배플은 금속성 그리드를 더 포함하고 충돌하는 레이저 빔의 진행축에 수직인 개구를 한정하며, 상기 개구는 상기 중심방출 오리피스에 일치하고, 상기 개구는 상기 레이저 빔의 단면적에 등가인 크기를 구비함-로 이루어진 처리헤드 조립체.