KR101445986B1

KR101445986B1 - 각각의 레이저 펄스의 파워의 변화를 가진, 특히 용접을 위한, 펄스된 레이저 머시닝 방법 및 펄스된 레이저 머시닝 장비

Info

Publication number: KR101445986B1
Application number: KR1020137000089A
Authority: KR
Inventors: 울리히 뒤르; 크리슈토프 뤼티만; 브루노 프라이
Original assignee: 로핀-라사그 아게
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2014-09-30
Also published as: JP2013528496A; CN103108721B; EP2576125A1; HK1185308A1; EP2576125B1; US20130134139A1; CN103108721A; EP2392429A1; WO2011151136A1; SG186081A1; KR20130071463A

Abstract

레이저 머시닝 방법은 : A) 레이저 소스를 이용하여, 일련의 레이저 펄스들 (10) 로 형성된 700 나노미터와 1200 나노미터 사이의 초기 파장에서 레이저 빔을 발생시키는 단계; B) 비선형 결정을 이용하여 레이저 빔의 부분 (12) 의 주파수를 배가시키는 단계; C) 이 레이저 펄스의 주기에 걸친 파워 프로파일이 초기 서브 주기 (T1) 에서, 최대 파워 피크 또는 최대 파워를 가진 펄스 부분을 갖고, 초기 서브 주기보다 더 긴 지속기간의 중간 서브 주기 (T2) 에서, 이 중간 서브 주기 전체에 걸친 최대 파워보다 더 낮은 파워를 갖도록 각각의 방출된 레이저 펄스 (10) 동안 파워를 변화시키는 단계를 수반한다. 레이저의 파워는, 최대 파워가 레이저 펄스의 주기에 걸친 평균 파워보다 적어도 2 배 높은 값을 갖고 각각의 레이저 펄스의 처음부터 최대 파워로 증가하는데 걸리는 상승 시간이 0.3 밀리초보다 짧도록 하는 방식으로 변화된다. 머시닝 방법은 특히, 고반사성 금속들, 이를 테면 구리, 금, 은, 또는 이들 금속들 중 하나를 함유하는 합금의 용접에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 설명된 방법을 구현하기 위한 레이저 머시닝 설비에 관한 것이다.

Description

각각의 레이저 펄스의 파워의 변화를 가진, 특히 용접을 위한, 펄스된 레이저 머시닝 방법 및 펄스된 레이저 머시닝 장비{PULSED LASER MACHINING METHOD AND PULSED LASER MACHINING EQUIPMENT, IN PARTICULAR FOR WELDING, WITH VARIATION OF THE POWER OF EACH LASER PULSE}

본 발명은 레이저 용접, 특히 고반사성 재료들, 이를 테면, 구리, 금, 은, 알루미늄 또는 이들 금속들 중 하나를 함유하는 합금의 레이저 용접의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은, 코히어런트 (coherent) 광 소스가 700 나노미터와 1200 나노미터 사이의 파장을 가진 레이저 빔, 예를 들어, Nd:YAG 레이저 또는 파이버 레이저를 발생시키는, 레이저 용접 방법 및 레이저 용접 방법을 구현하기 위한 장비에 관한 것이다. 머시닝 효율을 증가시키기 위하여 레이저 빔의 주파수를 부분적으로 배가시키기 위해 비선형 결정 (non-linear crystal) 이 제공된다.

레이저 용접 장비는, 플래시 램프를 이용하여 광학적으로 펌핑되어 1064 나노미터 (nm) 의 파장을 가진 코히어런트 (coherent) 광을 발생시키는 Nd:YAG 레이저 소스, 및 공진 공동 (resonant cavity) 내에 배열된 비선형 결정 (non-linear crystal) (예를 들어, LiNbO₃ 또는 KTP) 을 포함하는 미국 특허번호 제5,083,007호로부터 알려져 있으며, 비선형 결정은 레이저 소스에 의해 발생된 광의 주파수를 부분적으로 배가시킨다. 따라서 공진 공동의 출력에는, 2 개의 파장들, 즉 1064nm (적외 광) 및 532nm (녹색 광) 로 형성된 레이저 빔이 있다. 이 문헌은 적어도 3% 광이 2F (2배 주파수) 주파수 컨버터에 의해 발생된 350nm 와 600nm 사이의 파장을 갖는 펄스된 레이저 빔을 생산하는 것을 제안한다. 바람직하게는, 레이저 펄스들은 주파수 배가된 광으로부터 적어도 3 millijoules 를 가진 적어도 30 millijoules 에너지를 갖는다. 이 펄스들의 지속기간은 0.5 밀리초 (ms) 와 5.0ms 사이가 되도록 조정된다.

미국 특허번호 제5,083,007호는 본질적으로 레이저 용접 장비에 대한 3 가지 실시형태들을 개시한다. 제 1 실시형태 (도 1) 에서는, 공동내 배열된 비선형 결정에 의해 5% 와 15% 사이의 녹색 광의 비율을 얻기 위해, 그 비선형 결정의 손상을 회피하도록 비교적 낮은 순간 파워의 레이저 빔이 발생되었다. 이 녹색 광의 비율을 증가시키기 위해, 적외 광 부분을 필터링하는 적외선 반사체 (infra-red reflector) 가 옵션으로 제공된다. 제 2 실시형태에서는, 적은 녹색 광을 반사하는 미러가 공진 공동 출력에서 선택되며, 이는 레이저 펄스들에서의 녹색 광의 양을 증가시킨다. 여기서, 적외 광과 녹색 광 사이의 비율은 고정된다는 것에 주목하게 될 것이다. 제 3 실시형태에서는, 레이저 빔에서의 이들 2 가지 타입들의 방사선 사이의 비율을 조정가능하게 하기 위해, 이들 2 가지 타입들의 방사선이 분리된 후 필터들에 의해 독립적으로 감쇠될 수도 있다. 이것은 주어진 송신된 파워에 대해 재료에 대한 입사 레이저 파워를 저감시키면서 2 가지 타입들의 방사선 사이의 비율이 변화되는 것을 허용한다. 따라서 레이저 시스템의 효율이 저감된다. 더욱이, 이 방법은 상기 비율을 변경하기 위해 적어도 하나의 감쇠기 필터를 바꿀 필요가 있기 때문에 녹색 광과 적외 광 사이의 비율이 2 개의 별개의 용접 동작들 간에 변화되는 것을 허용하는 것에 주목하게 될 것이다.

미국 특허번호 제5,083,007호에서 주어진 모든 실시형태들에서, 레이저 펄스들은 플래시 램프를 온/오프 (ON/OFF) 스위칭함으로써 형성되도록 조정된다. 그 문헌의 도 2 에 도시한 바와 같이, 이것은, 펌핑 수단이 스위칭 온되자마자, 파워 프로파일이, 그 지속기간이 펄스의 주기와 관련되는, 펌핑 수단이 액티브 상태인 동안, 즉, 펄스의 전체 구간 동안, 유지되는 최대 레벨까지 지수함수적 증가를 보인 후, 광학적 펌핑 수단이 스위칭 오프되자마자 파워가 지수함수적으로 하강하는 펄스들을 초래한다. 따라서, 각각의 펄스 동안에는 파워 프로파일의 관리 또는 제어가 없다. 파워는, 프로파일이 레이저 소스와 광학적 펌핑 수단의 물리적 특성들에만 의존하는 2 개의 단부들을 제외하고 최대로 유지된다. 그 결과, 녹색 광과 적외 광 사이의 비율은 각각의 펄스의 대부분에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지된다. 이것은 특히 고반사성 금속들의 경우 문제를 일으킨다. 실제로, 2F (2배 주파수) 결정의 컨버전 레이트는 입사 레이저 빔의 세기에 따라 증가한다.

미국 특허번호 제5,083,007호에서 제안된 레이저 빔은 로우 레벨 (OFF) 과 하이 레벨 (ON) 사이에서 광학적 펌핑 파워를 변조함으로써 펄스들을 공급한다. 이런 타입의 레이저에 의해 발생된 펄스들에서의 녹색 광 파워를 증가시키기 위해서는, 펌핑 수단의 파워가 증가되어야 한다. 또한, 펄스들에서의 녹색 광의 비율 및 양을 증가시키는 것은 적외 광의 양, 어떤 경우에는 펄스당 전체 에너지의 양을 증가시킨다. 이것은, 재료에서의 녹색 광의 초기 커플링이 양호한 경우, 일단 용접된 재료의 로컬 온도가 상당히 증가하면, 적외선 에너지가 또한 잘 흡수되기 때문에, 형성된 용접의 양에 대해 문제를 일으킨다는 것이 관찰되었다. 이것은 그 후, 과도한 에너지 세기의 흡수 및 해로운 2 차 열 효과의 출현, 이를 테면, 재료의 표면 외부의 용해된 재료의 분출 및 플라즈마 형성을 야기한다. 그러나, 펄스당 흡수되는 적외 광의 양을 한정하기 위해 펄스된 레이저의 파워가 저감된다면, 공급된 녹색 광 에너지의 비율 및 양이 감소하고, 용접 효율이 저감된다. 더욱이, 주어진 용접의 재현성은 용접된 재료의 표면 상태에 매우 의존적이 된다. 형성된 용접의 품질을 제어하기가 복잡하고 어려워진다.

도 1 은 각각의 금속에 대한 입사 레이저 광의 파장에 따른 실질적으로 주위 온도에서의 4 개의 고반사성 금속들 (구리, 금, 은 및 알루미늄) 의 흡수 계수를 대략적으로 도시한다. 매우 낮은 광 흡수 레이트가 Nd:YAG 레이저에 의해 발생된 방사선인 1064nm 파장에 대해, 특히 구리 (Cu), 금 (Au) 및 은 (Ag) 에 대해 관찰된다. 반대로, 그 주파수의 2 배에서 (즉, 532nm 에서), 흡수 레이트가 구리 및 금에 대해 (주위 온도에서) 대략 20% 에 도달하도록 크게 증가하는 것이 관찰된다. 이 레이트는 온도가 증가하자마자 대략 40% 로 상승할 수 있다. 이것은 전술한 종래 기술에서 제안되는 혼합된 빔이 용접의 효율을 증가시키는 이유를 설명한다. 그러나, 여기서 주어진 비율들은, 그들이 또한 금속의 표면 상태와 같은 다른 파라미터들에도 의존하기 때문에 예시적이라는 것에 주목하게 될 것이다.

그러나, 적외 광의 경우, 도 1 에 도시된 상황은, 금속의 표면 온도가 증가할 때 상당히 변하며, 구리에 대해 도 2 에 대략적으로 도시한 바와 같이, 이 온도가 용해 온도에 도달할 때 상당한 점프가 있다. Nd-YAG (1㎛) 레이저로부터의 입사 적외 광의 경우, 주위 온도에서의 5% 미만의 흡수 계수로부터 용해 온도 T_M 에 가까운 대략 10% 까지의 변화가 관찰된다. 용해 온도에서, 이 계수는 15% 보다 더 높아지고, 그 후 용해 금속의 온도의 증가에 따라 계속 증가한다. 이 관찰은 종래 기술에서 관찰된 문제의 설명을 제공한다. 초기 용접 페이즈에서 금속에 커플링된 더 많은 에너지를 갖도록 레이저 디바이스의 파워를 증가시킴으로써, 종래 기술은 펄스의 주기 동안 적외 광 파워를 증가시키며, 이는 재료의 표면 온도가 증가하자마자 증가적으로 흡수되며; 이것은 실제로 빠르게 일어난다. 이 초기 용접 효율은 증가하지만, 최종적으로 흡수되는 전체 에너지의 양이 너무 커져 용접의 품질에, 특히 용접 후의 표면 상태에 해로운 2 차 문제를 일으킨다.

본 발명의 목적은, 초기 서브 주기에서, 최대 파워 피크 또는 최대 파워 피크를 가진 펄스 부분을 갖고, 초기 서브 주기 직후의, 그리고 초기 서브 주기보다 더 큰 지속기간의 중간 서브 주기에서, 중간 서브 주기 전체 동안 최대 파워보다 더 낮은 파워를 갖는, 각각의 레이저 펄스의 주기에 걸친 파워 프로파일을 가진 레이저 펄스들을 형성하도록 배열된 제어 수단을 레이저 장비에 설비함으로써 위에서 강조된 문제를 본 발명의 범위 내에서 극복하는 것이다. 최대 파워의 값은 레이저 펄스의 주기 동안의 평균 파워보다 적어도 2 배 더 높다. 더욱이, 레이저 펄스의 처음부터 최대 파워로의 증가 지속기간 또는 시간은 300㎲ 미만, 바람직하게는 100㎲ 미만이 되도록 조정된다. 특히, 초기 서브 주기의 지속기간은 2 밀리초 (2ms) 미만, 바람직하게는 1ms 미만이다. 레이저 펄스는 바람직하게는 용접의 냉각을 최적화하기 위한 제어된 방식으로, 파워가 급속히 감소하는 마지막 서브 주기에서 끝나는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명은 본 설명에 덧붙여진 청구항 제 1 항에서 정의한 바와 같은 레이저 머시닝 방법에 관한 것이다. 이 방법의 특정 특징들은 청구항 제 1 항에 종속하는 청구항들에서 주어진다. 본 발명은 또한 청구항 제 13 항에서 정의한 바와 같은 레이저 머시닝 장비에 관한 것이다. 이 장비 및 이 장비의 제어 수단의 특정 특징들은 청구항 제 13 항에 종속하는 청구항들에서 주어진다.

각각의 레이저 펄스 동안 방출된 발광 파워 (luminous power) 의 제어를 도입하고 펄스의 초기 페이즈에서 비교적 높은 파워를 갖고 이 초기 페이즈 후에 저감된 파워를 갖는 파워 프로파일을 정의하는, 본 발명의 특징들 때문에, 주파수 배가된 광의 상당한 양이 초기 페이즈에서 얻어진 후, 레이저 소스의 초기 주파수에서의 광의 흡수가 머시닝된 재료의 표면 온도의 증가의 결과로 상당히 증가할 때, 흡수되는 에너지의 양을 한정하고 바람직하게는 레이저 펄스의 중간 페이즈 동안 흡수되는 발광 파워를 일시적으로 제어하기 위해 방출된 광 파워가 상당히 감소된다.

주파수 배가된 광의 생성을 최적화하기 위해 제 1 페이즈에서의 각각의 레이저 펄스의 파워 프로파일의 제어가 구체적으로 조정되며, 주파수 배가된 광은, 용접된 재료의 온도가 처음에는 그 용해 온도보다 더 낮은 이 초기 페이즈에서 단일 주파수 광보다 더 잘 흡수된다는 것에 주목하게 될 것이다. 따라서, 최대 파워는 용접된 재료를 급속히 가열하기에 충분한 주파수 배가된 발광 파워를 빨리 얻도록 급속히 증가되도록 조정된다. 본 발명에 따르면, 최대 파워로의 증가 지속기간 또는 시간은 300㎲ (0.3ms) 미만, 바람직하게는 100㎲ (0.1ms) 미만이다.

초기 피크의 최대 파워는 최적의 방식으로 주파수 배가된 발광 에너지를 재료에 커플링하기에 충분해야 하지만, 양호한 바람직한 컨버전 레이트에 따라, 주파수 배가된 광의 양이 많아지고, 심지어는 우세해지기 때문에 너무 높아서는 안된다. 반대로, 다음 페이즈 동안, 재료에 전달되는 에너지는 본질적으로는 용접을 수행하기 위해 단일 주파수 광에 의해 제어된다. 이 후속 페이즈에서, 파워는 감소되고, 주파수 배가된 광으로 컨버팅된 파워는 단지 2 차 또는 심지어는 중요하지 않은 역할만을 한다. 초기 페이즈에서의 파워 피크는 일종의 초기 주파수 배가된 펄스를 발생시킨 후, 단일 주파수 펄스를 발생시킨다. 따라서 각각의 발생된 레이저 펄스에는, 2 개의 연속하는 펄스들의 조합이 있으며, 여기서 제 1 펄스의 주파수는 제 2 펄스의 주파수의 2 배이다. 이들 2 개의 펄스들 각각은 용접 동안 재료의 온도 변화에, 그리고 재료에 의한 그 흡수에 적응된다. 따라서, 초기 피크는, 그 파워가 용접된 재료의 온도를 급속히 올리기에 충분한, 초기 주파수 배가된 펄스를 얻는데 이용되며, 그 초기 피크는, 본 발명에 따르면, 비선형 결정의 컨버전 레이트가 100% 보다 훨씬 작고 또한 결정에 의해 수신된 발광 세기에도 의존하기 때문에 펄스의 평균 파워보다 적어도 2 배 높은 파워를 갖는다.

높은 파워의 지속기간을 단순히 초기 페이즈로 한정함으로써, 주파수 배가된 광이 대부분 흡수되는, 초기 페이즈에서의 파워는, 따라서 실제 용접이 일어나고 초기 파장에서의 광이 잘 흡수되는 중간 페이즈에서와 다르게 제어된다. 더욱이, 이것은 비선형 결정에 의해 컨버전 레이트를 증가시키기 위해 비교적 높은 파워가 초기 페이즈에서 공급되는 것을 가능하게 한다. 실제로, 이 컨버전 레이트는 입사 발광 세기에 비례적으로 증가하고, 결과적으로 주파수 배가된 발광 파워는 입사 파워의 제곱에 비례적으로 증가한다. 따라서, 초기 페이즈에서 최대 주파수 배가된 광을 얻기 위하여, 이 초기 페이즈에서 비교적 높은 발광 파워를 제공하는 것이 바람직하다. 이 초기 페이즈에서 방출된 파워가 후속 페이즈에서 방출된 파워를 정의하지 않기 때문에, 이것은 머시닝 품질에 대해 어떠한 문제도 일으키지 않는다. 따라서, 머시닝된 재료의 표면에 빠르고 효율적인 머시닝 개시를 야기하는 이 초기 페이즈에서는 비교적 높은 파워 피크가 제공될 수 있다. 이것은 종래 기술에서와 같이, 소정 비율의 주파수 배가된 광을 얻기 위해 레이저 공동 내에 비선형 결정을 포함할 필요가 없기 때문에 또 다른 이점을 갖는다. 따라서, 종래의 레이저 소스를 가지고, 그 레이저 소스를 빠져나가는 레이저 빔의 광축 상에 비선형 결정을 포함하는 열 조정된 유닛을 배열하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 특정 특징들은 비한정적인 예로 주어진, 첨부된 도면들을 참조하여 이하 설명될 것이다.
도 1 (전술됨) 은 주위 온도에서의 다양한 금속들에 대한 파장에 따른 발광 흡수의 의존성을 도시한 도면이다.
도 2 (전술됨) 는 금속의 온도에 따른 구리의 발광 흡수의 의존성을 도시한 도면이다.
도 3 은 비선형 결정을 통과한 후 존재하는 2 개의 파장들에서의 컴포넌트들을 가진 본 발명에 따른 레이저 펄스의 파워 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 레이저 머시닝 방법의 바람직한 구현을 도시한 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 레이저 머시닝 장비의 제 1 실시형태의 개략도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 레이저 머시닝 장비의 제 2 실시형태의 개략도이다.

본 발명의 레이저 머시닝 방법은 다음의 단계들을 포함한다 :

A) 레이저 소스에 의하여, 일련의 레이저 펄스들로 형성되는 700 나노미터와 1200 나노미터 사이의 파장을 갖는 레이저 빔을 발생시키는 단계.

B) 비선형 결정에 의하여 레이저 빔의 하나의 부분의 주파수를 배가시키는 단계.

C) 이 레이저 펄스의 주기 동안, 파워 프로파일이 초기 서브 주기 T1 에서, 최대 피크 파워 또는 최대 파워를 가진 펄스 부분을 갖고, 초기 서브 주기 후에 발생하는, 초기 서브 주기보다 더 긴 지속기간의 제 2 중간 서브 주기 T2 에서, 중간 서브 주기 전체 동안 최대 파워보다 더 낮은 파워를 갖도록 각각의 방출된 레이저 펄스 동안 파워를 변화시키는 단계.

최대 파워 변화의 값은 레이저 펄스의 주기 동안의 평균 파워보다 적어도 2 배 더 높고, 각각의 레이저 펄스의 처음부터 최대 파워로의 증가 시간은 3/10 밀리초 (0.3ms) 미만이다.

도 3 은, 본 발명에 따른 레이저 펄스들의 정규화된 파워 프로파일 변형 (1 에서 최대인 상대적 스케일) 을 도시한다. 커브 10 은 펄스 동안 방출된 총 레이저 파워를 나타낸다. 비선형 결정을 통과한 후, 레이저 소스로부터의 초기 주파수 광의 하나의 부분은 주파수 배가된 광으로 컨버팅된다. 이 주파수 배가된 광 또는 방사선에 대한 결과의 파워 커브는 커브 12 에 의해 개략적으로 그리고 근사화하여 나타내진다. 나머지 초기 광 파워는 커브 14 에 의해 주어진다. 따라서, 해칭된 표면 (16) 은, 주파수가 배가된 발생된 레이저 광 부분을 나타낸다. 주파수 배가된 광의 발광 파워가 초기 발광 파워의 제곱 (2 의 수학적 거듭제곱) 에 비례적이라는 것에 주목하게 될 것이다. 실제로, 정규화된 초기 파워가 '1' 인 경우에는, 예를 들어 0.3 (30%) 의 주파수 배가된 발광 파워가 얻어지는 반면, 초기 파워가 2 에 의해 0.5 (50%) 로 감소되는 경우에는, 주파수 배가된 발광 파워는 4 에 의해 대략 0.075 (7.5%) 로 저감된다. 30% 의 컨버전 레이트는 실제로는, 이런 타입의 레이저가 (후술되는 도 5 및 도 6 에서와 같이) 공진기 외부의 주파수 배가 유닛과 연관되는 경우, 10kW 미만의 피크 파워를 갖고 수 밀리초의 펌핑 펄스들을 갖는 표준 산업 플래시 램프 및/또는 다이오드 펌핑된 레이저의 경우 최대에 대응한다는 것에 주목하게 될 것이다. 그러나, 매우 높은 품질의 레이저 빔 (1.0 에 가까운 M²) 을 공급하는 파이버 옵틱 레이저들에 의해 더 높은 컨버전 레이트들을 얻는 것이 가능하다는 것에 주목하게 될 것이다.

초기 페이즈에서, 레이저 소스는, 단시간 내에 최적의 주파수 배가된 발광 파워를 얻도록, 제공되는 최대 파워에 급속히 도달하기 위해 제어된다. 일반적으로, 최대 파워로의 증가 지속기간은 3/10ms (0.3ms) 미만이다. 바람직한 변형에서, 그 파워는 가능한 한 최대의 주파수 배가된 광을 얻도록, 레이저 펄스의 처음에 가능한 한 빠르게 증가되도록 조정된다. 그러면 최대 파워로의 증가 지속기간은 0.1ms 미만이다. 특정 변형에서, 이 증가 지속기간은 50㎲ (0.05ms) 미만이다.

레이저 펄스는, 바람직하게는, 수행되는 용접의 냉각에 영향을 미치고 야금 (metallurgy) 을 최적화하도록 이 감소의 제어에 따라 0 으로 향하는 파워 감소의 마지막 서브 주기 T3 에서 끝난다.

본 발명에 따른 파워 프로파일을 가진 레이저 펄스들에 의해 얻어진 물리적 메커니즘을 적절히 이해하기 위해, 레이저 용접 구리 엘리먼트들에의 적외 광 (1064 또는 1070nm) 의 인가 시의 도 3 의 변형을 참조하게 될 수도 있다. 파워가 최대인 초기 서브 주기 T1 에서는, 예를 들어 20% 의 적외 광이 녹색 광 (532 또는 535) 으로 컨버팅되는 것이 가정될 수도 있다. 따라서, 80% 의 입사 적외 광은 금속의 표면 상에 남아있다. 그러나, 20 내지 40% 의 녹색 광 에너지는 흡수되는 한편, 단지 5 내지 10% 의 적외 광 에너지만이 흡수된다. 따라서, 금속에서의 녹색 광의 커플링은 총 에너지의 대략 4 내지 8% 이며, 이는 또한 금속에 커플링된 녹색 광의 비율이다. 따라서, 초기 서브 주기에서, 녹색 광은 적외 광만큼 금속을 용해시키는 것에 기여하는 한편, 비선형 결정에 의해 수행되는 컨버전은 단지 20%이다. 초기 서브 주기의 처음에, 금속의 온도가 아직도 에너지의 공급에 의해 상당히 증가되지 않았지만, 금속에 의해 흡수되는 초기 주파수에서의 에너지의 양이 일반적으로는 후에 주된 역할을 하는 배가된 주파수보다 더 낮다는 것에 주목하게 될 것이다. 일단 금속의 온도가 상당히 증가하면, 2 개의 커플링된 에너지들 사이의 비율이 변하고 흡수되는 적외선 에너지의 양이 우세해진다. 흡수되는 적외선 에너지의 양이 급격히 증가하자마자, 발광 파워가 저감되며; 이는 본 발명에 따른 각각의 레이저 펄스의 중간 서브 주기 T2 를 정의한다.

본 발명의 범위 내에서, 플래시 램프 펌핑된 레이저에 의해서나, 또는 제 1 변형에서는 변조된 CW 모드에서, 그리고 제 2 변형에서는 QCW 모드에서 동작하는 다이오드 펌핑된 레이저에 의해서 중 어느 하나에 의해 레이저 펄스들이 얻어진다. 레이저가, 예를 들어 솔리드 스테이트 Nd:YAG 또는 유사한 타입의 레이저라면, 펌핑 수단은 제 1 변형에서는, 플래시 램프에 의해, 그리고 다른 변형에서는 다이오드들에 의해 형성된다. 바람직한 실시형태에서는, 다이오드 펌핑된 파이버 레이저가 사용된다. 후자는 더 잘 초점이 맞춰질 수 있는 더 나은 품질의 빔을 제공하며, 이는 비선형 결정의 컨버전 레이트를 증가시킨다. 초기 서브 주기 T1 에서, 최대 파워는 5 와트 (W) 와 20kW 사이에서 변할 수도 있다. 이것은 특히 머시닝된 재료의 표면 상의 레이저 스폿을 위해 제공된 직경에 의존한다.

레이저 펄스들의 주기는 한정되지 않고, 일반적으로는 0.1ms 와 100ms (밀리초) 사이이다. 바람직한 변형에서, 특히 용접 적용의 경우, 초기 서브 주기 T1 의 지속기간은 2ms 미만이다. 중간 서브 주기 T2 의 통상의 지속기간은 1ms 내지 5ms 의 범위 내에 있으며, T2 가 T1 보다 더 크다는 본 발명의 조건을 따른다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 구현에서, 레이저 펄스 시간적 프로파일의 최대 파워의 값은 그 레이저 펄스의 주기 동안의 평균 파워보다 적어도 2 배 더 높다. 특정 변형에서는, 최대 파워가 200W 보다 더 높다. 후자의 경우, 레이저 소스는 QCW 모드 또는 플래시 램프 또는 다이오드 펄스된 모드에서 동작한다. 변조된 CW 모드에서, 페이즈 T1 에서의 최대 파워는 최대 CW 파워에 매칭하며, 그 후 CW 파워는 다음 페이즈 T2 에서 저감된다.

본 발명의 방법에 대해 예상된 적용들은 다수이며, 특히 금속들의 연속적 또는 스폿 용접, 금속들 및 세라믹, CBN 또는 PKD 와 같은 경질 세라믹의 커팅 및 에칭이다.

특정 모드에서, 레이저 빔을 포커싱하는 수단이 제공되며, 이는 초기 파장에서의 광에 대한 광 스폿의 직경보다 더 작은 직경을 갖는 주파수 배가된 광에 대한 초점에서 광 스폿을 얻기 위해, 전적으로 크로마틱적으로 보상될 수도 있고 또는 전적으로 크로마틱적으로 보상되지 않을 수도 있다. 따라서, 본 발명의 이 특정 실시형태는, 주파수 배가된 광의 디버전스 (divergence) 가 대략 2 의 팩터에 의해, 단일 주파수 광의 디버전스와는 상이하다는 사실을 이용한다. 도 4 의 A) 에 도시한 바와 같이, 머시닝된 재료에 대한 입사 빔에 의해 형성된 광 스폿은 중심 영역 (20) 에서, 2 가지 타입들의 방사선의 혼합물을 갖는 반면, 환상 영역 (24) 은 단지 단일 주파수 광만을 수용하며, 환상 영역 (24) 의 광 스폿 (22) 은 중심 영역 (20) 을 정의하는 주파수 배가된 광 스폿의 직경보다 더 큰 직경을 갖는다. 이런 특징 때문에, 레이저 펄스의 초기 페이즈에서의 에너지의 흡수는, 본질적으로는, 주파수 배가된 광이 이 중심 영역에 집중되고 따라서 그 세기가 주파수 배가된 광이 광 스폿 (22) 을 실질적으로 전부 커버했다면 존재하는 것보다 훨씬 더 높기 때문에 머시닝이 효율적으로 개시되는 중심 영역 (20) 에서 발생한다. 이 특정 실시형태는 금속성 엘리먼트들의 용접 적용에 특히 바람직하다.

본 발명의 방법의 다음의 설명은 고반사성 금속의 용접을 고려할 것이다. 특히, 용접된 금속은 구리, 금, 은, 알루미늄, 또는 이들 금속들 중 하나를 함유하는 합금이다.

상기 언급한 바와 같이, 도 4 를 참조하여 설명된 본 발명의 방법의 특정 실시형태는 용접에 효율적으로 적용된다. 주파수 배가된 광은 중심 영역 (20) 에 집중된다. 이 광이 금속에 의해 비교적 잘 흡수되기 때문에, 소정량의 에너지가 중심 영역에서의 금속으로 도입되고, 로컬 온도를 용해 온도로 증가시킨다. 따라서, 파워 피크 또는 각각의 레이저 펄스의 최대 파워를 가진 펄스 부분의 초기 주파수에서의 광과 결합된 주파수 배가된 광의 세기는 이런 광의 결합에 대한, 그리고 용접되는 재료에 대한 용해 임계값보다 더 높다. 금속의 용해는 무엇보다 발광 세기, 즉 파워 밀도에 의존하며, 또한 발광 세기의 지속기간에도 의존한다는 것에 주목하게 될 것이다. 따라서, 적외 광의 주파수가 (여기서는 예로 2 개의 주어진 레이저들에 대해) 배가될 뿐만 아니라, 이 녹색 광이 적외 광에 대해 얻어진 광 스폿보다 대략 4 배 더 작은 광 스폿에 집중되기 때문에, 중심 영역에의 솔리드 스테이트 레이저 (예를 들어, Nd:YAG) 또는 파이버 레이저 (예를 들어, 도핑된 Yb) 의 경우의 주파수 배가된 광 (녹색 광) 의 집중이 더 낮은 파워 레이저에 의해 용해 포인트 임계값에 도달하는 것을 허용한다는 것이 명백하다. 대략 4 가 곱해진 발광 세기가 그에 따라 얻어진다.

도 1 에서 주어진 고반사성 금속들에 의한 광의 흡수 특징들에 기초하여, 에너지는 처음에, 금속이 (도 4 의 A) 에 해칭으로 개략적으로 나타내진) 소정 시간 주기 후 용해하기 시작하는 중심 영역 (20) 에서 흡수되는 것이 명백하다. 에너지는 주변 영역에서 급속히 확산된다 (구리의 경우, 열의 확산은 밀리초당 대략 0.3mm 이며, 이는 도 4 의 A) 에 화살표로 나타내진다). 따라서, 온도가 환상 영역 (24) 에서 증가하고, 최종적으로 단일 주파수 광 (적외) 이 또한 광 스폿 (22) 전체에 걸쳐 상당히 흡수되며, 이는 도 4 의 B) 에 도시한 바와 같이, 광 스폿 (22) 에 의해 정의된 그 표면의 영역에서 금속의 융합을 야기한다. 따라서, 용접은 용접될 금속의 표면에 대한 입사 레이저 빔의 중심 영역으로부터 수행된다. 레이저 펄스의 지속기간 및 마지막 서브 주기 T2 에서의 적외 광의 발광 세기에 의존하여, 금속이 양호한 열 도체이기 때문에, 금속이 용해되는 최종 영역이 광 스폿 (22) 보다 넓어지거나 좁아지고 커진다는 것에 주목하게 될 것이다.

또한, 레이저의 파워는 용접을 최적화하기 위해 중간 서브 주기에서 제어되고 특히 변화될 수 있다는 것에 주목하게 될 것이다. 특히, 발광 세기는 적어도 중간 서브 주기의 제 1 부분에서, 용접 영역에서의 용해된 재료의 온도를 실질적으로 일정하게 유지하도록 제어된다. 중간 서브 주기의 파워 프로파일은 센서를 통해 실시간으로 제어되거나 또는 특히 예비 테스트들에 의해 경험적으로 결정될 수 있다. 다양한 방법들이 당업자에게 이용가능하다.

특정 변형에서, 초기 서브 주기 T1 에서의 주파수 배가된 광 세기는 추후 용접에 실질적으로 위치한 초점에서 0.1MW/cm² 보다 더 크다. 바람직하게는, 용접 적용의 경우에 피어싱을 회피하면서, 주어진 레이저에 대한 광 펄스의 최대 파워는 가능한 한 높게 조정된다. 이 바람직한 변형에서, 초기 서브 주기 T1 에서의 주파수 배가된 광의 세기는 초점에서 1.0MW/cm² 보다 더 높은 파워 피크를 갖는다.

주어진 용접에 대한 레이저 디바이스의 파워를 최적화하는 변형에서, 파워 피크 또는 최대 파워에서의 펄스 부분의 초기 파장 (적외 광) 에서의 광 세기는 용접된 금속에 대한 주위 온도에서의 이 광에 대한 용해 포인트보다 더 낮다. 특히, 초기 파장에서의 광의 세기는 초점에서 10MW/cm² 미만이다.

본 발명에 따른 레이저 장비의 2 가지 실시형태들은 비한정적인 방식으로 이하에 설명될 것이다.

도 5 에서, 레이저 머시닝 장비 (30) 는 :

- 700nm 과 1200nm 사이의 초기 파장을 가진 레이저 빔 (34) 을 발생시키는 코히어런트 광 소스 (32);

- 레이저 빔 주파수를 부분적으로 배가시키기 위한 비선형 결정 (36);

- 레이저 펄스들을 발생시키기 위해 배열된 광 소스를 제어하는 제어 수단 (38)

을 포함한다.

이 장비는, 제어 수단 (38) 이 각각의 레이저 펄스의 주기 동안, 초기 서브 주기에서, 최대 파워 피크 또는 최대 파워를 가진 펄스 부분을 갖고, 초기 서브 주기 직후의, 그리고 초기 서브 주기보다 더 큰 지속기간의 중간 서브 주기에서, 중간 서브 주기 전체 동안 최대 파워보다 더 낮은 파워를 가진 파워 프로파일을 갖는 레이저 펄스들을 형성 (상기 설명한 도 3 참조) 하도록 배열되는 것을 특징으로 한다. 최대 파워는, 레이저 펄스의 주기 동안의 평균 파워보다 적어도 2 배 더 높게 조정되며, 각각의 레이저 펄스의 처음부터 최대 파워로의 증가 시간은 300㎲ (0.3ms) 미만이다.

코히어런트 광 소스 (레이저 소스) 는 펌핑 수단 (42) 에 의해 광학적으로 펌핑된 액티브 매체 (40) 로 형성된다. 제 1 변형에서, 이 펌핑 수단은 하나 또는 수개의 플래시 램프들에 의해 형성된다. 제 2 변형에서, 펌핑 수단은 복수의 다이오드들에 의해 형성된다. 레이저 소스는 완전 반사 미러 (44) 및 선택된 송신된 파장에서 (특히 Nd:YAG 의 경우 1064nm 에서) 반반사적인 출력 미러 (46) 에 의해 형성된 공진 공동을 포함한다. 폴라라이저 (48) 및 다이어프램 (50) 이 또한 공진 공동 내에 배열된다.

비선형 결정 (36) 은 레이저 빔 (34) 의 주파수를 효율적으로 배가시키기 위해 선택된다. 이 결정은 방진 케이스 (52) 내에 배열된다. 이 케이스는 특히 펠티에 모듈 (54) 을 이용함으로써 열 조절되는 것이 바람직하며, 이 경우에는 펌프 (56) 에 의하여 진공이 발생된다. 케이스로의 엔트리에는, 그 효율이 입사 광의 세기에 의존하기 때문에 주파수 배가 결정 (36) 에 대한 발광 세기를 증가시키기 위해 광학적 포커싱 시스템 (60) 이 배열된다. 532nm 및 1064nm 에서 투명한 광학계 (62) 가 또한 초기 주파수 (단일 주파수) 및 배가된 주파수에서의 2 가지 타입들의 방사선의 혼합물을 포함하는 레이저 빔 (64) 을 콜리메이팅하기 위해 제공된다. 이 빔 (64) 은 그 후 광학적 포커싱 시스템 (66) 및 커넥터 (68) 에 의하여 파이버 옵틱 (70) 으로 도입된다. 파이버 옵틱 (70) 은 광 빔 (64) 을 머시닝 헤드 (72) 로 안내한다.

제어 수단 (38) 은 펌핑 수단 (42) 에 영향을 준다. 제어 수단 (38) 은 펌핑 수단에 대한 전력 공급과 연관되며, 단일 기능적 유닛 또는 동일 모듈을 형성할 수 있다. 이 제어 수단은 상기 설명된 본 발명에 따른 레이저 머시닝 방법을 구현하도록 레이저 소스 (32) 에 의해 발생된 레이저 펄스들의 파워 프로파일을 정의하기 위해 사용자가 조정가능한 파라미터들에 대한 소정의 선택된 값들을 기입하는 것을 허용하도록 배열된 제어 유닛 (74) 에 접속된다. 제어 유닛 (74) 은 레이저 장비에 어셈블링되거나, 또는 컴퓨터와 같은 외부 유닛을 형성할 수 있다. 특히, 제어 수단 (38) 은, 펄스의 최대 파워가 발생하는 초기 서브 주기, 더 큰 지속기간의 중간 서브 주기, 및 방출된 파워가 0 으로 감소하는 마지막 서브 주기를 가진 레이저 펄스들을 형성하기 위해 배열된다. 바람직한 변형에서, 초기 서브 주기의 지속기간은 2 밀리초 (2ms) 미만이다. 다음에, 이 제어 수단은 어떤 경우에는 300㎲ 미만인 최대 온도로의 비교적 짧은 증가 시간을 얻기 위해 배열된다.

제 1 실시형태에서, 레이저 소스는 레이저의 평균 파워 아주 위의 초기 서브 주기에서의 비교적 높은 피크 파워, 및 비교적 긴 펄스들을 얻기 위해, QCW 모드 (특정 다이오드 펌핑) 에서 동작하도록 배열된다. 제 2 실시형태에서, 레이저 소스는 다이오드 펌핑에 의해 변조된 CW 모드에서 동작한다. 제 3 실시형태에서, 레이저 소스는 플래시 램프 펌핑되며, 즉 펄스된 모드에서 동작한다.

특히, 용접 적용을 위한 특정 실시형태에 따르면, 레이저 머시닝 장비는, 초기 파장에서의 광에 대한 광 스폿의 직경보다 더 작은 직경을 갖는 주파수 배가된 광에 대한 초점에서의 광 스폿을 얻기 위해 (상기 설명된 도 4 의 A) 참조), 레이저 빔의 광학적 포커싱 엘리먼트들을 비선형 결정 (36) 에 후속하여 포함한다.

레이저 머시닝 장비 (30) 는 고반사성 금속들, 예를 들어 구리 또는 금에 대한 용접 장비를 형성한다. 이 적용에서, 이 장비 (30) 는 초점에서 0.1MW/cm² 보다 더 큰 주파수 배가된 발광 세기를 얻도록 배열된다. 바람직하게는, 초기 서브 주기 T1 에서의 주파수 배가된 광의 세기는 초점에서 1.0MW/cm² 보다 더 큰 파워 피크를 갖는다. 레이저 소스의 파워를 한정하기 위하여, 바람직한 변형은 10MW/cm² 미만일 초기 파장에서의 발광 세기를 제공한다.

도면들에 도시되지 않은 다른 실시형태에서, 비선형 결정은 레이저 소스의 공진 공동 내에 포함될 수도 있다는 것에 주목하게 될 것이다. 그러나, 이 배열은, 본 발명에 특정한 레이저 소스의 구성을 요구하기 때문에 바람직하지 않은 반면, 레이저 소스 다음에, 공진 공동 외부에 비선형 결정을 어셈블링하는 것은 시중에서 입수가능한 표준 레이저 소스가 사용되는 것을 허용한다. 이것은 중요한 경제적인 이점이다.

도 6 은 본 발명에 따른 레이저 장비의 제 2 실시형태의 개략도를 도시한다. 무엇보다, 코히어런트 광이 다이오드들에 의해 광학적으로 펌핑된 파이버 레이저 (80) 에 의해 발생된다. 바람직하게는 QCW 모드에서 동작한다. 이 레이저 (80) 는 본 발명에 따라 레이저 펄스들을 형성 (상기 설명된 도 3 참조) 하도록 배열된 제어 수단 (82) 과 연관된다. 이 제어 수단은 특정 파워 프로파일을 가진 레이저 펄스들을 형성하는 수단을 정의한다. 이 제어 수단은 사용자 인터페이스를 가진 제어 유닛 (84) 에 접속된다. 초기 주파수에서의 레이저 펄스들은 광케이블 (88) 을 통해, 이들 펄스들로 형성되는 레이저 빔을 프로세싱하기 위한 유닛 (86) 으로 전송되며, 이 유닛 (86) 은 바로 머시닝 헤드 (98) 에 어셈블링된다. 이 프로세싱 유닛 (86) 은 레이저 빔을 실질적으로 콜리메이팅하거나 또는 그것을 초기 레이저 광 부분의 주파수를 배가시키기 위한 유닛 (92) 내에 포함된 비선형 결정 상에 포커싱하기 위한 콜리메이터 (90) 를 포함한다. 이 유닛 (92) 은 주파수 배가된 광 컨버전 (도핑된 파이버 레이저 Yb 의 경우 녹색 광, 이는 1070nm 의 파장을 가진 레이저 광을 방출) 의 효율을 최적화하기 위한 특정 광학계를 포함할 수도 있다.

일 변형에서, 주파수 더블러의 다운스트림에는, 초기 주파수에서의 광 및/또는 주파수 배가된 광에 대한 각각의 파워들을 측정하기 위한 센서 (94) 가 있다. 다음에, 옵션으로, 빔이 머시닝 헤드 (98) 에 진입하기 전에 그 빔의 가로 단면을 확대하기 위한 줌 디바이스 (96) 가 있다. 이 머시닝 헤드에는, 예를 들어 레이저 빔의 충돌 영역에서 머시닝된 재료 (102) 의 표면 온도를 측정하거나 또는 그 표면에 의해 반사된 광을 측정하기 위한 하나 이상의 센서들 (100) 이 설비되어 있다. 센서들 (94 및 100) 은 레이저 펄스들의 파워 프로파일이 실시된 측정들에 따라 실시간으로 변화되는 것을 허용하기 위해 제어 수단 (82) 에 접속된다.

Claims

A) 레이저 소스 (30; 80, 82) 에 의하여, 일련의 레이저 펄스들 (10) 로 형성된 700 나노미터와 1200 나노미터 사이의 파장을 갖는 레이저 빔을 발생시키는 단계;
B) 상기 레이저 빔의 하나의 부분 (12) 의 주파수를 비선형 결정 (non-linear crystal) 에 의하여 배가시키는 단계를 포함하며,
C) 상기 레이저 펄스의 주기 동안 초기 파장에서의 파워 프로파일이 초기 서브 주기 (T1) 에서, 최대 파워를 가진 파워 피크 또는 최대 파워를 가진 펄스 부분을 갖고, 상기 초기 서브 주기 후에 발생하는, 상기 초기 서브 주기보다 더 긴 지속기간의 중간 서브 주기 (T2) 에서, 상기 중간 서브 주기 전체 동안 상기 최대 파워보다 더 낮은 파워를 갖도록 각각의 레이저 펄스 동안 방출된 발광 파워 (luminous power) 를 변화시키는 단계로서, 상기 최대 파워는 상기 레이저 펄스의 주기 동안의 평균 파워보다 적어도 2 배 더 높은 값을 갖고, 각각의 레이저 펄스의 처음부터 상기 최대 파워로의 증가 시간은 0.3 밀리초 (300㎲) 미만인, 상기 발광 파워를 변화시키는 단계를 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 초기 서브 주기 (T1) 의 지속기간은 2 밀리초 (2ms) 미만인 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각각의 레이저 펄스의 파워의 상기 변화는, 상기 최대 파워로의 상기 증가 시간이 0.05 밀리초 (50㎲) 미만이 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 최대 파워는 200W 보다 더 높고, 상기 레이저 소스는 준연속파 (Quasi-Continuous Wave: QCW) 모드에서 동작하는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 초기 파장에서의 광에 대한 광 스폿 (22) 의 직경보다 더 작은 직경을 갖는 주파수 배가된 광에 대한 초점에서의 광 스폿 (20) 을 얻기 위해, 상기 레이저 빔을 포커싱하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 레이저 머시닝 방법은 고반사성 금속을 용접하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 파워 피크 또는 각각의 레이저 펄스의 상기 최대 파워를 가진 펄스 부분의 초기 주파수에서의 광과 결합된 주파수 배가된 광의 세기는, 상기 초기 서브 주기에서, 이런 광의 결합에 대한, 그리고 상기 용접된 금속에 대한 용해 임계값 (melting threshold) 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 주파수 배가된 광의 세기는 초점에서 0.1MW/cm² 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
삭제
삭제
제 6 항에 있어서,
상기 용접된 금속은 구리, 금, 은, 알루미늄, 또는 이들 금속들 중 하나를 함유하는 합금인 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 레이저 펄스들은, 형성된 용접의 냉각을 최적화하도록 상기 파워가 0 으로 감소하는 마지막 서브 주기 (T3) 를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
- 700nm 과 1200nm 사이의 초기 파장을 가진 레이저 빔 (34) 을 발생시키는 코히어런트 광 소스 (32; 80);
- 상기 레이저 빔의 주파수를 부분적으로 배가시키기 위한 비선형 결정 (non-linear crystal) (36; 92);
- 레이저 펄스들 (10) 을 발생시키도록 배열된 상기 광 소스를 제어하는 제어 수단 (38; 82) 을 포함하며;
상기 제어 수단 (38; 82) 은, 각각의 레이저 펄스의 주기 동안, 초기 서브 주기 (T1) 에서, 최대 파워를 가진 파워 피크 또는 최대 파워를 가진 펄스 부분을 갖고, 상기 초기 서브 주기 직후 발생하는, 상기 초기 서브 주기보다 더 긴 지속기간의 중간 서브 주기 (T2) 에서, 상기 중간 서브 주기 동안 상기 최대 파워보다 더 낮은 파워를 갖는 파워 프로파일을 가진 상기 레이저 펄스들을 형성하도록 배열되고, 상기 제어 수단 (38; 82) 은, 상기 최대 파워의 값이 상기 레이저 펄스의 주기 동안의 평균 파워보다 적어도 2 배 더 높도록 배열되며, 각각의 펄스의 처음부터 상기 최대 파워로의 증가 시간은 0.3 밀리초 (300㎲) 미만인 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 13 항에 있어서,
상기 코히어런트 광 소스는 다이오드 펌핑되고, QCW 모드에서 동작하는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 코히어런트 광 소스는 파이버 레이저 (80) 에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 초기 서브 주기 (T1) 의 지속기간은 2 밀리초 (2ms) 미만인 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 증가 시간의 지속기간은 0.05 밀리초 (50㎲) 미만인 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 레이저 머시닝 장비는, 상기 초기 파장에서의 광에 대한 광 스폿 (22) 의 직경보다 더 작은 직경을 갖는 주파수 배가된 광에 대한 초점에서의 광 스폿 (20) 을 얻기 위해, 상기 레이저 빔을 포커싱하기 위한 광학 엘리먼트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 레이저 머시닝 장비는 고반사성 금속들에 대한 용접 장비를 정의하는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 19 항에 있어서,
주파수 배가된 광 세기는 초점에서 0.1MW/cm² 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 19 항에 있어서,
상기 초기 파장에서의 광 세기는 초점에서 10MW/cm² 보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 19 항에 있어서,
상기 제어 수단 (38; 82) 은, 형성된 용접의 최적의 냉각을 보장하도록 상기 파워가 0 으로 감소하는 마지막 서브 주기 (T3) 를 갖는 파워 프로파일을 가진 상기 레이저 펄스들을 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 레이저 머시닝 장비는 주파수 배가된 광 파워를 측정하기 위한 센서 (94) 를 포함하며, 상기 센서는 상기 제어 수단 (38; 82) 에 접속되어, 상기 주파수 배가된 광 파워의 측정에 따라 실시간으로 상기 레이저 펄스들을 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 레이저 머시닝 장비는 상기 레이저 빔의 충돌 영역에서 머시닝된 재료의 표면의 온도를 측정하거나 또는 상기 표면에 의해 반사된 광을 측정하기 위한 센서 (100) 를 포함하며, 상기 센서는 상기 제어 수단 (38; 82) 에 접속되어, 상기 온도 또는 상기 반사된 광의 측정에 따라 실시간으로 상기 레이저 펄스들의 프로파일을 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 제어 수단 (38; 82) 은, 상기 최대 파워로의 상기 증가 시간이 실질적으로 0.1 밀리초 (100㎲) 미만이 되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 19 항에 있어서,
주파수 배가된 광 세기는 초점에서 1.0MW/cm² 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 장비.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각각의 레이저 펄스의 파워의 상기 변화는, 상기 최대 파워로의 상기 증가 시간이 0.1 밀리초 (100㎲) 미만이 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 주파수 배가된 광의 세기는 초점에서 1.0MW/cm² 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 레이저 머시닝 방법.