KR102255255B1 - 접합 공정에서 용융지 형상의 최적화 - Google Patents

Abstract

적어도, 트레일링 에지 구역(106) 주위에 그리고 용융지(100)의 깊이(D) 내에 곡선(152) 및/또는 곡면(160) 고체/액체 경계면을 포함하는 용융지(100)를 제공하기에 효과적인 제1 양의 에너지(118) 및 제2 양의 에너지(124)를 기판(105)에 인가하는 것을 포함하는 용접용 공정이 제공된다.

Description

접합 공정에서 용융지 형상의 최적화{OPTIMIZATION OF MELT POOL SHAPE IN A JOINING PROCESS}

관련 출원들에 대한 상호 인용

본 출원은 2014년 7월 21일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제14/336,215호를 우선권으로 주장하며, 상기 특허 출원은 인용에 의해 본원에 통합된다.

본 발명은 접합 공정들에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는, 접합 공정 동안에 용융지(melt pool)를 형상화하기 위한 공정들에 관한 것이다.

재료들을 접합시키기 위한 다양한 공정들이 알려져 있으며, 이 공정들은, 2 이상의 기판들의 접합기(joinder), 뿐만 아니라 하나 이상의 기판들의 보수 또는 향상(enhancement)을 집합적으로 지칭할 수 있다. 예컨대, 전도 용접 및 키홀(keyhole) 용접은 재료들의 접합을 위해 알려진 공정들이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 키홀 용접에서는, 기판(10)의 부분의 전체 두께가 에너지 소스(energy source)(12)를 통해 용융지(14)로 용융될 수 있다. 이러한 방식으로, 기판(10)의 용융지(14)의 전체 두께를 통해 키홀(16)이 형성된다. 공정이 용접 이동 방향으로 가로지름에 따라, 용융지(14) 및 연관된 키홀(16)이 또한, 용접 방향(18)으로 기판(10)을 가로지른다. 키홀(16)이 전진함에 따라, 용융지(14)의 용융된 재료는 키홀(16) 뒤의 용접 비드(bead)(20)로 응고된다. 도시된 실시예에서, 기판 또는 다른 공정 재료의 산화를 방지하기 위해 그리고 표면에서 형성되는 임의의 플라즈마(plasma)를 억제하기 위해(어쩌면, 보조 가스(gas)를 통해), 비활성 가스(21)가 용융지 주위에 제공된다. 전도 용접에서, 에너지 소스(12)는 도 1에 도시된 바와 같은 키홀(16)을 형성하기에는 불충분한 양(amount)의 에너지를 제공한다. 키홀을 형성하는 것 대신에, 기판(10)의 표면으로부터 기판(10) 안으로 열이 전도된다.

용융지의 형성 동안에 다수의 이슈(issue)들이 생길 수 있다. 제1 이슈는 문제가 있는 원소(element)들 및 구성성분들의 편석(segregation)들을 수반한다. 제2 이슈는 집중되는 인장 응력을 수반한다. 제3 이슈는 키홀 용접에 특정한 보이드(void)들의 엔트랩먼트(entrapment)를 수반한다. 편석들에 대하여, 용접 풀(pool) 형상이 응고 공정 동안에 용접 균열에 대한 감수성에 크게 영향을 끼침이 인식된다. 응고되는 결정립들은 고체-액체 경계면에 수직으로(최대 온도 구배 방향으로) 성장하며, 인접하는 고체에 대하여 가장 바람직한 결정립 배향으로 에피택셜방식으로(epitaxially) 성장한다. 그러한 형상들 및 결정립 배향들은 균열에 크게 영향을 끼칠 수 있다.

선형 고체 액체 경계면의 티어 드롭형(tear drop-shaped) 용접 풀들의 경우, 병렬 정렬의 결정립들이 (2D로 볼 때) 그 풀의 각각의 측에 형성된다. 3D로 보면, 결정립들은 또한, 원뿔의 측면들에 거의 수직으로 형성된다. 결정립들은 용접 중심선(응고될 마지막 위치)에서 그들의 응고를 종료한다. 그러한 결정립들은 또한 비교적 커다란 경향이 있는데, 그 이유는 (각각의 선형 측면으로부터) 응고 방향으로 어떠한 변화도 없으며, 바람직한 배향의 결정립들 자체가 단순히, 용접 중심선을 향하여 연장될 수 있기 때문이다.

낮은 용융점 원소들(예컨대, 황 그리고 인) 및 유사한 구성성분들(공융물(eutectic)들과 같은 화합물들)은 마지막 응고 지점에서 자연스럽게 농축된다. 그러한 구성성분들은 응고 균열을 악화시키는 것으로 알려져 있는데, 그 이유는 이 구성성분들이 최종 응고의 응력들을 견딜 수 없기 때문이다. 도 2를 참조하면, 티어 드롭형 용접 풀들(22)의 경우, 그러한 구성성분들(32)은 용접 중심선(30)에서 편석이 되며, 비교적 소수의 거친 결정립계들에 걸쳐 퍼진다. 그러한 편석은 예상대로 용접 응고 균열을 유도한다.

부가하여, 인장 응력의 결과로서 그리고 균열의 경향이 있는 미세구조의 결과로서, 균열이 발생할 수 있다. 후자의 균열의 경향이 있는 미세구조를 촉진시키는 편석들에 영향을 끼치는 것에 부가하여, 용접 풀 형상이 또한, 무균열 응고에 대해 중요한 응력 분산들에 영향을 끼친다는 것이 가정된다. 용접부들에서의 응력 집중들은 복잡하며 많은 인자들에 따라 좌우되지만, 가장 중요한 인자는 열 관리를 수반할 공산이 있다. 응고되는 용융물에 인접하는 고체 금속의 구속은 그러한 응력 관리에 매우 중요하다. 예컨대, 완전히 구속된 기판은 응고되는 용융물이 모든 수축 응력들을 견딜 것을 요구한다. 대안적으로, 구속되지 않은 기판은 수축 스트레인(strain)들을 수용하며, 균열의 영향을 훨씬 덜 받는다. 따라서, 그러한 응력들을 분산시킬 수 있는 공정들이 원해진다.

추가로, 키홀 모드 레이저 용접(keyhole mode laser weld)들의 개시 및 종료가 전도 모드로부터 키홀 모드로의 전이 및 용접 전도 모드로의 전이를 (각각) 요구하는 것이 인식된다. 즉, 레이저 빔(beam)이 처음으로 기판에 지향될 때, 이 레이저 빔은 먼저, 얕은 용융지를 생성한다. 병진 및 추가 에너지 전달이 스루 섹션(through section) 키홀을 전개시킨다. 그러한 전개는 용융물의 난류 운동을 수반하며, 결함 생성, 예컨대, 다공성의 경향이 있다. 용접 종료시, 스루 섹션 관통이 부분 관통으로 전이되며, 용융되는 금속으로 둘러싸인 홀(hole)이 얕은 용융지로 전이된다. 그러한 전이에서 수반되는 용융되는 기하학적 변화들은 용접 결함들에 대한 트래핑(trapping)의 경향이 있다.

여전히 추가로, 키홀 용접에서, 에너지 집중 및 용접 공정의 스피드(speed)로 인해, 용융지(14)는 기판(10)에서의 높은 깊이 대 너비비(종횡비)에 의해 특성화될 수 있다. 키홀(16)의 높은 종횡비 및 용접 스피드로 인해, 용융지 표면으로부터 원격에 있는 용융지(14)의 깊이의 중간점 가까이에 보이드들(다공성)이 형성될 수 있다. 공극들이 용융지 표면으로 이동할 수 있기 이전에, 보이드들은 응고되는 용융지에 트래핑될(trapped) 수 있다. 이 영향은 티어 드롭 형상(도 2)의 존재에 의해 확대되며, 이는 결함들이 회피될 더 적은 영역을 제공한다. 키홀 용접과 비교하여, 전도 용접은, 일반적으로 더욱 얕고 넓은 용융지를 제공하지만, 본원에 설명된 티어 드롭형 용융지를 여전히 가질 수 있다.

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본 발명은 아래의 설명에서, 하기를 도시하는 도면들을 고려하여 설명된다.
도 1은 통상적인 선행 기술 키홀 용접 공정의 키홀의 형성을 예시한다.
도 2는 도 1의 선행 기술 공정에 의해 형성되는 티어 드롭형 용융지의 평면도를 예시한다.
도 3a-도 3b는 본 발명의 양상에 따른 고체/액체 경계면을 갖는 컨투어형(contour shaped) 용융지를 예시한다.
도 4는 본 발명의 양상에 따른 컨투어드(contoured) 용융지를 형성하기 위한 용접 공정을 예시한다.
도 5는 본 발명의 양상에 따른 공정에서 제1 에너지 소스(energy source) 및 제2 에너지 소스의 이동 경로를 예시한다.
도 6은 본 발명의 양상에서 사용하기 위한 투인원 섬유(two-in-one fiber)를 예시한다.
도 7은 본 발명의 양상에 따른, 용융지의 에지(edge)들에 추가 에너지를 인가함으로써 형성되는 용융지를 예시한다.
도 8은 본 발명의 양상에 따른 컨투어드 용융지를 형성하기 위한 에너지의 인가를 예시한다.
도 9a-도 9d는 본 발명의 양상에 따른 곡선(curvilinear) 및 곡면(curviplanar) 용융지(도 9c 및 도 9d) 및 선행 기술 용융지(도 9a-도 9b)의 형성을 예시한다.

본 발명의 양상들은 알려진 공정들에 비하여, 접합 공정, 이를테면, 키홀 용접 또는 전도 용접 공정에서 용융지의 형상에 강하게 영향을 끼치는 공정들 및 시스템(system)들에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상에 따라, 곡선 및 곡면 고체/액체 경계면을 포함하는 용융지를 제공하기에 효과적인 제1 양(amount)의 에너지 및 제2 양의 에너지를 기판에 인가하는 단계를 포함하는 용접용 공정이 제공된다. 본원에 설명될 바와 같이, 컨투어드 용융지는 용융지의 깊이 내의, 그리고 이 용융지의 폭의 중심선을 따른 아티팩트(artifact)들의 편석 및 응력 집중을 감소시키며, 뿐만 아니라 예컨대 더욱 티어 드롭형의 용융지에 비하여, 용융지에서의 보이드 엔트랩먼트의 가능성을 감소시킨다.

더욱 구체적으로, 곡선 및 곡면 고체/액체 경계면에 대해, 매우 다양한 정렬의 결정립들이 용융지의 각각의 측에 형성된다. 결정립들은 전방 이동 방향을 향하여 만곡되는 경향이 있다. 그러한 결정립들은 또한 비교적 작은 경향이 있는데, 그 이유는 응고 방향으로 연속적인 변화가 있으며, 바람직한 배향의 결정립들이 덜 바람직한 배향의 결정립들보다 유리하게 개시되어 경쟁하기 때문이다. 추가로, 바람직하지 않은 아티팩트들은 응고되는 용접부 전체에 걸쳐 그리고/또는 많은 미세 결정립계들에 걸쳐 퍼질 수 있다. 용접 응고 균열에 대한 성향이 이로써 감소된다.

부가하여, 용융지 형상이 응고되는 용융물에 인접하는 고체 금속의 구속에 직접적으로 영향을 끼치지 않을 수 있지만, 용융지 형상이, 통상적으로 구속과 함께 균열을 야기하는 결과적인 인장 응력들의 방향 및 집중에 영향을 끼칠 수 있음이 인식된다. 그러한 응력들이 집중되는 것이 아니라 오히려 분산되는 것이 중요하다. 본원에 설명된 공정들의 다른 핵심 이득은, 용융지 형상 제어 및 공정 열 관리가 그러한 응력들을 분산시키는 것을 야기할 수 있다는 점이다.

추가로, 본원에 설명된 용접부 형상 제어 공정들은 깊은 관통 용접 결함들의 회피를 개선할 수 있다. 예컨대, 깊은 관통 용접에 뒤이은 공정 에너지의 인가는, 난류를 최소화시키기 위한 방식으로 키홀 모드 용접으로부터 전도 모드 용접으로 전이되도록 용융지를 형상화할 수 있다. 그러한 전이는 효과적으로, 개재물들 및 보이드들의 생성을 회피하며, 그리고/또는 빈 공간(voidage)이 용융지의 표면으로 드러나고 그 상에서 소멸될 기회를 향상시킬 수 있다.

특정 실시예들에서, 용융지의 냉각 속도 또는 응고 속도를 의도적으로 감소시키고, 그리고 적어도 용융지의 트레일링 에지(trailing edge) 구역에서, (용융지 밖을 가열하는 단계가 없는 공정들에 비하여) 용융지를 효과적으로 넓히기 위해, 기판은 용융지의 밖에서 가열된다. 다른 실시예들에서, 형성되는 용융지의 내부 구역이, 용융지의 형상에 영향을 끼치도록 가열된다. 어느 경우이든, 트레일링 에지 구역에서의 용융지의 확대는 예컨대 용융지 내의 오염 물질들 또는 빈 공간이 제거될 더 많은 영역을 생성하며, 뿐만 아니라 도 2에 도시된 바와 같은 용융지의 중심선을 따른 아티팩트들의 편석을 감소시킨다. 감소된 아티팩트 편석을 갖는, 결과적인 응고된 용접 비드는 응고시 크게 더 강해질 것이다.

예로서, 도 3a-도 3b를 참조하면, 위에서 설명된 선행 기술의 티어드롭 형상 용융지(22)(도 3에서 점선들로 도시됨)에 비하여 확대되는, 기판(105) 상의 용융지(100)가 도시된다. 도 3a가 2D의 평면도로부터 용융지(100)를 도시하는 반면에, 도 3b는 용융지(100)의 깊이(D)에서 컨투어드 형상(102)을 도시한다. 용융지(100)와 이 용융지(100)에 인접하는 기판(105)의 고체 부분 사이에 곡면 고체/액체 경계면(103)이 도시된다. 도 3a의 실선은 컨투어드 형상(102)을 갖는 용융지(100)의 주변부(104)를 표현한다. 특정 실시예들에서, 적어도, 용융지(100)의 트레일링 에지 구역(106)에서, 컨투어드 형상(102)이 용융지(100)에 제공된다. 본원에 사용된 바와 같이, "트레일링 에지 구역"이란 용어는 용융지(100)의 후방 절반, 이를테면, (이동 방향을 가로지르는) 중간점(108)을 통해 연장되는 수직 평면과 용융지(100)의 최후방 지점(110) 사이에 배치되는 용융지(100)의 임의의 영역을 지칭한다. 그러나, 트레일링 에지 구역(106)의 앞에 있는 용융지의 영역(리딩(leading) 에지 구역(127))이 또한, 본원에 설명된 공정들에 의해 넓어질 수 있음이 인식된다. 어느 경우이든, 선행 기술 공정들에 비하여 증가된 넓어진 형상 및/또는 컨투어드 형상을 통해, 아티팩트들(114)은 응고가 발생함에 따라 중심선(112)을 향하여 편석이 될 것이 아니라, 대신에 도 3a에 도시된 바와 같이, 용융지(100)의 둘레 주위에서 더욱 균등하게 분산될 것이다. 따라서, 응고시, 기판은 아티팩트들의 중심선 편석에 의해 보통 유발되는 약화를 회피한다.

본원에 설명되고 도 3a-도 3b에 도시된 컨투어드 형상(102)을 갖는 용융지(100)를 기판(105) 상에 생성하기 위해, 다양한 공정들이 고려된다. 다수의 공정들이 아래에서 설명될 것이지만, 본 발명이 임의의 특정 실시예로 그렇게 제한되지 않음이 이해된다. 단지 예로서, 두 개의 기판들을 에지에서 에지로 접합시키거나, 하나 이상의 기판들을 복원시키거나, (예컨대, 용융지의 앞에 또는 그 안에 추가 초합금 분말의 첨가에 의해) 하나 이상의 기판들을 향상시키거나, 또는 일 방법으로서, 더 작은 기판들을 더 큰 어셈블리(assembly)들로 형성하기 위해, 본원에 설명된 공정들이 활용될 수 있다.

도 4를 참조하면, 적어도, 컨투어드 형상(102)(도 3)을 갖는 트레일링 에지 구역(106)을 가지는 용융지(100)를 형성하기 위한 예시적 용접 공정이 도시된다. 용융지가 통상적으로, 기판(105)을 통해 연속적으로 전진되어 용접 심(seam)이 생성되는 것이 인식된다. 따라서, 도 4는 일 시점에, 이미 용융 및 재응고되었을 수 있는 용융지의 뒤의 영역 및 에너지 소스에 의해 아직 접촉되지 않은 앞의 영역을 갖는 용융지의 형성을 표현한다.

도시된 실시예에서, 제1 에너지 소스(116)는 제1 양의 에너지(118)를 기판(105)에 제공한다. 특정 실시예들에서, 제1 양의 에너지(118)는, 기판(105)을 통하는 키홀(120) 및 이 키홀(120) 주위의 용융지(100)를 형성하기에 충분할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 양의 에너지(118)는 용융지(100)를 단독으로 형성하지만, 전도 용접의 경우에서와 같이, 키홀(120)을 형성하지 않는다. 어느 경우이든, 제1 양의 에너지(118)에 의해 제공되는 용융지(100)는 최적 형상을 갖지 않을 수 있는데, 예컨대, 어떠한 다른 액션(action)들도 취해지지 않았다면, 티어 드롭 형상(22), 이를테면, 도 2에 도시된 형상을 갖는다.

용융지(100)에 컨투어드 형상(102)을 제공하기 위해, 제2 에너지 소스(122)는, 도 3a-도 3b에 도시된 바와 같은 컨투어드 형상(102)을 트레일링 에지 구역(106)에 제공하도록 용융지(100)의 폭(W) 밖으로 제2 양의 에너지(124)를 전달하는데 활용될 수 있다. 대안적으로, 제1 양의 에너지(118) 및 제2 양의 에너지(124)는 동일한 에너지 소스로부터 제공될 수 있다. 예컨대, 제1 에너지 소스(116)는, 이를테면, 검류계 구동식 스캐닝 레이저 빔 옵틱(galvanometer driven scanning laser beam optic)들의 프로그래밍된 오실레이션(programmed oscillation)들에 의해, 원격 위치들에 잠깐 지향되는 별개의 양들의 에너지와 신속하게 시간 공유(time-share)될 수 있다. 실시예에서, 제2 양의 에너지(124)는 용융지(100)의 폭(W) 밖의 구역에 인가된다. 예컨대, 아래에서 더욱 상세히 설명될 바와 같이 그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 양의 에너지(124)는 기판(105)에서 형성되는 용융지(100)의 대향 면들 중 하나 이상의 면들 상의 구역들(132)에 인가될 수 있다. 특정 실시예들에서, 제2 양의 에너지(124)는 또한, 용융지(100)의 폭(W) 내에 인가되며, 이는 또한, 용융지(100)를 확대시키며 형상화할 수 있다.

이 실시예에서, 제2 양의 에너지(124)는 폭(W) 밖의 구역을 가열하지만, 구역들(132)에서 기판을 용융시키기에는 자연히 불충분하다. 그러나, 용융지(100)로부터의 열이, 특히 용융지(100)의 주변부에서, 기판(105)의 부분을 용융시키기에 충분할 수 있음이 인식된다. 용융지(100)의 폭(W) 밖의 구역의 가열은 용융지(100) 주위의 기판(105)의 온도를 증가시키며, 따라서 이를테면 용접 이동 방향으로 용융지의 재응고 속도를 감소시키기에 효과적이다. 부가하여, 용융지(100) 주위의 냉각 속도 감소는, 냉각 속도를 감소시킨 이후로, 용융지(100)의 트레일링 에지 구역(106)의 형상에 영향을 끼치기에 효과적인데, 예컨대, (그러한 측면 가열이 없는 공정에 비하여) 용융지(100)의 트레일링 에지 구역(106)의 형상을 넓히기에 효과적이다. 제2 양의 에너지(124)의 인가 패턴(pattern)의 제어를 통해, 용융지(100)의 컨투어드 형상(102)이 형성될 수 있다. 실시예에서, 기판(105) 및 인근의 응고되는 증착물을, 1 ℃ 내지 300 ℃의 온도(그것의 용융 온도 아래임)로 가열하도록, 제2 양의 에너지(124)가 선택된다.

실시예에서, 제1 에너지 소스(116) 및 제2 에너지 소스(122)(별개이든 또는 시간 공유된 단일 소스이든 간에)는 기판(105)의 길이를 따라 용접 방향(128)으로 집합적으로 이동될 수 있다. 대안적으로, 기판(105)은, 정지된 채로 렌더링될(rendered) 수 있는 에너지 소스들(116, 122)에 대하여 용접 방향(128)으로 이동될 수 있다.

추가로, 제1 에너지 소스(116) 및 제2 에너지 소스(122)는 서로 동일한 방향으로 이동될 수 있다. 도 5에 도시된 다른 실시예에서, 하나의 에너지 소스(116)가 제1 방향으로 이동될 수 있으며, 제2 에너지 소스(122)가 별개의 제2 방향으로 이동될 수 있다. 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 에너지 소스(116)가 용접 방향(128)으로 이동될 수 있는 반면에, 제2 에너지 소스(122)는 용접 방향(128)을 가로지르는 방향(130)으로 이동될 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 에너지 소스(116)의 정상 이동 스피드가 유지될 수 있는 반면에, 본원에 설명된 바와 같이, 용융지(100)의 폭(W) 밖의 구역들, 예컨대, 구역들(132)에서 기판(105)을 가열하여 용융지의 냉각 속도를 제어하기 위해, 제2 에너지 소스(122)는 제1 에너지 소스(116)를 따라갈 수 있다. 도시된 바와 같이, 제2 에너지 소스(122)가 또한, 용융지(100)의 인테리어(interior) 구역을 가열할 수 있음이 고려된다.

일 실시예에서, 구역들(132)은 용융지(100)의 양 측면들(123) 상에 배치된 영역들이며, 이 측면들은 용융지(100)의 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에서 정의되며 연장된다. 용융지(100)에 인접하는, 가열될 구역들(132) 중 어느 한 쪽의 사이즈(size)는 원하는 결과를 달성하는데 필요한 임의의 사이즈일 수 있으며, 기술분야의 당업자에 의해 용이하게 결정가능할 것이다.

특정 실시예들에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 양의 에너지가 용접 방향(128)으로 인가되고 제2 양의 에너지(124)가 지그재그(zig-zag) 패턴(134)으로 인가되지만, 제1 에너지 소스(116) 및/또는 제2 에너지 소스(122)의 이동은 임의의 다른 적절한 패턴을 따를 수 있다.

특정 실시예들에서, 에너지의 차동 인가를 획득하기 위해, 제1 양의 에너지(118)는 제2 양의 에너지(124)보다 더 큰 전력 밀도 및/또는 주파수를 가지며, 따라서 제1 양의 에너지(118)가 용융지(100)를 형성하기에 효과적인 반면에, 제2 양의 에너지(124)는 적어도, 도 5에 도시된 바와 같은 용융지의 폭(W) 밖의 구역을 가열한다.

다른 실시예들에서, 원하는 효과를 달성하기 위해, 제1 에너지(118)의 양은 제2 양의 에너지(124)보다 더 긴 지속기간 동안에 또는 더욱 빈번한 간격들로 인가되었다. 제1 양의 에너지(118) 및 제2 양의 에너지(124)의 인가 순서가 제한 없다는 것이 인식된다. 예컨대, 제2 에너지 소스(122)가, 형성되는 용융지(100)의 리딩 에지 뒤에 제2 양의 에너지(124)를 인가할 때의 경우와 같이, 제1 양의 에너지(118)의 인가 개시 이후에 제2 양의 에너지(124)가 인가될 수 있다. 대안적으로, 제1 양의 에너지(118)는 예컨대, 제2 양의 에너지(124)와 동시에 또는 제1 양의 에너지(118)의 인가 이후에 인가될 수 있다. 또한, 에너지의 인가들은 전달시 연속적이거나 또는 펄스형(pulsed)일 수 있다.

위의 실시예는 컨투어드 형상(102)을 갖는 용융지(100)를 형성하기 위한 두 개의 에너지 소스들(116, 122)의 사용을 설명했다. 그러나, 더 적거나 또는 더 많은 개수의 에너지 소스들이 활용될 수 있음이 인식된다. 일 실시예에서, 단일 에너지 소스가 활용된다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 에너지 빔들을 기판 상에 제공하기 위해, 레이저 섬유(laser fiber)와 함께, 단일 에너지 소스가 활용된다. 예컨대, 도 6을 참조하면, 컨투어드 형상(102)을 갖는 용융지(100)를 제공하기 위해, 단일 에너지 소스, 이를테면, 제1 에너지 소스(116)와 결합하여, 투인원 섬유(two-in-one fiber)(135)가 사용될 수 있다. 예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이, 투인원 섬유(135)는 내부 코어(core)(136) 및 이 내부 코어(136)를 둘러싸는 외부의 환형(annular) 구역(138)을 포함한다. 투인원 섬유들은 트럼프사(Trumpf, Inc.) (미시간 주 플리머스 타운쉽(Plymouth Township, MI))로부터 상업적으로 이용가능하다. 실시예에서, 투인원 섬유(135)는 내부 코어(136)를 통해 제1 양의 에너지(118), 그리고 섬유(135)의 외부의 환형 구역(138)을 통해 제2 양의 에너지(124)를 제공한다. 이러한 방식으로, 본원에 설명된 바와 같이, 제1 양의 에너지(118)는 기판(105)에 용융지(100)를 형성하기에 효과적일 수 있다. 부가하여, 단일 에너지 소스를 활용하여, 적어도, 본원에 설명된 바와 같이 용융지(100)의 트레일링 에지 구역(106)에서, 용융지(100)의 응고를 감소시키기 위해, 제2 양의 에너지(124)는 용융지(100)의 폭(W) 밖의 구역, 예컨대, 구역들(132)에 접촉할 수 있다.

상이한 제1 양 및 제2 양의 에너지들의 생성은 위에서 설명된 바와 같이, 이를테면, 환형 구역(138)을 통하는 제2 양의 에너지보다 더 큰 세기로 또는 더 긴 지속기간 동안에 제1 양의 에너지(118)를 코어(136)를 통해 인가함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 특정 실시예에서, 키홀(120)(도 4) 및 인접하는 용융지(100)는 내부 코어(136)를 통해 이동하는 제1 양의 에너지(118)에 의해 형성될 수 있으며, 키홀(120) 및 용융지(100) 밖의 폭은 외부의 환형 구역(138)을 통해 이동하는 제2 양의 에너지(124)에 의해 가열될 수 있다.

이제, 도 7을 참조하면, 제1 양의 에너지(118)를 인가하는 것을 통해 기판(105)에 형성될 수 있는 용융지(100)가 도시되며, 그리고 본원(도 5)에 설명된 바와 같이, 적어도, 용융지(100)의 트레일링 에지 구역(106)에서, 용융지(100)의 응고를 감소시키기 위해, 제2 양의 에너지(124)는 용융지(100)의 폭(W) 밖의 기판(105)에 에너지를 인가한다. 추가로, 이 양상에서, 도 7에 도시된 폭(W)의 중심선(112)으로부터 원격의, 용융지(100) 내의 임의의 위치, 예컨대, 위치들(146)에서, 추가 양의 에너지(144)가 용융지(100)에 인가될 수 있다. 추가 에너지(144)는, 용융지의 측면들(123)의 에지들(148)에서 용융지를 가열하고 적어도 이 에지들(148)에서 용융지(100)의 응고 속도를 감소시키기에 추가로 효과적이다. 실시예에서, 에지들(148)은 적어도, 용융지(100)의 트레일링 에지 구역(106)의 에지들을 포함한다. 추가적인 열을 적어도 트레일링 에지 구역(106)의 에지들(148)에 인가함으로써, 트레일링 에지 구역(106)은 비교적 뜨겁게 유지되며, 이는 용융지(100)의 리딩 에지 구역과 실질적으로 동일한 속도로(또는 추가 에너지의 인가가 없는 경우보다 용융지(100)의 리딩 에지 구역에 더 가깝게) 트레일링 에지 구역(106) 냉각을 야기한다. 이는, 이를테면, 실질적으로 대칭적이며 타원형의 응고되는 용융지(2D), 그리고 구체, 타원체 등으로 표면-형상화되는 고체/액체 경계면(3D)을 제공함으로써, 응고되는 재료의 형상에 유리하게 영향을 끼치는 것을 야기할 수 있다.

실시예에서, 제3 에너지 소스(150)가 도 7에 도시된 추가 양의 에너지(144)를 인가하는 반면에, 앞서 설명된 바와 같이(도 5), 제1 에너지 소스(116)는 제1 양의 에너지(118)를 인가하며, 제2 에너지 소스(122)는 제2 양의 에너지(124)를 인가한다. 대안적으로, 추가 에너지(144)는 제1 에너지 소스(116) 및/또는 제2 에너지 소스(122)로부터의 시간 공유된 에너지로부터 인가될 수 있다. 추가 양의 에너지(144)는 임의의 적절한 패턴으로, 예컨대, 중심선(112)을 가로지르는 지그재그 패턴으로 인가될 수 있다. 대안적으로, 추가 양의 에너지(144)는 용접 방향(128)(도 4)으로 인가될 수 있다.

특정 실시예들에서, 응고되는 결정립들을 추가로 정제하고, 잠재적인 편석들 또는 아티팩트들(114)을 중심선(112)으로부터 흩어지게 하기 위해, 제2 양의 에너지(124) 및 추가 에너지(144)(인가되는 경우)는, 그들의 개개의 소스들에 의해 원하는 방향(예컨대, 128 및/또는 130)으로, 좌우 운동으로 또는 심지어 공정 평면의 안팎으로 오실레이팅될(oscillated) 수 있다. 어느 경우이든, 제1 양의 에너지(118)에 대한 추가 에너지들의 인가는, 그렇지 않으면 단일 소스의 단향성 공정 에너지 인가로 집중되는 용접 응력들의 재지향 및 균질화를 야기하는 것으로 여겨진다. 추가로, 본원에 설명된 에너지들의 추가 인가는 어느 정도의 용접 후 응력 완화 열 처리를 촉진시킬 수 있다.

여전히 다른 실시예에서, 용융지(100)의 폭(W) 밖에 열을 가하지 않고, 곡선 및/또는 곡면 고체/액체 경계면들을 갖는 컨투어드 형상(102)을 가지는 용융지(100)가 형성될 수 있음이 고려된다. 예컨대, 도 5에 대하여 도시 및 설명되었던 바와 같이, 제1 에너지 소스(116)가 용융지(100)의 적어도 리딩 에지 구역을 형성하도록 에너지를 인가하는 반면에, 제2 에너지 소스(122)는 용융지의 트레일링 에지 구역(106)을 형성하도록 에너지를 인가한다. 그러나, 이 사례에서, 제1 에너지 및 제2 에너지 중 아무것도 용융지의 폭(W) 밖의 기판 상에 인가되지 않지만, 도 3a-도 3b에 도시된 컨투어드 형상(102)을 제공하기에는 여전히 효과적이다.

예컨대, 제1 양의 에너지(118) 및 제2 양의 에너지(124) 각각은 도 8에 도시된 동심 패턴으로 인가될 수 있다. 이 패턴의 임의의 하나의 경로가 다른 경로와 겹칠 수 있다. 부가하여, 각각의 경로가 일 시점에 일 방향으로 실질적으로 선형인 것으로서 도시되지만, 에너지 인가가 그렇게 제한되지 않음이 인식된다. 연관된 에너지 소스 또는 기판이 특정 방향으로 이동함에 따른, 임의의 방향으로의 좌우 이동이 또한 고려된다. 실시예에서, 제2 양의 에너지(124)는 제1 양의 에너지(118)보다 더 큰 범위에 인가된다. 예컨대, 제2 양의 에너지(124)는 더 긴 지속기간 동안에, 더욱 빈번한 간격들로, 그리고/또는 제1 양의 에너지(118)에 비하여 더 큰 표면적에 인가될 수 있다.

언급된 바와 같이, 본원에 설명된 공정들 중 임의의 공정에서, 곡선 및/또는 곡면 고체/액체 경계면을 갖는 용융지(100)를 제공하는 것이 바람직하다. "곡선"이란 용어는 만곡된 선을 지칭하며, "곡면"이란 용어는 만곡된 평면을 지칭한다. "곡면"이라는 것은, 용융지의 평면과 연관된 어떠한 직선들도 없음을 또한 의미한다(아래에서는, 이를테면, 원뿔 또는 원통의 경우에는 직선이 있을 수 있다). 따라서, 도 9a 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 공정 평면(2D) 상으로 위에서 아래로 내려다 본 용융지는 고체/액체 경계면의 선을 나타낼 수 있으며, 이 고체/액체 경계면의 선은 직선(선형)(150)이거나 또는 만곡된다(원형, 타원형 등(곡면(152))). 하나의 양상에서, 본원에 설명된 공정들은 곡선 고체/액체 경계면을 제공한다.

추가로, 용융지(100)가 (예컨대, 멀티-포지셔닝되는 엑스-레이(multi-positioned x-ray) 등에 의해) 3D로 보일 수 있다면, 고체/액체 경계면 표면은 평면(154)을 표현할 수 있다. 평면(154)이 (티어-드롭형 용접 풀로부터 예상될 수 있는 바와 같이) 원뿔형(156)이었다면(도 9b 참조), 횡단면도로 볼 때, 그것은 비교적 직선의 측면들을 가졌을 것이며, 결정립들(158)은 공통 용접 중심선을 향하여 성장했을 것이다. 평면이 예컨대 타원형 용접 풀로부터 예상될 바와 같이 곡면(160)이었다면, 그것의 측면들은 만곡되었을 것이며, 결정립들(158)은 도 9d에 도시된 바와 같이 고체/액체 경계면으로부터 성장할 다수의 배향들을 가져야 했을 것이다. 따라서, 본 발명의 양상들은 고체/경계면을 갖는 용융지를 제공하며, 이 고체/경계면은 곡면 고체/액체 경계면을 또한 갖는다.

인가되는 에너지들 중 임의의 에너지에 의한 멜트(melt)의 깊이가, 용융지의 깊이 내의 원하는 형상을 제공하도록 제어될 수 있음이 인정된다. 예컨대, 이는, 당업자에 의해 이해될 바와 같이 에너지 인가의 매개변수들을 제어함으로써, 이를테면, 펄스 지속기간(pulse duration), 펄스 지속기간, 주파수, 및/또는 다른 임의의 적절한 매개변수들을 제어함으로써 달성될 수 있다. 실시예에서, 용융지(100)는, 만약에 있다면, 최소의 평평한 액체/고체 경계면들만을 포함한다. 특정 실시예에서, 용융지(100)의 어떠한 평평한 액체/고체 경계면들도 없다.

본원에 설명된 공정들의 경우, 기판(105)은 본원에 설명된 공정들로부터 이득을 얻게 할 임의의 재료를 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 기판(105)은 초합금 재료를 포함한다. 본원에서, "초합금"이란 용어는, 이 용어가 기술분야에서 흔히 사용되는 바와 같이, 완벽한 기계적 강도 및 심지어 고온들에서 크리프(creep)에 대한 저항을 나타내는 고도의 내부식성 및 내산화성 합금을 지칭하는데 사용된다. 초합금들은 통상적으로, 높은 니켈(nickel) 또는 코발트(cobalt) 함량을 포함한다. 예시적 초합금들은 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬(Inconel) 합금들(예컨대, IN 738, IN 792, IN 939), 르네(Rene) 합금들(예컨대, 르네 N5, 르네 41, 르네 80, 르네 108, 르네 142, 르네 220), 헤인즈(Haynes) 합금들, Mar M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 262, X45, PWA 1483 및 CMSX(예컨대, CMSX-4) 단결정 합금들, GTD 111, GTD 222, MGA 1400, MGA 2400, PSM 116, CMSX-8, CMSX-10, PWA 1484, IN 713C, Mar-M-200, PWA 1480, IN 100, IN 700, 유디미트(Udimet) 600, 유디미트 500 및 티타늄 알루미나이드(titanium aluminide)란 상표명들 및 브랜드명(brand name)들 하에서 판매되는 합금들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 대안적으로, 기판(105)은 세라믹(ceramic) 재료를 포함할 수 있다.

용융지(100)를 형성하며 용융지(100)의 폭(W) 또는 주변부(126) 밖의 구역들(132)을 가열하기 위한 하나 이상의 에너지 소스들은, 대응하는 목표를 달성하기에 충분한 임의의 적절한 에너지 소스일 수 있다. 실시예에서, 하나 이상의 에너지 소스들은, 예컨대 소스들(116, 122) 중 어느 한 쪽이든 또는 둘 모두이든, 레이저 에너지 소스일 수 있다. 본원에 설명된 원하는 형상을 갖는 용융지(100)를 제공하기 위해 당업자가 매개변수들을 식별하며 매개변수들을 어떤 방식으로 변화시킬지를 이해할 수 있음이 인정된다. 그러한 매개변수들은 전력 밀도, 펄스 지속기간, 펄스 간격들, 주파수, 투인원 섬유들의 사용, 에너지 소스들의 개수, 하이브리드(hybrid)(예컨대, 플라즈마(plasma) 및 레이저) 소스들의 사용, 소스와 기판 사이의 간격 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.

본원에 설명된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 용융지(100)의 깊이 및 그에 따른 기판(105)의 용융이 원하는 대로 제어될 수 있음이 인식된다. 위에서 언급된 바와 같이, 용융지(100)의 부분(예컨대, 이를테면, 도 3a에 도시된 구역(140))이 용융지(100)의 나머지에 비하여 기판(105)의 상단 표면으로부터 더 짧은 깊이를 가질 수 있음이 고려된다. 이러한 방식으로, 용융지(100)는, 용융지(100)로부터 아티팩트들 및 다공성의 제거를 개선시키기 위해 곡선 및 곡면 고체/액체 경계면을 가질 수 있다.

특정 실시예들에서, 하나 이상의 에너지 소스들에 의해 기판(105)에 인가되는 에너지의 양은 어떤 방식으로 균일하지 않게 인가되거나, 또는 전력 구배를 포함한다. 예컨대, 용융지(100)를 형성하는 에너지 소스는, 키홀 및/또는 용융지를 형성하기 위해 미리결정된 시간 간격에 걸쳐 점진적으로 증가되는 특정한 미리결정된 전력 밀도에서 용융을 시작할 수 있다. 이는, 통상적으로 결함들, 이를테면, 공극들 또는 다른 바람직하지 않은 개재물들을 유발하는 난류를 감소시킬 가능성을 갖는다.

추가로, 용융지(100)의 컨투어드 형상(102)이 평면도로부터 비교적 타원형의 형상인 것으로서 도시되지만, 본 발명이 그러나, 그렇게 제한되지 않음이 이해된다. 도 2에 도시된 바와 같은 용융지(100)의 중심선(30)을 따라 아티팩트들(114)이 편석이 되지 않도록, 다른 형상들이 형성될 수 있으며 용융지(100)가 티어 드롭 형상(22)을 갖지 않음이 고려된다. 또한, 본원에 제공된 용융지 형상은, 중심선을 따라 감소된 응력을 제공하며 그리고 티어 드롭형 용융지에 비하여 재응고 이전에 용융지로부터 다공성의 회피를 위한 더 큰 가능성을 제공하는 임의의 형상일 수 있다.

본원에 설명된 방법들을 수행하기 위해, 적어도, 하나 이상의 에너지 소스들과 직접 통신 또는 무선 통신하는 하나 이상의 제어기들이 제공될 수 있다. 예컨대, 도 4에는, 제1 에너지 소스(116) 및 제2 에너지 소스(122)와 통신하는 제어기(142)가 도시된다. 하나 이상의 제어기들은, 에너지 소스들을 제어하기 위한 소프트웨어/하드웨어(software/hardware)로 프로그래밍될(programmed) 수 있거나 또는 이 소프트웨어/하드웨어를 가질 수 있다. 따라서, 하나 이상의 제어기들은 위에서 설명된 바와 같이 전력 밀도, 펄스 지속기간, 주파수, 및 에너지 소스(들) 또는 기판의 이동 방향과 같은 매개변수들을 조절하기 위한 컴퓨터(computer) 판독가능 명령들을 실행하도록 구성된다. 특정 실시예들에서, 용융 공정을 모니터링하기(monitor) 위해 하나 이상의 센서(sensor)들, 예컨대, 온도 센서들이 제공된다. 하나 이상의 센서들은 또한, 제어기(142)와 통신한다. 따라서, 하나 이상의 제어기들(142)은 설명된 센서들 중 하나 이상으로부터 정보, 이를테면, 기판 상의 온도 또는 공정 위치를 둘러싸는 응력 분포를 수신하기 위한 하나 이상의 입력부들을 포함할 수 있다.

제어기(142)는 예컨대, 마이크로프로세서(microprocessor)를 포함하는 특수 목적 컴퓨터, 마이크로컴퓨터(microcomputer), 산업용 제어기, 프로그래머블(programmable) 논리 제어기, 이산 논리 회로 또는 다른 적절한 제어 디바이스(device)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(142)는 입력 채널(channel)들, 메모리(memory), 출력 채널, 및 컴퓨터를 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, 컴퓨터란 용어는 프로세서(processor), 마이크로제어기(microcontroller), 마이크로컴퓨터, 프로그래머블 논리 제어기(PLC;programmable logic controller), 주문형 집적 회로, 및 다른 프로그래머블 회로들을 포함할 수 있다. 메모리는 컴퓨터-판독가능 매체 또는 저장 디바이스, 예컨대, 플로피 디스크(floppy disk), 콤팩트 디스크 판독 전용 메모리(CD-ROM;compact disc read only memory) 등을 포함할 수 있다. 실시예에서, 제어기(142)는 방법들의 임의의 양상을 수행하거나 또는 본원에 설명된 시스템들의 임의의 양상을 제어하기 위한 컴퓨터 판독가능 명령들을 포함한다.

본원에 설명된 공정들은, 대기 중의 산소로부터 용융지(100)를 보호하기 위해 적절한 플럭스(flux) 조건들 하에서 이루어질 수 있다. 특정 실시예들에서, 본원에 설명된 공정들은 아르곤(argon) 또는 다른 비활성 가스(참조 번호(21)에 의해 도시됨)의 흐르는 스트림(stream)의 존재시 용융지(100) 위에서 수행될 수 있으며, 이 아르곤 또는 다른 비활성 가스는 도 1에 도시된 바와 같은 대기 중의 산소로부터 용융지(100)를 보호한다.

다른 실시예들에서, 대기 중의 산소로부터 용융지를 유사하게 보호하기 위해, 미국 공개 특허 출원 번호 제2013/0136868호(그 전체가 이로써 인용에 의해 본원에 통합됨)에 설명된 사이즈 및 컴포지션(composition)의 플럭스 분말이 기판 및/또는 용융지에 도입될 수 있다. 용융지의 최상단 표면에서의 슬래그(slag) 층의 형성을 비롯해, 플럭스 분말의 사용은 이 플럭스 분말과 연관된 복수의 장점들을 가지며, 이 슬래그(slag) 층은, 용융지로부터 오염 물질들을 멀리 운반하고, 자가 절연하며, 그리고 열 소실을 제어하는 것을 도와서 이로써 용접 풀 형상 및 응력들에 영향을 끼친다. 부가하여, 본원에 설명된 공정들 중 임의의 공정이 첨가제 제조 공정으로서 활용될 것이라면, 첨가제 재료는 미국 제2013/0136868호에서 설명된 바와 같이 용융지에 또는 용융지의 형성 앞에 적용되는 초합금 분말의 형태로 있을 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들이 본원에서 도시되고 설명되었지만, 그러한 실시예들이 예로서만 제공되는 것이 명백할 것이다. 본원의 발명으로부터 벗어나지 않고, 많은 변형들, 변경들 및 치환들이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 첨부된 청구항들의 사상 및 범위에 의해서만 본 발명이 제한되는 것이 의도된다.

Claims (15)

1. 초합금을 용접하는 공정으로서,
   제1 양(amount)의 에너지를 초합금으로 구성된 기판에 인가하여, 기판의 길이를 따라 그리고 용접 방향으로 용융지(melt pool)를 형성하는 단계;
   상기 제1 양의 에너지를 통해 상기 길이를 따르는 상기 용접 방향으로 상기 용융지를 전진시키는 단계 ― 상기 용융지는 상기 용접 방향을 가로지르는 폭을 가짐 ―;
   상기 기판에 제2 양의 에너지를 인가하되, 상기 제2 양의 에너지가 인가되는 위치를 상기 용접 방향을 가로지르는 방향으로 이동시킴으로써 상기 용융지의 트레일링 에지(trailing edge)에서 상기 용융지의 폭의 외측으로 연장하도록 상기 제2 양의 에너지를 인가하는 단계
   를 포함하고,
   상기 제2 양의 에너지는, 상기 제2 양의 에너지를 인가하지 않는 공정에 비하여,
   상기 용융지가 상기 용접 방향으로 전진함에 따라 상기 용융지의 트레일링 에지에서 상기 용융지의 폭을 확대시키고, 그리고
   상기 폭의 중심선을 따른 아티팩트(artifact)들의 편석(segregation) 및 응력 집중을 감소시키는,
   용접 공정.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 양의 에너지 및 상기 제2 양의 에너지는 상이한 에너지 소스들에 의해 인가되는,
   용접 공정.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 양의 에너지 및 상기 제2 양의 에너지는 동일한 에너지 소스로부터의 시간 공유(time-shared) 에너지에 의해 인가되는,
   용접 공정.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 양의 에너지는 상기 용융지의 폭의 대향하는 양 측들 모두에 인가되는,
   용접 공정.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 양의 에너지는 상기 용융지를 형성하는 단계의 개시 이후에 인가되고, 형성되는 용융지의 리딩 에지(leading edge)의 뒤에 인가되는,
   용접 공정.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 양의 에너지는 상기 용융지에 키홀(keyhole)을 형성하고,
   상기 용융지가 상기 용접 방향으로 전진함에 따라 상기 용융지의 트레일링 에지에서 상기 용융지의 폭을 확대시키는 것은, 상기 키홀의 뒤에서 이루어지는,
   용접 공정.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 양의 에너지 및 상기 제2 양의 에너지의 인가는 투인원 섬유(two-in-one fiber)를 통해 동시에 수행되고,
   상기 제1 양의 에너지는 상기 섬유의 중심부를 통해 제공되고, 상기 제2 양의 에너지는 상기 중심부 주위의 환형 구역를 통해 제공되는,
   용접 공정.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 양의 에너지 및 상기 제2 양의 에너지는, 적어도 하나의 레이저 소스를 사용하여 인가되는,
   용접 공정.
10. 제1항에 있어서,
    상기 용융지는 실질적으로 볼(bowl) 형상을 갖는,
    용접 공정.
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제

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