KR102378831B1 - 2차원으로 반복적으로 주사되는 에너지 빔을 이용한 용접 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

용접 접합부를 확립하는 방법은 레이저 빔과 같은 에너지 빔(2)을 접합될 2개의 부품(101, 102) 사이의 계면 영역(103) 상에 투사하는 단계를 포함한다. 빔은 계면 영역(103) 상에 일차 스폿(2A)을 생성하도록 계면 영역(103) 상에 투사되고, 빔은 대상물 상에 유효 스폿(21)을 구축하도록 주사 패턴에 따라 빔은 2차원으로 반복적으로 주사되며, 유효 스폿(21)은 2차원 에너지 분포를 갖는다. 유효 스폿(21)은 제1 부품(101)과 제2 부품(102)의 결합 부분을 점진적으로 용융시켜 용접 접합부(105)를 형성하도록, 계면 영역(103) 위로 트랙(104)을 따라 변위된다. 유효 스폿은 비대칭 에너지 분포를 특징으로 할 수 있다.

Description

2차원으로 반복적으로 주사되는 에너지 빔을 이용한 용접 방법 및 시스템

본 발명은 에너지 빔을 이용한 용접(welding), 예를 들어 레이저 용접에 관한 것이다.

에너지 빔, 전형적으로 레이저 빔을 사용하여 용접을 수행하여, 예를 들어 대상물(object) 또는 구성 요소(component)의 두 부품(part)을 연결하도록, 부품 간에 접합부(joint)를 확립시키는 것이 당해 기술 분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 레이저 용접은 자동차 어플리케이션용 부품을 접합하기 위해 자주 사용된다. 레이저 용접은 전형적으로 양 부품의 일부분을 용융시키기 위하여 2개의 부품 사이의 계면을 따라 레이저 빔의 투사된 스폿을 변위시키는 것(displacing)을 포함하며, 이에 의하여 용융된 재료가 응고될 때 접합부가 형성된다. 접합부의 품질은 전형적으로 스폿이 용접 이음부(weld seam)의 방향으로 변위되는 속도, 스폿의 크기 및 형상, 레이저 빔의 출력(power) 및 스폿 내의 출력 또는 에너지 분포와 같은 요인에 의해 결정된다. 예를 들어, 센서 또는 카메라로부터의 피드백에 기초하여, 매개 변수의 실시간 조정(real-time adaptation)을 기반으로 하는 시스템을 포함하는, 용접의 품질을 제어하기 위한 정교한 시스템이 개발되고 있다.

많은 특허 문헌이 레이저 용접의 여러 가지 양태를 논의하고 있다. 그 예는 하기와 같다:

DE-202014105648-U1은 2차원 진동을 포함하는 레이저 용접을 논의하고 있다. 이 문헌은 접합되는 모재(workpiece) 사이의 갭의 높이에 좌우되는 진동을 포함하는 매개 변수의 동적 조정을 언급하고 있다.

DE-102014107716-B3은 용접 트랙을 따라 일반적인 움직임에 중첩되는 레이저 빔의 바람직하게는 1차원 진동이 조건을 고려하여 용접 중에 어떻게 동적으로 적합화되는(adapted) 지를 언급하고 있다. 목표는 용접 드롭(weld drop)을 줄이는 것이다. 이 방법은 실시간 모니터링을 포함한다.

DE-102013110523-A1은 2가지 주사(scanning) 움직임이 어떻게 중첩될 수 있는지를 개시하고 있으며, 하나는 고주파수를 가지고 다른 하나는 낮은 주파수를 갖는다. 주파수와 진폭이 적합화되어 용융물 풀(melt pool)의 거동에 영향을 줄 수 있다. 이 2가지 주사 움직임은 레이저 장치와 모재 사이의 일반적인 상대적 움직임에 중첩될 수 있다.

DE-102014105941-A1은 용접과 평행하고/하거나 용접에 수직인 레이저 빔의 진동을 가지며, 용접 중에 동적으로 적합화되는 레이저 용접을 논의하고 있으며; 진폭 및 주파수와 같은 매개 변수의 변경을 언급하고 있다. 2차원 검류계 주사(galvanometric scanning)을 포함하는, 1차원, 2차원 및 3차원 모두 언급하고 있다. 이 문헌은 특히 초점 직경의 0.2 내지 3배의 바람직한 진폭, 빔 출력의 또는 빔의 축 방향으로의 시준기 조정(collimator adjustment)에 의한 진동, 및 공간과 시간 진동을 결합하는 것을 기초로 한 4D-변조(modulation)를 논의하고 있다. 이 방법은 용접 풀의 냉각과 같은, 공정의 다른 양상을 보다 잘 제어함으로써 용접의 특정 결함을 방지할 수 있다고 주장하고 있다.

WO-2014/190971-A1은 샌드위치 구성 요소를 고체 구성 요소에 납땜하는 것(soldering)을 개시하며, 빔을 형성함으로써 또는 빔 출력 및/또는 레이저 빔의 진동 운동의 속도를 변경함으로써 에너지 분포를 맞추는 것(tailoring)을 제안하고 있다.

DE-102013107228-B3은 에너지 분포의 정적이지만 동적인 적합화를 제안하며, 이에 의하여 동적 적합화는 예를 들어, 레이저 빔의 진동에 기초하여 발생할 수 있다. 또한, 진동과 연동하는 빔 출력의 적합화도 논의되고 있다.

WO-2016/118555-A1은 중첩 접합부와 필렛(fillet) 접합부를 포함하는, 다양한 유형의 접합부가 에너지 빔 용접에 의하여 어떻게 형성될 수 있는지를 설명하고 있다. 필렛 접합부는 흔히 선호되지만, 높은 위치 정확도를 요구한다는 단점이 있다는 것이 명시되어 있다. WO-2016/118555-A1은 레이저 빔이 계면을 따라 움직이는 동안 레이저 빔을 진동시킴으로써 필렛 접합부의 폭이 어떻게 증가될 수 있는지를 논의하며; 즉, 이는 접합부의 길이 방향에 수직인, 즉 접합부를 형성하도록 레이저 빔이 이동하는 일반적인 방향에 수직인 방향으로 레이저 빔을 진동시키는 것을 제안하고 있는 것으로 보이고; 이 방향은 본 명세서 전체에서 "길이 방향" 또는 "트랙"의 방향으로 지칭될 것이다. 접합부의 증가된 폭이 (레이저 빔이 임의의 중첩 진동없이 길이 방향으로 변위되었을 때 형성될 접합부의 폭과 비교하여) 공차(tolerance)를 보상한다는 것이 설명되어 있다. 진동은 반드시 가로 방향(즉, 길이 방향에 수직인 방향)에만 있을 필요는 없으며: 예를 들어, WO-2016/118555-A1은 (WO-2016/118555-A1에서 "계면을 따라 측 방향으로"로 지칭되는) 길이 방향으로의 레이저 헤드의 이동 중에, 예를 들어 "숫자 8"의 패턴을 따르는, 예를 들어 2개의 방향으로 레이저 빔을 진동시키는 것을 제안하고 있다. 필렛 접합부의 폭이 레이저 빔의 진동 진폭에 어떻게 좌우되는지가 설명되어 있다. WO-2016/118555-A1은 이 방법이 계면의 상이한 부분을 따라 상이한 진동 진폭을 사용할 수 있다는 점 및 용접 속도, 레이저에 제공되는 에너지 또는 출력 레벨, 펄스 또는 무 펄스(no pulse), 진동 유형 숫자 또는 패턴, 진동 숫자(figure)의 주파수 및 초점 또는 초점 이탈과 같은 다른 매개 변수가 용접 공정 전에 또는 용접 공정 중에 설정될 수 있다는 점을 설명하고 있다.

WO-2016/118555-A1은 공차에 대한 보상을 포함하는, 필렛 용접을 개선하고/하거나 필렛 용접에 필요한 장비를 단순화하기 위한 가능한 유용한 툴(tool)을 개시하고 있으나, 이는 현재 사용 가능한 레이저 주사 시스템에 의하여 제공되는 가능성을 충분히 활용하지 못하고 있다는 것이 밝혀졌다.

본 발명의 제1 양태는 에너지 빔을 부품 사이의 계면 영역 상에(즉, 부품이 만나는 영역 상에; 계면 영역은 일반적으로 제1 부품의 표면의 일부분과 제2 부품의 표면의 일부분을 포함함) 투사하는 단계를 포함하는, 적어도 제1 부품과 제2 부품(일반적으로, 차량의 구성 요소의 2개의 부품과 같은 2개의 금속 부품; 일부 구현예에서는, 2개 이상의 부품이 접합되며, 예를 들어 계면 영역과 대응하여 서로 마주하게 배열된 3개 이상의 부품 사이에 용접 접합부가 확립될 수 있음) 사이에 용접 접합부를 확립하는 방법에 관한 것이다. 빔은 계면 영역 상에 일차(primary) 스폿을 생성하도록 계면 영역 상에 투사되고, 빔은 대상물 상에 유효 스폿을 확립하도록 주사 패턴에 따라 2차원적으로 반복 주사되며, 유효 스폿은 2차원 에너지 분포를 갖는다. 유효 스폿은 제1 부품과 제2 부품의 결합 부분(mating portion)을 점진적으로 용융시켜 용접 접합부를 형성하도록, 즉 용융된 재료를 냉각시킴으로써 용접 이음부를 형성할 수 있도록, 계면 영역 위의 트랙을 따라 변위된다. 2차원 주사는 2차원 에너지 분포를 신중하고 정확하게 설계하는 것을 가능하게 하며, 이에 의하여 이를 정적 및 동적으로 특정 조건에 적합화시킬 수 있다.

본 발명의 일부 구현예에서, 트랙을 따르는 유효 스폿의 적어도 일부의 변위 동안(예컨대, 100%를 포함하는, 50%, 75%, 90% 초과의 변위 동안), 2차원 에너지 분포는

- 트랙과 평행한 유효 스폿을 통해 연장되는 임의의 선에 대하여(즉, 모든(all) 선에 대하여, 즉 개개의 모든(every) 선에 대하여), 및/또는

- 트랙에 수직인 유효 스폿을 통해 연장되는 임의의 선에 대하여(즉, 모든 선에 대하여)

비대칭이다.

즉, 2차원 에너지 분포, 즉 주사 패턴의 1 스캔 동안 레이저 빔에 의해 계면 영역에 인가되는 에너지의 분포는 i) 트랙과 평행한 계면 영역을 통해 연장되는 모든 선; 및 ⅱ) 트랙에 수직인 계면 영역을 통해 연장되는 모든 선 중 적어도 하나에 대하여 반사 대칭(reflectional symmetry)이 없다.

전형적으로, 2차원 주사를 포함하는 선행 기술 시스템은 WO-2016/118555-A1에 언급된 숫자 "8" 또는 어쩌면 원형 패턴과 같은 반사적으로 대칭인 패턴을 기반으로 하며, 대칭 패턴을 제공하는 출력의 인가와 함께 일반적으로 트랙과 트랙에 수직인 선 모두에 대하여 반사적으로 대칭이다. 이는 레이저 빔의 진동 목적이 공차를 보상하기 위해 용접 이음부의 증가된 폭을 제공하는 WO-2016/118555-A1의 경우인 것으로 보인다. 비대칭은 렌즈 또는 미러의 결함에 의해 야기되는, 예를 들어 광학 분야에서의 결함과 자주 관련되기 때문에, 대칭성 패턴을 선택하는 것이 종종 가장 적합한 해결책으로 생각될 수 있다.

그러나 비대칭 패턴은 예를 들어, 접합부의 품질을 향상시키도록 적절한 가열-냉각 곡선을 허용하거나, 또는 예를 들어, 두께 및/또는 재료의 측면에서 다른(상이한 물질은 상이한 용융점을 특징으로 할 수 있음) 부품을 용접할 수 있게 하거나, 또는 계면 영역의 절곡 부분(bent portion)에 대해 및/또는 트랙의 만곡 부분(curved portion)에 대해 유효 스폿을 적합화시킬 수 있게 하는데 종종 바람직할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

본 발명의 일부 구현예에서, 트랙을 따르는 유효 스폿의 적어도 일부의 변위 동안(예컨대, 100%를 포함하는, 50%, 75%, 90% 초과의 상기 변위 동안), 2차원 에너지 분포는 계면 영역의 유효 스폿을 통해 연장되는 임의의 선에 대하여(즉, 모든 선에 대하여) 비대칭이다(즉, 2차원 에너지 분포는 그 부분의 변위 동안 반사 대칭이 완전히 없다).

본 발명의 일부 구현예에서, 상기 일부의 변위 동안, 2차원 에너지 분포는 유효 스폿 내의 평균 밀도가 트랙의 다른 면에서보다 트랙의 한 면에서 실질적으로 더 높은 것이다. 본 발명의 일부 구현예에서, 상기 일부의 변위 동안, 2차원 에너지 분포는 트랙의 한 면에서의 최대 출력 레벨이 트랙의 다른 면에서의 최대 출력 레벨보다 실질적으로 더 높은 것이다. 이들 구현예에서, 유효 스폿 내의 2차원 에너지 분포는 적어도 트랙에 관하여 반사 대칭이 없다. 트랙의 "면(side)"을 언급할 때, 트랙은 계면 영역 위의 유효 스폿의 중심이 뒤따르는 가상 선(virtual line)을 지칭하며, 즉 실제로 가열되는 "트랙"이 아니며 그 폭은 유효 스폿의 폭에 실질적으로 대응한다. 유효 스폿에 명확한 "중심(center)"이 없는 경우, 트랙은 유효 스폿의 선행 에지(leading edge)의 중앙 부분이 뒤따르는 선을 지칭한다.

본문에서, 용어 "실질적으로(substantially)"는 고의적인, 즉 예를 들어 경미한 결함으로 인한 것이 아닌, 차이를 의미한다. 전형적으로, "실질적으로 높다"는 것은 20% 이상 높은, 바람직하게는 50% 이상 높은, 예컨대 100% 이상 높다는 것을 의미한다. 아래에 설명하는 구현예도 동일한 원리가 준용하여 적용된다.

트랙의 다른 면에서 상이한 출력 레벨 또는 에너지 밀도를 사용하는 것은, 예를 들어, 상이한 용융점을 갖는 상이한 재료의 용접 부품 또는 상이한 두께를 갖는 부품에, 또한 때로는 만곡되거나 절곡된 트랙을 뒤따를 때에도 적합할 수 있고,이에 의하여 유효 스폿의 속도는 그 내부 반경 부분(radial portion)에서보다 유효 스폿의 외부 반경 부분에서 더 높다.

본 발명의 일부 구현예에서, 상기 일부의 변위 동안, 2차원 에너지 분포는 유효 스폿 내의 평균 에너지 밀도가 유효 스폿의 후미 절반부(trailing half)에서 보다 유효 스폿의 선행 절반부(leading half)에서 실질적으로 더 높은 것이다. 본 발명의 일부 구현예에서, 상기 일부의 변위 동안, 2차원 에너지 분포는 유효 스폿의 선행 절반부에서의 최대 출력 레벨이 유효 스폿의 후미 절반부에서의 최대 출력 레벨보다 실질적으로 더 높은 것이다. 이들 구현예에서, 유효 스폿은 온도를 빠르게 높이고 유효 스폿이 트랙을 따라 앞으로 이동함에 따라 용융을 준비하는 것을 목표로 하는 "고온 선행 부분(hot leading portion)", 및 기본적으로 또는 주로 용접의 품질을 향상시키도록 적절한 냉각 곡선을 보장하기 위한 목적을 갖는 더 차가운 후미 부분을 특징으로 할 수 있다. "선행 절반부(leading half)" 및 "후미 절반부(trailing half)"라는 표현은 트랙과 평행한 축을 따르는 유효 스폿의 최대 연장의 각각의 절반을 나타낸다.

본 발명의 일부 구현예에서, 상기 일부의 변위 동안, 2차원 에너지 분포는 유효 스폿 내의 평균 에너지 밀도가 유효 스폿의 선행 절반부에서보다 유효 스폿 의 후미 절반부에서 실질적으로 더 높은 것이다. 본 발명의 일부 구현예에서, 상기 일부의 변위 동안, 2차원 에너지 분포는 유효 스폿의 후미 절반부에서의 최대 출력 레벨이 유효 스폿의 선행 절반부에서의 최대 출력 레벨보다 실질적으로 높은 것이다. 이들 구현예는 예를 들어, 용융 개시 전에 특정 예비 가열 단계를 제공하기에 적합할 수 있다.

본 발명의 일부 구현예에서, 유효 스폿의 2차원 에너지 분포는 트랙을 따르는 유효 스폿의 변위 중에 동적으로 적합화된다. 그렇게 함으로써, 현재 가열되고 있는 계면 영역의 부분(area) 또는 구역(region)에 대한 유효 스폿의 적합화가 이루어질 수 있다. 동적 적합화(dynamic adaptation)라는 표현은 적합화가 유효 스폿의 변위 중에 동적으로 일어날 수 있다는 사실을 나타내기 위한 것이다. 이러한 종류의 동적 적합화를 달성하기 위해 다른 수단이 사용될 수 있으며, 그 중 일부가 아래에 언급되어 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 구현예에서, 주사 시스템이 작동되어 (예를 들어, 주사 패턴 및/또는 주사 패턴을 따르는 또는 이의 하나 이상의 세그먼트 또는 부분을 따르는 일차 스폿의 속도를 변경하도록 갈바닉(galvanic) 미러 또는 다른 주사 수단의 작동을 적합화시킴으로써) 동적 적합화를 달성할 수 있고/있거나 빔 출력 및/또는 일차 스폿의 크기가 적합화될 수 있다. 개방-루프 또는 폐쇄-루프 제어가 동적 적합화를 제어하는데 사용될 수 있다. 동적 적합화는 (일차 스폿이 움직이고 있음은 무시하고, 단지 유효 스폿만을 고려하여) 유효 스폿의 주어진 영역 내에서 에너지가 분포되는 방식 및/또는 유효 레이저 스폿의 실제 형상 및 그에 따른 임의의 주어진 순간에 가열되는 영역의 형상에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 유효 스폿의 길이 및/또는 폭은 공정 중에 동적으로 적합화될 수 있다. 동적 적합화, 즉 트랙을 따라 유효 스폿을 이동하는 동안의 적합화는, 트랙을 따라 다양한 조건에 대하여, 예를 들어 계면 영역 내의 부품의 두께의 변화에 대하여, 부품 간의 간격의 변화에 대하여 또는 오목부, 관통 구멍, 돌출부, 변형부, 만곡되거나 절곡진 표면 부분의 존재와 같은 부품의 구성 변화 또는 트랙의 형상의 변화에 대하여, 예를 들어 가열을 적합화하는데 유용할 수 있고; 예를 들어, 2차원 에너지 분포는 바람직하게는 트랙의 직선 부분에서보다 트랙의 곡선 부분에서 상이하도록 선택될 수 있다.

본 발명의 일부 구현예에서, 2차원 에너지 분포는 유효 스폿이 오목부, 개구, 관통 구멍 또는 돌출부로부터 각각 멀리 떨어져 있는 영역에 있을 때보다 부품 중 하나의 상기 오목부, 개구, 관통 구멍 또는 돌출부에 인접한 영역에 있을 때 상이하도록 동적으로 적합화된다. 따라서, 가열은 오목부, 개구, 관통 구멍 또는 돌출부의 존재에 대해 적합화될 수 있어 향상된 용접 품질을 제공한다.

본 발명의 일부 구현예에서, 2차원 에너지 분포는 계면 영역 내의 2개의 부품 중 적어도 하나의 두께 및/또는 재료의 변화에 대응하여 동적으로 적합화된다.

본 발명의 일부 구현예에서, 2차원 에너지 분포는 트랙의 직선 부분에서보다 트랙의 곡선 부분에서 상이하도록 동적으로 적합화된다. 이것은 곡선의 유효 스폿의 다른 부품 사이의 다양한 변위 속도를 보상하고, 유효 스폿의 모양과 그것의 2차원 에너지 분포를 트랙과, 즉 곡선에 대한 탄젠트(tangent)와 적절하게 정렬하는데 도움을 줄 수 있다.

본 발명의 일부 구현예에서,

- 에너지 빔의 출력,

- 주사 패턴, 및

- 일차 스폿이 주사 패턴의 적어도 일부분을 따라 움직이는 속도

중 적어도 하나는 에너지 빔, 및 유효 스폿에 의해 가열되는 계면 영역의 일부 사이의 각도의 적어도 하나의 변화에 응답하여 적합화된다.

본 발명의 일부 구현예에서, 방법은 재료의 첨가를 추가적으로 포함한다. 즉, 방법은 선택적으로, 예를 들어 레이저 클래딩(cladding)에 의해, 접합부를 확립하기 위한 재료의 첨가를 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 구현예에서, 에너지 빔은 레이저 빔이다. 레이저 빔은 적절한 주사 시스템의 비용, 신뢰성 및 유용성과 같은 문제 때문에 종종 선호된다. 본 발명의 일부 구현예에서, 레이저 빔의 출력은 적어도 공정의 일부 동안, 1 kW보다 높고, 예컨대 3 kW보다 높고, 4 kW보다 높고, 5 kW보다 높거나 6 kW보다 높다.

본 발명의 다른 양태는 에너지 빔을 이용하는 용접 시스템에 관한 것으로, 시스템은

계면 영역에서 서로 인접하도록 적어도 2개의 부품을 지지하는 수단, 및

에너지 빔을 생성하고, 그 에너지 빔을 계면 영역에 투사하는 수단

을 포함하고,

여기에서 시스템은 적어도 2차원으로 에너지 빔을 주사하기 위한 스캐너를 포함하고; 그리고

여기에서 시스템은 상기 기술된 방법을 수행하도록 배치된다.

본 발명의 많은 구현예에서, 에너지 빔은 전자기 방사선의 빔, 예를 들어 레이저 빔이다. 유효 스폿은 예를 들어, 본원에 참고로 원용된 WO-2014/037281-A2 또는 WO-2015/135715-A1에 기술된 것과 같은 기술을 사용하여 생성되고 적합화될 수 있다. 이들 공보의 설명은 주로 크랭크 샤프트의 저널의 레이저 경화에 초점을 맞추었지만, 레이저 빔의 주사와 관련하여 그 안에 개시되어 있는 원리는 금속 부품과 같은 부품의 용접에도 적용되어 유연성, 제어 및 속도의 측면에서 개선이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 또한, 고온의 선행 부분 다음에 더 차가운 후미 부분 등과 같은 옵션을 포함하는 신중하게 맞춤 설정된 에너지 분포를 허용함으로써 용접 접합부의 품질을 향상시킬 수 있다.

계면 영역에 대한 유효 스폿의 변위는 직선 부분 및/또는 곡선 부분, 및/또는 하나 이상의 평면 내의 부분을 포함할 수 있는 트랙에 따라 수행된다. 즉, 실제/일차 스폿, 즉 임의의 주어진 순간에 빔에 의해 생성되는 스폿은 주사 패턴에 따라 주사되어 유효 스폿을 생성하며, 이 유효 스폿은 트랙을 따라 변위될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 구현예에서는 단순한 직선일 수 있는, 주사 패턴에 따른 일차 스폿의 이동과 트랙에 따른 유효 스폿의 이동의 2가지 유형의 이동은 조합되거나 중첩된다.

용어 "2차원 에너지 분포"는 예를 들어, 주사 패턴에 따라 빔의 하나의 스윕(sweep) 동안, 에너지 빔에 의해 인가된 에너지가 유효 스폿에 분포되는 방식을 지칭한다. 유효 스폿이 만곡 부분과 같은 비평면 부분 또는 영역 또는 절곡을 특징으로 하는 부분 또는 영역과 같은 영역 상에 투사될 때, 용어 "2차원 에너지 분포"는 에너지가 대상물의 표면을 따라 그리고 대상물을 표면 전체에 걸쳐 어떻게 분포되는지를 지칭하며, 즉 대상물의 표면상에 투사됨에 따라 유효 스폿을 따라 그리고 유효 스폿 전체에 걸친 에너지 분포를 지칭한다.

본 발명은 유효 스폿이 예를 들어, 일차 스폿의 4, 10, 15, 20 또는 25배 초과와 같은 크기(면적)와 같은 상당한(substantial) 크기를 가질 수 있다는 사실 때문에, 계면 영역의 상당한 부분을 비교적 신속하게 가열할 수 있게 한다. 따라서, 온도 및 지속 시간(duration)의 측면에서 계면 영역의 특정 구역을 원하는 정도까지 가열하는 것은 가열이 예를 들어, 사인 곡선(sinusoidal) 또는 사행 형태(meandering) 패턴 또는 직선에 뒤이어 전체 영역에 걸쳐 일차 스폿을 단순히 변위시킴으로써 수행되는 경우보다 더 신속하게 달성될 수 있다. 비교적 큰 면적을 갖는 유효 스폿의 사용은 높은 생산성을 허용하면서, 여전히 계면 영역의 관련 부분 또는 부분들이 상대적으로 상당한 시간 동안 가열되도록 허용함으로써, 예를 들어 생산성을 손상시키지 않으면서 덜 공격적인 가열을 허용한다. 동시에 그리고 어쩌면 훨씬 더 중요하게는, 이는 특정 조건에 대한, 예를 들어 트랙의 형태에 대한 그리고 용접된 부품의 형상, 치수 및 재료에 대한 유효 스폿의 적합화의 유연성(flexibility) 및 능력(capacity)을 제공한다는 것이다.

일차 스폿은 유효 스폿의 면적보다 실질적으로 작은 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 구현예에서, 일차 스폿은 적어도 공정의 일부 동안, 4 ㎟ 미만, 예컨대 3 ㎟ 미만의 크기를 갖는다. 일차 스폿의 크기는 품질 및 생산성 면에서, 계면 영역의 각 특정 부분이 열 처리되는 방식을 최적화하도록 공정 중에 변경될 수 있다.

한편, 주사 패턴에 따라 일차 스폿을 2차원적으로 반복적으로 주사함으로써 생성된 유효 스폿의 사용은 선택된 2차원 에너지 분포를 갖는 유효 스폿을 확립할 수 있게 하며, 이는 실질적으로 사용되고 있는 특정 광학계(렌즈, 미러 등)와는 관계가 없고, 이는 (예를 들어, 분당 ㎝ 또는 시간당 종료된 단위의 관점에서) 용접이 완료되는 속도 및 품질을 포함하는 상이한 관점에서, 계면 영역의 향상된 또는 최적화된 가열을 제공하도록 맞추어지고 적합화될 수 있다. 예를 들어, 유효 스폿의 선행 부분이 후미 부분보다 높은 에너지 밀도를 갖도록 열이 분포될 수 있고, 그렇게 함으로써 용융이 개시되는 속도는 증가시키지만 후미 부분은 적절한 냉각 곡선을 제공하기에 충분한 시간 동안 가열을 유지하는 역할을 할 수 있으며, 그에 의하여 용접 이음부의 품질을 포기하지 않고 계면 영역에 대하여 유효 스폿이 변위될 수 있는 속도를 최적화시킨다. 또한, 2차원 에너지 분포는 두께, 재료, 형상 등과 같은 양상을 포함하는, 함께 용접되는 부품의 특성에 따라 유효 스폿의 측면에 대해 적합화될 수 있다. 또한, 유효 스폿은 예를 들어, 계면 영역 내의 부품의 구성에 대해 가열을 적합화하도록 부품의 3차원 형상에 따라 적합화된다. 유효 스폿 및/또는 2차원 에너지 분포의 형상은 필요할 때마다 적합화될 수 있으며, 그렇게 함으로써 공정을 임의의 주어진 순간에 가열될 특정 부분에 적합화시킬 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 2차원 에너지 분포는, 예를 들어 주변 구역의 열 제거 능력을 고려하여, 부품상의 각각의 조사 부위(irradiation site)의 함수로서 변화될 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 2차원 에너지 분포는 접합부의 상이한 섹션에서의 용접의 원하는 특성을 고려하여 변경될 수 있다.

부가적으로, 2차원에서 일차 스폿의 주사에 의해 생성된 유효 스폿을 사용하는 것은 예를 들어, 생산될 상이한 대상물에 대한 시스템의 적합화의 측면에서 유연성을 증가시킨다. 예를 들어, 관련된 광학장치를 교체하거나 적합화시킬 필요성이 감소되거나 제거될 수 있다. 적합화는 적어도 부분적으로는 단지 일차 스폿의 주사를 제어하는 소프트웨어를 적합화시킴으로써 유효 스폿의 2차원 에너지 분포가 더욱 빈번하게 수행될 수 있다.

"주사 패턴"이라는 표현은 일차 스폿이 항상 유효 스폿을 생성할 때 하나의 동일한 주사 패턴을 따라야 한다는 것을 의미하지는 않지만, 단지 유효 스폿을 생성하는데 사용되는 일차 스폿의 이동을 트랙을 따른 길이 방향으로의 이동과 구별하기 위한 것으로, 이에 따라 유효 스폿이 계면 영역에 대하여 변위되거나 주사된다.

본 발명의 많은 구현예에서, 일차 스폿이 주사 패턴에 따라 변위되는 속도 또는 평균 또는 평균 속도는 유효 스폿이 트랙을 따라 변위되는 속도보다 실질적으로 높다. 주사 패턴을 따르는 일차 스폿의 높은 속도는 주사 패턴을 따르는 일차 스폿의 각 스윕 동안 유효 스폿 내의 온도 변동(fluctuation)을 감소시킨다.

물론, 본 발명은 기존의 방식으로 일차 스폿으로 작동하는 용접 공정의 일부를 수행할 가능성을 배제하지 않는다. 본 발명의 일부 구현예에서, 공정 동안, 주사 패턴은 일차 스폿에 대응할 때까지 유효 스폿의 크기를 감소시키도록 변경될 수 있으며, 그 반대의 경우도 가능하다.

즉, 전체 접합부의 용접을 수행하기 위해 유효 스폿을 사용할 필요가 없다. 그러나, 용접의 적어도 일부는 상기 기술된 유효 스폿을 사용하여 수행된다.

본 발명의 일부 구현예에서, 유효 스폿의 2차원 에너지 분포의 적합화는 빔의 출력을 적합화시킴으로써, 예컨대 빔을 선택적으로 키고 끔으로써 수행된다. 이것은 공급원(source)에서의 빔의 중단뿐만 아니라, 예를 들어 셔터를 이용한 빔의 경로의 방해에 의한 빔의 중단 및 이의 조합과 같은 다른 옵션을 포함한다. 예를 들어, 광섬유 레이저와 같은 레이저를 사용하는 경우, 레이저 빔은 매우 신속하게 켜지고 꺼질 수 있으므로, 주사 패턴을 따라 레이저 빔을 켜고 끄는 것으로 원하는 에너지 분포를 얻을 수 있다. 따라서, 원하는 2차원 에너지 분포는 주사 패턴의 특정 부분, 선 또는 선의 일부분 동안 레이저 빔을 킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 픽셀화된 접근법이 채택될 수 있으며, 이에 따라 2차원 에너지 분포는 주사 패턴의 상이한 부분 또는 세그먼트 동안 레이저의 온/오프 상태에 의해 결정된다.

본 발명의 일부 구현예에서, 유효 스폿의 2차원 에너지 분포의 적합화는 주사 패턴을 적합화시킴으로써 수행된다.

본 발명의 일부 구현예에서, 유효 스폿의 2차원 에너지 분포의 적합화는 일차 스폿이 주사 패턴의 적어도 일부분을 따라 이동하는 속도를 적합화시킴으로써 수행된다.

즉, 2차원 에너지 분포는 예를 들어, 빔의 출력을 예를 들어, 온 및 오프 사이와 같은 상이한 출력 상태 사이에서 전환시킴으로써, 및/또는 예를 들어, 세그먼트를 추가 또는 제거하거나 세그먼트의 방향을 수정하거나 다른 하나의 패턴을 완전히 변경하여 주사 패턴을 적합화시킴으로써, 및/또는 빔이 하나 이상의 이의 세그먼트를 따르는 것과 같이 주사 패턴을 따라 이동하는 속도를 적합화시킴으로써 적합화될 수 있다. 2차원 에너지 분포를 적합화시키기 위한 상이한 수단 사이의 선택은 빔의 출력 상태들 사이에서의 빠른 변화에 대한 장비의 용량과 같은 환경 및 뒤이을 패턴을 변경시키기 위한 스캐너의 용량 및/또는 일차 스폿이 주사 패턴을 따라 이동하는 속도에 기초하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 일부 구현예에서, 빔의 초점은 주사 패턴을 따르는 일차 스폿의 변위 동안 및/또는 트랙을 따르는 유효 스폿의 변위 동안 동적으로 적합화된다. 예를 들어, 레이저 빔이 사용될 때, 광학 축을 따르는 레이저 초점은 예를 들어, 일차 레이저 스폿이 주사 패턴을 따라 변위되는 동안 및/또는 유효 레이저 스폿이 계면 영역에 대하여 변위되는 동안 일차 레이저 스폿의 크기를 변화시키거나 유지하도록 공정 중에 동적으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 광학 초점은 일차 스폿이 계면 영역 위로 이동하는 동안 (예를 들어, 레이저 공급원 또는 스캐너와 계면 영역 상의 일차 레이저 스폿의 위치 사이의 다양한 거리를 보상하기 위해) 일차 스폿의 크기를 일정하게 유지하도록 적합화될 수 있다.

본 발명의 일부 구현예에서, 일차 스폿의 크기는 주사 패턴을 따르는 일차 스폿의 변위 동안 및/또는 계면 영역에 대한 유효 스폿의 변위 동안, 2차원 에너지 분포 및/또는 유효 스폿의 크기를 변경하도록 동적으로 적합화된다.

본 발명의 일부 구현예에서, 주사 패턴을 따르는 일차 스폿의 평균(mean) 또는 평균(everage) 속도는 유효 스폿이 트랙을 따라서 변위되는 평균 또는 평균 속도보다 실질적으로 높다. 예를 들어, 제1 주사 패턴을 따르는 일차 스폿의 평균 속도는 바람직하게는 유효 스폿이 트랙을 따라서 변위되는 평균 속도보다 적어도 10배, 더욱 바람직하게는 적어도 100배 더 높을 수 있다. 일차 스폿의 높은 속도는 주사 패턴을 따르는 일차 스폿의 하나의 스윕 동안 유효 스폿 내의 온도 변동을 감소시킨다.

본 발명의 일부 구현예에서, 빔은 상기 주사 패턴이 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 또는 300 Hz보다 큰 주파수를 갖는 빔에 의해 반복되도록(즉, 초당 주사 패턴의 반복) 상기 주사 패턴에 따라 주사된다. 높은 반복률은 각 주사 사이클 사이, 즉 주사 패턴을 따르는 빔의 각 스윕 사이에서 유효 스폿에 의하여 가열되는 영역에서의 바람직하지 않은 온도 변동을 감소 또는 방지하는데 적절할 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 주사 패턴은 일정하게 유지되며, 본 발명의 다른 구현예에서, 주사 패턴은 주사 패턴을 따르는 빔의 일부 스윕 또는 모든 스윕 사이에서 변경된다.

본 발명의 일부 구현예에서, 유효 스폿의 크기(즉, 면적), 예컨대 공정 동안 유효 스폿의 평균 크기 또는 공정의 적어도 한순간 동안 유효 스폿의 크기, 예컨대 공정 동안 유효 스폿의 최대 크기는 일차 스폿의 크기의 4, 10, 15, 20 또는 25배 초과이다. 예를 들어, 본 발명의 일부 구현예에서, 대략 3 ㎟의 크기를 갖는 일차 스폿은 10 ㎟ 초과의, 예컨대 50 초과 또는 100 ㎟ 이상의 크기를 갖는 유효 스폿을 생성하는데 사용될 수 있다. 유효 스폿의 크기는 공정 동안 동적으로 변경될 수 있지만, 생산성을 향상시키기 위하여 종종 큰 평균 크기가 바람직할 수 있으며, 큰 최대 크기는 공정의 적어도 일부 동안 생산성을 향상시키는데 유용할 수 있다.

본 방법은 컴퓨터와 같은 전자 제어 수단의 제어 하에 수행될 수 있다.

본 발명의 일부 구현예에서, 주사 패턴은 복수의 선을 포함하는 다각형 주사 패턴이다. 예를 들어, 제1 주사 패턴은 삼각형, 정사각형 또는 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형 등과 같은 다각형일 수 있다. 다각형은 완벽한 다각형일 필요는 없으며, 예를 들어 일부 구현예에서는 다각형을 구성하는 선은 어느 정도 구부러질 수 있고, 선이 만나는 다각형의 에지는 둥글게 될 수 있다. 다른 구현예에서, 주사 패턴은 곡선을 포함할 수 있으며, 예를 들어 그것은 "8" 또는 이와 유사한 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 일부 구현예에서, 주사 패턴은 복수의 직선 또는 곡선과 같은 다수의 선을 포함하며, 이는 본 발명의 일부 구현예에서 서로 실질적으로 평행하게 배열되어 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 이들 선 중 2개, 3개, 4개 또는 그 이상이 존재한다. 본 발명의 일부 구현예에서, WO-2014/037281-A2 또는 WO-2015/135715-A1에 설명된 것과 같은 주사 패턴이 사용될 수 있다.

본 발명의 일부 구현예에서, 유효 스폿의 2차원 에너지 분포는 에너지 빔과 유효 스폿에 의하여 가열되고 있는 대상물의 표면의 일부분과 에너지 빔 사이의 각도의 적어도 하나의 변화에 응답하여, 계면 영역에 대하여 유효 스폿의 변위 동안 동적으로 적합화되며, 예를 들어 유효 스폿의 형상 및 크기뿐만 아니라 유효 스폿 내의 2차원 에너지 분포를 포함하는 2차원 에너지 분포를 표면 내의 곡률(curvature) 및/또는 굴곡에 대해, 및/또는 스캐너에 대하여 표면이 배향되는 각도의 변화에 대하여 적합화된다.

본 발명의 일부 구현예에서, 에너지 빔의 출력, 주사 패턴 및 일차 스폿이 주사 패턴의 적어도 일부분을 따라 이동하는 속도 중 적어도 하나는 유효 스폿에 의하여 가열되고 있는 계면 영역의 일부분과 에너지 빔 사이의 각도의 적어도 하나의 변화에 응답하여 적합화된다.

설명을 완전하게 하고 발명의 더 나은 이해를 제공하기 위하여 일련의 도면이 제공된다. 상기 도면은 본 발명의 설명의 필수 부분을 형성하고 본 발명의 실시예를 도시하며, 이는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 본 발명이 어떻게 수행될 수 있는지의 예로서만 이해되어야 한다. 도면은 하기의 도면을 포함한다.
도 1은 본 발명의 하나의 가능한 구현예에 따른 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따라 작동하는, 도 1의 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 7은 부분적으로 만곡진 트랙을 따른 용접에 적합화된 본 발명의 방법을 도시하는 개략적인 평면도이다.
도 8a 및 도 8b는 2개의 종래 기술 방법에 따른 2차원 에너지 분포를 개략적으로 도시하고 있다.
도 8c 내지 도 8h는 본 발명의 다른 구현예에 따른 2차원 에너지 분포를 개략적으로 도시하고 있다.
도 9는 계면 영역에 대하여 스캐너를 변위시키기 위한 수단을 포함하는 본 발명의 구현예를 도시하고 있다.
도 10a 및 도 10b는 만곡부 또는 절곡부를 갖는 계면 영역에서 트랙을 따른 용접의 2개의 단계를 개략적으로 도시하고 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 가능한 구현예에 따른 시스템을 개략적으로 도시하고 있다. 본 시스템은 레이저 빔(2)을 생성하기 위한 레이저 장비(1) 및 수평(X-Y) 평면에서 레이저 빔(2)의 2차원 주사를 위한 2개의 미러 또는 이와 유사한 것을 포함하는 스캐너(3)를 포함한다. 본 발명의 일부 구현예에서, 레이저 빔을 생성하기 위한 장비는 1 kW 이상과 같은 비교적 높은 출력량을 갖는 레이저 빔을 생성하기에 적합한 장비일 수 있다. 적절한 장치의 한 예는 6 kW의 공칭(nominal) 출력을 갖는, IPG Photonics에 의하여 제조된 Ytterbium Laser System Model YLS-6000-CT이다. 본 발명의 일부 구현예에서, 시스템은 일차 스폿의 크기(예를 들어, 2차원 에너지 분포 및/또는 유효 레이저 스폿(21)의 크기를 변경하도록) 및/또는 광학 축을 따라 레이저 빔의 초점을 동적으로 적합화시키기 위한 수단(5)을 포함할 수 있다. 이는 일차 레이저 스폿이 주사 패턴을 따라 변위되고 있는 동안 및/또는 유효 레이저 스폿(21)이 계면 영역에 대하여 변위되고 있는 동안, 일차 레이저 스폿의 크기를 제어(예컨대, 변화 또는 유지)하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 광학 초점은 일차 스폿이 계면 영역의 표면 위로 움직이는 동안 (예를 들어, 계면 영역 상에서 스캐너와 일차 레이저 스폿의 위치 사이의 다양한 거리를 보상하기 위해) 일차 스폿의 크기를 일정하게 유지하도록 적합화될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 구현예에서 레이저 빔의 초점을 동적으로 적합화시키기 위한 수단은 SCANLAB AG (www.scanlab.de)에서 얻을 수 있는 varioSCAN® 포커싱 유닛을 포함한다.

시스템은 함께 용접될 2개의 금속 부품(101 및 102)을 유지 또는 지지하기 위한 수단(도 1에 도시되지 않음)을 더 포함한다. 레이저 빔(2)은 2개의 부품이 함께 용접될 수 있도록 2개의 부품(101 및 102)이 결합하는, 즉 이의 표면이 서로를 향하는 계면 영역(103) 상에 투사된다. 이는 상기 기술된 바와 같이, 빔의 실제 또는 일차 스폿의 2차원 주사에 의하여 유효 스폿(21)을 생성함으로써 달성된다. 이 유효 스폿(21)은 상기 기술된 바와 같이, 2개의 부품의 결합 부분을 용융시키도록 도 1에 화살표로 개략적으로 도시된 트랙(104)을 따라 스윕된다. 응고에 의해, 용접 이음부 또는 접합부(105)가 생성된다. 즉, 본 발명의 이 구현예에 따르면, 레이저 빔 (및 빔이 계면 영역 상에 투사되는 일차 레이저 스폿)은 (임의의 다른 적절한 주사 패턴이 사용될 수 있음에도 불구하고, 도 1에서 Y 축과 평행하게 연장되는 일련의 선으로 개략적으로 도시되는) 주사 패턴에 뒤이어 비교적 고속으로 반복적으로 주사되며, 그렇게 함으로써 도 1의 사각형으로 도시된 유효 레이저 스폿(21)을 생성한다. 이는 스캐너(3)를 사용함으로써 달성된다. 이 유효 레이저 스폿(21)은 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이 시스템의 X 축과 평행하게 트랙(104)에 따라 변위된다.

트랙을 따르는 유효 레이저 스폿(21)의 변위는 스캐너(3)에 의해 및/또는 예를 들어, X축과 평행하게 연장되는 레일과 같은 레일(도 1에 도시되지 않음)을 따르는 스캐너 또는 관련 장비의 변위에 의해 달성될 수 있다. 이는 또한 예를 들어, 스캐너의 위치에 대하여 부품(101 및 102)을 변위시킴으로써 달성될 수 있다.

2차원 에너지 분포는, 상기 기술된 바와 같이, 수행될 작업의 특정 조건에 대해 적합화될 수 있다. 또한, 유효 레이저 스폿 및 그것의 2차원 에너지 분포는 트랙을 따르는 유효 레이저 스폿의 변위 동안 동적으로 적합화될 수 있다.

도 2는 본 발명의 방법이 상이한 두께의 2개의 부품 사이에 용접 접합부를 확립시키기위해 어떻게 사용될 수 있는지를 개략적으로 도시하고 있다. 이 경우, 2차원 에너지 분포는 더 얇은 부품보다 두꺼운 부품(열 배출 용량이 더 클 수 있음)으로 더 많은 에너지를 제공하도록 설정될 수 있다. 상이한 용융점을 갖는 재료의 부품이 접합될 때에 동일한 원리가 준용하여 적용된다.

도 3은 본 방법이 2개의 부품(이 경우, 상이한 두께 t₁ 및 t₂를 갖는 2개의 부품) 사이에 필렛 접합부를 확립하기 위해 어떻게 사용될 수 있는지를 개략적으로 도시하고 있다. 시스템의 하드웨어는 도 1 및 도 2의 구현예를 위하여 사용된 것과 동일할 수 있지만, 2차원 에너지 분포는 도 3에 나타나 있는 특정 조건에 대해 최적으로 설정될 수 있다.

도 4는 예를 들어, 동일한 시스템이 T-접합부를 확립하기 위하여 어떻게 사용될 수 있는지를 개략적으로 도시하고 있다. 2차원 에너지 분포는 또한 2개의 부품(101 및 102) 사이의 각도(α)를 고려하여 도시된 배열에 대해 최적이 되도록 선택될 수 있다.

도 5는 2개의 부품(101 및 102)을 접합하기 위하여 본 방법이 어떻게 사용될 수 있는지를 개략적으로 도시하고 있으며, 2개의 부품 중 하나는 계면 영역에 개구(102A)를 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 경우에, 2차원 에너지 분포는 바람직하게는 유효 스폿이 개구부로부터 멀리 떨어져 있을 때보다 유효 스폿이 개구부에 인접할 때 상이하도록 적합화된다.

도 6은 2개의 부품(101 및 102)의 용접을 개략적으로 도시하고 있으며, 2개의 부품 중 하나는 제1 재료의 2개의 섹션(101A 및 101B) 및 제2 재료의 또 다른 섹션(101C)을 포함하며, 여기서 섹션(101A 및 101C)은 평면형이고 섹션(101B)은 원통형 횡단면을 특징으로 한다. 여기서, 2차원 에너지 분포의 동적 적합화는 트랙을 따르는 부품(101)의 두께, 형상 및 재료의 변화에 가열을 적합화하는 하는 것이 바람직할 수 있다.

도 7은 만곡진 결합 부분을 갖는 2개의 부품(101 및 102)이 만곡진 섹션을 포함하는 트랙(104)을 따라서 어떻게 서로 용접되는지를 개략적으로 도시하고 있다. 트랙의 만곡진 섹션을 따라 유효 스폿(21)이 이동하는 동안, 유효 스폿의 반경 내부 부분(21A)에서의 속도는 반경 외부 부분(21B)의 속도보다 낮다. 2차원 에너지 분포는 이 속도 차이를 보상하도록 동적으로 적합화될 수 있다. 또한, 2차원 에너지 분포의 적합화는 유효 스폿을 트랙을 따르는 각 지점에서 트랙의 방향 - 즉, 기본적으로 만곡진 트랙에 대한 탄젠트 - 과 적절하게 정렬하는데 도움이 될 수 있다.

도 8a는 2개의 부품(101 및 102)을 용접에 의하여 접합하기 위한 종래 기술의 방법에 따른 2차원 에너지 분포(21)를 도시하고 있다. 여기서, 빔은 단순히 계면 영역(103) 상에 스폿을 투사하며, 이 스폿은 트랙(104)을 따라 이동하여 2개의 부품의 결합 표면을 용융시킨다.

도 8b는 문헌 WO-2016/118555-A1에서 논의된 것과 일치하는 배치를 개략적으로 도시하고 있으며, 여기서 유효 스폿은 빔을 적어도 1차원 또는 2차원으로 진동시킴으로써 확립되며, 이 진동은 트랙을 따르는 기본적인 이동에 중첩된다; 따라서, 이 유효 스폿은 도 8a에 나타낸 스폿보다 넓다. 즉, 에너지는 계면 영역의 더 넓은 부분에 걸쳐 분포되며, 이에 의하여 더 넓은 용접 이음부를 제공한다.

도 8c 및 도 8d는 본 발명의 구현예에 따른 2차원 에너지 분포가 적어도 트랙(104)과 평행한 모든 선에 대해 어떻게 비대칭인지를 개략적으로 도시하고 있다. 여기서 평균 출력과 최대 출력은 트랙의 한 면에서 다른 면보다 실질적으로 높다. 이 경우, 더 많은 출력 또는 에너지가 제2 부품(102)보다 제1 부품(101)에 인가된다. 이것은 예를 들어, 제1 부품(101)이 제2 부품(102)보다 계면 영역에서 더 두껍거나 또는 더 높은 용융점을 갖는 재료로 이루어진 경우에 적절할 수 있다.

도 8e는 선행 부분에 적은 출력과 후미 부분에 더 많은 출력을 갖는 2차원 에너지 분포를 도시하고 있다. 이는 용융점에 도달하기 전에 부품을 예열하는 데 적절할 수 있다.

도 8f는 선행 부분에 최대 출력이 제공되어 용융 온도에 신속하게 도달하는 것을 돕고, 그 이후 후미 부분이 적절한 냉각 곡선을 제공하는 역할을 할 수 있는 대안적인 배치를 도시하고 있다.

도 8g 및 도 8h는 계면 영역 내의 유효 스폿을 통해 연장되는 모든 가능한 선에 대하여 비대칭인 2차원 에너지 분포를 갖는, 즉 임의의 반사 대칭이 없는 2차원 에너지 분포를 갖는 다른 가능한 배치를 도시하고 있다.

따라서, 본 발명에 의하여, 용접 공정의 매개 변수는 2차원 에너지 분포를 적절히 설정하고 선택적으로 동적으로 적합화시킴으로써 특정 조건(예를 들어, 용접될 부품의 형상, 치수 및 재료)에 대하여 미세 조정(fine-tuned)될 수 있다는 것이 분명하다.

도 9는 본 발명의 하나의 가능한 구현예에 따른 용접 헤드(200)가 2개의 부품(101 및 102)을 함께 용접하기 위하여 이들 사이의 계면 영역(104)에 대해 변위되도록 배치된 스캐너(3)를 어떻게 포함할 수 있는지를 개략적으로 도시하고 있다. 용접 헤드(200)는 연결 장치(301)를 통해 액추에이터(300)에 연결된다. 본 발명의 이 구현예에서, 변위는 병렬형 매니퓰레이터(parallel manipulator) 개념에 기초한다. 그러나 로봇 아암(arm) 등와 같은, 용접 헤드의 변위의 임의의 다른 적절한 수단이 사용될 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 그것은 용접 헤드에 대하여 변위되는, 접합될 부품이다. 또한, 이들 2가지 접근 방법의 조합이 사용될 수 있다. 도 9에서, 부품(101 및 102)은 개략적으로 도시된 지지 수단(4)에 의해 지지된다.

도 10a 및 도 10b는 흔히 금속 차량 구성 요소의 경우일 수 있는 만곡부 또는 절곡부를 특징으로 하는 계면 영역을 따라 용접이 어떻게 이루어지는지를 개략적으로 도시하고 있다. 화살표는 예를 들어, 계면 영역(103)에 대한 스캐너(3)의 변위에 의해, 스캐너(3)에 대한 계면 영역을 변위시킴으로써, 또는 이의 조합에 의하여 상기 설명한 바와 같은 트랙을 따라 에너지 빔(2)과 유효 스폿이 계면 영역에 대해 어떻게 이동하는지를 개략적으로 도시하고 있다. 유효 스폿이 계면 영역의 절곡 부분에 도달하면, 에너지 빔(2)과 계면 영역 사이의 입사각이 변화한다. 발생하는 가열의 특성을 유지하기 위하여, 유효 스폿의 2차원 에너지 분포를 적합화시키는 것이 바람직할 수 있다. 도 10a 및 도 10b는 빔에 수직인, 빔에 의해 스윕된 영역에서의 출력 밀도를 증가시키도록, 예를 들어 주사 패턴을 변경시킴으로써, 예를 들어 주사 패턴의 연장부를 감소시킴으로써, 이것이 어떻게 이루어질 수 있는지를 개략적으로 도시하고 있다. 도 10a 및 도 10b는 에너지 빔에 의해 스윕된 영역의 연장부를 감소시킴으로써, 즉 도 10a의 상대적으로 넓은 스윕(2')에서 도 10b의 보다 좁은 스윕(2")으로 감소시킴으로써 주사 패턴이 어떻게 변경되는지를 개략적으로 도시하고 있다. 그리고 이것뿐만 아니라: 유효 스폿 내의 에너지의 분포는 적절하게 선택될 수 있고, 유효 스폿의 상이한 부분 내의 표면의 곡률에 대해 적합화될 수 있으므로, 가열은 최적의 방식으로 수행된다. 이는 2차원 에너지 분포가 가열되는 표면의 변화를 수용하기 위해 어떻게 적합화될 수 있는지 그리고 본 발명의 교시가 다소 복잡한 표면을 갖는 부품 사이에 용접 접합부의 확립을 위해 어떻게 사용될 수 있는지에 대한 단지 일 예일 뿐이며, 예를 들어 주사 패턴, 주사 패턴의 상이한 세그먼트 동안의 에너지 빔의 출력 및/또는 주사 패턴의 상이한 세그먼트를 따르는 일차 스폿의 속도를 적합화시킴으로써 유효 스폿 내의 및/또는 빔에 수직인 평면 내의 에너지 빔에 의하여 스윕된 영역 내의 2차원 에너지 분포를 적합화시킨다. 이 모든 것은 소프트웨어에 의하여 이루어질 수으며, 복잡하고 적합화 가능한 광학 장치가 필요하지 않다.

본 명세서에서, 용어 "포함한다" 및 ("포함하는" 등과 같은) 그 파생어는 배타적인 의미로 이해되어서는 안되며, 즉 이들 용어는 기술되고 정의되는 것이 추가 요소, 단계 등을 포함할 수 있는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다.

한편, 본 발명은 본원에 기술된 특정 구현예(들)에 명백하게 한정되지 않고, 청구범위에 정의된 바와 같은 발명의 일반적인 범위 내에서, (예를 들어, 물질의 선택, 치수, 구성 요소, 구성 등과 관련하여) 당업자에 의해 고려될 수 있는 임의의 변형을 포함한다.

Claims (17)

1. 적어도 제1 부품(101)과 제2 부품(102) 사이에 용접 접합부(weld joint)를 확립하는 방법으로서,
   에너지 빔(2)을 상기 부품들 사이의 계면 영역(103) 상에 투사하는 단계를 포함하고,
   상기 빔(2)은 상기 계면 영역(interface area, 103) 상에 일차 스폿을 생성하도록 상기 계면 영역(103) 상에 투사되고, 상기 빔은 대상체(object) 상에 유효 스폿(21)을 확립하도록 주사 패턴(scanning pattern)에 따라 2차원으로 반복적으로 주사(scan)되며, 상기 유효 스폿(21)은 2차원 에너지 분포를 가지고,
   상기 유효 스폿(21)은 상기 제1 부품(101)과 상기 제2 부품(102)의 결합 부분(mating portion)을 점진적으로 용융시켜 용접 접합부(105)를 형성하도록 상기 계면 영역(103) 위의 트랙(104)을 따라 변위(displaced)되고,
   상기 유효 스폿(21)의 상기 2차원 에너지 분포는 상기 트랙(104)을 따라 상기 유효 스폿(21)의 변위 동안 동적으로 적합화되고(dynamically adapted),
   상기 트랙을 따르는 유효 스폿(21)의 적어도 일부의 변위 동안, 상기 2차원 에너지 분포는 상기 트랙과 평행하게 상기 유효 스폿을 통해 연장하는 임의의 선에 대하여 비대칭이고,
   상기 2차원 에너지 분포는,
   - 상기 유효 스폿(21)이 상기 부품들 중 하나의 오목부(recess), 개구부(opening), 관통 구멍(through hole) 또는 돌출부(projection)로부터 떨어진 영역에 있을 때보다, 상기 유효 스폿(21)이 상기 부품들 중 하나의 오목부, 개구부, 관통 구멍 또는 돌출부에 인접한 영역에 있을 때에 상이하도록 동적으로 적합화되거나,
   - 상기 계면 영역(103) 내의 상기 두 개의 부품들 중 적어도 하나의 두께 및/또는 재료의 변화(variation)에 대응하여 동적으로 적합화되거나, 또는
   - 상기 트랙의 직선 부분에서보다 상기 트랙(104)의 곡선 부분에서 상이하도록 동적으로 적합화되는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 트랙을 따르는 유효 스폿(21)의 적어도 일부의 변위 동안, 상기 2차원 에너지 분포는 상기 트랙에 직교하도록 상기 유효 스폿을 통해 연장하는 임의의 선에 대하여 비대칭인 것인 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 트랙을 따르는 유효 스폿(21)의 적어도 일부의 변위 동안, 상기 2차원 에너지 분포는 상기 계면 영역에서 상기 유효 스폿을 통해 연장하는 임의의 선에 대해 비대칭인 것인 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 일부의 변위 동안, 상기 2차원 에너지 분포는 상기 유효 스폿 내의 평균 에너지 밀도가 상기 트랙(104)의 다른 면에서보다 상기 트랙(104)의 한 면에서 더 높은 것인 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 일부의 변위 동안, 상기 2차원 에너지 분포는 상기 트랙(104)의 한 면에서의 최대 출력 레벨이 상기 트랙(104)의 다른 면에서의 최대 출력 레벨보다 더 높은 것인 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 일부의 변위 동안, 상기 2차원 에너지 분포는 상기 유효 스폿 내의 평균 에너지 밀도가 상기 유효 스폿의 후미 절반부(trailing half)에서보다 상기 유효 스폿의 선행 절반부(leading half)에서 더 높은 것인 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 일부의 변위 동안, 상기 2차원 에너지 분포는 상기 유효 스폿의 선행 절반부에서의 최대 출력 레벨이 상기 유효 스폿의 후미 절반부에서의 최대 출력 레벨보다 더 높은 것인 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 일부의 변위 동안, 상기 2차원 에너지 분포는 상기 유효 스폿 내의 평균 에너지 밀도가 상기 유효 스폿의 선행 절반부에서보다 상기 유효 스폿의 후미 절반부에서 더 높은 것인 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 일부의 변위 동안, 상기 2차원 에너지 분포는 유효 스폿 내의 후미 절반부에서의 최대 출력 레벨이 상기 유효 스폿의 선행 절반부에서의 최대 출력 레벨보다 더 높은 것인 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    다음 중 적어도 하나:
    - 상기 에너지 빔의 출력,
    - 상기 주사(scanning) 패턴, 및
    - 상기 일차 스폿이 상기 주사 패턴의 적어도 일부를 따라 이동하는 속도
    가 상기 에너지 빔(2), 및 상기 유효 스폿(21)에 의해 가열되는 상기 계면 영역(103)의 일부 사이의 각도의 적어도 하나의 변화에 응답하여 적합화되는 것인 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 방법은 재료의 첨가를 추가로 포함하는 것인 방법.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 에너지 빔(2)은 레이저 빔인 것인 방법.
13. 에너지 빔을 이용하는 용접 시스템으로서,
    상기 시스템은
    계면 영역(103)에서 서로 인접하도록 적어도 두 개의 부품들(101, 102)을 지지하는 수단(4); 및
    에너지 빔을 생성하고, 상기 에너지 빔을 상기 계면 영역에 투사하는 수단을 포함하고,
    상기 시스템은 적어도 2차원으로 상기 에너지 빔을 주사하기 위한 스캐너(3)를 포함하고; 그리고
    상기 시스템은 제1항 또는 제2항의 방법을 수행하도록 배치되는 것인 시스템.
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