KR102496976B1 - 레이저 피닝 작업에 사용 가능한 전달 디바이스 및 관련 방법 - Google Patents

레이저 피닝 작업에 사용 가능한 전달 디바이스 및 관련 방법 Download PDF

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Abstract

레이저 피닝 작업에서 사용가능한 전달 디바이스는 전자기 에너지의 빔을 내부에 포함하는 유체의 원주형 유동을 방사한다. 유동의 전반사율이 충분하기 때문에, 빔이 유체의 유동의 내부에 보유된다. 또한 자체적으로 빔을 위한 도관으로서 역할을 하는 유체의 유동은 워크피스 상에 충돌하고, 따라서, 레이저 피닝 작업으로부터 형성되는 플라즈마를 포함하고, 이 플라즈마를 씻어내며, 이는 플라즈마가 전달 디바이스에 도달하고 아마 전달 디바이스를 손상시키는 것을 방지한다. 유체의 원주형 유동 내에의 빔의 이동은 전달 디바이스와 워크피스 사이의 고정 거리를 유지할 필요가 없고, 이는 레이저 피닝 작업 동안에, 워크피스의 비-평면을 따라 전달 디바이스의 로봇식 조작에 의한 이동을 간단하게 한다.

Description

레이저 피닝 작업에 사용 가능한 전달 디바이스 및 관련 방법
(관련 출원에 대한 교차 참조)
본 임시 출원은 2015년 5월 11일자로 출원된 미국 가특허출원 제 62/159,399 호에 대한 우선권을 주장하고, 그 개시내용이 본 명세서에 참조로서 포함된다.
개시되고 청구된 개념은 일반적으로 레이저 피닝 작업에 관한 것이고, 특히, 워크피스 상으로의 레이저 빔과 같은 전자기 에너지의 빔을 전달하는 방법에 관한 것이다.
레이저 피닝은 관련 분야에서 잘 이해되고, 압축 표면 응력을 워크피스 내로 도입하는데 사용 가능하다. 종래의 레이저 피닝 작업은 펄스형 고 에너지 레이저 빔이 워크피스 상에 충돌하는 것과 연관되어 있다. 워크피스 상에는 전형적으로, 어블레이션층(ablative layer)이 위치되어야 한다. 그러나, 또한, 때때로 워터 블랭킷(water blanket)으로 불리는 물의 막(covering of water) 하에서, 워크피스의 표면이 자체적으로 어블레이팅(ablate)되는 것에 의해, 어블레이션층 없이 레이저 피닝을 수행하는 것이 가능하고, 워크피스 상에 충돌하는 레이저로부터 발생되는 플라즈마 압력 충격을 관성 밀폐에 의해 보유하기 위해 물이 채용된다. 레이저 피닝 작업이 상술된 플라즈마 압력 충격파를 야기하기 때문에, 레이저 및 관련 장비는 워크피스로부터 소정 거리, 전형적으로 수 센치미터 이상 멀리 이격되어야 한다. 충격파는 레이저 피닝 장업이 수행되는 워크피스 상의 위치로부터 퍼지고, 따라서, 워터 블랭킷을 제공하는 것에 의해, 그리고 워크피스로부터 장치를 이격하는 것에 의해, 충격파로부터의 장치에 대한 손상을 회피하는 것이 바람직하다.
이러한 레이저 피닝 장치 및 방법이 일반적으로, 이들의 의도된 목적에 효율적이었지만, 제한 없이 적용된 것은 아니였다. 효율적이기 위해서는, 레이저는 워크피스 상의 작은 영역 상으로 집중되어야 하고, 이러한 집중을 유지하는 것은 워크피스의 비-평면에 적용될 때, 로봇 레이저 조작 및 전달 시스템의 디자인 및 움직임을 매우 복잡하게 한다. 전형적으로, 물 전달 기구가 워터 블랭킷 내의 워크피스의 큰 구역을 덮기 때문에, 레이저 피닝 작업에 전형적으로 요구되는 물의 양은 상당하다. 이러한 물은 수집되고 배수되거나, 그렇지 않으면 워크 사이트(work site)로부터 제거되어야 하며, 이는 지루하고 많은 비용이 든다. 대안적으로, 레이저 피닝 작업은 물속에 잠기는 워크피스에 발생할 수 있고, 이는 자체적인 문제점과 비용을 포함한다. 그러므로, 개선이 바람직하다.
따라서, 레이저 피닝 작업에 사용 가능한 개선된 전달 디바이스는 전자기 에너지의 빔을 내부에 포함하는 유체의 원주형 유동(columnar flow)을 방사한다. 유동의 전내부반사율(tatal internal reflectivity)이 충분하기 때문에, 빔은 유체의 유동의 내부에 보유된다. 따라서, 유체의 유동은, 충분히 높은 전내부반사율을 갖는 유동에 기반하여 전자기 에너지의 빔을 내부에 포함하므로, 광섬유 케이블과 동일한 방식으로 효율적으로 기능한다. 또한, 자체적으로 빔을 위한 도관으로서 역할을 하는 유체의 유동은 워크피스 상에 충돌하고, 따라서, 플라즈마를 뒤덮고, 레이저 피닝 작업으로부터 형성되는 부스러기를 씻어낸다. 따라서, 워크피스 상에 워터 블랭킷을 형성하는 추가의 물은 불필요하고, 레이저 피닝 작업을 위해, 그리고 전달 디바이스를 사용하는 개선된 방법이 다른 응용을 위해 유용하게 한다.
따라서, 개시되고 청구된 개념의 관점은 유동의 전내부반사율에 기반하여 전자기 에너지의 빔을 내부에 포함하는 유체의 원주형 유동을 출력하는 개선된 전달 디바이스를 제공하기 위한 것이다.
개시되고 청구된 개념의 다른 관점은 이러한 전달 디바이스를 사용함으로써 레이저 피닝 작업을 수행하는 개선된 방법을 제공하기 위한 것이다.
개시되고 청구된 개념의 다른 관점은 워크피스 상에 워터 블랭킷을 추가로 필요로 하는 일 없이, 레이저 피닝 작업이 워크피스 상에 수행되도록 할 수 있는 개선된 전달 디바이스 및 사용 방법을 제공하기 위한 것이다.
개시되고 청구된 개념의 다른 관점은 레이저 피닝 작업 동안에 워크피스 상에 충돌하는 유체의 유동을 출력하고, 전달 디바이스로부터 광범위한 거리에 걸쳐서 워크피스 상의 작은 스팟(spot) 상에 레이저 빔을 전달하는 개선된 전달 디바이스를 제공하기 위한 것이다.
따라서, 개시되고 청구된 개념의 관점은 개선된 전달 디바이스를 제공하기 위한 것이고, 그 일반적인 특징은 중공 공동이 내부에 형성된 하우징과, 이 공동과 유체 연통하여 있고, 유체의 스트림을 공동에 전달하도록 구성된 유입구와, 공동과 유체 연통하여 있고, 유체의 유동을 공동의 외부로 전달하도록 구성된 배출구와, 전자기 에너지의 빔을 배출구의 외부로 그리고 유동 내로 전달하도록 구성된 전달 기구를 포함하는 것으로 기술될 수 있다.
개시되고 청구된 개념의 다른 관점은 상기 언급된 전달 디바이스를 채용하는 개선된 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 방법은 일반적으로, 제 1 굴절률을 갖는 매체 내에, 제 1 굴절률보다 큰 제 2 굴절률을 갖는 유체의 유동을 형성하는 단계와, 유동의 내부에 전자기 에너지의 빔을 수용하는 단계와, 유동의 내부에 빔을 보유하기에 충분한 전내부반사율을 유동 내측에 유지하는 단계를 포함하는 것으로 기술될 수 있다.
선택적으로, 본 발명은 또한, 워크피스 상에 유동 및 빔을 충돌시키는 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 본 발명은 워크피스 상에 레이저 피닝 작업을 수행하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 선택적으로, 본 발명은 레이저 피닝 작업으로부터 발생되는 플라즈마를 포함하고, 이 플라즈마가 확장되고 대체로 전달 디바이스를 향하는 방향으로 이동하는 것을 방지하는 유동을 채용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
개시되고 청구된 개념의 추가적인 이해는 첨부된 도면과 함께 읽을 때, 이하의 설명으로부터 얻을 수 있다.
도 1은 개시되고 청구된 개념에 따른 개선된 전달 디바이스의 부분적인 측단면도,
도 2는 도 1의 나타낸 부분의 확대도,
도 3은 개시되고 청구된 개념에 따른 개선된 방법의 특정 관점을 도시하는 흐름도.
개시되고 청구된 개념에 따른 개선된 전달 디바이스(4)는 부분적인 단면 방식으로 도 1 및 도 2에 도시된다. 전달 디바이스(4)는 워크피스(12) 상에서 수행되는 레이저 피닝 작업과 같은 작업을 수행하기 위해, 전자기 에너지의 방사기(emitter)로서의 역할을 하는 레이저(8)와 함께 사용가능하다. 전달 디바이스(4)가 본 명세서 내에서 레이저 피닝 작업의 수행 시에 예시적으로 가능한 사용 면에서 설명되지만, 본 명세서 내에 포함된 아이디어는 레이저 피닝 작업과 연결되는 것 외의 방식으로 사용될 수 있다는 것이 이해되므로, 본 명세서에 설명되는 레이저 피닝 작업은 예시적일 뿐이고, 한정되는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해된다.
전달 디바이스(4)는 하우징(16) 및 전달 기구(18)를 포함한다고 할 수 있다. 하우징(16)은 금속 또는 폴리머와 같은 적절한 재료 또는 다른 재료로 형성되고, 중공 공동(20)이 내부에 형성된다. 게다가, 하우징(16)은 공동(20)과 유체 연통하여 있는 유입구(24) 및 배출구(28)를 구비한다. 유입구(24)는 유체 공급원(30)과 유체 연통하여 있고, 이 유체 공급원(30)은 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 여과 및/또는 처리된 물을 의미하는 적절하게 정화된 액수(liquid water)의 형태의 유체의 공급원이지만, 반드시 모든 불순물이 제거된 물의 공급원을 지칭하도록 의도되는 것은 아니다. 본 명세서 내에 설명되는 예시적인 유체는 액수이지만, 액체 상태의 다른 유체가 임시적인 개시의 정신으로부터 일탈하는 일 없이 채용될 수 있다는 것이 이해된다.
유체 공급원(30)은 유체의 스트림(34)을 화살표(26)로 나타낸 바와 같이, 유입구(24)를 통해, 그리고 공동(20) 내로 전달한다. 공동(20) 내의 유체는 화살표(31)로 나타낸 바와 같이, 배출구(28)를 향해 흐르고, 이후에, 유체는 배출구(28)의 외부로 공동(20)을 빠져나갈 때, 유체의 유동(38)을 형성한다. 하우징(16)은 유동(38)을 형성하는 노즐(32)을 추가로 포함하고, 배출구(28)가 노즐(32) 내에 형성된다.
전달 기구(18)는 레이저(8)를 포함한다고 할 수 있고, 게다가, 하우징(16) 내에 형성되는 개구부(36) 내에 장착되는 렌즈(40)를 포함한다고 할 수 있다. 도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 레이저(8)는 렌즈(40)의 제 1 면(42)에 충돌하는 시준(collimate)된 레이저 빔(44)을 방사한다. 시준된 레이저 빔(44)으로부터의 전자기 에너지는 렌즈(40)를 통해 이 렌즈(40)의 제 2 면(46)의 외부로 통과한다. 제 2 면(46)을 빠져나오는 시준된 레이저 빔(44)으로부터의 전자기 에너지는 렌즈(40)에 의해 발생되어, 수렴 구역(48)을 통해, 배출구(28) 내에 위치된 바와 같이, 도 2 내에 도시되는 초점(52) 내로 수렴된다.
예시적인 렌즈(40)는 유리 또는 다른 투명한 고체로 형성되고, 시준된 레이저 빔(44)의 전자기 에너지를 발생시켜서, 렌즈(40)를 형성하는 유리의 굴절률 및 유체 공급원(30)으로부터의 유체의 굴절률에 적어도 부분적으로 기반하여 초점(52)에서 수렴되는 광 특성을 갖도록 설계된다는 것이 이해된다. 즉, 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 시준된 레이저 빔(44)은, 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 공기인 매체(68)를 통해 이동하는 것처럼 도 1에 도시되고, 따라서, 시준된 레이저 빔(44)은 제 1 면(42)의 예시적인 공기-대-유리 경계면에서 렌즈(40) 상에 충돌한다. 그러나, 제 2 면(46)에서, 전자기 에너지는 예시적인 유리-대-물 경계면에서 렌즈(40)를 빠져나간다. 물은 공기의 굴절률보다 큰 예시적인 굴절률을 갖고, 이러한 요인은 렌즈(40)의 광학 파라미터를 개발할 때 고려된다.
도 1로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 유체는 스트림(34)으로서 유입구(24)를 통해, 그리고 공동(20) 내로 이동하고, 이후에, 유체는 공동(20)을 빠져나가고 유동(38)으로서 노즐(32)의 배출구(28) 내로 이동한다. 유동(38)의 적어도 일부분은 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 유체의 자유 원주형 제트(64)이고, 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 공기인 매체(68) 내에 위치된다.
도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 배출구(28)는 테이퍼진 구역(54)에 인접한 곡선형 입구(50)를 포함한다고 할 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서의 배출구(28)는 불변의 직경(즉, 유동의 방향에 가로지르는 부분)의, 그리고 길이(62)의 직선 섹션(58)을 추가로 포함한다. 유체는 곡선형 입구(50)에서 배출구(28)로 들어가고, 이 곡선형 입구(50)는 인접한 공동(20)으로부터의 평활한, 즉, 비-교란의 전이부를 제공한다. 이후에, 유체는 유체 속도를 증대시키면서, 유체 대칭 및 비-교란을 유지하는 테이퍼진 구역(54) 내로 흐른다. 그 다음에, 유체는 입구(56)로 유입되어, 직선 섹션(58)으로 흐르고, 그 다음에, 직선 섹션(58)의 출구(60)에서 유출된다, 이 때에 유동(38)은 자유 제트(64)를 형성한다. 직선 섹션(58)의 길이(62)는 유체 스트림을 위한 최종 시준을 제공한다.
에너지의 손실 및 레이저(8)로부터 출력되는 전자기 에너지의 간섭을 회피하기 위해서, 레이저(8)는 배출구(28) 내에서 노즐(32) 상에 충돌하는 것을 회피하기 위해 집중된다. 이는 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 직선 섹션(58)의 길이를 따르는 대략 중간의 위치에, 레이저(8)로부터의 전자기 에너지의 초점(52)을 설정함으로써 달성된다. 전자기 레이저 에너지는 초점(52)에 수렴하고, 그 다음에, 도 2의 초점(52)의 우측에 있는 초점(52) 이후에 대칭적으로 분기한다. 레이저 에너지가 배출구(28)로부터 출구(60)의 외부로 이동할 때, 수렴된 빔(70)의 직경은 여전히 유체 스트림 직경보다 작다. 유체의 유동(38)의 내부 전반사는, 유동(38)이 배출구(28)로부터 출구(60)의 외부로 이동한 후에, 유체의 유동(38) 내에 레이저 에너지를 보유한다.
도시된 예시적인 실시예에 있어서, 초점(52)은 배출구(28)의 직선 섹션(58)의 중심 근처에 위치되고, 이는 단지, 본 명세서 내에 설명된 유익한 결과를 얻을 수 있는 방법의 하나의 예시로 의도될 뿐이고, 한정하는 것으로 의도되는 것은 아니다. 대안적으로, 배출구(28)는 임의의 다양한 다른 방식으로 구성될 수 있고, 초점은 임시적인 개시의 정신으로부터 일탈하는 일 없이, 유동(38) 내에서 임의의 다양한 위치에 위치될 수 있다. 예를 들어, 초점(52)은 직선 섹션(58)의 입구(56) 이전에 약간 이격되어 있을 수 있고, 또는 직선 섹션(58)의 길이를 따라 어디에나 위치될 수 있고, 또는 초점(52)은 현재의 개념으로부터 일탈하는 일 없이, 자유 제트(64)를 따라, 그리고 출구(60) 이후의 어딘가에 잠재적으로 있을 수 있다.
시준된 레이저 빔(44)은 직경, 즉, 예로서 3/8인치의 폭을 가질 수도 있다. 렌즈(40)는 초점(52)까지 수렴 구역(48)을 통해 시준된 레이저 빔(44)을 수렴하고, 레이저(8)로부터의 전자기 에너지는 대략 0.8밀리미터의 직경, 즉, 대략 1/32 인치의 폭을 갖는다. 직선 섹션(58) 내의 예시적인 노즐(32)은 대략 1.0밀리미터의 내경을 갖는다. 대안적으로, 예로서, 전자기 에너지는 초점(52)에서 0.5밀리미터의 직경을 가질 수 있고, 직선 섹션(58) 내의 노즐(32)은 0.8밀리미터의 직경을 가질 수 있다. 다른 치수가 채용될 수 있다.
대신에, 전달 디바이스(4)가 진공 내에 위치될 경우와 같이, 유체의 유동(38)이 없을 때에, 초점(52)을 넘어선 위치, 즉, 도 1의 관점에서 초점(52)의 우측의 위치에서, 레이저(8)로부터의 전자기 에너지는 확장된 직경의 빔으로 분기하는 경향이 있다. 그러나, 대안적으로, 유체의 유동(38)을 제공하면 레이저(8)로부터의 전자기 에너지가 대신에 하류측에, 즉, 초점(52)의 도 1의 관점에서 우측에 수렴된 빔(70)을 형성하게 된다. 전자기 에너지는 자유 제트(64)의 원주 축(columnar axis)과 거의 평행한 유동(38)으로 들어가서, 표면과 작은 입사각을 유지하고, 이에 의해, 유동(38)의 내부 반사율이 자유 제트(64)의 내부(74)에서 수렴된 빔(70)을 보유할 수 있게 한다. 수렴된 빔(70)은 실질적으로, 시준된 레이저 빔(44) 내의 레이저(8)에 의해 방사되는 모든 전자기 에너지로 구성된다. 유동(38)은, 수렴된 빔(70)이 유동(38)의 내부(74)에 보유되기에 충분히 높은 전내부반사율을 가지므로, 초점(52)으로부터 수렴된 빔(70)으로 이동하는 전자기 에너지를 형성한다.
이러한 전내부반사율은 원주형 유동으로서 유동(38)을 형성함으로써 유지된다. 관련 분야에서 이해되는 바와 같이, 유체 스트림은 유체 표면 장력으로 인해 유체 스레드 분해(fluid thread breakup)가 일어나는 플라토-레일리 불안정성(Plateau-Rayleigh instability)을 나타낸다. 이러한 불안정성은 자유 제트(64)가 노즐(32)로부터 이동할 수 있으면서 내부(74)에 수렴된 빔(70)을 계속해서 보유하는 거리의 상한선에 위치한다. 노즐(32)로부터 증가된 거리에 대해, 제트(64) 상의 표면 파형부는 결국, 내부 반사율의 감소가 발생하도록, 크기 및 양이 상당히 충분해진다. 노즐(32)이 제트(64) 내로의 유동(38)의 초기 균일성을 최대화하도록 설계될 때, 제트(64)는 아마 최대로 유용한 길이인 것 나타낸다는 것이 이해된다. 제트(64)가 충분히 원주형인 채로 유지되고, 그에 따라 예를 들어, 레이저 피닝 작업이 성공적인 유동(38)의 내부(74)에서 수렴된 빔(70)의 에너지의 충분한 양을 보유하도록, 이 제트(64)의 전내부반사율이 충분히 높게 유지되는 한, 다양한 노즐 디자인, 유동 속도, 및 노즐(32)과 워크피스(12) 사이의 거리가 채용될 수 있다.
따라서, 유체의 유동(38)은 광섬유 케이블과 거의 동일한 방식으로 기능하고, 자유 제트(64)의 직경이 실질적으로 불변한 채로 유지되고, 유동(38)이 실질적으로 원주형으로 유지되는 한, 수렴된 빔(70)은 자유 제트(64) 상에 작용하는 중력의 결과로서, 자유 제트(64)의 편향에도 불구하고, 유동(38)의 내부(74)에 보유된다는 것이 이해될 수 있다. 전형적으로, 이러한 원주형 유동은 라미나형(laminar)이지만, 반드시 이렇게 할 필요는 없다.
언급된 바와 같이, 자유 제트(64)의 전내부반사율은 이 자유 제트(64)의 내부(74)에 수렴된 빔(70)을 보유할 만큼 충분히 크고, 이는 적어도 부분적으로는, 유체의 굴절률이 매체(68)의 굴절률보다 크기 때문이다. 게다가, 수렴된 빔(70)이 자유 제트(64)와 매체(68) 사이의 내부 경계면에서의 입사각을 갖기 때문에, 수렴된 빔의 이러한 보유가 부분적으로 달성되고, 이러한 입사각은 수렴된 빔(70)이 자유 제트(64)를 빠져나가는 것보다 내부(74)로 다시 굴절될 만큼 충분히 얕다. 다시, 수렴된 빔(70)은 자유 제트(64)가 충분히 원주형을 유지하는 한, 내부(74)에 보유된다. 본 명세서에 설명된 예시적인 유체는 물이고, 본 명세서에 설명된 예시적인 매체(68)는 공기이지만, 본 개시의 정신으로부터 일탈하는 일없이 소정의 응용의 특정 요구에 따라, 다른 재료가 채용될 수 있다는 것이 이해된다.
도 1에서 추가로 알 수 있는 바와 같이, 자유 제트(64)는 워크피스(12) 상의 충돌부(72)의 위치에서 워크피스(12) 상에 충돌한다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 충돌부(72)의 위치에서 워크피스(12) 상의 수렴된 빔(70)을 충돌시키면 충돌부(72)의 위치에서 워크피스(12) 상에 레이저 피닝 작업이 수행된다. 유리하게, 충돌부(72)의 위치에서의 워크피스(12) 상의 자유 제트(64) 자체의 충돌은 충돌부(72)의 위치에서의 레이저 피닝 작업에 의해 발생되는 플라즈마를 위한 관성 블랭킷(inertial blanket)으로서 채용된다. 즉, 워크피스(12) 상에 충돌하는 자유 제트(64)의 유체는, 플라즈마가 확장하고 대체로 전달 디바이스(4)를 향하는 방향으로 워크피스(12)로부터 멀리 이동하는 것을 방지함으로써, 플라즈마를 보유하는 충돌부(72)의 위치에서의 유체 커버를 제공한다. 충돌부(72)의 위치에서의 워크피스(12) 상의 자유 제트(64)의 충돌 후에, 자유 제트(64)는 워크피스(12)의 표면 상에서, 도면 부호 80에서와 같이 퍼지고, 그 다음에 형태는 화살표(78)로 나타낸 바와 같이, 중력으로 인해 워크피스(12) 상에서 수직 하향으로 흐르는 유체의 트릭클(trickle)(76)과 같은 물방울(drip)을 형성한다. 충돌부(72)의 위치에서의 자유 제트(64)는 워크피스(12)의 표면에서, 충돌부(72)의 위치에서 레이저 피닝 작업으로부터 생성되는 부스러기 및 플라즈마를 포함하고, 따라서 제트(64)는 유체의 트릭클(76) 내에서, 레이저 피닝 작업으로부터 발생되는 플라즈마 거품 및 부스러기를 신속하게 씻어낸다. 이는, 충돌부(72)의 위치의 신속한 세척이 레이저 피닝 샷(laser peening shot)을 위한 높은 반복률 및 개선된 처리 속도를 허용하기 때문에 유리하다. 게다가, 비교적 작은 트릭클(76)의 수용 및 처분(disposal)이 워크피스(12) 상의 비교적 훨씬 큰 영역을 덮는 워터 블랭킷의 수용 및 처분보다 훨씬 쉽다. 이는 비용을 절약하고 작업을 단순하게 한다. 따라서, 유체의 유동(38)이 1) 광 도관, 2) 충돌부(72)의 위치에 형성되는 플라즈마를 포함하는 내부 커버, 및 3) 플라즈마 거품 및 부스러기를 씻어내는 방법으로서의 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
충돌부(72)의 위치에서 워크피스(12) 상에 충돌하자마자, 자유 제트(64)의 내부(74)에 위치되는 수렴된 빔(70)은 전자기 에너지를 입사 자유 제트(64)와 대략 동일한, 또는 입사 자유 제트(64)보다 아주 약간 큰 영역으로 전달한다. 자유 제트(64)의 직경이 (전형적으로, 수 센티미터의 거리인) 출구(60)와 워크피스(12) 사이에서 실질적으로 달라지지 않기 때문에, 충돌부(72)의 위치에서의 워크피스(12) 상에 입사하는 수렴된 빔(70)의 크기는 실질적으로 동일한 크기로 유지되고, 거리가 예로서, 2센티미터인지 3센티미터인지 4센티미터인지에 상관없이 거의 일정하다. 이와 같이, 충돌부(72)의 위치에서의 워크피스(12)와 출구(60) 사이의 거리는 자유 제트(64)가 실질적으로 원주형인 채로 유지되는 한, 일반적으로 달라질 수 있다.
레이저 피닝 작업을 수행하는 동안, 전달 디바이스(4)와 워크피스(12) 사이의 거리의 상기 언급된 가변성은 본 개념이 전달 디바이스(4)가 위치되는 단순화된 로봇형 위치설정 시스템의 사용과 함께, 비-평면을 피닝하는데 큰 유연성을 제공한다는 것을 보여준다. 이전의 레이저 피닝 시스템에 대해서, 레이저와 워크피스 사이의 거리는 워크피스 상에 레이저의 정밀한 집중을 유지하기 위해 매우 정확하게 유지되는 것이 요구되었다. 유동(38) 내측에의 레이저(8)의 집중이 달성되고, 유동(38)이 수렴된 빔(70)을 내부에 보유하고, 자유 제트(64)가 충돌하는 모든 곳에서, 워크피스 상에 수렴된 빔(70)을 충돌시키기 때문에, 전달 디바이스(4)는 유리하게, 이 전달 디바이스(4)와 워크피스(12) 사이의 정확한 거리를 유지할 필요가 없다. 게다가, 자유 제트(64)는 충돌부(72)의 위치로부터 방사하는 충격파를 소산시키고, 이에 의해 전달 디바이스(4)를 손상시킬 가능성을 최소화시킨다.
따라서, 자유 제트(64)는 수렴된 빔(70)을 위한 광 도관뿐만 아니라, 충돌부(72)의 위치를 덮고 전달 디바이스(4)에 대한 손상을 회피하기 위해, 이러한 위치에 플라즈마를 가둬두기에 충분한 물의 공급원으로서도 기능한다는 것을 알 수 있다. 자유 제트(64)는 전형적으로 라미나형 유동 특성을 갖는 원주 형상을 유지하기 위해, 충분히 낮은 속도를 갖도록 구성되고, 충돌부(72)의 위치에서 자유 제트(64)의 충돌로부터 발생하는 트릭클(76)은, 종래의 레이저 피닝 작업과 함께 이전에 요구되었던 것과 같은 워터 블랭킷보다 훨씬 적은 유동량인 비교적 적은 체적 유동이다. 다른 이점이 명백해질 것이다.
개시된 그리고 주장된 개념에 따른 개선된 방법이 도 3에 나타난다. 본 방법은 106에서와 같이, 전달 디바이스(4)가 매체(68) 내에서, 자유 제트(64)의 형태의 유동(38)을 형성하는 단계에서 시작할 수 있다. 자유 제트(64)를 형성하는 유체는 매체(68)의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖고, 이 매체(68) 내에 자유 제트(64)가 형성된다. 그 다음에, 본 방법은 110에서와 같이, 시준된 레이저 빔(44)과 같은 전자기 에너지의 빔이 유동(38)의 내부(74)에 수용되는 단계로 이어질 수 있다. 또한, 본 방법은 114에서와 같이, 유동(38)의 내부(74)에 수렴된 빔(70)을 보유하기에 충분한 전내부반사율을 유동(38)의 내부(74)에 유지하는 단계를 포함한다.
잠재적으로, 다른 사용이 유동(38)의 내부(74)에 위치되는 수렴된 빔(70)으로 이루어질 수 있더라도, 본 방법은 충돌부(72)의 위치에서 레이저 피닝 작업을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 그러므로, 전달 디바이스를 사용하는 레이저 피닝 작업의 수행이 한정되는 것으로 의도되지 않는다는 것을 다시 말한다. 또한, 예시적인 레이저(8)가 자유 제트(64)의 직경보다 훨씬 큰 직경을 갖는 시준된 레이저 빔(44)을 출력하므로, 비교적 작은 수렴된 빔(70) 내에 시준된 레이저 빔(44)의 에너지를 집중시킴으로써 시준된 레이저 빔(44)을 강화하기 위해 렌즈(40)가 제공된다는 것에 유의한다. 그러나, 전달 디바이스의 다른 실시예가 잠재적으로, 자유 제트(64)의 직경보다 이미 약간 작은 시준된 출력량을 출력하는 레이저를 구비하는 상이한 전달 기구를 채용할 수 있고, 이에 의해 이러한 응용에서, 렌즈(40)에 대한 필요를 미연에 방지한다는 것이 이해된다.
게다가, 레이저(8)는 반드시 필수적인 것은 아니지만, 전형적으로, 전달 디바이스(4)에 물리적으로 장착될 것이라는 것에 유의한다. 시준된 레이저 빔(44)은 노즐(32)의 중심축과 평행하게 배향된 바와 같이, 도 1에 도시되었지만, 대안적인 실시예에 있어서, 레이저(8)는 달리 위치설정될 수 있고, 전자기 에너지의 빔을 이러한 레이저로부터 유동(38) 내로 지향시키도록, 거울 및/또는 광섬유 디바이스에 의존할 수 있다는 것이 이해된다. 따라서, 도 1 에 도시되는 예시적인 전달 기구(18)가 임의의 방식으로 한정하도록 의도되지 않는다는 것이 이해되고, 임의의 세트의 구성요소가 전자기 에너지의 빔을 유동(38)의 내부(74)로 전달하도록 제공될 수 있고, 이 이후에, 유동(38)의 전내부반사율이 내부(74)에서 전자기 에너지의 빔을 보유한다는 것이 이해된다.
본 발명의 구체적인 실시예가 상세히 기술되었지만, 본 개시내용의 전체 교시에 비추어 이러한 상세사항에 대한 다양한 변경 및 대안이 이루어질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는, 단지 예시적인 것이며, 상술된 개시내용의 최대 범위로 주어지는 본 발명의 범위에 대한 제한이 아닌 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 전달 디바이스(4)에 있어서,
    중공 공동(20)이 내부에 형성된 하우징(16)과,
    상기 공동과 유체 연통하여 있고, 유체의 스트림(34)을 상기 공동에 전달하도록 구성된 유입구(24)와,
    상기 공동과 유체 연통하여 있고, 상기 유체의 유동(38)을 상기 공동의 외부로 전달하도록 구성되며, 직선 섹션(58), 곡선형 입구(50) 및 상기 직선 섹션의 상류에 위치된 테이퍼진 구역(54)을 포함하는 배출구(28)와,
    전자기 에너지의 빔(70)을 상기 배출구의 외부로 그리고 상기 유동 내로 전달하도록 구성된 전달 기구(18)를 포함하고, 상기 전달 기구는 렌즈 및 레이저를 포함하며, 상기 렌즈는 상기 레이저로부터 빔을 수용하고 또한 상기 직선 섹션의 길이를 따라 초점으로 상기 빔을 지향시키도록 구성된
    전달 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 유동으로서, 상기 유체의 원주형 유동을 상기 배출구의 외부로 전달하도록 구성되는
    전달 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 원주형 유동으로서, 상기 유체의 원주형 제트를 상기 배출구의 외부로 전달하도록 구성되는
    전달 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 원주형 제트로서, 라미나형 자유 제트를 전달하도록 구성되고, 상기 자유 제트는 상기 빔을 상기 자유 제트의 내부에 보유하기에 충분한 전내부반사율(tatal internal reflectivity)을 갖는
    전달 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전달 기구는, 방사기(emitter: 8)로부터 빔을 수용하고, 상기 배출구에 인접하게 또는 상기 배출구 내에 위치되는 초점(52)으로 상기 빔을 지향하도록 구성되는 렌즈(40)를 포함하는
    전달 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전달 기구는 방사기를 포함하고, 상기 방사기는 레이저인
    전달 디바이스.
  7. 제 1 항에 기재된 전달 디바이스를 이용하는 방법에 있어서,
    제 1 굴절률을 갖는 매체(68) 내에, 상기 제 1 굴절률보다 큰 제 2 굴절률을 갖는 유체의 유동(38)을 형성하는 단계(106)와,
    상기 유동의 내부(74)에 전자기 에너지의 빔(70)을 수용하는 단계(110)와,
    상기 빔을 상기 유동의 내부에 보유하기에 충분한 전내부반사율을 유동 내측에 유지하는 단계(114)를 포함하는
    전달 디바이스 이용 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유동으로서, 원주형 유동을 형성하는 단계를 추가로 포함하는
    전달 디바이스 이용 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 원주형 유동으로서, 라미나형 유동을 형성하는 단계를 추가로 포함하는
    전달 디바이스 이용 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 원주형 유동으로서, 상기 매체 내에 자유 제트(64)를 형성하는 단계를 추가로 포함하는
    전달 디바이스 이용 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    워크피스(12) 상에 상기 유동 및 빔을 충돌시키는 단계를 추가로 포함하는
    전달 디바이스 이용 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 워크피스 상에 레이저 피닝 작업을 수행하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 레이저 피닝 작업을 수행하는 단계는 상기 워크피스 상에 유동 및 빔을 충돌시키는 단계를 포함하는
    전달 디바이스 이용 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 워크피스로부터 대체로 상기 전달 디바이스를 향하는 방향으로 플라즈마가 확장하는 것을 방지하도록 상기 유동을 이용하는 단계를 추가로 포함하는
    전달 디바이스 이용 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저 피닝 작업으로부터 발생하고 상기 워크피스로부터 대체로 상기 전달 디바이스를 향하는 방향으로 이동하는 충격파로부터의 상기 전달 디바이스에 대한 손상을 회피하도록, 상기 워크피스로부터 적어도 제 1 사전결정된 거리로 상기 전달 디바이스를 이격시키는 단계를 추가로 포함하는
    전달 디바이스 이용 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 유체로서 물을 이용하는 단계를 추가로 포함하는
    전달 디바이스 이용 방법.
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