KR102535216B1 - 후면 표면 용접 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

제1 평면형 표면 및 제1 평면형 표면에 대향되게 배치된 제2 평면형 표면을 갖는 제1 금속 기재를 제2 금속 기재에 레이저 용접하는 것이, 제2 금속 기재의 단부 면을 제1 평면형 표면에 근접 배치하는 것에 의해서 실시된다. 섬유 레이저로부터의 입력 레이저 빔이 생성되고, 입력 레이저 빔을 수용하도록 그리고 빔 스폿을 갖는 출력 레이저 빔을 생성하도록 구성된 빔 전달 시스템이 제공되고, 빔 스폿은, 단부 면이 제1 평면형 표면에 근접하여 배치되는 제1 평면형 표면의 교차 영역 위에 표적 지역이 배치되도록, 제2 평면형 표면 상의 표적 지역을 조사하기 위해서 제1 및 제2 축을 따라서 미리 결정된 패턴으로 이동된다.

Description

후면 표면 용접 시스템 및 방법

본 기술 분야는 일반적으로 레이저 용접, 그리고 더 구체적으로 2개의 금속 기재의 후면 표면의 용접에 관한 것이다.

금속 및 금속 합금은, 해양, 방어, 자동차, 철도, 운송, 광업, 드릴링, 항공 우주, 제조 및 의료 산업을 포함하는 다양한 산업에서 사용된다. 이러한 산업 모두에서 공통적으로, 융합 기반의 또는 고체-상태 기반의 용접 프로세스로 부분들을 함께 용접할 필요가 있다. 용접 프로세스의 예는, 몇몇을 나열하자면, 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 차폐 금속 아크 용접(SMAW), 가스 금속 아크 용접(GMAW), 플라즈마 아크 용접(PAW), 플라즈마 용접(PW), 전자 빔 용접(EBW), 및 레이저 빔 용접(LBW)을 포함한다.

특정 적용예는 상이한 용접 프로세스들에 대한 상이한 해결과제들을 나타낸다. 예를 들어, 항공 우주 산업에서 이용되는 티타늄(Ti) 합금은 통상적으로 EBW 및 GTAW 프로세스를 이용하여 용접된다. 깊은 침투 및 "블라인드(blind)" 용접을 달성할 수 있지만, 이러한 기재와 함께 EBW를 이용하는 것은, 긴 프로세싱 시간 및 고비용, (대기 및 대류-유형 냉각의 결여로 인한) 느린 냉각 속도뿐만 아니라, e-빔 건이 복잡한 조인트에 접근할 수 있는 제한된 능력 및 진공 챔버의 요건으로 인한 작업편의 제한된 크기를 포함하는, 몇몇 문제점을 나타낸다. e-빔의 작은 스폿 크기로 인해서, 조인트의 준비 및 요구되는 툴링(tooling)과 연관된 비용이 또한 높은데, 이는 작업편이 더 작은 조인트 간극으로 다시 크기 조정되어야 하기 때문이다. GTAW는 긴 프로세싱 시간을 초래하는 저-파워 밀도 프로세스이며, 불량 미세조직을 나타내고 용접 왜곡되기 쉬운 용접을 초래하는 매우 큰 열 입력을 포함한다. EBW와 같은, LBW는 빠른 속력에서 깊은 침투 용접 및 저-왜곡을 달성할 수 있는 고-파워 밀도 프로세스이나, 두꺼운 그리고 큰 구조물의 레이저 용접은 전형적으로 다공성이고 오염을 나타내는 용접을 초래한다.

양태 및 실시예는, 금속 기재 중 하나를 형성하는 상단 판의 후면 표면에 레이저 에너지를 인가하는 것에 의해서, 금속 기재들을 서로 레이저 용접하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일 실시예에 따라, 제1 금속 기재를 제2 금속 기재에 레이저 용접하기 위한 방법이 제공된다. 제1 금속 기재는 제1 평면형 표면 및 제1 평면형 표면에 대향되게 배치된 제2 평면형 표면을 갖고, 방법은, 용융 상태일 때 제어된 유동에 적합한 두께, 표면 장력 및 열적 특성을 갖는 제1 및 제2 금속 기재를 선택하는 단계, 제2 금속 기재의 단부 면을 제1 평면형 표면에 근접 배치하는 단계, 입력 레이저 빔을 섬유 레이저로부터 생성하는 단계, 입력 레이저 빔을 수용하도록 그리고 제1 및 제2 축을 따라서 미리 결정된 패턴으로 이동하는 빔 스폿을 갖는 출력 레이저 빔을 생성하도록 구성된 빔 전달 시스템을 제공하는 단계, 및 빔 스폿으로 제1 금속 기재의 제2 평면형 표면 상의 표적 지역을 조사(irradiate)하기 위해서 입력 레이저 빔을 빔 전달 시스템을 통해서 전달하는 단계로서, 표적 지역은, 단부 면이 제1 평면형 표면에 근접하여 배치되는 제1 평면형 표면의 교차 영역 위에 배치되는, 단계를 포함한다.

일 실시예에 따라, 빔 전달 시스템은 디포커스된(defocused) 출력 레이저 빔을 생성하도록 구성된다.

다른 실시예에 따라, 조사는, 제1 및 제2 금속 기재들 사이의 각각의 모서리 지역 내에 필렛 용접(fillet weld)이 형성되도록, 이중 필렛 용접을 생성한다. 다른 실시예에서, 각각의 필렛 용접은 매끄러운 프로파일을 구비한 용접 면을 갖는다.

다른 실시예에서, 조사는, 제1 금속 기재의 두께 및 제2 금속 기재의 두께를 통해서 연장되는 용접 영역을 생성한다. 다른 실시예에 따라, 용접 영역의 횡단면이 균일한 경도를 갖는다. 다른 실시예에서, 용접 영역은 작은 입자 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 용접 영역은 낮은 다공도를 갖는다. 일부 실시예에서, 용접 영역의 횡단면은 균일한 경도, 작은 입자 크기, 및 낮은 다공도 중 적어도 하나를 갖는다.

일 실시예에 따라, 제2 금속 기재의 단부 면을 제1 평면형 표면에 근접 배치하는 단계는 단부 면과 제1 평면형 표면 사이에서 간극을 포함하고, 그러한 간극은 제1 금속 기재의 두께의 최대 약 1/4의 거리이다.

다른 실시예에 따라, 방법은, 제2 평면형 표면에 수직으로 입사되는 기준선으로부터 최대 10도의 입사 각도를 갖도록 출력 레이저 빔을 배치하는 단계를 더 포함한다.

특정 실시예에서, 미리 결정된 패턴은 원형 패턴, 선형 패턴, 8-자 패턴, 및 무한 패턴(infinity pattern) 중 하나이다.

다른 실시예에서, 방법은 불활성 차폐 가스의 유동을 표적 지역으로 지향시키는 단계를 포함한다.

다른 실시예에서, 방법은 미리 결정된 패턴을 교차 영역과 정렬시키는 단계를 포함한다.

다른 실시예에서, 방법은 빔 스폿을 제1 금속 기재의 길이를 따라서 지향시키는 단계를 포함한다.

다른 실시예에 따라, 제1 금속 기재를 제2 금속 기재에 레이저 용접하기 위한 시스템이 제공된다. 제1 금속 기재는 제1 평면형 표면 및 제1 평면형 표면에 대향되게 배치된 제2 평면형 표면을 갖고, 제2 금속 기재는 제1 평면형 표면에 근접하여 배치된 단부 면을 가지며, 시스템은 입력 레이저 빔을 생성하도록 구성된 섬유 레이저 에너지원 및 빔 전달 시스템을 포함하고, 빔 전달 시스템은: 입력 레이저 빔을 수용하도록 그리고 제1 및 제2 축을 따라서 미리 결정된 패턴으로 이동하는 빔 스폿을 갖는 출력 레이저 빔을 생성하도록, 그리고 빔 스폿으로 제1 금속 기재의 제2 평면형 표면 상의 표적 지역을 조사하도록 구성되고, 표적 지역은, 단부 면이 제1 평면형 표면에 근접하여 배치되는 제1 평면형 표면의 교차 영역 위에 배치된다.

다른 실시예에 따라, 시스템은, 미리 결정된 패턴이 교차 영역과 정렬되도록 빔 전달 시스템을 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다.

다른 실시예에 따라, 빔 전달 시스템은 디포커스된 출력 레이저 빔을 생성하도록 구성된다.

다른 실시예에 따라, 표적 지역의 조사가 제1 및 제2 금속 기재들 사이의 각각의 모서리 지역에 필렛 용접을 형성하도록, 섬유 레이저 에너지원 및 빔 전달 시스템이 구성된다.

일부 실시예에 따라, 각각의 필렛 용접은 매끄러운 프로파일을 구비한 용접 면을 갖는다.

일부 실시예에서, 표적 지역의 조사는, 제1 금속 기재의 두께 및 제2 금속 기재의 두께를 통해서 연장되는 용접 영역을 생성한다. 다른 실시예에서, 용접 영역은 균일한 경도, 낮은 다공도, 및 작은 입자 조직 중 적어도 하나를 갖는다.

일부 실시예에서, 지지 구조물은, 제1 금속 기재의 두께의 최대 약 1/4의 간극이 단부 면과 제1 평면형 표면 사이에 존재하도록, 제2 금속 기재의 단부 면을 제1 평면형 표면에 근접 배치하게 구성된다.

다른 실시예에 따라, 빔 전달 시스템은, 제2 평면형 표면에 수직으로 입사되는 기준선으로부터 최대 10도의 입사 각도로 출력 레이저 빔을 지향시키도록 구성된다.

특정 실시예에 따라, 빔 전달 시스템은 제1 및 제2 축을 따라서 미리 결정된 패턴을 생성하도록 구성된 이동 가능 거울을 포함한다.

일부 실시예에서, 이동 가능 거울은 미리 결정된 패턴으로서 원형 패턴, 선형 패턴, 8-자 패턴, 및 무한 패턴 중 하나를 생성하도록 구성된다.

특정 실시예에 따라, 제1 및 제2 금속 기재는 티타늄 합금이다.

일부 실시예에서, 방법은 표적 지역으로 지향된 불활성 차폐 가스의 유동을 더 포함한다.

적어도 하나의 실시예에 따라, 제1 및 제2 금속 기재는, 용융 상태에 있을 때, 제어된 유동에 적합한 두께, 표면 장력 및 열적 특성을 갖는다.

또 다른 양태, 실시예, 및 이러한 예시적인 양태 및 실시예의 장점을 이하에서 구체적으로 설명한다. 또한, 전술한 정보 및 이하의 구체적인 설명 모두가 여러 가지 양태 및 실시예의 단순한 설명적인 예이고, 청구된 양태 및 실시예의 성질 및 특징을 이해하기 위한 개관 또는 틀을 제공하기 위한 것임을 이해할 수 있을 것이다. 본원에서 개시된 실시예는 다른 실시예와 조합될 수 있고, "실시예", "예", "일부 실시예", "일부 예", "대안적인 실시예", "여러 실시예", "일 실시예", "적어도 하나의 실시예", "이러한 그리고 다른 실시예", "특정 실시예" 등에 대한 언급이 반드시 상호 배타적인 것이 아니고, 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있다는 것을 나타내도록 의도된 것이다. 본원에서의 그러한 용어의 출현 모두가 반드시 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다.

적어도 하나의 실시예의 여러 양태가, 실제 축척으로 도시되지 않은 첨부 도면을 참조하여 설명된다. 도면은 여러 양태 및 실시예의 예시 및 추가적인 이해를 제공하기 위한 것이고, 이러한 명세서의 일부에 포함되고 구성하나, 어떠한 특정 실시예에 관한 제한도 규정하기 위한 것이 아니다. 도면은, 명세서의 나머지와 함께, 설명되고 청구된 양태 및 실시예에 관한 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다. 도면에서, 여러 도면에서 도시된 각각의 동일한 또는 거의 동일한 구성 요소가 유사한 번호로 표시되어 있다. 명료함을 위해서, 모든 도면에서 모든 구성 요소가 표시되어 있지 않을 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술의 용접 시스템을 도시하는 개략적인 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 레이저 용접 시스템의 개략적 블록도이다.
도 2b는 도 2a의 시스템의 금속 기재의 사시도와 조합된 레이저 및 빔 전달 시스템의 개략적 블록도이다.
도 2c는 함께 용접된 후의 도 2a의 시스템의 금속 기재들의 단순화된 측면도이다.
도 2d는 도 2a의 시스템과 유사한 레이저 용접 시스템을 이용하여 형성된 2개의 금속 기재의 횡단면의 현미경 사진이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 레이저 이동을 위한 상이한 미리 결정된 패턴을 도시하는 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 양태에 따라 이용될 수 있는 레이저 용접 헤드를 포함하는 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 4b는 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 빔 전달 시스템에 의해서 제공되는 비교적 작은 이동 범위를 갖는 레이저 빔의 개략적 블록도이다.
도 5a는 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른, 함께 용접되기 전의 2개의 금속 기재의 상면도이고, 3개의 상이한 구성으로 배향된 레이저 이동 패턴의 예를 도시한다.
도 5b는 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 몇 개의 프로세스 매개변수와 조합된 도 5a의 2개의 금속 기재의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 포커스된 레이저 조사 및 디포커스된 레이저 조사의 예와 조합된 2개의 금속 기재의 측면도이다.
도 7a는 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 레이저 용접 시스템의 다른 예의 개략적 블록도이다.
도 7b는 본 발명의 양태에 따라 이용될 수 있는 가스 차폐 장치의 저면 사시도이다.
도 7c는 도 7b에 도시된 가스 차폐 장치의 횡단면 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 레이저 이동 패턴으로 그리고 그러한 패턴이 없이 형성된 2개의 금속 기재의 횡단면의 현미경 사진이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 양태에 따라 용접된 금속 기재로부터 얻어진 경도 측정 결과이다.
도 10은 본 발명의 양태에 따라 용접된 2개의 금속 기재의 횡단면의 현미경 사진 및 여러 영역의 입자 조직을 횡단면으로 보여주는 다양한 현미경 사진을 포함한다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 상이한 프로세스 매개변수들로 형성된 2개의 금속 기재의 사진이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 상이한 요동(wobble) 프로세스 매개변수들로 형성된 2개의 금속 기재의 횡단면의 현미경 사진이다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 하나 이상의 양태에 따른 상이한 프로세스 매개변수들로 형성된 2개의 금속 기재의 횡단면의 현미경 사진이다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 양태에 따라 용접된 3개의 금속 기재의 여러 장면의 사진이다.
도 15a 내지 도 15c는 본 발명의 양태에 따라 함께 용접될 수 있는 금속 기재의 대안적인 구성이다.
도 16a 내지 도 16c는 본 발명의 양태에 따라 열 교환기의 구성 요소를 형성하기 위해서 함께 용접된 금속 기재의 여러 장면의 사진이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 양태에 따른 다른 예에 따라 함께 용접된 금속 기재의 여러 장면의 사진이다.

용접 제조에서, "T" 연결부 또는 T-조인트는 2개의 금속 단편을 함께 접합하기 위해서 이용되는 하나의 유형의 용접 연결부이고, 여기에서 보강재 작업편과 같은 금속의 제1 단편이 T의 ("웹" 또는 "리브"로도 지칭되는) 다리부를 형성하고 제2 작업편은 T의 ("플랜지" 또는 "커버"로도 지칭되는) 상단부이다. 특정 경우에, T 연결부의 양 모서리들이 필렛 용접으로 용접되고, 이러한 용접 조인트는 "이중 필렛"(또는 "더블 필렛") 용접으로 지칭된다(그리고, 양 필렛의 존재에 더하여, 플랜지와 웹 사이의 전체 계면이 사용된다는 점에서, 전체 침투 더블 필렛 용접으로도 지칭된다). 이중 필렛 용접의 일반적인 예는 거더(girder)의 제조이고, 여기에서 2개의 길고 직선형인 필렛 용접으로 보강재가 거더의 웹에 부착된다. 다른 예는, 관 또는 파이프에 대한 보강재의 연결과 같은, 원형 제조에서의 T 연결부를 포함한다. 또 다른 예는 관을 T의 상단부로서 그리고 판을 T의 다리부로서 이용하는 것을 포함한다.

T-조인트를 용접하기 위한 종래 기술의 용접 시스템의 예가 도 1에 도시되어 있다. 용접 에너지가 T 연결부의 모서리에 인가되어 필렛을 형성한다(여기에서, 도면에 도시된 우측 모서리 섹션은 이미 용접 에너지에 의해서 프로세스되었다). 이중 필렛 용접을 획득하기 위해서, 적어도 2번의 통과가 이루어지게 하거나, 2개의 용접 에너지원을 이용하여 용접을 동시에 실시하여야 한다. 이러한 유형의 용접 구성은, 용접 헤드가 모서리 영역에 용이하게 접근할 수 없는 복잡한 조인트를 용접하기 어렵게 한다. 또한, 특정 용접 기술은 전술한 바와 같은 여러 가지 단점을 갖는다. GTAW 및 EBW는 긴 프로세싱 시간을 필요로 하고, 티타늄 합금의 GTAW 용접은 왜곡 또는 열등한 미세조직을 유발한다. 도 1에 도시된 단순하게 전환된 LBW 및 프로세스 구성을 이용하는 두껍고 큰 티타늄 합금 기재가 결함(예를 들어, 소공)을 갖는 용접을 생성한다는 것이 이미 확인되었다.

개시된 레이저 용접 시스템 및 프로세스는 전술한 문제 중 많은 문제를 해결한다. 본원에서 설명된 레이저 용접 시스템은 레이저 빔 형태의 용접 에너지를 T 연결부의 반대 측면(즉, 커버 패널 또는 플랜지의 후면)에 인가하고, 레이저 빔을 제어된 패턴으로 조작하도록 구성된 빔 전달 시스템을 포함한다. 본원에서 개시된 시스템 및 방법은 단일 통과를 이용하여 이중 필렛 용접을 생성하고, T-조인트의 모서리 영역에 대한 접근이 제한되는 복잡한 용접 구성에서 이용될 수 있다. 또한, 용접 구조물은 균일한 경도, 낮은 다공도, 및 작은 입자 크기를 갖는다.

도 2a를 참조하면, 전반적으로 100에 표시된 레이저 용접 시스템은 섬유 레이저(130), 빔 전달 시스템(135), 그리고 제1 금속 기재(105) 및 제2 금속 기재(110)를 희망 구성으로 배치하기 위한 지지 구조물(145)을 포함한다. 제1 금속 기재(105)는 제1 평면형 표면(102) 및 제1 표면(102)에 대향되게 배치된 제2 평면형 표면(104)을 갖는다. 도 2a에 도시된 희망 구성은, 제2 금속 기재(110)가 제1 금속 기재(105)에 수직으로 배치되도록, 제2 금속 기재(110)의 단부 면(112)을 제1 금속 기재(105)의 제1 평면형 표면(102)에 근접하게 배치하고, 그에 따라 T-조인트 유형의 용접 연결부를 구성한다. 그에 따라, 제1 금속 기재(105)는 본원에서 "플랜지" 또는 "커버 판"으로 지칭될 수 있고, 제2 금속 기재(110)는 "웹" 또는 "리브"로 지칭될 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 금속 기재(105)의 단부 면(112)은 제1 금속 기재(105)의 폭 치수를 따라서 중심에 위치될 수 있다(예를 들어, 도 2b 참조).

지지 구조물(145)은 제1 금속 기재(105) 및 제2 금속 기재(110)를 서로에 대한 미리 결정된 배향으로 유지하는 기능을 한다. 일부 경우에, 단부 면(112)은 도 2a에 도시된 바와 같이 제1 평면형 표면(102)에 접경되지 않고, 대안적인 구성에서, 단부 면(112)은 도 2b에 도시된 바와 같이 제1 평면형 표면(102)에 접경될 수 있다.

빔 전달 시스템(135) 및/또는 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110)가 적어도 하나의 축, 예를 들어 제1 금속 기재(105)의 길이를 따라서 서로에 대해서 이동될 수 있다(도 2b 참조). 예를 들어, 도 2b에 표시된 바와 같이, 빔 전달 시스템(135)을 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110)에 대해서 이동시키기 위해서, 빔 전달 시스템(135)(그리고 선택적으로 섬유 레이저(130))이 운동 스테이지(155) 상에 위치될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 금속 기재를 빔 전달 시스템(135)에 대해서 이동시키기 위해서, 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110)가 운동 스테이지 상에 위치될 수 있다.

특정 실시예에 따라, 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110)는, 그러한 금속 기재가 용융 또는 액체 상태에 있을 때 제어된 유동에 적합하게 하는 그리고 그에 따라 본원에서 설명된 후면 용접 프로세스를 실행 가능하게 하는 물리적 및 기하형태적 특성을 갖는다. 금속 기재는, 더블 필렛의 형성을 유지하기 위해서, 금속 재료의 용융 "퍼들(puddle)"의 표면 장력을 다양한 프로세스 힘, 예를 들어 중력, 유체 유동, 키홀 압력 등에 대해서 균형을 이룰 수 있게 하는 물리적 특성을 갖는다. 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110)로서 이용하기에 적합한 금속의 비-제한적인 예는 티타늄 및 티타늄 합금을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110)는 많은 수의 스테인리스 강 중 하나일 수 있다. 대조적으로, 순수 알루미늄은, 개시된 후면 용접 프로세스에 적합하지 않을 수 있는 금속이다. 그러나, 하나 이상의 알루미늄 합금이 개시된 프로세스를 위한 희망 특성을 가질 수 있다. 또한, 제1 금속 기재(105)의 두께를 포함하는 금속 기재의 기하형태가 또한 개시된 후면 용접 프로세스의 능력에서 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 금속 기재는 고품질의 용접 영역을 형성할 수 있을 정도로 충분히 얇아야 하고, 두꺼운 기재를 위해서 레이저 에너지가 증가될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 여러 실시예에서, 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110)는 그 각각의 용융 온도에서 적어도 1.5 N/m의 표면 장력을 갖는다. 여러 실시예에서, 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110)는 대기 조건에서 50 W/m·K 미만의 열 전도도를 갖는다.

섬유 레이저(130)는, 본원에서 설명된 용접 동작을 실시하기에 충분한 파워를 갖는 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 에너지원을 제공한다. 일부 실시예에 따라, 섬유 레이저(130)는 근적외선 스펙트럼 범위(예를 들어, 1060 내지 1080 nm) 내의 레이저를 생성할 수 있는 이테르븀 섬유 레이저로서 구성될 수 있다. 섬유 레이저(130)는 단일 모드 또는 다중-모드 섬유 레이저일 수 있고, 연속 파동(CW), 준-연속 파동(QCW), 또는 펄스 모드에서 동작하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 섬유 레이저(130)는 적어도 1 kW의 파워를 갖는 레이저 빔을 생성하도록 구성된다. 본원에서 설명된 레이저 용접 프로세스에 적합한 섬유 레이저(130)의 비-제한적인 예는, YLS Series와 같은, IPG Photonics Corporation(미국 매사추세츠 옥스포드)로부터 입수할 수 있는 섬유 레이저를 포함한다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 섬유 레이저(130)는, 빔 전달 시스템(135)에 커플링된 전달 섬유(132)를 갖는다. 빔 전달 시스템(135)은 전달 섬유(132)에 의해서 전달되는 입력 레이저 빔과 연관된 레이저 에너지를 수용하고, 입력 레이저 빔의 에너지 분포를, 희망 치수 및 에너지 분포의 빔 스폿(142)을 생성하는 출력 레이저 빔(140)으로 변환하도록 구성된다. 빔 전달 시스템(135)은 또한, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 레이저 빔 스폿(142)을 ("레이저 이동 패턴" 또는 "요동 패턴"으로도 지칭되는) 미리 결정된 패턴으로 제1 금속 기재(105)의 제2 평면형 표면(102)(즉, 후면 표면) 상의 표적 지역에 인가하도록 구성된다.

적어도 하나의 실시예에 따라, 빔 전달 시스템(135)은, 출력 빔(140), 빔 스폿(142), 및 레이저 이동 패턴을 생성하기 위해서 이용되는 다양한 광학 구성 요소, 예를 들어 거울, 렌즈, 프리즘, 필터, 회절 광학기기, 빔 분할기, 광-기계 및/또는 전기-광학 요소, 편광기 등을 포함하는, 자유-공간 광학기기 배열로서 구성된다. 예를 들어, 빔 전달 시스템(135)은 전달 섬유(132)로부터의 레이저 광을 시준하기 위한 시준기로서 기능하는 하나 이상의 곡선형 거울 또는 렌즈를 포함할 수 있다. 빔 전달 시스템(135)은 또한 출력 빔(140)의 포커스 점을 조정하기 위한 포커스 렌즈 및 다른 구성 요소를 포함할 수 있다.

빔 전달 시스템(135)은, 용접 이음매를 따라서 미리 결정된 패턴을 생성하기 위해서 출력 빔(140) 및 빔 스폿(142)이 2개의 상이한 축(예를 들어, x 및 y 축)을 따라 제1 금속 기재(105)의 제2 평면형 표면(104)에 대해서 이동되게 하기 위해서 상이한 축들을 중심으로 피벗될 수 있는 하나 이상의 이동 가능 거울과 같은 구성 요소를 포함한다. 이음매의 교반 용접(stir welding)을 실시하기 위해서 이용되는 x 및 y 축 상의 레이저 이동 패턴의 비-제한적인 예가 도 3a 내지 도 3e에 도시되어 있다. 도 3a는 원형 패턴(시계방향 또는 반-시계방향)을 도시하고, 화살표는 용접 방향을 나타내고 y-축은 이음매로서 기능한다. 도 3b는, 무한 패턴을 구현하기 위해서 90도 회전될 수 있는 8-자 패턴을 도시하고, 도 3c는 지그-재그 패턴을 도시한다. 도 3d는 물결 패턴을 도시하고, 도 3e는 선형 패턴을 도시한다. 도시된 패턴들이 배타적인 것이 아니고, 다른 패턴이 또한 본 개시 내용의 범위 내에 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

레이저 이동 패턴 또는 요동 패턴은 출력 빔(140)에 의해서 출력되는 레이저 에너지를 "흩뜨리는" 기능을 하고, 레이저 용접 프로세스에 하나 이상의 장점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 레이저 이동 패턴은 단일 통과를 이용한 이중 필렛 용접을 허용할 수 있고, 더 넓은 프로세스 창(window)을 제공할 수 있으며, 통상적인 레이저 용접 방법에 비해서 품질이 우수한 용접을 생성한다. 레이저 출력 빔(140)을 요동 패턴으로 구현하는데 적합한 레이저 시스템의 예는 IPG Photonics Corporation으로부터 입수할 수 있는 Wobble Welding Head 계열을 포함한다.

빔 전달 시스템(135)의 적어도 하나의 이동 가능 거울을 이용하여 레이저 이동 패턴을 제공할 수 있다. 이동 가능 거울은, 방향을 신속하게 반전시킬 수 있는 갈보 모터(galvo motor)에 의해서 이동될 수 있는 검류계 거울(galvanometer mirror)일 수 있다. 스텝퍼 모터를 포함하는, 거울을 이동시키기 위한 다른 메커니즘이 또한 본 개시 내용의 범위에 포함된다. 일 실시예에서, 빔 전달 시스템(135)은, 상이한 수직 축들을 위해서 각각 이용되는 실질적으로 동일한 크기의 2개의 이동 가능 거울을 포함한다. 다른 실시예에서, 하나의 이동 가능 거울 또는 2개 초과의 이동 가능 거울이 이용될 수 있다.

레이저 이동 패턴을 포함한, 본 발명의 하나 이상의 양태를 구현하기 위해서 이용될 수 있는 레이저 용접 시스템의 하나의 예가 도 4a에 도시되어 있다. 레이저 용접 시스템(100)은 레이저 빔(140)을 작업편(131)에 전달하기 위해서 (예를 들어, 연결체(132a)로) 섬유 레이저(130)의 출력 또는 전달 섬유(132)에 커플링되는 레이저 용접 헤드(134)를 포함한다. 섬유 레이저(130)는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 전술한 섬유 레이저(130)와 유사하다. 레이저 용접 헤드(134)는, 용접 비드(101)를 형성하기 위해서 이음매(103)를 용접하는 것에 의해서, 본원에서 설명된 금속 기재와 같은, 작업편(131) 상에서 용접을 실시하기 위해서 이용되는 빔 전달 시스템(135)을 형성하는 하나 이상의 모듈(12, 13, 14)을 포함한다. 레이저 용접 헤드(134) 및/또는 작업편(131)이 이음매(103)의 방향을 따라 서로에 대해서 이동될 수 있다. 레이저 용접 헤드(134)는, 용접 헤드(134)를 적어도 하나의 축을 따라서, 예를 들어, 이음매(103)의 길이를 따라서 작업편(131)에 대해서 이동시키기 위한 운동 스테이지(141) 상에 위치될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 작업편(131)은 작업편(131)을 레이저 용접 헤드(134)에 대해서 이동시키기 위한 운동 스테이지(143) 상에 위치될 수 있다.

레이저 용접 헤드(134)는 일반적으로 출력 섬유(132)로부터의 레이저 빔을 시준하기 위한 시준기(133), 시준된 빔(136)을 반사 및 이동시키기 위한 적어도 제1 및 제2 이동 가능 거울(137 및 139), 및 빔을 포커스하고 포커스된 빔(140)을 작업편(131)에 전달하기 위한 포커스 렌즈(144)를 포함한다. 도 4b에 도시된 예에서, 고정 거울(138)을 또한 이용하여, 시준된 레이저 빔(136)을 제2 이동 가능 거울(139)로부터 포커스 렌즈(144)로 지향시킨다. 시준기(133), 이동 가능 거울(137 및 139), 및 포커스 렌즈(144) 그리고 고정 거울(138)이 분리된 모듈(12, 13, 14) 내에 제공될 수 있고, 그러한 모듈 중 하나 이상이 전술한 빔 전달 시스템(135)을 형성할 수 있다. 레이저 용접 헤드(134)는 또한, 예를 들어, 광이 제2 거울(139)로부터 포커스 렌즈(144)를 향해서 반사되도록 거울(137, 139)이 배열되는 경우에, 고정 거울(138)이 없이 구성될 수 있다.

이동 가능 거울(137, 139)이 상이한 축들(147a, 147b)을 중심으로 피벗될 수 있고, 그에 따라 시준된 빔(136)이 이동되게 하고 그에 따라 포커스된 빔(140)이 적어도 2개의 상이한 수직 축들(2, 4)을 따라 작업편(131)에 대해서 이동되게 한다. 이동 가능 거울(137, 139)은 갈보 모터, 또는 스텝퍼 모터와 같은 다른 이동 메커니즘에 의해서 이동될 수 있는 검류계 거울일 수 있다. 레이저 용접 헤드(134) 내에서 이동 가능 거울(137, 139)을 이용하는 것은, 전체 용접 헤드(134)를 이동시킬 필요가 없이 그리고 회전 프리즘을 이용하지 않고도, 빔 요동을 위해서 레이저 빔(140)이 정확하게, 제어 가능하게 그리고 신속하게 이동될 수 있게 한다.

적어도 하나의 실시예에 따라, 이동 가능 거울(137, 139)은, 도 4b의 개략도에서 알파(α)에 의해서 도시된 바와 같이, 빔(140)을 10도 미만의 스캔 각도 내에서, 그리고 일부 경우에 약 1 내지 2도로 피벗시키는 것에 의해서, 비교적 작은 시계(예를 들어, 30 x 30 mm 미만) 내에서만 빔(140)을 이동시킨다. 이러한 제한된 이동은 "요동"으로 지칭될 수 있고, 그러한 레이저 이동 패턴을 생성할 수 있는 시스템 및 장치의 예가, 전체가 본원에서 참조로 포함되는, (이하에서 "'235 출원"으로 지칭되는) 미국 특허출원 제15/187,235호에서 개시된 요동 모듈 및 레이저 용접 헤드를 참조하여 설명된다. '235 출원에서 설명된 바와 같이, "요동"이라는 용어는, 10도 미만의 스캔 각도에 의해서 형성되는 비교적 작은 시계 내의, (예를 들어, 2개의 축을 따른) 레이저 빔의 왕복 이동을 지칭한다. 이러한 제한된 이동은, 훨씬 더 큰 시계(예를 들어, 50 x 50 mm 및 그 초과) 내의 레이저 빔의 이동을 제공하고 더 큰 시계 및 스캔 각도를 수용하도록 설계되는, 통상적인 레이저 스캔 헤드와 대조적이다. 비교적 작은 시계 및 작은 스캔 각도를 제공하는 이동 가능 거울(137, 139)의 이용은 더 빠른 속력을 제공하고, 렌즈와 같은 덜 고가인 구성 요소의 이용을 가능하게 하며, 에어 나이프(air knife) 및/또는 가스 보조 부속물과 같은 부속물의 이용을 가능하게 한다.

이동 가능 거울(137, 139)이 빔을 비교적 작은 시계 및 스캔 각도 내에서 이동시키기 때문에, 제2 거울(139)은 제1 거울(137)과 실질적으로 동일한 크기일 수 있다. 대조적으로, 통상적인 갈보 스캐너는 일반적으로 더 큰 시계 및 스캔 각도를 제공하기 위해서 더 큰 제2 거울을 이용하고, 더 큰 제2 거울은 적어도 하나의 축을 따른 이동 속력을 제한할 수 있다. 그에 따라, 용접 헤드(134) 내의 (예를 들어, 제1 거울(137)과 대략적으로 동일한 크기의) 작은 크기의 제2 거울(139)은, 큰 스캔 각도를 제공하는 통상적인 갈보 스캐너에서의 큰 거울에 비해서, 더 빠른 속력으로 제2 거울(139)이 이동할 수 있게 한다.

또한, 이동 가능 거울(137, 139)에 의해서 제공되는 작은 시계는 또한, 큰 직경(예를 들어, 33 mm 직경의 빔을 위한 300 mm 직경 렌즈)을 갖는 큰 다수-요소 스캐닝 렌즈(예를 들어, F-쎄타 렌즈, 시계 편평화 렌즈(field flattening lens), 또는 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens))가 요구되지 않고 사용되지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 통상적인 레이저 스캔 헤드와 대조적으로, 포커스 렌즈(144)는, 레이저 용접 헤드에서의 이용에 대해서 알려진 그리고 예를 들어 100 mm 내지 1000 mm 범위의 다양한 포커스 길이를 갖는 포커스 렌즈를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 약 15 x 5 mm의 시계 내의 이동을 위해서 약 40 mm의 직경을 갖는 빔을 포커스하기 위해서, 50 mm 직경의 평면 볼록(plano convex) F300 포커스 렌즈가 이용될 수 있다. 이러한 작은 포커스 렌즈는 또한, 에어 나이프 및/또는 가스 부속물과 같은 부가적인 부속물을 이용하게 할 수 있다.

빔 전달 시스템에서 선택적으로 이용될 수 있는 다른 광학 구성 요소는 빔 분할기 및 회절 광학기기를 포함하고, 회절 광학기기는 시준기(133)와 거울(137, 139) 사이에 배치될 수 있다.

도 4a의 레이저 용접 시스템(100)은 또한, 적어도 하나의 가스 분배 관(149)을 통해서 가스원(148)에 커플링된 가스 차폐 장치(160)를 포함한다. 가스 차폐 장치(160)의 예를 이하에서 더 구체적으로 설명한다. 차폐 가스(171)가, 불활성 및 반-불활성 가스와 같이, 용접 또는 레이저 프로세싱에서 이용되는 임의의 차폐 가스를 포함할 수 있다.

보호 창(146)이 렌즈(144)의 전방에 제공되어, 용접 프로세스에 의해서 생성되는 파편으로부터 렌즈 및 다른 광학기기를 보호할 수 있다. 보호 창(146)은 또한 가스 차폐 장치(160) 내에 통합될 수 있거나 그에 의해서 대체될 수 있다.

간략히 도 2a 및 도 2b를 다시 참조하면, 특정 실시예에 따라, 빔 전달 시스템(135)은 또한 큰 시계가 요구되는 적용예를 위해서 통상적인 레이저 스캔 헤드로서 기능하도록 구성된 구성 요소를 포함할 수 있다. 통상적인 레이저 스캔 헤드는, 큰 시계 내에서 빔을 포커스하기 위해서 큰 직경을 갖는(예를 들어, 33 mm 직경 빔을 위한 300 mm 직경 렌즈), 다수-요소 스캐닝 렌즈, 예를 들어 F-쎄타 렌즈, 시계 편평화 렌즈, 또는 텔레센트릭 렌즈를 이용한다. 특정 실시예에서, 통상적인 스캔 헤드 내에 포함된 광학기기는 본원에서 설명된 요동 패턴을 생성하도록 구성될 수 있다.

본원에서 개시된 후면 표면 용접 시스템 및 프로세스는, 고품질의 용접을 달성하기 위해서 넓은 프로세스 창을 제공하는 몇몇 프로세스 매개변수를 이용한다. 이러한 프로세스 매개변수의 몇몇의 비-제한적인 예를 도 5a 및 도 5b를 참조하여 이하에서 설명한다.

적어도 하나의 실시예에 따라, 하나 이상의 "요동" 매개변수가, 레이저 에너지 밀도의 제어와 같은, 프로세스 최적화를 위해서 조정될 수 있거나 달리 변경될 수 있는 프로세스 매개변수로서 기능할 수 있다. 이러한 매개변수는 요동 패턴(또는 "요동 모드"), 요동 주파수, 요동 진폭, 및 요동 배향을 포함한다. 이러한 매개변수 중 하나 이상은, 레이저 빔이 갖는 금속 기재의 재료와의 "상호 작용" 시간에 영향을 미칠 수 있다. 도 5a는, 배향에 따라서, 이러한 예에서 무한 또는 8-자 패턴인, 요동 패턴의 3개의 상이한 배향들을 도시한다. 도 5a는, 제2 금속 기재(110)가 수직으로 배치되고 제1 금속 기재(105)의 폭 치수를 따라서 중심에 위치되고(즉, 도 2a 및 도 2b에서와 같이 위치되고) 쇄선으로 표시된, 제1 금속 기재(105)의 제2 평면형 표면(104)의 상면도를 도시한다. 각각의 배향(즉, 0°, 90°, 및 45°)에서, 패턴의 중심점은, 제2 평면형 표면(104)의 중심(그리고 제2 금속 기재(110)의 단부 면(112)의 중심)을 통해서 연장되는 중심선(127)과 정렬된다. 빔 전달 시스템(135)은 이러한 정렬 및 배향을 실시하도록 구성되는 광학 구성 요소를 포함하고, (이하에서 더 구체적으로 설명되는) 제어기(150)에 의해서 조정되거나 달리 제어될 수 있다. 빔 전달 시스템(135)을 이용하여, 요동 패턴이 (도시된 것 이외의) 임의의 희망 각도로 배향될 수 있다.

도 5b를 참조하면, 도 5a의 제1 및 제2 금속 기재의 측면도가 도시되어 있다. 적어도 하나의 실시예에 따라, 빔 전달 시스템(135)은, 제2 평면형 표면(104)(그리고 단부 면(112))에 수직으로 입사되는 기준선(126)으로부터 ± 10 도의 입사 각도 쎄타(θ)로 빔 스폿(142)을 제1 금속 기재(105)의 제2 평면형 표면(104)에 공급하는 출력 레이저 빔(140)을 지향시키도록 구성될 수 있다. 출력 레이저 빔(140)은 또한, 제2 금속 기재(110)의 길이를 따라서 연장되는(그리고 그에 따라 도 5b에 도시된 2D 구성의 평면 내에 있는) 기준선(도 5b에 미도시)으로부터 각도(β)로 ±10도 입사될 수 있다. 일부 실시예에서, 단부 면(112)과 제1 평면형 표면(102) 사이의 간극(128)은 제1 금속 기재(105)의 두께(106)의 최대 약 1/4의 거리일 수 있다.

적어도 하나의 실시예에 따라, 빔 전달 시스템(135)은 디포커스된 출력 레이저 빔(140)을 생성하도록 구성된다. 도 6은 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110)를 도시하고, 여기에서 좌측의 출력 레이저 빔은 제2 평면형 표면(104)과 일치되는 포커스 점을 갖고(즉, 포커스된 출력 레이저 빔), 우측의 출력 레이저 빔은 제2 평면형 표면(104) 위에 배치되는 포커스 점을 갖는다(즉, 디포커스된 출력 레이저 빔). 일부 경우에, 디포커스된 출력 레이저 빔은, 제2 평면형 표면(104) 아래에 배치된 포커스 점을 갖는다. 디포커스된 출력 빔(140)은, 감소된 에너지 밀도 및 증가된 직경을 갖는 빔 스폿(142)을 생성하고, 이는 특정 경우에 더 높은 품질의 용접을 생성한다. 디포커스된 레이저 빔은 더 큰 가우스 빔 프로파일(Gaussian beam profile)을 갖는다(즉, 고온인 중심 및 반경 증가에 따라 감소되는 프로파일을 갖는다). 디포커스된 레이저 빔에 의해서 제공되는 파워 분포는, 용접 영역의 하나의 지역에서 플랜지가 리브에 융합될 수 있게 하고 용접 영역의 다른 지역에서 플랜지가 용융될 수 있게 한다. 대안적인 실시예에서, 빔 전달 시스템(135)은 포커스되는 출력 레이저 빔을 생성하도록 구성된다.

적어도 하나의 실시예에 따라, 레이저 용접 시스템(100)의 하나 이상의 구성 요소, 예를 들어 섬유 레이저(130) 에너지원, 빔 전달 시스템(135), 및 운동 스테이지(155)가 동작 매개변수의 세트를 이용하여 제어될 수 있고, 그에 따라 최적화된 용접 프로세스를 실시할 수 있다. 예를 들어, 빔 전달 시스템(135)은 희망 치수를 갖는 빔 스폿(142)을 생성하도록 구성될 수 있다. 희망 치수는 레이저 이동 패턴의 선택뿐만 아니라 제1 및 제2 금속 기재의 치수(예를 들어, 제2 금속 기재(110)의 높이 또는 두께)에 따라 달라질 수 있다. 빔 전달 시스템(135)은 또한 상이한 형상들을 빔 스폿(142)에 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 구형 형상 외에, 빔 스폿(142)은 도넛 형상, 직사각형, 또는 타원형일 수 있다. (이동 속력 또는 용접 속력으로도 지칭되는) 제2 평면형 표면(104)에 걸쳐 이동하는 패턴의 중심점을 기준으로 하는 빔 스폿의 속도뿐만 아니라, 레이저 파워가 또한 다른 동작 매개변수로서 기능한다.

이제 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 일부 실시예에 따라, 레이저 용접 시스템(100)은 또한, 불활성 차폐 가스의 유동을 표적 지역으로 지향시키도록 구성되고 도 4a의 레이저 용접 시스템(100)을 참조하여 전술한 차폐 장치(160)와 유사한, 차폐 장치(160)를 포함할 수 있다. 차폐 장치(160)는, 도 7a의 예에서, 부분적으로 투명하게 도시되어 있고, 출력 레이저 빔(140)의 적어도 일부를 수용하도록 구성된다. 예를 들어, 차폐 장치(160)는, 출력 레이저 빔(140)을 포함하도록 구성된 중앙 개구를 가질 수 있다. 차폐 장치(160)는 또한, 도 7a에 도시된 예에서 표시된 바와 같이, 빔 전달 시스템(135)에 커플링될 수 있다.

복수의 개구부를 갖는 차폐 디스크가, 제2 평면형 표면(104)에 실질적으로 수직인 방향으로 불활성 차폐 가스의 유동을 지향시키도록 구성된 중앙 개구에 커플링될 수 있다. 하나 이상의 가스 분배 관이 또한 차폐 디스크의 복수의 개구부에 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 본원에서 개시된 방법 및 시스템과 함께 사용하기에 적합할 수 있는 그러한 차폐 장치의 하나의 비-제한적인 예가 도 7b 및 도 7c에 도시되어 있고, 본원에서 참조로 포함되는, 2018년 8월 30일자로 출원된 (이하에서 "'028 출원"으로 지칭되는) 미국 가출원 제62/725,028호에서 설명되어 있다. 도 7b 및 도 7c는, '028 출원에서 설명된, 전반적으로 160으로 표시된 가스 차폐 장치의 저면 사시도 및 횡단면 사시도를 도시한다. 차폐 장치(160)는 (예를 들어, 전술한 바와 같은) 레이저 빔을 작업편에 전달하기 위한 목부(161), 및 차폐 가스를 용접 영역 내의 작업편으로 확산 및 분배하기 위해서 목부(161)에 커플링된 가스 차폐 판(166)을 포함한다. 목부(161)는, 제1 단부(163)로부터 제2 단부(165)까지 연장되고 레이저 빔이 차폐 판(166)을 통해서 차폐 판(166)의 대향 측면 상의 작업편으로 지향될 수 있게 허용하도록 구성된, 중앙 개구(164)를 형성한다. 차폐 판(166)은 제2 단부(165)에 근접하여 목부(161)에 커플링되고, 차폐 판(166)이 레이저 빔을 수용하는 중앙 개구(164)와 동축적이 되도록, 중앙 개구(164) 주위로 원주방향으로 연장된다. 일부 경우에, 중앙 개구(164)는 약 10 내지 60 mm 범위의 직경을 가질 수 있다.

차폐 판(166)은 제1 표면(167) 상의 하나 이상의 가스 유입구(162), 및 제1 표면(167)에 대향되고 사용 중에 작업편에 대면될 제2 표면(169) 상의 복수의 가스 배출구(168)를 포함한다. 차폐 판(166)은, 가스 유입구(들)(162)를 복수의 가스 배출구(168)에 유체적으로 커플링시키는 가스 확산 영역(170)을 형성한다. 일부 경우에, 차폐 가스는 가스 유입구(들)(162)를 통해서 가스 확산 영역(170) 내로 그리고 이어서 작업편에 실질적으로 수직으로 가스 배출구(168)의 외부로 전달된다. 따라서, 차폐 판(166) 및 가스 배출구(168)는 차폐 가스를 확산시키도록 그리고 프로세싱 지역 또는 용접 지역에서 차폐 가스의 층류 유동을 제공하도록 설계되고 구성된다. 다수의 가스 유입구(162)가 차폐 판(166)의 제1 표면(167) 주위에서 균일하게 분포될 수 있다. 일부 경우에, 가스 확산 영역(170)이 다공성 재료, 예를 들어 Scotch-Brite^TM General Purpose Scour Pads라는 명칭 하에서 3M으로부터 입수할 수 있는 부직 패드, 또는 가스 배출구(168)로부터 층류 유동 분포를 제공할 수 있는 임의의 다른 확산기 재료를 포함할 수 있다.

가스 배출구들(168)은 차폐 판(166)의 제2 측면(169)의 상당한 부분에 걸쳐 이격될 수 있고, 그에 따라 차폐 가스를, 미리 결정된 패턴으로 그리고 프로세싱 또는 용접 지역 내에서 이동하는 레이저 빔에 의해서 둘러싸인 영역을 적어도 포함하는 비교적 넓은 지역에 걸쳐 분포시킨다. 차폐 판(166)의 예는 약 100 mm 내지 150 mm 범위의 직경을 가질 수 있고, 원형 형상일 수 있으나, 다각형 및 길다란 형상을 포함하는 다른 형상도 이러한 개시 내용의 범위에 포함된다. 가스 배출구(168)는, 각각의 직경이 약 0.2 내지 5.0 mm 범위인 비교적 작은 홀 또는 개구부일 수 있다. 가스 배출구들(168)은, 적절한 확산을 제공하여 차폐 가스의 층류 유동을 생성하기 위한 패턴으로 차폐 판(166)의 제2 측면(169) 상에 분포된다. 도 7b의 도시된 패턴은, 차폐 판(166)의 중앙 부분으로부터 차폐 판(166)의 외부 부분까지 연장되는 선으로 배열된 가스 배출구들(168)을 도시한다. 비-제한적인 예가 동심적인 원들 및 반경방향 선들을 포함하는, 다른 패턴이 또한 고려된다. 가스 배출구(168)는 또한 가스 차폐 판(166)의 제2 표면(169) 주위에서 실질적으로 균일하게 분포될 수 있다. 가스 유입구(162) 및 가스 배출구(168)의 크기 및 수 및 위치 그리고 가스 압력을 변경하여 희망하는 층류 유동을 제공할 수 있다. 가스 차폐 장치(160)는 또한, 목부(161) 주위에서 이용될 수 있는 물 자켓과 같은, 냉각 특징부를 포함할 수 있다.

도 2a 및 도 2b를 다시 참조하면, 동작 매개변수(예를 들어, 요동 매개변수, 레이저 파워, 빔 형상 및 치수, 속도 등)가, 레이저 용접 시스템(100)의 구성 요소를 제어하도록 구성된 제어기(150)에 의해서 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어기(150)가 섬유 레이저(130) 및 빔 전달 시스템(135)을 제어하여, 희망 패턴 및/또는 특정 피크 파워에서의 출력 레이저 에너지, 펄스 폭, 영향 등으로 이동하는 특정 크기 및 치수의 빔 스폿(142)을 생성할 수 있다. 빔 스폿(142)은, 단부 면(112)이 제1 평면형 표면(102)에 근접하여 배치되는, 제1 평면형 표면(102)의 교차 영역(122)(도 2a 참조) 위에 배치된 제2 평면형 표면(104) 상의 표적 지역을 조사한다. 제어기(150)는 또한 운동 스테이지(155)에 동작 가능하게 커플링되고, 그러한 운동 스테이지는, 도 2b에 도시된 예에서, 섬유 레이저(130) 및 빔 전달 시스템(135) 중 적어도 하나를, 화살표로 표시된 바와 같이, 적어도 하나의 축을 따라서 이동시키도록 구성된다. 이러한 이동은, 빔 스폿(142)이, 도 2b에 도시된 예에서, 제1 금속 기재(105)의 길이를 따라서 지향되게 한다.

일부 경우에, 제어기(150)는 미리-설정된 또는 미리 결정된 동작 제어 체제에 따라 동작하도록 구성될 수 있고, 다른 경우에 제어기(150)는, 하나 이상의 센서 또는 다른 입력원(예를 들어, 조작자)으로부터 얻어진 정보를 이용하여 피드포워드 또는 피드백 제어 체제로 동작하도록 구성될 수 있고, 그에 따라 이러한 입력원에 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 제어기(150)는, 시스템의 구성 요소의 제어에서 이용될 수 있는 하드웨어(예를 들어, 범용 컴퓨터) 및 소프트웨어를 포함한다.

도 4a의 레이저 용접 시스템(100)을 참조하면, 제어 시스템(150)은, 예를 들어 용접 헤드(134) 내의 감지된 조건, 이음매(103)의 검출된 위치, 및/또는 레이저 빔(140)의 이동 및/또는 위치에 응답하여, 섬유 레이저(130)를 제어하기 위해서, 이동 가능 거울(137, 139) 및/또는 운동 스테이지(141, 143)를 배치하기 위해서 이용된다. 레이저 용접 헤드(134)는, 열적 조건을 감지하기 위해서, 각각의 제1 및 제2 이동 가능 거울(137, 139)에 근접한 제1 및 제2 열 센서(152a, 152b)와 같은 센서를 포함할 수 있다. 제어 시스템(150)은, 이동 가능 거울(137, 139)에 근접한 열적 조건을 모니터링하기 위한 데이터를 수신하기 위해서 센서(152a, 152b)에 전기적으로 연결된다. 제어 시스템(150)은, 예를 들어 레이저를 차단하는 것, 레이저 매개변수(예를 들어, 레이저 파워)를 변경하는 것, 또는 임의의 다른 조정 가능 레이저 매개변수를 조정하는 것에 의해서 섬유 레이저(130)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(150)은, 센서(152a, 152b) 중 하나 또는 둘 모두에 의해서 감지되고 고파워 레이저에 의해서 유발되는 높은 온도 또는 다른 조건을 초래하는 거울 오작동을 나타내는 열적 조건에 응답하여, 섬유 레이저(130)가 중단되게 할 수 있다. 일부 경우에, 제어기는, 출력 섬유(140)가 시준기(133)로부터 분리될 때 안전 연동 조건이 트리거링되도록 그리고 레이저가 중단되도록 출력 섬유(140)와 시준기(133) 사이에서 구성된 안전 연동부를 트리거링하는 것에 의해서, 섬유 레이저(130)가 중단되게 할 수 있다. 그에 따라, 연동 경로(154)가 출력 섬유(140)와 제어 시스템(150) 사이에서 연장되어, 제어 시스템(150)이 안전 연동 조건을 트리거링하게 할 수 있다. 제어 시스템(150)은 또한, 예를 들어, 이음매(103)의 검출된 위치를 나타내는 카메라/검출기(미도시)로부터의 데이터를 수신하는 것에 의해서 용접 동작을 모니터링할 수 있다.

제어 시스템(150)은 또한, 예를 들어, 포커스된 빔(140)의 위치를 교정하여 이음매(103)를 발견, 추적 및/또는 따르기 위해서, 카메라/검출기로부터의 이음매(103)의 검출된 위치에 응답하여 이동 가능 거울(137, 139)의 배치를 제어할 수 있다.

이제, 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 제2 평면형 표면(104)의 표적 지역이 레이저 에너지로 일단 조사되면, 용접 영역(120)이 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110) 내에 형성되고, 용접 영역은 변경된 결정 구조를 포함하고, 2개의 기재로부터의 금속 재료가 합쳐지는 융합 구역(FZ), 및 융합 구역에 인접한 열-영향 구역(HAZ)을 포함한다. 적어도 하나의 실시예에 따라, 이하의 예에서 더 설명되는 바와 같이, 용접 영역의 횡단면이 균일한 경도를 갖는다. 용접 영역(120)은 이중 필렛 용접을 포함하고, 필렛 용접(115a 및 115b)은, 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110) 사이의, 각각의 모서리 지역(124a 및 125b)을 각각 형성한다. 각각의 필렛 용접(115a 및 115b)은, 도 2d의 현미경 사진에 표시된 바와 같이, 매끄러운 프로파일을 구비한 용접 면(116a 및 116b)을 각각 갖는다. 용접 면 내의 매끄러운 프로파일은, 용접 면 내에서 불규칙적인 또는 "들쭉날쭉한" 또는 "거친" 외관 및/또는 오목부를 갖는 용접 면을 갖는 용접보다 뛰어난 구조적 무결성(integrity)을 구비한 용접을 나타낸다. 도 2d에 표시된 바와 같이, 용접 영역(120)은 제1 금속 기재(105)의 두께 및 제2 금속 기재(110)의 두께를 통해서 연장될 수 있다. 일부 경우에, 용접 영역의 융합 구역은 제1 및 제2 금속 기재(105 및 110)의 두께를 통해서 연장될 수 있다. 그에 따라, 플랜지와 리브 사이의 계면이 전체적으로 사용된다. 용접 영역(120)은 또한 낮은 다공도 및 작은 입자 조직을 가질 수 있다. 조사는 또한 제1 금속 기재(105)의 제2 평면형 표면(104) 내에서 언더컷(undercut)(118)을 생성한다. 적어도 하나의 실시예에 따라, 용접 영역 내의 다공도는, SAE Aerospace Material Specifications AMS-STD-2219 및 AMS-STD-1595를 포함하는, 하나 이상의 항공 우주 표준에서 설명된 A, B, 또는 C 분류 요건 중 적어도 하나를 따른다.

개시된 용접 프로세스는 또한 앞서서 명확하게 설명되지 않은 다른 단계 또는 작용을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 기재가 조사 전에 및/또는 후에 세정될 수 있고, 용접 후에 당업계에 알려진 바와 같이 금속 기재에 열처리 프로세스를 실시할 수 있다.

예

본원에서 개시된 시스템 및 기술의 실시예의 기능 및 장점이 이하에서 설명된 예를 기초로 보다 완전하게 이해될 수 있다. 이하의 예는 개시된 레이저 용접 시스템 및 프로세스의 여러 양태를 설명하기 위한 것이고, 그 전체 범위를 완전히 예시하기 위한 것은 아니다.

이하의 예는, (300 mm x 25 mm x 1.6 mm)의 치수(L x W x H)를 갖는 티타늄 합금(5 등급)인 금속 기재를 이용하여, 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 유사한 배열을 이용하여 실시되었다. 이용된 섬유 레이저는 15,000 Watt의 출력 파워를 갖는 IPG 섬유 레이저 YLS 15000(IPG Photonics Inc., 미국 매사추세츠 옥스포드)이었다. 빔 전달 시스템은 IPG FLW-D50-W 요동 헤드(또한 IPG Photonics으로부터 입수 가능)를 이용하여 구현되었다.

예 1 - 요동(레이저 이동 패턴)의 구현

레이저 파워가 4500 W이었고 용접 속력이 150 mm/s였던 프로세스 매개변수를 이용하여, 요동 패턴을 이용하지 않고 제어를 실시하였다. 용접을 달성하기 위해서 제1 금속 기재의 제2 평면형 표면에 걸쳐 3번의 통과가 요구되었고, 금속 기재의 횡단면의 현미경 사진이 도 8a에 도시되어 있다. 결과는, FZ 영역에 인접한 큰 그리고 구분된 HAZ 영역, 및 FZ 영역 내의 불균질한 외관을 나타낸다. 용접 면은 또한 대칭적이지 않고 불규칙적인-형상이다.

요동 패턴을 이용하는 비교 테스트를 이하의 프로세스 매개변수로 실시하였다:

레이저 파워: 2100 W

속도: 20 mm/s

디포커싱: (제2 평면형 표면 위) +10 mm

요동 패턴: 숫자 8

요동 주파수: 60 Hz

요동 진폭: 20 mm

도 8b의 현미경 사진에서 도시된 횡단면을 획득하는데 있어서 단일 통과만이 요구되었고, 제1 금속 기재 및 제2 금속 기재의 두께를 통해서 연장되는 FZ, 및 도 8a에 비해서 작은, FZ에 인접한 HAZ 지역을 보여준다. FZ는 또한 균질하게 보이고, 용접 면은 도 8a에서 형성된 필렛보다 더 대칭적이고 매끄럽다. 언더컷은 0.410 mm의 최대 깊이를 가졌다.

예 2 - 경도 결과

도 8b를 참조하여 전술한 설정을 이용하여 획득된 샘플에 대해서 경도를 테스트하였다. 용접 영역 및 기본 재료 모두의 횡단면에 걸쳐지는 3개의 상이한 선들을 따른 미세경도 프로파일(여기에서, 각각의 데이터 지점 사이의 거리는 100 내지 200 미크론이었다)을 DuraScan 70 미세 경도 테스터(Emco-Test Pruefmaschinen GmbH로부터 입수 가능함)를 이용하여 획득하였다. 도 9a는 샘플의 횡단면 및 3개의 선의 배치에 관한 현미경 사진을 보여주고, 도 9b 내지 도 9d는 각각의 선에 대한 비커스 경도(HV)의 단위의 각각의 선에 대한 경도 프로파일을 보여준다. 예를 들어, 경도 값의 범위는 50 HV를 초과하지 않고, 절대 값은 400 HV를 초과하지 않았다. 결과는, 용접 영역에 걸쳐서뿐만 아니라, 기본 금속(BM) 및 용접 영역 지역 모두에 걸쳐 균일한 경도를 나타낸다. 예를 들어, 오염의 증거는 이러한 그래프에서 스파이크를 초래할 수 있고, 그러한 스파이크는 산화를 나타낸다.

예 3 - 미세조직 테스트

기본 금속 및 용접 영역의 미세조직을 도 8b를 참조하여 전술한 설정을 이용하여 획득된 샘플에 대해서 검사하였다. 결과가, 도면에 표시된 바와 같은 검사된 영역들의 상이한 배율로, 도 10에 도시되어 있다. 결과에서, FZ가, 약 0.4 mm의 작은 일차적인 결정 입자 크기 및 몇 미크론의 큰 이차적인 입자 크기를 갖고, 균질하다는 것을 확인하였다. HAZ가 또한 작고, 융합 구역을 침투하지 않았다.

예 4 - 요동 최적화 테스트 1

특정 프로세스 매개변수를 조정하는 것이 용접 형성의 근부 영역(root region)에서 "스패터(spatter)"의 증거를 감소시킬 수 있는지를 확인하기 위해서 테스트를 실시하였다. 도 11a 및 도 11b는 이하의 표 1에 나열된 프로세스 매개변수를 이용하여 획득되었다:

표 1 - 프로세스 매개변수

결과는, 작은 요동 진폭과 조합된 감소되는 레이저 파워 및 속도가 적은 스패터를 초래하였다는 것을 보여준다.

예 5 - 요동 최적화 테스트 2

특정 프로세스 매개변수를 조정하는 것이, 용접 면을 포함하여, 필렛의 형상을 개선할 수 있는지를 확인하기 위해서 테스트를 실시하였다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 현미경 사진은 이하의 표 2에 나열된 프로세스 매개변수를 이용하여 획득되었다:

표 1 - 프로세스 매개변수

결과는, 요동 주파수를 감소시키는 것 그리고 요동 진폭을 증가시키는 것이 필렛의 형상을 개선하였다는 것을 나타냈다. 예를 들어, 도 12a의 용접 면은 도 12b의 용접 면보다 덜 매끄럽다.

예 6 - 요동 최적화 테스트 3

도 5b를 참조하면, 용접의 품질에 어떻게 영향을 미치는 지를 확인하기 위해서, 요동 패턴에 대한 (요동 패턴의 중심점과 중심선(127) 사이의) 상이한 오프셋들을 테스트하였다. 4개의 상이한 오프셋들(0 mm, 0.3 mm, 0.5 mm, 및 0.7 mm)을 실험하였다. 결과적인 현미경 사진을 도 13a 내지 도 13d에 도시하였다. 가장 "대칭적인" 결과가 0 mm(즉, 패턴의 중심점이 중심선(127)과 일치된다)에서 얻어졌고, 0.3 mm(및 그 초과)의 오프셋은 필렛 형상 및 크기 모두에서 비대칭성을 보여준다. 예를 들어, 0.7 mm의 오프셋으로 형성된 용접은 일 측면에서 필렛을 형성하지 않았고, 0.3 mm 오프셋은 불규칙적인 프로파일을 용접에 부여하였다.

예 7 - I-빔 제조

I-빔을, T-조인트의 각각의 플랜지에 대한 2개의 분리된 단일-통과 단계를 이용하여, 3개의 금속 기재로 본원에서 설명된 후면 표면 용접 프로세스를 이용하여 제조하였다. 레이저 파워는 1200 W 였고, 용접 속력은 7 mm/s 였으며, 결과의 현미경 사진을 도 14a 내지 도 14c에 도시하였고, 도 14a는 상면 사시도이고, 도 14b는 측면 사시도이며, 도 14c는 횡단면도이다.

다른 기하형태적 구성

도 15a 내지 도 15c는 본원에서 설명된 시스템 및 프로세스를 이용하여 함께 용접될 수 있는 금속 기재를 위한 3개의 다른 구성(각각 랩 조인트(lap joint), 모서리 조인트, 및 플레어-베벨 조인트(flare-bevel joint))을 도시하며, 화살표는 레이저 빔 에너지를 위한 표적 지역으로서의 역할을 하는 후면 표면을 나타낸다. 또한, 도 2b 및 도 14a에 도시된 것과 같은 직선형 또는 선형 용접 외에, 원형 또는 다른 유형의 형상의 용접이 또한 개시된 시스템 및 방법으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 16a 내지 도 16c는 열 교환기의 일부로서 금속 배플 구조물에 용접되는 금속 관 구조물의 사진이다. 도 16a는, 3개의 관형 구조물의 각각의 단부에 용접되는 2개의 배플을 포함하는 전체 구조물의 상면 사시도이다. 도 16b는 도면에서 용접부의 언더컷 영역을 갖는 구조물의 상단 부분의 근접도를 도시하고, 도 16c는 도면에서 용접 면을 갖는 구조물의 하단 부분의 근접도를 도시한다. 사진에서 확인될 수 있는 바와 같이, 용접 면은 매끄러운 프로파일을 갖는다.

도 17a 내지 도 17d는 원형 용접의 다른 예를 보여주는 용접된 금속 기재의 사진이다. 이러한 경우에, 금속 판은, 0.06 인치의 두께를 갖는 금속 관형 구조물(금속 관형 구조물은 리브를 형성한다)에 용접되고, 판의 3개의 상이한 두께: 0.06 인치, 0.09 인치, 및 0.125 인치를 테스트하였다. 도 17b 및 도 17c는 기재 중 하나로부터의 원형 용접의 언더컷 영역의 도면을 도시하고, 도 17d는 매끄러운 프로파일을 갖는 용접 면의 도면을 도시한다. 각각의 판 두께에 대한 용접은 매끄러운 프로파일을 구비한 용접 면을 갖춘 유사한 고품질이었다.

또한, 시스템은, 각도를 이루는 및/또는 틸팅된(즉, 제1 및 제2 금속 기재들이 각도로 구성된) 용접을 실시하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 금속 기재가 20도 이하 또는 30도 이하의 하향 각도로 구성될 수 있고, 및/또는 20도 이하로 틸팅될 수 있다.

본 발명에 따라 본원에서 개시된 양태는, 그 적용에 있어서, 이하의 설명에서 기술되거나 첨부 도면에 도시된 구성 요소의 구성 및 배열의 상세 부분으로 제한되지 않는다. 이러한 양태는 다른 실시예가 될 수 있거나 여러 가지 방식으로 실시 또는 실행될 수 있다. 구체적인 구현예의 예가 단지 설명 목적으로 본원에서 제공되고 제한되도록 의도되지 않는다. 특히, 임의의 하나 이상의 실시예와 관련하여 설명된 작용, 구성 요소, 요소, 및 특징부는 임의의 다른 실시예에서의 유사한 역할로부터 배제되도록 의도되지 않는다.

또한, 본원에서 사용된 어법 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다. 본원에서 단수형으로 언급된 시스템 및 방법의 예, 실시예, 구성 요소, 요소 또는 작용에 관한 모든 언급은 또한 복수형을 포함하는 실시예를 포괄할 수 있고, 본원의 임의의 실시예, 구성 요소, 요소 또는 작용에 대한 복수형의 모든 언급은 또한 단수형 만을 포함하는 실시예를 포괄할 수 있다. 단수형 또는 복수형의 언급은 여기에서 개시된 시스템 또는 방법, 그 구성 요소, 작용, 또는 요소를 제한하기 위한 것이 아니다. 본원에서 "포괄하는(including)", "포함하는", "갖는", "수용하는", "관련되는", 및 그 변형의 이용은 그 이후에 나열된 항목 및 그 균등물뿐만 아니라 부가적인 항목을 포함한다는 것을 의미한다. "또는"이라는 언급은 포괄적인 것으로 해석될 수 있을 것이고, 그에 따라 "또는"을 이용하여 설명된 임의의 용어는 그러한 설명된 용어의 하나, 하나 초과, 및 전부 중 임의의 것을 나타낼 수 있을 것이다. 또한, 이러한 문헌 및 참조로 포함된 문헌 사이의 용어의 일치되지 않은 사용의 경우에, 포함된 참조물에서의 용어 사용은 본 문헌의 용어 사용에 대한 보충적인 것이고; 조정될 수 없는 불일치의 경우에, 이러한 문헌 내의 용어 용법이 우선한다.

따라서, 적어도 하나의 예의 몇몇 양태를 설명하였지만, 여러 가지 변경, 수정, 및 개선이 당업자에 의해서 용이하게 이루어질 것임을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본원에서 개시된 예는 또한 다른 맥락으로 이용될 수 있다. 그러한 변경, 수정, 및 개선은 본 개시 내용의 일부가 될 것이고, 본원에서 개시된 예의 범위에 포함될 것이다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예이다.

Claims (20)

1. 제1 금속 기재를 제2 금속 기재에 레이저 용접하는 방법이며, 상기 제1 금속 기재는 제1 평면형 표면 및 상기 제1 평면형 표면에 대향되게 배치된 제2 평면형 표면을 갖고, 상기 방법은:
   용융 상태일 때 제어된 유동에 적합한 두께, 표면 장력 및 열적 특성을 갖는 제1 및 제2 금속 기재를 선택하는 단계;
   제2 금속 기재의 단부 면을 제1 평면형 표면에 근접 배치하는 단계;
   적어도 1 킬로와트(kW)의 파워를 갖는 입력 레이저 빔을 섬유 레이저로부터 생성하는 단계;
   입력 레이저 빔을 수용하도록 그리고 제1 및 제2 축을 따라서 미리 결정된 패턴으로 이동하는 빔 스폿을 갖는 출력 레이저 빔을 생성하도록 구성된 빔 전달 시스템을 제공하는 단계; 및
   빔 스폿으로 제1 금속 기재의 제2 평면형 표면 상의 표적 지역을 조사하기 위해서 입력 레이저 빔을 빔 전달 시스템을 통해서 전달하는 단계로서, 상기 표적 지역은, 단부 면이 제1 평면형 표면에 근접하여 배치되는 제1 평면형 표면의 교차 영역 위에 배치되고, 제1 및 제2 축을 따라서 미리 결정된 패턴으로 조사하는 것은, 표적 지역의 빔 스폿에 의한 단일 통과로 제1 및 제2 기재들 사이의 각각의 모서리 지역 내에 매끄러운 프로파일을 구비한 용접 면을 갖는 필렛 용접이 형성되도록, 이중 필렛 용접을 생성하는, 단계를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서,
   조사하는 것은, 제1 금속 기재의 두께 및 제2 금속 기재의 두께를 통해서 연장되는 용접 영역을 생성하는, 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 용접 영역의 횡단면은 균일한 경도, 작은 입자 크기, 및 낮은 다공도 중 적어도 하나를 갖는, 방법.
4. 제1항에 있어서,
   제2 금속 기재의 단부 면을 제1 평면형 표면에 근접 배치하는 단계는 상기 단부 면과 상기 제1 평면형 표면 사이에서 간극을 포함하고, 상기 간극은 제1 금속 기재의 두께의 0 내지 1/4의 거리인, 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 평면형 표면에 수직으로 입사되는 기준선으로부터 최대 10도의 입사 각도를 갖도록 상기 출력 레이저 빔을 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
6. 제1 금속 기재를 제2 금속 기재에 레이저 용접하기 위한 시스템이며, 상기 제1 금속 기재는 제1 평면형 표면 및 상기 제1 평면형 표면에 대향되게 배치된 제2 평면형 표면을 갖고, 상기 제2 금속 기재는 상기 제1 평면형 표면에 근접하여 배치된 단부 면을 갖고, 상기 시스템은:
   적어도 1 킬로와트(kW)의 파워를 갖는 입력 레이저 빔을 생성하도록 구성된 섬유 레이저 에너지원; 및
   빔 전달 시스템을 포함하고, 상기 빔 전달 시스템은:
   입력 레이저 빔을 수용하도록 그리고 제1 및 제2 축을 따라서 미리 결정된 패턴으로 이동하는 빔 스폿을 갖는 출력 레이저 빔을 생성하도록, 그리고
   빔 스폿으로 제1 금속 기재의 제2 평면형 표면 상의 표적 지역을 조사하도록 구성되고, 상기 표적 지역은, 단부 면이 제1 평면형 표면에 근접하여 배치되는 제1 평면형 표면의 교차 영역 위에 배치되고,
   섬유 레이저 에너지원 및 빔 전달 시스템은, 상기 조사가 표적 지역의 빔 스폿에 의한 단일 통과로 제1 및 제2 금속 기재들 사이의 각각의 모서리 지역 내에 매끄러운 프로파일을 구비한 용접 면을 갖는 필렛 용접을 형성하도록 구성되는, 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 미리 결정된 패턴이 교차 영역과 정렬되도록, 빔 전달 시스템을 제어하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 시스템.
8. 제6항에 있어서,
   상기 빔 전달 시스템은 디포커스된 출력 레이저 빔을 생성하도록 구성되는, 시스템.
9. 제6항에 있어서,
   상기 표적 지역의 조사는, 제1 금속 기재의 두께 및 제2 금속 기재의 두께를 통해서 연장되는 용접 영역을 생성하는, 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    용접 영역은 균일한 경도, 낮은 다공도, 및 작은 입자 조직 중 적어도 하나를 갖는, 시스템.
11. 제6항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은, 제2 평면형 표면에 수직으로 입사되는 기준선으로부터 최대 10도의 입사 각도로 출력 레이저 빔을 지향시키도록 구성되는, 시스템.
12. 제6항에 있어서,
    상기 빔 전달 시스템은 제1 및 제2 축을 따라서 미리 결정된 패턴을 생성하도록 구성된 이동 가능 거울을 포함하는, 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 이동 가능 거울은 미리 결정된 패턴으로서 원형 패턴, 선형 패턴, 8-자 패턴, 및 무한 패턴 중 하나를 생성하도록 구성되는, 시스템.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 금속 기재가 티타늄 합금인, 시스템.
15. 제6항에 있어서,
    상기 표적 지역으로 지향된 불활성 차폐 가스의 유동을 더 포함하는, 시스템.
16. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 금속 기재는 용융 상태일 때 제어된 유동에 적합한 두께, 표면 장력 및 열적 특성을 갖는, 시스템.
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