KR102617751B1 - 레이저 용접을 위한 에지 준비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 용접 제작 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은:
틈으로 서로 분리된 제1 구성요소와 제2 구성요소를 제공하는 단계로서, 상기 틈은 깊이와 폭을 가지며 상기 제1 구성요소 및 제2 구성요소 중 적어도 하나는 희생 에지탭을 구비하고;
상기 희생 에지탭은 레이저 에너지에 노출되는 단계로서, 상기 레이저 에너지는 상기 희생 에지탭의 적어도 일부분을 녹이기 충분한 것이며;
상기 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이의 틈에 용융 풀을 형성하는 단계로서, 상기 용융 풀은 희생 에지탭의 용융된 부분으로부터의 재료를 포함하고;
상기 제1 구성요소와 제2 구성요소를 함께 연결하는 용접부를 형성하도록 용융 풀을 고화시키는 단계;로 이루어진다.

Description

레이저 용접을 위한 에지 준비{Edge preparation for laser welding}
본 발명은 일반적으로 물품의 성형에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로, 레이저 용접에 의해 모듈 구성요소 기반 적층체 맨드릴(modular component-based layup mandrels)을 형성하는 방법에 관한 것이다.
항공기 구조에서, 항공기의 동체, 날개, 그리고 다른 구성요소들은 성형 적층된 복합재 부품으로 형성될 수 있다. 성형된 적층 복합제 부품은 적층체 맨드릴(LM)로서 나타낸 툴(tool) 위에 플라이-바이-플라이(ply-by-ply)로 적층 형성될 수 있다. 적층체 맨드릴은 맨드릴에 적층되고 압축되면서 플라이를 형성하도록 기능하는 부분과 실질적으로 매치되는 툴 표면(tool surface)을 갖는다.
맨드릴을 성형하는 종래의 구성 기술에서, 전체 맨드릴은 일체형으로 제작되고 운반되었다. 복합재 항공기 날개를 적층하는 데 사용되는 맨드릴의 경우, 상기 맨드릴은 30.48m(100ft) 이상의 길이와 9.144m(30ft) 이상의 폭을 가질 수 있다. 이렇게 거대한 구성요소를 취급하기 위한 제작 툴은 매우 전문적이며, 상기와 같은 큰 맨드릴을 운반하는 것은 시간 소모적이며 노동 집약적 과정이다. 게다가, 복잡한 윤곽과 비틀림에 대한 민감성을 가진 적층체 맨드릴은 제작이 어렵다.
따라서, 종래 방법의 단점을 극복하는 적층체 맨드릴을 제작하는 방법은 당 업계에 환영받을 사항이다.
하나의 예시에서, 레이저 용접 제작 방법은:
틈으로 서로 분리되어 있는 제1 구성요소와 제2 구성요소를 제공하는 단계로서, 상기 틈은 깊이와 폭을 가지며 제1 구성요소와 제2 구성요소 중 적어도 하나는 희생 에지-탭(sacrificial edge-tab)을 구비하며;
희생 에지-탭을 레이저 에너지에 노출시키는 단계로서, 상기 레이저 에너지는 상기 희생 에지-탭의 적어도 일부분을 녹이기 충분하고;
제1 구성요소와 제2 구성요소 사이의 틈에 용융 풀(melt-pool)을 형성하는 단계로서, 상기 용융 풀은 상기 희생 에지탭의 용융된 부분에서 나온 재료를 포함하며;
상기 제1 구성요소와 제2 구성요소를 함께 연결하는 용접부를 형성하도록 상기 용융 풀을 고화시키는 단계;로 이루어진다.
하나의 예시에서, 상기 방법에 따라 모듈 구성요소 기반 적층체 맨드릴이 형성된다.
다른 예시로서, 레이저 용접 제작 방법은:
제1 희생 에지탭을 구비한 제1 구성요소와 제2 희생 에지탭을 구비한 제2 구성요소를 제공하는 단계로, 상기 제1 및 제2 구성요소는 틈으로 서로 분리되며;
제1 및 제2 희생 에지탭을 레이저 에너지에 노출시키는 단계로서, 상기 레이저 에너지는 상기 제1 희생 에지탭의 적어도 일부분과 제2 희생 에지탭의 적어도 일부분을 녹이기 충분하고;
레이저 에너지에 의해 녹은 제1 희생 에지탭에서 나온 재료의 제1 용적과 레이저 에너지에 의해 녹은 제2 희생 에지탭에서 나온 재료의 제2 용적으로 상기 틈의 적어도 일부를 채우는 단계와;
상기 제1 구성요소와 제2 구성요소를 연결하기 위해 틈의 재료의 제1 용적과 재료의 제2 용적을 고화시키는 단계;로 이루어진다. 이러한 예시의 장점들은 다음의 설명에서 부분적으로 제시될 것이며, 부분적으로는 설명으로부터 이해될 것이고, 또는 예시의 실시를 통해 알 수 있다. 장점들은 첨부된 청구 범위에서 특히 지적된 요소들과 조합을 통해 구현되고 달성될 것이다.
전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 예시적이고 단지 설명을 위한 것이며 청구 범위의 예시에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이러한 특징들의 일부분으로 구성되고 이를 포함하는, 첨부된 도면들은 본 발명의 예시와 함께 설명을 나타내며 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 실시예에 따른, 항공기 제작과 서비스 방법론의 흐름도이다.
도 1b는 실시예에 따른, 항공기에 대한 블록 구성도이다.
도 2는 실시예에 따른, 항공기의 개략도이다.
도 3a는 실시예에 따른 적층체 맨드릴을 형성하기 위해 함께 레이저 용접될 수 있는 다중 모듈 구성요소(multiple modular components)에 대한 사시도이다.
도 3b는 실시예에 따른 적층체 맨드릴을 제작하기 위해 사용된 제1 및 제2 구성요소에 대한 사시도로서,희생 에지탭을 포함하는 제1 및 제2 구성요소의 상세를 나타내는 확대도가 함께 도시된다.
도 3c는 도 3b의 제1 및 제2 구성요소에 대한 사시도로서, 모듈 구성요소 기반 적층체 맨드릴을 형성하기 위한 로봇 레이저 용접 시스템에 의해 실행되는 것과 같은 예시 방법을 따라 함께 레이저 용접되고 있다.
도 3d는 도 3a의 제1 및 제2 구성요소에 대한 사시도로서, 도 3c에 레이저 용접으로 인해 형성된 용접 세부사항을 나타내는 확대도가 삽입되어 있다.
도 4a-4e는 하나의 실시예에 따른 제작 방법의 작업 과정을 나타낸다.
도 5는 실시예에 따른 물품을 제작하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 실시예에 따른 레이저 용접 방법에 의해 함께 연결된 윤곽 표면을 가진 제1 및 제2 구성요소를 나타낸다.
참조는 첨부 도면에 도시된 실시예를 자세하게 설명할 것이다. 가능하면, 같은 참조 번호는 동일하거나 같은 부분을 나타내도록 전체 도면에 걸쳐 사용될 것이다.
예시의 넓은 범위를 제시하는 수치 범위와 변수들이 근사치임에도 불구하고, 특정 예시를 나타내는 수치 값은 가능한 정확하게 기재된다. 그러나 임의의 수치 값은 각각의 실험 측정에서 발견된 표준 편차로부터 필수적으로 발생되는어떤 오차를 기본적으로 포함한다. 게다가, 이곳에 기재된 모든 범위는 그 안에 포함되는 모든 하위 범위를 포괄하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "10이하"의 범위는 0의 최소 범위와 10의 최대 범위 사이(이를 포함하는) 모든 하위 범위를 포함할 수 있으며, 즉, 모든 하위 범위는 0과 같거나 큰 최소 값과 10과 같거나 작은 최대 범위, 예컨대, 1에서 5와 같은 범위를 포함할 수 있다. 어떤 경우에서, 변수에 명시된 수치 값은 음의 값을 취할 수 있다. 이런 경우, "10이하"와 같은 명시된 범위의 예시 값은 -1. -2, -3, -10, -20, -30 등과 같은 음의 값을 취할 수 있다.
다음의 실시예들은 도면을 참고하여 오직 예적인 목적으로 설명된다. 당업자는 다음의 설명이 자연히 예시적인 것임을 알 것이며, 이곳에 제시된 변수에 대한 다양한 수정이 본 실시예의 범위로부터 벗어나지 않을 것이라는 것을 알 수 있다. 명세서 및 실시예는 오직 예시로서만 고려되어야 한다. 일부 예시가 새로운 예시를 형성하는 하나 이상의 다른 예시와 조합될 수 있는 것처럼, 다양한 예시들은 상호 배타적일 필요는 없다. 도면에 도시된 구조는 단순화를 위해 도시되지 않은 추가 특징들을 포함할 수 있으며, 반면 도시된 구조는 제거되거나 수정될 수 있음을 알아야 한다.
레이저 용접 가능한 구성요소는 에지부(edge portion)와 상기 에지부에서 돌출된 희생 에지탭(edge-tab)을 포함할 수 있다. 희생 에지탭은 레이저 용접 중 용접 가능한 구성요소를 다른 구성요소에 연결하기 위한 방법으로 소모될 수 있다. 희생 에지탭은 레이저 에너지에 노출되면 녹는 재료로 이루어질 수 있다. 녹은 에지탭 재료는 구성요소가 함께 연결되는 사이의 틈에 용융 풀(melt-pool)을 형성할 수 있다. 용융 풀은 실질적으로 구성요소를 연결하는 용접부를 형성하도록 고화된다. 상기 방법은 연결 제작 공차를 느슨하게 하며, 사전 용접 작업을 줄여주고 날개 부분 적층체 맨드릴의 크고 복잡한 형상을 포함하는 복잡한 형상의 레이저 용접을 가능하게 한다. 예를 들어, 대형 단일 부품으로서 전통적으로 가공되고 운반된 적층체 맨드릴(layup mandrels)은 모듈 구성요소와 함께 레이저 용접함으로써 대신 제작될 수 있으며, 상기 모듈 구성요소는 용접부를 형성하도록 레이저에 의해 용융된 희생 에지탭을 구비한다.
이러한 본 발명의 목적을 위해, "희생(sacrificial)"이라는 용어는 제작 작업 중, 부분적으로 또는 전체적으로 소모될 수 있는 재료를 나타낸다. 예를 들어, 이곳에 사용된 것과 같이, "희생 에지탭"이라는 용어는 용접부를 형성하는데 사용될 수 있는 재료의 크기로 이루어진, 적어도 하나의 구성요소로부터 연장된 돌출부를 나타낼 수 있다. "희생 에지탭"은 예컨대 두 개 이상의 구성요소 사이의 틈을 적어도 부분적으로 채우기 충분한 레이저 에너지에 노출됨으로써 용융될 수 있으며, 두 개 이상의 구성요소를 연결하기 위해 용접부를 형성하기 위해 다시 고화될 수 있다.
더욱 특히 도면을 참조하여, 본 발명의 예시는 도 1a에 도시된 것과 같은 항공기 제작과 서비스 방법(100)과 도 1b에 도시된 것과 같은 항공기(102)의 맥락으로 설명될 수 있다. 사전 제작 중, 도시된 방법(100)은 항공기(102)의 사양 및 설계(104)와 자제 조달(106)을 포함할 수 있다. 제작 중, 구성요소 및 서브어셈블리 제조(108)와 시스템 통합(110)이 나타날 수 있다. 이후, 항공기(102)는 인증과 인도 단계(112)를 거쳐, 서비스 중(114)으로 이어질 수 있다. 고객에 의한 서비스 중, 항공기(102)는 (수정, 재구성, 재정비 등을 포함할 수 있는)규칙적인 유지관리 및 서비스 단계(116)가 예정될 수 있다.
도시된 방법(100)의 각각의 과정은 시스템 인테그레이터(system integrator), 제3자, 및/또는 운영자(예, 고객)에 의해 수행될 수 있다. 이러한 설명의 목적에 대해, 시스템 인테그레이터에는 많은 항공기 제조사와 주요 시스템 하청업체가, 이에 국한되지 않고, 포함될 수 있으며; 제3자에는 많은 판매업체와 하청업체 및 공급자가, 이에 국한되지 않고, 포함될 수 있고;그리고 운영자에는 항공사, 임대차 회사, 군사 기업, 서비스 기관 등이 포함될 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 도시된 방법(100)에 의해 생산된 항공기(102)는 다수의 높은 수준의 시스템(120)과 내부(122)로 구성된 기체(118)를 포함할 수 있다. 높은 수준의 시스템(120)은 하나 이상의 추진 시스템(124), 전기 시스템(126), 유압 시스템(128), 및 환경 시스템(130)을 포함할 수 있다. 많은 다른 시스템이 포함될 수도 있다. 비록 항공 산업의 예시로 도시되었지만, 다른 실시예는 자동차 산업 및 선박 산업 같은 다른 산업에 적용될 수 있다.
도 2는 항공기(200)의 측면도이며 하기에 자세하게 설명된 것처럼, 레이저 용접된 맨드릴로 제작된 하나 이상의 복합재 부품을 구비한다. 당업자라면 상기 레이저 용접된 맨드릴이 항공기(200)의 동체, 날개, 날개부, 본체, 및 벽을 포함한 다양한 위치에서 포함될 수 있는 매우 다양한 복합재 부품을 제작하는 데 채용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 대안 실시예에서, 레이저 용접된 맨드릴은 자동차, 항공기, 해양 선박 또는 우주선, 또는 다른 적절한 용도와 같은 다른 타입의 구조물, 차량, 및 플랫폼(platform)을 위한 복합재 부품을 성형하는 방법에 사용될 수 있다.
이러한 예시에서, 항공기(200)는 날개 조립체(204), 꼬리날개 조립체(206), 및 착륙 조립체(208)를 포함하는 동체(202)를 포함한다. 항공기(200)는 하나 이상의 추진체(210), 제어 시스템(212)(미도시), 및 항공기(200)의 적절한 작동을 가능하게 하는 다른 시스템 및 서브시스템(subsystem)의 호스트(host)를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 예시 방법에 따라 제작된 레이저 용접된 적층체 맨드릴 상에 제작된 복합재 물품은 날개 조립체(204), 꼬리날개 조립체(206), 및 항공기(200)의 다른 적합한 부분과 같은 항공기(200)의 어떤 적절한 부분을 제작하는데 채용될 수 있다. 일반적으로, 항공기(200)의 다양한 구성요소와 서브시스템은 공지된 구조일 수 있으며, 간략화를 위해, 이곳에서 자세하게 설명되지 않을 것이다.
도 2에 도시된 항공기(200)는 예컨대, 일리노이주 시카고의 더 보잉 컴파니(The Boeing Company)에서 상업적으로 가용한 737, 747, 757, 767, 777, 및 787 모델을 포함하는 대표적인 상업용 여객기이지만, 본 발명의 레이저 용접된 물품과 레이저 용접 방법은 또한 실제로 어떤 다른 타입의 항공기의 조립체 채용될 수 있다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 기술은 다른 여객기, 전투기, 화물기, 회전익 항공기, 우주선 및 어떤 다른 타입의 유인 또는 무인 항공 차량의 제작 및 조립에 적용될 수 있다.
도 3a에 도시된 것처럼, 물품(300')은 본 발명의 방법에 따라 성형될 수있다. 물품(300')은 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)를 포함하는, 모듈 구성요소의 조립체를 포함할 수 있다. 물품(300')은 예컨대, 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)와 같은 모듈 구성요소를 함께 레이저 용접함으로써 성형될 수 있으며 복합재 항공기 구조가 조립될 수 있는 적층체 맨드릴을 구비할 수 있다. 따라서, 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303) 중 적어도 하나는 함께 연결될 수 있는 조인트(302, joint)를 포함할 수 있다.
이들이 함께 연결되면서 상기 구성요소를 휘게 하지 않기 위해, 레이저 용접은 다른 용접 기술에 비해 큰 면적을 가열하지 않는 집중된 레이저 에너지 빔(beam)을 제공한다. 그러나, 레이저 공급원으로부터 제공된 레이저 에너지가 작은 레이저 스팟(laser spot) 사이즈를 갖기 때문에, 구성요소의 조인트는 통상적으로 제작 시간과 비용을 증가시키는 매우 타이트한 공차를 제공한다. 따라서, 레이저 용접되는 구성요소들 사이의 틈은 통상적으로 가열을 최소화하는 높은 종횡비(즉, 깊이와 폭의 비율이 매우 큰)를 갖는다. 다시 말해서, 종래의 레이저 용접 방법은 통상적으로 구성요소 간에 큰 틈이 있는 곳에는 사용이 불가능하다. 그러나, 도 3b-3d에 도시된 것처럼, 상기 모듈 구성요소를 연결하는 방법이 - 구성요소들 사이에 있는 큰 틈을 가진 경우 - 제공된다. 예를 들어, 방법에서, 틈(307)에 의해 분리된 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)은 물품(300)을 형성하기 위해 함께 연결될 수 있다. 도 3b에 도시된 것처럼, 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303) 중 적어도 하나는, 충분한 레이저 에너지에 노출될 때, 용접부(309)를 형성하기 위해 실질적으로 고화되는 용융 풀을 형성하도록 적어도 부분적으로 용융되는 희생 에지탭(305)을 구비할 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 레이저(321)를 포함하는 로봇 아암(323, robotic arm)을 가진 갠트리 시스템(320, gantry system)은 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)를 함께 용접하는데 활용될 수 있다. 갠트리 시스템(320)은 미리 정해진 용접 위치(330)으로 로봇 아암(323)과 레이저(321)를 이동시키도록 구성될 수 있다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 레이저가 용접 위치(330)에서 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)를 통해 활성화될 때, 레이저(321)는 용융 풀을 형성하기 위해 희생 에지탭(305)의 적어도 일부분을 녹이며, 고화되자마자, 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)를 함께 연결한 용접부(309)를 형성한다. 어떤 특정한 예시에 한정하지 않지만, 여기에서 설명된 것과 같은 희생 에지탭을 가진 구성요소들을 제공하는 것은 언더커팅(undercutting)을 줄이거나 제거한다.
레이저는 우주, 항공, 지상 또는 해양 차량에 사용된 금속 부품을 레이저 용접하기 위해 사용될 수 있는 어떤 적합한 레이저일 수 있다. 예를 들어, 레이저(321)는 15kW 네오디뮴 도프드 이트륨 알루미늄 가넷(neodymium-doped yttrium aluminum garnet)(Nd:Y3Al5O12)(Nd: YAG) 섬유 레이저일 수 있으며, 레이저는 이에 한정되지 않지만, YAG 크리스탈(YAG crystal) 또는 CO2 레이저와 같은 어떤 다른 타입의 레이저일 수 있으며, 다른 동력 등급을 가질 수 있다. 예를 들어, 레이저 에너지의 이송은 제어될 수 있다. 예를 들어, 레이저 에너지 주파수, 스팟 크기, 방향성, 및 동력은 레이저 공급원에 의해 제어될 수 있다. 방향성은 레이저 에너지를 포함하고 스팟 크기를 갖는 레이저 빔(beam)을 왕복 운동시키는(oscillating) 것과 같은 미리 정해진 패턴을 포함할 수 있으며, 상기 왕복운동은 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에서 앞뒤로 레이저 빔을 지향시키는 것을 포함한다. 레이저 공급원은 컴퓨터로부터 지시를 받는 제어장치를 포함할 수 있다. 비록 도 3c의 레이저(321)가 로봇 아암(323)에 부착되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 사실, 레이저는 휴대용 레이저일 수 있으며, 구성요소들을 함께 레이저 용접하기 위해 레이저 에너지를 제공하도록 운영자에 의해 제어될 수 있다.
제1 구성요소(301), 제2 구성요소(303), 및/또는 희생 에지탭(305)은 적층체 맨드릴로서 사용을 위해 어떤 적합한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 구성요소의 재질은, 그러나 하나 이상의 금속 합금에 한정되지 않고, 36% 니켈(또한 "FeNi 36" 또는 상품명 "인바아 36(INVAR 36)"로 나타낸다), 티타늄, 연강(mild steel), 알루미늄 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 레이저 에너지는 제1 구성요소와, 제2 구성요소 그리고 제1 및/또는 제2 구성요소의 희생 에지탭의 적어도 일부분을 녹이기 충분할 수 있다.
도 4a-4e는 적층체 맨드릴과 같은 물품을 성형하기 위한 레이저 용접 제작 방법으로의 작업을 나타낸다. 도 4a에 도시된 것처럼, 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303) 중 적어도 하나가 제공되며 희생 에지탭(305)을 구비할 수 있다. 예컨대, 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303) 둘 모두는 각각 하나의 에지탭(305)을 구비한다. 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)는 깊이와 폭을 가진 틈(307)으로 서로 분리되어 있을 수 있다. 틈의 깊이는 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303) 중 적어도 하나의 두께로 정의된 방향으로 연장된 제1 거리로 정의될 수 있다. 틈의 폭은 제1 및 제2 구성요소(301, 303) 사이의 거리로 정의될 수 있다. 예를 들어, 틈은 약 0.0762cm(0.030inch)에서 약 0.0127cm(0.005inch) 사이의 폭으로 이루어질 수 있다.
도 4b-4d에 도시된 것처럼, 희생 에지탭(305)은 레이저 공급원이 방향(405)을 따라 움직이면서 노출된다. 예를 들어, 레이저 에너지는 미리 선정된 방향(405)을 따라 레이저 에너지를 움직이는 레이저 공급원으로 제공되며, 예컨대, 약 381cm(150inch)/분과 같은, 약 0에서 약 635cm(250inch)/분 사이의 속도로 움직인다. 도 4a로 돌아가서, 희생 에지탭(305)은 실질적으로 제1 구성요소(301) 및/또는 제2 구성요소(303)의 전체 길이로 연장될 수 있다. 그러나, 다른 예시는 이에 한정되지 않으며 희생 에지탭은 제1 및/또는 제2 구성요소의 부분 길이 만큼으로 형성될 수 있다. 게다가, 희생 에지탭(305)은 어떤 특정한 형태 또는 단면에 제한되지 않는다. 예를 들어, 희생 에지탭(305)은 실질적으로 균일한 단면적 또는 비균일한 단면적을 가질 수 있으며, 실질적으로 대칭형 단면 또는 비대칭형 단면을 가질 수 있다. 희생 에지탭(305)은 또한 둥근 형상, 직선 형상 또는 이들의 조합 형상을 포함하는 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 희생 에지탭(305)은 원형 또는 반원 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 희생 에지탭(305)은 다각형 단면 형상을 가질 수 있다. 즉, 희생 에지탭(305)은 삼각형, 정사각형, 직사각형 또는 n-각형 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 희생 에지탭(305)의 표면과 제1 및/또는 제2 구성요소(301, 305)의 표면은 그 사이에 연속 면을 구비할 수 있거나 또는 코너(corner)로 분리될 수 있고, 상기 코너는 각도를 갖는다. 예를 들어, 각도는 약 90도일 수 있으며, 또는 90도보다 다른 각도일 수 있다.
레이저 에너지는 도면에 도시된 것처럼 희생 에지탭(305)의 일부분(305')을 녹이기 충분한 것으로 미리 선정될 수 있다. 예를 들어, 레이저(401)는 희생 에지탭(305)과, 제1 구성요소(301) 및/또는 제2 구성요소(303)을 조사할 수 있다. 제1 구성요소(301), 제2 구성요소(303) 및/또는 희생 에지탭(305)의 일부분을 녹이기 충분한 레이저 에너지의 전달의 결과로, 레이저(401)는 제1 구성요소(301), 제2 구성요소(303) 및/또는 희생 에지탭(305)에서 약 1.27cm(0.5inch)까지의 침투 깊이(407)로, 예컨대 금속 증기(metal steam)로서 배출될 수 있는 증기 모세관(404)의 형태를 유도할 수 있다. 레이저 에너지가 방향(405)을 따라 이동하면서, 적어도 희생 에지탭(305)의 용융된 부분(305')은 용접 용융 풀(403)을 형성한다. 용융 풀(403)은 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이의 틈(307)을 채우며 실질적으로 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)를 함께 연결하여 용접부(309)로서 고화된다.
예를 들어, 제1 구성요소(301)는 희생 에지탭(305)의 첫 번째를 구비하고, 제2 구성요소(303)는 희생 에지탭(305)의 두 번째를 구비하며, 레이저(401)는 틈에 연장되어 있고 제1 희생 에지탭과 제2 희생 에지탭 중 적어도 하나 위 에 걸쳐있는 스팟 사이즈(406, spot size)를 구비한다. 예를 들어, 틈(307)의 폭은 레이저 에너지의 스팟 크기(406)보다 충분히 크기 않다. 그렇지 않으면, 레이저 스팟 크기가 너무 작은 경우, 제1 또는 제2 구성요소와 이들의 희생 에지탭과 같은 것의 표면과 상호 작용을 하지 않고 틈을 통해 침투할 수 있다. 예를 들어, 스팟 크기(406)는 약 0.02032cm(0.008inch)에서 약 0.04572cm(0.018inch)의 범위로 레이저 공급원으로 제공될 수 있다. 예시에서, 레이저 스팟 크기는 희생 에지탭(305)의 적어도 일부분을 녹이기 충분한 에너지를 갖는 한 제한되지 않는다. 추가적으로, 레이저(401)는 레이저 에너지의 방향을 조종하기 위해 조종될 수 있다. 예를 들어, 레이저 에너지는 희생 에지탭의 길이를 따라, 제1 및 제2 구성요소 사이에서 그리고 이들을 가로질러, 예컨대 앞뒤로, 또는 이들의 조합된 움직임으로, 움직일 수 있다. 한편, 제1 및 제2 구성요소의 크기가 반드시 제한되지는 않더라도, 희생 에지캡(305)은 용접부를 형성하기 위해 제1 및 제2 구성요소 사이의 틈을 적어도 부분적으로 채우는 용융 풀을 형성하는 재료의 크기로 이루어질 수 있다. 용적은 희생 에지탭의 재료가 용융되고, 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에서, 예컨대, 레이저 용접을 통해, 용융 풀을 형성할 때, 언더컷(undercut)을 최소화하거나 제거하기 충분히 큰 크기이며, 또한 초과 용접 재료를 갈아 없애기 위한 필요성을 최소화하거나 제거하기 충분히 작은 크기일 수 있다.
요컨대, 용융 풀은 희생 에지탭(305)의 용융된 부분(305')에서 나온 재료로 이루어질 수 있다. 용융 풀(403)은 냉각되면서, 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)를 함께 연결한 용접부(309)를 형성하도록 고화된다. 선택적으로, 도 4e에 도시된 것처럼, 용접부를 형성하지 않을 수 있는 용융된 부분(305')을 포함하는, 희생 에지탭(305)의 남은 부분은 레이저 용접된 적층체 맨드릴일 수 있는 레이저 용접된 물품(400)을 남겨두고, 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)의 표면으로부터 제거될 수 있다.
도 5의 흐름도에 대해서, 적층체 맨드릴을 추가로 참고하여, 전술한 것과 같이, 도 3b-3d의 구성요소 및 방법들과 도 4a-4e에 도시된 작업들을 참고하여, 방법(500)은 함께 레이저 용접되는 제1 구성요소와 제2 구성요소를 포함하는 구조적인 구성요소와 같은 물품(300)을 형성하기 위해 활용될 수 있다. 일반적으로, 작업(510)에서, 하나 이상의 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)는 틈(307)으로 분리된 상태로 서로 가까이 배치될 수 있다. 제1 구성요소와 제2 구성요소 중 적어도 하나는 희생 에지탭(305)를 구비할 수 있다. 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이의 틈(307)의 장점은 거기에 형성된 용접부가 예컨대, 타이트한 공차를 가진 구성요소 면들과 면들 사이의 조인트 핏(joint fit)에 따르는 틈을 필요로 하지 않는 다른 용접 방법에 비해 줄어든 공극을 보이는 것이다. 따라서, 용접부의 밀도는 제1 및 제2 구성요소 또는 이들 모두의 밀도와 다를 수 있다.
작업(520)에서, 제1 및 제2 구성요소(301, 303) 각각은 희생 에지탭이 레이저 에너지에 노출되도록 레이징 시스템(lasing system) 근처에 배치된다. 예시의 방식으로, 일부 예시에서, 도 3c에 도시된 것과 같은 레이저(321)를 제어하는 로봇 아암(323)을 구비한 겐트리 시스템(320)으로 채용될 수 있는 레이징 시스템은 구조적인 구성요소의 조립을 수용하기 충분히 크다. 레이징 시스템은 희생 에지텝의 적어도 일부분을 녹이기 위한 레이저 에너지를 운반하도록 구성되지만, 또한 제1 및 제2 구성요소의 다른 부분을 녹일 수 있다.
작업(530)에서 용융 풀(403)은 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303) 사이의 틈(307)에 형성된다. 전술한 바와 같이, 용융 풀(403)을 형성하는 재료는 희생 에지탭의 용융된 부분(305')의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 작업(540)에서, 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303)는 제1 구성요소와 제2 구성요소를 함께 연결하는 용접부(309)를 형성하기 위해 용융 풀을 고화시키는 것으로 인해 레이저 용접 시스템에 함께 레이저 용접된다.
하나의 예시에서, 이곳에 명시된 방법의 실시는 물품(600)의 윤곽 표면의 레이저 용접을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 것처럼, 물품(600)의 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303) 중 적어도 하나는 윤곽 표면(601)을 구비할 수 있다. 그러므로, 희생 에지탭은 윤곽 표면을 적어도 부분적으로 가로질러 연장될 수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 것처럼, 다른 예시에서 명시된 것과 같은 레이저 에너지는 윤곽 표면(601)을 적어도 부분적으로 가로질러 연장된 희생 에지탭의 용융부(305')를 형성하도록 제공될 수 있다. 희생 에지탭 재료의 용융부(305')의 일부는 제1 구성요소(301)와 제2 구성요소(303) 사이의 틈에 용융 풀을 형성하며, 다른 예시에 명시된 것처럼, 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에 용접부(309)를 형성하도록 실질적으로 고화될 수 있다.
예시는 하나 이상의 구현에 관련하여 도시되어 있지만, 변경 및/또는 수정은 첨부된 청구 범위에서 벗어나지 않는 도시된 예시로 수행될 수 있다. 게다가, 예시의 특정 기능은 오직 몇몇 구현 중 하나에 관련하여 공지되어 있지만, 어떤 주어진 또는 특정 기능을 위해 필요하고 바람직할 수 있는 바와 같이, 상기 기능은 다른 구현의 하나 이상의 다른 기능들과 조합될 수 있다.
단락 1.
깊이와 폭을 가진 틈에 의해 서로 분리된 제1 구성요소와 제2 구성요소를 제공하는 단계로서, 상기 제1 구성요소와 제2 구성요소 중 적어도 하나는 희생 에지탭(sacrificial edge-tab)을 구비하고;
상기 희생 에지탭의 적어도 일부분을 녹이기 충분한 레이저 에너지(laser energy)에 희생 에지탭을 노출시키는 단계;
상기 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이의 틈에 상기 희생 에지탭의 용융된 부분에서 나온 재료로 이루어진 용융 풀(melt-pool)을 형성하는 단계; 및
상기 제1 구성요소와 제2 구성요소를 함께 연결하는 용접부를 형성하도록 상기 용융 풀을 고화시키는 단계;로 이루어지는, 레이저 용접 제작 방법.
단락 2.
단락 1에 있어서, 상기 레이저 에너지의 스팟 사이즈는 폭보다 큰, 방법.
단락 3.
단락 2에 있어서, 상기 레이저 에너지의 스팟 사이즈는 약 0.02032cm(0.008inch)에서 0.04572cm(0.018inch) 범위에 있는, 방법.
단락 4.
단락 2에 있어서, 상기 폭은 약 0.0762cm(0.030inch)와 0.0127cm(0.005inch) 사이에 있는, 방법.
단락 5.
단락 1에 있어서, 상기 에지탭은 실질적으로 제1 구성요소 또는 제2 구성요소의 전체길이로 연장되는, 방법.
단락 6.
단락 1에 있어서, 상기 제1 구성요소는 제1 희생 에지탭을 구비하고, 제2 구성요소는 제2 희생 에지탭을 구비하며, 상기 레이저 에너지는 상기 틈의 폭보다 크거나, 제1 희생 에지탭과 제2 희생 에지탭 중의 적어도 하나의 폭보다 크거나, 또는 둘 모두보다 큰 스팟 사이즈를 구비하는, 방법.
단락 7.
단락 1에 있어서, 상기 제1 구성요소와 제2 구성요소 중 적어도 하나는 윤곽 표면을 구비하되, 희생 에지탭은 상기 윤곽 표면을 적어도 부분적으로 가로질러 연장되는, 방법.
단락 8.
단락 7에 있어서, 상기 레이저 에너지는 윤곽 표면을 적어도 부분적으로 가로 질러 연장된 희생 에지탭의 일부분을 조사하는, 방법.
단락 9.
단락 1에 있어서, 상기 레이저 공급원은 635cm(250inch)/분의 속도로 제1 구성요소, 제2 구성요소, 희생 에지탭 또는 이들의 조합의 표면 위에 레이저 에너지를 지향하는, 방법.
단락 10.
단락 1에 있어서, 상기 용접부의 밀도는 제1 구성요소, 제2 구성요소 또는 제1 및 제2 구성요소 모두의 밀도와 다른, 방법.
단락 11.
단락 1에 있어서, 상기 제1 구성요소, 제2 구성요소, 또는 제1 및 제2 구성요소 모두는 FeNi36으로 이루어지는, 방법.
단락 12.
단락 1에 있어서, 상기 희생 에지탭의 길이를 따라 레이저 에너지를 제공하도록 레이저 에너지의 방향을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
단락 13.
단락 1에 있어서, 상기 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에서 앞뒤로 레이저 에너지를 제공하도록 레이저 에너지의 방향을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
단락 14.
단락 1에 있어서, 상기 희생 에지탭은 틈의 용적보다 작은 재료의 용적을 구비하는, 방법.
단락 15.
단락 1에 있어서, 상기 희생 에지탭은 틈의 용적보다 큰 재료의 용적을 구비하는, 방법.
단락 16.
단락 1에 있어서, 상기 레이저 에너지에 노출시 용융되지 않은 희생 에지탭 재료의 남은 용적을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
단락 17.
단락 16에 있어서, 상기 제거 단계는 희생 에지탭 재료의 남은 용적을 갈아내는 단계를 포함하는, 방법.
단락 18.
단락 1의 방법에 따라 형성된 모듈 구성요소 기반 적층체 맨드릴.
단락 19.
제1 희생 에지탭을 구비한 제1 구성요소와 제2 희생 에지탭을 구비한 제2 구성요소를 제공하는 단계로서, 상기 제1 구성요소와 제2 구성요소는 틈에 의해 서로 분리되어 있는 단계;
상기 제1 희생 에지탭과 제2 희생 에지탭을 레이저 에너지에 노출시키는 단계로서, 상기 레이저 에너지는 제1 희생 에지탭의 적어도 일부분과 제2 희생 에지탭의 적어도 일부분을 녹이기 충분한 단계;
상기 레이저 에너지에 의해 용융된 제1 희생 에지탭에서 나온 제1 재료의 용적과 레이저 에너지에 의해 용융된 제2 희생 에지탭에서 나온 제2 재료의 용적을 통해 상기 틈의 적어도 일부분을 채우는 단계; 및
상기 제1 구성요소와 제2 구성요소를 함께 연결하는 용접부를 형성하기 위해 틈의 제1 및 제2 재료의 용적을 고화시키는 단계;로 이루어진 레이저 용접 제작 방법.
단락 20.
단락 19에 있어서, 상기 틈은 약 0.0762cm(0.03inch)와 약 0.0127cm(0.005inch) 사이의 폭으로 이루어지는, 방법.
또한, "포함하는", "포함한다", "갖는", "가진다", "함께", 또는 이들의 변형된 용어들이 상세한 설명과 청구항 중 하나에 사용되는 것에 이르기까지, 상기 용어들은 "구비하는"이라는 용어와 유사한 방식으로 의도되는 것이다. 이곳에 사용된 것처럼, "하나 이상의"이란 문구는, 예컨대, A, B 및 C는 다음 중 어떤 것을 의미한다: A, B, 또는 C 각각의 단일; 또는 A와 B, B와 C, A와 C와 같은 이 둘의 조합; A, B 및 C, 셋 모두의 조합.
다른 예시들은 이곳에 공지된 설명들의 실행을 고려하면 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 및 실시예는 다음의 청구 범위에 의해 나타낸 실시예의 실제 범위 및 원리에 따라, 오직 예시로서 고려되어야 한다.

Claims (15)

  1. 깊이와 폭을 가진 틈에 의해 서로 분리된 제1 구성요소와 제2 구성요소를 제공하는 단계로서, 상기 제1 구성요소와 제2 구성요소 중 적어도 하나는 희생 에지탭(sacrificial edge-tab)을 구비하는, 단계;
    상기 제1 구성요소, 상기 제2 구성요소 및 상기 희생 에지탭 중 적어도 하나의 적어도 일부분을 상기 제1 구성요소, 상기 제2 구성요소 및 상기 희생 에지탭 중 적어도 하나에서 1.27cm(0.5inch)까지의 침투 깊이로 녹이기 충분한 레이저 에너지(laser energy)에 상기 제1 구성요소, 상기 제2 구성요소 및 상기 희생 에지탭 중 적어도 하나를 노출시키는 단계;
    상기 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이의 틈에 상기 희생 에지탭의 용융된 부분에서 나온 재료로 이루어진 용융 풀(melt-pool)을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 구성요소와 제2 구성요소를 함께 연결하는 용접부를 형성하도록 상기 용융 풀을 고화시키는 단계;로 이루어지고,
    상기 제1 구성요소 및 상기 제2 구성요소는 강, 티타늄, 연강(mild steel), 알루미늄 및 이들의 합금 중 적어도 하나이고,
    상기 틈의 폭은 0.0127cm(0.005inch)와 0.0762cm(0.030inch) 사이에 있고,
    상기 용접부의 밀도는 상기 제1 구성요소, 상기 제2 구성요소 또는 제1 및 제2 구성요소 모두의 밀도와 다른, 레이저 용접 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 에너지의 스팟 사이즈(spot size)는 상기 폭보다 큰, 레이저 용접 제작 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 에너지의 스팟 사이즈는 0.02032cm(0.008inch)에서 0.04572cm(0.018inch) 범위에 있는, 레이저 용접 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 희생 에지탭은 제1 구성요소 또는 제2 구성요소의 전체길이로 연장되는, 레이저 용접 제작 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 구성요소는 제1 희생 에지탭을 구비하고, 상기 제2 구성요소는 제2 희생 에지탭을 구비하며, 상기 레이저 에너지는 상기 틈의 폭보다 크거나, 제1 희생 에지탭과 제2 희생 에지탭 중의 적어도 하나의 폭보다 크거나, 또는 둘 모두보다 큰 스팟 사이즈를 구비하는, 레이저 용접 제작 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 구성요소와 제2 구성요소 중 적어도 하나는 윤곽 표면을 구비하되, 희생 에지탭은 상기 윤곽 표면을 적어도 부분적으로 가로질러 연장되며,
    상기 레이저 에너지는 상기 윤곽 표면을 적어도 부분적으로 가로질러 연장되는 희생 에지탭의 일부분을 조사하는, 레이저 용접 제작 방법.
  7. 제1항에 있어서, 레이저 공급원이 635cm(250inch)/분의 속도로, 제1 구성요소, 제2 구성요소, 희생 에지탭 또는 이들의 조합의 표면 위에 레이저 에너지를 지향하는, 레이저 용접 제작 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 구성요소, 제2 구성요소, 또는 제1 및 제2 구성요소 모두는 FeNi36을 포함하여 이루어지는, 레이저 용접 제작 방법.
  10. 제1항에 있어서, (a) 상기 희생 에지탭의 길이를 따라, 그리고 (b) 상기 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에서 앞뒤로, 중 적어도 하나로, 레이저 에너지를 제공하도록 레이저 에너지의 방향을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 레이저 용접 제작 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 희생 에지탭은 (a) 상기 틈의 용적보다 작은, (b) 상기 틈의 용적보다 큰, 중 적어도 하나의, 재료의 용적으로 이루어진, 레이저 용접 제작 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 레이저 에너지에 노출시 용융되지 않은 희생 에지탭 재료의 남은 용적을 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 레이저 용접 제작 방법.
  13. 제1항의 방법에 따라 형성된 모듈 구성요소 기반 적층 맨드릴(modular component-based layup mandrel).
  14. 제1 희생 에지탭을 구비한 제1 구성요소와 제2 희생 에지탭을 구비한 제2 구성요소를 제공하는 단계로서, 상기 제1 구성요소와 제2 구성요소는 틈에 의해 서로 분리되어 있는, 단계;
    상기 제1 희생 에지탭과 제2 희생 에지탭을 레이저 에너지에 노출시키는 단계로서, 상기 레이저 에너지는 제1 희생 에지탭의 적어도 일부분과 제2 희생 에지탭의 적어도 일부분을 녹이기 충분한, 단계;
    상기 레이저 에너지에 의해 용융된 제1 희생 에지탭에서 나온 제1 재료의 용적과 레이저 에너지에 의해 용융된 제2 희생 에지탭에서 나온 제2 재료의 용적을 통해 상기 틈의 적어도 일부분을 채우는, 단계; 및
    상기 제1 구성요소와 제2 구성요소를 함께 연결하는 용접부를 형성하기 위해 상기 틈의 제1 재료의 용적 및 제2 재료의 용적을 고화시키는, 단계;로 이루어지고,
    상기 제1 희생 에지탭 및 제2 희생 에지탭은 상기 틈의 용적보다 작은 재료의 용적을 갖고,
    상기 제1 구성요소 및 상기 제2 구성요소는 강, 티타늄, 연강(mild steel), 알루미늄 및 이들의 합금 중 적어도 하나이고,
    상기 틈의 폭은 0.0127cm(0.005inch)와 0.0762cm(0.030inch) 사이에 있는, 레이저 용접 제작 방법.
  15. 삭제
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