KR20080017057A

KR20080017057A - 레이저 용접 시스템과 방법

Info

Publication number: KR20080017057A
Application number: KR1020077030407A
Authority: KR
Inventors: 베르너 데. 페. 카우벤벅; 잔더 도레슈타인; 요하네스 하. 엠. 루스말런
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2008-02-25
Also published as: CN101291774A; EP1910014A1; JP2008544859A; WO2007000717A1

Abstract

레이저 용접 시스템과 방법로서, 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템이며, 레이저 빔의 소스, 회전 가능한 레이저 빔을 광축(30) 주위로 회전하는 레이저 스팟 쌍으로 변환시키는 회절 격자(26), 그리고 타겟에 레이저 스팟 쌍의 초점을 모으는 렌즈(28)를 포함한다.

Description

레이저 용접 시스템과 방법 {LASER WELDING SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 일반적으로 용접 시스템, 보다 특정적으로 레이저 용접 시스템과 방법에 관련한다.

현대 제조 공정은 자주 상이한 물질들, 예를 들면 니켈을 황동에, 스테인레스 스틸을 구리에, 스테인레스 스틸을 황동에, 또는 금속을 서멧에 접합하는 것을 요구한다. 상이한 물질을 퓨전 용접(fusion weld)하는 시도는 용접면에 형성되는 금속 간 페이즈 때문에 제한적인 성공을 얻어 왔다. 두 물질의 상이한 물리적 속성은 용접 풀(pool) 형태, 응고 마이크로 구조, 그리고 분리 패턴에 있어 복잡한 문제점들을 야기한다. 종래 기술의 레이저 용접 테크닉은 낮은 세기와 커다란 크랙을 갖는 견고하나 깨지기 쉬운 마이크로 구조의 결과를 가져온다. 이러한 용접은 확실하지 못하며 용접 공정도 안정하지 못하다.

회전하는 레이저 빔을 사용하는 종래의 레이저 용접 장치들은 복잡한 광학 기술 및 메커니즘을 적용해 왔다. 전형적으로, 레이저 빔은 스핀하는(spining) 광학 엘리먼트들을 통해 지나가며, 이들 엘리먼트들은 레이저 빔이 광축으로부터 벗어나게 해서 용접 타겟상에 원형의 경로를 만들어 낸다. 레이저 빔을 벗어나게 하 는데 사용된 렌즈, 거울, 그리고 프리즘은 방사상으로 대칭이 아니거나, 광축에 비대칭으로 장착되어, 회전 속도를 제한한다. 이는 용접 타겟에서 레이저 빔의 속도와 안정성을 제한한다. 느린 속도는 레이저 빔과 용접 타겟의 상호작용 시간을 증가시키며 스패터링(spattering)과 거친 용접을 피하기 위해 빔 파워의 감소를 요구한다. 증가된 상호작용 시간은 상이한 금속의 용접에 대한 바람직하지 못한 야금성능을 가져온다. 감소된 광학적 안정성은 용접의 정확도를 감소시킨다.

위의 단점들을 극복하기 위한 레이저 용접 시스템과 방법을 가지는 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 한 측면은 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템으로서, 레이저 빔의 소스, 레이저 빔을 광축 주위로 회전하는 레이저 스팟 쌍으로 변환시키는 회전 가능한 회절 격자, 그리고 타겟에 레이저 스팟 쌍을 집속시키는 렌즈를 포함하는, 시스템을 제공한다.

본 발명의 또 하나의 측면은, 평면의 회전 가능한 회절 격자를 제공하는 것, 회전 가능한 회절 격자의 평면에 대해 수직인 광축 주위로 회전 가능한 회절 격자를 회전시키는 것, 스플릿 빔을 만들어내기 위해서 레이저 빔을 광축을 따라서 회전 가능한 회절 격자 상으로 인도하는 것, 스플릿 빔을 타겟상으로 집속시키는 것을 포함하는 타겟의 용접을 위한 방법을 제공한다.

본 발명의 또 하나의 측면은, 평면의 회전 가능한 회절 격자, 회전 가능한 회절 격자의 평면에 대해 수직인 광축 주위로 회전 가능한 회절 격자를 회전시키기 위한 수단, 스플릿 빔을 만들어내기 위해서 레이저 빔을 광축을 따라서 회전 가능한 회절 격자 상으로 인도하기 위한 수단, 스플릿 빔을 타겟상으로 집중시키기 위한 수단을 포함하는 타겟의 용접을 위한 시스템을 제공한다.

본 발명의 위의 그리고 다른 특성 및 장점들은 현재 바람직한 실시 모드의 다음의 상세한 설명으로부터, 첨부된 도면과 함께 읽음으로써 자명하게 될 것이다. 상세한 설명 그리고 도면은 제한성을 가지기보다는 단순히 본 발명의 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구사항들과 이와 동등한 것에 의해서 한정될 것이다.

도 1 내지 도 2는 각각 본 발명에 따라 만들어진 용접 시스템의 단면도와 용접 경로를 개략적으로 도시한 도면.

도 3 내지 도 4는 본 발명에 따라 만들어진 용접 시스템의 용접 경로를 개략적으로 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따라 만들어진 또 다른 용접 시스템의 용접 경로 개략도.

도 6은 본 발명에 따른 용접을 위한 방법의 흐름도.

도 1 내지 도 2는 각각 본 발명에 따라 만들어진 용접 시스템의 단면도와 용 접 경로 개략적으로 도시한 도면이다. 상기 용접 시스템은 레이저 빔이 회전 가능한 회절 격자를 통해 벗어나게 해서 타겟상에 회전하는 레이저 스팟 쌍을 만들어 낸다.

도 1 및 도 2에 참조하여, 용접 시스템(20)은 레이저 빔(24)의 소스(22), 회전 가능한 회절 격자(26), 그리고 렌즈(28)를 포함한다. 용접 시스템(20)의 광학 장치는 광축(30)을 따라서 정렬되어있다. 회전 가능한 회절 격자(26)는 레이저 빔(24)를 광축(30) 주위로 회전하는 레이저 스팟 쌍(32)으로 변환시킨다. 고정된 렌즈(28)는 스테이지(38)위로 옮겨진 소재(36)에 타겟(34)을 용접하기 위해서 레이저 스팟 쌍(32)을 타겟(34)위에 집속시킨다. 도 2는 타겟(34)상에 용접면(50)을 형성하고 있는, 즉, 용접면(50)이 아직 완전한 원을 형성하지 못한, 레이저 스팟(32)과 함께 용접 공정을 도시한다. 당업자는, 용접 시스템(20)이 또한 원하는 경우 완전한 원 보다 덜한 용접면을 만드는 데 사용될 수도 있다는 것을 인정할 것이다. 회전 가능한 회절 격자(26)는 회전 가능한 하우징(40)에 고정되어 있으며, 상기 하우징(40)은 고속 베어링(44)을 이용하여 고정된 하우징(42) 안에 지탱된다. 속도가 제어되는 AC 서보모터(servomotor)가 벨트(48)를 이용하여 회전 가능한 하우징(40)을 구동한다. 회전 가능한 회전 격자(26)에 있는 화살표는 회전 가능한 회전 격자(26)의 회전을 도시한다. 한 실시 모드에서, 광축(30)은 중력 방향을 따라서 존재하여, 회전 가능한 하우징(40)이 고정된 하우징(42)에 매달리게 된다.

레이저 빔(24)의 소스(22)는 레이저(21) 또는 레이저의 직접적 출력으로부터 레이저 빔(24)을 투과하는 광섬유 컨덕터가 될 수 있다. 레이저(21)는 용접에 적 합한 임의의 펄스화된 또는 연속적인 레이저 소스가 될 수 있다. 한 예시에서, 레이저(21)는 1064nm의 파장과 약 600에서 6000 와트까지의 펄스 전력을 갖는 레이저 빔을 만들어내는 네오디늄-도핑된 이트륨 알루미늄 가닛(Nd:YAG) 레이저 빔이다. 다른 실시 모드에서, 레이저는 독일 슈람베르그(Shramberg, Germany)의 트럼프 레이저 게엠베하(Trumpf Laser GmbH)에서 구할 수 있는 HL204p이다. 레이저 빔(24)은 회전 가능한 하우징(40)에 진입시 발산되어, 스프레딩 빔(60)이 된다. 당업자는 용접, 커팅, 드릴링, 및/또는 제거(ablating)와 같은 특정 애플리케이션에 적합한 여러 타입의 레이저들과 다수의 파장을 원하는 바에 따라서 사용할 수 있다는 사실을 인식할 것이다.

회전 가능한 회절격자(26)는 ,바이너리 페이즈 회절 격자와 같은, 레이저 빔(24)을 적어도 한 쌍의 레이저 스팟(32)으로 분할하는데 적합한 임의의 회절 격자일 수 있다. 회전 가능한 회전 격자(26)는 스프레딩 빔(60)으로부터 스플릿 빔(62)을 만들어 내며, 회전 가능한 하우징(40)안에 고정되어 있고, 이 하우징은 광축(30) 주위로 회전한다. 회전 가능한 회절 격자(26)은 평면형이며 방사상으로 대칭이다. 회전 가능한 회전 격자(26)의 평면은 광축(30)에 수직이어서, 회전 가능한 회전 격자(26)가 광축(30) 주위를 고속으로 회전할 수 있게 한다. 회전 가능한 회전 격자(26)는 사용되는 특정 레이저에 요구에 따라 유리 위에 코팅된 포토레지스트 일 수 있거나 또는 융합 실리카에 에칭될 수도 있다. 당업자는 회전 가능한 회전 격자(26)가 한 쌍 이상의 레이저 스팟(32)을 만들어 내도록 선택될 수 있고 구별된 회전 가능한 회전 격자(26)의 스택이 사용될 수 있다는 것을 인식할 것 이다. 예를 들어, 레이저 빔을 두 개의 동일한 이미지로 스플리팅하는 하나의 회전 가능한 회전 격자는 동일한 타입의 또 다른 회전 가능한 회전 격자에 직각을 이루는 격자 패턴을 가지도록 위치되어서, 4개의 스플릿 빔과 두 쌍의 레이저 스팟을 만들어 낼 수 있다.

렌즈(28)는 타겟(34)상에 집속된 빔(66)을 제공하기 위해 회전 가능한 회절 격자(26)로부터의 스플릿 빔을 시준(collimating)하고 집속하켜, 레이저 스팟(32)을 만들어 내는 임의의 단일 또는 그룹의 렌즈들일 수 있다. 렌즈(28)는 광축(30)에 상대적으로 고정되어 있다. 한 실시 모드에서, 렌즈(28)는 독일 슈람베르그(Shramberg, Germany)의 트럼프 레이저 게엠베하(Trumpf Laser GmbH)에서 구할 수 있는 BEO 30 집속 광학 장치에서 볼 수 있는 것과 같은 시준 렌즈(52) 그리고 집속 렌즈(54)를 포함한다. 시준 렌즈(52)는 스플릿 빔(62)으로부터 시준 빔(64)를 만들어 내고 집속 렌즈(54)는 시준 빔(64)으로부터 집속된 빔(66)을 만들어 낸다.

도시된 예시에서, 회전 가능한 회전 격자(26)는 레이저 스팟(32)의 직경과 타겟(34)상의 용접 경로(51)의 직경을 정하기 위해서 스프레딩 빔(60)안에서 축상으로 이동될 수 있다. 회전 가능한 회전 격자(26)를 스프레딩 빔(60)안에 위치시키는 것은 타겟(34)상의 용접 경로(51)의 직경을 조정하는, 즉, 회전 가능한 회전 격자(26)의 격자 상수와 위치에 따라서 레이저 스팟(32) 사이의 피치를 조정하는, 유연성을 제공한다. 또 다른 실시 모드에서, 회전 가능한 회전 격자(26)는 시준 빔(64)안에서 시준 렌즈(52) 그리고 집속 렌즈(54) 사이에 위치 할 수 있다. 회 전 가능한 회전 격자(26)를 시준 빔(64)안에 위치시키는 것은 타겟(34)상의 용접 경로(51)의 직경을 고정하며, 즉, 회전 가능한 회전 격자(26)의 격자 상수에 따라서 레이저 스팟(32) 사이의 피치를 고정한다.

타겟(34)과 소재(36)는 용접을 사용해서 접합되는 임의의 두 파트일 수 있다. 한 예시에서, 타겟(34)은 판이며, 소재(36)는 중공의 원통이다. 다른 예시에서, 타겟(34)과 소재(36) 모두는 판이다. 또 다른 예시에서, 타겟(34)은 와이어이며 소재(36)는 판이다. 타겟(34)과 소재(36)는 니켈과 황동, 스테인레스 스틸과 구리, 스테인레스 스틸과 황동, 또는 금속과 서멧과 같은 상이한 물질일 수 있다. 타겟(34)은 금속일 수 있으며 소재(36)는 금속화 플라스틱, 세라믹, 및/또는 금속화 유리와 같은 깨지기 쉬운 물질일 수 있다. 용접의 한 예시적 사용은 큰 세기의(intensity) 방전(HID) 램프의 세라믹 버너를 밀봉하는 것이다.

타겟(34)과 소재(36)는 용접을 위한 위치에 타겟(34)과 소재(36)를 고정시키기 위해 스테이지(38) 상에 지탱될 수 있다. 전형적으로, 타겟(34)의 평면은 광축(30)에 수직을 이루어서, 타겟(34)의 용접 경로(51)는 원이 된다. 다른 실시 모드에서, 타겟(34)의 평면은 광축(30)에 대해 각을 이루어서 타겟(34)의 용접 경로(51)는 타원이 된다. 이 각은, 예를 들어 약 20 도 보다 적은 타겟(34)의 평면과 광축(30) 사이의 각과 같이, 레이저 스팟(32)이 충분한 파워를 제공하기에 전체 용접 경로(51)에 걸쳐 충분하게 집속될 수 있는 임의의 각이 될 수 있다. 한 실시 모드에서, 스테이지(38)는 용접동안 광축(30)에 대해서 고정되어 있다. 다른 실시 모드에서, 드라이버(39)는 타겟(34)위에 사이클로이드와 같은 복잡한 용접경 로를 만들기 위해서 용접동안 스테이지(38)를 이동시킨다. 당업자는, 드라이버(39)가 선형 또는 2 차원 트랙과 같은 임의의 원하는 트랙으로 광축(30)에 수직으로 타겟(34)을 이동시키도록 프로그램될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

공기, 질소, 아르곤, 및/또는 산소와 같은 고 순도 차폐 개스가 냉각을 제공하고 플라즈마 형성을 돕기 위해 타겟(34)에 이용될 수 있다. 차폐 개스는 타겟(34)과 소재(36)의 특정 물질이 요구하는 대로 선택될 수 있다. 차폐 개스의 흐름은 원하는 바에 따라 크로스 흐름, 아래쪽 흐름, 및/또는 박스 흐름 등이 될 수 있다.

도 2에 참조하여, 레이저 스팟 쌍(32)은 용접 경로(51)상에서 광축(30) 주위로 회전하여, 타겟(34)상에 용접면(50)을 만든다. 레이저 스팟(32)의 직경은 전형적으로 특정 애플리케이션에서 요구하는 바에 따라, 약 0.1에서 0.6mm 까지의 범위안에 있다. 회전 가능한 회절 격자(26)의 고속 회전은 레이저 스팟(32)을 빠르게 타겟(34)을 가로질러 이동시키며, 레이저 스팟(32)과 타겟(34) 사이의 상호작용 시간을 제한한다. 이 명세서에 사용된 바와 같이, 상호작용 시간은 레이저 스팟(32)이 타겟(34)상에서 레이저 스팟(32)의 1 직경을 이동하는 데 요구되는 시간으로 정의된다. 상호작용 시간은 또한 레이저 스팟(32)이 총 용접 경로(51)상의 특정한 한 점에 있는 시간이기도 하다. 10에서 20 ms안에 용접 경로(51)을 횡단하는 것에 대해서, 상호작용 시간은 통상적으로 0.1에서 0.2 ms 이다. 제한된 상호작용 시간은 매우 짧은 시간내에 타겟(34)과 소재(36) 모두에 고 에너지를 전달함으로써 견고한 용접을 만들어낸다. 고 에너지는 타겟(34)을 통하여 소재(36)에 플라즈마 플 럼(plasma plume)과 키홀을 형성한다. 키홀내에서의 레이저 광의 반사는 타겟(34)으로의 에너지 전달을 증가시킨다. 키홀 주변의 용해된 금속은 표면 장력 때문에 이동하는 레이저 스팟(32) 뒤의 지역으로 흘러 들어가 응고되며 용접면(50)을 형성한다. 제한된 상호작용 시간은 용접면 근처의 스패터링을 감소시키며, 매끄러운 용접 표면의 결과를 가져온다.

바람직한 상호작용 시간은 타겟(34)과 소재(36)의 물질에 의존하며, 타겟(34)상의 레이저 스팟(32)의 속도의 함수이다. 이 명세서에 사용된 바와 같이, 상호작용 시간은, 레이저 스팟(32)이 타겟(34)상에서 레이저 스팟(32)의 1 직경을 이동하는 데 요구되는 시간으로 정의된다. 상호작용 시간은 또한 레이저 스팟(32)이 전체 용접 경로(51)상의 특정한 한 점에 있는 시간이기도 하다. 레이저 스팟(32)의 속도는 통상적으로 용접될 타겟(34)과 소재(36)의 구성에 의해서 정해지는 용접 경로(51)의 직경과 변이되는 회전 가능한 회절 격자(26)의 회전 속도에 의해서 정해진다. 회전 가능한 회절 격자(26)의 회전 속도는 통상적으로 약 1500 과 4500 rpm 사이 이며 그리고 10,000rmp 보다 작다. 타겟(34)상의 레이저 스팟(32)의 속도는 통상적으로 약 500mm/sec이며, 약 200에서 800mm/sec까지의 범위 안에 있을 수 있다. 타겟(34)과 레이저 스팟(32)의 바람직한 상호작용 시간은 통상적으로 약 0.2 msec이며, 약 0.1에서 0.5msec까지의 범위 안에 있을 수 있다.

레이저로의 파워는 켜지거나 꺼질 수 있으며 및/또는 특정 용접 결과를 만들어 내기 위해 시간에 따라 변할 수 있다. 레이저는 용접 경로(51)를 따라 두 개의 분리되는 용접면을, 즉 각 레이저 스팟(32)으로부터 각각 하나의 경로씩, 만들어 내기 위해 레이저 스팟(32)의 하나가 용접 경로(51)의 절반을 횡단하는데 요구되는 것보다 적은 시간동안 켜져 있을 수 있다. 레이저는 용접 경로(51)를 따라 원형의 용접면을 만들어 내기 위해 레이저 스팟(32)의 하나가 용접 경로(51)의 절반을 횡단하는데 요구되는 시간동안 켜져 있을 수 있다. 레이저는 용접 경로(51)를 따라 멀티패스(multipass) 용접면을 만들어 내기 위해 레이저 스팟(32)의 하나가 용접 경로(51)의 절반을 횡단하는데 요구되는 것보다 더 많은 시간동안 켜져 있을 수 있다. 레이저로의 파워는 용접 동안 시간에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 파워는 용접 시작시 재빨리 켜지고, 용접 대부분의 시간동안 일정하게 유지되고, 용접 종료시에 선형 테이퍼(taper)와 같이 차츰 줄어들 수 있다. 파워를 감소시키며 끄는 것은 용접 단부에 어떠한 구멍도 남겨지지 않는 것을 보장해 준다.

도 3 내지 도 4는 본 발명에 따라 만들어진 용접 시스템의 용접 경로 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 두 쌍의 레이저 스팟을 가진 고정 타겟에 대한 용접 경로를 도시한다. 도4는 한 쌍의 레이저 스팟을 가진 선형으로 이동하는 타겟에 대한 용접 경로를 도시한다.

비슷한 엘리먼트들이 도 2의 비슷한 참조 번호를 공유하는 도 3에 참조하여, 제 1 레이저 스팟 쌍(32a)과 제 2 레이저 스팟 쌍(32b)은 용접 경로(51)상에서 광축(30) 주위로 회전하여 타겟(34)상에 용접면(50)을 만들어낸다. 도 3은 용접 공정을 도시하는데, 여기서 레이저 스팟(32a, 32b)은 타겟(34)상에 용접면(50)을 형성해냈으며, 용접면(50)은 완전한 원을 형성한다. 당업자는, 용접 시스템(20)이 또한 원하면 완전한 원보다 덜한 용접면을 만들기 위해서 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 두 쌍의 레이저 스팟(32a, 32b)은 두 개의 회전 가능한 회전 격자를 서로 직각으로 적층 함으로써 만들어 질 수 있다. 당업자는 임의의 수의 회전 가능한 회전 격자를 적층하여 원하는 수의 레이저 스팟 쌍을 만들어 낼 수 있다는 것을 인식할 것이다.

비슷한 엘리먼트들이 도 2의 비슷한 참조 번호를 공유하는 도 4에 참조하여, 용접면(50)은 용접 시스템의 광축에 대해 수직인 평면상에 있는 라인을 따라 타겟(34)을 이동시킴에 의해서 선형 트랙(58)을 따르는 복잡한 용접 경로를 따라 만들어진다. 회전 가능한 회절 격자의 회전 속도에 상대적인 타겟(34)의 속도는 루프(56)가 형성될지 (프롤레이트 사이클로이드, prolate cycloids) 또는 용접면이 일련의 두 개의 교차하는 곡선일지(커테이트 사이클로이드, curtate cycloids)를 결정한다. 선형 트랙(58)을 따르는 복잡한 용접 경로는 선형 타겟을 소재에 부착하기 위해서 또는 두 판을 에지를 따라 연결하기 위해서 사용될 수 있다. 한 실시 모드에서, 소재와 타겟(34)을 운반하는 스테이지에 실시 가능하게 연결된 드라이버는 타겟(34)의 선형 움직임을 구동한다. 당업자는, 드라이버가 특정 타겟 형태에 적합하도록 복잡한 트랙을 따라서 타겟을 구동할 수 있도록 프로그램 될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 드라이버는 커다란 원형 타겟의 원주 근처에 원형 트랙을 제공해서 원형 타겟의 에지를 따르는 복잡한 용접 경로의 결과를 줄 수 있도록 프로그램 될 수 있다

비슷한 엘리먼트들이 도 1의 비슷한 참조 번호를 공유하는 도 5는, 본 발명에 따라 만들어진 다른 용접 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 이 실시 모드 에 있어서, 회전 가능한 회전 격자(26)는 스프레딩 빔(60)보다는 시준 빔(64)안에 위치해 있다.

용접 시스템(20)은 레이저 빔(24)의 소스(22), 회전 가능한 회절 격자(26), 그리고 시준 렌즈(52)와 집속 렌즈(54)를 포함하는 렌즈(28)를 포함한다. 용접 시스템(20)의 광학 장치들은 광축(30)을 따라 정렬되어 있다. 시준 렌즈(52)와 집속 렌즈(54) 사이에 위치한 회전 가능한 회전 격자(26)는 레이저 빔(24)을 타겟(34)상의 광축(30)의 주위를 회전하는 레이저 스팟 쌍으로 변환시킨다. 회전 가능한 회전 격자(26)를 고정하는 회전 가능한 하우징, 회전 가능한 하우징을 구동하는 속도가 제어되는 AC 서보모터, 그리고 회전 가능한 하우징 주변의 고정된 하우징은 설명의 명확성을 위해서 도 5에서 생략되었다.

시준 렌즈(52)는 소스(22)로부터 스프레딩 빔(60)을 받아서 시준 빔(64)를 만들어 낸다. 회전 가능한 회전 격자(26)는 시준 빔(64)을 받아서 스플릿 빔(62)을 만들어 낸다. 집속 렌즈(54)는 스플릿 빔(62)을 받아서 초점 빔(66)을 만들어 내며, 이는 타겟(34)상에 레이저 스팟 쌍을 제공한다.

도 6은 본 발명에 따른 용접을 위한 방법의 플로우차트이다. 타겟을 용접하는 방법은 평면의 회전 가능한 회전 격자를 제공하는 단계(100), 회전 가능한 회절 격자의 평면에 대해 수직인 광축 주위로 회전 가능한 회절 격자를 회전시키는 단계(102), 스플릿 빔을 만들어내기 위해서 레이저 빔을 광축을 따라서 회전 가능한 회절 격자상으로 인도하는 것(104), 스플릿 빔을 타겟상으로 집속시키는 단계(106)를 포함한다. 한 실시 모드에서, 방법은 더나아가 타겟을 광축에 수직인 선을 따 라서 이동시키는 것과 같은, 타겟을 광축에 수직으로 이동시키는 것을 포함한다. 다른 실시 모드에서, 방법은 더나아가 차폐 개스를 타겟에 적용하는 것을 포함한다.

이 명세서에 개시된 발명의 실시 모드가 현재 바람직한 것으로 생각되지만, 다양한 변형과 수정이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 이 명세서에 기술된 용접 시스템은 타겟을 용접하고, 커팅하고, 드릴링하고, 및/또는 제거하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 표시되어 있으며, 이에 동등한 의미와 범위에 있는 모든 변경은 청구항에 포함되도록 의도된다.

타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템이며, 레이저 빔의 소스, 회전 가능한 레이저 빔을 광축(30) 주위로 회전하는 레이저 스팟 쌍으로 변환시키는 회절 격자(26), 그리고 타겟에 레이저 스팟 쌍의 초점을 모으는 렌즈(28)를 포함하는 레이저 용접 시스템과 방법로서 산업상 이용 가능하다.

Claims

타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템으로서,

레이저 빔(24)의 소스(22);

레이저 빔(24)을, 광축(30) 주위로 회전하는 레이저 스팟 쌍(32)으로 변환시키는 회전 가능한 회절 격자(26); 그리고

타겟(34)에 레이저 스팟 쌍(32)의 초점을 모으는 렌즈(28)를 포함하는 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1 항에 있어서, 회전 가능한 회절 격자가 소스와 렌즈 사이에 위치하는 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1 항에 있어서, 렌즈는 시준렌즈와 초점렌즈를 포함하고, 회전 가능한 회절 격자가 시준렌즈와 초점 렌즈 사이에 위치하는 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1항에 있어서, 회전 가능한 회절 격자의 평면이 광축에 수직인, 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1항에 있어서, 렌즈(28)가 광축(30)에 상대적으로 고정되어 있는 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 회전 가능한 회절 격자는 제 1 회전 가능한 회절 격자이며, 레이저 스팟 쌍은 제 1 레이저 스팟 쌍이며, 상기 시스템은 레이저 빔을 광축 주위로 회전하는 제 2 레이저 스팟 쌍으로 변환시키는 제 2 회전 가능한 회절 격자를 더 포함하며, 여기서 레이저는 제 1 레이저 스팟 쌍과 제 2 레이저 스팟 쌍을 타겟상에 집속시키는 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1항에 있어서, 타겟(34)위의 레이저 스팟 쌍(32) 중 하나의 속도가 대략 200에서 800 mm/sec 사이인 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1항에 있어서, 레이저 스팟 쌍(32) 중 하나의 타겟(34)과의 상호작용 시간이 대략 0.1에서 0.5 msec 사이인 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1항에 있어서, 회전 가능한 회절 격자(26)의 회전 속도가 대략 1500에서 4500rpm 사이인, 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1항에 있어서, 회전 가능한 회절 격자(26)가 포토레지스트 코팅된 유리 격자와, 에칭된 융합 실리카 격자로 구성된 그룹으로부터 선택되는 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1항에 있어서, 타겟(34)과 광축(30) 사이의 각이 대략 20 도 보다 작은, 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
제 1항에 있어서, 더나아가 광축(30)에 수직으로 타겟(34)을 이동시키도록 동작 가능하게 타겟(34)에 연결된 드라이버(39)를 포함하는, 타겟을 용접하기 위한 광축을 가지는 시스템.
타겟을 용접하는 방법로서:

평면 회전 가능 회절격자를 제공하는 단계(100);

회전 가능한 회절 격자의 평면에 수직인 광축 주위로 회전 가능한 회절 격자를 회전시키는 단계(102);

스플릿 빔을 만들어내기 위해서 회전 가능한 회절 격자상으로 광축을 따라 레이저 빔을 인도하는 단계(104); 그리고

타겟위로 스플릿 빔을 집속시키는 단계(106)를 포함하는 타겟을 용접하는 방법.
제 13항에 있어서, 스플릿 빔을 집속시키는 단계가 스플릿 빔을 시준 빔을 따라 시준하고 시준된 빔을 집속시키는 단계를 포함하는 타겟을 용접하는 방법.
제 13항에 있어서, 타겟을 광축에 수직으로 이동시키는 단계를 포함하는, 타겟을 용접하는 방법.
제 13항에 있어서, 타겟을 광축에 수직인 선을 따라 이동시키는 단계를 포함하는 타겟을 용접하는 방법.
제 13항에 있어서, 더나아가 차폐 개스를 타겟에 적용하는 단계를 더 포함하는 타겟을 용접하는 방법.
타겟을 용접하는 시스템으로서:

평면 회전 가능 회절격자;

회전 가능한 회절 격자의 평면에 수직인 광축 주위로 회전 가능한 회절 격자를 회전시키는 수단;

스플릿 빔을 만들어내기 위해서 회전 가능한 회절 격자 상으로 광축을 따라 레이저 빔을 인도하는 수단; 그리고

타겟위로 스플릿 빔을 집속하는 수단을 포함하는, 타겟을 용접하는 시스템.
제 18항에 있어서, 스플릿 빔을 초점화하는 수단이 스플릿 빔을 시준 빔을 따라 시준하기 위한 수단과 시준된 빔을 집속하기 위한 수단을 포함하는 타겟을 용접하는 시스템.
제 18항에 있어서, 타겟을 광축에 수직으로 이동시키기 위한 수단을 더 포함하는 타겟을 용접하는 시스템.
제 18항에 있어서, 타겟을 광축에 수직인 선을 따라 이동시키기 위한 수단을 더 포함하는, 타겟을 용접하는 시스템.
제 18항에 있어서, 차폐 개스를 타겟에 적용하기 위한 수단을 더 포함하는 타겟을 용접하는 시스템.