KR20110091984A - 레이저 피닝 시스템 - Google Patents

레이저 피닝 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20110091984A
KR20110091984A KR1020100011370A KR20100011370A KR20110091984A KR 20110091984 A KR20110091984 A KR 20110091984A KR 1020100011370 A KR1020100011370 A KR 1020100011370A KR 20100011370 A KR20100011370 A KR 20100011370A KR 20110091984 A KR20110091984 A KR 20110091984A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser
unit
light source
optical assembly
optical system
Prior art date
Application number
KR1020100011370A
Other languages
English (en)
Inventor
정성호
임현택
김필규
Original Assignee
광주과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 광주과학기술원 filed Critical 광주과학기술원
Priority to KR1020100011370A priority Critical patent/KR20110091984A/ko
Publication of KR20110091984A publication Critical patent/KR20110091984A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/356—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by shock processing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

원통형 대상물(부품)의 외부뿐만 아니라 내부 표면까지도 레이저 피닝 기술을 적용하여 금속 표면의 내마모성 및 내부식성 등을 향상시킬 수 있는 레이저 피닝 시스템이 개시된다. 본 발명의 레이저 피닝 시스템은, 레이저 빔을 출사하는 광원부, 원통형 대상물의 내부 또는 외부에 위치하며 상기 광원부에서 출사되는 빔이 상기 대상물의 내부 또는 외부 표면에 조사되도록 안내하는 광학조립체, 및 상기 대상물을 회전시키는 회전구동부를 포함할 수 있다.

Description

레이저 피닝 시스템{LASER PEENING SYSTEM}
본 발명은 레이저 피닝 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속의 표면에 레이저 빔을 조사할 때 발생하는 강력한 충격파를 이용하여 금속 소재의 내부식성 및 내마모성 등을 향상시키는 레이저 피닝 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 레이저 피닝(laser peening)은 고출력 레이저를 금속표면에 조사해 줌으로써 금속표면에 강력한 플라즈마 및 이로 인해 야기된 강력한 충격파를 발생시키고, 이렇게 발생된 충격파가 금속내부를 통과할때 생성되는 금속내부의 소성변형에 의해 금속내부의 압축잔류응력을 증가시킴으로써 금속의 표면경도, 내마모성 및 내부식성 등을 향상시키는 기술이다.
이러한 레이저 피닝 기술은 종래의 숏피닝 (shot peening)에 비해 경화 깊이가 많게는 10배 이상 깊으며, 금속표면의 손상이 상대적으로 작고, 표면의 기계적 성질을 균일하게 증가시키는 장점을 가지고 있어, 항공기나 원자력발전소 등과 같은 고부가가치 산업분야에서 알루미늄 합금이나 스테인리스강과 같은 금속들의 표면경도 및 내부식성, 내마모성 등의 기계적 성질을 향상시키기 위한 고급기술로 사용되고 있다. 또한, 최근에는 해수담수화용펌프 등과 같이 고온, 고압 및 염수에 의한 마모와 부식의 위험이 높은 환경에서 작동되는 고용량 플랜트용 펌프 부품의 내마모성 및 내부식성을 향상시킴으로써 고용량 플랜트용 펌프의 효율 및 내구성 향상을 위해 레이저 피닝을 적용하려는 시도가 이루어지고 있다.
또한, 레이저 피닝 기술의 적용 시 발생되는 플라즈마의 확산을 방지하고 충격파의 강도를 높여주기 위해 레이저빔이 조사되는 금속표면에 물을 뿌려주거나, 시편을 물속에 담근 상태에서 피닝을 하게 되는데 이 경우 물에 의해 플라즈마가 공기중에서처럼 주변으로 확산되지 않고 갇히는 효과가 있어 금속표면에 더 큰 충격파 압력을 작용하게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 레이저 피닝 시스템은 광원부(10)에서 고출력의 레이저 빔(11)이 발진되고 적어도 하나 이상의 미러(21,22)를 이용하여 경화시키고자 하는 시편(1)으로 빔의 방향을 고정시켜주며, 집속렌즈(30)를 이용하여 레이저 빔(11)을 집속, 레이저 빔(11)의 에너지 밀도를 증가시킨다. 이때, 시편(1)은 물(W)로 채워진 챔버(40)내에 위치하게 되는데, 물(W)은 레이저 빔(11)이 시편(1)에 조사될 때 발생되는 플라즈마가 확산되지 않고 시편(1) 표면에 집속되어 시편(1)에 가해지는 압력을 극대화시켜주는 역할을 하게 되며, X-Y축 이송부(50)를 이용하여 레이저 빔(11)의 경로를 이동시켜 줌으로서 피닝이 요구되어지는 위치에 레이저 피닝을 수행하게 된다.
그러나, 도 1의 레이저 피닝 시스템의 경우, 챔버(40)의 크기에 따라 피닝을 할 수 있는 시편(1)의 크기에 한계가 있고, 피닝 중에 시편(1)에서 발생되는 불순물에 의해 물(W)이 흐려질 경우 레이저 빔(11)의 산란이 발생하여 레이저 빔(11)이 시편(1)에 정상적으로 도달하지 못하게 되고 효율을 떨어뜨리는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 이를 해결하기 위해 도 2와 같은 레이저 피닝 시스템을 사용하기도 한다. 도 2는 도 1과 기본원리는 동일한 방식이지만 시편(1)을 물(W)에 담근 상태에서 레이저를 조사하는 대신, 펌프(60)를 이용하여 물(W)을 시편(1) 표면에 노즐(61)로 직접 분사해주면서 레이저를 조사하는 방식이다. 따라서, 도 2에 의한 레이저 피닝 시스템의 경우에는 불순물에 의한 효율 저하를 걱정하지 않아도 된다는 장점이 있다.
그러나, 상술한 종래의 레이저 피닝 시스템 기술을 고용량 플랜트용 펌프의 원통형 부품에 적용하기에는 다음과 같은 문제점이 발생한다. 우선, 도 1과 같은 레이저 피닝 시스템의 경우 평판형 시편(1)에 적용 시에는 별 어려움이 없지만, 원통형 시편(도 4 참조)의 경우 원통 내부에 레이저 빔을 조사해주는데 어려움이 있다. 또한, 도 2의 경우 역시 동일한 문제가 발생한다. 따라서, 상기에 제기된 문제점에 의해 종래의 레이저 피닝 시스템을 이용하여 원통형상을 가지는 펌프 부품에 피닝을 적용하기에는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 원통형 대상물(부품)의 외부뿐만 아니라 내부 표면까지도 레이저 피닝 기술을 적용하여 금속 표면의 내마모성 및 내부식성 등을 향상시킬 수 있는 레이저 피닝 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 노즐에 의해 분사되는 물이 광학계에 영향을 주지 않도록 구조를 개선한 레이저 피닝 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 피닝 시스템은, 레이저 빔을 출사하는 광원부, 원통형 대상물의 내부 또는 외부에 위치하며 상기 광원부에서 출사되는 빔이 상기 대상물의 내부 또는 외부 표면에 조사되도록 안내하는 광학조립체, 및 상기 대상물을 회전시키는 회전구동부를 포함할 수 있다.
상기 광학조립체는, 상기 광원부에서 출사되는 빔을 내부 경로를 통해 가이드하는 빔가이드부, 및 상기 빔가이드부의 내부에 마련되며 상기 빔을 상기 대상물의 내부 또는 외부 표면에 조사하는 광학계를 포함할 수 있다.
상기 광학계는, 상기 빔가이드부의 내부 일측에 장착되어 상기 빔을 집속하는 렌즈, 및 상기 빔가이드부의 내부 타측에 장착되어 상기 렌즈에 의해 집속된 상기 빔을 반사시켜 상기 대상물의 내부 또는 외부 표면으로 조사하는 반사경을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 반사경은 평면거울인 것이 바람직하다.
혹은, 상기 광학계는, 상기 빔가이드부의 내부에 장착되어 상기 빔을 집속 및 반사시켜 상기 대상물의 내부 또는 외부 표면으로 조사하는 오목거울을 포함할 수 있다.
상기 빔가이드부는, 관 형상을 가지는 가이드몸체, 및 상기 광학계가 상기 가이드몸체의 내부에 장착되도록 상기 가이드몸체에 구비되는 광학계장착부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 광학계장착부는, 상기 가이드몸체의 내부 중간 위치에 삽입 결합되며 상기 렌즈가 장착되는 렌즈장착부, 및 상기 가이드몸체의 하부에 삽입 결합되며 상기 반사경이 장착되는 반사경장착부를 포함할 수 있다.
상기 회전구동부는, 상기 대상물이 고정되도록 지지하는 지그, 및 상기 지그와 회전축으로 연결되어 상기 지그를 회전시키는 모터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저 피닝 시스템은, 상기 광학조립체를 상기 원통형 대상물의 축방향으로 이송시키는 이송부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저 피닝 시스템은, 상기 광학조립체와 결합되며, 상기 광학조립체를 통과해 출사되는 상기 빔과 동일선상으로 유체를 분사하는 노즐부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 광학조립체와 상기 노즐부 사이의 결합 부위에는 방수부재가 개재되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광학조립체 및 상기 노즐부의 전체 폭 길이는 상기 원통형 대상물의 내경 보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 레이저 피닝 시스템은, 레이저 빔을 출사하는 광원부, 상기 광원부에서 출사되는 빔이 원통형 대상물의 내부 또는 외부 표면에 조사되도록 안내하는 광학조립체, 상기 광학조립체를 상기 대상물의 축방향으로 이송시키는 이송부, 상기 광학조립체와 결합되며 상기 광학조립체를 통과해 출사되는 상기 빔과 동일선상으로 유체를 분사하는 노즐부, 및 상기 대상물을 회전시키는 회전구동부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저 피닝 시스템은, 레이저 빔을 출사하는 광원부, 상기 광원부에서 출사되는 빔을 내부 경로를 통해 가이드하는 빔가이드부, 상기 빔가이드부의 내부에 마련되며 상기 빔을 원통형 대상물의 내부 또는 외부 표면에 조사하는 광학계, 상기 빔가이드부의 외부에 마련되며 상기 광학계에 의해 조사되는 상기 빔과 동일선상으로 유체를 분사하는 노즐부, 및 상기 대상물을 회전시키는 회전구동부를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 레이저 피닝 시스템에 따르면, 고용량 플랜트용 펌프에 사용되는 원통형 부품의 외부뿐만 아니라 내부 표면까지도 레이저 피닝 기술을 적용하여 금속 표면의 내마모성 및 내부식성 등을 향상시킬 수 있다.
또한, 노즐에 의해 분사되는 물이 광학계에 영향을 주지 않도록 구조를 개선하여 광학계를 보화할 수 있다.
또한, 고용량 플랜트용 펌프에 사용되는 원통형 부품에 레이저 피닝을 적용하여 부품의 표면경도, 내마모성, 내부식성 등을 증가시킴으로써 펌프 수명연장 및 유지보수 비용을 절감하는 효과를 기대할 수 있으며, 펌프효율 향상을 통한 품질 및 제품 경쟁력 향상에 기여할 수 있다.
또한, 원통형 부품의 내부 표면에 레이저 피닝을 적용할 수 있음으로 인해 부품의 기계적 성질을 향상시키고 내부 표면 처리를 위한 고가의 재료를 사용할 필요성을 감소시킴으로써 펌프 제작 공정의 단순화 및 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
또한, 원통형상을 가지는 자동차나 선박의 엔진 실린더 등 고온, 고압 하에 작동하며, 반복적인 기계적 충격이 가해져 높은 내마모성과 내부식성 및 표면경도가 요구되는 부품에 적용이 가능할 것으로 기대되어, 기타 산업분야에 응용이 가능하며 표면처리를 통한 제품의 내구성과 수명을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 2는 일반적인 레이저 피닝 시스템을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 피닝 시스템의 개략도,
도 4는 본 발명의 레이저 피닝 시스템을 적용할 수 있는 해수담수화 플랜트용 펌프 부품(원통형 대상물)을 나타낸 예시도,
도 5는 본 발명의 레이저 피닝 시스템의 구성요소들 중 광학조립체 및 노즐부의 사시도,
도 6은 도 5의 분해 사시도,
도 7 및 8은 본 발명의 레이저 피닝 시스템을 도 4의 원통형 대상물에 적용한 예시도, 그리고,
도 9는 본 발명을 활용하여 집속렌즈와 평면거울 대신 한 개의 오목거울을 사용하는 레이저 피닝 시스템의 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 레이저 피닝 시스템은 고용량 플랜트용 펌프 부품의 표면에 레이저 피닝 기술을 적용하는 것을 예시하였으나, 펌프 부품뿐만 아니라 원통형상을 가지는 부품에는 모두 적용될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 피닝 시스템을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 피닝 시스템의 개략도, 도 4는 레이저 피닝 시스템을 적용할 수 있는 해수담수화 플랜트용 펌프 부품(원통형 대상물)을 나타낸 예시도, 도 5는 광학조립체 및 노즐부의 사시도, 도 6은 도 5의 분해 사시도이다.
도 3 내지 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 레이저 피닝 시스템은 광원부(100), 광학조립체(200), 이송부(300), 노즐부(400) 및 회전구동부(500) 등을 포함할 수 있다.
광원부(100)는 레이저 빔(laser beam)(101)을 발진하게 되며, 광원부(100)의 광원으로는 Nd:YAG 레이저나 Nd:Glass 레이저 등이 사용될 수 있다. 일반적으로 레이저 빔(101)은 빛의 세기가 강하고 단색광을 띠며, 파장이 일정하여 멀리까지 퍼지지 않고 전달된다. 상기 레이저 광원부(100)의 구조는 공지된 기술로 이해 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
광원부(100)에서 발진된 레이저 빔(101)이 후술하는 빔가이드부(210)의 내부로 들어가도록 광원부(100)와 광학조립체(200) 사이에 소정 각도로 경사 배치되는 반사경(거울)(110)이 구비될 수 있다.
광학조립체(200)는 도 4에 예시된 원통형 대상물(부품)(3), 예컨대 해수담수용 플랜트 펌프의 원통형 부품(3) 내부 또는 외부에 위치하며, 광원부(100)에서 출사되는 레이저 빔(101)이 원통형 대상물(3)의 내부 또는 외부 표면에 조사되도록 안내하는 역할을 한다.
광학조립체(200)는 광원부(100)에서 출사되는 레이저 빔(101)을 내부 경로를 통해 가이드하는 빔가이드부(210)와, 빔가이드부(210)의 내부에 마련되어 레이저 빔(101)을 원통형 대상물(3)의 내부 또는 외부 표면에 조사하는 광학계(220)로 구성될 수 있다.
여기서, 빔가이드부(210)는 관 또는 덕트 형상을 가지는 가이드몸체(211)와, 광학계(220)가 가이드몸체(211)의 내부에 장착되도록 가이드몸체(211)에 구비되는 광학계장착부(213)로 구성될 수 있다.
본 실시예에서 가이드몸체(211)는 사각형관 형상을 가지는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 원통형관 등 다양한 형상을 가질 수도 있다. 가이드몸체(211)의 상부에는 레이저 빔 유입구(211a)가 형성되고, 가이드몸체(211)의 하부 측면에는 레이저 빔 유출구(211b)가 형성된다.
광학계장착부(213)는 가이드몸체(211)의 내부 중간 위치에 삽입 결합되어 후술하는 집속렌즈(221)가 장착되는 렌즈장착부(214)와, 가이드몸체(211)의 하부에 삽입 결합되어 후술하는 평면거울(223)이 경사지게 장착되는 반사경장착부(215)로 구성될 수 있다. 이때, 레이저 빔(101)이 집속렌즈(221)를 투과할 수 있도록 렌즈장착부(214)에는 렌즈안착홀(214a)이 형성되어 집속렌즈(221)의 가장자리가 끼워지고, 집속렌즈(221)를 투과한 레이저 빔(101)을 레이저 빔 유출구(211b)를 통해 원통형 대상물(3)쪽으로 반사시킬 수 있도록 반사경장착부(215)에는 반사경안착홈(215a)이 형성되어 평면거울(223)의 후면측이 안착된다.
광학계(220)는 빔가이드부(210)의 내부 일측, 예컨대 렌즈장착부(214)에 장착되어 레이저 빔(101)을 집속하는 집속렌즈(221)와, 빔가이드부(210)의 내부 타측, 예컨대 반사경장착부(215)에 장착되어 집속렌즈(221)에 의해 집속된 레이저 빔(101)을 반사시켜 원통형 대상물(3)의 내부 또는 외부 표면으로 조사하는 반사경(223)으로 구성될 수 있다. 여기서, 반사경(223)은 평면거울(이하, 참조부호 223으로 설명함) 형태를 가질 수 있다.
이송부(300)는 광학조립체(200)를 원통형 대상물(3)의 축방향으로 이송시키는 역할을 한다. 즉, 레이저 빔(101)을 원통형 대상물(3)의 축방향으로 이송시키기 위해서는 광학조립체(200)의 빔가이드부(210)가 장착된 이송부(300)를 상하로 이송시켜 줌으로써 원통형 대상물(3)의 전체 표면에 레이저 빔(101)을 조사할 수 있다. 상기 이송부(300)는 공지된 기술로 이해 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
노즐부(400)는 첨단에 구멍(401)이 형성된 원뿔형상을 가지며, 빔가이드부(210)의 하부 측면에 결합된다.
또한, 노즐부(400)는 노즐밸브(410)에 호스(420)로 펌프(430)와 연결되어 광학조립체(200)를 통과해 출사되는 레이저 빔(101)과 동일선상으로 유체, 예컨대 물(water)을 분사한다. 여기서, 노즐부(400)는 레이저 피닝 기술의 적용 시 발생되는 플라즈마의 확산을 방지하고 충격파의 강도를 높여주기 위해 레이저 빔(101)이 조사되는 원통형 대상물(3)의 금속표면에 물을 뿌려주는 역할을 한다.
또한, 빔가이드부(210)와 노즐부(400) 사이에는 레이저 빔 유출구(211b)를 밀폐하도록 방수부재(225), 예컨대 석영판이 마련되어 노즐부(400)에 의해 분사되는 물이 광학계에 닿지 않도록 보호할 수 있다.
여기서, 원통형 대상물(3)의 내부 표면에 대하여 레이저 피닝이 가능하도록 하기 위해 광학조립체(200) 및 노즐부(400)의 전체 폭 길이(ℓ)는 원통형 대상물(3)의 내경(d) 보다 작게 형성된다. 예컨대, 도 4에 도시된 해수담수 플랜트용 펌프에 사용되는 원통형 부품(3)의 내경(d)이 120mm일 경우, 빔가이드부(210) 및 노즐부(400)의 전체 폭 길이(ℓ)는 원통형 부품(3)의 내경(d) 보다 대략 30mm 작은 90mm 정도로 설계하는 것이 바람직하다. 또한, 필요에 따라 빔가이드부(210)와 노즐부(400)의 폭 길이(ℓ)를 더 작거나 큰 값으로 변경이 가능하다.
회전구동부(500, 도 7 및 8 참조)는 원통형 대상물(3)의 레이저 피닝을 위해서 광학조립체(200)의 축방향 위치를 고정시킨 상태에서 원통형 대상물(3)을 회전시켜 원통형 대상물(3)의 전체 면적에 레이저 빔(101) 조사가 가능하도록 한다. 즉, 회전구동부(500)는 원통형 대상물(3)을 장착하고 회전시킴으로써 원통형 대상물(3)의 내부 및 외부 표면에 원주방향으로 레이저 빔(101)이 조사될 수 있도록 하는 역할을 한다.
회전구동부(500)는 원통형 대상물(3)이 고정되도록 지지하는 지그(510)와, 지그(510)와 회전축(521)으로 연결되어 지그(510)를 회전시키는 모터(520)로 구성될 수 있다. 이때, 모터(520)의 회전축(521)과 원통형 대상물(3)의 중심이 일치하도록 위치시킨다.
또한, 지그(510)와 모터(520) 사이에는 지그(510)의 외부 공간을 수용하는 챔버(530)가 마련되고, 노즐부(400)에서 분사되는 물이 챔버(530)에 의해 집수되며, 챔버(530)에 집수된 물은 펌프(540)의 가동에 의해 호스(541)를 통해 외부로 배출된다.
도 7 및 8은 본 발명의 레이저 피닝 시스템을 도 4의 원통형 대상물의 내부와 외부에 각각 적용한 예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 레이저 피닝 시스템은 원통형 대상물(3)을 지그(510)에 고정시키고, 광학조립체(200) 및 노즐부(400)를 원통형 대상물(3)의 내부에 위치시킨 상태에서 광원부(100)를 작동시켜 레이저 빔(101)을 발진시킨다. 이때, 빔가이드부(210) 및 노즐부(400)의 전체 폭 길이(ℓ)는 원통형 대상물(3)의 내경(d) 보다 작게 형성되기 때문에 원통형 대상물(3)의 내부 표면에 대하여 레이저 피닝이 가능하다. 광원부(100)에서 발진된 레이저 빔(101)은 반사경(거울)(110)을 통해 빔 가이드 역할을 하는 빔가이드부(210)의 내부로 들어가게 된다. 레이저 빔(101)은 빔가이드부(210) 내에 장착된 집속렌즈(221)에 의해 집속이 이루어지고 평면거울(223)에 의해 반사되어 원통형 대상물(3)의 내부 표면에 조사된다. 이때, 노즐부(400)를 통해 평면거울(223)에서 반사되어 나온 레이저 빔(101)과 동일선상으로 원통형 대상물(3) 표면에 물이 분사되어 원하는 부분에 레이저 조사와 물 공급이 동시에 이루어진다. 이처럼 노즐부(400)에 의해 원통형 대상물(3)의 금속표면에 물을 뿌려줌으로써 레이저 피닝 기술의 적용 시 발생되는 플라즈마의 확산을 방지하고 충격파의 강도를 높여줄 수 있다. 또한, 빔가이드부(210)의 하부 측면에 노즐부(400)가 장착되고 빔가이드부(210)와 노즐부(400) 사이에 방수부재(225)가 마련됨으로써, 노즐부(400)에 의해 분사되는 물이 광학계(220)에 닿지 않도록 보호할 수 있다. 또한, 원통형 대상물(3)의 내부 표면에 레이저 빔 조사 및 물 공급이 동시에 이루어지는 상태에서 회전구동부(500)를 작동시켜 원통형 대상물(3)을 회전시켜 줌으로써 원통형 대상물(3)의 내부 표면에 원주방향으로 레이저 빔(101)이 조사된다. 또한, 광학조립체(200)의 빔가이드부(210)가 장착된 이송부(300)를 원통형 대상물(3)의 축방향으로 이송시켜 줌으로써 원통형 대상물(3)의 내부 표면에 축방향으로 레이저 빔(101)이 조사된다. 따라서, 이송부(300) 및 회전구동부(500)의 작동을 통해 원통형 대상물(3)의 내부 전체 표면에 레이저 빔(101)을 조사할 수 있게 된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 레이저 피닝 기술 적용시 광학조립체(200) 및 노즐부(400)를 원통형 대상물(3)의 외부에 위치시킨 상태에서는 원통형 대상물(3)의 외부 금속표면에 레이저 빔(101)을 조사할 수 있다.
따라서, 본 발명의 레이저 피닝 시스템은 원통형 대상물(부품)(3)의 외부뿐만 아니라 내부 표면까지도 레이저 피닝 기술을 적용하여 금속 소재의 내마모성 및 내부식성 등을 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명을 활용하여 집속렌즈와 평면거울 대신 한 개의 오목거울을 사용하는 레이저 피닝 시스템의 개략도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 광학계(220)는 빔가이드부(210)의 내부에 장착되며 레이저 빔(101)을 집속 및 반사시켜 원통형 대상물(3)의 내부 또는 외부 표면으로 조사하는 오목거울(230)를 포함할 수 있다. 즉, 도 9에서는 광학계(220)의 구성을 보다 간단하게 할 수 있는 구조로, 부품의 크기와 사용할 수 있는 오목거울(230)의 집속 거리가 일치할 경우 도 3에서 집속렌즈(221)와 평면거울(223)을 사용하는 경우보다 간단하게 광학계(220)를 구성할 수 있다. 도 9에서 제안된 레이저 피닝 시스템은 도 3에서 제안된 구성과 동일하며, 다만 집속렌즈(221)와 평면거울(223)을 사용하는 대신 오목거울(230)만을 사용하여 레이저 빔(101)을 집속 및 반사시켜 레이저 빔(101)을 원통형 대상물(3)의 표면에 조사하는 방식으로 도 3에 비해 빔가이드부(210) 내에 장착되어야 할 광학부품의 수가 집속렌즈(221)와 평면거울(223) 2개에서 오목거울(230) 1개로 줄어드는 효과가 있어 광학계(220)가 보다 간단해지고 광학계(220)의 정렬이 쉬워지는 장점이 있다. 그러나, 오목거울(230)의 경우 주문제작으로 제작해야 하며 원하는 집속 길이를 갖는 상업적 제품을 구하는 것이 용이하지 않을 수 있다는 단점이 있어 필요에 따라 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 광원부 200 : 광학조립체
210 : 빔가이드부 211 : 가이드몸체
213 : 광학계장착부 214 : 렌즈장착부
215 : 반사경장착부 220 : 광학계
221 : 집속렌즈 223 : 반사경(평면거울)
230 : 오목거울 300 : 이송부
400 : 노즐부 500 : 회전구동부
510 : 지그 520 : 모터
530 : 챔버

Claims (15)

  1. 레이저 빔을 출사하는 광원부;
    원통형 대상물의 내부 또는 외부에 위치하며, 상기 광원부에서 출사되는 빔이 상기 대상물의 내부 또는 외부 표면에 조사되도록 안내하는 광학조립체; 및
    상기 대상물을 회전시키는 회전구동부를 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학조립체는,
    상기 광원부에서 출사되는 빔을 내부 경로를 통해 가이드하는 빔가이드부; 및
    상기 빔가이드부의 내부에 마련되며, 상기 빔을 상기 대상물의 내부 또는 외부 표면에 조사하는 광학계를 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 광학계는,
    상기 빔가이드부의 내부 일측에 장착되며, 상기 빔을 집속하는 렌즈; 및
    상기 빔가이드부의 내부 타측에 장착되며, 상기 렌즈에 의해 집속된 상기 빔을 반사시켜 상기 대상물의 내부 또는 외부 표면으로 조사하는 반사경을 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 반사경은 평면거울인 것을 특징으로 하는 레이저 피닝 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 광학계는 상기 빔가이드부의 내부에 장착되며, 상기 빔을 집속 및 반사시켜 상기 대상물의 내부 또는 외부 표면으로 조사하는 오목거울을 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 빔가이드부는,
    관 형상을 가지는 가이드몸체; 및
    상기 광학계가 상기 가이드몸체의 내부에 장착되도록 상기 가이드몸체에 구비되는 광학계장착부를 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 광학계장착부는,
    상기 가이드몸체의 내부 중간 위치에 삽입 결합되며, 상기 렌즈가 장착되는 렌즈장착부; 및
    상기 가이드몸체의 하부에 삽입 결합되며, 상기 반사경이 장착되는 반사경장착부를 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 회전구동부는,
    상기 대상물이 고정되도록 지지하는 지그; 및
    상기 지그와 회전축으로 연결되어 상기 지그를 회전시키는 모터를 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 광학조립체를 상기 원통형 대상물의 축방향으로 이송시키는 이송부를 더 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 광학조립체와 결합되며, 상기 광학조립체를 통과해 출사되는 상기 빔과 동일선상으로 유체를 분사하는 노즐부를 더 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 광학조립체와 상기 노즐부 사이의 결합 부위에 방수부재가 개재되는 것을 특징으로 하는 레이저 피닝 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 광학조립체 및 상기 노즐부의 전체 폭 길이는 상기 원통형 대상물의 내경 보다 작은 것을 특징으로 하는 레이저 피닝 시스템.
  13. 레이저 빔을 출사하는 광원부;
    상기 광원부에서 출사되는 빔이 원통형 대상물의 내부 또는 외부 표면에 조사되도록 안내하는 광학조립체;
    상기 광학조립체를 상기 대상물의 축방향으로 이송시키는 이송부;
    상기 광학조립체와 결합되며, 상기 광학조립체를 통과해 출사되는 상기 빔과 동일선상으로 유체를 분사하는 노즐부; 및
    상기 대상물을 회전시키는 회전구동부를 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  14. 레이저 빔을 출사하는 광원부;
    상기 광원부에서 출사되는 빔을 내부 경로를 통해 가이드하는 빔가이드부;
    상기 빔가이드부의 내부에 마련되며, 상기 빔을 원통형 대상물의 내부 또는 외부 표면에 조사하는 광학계;
    상기 빔가이드부의 외부에 마련되며, 상기 광학계에 의해 조사되는 상기 빔과 동일선상으로 유체를 분사하는 노즐부; 및
    상기 대상물을 회전시키는 회전구동부를 포함하는 레이저 피닝 시스템.
  15. 레이저 빔을 출사하는 광원부;
    상기 광원부에서 출사되는 빔을 내부 경로를 통해 가이드하는 빔가이드부;
    상기 빔가이드부의 내부에 마련되며, 상기 빔을 원통형 대상물의 내부 또는 외부 표면에 조사하는 광학계; 및
    상기 빔가이드부의 외부에 마련되며, 상기 광학계에 의해 조사되는 상기 빔과 동일선상으로 유체를 분사하는 노즐부를 포함하는 레이저 피닝 시스템.
KR1020100011370A 2010-02-08 2010-02-08 레이저 피닝 시스템 KR20110091984A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100011370A KR20110091984A (ko) 2010-02-08 2010-02-08 레이저 피닝 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100011370A KR20110091984A (ko) 2010-02-08 2010-02-08 레이저 피닝 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110091984A true KR20110091984A (ko) 2011-08-17

Family

ID=44929006

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100011370A KR20110091984A (ko) 2010-02-08 2010-02-08 레이저 피닝 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20110091984A (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101429601B1 (ko) * 2012-10-05 2014-08-14 두산중공업 주식회사 원자로의 레이저 피닝 장치
KR20150066990A (ko) * 2013-12-06 2015-06-17 신흥에스이씨주식회사 리튬 이온 이차전지 제조를 위한 레이저 용접장치 및 레이저 용접방법
EP3613534A1 (en) * 2018-08-20 2020-02-26 Subaru Corporation Laser peening processing device and laser peening processing method
CN111485094A (zh) * 2020-04-23 2020-08-04 江苏大学 一种激光冲击强化金属管内外壁的装置与方法
CN112708752A (zh) * 2020-12-15 2021-04-27 华南理工大学 一种通过激光喷丸强化齿轮表面的方法及其装置
KR20230105050A (ko) * 2022-01-03 2023-07-11 단국대학교 산학협력단 피닝 장치 및 이의 제어방법

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101429601B1 (ko) * 2012-10-05 2014-08-14 두산중공업 주식회사 원자로의 레이저 피닝 장치
KR20150066990A (ko) * 2013-12-06 2015-06-17 신흥에스이씨주식회사 리튬 이온 이차전지 제조를 위한 레이저 용접장치 및 레이저 용접방법
EP3613534A1 (en) * 2018-08-20 2020-02-26 Subaru Corporation Laser peening processing device and laser peening processing method
JP2020028885A (ja) * 2018-08-20 2020-02-27 株式会社Ｓｕｂａｒｕ レーザピーニング加工装置及びレーザピーニング加工方法
CN110846492A (zh) * 2018-08-20 2020-02-28 株式会社斯巴鲁 激光喷丸加工装置以及激光喷丸加工方法
KR20200021394A (ko) * 2018-08-20 2020-02-28 가부시키가이샤 수바루 레이저 피닝 가공 장치 및 레이저 피닝 가공 방법
CN111485094A (zh) * 2020-04-23 2020-08-04 江苏大学 一种激光冲击强化金属管内外壁的装置与方法
CN112708752A (zh) * 2020-12-15 2021-04-27 华南理工大学 一种通过激光喷丸强化齿轮表面的方法及其装置
KR20230105050A (ko) * 2022-01-03 2023-07-11 단국대학교 산학협력단 피닝 장치 및 이의 제어방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20110091984A (ko) 레이저 피닝 시스템
KR101906189B1 (ko) 레이저광 조사 장치 및 레이저 피닝 처리 방법
CN108453097B (zh) 一种用于管道内壁的激光清洗机构
JP5159516B2 (ja) レーザ照射装置
US10280480B2 (en) Laser shock peening method and device for bottom surface of tenon groove of aircraft blade
JP6430219B2 (ja) レーザ加工装置及びレーザ加工方法
JP2006322446A (ja) コモンレールおよびその製造方法
CN110512071B (zh) 一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置及加工方法
JP4977234B2 (ja) レーザ衝撃硬化処理方法および装置
CN107262931B (zh) 激光喷丸加工装置以及激光喷丸加工方法
US20160151862A1 (en) Device for laser processing of a surface of a workpiece or for post-treatment of a coating on the outside or the inside of a workpiece
JP4786470B2 (ja) レーザピーニング方法および装置
JP2005313191A (ja) レーザー加工装置およびレーザー加工方法
CN112941300B (zh) 一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统及方法
JP4805626B2 (ja) 気中ピーニング加工装置および加工方法
CN113579969A (zh) 激光冲击强化与机械抛光相结合的表面强化装置及方法
JP2019202340A (ja) 部品の製造方法
JP4868729B2 (ja) レーザ衝撃硬化処理方法および装置
JP2007216241A (ja) レーザピーニング装置及び方法
JP5172191B2 (ja) レーザ衝撃硬化処理方法およびレーザ衝撃硬化処理装置
WO2018120361A1 (zh) 一种随动式激光冲击强化处理装置
JP2007092098A (ja) レーザ焼入方法およびレーザ焼入装置
JP6450038B2 (ja) レーザピーニング加工装置及びレーザピーニング加工方法
JP2016196020A (ja) レーザ光照射装置およびレーザピーニング処理方法
JP2017064734A (ja) レーザ照射装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application