KR20130133646A - 아르곤 커버 가스를 사용하여 티타늄 용접하기 위해 광섬유 레이저를 사용하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유 레이저에 의해 생성되는 용접부에 발생하는 플라즈마의 오염을 감소시키기 위한 방법 및 시스템에 대한 것이다. 본 발명은 용접부 재료에 고밀도 빔을 가하기 위한 최적 구성으로 광섬유 레이저를 설정하여 스펙트럼 간섭을 제거한다. 빔은 용접 영역에서 플라즈마 형성의 오염을 방지하기 위해 용접 영역 주변에 직교류 또는 제어된 환경으로, 불활성 차폐 가스, 바람직하게는 아르곤을 사용하여 한 작동 조건에서 1064nm±0.5nm의 좁은 대역폭에서 적용된다. 이 방법은 광섬유 레이저에 대한 방출 스펙트럼과 커버 가스(들) 및 용접 재료에 대한 임의의 특정한 여기(excitation) 스펙트럼들을 판정 및 회피하여 최적화된다. 이 시스템은 단일 레이저 입력을 사용할 수 있고, 또는 커플링 수단에 의해 결합되고 하나 이상의 광섬유 레이저를 선택하기 위해 스위치를 사용하여 다중 레이저들을 사용할 수 있다.

Description

아르곤 커버 가스를 사용하여 티타늄 용접하기 위해 광섬유 레이저를 사용하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD UTILIZING FIBER LASERS FOR TITANIUM WELDING USING AN ARGON COVER GAS}
본 발명은 불활성 커버 가스를 사용하여 광섬유 레이저로 티타늄 또는 티타늄 합금을 용접하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 티타늄 또는 티타늄 합금 가공물에 작용하는 광섬유 레이저의 대역폭을 좁혀 용접부의 오염을 감소시켜 커버 가스로 레이저 간의 광학적 상호작용을 감소 또는 제거하는 것에 관한 것이다.
광섬유 레이저 기술에서 최근의 기술적 발전들은 레이저 용접에 대한 능력들을 확대했다. 부가적으로, 이러한 발전들은 다양한 방식으로 레이저 용접의 원가 역학(cost dynamics)을 변화시켰다. 이제, 20ms까지의 펄스 지속시간들과 6kW까지의 피크 파워 레벨을 갖는 새로운 컴팩트하고 공냉되는(air cooled) 펄스 모드 광섬유 레이저들이 사용가능하다. 불행하게도, 불활성 커버 가스와 티타늄 또는 티타늄 합금에 관련한 특정 응용예를 위한 이러한 표준 광대역 광섬유 레이저들은 의도하지 않은 결과들을 일으키고 설명되는 바와 같이 용접 품질이 열화된다.
일반적으로, 레이저 빔 용접의 주요 장점은 그 부분에의 열 입력이 더 낮아 용접 응력들을 최소화하고 변형을 감소시키는 것이다. 이는 높은 용접 속도로 작은 용융(fusion) 영역을 생성하는 높은 에너지 밀도의 빔에 의해 달성된다. 티타늄 재료들은 충전재(filler) 금속없이 오염을 회피하기 위해 효과적인 차폐 가스를 사용하여 용접될 수 있다. 또한, 레이저 용접은 높은 생산성과, 제조 비용을 낮추는데 도움을 주는 자동화의 용이함의 장점을 갖는다. 이러한 모든 이점들은 의료 장치 제조와 같은 분야들에서 레이저 용접의 사용을 증가시켰다.
티타늄은 우수한 부식 저항성을 갖고 의료 장치 산업에서와 같은 정밀 또는 심미적 관련(aesthetic oriented) 응용예들에 널리 사용되는 생체적합성 재료이다. 그러나, 티타늄은 산소, 질소와 같은 저밀도 원소들과 쉽게 반응할 수 있고, 이는 용접 과정 중에 공기, 습기 및/또는 다른 그을음-형성 탄화수소(soot-forming hydro-carbonaceous) 물질로부터 오염을 회피하기 위해 불활성 가스에 의해 완전히 차폐될 것을 요구한다.
레이저는 스팟(spot), 전도, 관통 및 하이브리드 용접과 같은 광범위한 용접 능력들을 제공한다. 레이저 용접은 높은 용접 속도, 짧은 용접 사이클, 낮은 열 입력, 낮은 열 영향 영역 및 최소 변형과 같은 다양한 이점들을 제공하기 때문에 사실상 모든 산업계에서 수행된다.
광섬유 레이저는 활성 이득 매질(active gain medium)이 (다른 것들 중에서) 에르븀 또는 이테르븀과 같은 희토류 원소들로 전형적으로 도핑된 광섬유인 레이저이다.
다른 타입들의 레이저들에 대한 광섬유 레이저들의 장점들에는 벽 플러그(wall plug)의 전형적으로 30% 이상의 매우 높은 효율이 포함된다. 또한, 비슷한 출력의 로드(rod) 또는 가스 타입 레이저들에 비해, 광섬유 레이저들은 컴팩트하다는 것을 알아야 한다. 광섬유의 도파(waveguiding) 특성들은 광 경로의 열적 변형을 제거하여, 회절-제한된, 고품질의, 광학 빔을 생성한다. 또한 광섬유 레이저들은 작동 중에 유지보수가 필요 없고 높은 진동 안정성을 보인다.
높은 CW 출력들을 포함하는 양호한 빔 품질의 광섬유 레이저들은 깊은 관통 용접 및 얕은 전도 모드 용접을 제공하지만 그을음 생성에 어려움을 가져올 수 있다. 이러한 CW 레이저들을 변조하면 낮은 열 입력 응용예들에 대해 높은 피크 및 낮은 평균 출력을 갖는 펄스 레이저 능력들을 제공한다. 10kW까지의 고출력 레이저들에서의 높은 변조 주파수들은 펄스(pulsed) 응용예들에서 매우 높은 처리량을 제공한다. 광섬유 전달은 종래의 용접 헤드(head), 갈보 헤드(galvo head), 로봇(robotic) 및 원격 용접 시스템들에 통합되는 융통성을 제공한다. 사용하는 빔 전달(beam delivery)이 무엇이든, 광섬유 레이저는 비할 데 없는 성능을 제공한다.
전형적인 스팟 용접 응용예들은 면도날과 같은 제품들의 고속 용접을 전달하는 갈보-기반의 빔 전달(galvo-based beam delivery)과, 광섬유 레이저들의 펄스 능력들의 장점을 갖는 HDD 만곡(flexure)들을 포함한다. 광섬유 레이저들은 매우 긴 초점 길이들을 갖고 작은 스팟에 초점이 맞춰져, 광섬유 레이저들에 의한 원격 레이저 용접 능력들이 매우 개선될 수 있다. 1-2m 정도의 큰 이격(stand off)의 이점은 종래의 로봇 시스템들에 대해 가공 분야 종류(work area multifold)를 증가시킨다. 광섬유 레이저들을 구비한 이러한 원격 용접 스테이션들은 도어 패널의 용접, 자동차 차체 프레임 상의 모든 스팟 용접부 및 겹치기(lap) 용접부들의 다중 용접을 포함한다.
광섬유 레이저의 레이저 빔 품질(가장 작은 스팟 직경으로 초점을 맞추는 능력)은 다른 고체 상태 고출력 레이저들(예를 들어, Nd:YAG)보다 우수하다. 또한, 빔 품질이 더 좋기 때문에, 가공물에 초점을 맞추는 광학장치의 이격 거리들(stand-off distances)이 몇몇 응용예들을 위해 2 내지 4피트(feet)의 간극(clearance)을 달성하도록 확장될 수 있다. 이들은 광섬유 레이저들로 용접 응용예들을 전환하는 장점들 중 일부이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 이해되지 않는 것이 왜 표준 광섬유 레이저와 Nd:YAG 레이저로 동일한 레이저 변수들을 사용하여 용접된 티타늄 샘플들이 용접 광섬유 레이저 마무리에서 상당히 높은 그을음 함량을 생성하는지이다. 도 1a를 참조하면, 광섬유 레이저로 용접된 샘플이 더 심한 플라즈마가 형성되고 용접부의 에지들에서 및 용접부에 매립된 그을음 모두에서 높은 레벨의 그을음을 갖고 열악한 용접 품질이 되었고 시각적 및 화학적 분석으로 확인되었다. 광섬유 레이저 용접부에서 이러한 불행한 그을음 레벨은 의료 장치 산업계에서 허용할 수 없는 것이고 이전에는 이해되지 않았다. 도 1b를 참조하면, Nd:YAG 고체상태 레이저(solid state laser)로 용접된 샘플은 용접부의 에지들에서 최소 양의 그을음만을 생성하였다.
따라서, 더 높은 플라즈마 강도의 영향을 감소시키고 그 결과인 플라즈마의 오염 함량을 줄이도록 불활성 가스의 존재시 티타늄 또는 티타늄 합금 용접을 하기 위해 광섬유 레이저를 사용하는 개선된 시스템 및 방법이 필요하다.
본 발명의 특징은 용접 과정 중에 형성되는 플라즈마의 오염 함량을 줄이도록 불활성 가스의 존재시 티타늄 또는 티타늄 합금 용접에 영향을 주기 위해 광섬유 레이저를 사용하는 개선된 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특징은 커버 가스(cover gas) 및 용접 플라즈마와 레이저 빔의 상호작용을 줄이도록 선택된 파장에서 좁은 방출 대역폭을 갖는 광섬유 레이저를 제공하는 것이다.
본 발명은 광섬유 레이저에 의해 생성되는 용접의 플라즈마의 오염을 줄이기 위한 시스템 및 방법에 대한 것이다. 본 발명은 일시적인 정사각형 형상을 갖는 최상층(top hat) 빔 프로파일을 부가적으로 선호하는, 용접 재료에 작은 용융 영역으로 고밀도 빔을 적용하도록 최적 구성으로 광섬유 레이저를 형성한다. 광섬유 레이저로부터의 빔은 좁은(일례로서 ±0.5nm의) 대역폭으로 선택된 파장(일례로서 1064nm)에서 적용된다. 불활성 차폐 가스는 오염을 방지하기 위해 용접 영역 주변에서 직교류(cross-flow) 또는 글로브 박스 구성으로 사용된다. 불활성 차폐 가스는 가격 제한을 인식하면서 기술적으로 순수한 아르곤, 헬륨, 네온, 또는 크립톤일 수 있거나 또는 혼합물일 수 있다. 이 방법은 좁은 대역폭을 유지하면서 고밀도 빔을 위한 개구수(numerical aperture), 한 세트의 빔 확산 특성들을 유지하고, 최적 초점 스팟 사이즈를 계산하여 최적화된다. 이 시스템은 단일 레이저 입력을 사용하거나, 또는 하나 이상의 광섬유 레이저를 선택하도록 스위치를 사용하고 커플링 수단에 의해 결합되는 다중 레이저를 사용할 수 있다.
이 방법은 티타늄, 티타늄 합금 및 선택적으로 니켈 또는 구리와 같은 충전재 금속을 갖지 않는 금속 용접 재료에 작은 용융 영역에 고밀도 빔의 레이저 광을 적용하도록 최적 구성으로 광섬유 레이저를 형성하는 것으로 시작하는 다수의 단계를 포함한다. 레이저 광의 빔은 용접 영역에 용접부를 형성하도록 용접 재료에 좁은 대역폭으로 적용된다. 본 발명의 실시예의 응용예에 대한 최적의 좁은 대역폭은 1064nm±0.5nm이고, 특히 아르곤에 대해 1050.65와 1067.36nm, 헬륨에 대해 1066.76nm 또는 1082.91nm의 스펙트럼 라인들을 회피한다. 아르곤, 헬륨, 크립톤, 또는 네온과 같은 불활성 차폐 가스는 오염을 방지하기 위해 용접 영역 주변에서 직교류 또는 글로브 박스 구성으로 사용된다. 크립톤은 높은 상업적 비용으로 인해 선호하지 않고, 헬륨도 마찬가지인데, 이는 용접 후 누설 감시가 가능하도록 몇몇 응용예들에서 혼합물로서 적은 양으로 사용된다. 두 가스 모두 더 높은 전도성 특성들을 또한 갖는다.
또한 본 시스템 및 방법은 커버 가스의 스펙트럼 라인들과의 상호작용을 최소화하고 용접 중에 금속 용접 이온들의 스펙트럼들과의 상호작용을 최소화하기 위해 특정한 좁은 대역폭 광섬유 레이저의 생성을 선택적으로 포함한다. 하나 이상의 스펙트럼 라인이 회피될 필요가 있을 수 있다. 가스 혼합물이 커버 가스로 사용되거나 또는 금속 합금이 사용되는 경우에 몇몇 스펙트럼 라인들이 회피되어야 한다. 좁은 대역폭 광섬유 레이저와의 스펙트럼 상호작용은 회피되어야 한다.
본 방법은 고밀도 빔을 위한 적합한 개구수를 판정 및 유지하는 단계; 한 세트의 빔 확산 특성들을 설정 및 유지하는 단계; 및 최적 초점 스팟 사이즈를 계산하는 단계를 더 포함한다.
작은 용융 영역에 레이저 광의 고밀도 빔을 적용하기 위한 최적 구성은 빔 전달; 개구수; 스팟 사이즈; 공간 프로파일; 시간 프로파일(temporal profile); 펄스 지속시간; 펄스 반복율; 용접 스팟들의 중첩; 용접 고정구(fixture); 및 용접부 생성 속도를 포함하는 리스트로부터 하나 이상의 특성을 선택하여 결정된다. 적절히 적용되면, 최적화된 구성은 그을음없이 밝고 빛나고 산화물이-없는 표면 마무리를 생성한다.
레이저 빔 용접을 위한 본 발명의 시스템은 커버 가스로서 아르곤을 갖는 용접 영역에 1064nm±0.5nm의 좁은 대역폭의 레이저 광의 고밀도 빔을 적용하기 위한 최적 구성으로 배치된 공냉 펄스 모드 광섬유 레이저를 포함한다. 용접 영역은 용접될 가공물; 상기 용접이 그 안에 적용되는 작은 용융 영역; 및 가공물에 위치하는 작은 용융 영역에 용접부를 형성하기 위한 용접 재료를 추가로 포함한다. 용접 재료는 티타늄; 티타늄 합금; 또는 선택적으로 충전재 금속이 없는 비철 금속(non-ferrous metal)을 포함하고, 용접 마무리에 대한 모든 영향을 회피하기 위해 사용되는 스팟 사이즈에 대해 최적인 재료 두께로 적용된다. 600미크론(micron)의 스팟 사이즈를 사용하면서 300미크론의 두께를 갖는 티타늄 재료로 실험들이 수행되었다. 선택적으로, 산업용 품질의 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 차폐 가스가 용접부의 오염을 방지하기 위해 직교류로 용접 영역에 적용된다.
이 시스템은 단일 레이저 입력을 사용하거나, 또는 하나 이상의 광섬유 레이저를 선택하는 스위치를 사용하여 커플링 수단에 의해 결합된 다중 레이저를 사용할 수 있다.
본 발명의 상기한 것 및 다른 특징들 및 장점들이 유사한 도면부호들이 동일한 요소들을 지시하는 첨부한 도면들과 연계하여 하기의 상세한 설명을 읽어 명백해진다.
본 명세서 내에 포함되어 있음
도 1a는 종래의 넓은 방출 대역폭 광섬유 레이저(1070nm±10nm)와 Ar 커버 가스의 티타늄 용접의 도면이다.
도 1b는 Nd:YAG 고체 상태 레이저와 Ar 커버 가스의 티타늄 용접의 도면이다.
도 2는 아르곤 스펙트럼 라인들에 대한 Nd:YAG 레이저들과 광섬유 레이저에 대한 예시적인 방출 스펙트럼의 도면이다.
도 3은 광섬유 레이저 용접 시스템의 구성요소들의 블록도이다.
도 4는 다중 레이저가 스위칭 특징을 갖는 커플링 메커니즘에 의해 결합되는 광섬유 레이저 용접 시스템의 구성요소들의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 방법의 흐름의 순서도이다.
도 6은 아르곤 커버 가스를 사용하는 티타늄과의 용접 비교의 예시도이다.
이제 첨부한 도면들에 예시된 본 발명의 몇몇 실시예들을 상세히 참조한다. 가능한 경우에, 동일하거나 유사한 도면부호들이 동일하거나 유사한 부분들 또는 단계들을 나타내기 위해 도면들 및 상세한 설명에 사용된다. 도면들은 간략화된 형태이다.
상술한 바와 같이 간단한 대체(substitution) 중에 다른 모든 유사한 인자(factor)들을 사용하여 1070nm에서의 종래의 광섬유 레이저로 1064nm에서의 고체상태 Nd:YAG 레이저를 대체하고 아르곤(Ar) 커버 가스에서 용접할 때 놀랍게도 많은 그을음이 생성되었다. 이는 허용할 수 없는 것이었고 본 발명의 개발 중에 발명자들은 광섬유 레이저-물질 상호작용이 Nd:YAG 레이저-물질 상호작용들과 기본적으로 상이했는데 왜냐하면 광섬유 레이저로 발생하는 플라즈마가 Nd:YAG 레이저들로 생성되는 더 작고 적은 강도의 백색/노란색 스펙트럼 신호와 비교할 때 훨씬 크고 밝은 백색/청색 스펙트럼 신호를 보이기 때문임을 밝혀냈다.
도 2에서, 이 상호작용의 판정은 Nd:YAG 레이저와 광섬유 레이저의 파장들에 대한 아르곤의 스펙트럼(흡수/방출 라인들)을 작도하여 지지되었다. 이는 Ar 라인들이 1070nm의 광섬유 레이저 스펙트럼과 중첩되고 Nd:YAG 레이저 스펙트럼 내에는 선이 없음을 보인다. 이 조건을 회피하기 위해 새로운 광섬유 레이저가 1067.36nm의 아르곤 라인으로부터 정확히 멀어지게 이동하도록 1070nm 내지 1064nm의 중심 파장을 변환하게 구성되었다. 결과적으로, 제안된 광섬유 레이저는 커버 가스로서 아르곤을 사용하여 용접할 때 Nd:YAG 레이저를 사용하여 얻어지는 최소 그을음 생성 및 플라즈마 거동과 일치할 수 있음이 판정되었다. 그러므로, 티타늄 용접이 광섬유 레이저 용접 중에 플라즈마 영역에서 아르곤과 티타늄의 이온화된 입자들 간의 조합과 광섬유 레이저 방출 스펙트럼과 연계된다. 부가적으로, 광섬유 레이저-티타늄 용접 상호작용은 차폐에 다른 가스들 또는 혼합된 가스들, 더 낮은 펄스 피크 출력 레벨의 더 긴 펄스, 용접 플라즈마의 강도를 제한하기 위해 피크 출력 레벨의 감소와 함께 더 작은 스팟 사이즈를 사용하여 추가로 최소화될 수 있다.
도 3에서, 제안된 시스템이 광섬유 레이저 용접 시스템(10)의 구성요소들의 블록도로서 도시되어 있다. 광섬유 레이저(20)는 1064nm±0.5nm의 좁은 대역폭에서 고밀도 빔(22)을 보낸다. M2=38의 예시적인 상부 빔 프로파일 전파(propagation)가 광섬유 레이저의 출력에 대해 측정될 수 있다. 용접들은 1.25ms(밀리초)의 펄스 지속시간을 갖는 일시적 정사각형 형상으로 수행되지만 용접 업계에서 요구될 수 있는 임의의 범위의 다른 지속시간들이 사용될 수 있다.
빔(22)은 티타늄과 같은 용접 재료(28)가 가공물(24)에 용접부를 형성하는 것을 허용하는 작은 용융 영역(26)을 갖는 용접 영역(30)에 보내진다. 용접부는 사용 중 가공물이 움직이거나 레이저가 움직이거나 또는 둘 다에 따라 움직일 수 있다.
불활성 아르곤 차폐 가스는 직교류 영역(32)(또는 모든 구성요소들이 제어된 환경으로 글로브 박스에 배치될 수 있다)에 적용되고 이는 용접부의 오염을 방지하기 위해 용접 영역(30)에서 커버 가스로서 작용한다. 순도 99.996%의 상업용 등급의 아르곤이 최적으로 사용된다. 가스 차폐 유동 배향, 및 각도는 밝고 빛나고 산화물-없는 표면 마무리를 얻도록 최적화된다.
도 4에서 제안된 시스템은 도 3의 것과 유사한 광섬유 레이저 용접 시스템(50)의 구성요소들의 블록도로서 도시되었지만, 1064nm±0.5nm의 좁은 대역폭에서 고밀도 빔(68)을 보내도록 커플러(64)와 커플링 경로(62a, 62b 및 62c)들을 통해 여러 펄스 광섬유 레이저(60a, 60b 및 60c)들 중의 하나를 사용한다. 빔(68)은 티타늄과 같은 용접 재료(74)가 가공물(70) 상에 용접부를 형성하도록 하는 작은 용융 영역(72)을 갖는 용접 영역(76)에 보내진다.
불활성 차폐 가스, 바람직하게는 아르곤이 직교류 영역(78)에 적용되고(또는 모든 구성요소들이 제어된 환경에서 글로브 박스에 배치될 수 있음) 이는 용접부의 오염을 방지하도록 용접 영역(76)에 커버 가스로서 작용한다.
도 5에서, 본 발명의 방법 흐름의 순서도가 도시되어 있다. 이 흐름은 공냉 펄스 모드 광섬유 레이저의 선택으로 단계 100에서 시작한다. 레이저는 단계 102에서, 빔 전달; 개구수; 스팟 사이즈; 공간 프로파일; 시간 프로파일; 펄스 지속시간; 펄스 반복율; 용접 스팟들의 중첩; 용접 고정구; 및 용접 공정의 속도, 용접 재료 및 커버 가스 구성에 대해 수정함으로써 작업에 대해 '구성'된다. '구성' 단계 102는 이 시스템 및 방법의 특성들을 최적화하기 위해 이해되듯이 단계들 104, 106 및 108과 협력관계(symbiosis)로 수정될 수 있음을 알아야 한다. 이 단계에서 이루어진 설정들은 사용 중에 필요에 따라 이후의 단계들에서 재수정될 수 있다.
단계 102로부터, 흐름은 단계 104로 나아가고 여기서 티타늄과 같은 용접 재료가 가공물 상의 제 위치에 배치된다. 단계 104는 단계 100 및 102 전에 수행될 수 있으며; 이 단계의 중요성은 레이저 빔의 생성 전에 수행된다는 점에 있다.
도 5에 예시된 바와 같이, 이 방법의 흐름은 단계 104로부터 단계 106으로 나아가고 여기서 개구수가 가공물의 작은 용융 영역 내의 용접 재료의 위치에 근거하여 빔에 대해 결정된다. 그 다음에 흐름은 단계 106으로부터 단계 108로 나아가고, 여기서 한 세트의 '빔 확산' 특성들이 최대 최적화에 도달하도록 화살표로 도시한 바와 같이 단계 102와 연계하여 광섬유 레이저의 빔에 대한 파장 출력과 커버 가스 또는 가스들의 조합과, 선택적으로 용접될 비철 합금 간의 상호작용을 회피하게 설정된다. 시험된 실시예들은 티타늄을 포함하지만, 다른 것들이 이 시스템 및 방법에 의해 사용될 수 있다. 그 다음에 흐름은 단계 110으로 나아가고 여기서 최적 초점 스팟 사이즈가 정해지고 광섬유 레이저에 입력된다.
단계 110으로부터, 흐름은 단계 112로 나아가고 여기서 광섬유 레이저는 좁은 대역폭(여기서 최적 범위 밖에 있을 때 형성되는 것으로 밝혀진 오염물질들없이 용접의 플라즈마가 형성되도록 하는 선택된 아르곤 커버 가스로 인해 1064nm±0.5nm로 지정됨) 내에서 빔을 생성한다. 그 다음에 레이저 빔은 단계 114에서 작은 용융 영역에 보내지고 여기서 용접 재료가 가공물 상에 위치된다. 빔이 용접 재료에 작용할 때, 시스템은 단계 116에서 불활성 가스가 용융 영역 주변에서 직교류로 적용되는지 여부를 질의한다. 질의에 대한 응답이 "예"이면, 아르곤과 같이 스펙트럼 간섭을 회피하도록 시스템에 대해 지정된 불활성 가스가 단계 118에서 작업 영역에 걸쳐 직교류로 적용된다(또는 모든 구성요소가 제어된 환경, 예를 들어, 글로브 박스(아래에서 단계 120 참조)에 배치될 수 있음). 그러나, 단계 116에서 질의에 대한 응답이 "아니오"이면, 흐름은 단계 120으로 나아가고 여기서 모든 구성요소들은 제어된 불활성 가스 분위기 내에 배치된다.
단계 118 및 단계 120으로부터, 흐름은 단계 122로 나아가고 여기서 용접부가 가공물 상에 형성된다. 용접부가 형성된 후, 이 방법은 다른 용접이 수행될지에 대해 질의한다. 질의에 대한 응답이 "예"이면, 흐름은 단계 104로 복귀하고 여기서 용접 재료가 다음 용접 형성을 위해 제 위치에 배치된다. 그러나, 단계 124에서 질의에 대한 응답이 "아니오"이면, 흐름은 단계 126으로 나아가고 여기서 과정이 종료된다.
도 6에서, 용접 결과들의 예시도는 1070nm 광섬유 레이저 내에서 더 강한 플라즈마 거동과 더 높은 그을음 생성의 근본 원인이 1067.35nm에서 아르곤 흡수/방출 라인과 레이저 파장 출력 간의 상호작용로 인한 것임을 확인했다. 결과적으로, 이 발견과, 제안된 시스템들 및 방법들을 사용하여 Nd:YAG 레이저와 유사한 최소 그을음 생성의 개선된 거동이 이루어진다. 우수한 용접은 1064nm에서 좁은 대역폭 광섬유 레이저였다. 이는 레이저 빔, 커버 가스 및 용접 재료(티타늄) 간의 부가적 상호작용들을 회피했다. 본 발명의 방법 단계들을 따르면 다른 커버 가스들 및 용접 재료들에 대해 동일한 이점들이 가능하다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예들 중 하나 이상이 설명되었지만, 본 발명은 이러한 정확한 실시예들에 한정되지 않고, 다양한 변화들, 수정들, 및 적용들이 첨부한 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 또는 진의를 벗어나지 않고 당업자에 의해 그 안에서 실시될 수 있음이 이해될 것이다.
10: 광섬유 레이저 용접 시스템
20: 광섬유 레이저
22: 고밀도 빔
24: 가공물
26: 용융 영역
28: 용접 재료
30: 용접 영역
32: 직교류 영역

Claims (18)

  1. 선택된 파장에서 좁은 방출 대역폭의 레이저 광의 고밀도 빔을 적용하기 위한 최적 구성으로 배치되는 작동 광섬유 레이저;
    용접 영역; 및
    용접 중 용접부의 오염을 방지하기 위한 상기 용접 영역의 불활성 차폐 가스를 포함하고,
    상기 용접 영역은,
    용접될 가공물;
    내부에 상기 용접이 적용되는 작동 사용(operative use) 중의 작은 용융 영역; 및
    상기 용접부를 형성하기 위한 티타늄과 티타늄 합금 중 하나를 더 포함하는, 레이저 빔 용접 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성 차폐 가스는 아르곤, 헬륨, 크립톤 및 네온 중 하나를 포함하는 레이저 빔 용접 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 불활성 차폐 가스는 아르곤을 포함하는 레이저 빔 용접 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 불활성 차폐 가스는 헬륨을 포함하는 레이저 빔 용접 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성 차폐 가스는 제 1 가스로서 아르곤, 그리고 헬륨, 크립톤 및 네온 중 적어도 하나로부터 선택되는 제 2 가스를 포함하는 가스 혼합물인 레이저 빔 용접 시스템.
  6. 1064nm±0.5nm 근처의 선택된 파장에서 좁은 방출 대역폭의 레이저 광의 고밀도 빔을 적용하기 위한 다수의 작동 광섬유 레이저;
    용접 영역;
    용접부의 오염을 방지하기 위해 상기 용접 영역에 적용되는 불활성 차폐 가스;
    상기 다수의 광섬유 레이저 각각을 처리 광섬유에 커플링하기 위한 커플링 수단; 및
    상기 다수의 광섬유 레이저 중 하나를 선택하기 위한 스위칭 수단을 포함하고,
    상기 용접 영역은,
    충전재 재료 없이 용접되기 위한 티타늄을 포함하는 용접 재료; 및
    내부에 상기 용접이 적용되는 용융 영역을 더 포함하는 레이저 빔 용접 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 불활성 차폐 가스는 아르곤, 헬륨, 크립톤 및 네온 중 하나를 포함하는 레이저 빔 용접 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 불활성 차폐 가스는 아르곤을 포함하는 레이저 빔 용접 시스템.
  9. 충전재 재료가 없는 용접 재료에 용융 영역에 좁은 대역폭의 레이저 광의 고밀도 빔을 적용하기 위한 최적 구성으로 배치되는 작동 광섬유 레이저를 설정하는 단계;
    지정된 차폐 가스에 대한 스펙트럼 라인들을 설정하는 단계;
    상기 레이저 광의 빔에 대한 방출 스펙트럼을 선택하는 단계로서, 상기 레이저 광의 빔에 대한 상기 방출 스펙트럼은 상기 차폐 가스에 대한 상기 스펙트럼 라인들을 회피하는 상기 방출 스펙트럼을 선택하는 단계;
    용접부의 오염을 방지하기 위해 용접 영역 주변에 상기 차폐 가스를 사용하는 단계; 및
    상기 용접 영역에 용접부를 형성하도록 상기 용접 재료에 상기 레이저 광의 빔을 적용하는 단계를 포함하는 레이저 빔 용접 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 용접 재료의 이온들의 스펙트럼 레벨들을 설정하는 단계; 및
    상기 레이저 광의 빔에 대한 방출 스펙트럼을 선택하는 단계로서, 상기 레이저 광의 빔에 대한 상기 방출 스펙트럼은 상기 용접 재료의 상기 이온들의 상기 스펙트럼 레벨들을 회피하는 상기 방출 스펙트럼을 선택하는 단계를 더 포함하는 레이저 빔 용접 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 용접 재료는 티타늄 또는 티타늄 합금인 레이저 빔 용접 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 차폐 가스는 아르곤 또는 헬륨인 레이저 빔 용접 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 레이저 광의 빔에 대한 방출 스펙트럼을 선택하는 단계는 1064nm±0.5nm의 대역폭에서 상기 레이저 광의 빔을 선택하는 단계를 포함하고,
    상기 용접 재료는 티타늄 또는 티타늄 합금인 레이저 빔 용접 방법.
  14. 작은 용융 영역으로 레이저 광의 빔을 용접 재료에 적용하기 위한 최적 구성으로 광섬유 레이저를 설정하는 단계로서, 상기 용접 재료는 충전재 금속을 갖지 않는, 상기 광섬유 레이저를 설정하는 단계;
    용접 영역에 용접부를 형성하도록 상기 용접 재료에 1064nm±0.5nm의 대역폭에서 상기 레이저 광의 빔을 적용하는 단계; 및
    상기 용접부의 오염을 방지하기 위해 상기 용접 영역 주변에 차폐 가스를 사용하는 단계를 포함하는, 광섬유 레이저를 사용한 레이저 빔 용접 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 차폐 가스는 아르곤 또는 헬륨인 광섬유 레이저를 사용한 레이저 빔 용접 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 적용하는 단계는,
    상기 고밀도 빔에 대한 개구수를 판정 및 유지하는 단계;
    한 세트의 빔 확산 특성들을 판정 및 유지하는 단계; 및
    최적 초점 스팟 사이즈를 계산하는 단계를 더 포함하는 광섬유 레이저를 사용한 레이저 빔 용접 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 최적 구성은 빔 전달; 개구수; 스팟 사이즈; 공간 프로파일; 시간 프로파일; 펄스 지속시간; 펄스 반복율; 용접 스팟들의 중첩; 용접 고정구; 및 상기 용접의 속도를 포함하는 그룹으로부터 하나 이상의 특성을 선택하여 결정되는 광섬유 레이저를 사용한 레이저 빔 용접 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 가스는 아르곤이고 상기 티타늄 용접 재료 두께 및 상기 스팟 사이즈는 용접부의 시각적 특징에 대해 최적화된 광섬유 레이저를 사용한 레이저 빔 용접 방법.
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