KR20150041118A - 3d 이미징 용접 경로 제어와 관련된 자동화 초합금 레이저 클래딩 시스템 - Google Patents

3d 이미징 용접 경로 제어와 관련된 자동화 초합금 레이저 클래딩 시스템 Download PDF

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Abstract

사용으로-열화된 터빈 블레이드 및 베인 등의 초합금 구성 요소가 레이저 빔 용접에 의해 클래딩된다. 클래딩 적용 프로파일을 포함하는 용접/클래딩 경로는 구성 요소의 종래의 바람직하게는 실시간의 비-접촉 3D 치수 스캐닝 그리고 구성 요소에 대한 사양 치수 데이터와 획득된 치수 스캔 데이터의 비교에 의해 결정된다. 사양 치수 데이터에 그 치수를 일치시키도록 스캐닝된 구성 요소를 클래딩하는 용접 경로가 결정된다. 레이저 용접 장치는 바람직하게는 클래딩 충전재 재료 분배 장치와 협력하여 용접 경로를 실행하여 요구된 클래딩 프로파일을 적용한다. 일부 실시예에서, 용접된 구성 요소의 용접후 비-접촉 3D 치수 스캔이 수행되고, 용접후 스캔 치수 데이터는 사양 치수 데이터와 비교된다. 바람직하게는, 용접 경로 및/또는 클래딩 프로파일 적용은 용접전 및/또는 용접후 3D 치수 스캐닝과 관련된 피드백 루프로 수정된다.

Description

3D 이미징 용접 경로 제어와 관련된 자동화 초합금 레이저 클래딩 시스템{AUTOMATED SUPERALLOY LASER CLADDING SYSTEM WITH 3D IMAGING WELD PATH CONTROL}
관련출원에 대한 교차-참조
본 출원은 공동 소유의 동시-계속 출원 중인 발명의 명칭이 "표면 토폴로지 에너지 전달 보상과 관련된 초합금 레이저 클래딩(SUPERALLOY LASER CLADDING WITH SURFACE TOPOLOGY ENERGY TRANSFER COMPENSATION)"이고 2012년 9월 12자로 출원되고 출원번호 제13/611,034호가 할당된 미국 실용신안 특허 출원; 발명의 명칭이 "레이저 클래딩 시스템 충전재 재료 분배 장치(LASER CLADDING SYSTEM FILLER MATERIAL DISTRIBUTION APPARATUS)"이고 2012년 9월 12자로 출원되고 출원번호 제13/611,144호가 할당된 미국 실용신안 특허 출원; 그리고 발명의 명칭이 "3D 이미징 용접 경로 제어와 관련된 자동화 초합금 레이저 클래딩을 위한 방법(METHOD FOR AUTOMATED SUPERALLOY LASER CLADDING WITH 3D IMAGING WELD PATH CONTROL)"이고 2013년 7월 8자로 출원되고 출원번호 제13/936,395호가 할당되고 서류 번호가 제2013P06709US/2012E26552US인 미국 실용신안 특허 출원에 대한 우선권의 이익을 향유하고, 이들 출원의 모두가 여기에 참조로 합체되어 있다.
기술 분야
본 발명은 레이저 빔 용접에 의해 사용으로-열화된 터빈 블레이드 및 베인 등의 초합금 구성 요소를 클래딩하는 시스템 또는 방법에 관한 것이다. 용접/클래딩 경로는 구성 요소의 종래의 바람직하게는 실시간의 비-접촉 3D 치수 스캐닝(scanning) 그리고 구성 요소에 대한 사양 치수 데이터와 획득된 치수 스캔 데이터의 비교에 의해 결정된다. 사양 치수 데이터에 그 치수를 일치시키도록 스캐닝된 구성 요소를 클래딩하는 용접 경로가 결정된다. 레이저 용접 장치는 바람직하게는 클래딩 충전재 재료 분배 장치와 협력하여 용접 경로를 실행한다. 일부 실시예에서, 용접된 구성 요소의 용접후 비-접촉 3D 치수 스캔이 수행되고, 용접후 스캔 치수 데이터는 사양 치수 데이터와 비교된다. 바람직하게는, 용접 경로 및/또는 클래딩 적용은 용접전 및/또는 용접후 3D 치수 스캐닝과 관련된 피드백 루프로 수정된다.
가스 터빈 또는 다른 초합금 구성 요소의 "구조적" 수리는 통상적으로 적절한 합금 재료로써 손상된 재료를 교체하여 최초의 제조 구성 요소 사양에 근접한 강도 등의 성질(예컨대, 최초의 사양의 적어도 70%의 극한 인장 강도)을 성취하는 것으로서 인식되어 있다. 예컨대, 추가의 크래킹의 위험성이 감소되고 블레이드가 최초의 재료 구조 및 치수 사양으로 회복되도록 표면 크랙을 경험한 터빈 블레이드에 대해 구조적 수리를 수행하는 것이 바람직하다.
터빈 블레이드 등의 터빈 구성 요소를 제조하는 데 사용되는 니켈 및 코발트 계열의 초합금 재료의 수리는 완성된 블레이드 재료의 금속학적 성질로 인해 어렵다. 완성된 터빈 블레이드 합금은 전형적으로 주조후 열 처리 중에 강화되고, 이것은 후속의 구조적 용접을 수행하는 것을 어렵게 한다. 이러한 초합금 재료로 구성되는 블레이드가 동일 또는 유사한 합금의 충전재 금속과 용접될 때에, 블레이드는 새로운 구성 요소에 필적하는 초합금의 최초 강도 및 다른 재료 성질을 회복하도록 의도되는 후속의 열 처리 공정 중의 용접부 내에서의 그리고 그에 근접한 위치에서의 응고(용석으로서도 불림) 크래킹 및/또는 변형 시효(strain age)(재가열로서도 불림)에 취약하다.
하부의 초합금 기판을 열적으로 열화시키지 않으면서 초합금 충전재 재료를 용융시키려는 하나의 공지된 초합금 접합 및 수리 방법이 레이저 빔 마이크로 클래딩으로서도 불리는 레이저 빔 용접이다. 초합금 기판 재료와 호환 가능하거나 동일한 초합금 충전재 재료(종종 분말 충전재)가 용접 전에 기판 표면 상에 사전-위치되거나 클래딩 공정 중에 채널을 통해 가압 가스와 더불어 표면 상에 분무된다. 고정-광학 레이저(즉, 상대적인 병진 이외에, 레이저 및 기판이 레이저 빔 적용 중에 고정된 상대 방향을 가짐)에 의해 발생되는 집속된 레이저 광학 에너지의 "스폿(spot)" 영역이 충전재 재료를 액화시키고, 후속적으로 기판 표면 상에 클래딩 피착 층으로서 응고되는 충전재 및 기판 재료의 양호한 합체를 용이하게 할 정도로 충분히 기판 표면을 가열한다. 다른 공지된 전통적인 용접 공정에 비해, 레이저 빔 마이크로-클래딩은 기판의 용융에 대한 상대적으로 양호한 제어 그리고 이전에-설명된 응고 크래킹을 유발하는 경향을 감소시키는 급속 응고와 관련된 더 낮은 열 입력 공정이다. 레이저 용접/클래딩 중의 초합금 기판으로의 더 낮은 열 입력은 또한 이전에 설명된 용접후 열 처리 변형 시효 크래킹에 취약한 잔류 응력을 최소화한다. 레이저 클래딩 용접부가 전통적으로-형성된 용접부보다 우수한 구조적 장점을 갖지만, 실제적인 제조 및 수리 현실은 어떤 단일의 패스(single pass)로 적용되는 클래딩 피착에 의해 충전될 수 있는 것보다 큰 클래딩 표면 영역 및/또는 체적 범위를 요구한다.
초합금 구성 요소에 체적을 추가할 필요성을 충족시키기 위해, 기판 상의 레이저-클래딩 피착이 1-차원 또는 2-차원 어레이의 인접한 응고 클래딩 패스로부터 형성될 수 있다. 다수회의 레이저-용접 클래딩 패스 및 적층이 자동화 제어 하에서 적용되어 표면 치수 체적을 구축할 수 있다. 레이저-클래딩 피착의 어레이를 생성하는 것은 종종 열 영향 영역 재료 내의 피착 재료 및 하부 기판 내에 마이크로크랙 및 결함을 초래한다. 일부의 결함은 불충분한 국부 레이저 광학 에너지 열 입력이 있을 때에 공통적인 용융 부족(LoF: lack of fusion)과 관련된다. 종종, 터빈 블레이드 등의 기판이 블레이드의 최초 구조 치수를 회복하도록 동일한 체적의 초합금 충전재로써의 블레이드 기판 재료의 상실된 체적의 구조적 수리 충전을 요구한다. 공지된 레이저 클래딩 기술에서, 상실된 블레이드 기판 체적은 2-차원 충전재 용접 어레이의 개별적으로-적용된 레이저 클래딩 피착 또는 패스로써 충전된다. 레이저 빔 초점 위치 및 기판 표면은 일련의 인접한 중첩 범프 또는 도트(dot)와 유사하게 다음의 피착물을 용접하도록 단일의 피착물 형성 후에 자동화 제어 하에서 서로에 대해 이동된다. 공지된 다-차원 충전재 재료 피착 장비와 관련하여, (종종 분말 형태로 된) 충전재 입자의 층이 기판 표면 상의 층 내에 사전-위치되거나 레이저 "스폿" 투영 위치 위에서 가압 공기-급송 노즐을 통해 유도된다.
초합금 터빈 구성 요소 기판의 자동화 또는 반-자동화 레이저 용접 수리는 레이저 클래딩 경로가 구성 요소의 요구된 표면 부분 상에 응고 피착물을 적용하도록 추적 목적을 위한 각각의 부품 기하 형상의 한정을 요구한다. 구성 요소에서 측정된 실제의 기하 형상 윤곽 정보가 요구된 구성 요소 사양의 기하 형상 윤곽 정보와 비교된다. 비교는 응고 충전재를 요구하는 구성 요소의 과소 상태의 표면 부분을 식별한다. 비교 정보는 새롭게 충전된 부분이 요구된 사양 치수를 충족시키거나 초과할 것을 예측하여 레이저 클래딩 및 용접 경로를 프로그래밍하는 데 사용된다. 용접된 구성 요소의 새롭게 충전된 부분이 과소 상태로 남아 있으면, 구성 요소가 측정되어 제2 용접 경로로써 재용접되어야 한다. 1회 이상의 용접 경로의 적용 후에, 용접된 구성 요소가 용접 품질에 대해 검사된다. 용접 공정 후에 남아 있거나 용접 공정 중에 그에 의해 발생되는 보이드(void) 또는 크랙(crack)은 구성 요소의 사용을 부적절해지게 할 수 있고, 이러한 경우에 이전의 용접 활동 및 비용은 낭비된다. 용접후 검사가 부품이 사용 가능한 것을 나타내면, 임의의 용접후 과잉 재료가 공지된 금속 가공 공정에 의해 제거된다.
공지된 용접 공정에서, 구성 요소 또는 부품의 윤곽 기하 형상 정보는 전형적으로 카메라에 의해 수리 처리 전에 수집되어 대조 측정에 의해 한정된다. 자동화 용접 시스템의 기계 시각 서브시스템 내에 있을 수 있는 광학 카메라가 터빈 구성 요소 윤곽의 시각 이미지를 포착한다. 광학 대조가 구성 요소 윤곽 또는 점유 공간(footprint)을 한정하는 데 사용된다. 자동화 용접 시스템은 광학적으로 한정된 구성 요소 윤곽 및 구성 요소의 요구된 치수 사양 윤곽을 이용하여 구성 요소와 용접 스폿 사이의 상대 이동(즉, 이동 제어 작업 테이블 상에서의 부품 이동, 용접 장비의 이동 또는 이들 양쪽 모두)의 용접 경로를 수립한다. 용접 경로를 실행하는 용접 시스템은 광학 카메라 시스템에 의해 얻어진 실제로 한정된 윤곽 치수와 사양 치수 사이의 상실된 체적을 충전하도록 구성 요소 표면을 클래딩한다.
수리된 구성 요소의 기하 형상 및 윤곽을 한정하는 전통적인 광학 방법은 전문 부품 조명을 요구하고, 해상도 및 정밀도 면에서 부족하다. 광학 측정 방법은 단지 평면 2-차원 윤곽 정보를 발생시키고, 이 때에 높이 치수는 실질적으로 단지 음영 해상도에 의해 추측된다. 이와 같이, 용접 장치에 의해 실행되는 용접 경로는 단지 구성 요소의 2-차원 윤곽을 근사치로 계산한다. 충전재 높이 결정은 구성 요소의 사양 높이 치수를 얻는 데 필요한 연속 층들의 개수를 추산함으로써 용접 작업자 또는 자동화 용접 경로 프로세서에 의해 경험적으로 결정된다. 전통적인 광학 구성 요소 측정 방법은 물리적 상태 면에서의 구성 요소 부품 변화[예컨대, 열적 비틀림, 이동, 구성 요소 표면 및 용접부의 오정렬, 잘못된 용접 경로 또는 수리 중의 용접 결함(예컨대, 보이드 및/또는 크랙)의 발생]의 경우에 처리 장비를 조정하도록 피드백으로서 수리 중에 사용될 수 없다. 이전에 식별된 광학 측정 시스템 조명, 해상도 및 정밀도 부족 이외에, 이들은 용접 공정 중에 레이저 클래딩/용접 시스템에 의해 발생되는 연기 및 고강도 자외선(UV) 방출물을 통해 시각 이미지를 얻을 수 없다. 연기는 반사된 광학 카메라 조명을 산란시키고, 고강도 UV 방출물은 시각적 이미지를 포착할 수 있는 광학 카메라의 능력을 억압한다.
미국 특허 제5,504,303호는 다이아몬드 표면의 3D 치수 토폴로지 측정 정보를 얻기 위한 비-접촉 레이저 조면계의 사용을 제안하고 있다. 측정된 정보는 요구된 사양 정보와 비교된다. 후속적으로, 절단 레이저가 요구된 사양에 비해 과도하게 두꺼운 것으로 식별된 표면 부분을 절단한다. 절단된 표면은 후속적으로 표면이 이제 요구된 두께 사양을 충족시키는지를 결정하도록 레이저 조면계로써 재-스캐닝된다. 절단 및 스캐닝은 표면이 요구된 사양에 일치될 때까지 순차적으로 반복된다. 조면계 및 제거 시스템은 공통 레이저 장치를 이용할 수 있다는 것이 이러한 특허에서 추가로 언급되어 있다.
이와 같이, 구성 요소 치수 데이터를 실시간으로 획득하고 사양 치수 데이터와 획득된 치수 데이터를 비교하고 용접 패턴이 동적으로 결정되고 용접 공정 중에 일어나는 과도 변화에 따라 조정되도록 용접 패턴을 결정하여 결정된 용접 패턴에 따라 구성 요소 표면을 구축하는 터빈 구성 요소 레이저 클래딩 시스템 또는 방법에 대한 필요성이 관련 기술분야에서 존재한다. 이러한 과도 변화의 예는 열적 비틀림, 구성 요소 표면 및 용접 장치의 이동 및/또는 오정렬, 잘못된 용접 경로 또는 용접 공정 중의 용접 결함(예컨대, 보이드 및/또는 크랙)의 발생을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다.
구성 요소 표면의 후속의 용접후 측정을 실시간으로 수행하고 용접후 표면 측정 데이터가 요구된 사양 치수 데이터 및/또는 용접 품질(예컨대, 용접된 표면 내의 보이드 및/또는 마이크로크랙의 부존재)과 일치되는지를 결정하는 터빈 구성 요소 레이저 클래딩 시스템 또는 방법에 대한 또 다른 필요성이 관련 기술분야에서 존재한다. 이러한 필요성을 충족시키기 위해, 이러한 시스템 또는 방법은 바람직하게는 동적으로 용접 공정을 조정하여 용접된 표면이 요구된 사양에 따라 형성되도록 실시간 피드백 루프 내에 용접후 측정 및/또는 검사를 포함한다.
치수 데이터를 실시간으로 또는 순차적으로 획득하고 사양 데이터와 획득된 치수 데이터를 비교하고 용접 경로 및 용접 공정을 결정하여 결정된 용접 패턴에 따라 구성 요소 표면을 구축하고 기판에 대한 열적 열화를 유발하지 않으면서 충전재 층으로서 기판에 충전재 재료를 용착하는 광학 에너지를 용접 레이저로부터 충전재 재료 및 기판으로 전달함으로써 용접을 수행하는 터빈 구성 요소 레이저 클래딩 시스템 또는 방법에 대한 추가의 필요성이 관련 기술분야에서 존재한다. 열적 열화를 피하여야 하는 이러한 필요성을 충족시키기 위해, 이러한 시스템 또는 방법은 바람직하게는 구성 요소 표면 토폴로지를 기초로 하여 광학 에너지 전달을 변화시킨다.
레이저 용접 공정 중에 유발되는 연기로 자욱한 상태 및/또는 자외선 방출물에도 불구하고 치수 데이터를 획득하고 이러한 획득이 레이저 용접 공정과 관련하여 실시간으로 또는 순차적으로 일어나는지와 무관한 터빈 구성 요소 레이저 클래딩 시스템 또는 방법에 대한 또 다른 필요성이 관련 기술분야에서 존재한다.
따라서, 본 발명의 목적은 구성 요소 치수 데이터를 실시간으로 획득하고 사양 치수 데이터와 획득된 치수 데이터를 비교하고 용접 패턴이 동적으로 결정되고 용접 공정 중에 일어나는 과도 변화에 따라 조정되도록 용접 패턴을 결정하여 결정된 용접 패턴에 따라 구성 요소 표면을 구축하는 터빈 구성 요소 레이저 클래딩 시스템 또는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 과도 변화의 예는 열적 비틀림, 구성 요소 표면 및 용접 장치의 이동 및/또는 오정렬, 잘못된 용접 경로 또는 용접 공정 중의 용접 결함(예컨대, 보이드 및/또는 크랙)의 발생을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다.
본 발명의 또 다른 목적은 구성 요소 표면의 후속의 용접후 측정을 실시간으로 수행하고 용접후 표면 측정 데이터가 요구된 사양 치수 데이터 및/또는 용접 품질(예컨대, 용접된 표면 내의 보이드 및/또는 마이크로크랙의 부존재)과 일치되는지를 결정하는 터빈 구성 요소 레이저 클래딩 시스템 또는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 시스템 또는 방법은 바람직하게는 동적으로 용접 공정을 조정하여 용접된 표면이 요구된 사양에 따라 형성되도록 실시간 피드백 루프 내에 용접후 측정 및/또는 검사를 포함한다.
본 발명의 추가의 목적은 치수 데이터를 실시간으로 또는 순차적으로 획득하고 사양 데이터와 획득된 치수 데이터를 비교하고 용접 경로 및 용접 공정을 결정하여 결정된 용접 패턴에 따라 구성 요소 표면을 구축하고 기판에 대한 열적 열화를 유발하지 않으면서 충전재 층으로서 기판에 충전재 재료를 용착하는 광학 에너지를 용접 레이저로부터 충전재 재료 및 기판으로 전달함으로써 용접을 수행하는 터빈 구성 요소 레이저 클래딩 시스템 또는 방법을 제공하는 것이다. 열적 열화를 피하여야 하는 이러한 필요성을 충족시키기 위해, 이러한 시스템 또는 방법은 바람직하게는 구성 요소 표면 토폴로지를 기초로 하여 광학 에너지 전달을 변화시킨다.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저 용접 공정 중에 유발되는 연기로 자욱한 상태 및/또는 자외선 방출물에도 불구하고 치수 데이터를 획득하고 이러한 획득이 레이저 용접 공정과 관련하여 실시간으로 또는 순차적으로 일어나는지와 무관한 터빈 구성 요소 레이저 클래딩 시스템 또는 방법을 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적은 사용으로-열화된 초합금 터빈 블레이드 및 베인 등의 터빈 구성 요소가 레이저 빔 용접에 의해 클래딩되는 레이저 클래딩 시스템 또는 방법에 의해 성취된다. 클래딩 적용 프로파일을 포함하는 용접/클래딩 경로는 구성 요소의 종래의 바람직하게는 동적 실시간의 비-접촉 3D 치수 스캐닝 그리고 구성 요소에 대한 사양 치수 데이터와 획득된 치수 스캔 데이터의 비교에 의해 결정된다. 사양 치수 데이터에 그 치수를 일치시키도록 스캐닝된 구성 요소를 클래딩하는 용접 경로가 결정된다. 레이저 용접 장치는 바람직하게는 클래딩 충전재 재료 분배 장치와 협력하여 용접 경로를 실행하여 요구된 클래딩 프로파일을 적용한다. 일부 실시예에서, 용접된 구성 요소의 용접후 비-접촉 3D 치수 스캔이 수행되고, 용접후 스캔 치수 데이터는 사양 치수 데이터와 비교된다. 바람직하게는, 용접 경로 및/또는 클래딩 프로파일 적용은 용접전 및/또는 용접후 3D 치수 스캐닝과 관련된 실시간 피드백 루프로 동적으로 수정된다. 이러한 양호한 예시의 방식으로, 용접 패턴(경로 및/또는 프로파일)이 결정되고, 용접 공정 중에 일어나는 과도 변화에 따라 실시간으로 조정된다. 이러한 과도 변화의 예는 구성 요소의 열적 비틀림, 구성 요소 표면 및 용접 장치의 이동 및/또는 오정렬, 잘못된 용접 경로 또는 용접 공정 중의 용접 결함(예컨대, 보이드 및/또는 크랙)의 발생을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예는 레이저 용접 공정 중에 유발되는 연기로 자욱한 상태 및/또는 자외선 방출물에도 불구하고 치수 데이터를 획득하고, 이러한 획득은 레이저 용접 공정과 관련하여 실시간으로 또는 순차적으로 일어나는지와 무관하다.
본 발명의 실시예는, 기판 및 표면을 갖는 터빈 구성 요소에 충전재 층을 클래딩하는 시스템으로서, 그 상에 터빈 구성 요소 기판을 수용하고 작업 테이블 인터페이스를 갖는 작업 테이블 장치를 포함하는, 시스템을 특징으로 한다. 이러한 시스템은 터빈 구성 요소 기판의 표면을 스캐닝하여 구성 요소 치수 데이터를 획득하는 레이저 조면계 장치를 또한 갖는다. 조면계 장치는 터빈 구성 요소 표면으로부터 광학 에너지를 반사시키기 위한 스캐닝 레이저 빔을 발생시키는 스캐닝 레이저, 스캐닝 레이저 빔을 가로채서 기판 표면 상에 스캐닝 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러 그리고 스캐닝 레이저 및 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러에 결합되어 레이저와 미러 사이의 상대 이동을 유발하는 레이저 조면계 장치 구동 시스템 인터페이스를 갖는다. 이러한 시스템은 구성 요소 기판 상에 충전재 재료를 유입시키는 클래딩 충전재 재료 분배 장치를 추가로 갖고, 용접 패턴으로서 적용되는 구축된 충전재 층으로서 기판에 충전재 재료를 용착하는 광학 에너지를 터빈 구성 요소 기판 및 기판 상의 충전재 재료로 전달하는 레이저 용접 장치를 포함한다. 용접 장치는 광학 에너지를 전달하는 용접 레이저 빔을 발생시키는 용접 레이저, 용접 레이저 빔을 가로채서 기판 상에 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 용접 미러 그리고 용접 레이저 및 적어도 1개의 가동 용접 미러에 결합되어 미러와 레이저 사이의 상대 이동을 유발하는 용접 레이저 장치 구동 시스템 인터페이스를 갖는다. 구동 시스템이 작업 테이블, 조면계, 클래딩 충전재 재료 분배 장치, 레이저 용접 장치 및 이들의 각각의 구동 인터페이스에 동작 가능하게 결합되어 장치들을 동작시키고 이들 사이의 제어 상대 이동을 제공한다. 제어 시스템이 인용된 장치들 및 이들의 구동 인터페이스의 각각에 동작 가능하게 결합되어 레이저 조면계 장치로써 구성 요소 치수 데이터를 획득하고 구성 요소 사양 치수 데이터와 획득된 구성 요소 치수 데이터를 비교한다. 데이터 비교를 기초로 하여, 제어기는 구성 요소 기판 표면 부분을 클래딩하는 각각의 충전재 유입 및/또는 용접 패턴을 결정하여 사양 치수 데이터에 용접된 구성 요소 치수를 일치시킨다. 제어기는 충전재 장치 및 레이저 용접 장치가 이들의 각각의 패턴을 실행하게 하여 구성 요소 기판을 클래딩한다.
본 발명의 다른 실시예는, 기판 및 표면을 갖는 터빈 구성 요소에 충전재 층을 클래딩하는 시스템으로서, 그 상에 터빈 구성 요소 기판을 수용하고 작업 테이블 인터페이스를 갖는 작업 테이블 장치 그리고 또한 실시간으로 터빈 구성 요소 기판의 표면을 스캐닝하여 구성 요소 치수 데이터를 획득하는 레이저 조면계 장치를 포함하는, 시스템을 특징으로 한다. 조면계 장치는 터빈 구성 요소 표면으로부터 광학 에너지를 반사시키기 위한 스캐닝 레이저 빔을 발생시키는 스캐닝 레이저, 스캐닝 레이저 빔을 가로채서 기판 표면 상에 스캐닝 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러 그리고 스캐닝 레이저 및 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러에 결합되어 레이저와 미러 사이의 상대 이동을 유발하는 레이저 조면계 장치 구동 시스템 인터페이스를 갖는다. 이러한 시스템은, 구성 요소 기판 상에 충전재 재료를 유입시키는 클래딩 충전재 재료 분배 장치로서, 분배 구멍을 한정하는 외부 표면 그리고 분배 구멍과 연통되어 그 내에 충전재 재료를 보유하도록 구성되는 내부 챔버를 갖는 분배 장치 하우징, 내부 챔버로부터 분배 구멍을 통해 충전재 재료를 선택적으로 급송하도록 구성되는 급송 기구, 그리고 내부 챔버로부터 분배 구멍을 통해 충전재 재료를 선택적으로 급송하는 급송 기구에 결합되는 급송 기구 구동 시스템 인터페이스를 갖는, 클래딩 충전재 재료 분배 장치를 또한 포함한다. 이러한 시스템은 용접 패턴으로서 적용되는 구축된 충전재 층으로서 기판에 충전재 재료를 용착하는 광학 에너지를 터빈 구성 요소 기판 및 기판 상의 충전재 재료로 전달하는 레이저 용접 장치를 또한 갖는다. 용접 장치는 광학 에너지를 전달하는 용접 레이저 빔을 발생시키는 용접 레이저, 용접 레이저 빔을 가로채서 기판 상에 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 용접 미러 그리고 용접 레이저 및 적어도 1개의 가동 용접 미러에 결합되어 레이저와 미러 사이의 상대 이동을 유발하는 용접 레이저 장치 구동 시스템 인터페이스를 갖는다. 구동 시스템이 작업 테이블, 조면계, 클래딩 충전재 재료 분배 장치, 레이저 용접 장치 및 이들의 각각의 구동 인터페이스에 동작 가능하게 결합되어 장치들을 동작시키고 이들 사이의 제어 상대 이동을 제공한다. 제어 시스템이 전술된 장치들 및 이들의 구동 인터페이스의 각각에 동작 가능하게 결합되어 실시간으로 레이저 조면계 장치로써 구성 요소 치수 데이터를 획득하고 실시간으로 구성 요소 사양 치수 데이터와 획득된 구성 요소 치수 데이터를 비교한다. 비교를 기초로 하여, 제어기는 구성 요소 기판 표면 부분을 클래딩하는 각각의 충전재 유입 및/또는 용접 패턴을 결정하여 실시간으로 사양 치수 데이터에 용접된 구성 요소 치수를 일치시키고, 충전재 장치 및 레이저 용접 장치가 실시간으로 이들의 각각의 패턴을 실행하게 하여 구성 요소 기판을 클래딩한다.
본 발명의 다른 실시예는 기판 및 표면을 갖는 터빈 구성 요소에 충전재 층을 클래딩하는 시스템을 특징으로 한다. 이러한 시스템은 이동 제어 시스템에 의해 구동되고 그 상에 터빈 구성 요소 기판을 수용하고 작업 테이블 인터페이스를 갖는 가동 작업 테이블 장치를 갖는다. 이러한 시스템은 실시간으로 터빈 구성 요소 기판의 표면을 스캐닝하여 구성 요소 치수 데이터를 획득하는 레이저 조면계 장치를 갖는다. 조면계 장치는 터빈 구성 요소 표면으로부터 광학 에너지를 반사시키기 위한 스캐닝 레이저 빔을 발생시키는 스캐닝 레이저, 스캐닝 레이저 빔을 가로채서 기판 표면 상에 스캐닝 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러, 스캐닝 레이저 및 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러에 결합되어 레이저와 미러 사이의 상대 이동을 유발하는 레이저 조면계 장치 구동 시스템 인터페이스를 갖는다. 이러한 시스템은, 구성 요소 기판 상에 충전재 재료를 유입시키는 클래딩 충전재 재료 분배 장치로서, 분배 구멍을 한정하는 외부 표면 그리고 분배 구멍과 연통되어 그 내에 충전재 재료를 보유하도록 구성되는 내부 챔버를 갖는 분배 장치 하우징을 갖는, 클래딩 충전재 재료 분배 장치를 추가로 포함한다. 급송 기구가 내부 챔버로부터 분배 구멍을 통해 충전재 재료를 선택적으로 급송하도록 구성된다. 급송 기구 구동 시스템 인터페이스가 내부 챔버로부터 분배 구멍을 통해 충전재 재료를 선택적으로 급송하는 급송 기구에 결합된다. 레이저 용접 장치가 용접 패턴으로서 적용되는 구축된 충전재 층으로서 기판에 충전재 재료를 용착하는 광학 에너지를 터빈 구성 요소 기판 및 기판 상의 충전재 재료로 전달한다. 용접 장치는 광학 에너지를 전달하는 용접 레이저 빔을 발생시키는 용접 레이저, 용접 레이저 빔을 가로채서 기판 상에 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 용접 미러 그리고 용접 레이저 및 적어도 1개의 가동 용접 미러에 결합되어 레이저와 미러 사이의 상대 이동을 유발하는 용접 레이저 장치 구동 시스템 인터페이스를 갖는다. 이러한 시스템에서, 제2 레이저 조면계 장치가 레이저 용접 장치의 하류에 배향되어 클래딩된 터빈 구성 요소 기판의 표면을 스캐닝하여 용접후 구성 요소 치수 데이터를 획득한다. 구동 시스템이 작업 테이블, 조면계, 클래딩 충전재 재료 분배 장치, 레이저 용접 장치 및 이들의 각각의 구동 인터페이스에 동작 가능하게 결합되어 장치들을 동작시키고 이들 사이의 제어 상대 이동을 제공한다. 이러한 시스템은 또한 전술된 장치들 및 이들의 구동 인터페이스의 각각에 동작 가능하게 결합되어 실시간으로 레이저 조면계 장치로써 구성 요소 치수 데이터를 획득하고 실시간으로 구성 요소 사양 치수 데이터와 획득된 구성 요소 치수 데이터를 비교하고 치수 데이터의 비교를 기초로 하여 구성 요소 기판 표면 부분을 클래딩하는 각각의 충전재 유입 및/또는 용접 패턴을 결정하여 실시간으로 사양 치수 데이터에 용접된 구성 요소 치수를 일치시키고 충전재 장치 및 레이저 용접 장치가 실시간으로 이들의 각각의 패턴을 실행하게 하여 실시간으로 구성 요소 기판을 클래딩하고 구성 요소 사양 치수 데이터와 용접후 구성 요소 치수 데이터를 비교하는 제어 시스템을 특징으로 한다. 비교를 기초로 하여, 제어기는 구성 요소 기판 표면 부분을 클래딩하는 각각의 충전재 유입 및/또는 용접 패턴을 변경하여 실시간으로 사양 치수 데이터에 용접된 구성 요소 치수를 일치시킨다.
본 발명의 목적 및 특징은 여기에서 설명된 다른 특징과 관련하여 통상의 기술자에 의해 임의의 조합 또는 하위-조합으로 공동으로 또는 개별적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 개시 내용은 첨부 도면과 연계하여 다음의 상세한 설명을 고려함으로써 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 초합금 터빈 블레이드를 용접하는 터빈 구성 요소 용접 시스템의 하나의 실시예의 측면도이다.
도 2a는 도 1의 2-2를 따라 취해진 초합금 터빈 블레이드를 용접하는 터빈 구성 요소 용접 시스템의 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 초합금 터빈 블레이드의 상세 평면도로서 미가공 블레이드, 레이저 빔의 상류의 블레이드 상에 피착된 충전재 재료, 레이저 빔 내의 활동적으로 클래딩되고 있는 부분 그리고 레이저 빔 하류의 용접후 피착물을 도시하고 있다.
도 3은 클래딩될 구성 요소를 위한 작업 테이블, 용접전 스캐닝 레이저 조면계, 레이저 용접 시스템, 충전재 재료 분배 장치 및 용접후 스캐닝 레이저 조면계를 포함하는 자동화 레이저 클래딩 시스템의 예시 실시예의 개략도이다.
도 4는 도 3의 클래딩 시스템의 예시의 다층 레이저 용접 래스터링 패턴(rastering pattern)의 개략도이다.
도 5는 레이저 용접 시스템 빔의 래스터링 패턴 용접 경로 앞에서 기판 상에 충전재 재료를 분배하는 도 3의 충전재 재료 분배 장치의 개략 측면도이다.
도 6은 레이저 용접 시스템 빔의 래스터링 패턴 용접 경로 앞에서 기판 상에 충전재 재료를 분배하는 도 3 및 5의 충전재 재료 분배 장치의 개략 평면도이다.
도 7은 용접 시스템 레이저 빔의 래스터링 패턴 용접 경로의 제1 폭 앞에서 기판 표면 영역을 횡단하여 충전재 재료를 분배하는 충전재 재료 분배 장치의 하나의 실시예의 축 방향 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 폭보다 좁은 용접 시스템 레이저 빔의 래스터링 패턴 용접 경로의 제2 폭 앞에서 기판 표면 영역을 횡단하여 충전재 재료를 분배하는 도 7의 충전재 재료 분배 장치의 축 방향 단면도이다.
도 9는 선택적으로 변화 가능한-크기의 분배 구멍을 갖는 충전재 재료 분배 장치의 또 다른 예시 실시예의 부분 단면도이다.
도 10은 기판 표면에 적용되는 충전재 재료 조성을 선택적으로 변화시키는 복수개의 충전재 재료 호퍼(hopper) 또는 빈(bin)을 갖는 충전재 재료 분배 장치의 또 다른 예시 실시예의 개략 부분 단면도이다.
도 11은 3D 스캐닝 및 용접을 위한 공통 레이저 광원을 공유하는 스캐닝 레이저 조면계 및 레이저 용접 시스템의 개략도이다.
도 12는 어느 레이저 빔이 용접 공정 중에 이용될지를 선택적으로 변경하는 광 섬유 튜브 코어 및 외부 클래딩 광학 층에 광학적으로 결합되는 상이한 레이저 광원을 갖는 레이저 용접 시스템 장착 광 섬유 튜브 및 가변 초점 렌즈의 개략도이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 동일한 도면 부호가 가능하면 도면에 공통인 동일한 요소를 지시하는 데 사용되었다.
다음의 설명을 고려한 후에, 통상의 기술자라면 본 발명의 개시 내용이 사용으로-열화된 초합금 터빈 블레이드 및 베인 등의 터빈 구성 요소가 레이저 빔 용접에 의해 클래딩되는 레이저 클래딩 시스템 또는 방법에서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 명확하게 인식할 것이다. 클래딩 적용 프로파일을 포함하는 용접/클래딩 경로는 구성 요소의 종래의 바람직하게는 동적 실시간의 비-접촉 3D 치수 스캐닝 그리고 구성 요소에 대한 사양 치수 데이터와 획득된 치수 스캔 데이터의 비교에 의해 결정된다. 사양 치수 데이터에 그 치수를 일치시키도록 스캐닝된 구성 요소를 클래딩하는 용접 경로가 결정된다. 레이저 용접 장치는 바람직하게는 클래딩 충전재 재료 분배 장치와 협력하여 용접 경로를 실행하여 요구된 클래딩 프로파일을 적용한다.
여기에서 설명된 일부 실시예에서, 용접된 구성 요소의 용접후 비-접촉 3D 치수 스캔이 수행되고, 용접후 스캔 치수 데이터는 사양 치수 데이터와 비교된다. 바람직하게는, 용접 경로 및/또는 클래딩 적용은 용접전 및/또는 용접후 3D 치수 스캐닝과 관련하여 실시간 피드백 루프로 동적으로 수정된다. 이러한 양호한 예시의 방식으로, 용접 패턴이 동적으로 결정되고, 용접 공정 중에 일어나는 과도 변화에 따라 실시간으로 조정된다. 이러한 과도 변화의 예는 구성 요소의 열적 비틀림, 구성 요소 표면 및 용접 장치의 이동 및/또는 오정렬, 잘못된 용접 경로 또는 용접 공정 중의 용접 결함(예컨대, 보이드 및/또는 크랙)의 발생을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다.
용접 공정은 기판에 대한 열적 열화를 유발하지 않으면서 충전재 층으로서 기판에 충전재 재료를 용착하는 광학 에너지를 용접 레이저로부터 충전재 재료 및 기판으로 전달함으로써 성취된다. 여기에서 설명된 실시예에서, 구성 요소 기판의 열적 열화는 균일한 에너지가 기판 및 충전재 재료로 전달되도록 구성 요소 기판 토폴로지를 기초로 하여 광학 에너지 전달을 변화시킴으로써 피해진다. 본 발명의 실시예에서, 균일한 에너지 전달은 용접 공정 중에 기판 및 용접 레이저 빔의 상대 이동 속도를 변화시키는 제어 기능, 용접 레이저 파워 출력을 변화시키는 제어 기능, 서로에 대해 용접 레이저 빔 및 기판을 래스터링하는 제어 기능, 용접 패턴 경로를 따라 서로에 대해 기판 및 용접 레이저 빔을 병진(translation) 및 진동(oscillation) 이동시키는 제어 기능, 충전재 재료 조성, 유입 속도 또는 분산 패턴을 변화시키는 제어 기능 그리고 폐쇄 피드백 루프로 된 제어 시스템으로써 에너지 전달을 감시하고 감시된 에너지 전달을 기초로 하여 에너지 전달 속도를 변화시키는 제어 기능 중 하나 이상에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 실시예는 레이저 용접 공정 중에 유발되는 연기로 자욱한 상태 및/또는 자외선 방출물에도 불구하고 치수 데이터를 획득하고, 이러한 획득은 레이저 용접 공정과 관련하여 실시간으로 또는 순차적으로 일어나는지와 무관하다.
자동화 레이저 클래딩 시스템(15)의 예시 실시예가 도 1, 2a 및 2b에 도시되어 있다. 초합금 터빈 블레이드(20) 등의 터빈 구성 요소는 새로운 블레이드의 점선으로 표시되어 있는 요구된 블레이드 팁 사양 치수(20S)에 비해 사용으로-열화 및 마모된 팁 표면(20A)을 갖는다. 더 구체적으로, 도 2b에서, 용접 레이저 빔의 진동 스캔(680)의 상류의 블레이드 팁 스퀼러(squealer)(20A)의 부분은 사양 폭(dS)보다 좁은 측정 치수 폭(dA)을 갖는다. 마모된 팁 표면(20A) 상에 피착되는 분말 충전재(F)는 용접 레이저 빔의 진동 스캔(680)에 의해 구성 요소 기판 팁 표면에 용착된다. 빔(680)의 연속 래스터 레이저 용접 패스는 측방으로 접합된 피착물(21-23)을 형성하여 사양 폭(dS)보다 약간 넓은 폭(dD)을 갖는 연속 충전재 층 피착물(D)을 형성한다. 통상적으로, 블레이드의 만족스러운 사후 용접 검사 후에, 과도한 폭이 연삭 등의 공지된 금속 가공 공정에 의해 제거된다. 화살표 W는 기판(20)에 대한 레이저 빔(680)의 이동 방향을 나타낸다. 따라서, 레이저 빔(680)에 대한 기판의 이동 방향은 화살표 W의 방향과 반대일 것이다. 양호한 실시예에서, 레이저 용접 공정은 방향 W로 한정된 경로를 따라 실시간으로 연속적으로 그리고 동적으로 수행된다.
도 3(그리고 도 4 및 5에 도시된 대응하는 세부 사항)은 클래딩될 구성 요소 기판(20)을 위한 작업 테이블(30), 용접전 스캐닝 레이저 조면계(50), 레이저 용접 시스템(60), 충전재 재료 분배 장치(70) 그리고 선택 사항의 용접후 스캐닝 레이저 조면계(80)를 포함하는 자동화 레이저 클래딩 시스템(15)의 예시 실시예의 개략도이다. 더 구체적으로, 클래딩 시스템(15)은 터빈 블레이드(20) 또는 다른 터빈 구성 요소 기판이 부착되는 작업 테이블(30)을 포함한다. 선택 사항의 작업 테이블 이동 제어 시스템(35)이 도시된 X, Y 및 Z 좌표에서 또는 어떤 다른 단축이나 다축 좌표계에서 작업 테이블(30)을 이동시키는 데 사용된다. (도 1에서) 점선으로 개략적으로 도시된 클래딩 시스템 갠트리(gantry)(40)가 선택 사항으로 도시된 X, Y 및 Z 좌표에서 또는 어떤 다른 단축이나 다축 좌표계에서 작업 테이블(30)을 이동시키도록 갠트리 이동 제어 시스템(45)에 결합된다. 이동 제어 시스템(45 또는 35) 중 한쪽 또는 양쪽 모두가 용접 클래딩 패턴이 기판 표면 상에 형성될 수 있도록 갠트리(40)와 기판(20) 사이의 상대 이동을 부여하는 데 사용된다.
갠트리(40)는 기판(20)의 3D 치수 데이터를 획득하는 용접전 비-접촉 레이저 조면계(50), 용접 레이저 빔(680)을 발생시키는 레이저 용접 장치(60) 그리고 기판 표면 상에 충전재(F)를 선택적으로 피착하고 결국 용접 레이저 빔에 의해 용착되어 응고 피착물(D)을 형성하는 충전재 재료 분배 시스템(70)을 포함한다. 선택 사항의 용접후 비-접촉 레이저 조면계(80)가 용접후 치수 데이터를 획득한다. 클래딩 시스템(15)은 바람직하게는 인간 작업자에 의한 용접 장치 및 그 용접 방법의 감시, 감독 및 변경을 위한 인간 기계 인터페이스(HMI: human machine interface)를 갖는 제어기(90)의 제어 하에서 동작된다. 충전재 분배 시스템(70)의 구성 및 동작은 여기에서 이전에 인용된 미국 특허 출원 제13/611,144호에 기재되어 있다. 충전재 재료 분배 장치(70)는 공지된 클래딩 시스템 및 방법에 의해 발생되는 일련의 직렬로 피착된 용접 패턴 또는 여기에서 이전에 인용된 미국 특허 출원 제13/611,034호에 기재된 레이저 용접 시스템(60) 및 그 방법에 의해 수행되는 다-차원 래스터링 연속 용접 패턴인지와 무관하게 용접 패턴 경로를 횡단한 충전재 재료의 균일한 분배를 용이하게 한다.
도 1 및 3은 갠트리(40), 레이저 용접 장치(60) 및 충전재 재료 분배 장치(70)를 개략적으로 도시하고 있다. 용접 장치(60)는 미국 특허 출원 제13/611,034호에서 개시된 형태의 연속 경로 용접 레이저 클래딩 용접 장치이다. 도 2a에서와 같이, 클래딩 시스템(15)은 초합금 재료 터빈 블레이드 또는 베인 등의 터빈 구성 요소 기판(20)이 부착되는 작업 테이블(30)을 포함한다. 선택 사항의 작업 테이블 이동 제어 시스템(35)이 도시된 X, Y 및 Z 좌표에서 또는 어떤 다른 단축이나 다축 좌표계에서 작업 테이블(30)을 이동시키는 데 사용된다. 충전재 재료 분배 장치(70)는 용접 장치(60)의 래스터 패턴과 일치되도록 다-차원(여기에서는 2차원) 패턴으로 기판(20)의 표면을 용접하는 데 적절한 분말 충전재 재료(F)를 유입시킨다. 예컨대, 기판이 초합금이면, 충전재 재료는 종종 동일하거나 호환 가능한 합금의 분말이다. 분배 시스템(70)의 충전재 재료 급송 속도는 전기 모터 구동부일 수 있는 충전재 구동 시스템(735)에 의해 제어된다. 분배 시스템(70)은 기판(20)에 대해 주입 충전재 재료 분말 적용 영역을 이동시키는 그 자체의 독립적인 이동 제어 시스템(736)을 가질 수 있다. 충전재 재료 분배 시스템 장치(70)의 구성이 레이저 용접 장치(60)의 일반적인 시스템 설명에 후속하여 더 상세하게 설명될 것이다.
용접 장치(60)는 기판(20)의 표면 및 충전재 재료(F)를 가열하는 레이저 빔(680)의 광학 에너지 공급원을 제공하는 선택 사항의 가변 초점(dF)의 렌즈 시스템(641) 또는 파워 출력(dP)을 갖는 레이저(640)를 포함한다. 용접 시스템(60)은 각각의 구동부(662, 664, 666)의 제어 하에서 경사(tilt)(T), 팬(pan)(P) 및 회전(R) 축으로서 도시된 단축 또는 다축 이동이 가능한 미러(660)를 보유한 가동 미러 시스템(650)을 또한 갖는다. 공지된 제어기(90)의 제어 하에 있는 구동부(662, 664, 666)는 공지된 구성의 전동 이동 제어 시스템의 일부일 수 있거나 공지된 검류계 내에 포함될 수 있다. 대체예에서, 빔은 위에서-설명된 축 이동의 각각을 성취하도록 단일(또는 다수개)의 이동 축을 갖는 다중 미러에 의해 가로채일 수 있다.
제어기(90)는 독립형 제어기, 프로그래밍 가능한 논리 제어기 또는 개인용 컴퓨터일 수 있다. 제어기(90)는 또한 작업 테이블(30)의 이동 제어 시스템(35), 갠트리(40)의 이동 제어 시스템(45), 동력식 충전재 재료 분배 시스템(70)의 구동부(735) 및/또는 선택 사항의 동력식 충전재 재료 분배 시스템의 구동부의 이동 제어 시스템(736), 및/또는 레이저(640)의 가변 초점(dF) 및/또는 동력 출력(dP) 중 하나 이상을 제어할 수 있다. 제어기(90)와 관련된 공지된 개방 및/또는 폐쇄 피드백 루프가 구동부(35, 45, 735, 736, 662-666), dF 및 dP 중 하나 이상과 관련될 수 있다. 기판 및 충전재로의 레이저 빔 광학 에너지 전달이 또한 폐쇄 피드백 루프로 감시될 수 있고 그에 의해 제어기가 감시된 에너지 전달 속도를 기초로 하여 에너지 전달 속도를 변화시킬 수 있다. 인간 기계 인터페이스(HMI)는 용접 동작을 감시하고 및/또는 용접 동작을 수행하는 지시를 제공하는 데 사용될 수 있다.
용접 시스템(60)을 동작시킬 때에, 레이저(640)의 출력 빔(680)이 미러(660)(또는 다중 미러)로부터 반사되어 구성 요소 기판(20) 상으로 입사되고, 이것은 기판 및 충전재 재료(F)로 광학 에너지를 전달한다. 기판(20) 및 충전재 재료(F)의 양쪽 모두가 전달된 광학 에너지를 흡수하여 충전재 재료를 용융시키고 기판 표면을 침윤시키고 서로에 용융된 충전재 및 기판 표면을 용착하여 응고 피착물(D)을 형성한다. 도 3 및 4를 참조하면, 기판(20) 및 레이저 빔(680)은 작업 테이블의 구동 시스템(35), 갠트리의 구동 시스템(45) 및/또는 가동 미러 시스템(650)의 구동부(662, 664, 666) 중 임의의 하나 이상의 제어 시스템(90)의 결합에 의해 병진 경로를 따라 서로에 대해 이동되어 연속 용접 클래딩 층 또는 피착물(D)을 형성한다. 가동 미러 시스템(650)이 상업적으로 이용 가능한 레이저 검류계 시스템 내에 포함될 때에, 기판(20)과 레이저 빔(680) 사이의 상대 이동 그리고 또한 레이저 광학 에너지 전달 속도가 상대적인 병진 및 진동의 양쪽 모두에 대해 검류계 미러(660)(또는 다중 미러)를 이동시킴으로써 변화될 수 있다. 레이저 빔(680)과 기판(20)/충전재 재료(F) 사이의 상대 이동은 공지된 비진동식 레이저 클래딩 시스템으로써 가능하지 않은 용착 균일성을 위해 병진 운동의 선행 모서리[예컨대, 도 4 및 5에서의 용접 라인(21)의 우측 선행 모서리]에서 연속 용융 용접 라인을 유지한다.
임의의 빔 초점 영역에서 흡수되는 용접 레이저(680)의 광학 에너지는 초점 지속 시간에 비례하여 변화된다. 비-제한 예에 의해, 레이저 빔(680)의 초점 지속 시간 및 비례하여 흡수된 에너지는 다음의 방식으로 변화될 수 있다. 즉, (ⅰ) 레이저 빔(680)이 용접 병진 경로(21)에 평행하게 또는 그를 횡단하여(예컨대, 211) 진동될 수 있고; (ⅱ) 진동 또는 병진 속도가 변화될 수 있고; (ⅲ) 레이저 파워 강도(dP) 또는 초점(dF)이 연속적으로 또는 펄스 변조에 의해 변화될 수 있다. 이와 같이, 레이저 빔(680)의 초점 지속 시간을 동적으로 변화시킴으로써, 기판 및 충전재(F)로의 에너지 전달 속도가 용접 라인 병진 경로를 따라 변화되고, 그에 의해 균일한 에너지 전달이 국부적인 토폴로지 변화와 무관하게 전체 용접부 내에서 유지된다.
도 3 및 4에 도시된 것과 같이, 클래딩 층은 단일 래스터의 선형 용접부(21) 또는 2-차원 용접 어레이의 다수개의 인접한 선형 용접부(21, 22, 23)를 포함할 수 있다. 각각의 패스에 대한 병진 방향이 도시된 것과 같이 순차적으로 역전될 수 있다. 각각의 패스에 대한 진동 방향은 각각 각각의 패스(21, 22, 23)에 대해 211, 221, 231로서 병진 방향에 순수하게 횡단될 수 있다. 이전의 패스의 측면에 대한 진동의 기간이 용착을 보증하도록 증가될 수 있다. 다수개의 클래딩 층이 도 4의 내부 또는 외부로의 방향(WⅠ, WⅡ, WⅢ)으로 층들을 순차적으로 교대시킴으로써 또는 심지어 좌우측 방향 이외의 방향 예컨대 좌우 방향으로부터 90˚만큼의 방향으로 병진의 방향을 변경함으로써 서로 상에 적용될 수 있다. 이들 다-차원 래스터링 패턴의 모두는 충전재 재료 및 기판 상에 집속되는 레이저 빔 앞에서 또는 그와 연계하여 기판 표면 상에서의 충전재 재료의 균일한 분배를 요구한다. 충전재 분배 시스템(70)은 특정한 클래딩 동작에 요구되는 어떠한 가변 크기의 다-차원 용접 패턴 "점유 공간"이라도 충전재 재료의 균일한 분배를 용이하게 한다.
도 5 및 6에서, 충전재 재료 분배 시스템(70)은 레이저 빔(680)의 래스터링 패턴의, 도 4의 병진 경로(21) 방향 및 진동 경로(211) 방향 화살표 앞에서 분말 충전재 재료(F)를 분배한다. 이러한 실시예에서, 충전재 분배 시스템(70)은 이동 방향 W로 레이저 빔(680)과 동시에 이동된다. 대체예에서, 레이저 빔(680) 및 충전재 재료 분배 시스템(70)은 서로에 대해 고정된 위치에서 유지될 수 있고, 한편 기판(20)은 화살표 W에 대해 반대 방향으로 이동된다.
도 5는 또한 레이저 용접 시스템(60)과 유사하게 기능하는 공지된 레이저 조면계(50, 80) 내의 주요 구성 요소의 더 상세한 구성을 도시하고 있다. 각각의 조면계(50, 80)의 각각은 대응하는 레이저 광원(540, 840), 대응하는 레이저 광원에 의해 발생된 레이저 빔의 방향을 변경하도록 제어기(90)의 제어 하에서 동작 가능한 이동 미러(550, 850) 그리고 검출기(560, 860)를 갖는다. 바람직하게는, 조면계(50, 80)의 각각은 이들의 각각의 검출기(560, 860)의 각각과 관련되는 공지된 구성의 광학 필터(570, 870)를 갖는다. 광학 필터(570, 870)는 레이저 용접 중에 발생되는 반사된 전자기 주파수의 주파수 범위를 여과하여 검출기 노이즈를 감소시킨다. 공지된 광학 필터는 조면계 스캐닝 데이터 처리 전에 검출기 출력 주파수를 여과하는 코팅 렌즈 또는 전자-광학 필터 등의 기계-광학 여과 장치를 포함할 수 있다.
충전재 재료 분배 시스템(70)의 예시 실시예가 도 7-10에 도시되어 있다. 분배 시스템(70)은 내부 공동(720) 그리고 충전재 재료가 배출되는 복수개의 충전재 재료 분배 구멍(731-736)(이후에서 "구멍"으로서 불림)을 한정하는 하우징(710)(여기에서 튜브형)을 갖는다. 6개의 구멍이 이러한 예시 실시예에서 도시되어 있지만, 이들의 어레이 패턴 및 크기는 요구된 충전재 재료 분배 패턴을 제공하도록 선택적으로 변화될 수 있다. 구멍 어레이 패턴은 예컨대 도 7-10에 도시된 것과 같은 선형 패턴 또는 임의의 요구된 다각형 패턴 예컨대 직사각형, 사다리꼴 등일 수 있다. 회전 오거(auger)(740)의 기계 급송 기구가 하우징(710) 내에 장착되고, 충전재 재료의 축 방향 유동에 대한 한계를 설정하는 전방 밀봉부(742) 및 후방 밀봉부(744)를 갖는다. 이와 같이, 충전재 분배 유동 폭은 구멍(731, 736)의 최대 간격에 의해 한정된다. 오거(740)는 제어기(90)의 제어 하에서 분배 구동 시스템(735)에 의해 회전되고, 가압 공기의 도움 없이 또는 대체예에서 요구된 또는 수용 가능한 충전재 재료 분배 패턴을 방해하지 않는 제한된 양의 가압 공기의 도움으로써 공급 호퍼(750)로부터 구멍 어레이(731-736)로 충전재 재료를 전달한다. 불활성 가스가 용접 공정 중에 산화 격리를 위해 여전히 요구되지만, 그 가스는 예컨대 용접 격리 챔버 내에 독립적으로 공급될 수 있다. 대체예에서, 용접 플럭스가 이러한 차폐 기능을 제공하도록 분말 충전재 금속과 혼합되거나 독립적으로 급송될 수 있다. 가압-공기 보조식 충전재 급송의 부존재는 가스 유동 와류가 충전재 재료 분배 균일성을 방해하거나 충전재 클럼핑을 유발할 잠재성을 없앤다. 충전재 재료 급송 속도는 오거(740)의 회전 속도를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 전체 급송 속도는 분배 구멍(731-736)의 치수(여기에서 나중에 설명됨) 또는 오거 나사산 패턴의 치수를 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
충전재 분배 시스템(70)의 급송 폭은 하우징(710) 내에서의 오거(740)의 축 방향 위치를 변화시킴으로써 선택적으로 변화될 수 있다. 도 7 및 8을 비교하면, 급송 폭은 오거(740)로부터 1개 이상의 구멍(731, 732)을 격리함으로써 좁아진다. 충전재 재료 분배는 또한 도 9에 도시된 것과 같이 분배 구멍 크기를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 여기에서, 구멍(761, 762) 등을 갖는 오리피스 판(760)이 하우징(710) 내의 더 큰 대응하는 구멍(731, 732) 등을 덮는다. 비-제한 예로서 개별적으로 나사산이 형성된 오리피스 및 조정 가능한 셔터를 포함하는 다른 공지된 구멍 크기-변화 기구가 오리피스 판(760)에 대해 대체될 수 있다.
도 10은 배출 밸브(751A-C)에 의해 그와 각각 개별적으로 연통되는 복수개의 호퍼(750A, 750B, 750C) 내에 보유되는 상이한 충전재 재료 조성물의 선택적인 배출을 용이하게 하는 충전재 분배 시스템(70)의 대체 실시예를 도시하고 있다. 배출 밸브는 제어기(90)의 제어 하에서 하우징(710) 내로 충전재 재료를 선택적으로 방출한다.
도 11의 대체 실시예에서, 레이저 용접 장치(60) 또는 레이저 조면계(50, 80) 중 2개 이상이 그 출력 빔이 이동 미러 시스템(550, 650, 850) 중 2개 이상에 의해 반사되는 공통 레이저 광원(640)을 공유한다. 레이저 광원(640) 및 그 집속 시스템(641)은 레이저 빔 스폿 및/또는 방향을 다중화, 집속 및 재유도하도록 제어기(90)에 동작 가능하게 결합되는 레이저 구동 시스템(642)을 포함할 수 있다. 대체예에서, 제어기(90)에 동작 가능하게 결합되는 이동 미러 시스템(550, 650, 850)은 레이저 빔 방향을 다중화 또는 재유도하는 데 이용될 수 있다. 공유된 레이저 광원 주파수, 파워 출력, 스폿 크기, 조정 등은 용접 빔 또는 치수 스캐닝 빔으로서 그 특정 적용 분야에 대해 선택적으로 변화될 수 있다. 클래딩 시스템이 용접전 치수 스캐닝, 용접 및 선택 사항의 용접후 치수 스캐닝을 순차적으로 수행하면, 공통 레이저 광원이 모든 3개의 순차적인 기능에 이용될 수 있다. 실시간으로 동적으로 동작 가능한 스캐닝 시스템에서, 임의의 공유된 레이저 광원이 공유 장치들 사이에서 다중화되어야 한다.
일부의 클래딩 적용 분야에서, 클래딩 동작의 상이한 부분에 대해 상이한 용접 레이저 빔 성질을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 제1 세트의 레이저 파워 강도 및/또는 주파수 범위 성질이 미가공 기판 상의 초기의 클래딩 층 피착물에 대해 최적화될 수 있고, 한편 제2 세트의 성질이 초기의 층 위의 후속의 피착물 층에 대해 최적화될 수 있다. 제3 세트의 성질이 예컨대 인접한 용접 비드의 모서리 경계를 따라 상이한 표면 토폴로지에 대해 최적일 수 있다. 용접 레이저 출력 성질을 동적으로 재구성하는 대신에, 특정한 세트의 출력 성질에 대해 각각 구성되는 상이한 레이저를 스위칭하는 것이 더 적절할 수 있다. 도 12에 도시된 것과 같이, 레이저 가변 초점 렌즈(641)가 장착된 광 섬유 튜브(643)의 출력 단부 전방에 삽입된다. 상이한 레이저 광원(640A, 640B)이 어느 레이저 빔이 용접 공정 중에 이용될지를 선택적으로 변화시키도록 광 섬유 튜브 코어(645) 및 외부 클래딩 광학 층(644)에 광학적으로 결합된다. 광학 코어(645)를 통해 전파되는 광원(640B)으로부터의 레이저 빔은 하나의 형태의 용접 적용 분야에 대해 이용된다. 마찬가지로, 광원(640A)으로부터의 레이저 빔은 다른 용접 적용 분야에 대해 외부 클래딩 광학 층(644)을 통해 전파된다.
공지된 광학 카메라 치수 측정 시스템과 달리, 본 발명의 실시예는 레이저 용접 공정 중에 유발되는 연기로 자욱한 상태 및/또는 자외선 방출물에도 불구하고 치수 데이터를 획득하고, 획득은 레이저 용접 공정과 관련하여 실시간으로 또는 순차적으로 일어나는지와 무관하다. 연기로 자욱한 및/또는 높은 반사 UV 상태에도 불구하고 높은 속도로 정확하고 높은 해상도의 용접전 3D 치수 데이터를 획득할 수 있는 능력은 공지된 순차적인 레이저 조면계 및 레이저 절단 시스템에 비해 실시간으로 동적으로 스캔 및 용접할 수 있는 능력을 크게 용이하게 한다. 실시간으로의 선택 사항의 용접후 3D 치수 스캐닝의 추가는 클래딩 시스템이 용접 사이클 중의 기판 성질 면에서의 변화에 대응할 수 있도록 클래딩 시스템의 기능 성질(예컨대, 용접 경로, 용접 프로파일 또는 적용 분야 그리고 충전재 재료의 동적 선택적 분배)을 동적으로 변화시키는 동적 피드백 제어 시스템의 실시를 용이하게 한다.
전술된 미국 특허 출원 제13/611,034호에 더 충분하게 기재된 것과 같이, 용접 공정은 바람직하게는 기판에 대한 열적 열화를 유발하지 않으면서 충전재 층으로서 기판에 충전재 재료를 용착하는 광학 에너지를 용접 레이저로부터 충전재 재료 및 기판으로 전달함으로써 동적으로 그리고 실시간으로 제어된다. 여기에 기재된 실시예에서, 구성 요소 기판의 열적 열화는 균일한 에너지가 기판 및 충전 재료로 전달되도록 구성 요소 기판 토폴로지를 기초로 하여 광학 에너지 전달을 동적으로 변화시킴으로써 피해진다. 본 발명의 실시예에서, 균일한 에너지 전달은 용접 공정 중에 기판 및 용접 레이저 빔의 상대 이동 속도를 변화시키는 제어 기능, 용접 레이저 파워 출력을 변화시키는 제어 기능, 서로에 대해 용접 레이저 빔 및 기판을 래스터링하는 제어 기능, 용접 패턴 경로를 따라 서로에 대해 기판 및 용접 레이저 빔을 병진 및 진동시키는 제어 기능, 레이저 출력을 조정하는 제어 기능, 충전재 분배 시스템으로써 충전재 재료 조성, 유입 속도 또는 분산 패턴을 변화시키는 제어 기능 그리고 폐쇄 피드백 루프로 된 제어 시스템으로써 에너지 전달을 감시하고 감시된 에너지 전달을 기초로 하여 에너지 전달 속도를 변화시키는 제어 기능 중 하나 이상에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 개시 내용을 포함하는 다양한 실시예가 여기에서 상세하게 예시 및 설명되었지만, 통상의 기술자라면 이들 개시 내용을 여전히 포함하는 많은 다른 다양한 실시예를 용이하게 고안할 수 있다. 본 발명은 그 적용에서 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성 요소들의 구성 및 배열의 예시 실시예의 세부 사항에 제한되지 않는다. 본 발명은 다른 실시예로 실시될 수 있고, 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다. 또한, 여기에서 사용된 용어는 설명의 목적을 위한 것이고 제한으로서 간주되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 용어 "구비하는", "포함하는" 또는 "갖는"과 그 파생어는 그 후에 나열된 항목 및 그 등가물 그리고 또한 추가의 항목을 망라하는 것을 의미한다. 그렇지 않은 것으로 특정 또는 제한되지 않으면, 용어 "장착된(mounted)", "연결된(connected)", "지지된(supported)" 및 "결합된(coupled)"과 그 파생어는 폭넓게 사용되고, 직접 및 간접적인 장착, 연결, 지지 및 결합을 망라한다. 나아가, 용어 "연결된(connected)" 및 "결합된(coupled)")은 물리 또는 기계적인 연결 또는 결합에 제한되지 않는다.

Claims (20)

  1. 기판 및 표면을 갖는 터빈 구성 요소에 충전재 층을 클래딩하는 시스템이며,
    터빈 구성 요소 기판을 그 위에 수용하고 작업 테이블 인터페이스를 갖는 작업 테이블 장치와;
    터빈 구성 요소 기판의 표면을 스캐닝하여 구성 요소 치수 데이터를 획득하는 레이저 조면계 장치로서,
    터빈 구성 요소 표면으로부터 광학 에너지를 반사시키기 위한 스캐닝 레이저 빔을 발생시키는 스캐닝 레이저와,
    스캐닝 레이저 빔을 가로채서 기판 표면 상에 스캐닝 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러와,
    스캐닝 레이저 및 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러에 결합되어 이들 사이의 상대 이동을 유발하는 레이저 조면계 장치 구동 시스템 인터페이스
    를 갖는, 레이저 조면계 장치와;
    구성 요소 기판 상에 충전재 재료를 유입시키는 클래딩 충전재 재료 분배 장치와;
    용접 패턴으로서 적용되는 구축된 충전재 층으로서 기판에 충전재 재료를 용착하는 광학 에너지를 터빈 구성 요소 기판 및 기판 상의 충전재 재료로 전달하는 레이저 용접 장치로서,
    광학 에너지를 전달하는 용접 레이저 빔을 발생시키는 용접 레이저와,
    용접 레이저 빔을 가로채서 기판 상에 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 용접 미러와,
    용접 레이저 및 적어도 1개의 가동 용접 미러에 결합되어 이들 사이의 상대 이동을 유발하는 용접 레이저 장치 구동 시스템 인터페이스
    를 갖는, 레이저 용접 장치와;
    작업 테이블, 조면계, 클래딩 충전재 재료 분배 장치, 레이저 용접 장치 및 이들의 각각의 구동 인터페이스에 동작 가능하게 결합되어 장치들을 동작시키고 이들 사이의 제어 상대 이동을 제공하는 구동 시스템과;
    제어 시스템을 포함하고,
    상기 제어 시스템은
    장치들 및 이들의 구동 인터페이스의 각각에 동작 가능하게 결합되어,
    레이저 조면계 장치로써 구성 요소 치수 데이터를 획득하고,
    구성 요소 사양 치수 데이터와 획득된 구성 요소 치수 데이터를 비교하고,
    구성 요소 및 사양 치수 데이터의 비교를 기초로 하여, 구성 요소 기판 표면 부분을 클래딩하는 각각의 충전재 유입 및/또는 용접 패턴을 결정하여 사양 치수 데이터에 용접된 구성 요소 치수를 일치시키고,
    충전재 장치 및 레이저 용접 장치가 이들의 각각의 패턴을 실행하게 하여 구성 요소 기판을 클래딩하는,
    시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제어 시스템은 실시간으로 모든 기능을 감시 및 수행하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 용접 레이저 빔 앞에서 기판 상에 충전재 재료를 유입시키도록 배향되는 클래딩 충전재 재료 분배 장치는,
    분배 구멍을 한정하는 외부 표면 그리고 분배 구멍과 연통되어 그 내에 충전재 재료를 보유하도록 구성되는 내부 챔버를 갖는 분배 장치 하우징과;
    내부 챔버로부터 분배 구멍을 통해 충전재 재료를 선택적으로 급송하도록 구성되는 급송 기구와;
    내부 챔버로부터 분배 구멍을 통해 충전재 재료를 선택적으로 급송하는 급송 기구에 결합되는 급송 기구 구동 시스템 인터페이스
    를 포함하는,
    시스템.
  4. 제3항에 있어서, 클래딩 충전재 재료 분배 장치는,
    어레이로 배향되는 복수개의 분배 구멍과;
    내부 챔버 내의 충전재 재료로부터 분배 구멍을 선택적으로 격리하고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스에 결합되는 분배 구멍 격리 기구와;
    분배 구멍 치수를 선택적으로 변화시키고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스에 결합되는 구멍 조정 기구
    를 추가로 포함하고,
    제어 시스템은 충전재 장치가 분배 구멍 격리 및 조정 기구 그리고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스의 동작을 선택적으로 변화시켜 충전재 유입 패턴을 실행하게 하는,
    시스템.
  5. 제3항에 있어서, 클래딩 충전재 재료 분배 장치는,
    각각의 충전재 재료를 내부에 보유하는 복수개의 내부 챔버와;
    분배 구멍과 각각의 내부 챔버 사이의 유체 연통을 선택적으로 수립하고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스에 결합되는 내부 챔버 선택 기구
    를 추가로 포함하고,
    제어 시스템은 충전재 장치가 내부 챔버 선택 기구 및 급송 기구 구동 시스템 인터페이스의 동작을 선택적으로 변화시켜 충전재 유입 패턴으로 충전재 재료 조성을 변화시키게 하는,
    시스템.
  6. 제1항에 있어서, 제어 시스템은,
    기판 및 용접 레이저 빔의 상대 이동 속도를 변화시키는 제어 기능과;
    용접 레이저 파워 출력을 변화시키는 제어 기능과;
    서로에 대해 용접 레이저 빔 및 기판을 래스터링하는 제어 기능과;
    용접 패턴 경로를 따라 서로에 대해 기판 및 용접 레이저 빔을 병진 및 진동시키는 제어 기능과;
    용접 레이저 파워 출력을 조정하는 제어 기능과;
    충전재 재료 조성, 유입 속도 또는 분산 패턴을 변화시키는 제어 기능과;
    폐쇄 피드백 루프로 된 제어 시스템으로써 에너지 전달을 감시하고 감시된 에너지 전달을 기초로 하여 에너지 전달 속도를 변화시키는 제어 기능
    중 어느 하나에 의해 용접 레이저 및 용접 레이저 구동 시스템 인터페이스가 기판에 대한 열적 열화를 유발하지 않으면서 용접 패턴 전체에 걸쳐 기판으로의 균일한 에너지 전달을 유지하게 하는,
    시스템.
  7. 제1항에 있어서, 레이저 용접 장치의 하류에 배향되고 클래딩된 터빈 구성 요소 기판의 표면을 스캐닝하여 용접후 구성 요소 치수 데이터를 획득하는 제2 레이저 조면계 장치
    를 추가로 포함하고,
    제어 시스템은 구성 요소 사양 치수 데이터와 용접후 구성 요소 치수 데이터를 비교하고, 비교를 기초로 하여, 구성 요소 기판 표면 부분을 클래딩하는 각각의 충전재 유입 및/또는 용접 패턴을 변경하여 사양 치수 데이터에 용접된 구성 요소 치수를 일치시키는,
    시스템.
  8. 제1항에 있어서, 레이저 조면계에 결합되어 구성 요소 클래딩 중에 레이저 용접 장치에 의해 발생되거나 구성 요소로부터 반사되는 주파수의 범위를 차단하는 필터
    를 추가로 포함하고,
    조면계 레이저 빔 주파수 범위는 여과된 주파수 범위 외부측에 있는,
    시스템.
  9. 제1항에 있어서, 입력 단부 상에서 각각의 조면계 및 용접 레이저에 광학적으로 결합되는 한 쌍의 별개의 광학 경로를 갖는 광 섬유 튜브와;
    광 섬유 튜브의 출력 단부에 광학적으로 결합된 각각의 레이저에 의해 발생되는 레이저 빔을 집속하는 가변 초점 렌즈
    를 추가로 포함하는 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 조면계 및 용접 장치는 각각의 스캐닝 및 용접 레이저 빔을 발생시키는 공통 레이저를 공유하고, 제어 시스템은 레이저 파워 출력, 주파수 및 출력 조정 중 하나 이상을 변화시킴으로써 조면계 및 용접 장치에 대해 상이한 모드로 레이저 광원을 동작시키는, 시스템.
  11. 기판 및 표면을 갖는 터빈 구성 요소에 충전재 층을 클래딩하는 시스템이며,
    터빈 구성 요소 기판을 그 위에 수용하고 작업 테이블 인터페이스를 갖는 작업 테이블 장치와;
    실시간으로 터빈 구성 요소 기판의 표면을 스캐닝하여 구성 요소 치수 데이터를 획득하는 레이저 조면계 장치로서,
    터빈 구성 요소 표면으로부터 광학 에너지를 반사시키기 위한 스캐닝 레이저 빔을 발생시키는 스캐닝 레이저와,
    스캐닝 레이저 빔을 가로채서 기판 표면 상에 스캐닝 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러와,
    스캐닝 레이저 및 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러에 결합되어 이들 사이의 상대 이동을 유발하는 레이저 조면계 장치 구동 시스템 인터페이스
    를 갖는, 레이저 조면계 장치와;
    구성 요소 기판 상에 충전재 재료를 유입시키는 클래딩 충전재 재료 분배 장치로서,
    분배 구멍을 한정하는 외부 표면 그리고 분배 구멍과 연통되고 내부에 충전재 재료를 보유하도록 구성되는 내부 챔버를 갖는 분배 장치 하우징과,
    내부 챔버로부터 분배 구멍을 통해 충전재 재료를 선택적으로 급송하도록 구성되는 급송 기구와,
    내부 챔버로부터 분배 구멍을 통해 충전재 재료를 선택적으로 급송하는 급송 기구에 결합되는 급송 기구 구동 시스템 인터페이스
    를 갖는, 클래딩 충전재 재료 분배 장치와;
    용접 패턴으로서 적용되는 구축된 충전재 층으로서 기판에 충전재 재료를 용착하는 광학 에너지를 터빈 구성 요소 기판 및 기판 상의 충전재 재료로 전달하는 레이저 용접 장치로서,
    광학 에너지를 전달하는 용접 레이저 빔을 발생시키는 용접 레이저와,
    용접 레이저 빔을 가로채서 기판 상에 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 용접 미러와,
    용접 레이저 및 적어도 1개의 가동 용접 미러에 결합되어 이들 사이의 상대 이동을 유발하는 용접 레이저 장치 구동 시스템 인터페이스
    를 갖는, 레이저 용접 장치와;
    작업 테이블, 조면계, 클래딩 충전재 재료 분배 장치, 레이저 용접 장치 및 이들의 각각의 구동 인터페이스에 동작 가능하게 결합되어 장치들을 동작시키고 이들 사이의 제어 상대 이동을 제공하는 구동 시스템과;
    제어 시스템을 포함하고,
    상기 제어 시스템은
    장치들 및 이들의 구동 인터페이스의 각각에 동작 가능하게 결합되어,
    실시간으로 레이저 조면계 장치로써 구성 요소 치수 데이터를 획득하고,
    실시간으로 구성 요소 사양 치수 데이터와 획득된 구성 요소 치수 데이터를 비교하고,
    구성 요소 및 사양 치수 데이터의 비교를 기초로 하여, 구성 요소 기판 표면 부분을 클래딩하는 각각의 충전재 유입 및/또는 용접 패턴을 결정하여 실시간으로 사양 치수 데이터에 용접된 구성 요소 치수를 일치시키고,
    충전재 장치 및 레이저 용접 장치가 실시간으로 이들의 각각의 패턴을 실행하게 하여 구성 요소 기판을 클래딩하는,
    시스템.
  12. 제11항에 있어서, 레이저 용접 장치의 하류에 배향되고 클래딩된 터빈 구성 요소 기판의 표면을 스캐닝하여 용접후 구성 요소 치수 데이터를 획득하는 제2 레이저 조면계 장치를 추가로 포함하고,
    제어 시스템은 구성 요소 사양 치수 데이터와 용접후 구성 요소 치수 데이터를 비교하고, 비교를 기초로 하여, 구성 요소 기판 표면 부분을 클래딩하는 각각의 충전재 유입 및/또는 용접 패턴을 변경하여 사양 치수 데이터에 용접된 구성 요소 치수를 일치시키는,
    시스템.
  13. 제11항에 있어서, 레이저 조면계에 결합되어 구성 요소 클래딩 중에 레이저 용접 장치에 의해 발생되거나 구성 요소로부터 반사되는 주파수의 범위를 차단하는 필터
    를 추가로 포함하고,
    조면계 레이저 빔 주파수 범위는 여과된 주파수 범위 외부측에 있는,
    시스템.
  14. 제11항에 있어서, 제어 시스템은,
    기판 및 용접 레이저 빔의 상대 이동 속도를 변화시키는 제어 기능과;
    용접 레이저 파워 출력을 변화시키는 제어 기능과;
    서로에 대해 용접 레이저 빔 및 기판을 래스터링하는 제어 기능과;
    용접 패턴 경로를 따라 서로에 대해 기판 및 용접 레이저 빔을 병진 및 진동시키는 제어 기능과;
    충전재 재료 조성, 유입 속도 또는 분산 패턴을 변화시키는 제어 기능과;
    폐쇄 피드백 루프로 된 제어 시스템으로써 에너지 전달을 감시하고 감시된 에너지 전달을 기초로 하여 에너지 전달 속도를 변화시키는 제어 기능
    중 어느 하나에 의해 용접 레이저 및 용접 레이저 구동 시스템 인터페이스가 기판에 대한 열적 열화를 유발하지 않으면서 용접 패턴 전체에 걸쳐 기판으로의 균일한 에너지 전달을 유지하게 하는,
    시스템.
  15. 제11항에 있어서, 클래딩 충전재 재료 분배 장치는,
    어레이로 배향되는 복수개의 분배 구멍과;
    내부 챔버 내의 충전재 재료로부터 분배 구멍을 선택적으로 격리하고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스에 결합되는 분배 구멍 격리 기구와;
    분배 구멍 치수를 선택적으로 변화시키고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스에 결합되는 구멍 조정 기구
    를 추가로 포함하고,
    제어 시스템은 충전재 장치가 분배 구멍 격리 및 조정 기구 그리고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스의 동작을 선택적으로 변화시켜 충전재 유입 패턴을 실행하게 하는,
    시스템.
  16. 제11항에 있어서, 클래딩 충전재 재료 분배 장치는,
    각각의 충전재 재료를 내부에 보유하는 복수개의 내부 챔버와;
    분배 구멍과 각각의 내부 챔버 사이의 유체 연통을 선택적으로 수립하고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스에 결합되는 내부 챔버 선택 기구
    를 추가로 포함하고,
    제어 시스템은 충전재 장치가 내부 챔버 선택 기구 및 급송 기구 구동 시스템 인터페이스의 동작을 선택적으로 변화시켜 충전재 유입 패턴으로 충전재 재료 조성을 변화시키게 하는,
    시스템.
  17. 기판 및 표면을 갖는 터빈 구성 요소에 충전재 층을 클래딩하는 시스템이며,
    이동 제어 시스템에 의해 구동되고 터빈 구성 요소 기판을 그 위에 수용하고 작업 테이블 인터페이스를 갖는 가동 작업 테이블 장치와;
    실시간으로 터빈 구성 요소 기판의 표면을 스캐닝하여 구성 요소 치수 데이터를 획득하는 레이저 조면계 장치로서,
    터빈 구성 요소 표면으로부터 광학 에너지를 반사시키기 위한 스캐닝 레이저 빔을 발생시키는 스캐닝 레이저와,
    스캐닝 레이저 빔을 가로채서 기판 표면 상에 스캐닝 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러와,
    스캐닝 레이저 및 적어도 1개의 가동 스캐닝 미러에 결합되어 이들 사이의 상대 이동을 유발하는 레이저 조면계 장치 구동 시스템 인터페이스
    를 갖는, 레이저 조면계 장치와;
    구성 요소 기판 상에 충전재 재료를 유입시키는 클래딩 충전재 재료 분배 장치로서,
    분배 구멍을 한정하는 외부 표면 그리고 분배 구멍과 연통되고 내부에 충전재 재료를 보유하도록 구성되는 내부 챔버를 갖는 분배 장치 하우징과,
    내부 챔버로부터 분배 구멍을 통해 충전재 재료를 선택적으로 급송하도록 구성되는 급송 기구와,
    내부 챔버로부터 분배 구멍을 통해 충전재 재료를 선택적으로 급송하는 급송 기구에 결합되는 급송 기구 구동 시스템 인터페이스
    를 갖는, 클래딩 충전재 재료 분배 장치와;
    용접 패턴으로서 적용되는 구축된 충전재 층으로서 기판에 충전재 재료를 용착하는 광학 에너지를 터빈 구성 요소 기판 및 기판 상의 충전재 재료로 전달하는 레이저 용접 장치로서,
    광학 에너지를 전달하는 용접 레이저 빔을 발생시키는 용접 레이저와,
    용접 레이저 빔을 가로채서 기판 상에 레이저 빔을 유도하는 적어도 1개의 가동 용접 미러와,
    용접 레이저 및 적어도 1개의 가동 용접 미러에 결합되어 이들 사이의 상대 이동을 유발하는 용접 레이저 장치 구동 시스템 인터페이스
    를 갖는, 레이저 용접 장치와;
    레이저 용접 장치의 하류에 배향되어 클래딩된 터빈 구성 요소 기판의 표면을 스캐닝하여 용접후 구성 요소 치수 데이터를 획득하는 제2 레이저 조면계 장치와;
    작업 테이블, 조면계, 클래딩 충전재 재료 분배 장치, 레이저 용접 장치 및 이들의 각각의 구동 인터페이스에 동작 가능하게 결합되어 장치들을 동작시키고 이들 사이의 제어 상대 이동을 제공하는 구동 시스템과;
    제어 시스템을 포함하고,
    상기 제어 시스템은
    장치들 및 이들의 구동 인터페이스의 각각에 동작 가능하게 결합되어,
    실시간으로 레이저 조면계 장치로써 구성 요소 치수 데이터를 획득하고,
    실시간으로 구성 요소 사양 치수 데이터와 획득된 구성 요소 치수 데이터를 비교하고,
    구성 요소 및 사양 치수 데이터의 비교를 기초로 하여, 구성 요소 기판 표면 부분을 클래딩하는 각각의 충전재 유입 및/또는 용접 패턴을 결정하여 실시간으로 사양 치수 데이터에 용접된 구성 요소 치수를 일치시키고,
    충전재 장치 및 레이저 용접 장치가 실시간으로 이들의 각각의 패턴을 실행하게 하여 실시간으로 구성 요소 기판을 클래딩하고,
    구성 요소 사양 치수 데이터와 용접후 구성 요소 치수 데이터를 비교하고, 비교를 기초로 하여, 구성 요소 기판 표면 부분을 클래딩하는 각각의 충전재 유입 및/또는 용접 패턴을 변경하여 실시간으로 사양 치수 데이터에 용접된 구성 요소 치수를 일치시키는,
    제어 시스템
    을 포함하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 각각의 레이저 조면계에 결합되어 구성 요소 클래딩 중에 레이저 용접 장치에 의해 발생되거나 구성 요소로부터 반사되는 주파수의 범위를 차단하는 필터
    를 추가로 포함하고,
    각각의 조면계는 여과된 주파수 범위 외부측의 레이저 빔 주파수 범위를 갖는,
    시스템.
  19. 제17항에 있어서, 제어 시스템은,
    기판 및 용접 레이저 빔의 상대 이동 속도를 변화시키는 제어 기능과;
    용접 레이저 파워 출력을 변화시키는 제어 기능과;
    서로에 대해 용접 레이저 빔 및 기판을 래스터링하는 제어 기능과;
    용접 패턴 경로를 따라 서로에 대해 기판 및 용접 레이저 빔을 병진 및 진동시키는 제어 기능과;
    용접 레이저 파워 출력을 조정하는 제어 기능과;
    충전재 재료 조성, 유입 속도 또는 분산 패턴을 변화시키는 제어 기능과;
    폐쇄 피드백 루프로 된 제어 시스템으로써 에너지 전달을 감시하고 감시된 에너지 전달을 기초로 하여 에너지 전달 속도를 변화시키는 제어 기능
    중 어느 하나에 의해 용접 레이저 및 용접 레이저 구동 시스템 인터페이스가 기판에 대한 열적 열화를 유발하지 않으면서 용접 패턴 전체에 걸쳐 기판으로의 균일한 에너지 전달을 유지하게 하는,
    시스템.
  20. 제17항에 있어서, 클래딩 충전재 재료 분배 장치는,
    어레이로 배향되는 복수개의 분배 구멍과;
    내부 챔버 내의 충전재 재료로부터 분배 구멍을 선택적으로 격리하고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스에 결합되는 분배 구멍 격리 기구와;
    분배 구멍 치수를 선택적으로 변화시키고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스에 결합되는 구멍 조정 기구
    를 추가로 포함하고,
    제어 시스템은 충전재 장치가 분배 구멍 격리 및 조정 기구 그리고 급송 기구 구동 시스템 인터페이스의 동작을 선택적으로 변화시켜 충전재 유입 패턴을 실행하게 하는,
    시스템.
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