KR20150053806A - 3ｄ 이미징 용접 경로 제어에 의한 자동화 초합금 레이저 클래딩 방법 - Google Patents

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아흐메드 카멜
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지멘스 에너지, 인코포레이티드
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Abstract

서비스 저하된 터빈 블레이드들 및 베인들과 같은 초합금 구성요소(20)들은, 레이저 빔 용접에 의해 클래딩된다. 클래딩 적용 프로파일을 포함하는 용접/클래딩 경로는, 구성요소(20)의 이전의, 바람직하게는 실시간 비접촉 3D 치수 스캐닝 및 구성요소(20)를 위한 사양 치수 데이터와 획득된 치수 스캔 데이터의 비교에 의해 판정된다. 구성요소의 치수들이 사양 치수 데이터와 일치하도록 스캔된 구성요소(20)를 클래딩하기 위한 용접 경로(21)가 판정된다. 레이저 용접 장치(60)는, 바람직하게는 클래딩 충전재 분배 장치(70)와 협동하여, 소망하는 클래딩 프로파일을 적용하도록 용접 경로(21)를 실행한다. 일부 실시예들에서, 용접 구성요소의 후-용접 비접촉 3D 치수 스캔이 실행되고, 후-용접 스캔 치수 데이터가 사양 치수 데이터와 비교된다. 바람직하게는, 용접 경로(21) 및/또는 클래딩 프로파일 적용은, 선- 및/또는 후-용접 3D 치수 스캐닝에 의해 피드백 루프에서 수정된다.

Description

3Ｄ 이미징 용접 경로 제어에 의한 자동화 초합금 레이저 클래딩 방법{METHOD FOR AUTOMATED SUPERALLOY LASER CLADDING WITH 3D IMAGING WELD PATH CONTROL}
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은, 공동으로 소유되고 공동 계류중인, 2012년 9월 12일자로 출원되어 일련 번호 13/611,034가 할당된 발명의 명칭이 "표면 포톨로지 에너지 전달 보상에 의한 초합금 레이저 클래딩(SUPERALLOY LASER CLADDING WITH SURFACE TOPOLOGY ENERGY TRANSFER COMPENSATION)"인 미국 실용 특허 출원; 2012년 9월 12일자로 출원되어 일련 번호 13/611,144가 할당된 발명의 명칭이 "레이저 클래딩 시스템 충전재 분배 장치(LASER CLADDING SYSTEM FILLER MATERIAL DISTRIBUTION APPARATUS)"인 미국 실용 특허 출원; 및 이와 함께 출원되어 일련번호 13/936,482(도켓 번호: 2013P02372US)가 할당된 발명의 명칭이 "3D 이미징 용접 경로 제어에 의한 자동화 초합금 레이저 클래딩 시스템(AUTOMATED SUPERALLOY LASER CLADDING SYSTEM WITH 3D IMAGING WELD PATH CONTROL)"인 미국 실용 특허 출원의 우선권의 이익을 주장하며, 이들 전부는 본원에 인용에 의해 포함된다.
본 발명은, 레이저 빔 용접에 의해 초합금 구성요소들, 이를테면 서비스 저하된 터빈 블레이드들 및 베인들을 클래딩하기 위한 시스템들 또는 방법들에 관한 것이다. 용접/클래딩 경로는, 구성요소의 이전의, 바람직하게는 실시간 비접촉 3D 치수 스캐닝 및 구성요소를 위한 사양 치수 데이터(specification dimensional data)와 획득된 치수 스캔 데이터(dimensional scan data)의 비교에 의해 판정된다. 사양 치수 데이터에 그의 치수들을 따르도록 스캔된 구성요소들을 클래딩하기 위한 용접 경로가 판정된다. 바람직하게는 클래딩 충전재 분배 장치와 함께 레이저 용접 장치가 용접 경로(welding path)를 실행한다. 일부 실시예들에서, 용접된 구성요소의 후-용접 비접촉 3D 치수 스캔이 실행되고, 후-용접 치수 스캔 데이터가 사양 치수 데이터와 비교된다. 바람직하게는, 용접 경로 및/또는 클래딩 적용은 선(pre) 및/또는 후(post)-용접 3D 치수 스캐닝을 갖는 피드백 루프에서 수정된다.
가스 터빈 또는 다른 초합금 구성요소들의 "구조적" 보수(repair)는, 파손된 재료를 일치하는 합금 재료로 대체시키고 원래의 제조 구성요소 사양들에 가까운 특징들, 이를테면 강도를 성취하는 것(예컨대, 원래 사양의 70 % 이상의 최대 인장 강도)으로 보편적으로 인식된다. 예컨대, 표면 균열(surface crack)들을 겪은 터빈 블레이드들 상에서의 구조적 보수들을 실행하는 것이 바람직한데, 추가 균열의 우려가 감소되며, 블레이드들은 원래 재료의 구조적 그리고 치수 사양들로 복원된다.
터빈 구성요소들, 이를 테면 터빈 블레이드들을 제조하는데 사용되는 니켈 및 코발트계 초합금 재료의 보수는, 마무리처리된 블레이드 재료의 야금학적 특성들에 기인하여 문제가 된다. 마무리 처리된 터빈 블레이드 합금들은 전형적으로 후 주조 열처리하는 동안 강화되며, 이는 합금들이 후속하여 구조적으로 용접을 실행하는 것을 어렵게 만든다. 이러한 초합금 재료로 구조된 블레이드가 동일하거나 유사한 합금의 필러 금속으로 용접되는 경우, 블레이드는 초합금 본래의 강도 및 새로운 구성요소에 필적하는 다른 재료 특징들을 복원하도록 의도된 후속 열처리 프로세스들 동안 용접물 내에 또는 용접물 근처에서 응고(액화로도 알려짐) 크래킹(cracking) 및/또는 변형 시효(strain age)(재가열로도 알려짐) 크래킹에 영향을 받기 쉽다.
기저 초합금 기재를 열적으로 저하시키지 않으면서 초합금 충전재를 용융시키기 위해 시도되는 하나의 공지된 초합금 결합 및 보수 방법은, 레이저 빔 용접(또한, 레이저 빔 마이크로 클래딩으로 공지됨)이다. 초합금 기재 재료에 양립가능하거나 동일한 초합금 충전재(종종, 분말식 필러)가, 용접 이전에 기재 표면 상에 미리 위치되거나 클래딩 프로세스 동안 채널을 통해 가압 가스가 표면 상에 스프레이된다. 고정식 광학 레이저(즉, 상대 병진운동과 달리, 레이저 및 기재가 레이저 빔 적용 중 고정된 상대 배향을 가짐)에 의해 생성된 집속된 레이저 광학 에너지의 "스폿" 영역은, 충전재를 액화시키며, 필러 및 기재 재료의 양호한 융합(coalescence)을 용이하게 하도록 기재 표면을 충분히 가열하며 후속하여 기재 표면 상의 클래드 디포짓 층으로서 응고한다. 다른 공지된 전통적인 용접 프로세스들에 비해, 레이저 빔 마이크로 클래딩은, 이전에 설명된 응고 크래킹을 유발하는 경향을 감소시키는 급속 응고 및 기재의 용융에 걸쳐 비교적 양호한 제어를 갖는, 낮은 열 입력 프로세스이다. 레이저 용접/클래딩 중 초합금 기재로의 낮은 열 입력은, 또한 잔류 응력들을 최소화하며, 이는 그렇지 않으면 이미 설명된 후-용접 열 처리 변형 시효 크래킹에 영향을 받기 쉽다. 레이저 클래딩 용접들이 종래에 형성된 용접들에 비해 구조적 이점들을 갖지만, 실제 제조 및 보수 현실들은, 임의의 단일 경로로 적용된 클래딩 디포짓(cladding deposit)에 의해 채워질 수 있는 것보다 더 큰 클래딩 표면적 및/또는 용적 범위(coverage)를 필요로 한다.
초합금 구성요소들에 용적을 추가하기 위한 요구들에 일치하도록, 기재 상의 레이저-클래디드 디포짓은 인접하는 응고된 클래드 경로들의 1 차원 또는 2 차원 어레이들로부터 형성될 수 있다. 다중 레이저 용접 클래딩 경로들 및 층들은, 표면 치수 용적을 만들도록 자동화된 제어 상태에서 적용될 수 있다. 레이저 클래드 디포짓들의 어레이들을 만드는 것은, 종종 열에 영향을 받는 존 재료에서 기저 재료 및 쌓여진 재료에 마이크로크랙들 및 결함들을 유발한다. 일부 결함들은 국부화된 레이저 광학 에너지 열 입력이 불충분할 때 보편적인 융합 불량(lack of fusion (LoF))과 연관된다. 종종 터빈 블레이드와 같은 기재는, 블레이드 기재 재료의 손실 용적을 초합금 필러의 등가의 용적으로 채우는 구조적 보수를 필요로 하여, 블레이드의 원래의 구조적 치수들을 복원한다. 공지된 레이저 클래딩 기술들에서, 손실 블레이드 기재 용적에는, 개별적으로 적용된 레이저 클래드 디포짓들 또는 경로들의 2차원 필러 용접 어레이가 채워진다. 레이저 빔 포커스 위치 및 기재 표면은, 인접하며(abutting), 중첩된(overlapping) 일련의 범프(bump)들 또는 도트(dot)들과 유사하게 다음 디포짓을 용접하기 위해서 단일 디포짓 포메이션 후에 자동화된 제어 하에서 서로에 대해 이동된다. 공지된 다차원 충전재 디포짓 장비에 의해, 필러 입자들(종종 분말 형태임)의 층이 기재 표면 상에서 일 층에 미리 위치되거나 레이저 "스폿" 투사 위치(projected location) 상에서 가압 가스 공급 노즐을 통해 지향된다.
초합금 터빈 구성요소 기재들의 자동 또는 반자동화된 레이저 용접 보수는, 트래킹 목적을 위해 각각의 부품의 기하학적 형상의 정의를 필요로 하여, 레이저 클래딩 경로(path)가 구성요소의 소망하는 표면 부분들 상에 응고된 디포짓들을 적용한다. 구성요소를 측정한 실제 기하학적 아웃라인 정보가 소망하는 구성요소 사양의 기하학적 아웃라인 정보와 비교된다. 그 비교는 응고된 필러를 필요로 하는 구성요소의 보통보다 작은(undersized) 표면 부분들을 식별한다. 그 비교 정보는, 새롭게 채워진 부분들이 소망하는 사양의 치수들에 부합하거나 초과할 것인지를 예상하면서, 레이저 클래딩 또는 용접 경로를 프로그램화하는데 사용된다. 용접된 구성요소의 새롭게 채워진 부분들이 보통보다 작게 유지되고 있다면, 구성요소는 재측정되어야 하며 제 2 용접 경로에 의해 재용접되어야 한다. 하나 또는 그 초과의 용접 경로들의 적용 후에, 용접된 구성요소는 용접 품질이 검사된다. 용접 프로세스 동안 생성되거나 그 후에 유지되는 공극(viod)들 또는 균열(crack)들은, 구성요소가 서비스에 적합하지 않게 할 수 있으며, 이 경우에, 이전의 용접 작업 및 비용은 낭비되었다. 부품이 서비스 가능한 것으로 후-용접 검사가 나타내고 있다면, 임의의 후-용접 과잉 재료는 공지된 금속 작업 프로세스들에 의해 제거된다.
공지된 용접 프로세스들에서, 구성요소 또는 부품 아웃라인의 기하학적 정보는 전형적으로 카메라에 의해 보수 처리 이전에 수집되고 명암 측정(contrast measurement)에 의해 규정된다. 자동화된 용접 시스템의 기계식 비전(vision) 서브시스템에 있을 수 있는 광학 카메라는 터빈 구성요소 아웃라인의 시각적 이미지를 포착한다. 광학적 명암이 구성요소 아웃라인 또는 풋프린트를 규정하기 위해 사용된다. 자동화된 용접 시스템은 광학적으로 규정된 구성요소 아웃라인 및 구성요소의 소망하는 치수 사양 아웃라인을 활용하여, 구성요소와 용접 스폿 사이의 상대 이동(즉, 모션 제어 작업대 상의 부품 이동 또는 용접 장비의 이동 또는 이들 모두의 이동)의 용접 경로를 개설한다. 용접 경로를 실행하는 용접 시스템은, 광학 카메라 시스템에 의해 얻어진 실제로 규정된 아웃라인 치수들과 사양 치수들 사이에서 손실 용적을 채우기 위해서 구성요소 표면을 클래딩한다.
보수된 구성요소 기하학 및 아웃라인을 규정하기 위한 전통적인 광학적 방법들은, 특별한 부품 조명을 필요로 하며, 해상도(resolution) 및 정밀도(precision)가 부족하다. 광학적 측정 방법들은, 암부 해상도(shadow resolution)에 의해서만 높이 치수가 효과적으로 유추되면서, 단지 평면식 2차원 아웃라인 정보만을 생성한다. 이에 따라, 용접 장치에 의해서 실행되는 용접 경로만이 구성요소의 2차원 아웃라인에 근접한다. 필러 높이 판정은, 구성요소 사양 높이 치수들을 얻기 위해서 필요한 연속 층들의 개수를 추정함으로써 용접 작업자에 의해서 또는 자동화된 용접 경로 프로세서에 의해 경험적으로 판정된다. 전통적인 광학 구성요소 측정 방법들은, 구성요소 부품의 물리적 조건(예컨대, 열적 변형)의 변경, 구성요소 표면의 이동, 오정렬 및 잘못 안내된 용접 경로 또는 보수 중 장치의 용접 결함(예컨대, 공극들 및/또는 균열들)의 생성시에 처리 장비를 조절하기 위한 피드백으로서 보수 중 사용될 수 없다. 이전에 식별된 광학 측정 시스템 조명, 해상도 및 정밀도 결손들 이외에, 이들은 용접 프로세스 중 레이저 클래딩/용접 시스템에 의해 생성된 고강도 자외선(UV) 및 연기를 통해 시각적 이미지들을 얻을 수 없다. 연기는 반사된 광학 카메라 조명을 분산(scatter)시키며, 고강도(high intensity) UV 방사들이 시각적 이미지를 포착하는 광학 카메라의 능력을 제압한다(overpower).
미국 특허 제 5,504,303호는 다이아몬드 표면의 3D 치수 토포그래피 측정 정보를 얻기 위해서 비접촉식 레이저 프로필로미터의 사용을 제안한다. 측정된 정보가 소망하는 사양 정보와 비교된다. 후속하여, 어블레이션(ablation) 레이저가 소망하는 사양과 비교하여 너무 두꺼운 것으로 식별되는 표면 부분들을 절단한다. 절단 표면은, 이제 표면이 소망하는 두께 사양에 부합하는지의 여부를 판정하기 위해서 레이저 프로필로미터에 의해 후속하여 재스캔된다. 표면이 소망하는 사양을 따를 때까지 절단 및 스캐닝이 순차적으로 반복된다. 프로필로미터 및 어블레이션 시스템이 공통 레이저 디바이스를 활용할 수 있음이 특허 문헌에서 추가로 언급된다.
이에 따라, 실시간으로 구성요소 치수 데이터를 획득하고, 사양 치수 데이터와 획득된 치수 데이터를 비교하여 판정된 용접 패턴에 따라 구성요소 표면을 빌드업하기 위한 용접 패턴을 판정하여, 용접 패턴이 동적으로 판정되며 용접 프로세스 동안 발생하는 과도적 변경들에 대응하여 조절되는, 터빈 구성요소 레이저 클래딩 시스템들 또는 방법들에 대한 요구가 종래 기술에서 존재하고 있다. 이러한 과도적인 변경들의 예시들은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 구성요소의 열적 변형(thermal distortion), 구성요소 표면 및 용접 장치의 이동 및/또는 오정렬, 잘못 안내된 경로 또는 용접 프로세스 중 용접 결함들(예컨대, 공극들 및/또는 균열들)의 생성을 포함한다.
후속하여, 실시간으로 구성요소 표면의 후-용접 측정을 실행하고, 후-용접 표면 측정 데이터가 소망하는 사양 치수 데이터 및/또는 용접 품질(예컨대, 용접된 표면에서 공극들 및/또는 미세균열들이 결여됨)을 따르는지의 여부를 판정하는 터빈 구성요소 레이저 클래딩 시스템들 또는 방법들에 대한 또 다른 요구가 종래 기술에 존재한다. 이러한 요구에 부합하기 위해서, 시스템들 또는 방법들은, 바람직하게는 용접 프로세스를 동적으로 조절하기 위해서 실시간 피드백 루프 내에서 후-용접 측정 및/또는 검사를 포함하여, 용접된 표면이 소망하는 사양들에 따라 형성된다.
이에 따라, 실시간으로 또는 순차적으로 치수 데이터를 획득하고, 사양 데이터와 획득된 치수 데이터를 비교하여 판정된 용접 패턴에 따라 구성요소 표면을 빌드업하기 위한 용접 패턴 및 용접 경로를 판정하고, 기재에 열적 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합하는 광학 에너지를 용접 레이저로부터 충전재 및 기재에 전달함으로써 용접을 실행하는, 터빈 구성요소 레이저 클래딩 시스템들 또는 방법들에 대한 추가 요구가 종래 기술에서 존재한다. 열적 열화를 회피하기 위한 이러한 요구에 부합하기 위해서, 시스템들 또는 방법들은 바람직하게는, 구성요소 표면 토폴로지에 기초하여 광학 에너지 전달을 변경시킨다.
또한, 치수 데이터 획득이 레이저 용접 프로세스와 실시간으로 또는 순차적으로 이루어지든지 간에, 레이저 용접 프로세스 동안 유발된 연기가 많이 나는 조건(smoky condition)들 및/또는 자외선 방출들에도 불구하고 치수 데이터를 획득하는 터빈 구성요소 레이저 클래딩 시스템들 또는 방법들에 대해 종래 기술에서 다른 요구가 존재한다.
이에 따라, 실시간으로 구성요소 치수 데이터를 획득하고, 사양 치수 데이터와 획득된 치수 데이터를 비교하여 판정된 용접 패턴에 따라 구성요소 표면을 빌드업하기 위한 용접 패턴을 판정하여, 용접 패턴이 동적으로 판정되며 용접 프로세스 동안 발생하는 과도적 변경들에 대응하여 조절되는, 터빈 구성요소 레이저 클래딩 시스템들 또는 방법들을 형성하는 것이 목적이다. 이러한 과도적인 변경들의 예시들은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 구성요소의 열적 변형, 구성요소 표면 및 용접 장치의 이동 및/또는 오정렬, 잘못 안내된 용접 경로 또는 용접 프로세스 중 용접 결함들(예컨대, 공극들 및/또는 균열들)의 생성을 포함한다.
후속하여, 실시간으로 구성요소 표면의 후-용접 측정을 실행하고, 후-용접 표면 측정 데이터가 소망하는 사양 치수 데이터 및/또는 용접 품질(예컨대, 용접된 표면에서 공극들 및/또는 미세균열들이 결여됨)을 따르는지의 여부를 판정하는 터빈 구성요소 레이저 클래딩 시스템들 또는 방법들을 형성하는 것이 다른 목적이다. 이러한 시스템들 또는 방법들은, 바람직하게는 용접 프로세스를 동적으로 조절하기 위해서 실시간 피드백 루프 내에서 후-용접 측정 및/또는 검사를 포함하여, 용접된 표면이 소망하는 사양들에 따라 형성된다.
실시간으로 또는 순차적으로 치수 데이터를 획득하고, 사양 데이터와 획득된 치수 데이터를 비교하여 판정된 용접 패턴에 따라 구성요소 표면을 빌드업하기 위한 용접 패턴 및 용접 경로를 판정하고, 기재에 열적 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합하는 광학 에너지를 용접 레이저로부터 충전재 및 기재에 전달함으로써 용접을 실행하는, 터빈 구성요소 레이저 클래딩 시스템들 또는 방법들을 형성하는 것이 추가의 목적이다. 열적 열화를 회피하기 위한 이러한 요구에 부합하기 위해서, 시스템들 또는 방법들은 바람직하게는, 구성요소 표면 토폴로지에 기초하여 광학 에너지 전달을 변경시킨다.
또한, 또 다른 목적은, 치수 데이터 획득이 레이저 용접 프로세스와 실시간으로 또는 순차적으로 발생하든지 간에, 레이저 용접 프로세스 동안 유발된 연기가 자욱한 상태(smoky condition)들 및/또는 자외선 방출들에도 불구하고 치수 데이터를 획득하는 터빈 구성요소 레이저 클래딩 시스템들 또는 방법들을 형성하는 것이다.
이 목적 및 다른 목적들은, 본 발명의 레이저 클래딩 시스템들 또는 방법들에 의해 성취되며, 여기서 서비스 저하된 초합금 터빈 블레이드들 및 베인들과 같은 터빈 구성요소들이 레이저 빔 용접에 의해 클래딩된다. 클래딩 적용 프로파일을 포함하는 용접/클래딩 경로는, 구성요소의 이전의, 바람직하게는 동적 실시간 비접촉 3D 치수 스캐닝 및 구성요소를 위한 사양 치수 데이터(specification dimensional data)와 획득된 치수 스캔 데이터(dimensional scan data)의 비교에 의해 판정된다. 사양 치수 데이터에 그의 치수들을 따르도록 스캔된 구성요소들을 클래딩하기 위한 용접 경로가 판정된다. 바람직하게는 클래딩 충전재 분배 장치와 함께 레이저 용접 장치는 소망하는 클래딩 프로파일을 적용하기 위해서 용접 경로를 실행한다. 일부 실시예들에서, 용접된 구성요소의 후-용접 비접촉 3D 치수 스캔이 실행되고, 후-용접 치수 스캔 데이터가 사양 치수 데이터와 비교된다. 바람직하게는, 용접 경로 및/또는 클래딩 프로파일 적용은 선- 및/또는 후-용접 3D 치수 스캐닝에 의해 실시간 피드백 루프에서 동적으로 수정된다. 이러한 바람직한 예시적 방식에서, 용접 패턴(경로 및/또는 프로파일)은 동적으로 판정되며, 용접 프로세스 동안 발생하는 과도적 변경들(transient changes)에 응답하여 실시간으로 조절된다. 이러한 과도적인 변경들의 예시들은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 구성요소의 열적 변형, 구성요소 표면 및 용접 장치의 이동 및/또는 오정렬, 잘못 안내된 용접 경로 또는 용접 프로세스 중 용접 결함들(예컨대, 공극들 및/또는 균열들)의 생성을 포함한다. 본 발명의 실시예들은, 치수 데이터 획득이 레이저 용접 프로세스와 실시간으로 또는 순차적으로 발생하든지 간에, 레이저 용접 프로세스 동안 유발된 연기가 많이 나는 조건(smoky condition)들 및/또는 자외선 방출들에도 불구하고 치수 데이터를 획득한다.
본 발명의 실시예들은, 터빈 구성들을 용접하는 방법을 특징으로 하는데, 이 방법은 작업대, 프로필로미터 또는 용접 장치중 어느 하나와 작업대 사이에 제어된 상대 이동을 제공하기 위해서, 제어 시스템에 의한 공통의 제어 하에 작업대, 레이저 프로필로미터 및 레이저 용접 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법에서, 기재를 갖는 터빈 구성요소가 작업대에 커플링된다. 터빈 구성요소 기재의 표면은, 상기 제어 시스템의 제어 하에 레이저 프로필로미터 및 작업대 장치를 작동시키고 구성요소 치수 데이터를 획득함으로써 실시간으로 스캐닝된다. 구성요소 치수 데이터는, 실시간으로 상기 제어 시스템에 의해 사양 치수 데이터와 비교되며, 이는 이후, 용접된 구성요소 치수들이 사양 치수 데이터와 일치하도록 구성요소 기재 표면 부분들을 빌드업하기 위해 용접 패턴을 판정한다. 구성요소 기재 표면은, 상기 제어 시스템의 제어 하에 판정된 용접 패턴과 일치하게 레이저 용접 및 작업대 장치들을 작동시킴으로써 실시간으로 용접된다.
본 발명의 다른 실시예들은, 터빈 구성들을 용접하는 방법을 특징으로 하는데, 이 방법은 작업대, 프로필로미터 또는 용접 장치중 어느 하나와 작업대 사이에 제어된 상대 이동을 제공하기 위해, 제어 시스템에 의한 공통의 제어 하에 작업대, 레이저 프로필로미터 및 레이저 용접 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 기재를 갖는 터빈 구성요소가 작업대에 커플링된다. 터빈 구성요소 기재의 표면은, 상기 제어 시스템의 제어 하에 레이저 프로필로미터 및 작업대 장치를 작동시키고 구성요소 치수 데이터를 획득함으로써 스캐닝된다. 구성요소 치수 데이터는, 상기 제어 시스템에 의해 사양 치수 데이터와 비교되며, 이는, 용접된 구성요소 치수들이 사양 치수 데이터와 일치하도록 구성요소 기재 표면 부분들을 빌드업하기 위해 용접 패턴을 판정한다. 구성요소 기재 표면은, 상기 제어 시스템의 제어 하에 판정된 용접 패턴과 일치하게 레이저 용접 및 작업대 장치들을 작동시킴으로써 용접된다.
본 발명의 다른 실시예들은, 터빈 구성들을 용접하는 방법을 특징으로 하는데, 이 방법은 작업대, 프로필로미터 또는 용접 장치중 어느 하나와 작업대 사이에 제어된 상대 이동을 제공하기 위해, 제어 시스템에 의한 공통의 제어 하에 작업대, 레이저 프로필로미터, 용접 분말 필러 디스펜서, 및 검류계 레이저 용접 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 검류계 레이저 용접 장치는, 기재에 열적 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합하는 광학 에너지를 터빈 구성요소 기재 및 기재 상의 충전재로 전달하기 위해 용접 레이저 빔을 발생시키는 용접 레이저; 기재 상에 레이저 빔을 배향시키기 위해 용접 레이저 빔을 인터셉트하는 하나 이상의 이동가능한 미러 및 용접 레이저 빔과 기재 사이에 상대 이동을 유발하기 위해 개별 제어 시스템, 하나 이상의 이동가능한 미러 및 용접 레이저의 각각에 커플링되는 하나 이상의 드라이브 시스템을 갖는다. 기재를 갖는 터빈 구성요소가 작업대에 커플링된다. 터빈 구성요소 기재의 표면은, 상기 제어 시스템의 제어 하에 레이저 프로필로미터 및 작업대 장치를 작동시키고 구성요소 치수 데이터를 획득함으로써 스캐닝된다. 구성요소 치수 데이터는, 상기 제어 시스템에 의해 사양 치수 데이터와 비교되며, 이는, 용접된 구성요소 치수들이 사양 치수 데이터와 일치하도록 구성요소 기재 표면 부분들을 빌드업하기 위해 용접 패턴을 판정한다. 구성요소 기재 표면은, 제어 시스템에 의해 판정된 선택된 이송 속도 및 분산 패턴으로 용접 분말 필러 디스펜서에 의해 구성요소 기재 표면 상에 충전재를 도입함으로써 용접된다. 용접 레이저 빔은 충전재 및 기재 상에 집속된다. 기재에 열적 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합하는 광학 에너지가 용접 레이저로부터 충전재 및 기재로 전달된다. 제어 시스템의 제어 하에 판정된 용접 패턴과 일치하게 레이저 용접 및 작업대 장치들을 작동시킴으로써 균일한 에너지 전달을 유지하면서 기재와 용접 레이저 빔이 서로에 대해 이동된다.
본 발명의 목적들 및 특징들은 본원에 설명된 다른 특징들을 포함하는, 당업자들에 의해 임의의 조합 또는 하위 조합으로 함께 또는 별개로 적용될 수 있다.
본 발명의 교시들은 첨부된 도면들과 관련한 이후의 상세한 설명을 고려함으로써 쉽게 이해될 수 있다.
도 1은 초합금 터빈 블레이드를 용접하는 터빈 구성요소 용접 시스템의 일 실시예의 측면 입면도이다.
도 2는 터빈 구성요소 용접 시스템이 도 1의 2-2를 따라 취한 초합금 터빈 블레이드를 용접하는 경우의 평면도이다.
도 2a는 베어(bare) 블레이드, 레이저 빔의 상류 블레이드 상에 쌓이는 충전재, 레이저 빔 내의 활성 클래드 부분 및 레이저 빔의 하류 후-용접 디포짓을 포함하는 용접 존을 도시하는 도 2의 초합금 터빈 블레이드의 상세 평면도이다.
도 3은 클래딩될 구성요소를 위한 작업 테이블, 선-용접 스캐닝 레이저 프로필로미터(profilometer), 레이저 용접 시스템, 충전재 분배 장치 및 후-용접 스캐닝 레이저 프로필로미터를 포함하는 자동화된 레이저 클래딩 시스템의 예시적 실시예의 개략도이다.
도 4는 도 3의 클래딩 시스템의 예시적 다층 레이저 용접 래스터링 패턴(rastering pattern)의 개략도를 도시한다.
도 5는 레이저 용접 시스템 빔 래스터링 패턴 용접 경로보다 앞에 기재 상에 충전재를 분배하는, 도 3의 충전재 분배 장치의 개략적 측면 입면도이다.
도 6은 레이저 용접 시스템 빔 레스터링 패턴 용접 경로보다 앞에 기재 상에 충전재를 분배하는 도 3 및 도 5의 충전재 분배 장치의 개략적인 상부 평면도이다.
도 7은 레이저 용접 시스템 빔 래스터링 패턴 용접 경로 제 1 폭보다 앞에 기재 표면 영역에 걸쳐 충전재를 분배하는, 충전재 분배 장치의 일 실시예의 축방향 횡단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 폭보다 더 좁은 레이저 용접 시스템 빔 래스터링 패턴 용접 경로 제 2 폭보다 앞에 기재 표면 영역에 걸쳐 충전재를 분배하는, 도 7의 충전재 분배 장치의 축방향 횡단면도이다.
도 9는 선택적으로 가변적인 크기의 분배 틈새(distribution aperture)들을 갖는 충전재 분배 장치의 다른 예시적 실시예의 부분 단면도이다.
도 10은 기재 표면에 적용된 충전재 조성을 선택적으로 변경시키기 위해서 복수 개의 충전재 호퍼들 또는 빈(bin)들을 갖는 충전재 분배 장치의 다른 예시적 실시예의 개략적인 부분 단면도이다.
도 11은 3D 스캐닝 및 용접을 위해 공통의 레이저 소스를 공유하는 스캐닝 레이저 프로필로미터 및 레이저 용접 시스템의 개략도이다.
도 12는 용접 프로세스 동안 활용되는 레이저 빔을 선택적으로 변경시키기 위해서 광 섬유 튜브 코어 및 아우터 클래드 광학 층들에 광학적으로 커플링되는 상이한 레이저 소스들을 갖는 가변 초점식 렌즈 및 광 섬유 튜브에 넣어지는(nested) 레이저 용접 시스템의 개략도이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 가능하다면 도면들에서 공통인 동일한 요소들을 지정하기 위해서 동일한 참조 부호들이 사용되고 있다.
하기 설명을 고려한 후에, 당업자는 레이저 클래딩 시스템들 또는 방법들에서 본 발명의 교시들이 용이하게 활용될 수 있음을 명확하게 실현할 것이며, 여기서 터빈 구성요소들, 이를 테면 서비스-저하된 초합금 터빈 블레이드들 및 베인들이 레이저 빔 용접에 의해 클래딩된다. 클래딩 적용 프로파일을 포함하는 용접/클래딩 경로는, 구성요소의 이전의, 바람직하게는 동적 실시간 비접촉 3D 치수 스캐닝 및 구성요소를 위한 사양 치수 데이터(specification dimensional data)와 획득된 치수 스캔 데이터(dimensional scan data)의 비교에 의해 판정된다. 사양 치수 데이터에 그의 치수들을 따르도록 스캔된 구성요소들을 클래딩하기 위한 용접 경로가 판정된다. 레이저 용접 장치는 바람직하게는 클래딩 충전재 분배 장치와 함께 소망하는 클래딩 프로파일을 적용하기 위해서 용접 경로를 실행한다.
본원에 설명된 일부 실시예들에서, 용접된 구성요소의 후-용접 비접촉 3D 치수 스캔이 실행되고, 후-용접 스캔 치수 데이터가 사양 치수 데이터와 비교된다. 바람직하게는, 용접 경로 및/또는 클래딩 프로파일 적용은 선- 및/또는 후-용접 3D 치수 스캐닝에 의해 실시간 피드백 루프에서 동적으로 수정된다. 이러한 바람직한 예시적 방식에서, 용접 패턴은 동적으로 판정되며, 용접 프로세스 동안 발생하는 과도적 변경들에 응답하여 실시간으로 조절된다. 이러한 과도적인 변경들의 예시들은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 구성요소의 열적 변형, 구성요소 표면 및 용접 장치의 이동 및/또는 오정렬, 잘못 안내된 용접 경로 또는 용접 프로세스 중 용접 결함들(예컨대, 공극들 및/또는 균열들)의 생성을 포함한다.
용접 프로세스는 용접 레이저로부터 충전재 및 기재로 광학 에너지를 전달함으로써 성취되며, 광학 에너지는 기재에 열적 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합시킨다. 본원에 설명된 실시예들에서, 구성요소 기재의 열적 열화는, 구성요소 표면 토폴로지에 기초하여 광학 에너지 전달을 변경시킴으로써 회피되어, 균일한 에너지가 기재 및 충전재에 전달된다. 본 발명의 실시예들에서, 다음 중 하나 또는 그 초과에 의한 용접 프로세스 중 균일한 에너지 전달이 성취될 수 있다: 기재 및 용접 레이저 빔의 상대 이동 속도를 변경시키고; 레이저 파워 출력을 변경시키며; 서로에 대해 용접 레이저 빔 및 기재를 래스터링시키고(rastering); 용접 패턴 경로를 따라 서로에 대해 기재 및 용접 레이저 빔을 병진 이동 및 발진시키며; 충전재 조성, 도입 속도 또는 분산 패턴을 변경시키고; 또는 폐쇄식 피드백 루트에서 제어 시스템에 의해 에너지 전달을 감시하고 감시된 에너지 전달에 기초하여 에너지 전달 속도를 변경시킴. 본 발명의 실시예들은, 획득이 레이저 용접 프로세스와 실시간으로 또는 순차적으로 발생하든지 간에, 레이저 용접 프로세스 동안 유발된 연기가 많이 나는 조건(smoky condition)들 및/또는 자외선 방출들에도 불구하고 치수 데이터를 획득한다.
자동화된 레이저 클래딩 시스템(15)의 예시적 실시예가 도 1, 도 2 및 도 2a에 도시된다. 터빈 구성요소, 이를 테면 초합금 터빈 블레이드(20)는 새로운 블레이드의 사선식으로 된 소망하는 블레이드 팁 사양 치수(20s)들에 비해 서비스 저하된 마모된 팁 표면(20A)을 갖는다. 보다 자세하게는, 도 2a에서, 용접 레이저 빔 발진 스캔(680)의 상류의 블레이드 팁 스퀼러(squealer)(20A)의 부분은, 사양 폭(ds)보다 좁은 계측된 치수 폭(dA)을 갖는다. 마모된 팁 표면(20A)에 쌓이는 분말 필러(F)가 용접 레이저 빔 발진 스캔(680)에 의해 구성요소 표면 팁 표면에 융합된다. 빔(680)의 연속적으로 래스터된 레이저 용접 경로들은, 사양 폭(ds)보다 약간 넓은 폭을 갖는 연속적인 필러 층 디포짓(D)을 형성하도록 측방향으로 결합된 디포짓(21 내지 23)들을 형성한다. 정상적으로, 블레이드의 만족스러운 후-용접 검사 후, 초과 폭은 공지된 금속 가공 프로세스들, 이를테면 연마(grinding)에 의해 제거된다. 화살표(W)는 기재(20)에 대한 레이저 빔(680)의 방향 이동을 표시한다. 이는 레이저 빔(680)에 대한 기재의 방향 이동이 화살표(W)의 방향 이동과 반대가 된다. 바람직한 실시예들에서, 레이저 용접 프로세스는 방향(W)에서 규정된 경로를 따라 실시간으로 연속해서 동적으로 실행된다.
도 3(및 도 4와 도 5에 도시된 상응하는 상세들)은 클래딩되는 구성요소 기재(20)를 위한 작업대(work table)(30), 선-용접 스캐닝 레이저 프로필로미터(50), 레이저 용접 시스템(60), 충전재 분배 장치(70) 및 선택적인 후-용접 스캐닝 레이저 프로필로미터(80)를 포함하는 자동화된 레이저 클래딩 시스템(15)의 예시적인 일 실시예의 개략도이다. 더 자세하게는, 클래딩 시스템(15)은 터빈 블레이드(20) 또는 다른 터빈 구성요소 기재에 부착되는 작업대(30)를 포함한다. 선택적인 작업대 운동 제어 시스템(35)은, 도시된 X, Y, Z 좌표들 및 임의의 다른 단일 또는 다축 좌표계(coordinate system)에서 작업대(30)를 이동시키기 위해서 사용된다. 사선으로 개략적으로 도시된(도 1) 클래딩 시스템 갠트리(40)는, 선택적으로 도시된 X, Y, Z 좌표들 및 임의의 다른 단일 또는 다축 좌표계에서 작업대(30)를 이동시키기 위해서 갠트리 운동 제어 시스템(45)에 커플링된다. 운동 제어 시스템(45 또는 35) 들 중 하나 또는 모두는, 갠트리(40)와 기재(20) 사이에 상대 이동을 부과하기 위해서 사용되어, 용접 클래딩 패턴이 기재 표면 상에 형성될 수 있다.
갠트리(40)는 기재(20)의 3D 치수 데이터를 획득하기 위한 선-용접 비접촉식 레이저 프로필로미터(50), 용접 레이저 빔(680)을 발생시키는 레이저 용접 장치(60) 및 응고된 디파짓(D)을 형성하도록 용접 레이저 빔에 의한 최종 융합을 위해 기재 표면 상에 필러(F)를 선택적으로 쌓기 위한 충전재 분배 시스템(70)을 포함한다. 선택적인 후-용접 비접촉식 레이저 프로필로미터(80)는 후-용접 치수 데이터를 획득한다. 클래딩 시스템(15)은 제어기(90)의 제어하에 작동하며, 이는 바람직하게는 용접 장치 및 용접 장치의 용접 방법들의 인간 조작자 감시, 감독 및 선택을 위한 인간 기계 인터페이스(human machine interface; HMI)를 갖는다. 필러 분배 시스템(70)의 구축 및 작동은, 본원에 이미 인용된 미국 특허 출원 일련번호 제 13/611,144호에서 설명된다. 충전재 분배 장치(70)는, 용접 패턴 경로: 공지된 클래딩 시스템들 및 방법들에 의해 생성된 직렬식으로 쌓인 일련의 용접물들 또는 본원에 이미 인용된 미국 특허 출원 일련번호 제 13/611,034호에서 설명된 레이저 용접 시스템(60) 및 그의 방법들에 의해 실행되는 다차원 래스터드 연속 용접 패턴들에 걸쳐 충전재의 균일한 분배를 용이하게 한다.
도 1 및 도 3은 갠트리(40), 레이저 용접 장치(60) 및 충전재 분재 장치(70)를 개략적으로 도시한다. 용접 장치(60)는 미국 특허 출원 일련번호 제 13/611,034호에서 개시된 유형의 연속 경로 용접물 레이저 클래딩 용접 장치이다. 도 2에서와 같이, 클래딩 시스템(15)은 작업대(30)를 포함하며, 작업대에는 터빈 구성요소 기재(20), 이를 테면 초합금 재료 터빈 블레이드 또는 베인이 부착된다. 선택적인 작업대 운동 제어 시스템(35)은, 도시된 X, Y, Z 좌표들 및 임의의 다른 단일 또는 다축 좌표계(coordinate system)에서 작업대(30)를 이동시키기 위해서 사용된다. 충전재 분배 시스템(70)은, 용접 장치(60)의 래스터 패턴에 맞도록(match) 다중 차원(여기서는, 2차원) 패턴으로 기재(20) 표면을 용접하기에 적절한 분말식 충전재(F)를 도입한다. 예컨대, 기재가 초합금이면, 충전재는 종종 동일하거나 양립가능한 합금의 분말이다. 분배 시스템(70) 충전재 이송 속도는, 전기 모터 드라이브일 수 있는 필러 드라이브 시스템(735)에 의해 제어된다. 분배 시스템(70)은, 기재(20)를 위해 주입된(poured) 충전재 분말 적용 존(zone)들을 이동시키기 위해 그 자체의 독립적인 운동 제어 시스템(736)을 가질 수 있다. 충전재 분배 시스템 장치(70)의 구축은, 후속하는 레이저 용접 장치(60)의 일반 시스템 설명에서 보다 상세히 설명될 것이다.
용접 장치(60)는 기재(20) 표면 및 충전재(F)를 가열하기 위한 광학 에너지원으로서 레이저 빔(680)을 제공하는 선택적인 가변 초점식(dF) 렌즈 시스템(641) 또는 파워 출력(dP)을 갖춘 레이저(640)를 갖는다. 또한, 용접 시스템(60)은 각각의 드라이브(662, 664, 666)들의 제어 하의 경사축(T), 팬(pan)축(P), 회전축(R)으로서 도시된, 단일 또는 다축 이동가능한 미러(660)를 갖춘 이동가능한 미러 시스템(650)을 갖는다. 드라이브(662, 664, 666)들은 공지된 구조의 모터식 운동 제어 시스템의 일부 또는 공지된 제어기(90)의 제어 하에 있는 공지된 검류계(galvanometer)에 포함될 수 있다. 대안으로, 빔은 상기 설명된 축들 각각의 움직임들을 성취하기 위해서 운동의 단일(또는 다중) 축들을 갖는 다중 미러들에 의해 인터셉트될 수 있다.
제어기(90)는 자립형(stand-alone) 제어기, 프로그램 가능한 논리 제어기 또는 개인용 컴퓨터일 수 있다. 제어기(90)는 또한 작업대(30) 운동 제어 시스템(35), 갠트리(40) 운동 제어 시스템(45), 분말식 충전재 분배 시스템(70) 드라이브(735) 및/또는 선택적인 분말식 충전재 분배 시스템 드라이브 운동 제어 시스템(736) 및/또는 레이저(640) 가변식 포커스(dF) 및/또는 파워 출력(dP) 중 하나 또는 그 초과를 제어할 수 있다. 제어기(90)에 의한 공지된 개방식 및/또는 폐쇄식 피드백 루프들은 드라이브(35, 45, 735, 736, 662-666, dF 또는 dP)들 중 하나 또는 그 초과의 드라이브와 연관될 수 있다. 기재 및 필러로의 레이저 빔 광학 에너지 전달은, 또한 폐쇄된 피드백 루프에서 감시될 수 있어, 제어기가 감시된 에너지 전달 속도에 기초하여 에너지 전달 속도를 변경시킬 수 있다. 인간 기계 인터페이스(HMI)는, 용접 작업을 감시하고/감시하거나 용접 작업을 실행하기 위한 명령들을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
용접 시스템(60)을 작동시키면, 레이저(640)의 출력 빔(680)은, 미러(660)(또는 다중 미러들) 그리고 차례로 구성요소 기재(20) 상에 반사되며, 이는 기재 및 충전재(F)에 광학 에너지를 전달한다. 기재(20) 및 충전재(F)는 전달된 광학 에너지를 흡수하여, 충전재를 용융시키며, 기재 표면을 적시고 용융된 필러 및 기재 표면을 서로 융합시켜 응고된 디포짓(D)을 형성한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 기재(20) 및 레이저 빔(680)은 연속의 용접된 클래딩 층 또는 디포짓(D)을 형성하기 위해서, 작업대 드라이브 시스템(35), 갠트리 드라이브 시스템(45) 및/또는 이동가능한 미러 시스템(650) 드라이브(662, 664, 666)들 중 어느 하나 또는 그 초과의 제어 시스템(90)과의 맞물림에 의해 병진운동(translation) 경로를 따라 서로에 대해 이동된다. 이동가능한 미러 시스템(650)이 상업적으로 입수가능한 레이저 검류계 시스템에 포함될 때, 기재(20)와 레이저 빔(680) 사이의 상대 운동뿐만 아니라 레이저 광학 에너지 전달 속도는 상대 병진운동 및 발진 모두를 위해서 검류계 미러(660)(또는 다중 미러들)를 이동시킴으로써 바뀔 수 있다. 레이저 빔(680)과 기재(20)/충전재(F) 사이의 상대 이동은, 공지된 발진하지 않는 레이저 클래딩 시스템들에 의해 가능하지 않은 융합 균일성(fusion uniformity)을 위해서 병진 운동의 리딩 에지(예컨대, 도 4 및 도 5에서 용접 라인(21)의 우측 리딩 에지)에서 연속적으로 용융된 용접 라인을 유지한다.
임의의 빔 포커스 영역에서 흡수되는 용접 레이저(680)는 포커스 시간 지속기간에 비례해서 변한다. 비제한적인 예시에 의해, 레이저 빔(680) 포커스 시간 지속 기간 및 비례해서 흡수된 에너지는 다음과 같은 방법들로 바뀔 수 있다: (i) 레이저 빔(680)은 용접물 병진 운동 경로(21)에 평행하거나 나란히 횡방향으로(예컨대, 211) 발진될 수 있고; ii) 발진 또는 병진운동 속도가 바뀔 수 있고; iii) 레이저 파워 세기(dP) 또는 포커스(dF)가 연속적으로 또는 펄스 변조(pulse modulation)에 의해 바뀔 수 있다. 이에 따라, 레이저 빔(680) 포커스 시간 지속 기간의 속도를 동적으로 바꿈으로써, 기재 및 필러(F)에 대한 에너지 전달 속도가 용접 라인 병진운동 경로를 따라 변하여, 균일한 에너지 전달이 국부적 토포그래피 편차들에 관계없이 전체 용접물 내에서 유지된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 클래딩 층은, 단일 래스터 선형 용접물(21) 또는 다수의 인접한 선형 용접물(21, 22, 23)들의 2차원 용접물 어레이를 포함할 수 있다. 각각의 경로를 위한 병진운동 방향들은, 도시된 바와 같이 순차적으로 역전될 수 있다. 각각의 경로를 위한 발진 방향들은, 각각의 경로(21, 22, 23)를 위해 제각기 211, 221 및 231과 같은 병진 운동 방향에 순전히 횡방향일 수 있다. 이전 경로들의 측면에 대항하는 발진의 지속 기간은, 융합을 보장하기 위해서 증가될 수 있다. 다수의 클래딩 층들은, 층들을 도 4 내외로 방향(WⅠ, WⅡ, WⅢ)들에서 순차적으로 교번시킴으로써 또는 심지어 좌측 대 우측 이외로, 예컨대 좌측에서 우측으로 90°로, 병진 운동의 방향들을 바꿈으로써 서로에 적용될 수 있다. 이러한 다중 차원 래스터링 패턴들 모두는, 충전재 및 기재 상에 집속하는 레이저 빔과 함께 또는 앞서서 기재 표면 상에 충전재의 균일한 분포를 요구한다. 가변 크기, 다중 차원 용접 패턴 "풋프린트"가 특정 클래딩 작업에 요구될지라도, 필러 분배 시스템(70)은 균일한 충전재 분포를 용이하게 한다.
도 5 및 도 6에서, 충전재 분배 시스템(70)은, 도 4의 레이저 빔(680) 래스터링 패턴 병진운동 경로(21) 방향 및 발진 경로(211) 방향 화살표들보다 앞에 분말식 충전재(F)를 분배중이다. 이 실시예에서, 필러 분배 시스템(70)은, 이동 방향(W)으로 레이저 빔(680)과 나란히(in tandem with) 이동중이다. 대안으로, 기재(20)가 화살표(W)에 대해 반대 방향으로 이동하면서 레이저 빔(680) 및 충전재 분배 시스템(70)은 서로에 대해 고정된 위치에서 유지될 수 있다.
또한, 도 5는 레이저 용접 시스템(60)과 유사하게 기능하는 공지된 레이저 프로필로미터(50, 80)들 내에서 주요 구성요소들의 보다 상세한 구조를 도시한다. 개별 프로필로미터(50, 80)들 각각은, 대응하는 레이저 소스(540, 840), 대응하는 레이저 소스에 의해 생성된 레이저 빔의 배향을 바꾸기 위해 제어기(90)의 제어 하에 작동하는 이동가능한 미러(550, 850) 및 검출기(560, 860)를 갖는다. 바람직하게는, 프로필로미터(50, 80)들 각각은 이들의 개별 검출기(560, 860)들 각각에 연관된 공지된 구조의 광학 필터(570, 870)들을 갖는다. 광학 필터(570, 870)들은, 검출기 소음을 감소시키기 위해서 레이저 용접 중 생성된 반사된 전자기 주파수들의 주파수 범위들을 필터링한다(filter-out). 공지된 광학 필러들은, 메카노-광학 필터링 디바이스들, 이를 테면 코팅된 렌즈들 또는 전자-광학 필터들을 포함하며, 이들은 프로필로미터 스캐닝 데이터 프로세싱 이전에 필터 검출기 출력 주파수들을 필터링한다.
충전재 분배 시스템(70)의 예시적 실시예들은, 도 7 내지 도 10에 도시된다. 분배 시스템(70)은, 내부 캐비티(720)를 규정하는 하우징(710)(본원에서, 관형(tubular)) 및 충전재가 방출되는 복수 개의 충전재 분배 틈새들(apertures)(731- 736)(이후, "틈새들"로서 지칭됨)을 갖는다. 본 예시적 실시예에서 6 개의 틈새들이 도시되어 있지만, 이들의 어레이 패턴 및 크기는 소망하는 충전재 분배 패턴을 제공하기 위해서 선택적으로 변할 수 있다. 예컨대, 틈새 어레이 패턴은 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이 선형 패턴 또는 임의의 소망하는 다각형 패턴, 예컨대, 직사각형, 사다리꼴 등일 수 있다. 회전 오거(auger)(740) 기계적 피드 기구가 하우징(710)에 장착되며, 충전재 축방향 흐름을 위한 제한들로 설정된 프런트 시일(742) 및 리어 시일(744)을 갖는다. 이에 따라, 필러 분배 유동 폭은 틈새(731, 736)들의 최대 스프레드(maximum spread)에 의해 구속된다. 오거(740)는 제어기(90)의 제어 하에 분배 드라이브 시스템(735)에 의해 회전되며, 가압된 가스의 보조 없이, 또는 대안으로 소망하거나 허용가능한 충전재 분배 패턴을 방해하지 않는 제한된 양의 가압된 가스의 보조에 의해, 서플라이 호퍼(750)로부터 틈새 어레이(731 내지 736)로 충전재를 전달한다. 용접 프로세스 동안 산화 격리(oxidation isolation)를 위해 불활성 가스가 여전히 필요할 수 있지만, 이 가스는 예컨대 용접 격리 챔버 내에서 독립적으로 공급될 수 있다. 대안으로, 용접 플럭스(flux)가 분말식 필러 금속과 혼합될 수 있거나 이러한 차폐 기능을 제공하기 위해서 독립적으로 공급될 수 있다. 가압된 가스-보조식 필러 피드의 부족은, 필러 재료 분배 균일성을 방해하거나 필러 클럼핑(clumping)을 유발하는 가스 유동 와전류(eddy current)들의 가능성을 제거한다. 충전재 이송 속도는, 오거(740) 회전 속도를 변경시킴으로써 변경될 수 있다. 분배 틈새(731 내지 736) 치수들(본원에서 하기에 설명됨) 또는 오거 스레드 패턴의 치수들을 바꿈으로써 총(gross) 이송 속도들이 변경될 수 있다.
필러 분배 시스템(70) 피드 폭은, 하우징(710) 내의 오거(740) 축방향 위치를 바꿈으로써 선택적으로 변경된다. 도 7 및 도 8을 비교하면, 피드 폭은 오거(740)로부터 하나 또는 그 초과의 틈새(731, 732)들을 격리시킴으로써 좁아진다. 또한, 충전재는 도 9에 도시된 바와 같이 분배 틈새 크기를 바꿈으로써 변경될 수 있다. 여기서, 틈새(761, 762, 등)들을 갖는 오리피스 플레이트(760)는, 하우징(710)에서 대응하는 더 큰 틈새(731, 732, 등)들을 덮는다. 틈새 크기를 변경시키는 공지된 다른 기구들은, 비제한적인 예로서, 각각 스레드식 오리피스들 및 조절가능한 셔터들을 포함하는 오리피스 플레이트(760)로 대체될 수 있다.
도 10은 방출 밸브(751A 내지 751C)들과 제각기 각각 연통하는 복수 개의 호퍼(750A, 750B, 750C)들에 유지되는 상이한 충전재 조성물들의 선택적인 방출을 용이하게 하는 필러 분배 시스템(70)의 대안의 실시예를 도시한다. 방출 밸브들은, 제어기(90)의 제어 하에 하우징(710) 내로 충전재를 선택적으로 방출한다.
도 11의 대안의 실시예에서, 레이저 용접 장치(60) 또는 레이저 프로필로미터(50, 80)들 중 2 또는 그 초과는, 공통 레이저 소스(640)를 공유하며, 그 소스의 출력 빔은 이동가능한 미러 시스템(550, 650, 850)들 중 2 또는 그 초과에 의해 반사된다. 레이저 소스(640) 및 그의 집속 시스템(641)은, 레이저 빔 스폿 및/또는 방향을 다중화(multiplexing), 집속 및 재배향하기 위해 제어 시스템(90)에 작동식으로 커플링되는 레이저 드라이브 시스템(642)을 포함할 수 있다. 대안으로, 제어 시스템(90)에 작동식으로 커플링되는 이동가능한 미러 시스템(550, 650, 850)들은, 레이저 빔 방향을 다중화 또는 재배향하기 위해 활용될 수 있다. 공유된 레이저 소스 주파수, 파워 출력, 스폿 크기, 변조(modulation) 등은 용접 빔 또는 치수 스캐닝 빔으로서의 그의 특별한 적용을 위해 선택적으로 변경될 수 있다. 클래딩 시스템이 선-용접 치수 스캐닝, 용접 및 선택적 후-용접 치수 스캐닝을 순차적으로 실행한다면, 공통 레이저 소스는 모든 3 개의 순차적인 기능들을 위해 활용될 수 있다. 동적으로 작동하는 실시간 스캐닝 시스템에서, 임의의 공유된 레이저 소스는 공유 디바이스들 중에서 다중화되어야만 한다.
일부 클래딩 적용분야들에서, 클래딩 작동의 상이한 부분들을 위해서 상이한 용접 레이저 빔 피쳐들을 활용하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 레이저 파워 세기 및/또는 주파수 범위 피쳐들의 제 1 세트는 베어 기재(bare substrate) 상에 초기 클래딩 층 디포짓을 위해 최적화될 수 있었지만, 피쳐들의 제 2 세트는 초기 층 상의 후속 디포짓 층들을 위해 최적화될 수 있다. 피쳐들의 제 3 세트는 예컨대 인접한 용접 비드의 에지 경계를 따라 상이한 표면 토폴로지들을 위해 최적화될 수 있다. 용접 레이저 출력 피쳐들을 동적으로 재구성하는 것보다 오히려, 출력 피쳐들의 특정 세트를 위해 각각 구성된 상이한 레이저들을 스위치하는 것이 더 적합할 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 레이저 가변 초점식 렌즈(641)는 포개진(nested) 광섬유 튜브(643)의 출력 단부 전방에 삽입된다. 상이한 레이저 소스(640A, 640B)들은 용접 프로세스 동안 활용되는 레이저 빔을 선택적으로 변경시키기 위해서 광섬유 튜브 코어(645) 및 외부 클래드 광학 층(644)에 광학적으로 커플링된다. 광학적 코어(645)를 통해 전파되는 소스(640B)로부터의 레이저 빔은 용접 작업의 하나의 유형을 위해 활용된다. 유사하게, 소스(640A)로부터의 레이저 빔은 용접 작업들의 다른 유형을 위한 외부 클래드 광학 층(644)을 통해 전파된다.
공지된 광학 카메라 치수 측정 시스템들과 달리, 본 발명의 실시예들은, 치수 데이터 획득이 레이저 용접 프로세스와 실시간으로 또는 순차적으로 발생하든지 간에, 레이저 용접 프로세스 동안 유발된 연기가 자욱한 상태들 및/또는 자외선 방출들에도 불구하고 치수 데이터를 획득한다. 연기가 자욱하고/자욱하거나 고반사식 UV 조건들에도 불구하고 정확한 고 분해능, 선-용접 3D 치수 데이터를 빠른 속도로(at a rapid rate) 획득하는 능력은, 공지된 순차적 레이저 프로필로미터 및 레이저 절삭 시스템들과 비교하여, 실시간으로 동적으로 스캔 및 용접하는 능력을 용이하게 한다. 실시간의 선택적인 후-용접 3D 치수 스캐닝의 추가는, 클래딩 시스템 기능 특징들(예컨대, 충전재의 용접 경로, 용접 프로파일 또는 적용분야 및 동적 선택 분포)을 동적으로 변경시키는 동적 피드백 제어 시스템들의 구현을 용이하게 하여, 클래딩 시스템이 용접 사이클 중 기재 특징들의 변경들에 응답할 수 있다.
전술된 미국 특허 출원 일련번호 제 13/611,034호에서 더욱 완전하게 설명된 바와 같이, 용접 프로세스는 용접 레이저로부터 충전재 및 기재로 광학 에너지를 전달함으로써 동적으로 그리고 실시간으로 바람직하게 제어되며, 이는 기재에 열적 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합시킨다. 본원에 설명된 실시예들에서, 구성요소 기재의 열적 열화는, 구성요소 표면 토폴로지에 기초하여 광학 에너지 전달을 변경시킴으로써 회피되어, 균일한 에너지가 기재 및 충전재에 전달된다. 본 발명의 실시예들에서, 다음 중 하나 또는 그 초과에 의한 용접 프로세스 중 균일한 에너지 전달이 성취될 수 있다: 기재 및 용접 레이저 빔의 상대 이동 속도를 변경하고; 레이저 파워 출력을 변경하며; 서로에 대해 용접 레이저 빔 및 기재를 래스터링하고; 용접 패턴 경로를 따라 서로에 대해 기재 및 용접 레이저 빔을 병진 이동 및 발진시키며; 충전재 조성, 도입 속도 또는 분산 패턴을 변경하고; 또는 폐쇄식 피드백 루트에서 제어 시스템에 의해 에너지 전달을 감시하고 감시된 에너지 전달에 기초하여 에너지 전달 속도를 변경함.
본 발명의 교시들을 포함하는 다양한 실시예들이 본원에서 상세하게 도시되고 설명되어 있지만, 당업자는 여전히 이러한 교시들을 포함하는 다른 변경된 많은 실시예들을 쉽게 고안할 수 있다. 본 발명은, 명세서에서 설명되거나 도면들에 예시된 구성요소들의 배열 및 구조의 예시적인 상세 실시예들에 대한 그의 적용으로 제한되지 않는다. 본 발명은, 다양한 방식들로 실현되거나 실시될 수 있는 다른 실시예들이다. 또한, 본원에 사용된 어법(phraseology) 및 기술용어(termiology)는 설명을 위한 것이지 제한으로서 고려되어서는 안 된다는 점이 이해되어야 한다. 본원에서 "포함하는", "구비하는" 또는 "갖는" 그리고 이의 파생어들의 사용은, 이후에 기재된 아이템들 및 그의 등가물들뿐만 아니라 추가의 항목들을 포함해야 한다. 구체적이거나 달리 제한되지 않는 한, 용어 "장착된", "연결된", "지지된" 및 "커플링된" 및 그의 파생어들은 광범위하게 이용되고 있으며 직접 및 간접 장착물들, 연결물들, 지지물들 및 커플링들을 포함한다. 게다가, "연결된" 또는 "커플링된"은 물리적 또는 기계적 연결물들 또는 커플링들로 제한되지 않는다.

Claims (20)

  1. 터빈 구성요소들의 용접 방법으로서,
    프로필로미터(profilometer) 또는 용접 장치중 어느 하나와 작업대(work table) 사이에 제어된 상대 이동을 제공하기 위해서, 제어 시스템에 의한 공통의 제어 하에 작업대, 레이저 프로필로미터 및 레이저 용접 장치를 제공하는 단계;
    기재(substrate)를 갖는 터빈 구성요소를 작업대에 커플링하는 단계;
    상기 제어 시스템의 제어 하에 레이저 프로필로미터 및 작업대 장치를 작동시키고 구성요소 치수 데이터를 획득함으로써 실시간으로 터빈 구성요소 기재의 표면을 스캐닝하는 단계;
    상기 제어 시스템에 의해 실시간으로 구성요소 치수 데이터와 사양 치수 데이터를 비교하고, 용접된 구성요소 치수들이 사양 치수 데이터와 일치하도록 구성요소 기재 표면 부분들을 빌드업(build-up)하기 위해 용접 패턴을 판정하는 단계; 및
    상기 제어 시스템의 제어 하에 판정된 용접 패턴과 일치하게 레이저 용접 및 작업대 장치들을 작동시킴으로써 구성요소 기재 표면을 실시간으로 용접하는 단계를 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    후속하여, 후-용접(post-weld) 구성요소 치수 데이터를 획득하기 위해서 레이저 프로필로미터에 의해 용접된 구성요소 표면을 실시간으로 스캐닝하는 단계; 및
    상기 후-용접 데이터가 사양 치수 데이터와 일치하는 지의 여부를 제어 시스템에 의해 판정하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 후-용접 치수 데이터가 사양 치수 데이터와 일치하도록 제어 시스템에 의해 피드백 루프에서 용접 패턴을 변경하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 단계는,
    상기 구성요소 기재 표면 상에 충전재(filler material)를 도입하는 단계;
    상기 충전재 및 기재 상에 용접 레이저 빔을 집속하는 단계;
    상기 기재에 열적 열화(thermal degradation)를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합하는 광학 에너지를 용접 레이저로부터 충전재 및 기재로 전달하는 단계; 및
    서로에 대해 기재 및 용접 레이저 빔을 이동시키면서 균일한 에너지 전달을 유지하는 단계를 더 포함하며,
    상기 제공된 레이저 용접 장치는,
    상기 기재에 열적 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합하는 광학 에너지를 터빈 구성요소 기재 및 기재 상의 충전재로 전달하기 위해 용접 레이저 빔을 발생시키는 용접 레이저;
    상기 기재 상에 레이저 빔을 배향시키기 위해서 용접 레이저 빔을 인터셉트하는 하나 이상의 이동가능한 미러; 및
    상기 용접 레이저 빔과 기재 사이에 상대 이동을 유발하기 위해 개별 제어 시스템, 하나 이상의 이동가능한 미러 및 용접 레이저의 각각에 커플링되는 하나 이상의 드라이브 시스템을 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 균일한 에너지 전달을 유지하는 단계는,
    상기 구성요소 표면 토폴로지(topology)에 기초하여 광학 에너지 전달을 변경시키는 단계;
    상기 기재 및 용접 레이저 빔의 상대 이동 속도를 변경시키는 단계;
    상기 용접 레이저 파워 출력을 변경시키는 단계;
    상기 용접 레이저 빔 및 기재를 서로에 대해 래스터링하는(rastering) 단계;
    상기 용접 패턴 경로를 따라 서로에 대해 기재 및 용접 레이저 빔을 병진운동 및 발진시키는 단계;
    상기 용접 레이저 파워 출력을 변조시키는(modulating) 단계:
    충전재 조성, 도입 속도 또는 분산 패턴을 변경시키는 단계; 또는
    폐쇄된 피드백 루프에서 제어 시스템에 의해 에너지 전달을 감시하고 감시된 에너지 전달에 기초하여 에너지 전달 속도를 변경시키는 단계;
    중 어느 하나의 단계를 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    자신의 입력 단부 상에서 각각의 프로필로미터 및 용접 레이저들에 광학적으로 커플링되는 한 쌍의 별개의 광학 경로들을 갖는 광섬유 튜브, 및 상기 광섬유 튜브의 출력 단부에 광학적으로 커플링되는 개별 레이저들에 의해 생성된 레이저 빔들을 집속하기 위한 가변 초점식 렌즈를 제공하는 단계; 및
    스캐닝 또는 용접 작업을 실행할 때 대응하는 개별 레이저들 중 하나를 선택적으로 활성화하고, 활성화된 레이저를 가변 초점식 렌즈에 의해 집속하는(focusing) 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 프로필로미터 및 레이저 용접 장치를 위한 공통의 레이저 소스를 제공하는 단계; 및
    레이저 파워 출력, 주파수 또는 출력 변조 중 하나 또는 그 초과를 변경시킴으로써 프로필로미터 및 용접 장치를 위한 상이한 모드들에서 레이저 소스를 작동시키는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    레이저 용접 중 생성된 반사된 주파수들의 주파수 범위 밖에서 프로필로미터 레이저 주파수를 선택하고, 그리고
    레이저 프로필로미터 스캐닝 센서들로부터, 레이저 용접 중 생성된 반사된 주파수들의 주파수 범위를 필터링함으로써,
    프로필로미터 스캐닝 감도를 향상시키는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  9. 터빈 구성요소들의 용접 방법으로서,
    프로필로미터 또는 용접 장치중 어느 하나와 작업대 사이에 제어된 상대 이동을 제공하기 위해서, 제어 시스템에 의한 공통의 제어 하에 작업대, 레이저 프로필로미터 및 레이저 용접 장치를 제공하는 단계;
    기재를 갖는 터빈 구성요소를 작업대에 커플링하는 단계;
    상기 제어 시스템의 제어 하에 레이저 프로필로미터 및 작업대 장치를 작동시키고 구성요소 치수 데이터를 획득함으로써 터빈 구성요소 기재의 표면을 스캐닝하는 단계;
    상기 제어 시스템에 의해 사양 치수 데이터와 구성요소 치수 데이터를 비교하고, 용접된 구성요소 치수들이 사양 치수 데이터와 일치하도록 구성요소 기재 표면 부분들을 빌드업하기 위해 용접 패턴을 판정하는 단계; 및
    상기 제어 시스템의 제어 하에 판정된 용접 패턴과 일치하게 레이저 용접 및 작업대 장치들을 작동시킴으로써 구성요소 기재 표면을 용접하는 단계를 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    후속하여, 후-용접 구성요소 치수 데이터를 획득하기 위해서 레이저 프로필로미터에 의해 용접된 구성요소 표면을 스캐닝하는 단계; 및
    상기 후-용접 데이터가 사양 치수 데이터와 일치하는 지의 여부를 제어 시스템에 의해 판정하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 후-용접 치수 데이터가 사양 치수 데이터와 일치하도록 피드백 루프에서 제어 시스템에 의해 용접 패턴을 변경하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 용접 단계는,
    상기 구성요소 기재 표면 상에 충전재를 도입하는 단계;
    상기 충전재 및 기재 상에 용접 레이저 빔을 집속하는 단계;
    상기 기재에 열적 열화(thermal degradation)를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합하는 광학 에너지를 용접 레이저로부터 충전재 및 기재로 전달하는 단계; 및
    서로에 대해 기재 및 용접 레이저 빔을 이동시키면서 균일한 에너지 전달을 유지하는 단계를 더 포함하며,
    상기 제공된 레이저 용접 장치는,
    상기 기재에 열적 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합하는 광학 에너지를 터빈 구성요소 기재 및 기재 상의 충전재로 전달하기 위해 용접 레이저 빔을 발생시키는 용접 레이저;
    상기 기재 상에 레이저 빔을 배향시키기 위해서 용접 레이저 빔을 인터셉트하는 하나 이상의 이동가능한 미러; 및
    상기 용접 레이저 빔과 기재 사이에 상대 이동을 유발하기 위해 개별 제어 시스템, 하나 이상의 이동가능한 미러 및 용접 레이저의 각각에 커플링되는 하나 이상의 드라이브 시스템을 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    후속하여, 후-용접 구성요소 치수 데이터를 획득하기 위해서 레이저 프로필로미터에 의해 용접된 구성요소 표면을 스캐닝하는 단계; 및
    상기 후-용접 데이터가 사양 치수 데이터와 일치하는 지의 여부를 제어 시스템에 의해 판정하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 후-용접 치수 데이터가 사양 치수 데이터와 일치하도록 피드백 루프에서 제어 시스템에 의해 용접 패턴을 변경하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    레이저 용접 중 생성된 반사된 주파수들의 주파수 범위 밖에서 프로필로미터 레이저 주파수를 선택하고, 그리고
    레이저 프로필로미터 스캐닝 센서들로부터, 레이저 용접 중 생성된 반사된 주파수들의 주파수 범위를 필터링함으로써,
    프로필로미터 스캐닝 감도를 향상시키는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    실시간 연속 프로세스에서 동적으로 그리고 동시에 상기 스캐닝 및 용접 단계들을 실행하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  17. 터빈 구성요소들의 용접 방법으로서,
    프로필로미터 또는 용접 장치 중 어느 하나와 작업대 사이에 제어된 상대 이동을 제공하기 위해서, 제어 시스템에 의한 공통의 제어 하에 작업대, 레이저 프로필로미터, 용접 분말 필러 디스펜서(filler dispenser) 및 검류계(galvanometer) 레이저 용접 장치를 제공하는 단계로서, 상기 검류계 레이저 용접 장치는, 기재에 열적 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합하는 광학 에너지를 터빈 구성요소 기재 및 기재 상의 충전재에 전달하기 위해 용접 레이저 빔을 생성하는 용접 레이저, 기재 상에 레이저 빔을 배향시키기 위해서 용접 레이저 빔을 인터셉트하는 하나 이상의 이동가능한 미러, 및 용접 레이저 빔과 기재 사이에 상대 이동을 유발하기 위해서 개별 제어 시스템, 하나 이상의 이동가능한 미러 및 용접 레이저의 각각에 커플링되는 하나 이상의 드라이브 시스템을 갖는, 단계;
    기재를 갖는 터빈 구성요소를 작업대에 커플링하는 단계;
    상기 제어 시스템의 제어 하에 레이저 프로필로미터 및 작업대 장치를 작동시키고 구성요소 치수 데이터를 획득함으로써 터빈 구성요소 기재의 표면을 스캐닝하는 단계;
    상기 제어 시스템에 의해 사양 치수 데이터와 구성요소 치수 데이터를 비교하고, 용접된 구성요소 치수들이 사양 치수 데이터와 일치하도록 구성요소 기재 표면 부분들을 빌드업하기 위해 용접 패턴을 판정하는 단계; 및
    상기 제어 시스템에 의해 판정된 선택된 이송 속도 및 분산 패턴으로 용접 분말 필러 디스펜서에 의해 구성요소 기재 표면 상에 충전재를 도입하고, 상기 충전재 및 기재 상에 용접 레이저 빔을 집속하며, 기재에 열적 열화를 유발하지 않으면서 필러 층으로서 기재에 충전재를 융합하는 광학 에너지를 용접 레이저로부터 충전재 및 기재로 전달하고, 상기 제어 시스템의 제어 하에 판정된 용접 패턴과 일치하게 레이저 용접 및 작업대 장치들을 작동시켜 기재와 용접 레이저 빔을 서로에 대해 이동시키고 균일한 에너지 전달을 유지함으로써 구성요소 기재 표면을 용접하는 단계를 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 균일한 에너지 전달을 유지하는 단계는 ,
    상기 기재 및 용접 레이저 빔의 상대 이동 속도를 변경시키는 단계;
    용접 레이저 파워 출력을 변경시키는 단계;
    상기 용접 레이저 빔 및 기재를 서로에 대해 래스터링하는 단계;
    용접 패턴 경로를 따라 서로에 대해 기재 및 용접 레이저 빔을 병진운동 및 발진시키는 단계;
    용접 레이저 출력을 변조시키는 단계;
    충전재 조성, 도입 속도 또는 분산 패턴을 변경시키는 단계; 또는
    폐쇄된 피드백 루프에서 제어 시스템에 의해 에너지 전달을 감시하고 감시된 에너지 전달에 기초하여 에너지 전달 속도를 변경시키는 단계 중 어느 하나의 단계를 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    후속하여 후-용접 구성요소 치수 데이터를 획득하기 위해서 레이저 프로필로미터에 의해 용접된 구성요소 표면을 스캐닝하는 단계;
    상기 후-용접 데이터가 사양 치수 데이터와 일치하는 지의 여부를 제어 시스템에 의해 판정하는 단계; 및
    상기 후-용접 치수 데이터가 사양 치수 데이터와 일치하도록 피드백 루프에서 제어 시스템에 의해 용접 패턴을 변경하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    실시간 연속 프로세스에서 동적으로 그리고 동시에 상기 스캐닝 및 용접 단계들을 실행하는 단계를 더 포함하는,
    터빈 구성요소들의 용접 방법.
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