KR20150063400A - 레이저 분말 적층 용접 장치를 위한 분말 노즐 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 분말 적층 용접 장치를 위한 분말 공급 장치(1)와 이러한 분말 공급 장치(1)를 갖는 레이저 분말 적층 용접 장치에 관한 것이다. 분말 공급 장치(1)는 분말 공급 장치(1)의 종축(2)을 따라 제1 단부(4)를 향해 수축되는, 공동(6)을 갖는 노즐 헤드(3)를 구비한다. 공동(6)은 노즐 헤드(3)의 내부에서 종축(2)을 중심으로 반경 방향으로 배치되고, 노즐 헤드(3)의 제1 단부(4)를 향해 수축된다. 공동(6)은 분말을 배출하기 위한, 제1 단부(4)에 배치된 환형 개구(7)로 통한다. 분말 공급 장치(1)는 복수(N)의 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 8-3)을 갖고, 상기 파이프 라인들은 노즐 헤드(3)의 제1 단부(4)에 대향하는 노즐 헤드(3)의 제2 단부(5)에 의해 공동(6)을 향해 연장되고, 분말 저장부로부터 공동(6)으로 분말을 이송하도록 형성된다.
Description
본 발명은 레이저 분말 적층 용접 장치를 위한 분말 공급 장치와, 이러한 분말 공급 장치를 구비한 레이저 분말 적층 용접 장치와, 가공물을 보완하거나 형성하거나 수리하기 위한, 상기 레이저 분말 적층 용접 장치의 용도에 관한 것이다.
레이저 분말 적층 용접 시에는, 미세한 금속 분말이 가공물의 한 위치에 제공되고, 이 위치에서 레이저에 의해 용융되어, 가공물과 융합된다. 이를 위해 일반적으로, 특정한 양의 분말이 지속적으로 제공되고 용융되며, 이때 분말 공급부와 레이저는 상기 가공물의 상부에서 또는 상기 가공물에 상대적으로 이동된다. 이러한 방식으로, 상기 가공물에 재료가 부가될 수 있으므로, 보완되거나 수리될 수 있다. 수리를 위해 예컨대 가공물의 손상된 위치에 구멍이 뚫리고, 이어서 레이저 분말 적층 용접의 진행 중에 이러한 뚫린 위치는 충전될 수 있다. 이러한 방식으로, 가공물의 단계별 형성도 이루어질 수 있다. 이러한 방법들은 특히, 예컨대 가스터빈들의 이른바 개장(refurbishment) 또는 제조에서와 같이 큰 단결정 가공물들이 가공되는 경우에 특히 중요하다.
상기 유형의 방법의 경우 제공될 분말의 양, 레이저 출력, 레이저 직경, 및 분말 공급과 레이저가 가공물의 상부에서 안내되는 상대속도를 위해 적합한 매개변수의 선택은 공정의 특성들에 큰 영향을 준다. 무엇보다 재현 가능하고 양호한 결과들을 위해, 선택된 매개변수들의 정확한 설정 및 유지가 매우 중요하다. 그러므로 무엇보다, 특정한 시간 간격 안에 공급된 분말의 양을 가능한 한 일정하게 유지할 수 있어서, 일정한 특성들이 레이저에 의한 용융 중에 보장될 수 있는 것이 바람직하다. 예컨대 레이저의 출력은, 특정량의 분말이 완전히 용융되므로, 결정핵이 용융물 내에서 유지되지 않으면서도 너무 높은 레이저 출력으로 인해 용융된 분말의 상당한 증발이 발생하는 일이 없도록 설정될 수 있다. 여기서, 분말 양이 너무 심하게 변화할 경우에, 가공물의 재료가 너무 많이 용융되거나 증발되는 결과 또는 제공된 분말이 완전히 용융될 수 없으므로, 하부의 가공물의 결정 구조의 에피택셜 연속을 방해하는 방해 결정핵들이 부분 용융물 내에 남아있는 결과가 발생할 수 있을 것이다.
레이저 용융물 내로 분말을 공급하기 위해 일반적으로 이용되는 종래의 노즐 시스템들은 대략 100와트부터 수 킬로와트까지의 넓은 레이저 출력 범위들의 범주에서 이용하기 위해 제공된다. 이 외에도, 이러한 노즐 시스템들은, 예컨대 코팅 적용예들, 재료들 또는 재료 조합들과 같은 다양한 적용예들을 위해 제공된다. 여기서, 이른바 마이크로-클래딩-공정(Micro-Cladding-Process)의 범주의 매우 중요한 적용예들의 경우, 레이저 빔, 분말 재료 및 기본 재료의 상호 작용 구역 내의 600 마이크로미터 이하의 비교적 작은 분말 초점(powder focus)과 대략 분당 100 내지 400 밀리그램의 비교적 낮은 분말 공급율이 요구된다. 이때, 이용된 분말 재료들은 25 내지 50 마이크로미터 직경의 한정된 결정립 프랙션(grain fraction) 내에서 이용된다. 이때, 분말 입자들은 가능한 한 구형(spherical)으로 형성되어야 한다. 이러한 특성들과 너무 다르다면, 예컨대 구형이 아닌 결정립들 또는 20 마이크로미터 미만의 직경을 갖는 결정립들이 너무 많이 포함된다면, 분말 노즐 내의 분말의 이송 능력이 악화되어서 분말 노즐이 막힐 수 있다. 그러므로, 본 발명은 특히 마이크로-클래딩-공정의 요건들에 매칭되는 분말 공급 장치를 소개한다.
그러므로, 본 발명의 제1 양상은 레이저 분말 적층 용접 장치를 위한 분말 공급 장치를 소개한다. 상기 분말 공급 장치는 분말 공급 장치의 종축을 따라 제1 단부를 향해 수축되는, 공동을 갖는 노즐 헤드를 구비한다. 상기 공동은 노즐 헤드의 내부에서 종축을 중심으로 반경 방향으로 배치되고 노즐 헤드의 제1 단부를 향해 수축된다. 공동은 분말을 배출하기 위한, 제1 단부에 배치된 환형 개구로 통한다. 분말 공급 장치는 복수(N)의 분말 공급 파이프 라인들을 갖고, 상기 분말 공급 파이프 라인들은 노즐 헤드의 제1 단부에 대향하는 노즐 헤드의 제2 단부에 의해 공동을 향해 연장되고, 분말 저장부로부터 공동으로 분말을 이송하도록 형성된다.
본 발명의 분말 공급 장치는, 복수의 분말 공급 파이프 라인들이, 환형 개구 내에서 가공되는 가공물을 향해 재차 개방되는 노즐 헤드의 내부의 공동으로 통함으로써, 상호 작용 구역 내에서 특히 균일하게 분말을 분배하는 장점을 제공한다. 상기 분말 공급 장치는 언더컷 없이 노즐 헤드의 내부에 형성될 수 있어서, 분말의 균일한 이송을 방해할 분말 축적과 막힘이 방지될 수 있다. 분말 공급 장치는 기울임 가능하게 이용될 수도 있어서, 3D 또는 360°-궤도-가공이 가능해지는데, 이는 특히 불규칙적으로 형성된 가공물들의 경우에 바람직하다.
본 발명에 따른 분말 공급 장치의 실시예들은, 분말 공급 장치의 내부에서 덩어리를 발생시키지 않으면서, 예컨대 5 내지 20 마이크로미터 직경의 비교적 작은 결정립 프랙션을 갖는 분말과, 예컨대 20 마이크로미터 미만의 직경을 갖는 결정립들의 분량이 최대 5 퍼센트인, 작은 분량이 더 많은 분말들을 이용 가능하게 한다. 이로 인해, 분말의 이송 능력을 개선하기 위한, 분말의 여과를 위한 복잡성은 줄어들 수 있는데, 이는 마이크로-클래딩-공정의 저렴한 실행을 가능하게 한다. 게다가, (5 내지 20 마이크로미터 직경의 결정립 프랙션의) 더 미세한 분말들의 이용은 마이크로-클래딩-공정을 위한 새로운 적용예들을 개척할 수 있다. 여기서, 특히 더 낮거나 더 높은 적층률이 고려될 수 있다. 다른 합금들과 합금 조합물들의 용접도 가능해질 수 있다.
바람직하게 각각의 분말 공급 파이프 라인은 이의 양측에 인접한 분말 공급 파이프 라인들에 대해 동일한 간격으로 배치되어 있다. 이로 인해, 환형 개구의 주연을 따라 단위 시간당 동일한 양의 분말이 공급되는데, 이는 특히 상호 작용 구역 내에서 분말의 균일한 공급과 분배를 야기시킨다. 본 발명에 따른 분말 공급 장치의 모든 실시예들에서, 각각의 분말 공급 파이프 라인은 동일한 직경을 갖는다.
각각의 분말 공급 파이프 라인은, 이송 장치를 따라 공동으로 분말을 이송하도록 형성될 수 있다. 이때 바람직하게 이송 방향의 주 방향 성분이 분말 공급 장치의 종축에 평행하게 배향된다. 이는, 분말이 분말 공급 파이프 라인들 내에서 분말 공급 장치의 종축에 상대적으로, 종축에 평행한 이동보다 종축에 수직인 이동을 더 적게 겪는 것을 의미한다. 이로 인해, 이송되는 분말에 대한 분말 공급 파이프 라인들의 가능한 한 낮은 이송 저항이 야기된다. 높은 이송 저항은 분말의 정체와 이로 인한 분말 축적 및 막힘을 촉진시킬 것이다.
이때, 이송 방향과 종축 사이의 각도가 특히 바람직하게 최대 20도일 수 있다. 이로 인해, 분말은 비교적 긴 경로에 걸쳐 천천히 노즐 헤드 내의 공동으로 전해진다.
분말 공급 파이프 라인들 중 하나의 임의의 분말 공급 파이프 라인과 종축 사이의 간격은 바람직하게 노즐 헤드의 제2 단부로부터 노즐 헤드의 제1 단부를 향해 감소된다.
복수(N)의 분말 공급 파이프 라인들은 바람직하게 3개 이상이다. 더 많은 수의 분말 공급 파이프 라인들이 분말 공급 장치의 제조를 더 어렵게 만들지만, 환형 개구의 주연을 따른 더 균일한 분말의 분배를 가져온다. 단 하나 또는 2개의 분말 공급 파이프 라인들의 이용은, 여기서 분말이 적절하지 않게만 분배되기 때문에 바람직하지 않은 것으로 밝혀졌다.
바람직하게 환형 개구는 1.5 밀리미터 또는 그 미만의 직경을 갖는다. 비교적 작은 직경은 상호 작용 구역 내의 분말의 정확한 위치설정과, 특히 마이크로-클래딩-공정에 적합한 분말 초점을 일으킨다. 게다가, 환형 개구의 직경이 작게 선택될 경우에, 본 발명에 따른 분말 공급 장치는 특히 컴팩트하거나 더 작게 형성될 수 있다.
공동은 각각 적어도 원뿔대 형태에 가깝게 형성되는 외부면과 내부면을 가질 수 있다. 이로 인해, 공동 자체는 원뿔형을 갖고, 이는 분말의 개선된 포커싱(focusing)을 가능하게 한다.
바람직하게 종축에 수직인 공동의 횡단면은 분말 공급 장치의 제1 단부를 향해 감소되어서, 분말의 포커싱이 달성된다.
특히 바람직하게 노즐 헤드는 회전 대칭형으로 형성되고, 이는 분말의 특히 균일한 분배를 가져온다. 이때 바람직하게, 분말 공급 파이프 라인들은 종축을 중심으로 복수(N)로 나뉘어진 360도의 각거리로 배치되어 있다. 이에 따라, N=3일 경우 각각 2개의 인접한 분말 공급 파이프 라인들 사이의 각거리는 바람직하게 120도이다.
노즐 헤드는 종축을 따라, 공동으로부터 분리된 관통 보어를 가질 수 있다. 상기 관통 보어는 노즐 헤드의 제1 단부에 개구를 가질 수 있다. 상기 관통 보어는, 마이크로-클래딩-공정의 범주에서 분말을 용융시키기 위해 이용된 레이저가 분말 공급 장치를 관통하여 가공물로 향할 수 있어서, 상호 작용 구역으로의 접근은 분말 공급 장치를 통해 방해받지 않는 장점을 제공한다. 그 외에도, 분말 공급 장치의 종축에 평행한 레이저 빔의 배향이 가능해져서, 상호 작용 구역의 횡단면에 걸친 레이저 출력의 균일한 분배가 달성되고, 이는 더 균일한 결과들을 가져온다.
바람직하게 관통 보어의 개구는 1 밀리미터 또는 그 미만(그리고 공동의 환형 개구의 직경 미만)의 직경을 가진다. 일반적으로 관통 보어의 직경은 레이저의 직경보다 가능한 한 약간 커야 하는데, 최소로 필요한 정도를 넘는 관통 보어의 직경 확대가 레이저 빔의 중앙에 대해 간격이 증가된 분말 위치설정을 가져오기 때문이다. 게다가, 관통 보어의 직경이 작게 선택될 경우에, 본 발명에 따른 분말 공급 장치는 특히 컴팩트하거나 더 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 양상에 의해 레이저 분말 적층 용접 장치가 소개된다. 상기 레이저 분말 적층 용접 장치는 분말을 위한 분말 저장부와, 분말 저장부와 연결되고 분말 공급 파이프 라인들을 갖는 분말 공급 장치와, 분말 공급 장치로부터 가공물로 적층되는 양의 분말을 용융시키도록 형성된 레이저를 갖는다. 이 경우, 분말 공급 장치는 본 발명의 제1 양상에 따라 형성된다.
본 발명의 추가의 양상은, 가공물, 바람직하게 가스터빈 부품을 보완하거나, 형성하거나, 수리하기 위한, 상기 레이저 분말 적층 용접 장치의 이용에 관한 것이다.
본 발명은 하기에서 실시예의 도면들에 의해 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른, 레이저 분말 적층 용접 장치를 위한 분말 공급 장치를 도시한 종단면도이다.
도 2, 도 3, 및 도 4는 도 1의 횡단면선들(Ⅱ, Ⅲ, 및 Ⅳ)을 따라 분말 공급 장치를 각각 도시한 횡단면도이다.
도 2, 도 3, 및 도 4는 도 1의 횡단면선들(Ⅱ, Ⅲ, 및 Ⅳ)을 따라 분말 공급 장치를 각각 도시한 횡단면도이다.
도 1에는 본 발명에 따른, 레이저 분말 적층 용접 장치를 위한 분말 공급 장치(1)의 종단면도가 도시된다. 도 1의 실시예의 분말 공급 장치(1)는 종축(2)을 중심으로 회전 대칭형으로 형성되고 노즐 헤드(3)를 갖는다. 노즐 헤드(3)의 내부에는, 노즐 헤드(3)의 제1 단부(4)에서 환형 개구(7)로 통하는 공동(6)이 배치된다. 제1 단부(4)에 대향하는 제2 단부(5)에 의해 분말 공급 파이프 라인들(8-1 및 8-2)이 노즐 헤드(3) 내로 도달하고, 상기 분말 공급 파이프 라인들은 도시되지 않은 분말 저장부를 공동(6)과 연결하며, 분말 저장부 내에 저장된 분말을 공동(6)으로 이송한다. 도 1에는 분말 공급 파이프 라인(8-3)이 도시되지 않는다. 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 및 8-3)의 정확한 공간상 위치는 도 2에 더 명확히 도시된다.
본 발명의 바람직한 실시예들에서, 분말 공급 파이프 라인들과 공동 사이의 전환부는 바람직하게 선형으로 구현되므로, 분말 공급 파이프 라인들을 통해 공급된 분말은 전환부에서 덩어리가 되지 않는다. 도 1의 실시예의 공동(6)은 원뿔형으로 형성되고, 다시 말해, 상기 공동은 중공 원뿔대의 형태를 갖고, 이때 제1 단부(4)를 향해 중공 원뿔대의 직경이 감소된다. 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 8-3)은, 도 1에서 분말 공급 파이프 라인(8-1)에 대해서만 도시되는 각각의 이송 방향(10)을 따라 분말을 이송하도록 형성된다. 분말 공급 장치(1)의 종축(2)과 이송 방향(10) 사이의 각도는 바람직하게 20도 또는 그 미만이다.
종축(2)을 따라 상기 실시예의 분말 공급 장치(1)는 관통 보어(11)를 갖고, 상기 관통 보어를 통해 레이저 빔(9)은 마이크로-클래딩-공정의 범주에서 분말을 용융시키기 위해 분말 공급 장치(1)를 관통하여, 환형 개구(7)를 통해 배출되는 분말에 포커싱될 수 있다.
도 1에는 분말 공급 장치(1)의, 도 2, 도 3, 및 도 4에 도시된 횡단면들의 위치를 제시하는 3개의 단면들(Ⅱ, Ⅲ, 및 Ⅳ)이 도시되고, 이때 단면(Ⅱ)은 도 2에, 단면(Ⅲ)은 도 3에, 그리고 단면(Ⅳ)은 도 4에 할당된다. 도 2, 도 3, 및 도 4에는 도 1의 종단면을 따라 연장되는 단면(Ⅰ)이 도시된다.
단면(Ⅱ)은 대략 분말 공급 장치(1)의 노즐 헤드(3)의 제2 단부(5)의 높이에 위치한다. 관통 보어(11)는 횡단면도의 중간을 차지한다. 노즐 헤드의 내부에는 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 및 8-3)이 서로에 대해 동일한 간격으로 배치된다. 종축(2)으로부터 측정되어, 각각 인접한 2개의 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 8-3) 사이의 각도는 120도이다.
단면(Ⅲ)은 노즐 헤드(3)의 제1 단부(4)와 제2 단부(5)의 사이에 위치하고, 여기서 환형 횡단면을 갖는 공동(6)을 통해 연장된다. 공동(6)의 외부면(14)이 공동(6)의 내부면(15)에 대해 제1 간격(12)을 갖는다. 도시된 예시에서, 단면(Ⅲ) 내에서의 관통 보어(11)의 횡단면이 단면(Ⅱ) 내에서의 횡단면보다 작다. 그러나, 관통 보어(11)는 자신의 길이에 걸쳐 일정한 횡단면을 가질 수도 있다.
단면(Ⅳ)은 제1 단부(4)의 근방에서 노즐 헤드(3)를 절단한다. 도시된 예시에서, 공동(6)의 외부면(14)과 내부면(15) 사이의 제2 간격(13)은 도 3의 제1 간격(12)보다 작다. 그러나, 공동(6)의 직경을 일정하게 유지하는 것도 가능하다. 노즐 헤드(3)가 제1 단부(4)를 향해 수축되고, 이와 함께 공동(6)이 수축되기 때문에, 마찬가지로 공동의 횡단면은 축소됨으로써, 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 8-3)을 통해 공급된 분말은 공동(6)의 전체 횡단면에 걸쳐 분배된다. 이송 방향(10)과 종축(2) 사이의 각도는 작게 선택됨으로써, 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 8-3)의 통로 사이의 경로가 늘어나고, 이는 공동(6)의 횡단면에 걸쳐 분말의 양호한 분배를 촉진시킨다.
본 발명은 구체적으로 바람직한 구현예들의 실시예들에 의해 더 상세히 도시되고 설명되었을지라도, 본 발명은 개시된 예시들에 의해 제한되지 않는다. 본 발명의 변형예들은, 청구항들에 규정된 바와 같이, 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서, 당업자에 의해 도시된 실시예들로부터 도출될 수 있다.
Claims (14)
- 레이저 분말 적층 용접 장치를 위한 분말 공급 장치(1)이며,
분말 공급 장치(1)는 분말 공급 장치(1)의 종축(2)을 따라 제1 단부(4)를 향해 수축되는, 공동(6)을 갖는 노즐 헤드(3)를 구비하고, 상기 공동은 노즐 헤드(3)의 내부에서 종축(2)을 중심으로 반경 방향으로 배치되며, 노즐 헤드(3)의 제1 단부(4)를 향해 수축되고, 상기 공동은 분말을 배출하기 위한, 제1 단부(4)에 배치된 환형 개구(7)로 통하는 분말 공급 장치(1)에 있어서,
분말 공급 장치(1)는 복수(N)의 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 8-3)을 구비하고, 상기 분말 공급 파이프 라인들은 노즐 헤드(3)의 제1 단부(4)에 대향하는 노즐 헤드(3)의 제2 단부(5)에 의해 공동(6)을 향해 연장되고, 분말 저장부로부터 공동(6)으로 분말을 이송하도록 형성되는, 레이저 분말 적층 용접 장치를 위한 분말 공급 장치(1). - 제1항에 있어서, 각각의 분말 공급 파이프 라인(8-1, 8-2, 8-3)은 자신들의 양측에 인접한 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 8-3)에 대해 동일한 간격으로 배치되어 있는, 레이저 분말 적층 용접 장치를 위한 분말 공급 장치(1).
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 분말 공급 파이프 라인(8-1, 8-2, 8-3)은 이송 방향(10)을 따라 공동(6)으로 분말을 이송하도록 형성되며, 이때 이송 방향(10)의 주 방향 성분이 분말 공급 장치(1)의 종축(2)에 평행하게 배향되어 있는, 분말 공급 장치(1).
- 제3항에 있어서, 이송 방향(10)과 종축(2) 사이의 각도가 최대 20°인, 분말 공급 장치(1).
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 8-3) 중 하나의 임의의 분말 공급 파이프 라인과 종축(2) 사이의 간격은 노즐 헤드(3)의 제2 단부(5)로부터 노즐 헤드(3)의 제1 단부(4)의 방향으로 감소되는, 분말 공급 장치(1).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수(N)는 3 이상인, 분말 공급 장치(1).
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 환형 개구(7)는 1.5 밀리미터 또는 그 미만의 직경을 갖는, 분말 공급 장치(1).
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 공동(6)은, 각각 적어도 원뿔대 형태에 가깝게 형성되는 외부면(14)과 내부면(15)을 갖는, 분말 공급 장치(1).
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 종축(2)에 수직인 공동(6)의 횡단면은 분말 공급 장치(1)의 제1 단부(4)를 향해 감소되는, 분말 공급 장치(1).
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐 헤드(3)는 회전 대칭형으로 형성되는, 분말 공급 장치(1).
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐 헤드(3)는 종축(2)을 따라, 공동(6)과 분리된 관통 보어(11)를 갖고, 이때 관통 보어(11)는 노즐 헤드(3)의 제1 단부(4)에 개구를 갖는, 분말 공급 장치(1).
- 제11항에 있어서, 관통 보어(11)의 개구는 1 밀리미터 또는 그 미만의 직경을 갖는, 분말 공급 장치(1).
- 분말을 위한 분말 저장부와, 분말 저장부와 연결되는 분말 공급 파이프 라인들(8-1, 8-2, 8-3)을 갖는 분말 공급 장치(1)와, 분말 공급 장치(1)로부터 가공물로 적층되는 양의 분말을 용융시키도록 형성된 레이저를 구비한 레이저 분말 적층 용접 장치에 있어서,
분말 공급 장치(1)는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 분말 적층 용접 장치. - 가공물, 특히 가스터빈 부품을 보완하거나, 형성하거나, 수리하기 위한, 제13항에 따른 레이저 분말 적층 용접 장치의 사용.
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