KR20160032690A - 터보 과급기 샤프트 및 휠 조립체 - Google Patents

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마우리지오 바번
디디에 호라빌
안드레이 민쿠레스쿠
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허니웰 인터내셔날 인코포레이티드
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Abstract

일 방법은, 터빈 휠 및 샤프트를 동축으로 배치하는 단계로서, 힘 인가기는 터빈 휠에 대해 축방향으로 지향된 힘을 인가하고, 터빈 휠은 이 힘의 적어도 일부를 샤프트에 전달하며, 회전 가능한 샤프트 콜릿은 샤프트를 지지하는 것인 단계, 회전 가능한 샤프트 콜릿을 회전시키는 단계, 적어도 하나의 레이저 비임에 에너지를 인가하는 단계, 및 적어도 하나의 레이저 비임을 통해 터빈 휠과 샤프트 사이에 용접부를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

터보 과급기 샤프트 및 휠 조립체{TURBOCHARGER SHAFT AND WHEEL ASSEMBLY}
본원에 개시되는 대상은 일반적으로 내연 기관을 위한 터보 기계류에 관한 것이며, 구체적으로 터보 과급기에 관한 것이다.
터보 과급기는 내연 기관의 출력을 증가시키기 위해 흔히 사용된다. 터보 과급기는 샤프트 및 휠 조립체(SWA; Shaft and Wheel Assembly)를 형성하기 위해 샤프트에 용접되는 터빈 휠을 포함할 수 있다. SWA는 베어링 또는 베어링들에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있어 빠른 회전 속도로 회전한다. 본원에 개시되는 기법, 기술 등의 다양한 예는 터보 과급기 샤프트 및 휠 조립체에 관한 것이다.
본원은, 내연 기관을 위한 터보 기계류, 구체적으로 개선된 터보 과급기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면,
터빈 휠 및 샤프트를 동축으로 배치하는 단계로서, 힘 인가기는 터빈 휠에 대해 축방향으로 지향되는 힘을 인가하며, 터빈 휠은 상기 힘의 적어도 일부를 샤프트에 전달하고, 회전 가능한 샤프트 콜릿은 샤프트를 지지하는 것인 단계,
회전 가능한 샤프트 콜릿을 회전시키는 단계,
적어도 하나의 레이저 비임에 에너지를 인가하는 단계, 및
적어도 하나의 레이저 비임을 통해 터빈 휠과 샤프트 사이에 용접부를 형성하는 단계
를 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면,
터빈 휠 및 샤프트를 동축으로 배치하는 단계로서, 힘 인가기는 터빈 휠에 대해 축방향으로 지향되는 힘을 인가하며, 터빈 휠은 상기 힘의 적어도 일부를 샤프트에 전달하고, 회전 가능한 샤프트 콜릿은 샤프트를 지지하는 것인 단계,
회전 가능한 샤프트 콜릿을 회전시키는 단계,
터빈 휠과 샤프트 사이에 형성되는 결합부와 관련하여 정보를 획득하는 단계,
상기 정보의 적어도 일부를 분석하는 단계, 및
상기 분석에 적어도 부분적으로 기초하여, 터빈 휠과 샤프트를 용접하기 위한 용접 과정과 관련하여 적어도 하나의 파라메타를 조정하는 단계
를 포함하는 방법이 제공된다.
본원에 따르면, 내연 기관을 위한 터보 기계류, 구체적으로 개선된 터보 과급기를 얻을 수 있다.
본원에 개시되는 다양한 방법, 디바이스, 조립체, 시스템, 장치 등과 그 등가물에 대한 보다 완전한 이해는, 첨부 도면에 도시된 예와 함께 이하의 상세한 설명을 참고함으로써 가능하게 될 수 있다.
도 1은 터보 과급기 및 내연 기관의 예에 대한 다이어그램을 제어기와 함께 도시한 것이다.
도 2는 터보 과급기 및 터보 과급기의 일부의 단면도의 예에 대한 다이어그램을 도시한 것이다.
도 3은 샤프트 및 터빈 휠 조립체(SWA)의 예에 대한 다이어그램을 도시한 것이다.
도 4는 조립체의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 5는 제한된 틸팅(tilting)을 예시하는, 도 4의 조립체의 일부의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 6은 틈새 및 접촉(들)을 예시하는, 도 4의 조립체의 일부의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 7은 용접을 위한 비임(beam)을 예시하는, 도 4의 조립체의 일부의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 8은 용접을 위한 비임을 예시하는, 도 4의 조립체의 일부의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 9는 힘 인가기 조립체의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 10은 회전 메커니즘의 예에 대한 일련의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 11은 제어기의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 12는 일 방법의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 13은 일 시스템의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 14는 일 시스템의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 15는 용접 시나리오의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 16은 일 방법의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 17은 일 방법의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 18은 센서 및 센서 정보의 예에 대한 표 및 다이어그램을 도시한 것이다.
도 19는 일 방법의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 20은 디스플레이 디바이스 및/또는 디스플레이 시스템의 예 및 그래픽 사용자 인터페이스(GUI; Graphical User Interface)의 예에 대한 다이어그램을 도시한 것이다.
도 21은 일 방법의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 22는 일 방법의 예의 다이어그램을 도시한 것이다.
터보 과급기는 내연 기관의 출력을 증가시키기 위해 흔히 사용된다. 도 1을 참고하면, 예로서, 일 시스템(100)은 내연 기관(110) 및 터보 과급기(120)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(100)은 차량(101)의 일부일 수 있으며, 여기서 시스템(100)은 엔진 격실 내에 배치되고 배기 도관(103)에 연결되는데, 배기 도관은 배기 가스를 예컨대 승객실(105) 너머에 위치하는 배기 배출구(109)로 안내한다. 도 1의 예에 있어서, 처리 유닛(107)은 배기 가스를 처리하기 위해(예컨대, 분자의 촉매 변환을 통한 배출물의 감소 등을 위해) 마련될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 내연 기관(110)은 하나 이상의 연소실을 수용하는 엔진 블록(118)을 포함하며, 연소실은 (예컨대, 피스톤을 통해) 샤프트(112)를 작동 가능하게 구동할 뿐만 아니라, 엔진 블록(118)으로부터의 배기 가스에 대한 유동 경로를 제공하는 배기 포트(116) 및 엔진 블록(118)으로의 공기에 대한 유동 경로를 제공하는 흡기 포트(114)를 작동 가능하게 구동한다.
터보 과급기(120)는 흡기 공기에 에너지를 제공하도록 그리고 배기 가스로부터 에너지를 추출하도록 작용할 수 있으며, 흡기 공기는 연소 가스를 형성하기 위해 연료와 조합될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 터보 과급기(120)는 공기 유입구(134), 샤프트(122), 압축기 휠(125)을 위한 압축기 하우징 조립체(124), 터빈 휠(127)을 위한 터빈 하우징 조립체(126), 다른 하우징 조립체(128), 및 배기 가스 유출구(136)를 포함한다. 하우징(128)은 중앙 하우징 조립체라 불리기도 하는데, 왜냐하면 이 하우징은 압축기 하우징 조립체(124)와 터빈 하우징 조립체(126) 사이에 배치되기 때문이다. 샤프트(122)는 다양한 구성요소들을 포함하는 샤프트 조립체일 수 있다. 샤프트(122)는 베어링 시스템[예컨대, 저널 베어링(journal bearing)(들), 구름 요소 베어링(들) 등]에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있고, 이 베어링 시스템은 하우징 조립체(128) 내에 (예컨대, 하나 이상의 보어 벽에 의해 형성되는 보어 내에) 배치되며, 이에 따라 터빈 휠(127)의 회전은 압축기 휠(125)[예컨대, 샤프트(122)에 의해 회전 가능하게 커플링됨]의 회전을 유발한다. 예로서, 중앙 하우징 회전 조립체(CHRA, Center Housing Rotating Assembly)는 압축기 휠(125), 터빈 휠(127), 샤프트(122), 하우징 조립체(128), 및 다양한 다른 구성요소[예컨대, 압축기 휠(125)과 하우징 조립체(128) 사이의 축방향 위치에 배치되는 압축기 측 플레이트]를 포함할 수 있다.
도 1의 예에 있어서, 가변적인 기하학적 형상의 조립체(129)는 부분적으로 하우징 조립체(128)와 하우징 조립체(126) 사이에 배치되는 것으로 도시되어 있다. 이러한 가변적인 기하학적 형상의 조립체는, 터빈 하우징 조립체(126) 내의 터빈 휠 공간으로 인도하는 통로의 기하학적 형상을 변경시키기 위해 베인 또는 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 예로서, 가변적인 기하학적 형상의 압축기 조립체가 마련될 수 있다.
도 1의 예에 있어서, 웨이스트게이트 밸브(wastegate valve)(또는 단순히 웨이스트게이트)(135)는 터빈 하우징 조립체(126)의 배기 가스 유입구에 근접하게 위치설정된다. 웨이스트게이트 밸브(135)는, 배기 가스 포트(116)로부터 적어도 일부 배기 가스가 터빈 휠(127)을 우회할 수 있게 허용하도록 제어될 수 있다. 다양한 웨이스트게이트들, 웨이스트게이트 구성요소 등이 통상적인 고정 노즐 터빈, 고정 베인 노즐 터빈, 가변 노즐 터빈, 트윈 스크롤 터보 과급기(twin scroll turbocharger) 등에 적용될 수 있다. 예로서, 웨이스트게이트는 내부 웨이스트게이트일 수 있다(예컨대, 적어도 부분적으로 터빈 하우징에 대해 내측에 있음). 예로서, 웨이스트게이트는 외부 웨이스트게이트일 수 있다(예컨대, 터빈 하우징과 유체 연통되는 도관에 대해 작동 가능하게 커플링됨).
도 1의 예에 있어서, 배기 가스 재순환(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 도관(115)이 또한 도시되어 있으며, 이 도관에는 선택적으로 예컨대 하나 이상의 밸브(117)가 마련될 수 있고, 이에 따라 배기 가스가 압축기 휠(125)의 상류 위치로 유동할 수 있도록 한다.
도 1은 또한 배기 가스 터빈 하우징 조립체(152)로의 배기 가스의 유동을 위한 예시적인 장치(150) 및 배기 가스 터빈 하우징 조립체(172)로의 배기 가스의 유동을 위한 다른 예시적인 장치(170)를 도시한다. 장치(150)에 있어서, 실린더 헤드(154)는 실린더로부터 터빈 하우징 조립체(152)로 배기 가스를 안내하기 위해 내부에 통로(156)를 포함하는 반면, 장치(170)는 임의의 개별적인 중간 길이의 배기 가스 배관 없이 예컨대 터빈 하우징 조립체(172)의 장착을 위한 매니폴드(176)가 마련된다. 예시적인 장치(150) 및 장치(170)에 있어서, 터빈 하우징 조립체(152 및 172)는 웨이스트게이트, 가변적인 기하학적 형상의 조립체 등과 함께 사용되도록 구성될 수 있다.
도 1에 있어서, 제어기(190)의 예는 하나 이상의 프로세서(192), 메모리(194) 및 하나 이상의 인터페이스(196)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 이러한 제어기는, 엔진 제어 유닛(ECU; Engine Control Unit)의 회로와 같은 회로를 포함할 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 예컨대 제어 로직을 통해 제어기와 함께 선택적으로 다양한 방법 또는 기법이 실시될 수 있다. 제어 로직은 하나 이상의 엔진 작동 조건(예컨대, 터보 rpm, 엔진 rpm, 온도, 부하, 윤활제, 냉각 등)에 따라 좌우될 수 있다. 예를 들어, 센서는 하나 이상의 인터페이스(196)를 통해 제어기(190)에 정보를 전달할 수 있다. 제어 로직은 이러한 정보에 따라 좌우될 수 있으며, 이에 따라 제어기(190)는 제어 신호를 출력하여 엔진 작동을 제어할 수 있다. 제어기(190)는 윤활제 유동, 온도, 가변적인 기하학적 형상의 조립체(예컨대, 가변적인 기하학적 형상의 압축기 또는 터빈), 웨이스트게이트(예컨대, 액추에이터를 통해 제어됨), 전기 모터, 또는 엔진과 관련된 하나 이상의 다른 구성요소, 터보 과급기(또는 터보 과급기들) 등을 제어하도록 구성될 수 있다. 예로서, 터보 과급기(120)는 하나 이상의 액추에이터 및/또는 하나 이상의 센서(198)를 포함할 수 있으며, 이러한 액추에이터 및/또는 센서는 예컨대 제어기(190)의 인터페이스 또는 인터페이스들(196)에 커플링될 수 있다. 예로서, 웨이스트게이트(135)는 전기 신호, 압력 신호 등에 응답하는 액추에이터를 포함하는 제어기에 의해 제어될 수 있다. 예로서, 웨이스트게이트의 액추에이터는 예컨대 기계적인 액추에이터일 수 있으며, 이러한 기계적인 액추에이터는 전력을 필요로 하지 않으면서 작동할 수 있다(예컨대, 도관을 통해 공급되는 압력 신호에 응답하도록 구성되는 기계적인 액추에이터를 고려함).
도 2는, 압축기 하우징(224), 터빈 하우징(226) 및 중앙 하우징(228)을 포함하는 터보 과급기(200)의 예를 도시한 것이다. 터보 과급기(200)의 일부의 단면도에 있어서, 샤프트 및 터빈 휠 조립체(SWA)(220)는 유닛(예컨대, SWA 유닛)을 형성하도록 용접되는 샤프트(222) 및 터빈 휠(227)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 도 2의 예에 있어서, 중앙 하우징(228)은, SWA(220)를 회전 가능하게 지지하는 베어링 조립체(230)를 수용하는 관통 보어를 포함한다. 도 2의 예에 있어서, 베어링 조립체(230)는 외측 레이스(outer race), 내측 레이스, 및 외측 레이스와 내측 레이스 사이에 배치되는 구름 요소(예컨대, 볼)를 포함하는데, 터보 과급기는 하나 이상의 다른 유형의 베어링/베어링 조립체(예컨대, 저널 베어링 등을 고려함)를 포함할 수 있다는 점에 주의하라. 도 2의 예에 있어서, 중앙 하우징(228)은 예컨대 베어링 조립체(230)로 윤활제를 안내할 수 있는 윤활제 통로를 포함하여, 구름 요소를 윤활함으로써, 그리고 예컨대 중앙 하우징(228) 내부의 표면으로 윤활제를 안내함으로써 윤활 박막[예컨대, 스퀴즈 필름(squeeze film) 등]을 형성한다.
도 2의 예에 있어서, SWA(220)는 예컨대 피스톤 링(또는 예컨대 피스톤 링들)과 같은 밀봉 요소에 안착하는 환형 리세스를 포함한다. 이러한 특징부들은 중앙 하우징(228)의 보어 표면과 정렬될 수 있고, 터빈 하우징(226)으로부터 중앙 하우징(228)의 캐비티(cavity)로의 배기 가스의 유동 그리고 중앙 하우징(228)의 캐비티로부터 터빈 하우징(226)으로의 윤활제의 유동에 저항하도록 작용할 수 있다.
언급된 바와 같이, 샤프트는 용접에 의해 터빈 휠에 결합될 수 있다. 예로서, 결합 과정은 초기 불균형(예컨대, 뒤틀림) 및 균형 이전(balance migration)(예컨대, 비대칭적인 잔류 응력)을 최소화하도록 작용할 수 있다.
예로서, 시스템은, 샤프트와 터빈 휠 사이에 용접부를 형성하기에 충분한 에너지가 비임 또는 비임들에 의해 전달되는 것인 비임 또는 비임들을 방출할 수 있는 하나 이상의 유닛을 포함할 수 있다. 예로서, 원통형 공작물에 대해 대칭적으로 배향될 수 있는 2개 이상의 비임을 방출하여 예컨대 동기 방식으로 트랙킹(tracking) 또는 용접이 실시될 수 있도록 하는 시스템을 고려한다. 이러한 예에 있어서, 상기 시스템은 제1 용접 스팟의 풀 백(pull-back)으로 인한 뒤틀림(예컨대, 용접에 대한 단일 비임 방법에서 나타날 수 있는 바와 같은 뒤틀림)을 최소화하도록 작용할 수 있다.
예로서, 일 시스템은 레이저 비임을 방출할 수 있는 레이저 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 광학계는 레이저 비임을 안내하도록 시스템 내에 포함될 수 있다. 예로서, 광학계는, 단일 비임으로부터 복수 개의 레이저 비임이 생성될 수 있도록 비임 스플리터(beam splitter)를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 생성된 비임들은 그 에너지와 관련하여 실질적으로 동일할 수 있다. 예로서, 일 시스템은 예컨대 가스 이송 서브시스템을 포함할 수 있고, 이에 따라 용접 위치 또는 용접 위치들과 관련하여 차폐부를 형성하도록 작용할 수 있는 불활성 가스를 이송한다. 예로서, 일 시스템은 예컨대 하나 이상의 가스 제트를 포함할 수 있으며, 분위기 플라즈마 또는 이산화탄소[예컨대, 드라이아이스 충격(dry-ice bombardment)]를 방출할 수 있는 세척 제트를 고려할 수 있다. 예로서, 일 시스템은 하나 이상의 공작물의 정렬을 위해 위치설정 가능할 수 있는 회전 도구를 포함할 수 있다. 예로서, 일 시스템은 예컨대 다수의 비임으로부터 단일 비임으로 전환하는 옵션(option)을 포함할 수 있어, (예컨대, 낮은 파워에서 그리고 높은 파워를 이용한 완전한 침투에서) 세밀한 용접(tack welding)을 가능하게 한다.
예로서, 일 시스템은 용접 셀(welding cell)을 포함할 수 있다. 용접 셀은, 용접을 위해 공작물 또는 공작물들이 적어도 부분적으로 위치설정될 수 있는 영역일 수 있다. 예로서, 배치 도구는, 하나 이상의 공작물을 위치설정하기 위해 시스템 내에 포함될 수 있다. 예로서, 도구는, 하나 이상의 비임을 통해 용접이 이루어지는 동안, 예컨대 선택된 속도에서 하나 이상의 공작물을 회전시키도록 구성될 수 있다. 이러한 예에 있어서, 하나 이상의 비임은 고정될 수도 있고 및/또는 (예컨대, 광학계, 위치설정 장비 등을 통해) 조정 가능할 수도 있다. 예로서, 용접 광학계는, 용접 중에 고정되지만 하나 이상의 공작물과 관련하여 정렬의 목적으로 또한 이동 가능하도록 구성될 수 있다.
예로서, 일 시스템은 용접 광학계로의 하나 이상의 비임의 이송을 위해 광 섬유에 작동 가능하게 커플링되는 레이저 유닛(예컨대, 섬유 레이저, 디스크 레이저 등)을 포함할 수 있다. 언급된 바와 같이, 하나의 레이저 비임을 2개의 개별적인 레이저 비임으로 분할하기 위해 비임 스플리터가 채용될 수 있으며, 이에 따라 2개의 개별적인 레이저 비임은 모 비임(parent beam)의 자손 비임(daughters)으로서 "동기화"된다. 예로서, 제어기는 비임 또는 비임들의 하나 이상의 파라메타를 조정하기 위한 장비에 작동 가능하게 커플링될 수 있다.
압축기 휠의 작동 환경으로서, 샤프트 및 터빈 휠이 상이할 수 있으며, 이들 구성요소의 구성 방식 및 구성 재료가 또한 상이할 수 있다. 예를 들어, 배기 가스 온도는 디젤 엔진의 경우 섭씨 500 도를 초과할 수 있고, 가솔린 엔진의 경우 섭씨 1000 도를 초과할 수 있으며, 이에 따라 터빈 휠 구조를 위해 고온 재료(high-temperature material)를 필요로 한다. 더욱이, 샤프트는 선반 상에서 회전되는 중온 내성(moderate temperature resistant)의 금속 또는 금속 합금 등으로 제조될 수 있는 반면, 터빈 휠은 통상적으로 고온 내성의 세라믹, 금속 또는 금속 합금(예컨대, 미국 웨스트 버지니아주 헌팅턴에 소재하는 스페셜 메탈즈 코오포레이션에 의해 INCONEL®이라는 상표로 시판되는 오스테나이트 니켈-크롬계 초합금을 고려함)을 이용하여 주조될 수 있다.
INCONEL® 합금은 주로 니켈을 포함하며, 다음으로 크롬을 포함한다. 예를 들어, INCONEL®는 약 60 퍼센트의 니켈, 약 20 퍼센트의 크롬, 약 8 퍼센트의 몰리브덴, 약 5 퍼센트의 철, 그리고 나머지 다른 금속을 포함한다. INCONEL® 합금의 용접은, 열의 영향을 받는 영역에서 합금 요소의 미세구조 이탈(microstructural segregation) 및 크랙킹(cracking)과 같은 문제를 나타낼 수 있다.
예로서, 재료는 몰리브덴을 포함할 수도 있다. 예로서, 이러한 재료의 가열 시에, 몰리브덴은 예컨대 몰리브덴 삼산화물(MoO3)과 같은 산화물을 형성할 수 있다. 몰리브덴 삼산화물은 섭씨 약 795 도(예컨대, 화씨 약 1,463 도)의 융점을 나타낼 수 있다. 예로서, AISI 4140과 같은 합금은, 섭씨 약 1416 도(예컨대, 화씨 약 2,580 도)의 융점을 나타낼 수 있다. 용접 과정 중에, 소정량의 몰리브덴 산화물이 형성될 수 있는데, 이는 벌크 재료의 융점보다 낮은 융점을 나타낸다. 이러한 예에 있어서, 냉각 시에, 물리브덴 산화물의 하나 이상의 영역은 주위 재료보다 더 오래 용융 상태(예컨대, 액체 상태)로 유지될 수 있다. 이러한 예에 있어서, 용접 과정 중에 형성되는 몰리브덴 산화물의 양은 최소가 될 수 있다. 예로서, 구성요소들이 하나 이상의 레이저 비임을 통해 용접되는 경우, 구성요소들 중 하나 또는 양자를 위해 저 몰리브덴 합금(low molybdenum alloy)이 채용될 수 있다. 예로서, 저 몰리브덴 합금은, 1 중량% 미만의 몰리브덴 함량을 갖는 합금일 수 있다. 예로서, 저 몰리브덴 합금은, 대략 0.5 중량% 미만의 몰리브덴 함량을 갖는 합금일 수 있다. 예로서, 저 몰리브덴 합금은 약 0.1 중량% 초과 및 약 0.5 중량% 미만의 몰리브덴 함량을 포함할 수 있다. 예로서, 합금 AISI 4161, AISI 4121, AISI 4140, AISI 4120, 및 AISI 4118 각각은 약 0.5 중량% 미만의 몰리브덴을 포함한다. 예로서, 니켈-크롬-몰리브덴 강은 약 0.5 미만의 Mo 함량을 포함할 수 있다. 예로서, 니켈-몰리브덴 강은 약 0.5 미만의 Mo 함량을 포함할 수 있다. 예로서, 몰리브덴 강은 약 0.5 미만의 Mo 함량을 포함할 수 있다(예컨대, 40XX 및 44XX).
하나 이상의 레이저 비임(예컨대, 섬유 레이저 또는 디스크 레이저)을 이용하여 용접부 또는 용접부들을 형성하는 것과 관련하여, 스팟 크기는 예컨대 약 0.1 밀리미터 미만일 수 있다. AISI 4140과 같은 저합금 강 샤프트 재료(예컨대, 약 0.5 퍼센트 미만의 낮은 몰리브덴 함량을 가짐)와 함께 이러한 스팟 크기가 사용되는 경우, 고온 크랙킹의 위험이 감소될 수 있다(예컨대, 고온 크랙킹이 실질적으로 방지될 수 있음). 예를 들면, 이러한 방법에 있어서, 해로운 고온 크랙킹이 실질적으로 발생하지 않는 용접부 또는 용접부들이 형성될 수 있다.
예로서, 터보 과급기 SWA는 제1 재료로 제조된 샤프트 부분, 그리고 상이한 제2 재료로 제조된 터빈 휠 부분을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 용접은 2개의 상이한 재료로 용접부를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예로서, 용접 이전에 충전재 재료(filler material)가 결합부에 포함되는 반면, 또 다른 재료가 제공될 수도 있다. 예로서, 일 방법은 유닛으로서 샤프트 및 휠 조립체(SWA)를 형성하기 위해 저합금 강 샤프트에 대해 Ni 계열의 초합금 터빈 휠을 결합하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 결합은 하나 이상의 비임을 이용한 용접을 포함한다. 이러한 예에 있어서, 샤프트는 적은 몰리브덴 재료로 형성될 수 있다(예컨대, Mo는 약 0.5 중량% 미만임).
비임 기반의 용접은 용접 풀 형성(weld pool formation)을 초래하며, 용접 풀 고화(weld pool solidification)가 이에 후속한다. 다양한 인자들이 용접부 특징에 영향을 줄 수 있다. 예로서, 다른 합금들의 결합부(예컨대, 결합 인터페이스)와 관련된 인자들이 크랙킹에 영향을 줄 수 있다. 다른 예로서, 비임과 관련된 인자들(예컨대, 연속형 비임 대 펄스형 비임)이 크랙킹에 영향을 줄 수 있다.
비임 기반의 용접은 플라즈마 플럼(plasma plume)을 발생시킬 수 있는데, 플라즈마 플럼은 이온화된 금속 증기를 포함한다. 플라즈마 플럼 동특성은, 예컨대 반동 압력(recoil pressure)이 용접 풀에 가해질 수 있는 곳에서 존재할 수 있다(예컨대, 이는 용접 풀을 평평하게 하도록 또는 다른 방식으로 성형하도록 작용할 수 있음). 예로서, 플라즈마 플럼 강도의 증가는 또한 스패터 방출(spatter ejection)을 증가시키도록 작용할 수 있다.
예로서, 시스템은 플라즈마 플럼의 하나 이상의 특징(예컨대, 크기, 높이, 화학적 조성 등)을 측정하기 위한 장비를 포함할 수 있다. 예로서, 일 시스템은 플라즈마 플럼 분석에 적어도 부분적으로 기초하여 용접을 제어하기 위해 예컨대 하나 이상의 용접 파라메타에 하나 이상의 플라즈마 특징을 연관시키는 장비를 포함할 수 있다.
예로서, 일 시스템은 키홀 용접(keyhole welding)을 채용할 수 있다. 키홀 용접은, 이온화된 금속 증기로 채워지는 캐비티를 형성하기 위해 예컨대 금속 내로 침투하기에 충분한 에너지를 갖는 비임을 채용할 수 있다. 키홀 용접 시스템은, 약 100,000 W/mm2(예컨대, 약 105 W/mm2)을 초과하는 파워 밀도를 갖는 비임을 생성할 수 있는 레이저 유닛을 구현할 수 있다. 이러한 수준의 파워 밀도는 공작물 재료(또는 예컨대, 공작물 재료들)를 용융시킬 수 있고 부분적으로 기화시킬 수 있다. 발생되는 증기의 압력은 용융된 재료를 이동시킬 수 있으며, 이에 따라 캐비티(예컨대, 키홀)가 형성된다. 캐비티 내에서는, 캐비티 내에서의 다중 반사로 인해 레이저 복사의 흡수율이 증가될 수 있다. 예를 들어, 비임이 캐비티의 벽에 부딪히는 곳에서, 비임 에너지의 일부는 재료에 의해 흡수될 수 있다. 키홀 용접은 약 5 mm보다 큰 깊이를 갖는 용접부를 형성하기에 적합할 수 있다.
언급된 바와 같이, 용접에 의해 플라즈마 또는 플라즈마 플럼이 형성될 수 있다. 예를 들어, 침투 레이저 용접 중에, 캐비티(예컨대, 키홀) 내의 온도는 금속 증기를 이온화하기에 충분한 수준으로 상승할 수 있다. 용접 위치에서 그리고 용접 위치 부근에서 플라즈마가 형성됨에 따라, 플라즈마는 비임의 에너지의 일부를 흡수할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 플라즈마는 에너지 전달 과정에서 매개 수단으로서 작용할 수 있다. 예로서, 캐비티 내의 증발 압력은 캐비티의 외부에 있는 영역으로 플라즈마가 팽창하게 할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 플라즈마는 적어도 부분적으로 비임의 흐려짐(defocusing) 및 산란을 유발할 수 있으며, 이는 큰 초점 직경, 그리고 초점 위치 및 에너지 밀도의 변화를 초래할 수 있다. 예로서, 플라즈마 플럼 또는 플라즈마 클라우드(plasma cloud)가 연장되면 침투 깊이가 감소하게 될 수 있다. 플라즈마 플럼의 존재 하에서 형성되는 용접부는, 적어도 부분적으로 플라즈마 플럼 내에서의 에너지 흡수로 인해 못대가리 형상의 단면을 갖는 것으로 가정할 수 있다. 플라즈마가 넓게 형성되면, 심하게는 용접 과정이 중단될 수도 있다. 플라즈마는 푸르스름한 빛의 방출을 특징으로 할 수 있다. 플라즈마는 금속 원자, 이온, 전자 및 주위 가스 분위기의 구성요소의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 경우에 있어서, 플라즈마는 예컨대 용접 가스로서 아르곤이 사용되는 경우에 점화될 수 있다.
플라즈마 형성은 에너지, 예컨대 파워 밀도에 좌우된다. 예로서, 높은 파워의 Nd:YAG 레이저는 플라즈마를 형성할 수 있다. 그러나, CO2 레이저와 비교할 때, 적어도 부분적으로 CO2 레이저 복사의 파장에 비해 더 짧은 Nd:YAG 레이저 복사의 파장으로 인해(예컨대, 파장이 더 짧으면 파장이 더 긴 파장보다 덜 흡수됨), 플라즈마의 존재는 상이할 수 있다.
언급된 바와 같이, 일 시스템은 용접 위치에서 국지적 분위기의 발생, 유지 등을 행할 수 있는 가스 취급 장비를 포함할 수 있다. 이러한 분위기는 용접에 영향을 줄 수 있으며, 선택적으로 용접 과정을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 분위기는 플라즈마 형성과 관련하여, 용접부의 원하는 기계적 특성과 관련하여, 블랭킷팅(blanketing) 및/또는 차폐 효과와 관련하여, 기타 등등과 관련하여 제어될 수 있다. 예로서, 가스 취급 장비는, 하나 이상의 위치에 대한 가스의 이동, 조준 등을 행할 수 있는 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있다. 예로서, 가스는 헬륨, 아르곤, 질소, 이산화탄소, 산소 등 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 예로서, 가스는 공기일 수도 있고 공기를 포함할 수도 있다.
예로서, 불활성인 가스가 채용될 수 있다. 예를 들어, 헬륨 및 아르곤은 용접 재료와 반응하지 않을 수 있는 불활성 가스이다. 대조적으로, 질소, 산소 및 이산화탄소와 같은 다른 용접 가스 또는 용접 가스 성분은 반응성일 수 있다. 반응성 가스는 용접 특징에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 반응성 가스는 캐비티(예컨대, 키홀) 내에서의 용융물 유동의 불안정성을 통해 비임 용접 동안의 공극 형성에 영향을 줄 수 있다. 용융물 유동의 불안정성으로 인해 기포 형태로 증기 및/또는 용접 가스가 갇히게 될 수 있고, 이는 고화 시에 공극을 초래할 수 있다. 예로서, 순수한 질소가 용접 가스로서 사용될 때 질소가 재료(들) 내로 용해될 수 있으므로 미세 규모의 공극이 나타날 수 있다. 질소의 용해도는 재료가 고화됨에 따라 감소하는 경향이 있기 때문에, 가스상 질소는 공극의 형성을 초래할 수 있다. 공기는 질소를 포함하기 때문에, 공기는 질소 기반의 공극을 초래할 수 있다.
플럼이 용접 중에 형성될 수 있으며, 이는 공작물 재료(들), 가스 또는 양자 모두의 플라즈마일 수 있다. 예로서, Nd:YAG 레이저 용접 과정에서 형성되는 플럼은, 이온화되지 않은 증기 재료 및 여기된 고온 가스를 포함할 수 있다. 예로서, 차폐 가스는 Nd:YAG 레이저 용접 과정에서 이온화되지 않을 수 있고, 이에 따라 플럼의 체적 및 형태(morphology)는 차폐 가스의 이온화 가능성보다는 차폐 가스의 밀도 및 열 전도도에 의해 결정될 수 있다.
예로서, 일 시스템은 플럼 분석을 행하는 장비를 포함할 수 있다. 예로서, 플럼은 시간에 관해[예컨대, 타임 라인(timeline)에 따라] 설명될 수 있다. 예를 들면, 초기 시간에, 레이저 비임은 재료(들)로 지향될 수 있으며, 이에 따라 표면 흡수 및 재료 여기에 후속하여 온도 상승 그리고 열적 과정(thermal process)/비-열적 과정(non-thermal process) 및 표면 융융이 나타날 수 있다. 다음으로, 플라즈마의 형성에 후속하여 레이저/광자 반사, 플라즈마 흡수 및 "자체 조절" 구간의 작동이 나타날 수 있다. 비임이 "충돌"한 이후 대략 1 마이크로초가 경과한 시점에, 충격파 형성과 함께 플라즈마-분위기 상호작용이 나타날 수 있다. 다음으로 플라즈마는 감속될 수 있고, 한정될 수 있으며, 그 이후에 (예컨대, 대략 1 밀리초 시점에) 응축될 수 있다.
예로서, 일 시스템은, 예컨대 섀도우그라피(shadowgraphy), ICCD 고속 촬영, 광학 방출 분광학, 및 크레이터 분석(crater analysis)(예컨대, 백색광 간섭계 등을 이용함)과 같은 하나 이상의 기법을 이용하여 플럼 분석을 행하는 장비를 포함할 수 있다. 예로서, 섀도우그라피 및/또는 고속 촬영은 충격파 파면 및 플라즈마 플럼의 유체역학적 팽창에 관한 정보를 제공할 수 있다. 예로서, OES(Optical Emission Spectroscopy)는 플럼 팽창 동안 플라즈마의 전자수 밀도에 관한 정보를 제공할 수 있다.
도 3은, 터빈 휠(330) 및 샤프트(360)를 포함하는 SWA(300)의 예를 도시한 것이다. 터빈 휠(330)은 노우즈(332; nose), 블레이드(334), 허브 에지(336) 및 허브 단부(340)를 포함한다. 샤프트(360)는 압축기 휠 단부(362) 및 터빈 휠 단부(370)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 터빈 휠(330)의 허브 단부(340)는 샤프트(360)의 터빈 휠 단부(370)와 함께 결합부를 형성할 수 있다.
도 3은 또한, 허브 단부(392) 및 터빈 휠 단부(394)의 예와, 허브 단부(396) 및 터빈 휠 단부(398)의 예를 도시한 것이다. 제시된 바와 같이, 샤프트는 리세스가 형성된 용접 풀 저장소[예컨대, 용접 풀 텅(weld pool tongue)의 선단부를 수용하기 위함], 하나 이상의 시일 요소 홈 등과 같은 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 터빈 휠 단부(394)는 적어도 하나의 환형 홈(393)을 포함할 수 있고, 터빈 휠 단부(394 및 398)는 각각 축방향 깊이 및 외경을 갖는 리세스(395 및 399)를 각기 포함할 수 있으며, 구성요소(392 및 394) 또는 구성요소(396 및 398)의 용접 시에 용접 풀 또는 용접 풀들의 흘러넘침 등을 수용할 수 있는 저장소(예컨대, 챔버)를 형성할 수 있다.
허브 단부(340) 및 터빈 휠 단부(370)는 확대 단면도에 도시된, 다양한 치수와 관련하여 한정될 수 있다. 예를 들면, 허브 단부(340)는 터빈 휠 축선(zTW)으로부터 측정된 반경방향 치수(r1) 및 반경방향 치수(r2), 그리고 허브 단부(340)의 표면으로부터 측정된 축방향 치수(z1)를 포함한다. 터빈 휠 단부(370)는 샤프트 축선(zS)으로부터 측정된 반경방향 치수(r5, r6 및 r7) 그리고 터빈 휠 단부(370)의 표면으로부터 측정된 축방향 치수(z5)를 포함하는 것으로 도시되어 있다.
예로서, 일 시스템은, 샤프트(360)에 대해 터빈 휠(330)을 위치설정할 수 있는 콜릿(collet)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4는, 터빈 휠 콜릿(430) 및 샤프트 콜릿(460)의 예를 포함하는 조립체(400)의 예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 터빈 휠 콜릿(430) 및 샤프트 콜릿(460)은 터빈 휠(330) 및 샤프트(360)를 동축으로 배치시킬 수 있으며, 이에 따라 센터링 콜릿이라고 할 수도 있다.
터빈 휠 콜릿(430)은, 터빈 휠(330)의 허브 에지(336)의 외경보다 약간 큰 내경을 형성하는 표면(또는 예컨대 표면들)을 갖춘 센터링 부분(435)을 포함한다. 허브 에지(336)와 센터링 부분(435) 사이에는 하나 이상의 반경방향 틈새가 존재할 수 있다. 이러한 틈새 또는 틈새들은 터빈 휠(330)의 이동, 특히 터빈 휠(330)의 틸팅 이동을 제한한다.
예로서, 콜릿(430)은 탄성을 제공하는 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 4는 콜릿(430')에 대한 힘의 인가를 통해 (예컨대 적어도 부분적으로 간격을 폐쇄하기 위해) 서로 근접하게 될 수 있는 개별적인 연장부들 사이에서 일련의 간격을 포함하는 콜릿(430')의 예를 도시한 것이다. 이러한 예에 있어서, 콜릿(430')은 터빈 휠(330)의 허브 에지(336)에 접촉할 수 있다. 이러한 접촉은 강제적인 접촉일 수 있으며, 이에 따라 콜릿(430')은 터빈 휠(330)을 파지하게 된다[예컨대, 터빈 휠(330)을 클램핑함]. 예로서, 콜릿(430)은 스프링 콜릿일 수 있으며, 이 경우 센터링 부분(435)은 터빈 휠(330)의 허브 에지(336)와의 틈새를 최소화하기 위해 조정될 수 있으며, 이에 따라 예컨대 터빈 휠(330)의 허브 에지(336)와 접촉하게 되고, 그리고 선택적으로는 강제적으로 접촉하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 샤프트 콜릿(460)은, 축방향 정지부뿐만 아니라 내경을 형성하는 표면을 갖춘 센터링 부분(465)을 포함한다. 도 4의 예에 있어서, 상기 내경은 샤프트(360)를 수용하기에 충분하며, 이에 따라 샤프트는 축방향으로 배치될 수 있고 그 틸팅 능력에 있어서 제한을 받는다. 예로서, 콜릿(460)은 탄성을 제공하는 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 4는 콜릿(460')에 대한 힘의 인가를 통해 (예컨대 적어도 부분적으로 간격을 폐쇄하기 위해) 서로 근접하게 될 수 있는 개별적인 연장부들 사이에서 일련의 간격을 포함하는 콜릿(460')의 예를 도시한 것이다. 이러한 예에 있어서, 콜릿(460')은 샤프트(360)와 접촉할 수 있다. 이러한 접촉은 강제적인 접촉일 수 있으며, 이에 따라 콜릿(460')은 샤프트(360)를 파지하게 된다[예컨대, 샤프트(360)를 클램핑함]. 예로서, 콜릿(460)은 스프링 콜릿일 수 있으며, 이 경우 센터링 부분(465)은 샤프트(360)와의 틈새를 최소화하기 위해 조정될 수 있으며, 이에 따라 예컨대 샤프트(360)과 접촉하게 되고, 그리고 선택적으로는 강제적으로 접촉하게 된다.
예로서, 터빈 휠(330)의 허브 단부(340)는, 중력의 영향 하에서 및/또는 인가되는 힘을 통해, 샤프트(360)의 터빈 휠 단부(370)와 접촉할 수 있다. 도 4의 예에 있어서, 샤프트(360)의 터빈 휠 단부(370) 및 터빈 휠(330)의 허브 단부(340)에 의해 형성되는 결합부와 관련하여 조준선 간격(line-of-sight gap)이 존재한다. 예로서, 터빈 휠 콜릿(430) 및 샤프트 콜릿(460) 중 하나 이상은 회전 가능할 수 있으며, 이에 따라 예컨대 터빈 휠(330) 및 샤프트(360)는 일체로 회전하게 될 수 있다. 이러한 예에 있어서, 조준선 간격은, SWA(예컨대, SWA 유닛)를 형성하기 위해 터빈 휠(330) 및 샤프트(360)를 용접시키는 용접부를 형성하기에 적합한 에너지를 전달할 수 있는 비임 또는 비임들에 대한 터빈 휠(330) 및 샤프트(360)의 회전을 가능하게 할 수 있다.
언급된 바와 같이, 콜릿(430) 및 콜릿(460)은 터빈 휠 및 샤프트의 틸팅을 제한하는 센터링 콜릿일 수 있다. 도 5는, 부분적으로 틈새에 의해 제한되는 것으로 틸팅 각도가 도시되어 있는, 도 4의 조립체(400)의 확대도를 도시한 것이다. 예로서, 콜릿(430)이 스프링 콜릿인 경우, 상기 틈새를 없애기 위해 및/또는 콜릿(430)이 터빈 휠(330)과 접촉하도록 하기 위해(예컨대, 클램핑된 구성 참조) 힘이 인가될 수 있다. 예로서, 콜릿(460)이 스프링 콜릿인 경우, 상기 틈새를 없애기 위해 및/또는 콜릿(460)이 샤프트(360)와 접촉하도록 하기 위해(예컨대, 클램핑된 구성 참조) 힘이 인가될 수 있다. 예로서, 전술한 구성요소(480)는 원추형 표면과 같은 각진 표면을 포함할 수 있으며, 콜릿(460)은 원추형 표면과 같은 각진 표면을 포함할 수 있고, 이에 따라 콜릿(460)에 대한 구성요소(480)의 이동으로 인해 콜릿(460)은 샤프트(360)를 클램핑할 수 있게 된다. 도 4의 예에 있어서, 클램핑에 의해 샤프트(360)의 축선(zS)에 대한 터빈 휠(330)의 축선(zTW)의 정렬은 [예컨대, zTW와 zS를 실질적으로 동축으로 정렬함] 고정될 수 있다.
예로서, 도 5의 콜릿(430)은 도 4의 콜릿(430')의 특징을 포함할 수 있다. 예로서, 도 5의 콜릿(460)은 도 4의 콜릿(460')의 특징을 포함할 수 있다.
언급된 바와 같이, 터빈 휠(330)은 조립체(400)에 포함되는 바와 같은 샤프트(360)와 접촉할 수 있다. 도 6은 틈새 및 접촉이 제시되어 있는, 도 4의 조립체(400)의 확대도를 도시한 것이다. 예로서, 콜릿(430)은, 하나의 지점에서 접촉이 이루어지도록 하는 방식으로(예컨대, 우측 하단의 예시를 참고) 터빈 휠(330)을 센터링(centering)할 수 있다. 예로서, 접촉은 틸팅의 한계 내에서 이루어질 수 있으며, 이는 클램핑을 통해 실질적으로 또는 전체적으로 무효화될 수 있다(예컨대, 도 4의 클램핑된 구성 참조).
예로서, 콜릿(430)을 통한 터빈 휠(330)의 클램핑 및/또는 콜릿(460)을 통한 샤프트(360)의 클램핑 시에, 터빈 휠(330)과 샤프트(460) 사이의 접촉은 고정될 수 있다. 예로서, 일 방법은, 특정 유형의 접촉을 달성하기 위해 터빈 휠(330) 및/또는 샤프트(360)의 방위상 위치를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, "범프(bump)가 "범프"와 만날 때, 터빈 휠(330) 및/또는 샤프트(460)의 회전이 일어나 범프가 플래토우(plateaus)와 만나도록 다시 위치설정될 수 있다. 이러한 예에 있어서, 터빈 휠(330) 및 샤프트(460)에 의해 정해지는 바와 같은 시임(seam)의 폭은 결정 및/또는 (예컨대, Δz만큼) 조정될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 시임 폭은, 국지적으로 터빈 휠(330)의 허브 단부(340)의 표면 특징부 및/또는 샤프트(360)의 터빈 휠 단부(370)의 표면 특징부에 따라 좌우될 수 있다.
언급된 바와 같이, 용접 과정은 결합부에 또는 결합부에 근접하게 하나 이상의 비임을 안내하는 것을 포함할 수 있다. 도 7은 도 4의 조립체(400)의 확대도를 도시한 것이며, 여기서 터빈 휠(330)의 허브 단부(340) 및 샤프트(370)의 터빈 휠 단부(370)에 의해 형성되는 결합부에서 비임(710)이 안내된다. 이러한 예에 있어서, 비임(710)은 조준선 간격 내에 있게 되는데, 여기서 터빈 휠(330) 및 샤프트(360)는 일체로 회전하게 될 수 있으며, 이에 따라 비임은 결합부의 360 도 범위 중 적어도 일부를 커버(cover)할 수 있다.
도 8은 도 4의 조립체(400)의 확대도를 도시한 것이며, 여기서는 터빈 휠(330)의 허브 단부(340) 및 샤프트(370)의 터빈 휠 단부(370)에 의해 형성되는 결합부에서 복수 개의 비임(810-1 및 810-2)이 안내된다. 이러한 예에 있어서, 비임(810-1 및 810-2)은 조준선 간격 내에 있게 되는데, 여기서 터빈 휠(330) 및 샤프트(360)는 일체로 회전하게 될 수 있으며, 이에 따라 각각의 비임(810-1 및 810-2)은 결합부의 360 도 범위 중 적어도 일부를 커버할 수 있다.
도 9는, 변위 가능한 힘 인가기(950) 및 클램프(930)를 포함하는 힘 인가기 조립체(900)의 예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 힘 인가기(950)는 터빈 휠(330)의 노우즈(332)에 힘을 인가할 수 있다. 이러함 힘은 터빈 휠(330)의 허브 단부(340)를 통해 샤프트(360)에 전달될 수 있다. 이러한 예에 있어서, 콜릿(430)의 센터링 능력은 터빈 휠(330)의 틸팅을 제한할 수 있으며, 이에 따라 도 6에 제시된 바와 같은 접촉이 유지된다.
예로서, 결합부(예컨대, 결합부 인터페이스, 시임 등)에서 틈새 또는 틈새들을 없애도록 작용하는 방식으로 힘이 가해질 수 있다. 예로서, (예컨대, 접촉, 틈새 등의 하나 이상의 지점과 관련하여) 선택적으로 결합부의 분석에 응답하는 방식으로 힘을 인가하기 위해 힘 인가기 조립체(900)가 제어될 수 있다. 이러한 예에 있어서, 틈새 또는 틈새들은 예컨대 감소될 수 있으며(예컨대, 시임 폭 감소 등), 이에 따라 비임 침투 깊이 등이 감소되는데, 이는 (예컨대, 간격 또는 간격들에 진입함으로써) 달리 결합부 캐비티 내부의 손상을 유발할 수 있다. 예로서, 터빈 휠(330)이 콜릿(430)[또는 예컨대 콜릿(430')]과 같은 콜릿에 의해 클램핑되는 경우, 힘 인가기에 의해 인가되는 힘은 콜릿으로 전달될 수 있다. 예를 들면, 터빈 휠에 클램핑되는 바와 같은 콜릿은 터빈 휠과 함께 축방향으로 이동할 수 있다.
예로서, 힘 인가기는 최소 힘 및 최대 힘과 관련하여 제어될 수 있다. 예로서, 적어도 부분적으로 하나 이상의 원하는 용접 특징(예컨대, SWA 유닛에 대한 특징)에 기초하여 힘이 선택될 수 있고 선택적으로 조정될 수 있다. 예로서, 일 방법은 (예컨대, 다수의 비임을 채용할 수 있는) 용접 과정 또는 용접 과정들 동안 힘을 조정하는 단계를 포함한다. 예로서, 최대 힘은 적어도 부분적으로 용접 후의 제한적인 런아웃(run-out) 수준에 기초하여 나타날 수 있다. 이러한 예에 있어서, 2가지 구성요소로부터의 재료들의 용융 혼합물은 제1 각도상 섹터에서 약해지기 시작하여 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 향해 축방향으로 이동하게 되지만, 어느 정도의 경사를 나타내기 때문에[예컨대, 틸팅(tilting)과 함께 나타나는 수축], 용접 중에 런아웃이 유발될 수 있다. 런아웃은 야금(예컨대, 용접부 품질)에는 영향을 미치지 않을 수도 있지만, SWA의 기하학적 형상에는 영향을 준다.
예로서, 일 방법은, 약 100 N 이하의 힘 또는 예컨대 약 30 N 이하의 힘을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 일 방법은 약 20 ± 10 N의 범위에 속하는 힘을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 일 방법은 예컨대 용접 중에 수축, 런아웃 등을 모니터링하는 단계, 그리고 힘을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 일 방법은, 하나 이상의 구성요소의 틸팅을 감지하는 단계, 그리고 하나 이상의 용접 파라메타를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 틸팅 감지 기법은 하나 이상의 틸팅 한계와 관련하여 작용할 수 있다. 예를 들면, 틸팅 한계는 품질 제어의 목적으로 축선 또는 축선들과 관련하여 약 수백 미크론을 초과하지 않는다는 것을 감안한다. 예로서, 틸팅 각도는 클램핑된 터빈 휠의 축선과 관련하여 최소일 수 있으며, 클램핑된 샤프트의 축선은 실질적으로 동축으로 정렬될 수 있다(예컨대, 도 5 참고).
예로서, 일 방법은, 터빈 휠에 힘을 인가하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 예컨대 상기 힘은 대략 100 N 미만이다. 이러한 예에 있어서, 힘은 대략 30 N 이하의 힘으로 한정될 수 있다.
예로서, 힘 인가기는 다른 구성요소를 통해 인가되는 힘에 응답하여 힘을 인가할 수 있다. 예를 들면, 샤프트 센터링 콜릿은 터빈 휠에 힘을 인가하는 샤프트에 힘을 인가할 수 있으며, 여기서 터빈 휠은 터빈 휠과 (예컨대, 직접적으로 또는 간접적으로) 접촉할 수 있는 힘 인가기에 힘을 인가한다. 예를 들면, 힘 인가기 조립체(900)의 힘 인가기(950)는 (예컨대, 샤프트를 통해 터빈 휠에 인가되는) "작용" 힘에 응답하여 "반응" 힘을 인가할 수 있다. 예로서, 터빈 휠 센터링 콜릿은 터빈 휠에 클램핑될 수 있으며, 터빈 휠에 축방향 힘을 인가하기 위해(예컨대, 터빈 휠의 허브 에지를 따르는 접촉을 통해 전달됨) 사용될 수 있다. 이러한 예에 있어서, 터빈 휠은 샤프트에 힘을 전달할 수 있다(예컨대, 또는 반대로 힘이 전달될 수 있음).
도 10은 시나리오 A 및 시나리오 B에 대한 조립체의 예를 도시한 것이며, 여기서 조립체는 회전 장비를 위한 메커니즘을 포함한다. 예를 들면, 시나리오 A에서 그리고 시나리오 B에서, 조립체는, 마스터 휠(1010)에 커플링된 벨트(1001)를 포함하는 모터 구동식 휠(1008)을 포함할 수 있다. 마스터 휠(1010)은, 하나 이상의 2차 휠(1020 및 1050)을 구동할 수 있는 샤프트(1015)에 고정될 수 있다. 도시된 바와 같이, 2차 휠(1020 및 1050)은 3차 휠(1030 및 1060)을 구동하기 위해 각각의 벨트(1002 및 1005)에 커플링될 수 있으며, 3차 휠은 시나리오 A에서 조립체(400)의 각각의 콜릿(430 및 460)에 작동 가능하게 커플링된다. 시나리오 B에 있어서, 3차 휠(1030)은 콜릿(460)을 회전시킬 수 있으며, 이때 힘 인가기 조립체(900)도 또한 회전할 수 있다. 예를 들면, 힘 인가기(950)는, 터빈 휠에 힘을 인가하도록 그리고 하나 이상의 접촉 지점을 통해 샤프트에 커플링되는 바와 같은 터빈 휠과 함께 회전하도록 구성될 수 있다. 예로서, 클램프(930)는 회전하도록 구성될 수 있다. 예로서, 클램프(930) 및 힘 인가기(950)는 회전하도록 구성될 수 있다. 예로서, 힘 인가기 조립체(900)는, 하나 이상의 베어링(예컨대, 구름 요소 베어링 등)을 포함하거나 또는 하나 이상의 베어링에 작동 가능하게 커플링될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 시나리오 A는 선택적으로 조립체(900) 또는 그 일부를 채용할 수 있다.
예로서, 시나리오 B에 있어서, 샤프트는 파일롯팅 스피곳(piloting spigot)을 포함할 수 있고, 터빈 휠은 파일롯팅 보어(piloting bore)를 포함할 수 있다. 예로서, 시나리오 A에 있어서, 샤프트는 파일롯팅 스피곳을 포함할 수 있고 터빈 휠은 파일롯팅 보어를 포함할 수 있으며, 또는 예컨대, 샤프트는 파일롯팅 스피곳을 포함하지 않을 수 있고 터빈 휠은 파일롯팅 보어를 포함하지 않을 수 있다.
예로서, 용접 과정 동안의 회전 속도는 분당 대략 수 회로부터 분당 대략 100 회까지일 수 있으며, 선택적으로 더 빠를 수도 있다.
도 11은 시스템의 다양한 구성요소들을 제어하기 위해 구현될 수 있는 제어기(1100)의 예를 도시한 것이다. 예를 들면, 제어기(1100)는, 모터(1006)[예컨대, 휠(1008)에 작동 가능하게 커플링됨], 마스터 휠(1010)(예컨대, 마스터 휠의 방향, 위치, 속도, 가속도 등이 제어됨), 2차 휠(1020)(예컨대, 2차 휠의 방향, 위치, 속도, 가속도 등이 제어됨), 및/또는 2차 휠(1050)(예컨대, 2차 휠의 방향, 위치, 속도, 가속도 등이 제어됨)을 제어할 수 있는 회로를 포함할 수 있다. 제어기(1100)는, 비임(710) 및/또는 비임들(810-1 및 810-2) 중 하나 이상을 제어하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 제어기(1100)는 힘 인가기 조립체(900)[예컨대, 힘 인가기 조립체(950) 등]를 제어하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 제어기(1100)는 시스템의 하나 이상의 다른 특징부를 제어하기 위한 회로를 포함할 수 있다.
도 11은 또한 하나 이상의 인터페이스(1102), 하나 이상의 프로세서(1104), 메모리(1106), 및 하나 이상의 다른 구성요소, 회로 등을 포함하는 것으로 제어기(1100)를 도시한 것이다. 예로서, 하나 이상의 인터페이스(1102)는, 제어기(1100)를 네트워크(1101)(또는 예컨대 네트워크들)에 통신 가능하게 커플링하기 위해 예컨대 하나 이상의 네트워크 인터페이스를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 네트워크(1101)는 정보(예컨대, 감지된 정보, 분석된 정보, 명령, 품질 정보 등)의 전달 및/또는 수신을 제공할 수 있다. 예로서, 로컬(local) 조작자 또는 원격 조작자는, 제어기(1100)에 커플링될 수 있는 이동 연산 디바이스를 구비할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 조작자는 하나 이상의 프로세스의 모니터링, 하나 이상의 프로세스의 제어 등을 행할 수 있다.
도 12는, 터빈 휠 콜릿 및 샤프트 콜릿을 이용하여 터빈 휠 및 샤프트를 동축으로 배치하기 위한 배치 블록(1214), 콜릿을 회전시키기 위한 회전 블록(1218), 하나 이상의 비임에 에너지를 인가하기 위한 에너지 인가 블록(1222), 및 하나 이상의 비임을 통해 샤프트에 터빈 휠을 용접하기 위한 용접 블록(1226)을 포함하는 일 방법(1210)의 예를 도시한 것이다. 이러한 예에 있어서, 배치 블록(1214)은, 블록(1215)마다 하나 이상의 틈새를 형성하는 것 및/또는 블록(1216)마다 힘 또는 힘들을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 힘은 축방향 힘일 수 있으며, 힘은 반경방향 힘일 수 있고, 또는 힘은 축방향 힘 및 반경방향 힘을 포함할 수 있다. 언급된 바와 같이, 콜릿은 구성요소를 클램핑할 수 있는 스프링 콜릿일 수 있다. 예를 들면, 스프링 터빈 휠 콜릿은 터빈 휠을 클램핑할 수 있으며 스프링 샤프트 콜릿은 샤프트를 클램핑할 수 있다(예컨대, 도 4의 클램핑 구성 참고). 축방향 힘의 인가와 관련하여, 예로서, 힘 인가기(950)와 같은 힘 인가기는 터빈 휠에 대해 축방향 힘을 인가하도록 구현될 수 있으며, 여기서 전술한 힘은 (예컨대, 터빈 휠과 샤프트 사이의 접촉 시에) 적어도 부분으로 샤프트에 전달될 수 있다.
예로서, 회전 블록(1218)은 블록(1219)마다 일체로 터빈 휠 및 샤프트의 회전을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 예로서, 에너지 인가 블록(1222)은, 블록(1223)마다 하나 이상의 레이저 비임에 에너지를 인가하는 것 및/또는 블록(1224)마다 하나 이상의 비임에 에너지를 인가하는 것을 포함할 수 있다. 예로서, 용접 블록(1226)은 블록(1227)마다 냉각하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 냉각은, 예컨대 전도, 기화, 응축, 대류, 복사 등의 메커니즘과 같은 하나 이상의 메커니즘을 통한 온도 제어를 포함할 수 있다.
도 12는 또한 일 방법(1250)의 예를 도시한 것이며, 상기 방법은, 터빈 휠 및 샤프트를 동축으로 배치하기 위한 배치 블록(1254)으로서, 힘 인가기는 터빈 휠에 대해 축방향으로 지향된 힘을 인가하고, 터빈 휠은 이 힘의 적어도 일부를 샤프트에 전달하며, 회전 가능한 샤프트 콜릿은 샤프트를 지지하는 것인 배치 블록, 회전 가능한 샤프트 콜릿을 회전시키는 회전 블록(1258), 적어도 하나의 레이저 비임에 에너지를 인가하기 위한 에너지 인가 블록(1262), 적어도 하나의 레이저 비임을 통해 터빈 휠과 샤프트 사이에 용접부를 형성하는 용접 블록(1266)을 포함한다. 이러한 예에 있어서, 배치 블록(1254)은, 블록(1215)마다 하나 이상의 틈새를 형성하는 것 및/또는 블록(1216)마다 하나 이상의 힘을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 샤프트 콜릿은 샤프트에 반경방향 힘을 인가하여 샤프트를 클램핑할 수 있는 반면, 힘 인가기는 터빈 휠에 축방향 힘을 인가하고, 여기서 터빈 휠은 이러한 힘의 적어도 일부를 샤프트에 전달한다. 예로서, 회전 블록(1258)은 샤프트 콜릿의 회전을 통해 일체로 터빈 휠 및 샤프트의 회전을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 예로서, 용접 블록(1266)은 블록(1227)마다 냉각하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 냉각은, 예컨대 전도, 기화, 응축, 대류, 복사 등의 메커니즘과 같은 하나 이상의 메커니즘을 통한 온도 제어를 포함할 수 있다.
도 13은, 제어기(1305)를 포함하는 시스템(1300)의 예를 도시한 것이다. 도 13의 예에 도시된 바와 같이, 시스템(1300)은 레이저 비임을 전달할 수 있는 섬유 코어(1311), 시준기(1312), 광학계(1313)(예컨대, 하나 이상의 렌즈), 제1 미러 챔버(1314), 제1 미러(1315), 제2 미러 챔버(1316), 제2 미러(1317), 제3 미러 챔버(1318), 제3 미러(1319), 광학계 챔버(1322), 광학계(1321), 보호 유닛(1324) 및 제트 유닛(1326)을 포함할 수 있다.
예로서, 시스템(1300)은 도 10의 시니리오 A를 위해 및/또는 도 10의 시나리오 B를 위해 구현될 수 있다. 예를 들면, 레이저 유닛(1350)은 전술한 구성요소들을 통해 조립체(400)의 조준선 간격에 레이저 비임을 지향시킬 수 있고[예컨대, 선택적으로 터빈 휠 콜릿(430)이 없을 수 있음], 상기 구성요소는 힘 인가기 조립체(900)의 하나 이상의 부분[예컨대, 힘 인가기(950) 참고]을 포함할 수 있고, 예컨대 하나 이상의 2차 휠(1020 및 1050)과 같은 회전 메커니즘을 포함할 수 있다.
도 13에 제시된 바와 같이, 시스템(1300)은 조립체(400)와 관련하여(또는 그 일부와 관련하여) 반경 방향으로 및/또는 축 방향으로 레이저 관련 구성요소를 조정할 수 있는 위치 조정 메커니즘을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 터빈 휠 및 샤프트와 같은 하나 이상의 공작물에 대해 초점, 비임 스팟 등이 조정될 수 있다. 예를 들면, 비임 스팟은, 터빈 휠의 허브 단부를 향해 에너지가 더 안내되도록 결합부(예컨대, 시임) 약간 위로 센터링되게 위치설정될 수 있다. 이러한 방식으로, 샤프트의 재료보다 터빈 휠의 재료를 더 많이 포함하는 용접 풀이 형성될 수 있다. 이러한 예에 있어서, 터빈 휠은 니켈을 포함하는 합금일 수 있으며, 이에 따라 샤프트의 재료 및 합금의 50/50 혼합물보다 많은 농도의 니켈을 포함하는 용접 풀이 형성된다.
예로서, 비임 스팟(예컨대, 비임 축선에 대해 수직인 단면)은 예컨대 가우시안 형상과 같은 형상을 포함할 수 있다. 이러한 비임은 직경에 의해 또는 반경(예컨대, "R")에 의해 정의되는 스팟 크기를 포함할 수 있다. 비임은 비임 축선을 따라 비임 웨이스트(beam waist)를 포함할 수 있으며, 이는 최소 스팟 크기일 수 있다. 예로서, 비임이 구성요소에 접촉하는 경우, 스팟 크기는 접촉이 나타나는 곳에서 정의될 수 있다. 예를 들면, 비임은, 비임이 물체(또는 예컨대, 물체들)와 접촉하는 곳으로부터 오프셋될 수 있는 비임 웨이스트를 포함할 수 있다. 예로서, 자유 공간에서 진행하는 비임에 대해, 스팟 크기 반경은, 다음의 등식이 비임 축선을 따라 스팟 크기의 변동을 정의할 수 있는 경우 w(z)로서 정의될 수 있다.
w(z) = w0(1+(z/zR)2)0.5
이러한 예에 있어서, zR은 레일라이 범위(Rayleigh range)(예컨대, πw0 2/λ)일 수 있다. 예로서, 초점의 깊이는 b = 2zR로서 정의될 수 있다. 예로서, 웨이스트 중앙(예컨대, w0에서의 최소 스팟 크기)과 접촉 표면(예컨대, 용접 개시 시의 접촉 표면) 사이에 오프셋이 존재하는 경우, 이러한 오프셋은 초점 깊이 내에 있을 수 있다. 예로서, 용접 중에, 비임은 초기 접촉 표면의 깊이를 넘어 소정 깊이로 침투할 수 있다.
예로서, 용접 과정은 용접 이전에 시임에 대해 2개 이상의 비임을 정렬하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 시임으로부터 의도된 축방향 오프셋은, 에너지가 (예컨대, 약 50 퍼센트 내지 약 80 퍼센트의 범위에서) 샤프트보다는 터빈 휠에 더 지향되도록 부여될 수 있다. 예로서, 용접 과정은, 예컨대 한계치 또는 한계치들 내에서 각각의 용접 부분에 대한 용접 풀 조성을 유지하기 위해 한계치 또는 한계치들 내에서 축방향으로 정렬되는 다수의 비임 내에서 이루어질 수 있다. 이러한 방법은, 하나 이상의 특성 범위 내에서 다수의 용접 풀의 야금 특성을 유지하도록 작용할 수 있다. 예로서, 다수의 비임을 채용하는 과정에 대해, 다수의 비임에 대한 축방향 오프셋 한계는 예컨대 약 0.1 밀리미터 미만일 수 있다.
도 13의 시스템(1300)은 또한 장비 블록(1362, 1364, 1366, 1368, 1370, 1372 및 1374)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 예로서, 블록(1362, 1364 및 1366)은 배면 반사, UV 에너지, 근적외석(NIR) 에너지, 적외선 에너지 등을 감지하기 위한 센서 및 센서 회로를 포함할 수 있다. 예를 들면, 용접 과정은 제1 미러 챔버(1314)의 분지 챔버(1333)를 통해 블록(1362, 1364, 및 1366)에 전달될 수 있는 다양한 유형의 에너지를 생성할 수 있으며, 여기서 분지 챔버(1333)는, 에너지의 일부를 블록(1364)으로 그리고 에너지의 일부를 블록(1362)으로 지향시키기 위해 미러(1339)를 포함할 수 있는 하위 분지 챔버(1337)에 에너지의 일부를 지향시키는 동안 블록(1366)에 대해 에너지의 일부가 지나도록 할 수 있는 미러(1335)를 포함할 수 있다.
예로서, 블록(1372)은, 전자기 스펙트럼(예컨대, UV, NIR, IR, VIS 등)의 하나 이상의 파장으로 광을 방출할 수 있는 광원일 수 있다. 이러한 에너지는 제2 미러 챔버(1316)로 전달될 수 있으며, 여기서 제2 미러(1317)는 에너지의 적어도 일부를 분지 챔버(1311)로 지향시키며, 이때 에너지는 또한 카메라일 수 있는 블록(1368)으로 전달될 수 있다. 예를 들면, 블록(1368)은 OES 및 ICCD 등을 포함할 수 있다. 예로서, 블록(1368)은, 콜릿, 콜릿들, 터빈 휠, 샤프트, 비임, 간격, 플럼, 산란 에너지, 산란 재료, 용접부 등의 비디오(video)를 캡쳐할 수 있는 고속 이미지 센서를 포함할 수 있다.
블록(1374)과 관련하여, 이 블록은 대체로 콜릿들 사이의 영역을 향해 및/또는 콜릿들 사이의 영역으로부터 멀리 가스를 안내할 수 있는 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있다. 예를 들면, 블록(1374)은 결합부를 향해, 플라즈마를 향해, 기타 등등을 향해 가스를 안내할 수 있다. 예로서, 블록(1374)은 온도 제어 메커니즘의 일부로서 작용할 수 있다. 예를 들면, 블록(1374)은 터빈 휠, 샤프트, 터빈 휠 및 샤프트 등의 온도를 조정하기 위해 하나 이상의 노즐(예컨대, 제트)을 통해 가스를 안내할 수 있다. 예로서, 노즐 및/또는 노즐들은 회전, 병진 운동 등을 행할 수 있다. 예로서, 블록(1374)은 차폐 가스를 제공할 수 있다. 예로서, 블록(1374)은 다수의 기능을 행할 수 있다.
도 13의 예에 있어서, 제어기(1305)는 도 11의 제어기(1100)의 블록과 같은 다양한 블록을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 예로서, 블록(1310)은, 레이저 유닛(1350) 및 하나 이상의 블록(1362, 1364, 1366, 1368, 1370, 1372 및 1374)과 관련하여 정보를 수용하고 및/또는 정보를 전달하는 회로를 포함할 수 있다. 제어기(1305)는, 터빈 휠과 샤프트를 용접하여 SWA(예컨대, SWA 유닛)를 형성하는 용접 과정을 제어할 수 있다.
도 14는, 다수의 비임에 대해 다수의 분지를 포함할 수 있는 시스템(1400)의 예를 도시한 것이다. 이러한 예에 있어서, 단일 비임 유닛은 다수의 비임으로 분할될 수 있는 비임을 생성할 수 있으며, 여기서 각각의 비임은 그 자체의 비임 경로를 통해 안내될 수 있다.
예로서, 시스템(1400)은 분배 서브시스템(1420)에 대한 공급을 행할 수 있는 디스크 레이저 모듈(1410)을 포함할 수 있다. 예로서, 디스크 레이저 모듈(1410)은 약 1030 nm로 작동하는 다이오드 펌프형인 얇은 디스크 레이저를 포함할 수 있다. 예를 들면, 펌핑 유닛(1420)이 약 941 nm에서 에너지를 방출하는 다이오드를 포함하는 것을 고려하며, 여기서 전술한 에너지는 디스크 레이저 모듈(1410)의 Yb:YAG 디스크로 안내될 수 있다.
얇은 디스크 레이저는 약 200 ㎛ 이하의 두께를 갖는 활성 매체를 포함할 수 있다. 예를 들면, Yb:YAG 활성 매체는 결정질이며, 준 단부 펌프형(quasi-end-pumped) 구조에서 다이오드 레이저 스택을 통해 일측에서 자극될 수 있는 반면 타측은 냉각된다. 광학계는 포물선 거울 및 역반사 거울을 포함할 수 있으며, 여기서 흡수되지 않은 파워는 예컨대 효율을 최적화하기 위해 여러 번 이미징(imaging)될 수 있다. 예로서, 단일 디스크는, 약 1030 nm의 파장의 근적외선(NIR; Near-InfraRed)에서 작동하는, 최대 약 3.5 킬로와트의 파워를 생성할 수 있다. 예로서, 더 큰 파워 수준을 달성하기 위해 다수의 디스크가 케스케이딩(cascading)될 수 있다. 제어기는, 예컨대 작동 모드, 파워 수준 및 비임 품질과 같은 다양한 레이저 파라메타의 선택을 제공할 수 있다. Yb:YAG 디스크 레이저는 Nd:YAG 레이저보다 작은 비임 크기(예컨대, 스팟 크기)를 발생시킬 수 있으며, 이에 따라 다음으로 높은 에너지 밀도가 가능하게 될 수 있다.
도 14의 예에 있어서, 분배 서브시스템(1420)은 디스크 레이저 모듈(1410)로부터의 레이저 비임을 받아들인다. 분배 서브시스템(1420)은, 파워 제어 유닛(1422), 스위치(1424), 분할기(1426) 및 커플링부(1428)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 이러한 커플링부는, 하나 이상의 레이저 비임을 통해 용접을 행할 수 있도록 예컨대 시스템(1400)의 경로들에 개별적인 레이저 비임을 안내할 수 있다.
예로서, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 레이저 비임의 파워 변화를 탐지하기에 적절할 수 있는 정보를 감지할 수 있다(예컨대, 간접 탐지 기법 사용). 예로서, 하나 이상의 레이저 비임의 파워 변화를 탐지하도록 직접적인 기법이 구현될 수 있다. 예를 들면, 레이저 비임이 통과하는 보호 윈도우 카트리지 및 예컨대 보호 윈도우에 대한 대안으로서 구현될 수 있는 파워 카세트(power cassette)와 관련된 정보를 감지하는 센서를 고려한다.
하나 이상의 센서와 관련하여, 예로서 온도 센서, 배면 반사 센서(back reflection sensor), 플라즈마 센서 및 카메라(예컨대, CMOS 카메라 등) 중 하나 이상을 고려한다. 예로서, 온도 센서, 배면 반사 센서 또는 플라즈마 센서와 같은 센서는 약 수십 킬로헤르츠 수준의 샘플링 속도로 작동할 수 있다. 예로서, 카메라 센서는 약 수천 헤르츠 수준의 샘플링 속도로 작동할 수 있다.
레이저 파워를 직접 감지하기 위한 파워 센서와 관련하여, 용접 헤드는 온도 정보를 제공할 수 있는 보호 윈도우 카트리지를 포함할 수 있으며, 이 온도 정보로부터 레이저 비임의 파워가 결정될 수 있다. 예로서, 레이저 파워를 직접 감지하기 위한 파워 센서는 열량 측정 방식으로 레이저 파워에 대한 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 흡수기는 정해진 시구간 동안 레이저 비임의 적어도 일부에 의해 방사될 수 있으며, 여기서 흡수기의 열 용량 및 온도 상승은 알려져 있는 것이다. 이러한 정보가 주어져 있을 때, 레이저 파워가 계산될 수 있다.
도 14의 제어기(1422)를 다시 참고하면, 파워 제어를 위해 폐회로 기법이 구현될 수 있고, 여기서 예컨대, 하나 이상의 소스[예컨대, 펌핑 다이오드(1412)]가 레이저 비임을 생성하는 경우 하나 이상의 소스가 조절된다.
예로서, 레이저 비임은, 예컨대 흐려진 비임의 비임 파워, 비임 직경 및 비임 위치, 그리고 비임의 초점 및 분극에 있어서 비임 직경 및 비임 위치 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다.
도 15는 도 8의 예시적인 조립체와 관련하여 예시적인 시나리오(1500)를 도시하고 있는데, 이 시나리오는, 샤프트(360)의 터빈 휠 샤프트 단부(370) 및 터빈 휠(330)의 허브 단부(340)에 의해 형성되는 결합부를 향해 안내되는 비임(810-1) 및 비임(810-2)을 포함한다. 이 시나리오(1500)는 터빈 휠(330) 및 샤프트(360)의 회전 방향 그리고 개별적인 용접 영역의 형성을 나타낸다. 비임(810-1)에 대해 예시된 바와 같이, 하나 이상의 플라즈마와 함께 용접 풀이 형성될 수 있다. 예로서, 예컨대 적어도 부분적으로 용접 깊이를 제어하기 위해 비임의 침투 깊이가 제어될 수 있다. 예를 들면, 터빈 휠 샤프트 단부(370)와 허브 단부(340) 사이에 용접부를 형성하기 위해 키홀 깊이가 제어될 수 있다.
예로서, 시나리오(1500)의 용접 영역을 형성하기 위해 도 14의 시스템(1400)이 채용될 수 있다. 시스템(1400)은 도 13의 시스템(1300)의 다양한 특징을 포함할 수 있다. 예로서, 제어기(1305)는 시스템(1400)을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어기(1305)는, 시나리오(1500)의 비임들(810-1 및 810-2) 및/또는 용접 과정(또는 용접 과정들)과 관련된 하나 이상의 다른 파라메타를 제어할 수 있다. 예로서, 제어는 위치 제어, 회전 제어, 가스 제어, 온도 제어, 에너지 제어, 초점 제어, 비임 스팟 크기 제어, 플라즈마 제어 등에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 16은 용접 과정(또는 예컨대 용접 과정들) 이전에, 용접 과정(또는 예컨대 용접 과정들) 동안에, 및/또는 용접 과정(또는 예컨대 용접 과정들) 이후에, 행해질 수 있는 일 방법(1600)의 예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 방법(1600)은 정보를 획득하기 위한 획득 블록(1610), 상기 정보의 적어도 일부를 분석하기 위한 분석 블록(1620), 그리고 적어도 부분적으로 상기 분석에 기초하여 하나 이상의 과정을 평가하기 위한 평가 블록(1630)을 포함한다.
도 16은 또한 용접된 구성요소의 다이어그램을 도시한 것이며, 여기서 구성요소는 터빈 휠(330)의 허브 단부(340) 및 샤프트(360)의 터빈 휠 단부(370)일 수 있다. 도시된 바와 같이, 레이저 비임(810-1)은 구성요소들의 표면에서 볼 수 있는 용접 풀과 함께 용융물을 형성할 수 있으며, 구성요소는 화살표로 나타내는 바와 같은 방향으로 이동할 수 있는 반면, 레이저 비임(810-1)은 (예컨대, 비임 스팟의 조준을 통해) 상대적으로 고정되어 있을 수 있다는 것을 주목하라. 레이저 비임(810-1)에 앞서, 시임은 2개의 구성요소에 의해 정의되는 반면, 레이저 비임(810-1) 후방에는 용접 비드(weld bead)가 형성된다. 언급된 바와 같이, 레이저 비임의 비임 스팟은 시임에서 또는 시임에서 약간 벗어나서(예컨대, 그 중심이 다른 구성요소보다 더 일 구성요소를 향하도록 함) 조준될 수 있다. 단면도를 통해 나타낸 바와 같이[축방향 치수(Δz)를 갖는 평면 및 방위상 치수(ΔΘ)를 갖는 평면 참고], 용접 비드는 표면으로부터 하방을 향해 연장되는 용접부의 표면 부분이다. 용접 과정을 평가하기 위해, 예컨대, 용접 비드의 형상, 크기 등에 관한 정보가 분석될 수 있다.
예로서, 획득 블록(1610)은 레이저 기반의 센서를 통해 정보를 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 시임, 용접 비드 등을 삼각 측량하는 레이저 기반의 센서를 고려한다. 예로서, 정보의 분석을 통해 조도, 오목도, 반경 비율 등에 관한 정보가 출력될 수 있다. 예로서, 분석을 통해 프로파일 또는 프로파일들에 관한 정보를 출력할 수 있다. 예를 들면, 시임 프로파일, 용접 비드 프로파일, 용접 풀 프로파일 등에 관한 정보를 고려한다. 예로서, 하나 이상의 프로세스 관련 파라메타의 조정, 선택 등은 분석 또는 분석들로부터의 정보에 적어도 부분적으로 기초하여 이루어질 수 있다.
도 17은 용접 과정(또는 예컨대 용접 과정들) 이전에, 및/또는 용접 과정(또는 예컨대 용접 과정들) 동안에 행해질 수 있는 일 방법(1700)의 예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 방법(1700)은, 정보를 획득하기 위한 획득 블록(1710), 상기 정보의 적어도 일부를 분석하기 위한 분석 블록(1720), 하나 이상의 위치(예컨대, 시임 위치, 축방향 위치, 접촉 위치 등)를 평가하기 위한 평가 블록(1730), 수락 블록(1750)마다 평가된 위치 또는 위치들이 수락 가능한지를 결정하거나 또는 거절 및/또는 조정 블록(1760)마다 평가된 위치 또는 위치들이 수락 가능하지 않은지를 결정하는 결정 블록(1740)을 포함한다.
예로서, 상기 방법(1700)은 용접 과정 또는 용접 과정들의 하나 이상의 양태를 제어하기 위해 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 방법(1700)은 샤프트(360)의 터빈 휠 단부(370) 및 터빈 휠(330)의 허브 단부(340)에 의해 형성되는 결합부와 관련하여 이미지를 획득할 수 있다. 이러한 이미지들 중 하나 이상은 틈새, 접촉, 정렬 등과 관련하여 분석될 수 있다. 예로서, 상기 방법(1700)은 터빈 휠 샤프트 단부(370) 및/또는 허브 단부(340)의 위치, 힘, 회전 속도 등을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
예로서, 비임 또는 비임들은 적어도 부분적으로 이미지 분석에 기초하여 조정될 수 있다. 예를 들면, 비임 에너지, 비임 초점 길이, 비임 스팟 크기 등은 이미지 분석에 기초하여(예컨대, 결합부 틈새, 접촉, 정렬 등 중 하나 이상에 기초하여) 조정될 수 있다.
예로서, 일 방법은 시임 트랙킹(seam tracking)을 포함할 수 있다. 예로서, 일 방법은 간격 탐지를 포함할 수 있다. 예로서, 일 방법은 구성요소(예컨대, 샤프트 또는 터빈 휠) 상의 일 지점을 발견함으로써 시임 위치를 탐지하는 것을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 지점은 다른 구성요소(예컨대, 터빈 휠 또는 샤프트)와 접촉하는 지점일 수 있다. 예로서, "셋업(set-up)"은 수락 또는 거절될 수 있다. 예로서, 거절된 "셋업"은, 하나 이상의 구성요소를 재위치설정하기 위해 조정될 수 있다. 예를 들면, 조정은, 하나의 구성요소를 회전시키는 반면 다른 구성요소를 고정 상태로 유지하는 것을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 조정은, 2개의 구성요소를 상이한 정도로(예컨대, 하나는 시계 방향으로 그리고 다른 하나는 반시계 방향으로) 회전시키는 것을 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은 터빈 휠과 샤프트를 접촉시키기 이전에 샤프트 평면을 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 배치는, 예컨대 접촉식 프로브, 비접촉식 프로브, 또는 접촉식 프로브 및 비접촉식 프로브를 이용한 검침(probing)을 포함할 수 있다. 예로서, 비접촉식 프로브는 레이저 기반일 수 있다. 예로서, 일 방법은 기준 위치(예컨대, 기준 표면의 위치 등)에 대해 검침 위치(예컨대, 검침에 의해 식별됨)를 비교하는 것을 포함할 수 있다. 예로서, 상기 검침은, 비교적 작은 스팟 크기(들)를 가질 수 있는 하나 이상의 레이저 비임을 통해 용접을 목적으로 구성요소들을 서로에 대해 위치설정하는 위치설정 방법의 일부일 수 있다. 예로서, 상기 검침은, 약 20 미크론 미만의 위치 정확도를 제공할 수 있다.
도 18은 센서 및 센서 정보의 예를 나열하는 표(1810), 그리고 일 구성요소(370)에 대해 일 구성요소(340)를 용접하기 위해 레이저(810)에 의해 형성되는 용접부의 다이어그램을 나타낸 것이다. 표(1810)는 플라즈마 센서 또는 금속 플럼 센서, 온도 센서, 배면 반사 센서, 및 가시광 센서를 나열하고 있다. 표(1810)는 또한 하나 이상의 센서에 의해 감지될 수 있는 에너지의 파장의 예를 나열하고 있다. 예를 들면, 플라즈마 센서 또는 금속 플럼 센서는 (예컨대, 약 600 nm 미만의) UV 에너지를 감지하는 회로를 포함할 수 있으며, 온도 센서는 (예컨대, 약 1100 nm 내지 약 1800 nm의) NIR 에너지를 감지하는 회로를 포함할 수 있고, 배면 반사 센서는 레이저(예컨대, Yb:YAG 레이저 등을 고려함)와 관련된 에너지를 감지하는 회로를 포함할 수 있으며, 가시 에너지 센서는 (예컨대, 약 390 nm 내지 약 700 nm의) 가시광 에너지를 감지하는 회로를 포함할 수 있다. 표(1810)에 제시된 바와 같이, 플라즈마 센서 또는 금속 플럼 센서로부터의 정보는 레이저 파워, 레이저 비임의 초점 위치, 가스 보호, 시임 위치, 용접 간격 확대(welding gap widening) 등에 관한 것일 수 있으며, 온도 센서로부터의 정보는 예컨대 하나 이상의 용접 오류(예컨대,침투 하에서의 공극률 등을 고려함)로 인한 열 발산 또는 열 전도의 변화에 관한 것일 수 있고, 배면 반사 센서로부터의 정보는 하나 이상의 키홀 특징부[예컨대, 용접 침투 깊이, 스플래터(splatter) 등]에 관한 것일 수 있으며, 가시광 센서로부터의 정보는 크기, 형상, 표면, 시임 등에 관한 것일 수 있다(예컨대, 용접 후 영역 및 용접 전 영역의 특징를 고려함).
예로서, 일 시스템은 용접 이전에, 용접 중에 및/또는 용접 이후에, 정보를 감지할 수 있는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예로서, 일 시스템은 하나 이상의 센서를 통해 정보를 감지할 수 있고, 용접부 및/또는 하나 이상의 구성요소의 품질과 관련하여 감지된 정보(예컨대, 물리적 특징, 위치 등)의 적어도 일부를 분석할 수 있다. 예로서, 일 시스템은 기준 정보로부터의 하나 이상의 편차를 결정함으로써 정보를 분석할 수 있다. 예를 들면, 일 시스템은 감지된 신호와 비교 가능한 기준 신호를 포함할 수 있다. 예로서, 일 시스템은, 예컨대 용접 결함이 발생하였는지를 결정하기 위해, 감지된 정보를 실시간으로 분석할 수 있다. 예로서, 일 시스템은, 신호를 획득할 수 있고, 용접 결함이 발생하였지를 결정하기 위해 상기 신호의 적어도 일부 대 기준 신호를 분석할 수 있다.
예로서, 일 시스템은 정보를 받아들이기 위한 하나 이상의 인터페이스 및 정보를 분석하기 위한 하나 이상의 회로를 포함할 수 있다. 예로서, 일 시스템은, 정보의 수용과 관련하여 선택적으로 실시간으로(또는 예컨대 거의 실시간으로) 용접 결함이 발생하였는지를 결정하기 위해 적어도 부분적으로 감지된 정보에 기초하여 계산을 수행할 수 있는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은, 용접하는 단계, 용접에 의해 형성되는 용접부에 관한 정보를 받아들이는 단계, 그리고 받아들인 정보의 적어도 일부를 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 방법은, 상기 분석에 기초하여 용접부에 결함이 있는지를 결정할 수 있다. 예를 들면, 상기 방법은, 조건(예컨대, 품질 측정 기준)에 위배되는지를 결정하기 위해 수용된 정보의 적어도 일부를 다른 정보와 비교할 수 있다. 예를 들면, 용접부가 특정 치수보다 큰 것으로 및/또는 특정 치수보다 작은 것으로 예상된다면, 이들 치수 중 하나 이상으로부터의 편차는 위배를 유발할 수 있다(예컨대, 용접부에 결함이 있음을 나타냄).
도 19는 일 방법(1900)으로서, 용접 과정과 관련된 정보(예컨대, 감지된 정보 등)를 획득하기 위한 획득 블록(1910), 기준 정보를 전달하기 위한 기준 정보 블록(1920), 기준 정보의 적어도 일부와 관련하여 획득된 정보의 적어도 일부에 대해 분석을 행하기 위한 분석 블록(1930), 분석 블록(1930)의 결과 또는 결과들 및/또는 정보를 저장하기 위한 저장 블록(1940), 용접 과정에 의해 형성된 용접부가 수락 가능한지를 결정하기 위한 결정 블록(1950), 용접 과정(예컨대, 유닛을 형성하도록 2개의 구성요소가 용접되는 용접 과정 등)에 의해 형성된 용접부를 수락하기 위한 수락 블록(1952), 용접 과정에 의해 용접된 용접부를 거절(예컨대, 2개의 용접된 구성요소를 통해 형성되는 유닛을 거절함)하기 위한 거절 블록(1954), 그리고 수용 블록(1952)마다의 수용 및/또는 거절 블록(1954)마다의 거절에 적어도 부분적으로 기초하여 기준 정보를 재연산(re-computing)하기 위한 재연산 블록(1958)을 트리거(trigger)하기 위한 업데이트 블록(1956)을 포함하는 방법을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 방법(1900)은 용접 과정에 의해 용접되는 조립체와 관련하여 획득 블록(1910)마다 정보를 획득하기 위해 예컨대 다음 조립체 블록(1980)에서 계속될 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 재연산 블록(1958)은, 선택적으로 저장 블록(1940)으로부터의 저장된 정보 및/또는 저장된 결과(들)를 수용하는 것을 통해 그리고 기준 정보 블록(1920)으로부터의 기존 기준 정보를 수용하는 것을 통해, 기준 정보 블록(1920)의 기준 정보를 업데이트할 수 있다. 예를 들면, 재연산 블록(1958)에 의해 수용되는 정보에 적어도 부분적으로 기초하여 하나 이상의 메트릭스(metrics)를 연산하기 위해 하나 이상의 통계적 기법이 적용될 수 있다. 이에 따라 전술한 하나 이상의 메트릭스가 학습 과정의 일부로서 업데이트될 수 있는데, 이는 기계에 기초한 학습 과정일 수 있다.
상기 방법(1900)은, 용접 과정을 통한 2개의 구성요소의 용접에 의해 형성된, 거절된 유닛에 대해 사람을 통한 검사 및/또는 사람이 감독하는 기계를 통한 검사를 위해, 예컨대 인적 검사 블록(1960; human insepction block)을 선택적으로 포함할 수 있다. 인적 검사 블록(1960)은, 업데이트 블록(1956)마다 정보(예컨대, 기준 정보)를 업데이트할지를 결정하기 위한 결정 블록(1970)마다의 결정을 행하기에 충분한 정보를 제공할 수 있다. 예로서, 인적 검사 블록(1960)은, 기계에 기초한 오류 음성(false negative)(예컨대, 거절) 및/또는 기계에 기초한 오류 양성(false positive)(예컨대, 수락)과 관련한 정보를 제공할 수 있다. 따라서, 인적 검사 블록(1960)은 거절 블록(1954)에 후속하는 것으로 도시되어 있지만, 인적 검사 블록은 선택적으로 수락 블록(1952) 이후에 형성될 수도 있다. 거절 및/또는 수락에 관한 정보는 기준 정보를 업데이트하기 위해 선택적으로 사용될 수 있으며, 이때 예컨대 하나 이상의 메트릭스(metrics)는 용접 과정의 품질 관리 등의 목적을 위한 것일 수 있다.
도 20은 디스플레이 디바이스 및/또는 디스플레이 시스템(2050)의 예 및 그래픽 사용자 인터페이스(GUI; Graphical User Interface)(2000)의 예를 도시한 것이다. 이러한 GUI는, 예컨대 프로세서(예를 들어, 제어기, CPU, GPU 등)를 통해 하나 이상의 디스플레이에 대해 실행될 수 있다.
도 20의 예에 있어서, GUI(2000)는, 파라메타를 나열하는 필드(field) 및 관련 값을 갖춘 그래픽(2010), 위치 및/또는 시간에 대한 메트릭스의 값을 나타내는 그래픽(2022, 2024, 2026 및 2028), 그리고 용접부, 조립체, 조립체의 구성요소, 유닛 등의 상태를 나타낼 수 있는 지시 그래픽(2030)을 포함한다. 예를 들어, 그래픽(2030)은 텍스트 및/또는 색상(예컨대, 노랑을 고려함)을 통해 OK, ACCEPT, PASS 등을 나타낼 수 있으며, 및/또는 텍스트 및/또는 색상(예컨대, 빨강을 고려함)을 통해 NOK, REJECT, NOT PASS 등을 나타낼 수 있다. 예로서, 시스템에 의해 작업자의 주의가 요구되는 경우, 그래픽(2030)은 텍스트 및/또는 색상인 적절한 표시를 제공할 수 있다.
예로서, 그래픽(2022, 2024, 2026 및 2028)은 하나 이상의 용접 비임에 관한 것일 수 있다. 예를 들면, 그래픽(2022 및 2024)은 2개의 구성요소를 용접하기 위해 용접부를 형성하는 하나의 레이저 비임에 관한 것일 수 있고, 그래픽(2026 및 2028)은 2개의 구성요소를 용접하기 위해 용접부를 형성하는 다른 하나의 레이저 비임일 수 있다. 따라서, GUI(2000)는 형성되는 하나 이상의 용접부에 관한 정보를 표시할 수 있는데, 이들 용접부는 선택적으로 동시에 형성될 수 있다. 예로서, 개별적인 레이저 비임에 의한 복수 개의 용접부의 형성이 시간상 실질적으로 동시에 이루어질 수 있고 및/또는 종료될 수 있다. 예로서, 개별적인 레이저 비임에 의한 복수 개의 용접부의 형성이 시간상 비동기식으로 이루어질 수 있고 및/또는 종료될 수 있다.
도 21은, 정보를 획득하기 위한 획득 블록(2110), 정보를 분석하기 위한 분석 블록(2120), 및 용접부의 하나 이상의 양태를 제어하기 위한 제어 블록(2140)을 포함하는 방법(2100)의 예를 도시한 것이다. 도 21의 예에 있어서, 획득 블록(2110)은 예컨대, 플라즈마 정보, 온도 정보, 이미지 정보 등과 같은 정보를 획득할 수 있다. 예로서, 분석 블록(2120)은, 화학적 특징, 물리적 특징, 및/또는 하나 이상의 다른 특징과 같은 정보를 분석하는 것을 포함할 수 있다. 예로서, 제어 블록(2140)은, 하나 이상의 비임, 힘, RPM, 가스, 온도 및/또는 용접부의 하나 이상의 다른 양태를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
도 22는, 플라즈마 정보를 획득하기 위한 획득 블록(2210), 플라즈마 정보의 적어도 일부를 분석하기 위한 분석 블록(2220), 및 용접부의 하나 이상의 양태를 제어하기 위한 제어 블록(2240)을 포함하는 방법(2200)의 예를 도시한 것이다. 예로서, 플라즈마 정보는 화학적 조성(예컨대, 니켈 및/또는 다른 성분)과 관련하여 분석될 수 있다. 예로서, 플라즈마 정보는 에너지(예컨대, 흡수된 에너지, 전달된 에너지, 반사된 에너지 등)와 관련하여 분석될 수 있다. 예로서, 플라즈마 정보는 가스(예컨대, 발생된 가스, 공급된 가스, 분위기 가스 등)와 관련하여 분석될 수 있다.
예로서, 일 방법은, 터빈 휠 및 샤프트를 동축으로 배치하는 단계로서, 힘 인가기는 터빈 휠에 대해 축방향으로 지향된 힘을 인가하고, 터빈 휠은 이 힘의 적어도 일부를 샤프트에 전달하며, 회전 가능한 샤프트 콜릿은 샤프트를 지지하는 것인 단계, 회전 가능한 샤프트 콜릿을 회전시키는 단계, 적어도 하나의 레이저 비임에 에너지를 인가하는 단계, 및 적어도 하나의 레이저 비임을 통해 터빈 휠과 샤프트 사이에 용접부를 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 예에 있어서, 상기 방법은 터빈 휠 콜릿을 통해 터빈 휠을 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 터빈 휠 콜릿은 터빈 휠의 일부(예컨대, 허브 부분의 외측 에지 등)에 대해 편향 힘(biasing force)을 인가할 수 있는 스프링 콜릿일 수 있다. 예로서, 콜릿은 예컨대 터빈 휠의 일부(예컨대, 노즈 부분 등)에 대해 편향 힘을 인가할 수 있는 스프링 콜릿일 수 있는 노즈 콜릿(nose collet)일 수 있다. 예로서, 콜릿은 터빈 휠에 축방향 힘을 인가하도록 작동할 수 있다. 예로서, 콜릿은 터빈 휠로부터의 축방향 힘을 받아들이도록 작동할 수 있다. 예로서, 터빈 휠 콜릿은 회전 가능한 터빈 휠 콜릿일 수 있다. 예로서, 노즈 콜릿은 회전 가능한 노즈 콜릿일 수 있다.
예로서, 일 방법은, 하나 이상의 용접부를 형성하는 동안, 터빈 휠에 인가되는, 축방향으로 지향되는 힘을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 힘은 대략 100 N 미만, 예컨대 대략 30 N 미만일 수 있다.
예로서, 일 방법은 터빈 휠과 샤프트 사이의 결합부에서 적어도 하나의 레이저 비임을 조준하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 조준하는 단계에서는, 터빈 휠에서 더 큰 비율로 적어도 하나의 레이저 비임을 조준할 수 있다. 예로서, 이러한 방법은, 용접부를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 용접부는 샤프트의 재료보다 더 큰 비율로 터빈 휠의 재료를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은, 용접부를 형성하는 것과 관련될 때 축방향에 있어서의 재료 손실을 보상하는 컴플라이언스 힘(compliance force)을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은, 단일 쌍 영역(single mating region)에 존재하는, 터빈 휠과 샤프트 사이의 접촉을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 샤프트는 파일롯팅 스피곳(piloting spigot)을 포함할 수 있고, 터빈 휠은 파일롯팅 보어(piloting bore)를 포함할 수 있다. 예로서, 터빈 휠은 단차형 리세스를 포함할 수 있고 샤프트는 파일롯리스(pilotless)형일 수 있다.
예로서, 일 방법은, 터빈 휠 및 샤프트에서 에너지를 반사시킴으로써 그리고 그 에너지를 분석함으로써 용접부의 품질을 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 방법은, 에너지의 분석에 응답하여 적어도 하나 이상의 파라메타를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 분석될 수 있는 에너지는, 가시광 에너지, 자외선 에너지, 적외선 에너지 및 근적외선 에너지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은 플라즈마를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 방법은, 플라즈마로부터 정보를 획득하는 단계 및 화학적 특성과 관련하여 상기 정보를 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 차폐 가스 특성을 고려한다. 예로서, 일 방법은, 화학적 특성과 관련된 정보의 분석에 응답하여 적어도 하나의 파라메타를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 일 방법은, 플라즈마로부터 정보를 획득하는 단계 및 플라즈마의 물리적 특성과 관련하여 상기 정보를 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 일 방법은 2개의 플라즈마를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 방법은, 2개의 플라즈마로부터 정보를 획득하는 단계 및 상기 정보를 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 방법은 또한, 정보(예컨대, 용접 관련 파라메타 등)의 분석에 응답하여 적어도 하나의 파라메타를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 일 방법은, 플라즈마의 적어도 하나의 특징을 다른 플라즈마의 적어도 하나의 특징과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 일 방법은, 상기 비교에 응답하여 적어도 하나 이상의 파라메타를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은 터빈 휠과 샤프트 사이에 형성되는 용접부에 관한 정보를 감지하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 일 방법은, 용접부의 품질을 결정하기 위해, 상기 정보의 적어도 일부를 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 방법은, 용접부의 품질에 적어도 부분적으로 기초하여, 용접부를 수락하는 단계 또는 용접부를 거절하는 단계를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은, 플라즈마 센서 또는 금속 플럼 센서에 의해 감지된 정보를 받아들이는 단계; 및 레이저 비임 파워, 레이저 비임 초점 위치, 가스 보호, 2개의 구성요소에 의해 형성되는 시임의 시임 위치, 및 용접 간격 확대(welding gap widening)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은, 온도 센서에 의해 감지된 정보를 받아들이는 단계; 및 (예컨대, 용접 과정 동안, 용접 과정들 동안, 기타 등등 동안) 열 소산의 변화 및 열 전도의 변화로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 방법은, 열 소산의 결정된 변화 또는 열 전도의 결정된 변화를 용접부 결함과 관련시키는 단계를 포함할 수 있다. 예로서, 결함이 있는 용접부의 결함은, 공극 기반의 결함 및/또는 침투 기반의 결함일 수 있거나, 공극 기반의 결함 및/또는 침투 기반의 결함을 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은, 배면 반사 센서에 의해 감지되는 정보를 받아들이는 단계; 및 적어도 하나의 레이저 비임 중 하나의 레이저 비임의 에너지에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 키홀(keyhole)의 적어도 하나의 특징을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은, 터빈 휠 및 샤프트를 동축으로 배치하는 단계로서, 힘 인가기는 터빈 휠에 대해 축방향으로 지향된 힘을 인가하고, 터빈 휠은 이 힘의 적어도 일부를 샤프트에 전달하며, 회전 가능한 샤프트 콜릿은 샤프트를 지지하는 것인 단계, 회전 가능한 샤프트 콜릿을 회전시키는 단계, 터빈 휠과 샤프트 사이에 형성되는 결합부과 관련된 정보를 획득하는 단계, 상기 정보의 적어도 일부를 분석하는 단계, 그리고 상기 분석에 적어도 부분적으로 기초하여 터빈 휠과 샤프트를 용접하는 용접 과정과 관련된 적어도 하나의 파라메타를 조정하는 단계를 포함한다. 이러한 예에 있어서, 상기 방법은, (예컨대, 구성요소 또는 구성요소들의 하나 이상의 위치를 결정하는 것과 관련하여) 접촉식 프로브 또는 비접촉식 프로브로 검침하는 단계를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은 터빈 휠과 샤프트 사이의 접촉 위치와 관련하여 결합부를 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 터빈 휠과 샤프트 사이의 간격과 관련하여 결합부를 분석하는 것을 고려한다. 이러한 예에 있어서, 이미지 획득 시스템은, 예컨대 분석될 수 있는 하나 이상의 이미지를 캡쳐하여 하나 이상의 간격이 샤프트에 대한 터빈 휠의 수락 가능한 안착을 방해하는지를 결정할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 안착 문제가 발생하는 경우, 일 방법은 터빈 휠 등을 리로딩(reloading)하는 단계를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은, 하나 이상의 접촉 지점, 하나 이상의 간격 또는 하나 이상의 접촉 지점 및 터빈 휠과 샤프트 사이의 하나 이상의 간격과 관련하여 결합부(예컨대, 시임)를 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
예로서, 일 방법은, 용접 과정을 실시하는 단계, 예컨대 적어도 부분적으로 적어도 하나의 레이저 비임(예를 들어 레이저 비임 등)에 에너지를 인가하는 것을 통해 또는 예컨대 복수 개의 레이저 비임에 에너지를 인가하는 것을 통해 용접 과정을 실시하는 단계를 포함할 수 있다.
예로서, 일 시스템은, 제어기, 힘 인가기, 회전 가능한 샤프트 센터링 콜릿, 회전 가능한 샤프트 센터링 콜릿을 회전시키는 구동 메커니즘, 및 레이저 비임 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 시스템은, 회전 가능한 터빈 휠 센터링 콜릿을 포함할 수 있으며, 예컨대 회전 가능한 터빈 휠 센터링 콜릿을 회전시키는 구동 메커니즘을 포함할 수 있다.
예로서, 일 시스템은, 회전 가능한 터빈 휠 센터링 콜릿과 회전 가능한 샤프트 센터링 콜릿 사이에 조준선 간격을 형성할 수 있다.
예로서, 일 시스템은 광학계를 통해 지향되는 카메라를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전자기 에너지 스펙트럼의 가시광 부분에서의 파장을 갖는 에너지를 감지하는 카메라를 고려한다.
예로서, 일 시스템은 레이저 비임 유닛의 레이저 비임을 분할할 수 있는 비임 스플리터(beam splitter)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 비임 스플리터는 하나의 레이저 비임을 2개의 비임으로 분할할 수 있다. 예로서, 일 시스템은, 회전 가능한 샤프트 센터링 콜릿에서 센터링되는, 터빈 휠 및 샤프트에 의해 형성된 결합부에서, 2개의 비임(예컨대, 공통 비임으로부터 선택적으로 분할됨)의 스팟을 안내하는 광학계를 포함할 수 있다.
예로서, 일 시스템은, 힘 인가기 축선을 포함하는 힘 인가기, 및 샤프트 콜릿 축선을 포함하는 회전 가능한 샤프트 센터링 콜릿을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 시스템은 동축으로 그리고 예컨대 중력에 대해 축선들을 정렬시킬 수 있다. 예로서, 형성되는 용접 풀 또는 용접 풀들은 중력 가속도를 겪게 될 수 있다. 중력에 대한 구성요소 축선의 정렬은, 또한 심지어 (예컨대, 균일한) 용접부 또는 용접부들을 제공할 수 있다.
예로서, 일 시스템은, 힘 인가기에 의해 인가되는 힘, 구동 메커니즘에 의한, 회전 가능한 샤프트 센터링 콜릿의 회전, 그리고 레이저 비임 유닛의 방출 에너지를 제어할 수 있는 회로(예컨대, 하드웨어, 하드웨어 및 소프트웨어 등)를 포함하는 제어기를 포함할 수 있다.
예로서, 일 시스템은 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 제어기는 적어도 하나의 센서에 의해 감지되는 정보의 수용을 위한 입력부를 포함할 수 있다. 예로서, 일 시스템의 제어기는 적어도 하나의 용접부의 품질을 결정하기 위해 정보를 분석할 수 있다.
예로서, 일 시스템은, 플라즈마 센서 또는 금속 플럼 센서를 포함할 수 있으며, 이때 시스템의 제어기는, 레이저 비임 파워, 레이저 비임 초점 위치, 가스 보호, 2개의 구성요소에 의해 형성되는 시임의 시임 위치, 및 용접 간격 확대(welding gap widening)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 결정하기 위해 플라즈마 센서 또는 금속 플럼 센서에 의해 감지된 정보를 받아들일 수 있다.
예로서, 일 시스템은 온도 센서를 포함할 수 있으며, 이때 시스템의 제어기는 열 소산의 변화 및 열 전도의 변화로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 요소를 결정하기 위해 온도 센서에 의해 감지되는 정보를 받아들일 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 제어기는, 열 소산의 결정된 변화 또는 열 전도의 결정된 변화를, 용접부 결함(예컨대, 공극 기반의 결함, 침투 기반의 결함 등을 고려함)과 관련시키는 시킬 수 있다. 예로서, 제어기는, 열 소산의 변화 및 열 전도의 변화로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 요소를 결정하기 위해 (예컨대, 선택적으로 각도과 관련하여 그리고 선택적으로 구성요소 또는 구성요소들의 회전 중에) 하나 이상의 온도 센서에 의해 감지되는 정보를 수용할 수 있으며, 이때 예로서 제어기는 결정된 변화 또는 변화들을 용접부의 결함과 관련시킬 수 있다. 이러한 예에 있어서, 제어기는 (예컨대, 하나 이상의 각도 위치 등을 통해) 용접부의 일부로서 또는 용접부의 일부 부분들로서 용접부 결함을 식별할 수 있다.
예로서, 일 시스템은 배면 반사 센서를 포함할 수 있으며, 여기서 시스템의 제어기는 레이저 비임 유닛(예컨대, 하나 이상의 레이저 비임)의 에너지에 의해 적어도 부분적으로 형성되는 키홀(keyhole)의 적어도 하나의 특징을 결정하기 위해 배면 반사 센서에 의해 감지되는 정보를 받아들일 수 있다.
예로서, 일 시스템은 디스플레이 및 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 디스플레이에 대해 행하는 제어기의 실행 가능한 명령을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, GUI는 용접된 유닛의 수락 또는 용접된 유닛의 거절을 나타내는 품질 제어 그래픽을 포함할 수 있다.
예로서, 일 시스템은 (예컨대, 하나 이상의 정보 인터페이스를 통해) 제어기에 대한 입력에 적어도 부분적으로 기초하여 레이저 비임 유닛, 힘 인가기 또는 구동 메커니즘을 제어할 수 있는 제어기를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 제어기는, 레이저 비임의 분할, 레이저 비임 또는 레이저 비임들의 조준 등을 행할 수 있는 하나 이상의 광학 요소를 제어할 수 있다.
예로서, 일 시스템은, 하나 이상의 센서에 의해 감지되는 바와 같은, 레이저 비임에 의해 발생되는 플라즈마의 적어도 하나의 특징에 적어도 부분적으로 기초하여, 용접 과정의 적어도 하나의 파라메타를 제어할 수 있는 제어기를 포함할 수 있다. 예로서, 일 시스템은, 하나 이상의 센서에 의해 감지되는 바와 같은, 레이저 비임에 의해 발생되는 플라즈마의 적어도 하나의 특징에 적어도 부분적으로 기초하여, 용접 과정의 적어도 하나의 파라메타를 제어할 수 있는 제어기를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 제어기는 하나의 플라즈마의 특징을 다른 하나의 플라즈마의 특징과 비교할 수 있는 제어 회로를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 특징, 특징들 등을 결정하기 위해 하나 이상의 센서로부터의 정보가 분석될 수 있다.
예로서, 일 시스템은 터빈 휠 클램프(turbine wheel clamp)를 포함할 수 있다. 예로서, 일 시스템은 힘 인가기에 의해 인가되는 힘을 제어할 수 있는 제어기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제어기는 용접 과정 동안 힘 인가기에 의해 터빈 휠에 및/또는 샤프트에 인가되는 힘을 제어할 수 있다. 예로서, 힘은 터빈 휠 클램프에 의해 인가될 수 있으며 및/또는 터빈 휠 클램프에 의해 받아들여질 수 있다. 예로서, 터빈 휠 클램프는 노즈 콜릿, 허브 콜릿(hub collet) 등으로서 구성될 수 있다. 예로서, 클램프는 회전 가능한 클램프일 수 있다.
예로서, 일 시스템은 하나 이상의 위치 프로브를 포함할 수 있다. 예로서, 위치 프로브는 비접촉식 프로브일 수 있다. 예로서, 위치 프로브는 접촉식 프로브일 수 있다. 예로서, 위치 프로브는 회전 가능한 샤프트 센터링 콜릿에 의해 센터링되는 샤프트의 일부의 위치를 결정할 수 있다. 예로서, 시스템의 제어기는 위치 프로브에 의해 결정되는 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 터빈 휠 및 샤프트에 의해 형성되는 시임의 특징을 제어할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 시임의 특징은 레이저 비임 유닛의 레이저 비임의 스팟 크기와 관련하여 제어될 수 있다.
예로서, 일 시스템은 플라즈마 UV 방출, 반사되는 레이저 비임 방출, 및 근적외선 방출 중 적어도 하나를 감지할 수 있는 센서 유닛을 포함할 수 있다. 예로서, 일 시스템은 각각 플라즈마 UV 방출, 반사되는 레이저 비임 방출, 및 근적외선 방출을 감지할 수 있는 센서를 포함할 수 있다.
예로서, 일 시스템은 가스 노즐을 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 시스템은 가스 노즐을 통해 가스의 이송을 제어할 수 있는 제어기를 포함할 수 있다. 이러한 예에 있어서, 상기 시스템은 가스 노즐에 대한 가스의 유동을 감지하는 가스 유량계를 포함할 수 있다. 예로서, 가스 노즐은 시임, 용접부, 플라즈마 등을 향해 가스를 안내할 수 있다.
방법, 디바이스, 시스템, 장치 등에 대한 일부 예가 첨부 도면 및 이상의 상세한 설명에서 제시되었지만, 개시된 예시적 실시예는 한정하려는 것이 아니며, 다수의 재배치, 변형 및 치환이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 터빈 휠 및 샤프트를 동축으로 배치하는 단계로서, 힘 인가기는 터빈 휠에 대해 축방향으로 지향되는 힘을 인가하며, 터빈 휠은 상기 힘의 적어도 일부를 샤프트에 전달하고, 회전 가능한 샤프트 콜릿은 샤프트를 지지하는 것인 단계,
    회전 가능한 샤프트 콜릿을 회전시키는 단계,
    적어도 하나의 레이저 비임에 에너지를 인가하는 단계, 및
    적어도 하나의 레이저 비임을 통해 터빈 휠과 샤프트 사이에 용접부를 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 동축으로 배치하는 단계는, 터빈 휠 콜릿을 통해 터빈 휠을 배치하는 것을 포함하는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 터빈 휠 콜릿은 회전 가능한 터빈 휠 콜릿을 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    터빈 휠에 인가되는, 축방향으로 지향되는 힘을 발생시키는 동안, 상기 힘을 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 힘은 대략 100 N 미만인 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 힘은 대략 30 N 미만인 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    터빈 휠과 샤프트 사이의 결합부에 적어도 하나의 레이저 비임을 조준하는 단계
    를 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 조준하는 단계에서는, 터빈 휠에서 더 큰 비율로 적어도 하나의 레이저 비임을 조준하는 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    샤프트의 재료보다 더 큰 비율로 터빈 휠의 재료를 포함하는 용접부를 포함하는, 용접부를 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    용접부를 형성하는 단계와 관련하여 축방향으로의 재료 손실을 보상하는 컴플라이언스 힘(compliance force)을 인가하는 단계
    를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 터빈 휠과 샤프트 사이의 접촉은 단일 쌍 영역(single mating region)에 존재하는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    터빈 휠 및 샤프트에서 에너지를 반사시킴으로써 그리고 그 에너지를 분석함으로써 용접부의 품질을 분석하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 에너지는, 가시광 에너지, 자외선 에너지, 적외선 에너지 및 근적외선 에너지 중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    플라즈마를 형성하는 단계,
    상기 플라즈마로부터의 정보를 획득하는 단계, 및
    화학적 특징과 관련하여 상기 정보를 분석하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    2개의 레이저 비임에 에너지를 인가하는 단계,
    2개의 레이저 비임을 통해 2개의 용접부를 형성하는 단계로서, 각각의 용접부는 터빈 휠과 샤프트 사이에 있는 것인 단계,
    2개의 레이저 비임을 통해 2개의 플라즈마를 형성하는 단계,
    상기 2개의 플라즈마로부터 정보를 획득하는 단계, 및
    상기 정보를 분석하는 단계
    를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 정보의 분석에 응답하여 적어도 하나의 파라메타를 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    터빈 휠과 샤프트 사이에 형성되는 용접부에 관한 정보를 감지하는 단계,
    상기 용접부의 품질을 결정하기 위해 상기 정보의 적어도 일부를 분석하는 단계, 및
    상기 용접부의 품질에 적어도 부분적으로 기초하여 용접부를 수락하거나 용접부를 거절하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 터빈 휠 및 샤프트를 동축으로 배치하는 단계로서, 힘 인가기는 터빈 휠에 대해 축방향으로 지향되는 힘을 인가하며, 터빈 휠은 상기 힘의 적어도 일부를 샤프트에 전달하고, 회전 가능한 샤프트 콜릿은 샤프트를 지지하는 것인 단계,
    회전 가능한 샤프트 콜릿을 회전시키는 단계,
    터빈 휠과 샤프트 사이에 형성되는 결합부와 관련하여 정보를 획득하는 단계,
    상기 정보의 적어도 일부를 분석하는 단계, 및
    상기 분석에 적어도 부분적으로 기초하여, 터빈 휠과 샤프트를 용접하기 위한 용접 과정과 관련하여 적어도 하나의 파라메타를 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 정보를 획득하는 단계는 접촉식 프로브 또는 비접촉식 프로브를 이용하여 검침하는 것을 포함하는 것인 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    하나 이상의 접촉 지점, 하나 이상의 간격 또는 하나 이상의 접촉 지점 및 터빈 휠과 샤프트 사이의 하나 이상의 간격과 관련하여 결합부를 분석하는 단계
    를 포함하는 방법.
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