KR20180018769A - 빔 이동을 제공하는 이중 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드 - Google Patents

빔 이동을 제공하는 이중 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드 Download PDF

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Abstract

가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드가 용접 작업을, 예를 들어, 와블 패턴 및/또는 심 탐색/추적 및 추종으로 수행하는 데 사용될 수 있다. 가동 미러는 예를 들어, 1-2˚의 스캔 각도에 의해 형성되는 비교적 작은 시야 내에서의 하나 이상의 빔의 와블링 이동을 제공한다. 가동 미러는 갈보 제어기를 포함하는 제어 시스템에 의해 제어가능한 갈바노미터 미러일 수 있다. 레이저 용접 헤드는 이동될 빔 또는 빔들을 성형하는 회절 광학 소자를 또한 포함할 수 있다. 제어 시스템은 또한 광섬유 레이저를, 예를 들어, 공작물에 대한 빔의 위치 및/또는 용접 헤드 내의 감지된 상태, 예컨대 미러 중 하나에 근접한 열 상태에 따라 제어하는 데 사용될 수 있다.

Description

빔 이동을 제공하는 이중 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드
관련출원에 대한 교차-참조
본원은 둘 모두가 본 명세서에 참조로 충분히 포함되는, 2015년 6월 19일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/182,211호 그리고 2016년 2월 12일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/294,731호의 이익을 주장한다.
본 발명은 레이저 용접에, 더 구체적으로 빔 이동을 제공하는 이중 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드 그리고 그것을 사용하는 레이저 용접 시스템 및 방법에 관한 것이다.
레이저, 예컨대 광섬유 레이저(fiber laser)는 재료 가공 적용분야, 예컨대 용접에 종종 사용된다. 종래의 레이저 용접 헤드는 레이저 광을 시준하는 시준기 그리고 레이저 광을 용접될 목표 영역에 대해 포커싱하는 포커스 렌즈를 포함한다. 빔은 2개의 구조물을 심(seam)을 따라, 예를 들어, 교반 용접 기술을 사용하여 용접하는 것을 용이하게 하도록 다양한 패턴으로 이동될 수 있다. 빔을 교반 용접을 위해 이동시키는 하나의 방식은 빔을 회전 프리즘 렌즈를 사용하여 회전시키는 것이고 그에 따라 회전형 또는 나선형 패턴을 형성한다. 빔을 용접을 위해 이동시키는 또 다른 방식은 용접 헤드 전체를 X-Y 스테이지 상에서 피벗하거나 이동시키는 것이고 그에 따라 지그 재그 패턴을 형성한다. 빔을 이동시켜 용접 패턴을 수행하는 이들 종래의 방법은 빔의 신속하고 정확한 이동을 제공하지 못한다.
실시예에 따르면, 레이저 용접 헤드는, 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기; 및 시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 빔을 약 1-2˚의 스캔 각도에 의해 형성되는 단지 제한된 시야 내의 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러를 포함한다. 레이저 용접 헤드는 레이저 빔을 빔이 이동되는 동안에 공작물에 대해 포커싱하도록 구성되는 포커스 렌즈를 또한 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 레이저 용접 헤드는, 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기; 시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 빔을 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러; 및 각각, 제1 및 제2 가동 미러에 근접하고, 열 상태를 검출하도록 구성되는, 적어도 제1 및 제2 열 센서를 포함한다. 레이저 용접 헤드는 레이저 빔을 포커싱하도록 구성되는 포커스 렌즈를 또한 포함한다.
추가적인 실시예에 따르면, 레이저 용접 헤드는, 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기를 포함하는 시준기 모듈; 및 시준기 모듈에 커플링되는 와블러 모듈(wobbler module)을 포함한다. 와블러 모듈은 시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 빔을 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러를 포함한다. 레이저 용접 헤드는 와블러 모듈에 커플링되는 코어 블록 모듈을 또한 포함한다. 코어 블록 모듈은 레이저 빔을 포커싱하도록 구성되는 적어도 포커스 렌즈를 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 레이저 용접 시스템은, 출력 광섬유를 포함하는 광섬유 레이저; 및 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되는 용접 헤드를 포함한다. 용접 헤드는 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기, 시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 빔을 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러, 및 레이저 빔을 포커싱하도록 구성되는 포커스 렌즈를 포함한다. 레이저 용접 시스템은 적어도 광섬유 레이저 그리고 미러의 위치를 제어하는 제어 시스템을 또한 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 레이저 용접 헤드는, 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기; 시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 빔을 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러; 및 레이저 빔을 포커싱하도록 구성되는 포커스 렌즈를 포함한다. 레이저 용접 헤드는 용접을 돕는, 포커스 렌즈에 근접한, 가스 보조 부속품 및 에어 나이프 부속품 중 적어도 하나를 또한 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 레이저 용접 헤드는, 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기; 시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 시준된 레이저 빔을 성형하도록 구성되는 적어도 하나의 회절 광학 소자; 및 회절 광학 소자로부터 성형된 레이저 빔을 수용하여 성형된 빔을 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러를 포함한다. 레이저 용접 헤드는 레이저 빔을 빔이 이동되는 동안에 공작물에 대해 포커싱하도록 구성되는 포커스 렌즈를 또한 포함한다.
이들 및 다른 특징 및 이점은 도면과 함께 취해지는, 하기의 상세한 설명을 읽음으로써 더 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른, 이중 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드를 포함하는 시스템의 개략 블록도이다.
도 1a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 심 탐색 및/또는 와블링의 목적을 위해 이중 미러에 의해 제공되는 비교적 작은 이동 범위를 갖는 포커싱된 레이저 빔의 개략도이다.
도 2a-2d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 빔 이동을 위한 이중 미러를 포함하는 용접 헤드에 의해 생성될 수 있는 상이한 와블 패턴을 도시하는 개략도이다.
도 3a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 숫자 8 와블 패턴을 갖는 교반 용접을 사용하는 레이저에 의해 형성되는 용접 비드(weld bead)를 갖는 용접된 공작물의 현미경 사진이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 용접된 공작물 및 용접 비드의 단면의 현미경 사진이다.
도 3c는 와블 패턴을 갖지 않는 레이저에 의해 형성되는 용접 비드를 갖는 용접된 공작물의 현미경 사진이다.
도 3d는 도 3c에 도시된 용접된 공작물 및 용접 비드의 단면의 현미경 사진이다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 빔 이동을 위한 이중 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드의 분해도이다.
도 5 및 6은 도 4에 도시된 레이저 용접 헤드에 사용되는 시준기 모듈의 사시도이다.
도 7은 도 4에 도시된 레이저 용접 헤드에 사용되는 와블러 모듈의 사시도이다.
도 8은 도 4에 도시된 레이저 용접 헤드에 사용되는 와블러 모듈의 분해도이다.
도 9는 도 4에 도시된 레이저 용접 헤드에 사용되는 와블러 모듈의 부분 측단면도이다.
도 10은 수랭식 제한 개구 및 열 센서를 갖는 와블러 모듈의 내부측의 사시도이다.
도 11은 도 4에 도시된 레이저 용접 헤드에 사용되는 포커스 및 창 하우징을 포함하는 코어 블록 모듈의 분해도이다.
도 12는 도 4에 도시된 레이저 용접 헤드에 사용되는 보호 창을 갖는 포커스 및 창 하우징의 분해도이다.
도 13 및 14는 시준기 모듈, 와블러 모듈, 및 코어 블록 모듈이 함께 조립되어 포커싱된 빔을 방출하는 상태의 도 4에 도시된 레이저 용접 헤드의 사시도이다.
도 15는 도 13 및 14에 도시된 레이저 용접 헤드 내의 빔 경로의 개략도이다.
도 16은 본 개시내용의 실시예에 따른, 이중 가동 미러 및 회절 광학 소자를 갖는 레이저 용접 헤드의 개략 블록도이다.
도 17a 및 17b는 각각, 회절 광학 소자에 의해 생성되는 원형 빔 스폿(beam spot) 및 성형된 직사각형 빔 스폿을 도시한다.
도 17c는 빔 성형 광학 소자에 의해 생성되는 도넛-형상의 빔 스폿을 도시한다.
도 18a-18c는 상이한 회절 광학 소자에 의해 생성되는 상이한 크기의 직사각형 빔 스폿을 도시한다.
도 19는 본 개시내용의 실시예에 따른, 레이저 용접 헤드에 커플링되는 다중-빔 광섬유 레이저에 의해 생성되는 빔 스폿의 패턴을 도시한다.
도 20은 본 개시내용의 실시예에 따른, 회절 광학 소자를 포함하는 레이저 용접 헤드에 커플링되는 다중-빔 광섬유 레이저에 의해 생성되는 성형된 빔 스폿의 패턴을 도시한다.
본 개시내용의 실시예에 따른, 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드가 용접 작업을, 예를 들어, 와블 패턴 및/또는 심 탐색/추적 및 추종으로써 수행하는 데 사용될 수 있다. 가동 미러는 예를 들어, 1-2˚의 스캔 각도에 의해 형성되는 비교적 작은 시야 내에서의 하나 이상의 빔의 와블링 이동을 제공한다. 가동 미러는 갈보 제어기(galvo controller)를 포함하는 제어 시스템에 의해 제어가능한 갈바노미터 미러(galvanometer mirror)일 수 있다. 레이저 용접 헤드는 이동될 빔 또는 빔들을 성형하는 회절 광학 소자를 또한 포함할 수 있다. 제어 시스템은 또한 광섬유 레이저를, 예를 들어, 공작물에 대한 빔의 위치 및/또는 용접 헤드 내의 감지된 상태, 예컨대 미러 중 하나에 근접한 열 상태에 따라 제어하는 데 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 레이저 용접 시스템(100)은 (예컨대, 커넥터(111a)로써) 광섬유 레이저(112)의 출력 광섬유(111)에 커플링되는 레이저 용접 헤드(110)를 포함한다. 레이저 용접 헤드(110)는 공작물(102)에 대한 용접을, 예를 들어, 심(104)을 용접하여 용접 비드(106)를 형성함으로써 수행하는 데 사용될 수 있다. 레이저 용접 헤드(110) 및/또는 공작물(102)은 심(104)의 방향을 따라 서로에 대해 이동될 수 있다. 레이저 용접 헤드(110)는 용접 헤드(110)를 적어도 하나의 축을 따라, 예를 들어, 심(104)의 길이를 따라 공작물(102)에 대해 이동시키는 이동 스테이지(114) 상에 위치될 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 공작물(102)은 공작물(102)을 레이저 용접 헤드(110)에 대해 이동시키는 이동 스테이지(108) 상에 위치될 수 있다.
광섬유 레이저(112)는 근적외선 스펙트럼 범위(예컨대, 1060-1080 nm) 내의 레이저를 발생시킬 수 있는 이테르븀 광섬유 레이저를 포함할 수 있다. 이테르븀 광섬유 레이저는 레이저 빔을 일부 실시예에서 최대 1 kW의 출력 그리고 다른 실시예에서 최대 50 kW의 더 높은 출력으로써 발생시킬 수 있는 단일 모드 또는 다중-모드 연속파 이테르븀 광섬유 레이저일 수 있다. 광섬유 레이저(112)의 예는 IPG 포노닉스 코포레이션(IPG Photonics Corporation)으로부터 입수가능한 YLR SM 시리즈 또는 YLR HP 시리즈 레이저를 포함한다. 광섬유 레이저(112)는 하나 이상의 레이저 빔을 다중 광섬유를 통해 선택적으로 전달할 수 있는, 2015년 8월 13일자로 출원되고, 발명의 명칭이 Multibeam Fiber Laser System인, 국제 출원 제PCT/US2015/45037호에 개시된 형태와 같은, 다중-빔 광섬유 레이저를 또한 포함할 수 있다.
레이저 용접 헤드(110)는 일반적으로 출력 광섬유(111)로부터의 레이저 빔을 시준하는 시준기(122), 시준된 빔(116)을 반사하여 이동시키는 적어도 제1 및 제2 가동 미러(132, 134), 및 포커싱하여 포커싱된 빔(118)을 공작물(102)로 전달하는 포커스 렌즈(142)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 고정된 미러(144)가 또한 시준된 레이저 빔(116)을 제2 가동 미러(134)로부터 포커스 렌즈(142)로 유도하는 데 사용된다. 시준기(122), 가동 미러(132, 134), 및 포커스 렌즈(142) 및 고정된 미러(144)는 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 함께 커플링될 수 있는 별개의 모듈(120, 130, 140)로 제공될 수 있다. 레이저 용접 헤드(110)는 또한 예를 들어, 광이 제2 미러(134)로부터 포커스 렌즈(142)를 향해 반사되도록 미러(132, 134)가 배열되면 고정된 미러(144) 없이 구성될 수 있다.
가동 미러(132, 134)는 시준된 빔(116)이 이동하게 하고 포커싱된 빔(118)이 적어도 2개의 상이한 직각 축(2, 4)으로 공작물(102)에 대해 이동하게 하도록 상이한 축(131, 133)에 대해 피벗가능하다. 가동 미러(132, 134)는 방향을 신속하게 역전시킬 수 있는, 갈보 모터에 의해 이동가능한 갈바노미터 미러일 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 기구, 예컨대 스테퍼 모터가 미러를 움직이는 데 사용될 수 있다. 가동 미러(132, 134)를 레이저 용접 헤드(110)에 사용하는 것은 용접 헤드(110) 전체를 이동시키지 않고도 그리고 회전 프리즘을 사용하지 않고도 레이저 빔(118)이 심 탐색 및 추종 및/또는 빔 와블링의 목적을 위해 정확하게, 제어가능하게 및 신속하게 이동되게 한다.
용접 헤드(110)의 실시예에서, 가동 미러(132, 134)는 빔(118)을, 도 1a에 도시된 바와 같이, 10˚ 미만, 더 구체적으로 약 1-2˚의 스캔 각도 α 내에서 피벗하고 그에 의해 빔이 와블링되게 함으로써 빔(118)을 단지 비교적 작은 시야(예컨대, 30 x 30 mm 미만) 내에서 이동시킨다. 대조적으로, 종래의 레이저 스캔 헤드는 일반적으로 훨씬 더 큰 시야(예컨대, 50 x 50 mm 초과 그리고 250 x 250 mm 정도로 큼) 내에서의 레이저 빔의 이동을 제공하고, 더 큰 시야 및 스캔 각도를 수용하도록 설계된다. 따라서, 단지 비교적 작은 시야를 레이저 용접 헤드(110)에 제공하기 위한 가동 미러(132, 134)의 사용은 반-직관적이고, 갈보 스캐너를 사용할 때에 더 넓은 시야를 제공하는 종래의 지혜에 반한다. 시야 및 스캔 각도를 제한하는 것은 갈보 미러를 용접 헤드(110)에 사용할 때에, 예를 들어, 더 빠른 속도를 가능케 함으로써, 덜 비싼 구성요소, 예컨대 렌즈의 사용을 가능케 함으로써, 그리고 부속품, 예컨대 에어 나이프 및/또는 가스 보조 부속품의 사용을 가능케 함으로써 이점을 제공한다.
용접 헤드(110)의 예시적인 실시예에서의 더 작은 시야 및 스캔 각도 때문에, 제2 미러(134)는 제1 미러(132)와 실질적으로 동일한 크기일 수 있다. 대조적으로, 종래의 갈보 스캐너는 일반적으로 더 큰 시야 및 스캔 각도를 제공하기 위해 더 큰 제2 미러를 사용하고, 더 큰 제2 미러는 적어도 하나의 축으로의 이동 속도를 제한할 수 있다. 따라서, 용접 헤드(110) 내의 더 작은 크기의 제2 미러(134)(예컨대, 제1 미러(132)와 대략 동일한 크기)는 큰 스캔 각도를 제공하는 종래의 갈보 스캐너 내의 더 큰 미러에 비해 미러(134)가 더 빠른 속도로 움직일 수 있게 한다.
포커스 렌즈(142)는 레이저 용접 헤드에 사용하는 것으로 알려져 있고, 예를 들어, 100 mm 내지 1000 mm 범위 내의 다양한 초점 길이를 갖는 포커스 렌즈를 포함할 수 있다. 종래의 레이저 스캔 헤드는 빔을 더 큰 시야 내에서 포커싱하기 위해 훨씬 더 큰 직경(예컨대, 33 mm 직경의 빔에 대해 300 mm 직경의 렌즈)을 갖는 다중-소자 스캐닝 렌즈, 예컨대 F 세타 렌즈, 필드 평탄화 렌즈, 또는 텔레센트릭 렌즈를 사용한다. 가동 미러(132, 134)가 빔을 비교적 작은 시야 내에서 이동시키기 때문에, 더 큰 다중-소자 스캐닝 렌즈(예컨대, F 세타 렌즈)가 요구되지 않고, 사용되지 않는다. 본 개시내용에 따른 용접 헤드(110)의 하나의 예시 실시예에서, 50 mm 직경의 평면 볼록 F300 포커스 렌즈가 약 15 x 5 mm의 시야 내에서의 이동을 위해 약 40 mm의 직경을 갖는 빔을 포커싱하는 데 사용될 수 있다. 더 작은 포커스 렌즈(142)의 사용은 또한 추가적인 부속품, 예컨대 에어 나이프 및/또는 가스 보조 부속품이 용접 헤드(110)의 단부에서 사용되게 한다. 종래의 레이저 스캔 헤드에 요구되는 더 큰 스캐닝 렌즈는 그러한 부속품의 사용을 제한하였다.
다른 광학 구성요소, 예컨대 레이저 빔을 분할하여 (예컨대, 용접부의 양쪽 측면 상에) 용접을 위한 적어도 2개의 빔 스폿을 제공하는 빔 스플리터가 또한 레이저 용접 헤드(110)에 사용될 수 있다. 추가적인 광학 구성요소는 회절 광학 소자를 또한 포함할 수 있고, 이것은 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 시준기(122)와 미러(132, 134) 사이에 위치될 수 있다.
보호 창(146)이 렌즈(142) 앞에 제공되어 렌즈 및 다른 광학 소자를 용접 공정에 의해 생성되는 파편으로부터 보호할 수 있다. 레이저 용접 헤드(110)는 용접 헤드 부속품(116), 예컨대 고속 공기 유동을 보호 창(146) 또는 포커스 렌즈(142)를 횡단하여 제공하여 파편을 제거하는 에어 나이프 및/또는 차폐 가스를 용접 부위에 대해 동축으로 또는 축-이탈 상태로 전달하여 용접 플룸(weld plume)을 억제하는 가스 보조 부속품을 또한 포함할 수 있다. 따라서, 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드(110)에는 기존의 용접 헤드 부속품이 사용될 수 있다.
레이저 용접 시스템(100)의 도시된 실시예는 심(104)을, 예를 들어, 빔(118) 앞의 위치에서 검출 및 탐색하는 검출기(150), 예컨대 카메라를 또한 포함한다. 카메라/검출기(150)가 용접 헤드(110)의 하나의 측면에 개략적으로 도시되지만, 카메라/검출기(150)는 용접 헤드(110)를 통해 유도되어 심(104)을 검출 및 탐색할 수 있다.
레이저 용접 시스템(100)의 도시된 실시예는 광섬유 레이저(112), 가동 미러(132, 134)의 위치설정, 및/또는 이동 스테이지(108, 114)를, 예를 들어, 용접 헤드(110) 내의 감지된 상태, 심(104)의 검출된 위치, 및/또는 레이저 빔(118)의 이동 및/또는 위치에 따라 제어하는 제어 시스템(160)을 추가로 포함한다. 레이저 용접 헤드(110)는 열 상태를 감지하는, 각각의 제1 및 제2 가동 미러(132, 134)에 근접한, 센서, 예컨대 제1 및 제2 열 센서(162, 164)를 포함할 수 있다. 제어 시스템(160)은 센서(162, 164)에 전기적으로 연결되어 가동 미러(132, 134)에 근접한 열 상태를 모니터하는 데이터를 수신한다. 제어 시스템(160)은 또한 용접 작업을, 예를 들어, 심(104)의 검출된 위치를 나타내는 카메라/검출기(150)로부터의 데이터를 수신함으로써 모니터할 수 있다.
제어 시스템(160)은 광섬유 레이저(112)를, 예를 들어, 레이저를 차단시키거나, 레이저 파라미터(예컨대, 레이저 출력)를 변경하거나, 어떤 다른 조정가능한 레이저 파라미터를 조정함으로써 제어할 수 있다. 제어 시스템(160)은 광섬유 레이저(112)가 레이저 용접 헤드(110) 내의 감지된 상태에 따라 차단되게 할 수 있다. 감지된 상태는 센서(162, 164) 중 하나 또는 둘 모두에 의해 감지되고, 고출력 레이저에 의해 유발되는 고온 또는 다른 상태를 발생시키는 미러 오작동을 나타내는, 열 상태일 수 있다.
제어 시스템(160)은 안전 인터로크(safety interlock)를 촉발시킴으로써 광섬유 레이저(112)가 차단되게 할 수 있다. 안전 인터로크는 출력 광섬유(111)와 시준기(122) 사이에 구성되고 그에 따라 출력 광섬유(111)가 시준기(122)로부터 분리될 때에 안전 인터로크 상태가 촉발되어 레이저가 차단된다. 도시된 실시예에서, 레이저 용접 헤드(110)는 안전 인터로크 특징부를 가동 미러(132, 134)까지 연장시키는 인터로크 경로(166)를 포함한다. 인터로크 경로(166)는 출력 광섬유(111)와 제어 시스템(160) 사이에서 연장하고 그에 따라 제어 시스템(160)이 안전 인터로크 상태를 레이저 용접 헤드(110) 내에서 검출되는 잠재적으로 위험한 상태에 따라 촉발시키게 한다. 이러한 실시예에서, 제어 시스템(160)은 안전 인터로크 상태가 하나 또는 둘 모두의 센서(162, 164)에 의해 검출되는 미리 정해진 열 상태에 따라 인터로크 경로(166)를 통해 촉발되게 할 수 있다.
제어 시스템(160)은 또한 레이저(112)를 오프 상태로 하지 않고도 레이저 파라미터(예컨대, 레이저 출력)를 빔(118)의 이동 또는 위치에 따라 제어할 수 있다. 가동 미러(132, 134) 중 하나가 빔(118)을 범위 외부로 또는 과도하게 서서히 이동시키면, 제어 시스템(160)은 레이저 출력을 감소시켜 빔 스폿의 에너지를 동적으로 제어하고 그에 따라 레이저에 의한 손상을 피할 수 있다. 제어 시스템(160)은 추가로 다중-빔 광섬유 레이저 중에서의 레이저 빔의 선택을 제어할 수 있다.
제어 시스템(160)은 또한 가동 미러(132, 134)의 위치설정을 카메라/검출기(150)로부터의 심(104)의 검출된 위치에 따라 제어하여, 예를 들어, 포커싱된 빔(118)의 위치를 수정하고 그에 따라 심(104)을 탐색, 추적 및/또는 추종할 수 있다. 제어 시스템(160)은 심(104)의 위치를 카메라/검출기(150)로부터의 데이터를 사용하여 식별하고 이어서 미러(132, 134) 중 하나 또는 둘 모두를 빔(118)이 심(104)과 일치할 때까지 움직임으로써 심(104)을 탐색할 수 있다. 제어 시스템(160)은 미러(132, 134) 중 하나 또는 둘 모두를 움직여 빔(118)의 위치를 지속적으로 조정 또는 수정함으로써 심(104)을 추종하고 그에 따라 빔은 빔(118)이 심을 따라 이동하여 용접을 수행하는 동안에 심(104)과 일치할 수 있다. 제어 시스템(160)은 또한 가동 미러(132, 134) 중 하나 또는 둘 모두를 제어하여 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 와블 이동을 용접 중에 제공할 수 있다.
따라서, 제어 시스템(160)은 레이저 및 미러 둘 모두를 함께 제어하도록 함께 작용하는 레이저 제어 및 미러 제어 둘 모두를 포함한다. 제어 시스템(160)은, 예를 들어, 광섬유 레이저 및 갈보 미러를 제어하는 데 사용하는 것으로 알려져 있는 하드웨어(예컨대, 범용 컴퓨터) 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기존의 갈보 제어 소프트웨어가 사용될 수 있고, 갈보 미러가 본 명세서에 설명되는 바와 같이 제어되게 하도록 변형될 수 있다.
도 2a-2d는 심(204)의 교반 용접을 수행하는 데 사용될 수 있는 와블 패턴의 예를 도시한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "와블"은 (예컨대, 2개의 축으로의) 그리고 10˚ 미만의 스캔 각도에 의해 형성되는 비교적 작은 시야 내에서의 레이저 빔의 왕복 이동을 말한다. 도 2a 및 2b는 각각, 심(204)을 따라 순차적으로 형성되는 원형 패턴 및 숫자 8 패턴을 도시한다. 도 2c 및 2d는 각각, 심(204)을 따라 형성되는 지그-재그 패턴 및 파동형 패턴을 도시한다. 특정 와블 패턴이 도시되지만, 다른 와블 패턴이 본 개시내용의 범주 내에 있을 수 있다. 가동 미러를 레이저 용접 헤드(110)에 사용하는 하나의 이점은 빔을 다양하고 상이한 와블 패턴에 따라 이동시킬 수 있는 능력이다.
도 3a-3d는 종래의 조작되지 않은 빔(도 3c 및 3d)에 비해, 숫자 8 와블 패턴(도 3a 및 3b)에 의해 형성되는 용접부의 비교를 도시한다. 일 예(도 3a 및 3b)에서, 2개 피스의 알루미늄 6061-T6 합금이 2.75 kW의 출력, 3.5 m/분의 속도 및 0.012 in. 간극의 조건 하에서 300 Hz 와블을 갖고서 90˚에서 숫자 8 패턴으로 이동하는 2 mm 직경의 빔 스폿으로써 용접된다. 다른 예(도 3c 및 3d)에서, 2개의 피스의 알루미늄 6061-T6 합금이 2.0 kW의 출력, 3.5 m/분의 속도 및 0.012 in. 간극의 조건 하에서 와블 없이 빔 스폿으로 용접된다. 도시된 바와 같이, 숫자 8 와블에 의한 표면의 용접 품질은 조작되지 않은 빔에 비해 개선된다. 구체적으로, 용접부를 통한 균일성이 도 3a에 도시된 바와 같이 도 3c에 비해 개선된다. 도 3b의 단면도는 또한 (도 3d에 비해) 용접부에서의 더 작은 면적 감소를 보여주는데, 이것은 심(204)의 간극을 더 효과적으로 연결하는 숫자 8 와블 패턴에 기인한다. 본 명세서에 설명되는 레이저 용접 시스템 및 방법은 또한 전형적으로 용접하기 어려운 재료, 예컨대 티타늄의 용접을 개선하는 데 사용될 수 있다.
도 4-15는 레이저 용접 헤드(410)의 실시예를 더 상세하게 도시한다. 하나의 특정 실시예가 도시되지만, 본 명세서에 설명되는 레이저 용접 헤드, 시스템 및 방법의 다른 실시예가 본 개시내용의 범주 내에 있을 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 용접 헤드(410)는 시준기 모듈(420), 와블러 모듈(430), 및 코어 블록 모듈(440)을 포함한다. 와블러 모듈(430)은 위에 논의된 바와 같이 제1 및 제2 가동 미러를 포함하고, 시준기 모듈(420)과 코어 블록 모듈(440) 사이에 커플링된다.
도 5 및 6은 시준기 모듈(420)을 더 상세하게 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 시준기 모듈(420)의 입력 단부(421)는 출력 광섬유 커넥터에 커플링되도록 구성되고, 출력 광섬유 커넥터(도시되지 않음)에 연결되어 출력 광섬유가 분리될 때를 위한 안전 인터로크를 제공하는 광섬유 인터로크 커넥터(425)를 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 시준기 모듈(420)의 출력 단부(423)는 와블러 모듈(430)(도 4 참조)에 커플링되도록 구성되고, 안전 인터로크 경로를 와블러 모듈(430)로 연장시키는 광섬유 인터로크 커넥터(427)를 포함한다. 시준기 모듈(420)은 레이저 용접 헤드에 사용하는 것으로 알려져 있는 형태와 같은 고정된 쌍의 시준기 렌즈를 갖는 시준기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 시준기는 빔 스폿 크기 및/또는 초점을 조정할 수 있는 다른 렌즈 구성, 예컨대 가동 렌즈를 포함할 수 있다.
도 7-10은 와블러 모듈(430)을 더 상세하게 도시한다. 와블러 모듈(430)의 도시된 실시예는 시준기 모듈(420)에 커플링되는 입력 개구(431) 그리고 코어 블록 모듈(440)(도 4 참조)에 커플링되는 출력 개구(433)를 포함한다. 입력 개구(431)는 수랭식 제한 개구를 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 와블러 모듈(430)의 도시된 실시예는 갈보 미러(432, 434)를 상이한 직각 축에 대해 움직이는 제1 및 제2 갈바노미터(436, 438)를 또한 포함한다. 레이저 스캐닝 헤드에 사용하는 것으로 알려져 있는 갈바노미터가 사용될 수 있다. 갈바노미터(436, 438)는 갈보 제어기(도시되지 않음)에 연결되는 연결부(437)를 포함할 수 있다. 갈보 제어기는 갈바노미터를 제어하여 미러의 움직임 그에 따라 레이저 빔의 이동 및 위치설정을 제어하는 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 공지된 갈보 제어 소프트웨어가 사용될 수 있고, 본 명세서에 설명되는 기능, 예를 들어, 심 탐색, 와블러 패턴, 및 레이저와의 통신을 제공하도록 변형될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 와블러 모듈(430)은 시준기 광섬유 인터로크 커넥터(427)에 연결되는 광섬유 인터로크 커넥터(435)를 포함한다. 와블러 모듈(430)은 갈보 제어기에 연결되는 갈보 광섬유 인터로크 커넥터(437)를 또한 포함한다. 따라서, 안전 인터로크는 와블러 모듈(430)까지 그리고 갈보 제어기까지 연장된다. 갈보 제어기는 안전 인터로크 상태를, 예를 들어, 와블러 모듈(430) 내의 감지된 상태에 따라 촉발시키도록 구성될 수 있다.
도 9 및 10에 도시된 바와 같이, 와블러 모듈(430)은 각각의 미러(432, 434)에 근접한 열 프로브(462, 464)를 포함한다. 열 프로브(462, 464)는 와블러 모듈(430) 내의 각각의 위치에서의 열 상태(예컨대, 온도)를 감지하고, 갈보 연결부(437)를 통해 갈보 제어기로 연결될 수 있다. 따라서, 갈보 제어기는 열 프로브(462, 464)를 모니터하여 미리 정해진 상태, 예컨대 와블러 모듈(430) 내의 잠재적으로 위험한 상태를 나타내는 고온 상태가 일어나는지를 결정할 수 있다. 가동 미러(432, 434) 중 하나가 오작동되면, 예를 들어, 와블러 모듈(430) 내로 유도되는 고출력 레이저가 적절하게 반사되지 않을 수 있고, 위험 상태를 유발할 수 있다. 따라서, 갈보 제어기는 안전 인터로크를 촉발시켜 레이저를 위험 상태에 따라 차단시킬 수 있다. 열 프로브는 세라믹의 내부측에 공지된 센서, 예컨대 바이메탈 스트립을 포함할 수 있다.
도 11은 코어 블록 모듈(440)을 더 상세하게 도시한다. 코어 블록 모듈(440)은 와블러 모듈(430)로부터 수용된 빔을 포커스 렌즈(442)로 이어서 공작물로 재유도하는 고정된 미러(도시되지 않음)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 코어 블록 모듈(440)은 코어 블록 하우징(441) 그리고 코어 블록 하우징(441)의 하나의 측면에 커플링되는 포커스 및 창 하우징(443)을 포함한다. 포커싱된 빔 및/또는 공작물을 포커스 및 창 하우징(443)을 통해 제공되는 시야 내에서 모니터링하는 카메라 모듈(도시되지 않음)이 코어 블록 하우징(441)의 대향 측면에 커플링될 수 있다.
포커스 및 창 하우징(443)은 포커스 렌즈(442) 및 보호 창(446)을 수용한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 보호 창(446)은 제거가능 및 교체가능할 수 있다. 포커스 및 창 하우징(443)은 또한 보호 창(446)의 상태를 감시하는 센서, 예컨대 서미스터(472) 및 광다이오드(474)를 갖는 창 상태 모니터링 회로(470)를 수용한다. 코어 블록 하우징(441)은 포커스 및 창 하우징(443) 내의 상태 모니터링 회로(470)에 연결되는 상태 모니터링 커넥터(475) 그리고 용접 헤드 모니터(도시되지 않음)에 연결되는 용접 모니터 커넥터(477)를 추가로 포함한다.
도 13 및 14는 조립된 레이저 용접 헤드(410)를 모듈(420, 430, 440)의 각각이 함께 커플링되어 포커싱된 빔(418)을 방출하는 상태로 도시한다. 시준기 모듈(420) 내로 커플링되는 레이저 빔이 시준되고, 시준된 빔은 와블러 모듈(430)로 유도된다. 와블러 모듈(430)은 시준된 빔을 미러를 사용하여 이동시키고, 이동 중인 시준된 빔을 코어 블록 모듈(440)로 유도한다. 코어 블록 모듈(440)은 이어서 이동 중인 빔을 포커싱하고, 포커싱된 빔(418)은 공작물(도시되지 않음)로 유도된다.
도 15는 와블러 모듈(430) 및 코어 블록 모듈(440)이 함께 커플링된 때의 그것들의 내부측에서의 시준된 빔(416)의 경로를 도시한다. 도시된 바와 같이, 와블러 모듈로 입력되는 시준된 빔(416)은 제1 갈보 미러(432)로부터 제2 갈보 미러(434)로 반사되고 이어서 코어 블록 모듈 내부측의 고정된 미러(444)로부터 반사되어 코어 블록 모듈로부터 출력된다. 고정된 미러(444)는 빔(416)을 모니터링하는 카메라의 사용을 가능케 하는 적외선 미러일 수 있다.
도 16을 참조하여, 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드(1610) 그리고 레이저 용접 시스템의 추가적인 실시예가 더 상세하게 설명된다. 레이저 용접 헤드(1610)의 이러한 실시예는 빔을 성형하는 적어도 하나의 빔 성형 회절 광학 소자(1626)를 추가로 포함한다. 빔 성형 회절 광학 소자(1626)는 용접 헤드(1610) 내의 시준기(1622)와 가동 미러(1632, 1634) 사이에 위치된다. 빔 성형 회절 광학 소자(1626)는 시준된 빔을 성형하고, 성형된 빔은 이어서 미러(1632, 1634)에 의해, 예를 들어, 위에 설명된 바와 같이, 이동된다.
빔 성형 회절 광학 소자(1626)의 일 예는 도 17a에 도시된 바와 같이, 가우시안 프로파일 및 원형 빔 스폿을 갖는 입력 빔을 수용하고, 도 17b에 도시된 바와 같이, 균일한 정사각형 또는 "톱 햇(top hat)" 프로파일 및 직사각형 또는 정사각형 빔 스폿을 갖는 성형된 빔을 생성하는 톱 햇 빔 성형 소자를 포함한다. 다른 빔 성형 회절 광학 소자는 입력 빔을 1 또는 2 차원 어레이의 빔렛(beamlet)으로 변환하는 회절 빔 분할 소자, 입력 빔을 링 또는 일련의 링으로 성형하는 링 발생기 소자, 및 도 17c에 도시된 바와 같이, 입력 빔을 도넛-형상의 링으로 성형하는 회절 볼텍스 렌즈를, 제한 없이, 포함할 수 있다.
따라서, 상이한 형상 및/또는 크기의 빔을 제공하는 상이한 빔 성형 회절 광학 소자(1626)가 사용될 수 있다. 도넛 형상의 빔 스폿은 또한 빔의 중심에 있는 높은 출력 농도를 제거함으로써 더 균일한 출력 분포를 가질 수 있다. 도 18a-18c에 도시된 바와 같이, 상이한 회절 광학 소자가 상이한 크기를 갖는 직사각형 빔을 제공할 수 있고, 그에 의해 용접 및 다른 적용분야를 위한 상이한 "브러시 크기(brush size)" 및 해상도를 가능케 한다. 더 작은 빔 스폿 또는 "브러시 크기"가, 예를 들어, 더 작은 영역에 대해 또는 더 높은 해상도가 요구되는 모서리 주위에 사용될 수 있다.
실시예에서, 빔 성형 회절 광학 소자(1626)는 시준기 모듈(1620)과 와블러 모듈(1630) 사이에, 예를 들어, 위에 설명된 바와 같이 제거가능하게 위치될 수 있는, 빔 성형 모듈(1624) 내에 위치된다. 따라서, 상이한 회절 광학 소자를 갖는 빔 성형 모듈(1624)이 용접 헤드(1610) 내에서 상호교환가능하게 사용될 수 있다. 빔 성형 모듈(1624)은 또한 위에 설명된 바와 같이 안전 인터로크 경로(1666)를 제공할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 용접 헤드(1610)는 다중 빔을 선택적으로 전달할 수 있는 다중-빔 광섬유 레이저(1612)에 커플링될 수 있다. 다중-빔 광섬유 레이저의 일 예가 본 명세서에 참조로 충분히 포함되는, 2015년 8월 13일자로 출원되고, 발명의 명칭이 Multibeam Fiber Laser System인, 국제 출원 제PCT/US2015/45037호에 더 상세하게 설명된다. 다중 빔은 상이한 특성, 예컨대 상이한 모드, 출력, 에너지 밀도, 프로파일 및/또는 크기를 가질 수 있다. 도 19는, 예를 들어, 상이한 크기를 갖는 다중 빔을 도시한다. 다중 빔이 동시에 전달될 수 있거나, 상이한 특성을 갖는 개별적인 빔이 상이한 시간에 별개로 그리고 선택적으로 전달되어 상이한 작업(예컨대, 가열, 용접, 및 후-처리)을 제공할 수 있다. 다중 빔은 또한 회절 광학 소자(1626)에 의해 성형되어 다중의 성형된 빔을, 예를 들어, 도 20에 도시된 바와 같이 생성할 수 있다. 따라서, 다중 빔의 형상 및/또는 크기는 다중-빔 광섬유 레이저(1612) 및/또는 상이한 회절 광학 소자(1626)를 사용하여 상이한 작업 또는 적용분야에 대해 변경될 수 있다. 일부의 용접 적용분야에 대해, 예를 들어, 하나 이상의 빔이 링 또는 도넛 형상으로 성형되어 더 균일한 출력 분포를 제공할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 설명되는 실시예에 따른, 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드는 다양한 용접 적용분야에 사용되는 레이저 빔의 이동, 크기, 및/또는 형상에 대해 개선된 제어를 제공한다. 따라서, 본 명세서에 설명되는 가동 미러를 갖는 레이저 용접 헤드, 용접 시스템 및 방법의 실시예는 더 강력하고, 더 매끄럽고, 더 균일한 용접부를 형성하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 원리가 본 명세서에 설명되었지만, 이러한 설명은 예로서 수행될 뿐이고 본 발명의 범주에 대한 제한으로서 수행되지 않는다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되어야 한다. 다른 실시예가 본 명세서에 도시 및 설명되는 예시적인 실시예에 추가하여 본 발명의 범주 내에서 고려된다. 본 기술분야의 통상의 기술자에 의한 변형 및 치환은 하기의 청구범위에 의해서만 제한되어야 하는, 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (40)

  1. 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기;
    시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 빔을 약 1-2˚의 스캔 각도에 의해 형성되는 단지 제한된 시야 내의 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러; 및
    레이저 빔을 빔이 이동되는 동안에 공작물에 대해 포커싱하도록 구성되는 포커스 렌즈
    를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  2. 제1항에 있어서, 가동 미러들은 대략 동일한 크기인, 레이저 용접 헤드.
  3. 제1항에 있어서, 가동 미러는 갈바노미터 미러인, 레이저 용접 헤드.
  4. 제1항에 있어서, 포커스 렌즈는 스캐닝 렌즈가 아닌, 레이저 용접 헤드.
  5. 제1항에 있어서, 가동 미러는 시준된 레이저 빔을 30 x 30 mm 미만의 치수를 갖는 단지 제한된 시야 내에서 이동시키도록 구성되는, 레이저 용접 헤드.
  6. 제1항에 있어서, 가스를 용접 중에 용접 부위로 전달하는, 포커스 렌즈에 근접한, 가스 보조 부속품을 추가로 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  7. 제1항에 있어서, 포커스 렌즈 뒤에 있는 보호 창을 추가로 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  8. 제7항에 있어서, 보호 창에 근접한 에어 나이프를 추가로 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  9. 제1항에 있어서, 각각, 제1 및 제2 미러에 근접한 적어도 제1 및 제2 열 센서를 추가로 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  10. 제1항에 있어서, 용접될 심을 검출하는 검출기를 추가로 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  11. 제1항에 있어서, 시준기로부터 근접 미러까지 연장하는 안전 인터로크 경로를 추가로 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  12. 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기;
    시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 빔을 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러;
    각각, 제1 및 제2 가동 미러에 근접하고, 열 상태를 검출하도록 구성되는, 적어도 제1 및 제2 열 센서; 및
    레이저 빔을 포커싱하도록 구성되는 포커스 렌즈
    를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  13. 제12항에 있어서, 시준기로부터 미러까지 연장하는 안전 인터로크 경로를 추가로 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  14. 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기를 포함하는 시준기 모듈;
    시준기 모듈에 커플링되는 와블러 모듈로서, 와블러 모듈은 시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 빔을 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러를 포함하는, 와블러 모듈; 및
    와블러 모듈에 커플링되는 코어 블록 모듈로서, 코어 블록 모듈은 레이저 빔을 포커싱하도록 구성되는 적어도 포커스 렌즈를 포함하는, 코어 블록 모듈
    을 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  15. 제14항에 있어서, 시준기 모듈에 커플링되는 빔 성형기 모듈을 추가로 포함하고, 빔 성형기 모듈은 시준된 빔을 수용 및 성형하도록 구성되는 회절 광학 소자를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  16. 제14항에 있어서, 와블러 모듈은 각각, 제1 및 제2 미러에 근접한 적어도 제1 및 제2 열 센서를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  17. 제14항에 있어서, 와블러 모듈은 갈바노미터 미러를 포함하는 제1 및 제2 갈보 모듈을 포함하고, 갈보 모듈은 갈보 제어기에 연결되도록 구성되는, 레이저 용접 헤드.
  18. 제14항에 있어서, 코어 블록 모듈에 커플링되는 카메라 모듈을 추가로 포함하고, 카메라 모듈은 용접될 심을 검출하는 적어도 카메라 또는 검출기를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  19. 제14항에 있어서, 코어 블록 모듈은 레이저 빔을 가동 미러로부터 포커스 렌즈로 반사하도록 구성되는 고정된 미러를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  20. 제14항에 있어서, 시준기 모듈은 출력 광섬유 커넥터 상의 결합 인터로크 커넥터에 연결되는 광섬유 인터로크 커넥터를 포함하고 그에 따라 출력 광섬유 커넥터가 시준기 모듈에 연결되지 않을 때에 안전 인터로크 상태가 제공되고, 시준기 모듈 및 와블러 모듈은 안전 인터로크 상태를 와블러 모듈 내의 센서에 따라 제공하도록 구성되는 광섬유 인터로크 연결부를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  21. 제20항에 있어서, 와블러 모듈은 각각, 제1 및 제2 미러에 근접한 적어도 제1 및 제2 열 센서를 포함하고, 안전 인터로크 상태는 열 센서에 따라 제공되는, 레이저 용접 헤드.
  22. 제20항에 있어서, 와블러 모듈은 갈바노미터 미러를 포함하는 제1 및 제2 갈보 모듈을 포함하고, 갈보 모듈은 갈보 제어기에 연결되도록 구성되고, 와블러 모듈은 갈보 제어기에 연결되도록 구성되는 광섬유 인터로크 커넥터를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  23. 제14항에 있어서, 와블러 모듈은 미러를 약 1-2˚의 스캔 각도에 의해 형성되는 단지 제한된 시야 내에서 움직이도록 구성되는, 레이저 용접 헤드.
  24. 출력 광섬유를 포함하는 광섬유 레이저;
    광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되는 용접 헤드로서,
    용접 헤드는,
    광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기,
    시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 빔을 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러, 및
    레이저 빔을 포커싱하도록 구성되는 포커스 렌즈를 포함하는, 용접 헤드; 및
    적어도 광섬유 레이저 그리고 미러의 위치를 제어하는 제어 시스템
    을 포함하는, 레이저 용접 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 광섬유 레이저는 이테르븀 광섬유 레이저를 포함하는, 레이저 용접 시스템.
  26. 제24항에 있어서, 광섬유 레이저는 다중 레이저 빔을 전달하는 다중 출력 광섬유를 포함하는, 레이저 용접 시스템.
  27. 제24항에 있어서, 제어 시스템은 미러 중 적어도 하나를 제어하여 와블 패턴을 제공하도록 구성되는, 레이저 용접 시스템.
  28. 제24항에 있어서, 용접될 심을 검출하는 검출기를 추가로 포함하고, 제어 시스템은 미러 중 적어도 하나를 제어하여 빔을 이동시키고 그에 따라 심을 탐색 및/또는 추종하도록 구성되는, 레이저 용접 시스템.
  29. 제24항에 있어서, 용접 헤드는 센서를 포함하고, 제어 시스템은 광섬유 레이저가 센서에 따라 차단되게 하도록 구성되는, 레이저 용접 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 센서는 각각의 가동 미러에 근접한 열 센서를 포함하는, 레이저 용접 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 시준기는 출력 광섬유의 출력 광섬유 커넥터에 커플링되는 광섬유 인터로크 커넥터를 포함하고 그에 따라 출력 광섬유 커넥터의 분리가 광섬유 레이저를 차단시키는 안전 인터로크 상태를 발생시키고, 제어 시스템은 안전 인터로크 상태를 열 센서에 의해 감지되는 미리 정해진 열 상태에 따라 촉발시키는, 레이저 용접 시스템.
  32. 제24항에 있어서, 제어 시스템은 광섬유 레이저를 제어하여 레이저 출력을 빔의 이동 및/또는 위치에 따라 조정하도록 구성되는, 레이저 용접 시스템.
  33. 제24항에 있어서, 레이저 용접 헤드는 빔을 성형하는, 시준기와 미러 사이의, 적어도 하나의 회절 광학 소자를 추가로 포함하는, 레이저 용접 시스템.
  34. 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기;
    시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 빔을 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러;
    레이저 빔을 포커싱하도록 구성되는 포커스 렌즈; 및
    용접을 돕는, 포커스 렌즈에 근접한, 가스 보조 부속품 및 에어 나이프 부속품 중 적어도 하나
    를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  35. 광섬유 레이저의 출력 광섬유에 커플링되도록 구성되는 시준기;
    시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수용하여 시준된 레이저 빔을 성형하도록 구성되는 적어도 하나의 회절 광학 소자;
    회절 광학 소자로부터 성형된 레이저 빔을 수용하여 성형된 빔을 제1 및 제2 축에서 이동시키도록 구성되는 적어도 제1 및 제2 가동 미러; 및
    레이저 빔을, 빔이 이동되는 동안에, 공작물에 대해 포커싱하도록 구성되는 포커스 렌즈
    를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  36. 제35항에 있어서, 가동 미러는 성형된 빔을 약 1-2˚의 스캔 각도에 의해 형성되는 단지 제한된 시야 내에서 이동시키도록 구성되는, 레이저 용접 헤드.
  37. 제35항에 있어서, 가동 미러는 성형된 빔을 30 x 30 mm 미만의 치수를 갖는 단지 제한된 시야 내에서 이동시키도록 구성되는, 레이저 용접 헤드.
  38. 제35항에 있어서, 가동 미러는 성형된 빔을 약 15 x 5 mm의 치수를 갖는 단지 제한된 시야 내에서 이동시키도록 구성되는, 레이저 용접 헤드.
  39. 제35항에 있어서, 가동 미러는 갈바노미터 미러인, 레이저 용접 헤드.
  40. 제35항에 있어서, 가동 미러들은 대략 동일한 크기인, 레이저 용접 헤드.
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