KR20180104726A - 열처리 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 하나의 방사 소스(5)에 의해 방출된 레이저 빔(6)을 사용하여 워크피스 표면(2)의 프로세싱 영역(1) 내에서 열처리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 적어도 하나의 방사 소스(5)와 워크피스 표면(2) 상의 프로세싱 영역(1) 사이의 레이저 빔(6)의 빔 경로에 적어도 하나의 요소(10, 11, 12)가 배치되어, 레이저 빔(6)의 강도가 프로세싱 영역(1) 내에서 국부적으로 설정된 방식으로 변경될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 적어도 하나의 레이저 빔(6)의 강도는 복수의 방사 소스(5)의 한정된 작동에 의해 프로세싱 영역(1) 내에서 국부적으로 설정된 방식으로 변경될 수 있어서, 워크피스 표면(2)에 부딪치는 레이저 빔(6)의 강도의 국부적으로 설정된 분포가 프로세싱 영역(1) 내에서 달성될 수 있다.
Description
본 발명은 적어도 하나의 방사 소스에 의해 방출된 레이저 빔을 사용하여 워크피스 표면의 프로세싱 영역 내에서 열처리를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
레이저 방사(Laser radiation)은 워크피스를 가공할 때, 예를 들어 용접, 절단 또는 코팅할 때 자주 사용된다. 여기에서, 레이저 방사(laser radiation)에 의해 도입된 에너지는 재료의 추후 변화를 발생시킨다. 그러나, 많은 방법들의 단점은 레이저 방사가 강도, 특히 국부적 강도 분포 면에서 외부로부터 불충분하게 조정될 뿐이고 불충분한 범위까지 조정된다는 것이다. 일반적으로, 이 경우 강도 분포는 초점에서 가우스 분포를 따른다.
따라서, 본 발명은 워크피스를 열처리하는 동안 레이저 방사의 강도에 한정된 국부적 영향이 있을 수 있는 장치 및 방법을 개발하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은 청구항 제1항에 따른 장치 및 청구항 제27항에 따른 방법에 의해 달성된다. 유리한 구성 및 전개가 종속항에 기술된다.
적어도 하나의 방사 소스에 의해 방출된 레이저 빔을 사용하여 워크피스 표면의 프로세싱 영역 내에서 열처리를 위한 장치는 레이저 빔의 빔 경로 내에 적어도 하나의 요소를 가지며, 상기 요소는 적어도 하나의 방사 소스와 워크피스 표면상의 프로세싱 영역 사이에 배치된다. 프로세싱 영역 내의 레이저 빔의 강도는 적어도 하나의 요소에 의해 프로세싱 영역 내에서 국부적으로 설정된 방식(locally defined manner)으로 변경 가능하다. 대안으로서 또는 추가적으로, 레이저 빔들 중 적어도 하나의 강도는 복수의 방사 소스들의 작동에 의해 프로세싱 영역 내에서 국부적으로 설정된 방식으로 변경 가능하다. 결과적으로, 워크피스 표면에 부딪히는 레이저 빔의 강도의 국부적으로 설정된 분포는 프로세싱 영역 내에서 달성될 수 있다.
워크피스 표면상의 강도의 획득된 국부적으로 설정된 분포는 또한 워크피스 표면의 온도 분포 또는 워크피스의 볼륨(volume)에 영향을 미치며, 따라서 원하는 표면 처리가 더 표적화된 방식(targeted manner)으로 제어 가능하다. 이 목적을 위해 변경되는 빔 경로 내의 하나 이상의 레이저 빔의 강도에 의해, 또는 이미 방사 소스의 작동에 의해 수행되는 워크피스 표면상에서 달성할 수 있는 강도의 적절한 조정에 의해, 장치 측면에서 효율적이고 적은 비용으로 수행될 수 있다. 결과적으로, 원칙적으로, 원하는 강도가 원하는 공간 분포에서 워크피스 표면에 영향을 줄 수 있도록 1개 또는 바람직하게는 2개 또는 2개 이상의 레이저 빔은 이들의 강도 면에서 외부 또는 외부로부터 영향을 받을 수 있다. 여기에서, 특히, 프로세싱 영역은 레이저 방사가 부딪히는 영역 및 바람직하게는 동시에 적어도 2개의 레이저 빔에 의해 처리되는 영역을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 여기에서, 강도의 분포는 프로세싱 영역 내에서 불균일하거나 균일할 수 있으며, 또는 대칭 또는 비대칭으로 설계될 수 있다.
원하는 처리 프로파일을 형성하기 위한 강도의 국부적으로 설정된 분포가 프로세싱 영역에서만 달성되도록, 복수의 방사 소스에 의해 방출된 레이저 빔이 개별 레이저 빔으로서 프로세싱 영역 상으로 향하도록 제공될 수 있다.
따라서, 전형적으로, 프로세싱 영역에서, 대응하는 개수의 방사 소스 또는 하나의 단일 방사 소스에 의해 방출된 적어도 하나의 단일 레이저 빔의 대응하는 부분에 의해 적어도 2개, 바람직하게는 적어도 3개, 특히 바람직하게는 적어도 6개의 초점을 얻을 수 있으며, 이들의 공간적 분포는 국부적으로 설정된 레이저 방사의 강도 분포를 반영한다.
바람직하게, 상기 프로세싱 영역 상에 가능한 균일한 방사 필드(radiation field)를 얻기 위해 복수의 방사 소스 및/또는 상기 레이저 빔은 링 형상으로 배열된다. 여기서, 링 형 배열은 방사 소스 및/또는 레이저 빔의 중심이 꼬임이 없이 폐쇄된 라인에 의해 연결되는 임의의 배열을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 결과적으로, 타원 배열, 특히 원형 배열이 존재할 수 있다.
특히 바람직하게, 복수의 방사 소스 및/또는 레이저 빔은 유연성을 추가로 증가시키기 위해 적어도 2개의 링에 배열된다. 링은 일반적으로 동심원으로 배열되고, 즉 공통 중심을 갖는다. 짝수 또는 홀수의 방사 소스 또는 레이저 빔이 각각의 링에 배치될 수 있다. 방사 소스 중 하나에 대한 후방 반사를 회피하도록 한 쌍의 상이한 각도 오프셋(angle offset)을 갖는 평균 전파축(mean propagation axis)에 대해 방사 소스가 불균일하게 배치 될 수 있다.
다수의 레이저 빔은 공통 광학 유닛, 즉 빔-가이드 및/또는 빔-형성 광학 소자를 통해 프로세싱 영역으로 향할 수 있다; 그러나, 적어도 하나의 레이저 빔은 또한 추가 레이저 빔으로부터 벗어나는 전용 광학 유닛을 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 방사 소스들 각각은 빔-가이드 및/또는 빔-형성 광학 소자를 구비하고, 상기 광학 소자들은 서로 독립적으로 조절되어, 각각의 레이저 빔은 다른 레이저 빔과 독립적인 방식으로 각각의 광학 소자에 의해 그 특성에 영향을 받을 수 있다.
전형적으로, 복수의 방사 소스는 각각 방출된 레이저 빔의 강도가 변경될 수 있는 방식으로 표적화된 작동에 의해 서로 동시에 및 독립적으로 작동 가능하다. 이는 개별 방사 소스를 작동시킴으로써 다양한 처리 옵션을 용이하게 한다. 복수의 방사 소스의 이러한 작동은 또한 시간 경과에 따라 변경될 수 있어서 시간 경과에 따라 프로세싱 영역 내에서 상이한 강도 분포가 얻어질 수 있다. 따라서, 전진 운동 방향의 전방에서 증가된 강도는, 예를 들어, 추후에, 전진 축의 방향 옆 또는 전진 운동 방향의 후방에서 증가된 강도가 얻어질 수 있는 방식으로 변경될 수 있다. 또한, 프로세싱 영역 내에서 강도가 상승된 영역의 원형 또는 타원형 운동을 실현하는 것도 가능하다.
워크피스 표면상의 강도 분포에 대한 부가적인 조정 옵션을 얻기 위해 레이저 빔들 중 적어도 하나는 추가 레이저 빔의 초점 거리에서 벗어나는 초점 거리로 프로세싱 영역 상으로 또는 안으로 향할 수 있다.
또한, 레이저 빔 중 하나의 초점 거리는 간단한 방식으로 초점 거리를 설정할 수 있도록 굴절 또는 회절 광학 소자를 사용하여 영향을 받을 수 있다. 예로서, 굴절 또는 회절 광학 소자는 마이크로구조가 광학 격자를 형성하는 렌즈 또는 유리 캐리어일 수 있다. 바람직하게, 각각의 레이저 빔의 초점 거리는 각각의 레이저 빔을 방출하는 방사 소스에 할당된 굴절 또는 회절 광학 소자에 의해 영향을 받을 수 있다.
대안으로서 또는 추가적으로, 레이저 빔 중 적어도 하나는 남아있는 레이저 빔의 전력와 다른 전력로 프로세싱 영역을 향할 수 있다. 결과적으로, 워크피스 표면의 강도 분포는 이미 레이저 방사 소스에서의 전력 설정에 의해 영향을 받을 수 있다.
특히 프로세싱 영역 내 초점이 중첩하는 경우, 국부적으로 설정된 강도 분포의 형성을 돕기 위해 적어도 하나의 레이저 빔이 나머지 레이저 빔의 빔 단면과 다른 빔 단면을 가질 수도 있다.
일반적으로, 이는 광축에 대해 90°에서 벗어난(다르게 표현하면 빔 경로에서 비스듬히 서 있는) 각도로 배치된 회절 또는 굴절 광학 소자 및/또는 레이저 빔 중 적어도 하나의 형상, 특히 빔 단면에 영향을 미치는 정지부에 의해 달성된다. 특히, 이러한 목적을 위해 회절 광학 소자(diffractive optical element, DOE)가 사용될 수 있으며, 상기 회절 광학 소자는 빔 경로 내의 광축에 대해 임의의 각도, 바람직하게는 90°의 각도로 배열된다.
적어도 하나의 회절 또는 굴절 광학 소자를 이동시키는 전기 기계식 작동 요소(electromechanical actuation element), 바람직하게는 모터 또는 액추에이터(actuator)가 제공될 수 있다. 바람직하게, 이러한 이동은 즉 회전, 기울기(inclination) 또는 경사(tilt) 같은 회전 운동이다. 그러나, 대안으로서 또는 추가적으로, 적어도 하나의 선형 운동은 전기 기계식 작동 요소에 의해 수행될 수 있어서, 적어도 하나의 회절 또는 굴절 광학 소자는 3개의 병진 운동 자유도 및 3개의 회전 자유도로 이동할 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 전기 기계 작동 소자는 회절 또는 굴절 광학 소자에 대해 방사 소스 자체를 이동시킬 수도 있다.
워크피스 표면에 부딪히는 레이저 빔의 강도 또는 타격 레이저 빔(striking laser beams)의 강도의 국부적으로 설정된 분포는 일반적으로 링-형상 강도 분포이다.
타격 레이저 빔의 강도는 바람직하게 방사 소스와 프로세싱 영역 사이의 개별 레이저 빔의 평균 전파 방향과 관련하여 레이저 빔의 링-형상 배열에 의해 달성된다.
레이저 빔이 여기서 방출되기 때문에 도광 섬유(light-guiding fiber)의 출력은 방사 소스인 것으로 이해되어야 한다.
적어도 하나의 방사 소스에 도광 섬유가 제공될 수 있다; 그러나, 일반적으로, 복수의 방사 소스에 각각 도광 섬유가 제공되며, 즉, 도광 섬유가 각 방사 소스에 할당되거나 또는 도광 섬유가 이 방사 소스에 배치되는 것이다. 바람직하게는, 도광 섬유 중 적어도 2개가 결합하여, 특히 바람직하게 도광 섬유가 서로 가깝게 위치하여 콜리메이션 광학 유닛(collimation optical unit)이 광섬유 다발(fiber bundle)에 사용될 수 있는 광섬유 다발을 형성한다. 단일 콜리메이션 광학 유닛에 의해 설계가 단순화되며, 예를 들어 모든 섬유의 공통 콜리메이션 광학 유닛으로 설계될 수 있다. 게다가, 도광 섬유의 사용은 방사(radiation)의 보다 유연한 가이드를 용이하게 한다. 최종적으로, 프로세싱 영역에 인가된 레이저 방사의 전력은 예를 들어 광섬유 다발 또는 방출된 추가 레이저 빔에 추가되고 콜리메이션 광학 유닛을 통해 가이드되는 추가 레이저 모듈과 같은 추가 방사 소스에 의해 간단하게 증가할 수 있다. 마찬가지로, 단지 하나의 방사 소스 또는 개별 방사 소스에만 도광 섬유를 제공하고, 도광 섬유 없이 추가 방사 소스를 작동시키는 것도 가능하다.
도광 섬유가 사용되는 경우, 특히 도광 섬유가 링 형상의 강도 분포가 예를 들어 도광 섬유의 출력의 링 형상 배열 또는 대응하는 영향력이 광학 소자에 의해 레이저 방사에 작용함에 따라 워크피스 표면상에 달성되는 방식으로 배열된다면, 방사 소스 그 자체는 임의의 방향을 가질 수 있다.
다수의 방사 소스는 각각의 방사 소스에 할당된 업스트림(upstream) 또는 병렬로 연결된, 조절 가능하거나 제어 가능한 전기 저항기(electric resistor)에 의해 서로 독립적으로 작동될 수 있거나, 방사 소스는 미리 결정된 전류 또는 전압으로 개별적으로 작동될 수 있다. 또한, 각각의 방사 소스는 제어 가능하거나 조절 가능한 전류 소스에 의해 개별적으로 동작할 수 있으며 개별적으로 작동 가능할 수 있다. 또한, 각각의 방사 소스에 할당된 전기 또는 전자 바이패스 회로에 의해 서로 독립적으로 복수의 방사 소스를 작동시키는 것이 가능하다.
이로써, 개별적으로 방출된 레이저 빔의 강도를 신속하고 표적화된 방식으로 설정하는 것이 가능하다. 복수의 방사원이 결합되어 이미터 그룹(emitter groups)을 형성하는 경우, 이들 이미터 그룹도 조정 가능한 전기 저항기 및 이로부터 발생하는 전류에 의해 조정될 수 있다.
일반적으로, 홀수 개의 방사 소스 및/또는 레이저 빔이 제공되며, 복수의 방사 소스 또는 레이저 빔이 사용되는데 그 이유는 방사 소스 중 하나에 직접 후방 반사되는 것 및 방사 소스에 대해 손상을 입히는 것을 피할 수 있기 때문이다. 대안으로서 또는 추가적으로, 방사 소스 및/또는 레이저 빔의 비대칭 배열이 제공될 수도 있다.
복수의 방사 소스가 사용될 수 있고, 상기 방사 소스 각각은 레이저 빔을 방출하거나 방출할 수 있다. 여기에서, 적어도 하나의 레이저 빔은 전형적으로 나머지 레이저 빔의 편광(polarization)과 다른 편광을 갖는다. 특히 바람직한 방식으로, 레이저 빔의 편광은 각각의 경우에 쌍 형식(pairwise manner)으로 상이하다.
대안으로서 또는 추가적으로, 서로 마주보는 방사 소스는 상호 손상의 위험을 감소시키고 상이한 유형의 처리를 용이하게 하기 위해 복수의 방사 소스가 사용될 때 상이한 파장을 갖는 레이저 빔을 방출할 수 있다.
방사 소스들 중 적어도 하나는 각각의 방사 소스에 의해 방출된 레이저 빔의 파장에 대해서만 투과성인 파장 필터(wavelength filter)를 가질 수 있다; 즉, 파장 필터는 특히 다른 파장들에 대해 반사성을 나타낸다. 파장 필터는 다른 방사 소스로부터의 표유 방사선(stray radiation)의 침입을 방지할 수 있다.
일반적으로, 방사 소스 중 적어도 하나는 산란된 방사 또는 후방 반사에 의한 손상을 방지하기 위해 광학 다이오드를 갖는다. 선형 편광된 방사(linearly polarized radiation)의 경우, 광학 다이오드는 일반적으로 편광 필터 및 원형 편광자(circular polarizer), 즉 λ/4 플레이트로 구성된다. 그러나, 편광 필터 대신 (또는 추가적으로), 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter), 예를 들어 편광 빔 스플리터 큐브(polarizing beam splitter cube)를 사용할 수도있다.
원형 편광된 방사(circularly polarized radiation)의 경우, 광학 다이오드는 바람직하게 편광 필터 및/또는 원형 편광된 방사를 그들의 선형 편광된 성분으로 스플리팅(splitting)하기 위한 편광 빔 스플리터 및/또는 편광된 개별 빔들을 통합하기 위한 패러데이 회전자 및 편광 필터 및/또는 선형 편광 빔 스플리터를 포함한다.
파장 필터 및/또는 광 다이오드는 방사 소스로의 후방 반사를 피하기 위해 파장 필터가 제공된 각각의 방사 소스의 전파 방향에 대해 경사지거나 기울어질 수 있다. 파장 필터 및 광학 다이오드의 대안 또는 추가로서, 방사 소스를 보호하기 위한 편광 필터가 사용될 수도 있다.
레이저 빔 또는 레이저 빔에 의해 조사되지 않은 자유 영역이 상기 프로세싱 영역 내에 존재하고 상기 자유 영역에 의해 섀도우-프리 공급(shadow-free supply)이 용이해지는 방식으로, 존재하는 프로세싱 영역 상에 또는 프로세싱 영역 내로 추가 재료를 공급하고 적어도 하나의 방출된 레이저 빔을 프로세싱 영역 상으로 또는 프로세싱 영역 내로 향하게 하는 장치가 제공될 수 있다. 바람직하게, 추가 재료는 자유 영역으로 직접 공급된다. 결과적으로, 강도와 추가 재료를 통해 조정 가능한 레이저 방사를 사용하여 워크피스를 동시에 처리할 수 있다.
바람직하게, 상기 복수의 방사 소스들 및/또는 상기 레이저 빔들은 추가 재료를 공급하기 위한 장치 주위에 링 형상으로 배치되어, 레이저 방사에 의해 추가 재료를 균일하게 충돌시킬 수 있다. 바람직하게, 방사 소스 및/또는 레이저 빔은 특히 바람직하게는 동심원인 적어도 두 개의 링 내에 배열된다. 이러한 동심원 링의 중앙점을 통해 가이드될 추가 재료가 제공될 수 있다.
복수의 방사 소스가 사용되는 경우, 이들은 방사 소스에 의해 방출된 레이저 빔이 단일 교차 영역 또는 교차점에서 교차하는 방식으로 배치될 수 있다. 다수의 방사 소스가 사용되는 경우, 바람직하게, 추가 재료는 예를 들어, 교차점 위 및 아래 영역에는 가열이 일어나지 않는 프로세싱 영역에 놓일 수 있는 교차 영역에서만 가열되도록 교차 영역을 통해 가이드된다.
레이저 빔의 링-형상 방사 필드를 형성하기 위해, 점-형상 빔(punctiform beam)을 링-형상 빔으로 변환시키는 적어도 하나의 액시콘(axicon) 또는 임의의 다른 광학 소자가 적어도 하나의 레이저 빔의 빔 경로에 배치될 수 있다. 여기에서, 광학 소자는 특수한 원뿔형 그라운드 렌즈(special conically ground lens) 또는 프리즘(prism), 원뿔 렌즈(conical lens) 또는 중공 원뿔(hollow cone)일 수 있거나, 원환체 표면(toric surfaces)을 구비할 수 있다.
또한, 광학 요소는 회절 요소; 굴절 요소; 또는 회절 요소와 굴절 요소;로 이루어진 하이브리드 구조로 구성될 수 있다. 빔 기하 구조(beam geometry)를 형성하고 강도 분포를 조정하기 위해, 기술된 광학 소자 또는 액시콘은 추가 액시콘, 콜리메이션 렌즈, 포커싱 렌즈 또는 다른 광학 소자와 결합할 수 있다. 바람직하게, 추가 재료를 공급하기 위한 장치는 레이저 빔에 의해 조사되지 않는 링-형상의 방사 필드의 자유 영역에 배치된다.
레이저 빔의 강도에 국부적으로 영향을 미치는 요소는 편광자, 각각 다른 편광축을 갖는 편광자 쌍, 컬러 필터, 정지부(stop), 방열 트랩(radiation trap) 또는 셔터(shutter) 일 수 있다. 당연히, 전술한 구성 요소의 조합은 또한 하나 이상의 레이저 빔의 빔 경로 내에 배치될 수 있다.
방사 소스는 일반적으로 다이오드 레이저(diode laser), 광섬유 레이저(fiber laser), 고체 레이저(solid-state laser), 엑시머 레이저(excimer laser), CO2-기반 레이저 또는 기타 가스-기반 레이저 타입이다. 복수의 방사 소스가 사용되는 경우, 서로 다른 레이저 타입을 서로 조합하여 사용할 수도 있다. 적어도 하나의 방사 소스는 바람직하게는 연속파 동작(continuous wave operation), 준-연속파 동작(quasi continuous wave operation) 또는 펄스 동작(pulsed operation)으로 동작할 수 있다. 바람직하게, 이러한 레이저 타입이 원하는 전력에서 콤팩트한 구조를 갖기 때문에 방사 소스는 다이오드 레이저로 구현되며, 특히 바람직하게 방사 소스는 다이오드 레이저 스택(diode laser stack), 다이오드 레이저 바(diode laser bar) 또는 단일 이미터 레이저(single emitter laser)로서 존재한다.
바람직하게, 방사 소스는 워크피스 표면상에 가능한 한 높은 강도를 얻기 위해 워크피스 표면상에 직접적인 섬유 결합 없이 방사하는 다이오드 레이저 방사 소스이다.
직접 방사 다이오드 레이저 방사 소스(directly radiating diode laser radiation)는 광축을 따라 자유 공간이 생기도록 복수의 개별 방사 소스가 광축을 중심으로 링-형상으로 배치되는 방식으로 구성될 수 있다. 이러한 자유 공간은 추가 재료 또는 가스를 공급하는데 사용될 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 처리 과정을 관찰하기 위한 장치는 프로세싱 영역에서 표면을 처리하는 동안 자유 공간에 배치될 수 있다.
레이저 빔 또는 특히 전술한 레이저 방사 소스에서, 포커싱 렌즈 또는 적어도 하나의 거울에 의해 프로세싱 영역 상으로 포커싱되는 레이저 빔이 제공될 수 있다. 이를 위해, 거울은 부분적으로 투과성일 수 있다. 또한, 원하는 강도 분포를 얻기 위해 부분적으로 투과성인 복수의 거울이 연속으로 배열될 수 있다.
각각의 방사 소스들 및/또는 방사 빔들은 일반적으로 광축을 중심으로 적어도 2개의 섹터(sectors)에 배치되며, 배열의 구조는 규칙적인 또는 불규칙한 각도 비율(angle ratio)로 반복될 수 있다.
또한, 상기 섹터는 느린 다이오드 레이저 전파 방향("느린 축(slow axis)"이라고도 함)이 적어도 2개의 섹터 사이에서, 바람직하게는 모든 섹터 사이에서 상이한 방식으로 배열될 수 있다. 특히 바람직하게, 다이오드 레이저 방사 소스는 레이저 막대("레이저 스택(laser stack)"이라고도 함)의 형태로 존재한다.
일반적으로, 레이저 막대를 형성하는 개별 다이오드 레이저 방사 소스의 느린 다이오드 레이저 전파 방향은 전체 레이저 막대의 느린 다이오드 레이저 전파 방향에 평행하게 연장되는 방식으로 정렬된다. 레이저 막대 자체는 10개 이하의 개별 다이오드 레이저 방사 소스를 가져야한다.
또한, 여러 섹터의 개별 방사 소스에 의해 방출된 레이저 빔은 파장 다중화(wavelength multiplexing), 편광 다중화(polarization multiplexing) 또는 빔 중첩(beam superposition)(공간 다중화(spatial multiplexing))에 의해 중첩될 수 있다.
바람직하게, 방사 소스 또는 방사 소스 및/또는 적어도 하나의 요소는 하우징 내에 배치된다. 하우징은 금속으로 형성될 수 있다; 그러나 플라스틱 하우징을 사용할 수도 있다. 일반적으로, 레이저 빔을 방출하거나 레이저 빔에 영향을 미치기 위해 요구되는 모든 구성 요소는 하우징 내에 배치되거나, 레이저 빔이 하우징 내에 배치된다.
워크피스 표면의 프로세싱 영역 내에서 열처리를 위한 본 발명에 따른 방법에서, 적어도 하나의 방사 소스에 의해 방출된 레이저 빔이 적어도 하나의 방사 소스와 워크피스 표면상의 프로세싱 영역 사이에 배치된 요소에 의해 프로세싱 영역 내에서 국부적으로 설정된 방식으로 이의 강도에 관점에서 변경된다.
대안으로서 또는 추가적으로, 복수의 방사 소스는 레이저 빔 중 적어도 하나의 강도가 프로세싱 영역 내에서 국부적으로 설정된 방식으로 변경 가능하도록 한정된 방식으로 작동되어, 워크피스 표면에 부딪히는 레이저 빔의 강도의 국부적으로 설정된 분포가 프로세싱 영역 내에서 달성된다.
복수의 방사 소스에 의해 방출된 레이저 빔이 개별 레이저 빔으로서 프로세싱 영역 상으로 또는 프로세싱 영역 내로 향하게 되고, 레이저 빔 중 적어도 하나가 다른 레이저 빔의 초점 거리로부터 벗어나는 초점 거리를 갖도록 제공될 수 있으며, 상기 초점 거리는 상기 레이저 빔의 빔 경로 내에 배치되고 빔 경로를 따라 변위 가능한 굴절 또는 회절 광학 소자에 의해 설정된다. 변위 가능성의 결과로서, 프로세싱 영역에서의 초점 거리 및 그에 따른 전력 밀도(power density)의 조정은 간단하고 신속한 방식으로 달성될 수 있다.
대안으로서 또는 추가적으로, 레이저 빔 중 적어도 하나는 광축에 대하여 90°에서 벗어난 각도로 배열된 회절 또는 굴절 광학 소자 및/또는 정지부(stop)에 의해 나머지 레이저 빔의 형상과 다른 형상을 갖는 빔 단면으로 구현될 수 있다. 여기서, 회절 또는 굴절 광학 요소는 결과적으로 레이저 빔의 빔 단면 형상을 변경하기 위해 광축에 수직인 회전축을 중심으로 회전할 수 있다.
유리하게, 방사 소스에 의해 방출된 레이저 빔 중 적어도 하나는 프로세싱 영역 내에서 서로 다른 강도를 달성할 수 있도록 그 전력 측면에서 변화할 수 있다. 바람직하게, 복수의 레이저 빔은 그 각각의 전력에 따라 변화하거나 연속적으로 또는 동시에 비활성화된다.
프로세싱 영역의 온도는 바람직하게는 광학 적외선 센서(optical infrared sensor), 고온 센서(pyrometric sensor) 및/또는 서모그래픽 센서(thermographic)를 포함하는 온도 측정 시스템에 의해 모니터링될 수 있고 및/또는 이미징 서모그래픽 시스템으로 구현된다. 일반적으로, 레이저 빔 또는 레이저 빔들의 강도는 온도 측정 시스템에서 측정된 값에 기초하여 제어 유닛에 의해 조절된다. 그 결과, 원하는 온도 프로파일이 프로세싱 영역에서 항상 달성된다.
기술된 방법은 이미 전술한 장치에 의해 수행될 수 있다; 따라서, 상기 장치는 상기 방법을 수행하도록 구성된다.
기술된 방법 및 기술된 장치는 첨가제 제조, 절단, 용접, 납땜, 경화, 표면 구조화, 재료 특성의 변경 및/또는 코팅에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예가 도면에 도시되어 있으며, 이하도 도 1 내지 29에 기초하여 설명될 것이다.
도 1은 열처리 장치의 측면 개략도이다.
도 2는 서로 독립적으로 작동 가능한 복수의 방사 소스를 갖는 도 1에 대응하는 도면이다.
도 3은 빔 경로에서 초점 거리를 설정하기 위한 요소를 갖는 도 2에 대응하는 도면이다.
도 4는 다른 형상의 빔 단면을 갖는 2개의 레이저 빔을 도시한다.
도 5는 빔 단면에 영향을 주는 광학 요소를 갖는 도 3에 대응하는 도면이다.
도 6은 추가 재료를 공급하기 위한 추가 장치를 구비한 장치의 도 1에 대응하는 도면이다.
도 7은 레이저 방사 소스 및 방출된 레이저 빔의 측면도이다.
도 8은 링-형상으로 배치된 방사 소스에 의해 방출된 복수의 레이저 빔의 도 4에 대응하는 도면이다.
도 9는 개별 마스킹된 레이저 빔(masked laser beams)을 갖는 도 8에 대응하는 도면이다.
도 10은 초점면(focal plane)에서 중첩된 레이저 빔의 도 9에 대응하는 도면을 도시한다.
도 11은 링-형상으로 배치된 레이저 방사 소스의 개략적인 구조를 도시한다.
도 12는 2개의 액시콘을 갖는 도 7에 대응하는 도면이다.
도 13은 2개의 정지부를 갖는 레이저 빔의 도 8에 대응하는 도면이다.
도 14는 도 13에 도시된 배열에 의해 얻어진 방사 필드의 도 9에 대응하는 도면이다.
도 15는 초점면에서 도 14에 도시된 레이저 빔의 도 10에 대응하는 도면이다.
도 16은 복수의 광섬유를 갖는 도 7에 대응하는 도면이다.
도 17은 링-형상으로 연장되는 레이저 빔의 도 8에 대응하는 도면이다.
도 18은 부분적으로 중첩하는 레이저 빔을 갖는 도 17에 대응하는 도면이다.
도 19는 부분적으로 마스킹된 레이저 빔을 갖는 도 18에 대응하는 도면이다.
도 20은 초점면에서 중첩된 레이저 빔의 도 10에 대응하는 도면을 도시한다.
도 21은 하우징 및 온도 측정 시스템을 구비한 장치의 도 1에 대응하는 개략적인 측면도이다.
도 22는 각각의 방사 소스가 방출된 방사의 빔 경로 내에 단일 렌즈를 갖는 도 1에 대응하는 개략적인 측면도이다.
도 23은 레이저 헤드(laser head)를 구비한 산업용 로봇의 개략도이다.
도 24는 일반적인 콜리메이션 광학 유닛을 갖는 광섬유 다발의 개략도를 도시한다.
도 25는 다른 파장을 갖는 방사 소스의 개략도를 도시한다.
도 26은 다른 편광을 갖는 레이저 방사를 방출하는 방사 소스의 개략도를 도시한다.
도 27은 불균일한 분포를 갖는 방사 소스 및/또는 레이저 빔의 배열의 평면도를 도시한다.
도 28은 복수의 비-동심원으로 배열된 방사 소스 또는 레이저 빔의 도 27에 대응하는 도면이다
도 29는 다른 직경을 갖는 원에 각각 배치된 방사 소스 또는 레이저 빔의 도 27에 대응하는 도면이다.
도 2는 서로 독립적으로 작동 가능한 복수의 방사 소스를 갖는 도 1에 대응하는 도면이다.
도 3은 빔 경로에서 초점 거리를 설정하기 위한 요소를 갖는 도 2에 대응하는 도면이다.
도 4는 다른 형상의 빔 단면을 갖는 2개의 레이저 빔을 도시한다.
도 5는 빔 단면에 영향을 주는 광학 요소를 갖는 도 3에 대응하는 도면이다.
도 6은 추가 재료를 공급하기 위한 추가 장치를 구비한 장치의 도 1에 대응하는 도면이다.
도 7은 레이저 방사 소스 및 방출된 레이저 빔의 측면도이다.
도 8은 링-형상으로 배치된 방사 소스에 의해 방출된 복수의 레이저 빔의 도 4에 대응하는 도면이다.
도 9는 개별 마스킹된 레이저 빔(masked laser beams)을 갖는 도 8에 대응하는 도면이다.
도 10은 초점면(focal plane)에서 중첩된 레이저 빔의 도 9에 대응하는 도면을 도시한다.
도 11은 링-형상으로 배치된 레이저 방사 소스의 개략적인 구조를 도시한다.
도 12는 2개의 액시콘을 갖는 도 7에 대응하는 도면이다.
도 13은 2개의 정지부를 갖는 레이저 빔의 도 8에 대응하는 도면이다.
도 14는 도 13에 도시된 배열에 의해 얻어진 방사 필드의 도 9에 대응하는 도면이다.
도 15는 초점면에서 도 14에 도시된 레이저 빔의 도 10에 대응하는 도면이다.
도 16은 복수의 광섬유를 갖는 도 7에 대응하는 도면이다.
도 17은 링-형상으로 연장되는 레이저 빔의 도 8에 대응하는 도면이다.
도 18은 부분적으로 중첩하는 레이저 빔을 갖는 도 17에 대응하는 도면이다.
도 19는 부분적으로 마스킹된 레이저 빔을 갖는 도 18에 대응하는 도면이다.
도 20은 초점면에서 중첩된 레이저 빔의 도 10에 대응하는 도면을 도시한다.
도 21은 하우징 및 온도 측정 시스템을 구비한 장치의 도 1에 대응하는 개략적인 측면도이다.
도 22는 각각의 방사 소스가 방출된 방사의 빔 경로 내에 단일 렌즈를 갖는 도 1에 대응하는 개략적인 측면도이다.
도 23은 레이저 헤드(laser head)를 구비한 산업용 로봇의 개략도이다.
도 24는 일반적인 콜리메이션 광학 유닛을 갖는 광섬유 다발의 개략도를 도시한다.
도 25는 다른 파장을 갖는 방사 소스의 개략도를 도시한다.
도 26은 다른 편광을 갖는 레이저 방사를 방출하는 방사 소스의 개략도를 도시한다.
도 27은 불균일한 분포를 갖는 방사 소스 및/또는 레이저 빔의 배열의 평면도를 도시한다.
도 28은 복수의 비-동심원으로 배열된 방사 소스 또는 레이저 빔의 도 27에 대응하는 도면이다
도 29는 다른 직경을 갖는 원에 각각 배치된 방사 소스 또는 레이저 빔의 도 27에 대응하는 도면이다.
도 1은 워크피스 표면(2) 상에 있는 프로세싱 영역(1) 상에 레이저 빔(6)을 방출하는 방사 소스(5)를 개략적인 측면도로 도시하였다. 도시된 실시예에서, 레이저 빔(6)은 방사 소스(5)를 떠날 때 이미 워크피스 표면(2) 상에 포커싱되며; 즉, 방사 소스(5) 외부의 빔 경로에 배치된 임의의 추가의 광학 소자를 필요로하지 않는다. 레이저 빔(6)의 강도를 설정하기 위해, 그 필터 효과 측면에서 조절 가능한 광학 필터(12)가 강도 감소 요소로서 상기 레이저 빔의 빔 경로 내에 위치한다. 그러나, 다른 실시예에 따르면, 편광자(polarizer), 각각의 경우에 상이한 편광축을 갖는 편광자 쌍(polarizer pair), 정지부(stop), 일반적으로 레이저 빔(6)을 부분적으로 차폐하는 빔 트랩(beam trap), 또는 바람직하게 회전 셔터가 광학 필터(12)를 대신하여 또는 광학 필터(12)에 추가로 배치될 수 있다. 도시된 장치는 레이저 방사에 의해 재료 특성을 분리, 용접 또는 변경시키는데 사용될 수 있다.
도 1에 대응하는 측면도에서, 도 2는 두 개의 방사 소스(5)가 사용되는 구조를 도시하며, 상기 방사 소스는 각각 개별 레이저 빔(6)을 방출한다. 그러나, 반복되는 특징은 본 도면과 그 다음 도면에서 동일한 참조 기호로 제공된다. 레이저 빔(6)은 개별 레이저 빔(6)으로서 상이한 각도하에 프로세싱 영역(1)의 워크피스 표면(2)에 부딪친다. 그러나, 둘 다, 각각의 경우 초점이 워크피스 표면(2)에 놓이는 방식으로 정렬된다. 즉, 2개의 레이저 빔(6)은 초점에서만 서로 만나거나 중첩된다. 2개의 방사 소스(5)는 각각 별도의 방식으로 작동 가능하며, 각각의 경우 제어 유닛(14)에 의해 서로 독립적으로 작동될 수 있다. 그러나, 단일 제어 유닛(14)만이 방사 소스(5)를 개별 작동시키기 위해 사용될 수 있다. 도시한 실시예에서, 방사 소스(5)의 개별 작동은 방사 소스(5)에 대해 상이한 크기의 전류 또는 전압을 허용하고 제어 유닛(14)에 의해 유사하게 구동 또는 조절되는 변경 가능한 전기 저항기에 의해 수행된다. 또한, 공급된 전류 또는 전압에 대응하는 각각의 레이저 빔(6)의 출력 전력(output power)에도 변화가 있다. 대응적으로 유사한 온도 분포를 수반하고 결과적으로 각각의 원하는 재료 처리의 요구 조건으로 설정될 수 있는 국부적으로 설정된 강도 분포는 워크피스 표면(2) 상의 레이저 빔(6)의 중첩을 통해 프로세싱 영역(1)에서 달성될 수 있다. 이를 통해 전진축(advance axis) 방향과 관련하여 유리한 온도 분포를 얻을 수 있다.
복수의 방사 소스(5)가 사용되고 개별적으로 작동되는 경우, 각 경우에 방사 소스(5) 중 하나는 가능한 최대의 전력으로 레이저 빔(6)을 방출할 수 있거나 특정 시간 동안 레이저 빔을 방출할 수 없다. 이는 전류 바이패스, 해당 저항 설정 또는 제어된 전류 소스에 의해 달성될 수 있다.
도 2에 대응하는 도면에서, 도 3은 초점 거리를 설정하기 위한 요소(13)가 적어도 방사 소스(5) 중 하나의 빔 경로에 배치되는 복수의 방사 소스(5)의 조합을 다시 도시하였다. 도시된 실시예에서, 상기 요소(13)는 양면 볼록 렌즈(biconvex lens)이다. 그러나, 임의의 다른 회절 또는 굴절 광학 요소가 사용될 수 있다. 또한, 이때 레이저 빔(6) 중 하나는 더 이상 워크피스 표면(2) 상에 포커싱되지 않는다; 대신에, 초점면이 워크피스 볼륨(workpiece volume)에 배치된다. 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 레이저 빔(6)의 초점면은 또한 워크피스 표면(2) 위에 또는 워크피스 아래에 배치 될 수 있다.
도 4는 워크피스 표면(2) 상의 평면도, 예를 들어, 도 3에 도시된 단면 A에서의 2개의 레이저 빔(6)의 빔 단면을 도시한다. 2개의 레이저 빔(6)은 워크피스 표면(2)상에 포커싱되고 프로세싱 영역(1)에서만 서로 중첩된다. 레이저 빔(6)의 빔 단면의 하나의 형상은 프로세싱 영역(1) 내 공작물 표면(2) 상의 강도 분포를 얻기 위해 상이하며, 이 경우 상기 강도 분포는 공간적으로 연장된다. 빔 단면 중 하나는 원형이지만 다른 하나는 타원형이다. 그러나, 다른 기하학적 형상이 다른 실시예에서 사용될 수도 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 레이저 빔(6) 중 적어도 하나의 빔 단면의 형상은 광학 소자(13)에 의해 영향을 받을 수 있으며, 상기 광학 소자는 방사 소스(5)의 광축에 대해 90°가 아닌 다른 각도를 갖는 각도(α)로 빔 경로 내에 배치된다. 이를 위해, 광학 소자(13)는 빔 단면을 상이하게 설정할 수 있도록 광축에 대해 수직으로 정렬된 회전축을 중심으로 빔 경로 내에서 회전 가능하다. 광학 소자(13)의 회전, 경사 또는 기울임은, 예를 들어, 제어 유닛(14); 및 모터 또는 액추에이터, 바람직하게는 피에조 액추에이터(piezo-actuator)와 같은 전기 기계 작동 요소;에 의해 야기될 수 있다.
도 6에 도시된 실시예는 레이저 빔(6)이 워크피스 표면(2)에 직각으로 충돌하지 않는 열처리 장치를 나타낸다; 그러나, 레이저 빔(6)의 빔 경로 사이에는 프로세싱 영역(1) 내에 또는 상에 추가 재료(3)를 공급하기 위한 장치(4)가 마련된다. 추가 재료(3) 및 레이저 빔(6)은 프로세싱 영역(1)에서만 일치하고, 추가 영역(3)과 레이저 빔(6)은 분리된 방식으로 가이드된다. 일반적으로, 방사 소스(5)는 추가 재료(3)를 공급하기 위한 장치(4) 주위에 링 형상으로 배열된다. 그러나, 추가 재료(3)를 공급하기 위한 장치(4)가 동심 링(concentric ring)의 중심에 놓이는, 복수의 동심 링 내의 방사 소스(5)의 배열도 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 추가 재료(3)를 공급하기 위한 장치(4) 없이 링형 배열을 사용할 수도 있다.
도시된 실시예에서, 방사 소스(5)는 모두 최대 200W의 조정 가능한 레이저 출력을 가지며; 그러나, 또 다른 실시예에서, 설정된 레이저 출력 전력을 갖는, 즉 조정 옵션 없이, 상이한 최대 레이저 출력 전력 또는 방사 소스(5)를 사용할 수도 있다. 마찬가지로, 사용된 방사 소스들(5) 중 적어도 하나가 다른 방사 소스들(5)의 레이저 출력과 다른 레이저 출력을 가질 수 있다. 다른 방사 소스(5)는 다른 파장의 레이저 빔(6)을 방출할 수 있다; 즉, 방사 소스들(5) 중 적어도 하나는 다른 방사 소스들(5)의 파장과 다른 파장을 방출한다. 또한, 각각의 방사 소스(5)는 다이오드 레이저, 고체 상태 레이저, 엑시머 레이저, 가스 레이저, 섬유 레이저 또는 다른 레이저 타입과 같은 상이한 타입의 레이저 일 수 있다.
도시된 실시예에서, 추가 재료(3)는 워크피스 표면(2) 또는 프로세싱 영역(1) 상에 수직 방식으로 적용되는 반면, 레이저 빔(6)은 90°와 다른 각도로 프로세싱 영역(1)에 충돌한다. 일반적으로, 추가 재료(3)는 이 경우 분말 형태로 존재하며; 그러나 액체 또는 와이어 또는 밴드를 갖는 서스펜션(suspensions)을 사용할 수도 있다.
도 7은 서로 나란히 배치된 방사 소스(5) 및 방출된 레이저 빔(6)의 측면도를 도시한다. 방사 소스(5)로부터 나오는 적어도 하나의 레이저 빔(6)은 교대로 개폐되는 셔터(12)를 통해 가이드된다. 다른 실시예에서, 정지부 또는 빔 트랩이 셔터(12) 대신에 사용될 수도 있다.
도 8은 도 7의 단면 A에 따른 단면도를 도시한다. 레이저 빔(6)은 부분적으로 서로 겹쳐지고 링-형상 배열을 갖는다. 다른 실시예에서, 추가 재료(3)는 또한 레이저 빔(6) 내에 중심에 위치한 레이저 방사에 의해 접촉되지 않는 영역(7)에 공급될 수도 있다. 레이저 빔(6)의 개수 및 방사 소스(5)의 개수는 짝수 또는 홀수일 수 있고, 홀수인 경우 후방 반사가 발생할 확률이 적기 때문에 각각의 방사 소스(5)의 손상을 동반할 수 있다.
도 7의 단면 B를 따른, 도 8에 대응하는 단면이 도 9에 도시되어있다. 여기서, 일부 레이저 빔(6)은 셔터 또는 셔터(12)에 의해 마스킹된다. 도 10의 도시된 바와 같이, 도 7의 단면 C, 즉 초점면에 모든 레이저 빔(6)의 중첩만이 존재한다. 각각의의 레이저 빔(6)이 마스킹 됨으로써, 국부적으로 설정된 레이저 방사의 강도 분포가 초점면 및 프로세싱 영역(1)에서 달성된다. 또 다른 실시예에서, 레이저 방사의 균일한, 대칭 및/또는 비대칭 강도 분포를 얻을 수도 있다.
도 11은 추가 재료(3)를 공급하기 위한 장치(4)가 배치되는 원형 또는 링-형 방식으로 배열된 방사 소스(5)를 평면도로 도시하였다. 도시된 실시예에서, 방사 소스(5)는 다이오드 레이저이다. 그러나, 방사 소스(5)들은 고체 레이저 또는 다른 타입의 레이저 일 수도 있다.
일부 방사 소스(5)만이 다이오드 레이저로 구현될 수 있는 반면, 나머지 방사 소스(5)는 다른 타입의 레이저, 예를 들어 고체 상태 레이저이다. 원칙적으로, 상이한 타입의 레이저를 임의로 조합할 수 있다.
도 11에 도시되고 방사 소스(5)로서 작용하는 다이오드 레이저는 광섬유 커플링 없이 워크피스 표면(2) 상으로 직접 방사된다. 추가 재료(3)를 공급하기 위한 장치(4) 대신에, 또는 추가적으로, 수행된 프로세스를 관측하기 위한 카메라 또는 다른 이미징 장치가 방사 소스들(5) 사이의 중앙에 배치될 수 있다.
도 11에 도시된 실시예에서, 방사 소스(5)는 섹터(sectors)에서 링-형상으로 배열되고, 상기 섹터들 중 제1 섹터의 느린축, 즉 느린 다이오드 레이저 전파 방향은 섹터들 중 제2 섹터의 느린축의 방향과 상이하다.
또한, 다양한 섹터에서 각각의 방사 소스에 의해 방출된 레이저 빔은 파장 멀티플렉싱(wavelength multiplexing), 편광 멀티플렉싱(polarization multiplexing) 또는 빔 중첩에 의해 서로 중첩될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 방사 소스(5)는 또한 레이저 막대(laser rods)로서 존재할 수 있다.
도 12는 레이저 방사의 빔 경로의 또 다른 실시예의, 도 7에 대응하는, 측면도를 도시한다. 방사 소스(5)는 제1 액시콘(8)에 충돌하며 내부 영역에 방사가 없는 영역(radiation-free region, 7)을 갖는 링-형상 레이저 빔(6.2)으로 변환되는 단일 레이저 빔(6.1)을 방출한다. 레이저 빔(6.2)은 그 하류에 배열된 제2 액시 콘(8) 및 정지부(9)에 의해 섹션을 가로지르는 빔의 형상 및 면적에 따라 변경된다. 여기에서, 정지부(9)는 또한 회전 가능한 구성을 가질 수 있다. 도 13에 도시된 도 12의 단면 A에 따른 단면과 마찬가지로, 빔 경로에서 레이저 방사의 공간 분포는 추가 정지부(10, 11)에 의해 더 영향을 받을 수 있다.
정지부(10, 11)에 의해 링-형상의 레이저 빔(6)을 형성하고 그 개별 영역을 마스킹할 수도 있다. 그 다음, 도 14에 도시된 바와 같이, 부가 재료(3)는 링-형상 레이저 빔(6.2)에서 중심으로 가이드될 수 있다.
도 15는 액시콘(8)의 영향을 받은 레이저 빔(6.2)이 초점면에서만 병합되고 다시 확대된다는 것을 보여준다.
도 16은 레이저 방사가 복수의 광섬유(15)를 통해 가이드되는 또 다른 실시예를 도시한다. 광섬유(15)는 링-형상 배열을 가지며, 레이저 방사가 도달하지 않는 영역(7)은 광섬유 사이의 중심에 위치한다.
도 16의 단면 A에 따른 단면도는 도 17에서 도시되어 있다. 여기서, 레이저 빔(6)은 중첩되지 않는다. 도 18은 초점면에 더 접근하는 경우 레이저 빔(6)이 어떻게 서로 중첩되는지를 도시한다. 도 18에 도시된 빔 단면의 패턴은 도 16의 단면 B에서 얻어진다.
다른 실시예 및 도 16에 도시된 실시예에서, 각각의 광섬유는 정지부 또는 다른 빔-블로킹 요소 또는 빔-소멸 요소에 의해 완전히 차단될 수 있어서, 도 19에 도시된 빔 단면의 패턴이 발생한다. 도 20은 레이저 빔(6)이 도 16의 단면 C에 대응하는 초점면에서만 서로 완전 중첩된다는 것을 다시 한번 보여준다.
도 21은 제어 유닛(14) 및 온도 측정 시스템(16)과 함께 2개의 레이저 방사 소스(5)가 프로세싱 영역(1) 위의 하우징(17)에 배열되는, 본 발명의 실시예를 개략적인 측면도로 도시하였다. 하우징(17)은 레이저 빔(6)이 프로세싱 영역(1)에 부딪치는 어퍼쳐(aperture)를 갖는다. 온도 측정 시스템(16)은 온도 분포에 대하여 프로세싱 영역(1)을 모니터링 한다. 이를 위해, 온도 측정 시스템(16)은 그 측정 된 값을 케이블(22)을 통해 제어 유닛(14)으로 전송하는, 2차원적으로 측정하는 적외선 센서로 구현된다.
방사 소스(5)는 추가 케이블(22)을 통해 컴퓨팅 유닛(computing unit, 14)에 의해 강도에 따라 제어되거나 조절되며, 따라서 요구된 온도 프로파일은 항상 프로세싱 영역에 존재한다. 또 다른 실시예에서, 방사 소스(5)를 작동시키기 위해 또는 레이저 빔(6)의 광학 특성에 영향을 미치기 위해 요구되는 추가 구성 요소 또는 어셈블리가 하우징(17)에 배치될 수 있다. 또한, 제어 유닛(14)은 프로세싱 영역(1)에서 레이저 빔(6)의 강도에 영향을 주기 위하여, 레이저 빔(6)의 빔 경로 내에 배치된 각각의 광학 요소(10, 11, 12) 또는 렌즈(13)를 작동시킨다.
도 22는 볼록 렌즈 형태의 요소(13)가 각각의 레이저 빔(6)의 빔 경로 내에 배치되는 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 광섬유(18)는 각각의 방사 소스(5)의 하류에 배치되며, 방사된 레이저 방사는 상기 광섬유를 통해 광학 소자(13)에 도달하여 프로세싱 영역(1) 상에 포커싱된다.
여기서, 각각의 광학 소자(13)는 개별적으로 조정 가능하고, 즉, 특히 다른 광학 요소와 독립적으로 조절 가능하다; 예를 들어, 이들은 3개의 병진 축(translation axes)을 따라 변위 가능하고 및/또는 3개의 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 비록 도 22가 하나의 광학 소자(13)만을 도시하고 있다고 하더라도, 상기 광학 요소(13)는 복수의 구성 요소, 예를 들어 레이저 스폿(laser spot)을 처리하고 성형하기 위한 적어도 하나의 콜리메이터(collimator) 및 적어도 하나의 포커싱 렌즈의 조합을 가질 수 있어서, 선 또는 타원, 특히 원과 같은 레이저 스폿의 임의의 형상을 조정할 수 있다. 따라서 최소의 수차(aberration)로 최대의 유연성을 얻을 수 있다. 마찬가지로, 각각의 방사 소스(5)의 광학 소자(13)는 동일한 구조를 가질 수 있거나 적어도 한 번 쌍의 형태로 상이할 수 있다. 도 24에 도시된 바와 같이, 광섬유(18) 중 적어도 2개는 또한 콜리메이션 광학 유닛(collimation optical unit)으로서 공통 콜리메이션 렌즈(common collimation lens, 13)를 갖는 광섬유 다발을 형성하기 위해 광 가이드 수송 섬유(light-guiding transportation fibers)로서 결합될 수 있다. 이를 위해, 광섬유는 일반적으로 서로 직접적으로 놓여 있다; 즉, 광섬유는 직접적으로 접촉한다. 대안적으로, 광섬유(18) 사이에 거리가 형성되며, 상기 거리는 광섬유(18) 중 하나의 광섬유의 최대 직경에 대응한다. 여기서, 6개의 추가 광섬유(18)가 중앙 광섬유(18) 주위로 그룹화되는 방식으로, 광섬유의 배열이 설계될 수 있다. 대안적으로, 중심 광섬유(18)의 공간은 또한 자유롭게 남아있을 수 있다.
섬유 다발을 사용함으로써, 프로세싱 영역(1)에 인가된 레이저 전력이 쉽게 조정될 수 있다. 예를 들어, 6개의 레이저 모듈이 방사 소스(5)로서 제공되고, 방출된 레이저 방사가 섬유 다발을 통해 가이드되는 경우, 6개의 추가 레이저 모듈 및 추가 섬유 다발을 설치함으로써 전력을 조정할 수 있다.
산업용 로봇(22), 즉 반송 아암(carrying arm)이 6개의 자유도를 갖는 로봇이 도 23에 도시되어 있다. 전원(18)은 레이저 방사를 방출하고 반송 아암에 인가되는 방사 소스(5)에 전력을 제공한다. 방출된 레이저 방사는 광섬유(18) 다발에 의해 레이저 헤드(20)로 가이드된다. 상호 교환 가능한 헤드(21)는 베이어닛 폐쇄부(bayonet closure)에 의해 레이저 헤드(20)에 부착된다. 교환 가능한 헤드(21)는 레이저 방사의 초점 거리 또는 강도, 또는 보다 일반적으로 빔-형성 광학 유닛을 설정하기 위한 광학 구성 요소들을 포함하며, 필요할 때 상호 교환이 가능하므로 유연한 시스템이 발생한다. 광섬유(18)를 사용함으로써, 하우징(17) 내부 또는 외부에서 방사 소스(5) 및 빔-형성 광학 유닛의 공간적으로 인접한 및 공간적으로 분리된 배치를 달성할 수 있다.
섬유 다발에서의 광섬유(18)의 배치는 전력을 증가시킴과 동시에 초점 스폿 직경 또는 초점 직경을 적응시킬 수 있다. 각각의 방사 소스(5)의 적응 작동을 위한 전력 전자 장치는 전류원(19) 및 레이저 헤드(20) 모두에 배치될 수 있다.
도 25는 방사 소스(5)가 다른 파장을 갖는 레이저 빔(6)을 방출하는 실시예를 개략적인 측면도로 도시하였다. 도시된 방사 소스(5)는 서로 마주보도록 배치되고, 각각의 방사 소스(5)에 의해 방출된 레이저 방사의 파장에 대해서만 투과하고, 그러나 워크피스 표면(2)에서 후방 반사로부터 보호를 위해 추가 파장을 반사 또는 흡수하는 파장 필터(23)를 각각 구비한다. 따라서, 도시된 파장 필터는 일반적으로 각각의 파장 필터가 상이한 파장에 민감하기 때문에 그 특성면에서 서로 다르다.
도 26에 도시된 실시예에서, 방사 소스(5)는 각각 워크피스 표면(2)에 부딪치기 전에 편광자를 통과하는 선형 편광 레이저 방사(6) 또는 편광되지 않은 레이저 방사를 방출한다. 후방 반사를 피하기 위해, 편광 필터(24) 및 원형 편광자(25)로 이루어진 광학 다이오드가 각각의 방사 소스(25)와 워크피스 표면(2) 사이에 마련된다. 광학 다이오드는 각각 동일한 구조를 가질 수 있다. 그러나, 광학 다이오드 중 적어도 하나는 다른 광학 다이오드의 구조와 다른 구조를 가질 수도 있다.
원형 편광된 레이저 방사(6)가 사용되면, 광 다이오드는 일반적으로 원형 편광된 레이저 방사(6)를 선형 편광된 성분으로 스플리팅(splitting)하기 위한 편광 필터(24) 및 선형 편광 성분을 통합하기 위한 패러데이 회전자 및 편광 필터(24)를 갖는다.
도 27은 복수의 방사 소스(5)의 배열, 예를 들어 레이저 모듈 또는 광섬유(18)의 출력부 또는 복수의 레이저 빔(6)을 원형상에 불규칙적으로 배열한 평면도를 도시한다. 방사 소스(5) 또는 레이저 빔(6)은 원, 하나의 원에 배치되지만, 원의 직경에 대해 균일한 간격을 갖지 않으며; 대신에, 방사 소스(5) 또는 레이저 빔(6)은, 방사 소스(5) 중 어느 것도 또는 레이저 빔(6) 중 어느 것도 다른 방사 소스(5) 또는 다른 레이저 빔(6)과 정확히 반대 방향에 놓이도록 각도 오프셋되어 각각 배열된다.
도 28에서, 방사 소스(5) 또는 레이저 빔(6)의 배열이 도 27에 상응하는 도면으로 재현되었으며, 상기 배열에서 방사 소스(5) 또는 레이저 빔(6)은 총 3개의 비-동심원상에 분포된다. 이 경우, 방사 소스(5) 또는 레이저 빔(6)은 각각 원 형상으로 배치된다.
각각의 방사 소스(5) 또는 각각의 레이저 빔(6)이 공통 중심축 또는 공통 중심점에 대해 상이한 직경을 갖는 원 형상에 배치되는 5개의 방사 소스(5) 또는 레이저 빔(6)의 대응하는 배열이 도 27의 도면에 대응하는 도 29에 도시되어 있다.
실시예들에 개시된 다양한 실시예의 모든 특징들은 서로 결합될 수 있고 개별적으로 청구될 수 있다.
Claims (30)
- 적어도 하나의 방사 소스(radiation source, 5)에 의해 방출된 레이저 빔(laser beam, 6)을 사용하여 워크피스 표면(workpiece surface, 2)의 프로세싱 영역(processing region, 1) 내에서 열처리를 위한 장치로서,
적어도 하나의 요소(10, 11, 12)는 상기 적어도 하나의 방사 소스(5)와 상기 워크피스 표면(2) 상의 상기 프로세싱 영역(1) 사이의 상기 레이저 빔(6)의 빔 경로에 배치되며,
상기 레이저 빔(6)의 강도는 상기 적어도 하나의 요소(10, 11, 12)에 의해 상기 프로세싱 영역(1) 내에서 국부적으로 설정된 방식(locally defined manner)으로 변경될 수 있고, 및/또는
적어도 하나의 레이저 빔(6)의 강도는 복수의 방사 소스(5)의 한정된 작동에 의해 상기 프로세싱 영역(1) 내에서 국부적으로 설정된 방식으로 변경될 수 있어서,
상기 워크피스 표면(2)에 부딪치는 상기 레이저 빔(6)의 강도의 국부적으로 설정된 분포는 상기 프로세싱 영역(1) 내에서 달성될 수 있는, 장치. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 방사 소스(5)에 의해 방출된 상기 레이저 빔(6)은 개별 레이저 빔(6)으로서 상기 프로세싱 영역(1) 상으로 향하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복수의 방사 소스(5) 및/또는 상기 레이저 빔(6)은 링-형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제3항에 있어서,
상기 복수의 방사 소스(5) 및/또는 상기 레이저 빔(6)은 적어도 2개의 링 에 배치되며, 상기 링은 바람직하게는 동심원인 것을 특징으로 하는, 장치. - 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 레이저 빔(6)은 추가 레이저 빔(6)의 초점 거리에서 벗어난 초점 거리로 상기 프로세싱 영역(1) 상으로/안으로 향하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제5항에 있어서,
상기 레이저 빔(6) 중 하나의 초점 거리는 굴절 또는 회절 광학 소자(13)를 사용하여 영향을 받을 수 있는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제6항에 있어서,
각각의 상기 레이저 빔(6)의 초점 거리는 상기 각각의 레이저 빔(6)을 방출하는 상기 방사 소스(6)에 할당된 상기 굴절 또는 회절 광학 소자에 의해 영향을 받을 수 있는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 레이저 빔(6)은 나머지 레이저 빔(6)의 전력과 다른 전력으로 상기 프로세싱 영역(1)으로 향하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 레이저 빔(6)은 형상적인 측면에서 상기 나머지 레이저 빔(6)의 빔 단면과 다른 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제9항에 있어서,
상기 빔 단면은 광축 및/또는 정지부에 대하여 90°에서 벗어난 각도로 배치되는 회절 또는 굴절 광학 소자(13)에 의해 형상적인 측면에서 영향을 받는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회절 또는 굴절 광학 소자(13)는 전기 기계식 작동 요소(electromechanical actuation element)에 의해 이동 가능한 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 방사 소스는 각각 도광 섬유(light-guiding fibers, 18)를 마련하며,
바람직하게, 상기 도광 섬유(18) 중 적어도 2개는 결합하여 광섬유 다발을 형성하고,
특히 바람직하게, 상기 도광 섬유는 서로 인접하고 있어 상기 콜리메이션 광학 유닛이 상기 광섬유 다발에 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 방사 소스(5)는 각각의 방사 소스(5)에 할당된 조절 가능한 전기 저항기 및/또는 상기 각각의 방사 소스(5)에 할당된 전기 또는 전자 바이패스 회로에 의해 서로 독립적으로 작동할 수 있으며, 및/또는
상기 각각의 방사 소스(5)는 각각의 경우 제어 가능한 또는 조절 가능한 전자식 전원(electronic power source)에 의해 개별적으로 작동할 수 있으며 개별적으로 비활성화될 수 있는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 방사 소스(5) 및/또는 상기 복수의 레이저 빔(6)은 홀수 개로 존재하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 방사 소스(5)는 각각 레이저 빔(6)을 방출하며,
상기 적어도 하나의 레이저 빔(6)은 나머지 레이저 빔(6)의 편광과 다른 편광을 갖는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
서로 마주보도록 배치된 상기 방사 소스(5)는 상기 복수의 방사 소스(5)가 사용될 때 다른 파장을 갖는 레이저 빔(6)을 방출하는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제16항에 있어서,
적어도 하나의 방사 소스(5)는 각각의 방사 소스에 의해 방출된 상기 레이저 빔(6)의 파장에 대해서만 투과성인 파장 필터(wavelength filter)를 갖는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방사 소스(5)는 광학 다이오드(optical diode)를 갖는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제18항에 있어서,
상기 광학 다이오드는 편광 필터(24) 및/또는 편광 빔 스플리터 및 편광된 레이저 빔(6)용 원형 편광자(circular polarizer, 25); 또는 원형 편광된 레이저 빔(6)을 이들의 선형 편광된 성분으로 스플리팅 하기 위한 편광 필터(24) 및/또는 편광 빔 스플리터 및 페러데이 회전자(Faraday rotator) 및 상기 선형 편광된 성분을 통합하기 위한 편광 필터(24) 및/또는 편광 빔 스플리터를 갖는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세싱 영역(1) 상에/내에 추가 재료(3)를 공급하기 위한 장치(4)가 마련되고,
상기 레이저 빔/레이저 빔들(6)에 의해 조사되지 않는 자유 영역(7)이 상기 프로세싱 영역(1) 내에 존재하는 방식으로 적어도 하나의 방출된 상기 레이저 빔(6)이 상기 프로세싱 영역(1) 상으로/내로 향하고,
상기 추가 재료는 바람직하게 상기 자유 영역(7) 내에 공급되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제20항에 있어서,
상기 복수의 방사 소스(5) 및/또는 상기 레이저 빔(6)은 상기 추가 재료(3)를 공급하기 위한 상기 장치(4) 주위에 링-형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제20항 또는 제21항에 있어서,
상기 복수의 방사 소스(5)가 마련되며, 상기 레이저 빔(6)은 교차 영역에서 교차하고,
상기 추가 재료(3)는 상기 교차 영역을 통해 가이드 되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 액시콘(axicon, 8, 9)이 링-형상 방사 필드(ring-shaped radiation field)을 형성하도록 적어도 하나의 레이저 빔의 빔 경로에 배치되고,
바람직하게, 상기 추가 재료(3)를 공급하기 위한 상기 장치(4)는 상기 레이저 빔(6)에 의해 조사되지 않는 상기 링-형상 방사 필드(radiation field)의 상기 자유 영역(7)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 요소(10, 11, 12)는 편광자(polarizer), 각각 다른 편광축을 갖는 편광자 쌍(polarizer pair), 컬러 필터(color filter), 정지부(stop), 방열 트랩(radiation trap) 또는 셔터(shutter)인 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사 소스(5)는 다이오드 레이저(diode laser), 바람직하게 다이오드 레이저 스택(diode laser stack), 다이오드 레이저 바(diode laser bar) 및/또는 단일 이미터 레이저(single emitter laser)로 구현되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사 소스(5) 또는 상기 복수의 방사 소스(5) 및/또는 상기 적어도 하나의 요소(10, 11, 12)는 하우징(17) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 장치. - 워크피스 표면(2)의 프로세싱 영역(1) 내에서 열처리하기 위한 방법으로서,
적어도 하나의 방사 소스(5)에 의해 방출된 레이저 빔(6)은 상기 적어도 하나의 방사 소스와 상기 워크피스 표면(2) 상의 상기 프로세싱 영역(1) 사이에 배치된 요소(10, 11, 12)에 의해 상기 프로세싱 영역(1) 내에서 국부적으로 설정된 방식으로 강도에 따라 변경되고, 및/또는
복수의 방사 소스(5)는 적어도 하나의 레이저 빔(6)의 강도가 상기 프로세싱 영역(1) 내에 국부적으로 설정된 방식으로 변경될 수 있는 한정된 방식으로 작동되어서, 상기 워크피스 표면에 부딪치는 상기 레이저 빔(6)의 강도의 국부적으로 설정된 분포가 상기 프로세싱 영역(1) 내에서 달성되는, 방법. - 제27항에 있어서,
상기 복수의 방사 소스(5)에 의해 방출된 상기 레이저 빔(6)은 개별 레이저 빔(6)으로서 상기 프로세싱 영역(1) 상으로 향하고,
상기 적어도 하나의 레이저 빔(6)은 추가 레이저 빔(6)의 초점 거리에서 벗어난 초점 거리를 가지며,
상기 초점 거리는 상기 레이저 빔(6)의 빔 경로에 배치된 굴절 또는 회절 광학 소자(13)에 의해 설정되고, 및/또는
상기 적어도 하나의 레이저 빔(6)은 광축 및/또는 정지부에 대하여 90°에서 벗어난 각도로 배치된 굴절 또는 회절 광학 소자(13)에 의해 형상적인 측면에서 나머지 레이저 빔(6)의 빔 단면과 다른 빔 단면으로 구현되는 것을 특징으로 하는, 방법. - 제27항 또는 제28항에 있어서,
상기 방사 소스(5)에 의해 방출된 상기 적어도 하나의 레이저 빔(6)은 시간에 따라 전력의 측면에서 변화되고,
바람직하게, 복수의 레이저 빔은 전력의 측면에서 변화되거나, 연속적으로 또는 동시에 비활성화되는 것을 특징으로 하는, 방법. - 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프로세싱 영역(1)의 온도는 온도 측정 시스템(16)에 의해 모니터링되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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