KR20200103027A - 레이저 프로세싱 장치 및 방법 - Google Patents

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자르노 캉가스투파
아르토 살로카베
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코렐라스 오와이
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Abstract

본 발명은 레이저 용접을 위한 장치 및 그의 사용에 관한 것이다. 레이저 용접 장치는, 제1 레이저 빔을 적어도 하나의 제1 광학 공급 섬유에 각각 제공하는 적어도 하나의 제1 레이저 디바이스; 제2 레이저 빔을 적어도 하나의 제2 광학 공급 섬유에 각각 제공하는 적어도 하나의 제2 레이저 디바이스; 가공물을 용접하기 위해 제1 출력 레이저 빔 및 제2 출력 레이저 빔을 포함하는 복합 레이저 빔을 생성하기 위한 수단을 포함하고, 제1 출력 레이저 빔은 원형 단면을 갖고 제2 출력 레이저 빔은 제1 출력 레이저 빔과 동심인 환형 형상을 갖는다. 제2 레이저 디바이스는 섬유 레이저 디바이스 또는 섬유-커플링 레이저 디바이스이다. 장치는 제2 레이저 빔에 적어도 기초하여 제2 출력 레이저 빔을 형성하도록 구성되고, 제2 출력 레이저 빔은 적어도 10 나노미터의 차이를 갖는 제1 파장 및 제2 파장을 포함하거나, 또는 제2 출력 레이저 빔은 적어도 10 나노미터의 스펙트럼 폭을 갖는다.

Description

레이저 프로세싱 장치 및 방법
[0001] 본 발명은 레이저 프로세싱 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 레이저 프로세싱에 의한 재료들의 용접에 관한 것이다.
[0002] 레이저 빔으로 금속을 용접할 때, 레이저 빔은 통상적으로 콘덴서 렌즈를 통해 100-500 ㎛의 스폿으로 집중되어 에너지 밀도를 증가시키고 가공물이 용융되도록 1500 ℃ 이상의 온도로 가공물을 순간적으로 가열한다. 동시에, 용융된 금속의 산화를 방지하기 위해 보조 가스가 공급될 수 있다. 솔리드-스테이트 레이저(solid-state laser) 또는 섬유 레이저로부터의 1-마이크로미터 파장대의 레이저 빔은 CO2 레이저의 10-마이크로미터 파장대의 레이저 빔에 비해 금속성 작업물에 대해 매우 높은 광학 에너지 강도 및 흡광도를 실현한다. 그러나, 가우시안 빔을 갖는 1-마이크로미터 파장대 레이저 빔이 산소 보조 가스와 함께 사용되어 연강 시트 가공물을 절단하는 경우, 가공물의 최상부 면 상의 용융물 폭이 불필요하게 넓어지고 커프 제어(kerf control)를 손상시킨다. 또한, 레이저 절단의 품질을 저하시키는 자체-분신(self-burning)이 발생할 수 있다.
[0003] 환형 또는 "도넛"-유사 형상을 갖는 것으로 설명될 수 있는 강도 프로파일을 제공하는 링-형상 레이저 빔들의 사용은 레이저 재료 프로세싱의 분야에서 알려져 있다. 더 종래의 빔 프로파일들 대신 도넛 빔을 사용할 때, 주어진 두께의 금속의 절단이 훨씬 낮은 전력 레벨들에서 수행될 수 있으며, 이는 절단 속도 및 품질을 개선할 수 있다는 것이 관찰되었다.
[0004] US 8781269는 출력 레이저 빔의 상이한 빔 프로파일 특성들을 생성하기 위해 레이저 빔들을 멀티-클래드 섬유(multi-clad fiber)로 지향시키는 다양한 어레인지먼트(arrangement)들을 개시하며, 여기서 입력 레이저 빔은 내부 섬유 코어로 또는 외부 링 코어로 선택적으로 커플링된다.
[0005] 이러한 재료 프로세싱 애플리케이션들은 레이저 빔의 휘도를 최대화하기 위해 노력한다. 휘도는 단위 입체각 및 단위 영역 당 전력으로서 정의된다. 휘도의 중요도의 예로서, 레이저 빔의 휘도를 증가시킴으로써, 프로세싱 속도 또는 재료 두께가 증가될 수 있다. 예컨대, 섬유 레이저 및 얇은 디스크 레이저들로부터 고휘도의 레이저 빔들이 획득될 수 있다. 직접 다이오드 레이저들이 또한 휘도를 지속적으로 개선하였지만, 재료 프로세싱을 위한 상용 직접 다이오드 레이저들은 아직 섬유 또는 얇은-디스크 레이저들의 휘도에 도달하지 못한다.
[0006] 종래 기술에 따른 레이저 용접에서, 레이저 빔의 침투는 용접 이음새(weld seam)를 따라 변할 수 있으며, 이는 불규칙적 또는 거친 용접 이음새를 초래한다. 따라서, 레이저 용접을 위한 개선된 방법들 및 디바이스들이 필요하다.
[0007] 본 발명은 독립 청구항들의 특징들에 의해 정의된다. 일부 특정 실시예들은 종속 청구항들에서 정의된다.
[0008] 본 발명의 일 양상에 따라, 레이저 프로세싱 장치는, 제1 레이저 빔을 적어도 하나의 제1 광학 공급 섬유에 각각 제공하는 적어도 하나의 제1 레이저 디바이스; 제2 레이저 빔을 적어도 하나의 제2 광학 공급 섬유에 각각 제공하는 적어도 하나의 제2 레이저 디바이스; 가공물을 용접하기 위해 제1 출력 레이저 빔 및 제2 출력 레이저 빔을 포함하는 복합 레이저 빔을 생성하기 위한 수단을 포함하고, 제1 출력 레이저 빔은 원형 단면을 갖고 제2 출력 레이저 빔은 제1 출력 레이저 빔과 동심인 환형 형상을 갖는다. 제2 레이저 디바이스는 섬유 레이저 디바이스 또는 섬유-커플링 레이저 디바이스이다. 장치는 제2 레이저 빔에 적어도 기초하여 제2 출력 레이저 빔을 형성하도록 구성되고, 제2 출력 레이저 빔은 적어도 10 나노미터의 차이를 갖는 제1 파장 및 제2 파장을 포함하거나, 또는 제2 출력 레이저 빔은 적어도 10 나노미터의 스펙트럼 폭을 갖는다.
[0009] 본 발명의 제2 양상에 따라, 레이저 빔으로 가공물을 용접하기 위한 방법은,
적어도 하나의 제1 레이저 디바이스에 연결된 적어도 하나의 제1 광학 공급 섬유로부터 적어도 하나의 제1 레이저 빔을 제공하는 단계;
적어도 하나의 제1 레이저 디바이스에 연결된 적어도 하나의 제2 광학 공급 섬유로부터 적어도 하나의 제2 레이저 빔을 제공하는 단계;
가공물을 용접하기 위해 제1 출력 레이저 빔 및 제2 출력 레이저 빔을 포함하는 복합 레이저 빔을 생성하는 단계를 포함하고, 제1 출력 레이저 빔은 원형 단면을 갖고 제2 출력 레이저 빔은 제1 출력 레이저 빔과 동심인 환형 형상을 갖고, 제2 출력 레이저 빔(2)은 섬유 레이저 디바이스 또는 섬유-커플링 레이저 디바이스에 의해 제2 레이저 빔에 적어도 기초하여 형성되고, 제2 출력 레이저 빔(2)은 적어도 10 나노미터의 차이를 갖는 제1 파장 및 제2 파장을 포함하거나, 또는 제2 출력 레이저 빔(2)은 적어도 10 나노미터의 스펙트럼 폭을 갖는다.
[0010] 실시예에 따라, 제2 섬유 레이저 출력 빔의 파장은 800-815 nm이다.
[0011] 실시예에 따라, 제1 레이저 디바이스는 섬유 레이저 디바이스를 포함하고 제2 레이저 디바이스는 섬유-커플링 다이오드 레이저 디바이스를 포함한다.
[0012] 실시예에 따라, 레이저 프로세싱 장치 및 복합 레이저 빔은 1-20mm의 두께를 갖는 알루미늄 플레이트들을 용접하도록 적응된다.
[0013] 실시예에 따라, 제1 및/또는 제2 출력 레이저 빔들에서의 전력 밀도를 개별적으로 제어하기 위해, 제1 레이저 디바이스 및 제2 레이저 디바이스에 기능적으로 연결된 제어 유닛이 제공된다.
[0014] 다음으로, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명된다.
[0015] 이하에서, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1a 및 도 1c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 레이저 용접 동작의 예들을 예시한다.
도 1b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 복합 레이저 빔의 단면도를 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 제2 출력 레이저 빔의 성질들을 예시한다.
도 3은 복합 레이저 빔을 포커싱하기 위한 광학 어레인지먼트를 예시한다.
도 4는 레일리(Rayleigh) 길이와 관련된 빔 파라미터들을 예시한다.
도 5는 초점 시프트에 대한 시뮬레이션 결과들을 예시한다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 프로파일 전력 제어를 위한 제어 유닛을 예시한다.
도 7은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 장치의 예를 도시한다.
도 8a는 일부 실시예들에 따른 커플링 수단의 수신 단부의 단면도를 도시한다.
도 8b는 일부 실시예들에 따른 커플링 수단의 출력에서의 굴절률 프로파일을 예시한다.
도 9는 일 실시예에 따른 광학 컴포넌트를 개략적으로 도시한다.
[0016] 이제, 용접 품질의 개선을 가능하게 하는 방법 및 장치가 제공된다. 이는 아래에 추가로 예시된 특정 복합 레이저 빔 구성을 적용함으로써 달성된다.
[0017] 도 1a를 참조하면, 본 특징들은, 실질적으로 원형 단면을 갖는 제1 레이저 출력 빔(1) 및 제1 레이저 출력 빔과 동심인 실질적으로 환형 형상을 갖는 제2 레이저 출력 빔(2)이 레이저 프로세싱 헤드(3)로부터 용접될 가공물(4) 부분들에 적용되는 방법 및 장치에서 적용될 수 있다. 따라서, 제1 출력 레이저 빔(1)은 원형 또는 중심 빔으로 지칭될 수 있고, 제2 출력 레이저 빔(2)은 환형 또는 링 빔으로 지칭될 수 있다.
[0018] 도 1b에는 레이저 프로세싱 헤드(3)로부터 가공물(4)로 나오는 복합 레이저 빔(7)의 구조가 예시된다. 환형 외부 링 빔(2)은 제2 레이저 디바이스에 의해 제공된 레이저 전력을 운반한다. 이에 따라, 내부 중심 빔(1)은 제1 레이저 디바이스에 의해 제공된 레이저 전력을 운반한다.
[0019] 일부 실시예들에서, 중심 빔(1)은 섬유 레이저(디바이스)로부터의 레이저 빔에 기초하여 형성되고 링 빔(2)은 섬유 레이저(디바이스) 또는 섬유-커플링 레이저(디바이스)에 의해 형성된다. 중심 빔(1) 및 링 빔(2)은 용접될 엘리먼트들로 선택적으로 지향될 수 있다.
[0020] 중심 빔(1)은 도 1c에 예시된 바와 같이 가공물에서 키홀 패턴을 야기하도록 구성될 수 있다. 빔들(1 및 2) 사이에는 환형 형상 존(8)이 있으며, 이는 미광만을 제공하거나 레이저 방사선을 전혀 제공하지 않는다.
[0021] 특정 환형 빔 구성이 복합 레이저 빔(7)에 적용되어 용접 품질을 개선한다. 일부 실시예들에서, 링 빔(2)은 2개의 상이한 파장들의 빔들(2a, 2b)을 포함한다. 도 2a에 추가로 예시된 바와 같이, 링 빔(2)은 평균 파장들에서의 차이를 지칭할 수 있는 적어도 10 나노미터의 차이를 갖는 제1 파장 및 제2 파장을 포함할 수 있다. 일부 대안적인 실시예들에서, 도 2b를 참조하면, 링 빔(2)은 적어도 10 나노미터의 스펙트럼 폭을 가지며, 이는 일부 실시예들에서 상이한 파장들을 가질 수 있는 하나 이상의 빔들에 의해 형성될 수 있는 링 빔(2)의 총 스펙트럼 폭을 지칭할 수 있다. 도 2b는 스펙트럼 폭을 결정하기 위한 하나의 옵션만을 예시하고, 링 빔의 스펙트럼 폭은 강도 피크의 더 높은 강도 레벨에서 정의될 수 있다는 것이 주의된다. 추가의 실시예들에서의 스펙트럼 폭은 100 nm를 초과하지 않으며, 이는 10-50 nm와 같이 10 nm 내지 100 nm의 영역에서 선택될 수 있다.
[0022] 평균 파장들에서 적어도 10 nm의 차이 또는 적어도 10 nm의 넓은 스펙트럼을 적용하는 본 어레인지먼트는 빔의 경로를 따른 침투 깊이에서 더 작은 변동들을 가능하게 한다. 이는 특정 환형 빔 구조 없이 제공된 라인 5와 비교하여, 비교적 작은 변동을 갖는 도 1c의 라인 6에 의해 예시된다. 또한, 스패터(spatter)의 양이 감소될 수 있고 더 낮은 다공성이 달성될 수 있다. 또한, 평균 파장들에서 적어도 10 nm의 차이 또는 적어도 10 nm의 넓은 스펙트럼을 갖는 링 빔(2)은, 알루미늄 및 알루미늄 합금들을 용접하는 동안 변형 없이 표면으로부터 알루미늄 산화물을 제거하는 데 사용될 수 있다. 이 방법은 알루미늄 산화물 클로저(closure)들의 양을 감소시키고 더 양호하고 더 강한 용접 이음매 품질을 제공한다. 또한, 산화물들을 제거하기 위한 용접 이전의 부가적인 준비가 회피되거나 감소될 수 있다.
[0023] 특정 복합 레이저 빔 구성은 링 빔(2)에서 상이한 스펙트럼 폭들로 테스트되었다. 10 nm의 스펙트럼 폭은 5 nm의 스펙트럼 폭보다 실질적으로 더 양호한 이음매 품질 및 더 낮은 다공성을 제공하는 것으로 관찰되었다. 예시적인 구성에서, 링 빔(2)의 약 100nm의 스펙트럼 폭은 (제2 레이저 디바이스 출력에서) 20nm 간격을 두고 각각이 10nm 스펙트럼 폭을 갖는 4개의 레이저 빔 소스들을 세팅함으로써 달성될 수 있다. 예컨대, 1030-1090 nm 구역의 파장들이 적용될 수 있다.
[0024] 도 3을 참조하면, 레이저 빔 변환을 위한 광학 시스템이 예시된다. 이러한 광학 시스템은 적어도 일부 실시예들에서, 복합 레이저 빔(7)을 위한 레이저 프로세싱 헤드(3)에 적용될 수 있다.
[0025] 시준 및 초점 렌즈들의 초점 길이들은 각각 fcol 및 ffoc이며, Θ0은 수렴 각도이고, d0는 빔 직경이고, ZR은 가공물 상의 초점의 레일리 거리이다.
[0026] 초점 직경은 발산 각도 및 포커싱된 빔의 빔-파라미터 곱(bpp)에 의존한다.
Figure pct00001
여기서 M2는 빔의 이상 팩터이고 λ는 빔의 자유 공간 파장이다.
[0027] 도 4는 레일리 거리와 관련된 빔 파라미터들을 추가로 예시한다. 레일리 거리는 프로세싱 헤드의 광학기에 사용되는 재료들의 굴절률의 분산으로 인한 스펙트럼적으로 넓은 레이저의 파장을 갖는 초점 시프트들(Df)을 평가하기에 적합한 스케일이다. 레일리 거리(ZR)는 레이저 빔이 포커스에 있는 포커스 길이를 제공한다. 파라미터 b = 2ZR은 포커스의 깊이로서 설명될 수 있다. 이상적인 가우시안 레이저 빔의 레일리 거리는 파장 λ 및 포커스 w0에서의 최소 빔 반경에 의해 정의된다.
Figure pct00002
비-이상적 또는 멀티-모드 레이저 빔들에 대해, 레일리 거리는 이상적인 가우시안 빔의 레일리 거리보다 팩터 M2만큼 짧다. Df << ZR일 때, 빔의 상이한 파장에 의해 야기된 포커스 거리 변화들은 레이저 프로세싱 품질에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다. 다른 한편으로, Df~ZR 또는 Df>ZR일 때, 파장 스펙트럼의 폭은 레이저 용접 품질에 큰 영향을 미칠 수 있다. 프로세싱된 재료의 두께는 또한 품질에 영향을 미친다는 것에 주의한다.
[0028] 도 5는 융합 실리카(fused silica)로 제조된 단일 렌즈 엘리먼트의 굴절률의 분산으로 인한 초점 시프트에 대한 시뮬레이션 결과들을 예시한다. 이 예에서, 250 mm 포커스 렌즈로 레이저 용접할 때, 0.1 mm 초점 시프트는 제2 출력 레이저 빔의 제1 파장(2a) 및 제2 파장(2b)의 파장들에서 15 nm 차이로 달성될 수 있다. 통상적인 프로세싱 헤드들에서와 같이 다수의 렌즈 엘리먼트들을 사용할 때, 분산으로 인한 초점 시프트는 또한 단일 엘리먼트 경우에 비해 증가할 것이다.
[0029] 섬유 또는 섬유-커플링 레이저(디바이스)의 전력 레벨은 해당 애플리케이션의 요구 시에 0 내지 10 kW 또는 그 이상으로 제어될 수 있다. 다수의 애플리케이션들에서, 링 빔(2)에 대해 약 1 내지 4 kW의 섬유 레이저 출력 전력 레벨들이 적용될 수 있다.
[0030] 본 특정 복합 빔 구성은 종래의 레이저 빔들이 사용될 때에 비해 용접에 대해 더 낮은 전력 레벨들을 적용하는 것을 가능하게 한다. 예시적인 실시예에서, 레이저 전력은 알루미늄(3000 시리즈 알루미늄에 대한 예가 주어짐)을 용접하기 위해 100 mm/s 용접 속도에 있어 중심 빔(1)에 대해 600 W 및 링 빔(2)에 대해 1 kW일 수 있다. 이러한 파라미터들을 통해, 1mm 침투 깊이 및 매우 양호한 레이저 용접 품질이 달성될 수 있다.
[0031] 레이저 용접 이음매의 용융물 풀(melt pool)의 길이는 중심(1) 및 링 빔(2)의 용접 파라미터들을 적절히 제어함으로써 본 특정 복합 빔 구성에 최적화될 수 있다. 용융물 풀의 길이를 최적화하고 용융물 풀 내의 난류를 최소화함으로써 스패터가 실질적으로 감소될 수 있다. 또한, 용융물 풀의 길이를 최적화함으로써, 용융물이 고형화되기 전에 가스들 및 기포들이 용융물을 빠져나갈 수 있도록 충분한 시간이 주어질 수 있다. 이는 용접 이음매에서 낮은 다공성 및 감소된 수의 공극들을 용이하게 한다.
[0032] 일부 실시예들에서, 링 빔(2)에서 섬유 또는 섬유-커플링 레이저의 파장은 1030-1090 nm의 구역에 있다. 중심 빔(1)에서 섬유 레이저의 파장은, 일부 실시예들에서, 예컨대, 1070 nm와 같이, 700 내지 1200 nm의 영역에서, 해당 애플리케이션에 의존하여 선택될 수 있다.
[0033] 일부 실시예들에서, 레이저 프로세싱 장치 및 복합 레이저 빔은 알루미늄 플레이트들을 용접하도록 적응된다. 알루미늄 플레이트들은 1-20 mm, 바람직하게는 1-10 nm의 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 800-1100 nm의 구역에 있는 링 빔(2)의 파장(들)이 선택될 수 있다. 링 빔(2)에서 808 nm의 파장은 적어도, 808 nm의 파장에서 흡수 피크로 인해, 6000 시리즈 알루미늄 합금 조각들을 용접할 때 특히 양호한 품질의 용접 결과들을 획득하는 것을 가능하게 한다.
[0034] 일부 다른 실시예들에서, 제2 출력 레이저 빔(2)은 섬유-커플링 다이오드 레이저 빔을 포함할 수 있다. 링 빔(2)에 적절한 섬유-커플링 다이오드 레이저 빔의 추가는 복합 레이저 빔(7)의 광 전력의 흡수의 증가를 용이하게 한다.
[0035] 일 실시예에서, 섬유 및 다이오드 레이저들의 결합은 링 빔(2)을 형성하기 위해 적용된다. 예컨대, 링 빔(2)을 위한 (제2 레이저 디바이스 또는 추가의 제3 레이저 디바이스의) 광원들 중 하나는 다이오드 광을 방출할 수 있다. 이는 환형 빔을 위한 다이오드 레이저 디바이스 없이 제공된 라인 5에 비해, 비교적 작은 변동을 갖는 도 1c의 라인 6에 의해 또한 예시된 바와 같이 침투 깊이의 안정성을 추가로 개선하는 것을 가능하게 한다. 빔(2a)은 이러한 실시예에서 섬유 레이저 빔을 지칭하고 빔(2b)은 다이오드 레이저 빔을 지칭할 수 있다. 일부 실시예들에서, 다이오드 레이저 빔의 파장은 링 빔에서 0.5 내지 1.5 ㎛의 영역에 있다. 일부 실시예들에서, 10 내지 50 W 범위의 다이오드 레이저 출력 전력 레벨이 링 빔(2)에 대해 적용된다. 일부 실시예들에서, 링 빔 내의 섬유 빔 및 다이오드 빔 및 그의 전력 레벨들은 독립적으로 적응될 수 있다.
[0036] 따라서, 현재 개시된 특징들을 적용하고 복합 레이저 빔 용접을 위해 추가된 다이오드 광을 적용함으로써 달성 가능한 다양한 이점들이 존재한다. 하나의 이점은 용접 이음매 품질 및 균일성이 개선될 수 있다는 것이다. 환형 링의 섬유 레이저와 결합된 다이오드 광의 특정 구성은 용접 품질의 개선을 가능하게 한다. 추가로, 프로세싱되는 재료의 보다 안정적인 용융물 풀이 달성될 수 있기 때문에, 이는 스패터를 감소시키는 것을 가능하게 한다.
[0037] 도 6은 레이저 장치의 중심(1) 및 링 빔들(2)의 생성을 제어하기 위한 일부 실시예들에 따른 제어 유닛(10)을 예시한다. 제어 유닛(10)은 중심 빔(1) 및/또는 링 빔(2)을 생성하도록 적응된 적어도 하나의 레이저 유닛(12)에 직접 또는 간접적으로 연결된다. 제어 유닛(10)은, 전력 제어를 위한 적절한 소프트웨어가 제공된 범용 컴퓨터를 포함할 수 있거나, 또는 제어 유닛은 마이크로제어기를 포함할 수 있다. 제어 유닛은 단일-코어 프로세서 또는 멀티-코어 프로세서일 수 있는 적어도 하나의 프로세서(11)를 포함하며, 여기서 단일-코어 프로세서는 하나의 프로세싱 코어를 포함하고, 멀티-코어 프로세서는 하나 초과의 프로세싱 코어를 포함한다. 프로세서는 적어도 하나의 ASIC(application-specific integrated circuit)를 포함할 수 있다. 프로세서는 디바이스에서 방법 단계들을 수행하기 위한 수단일 수 있다. 프로세서는 현재 예시된 특정 복합 빔 구성 및 프로파일(들)을 제어하기 위해 컴퓨터 명령들에 의해 적어도 부분적으로 구성될 수 있다.
[0038] 제어 유닛 디바이스는 메모리(13)를 포함할 수 있다. 메모리는 랜덤-액세스 메모리 및/또는 영구 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는 적어도 하나의 RAM 칩을 포함할 수 있다. 메모리는 예컨대, 솔리드-스테이트, 자기, 광학 및/또는 홀로그래픽 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는 프로세서가 적어도 부분적으로 액세스 가능할 수 있다. 메모리는 프로세서(11)가 실행하도록 구성된 컴퓨터 명령들(14)을 포함할 수 있다. 프로세서가 특정 액션들을 수행하게 하도록 구성된 컴퓨터 명령들이 메모리에 저장되고, 디바이스 전체가 메모리로부터의 컴퓨터 명령들을 사용하여 프로세서의 지시 하에서 실행되도록 구성될 때, 프로세서 및/또는 그의 적어도 하나의 프로세싱 코어는 상기 특정 액션들을 수행하도록 구성되는 것으로 간주될 수 있다. 메모리(131)는 프로세서에 적어도 부분적으로 포함될 수 있다. 메모리(131)는 적어도 부분적으로 디바이스 외부에 있지만, 제어 유닛 디바이스가 액세스 가능할 수 있다.
[0039] 현재 예시된 특징들은 프로세서(11)에서 실행될 때, 프로세서로 하여금 레이저 유닛(들)(12)에 대한 개개의 출력 제어 신호들에 의해 레이저 빔들(1, 2a, 2b)의 구성을 제어하게 하는 명령들을 포함하고 메모리(13)에 저장된 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램에 의해 야기될 수 있다. 메모리(13)는 또한 프로세서에 의해 제어되는 링 빔(2) 및/또는 중심 빔(1)의 성질들에 영향을 미치는 다양한 파라미터들(15), 이를테면, 오퍼레이터에 의해 조정 가능한 상이한 중심 및/또는 링 빔 파라미터들 및 상이한 용접 프로파일들 및 프로그램들을 정의하는 파라미터 세트들을 저장할 수 있다.
[0040] 제어 유닛 디바이스는 UI(user interface)(16)를 포함할 수 있다. UI는 예컨대 디스플레이, 키보드, 터치스크린 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제어 유닛은 적어도 부분적으로 사용자 입력에 기초하여 레이저 빔 구성 및/또는 파라미터들을 제어하도록 배열될 수 있다. 제어 유닛(10)은 또한 레이저 용접 동작의 진행을 모니터링하는 센서 및/또는 프로세싱되는 가공물의 성질들을 검출하는 센서와 같은 하나 이상의 센서들(17)에 연결될 수 있다. 제어 유닛(10)은 또한 적어도 하나의 셀룰러 또는 비-셀룰러 표준에 따라 정보를 송신 및 수신하도록 구성된 송신기 및 수신기와 같은 다른 유닛들을 포함할 수 있다.
[0041] 일부 실시예들에 따라, 제어 유닛(10)은 다른 빔의 상태에 관계없이, 중심 빔(1) 및/또는 링 빔(2)의 전력 밀도들을 개별적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 중심 빔(1)의 전력 밀도와 링 빔(2)의 전력 밀도 사이의 관계는 용접되는 가공물의 두께에 따라 제어될 수 있다. 예컨대, 제어 유닛(10)은, 가공물 두께가 링 레이저 빔을 스위치 오프(switching off )하기 위한 미리 결정된 두께 제한 값 아래로 떨어지는 것에 대한 응답으로, 링 빔을 스위치 오프하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제한 값은 4 내지 8 mm의 범위로부터 선택되며, 일 실시예에서 6 mm이다. 중심 빔(1)과 링 빔(2) 사이의 상이한 전력 밀도들 및 관계는 용접되는 재료에 의존하여 제어될 수 있다.
[0042] 제어 유닛(10)에 의해 제어될 수 있는 다른 용접 파라미터들이 또한 존재한다. 이러한 파라미터들의 일부 예들은 용접 진행 속도, 중심 및/또는 링 빔의 직경들, 변조 온/오프, 변조 파라미터들 및 다른 빔 성질들을 포함(그러나 이에 제한되지 않음)한다.
[0043] 실시예들은 스폿 용접 및 연속 용접 애플리케이션들에 대해 적용될 수 있다. 연속 용접의 경우에, 레이저 프로세싱 헤드의 움직임의 방향으로 링 빔(2)의 선단 에지는 제1 강도 피크를 야기하고 링 빔(2)의 후방 에지는 제2 강도 피크를 야기한다. 따라서, 엘리먼트들이 단계적으로 가열되고, 후방 및 선단 에지의 강도 레벨이 충분한 용융을 야기하기에는 단일 스폿 빔에 비해 낮을 수 있다. 예열 외에도, 선단 에지는 또한 오염물 제거를 제공한다. 이는 급격한 온도 변화를 회피하고 후속 템퍼링 및 이에 따라 급격한 온도 변화에 의해 야기되는 더 약한 영역을 회피하거나 적어도 감소시키는 것을 가능하게 한다. 연속 용접에서 링 빔의 사용은 또한 스패터를 회피하는데 있어 유리하다. 실시예에서, 중심 빔(1)의 전력 밀도는 낮게 세팅되거나 중심 빔이 심지어 완전히 폐쇄될 수 있다. 따라서 과열이 회피될 수 있다.
[0044] 복합 레이저 빔(7), 즉 중심 빔(1)과 링 빔(2)의 하이브리드는, 중심 빔(1) 및 링 빔(2)을 갖는 결과적인 복합 레이저 빔이 가공물로 지향될 수 있는 멀티-코어 광섬유들에서 공급 섬유들 및 발신 레이저 디바이스들로부터의 레이저 빔들을 결합함으로써 생성될 수 있다. 제1 광학 공급 섬유는 멀티-코어 광섬유의 제1 코어와 정렬될 수 있고, 제2 광학 공급 섬유는 멀티-코어 광섬유의 제2 코어와 정렬될 수 있다. 멀티-코어 광섬유의 제1 코어는 원형 단면을 갖고, 제2 코어는 제1 코어와 동심인 환형 형상을 갖는다. 일부 추가의 예시적인 실시예들이 아래에 예시된다.
[0045] 일부 실시예들에서, 도 1c의 예시를 또한 참조하면, 키홀 레이저 용접이 열전도 용접과 조합하여 적용되어 동적으로 적응 가능한 중심 및 링 레이저 빔 프로파일들을 제공한다. 열전도 용접은 통상적으로 약 2 mm의 재료 두께까지의 금속 시트들을 용접하는 데 적용 가능하다. 전도 용접이 가능한 레이저에 의해 프로세싱되는 금속 시트는 비교적 얕지만 넓은 금속의 스폿에 영향을 미친다. 통상적인 키홀 패턴은 섬유 레이저와 같은 고휘도 레이저에 의해 야기된다. 키홀의 직경은 1 밀리미터 미만의 구역에 있고, 예컨대, 0.1 밀리미터일 수 있고, 스폿의 직경은 예컨대, 3 밀리미터와 같은 수 밀리미터들의 구역에 있을 수 있다. 순수 키홀 용접과 원형 및 환형 레이저 빔들에 의한 하이브리드 용접의 적용을 비교할 때, 하이브리드 용접 침투는 동일한 프로세싱 속도를 사용하는 순수 키홀 용접의 침투보다 적어도 20 % 더 깊다는 것이 주의된다.
[0046] 도 7은 독립적인 중심 및 링 빔 전력 제어를 가능하게 하는 장치의 일 실시예를 도시하며, 여기서 그리고 이에 의해 특정 복합 레이저 빔 구성에 대해 위에서 예시된 특징들 중 적어도 일부가 적용될 수 있다. 제1 레이저(디바이스)(30)는 광학 공급 섬유(32)로 레이저 빔 결합기(34)에 연결된다. 마찬가지로, 하나 또는 여러 개의 제2 레이저들(31)이 피드 섬유(33)로 빔 결합기(34)에 연결된다. 결합기의 임무는 모든 인입하는 레이저 빔들이 듀얼 코어 광섬유(35)에 커플링될 수 있도록 이들을 배열하는 것이다. 따라서, 레이저 장치의 하이브리드 본질은 2개의 레이저 빔들이 단일 듀얼-코어 광섬유(35) 내부에서 전파되는 결과이다. 섬유(35) 내부의 2개의 레이저 빔들은 통상적으로 상이한 휘도 및 강도 프로파일들을 가지며, 상이한 파장들을 가질 수 있다. 또한, 2개의 레이저 빔들의 전력 레벨들은 제1 레이저(30) 및 제2 레이저 디바이스(31)로부터의 전력 레벨들을 조정함으로써 독립적으로 그리고 연속적으로 제어될 수 있다.
[0047] 빔의 충분한 휘도를 달성하기 위해, 제1 레이저 디바이스(30)는 예컨대, 섬유 공진기에 커플링된 섬유-커플링 다이오드 레이저들로 각각 구성되는 MOPA(master oscillator-power amplifier) 모듈들 또는 다이오드-펌핑 단일 또는 다중 섬유 레이저 오실레이터를 포함하는 고-휘도 섬유 레이저일 수 있다. 고-휘도 레이저들의 추가의 예들은 섬유-커플링 얇은-디스크 레이저들 또는 Nd-YAG 레이저들이며, 이는 다이오드 레이저들로부터의 광으로 펌핑된다. 현대의 레이저 기술은, 다수의 활성 솔리드-스테이트 광 증폭 재료들이 절연체들이기 때문에 에너지 전달 매체로서 광에 빈번하게 의존한다. 다이오드 레이저들은 이들의 높은 효율 및 더 좁은 광 스펙트럼으로 인해 에너지 펌프들로서 이전에 사용된 플래시 램프들을 대체하였다.
[0048] 제2 레이저 디바이스(31)는 위에서 예시된 바와 같이 링 빔(2) 구성을 형성하기 위한 특정 제2 레이저 빔(들)을 제공하도록 구성될 수 있다. 제2 레이저 디바이스(31)는 다이오드 레이저들, 예컨대, 얇은-디스크 레이저 공진기(도시되지 않음)에 의해 펌핑되는 솔리드-스테이트 레이저 공진기를 또한 포함할 수 있는 섬유 레이저 또는 섬유-커플링 레이저일 수 있다. 듀얼 코어 광섬유(35)는 도 8a에 예시된 바와 같이 그의 중심 코어에서 제1 레이저 디바이스(30)로부터의 레이저 빔을 운반하고 중심 코어로부터의 일정 거리에서 중심 코어 주위에 환형으로 배열된 외부 코어에서 하나 또는 다수의 제2 레이저 디바이스(31)에 의해 생성된 빔을 운반하도록 배열될 수 있다.
[0049] 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 레이저 디바이스들(30, 31) 둘 모두는 각각이 독립적으로 제어 가능한 전력 레벨들을 갖는 섬유 레이저들이다. 일부 레이저들은 구조적으로 섬유 레이저들이며 본질적으로 광을 광섬유로 공급하고; 다른 것들은 레이저 빔을 출력 섬유의 코어에 정렬시키기 위해 섬유와 광학적으로 인터페이싱될 필요가 있다. 레이저 장치의 목적 및 개별 레이저 모듈의 전력 등급 및 다른 성질들은 어떤 유형들의 레이저들이 빔 결합기(34)에 연결되도록 실현 가능한지를 결정한다.
[0050] 일부 실시예들에서, 장치는 다이오드 레이저 빔을 빔 결합기(34)에 제공하는 추가의 다이오드 레이저 디바이스(도시되지 않음)를 포함한다. 빔 결합기(34)는 다이오드 레이저 빔을 멀티-코어 광섬유의 적어도 하나의 제2 코어와 정렬하도록 적응된다.
[0051] 듀얼 코어 광섬유는 그의 대향하는 단부에서 레이저 프로세싱 헤드(20)에 연결되며, 이는 결합된 또는 복합 레이저 빔(7)을 가공물(21)까지 안내한다. 레이저 프로세싱 헤드(20)는 일반적으로 렌즈들의 초점 길이들에 의해 결정되는 바와 같은 원하는 크기로 섬유(35)의 단부로부터 가공물(21) 상으로 나오는 강도 프로파일의 이미지를 생성하도록 시준 및 포커싱 렌즈들을 포함한다. 레이저 헤드(20)의 임무는 또한 가압된 가스 제트를 용접 라인에 제공하는 것일 수 있다. 가압된 가스는 또한, 레이저 헤드(20) 내의 광학기가 용융된 금속을 토출하는 것을 추가로 방지하기 위해 적용될 수 있으며, 또한 용접 라인으로부터 이를 또한 제거하여 용접 라인을 깨끗한 상태로 유지하는 것을 돕는다. 일 실시예에서, 산소 보조 가스는 적어도 용접 진행 터닝 포인트들과 관련하여 적용되어, 부가적인 에너지를 제공하고 이들 포인트들에서 용접 에지 품질을 추가로 개선하는 것을 가능하게 한다.
[0052] 본 발명의 일 실시예에서, 장치에는 위에서 예시된 제어 유닛(10)과 같은 제어 유닛이 제공된다. 제어 유닛은 또한 레이저 디바이스들(30 또는 31) 중 하나에 통합될 수 있다. 대안적으로, 모든 유닛(30, 31 및 10)은 편의 및 신뢰성을 위해 단일 하우징에 배치되고, 그들의 구조가 서로 통합될 수 있다. 표시된 바와 같이, 제어 유닛(10)은 링(2) 및 중심(1) 빔의 프로파일들의 독립적인 전력 제어를 수행하고 동적으로 조정 가능한 링-중심 빔(이는 위에서 예시된 특징들 중 적어도 일부를 적용함으로써 즉시 조정될 수 있음)을 가능하게 하는 데 사용될 수 있다. 제어 유닛은 변조 및/또는 레이저 디바이스들(30, 31) 중 적어도 하나의 다른 파라미터들을 제어하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 두 레이저 빔들의 변조는 별개로 동적으로 제어될 수 있다. 따라서, 동일한 장치에 의해 매우 다양한 상이한 용접 애플리케이션들 및 목적들이 가능해진다. 빔 프로파일은 상이한 재료들, 코팅들 및/또는 두께들과 같은 난제시되는 용접 유형들/애플리케이션들의 다양한 요구들에 맞도록 동적으로 조정될 수 있다.
[0053] 제어 유닛(10)은 레이저 헤드(20)의 사용자로부터의 피드백(36), 또는 예컨대, 광 강도 센서들로부터의 자동 피드백을 수신하도록 배열될 수 있다. 그 후, 피드백 또는 입력은 가공물(21)에서 관찰된 결과적인 용접 결과에 따라 레이저 전력을 조정하거나 미리 결정된 타겟들을 따르도록 레이저들(30 및 31)의 전력을 제어하는 데 사용된다. 제어 유닛(10) 또는 다른 제어 유닛은 또한, 가공물에 대한 레이저 프로세싱 헤드(20)의 움직임과 같은, 장치의 다른 기능들을 제어할 수 있다.
[0054] 본 발명에 따라, 빔 결합기(34)는 융합 실리카 컴포넌트들로 제조되며, 여기서 광학 전력은 전체 결합기 구조를 통해 융합 실리카 내부로 전파되고, 결합기는 입력 및 출력에서 광섬유들을 갖는다. 따라서, 본 발명에서, 빔 결합기(34)는 올-글라스 섬유 결합기(all-glass fiber combiner)로 지칭될 수 있다.
[0055] 도 8a에는 1차 클래딩(54)을 갖는 중앙 코어(51)를 갖는 예시적인 듀얼/멀티-코어 광섬유(50)의 단면이 도시된다. 외부 코어(53)는 내부 클래딩(54) 및 외부 클래딩(55)에 의해 공간적으로 형성된다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 클래딩은 코어의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로서 정의된다. 예컨대, 중앙 코어(51)의 직경은 70 ㎛일 수 있고, 외부 코어(53)의 내부 및 외부 직경들은 각각 100 ㎛ 및 180 ㎛일 수 있다. 중앙 및 주변 코어들(51, 53)은 또한 위에서 설명된 것들과 다른 형태들을 취할 수 있다. 중앙 코어(51)는 예컨대, 정사각형 또는 직사각형 형상일 수 있다. 주변 코어(53)는 또한 직사각형 경계들을 갖거나 선형 또는 원형 형상들의 다수의 세그먼트들로 구성될 수 있다.
[0056] 빔 결합기로부터의 융합된 공급 섬유들(56 및 57)(도 9의 섬유들(72 및 71))의 단부들의 코어들이 듀얼 코어 광섬유(50)의 단면과 어떻게 정렬될 수 있는지가 점선들로 도시된다. 예컨대, (링 빔(2)을 형성하기 위해) 주변 코어(53)에 정렬된 4개의 공급 섬유들(57) 각각은 20 nm 간격들을 두고 10 nm 스펙트럼 폭을 가질 수 있어, 링 빔(2)에 대해 약 100 nm의 총 스펙트럼 폭을 발생시킨다.
[0057] 듀얼 코어 광섬유(50)의 중앙 코어(51)의 레이저 방사선은 중심 및 좁은 공간 강도 프로파일을 갖는 반면, 외부 코어(53)의 강도 분포는 도넛의 형상을 취한다. 이 공간 강도 패턴은 추가로 레이저 헤드(20)의 프로세싱 광학기를 통해 가공물 상에 추가로 이미징된다. 이러한 구성으로, 레이저 빔의 빔 품질은 중심 및 외부 코어들 둘 모두에서 비교적 높다.
[0058] 이제 도 8b를 참조하면, 광학 듀얼 코어 섬유(50)의 예시적인 굴절률 프로파일이 도시된다. 코어들(51, 53)은 각각, 둘러싸는 재료들(54, 55)의 굴절률들(n54, n55)보다 높은 굴절률(n51, n53)을 갖는다. 이러한 방식으로, 레이저 빔은 코어들 각각에서 광학 전력 및 강도의 감쇠 및 환형 강도 프로파일의 가능한 최소의 저하로 가공물로 안내된다.
[0059] 융합 실리카의 굴절률은 불순물들로 융합 실리카를 도핑함으로써 조정될 수 있다. 융합 실리카를 게르마늄으로 도핑하는 것은 굴절률의 증가를 초래하는 반면, 융합 실리카를 불소로 도핑하는 것은 굴절률의 감소를 초래한다. 따라서, 코어들(51 및 53)은 예컨대, Ge-도핑 또는 비-도핑 융합 실리카로 그리고 이들의 1차 클래딩들(54 및 55)은 F-도핑 융합 실리카로 제조될 수 있다.
[0060] 도 9에는 섬유 결합기(34)의 핵심 광학 컴포넌트(70)가 도시된다. 이는 적어도 2개의 레이저 디바이스들로부터 광학 공급 섬유들(71 및 72)(예컨대, 디바이스들(30 및 31)로부터의 섬유들(32 및 33))에 의해 운반되는 레이저 빔들(도시되지 않음)을 수신하기 위한 입력 단부(76) 및 융합 실리카 유리 튜브(77)로 구성된 바디 부분을 갖는 멀티-보어 모세관이다. 이는 또한, 동일한 방향으로 서로 정렬된 적어도 2개의 레이저 빔들로 구성된 복합 출력 레이저 빔을 전달하기 위한 대향하는 출력 단부(74)를 갖는다.
[0061] 입력 단부(76)에 진입하는 광학 공급 섬유들(71, 72)은 모세 보어들에서 바디 부분을 통해 출력 단부(74)로 연장되고, 유리 튜브(77)와 융합되어 광 안내 코어들(71a, 72a) 및 둘러싸는 유리 재료로 구성된 컴포넌트를 형성한다. 코어들은 내부 전반사에 의해 전체 컴포넌트를 통해 코어들에서의 광학 전력의 전파를 제공하기 위해 코어들 주위를 둘러싸는 유리 재료의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는다.
[0062] 섬유 결합기의 원리를 보여주기 위해, 코어들의 치수들 및 컴포넌트(70)의 치수들은 실척이 아니며, 명확성을 위해, 단지 몇 개의 코어들만이 점선들로 도시된다.
[0063] 광학 컴포넌트(70)는 예컨대, 드로잉(drawing)에 의해 제조될 수 있다. 이 예에서, 중심의 직경이 약 300 ㎛인 섬유(72)에 대한 더 큰 보어, 및 중심 보어(72) 주변의 그리고 대칭적으로 배치된 섬유들(71)에 대한 4개의 더 작은 보어들이 있을 수 있다. 더 작은 보어들은 예컨대, 약 150 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 모세관의 외부 직경은 예컨대 1 mm일 수 있다. 모세관의 재료는 예컨대, 융합 실리카일 수 있다. 벌크 유리(도시되지 않음)의 외부 클래딩이 바람직하게는 적어도 부분적으로 에칭된 섬유들은 중간 보어들 내로 삽입되고 모세 테이퍼의 허리 부분(73)을 통해 푸시된다. 섬유들이 제 위치에 있을 때, 모세관(70)은 허리 섹션(73)에서 가열되어 섬유들을 튜브에 융합시키고 제1 중앙 광 안내 코어(72a) 및 제2 광 안내 코어들(71a)을 형성하며, 이들은 모두 광학 컴포넌트(70)를 통해 연장된다.
[0064] 섬유들(71, 72)은 대안으로서, 순수 융합 실리카 재료의 내부 코어 및 F-도핑 융합 실리카의 외부 클래딩을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 광학 컴포넌트(70)의 융합 실리카 유리 튜브(77)는 순수 융합 실리카로 제조될 수 있는데, 그 이유는 섬유들의 광-안내 코어들이 본질적으로 더 낮은 굴절률을 갖는 재료에 의해 둘러싸이기 때문이다. 이는 모세관의 굴절률이 섬유 코어들과 동일한 경우 조차도 광이 코어들(71a, 72a)에서 유지된다는 것을 의미한다. 이 경우에, 벌크 유리의 외부 섬유 클래딩은 F-도핑 클래딩까지, 또는 일부 F-도핑 클래딩이 순수 또는 Ge-도핑 내부 섬유 코어 주위에 남아있는 한, 훨씬 더 에칭될 수 있다.
[0065] 그 후, 융합된 코어들(71a, 72a)(점선들로 도시됨) 및 튜브(70)는 절단되거나 쪼개져 단부 표면(74)을 생성한다. 그 후, 도 8에 도시된 것과 같은 듀얼 코어 섬유(35)가 단부(74)에서 모세관에 용접되어 이음매(75)를 발생시킬 수 있다.
[0066] 바람직한 실시예들에서, 제1 광학 공급 섬유(72)의 중심은 컴포넌트(70)의 중심과 정렬되고, 예컨대, 4개의 제2 광학 공급 섬유들(71)의 중심들은 제1 중앙 광 안내 코어(72a)로부터 미리 정의된 거리(R)의 출력 단부(74)에서 출력 빔을 제공하도록 로케이팅된다. 제2 공급 섬유들의 수는 이러한 것으로 제한되는 것이 아니라, 예컨대 4개 대신에, 오히려 8개, 16개 또는 32개가 된다는 것이 인지될 것이다. 제2 광 안내 코어들(71a)은 바람직하게는, 중앙 코어(72a)에 대해 대칭적으로 배열되어, 서로 간에 90 °의 각도 거리를 갖는 출력 빔을 제공한다.
[0067] 개시된 본 발명의 레이저 용접 방법 및 장치는 매우 다양한 애플리케이션들에 적용될 수 있다. 변하는 그리고 멀티폼 용접 동작들 및/또는 상이한 성질들 이를테면, 두께들을 갖는 레이저 용접 재료들에 대해 우수한 용접 표면 품질을 달성할 필요가 있는 애플리케이션들에서 특정한 이점이 달성된다. 이제, 이러한 다양한 성질들/요건들을 위해 단일 용접 장치가 사용될 수 있고, 이에 따라 최적의 용접 빔 프로파일에 즉시 적응하는 것을 가능하게 한다. 일부 예들로서, 본 시스템은 자동차 산업의 용접 요구들에 특히 유리할 수 있다.
[0068] 개시된 본 발명의 실시예들은 본원에서 개시된 특정 구조들, 프로세스 단계들 또는 재료들로 제한되는 것이 아니라, 당업자들에 의해 인지될 수 있는 바와 같은 본 발명의 등가물들로 확장된다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본원에서 사용된 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위해 사용되며, 제한하려는 것이 아니란 것이 이해되어야 한다.
[0069] 본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는, 실시예와 관련하여 설명된 특정한 특징(feature), 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸친 다양한 위치들에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 문구들의 출현들이 모두 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
[0070] 본 발명의 다양한 실시예들 및 예는 그의 다양한 컴포넌트들에 대한 대안들과 함께 본원에서 참조될 수 있다. 이러한 실시예들, 예들 및 대안들은 사실상 서로 등가물로서 해석되는 것이 아니라, 본 발명의 별개의 그리고 자율적인 표현들로 간주된다는 것이 이해된다.
[0071] 또한, 설명된 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 또는 그 초과의 실시예들에서 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다. 설명에서, 본 발명의 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해, 길이들, 폭들, 형상들 등의 예들과 같은 다수의 특정 세부사항들이 제공된다. 그러나, 당업자는, 본 발명이 특정한 세부사항들 중 하나 이상 없이 또는 다른 방법들, 컴포넌트들, 재료들 등을 이용하여 실시될 수 있음을 인지할 것이다. 다른 경우들에서, 잘 알려진 구조들, 재료들, 또는 동작들은 본 발명의 양상들을 불명료하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 도시되거나 설명되지 않는다.
[0072] 위의 예들은 하나 이상의 특정 애플리케이션들에서 본 발명의 원리들을 예시하지만, 본 발명의 기능의 연습 없이, 그리고 본 발명의 원리들 및 개념들로부터 벗어남 없이, 구현의 형태, 사용 및 세부사항들에서의 다수의 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 아래에서 기술되는 청구항들에 의한 것을 제외하고는, 본 발명은 제한되는 것으로 의도되지 않는다.

Claims (10)

  1. 제1 레이저 빔을 적어도 하나의 제1 광학 공급 섬유(32)에 각각 제공하는 적어도 하나의 제1 레이저 디바이스(30);
    제2 레이저 빔을 적어도 하나의 제2 광학 공급 섬유(33)에 각각 제공하는 적어도 하나의 제2 레이저 디바이스(31);
    가공물(21)을 용접하기 위해 제1 출력 레이저 빔 및 제2 출력 레이저 빔(1, 2)을 포함하는 복합 레이저 빔(7)을 생성하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 제1 출력 레이저 빔(1)은 원형 단면을 갖고 상기 제2 출력 레이저 빔(2)은 상기 제1 출력 레이저 빔(1)과 동심인 환형 형상을 갖고,
    상기 제2 레이저 디바이스(31)는 섬유 레이저 디바이스 또는 섬유-커플링 레이저 디바이스이고,
    상기 장치는 상기 제2 레이저 빔에 적어도 기초하여 상기 제2 출력 레이저 빔(2)을 형성하도록 구성되고, 그리고
    상기 제2 출력 레이저 빔(2)은 적어도 10 나노미터의 차이를 갖는 제1 파장 및 제2 파장을 포함하거나, 또는
    상기 제2 출력 레이저 빔(2)은 적어도 10 나노미터의 스펙트럼 폭을 갖는,
    레이저 용접 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 섬유 레이저 출력 빔(2)의 파장은 800-815 nm인,
    레이저 용접 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 제1 및/또는 제2 출력 레이저 빔들(1, 2)에서의 전력 밀도를 개별적으로 제어하기 위해, 상기 제1 레이저 디바이스(30) 및 상기 제2 레이저 디바이스(31)에 기능적으로 연결된 제어 유닛(10)을 포함하는,
    레이저 용접 장치.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 레이저 빔을 생성하기 위한 수단은,
    제1 및 제2 공급 섬유들(32, 33) 및 멀티-코어 광섬유(35, 50, 70)에 연결된 빔 결합 수단(34)을 포함하고,
    상기 결합 수단(34)은 상기 멀티-코어 광섬유(50)의 제1 코어(51)와 정렬된 적어도 하나의 제1 광학 공급 섬유(72, 56) 및 상기 멀티-코어 광섬유(50)의 적어도 하나의 제2 코어(53)와 정렬된 적어도 하나의 제2 광학 공급 섬유(71, 57)를 가짐으로써 상기 복합 레이저 빔(7)을 형성하도록 적응되고, 그리고
    상기 제1 및 제2 코어들(51, 53)은 상기 복합 레이저 빔(7)을 상기 가공물(21)로 지향시키도록 레이저 프로세싱 헤드(20)에 연결 가능한,
    레이저 용접 장치.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 디바이스(30)는 섬유 레이저 디바이스를 포함하고 상기 제2 레이저 디바이스(31)는 섬유-커플링 다이오드 레이저 디바이스를 포함하는,
    레이저 용접 장치.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 프로세싱 장치(36) 및 상기 복합 레이저 빔(7)은 1-20mm의 두께를 갖는 알루미늄 플레이트들을 용접하도록 적응되는,
    레이저 용접 장치.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 출력 레이저 빔(2)의 스펙트럼 폭은 100 나노미터 미만인,
    레이저 용접 장치.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 출력 레이저링 빔(2)의 파장(들)은 800-1100 nm의 구역에 있는,
    레이저 용접 장치.
  9. 레이저 빔으로 가공물을 용접하기 위한 방법으로서,
    적어도 하나의 제1 레이저 디바이스(30)에 연결된 적어도 하나의 제1 광학 공급 섬유(32)로부터 적어도 하나의 제1 레이저 빔(1)을 제공하는 단계;
    적어도 하나의 제1 레이저 디바이스(31)에 연결된 적어도 하나의 제2 광학 공급(33) 섬유(33)로부터 적어도 하나의 제2 레이저 빔(2)을 제공하는 단계;
    가공물(21)을 용접하기 위해 제1 출력 레이저 빔 및 제2 출력 레이저 빔(1, 2)을 포함하는 복합 레이저 빔(7)을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 출력 레이저 빔(1)은 원형 단면을 갖고 상기 제2 출력 레이저 빔(2)은 상기 제1 출력 레이저 빔(1)과 동심인 환형 형상을 갖고,
    상기 제2 출력 레이저 빔(2)은 섬유 레이저 디바이스 또는 섬유-커플링 레이저 디바이스에 의해 상기 제2 레이저 빔에 적어도 기초하여 형성되고, 그리고
    상기 제2 출력 레이저 빔(2)은 적어도 10 나노미터의 차이를 갖는 제1 파장 및 제2 파장을 포함하거나, 또는
    상기 제2 출력 레이저 빔(2)은 적어도 10 나노미터의 스펙트럼 폭을 갖는,
    레이저 빔으로 가공물을 용접하기 위한 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 출력 빔들(1, 2)에서의 전력 밀도는 상기 제1 및/또는 제2 레이저 디바이스들(30, 31)에 기능적으로 연결된 제어 유닛(10)에 의해 개별적으로 제어되는,
    레이저 빔으로 가공물을 용접하기 위한 방법.
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