KR20210042398A - 레이저 가공 헤드와 함께 사용하기 위한 가스 차폐 디바이스 - Google Patents

레이저 가공 헤드와 함께 사용하기 위한 가스 차폐 디바이스 Download PDF

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Abstract

가스 차폐 디바이스는 용접 헤드와 같은 레이저 가공 헤드와 함께 사용되어 더 큰 금속 영역을 차폐하기 위해 더 큰 가스 차폐 영역에 걸쳐 차폐 가스를 확산 및 분배할 수 있다. 가스 차폐 디바이스는 레이저 빔과 함께 이동하도록 레이저 가공 헤드에 결합될 수 있고 용접의 모든 방향에서 더 큰 차폐 효과를 제공하기 위해 동축으로 배치될 수 있다. 가스 차폐 디바이스는 공기 중의 가스와 고도로 반응적인 티타늄 또는 기타 금속을 용접하는 데 및/또는 더 큰 용접 영역(예를 들어, 레이저 빔이 요동되는 경우)에 특히 유용하다.

Description

레이저 가공 헤드와 함께 사용하기 위한 가스 차폐 디바이스
관련 출원
본 출원은 2018년 8월 30일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "GAS SHIELDING DEVICE FOR USE WITH A LASER PROCESSING HEAD"인 미국 가출원 제62/725,028호의 이익을 주장하며, 이 출원은 본 명세서에 참조로 완전히 포함된다.
기술 분야
본 개시내용은 레이저 가공에 관한 것으로, 특히 레이저 가공 헤드와 함께 사용하기 위한 가스 차폐 디바이스에 관한 것이다.
섬유 레이저와 같은 레이저는 용접과 같은 재료 가공 용례에 사용되는 경우가 많다. 종래의 레이저 용접 헤드는 레이저 광을 시준하기 위한 시준기와 용접될 목표 영역에 레이저 광을 포커싱하기 위한 초점 렌즈를 포함한다. 빔은, 예를 들어 근거리장 스캐닝 또는 "요동(wobbler)"기술을 사용하여 2개의 구조의 용접을 용이하게 하기 위해 다양한 패턴으로 이동될 수 있다. 회전 또는 나선형 패턴을 형성하도록 회전 프리즘 광학계를 사용하여 빔을 회전시키는 것 및 지그재그 패턴을 형성하도록 X-Y 스테이지에서 전체 용접 헤드를 피봇 또는 이동시키는 것을 포함하여, 다양한 기술이 빔을 이동시키는 데 사용될 수 있다. 빔을 보다 빠르고 정확하게 이동시키기 위한 또 다른 기술은, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2016/0368089호 및 국제 공개 제WO 2017/139769호에 보다 상세하게 개시된 바와 같이, 이동식 거울을 사용하여 요동 패턴에 빔을 제공하는 것을 포함하고, 상기 공보들은 공동 소유이고 본 명세서에 참조로 완전히 포함된다.
불활성 또는 반-불활성 가스와 같은 차폐 가스는 산소 및 수증기와 같은 대기 가스로부터 용접 영역을 보호하고 및/또는 용접 플룸(weld plume)을 억제하기 위해 레이저 용접 중에 사용되는 경우가 많다. 종래의 가스 차폐는, 예를 들어 도 15에 도시된 바와 같이, 레이저 용접 영역에 가스 유동을 적용하기 위해 단일 노즐을 사용한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 동축 노즐은 용접 부위에 차폐 가스를 제공하도록 용접 헤드에 부속품으로서 부착될 수 있다. 그러한 차폐는, 도 15의 노즐이 레이저 용접 헤드와 별개이기 때문에 그리고 도 15 및 도 16의 노즐이 충분히 큰 차폐 효과를 제공하지 못할 수 있기 때문에 부적절할 수 있다.
예를 들어, 요동 패턴을 제공하기 위해 레이저 빔을 스캐닝할 때 또는 특정 용접 용례에 대해 더 큰 차폐 효과가 필요할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄, 구리 및 티타늄과 같은 합금을 용접할 때, 이들 합금은 산소, 질소 및 이산화탄소와 매우 반응적이기 때문에 더 양호한 차폐가 요구된다. 이들 고온 금속이 공기로부터 적절하게 보호되지 않으면, 용접으로 인해 취성 구조가 유발되어 용접 조인트의 기계적 특성이 감소될 수 있고 시임이 변색될 수 있다. 특히, 티타늄은 공기 중의 가스에 매우 반응적이어서 온도가 350℃ 초과이면 보호되어야 한다.
본 개시내용의 일 양태에 따라, 레이저 가공 헤드와 함께 사용하기 위한 가스 차폐 디바이스가 제공된다. 가스 차폐 디바이스는 목부를 포함하고, 목부는 목부의 제1 단부로부터 제2 단부로 연장되는 중심 구멍을 형성한다. 중심 구멍은 제1 단부로부터 제2 단부를 통해 작업편으로 통과하는 레이저 빔을 수신하도록 구성된다. 목부가 차폐 판의 제1 측면으로부터 연장되고 차폐 판은 중심 구멍 주위에서 원주방향으로 연장되도록 차폐 판은 제2 단부 근처에서 목부에 결합된다. 차폐 판은 차폐 판의 제2 측면 상의 복수의 가스 출구를 포함하며, 복수의 가스 출구는 적어도 하나의 가스 입구에 유동적으로 결합되고 복수의 위치에서 작업편의 표면을 향하는 방향으로 가스 유동을 지향시키도록 구성된다.
본 개시내용의 다른 양태에 따라, 차폐형 레이저 용접 헤드는 섬유 레이저의 출력 섬유에 결합되도록 구성되고 제한된 시야 내에서만 레이저 빔을 이동시키도록 구성된 스캐닝 레이저 용접 헤드 디바이스를 포함하고 가스 차폐 디바이스는 레이저 용접 헤드 디바이스에 결합된다. 가스 차폐 디바이스는 목부를 포함하고, 목부는 목부의 제1 단부로부터 제2 단부로 연장되는 중심 구멍을 형성한다. 중심 구멍은 제1 단부로부터 제2 단부를 통해 작업편으로 통과하는 이동 레이저 빔을 수신하도록 구성된다. 목부가 차폐 판의 제1 측면으로부터 연장되고 차폐 판이 중심 구멍 주위에서 원주방향으로 연장되도록, 차폐 판이 목부에 결합된다. 차폐 판은 제1 측면에 대향하는 제2 측면 상에 복수의 가스 출구를 포함하며, 가스 출구는 적어도 하나의 가스 입구에 유동적으로 결합되고 복수의 위치에서 작업편의 표면을 향하는 방향으로 가스 유동을 지향시키도록 구성된다.
본 개시내용의 추가 양태에 따라, 레이저 용접 시스템은, 출력 섬유를 포함하는 섬유 레이저, 섬유 레이저의 출력 섬유에 결합되고 제한된 시야 내에서만 레이저 빔을 이동시키도록 구성된 스캐닝 레이저 용접 헤드, 및 레이저 용접 헤드에 결합된 가스 차폐 디바이스를 포함한다. 가스 차폐 디바이스는 목부를 포함하고, 목부는 목부의 제1 단부로부터 제2 단부로 연장되는 중심 구멍을 형성한다. 중심 구멍은 제1 단부로부터 제2 단부를 통해 작업편으로 통과하는 이동 레이저 빔을 수신하도록 구성된다. 목부가 차폐 판의 제1 측면으로부터 연장되고 차폐 판이 중심 구멍 주위에서 원주방향으로 연장되도록 차폐 판이 목부에 결합된다. 차폐 판은 제1 측면에 대향하는 제2 측면 상의 복수의 가스 출구를 포함하며, 가스 출구는 적어도 하나의 가스 입구에 유동적으로 결합되고 복수의 위치에서 작업편의 표면을 향하는 방향으로 가스 유동을 지향시키도록 구성된다.
이들 및 다른 특징과 이점은 도면과 함께 취한, 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 더 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른, 가스 차폐 디바이스를 갖는 레이저 용접 헤드를 포함하는 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 요동을 위해 이중 거울에 의해 제공되는 비교적 작은 이동 범위를 갖는 포커싱된 레이저 빔의 개략도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 빔 이동을 위해 이중 거울을 포함하는 용접 헤드에 의해 생성될 수 있는 상이한 요동 패턴을 예시하는 개략도이다.
도 4 및 도 5는 시준기 모듈, 요동 모듈, 및 함께 조립된 코어 블록 모듈을 구비하며 포커싱된 빔을 방출하는 레이저 용접 헤드의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 가스 차폐 디바이스의 하부 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 가스 차폐 디바이스의 측면도이다.
도 8은 도 6에 도시된 가스 차폐 디바이스의 하부도이다.
도 9는 도 6에 도시된 가스 차폐 디바이스의 상부 사시도이다.
도 10은 도 6에 도시된 가스 차폐 디바이스의 단면 사시도이다.
도 11은 도 6에 도시된 가스 차폐 디바이스의 측단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 가스 분배 튜브에 결합된 가스 차폐 디바이스의 상부 및 하부 사시도를 보여주는 사진이다.
도 13a 및 도 13b는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 가스 분배 튜브에 결합된 가스 차폐 디바이스의 상부 및 하부 사시도를 보여주는 사진이다.
도 14는 도 13a 및 도 13b에 도시된 가스 차폐 디바이스의 측면 사시도이다.
도 15는 단일 노즐을 사용하는 종래의 가스 차폐의 개략도이다.
도 16은 차폐 가스를 용접 부위에 동축으로 전달하기 위한 종래의 동축 노즐의 사시도이다.
본 개시내용의 실시예에 따른 가스 차폐 디바이스는 용접 헤드와 같은 레이저 가공 헤드와 함께 사용되어 더 큰 금속 영역을 차폐하기 위해 더 큰 가스 차폐 영역에 걸쳐 차폐 가스를 확산 및 분배할 수 있다. 가스 차폐 디바이스는 레이저 빔과 함께 이동하도록 레이저 가공 헤드에 결합될 수 있고 용접의 모든 방향에서 더 큰 차폐 효과를 제공하기 위해 동축으로 배치될 수 있다. 가스 차폐 디바이스는 공기 중의 가스와 고도로 반응적인 티타늄 또는 기타 금속을 용접하는 데 및/또는 더 큰 용접 영역(예를 들어, 레이저 빔이 요동되는 경우)에 특히 유용하다.
일부 실시예에서, 가스 차폐 디바이스는, 예를 들어 요동 패턴으로 용접 작업을 수행하는 이동식 거울을 갖는 레이저 용접 헤드와 함께 사용될 수 있다. 이동식 거울은, 예를 들어 1-2°의 스캔 각도에 의해 정의되는 비교적 작은 시야 내에서 하나 이상의 빔의 요동 움직임을 제공한다. 이동식 거울은 갈보 제어기를 포함하는 제어 시스템에 의해 제어 가능한 갈바노미터 거울일 수 있다. 제어 시스템은 또한, 예를 들어 작업편에 대한 빔의 위치 및/또는 거울 중 하나에 근접한 열 상태와 같은 용접 헤드의 감지된 상태에 응답하여 섬유 레이저를 제어하는 데 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 레이저 용접 시스템(100)은 레이저 빔(118)을 작업편(102)에 전달하기 위해 (예를 들어, 커넥터(111a)를 이용하여) 섬유 레이저(112)의 출력 섬유(111)에 결합된 레이저 용접 헤드(110) 및 적어도 하나의 가스 분배 튜브(152)를 통해 가스 공급원(151)에 결합된 가스 차폐 디바이스(150)를 포함한다. 가스 차폐 디바이스(150)는 일반적으로 레이저 빔(118)과 동축일 수 있어 레이저 빔(118)이 작업편(102)으로 통과하게 하는 동시에 또한, 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 레이저 빔(118) 주위 및 용접 영역 전체에 걸쳐 차폐 가스(153)를 확산 및 분배할 수 있다. 차폐 가스(153)는 용접 또는 레이저 가공에 사용되는 임의의 차폐 가스, 예를 들어 불활성 및 반-불활성 가스를 포함할 수 있다.
레이저 용접 헤드(110)는, 예를 들어 용접 비드(106)를 형성하도록 시임(104)을 용접함으로써 작업편(102)에 용접을 수행하는 데 사용될 수 있다. 레이저 용접 헤드(110) 및/또는 작업편(102)은 시임(104)의 방향을 따라 서로에 대해 이동될 수 있다. 레이저 용접 헤드(110)는 적어도 하나의 축을 따라, 예를 들어 시임(104)의 길이를 따라 작업편(102)에 대해 용접 헤드(110)를 이동시키기 위한 모션 스테이지(114) 상에 위치될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 작업편(102)은 레이저 용접 헤드(110)에 대해 작업편(102)을 이동시키기 위한 모션 스테이지(108) 상에 위치될 수 있다.
섬유 레이저(112)는 근적외선 스펙트럼 범위(예를 들어, 1060-1080 nm)의 레이저를 생성할 수 있는 이테르븀 섬유 레이저를 포함할 수 있다. 이테르븀 섬유 레이저는 일부 실시예에서 최대 1 kW의 출력 및 다른 실시예에서 최대 50 kW의 더 높은 출력으로 레이저 빔을 생성할 수 있는 단일 모드 또는 다중 모드의 연속파 이테르븀 섬유 레이저일 수 있다. 섬유 레이저(112)의 예는 IPG Photonics Corporation으로부터 입수 가능한 YLR SM 시리즈 또는 YLR HP 시리즈 레이저를 포함한다. 섬유 레이저(112)는 또한 2015년 8월 13일자로 출원되었고 발명의 명칭이 "Multibeam Fiber Laser System"인 국제 출원 제PCT/US2015/45037호에 개시된 유형과 같은 다중 빔 섬유 레이저를 포함할 수 있고, 이 다중 빔 섬유 레이저는 하나 이상의 레이저 빔을 다수의 섬유를 통해 선택적으로 전달할 수 있다.
레이저 용접 헤드(110)는 일반적으로 출력 섬유(111)로부터의 레이저 빔을 시준하기 위한 시준기(122), 시준된 빔(116)을 반사 및 이동시키기 위한 적어도 제1 및 제2 이동식 거울(132, 134), 및 포커싱하고 포커싱된 빔(118)을 작업편(102)에 전달하기 위한 초점 렌즈(142)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 고정식 거울(144)은 또한 제2 이동식 거울(134)로부터 초점 렌즈(142)로 시준된 레이저 빔(116)을 지향시키는 데 사용된다. 시준기(122), 이동식 거울(132, 134), 초점 렌즈(142) 및 고정식 거울(144)은, 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 함께 결합될 수 있는 별도의 모듈(120, 130, 140)에 제공될 수 있다. 레이저 용접 헤드(110)는 또한, 예를 들어 광이 제2 거울(134)로부터 초점 렌즈(142)를 향해 반사되도록 거울(132, 134)이 배치된 경우, 고정식 거울(144) 없이 구성될 수 있다.
이동식 거울(132, 134)은 상이한 축(131, 133)을 중심으로 피봇 가능하여, 시준된 빔(116)이 이동하게 하고, 따라서 포커싱된 빔(118)이 적어도 2개의 상이한 수직 축(2, 4)에서 작업편(102)에 대해 이동하게 한다. 이동식 거울(132, 134)은 방향을 빠르게 반전시킬 수 있는 갈보 모터에 의해 이동될 수 있는 갈바노미터 거울일 수 있다. 다른 실시예에서, 스테퍼 모터와 같은 다른 메커니즘이 거울을 이동시키는 데 사용될 수 있다. 레이저 용접 헤드(110)에서 이동식 거울(132, 134)을 사용하면, 전체 용접 헤드(110)를 이동시킬 필요 없이 그리고 회전 프리즘을 사용하지 않고 빔 요동을 위해 레이저 빔(118)이 정밀하고, 제어 가능하며 신속하게 이동하게 된다.
용접 헤드(110)의 실시예에서, 이동식 거울(132, 134)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 10°미만, 보다 구체적으로 약 1-2°의 스캔 각도(α) 내에서 빔(118)을 피봇시킴으로써 비교적 작은 시야(예를 들어, 30 x 30 mm 미만) 내에서만 빔(118)을 이동시켜, 빔이 요동하게 한다. 이와 달리, 종래의 레이저 스캔 헤드는 일반적으로 훨씬 더 큰 시야(예를 들어, 50 x 50 mm 초과 250 x 250 mm 이하) 내에서 레이저 빔의 이동을 제공하며 더 큰 시야 및 스캔 각도를 수용하도록 설계된다. 따라서, 레이저 용접 헤드(110)에서 비교적 작은 시야만을 제공하기 위한 이동식 거울(132, 134)의 사용은 반직관적이고 갈보 스캐너를 사용할 때 더 넓은 시야를 제공하는 종래의 통념에 반한다. 시야 및 스캔 각도를 제한하면, 용접 헤드(110)에서 갈보 거울을 사용할 때, 예를 들어 더 빠른 속도를 가능하게 하고, 렌즈와 같은 저렴한 구성요소와 함께 사용하게 하며, 에어 나이프 및/또는 가스 보조 부속품과 같은 부속품과 함께 사용하게 함으로써 이점을 제공한다.
용접 헤드(110)의 예시적인 실시예에서 더 작은 시야 및 스캔 각도 때문에, 제2 거울(134)은 제1 거울(132)과 실질적으로 동일한 크기일 수 있다. 이와 달리, 종래의 갈보 스캐너는 일반적으로 더 큰 시야 및 스캔 각도를 제공하기 위해 더 큰 제2 거울을 사용하고 더 큰 제2 거울은 적어도 하나의 축에서 이동 속도를 제한할 수 있다. 따라서, 용접 헤드(110)에서 더 작은 크기의 제2 거울(134)(예를 들어, 제1 거울(132)과 거의 동일한 크기)은, 큰 스캔 각도를 제공하는 종래의 갈보 스캐너의 더 큰 거울에 비해, 거울(134)이 더 빠른 속도로 이동하게 할 수 있다.
초점 렌즈(142)는 레이저 용접 헤드에 사용하도록 공지된 초점 렌즈를 포함할 수 있으며, 예를 들어 100 mm 내지 1000 mm 범위의 다양한 초점 거리를 가질 수 있다. 종래의 레이저 스캔 헤드는, 더 큰 시야 내에 빔을 포커싱하도록 훨씬 더 큰 직경(예를 들어, 33 mm 직경 빔에 대해 300 mm 직경 렌즈)을 갖는 F 세타 렌즈, 필드 평활 렌즈, 또는 텔레센트릭 렌즈와 같은 다중 요소 스캐닝 렌즈를 사용한다. 이동식 거울(132, 134)은 비교적 작은 시야 내에서 빔을 이동시키기 때문에, 더 큰 다중 요소 스캐닝 렌즈(예를 들어, F 세타 렌즈)가 필요하지 않고 사용되지 않는다. 본 개시내용에 따른 용접 헤드(110)의 한가지 예시적인 실시예에서, 50 mm 직경의 평면 볼록 F300 초점 렌즈를 사용하여 약 15 x 5 mm의 시야 내에서 이동하도록 약 40 mm의 직경을 갖는 빔을 포커싱할 수 있다. 더 작은 초점 렌즈(142)의 사용은 또한 용접 헤드(110)의 단부에서 에어 나이프 및/또는 가스 보조 부속품과 같은 추가 부속품이 사용되게 한다. 종래의 레이저 스캔 헤드에 필요한 더 큰 스캐닝 렌즈는 그러한 부속품의 사용을 제한하였다.
용접을 위해 적어도 2개의 빔 스폿을 (예를 들어, 용접의 양측부에) 제공하도록 레이저 빔을 분할하기 위한 빔 스플리터와 같은 다른 광학 구성요소가 레이저 용접 헤드(110)에 사용될 수도 있다. 추가 광학 구성요소는 또한 회절 광학계를 포함할 수 있으며 시준기(122)와 거울(132, 134) 사이에 위치 설정될 수 있다.
용접 프로세스에 의해 생성된 부스러기로부터 렌즈 및 기타 광학계를 보호하기 위해 보호 윈도우(146)가 렌즈(142) 전방에 제공될 수 있다. 보호 윈도우(146)는 또한 가스 차폐 디바이스(150)에 일체화되거나 대체될 수 있다. 이동식 거울이 있는 레이저 용접 헤드(110)는 가스 차폐 디바이스(150) 및 기타 기존 레이저 용접 부속품과 같은 용접 헤드 부속품과 함께 사용될 수 있다.
레이저 용접 시스템(100)의 예시된 실시예는 또한, 예를 들어 빔(118)의 전진 위치에서 시임(104)을 검출하고 위치시키기 위한 카메라와 같은 검출기(현재 도시됨)를 포함한다. 카메라/검출기는 용접 헤드(110)의 일 측부에 위치될 수 있거나 용접 헤드(110)를 통해 지향되어 시임(104)을 검출하고 위치시킬 수 있다. 가스 차폐 디바이스(150)에 의한 음영으로 인해 필요할 수 있는 추가 광원(도시되지 않음)이 카메라와 함께 사용될 수 있다.
레이저 용접 시스템(100)의 예시된 실시예는, 예를 들어 용접 헤드(110)의 감지된 상태, 시임(104)의 검출된 위치, 및/또는 레이저 빔(118)의 이동 및/또는 위치에 응답하여, 섬유 레이저(112), 이동식 거울(132, 134)의 위치 설정, 및/또는 모션 스테이지(108, 114)를 제어하기 위한 제어 시스템(160)을 더 포함한다. 레이저 용접 헤드(110)는 열 상태를 감지하도록 각각의 제1 및 제2 이동식 거울(132, 134)에 근접한 제1 및 제2 열 센서(162, 164)와 같은 센서를 포함할 수 있다. 제어 시스템(160)은 이동식 거울(132, 134)에 근접한 열 상태를 모니터링하도록 데이터를 수신하기 위해 센서(162, 164)에 전기적으로 연결된다. 제어 시스템(160)은 또한, 예를 들어 시임(104)의 검출된 위치를 나타내는 카메라/검출기(도시되지 않음)로부터의 데이터를 수신함으로써 용접 작업을 모니터링할 수 있다.
제어 시스템(160)은, 예를 들어 레이저를 차단하거나, 레이저 파라미터(예를 들어, 레이저 출력)를 변경하거나, 임의의 다른 조절 가능한 레이저 파라미터를 조절함으로써 섬유 레이저(112)를 제어할 수 있다. 제어 시스템(160)은 레이저 용접 헤드(110)에서 감지된 상태에 응답하여 섬유 레이저(112)가 차단되게 할 수 있다. 감지된 상태는 센서(162, 164) 중 하나 또는 둘 모두에 의해 감지된 열 상태일 수 있으며 고출력 레이저에 의해 야기되는 고온 또는 기타 상태를 초래하는 거울 오작동을 나타낼 수 있다.
제어 시스템(160)은 안전 인터록을 트리거함으로써 섬유 레이저(112)가 차단되게 할 수 있다. 안전 인터록은, 출력 섬유(111)가 시준기(122)로부터 연결 해제될 때 안전 인터록 상태가 트리거되고 레이저가 차단되도록 출력 섬유(111)와 시준기(122) 사이에 구성된다. 예시된 실시예에서, 레이저 용접 헤드(110)는 안전 인터록 피처를 이동식 거울(132, 134)로 연장시키는 인터록 경로(166)를 포함한다. 인터록 경로(166)는 출력 섬유(111)와 제어 시스템(160) 사이에서 연장되어 제어 시스템(160)이 레이저 용접 헤드(110)에서 검출된 잠재적으로 위험한 상태에 응답하여 안전 인터록 상태를 트리거하게 한다. 이 실시예에서, 제어 시스템(160)은 하나 또는 둘 모두의 센서(162, 164)에 의해 검출된 미리 정해진 열 상태에 응답하여 안전 인터록 상태가 인터록 경로(166)를 통해 트리거되게 할 수 있다.
제어 시스템(160)은 또한 레이저(112)를 턴오프하는 일 없이 빔(118)의 이동 또는 위치에 응답하여 레이저 파라미터(예를 들어, 레이저 출력)를 제어할 수 있다. 이동식 거울(132, 134) 중 하나가 빔(118)을 범위를 벗어나게 또는 너무 느리게 이동시키면, 제어 시스템(160)은 레이저에 의한 손상을 피하기 위해 빔 스폿의 에너지를 동적으로 제어하도록 레이저 출력을 감소시킬 수 있다. 제어 시스템(160)은 다중 빔 섬유 레이저에서 레이저 빔의 선택을 추가로 제어할 수 있다.
제어 시스템(160)은 또한, 예를 들어 포커싱된 빔(118)의 위치를 교정하여 시임(104)을 찾고, 추적하며 및/또는 추종하도록 카메라/검출기로부터 시임(104)의 검출된 위치에 응답하여 이동식 거울(132, 134)의 위치 설정을 제어할 수 있다. 제어 시스템(160)은 카메라/검출기로부터의 데이터를 사용하여 시임(104)의 위치를 식별한 다음, 빔(118)이 시임(104)과 일치할 때까지 거울(132, 134) 중 하나 또는 둘 모두를 이동시킴으로써 시임(104)을 찾을 수 있다. 제어 시스템(160)은, 빔(118)이 시임을 따라 이동하여 용접을 수행할 때 빔이 시임(104)과 일치하도록 빔(118)의 위치를 연속적으로 조절하거나 교정하기 위해 거울(132, 134) 중 하나 또는 둘 모두를 이동시킴으로써 시임(104)을 추종할 수 있다. 제어 시스템(160)은 또한, 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 용접 동안 요동 이동을 제공하기 위해 이동식 거울(132, 134) 중 하나 또는 둘 모두를 제어할 수 있다.
따라서, 제어 시스템(160)은 레이저 및 거울을 함께 제어하기 위해 함께 작동하는 레이저 제어 및 거울 제어를 모두 포함한다. 제어 시스템(160)은, 예를 들어 하드웨어(예를 들어, 범용 컴퓨터) 및 섬유 레이저 및 갈보 거울을 제어하는 데 사용하도록 공지된 소프트웨어를 포함할 수 있다. 기존의 갈보 제어 소프트웨어가 사용될 수 있으며, 예를 들어 본 명세서에 설명된 바와 같이 갈보 거울이 제어되게 하도록 수정될 수 있다. 제어 시스템(160)은, 예를 들어 가스 분배 튜브(들)(152)를 통해 가스 차폐 디바이스(150)로 전달되는 차폐 가스의 압력을 제어하기 위해 가스 공급원(151)을 추가로 제어할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 시임(304)의 교반 용접을 수행하는 데 사용될 수 있는 요동 패턴의 예를 예시한다. 본 명세서에서 사용될 때, "요동"은 10° 미만의 스캔 각도에 의해 정의된 비교적 작은 시야 내에서 (예를 들어, 2개의 축에서) 레이저 빔의 왕복 운동을 지칭한다. 도 3a 및 도 3b는 각각 시임(304)을 따라 순차적으로 형성되는 원형 패턴 및 8자 모양 패턴을 도시한다. 도 3c 및 도 3d는 각각 시임(304)을 따라 형성되는 지그재그 패턴 및 파형 패턴을 도시한다. 특정 요동 패턴이 예시되어 있지만, 다른 요동 패턴이 본 개시내용의 범위 내에 있다. 레이저 용접 헤드(110)에서 이동식 거울을 사용하는 한 가지 이점은 다양한 여러 요동 패턴에 따라 빔을 이동시키는 능력이다.
도 4 및 도 5는 스캐닝 레이저 용접 헤드(410)의 예시적인 실시예를 보다 상세하게 예시한다. 하나의 특정 실시예가 도시되어 있지만, 본 명세서에 설명된 레이저 용접 헤드와 시스템 및 방법의 다른 실시예가 본 개시내용의 범위 내에 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 용접 헤드(410)는 시준기 모듈(420), 요동 모듈(430), 및 코어 블록 모듈(440)을 포함한다. 요동 모듈(430)은 전술한 바와 같이 제1 및 제2 이동식 거울을 포함하고 시준기 모듈(420)과 코어 블록 모듈(440) 사이에 결합된다.
시준기 모듈(420)은 레이저 용접 헤드에 사용하도록 공지된 유형과 같은 고정된 쌍의 시준기 렌즈를 갖는 시준기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 시준기는 빔 스폿 크기 및/또는 초점을 조절할 수 있는 이동식 렌즈와 같은 다른 렌즈 구성을 포함할 수 있다. 요동 모듈(430)은 상이한 수직 축을 중심으로 갈보 거울(도시되지 않음)을 이동시키기 위한 제1 및 제2 갈바노미터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 레이저 스캐닝 헤드에 사용하도록 공지된 갈바노미터가 사용될 수 있다. 갈바노미터는 갈바노미터 제어기(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 갈보 제어기는 거울의 움직임을 제어하고 이에 따라 레이저 빔의 움직임 및/또는 위치 설정을 제어하도록 갈바노미터를 제어하기 위한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 공지된 갈보 제어 소프트웨어가 사용될 수 있고 본 명세서에 설명된 기능, 예를 들어 시임 탐지, 요동 패턴, 및 레이저와의 통신을 제공하도록 수정될 수 있다. 코어 블록 모듈(440)은 요동 모듈(430)로부터 수신된 빔을 초점 렌즈로, 이어서 작업편으로 재지향시키는 고정식 거울(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5는 각각의 모듈(420, 430, 440)이 함께 결합되어 포커싱된 빔(418)을 방출하는 조립된 레이저 용접 헤드(410)를 도시한다. 시준기 모듈(420)에 결합된 레이저 빔이 시준되고 시준된 빔은 요동 모듈(430)로 지향된다. 요동 모듈(430)은 거울을 사용하여 시준된 빔을 이동시키고, 이동하는 시준된 빔을 코어 블록 모듈(440)로 지향시킨다. 이어서, 코어 블록 모듈(440)은 이동 빔을 포커싱하고 포커싱된 빔(418)은 작업편(도시되지 않음)로 지향된다.
도 6 내지 도 12를 참조하면, 가스 차폐 디바이스(600)의 예시적인 실시예가 도시되고 보다 상세하게 설명된다. 가스 차폐 디바이스(600)의 이 실시예는 스캐닝 레이저 빔(예를 들어, 전술한 바와 같은)을 작업편으로 통과시키기 위한 목부(610) 및 차폐 가스를 용접 영역의 작업편으로 확산 및 분배하도록 목부(610)에 결합된 가스 차폐 판(620)을 포함한다. 목부(610)는 제1 단부(611)로부터 제2 단부(613)로 연장되고 스캐닝 레이저 빔이 차폐 판(620)을 통해 차폐 판(620)의 반대측에 있는 작업편으로 지향되게 하도록 구성된 중심 구멍(612)을 형성한다. 차폐 판(620)은 제2 단부(613) 근처에서 목부(610)에 결합되어, 차폐 판(620)이 스캐닝 레이저 빔을 수신하는 중심 구멍(612)과 동축이 되도록 중심 구멍(612) 주위에서 원주방향으로 연장된다. 목부(610)의 중심 구멍(612)은 약 10-60 mm 범위의 직경을 가질 수 있다.
이 실시예에서, 차폐 판(620)은 제1 표면(621) 상의 하나 이상의 가스 입구(622) 및 제1 표면(621)에 대향하고 사용 동안 작업편과 대면할 제2 표면(623) 상의 복수의 가스 출구(624)를 포함한다. 차폐 판(620)은 가스 입구(들)(622)를 복수의 가스 출구(624)에 유동적으로 결합시키는 가스 확산 영역(626)을 형성한다. 실시예에서, 가스 확산 영역(626)은 Scotch-BriteTM 제너럴 퍼포즈 스카우어 패드(General Purpose Scour Pad)라는 이름으로 3M에서 입수 가능한 부직포 패드와 같은 다공성 재료, 또는 가스 출구(624)로부터 층류 유동 분배를 제공할 수 있는 임의의 다른 확산 재료를 포함할 수 있다.
도 11의 화살표에 의해 도시된 바와 같이, 차폐 가스는 가스 입구(들)(622)를 통해 가스 확산 영역(626)으로 통과한 다음, 예를 들어 작업편(602)의 표면에 실질적으로 수직인 방향으로 작업편(602)을 향해 가스 출구(624)를 빠져나간다. 이와 같이, 차폐 판(620) 및 가스 출구(624)는 차폐 가스를 확산시키고 가공 또는 용접 영역에서 차폐 가스의 층류 유동을 제공하도록 설계 및 구성된다.
예시된 실시예에 도시된 바와 같이, 가스 출구(624)는, 적어도 레이저 빔의 스캐닝 영역 및 가공 또는 용접 영역을 포함하는 비교적 넓은 영역에 걸쳐 차폐 가스를 분배하기 위해 차폐 판(620)의 제2 측면(623)의 상당한 부분에 걸쳐 이격될 수 있다. 차폐 판(620)의 예는 약 100 mm 내지 150 mm 범위, 보다 구체적으로 약 100 mm, 약 125 mm, 또는 약 150 mm의 직경을 가질 수 있다. 차폐 판(620)이 원형 디스크로 도시되어 있지만, 제한 없이 다각형 및 장방형 형상을 포함하여 다른 형상도 고려된다. 동축 구성을 제공하면 레이저 빔에 대한 임의의 방향으로 용접 영역에서 우수한 차폐가 가능하다.
각각의 가스 출구(624)는, 예를 들어 약 0.2 내지 5.0 mm 범위의 직경을 갖는 비교적 작은 구멍 또는 개구일 수 있다. 가스 출구(624)는 적절한 확산을 제공하여 차폐 가스의 층류 유동을 생성하도록 차폐 판(620)의 제2 측면(623) 상에 패턴으로 분포된다. 예시된 실시예에서, 패턴은 차폐 판(620)의 중심부(예를 들어, 중심 구멍(612)에 근접함)로부터 차폐 판(620)의 외부 부분으로 연장되는 라인으로 배치된 가스 출구(624)를 포함한다. 제한 없이 동심원 및 반경방향 라인을 포함하는 가스 출구(624)의 다른 패턴이 또한 고려된다. 가스 출구(624)는 또한 가스 차폐 판(620)의 제2 표면(623)에 걸쳐 실질적으로 균등하게 분포될 수 있다.
예시된 실시예가 차폐 판(620)의 제1 표면(621) 주위에 실질적으로 균등하게 분포된 4개의 가스 입구(622)를 도시하지만, 가스 입구(622)의 다른 개수 및 위치가 고려된다. 다른 실시예에서, 가스 입구(622)는 또한 다른 위치에, 예를 들어 목부(610) 상에 있을 수 있다. 가스 입구(들)(622)는, 예를 들어 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 가스 튜브(630)에 결합될 수 있다. 가스 입구 및 가스 출구의 크기, 개수 및 위치와 가스 압력은 원하는 층류 유동을 제공하도록 변경될 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 중심 구멍(612)을 형성하는 하부 목부 부분(616)은 차폐 판(620)을 넘어 연장될 수 있다.
가스 차폐 디바이스(600)는 본 명세서에 설명된 스캐닝 레이저 용접 헤드(400)에 또는 임의의 다른 레이저 용접 헤드 또는 레이저 가공 헤드에 결합될 수 있다. 가스 차폐 디바이스(600)의 이 실시예는 레이저 가공 헤드와 동축으로 결합될 수 있다. 가스 차폐 디바이스(600)는, 예를 들어 도 16에 도시된 바와 같이, 기존의 동축 노즐과 함께 사용되는 것과 유사한 결합 메커니즘(650)을 사용하여 레이저 가공 헤드에 동축으로 결합될 수 있다. 가스 차폐 디바이스(600)를 레이저 가공 헤드에 결합시킴으로써, 가스 차폐 디바이스(600) 및 더 큰 차폐 효과는 스캐닝 레이저 빔과 함께 이동하고 2개의 별도의 디바이스를 제어할 필요성을 피한다.
가스 차폐 디바이스(1300)의 다른 실시예가 도 13a, 도 13b 및 도 14에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 가스 차폐 디바이스(1300)는 과열 없이 연속 작동을 허용하는 물(또는 다른 액체) 냉각 기능을 제공하는 하나 이상의 냉각 통로를 포함하는 가스 차폐 판(1320) 및 목부(1310)를 포함한다. 하나 이상의 냉각 입구/출구(1340)는 목부(1310)의 상부 부분(1318)에 결합되어 물 또는 다른 냉각 액체가 냉각 통로로 들어오고 나가는 것을 허용한다. 이 실시예에서, 전술한 실시예와 유사하게, 목부(1310)는 중심 구멍(1312)을 형성하고 가스 차폐 판(1320)은 복수의 가스 출구(1324)를 형성한다.
가스 차폐 디바이스(1300)의 이 실시예에서, 가스 입구(1322)는 또한 목부(1310)의 상부 부분(1318) 상에 위치되고 가스 통로는 목부를 통해 차폐 판(1320)의 하부에 있는 가스 출구(1324)로 연장된다. 전술한 바와 같이, 결합 메커니즘(1350)은 목부(1310)의 상부 부분(1318)을 용접 헤드에 결합하는 데 사용될 수 있다. 하부 목부 부분(1316)은 또한 중심 구멍(1312)을 형성하고 차폐 판(1320)의 하부로부터 연장된다.
냉각 통로 및 가스 통로를 수용하기 위해, 가스 차폐 디바이스(1300)의 목부(1310)는 전술한 실시예보다 큰 직경을 갖는다. 일 예에서, 목부(1310)는 약 76.2 mm의 직경을 갖고, 차폐 판(1320)은 약 128 mm의 직경을 가지며, 목부(1310)의 상부 부분(1318)은 약 95 mm의 직경을 갖고, 결합 메커니즘(1350)은 약 39.5 mm의 직경을 가지며, 하부 목부 부분(1316)은 약 42 mm의 직경을 갖는다. 이 실시예에서, 목부(1310)는 냉각 및 가스 통로가 사이에 위치되는 외부 튜브 및 내부 튜브(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 내부 튜브는 스테인리스강으로 제조될 수 있다(즉, 알루미늄과 달리).
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 가스 차폐 디바이스는 레이저 가공 영역 주위의 더 넓은 영역에 걸쳐 효과적인 가스 차폐를 제공하며, 이는 산소 또는 질소에 민감하거나 반응하는 재료를 갖는 요동 용접 용례에 특히 유리하다.
본 발명의 원리가 본 명세서에서 설명되었지만, 이 설명은 본 발명의 범위에 관한 제한이 아니라 단지 예로서만 이루어진다는 것을 본 기술 분야의 숙련자는 이해해야 한다. 본 명세서에 도시되고 설명된 예시적인 실시예에 더하여 다른 실시예가 본 발명의 범위 내에서 고려된다. 본 기술 분야의 숙련자에 의한 수정 및 대체는, 다음의 청구범위에 의한 것을 제외하고는 제한되지 않는 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.

Claims (22)

  1. 레이저 가공 헤드와 함께 사용하기 위한 가스 차폐 디바이스이며, 상기 가스 차폐 디바이스는,
    목부로서, 목부는 목부의 제1 단부로부터 제2 단부로 연장되는 중심 구멍을 형성하고, 중심 구멍은 제1 단부로부터 제2 단부를 통해 작업편으로 통과하는 레이저 빔을 수신하도록 구성되는 것인, 목부; 및
    차폐 판으로서, 차폐 판은 목부가 차폐 판의 제1 측면으로부터 연장되고 차폐 판이 중심 구멍 주위에서 원주방향으로 연장되도록 제2 단부 근처에서 목부에 결합되는, 차폐 판을 포함하고, 상기 차폐 판은 차폐 판의 제2 측면 상에 복수의 가스 출구를 포함하며, 상기 복수의 가스 출구는 적어도 하나의 가스 입구에 유동적으로 결합되고 복수의 위치에서 작업편의 표면을 향하는 방향으로 가스 유동을 지향시키도록 구성되는, 가스 차폐 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스 입구는 차폐 판의 제1 측면 상에 위치되는, 가스 차폐 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스 입구는 목부의 상부 부분 상에 위치되는, 가스 차폐 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 차폐 가스를 제2 측면 상의 복수의 가스 출구로 분배하기 위해 상기 적어도 하나의 가스 입구에 결합된 적어도 하나의 가스 분배 튜브를 더 포함하는, 가스 차폐 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 냉각 액체가 냉각 통로를 통해 유동하게 하도록, 상기 목부는 적어도 하나의 냉각 통로, 및 냉각 통로에 결합된 적어도 하나의 냉각 입구/출구를 포함하는, 가스 차폐 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 차폐 판은 원형 형상인, 가스 차폐 디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 상기 차폐 판은 100 mm 내지 150 mm 범위의 직경을 갖는, 가스 차폐 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 차폐 판은 목부 및 중심 구멍과 동축인, 가스 차폐 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 목부는 레이저 가공 헤드에 결합하기 위해 목부의 제1 단부에 가공 헤드 결합 메커니즘을 포함하는, 가스 차폐 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 가스 출구는 차폐 판의 중심부로부터 차폐 판의 외부 부분으로 외향 연장되는 라인으로 형성되는, 가스 차폐 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 가스 출구는 차폐 판을 통과하는 이동 레이저 빔을 둘러싸는 가스의 층류 유동을 작업편으로 전달하도록 배치되는, 가스 차폐 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 중심 구멍은 10-60 mm 범위의 직경을 갖는, 가스 차폐 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 차폐 판은 적어도 하나의 가스 입구와 가스 출구 사이에 다공성 재료를 포함하는, 가스 차폐 디바이스.
  14. 차폐형 레이저 용접 헤드이며,
    섬유 레이저의 출력 섬유에 결합되도록 구성되고 제한된 시야 내에서만 레이저 빔을 이동시키도록 구성된 스캐닝 레이저 용접 헤드 디바이스; 및
    상기 레이저 용접 헤드 디바이스에 결합된 가스 차폐 디바이스를 포함하고, 상기 가스 차폐 디바이스는,
    목부로서, 목부는 목부의 제1 단부로부터 제2 단부로 연장되는 중심 구멍을 형성하고, 중심 구멍은 제1 단부로부터 제2 단부를 통해 작업편으로 통과하는 이동 레이저 빔을 수신하도록 구성되는 것인, 목부; 및
    차폐 판으로서, 차폐 판은 목부가 차폐 판의 제1 측면으로부터 연장되고 차폐 판이 중심 구멍 주위에서 원주방향으로 연장되도록 목부에 결합되는, 차폐 판을 포함하고, 상기 차폐 판은 제1 측면에 대향하는 제2 측면 상에 복수의 가스 출구를 포함하며, 상기 복수의 가스 출구는 적어도 하나의 가스 입구에 유동적으로 결합되고 복수의 위치에서 작업편의 표면을 향하는 방향으로 가스 유동을 지향시키도록 구성되는, 레이저 용접 헤드.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제한된 시야는 약 1-2°의 스캔 각도에 의해 형성되는, 레이저 용접 헤드.
  16. 제14항에 있어서, 상기 레이저 용접 헤드 디바이스는,
    시준기;
    시준기로부터 시준된 레이저 빔을 수신하고 제한된 시야 내에서 제1 및 제2 축으로 빔을 이동시키도록 구성된 적어도 제1 및 제2 이동식 거울; 및
    빔이 이동되는 동안 작업편에 대해 레이저 빔을 포커싱하도록 구성된 초점 렌즈를 포함하는, 레이저 용접 헤드.
  17. 제16항에 있어서, 이동식 거울은 갈바노미터 거울인, 레이저 용접 헤드.
  18. 제16항에 있어서, 이동식 거울은 30 x 30 mm 미만의 치수를 갖는 제한된 시야 내에서만 시준된 레이저 빔을 이동시키도록 구성되는, 레이저 용접 헤드.
  19. 레이저 용접 시스템이며,
    출력 섬유를 포함하는 섬유 레이저;
    섬유 레이저의 출력 섬유에 결합되고 제한된 시야 내에서만 레이저 빔을 이동시키도록 구성된 스캐닝 레이저 용접 헤드;
    레이저 용접 헤드에 결합된 가스 차폐 디바이스로서, 가스 차폐 디바이스는,
    목부로서, 목부는 목부의 제1 단부로부터 제2 단부로 연장되는 중심 구멍을 형성하고, 중심 구멍은 제1 단부로부터 제2 단부를 통해 작업편으로 통과하는 이동 레이저 빔을 수신하도록 구성되는 것인, 목부; 및
    차폐 판으로서, 차폐 판은 목부가 차폐 판의 제1 측면으로부터 연장되고 차폐 판이 중심 구멍 주위에서 원주방향으로 연장되도록 목부에 결합되는, 차폐 판을 포함하고, 상기 차폐 판은 제1 측면에 대향하는 제2 측면 상에 복수의 가스 출구를 포함하며, 상기 복수의 가스 출구는 적어도 하나의 가스 입구에 유동적으로 결합되고 복수의 위치에서 작업편의 표면을 향하는 방향으로 가스 유동을 지향시키도록 구성되는 것인, 가스 차폐 디바이스; 및
    적어도 섬유 레이저 및 거울의 위치를 제어하기 위한 제어 시스템을 포함하는, 레이저 용접 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 섬유 레이저는 이테르븀 섬유 레이저를 포함하는, 레이저 용접 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 상기 섬유 레이저는 다중 레이저 빔을 전달하기 위한 다중 출력 섬유를 포함하는, 레이저 용접 시스템.
  22. 제19항에 있어서, 상기 제어 시스템은 요동 패턴을 제공하기 위해 제한된 시야 내에서 이동 레이저 빔의 움직임을 제어하도록 구성되는, 레이저 용접 시스템.
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