KR20240023115A

KR20240023115A - 핸드헬드 레이저 시스템의 세정 기능

Info

Publication number: KR20240023115A
Application number: KR1020247001486A
Authority: KR
Inventors: 유리 마르쿠쇼브; 유리 그라포브; 남 리; 세르게이 노비코브
Original assignee: 아이피지 포토닉스 코포레이션
Priority date: 2021-06-18
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2024-02-20
Also published as: EP4355504A1; WO2022266530A1; AU2022294104A1; CO2024000240A2; US20240173755A1; WO2022266530A8; BR112023026708A2; CA3223293A1

Abstract

레이저 방사선을 사용하여 표면을 세정하는 방법 및 시스템이 제공된다. 하나의 예에서, 레이저 방사선을 사용하여 표면을 세정하는 시스템은 레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스로서, 레이저 소스는 세정 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성되며, 세정 모드는 100% 미만의 듀티 사이클, 적어도 10 킬로헤르츠(kHz)보다 큰 펄스 반복 주파수, 및 1 마이크로초(㎲)부터 10 (밀리초)ms까지의 범위의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 연속파(CW) 모드인 것을 특징으로 하는, 레이저 소스, 레이저 방사선을 표면으로 지향시키는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징, 및 핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광섬유를 포함한다.

Description

핸드헬드 레이저 시스템의 세정 기능

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 "CLEANING FUNCTIONALITY IN HANDHELD LASER SYSTEM"이라는 명칭으로 2021년 6월 18일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/212,280호 및 "CLEANING FUNCTIONALITY IN HANDHELD LASER SYSTEM"이라는 명칭으로 2021년 9월 9일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/242,175호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 출원의 내용은 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다.

본 출원은 2021년 8월 25일자로 출원된 "HANDHELD LASER SYSTEM"이라는 명칭의 PCT 국제 출원 제PCT/US2021/047498호 및 2021년 6월 18일자로 출원된 "MATERIAL PROCESSING FUNCTIONALITY IN HANDHELD LASER SYSTEM"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 제63/212,290호에 관한 것이며, 이들 출원의 내용은 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다.

기술 분야

본 기술 분야는 전반적으로 재료 가공 작업에 사용될 수 있는 핸드헬드 레이저 디바이스에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 세정 기능을 갖도록 구성된 핸드헬드 레이저 디바이스에 관한 것이다.

표면에서 수행되는 재료 프로세스에는 표면으로부터 산화물, 유기 또는 무기 재료, 또는 용접 흔적과 같은 오염물을 제거하는 세정 처리가 필요할 수 있다. 레이저 조사는 표면의 상단 층을 기화시키는 열 입력을 표면 상에 제공하는 데 사용될 수 있다.

고출력 용량(예를 들어, 적어도 1 kW)을 갖는 레이저 기반 재료 가공 장비는 통상적으로 산업 절단 및 용접에 사용되어 왔지만, 통상적으로 많은 소규모 기계 공장 또는 기타 소규모 최종 사용자에게는 너무 고가였다. 그러나, 시간 경과에 따라, 레이저 다이오드의 평균 출력은 크게 증가한 반면, 와트당 평균 가격은 기하급수적으로 감소하였다. 또한, 더 높은 출력의 레이저 시스템에서도 기술적 진보가 이루어졌다. 이들 요인으로 인해 핸드헬드 레이저 디바이스와 같은 소형 재료 가공 시스템에 더 높은 출력의 레이저를 구현하는 것이 더 실현 가능하게 되었다. 이러한 시스템은 소규모 산업 공장에 바람직할 뿐만 아니라 이들 디바이스는 대형 시스템이 비실용적이거나 사용이 불가능한 용례에서 특히 유용하다.

절단 및 용접 외에도, 기타 레이저 기반 재료 프로세스는 드릴링, 브레이징, 솔더링, 클래딩, 및 세정과 같은 기타 열 처리를 포함한다. 섬유 레이저 기술은 특히 엑시머 또는 CO₂ 시스템과 같은 다른 레이저 기술에 비교하여 다수의 이점을 제공한다. 낮은 유지 보수 비용 외에도, 섬유 레이저 기술은 또한 높은 벽 플러그 효율성, 긴 다이오드 수명을 제공하며 더 쉽게 운반될 수 있다. 섬유 레이저 세정은 특히 연마재 블라스팅, 냉간 분사, 화학적 세정, 및 열 세정과 같은 다른 세정 방법에 비교하여 상당한 이점을 제공한다. 그러나, 현재까지 종래의 섬유 레이저 세정 방법은 섬유 기반 핸드헬드 레이저 디바이스를 사용한 고품질의 경제적인 세정 모드를 제공하지 못하였다.

양태 및 실시예는 레이저 방사선을 사용하여 표면을 세정 및/또는 부동태화하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

예시적인 실시예에 따르면, 레이저 방사선을 사용하여 표면을 세정하는 시스템이 제공된다. 하나의 예에서, 시스템은 레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스로서, 레이저 소스는 세정 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성되며, 세정 모드는 100% 미만의 듀티 사이클, 적어도 10 킬로헤르츠(kHz)의 펄스 반복 주파수, 및 1 마이크로초(㎲)부터 10 밀리초(ms)까지의 범위의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 연속파(continuous wave)(CW) 모드인 것을 특징으로 하는, 레이저 소스, 레이저 방사선을 표면으로 지향시키는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징, 및 핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광섬유를 포함한다.

하나의 예에서, 펄스 반복 주파수는 10부터 55 kHz까지의 범위에 있다.

하나의 예에서, 세정 모드는 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는다.

하나의 예에서, 듀티 사이클은 10부터 95%까지의 범위에 있다.

하나의 예에서, 시스템은 레이저 소스를 제어하도록 구성된 제어기를 더 포함한다.

하나의 예에서, 시스템은 하우징 내에 위치 설정된 적어도 하나의 이동 가능한 거울을 더 포함하고, 적어도 하나의 이동 가능한 거울은 레이저 빔이 5 mm보다 큰 워블 진폭을 갖도록 레이저 방사선의 레이저 빔을 워블링하도록 구성된다.

하나의 예에서, 시스템은 하우징에 부착되고 세정 모드에서 방출된 레이저 방사선을 세정될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 더 포함한다.

하나의 예에서, 세정 노즐은 레이저 방사선의 통과를 허용하는 개구를 갖도록 구성된다. 추가 예에서, 레이저 방사선은 표면 상에 스캔 라인을 형성한다. 추가 예에서, 개구는 표면에 가스를 전달하도록 추가로 구성된다. 하나의 예에서, 개구는 레이저 방사선의 레이저 빔이 15 mm의 워블 진폭을 갖도록 추가로 구성된다. 다른 예에서, 세정 노즐은 1점 구성, 2점 구성, 또는 홈 중 하나를 갖도록 구성된 노즐 팁을 갖는다. 하나의 예에서, 노즐 팁은 세정 노즐의 관형 본체 부분 상에 압입 끼워맞춤되도록 구성된다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 레이저로 표면을 세정하는 방법이 제공된다. 하나의 예에서, 방법은 레이저 소스를 제공하는 단계로서, 레이저 소스는 세정 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성되며, 세정 모드는 100% 미만의 듀티 사이클, 적어도 10 킬로헤르츠(kHz)의 펄스 반복 주파수, 및 1 마이크로초(㎲)부터 10 밀리초(ms)까지의 범위의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 연속파(CW) 모드인 것을 특징으로 하는, 단계, 세정 모드에서 레이저 소스로부터 레이저 방사선을 생성하는 단계, 및 레이저 소스로부터 방출된 레이저 방사선을 세정될 표면 상으로 지향시키는 단계를 포함한다.

하나의 예에서, 방법은 레이저 빔이 5 mm보다 큰 워블 길이를 갖도록 방출된 레이저 방사선의 레이저 빔을 워블링하는 단계를 더 포함한다.

하나의 예에서, 방법은 레이저 방사선을 방출하는 핸드헬드 디바이스를 제공하는 단계를 더 포함한다.

하나의 예에서, 방법은 핸드헬드 디바이스에 부착되고 세정 모드에서 방출된 레이저 방사선을 세정될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 제공하는 단계를 더 포함한다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 레이저 소스로부터 방출된 레이저 방사선을 세정될 표면 상으로 전달하도록 구성된 레이저 가공 헤드와 함께 사용되는 세정 노즐이 제공된다. 하나의 예에서, 세정 노즐은 레이저 방사선 및 가스가 표면으로 전달되게 하도록 구성된 개구를 포함한다.

하나의 예에서, 세정 노즐은 1점 구성, 2점 구성, 또는 홈 중 하나를 갖도록 구성된 노즐 팁을 갖는다. 다른 예에서, 노즐 팁은 세정 노즐의 관형 본체 부분 상에 결합되도록 구성된다. 다른 예에서, 관형 본체 부분은 레이저 가공 헤드에 결합되도록 구성된다. 다른 예에서, 관형 본체 부분은 부착 메커니즘을 이용하여 레이저 가공 헤드에 결합된다. 하나의 예에서, 표면에 전달되는 레이저 방사선은 스캔 라인을 형성한다. 하나의 예에서, 레이저 가공 헤드는 표면에 전달되는 레이저 방사선의 레이저 빔을 워블링하도록 구성되고, 개구는 레이저 빔의 워블 진폭을 수용하도록 구성된다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 레이저 방사선을 사용하여 표면을 부동태화하는 시스템이 제공된다. 하나의 예에서, 시스템은 레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스로서, 레이저 소스는 100% 미만의 듀티 사이클, 30부터 55 킬로헤르츠(kHz)까지의 범위의 펄스 반복 주파수, 및 나노초 정도 또는 그 이상의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 연속파(CW) 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성된, 레이저 소스, 레이저 방사선을 표면으로 지향시키는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징, 및 핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광섬유를 포함한다.

하나의 예에서 변조된 CW 모드는 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는다.

하나의 예에서, FWHM 펄스 지속 기간은 최대 밀리초 정도까지이다.

하나의 예에서, 시스템은 하우징에 부착되고 부동태화 모드에서 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 더 포함한다.

하나의 예에서, 세정 노즐은 레이저 방사선의 통과를 허용하고 표면에 가스를 전달하는 개구를 갖도록 구성된다.

하나의 예에서, 레이저 방사선은 표면 상에 스캔 라인을 형성한다.

하나의 예에서, 개구는 레이저 방사선의 레이저 빔이 15 mm의 워블 진폭을 갖도록 추가로 구성된다.

다른 실시예에 따르면, 레이저로 표면을 부동태화하는 방법이 제공된다. 하나의 예에서, 방법은 레이저 소스를 제공하는 단계로서, 레이저 소스는 100% 미만의 듀티 사이클, 30부터 55 킬로헤르츠(kHz)까지의 범위의 펄스 반복 주파수, 및 나노초 정도 또는 그 이상의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 연속파(CW) 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성된, 단계, 변조된 CW 모드에서 레이저 소스로부터 레이저 방사선을 생성하는 단계, 및 레이저 소스로부터 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 지향시키는 단계를 포함한다.

하나의 예에서, 방법은 레이저 방사선을 방출하는 핸드헬드 디바이스를 제공하는 단계를 더 포함한다. 추가 예에서, 방법은 핸드헬드 디바이스에 부착되고 변조된 CW 모드에서 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 제공하는 단계를 더 포함한다.

하나의 예에서, 표면은 용접 이음매를 포함하고, 레이저 방사선은 용접 이음매로 지향된다.

하나의 예에서, 표면은 니켈, 니켈 합금, 인코넬, 티타늄, 티타늄 합금, 및 스테인리스강 중 하나를 포함하는 금속 재료이다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 레이저 방사선을 사용하여 표면을 부동태화하는 시스템이 제공된다. 하나의 예에서, 시스템은 레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스로서, 레이저 소스는 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는 연속파(CW) 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성된, 레이저 소스, 레이저 방사선을 표면으로 지향시키는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징, 및 핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광섬유를 포함한다.

하나의 예에서, 시스템은 하우징에 부착되고 CW 모드에서 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 더 포함한다. 다른 예에서, 세정 노즐은 레이저 방사선의 통과를 허용하고 표면에 가스를 전달하는 개구를 갖도록 구성된다. 하나의 예에서, 레이저 방사선은 표면 상에 스캔 라인을 형성한다. 하나의 예에서, 개구는 레이저 방사선의 레이저 빔이 15 mm의 워블 진폭을 갖도록 추가로 구성된다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 레이저로 표면을 부동태화하는 방법이 제공된다. 하나의 예에서, 방법은 레이저 소스를 제공하는 단계로서, 레이저 소스는 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는 연속파(CW) 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성된, 단계, CW 모드에서 레이저 소스로부터 레이저 방사선을 생성하는 단계, 및 레이저 소스로부터 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 지향시키는 단계를 포함한다.

하나의 예에서, 방법은 핸드헬드 디바이스에 부착되고 CW 모드에서 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 제공하는 단계를 더 포함한다.

이러한 예시적인 양태 및 실시예의 또 다른 양태, 실시예, 및 이점이 아래에서 상세히 설명된다. 더욱이, 앞서 설명한 정보 및 다음의 상세한 설명은 모두 다양한 양태 및 실시예의 단지 예시적인 예이고, 청구된 양태 및 실시예의 속성 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 골격을 제공하도록 의도된다는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에 개시된 실시예는 다른 실시예와 결합될 수 있으며, "실시예", "예", "몇몇 실시예", "몇몇 예", "대안 실시예", "다양한 실시예", "일 실시예", "적어도 하나의 실시예", "본 실시예 및 다른 실시예", "특정 실시예" 등에 대한 언급은 반드시 상호 배타적이지 않으며, 설명된 특정 피처, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있다는 것을 나타내도록 의도된다. 본 명세서에서 이러한 용어의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.

적어도 하나의 실시예의 다양한 양태는 실척으로 작성되도록 의도되지 않은 첨부 도면을 참조하여 아래에서 설명된다. 도면은 다양한 양태 및 실시예의 예시 및 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 통합되고 그 일부를 구성하지만, 임의의 특정 실시예의 제한의 정의로서 의도되지 않는다. 명세서의 나머지 부분과 함께 도면은 설명되고 청구된 양태 및 실시예의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다. 도면에서, 다양한 도면에 예시되어 있는 각각의 동일하거나 또는 거의 동일한 구성요소는 동일한 번호로 표시된다. 명확성을 위해, 모든 도면에서 모든 구성요소가 라벨 표시되지 않을 수 있다. 도면에서:
도 1은 본 개시내용의 양태에 따른 핸드헬드 레이저 시스템의 일 예의 개략도이고;
도 2a는 본 개시내용의 양태에 따른 핸드헬드 레이저에 부착된 세정 노즐의 비제한적인 일 예의 사진이며;
도 2b는 본 개시내용의 양태에 따른 핸드헬드 레이저에 부착된 세정 노즐의 예의 사시도이고;
도 3은 본 개시내용의 양태에 따른 2점 세정 노즐의 비제한적인 일 예의 사시도이며;
도 3a는 본 개시내용의 양태에 따른 핸드헬드 레이저에 부착된 2점 세정 노즐의 비제한적인 일 예의 사진이고;
도 3b 및 도 3c는 본 개시내용의 양태에 따른 세정 절차에서 레이저 방사선을 방출하는 세정 노즐의 정면도 및 사시도를 각각 도시하는 사진이며;
도 4는 본 개시내용의 양태에 따른 홈이 있는 팁을 갖도록 구성된 세정 노즐의 비제한적인 일 예의 사시도이고;
도 5는 본 개시내용의 양태에 따른 볼 단부 팁을 갖도록 구성된 1점 세정 노즐의 비제한적인 일 예의 사시도이며;
도 6은 본 발명의 양태에 따른 레이저 헤드에 부착된 세정 노즐의 개략도이다.

본 명세서에서는 출원인이 소유하고 전문이 본 명세서에 참조로 포함되는 PCT 국제 출원 제PCT/US2021/047498호(이하 "기본 핸드헬드 레이저 출원"이라고 지칭됨)을 참조한다. 기본 핸드헬드 레이저 출원은 광섬유를 통해 핸드헬드 구성요소에 결합되는 공냉식 레이저 소스를 포함하는 핸드헬드 레이저 시스템을 설명한다. 핸드헬드 레이저 시스템은 적어도 1 kW 정도인 출력 능력을 가지며 빔 워블링 능력을 갖도록 구성된다.

도 1은 기본 핸드헬드 레이저 출원에 개시된 핸드헬드 레이저 시스템과 유사성을 갖는 핸드헬드 레이저 시스템(100)의 일 예의 개략도를 예시한다. 이들 유사점은 레이저 소스(115), 제어기 또는 제어 시스템(150), 핸드헬드 장치(120)(본 명세서에서는 핸드헬드 디바이스라고도 지칭됨)로서 구성된 하우징, 레이저 소스(115)를 핸드헬드 장치(120)에 결합하는 광섬유(130), 레이저 소스(115), 제어기(150), 및 레이저 소스(115)를 냉각시키는 공냉식 시스템(140)을 수용하는 레이저 모듈(110)을 포함한다. 레이저 모듈(110)은 이동 가능한 카트(160)에 장착될 수 있다. 레이저 소스(115)는 방출된 레이저 광의 레이저 빔(122)으로 작업편(105)에 대한 재료 가공 작업을 수행하기 위한 파장(예를 들어, Yb 1030-1090 nm)의 레이저 광을 방출한다. 핸드헬드 장치(120)는 또한 빔 워블링 능력을 갖도록 구성된다.

핸드헬드 장치(120)로서 구성된 하우징은 레이저 빔(122)을 위한 출구(123) 또는 유출부를 갖는다. 본 설명 전반에 걸쳐, "핸드헬드"라는 용어는 사용자의 한손 또는 양손으로 쉽게 유지하고 조작될 수 있을 만큼 작고 가벼운 레이저 디바이스를 지칭하는 것으로 이해된다. 더욱이, 핸드헬드 레이저 디바이스는 레이저 가공 중에 사용자가 쉽게 옮길 수 있도록 휴대용이어야 한다. 그러나, 본 발명의 실시예가 "핸드헬드"로서 지칭되고 독립형 휴대용 디바이스로서 사용될 수 있지만, 몇몇 실시예에서, 핸드헬드 레이저 디바이스는 고정 장비에 연결되어 그와 조합되어 사용될 수 있다.

세정 모드

본 명세서에 설명된 특정 실시예는 기본 핸드헬드 레이저 출원과 관련된 핸드헬드 레이저 시스템을 위해 개발된 일부 추가 기능을 포함한다. 구체적으로, 하나의 추가 기능은 세정 작동 모드와 관련이 있다.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 세정 모드는 100% 미만의 듀티 사이클, 적어도 10 킬로헤르츠(kHz)의 펄스 반복 주파수, 및 1 마이크로초(㎲)부터 10 밀리초(ms)까지의 범위의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 연속파(CW) 모드인 것을 특징으로 할 수 있다. 세정 작동 모드는 레이저 소스(115)를 제어하는 제어기(150)를 통해 구현된다.

몇몇 실시예에서, 세정 모드는 10부터 60 kHz까지의 범위의 레이저 펄스 주파수로 작동하고, 추가 실시예에서 펄스 주파수는 약 10부터 55 kHz까지의 범위에 있다. 변조된 CW 모드 구성은 세정 표면에 CW로 나타날 만큼 충분히 높은 반복률(예를 들어, 10s의 kHz)을 제공한다.

세정 모드는 또한 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 세정 모드는 적어도 1 킬로와트(kW)의 출력을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 세정 모드는 약 1500 W의 출력을 갖는다. 1 kW 초과에서의 세정은 종래의 많은 레이저 세정 기술에 의해 제공되는 낮은 레이저 출력에서의 세정보다 더 높은 품질과 더 빠른 세정 프로세스를 제공한다. 더욱이, 발명자는 높은 피크 출력을 갖는 펄스 레이저 방사선을 포함하는 더 높은 레이저 출력이 추가적인 세정 이점을 추가하지 않는다는 것을 발견하였다. 예를 들어, kHz 레벨의 주파수와 2500 W의 피크 출력을 이용한 세정은 동일한 레벨의 주파수와 1500 W의 최대 출력보다 훨씬 더 나은 세정을 수행하지 못했다.

세정 모드는 또한 최대 100%의 듀티 사이클로 작동한다. 몇몇 실시예에서, 듀티 사이클은 10부터 99%까지의 범위에 있고, 다른 실시예에서 듀티 사이클은 10부터 95%까지의 범위에 있다. 더 낮은 듀티 사이클은 오일로 인한 가벼운 표면 오염과 같이 가벼운 세정만 필요한 세정 용례에 사용될 수 있는 반면, 더 높은 듀티 사이클은 속도가 중요하고 및/또는 더 심한 세정이 필요한 특정 용례에, 예컨대 세정될 표면에 원치 않는 물질(예를 들어, 페인트, 녹)의 막이 존재하는 경우에 사용될 수 있다.

변조된 CW를 사용하는 세정 작동 모드는 CW 또는 펄스 세정 모드와 같은 다른 세정 모드와 구별될 수 있다. 우선, 변조된 CW 출력은 세정 프로세스의 융통성을 개선시킨다. 일부 세정 용례는 더 낮은 듀티 사이클을 사용하여 이점을 얻는데, 이는 또한 더 낮은 세정 속도를 의미하며, 다른 용례는 더 높은 듀티 사이클에 의해 제공되는 더 높은 세정 속도로부터 이점을 얻는다. 예를 들어, 100% 듀티 사이클로 수행된 세정 작업은 10% 듀티 사이클로 수행된 세정 작업보다 10배 더 빠르다. 또한, "순수한" 펄스 세정 모드는 본 명세서에 설명된 변조된 CW 세정 모드보다 훨씬 느리다.

핸드헬드 시스템(100)은 또한 워블링 능력을 갖도록 구성된다. 레이저 빔(122)을 워블링하도록 구성된 적어도 하나의 이동 가능한 거울이 하우징(120) 내에 위치 설정될 수 있다. 이동 가능한 거울은 레이저 빔을 반사하여 한 축으로 이동, 즉, 레이저 빔을 워블링한다. 세정 모드는 또한 빔 워블링을 구현하도록 구성되어 있지만, 워블을 사용하는 다른 작동 모드와 구별될 수 있다. 예를 들어, 세정 모드 이외의 작동 모드에서, 워블 동작은 레이저 빔(122)을 앞뒤로 진동시키고 5 mm의 최대 워블 길이(워블 진폭이라고도 지칭됨)를 갖는다. 세정 모드의 경우, 워블 진폭은 5 mm보다 큰 능력을 갖는다. 이는 레이저 방사선이 작업편의 더 넓은 표면적을 처리하게 한다. 일 실시예에서, 워블 진폭은 5 mm보다 크고 최대 15 mm까지일 수 있다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 워블 진폭은 5 mm보다 크고 최대 23 mm까지이다. 다른 실시예에 따르면, 워블 진폭은 5 mm보다 크고 최대 25 mm까지이다.

본 명세서에 설명된 세정 모드는 작업편 표면을 세정하는 것을 의미하지만, 일부 경우에 세정 프로세스는 표면을 폴리싱하는 것을 포함할 수 있다. 이는 표면 유형 뿐만 아니라 세정 모드의 작동 파라미터에 따라 달라질 수 있다. 일부 경우에, Rms 표면 거칠기 및/또는 물 접촉각에 대한 목표 메트릭이 세정 작동 모드를 제어하는 목표 값으로서 사용될 수 있다. 이는 피드백 메커니즘을 이용하거나 원하는 목표 값을 달성하는 미리 결정된 작동 파라미터 세트를 이용하여 구현될 수 있다.

세정 노즐 예

적어도 하나의 실시예에 따르면, 세정 작업을 수행하기 위해 핸드헬드 레이저에 세정 노즐이 포함될 수 있다. 도 3, 도 4, 및 도 5는 세정 작업을 수행하기 위해 핸드헬드 레이저에 포함되거나 달리 핸드헬드 레이저와 쌍을 이룰 수 있는 세정 노즐(170, 180, 190)의 세 가지 비제한적인 예의 사시도이다.

세정 노즐(170, 180, 190)은 각각 핸드헬드 레이저의 하우징(120)에 부착되고 레이저 소스에 의해 방출된 레이저 방사선을 세정될 표면 상으로 전달하도록 구성된다. 세정 노즐(170, 180, 190)은 출원인이 소유하고 전문이 본 명세서에 참조로 포함되는 공동 계류 중인 미국 가특허 출원 제63/212,290호에 설명된 바와 같이 부착 메커니즘(165)(예를 들어, 도 2a 및 도 2b 참조)을 이용하여 핸드헬드 레이저의 하우징(120)에 부착된다.

각각의 세정 노즐(170, 180, 190)은 관형 본체 부분(172)(메인 본체 부분이라고도 지칭됨)을 포함한다. 관형 본체 부분(172)의 일 단부는 하우징(120)에 부착되고(예를 들어, 도 2a 및 도 2b 참조) 레이저 방사선 및 가스가 노즐에 진입하는 입구 포트(176)를 갖도록 구성된다. 관형 본체 부분(172)의 다른 단부는 노즐 팁(접촉 팁이라고도 지칭됨)을 갖도록 구성되며, 노즐 팁(175, 185, 195)의 세 가지 상이한 예가 각각 도 3, 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 노즐 팁(175, 185, 195)은 압입 끼워맞춤 부착을 포함하는 다수의 상이한 방식 중 임의의 방식으로 관형 본체 부분(172)에 결합되거나 달리 부착될 수 있다. 나사형 또는 기계적 부착을 포함하는 다른 부착 메커니즘이 또한 본 개시내용의 범위 내에 있다. 몇몇 실시예에서, 노즐 팁(175, 185, 195)은 관형 본체 부분(172)과 상호 교환 가능하여, 사용자가 상이한 세정 구성을 수행할 때 노즐 팁을 쉽게 교환할 수 있게 한다. 관형 본체 부분(172)과 노즐 팁(175, 185, 195)은 금속 및 금속 합금을 포함하는 다수의 상이한 재료 중 임의의 하나로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 노즐은 알루미늄, 알루미늄 합금, 또는 강철로 제조된다. 세정 노즐은 세정 프로세스를 해롭게 방해하지 않는 임의의 재료로 구성될 수 있으며 용도 특정될 수 있다.

노즐 팁(175)의 제1 예가 도 3에 도시되어 있다. 노즐 팁(175)은 2점(2갈래라고도 지칭됨) 구성을 갖도록 구성된다. 각각의 접촉점(174)은 세정 또는 달리 처리되는 작업편의 표면에 대한 손상(예를 들어, 긁힘 또는 흠집)을 방지하도록 둥근 형상을 갖는다. 또한, 몇몇 실시예에 따르면, 접촉점(174)은 작업편에 대한 손상을 방지하기 위해 작업편 재료보다 연질인 재료로 제조될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 노즐 팁(175)은 알루미늄 합금으로 구성된다.

노즐 팁(175)은 레이저 방사선 및 가스가 처리되는 표면에 전달될 수 있게 하도록 구성된 출구 포트(178)(단순히 출구 또는 개구라고도 지칭됨)를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 가스는 공기일 수 있고, 다른 경우에는 불활성 또는 반불활성 가스(예를 들어, 차폐 가스)가 사용될 수 있다. 노즐 팁(175)은 용접 전 및/또는 용접 후 세정을 위해 사용될 수 있다. 세정 작업에 사용되는 노즐(170)과 유사한 세정 노즐의 예가 도 3a에 도시되어 있다. 접촉점은 세정될 표면 상에 놓이고, 레이저 방사선은 2개의 접촉 팁 사이의 출구 포트를 통해 방출된다. 접촉 팁은 사용자가 가공 중인 표면을 따라 핸드헬드 레이저를 더 쉽게 안내할 수 있게 한다.

몇몇 실시예에서, 레이저 방사선은 표면 상에 스캔 라인(167)을 형성한다. 예를 들어, 레이저 방사선은 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이 2개의 접촉점 사이에 스캔 라인을 형성한다. 특정 실시예에서, 출구 포트(178)는 표면에 전달되는 레이저 방사선이 스캔 라인을 형성하도록 구성된다. 예를 들어, 접촉점(174) 사이의 거리(179)는 스캔 라인을 허용하도록 치수 설정될 수 있다. 레이저 가공 헤드, 예를 들어 핸드헬드 레이저 디바이스는 표면에 전달되는 레이저 방사선의 레이저 빔을 진동시키거나 워블링하도록 구성될 수 있으며, 출구 포트(178)의 접촉점(174) 사이의 거리(179)는 레이저 빔의 워블 진폭을 수용하도록 구성된다. 예를 들어, 전술한 세정 모드 동안 전달되는 레이저 방사선은 5 mm보다 큰 워블 진폭으로 구현될 수 있다. 출구 치수(179)는 이러한 진폭을 수용하도록 구성된다. 몇몇 실시예에 따르면, 접촉점(174) 사이의 거리 또는 치수(179)는 15 mm 워블 진폭을 수용하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 거리(179)는 25 mm 워블 진폭을 수용하도록 구성된다.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 세정 노즐(170)(및 아래에서 설명되는 세정 노즐(180, 190))은 또한 양립 가능하거나 달리 적어도 하나의 안전 인터록, 예를 들어 안전 전도성 인터록(safety conductive interlock)(SCI)의 기능을 가능하게 한다. 예를 들어, 하나 이상의 센서, 제어기(150), 레이저 소스, 가공 헤드(예를 들어, 핸드헬드 디바이스(120)), 및 노즐(170)을 포함하는 레이저 인터록 시스템을 사용하여, 노즐(170)이 작업 표면에 닿지 않는 한 레이저 방사선이 레이저 소스로부터 방출되지 않는 것을 보장할 수 있다. 사용 동안, 제어기는 안전 인터록이 맞물린 경우, 예를 들어, 노즐이 표면에 닿은 경우에만 레이저 소스에 대한 전력을 활성화한다. 이해되는 바와 같이, 이는 (대부분의 경우) 노즐(170) 상의 접촉 피처가 전도성이라는 것을 암시한다.

이제, 도 4를 참조하면, 홈(186)을 갖도록 구성된 노즐 팁(185)을 갖고 세정 작업을 수행하기 위해 핸드헬드 레이저와 함께 사용될 수 있는 세정 노즐(180)의 사시도가 도시되어 있다. 홈이 있는 구성은 외부 코너 표면 기하형상에 사용될 수 있다. 예를 들어, 노즐 팁(185)의 홈이 있는 구성은 노즐 출구 포트(188)(본 명세서에는 단순히 출구 또는 개구라고도 지칭됨)를 통해 들어오는 방출된 레이저 에너지를 이용하여 세정하도록 작업편의 외부 코너에 노즐(180)을 위치 설정하는 데 사용될 수 있다. 도 3의 출구 포트(178)와 마찬가지로, 출구 포트(188)도 가스를 방출하도록 구성된다. 몇몇 실시예에 따르면, 출구 포트(188)는 또한 레이저 빔의 워블링 진폭(예를 들어, 15 mm)을 수용하도록 구성되고 몇몇 실시예에서는 표면에 전달되는 레이저 방사선이 스캔 라인을 형성하도록 구성된다. 예를 들어, 출구 포트(188)의 직경(189)은 레이저 빔의 워블 진폭을 수용하도록 구성될 수 있다.

도 5는 1점(1갈래라고도 지칭됨) 구성을 갖는 노즐 팁(195)을 갖는 노즐(190)의 사시도이다. 몇몇 실시예에서, 팁은 도 5에 도시된 바와 같이 볼 또는 둥근 단부 구성(196)을 갖는다. 특정 실시예에서, 둥근 단부(196)는 작업편 표면의 내부 코너에 세정 노즐을 위치 설정하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 1점 구성의 팁은 작업편 표면을 적어도 부분적으로 덮는 코팅(예를 들어, 분말 코팅), 페인트, 녹 등과 같은 재료의 층을 뚫고 나아가 및/또는 긁어내도록(또는 제거하도록) 구성된 팁을 갖는다. 이러한 1점 구성은 노즐(185)을 통해 들어오는 방출된 레이저 방사선이 이 표면을 세정할 수 있도록 이러한 코팅 재료를 뚫고 나아가 작업편 표면과 접촉하게 하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 노즐 팁(195)은 페인트 또는 산화물 층과 같이 제거되는 재료보다 강성인 재료로 구성될 수 있다. 세정 노즐(170 및 180)과 마찬가지로, 세정 노즐(190)은 핸드헬드 레이저의 하우징(120)에 부착되도록 구성되고 출구 포트(198)(단순히 출구 또는 개구라고도 지칭됨)를 통해 표면 상으로 레이저 방사선 및 가스를 전달하도록 구성된다. 또한, 몇몇 실시예에서, 출구 포트(198)는 또한 레이저 빔의 워블링 진폭, 예를 들어 15 mm의 워블 진폭을 수용하도록 구성되고, 표면에 전달되는 레이저 방사선이 스캔 라인을 형성하도록 구성된다. 예를 들어, 출구 포트(198)의 직경(199)은 레이저 빔의 워블 진폭을 수용하도록 구성될 수 있다.

본 명세서에 설명된 예는 핸드헬드 레이저 디바이스와 조합하여 사용되는 세정 노즐을 언급하고 있지만, 세정 노즐은 핸드헬드 레이저 가공 헤드 뿐만 아니라 다수의 상이한 레이저 가공 헤드 중 어느 하나와 함께 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 레이저 헤드(1020)를 갖는 레이저 시스템(200)의 예가 도 6의 개략도에 도시되어 있다. 레이저 가공 헤드(1020)(단순히 레이저 헤드라고도 지칭됨)는 레이저 소스(115)로부터 방출된 레이저 방사선을 세정될 표면(105) 상으로 전달하도록 구성된다. 레이저 헤드(1020)는 레이저 소스로부터의 레이저 방사선을 레이저 헤드의 출력 단부 밖으로 지향시킨다. 레이저 헤드(1020)는 레이저 소스(115)를 포함하지 않을 수 있지만, 레이저 소스(115)로부터 방출된 레이저 방사선을 지향시키기 위해 하우징에 포함된 광학계 및 빔 안내 구성요소를 포함한다. 노즐(170, 180, 190)은 부착 메커니즘(165)을 사용하여 레이저 가공 헤드(1020)에 결합된다. 가스는 또한 레이저 헤드(1020)의 출력 단부에서 빠져나와, 예를 들어 본 명세서에 설명된 바와 같은 노즐을 통해 작업편으로 지향된다. 레이저 방사선은 레이저 빔(122)으로서 노즐을 빠져나간다. 더욱이, 부동태화 프로세스(아래에서 더 상세히 설명됨)는 레이저 가공 헤드(1020)를 사용하여 수행될 수 있으므로 또한 핸드헬드 레이저 디바이스에만 제한되지 않는다. 제어기(150)는 또한 제어 신호를 전송하고 일부 경우에 피드백 및/또는 입력 신호를 수신하기 위해 레이저 헤드(1020) 및 레이저 소스(115)에 결합된다.

부동태화

다른 양태에 따르면, 핸드헬드 레이저는 금속 표면 상에 부동태화를 수행하는 데 사용될 수 있다. 부동태화는 세정의 한 형태로서 고려될 수 있다. 부동태화는 부식이 발생하고 처리된 영역으로 이동하는 것을 방지하는 내식성 표면을 생성한다. 레이저를 사용하여 부동태화를 수행하는 것은 전체 작업편 표면에 영향을 미치고 화학 폐기물을 생성하는 화학적 부동태화와 같은 다른 부동태화 프로세스에 비교하여 다수의 이점을 제공한다. 레이저는 목표 영역을 부동태화하는 데 사용될 수 있으며 폐기해야 하는 화학 물질을 사용하지 않는다. 부동태화 프로세스에서 레이저 에너지의 효과는 작업편 표면으로부터 유리 철을 제거하도록 기능하고, 그에 따라 철이 공기 중의 산소와 반응하여 녹을 형성할 수 없도록 한다. 용접과 마찬가지로, 부동태화는 아르곤 또는 질소와 같은 가스가 있는 상태에서 수행될 수 있다.

부동태화는 다수의 금속 표면 중 어느 하나에서 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 금속 재료는 니켈, 니켈 합금, 인코넬, 티타늄, 티타늄 합금, 및 스테인리스강 중 하나를 포함한다. 이 목록은 완전한 것이 아니며 실제로 금속 재료는 철 함량을 갖거나 철로 오염될 수 있는 임의의 금속까지 확장될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 부동태화를 수행하도록 구성된 레이저 방사선이 용접 이음매에 적용될 수 있다. 예를 들어, 처리될 표면은 용접 이음매(예를 들어, 금속 재료(들)의 맞대기 조인트)를 포함할 수 있으며, 레이저 방사선은 용접 이음매로 지향되어 부동태화한다. 일부 경우에, 레이저 방사선은 용접 이음매 위를 한 번을 초과하여 통과할 수 있고, 예를 들어 순방향 및 역방향 패스를 할 수 있다. 일부 경우에, 용접 후 즉시 또는 단시간 내에 부동태화를 수행하여 산화가 발생할 기회를 갖지 않도록 할 수도 있다. 부식으로부터 금속 표면을 보호하기 위해 금속 표면(용접 이음매 제외)에 부동태화를 수행할 수도 있다는 점을 이해하여야 한다.

몇몇 실시예에 따르면, 레이저 소스(115)는 부동태화 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 제어기(150)에 의해 제어된다. 특정 실시예에 따르면, 세정 노즐(170, 180, 및/또는 190)과 관련하여 전술한 세정 노즐이 부동태화 작업을 수행하는 데 사용될 수 있다. 이와 같이, 세정 노즐은 부동태화 모드에서 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 전달하기 위해 핸드헬드 장치 또는 레이저 헤드의 하우징에 부착되도록 구성된다. 세정 노즐은 전술한 바와 같이 레이저 방사선 및 가스의 통과를 허용하는 개구(예를 들어, 개구(178, 188, 198))를 갖도록 구성된다. 또한, 레이저 방사선은 도 3b 및 도 3c의 스캔 라인(167)과 같은 스캔 라인을 표면 상에 형성할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 개구(예를 들어, 개구(178, 188, 198))는 레이저 빔의 워블 진폭을 수용하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 워블 진폭은 15 mm이다.

부동태화 모드는 미세 부동태화와 고속 부동태화로 추가로 분류될 수 있다. 미세 부동태화 모드에서, 레이저 소스(155)는 100% 미만의 듀티 사이클, 30부터 55 kHz까지의 범위의 펄스 반복 주파수, 및 나노초 정도 또는 그 이상의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 CW 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 변조된 CW 모드에 대한 듀티 사이클은 10부터 99%까지의 범위에 있고, 다른 실시예에서 듀티 사이클은 10부터 95%까지의 범위에 있다. 몇몇 실시예에서, 변조된 CW 모드에 대한 펄스 반복 주파수는 30부터 50 kHz까지의 범위에 있다. 몇몇 실시예에서, 펄스 지속 기간은 마이크로초(㎲) 정도 또는 그 이상이다. 몇몇 실시예에서, FWHM 펄스 지속 기간은 마이크로초 정도부터 최대 밀리초(ms) 정도까지이다. 일 실시예에서, FWHM 펄스 지속 기간은 0.5부터 10 ms까지의 범위에 있고, 다른 실시예에서, FWHM 펄스 지속 기간은 0.5부터 5 ms까지의 범위에 있다. 다양한 금속 표면에 미세 부동태화를 적용하여 수행된 실험이 아래에 설명되어 있다. 고속 부동태화 모드에서, 레이저 소스(115)는 1500 W까지의 최대 출력을 갖는 연속(CW) 모드로 레이저 방사선을 방출하도록 구성된다.

미세 부동태화 모드 실험

다양한 재료에 수행된 일련의 맞대기 조인트 용접은 미세 부동태화 모드로 구성된 레이저 방사선에 노출되었으며 그 결과는 염무 테스트 조건에서 대조군(즉, 용접 후 부동태화가 적용되지 않음)과 비교되었다. 미세 부동태화 모드의 레이저 출력은 2가지 설정으로 구현되었다: 첫번째는 펄스 반복 주파수가 55 kHz(펄스 지속 기간 1.2 ms)인 650 W이고, 두번째는 펄스 반복 주파수가 60 kHz(펄스 지속 기간 1.1 ms)인 800 W이다. 두 경우 모두, 듀티 사이클은 65%이었고, 워블 진폭은 8 mm였으며, 각각의 용접 이음매에 대해 두 번의 패스가 이루어졌다. 염무 테스트(즉, ASTM B117-19에 따름)는 95℉에서 30도 각도로 2시간 동안 수행되었다.

아래의 표 1에는 각각의 대조군과 비교하여 부동태화 처리(두 설정 모두에서)로 처리되어 보강된 보호(즉, 산화 형성이 거의 또는 전혀 없음)를 나타내는 재료 및 그 두께가 나열되어 있다.

표 1 - 미세 부동태화 모드 재료 및 두께

본 개시내용은 레이저 방사선을 사용하여 표면을 세정 및/또는 부동태화하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 용접 전 세정 시스템 및 방법은 산화물, 녹, 오일 및 그리스를 제거하는 능력을 제공하고, 용접 후 세정 시스템 및 방법은 용접부를 폴리싱하거나 임의의 그을음 또는 부스러기를 제거하는 능력을 제공한다. 2개의 세정 용례 모두 유해한 화학 물질이나 연마제에 대한 필요성을 제거하며 재료 준비 또는 사후 마감을 최소로 요구한다.

본 발명에 따라 본 명세서에 개시된 양태는 그 용례가 이하의 설명에 기재되거나 첨부 도면에 예시된 구성의 세부 사항 및 구성요소의 배열로 제한되지 않는다. 이러한 양태는 다른 실시예를 가정할 수 있고 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 특정 구현의 예는 예시 목적으로만 본 명세서에 제공되며 제한하도록 의도되지 않는다. 특히, 어느 하나 이상의 실시예와 관련하여 설명된 행위, 구성요소, 요소 및 피처는 임의의 다른 실시예에서 유사한 역할로부터 배제되도록 의도되지 않는다.

또한, 본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한으로 고려되어서는 안 된다. 본 명세서에서 단수로 언급된 시스템 및 방법의 예, 실시예, 구성요소, 요소 또는 동작에 대한 임의의 언급은 또한 복수를 포함하는 실시예를 포함할 수 있고, 본 명세서에서 임의의 실시예, 구성요소, 요소 또는 동작에 대한 복수의 임의의 참조는 또한 단수형만을 포함하는 실시예를 포함할 수 있다. 단수 또는 복수 형태의 참조는 현재 개시된 시스템 또는 방법, 그 구성요소, 동작 또는 요소를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에서 "포함하는", "구비하는", "갖는", "함유하는", "수반하는" 및 이들의 변형의 사용은 이후에 나열된 항목 및 이들의 등가물 뿐만 아니라 추가 항목을 포함하도록 의도된다. "또는"에 대한 언급은 "또는"을 사용하여 설명된 임의의 용어가 단일, 하나 초과, 및 설명된 용어 전부 중 임의의 것을 나타낼 수 있게 포괄적인 것으로 해석될 수 있다. 또한, 본 문서와 본 명세서에 참조로 포함된 문서 간에 용어 사용이 일치하지 않는 경우, 포함된 참조 문헌에서의 용어 사용은 본 문서의 사용을 보완한다; 타협할 수 없는 불일치의 경우, 본 문서의 용어 사용법이 우선한다. 더욱이, 본 명세서에서는 독자의 편의를 위해 제목 또는 부제를 사용할 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않는다.

따라서, 적어도 하나의 예의 여러 양태를 설명하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개선이 본 기술 분야의 숙련자에게 쉽게 연상될 것임을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 예는 다른 맥락에서도 사용될 수 있다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시내용의 일부로 의도되고, 본 명세서에서 설명된 예의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예시에 불과하다.

Claims

레이저 방사선을 사용하여 표면을 세정하는 시스템이며,
레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스로서, 레이저 소스는 세정 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성되며, 세정 모드는 100% 미만의 듀티 사이클, 적어도 10 킬로헤르츠(kHz)의 펄스 반복 주파수, 및 1 마이크로초(㎲)부터 10 밀리초(ms)까지의 범위의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 연속파(CW) 모드인 것을 특징으로 하는, 레이저 소스;
레이저 방사선을 표면으로 지향시키는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징; 및
핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광섬유를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서, 펄스 반복 주파수는 10부터 55 kHz까지의 범위에 있는, 시스템.
제1항에 있어서, 세정 모드는 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는, 시스템.
제1항에 있어서, 듀티 사이클은 10부터 95%까지의 범위에 있는, 시스템.
제1항에 있어서, 레이저 소스를 제어하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서, 하우징 내에 위치 설정된 적어도 하나의 이동 가능한 거울을 더 포함하고, 적어도 하나의 이동 가능한 거울은 레이저 빔이 5 mm보다 큰 워블 진폭을 갖도록 레이저 방사선의 레이저 빔을 워블링하도록 구성되는, 시스템.
제1항에 있어서, 하우징에 부착되고 세정 모드에서 방출된 레이저 방사선을 세정될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 더 포함하는, 시스템.
제7항에 있어서, 세정 노즐은 레이저 방사선의 통과를 허용하는 개구를 갖도록 구성되는, 시스템.
제8항에 있어서, 레이저 방사선은 표면 상에 스캔 라인을 형성하는, 시스템.
제8항에 있어서, 개구는 표면에 가스를 전달하도록 추가로 구성되는, 시스템.
제8항에 있어서, 개구는 레이저 방사선의 레이저 빔이 15 mm의 워블 진폭을 갖도록 추가로 구성되는, 시스템.
제8항에 있어서, 세정 노즐은:
1점 구성,
2점 구성, 또는
홈
중 하나를 갖도록 구성된 노즐 팁을 갖는, 시스템.
제12항에 있어서, 노즐 팁은 세정 노즐의 관형 본체 부분 상에 압입 끼워맞춤되도록 구성되는, 시스템.
레이저를 이용하여 표면을 세정하는 방법이며,
레이저 소스를 제공하는 단계로서, 레이저 소스는 세정 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성되며, 세정 모드는 100% 미만의 듀티 사이클, 적어도 10 킬로헤르츠(kHz)의 펄스 반복 주파수, 및 1 마이크로초(㎲)부터 10 밀리초(ms)까지의 범위의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 연속파(CW) 모드인 것을 특징으로 하는, 단계;
세정 모드에서 레이저 소스로부터 레이저 방사선을 생성하는 단계; 및
레이저 소스로부터 방출된 레이저 방사선을 세정될 표면 상으로 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
제14항에 있어서, 펄스 반복 주파수는 10부터 55 kHz까지의 범위에 있는, 방법.
제14항에 있어서, 세정 모드는 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는, 방법.
제14항에 있어서, 듀티 사이클은 10부터 95%까지의 범위에 있는, 방법.
제14항에 있어서, 레이저 빔이 5 mm보다 큰 워블 길이를 갖도록 방출된 레이저 방사선의 레이저 빔을 워블링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제14항에 있어서, 레이저 방사선을 방출하는 핸드헬드 디바이스를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제19항에 있어서, 핸드헬드 디바이스에 부착되고 세정 모드에서 방출된 레이저 방사선을 세정될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
레이저 소스로부터 방출된 레이저 방사선을 세정될 표면 상으로 전달하도록 구성된 레이저 가공 헤드와 함께 사용되는 세정 노즐이며, 세정 노즐은 레이저 방사선 및 가스가 표면으로 전달되게 하도록 구성된 개구를 포함하는, 세정 노즐.
제21항에 있어서, 세정 노즐은:
1점 구성,
2점 구성, 또는
홈
중 하나를 갖도록 구성된 노즐 팁을 갖는, 세정 노즐.
제22항에 있어서, 노즐 팁은 세정 노즐의 관형 본체 부분 상에 결합되도록 구성되는, 세정 노즐.
제23항에 있어서, 관형 본체 부분은 레이저 가공 헤드에 결합되도록 구성되는, 세정 노즐.
제24항에 있어서, 관형 본체 부분은 부착 메커니즘을 이용하여 레이저 가공 헤드에 결합되는, 세정 노즐.
제21항에 있어서, 표면에 전달되는 레이저 방사선은 스캔 라인을 형성하는, 세정 노즐.
제21항에 있어서, 레이저 가공 헤드는 표면에 전달되는 레이저 방사선의 레이저 빔을 워블링하도록 구성되고, 개구는 레이저 빔의 워블 진폭을 수용하도록 구성되는, 세정 노즐.
레이저 방사선을 사용하여 표면을 부동태화하는 시스템이며,
레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스로서, 레이저 소스는 100% 미만의 듀티 사이클, 30부터 55 킬로헤르츠(kHz)까지의 범위의 펄스 반복 주파수, 및 나노초 정도 또는 그 이상의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 연속파(CW) 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성된, 레이저 소스;
레이저 방사선을 표면으로 지향시키는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징; 및
핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광섬유를 포함하는, 시스템.
제28항에 있어서, 변조된 CW 모드는 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는, 시스템.
제28항에 있어서, 듀티 사이클은 10부터 95%까지의 범위에 있는, 시스템.
제28항에 있어서, FWHM 펄스 지속 기간은 최대 밀리초 정도까지인, 시스템.
제28항에 있어서, 하우징 내에 위치 설정된 적어도 하나의 이동 가능한 거울을 더 포함하고, 적어도 하나의 이동 가능한 거울은 레이저 빔이 5 mm보다 큰 워블 진폭을 갖도록 레이저 방사선의 레이저 빔을 워블링하도록 구성되는, 시스템.
제28항에 있어서, 하우징에 부착되고 부동태화 모드에서 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 더 포함하는, 시스템.
제33항에 있어서, 세정 노즐은 레이저 방사선의 통과를 허용하고 표면에 가스를 전달하는 개구를 갖도록 구성되는, 시스템.
제34항에 있어서, 레이저 방사선은 표면 상에 스캔 라인을 형성하는, 시스템.
제34항에 있어서, 개구는 레이저 방사선의 레이저 빔이 15 mm의 워블 진폭을 갖도록 추가로 구성되는, 시스템.
레이저로 표면을 부동태화하는 방법이며,
레이저 소스를 제공하는 단계로서, 레이저 소스는 100% 미만의 듀티 사이클, 30부터 55 킬로헤르츠(kHz)까지의 범위의 펄스 반복 주파수, 및 나노초 정도 또는 그 이상의 FWHM 펄스 지속 기간을 갖는 변조된 연속파(CW) 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성된, 단계;
변조된 CW 모드에서 레이저 소스로부터 레이저 방사선을 생성하는 단계; 및
레이저 소스로부터 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
제37항에 있어서, 변조된 CW 모드는 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는, 방법.
제38항에 있어서, 듀티 사이클은 10부터 95%까지의 범위에 있는, 방법.
제38항에 있어서, FWHM 펄스 지속 기간은 최대 밀리초 정도까지인, 방법.
제37항에 있어서, 레이저 빔이 5 mm보다 큰 워블 길이를 갖도록 방출된 레이저 방사선의 레이저 빔을 워블링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제37항에 있어서, 레이저 방사선을 방출하는 핸드헬드 디바이스를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제42항에 있어서, 핸드헬드 디바이스에 부착되고 변조된 CW 모드에서 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제37항에 있어서, 표면은 용접 이음매를 포함하고, 레이저 방사선은 용접 이음매로 지향되는, 방법.
제37항에 있어서, 표면은 니켈, 니켈 합금, 인코넬, 티타늄, 티타늄 합금, 및 스테인리스강 중 하나를 포함하는 금속 재료인, 방법.
레이저 방사선을 사용하여 표면을 부동태화하는 시스템이며,
레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스로서, 레이저 소스는 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는 연속파(CW) 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성된, 레이저 소스;
레이저 방사선을 표면으로 지향시키는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징; 및
핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광섬유를 포함하는, 시스템.
제46항에 있어서, 하우징 내에 위치 설정된 적어도 하나의 이동 가능한 거울을 더 포함하고, 적어도 하나의 이동 가능한 거울은 레이저 빔이 5 mm보다 큰 워블 진폭을 갖도록 레이저 방사선의 레이저 빔을 워블링하도록 구성되는, 시스템.
제46항에 있어서, 하우징에 부착되고 CW 모드에서 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 더 포함하는, 시스템.
제48항에 있어서, 세정 노즐은 레이저 방사선의 통과를 허용하고 표면에 가스를 전달하는 개구를 갖도록 구성되는, 시스템.
제49항에 있어서, 레이저 방사선은 표면 상에 스캔 라인을 형성하는, 시스템.
제49항에 있어서, 개구는 레이저 방사선의 레이저 빔이 15 mm의 워블 진폭을 갖도록 추가로 구성되는, 시스템.
레이저로 표면을 부동태화하는 방법이며,
레이저 소스를 제공하는 단계로서, 레이저 소스는 1500 와트(W)까지의 최대 출력을 갖는 연속파(CW) 모드에서 레이저 방사선을 방출하도록 구성된, 단계;
CW 모드에서 레이저 소스로부터 레이저 방사선을 생성하는 단계; 및
레이저 소스로부터 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
제52항에 있어서, 레이저 빔이 5 mm보다 큰 워블 길이를 갖도록 방출된 레이저 방사선의 레이저 빔을 워블링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제52항에 있어서, 레이저 방사선을 방출하는 핸드헬드 디바이스를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제54항에 있어서, 핸드헬드 디바이스에 부착되고 CW 모드에서 방출된 레이저 방사선을 부동태화될 표면 상으로 전달하도록 구성된 세정 노즐을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제52항에 있어서, 표면은 용접 이음매를 포함하고, 레이저 방사선은 용접 이음매로 지향되는, 방법.
제52항에 있어서, 표면은 니켈, 니켈 합금, 인코넬, 티타늄, 티타늄 합금, 및 스테인리스강 중 하나를 포함하는 금속 재료인, 방법.