(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 공개특허공보 (A) (11) 공개번호 10-2013-0133646 (43) 공개일자 2013년12월09일 (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) B23K 26/14 (2006.01) B23K 26/20 (2006.01) H01S 3/067 (2006.01) H01S 3/10 (2006.01) (21) 출원번호 10-2012-7008117 (22) 출원일자 ( 국제 ) 2010 년 09 월 29 일 심사청구일자 없음 (85) 번역문제출일자 2012 년 03 월 29 일 (86) 국제출원번호 PCT/US2010/050626 (87) 국제공개번호 WO 2012/044285 국제공개일자 전체청구항수 : 총 18 항 2012 년 04 월 05 일 (71) 출원인 아이피지포토닉스코포레이션 미합중국메사추세츠 01540 옥스포드올드웹스터로드 50 (72) 발명자 가폰트시프발렌틴 미국매사추세츠 01540 옥스포드올드웹스터로드 50 아이피지포토닉스코포레이션 브리지찰리 미국매사추세츠 01540 옥스포드올드웹스터로드 50 아이피지포토닉스코포레이션 ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 박영복, 김용인 (54) 발명의명칭아르곤커버가스를사용하여티타늄용접하기위해광섬유레이저를사용하는시스템및방법 (57) 요약 본발명은광섬유레이저에의해생성되는용접부에발생하는플라즈마의오염을감소시키기위한방법및시스템에대한것이다. 본발명은용접부재료에고밀도빔을가하기위한최적구성으로광섬유레이저를설정하여스펙트럼간섭을제거한다. 빔은용접영역에서플라즈마형성의오염을방지하기위해용접영역주변에직교류또는제어된환경으로, 불활성차폐가스, 바람직하게는아르곤을사용하여한작동조건에서 1064nm±0.5nm 의좁은대역폭에서적용된다. 이방법은광섬유레이저에대한방출스펙트럼과커버가스 ( 들 ) 및용접재료에대한임의의특정한여기 (excitation) 스펙트럼들을판정및회피하여최적화된다. 이시스템은단일레이저입력을사용할수있고, 또는커플링수단에의해결합되고하나이상의광섬유레이저를선택하기위해스위치를사용하여다중레이저들을사용할수있다. 대표도 - 도 3-1 -
(72) 발명자 라이언스마이클 미국매사추세츠 01540 옥스포드올드웹스터로드 50 아이피지포토닉스코포레이션 쉬쿠리킨올렉 미국매사추세츠 01540 옥스포드올드웹스터로드 50 아이피지포토닉스코포레이션 알자가로베르토 미국푸에르토리코 00917 샌후안캘리마야게스아파트먼트 306 85 콜먼대럴 미국미네소타 55304 햄레이크키모이스트리트노스이스트 14527 파브흐뷜르세바스티앙 스위스체하 - 모흐쥬 ( 베데 ) 쿠발루 16-2 -
특허청구의범위청구항 1 선택된파장에서좁은방출대역폭의레이저광의고밀도빔을적용하기위한최적구성으로배치되는작동광섬유레이저 ; 용접영역 ; 및용접중용접부의오염을방지하기위한상기용접영역의불활성차폐가스를포함하고, 상기용접영역은, 용접될가공물 ; 내부에상기용접이적용되는작동사용 (operative use) 중의작은용융영역 ; 및상기용접부를형성하기위한티타늄과티타늄합금중하나를더포함하는, 레이저빔용접시스템. 청구항 2 제 1 항에있어서, 상기불활성차폐가스는아르곤, 헬륨, 크립톤및네온중하나를포함하는레이저빔용접시스템. 청구항 3 제 2 항에있어서, 상기불활성차폐가스는아르곤을포함하는레이저빔용접시스템. 청구항 4 제 2 항에있어서, 상기불활성차폐가스는헬륨을포함하는레이저빔용접시스템. 청구항 5 제 1 항에있어서, 상기불활성차폐가스는제 1 가스로서아르곤, 그리고헬륨, 크립톤및네온중적어도하나로부터선택되는제 2 가스를포함하는가스혼합물인레이저빔용접시스템. 청구항 6 1064nm±0.5nm 근처의선택된파장에서좁은방출대역폭의레이저광의고밀도빔을적용하기위한다수의작동광섬유레이저 ; 용접영역 ; 용접부의오염을방지하기위해상기용접영역에적용되는불활성차폐가스 ; 상기다수의광섬유레이저각각을처리광섬유에커플링하기위한커플링수단 ; 및상기다수의광섬유레이저중하나를선택하기위한스위칭수단을포함하고, 상기용접영역은, 충전재재료없이용접되기위한티타늄을포함하는용접재료 ; 및내부에상기용접이적용되는용융영역을더포함하는레이저빔용접시스템. 청구항 7-3 -
제 6 항에있어서, 상기불활성차폐가스는아르곤, 헬륨, 크립톤및네온중하나를포함하는레이저빔용접시스템. 청구항 8 제 7 항에있어서, 상기불활성차폐가스는아르곤을포함하는레이저빔용접시스템. 청구항 9 충전재재료가없는용접재료에용융영역에좁은대역폭의레이저광의고밀도빔을적용하기위한최적구성으로배치되는작동광섬유레이저를설정하는단계 ; 지정된차폐가스에대한스펙트럼라인들을설정하는단계 ; 상기레이저광의빔에대한방출스펙트럼을선택하는단계로서, 상기레이저광의빔에대한상기방출스펙트럼은상기차폐가스에대한상기스펙트럼라인들을회피하는상기방출스펙트럼을선택하는단계 ; 용접부의오염을방지하기위해용접영역주변에상기차폐가스를사용하는단계 ; 및상기용접영역에용접부를형성하도록상기용접재료에상기레이저광의빔을적용하는단계를포함하는레이저빔용접방법. 청구항 10 제 9 항에있어서, 상기용접재료의이온들의스펙트럼레벨들을설정하는단계 ; 및상기레이저광의빔에대한방출스펙트럼을선택하는단계로서, 상기레이저광의빔에대한상기방출스펙트럼은상기용접재료의상기이온들의상기스펙트럼레벨들을회피하는상기방출스펙트럼을선택하는단계를더포함하는레이저빔용접방법. 청구항 11 제 9 항에있어서, 상기용접재료는티타늄또는티타늄합금인레이저빔용접방법. 청구항 12 제 9 항에있어서, 상기차폐가스는아르곤또는헬륨인레이저빔용접방법. 청구항 13 제 10 항에있어서, 상기레이저광의빔에대한방출스펙트럼을선택하는단계는 1064nm±0.5nm의대역폭에서상기레이저광의빔을선택하는단계를포함하고, 상기용접재료는티타늄또는티타늄합금인레이저빔용접방법. 청구항 14 작은용융영역으로레이저광의빔을용접재료에적용하기위한최적구성으로광섬유레이저를설정하는단계로서, 상기용접재료는충전재금속을갖지않는, 상기광섬유레이저를설정하는단계 ; 용접영역에용접부를형성하도록상기용접재료에 1064nm±0.5nm의대역폭에서상기레이저광의빔을적용하는단계 ; 및상기용접부의오염을방지하기위해상기용접영역주변에차폐가스를사용하는단계를포함하는, 광섬유레 - 4 -
이저를사용한레이저빔용접방법. 청구항 15 제 14 항에있어서, 상기차폐가스는아르곤또는헬륨인광섬유레이저를사용한레이저빔용접방법. 청구항 16 제 14 항에있어서, 상기적용하는단계는, 상기고밀도빔에대한개구수를판정및유지하는단계 ; 한세트의빔확산특성들을판정및유지하는단계 ; 및최적초점스팟사이즈를계산하는단계를더포함하는광섬유레이저를사용한레이저빔용접방법. 청구항 17 제 14 항에있어서, 상기최적구성은빔전달 ; 개구수 ; 스팟사이즈 ; 공간프로파일 ; 시간프로파일 ; 펄스지속시간 ; 펄스반복율 ; 용접스팟들의중첩 ; 용접고정구 ; 및상기용접의속도를포함하는그룹으로부터하나이상의특성을선택하여결정되는광섬유레이저를사용한레이저빔용접방법. 청구항 18 제 17 항에있어서, 상기가스는아르곤이고상기티타늄용접재료두께및상기스팟사이즈는용접부의시각적특징에대해최적화된광섬유레이저를사용한레이저빔용접방법. 명세서 [0001] 기술분야본발명은불활성커버가스를사용하여광섬유레이저로티타늄또는티타늄합금을용접하기위한시스템및방법에관한것이다. 상세하게는, 본발명은티타늄또는티타늄합금가공물에작용하는광섬유레이저의대역폭을좁혀용접부의오염을감소시켜커버가스로레이저간의광학적상호작용을감소또는제거하는것에관한것이다. [0002] [0003] [0004] 배경기술광섬유레이저기술에서최근의기술적발전들은레이저용접에대한능력들을확대했다. 부가적으로, 이러한발전들은다양한방식으로레이저용접의원가역학 (cost dynamics) 을변화시켰다. 이제, 20ms까지의펄스지속시간들과 6kW까지의피크파워레벨을갖는새로운컴팩트하고공냉되는 (air cooled) 펄스모드광섬유레이저들이사용가능하다. 불행하게도, 불활성커버가스와티타늄또는티타늄합금에관련한특정응용예를위한이러한표준광대역광섬유레이저들은의도하지않은결과들을일으키고설명되는바와같이용접품질이열화된다. 일반적으로, 레이저빔용접의주요장점은그부분에의열입력이더낮아용접응력들을최소화하고변형을감소시키는것이다. 이는높은용접속도로작은용융 (fusion) 영역을생성하는높은에너지밀도의빔에의해달성된다. 티타늄재료들은충전재 (filler) 금속없이오염을회피하기위해효과적인차폐가스를사용하여용접될수있다. 또한, 레이저용접은높은생산성과, 제조비용을낮추는데도움을주는자동화의용이함의장점을갖는다. 이러한모든이점들은의료장치제조와같은분야들에서레이저용접의사용을증가시켰다. 티타늄은우수한부식저항성을갖고의료장치산업에서와같은정밀또는심미적관련 (aesthetic oriented) 응용예들에널리사용되는생체적합성재료이다. 그러나, 티타늄은산소, 질소와같은저밀도원소들과쉽게반 - 5 -
응할수있고, 이는용접과정중에공기, 습기및 / 또는다른그을음 - 형성탄화수소 (soot-forming hydrocarbonaceous) 물질로부터오염을회피하기위해불활성가스에의해완전히차폐될것을요구한다. [0005] [0006] [0007] [0008] [0009] [0010] [0011] 레이저는스팟 (spot), 전도, 관통및하이브리드용접과같은광범위한용접능력들을제공한다. 레이저용접은높은용접속도, 짧은용접사이클, 낮은열입력, 낮은열영향영역및최소변형과같은다양한이점들을제공하기때문에사실상모든산업계에서수행된다. 광섬유레이저는활성이득매질 (active gain medium) 이 ( 다른것들중에서 ) 에르븀또는이테르븀과같은희토류원소들로전형적으로도핑된광섬유인레이저이다. 다른타입들의레이저들에대한광섬유레이저들의장점들에는벽플러그 (wall plug) 의전형적으로 30% 이상의매우높은효율이포함된다. 또한, 비슷한출력의로드 (rod) 또는가스타입레이저들에비해, 광섬유레이저들은컴팩트하다는것을알아야한다. 광섬유의도파 (waveguiding) 특성들은광경로의열적변형을제거하여, 회절-제한된, 고품질의, 광학빔을생성한다. 또한광섬유레이저들은작동중에유지보수가필요없고높은진동안정성을보인다. 높은 CW 출력들을포함하는양호한빔품질의광섬유레이저들은깊은관통용접및얕은전도모드용접을제공하지만그을음생성에어려움을가져올수있다. 이러한 CW 레이저들을변조하면낮은열입력응용예들에대해높은피크및낮은평균출력을갖는펄스레이저능력들을제공한다. 10kW까지의고출력레이저들에서의높은변조주파수들은펄스 (pulsed) 응용예들에서매우높은처리량을제공한다. 광섬유전달은종래의용접헤드 (head), 갈보헤드 (galvo head), 로봇 (robotic) 및원격용접시스템들에통합되는융통성을제공한다. 사용하는빔전달 (beam delivery) 이무엇이든, 광섬유레이저는비할데없는성능을제공한다. 전형적인스팟용접응용예들은면도날과같은제품들의고속용접을전달하는갈보-기반의빔전달 (galvobased beam delivery) 과, 광섬유레이저들의펄스능력들의장점을갖는 HDD 만곡 (flexure) 들을포함한다. 광섬유레이저들은매우긴초점길이들을갖고작은스팟에초점이맞춰져, 광섬유레이저들에의한원격레이저용접능력들이매우개선될수있다. 1-2m 정도의큰이격 (stand off) 의이점은종래의로봇시스템들에대해가공분야종류 (work area multifold) 를증가시킨다. 광섬유레이저들을구비한이러한원격용접스테이션들은도어패널의용접, 자동차차체프레임상의모든스팟용접부및겹치기 (lap) 용접부들의다중용접을포함한다. 광섬유레이저의레이저빔품질 ( 가장작은스팟직경으로초점을맞추는능력 ) 은다른고체상태고출력레이저들 ( 예를들어, Nd:YAG) 보다우수하다. 또한, 빔품질이더좋기때문에, 가공물에초점을맞추는광학장치의이격거리들 (stand-off distances) 이몇몇응용예들을위해 2 내지 4피트 (feet) 의간극 (clearance) 을달성하도록확장될수있다. 이들은광섬유레이저들로용접응용예들을전환하는장점들중일부이다. 도 1a 및도 1b를참조하면, 이해되지않는것이왜표준광섬유레이저와 Nd:YAG 레이저로동일한레이저변수들을사용하여용접된티타늄샘플들이용접광섬유레이저마무리에서상당히높은그을음함량을생성하는지이다. 도 1a를참조하면, 광섬유레이저로용접된샘플이더심한플라즈마가형성되고용접부의에지들에서및용접부에매립된그을음모두에서높은레벨의그을음을갖고열악한용접품질이되었고시각적및화학적분석으로확인되었다. 광섬유레이저용접부에서이러한불행한그을음레벨은의료장치산업계에서허용할수없는것이고이전에는이해되지않았다. 도 1b를참조하면, Nd:YAG 고체상태레이저 (solid state laser) 로용접된샘플은용접부의에지들에서최소양의그을음만을생성하였다. 발명의내용 [0012] 해결하려는과제따라서, 더높은플라즈마강도의영향을감소시키고그결과인플라즈마의오염함량을줄이도록불활성가스의존재시티타늄또는티타늄합금용접을하기위해광섬유레이저를사용하는개선된시스템및방법이필요하다. [0013] 과제의해결수단 본발명의특징은용접과정중에형성되는플라즈마의오염함량을줄이도록불활성가스의존재시티타늄또 는티타늄합금용접에영향을주기위해광섬유레이저를사용하는개선된시스템및방법을제공하는것이다. - 6 -
[0014] [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] [0020] [0021] [0022] 본발명의다른특징은커버가스 (cover gas) 및용접플라즈마와레이저빔의상호작용을줄이도록선택된파장에서좁은방출대역폭을갖는광섬유레이저를제공하는것이다. 본발명은광섬유레이저에의해생성되는용접의플라즈마의오염을줄이기위한시스템및방법에대한것이다. 본발명은일시적인정사각형형상을갖는최상층 (top hat) 빔프로파일을부가적으로선호하는, 용접재료에작은용융영역으로고밀도빔을적용하도록최적구성으로광섬유레이저를형성한다. 광섬유레이저로부터의빔은좁은 ( 일례로서 ±0.5nm의 ) 대역폭으로선택된파장 ( 일례로서 1064nm) 에서적용된다. 불활성차폐가스는오염을방지하기위해용접영역주변에서직교류 (cross-flow) 또는글로브박스구성으로사용된다. 불활성차폐가스는가격제한을인식하면서기술적으로순수한아르곤, 헬륨, 네온, 또는크립톤일수있거나또는혼합물일수있다. 이방법은좁은대역폭을유지하면서고밀도빔을위한개구수 (numerical aperture), 한세트의빔확산특성들을유지하고, 최적초점스팟사이즈를계산하여최적화된다. 이시스템은단일레이저입력을사용하거나, 또는하나이상의광섬유레이저를선택하도록스위치를사용하고커플링수단에의해결합되는다중레이저를사용할수있다. 이방법은티타늄, 티타늄합금및선택적으로니켈또는구리와같은충전재금속을갖지않는금속용접재료에작은용융영역에고밀도빔의레이저광을적용하도록최적구성으로광섬유레이저를형성하는것으로시작하는다수의단계를포함한다. 레이저광의빔은용접영역에용접부를형성하도록용접재료에좁은대역폭으로적용된다. 본발명의실시예의응용예에대한최적의좁은대역폭은 1064nm±0.5nm이고, 특히아르곤에대해 1050.65와 1067.36nm, 헬륨에대해 1066.76nm 또는 1082.91nm의스펙트럼라인들을회피한다. 아르곤, 헬륨, 크립톤, 또는네온과같은불활성차폐가스는오염을방지하기위해용접영역주변에서직교류또는글로브박스구성으로사용된다. 크립톤은높은상업적비용으로인해선호하지않고, 헬륨도마찬가지인데, 이는용접후누설감시가가능하도록몇몇응용예들에서혼합물로서적은양으로사용된다. 두가스모두더높은전도성특성들을또한갖는다. 또한본시스템및방법은커버가스의스펙트럼라인들과의상호작용을최소화하고용접중에금속용접이온들의스펙트럼들과의상호작용을최소화하기위해특정한좁은대역폭광섬유레이저의생성을선택적으로포함한다. 하나이상의스펙트럼라인이회피될필요가있을수있다. 가스혼합물이커버가스로사용되거나또는금속합금이사용되는경우에몇몇스펙트럼라인들이회피되어야한다. 좁은대역폭광섬유레이저와의스펙트럼상호작용은회피되어야한다. 본방법은고밀도빔을위한적합한개구수를판정및유지하는단계 ; 한세트의빔확산특성들을설정및유지하는단계 ; 및최적초점스팟사이즈를계산하는단계를더포함한다. 작은용융영역에레이저광의고밀도빔을적용하기위한최적구성은빔전달 ; 개구수 ; 스팟사이즈 ; 공간프로파일 ; 시간프로파일 (temporal profile); 펄스지속시간 ; 펄스반복율 ; 용접스팟들의중첩 ; 용접고정구 (fixture); 및용접부생성속도를포함하는리스트로부터하나이상의특성을선택하여결정된다. 적절히적용되면, 최적화된구성은그을음없이밝고빛나고산화물이-없는표면마무리를생성한다. 레이저빔용접을위한본발명의시스템은커버가스로서아르곤을갖는용접영역에 1064nm±0.5nm의좁은대역폭의레이저광의고밀도빔을적용하기위한최적구성으로배치된공냉펄스모드광섬유레이저를포함한다. 용접영역은용접될가공물 ; 상기용접이그안에적용되는작은용융영역 ; 및가공물에위치하는작은용융영역에용접부를형성하기위한용접재료를추가로포함한다. 용접재료는티타늄 ; 티타늄합금 ; 또는선택적으로충전재금속이없는비철금속 (non-ferrous metal) 을포함하고, 용접마무리에대한모든영향을회피하기위해사용되는스팟사이즈에대해최적인재료두께로적용된다. 600미크론 (micron) 의스팟사이즈를사용하면서 300미크론의두께를갖는티타늄재료로실험들이수행되었다. 선택적으로, 산업용품질의아르곤또는헬륨과같은불활성차폐가스가용접부의오염을방지하기위해직교류로용접영역에적용된다. 이시스템은단일레이저입력을사용하거나, 또는하나이상의광섬유레이저를선택하는스위치를사용하여커플링수단에의해결합된다중레이저를사용할수있다. 본발명의상기한것및다른특징들및장점들이유사한도면부호들이동일한요소들을지시하는첨부한도면들과연계하여하기의상세한설명을읽어명백해진다. [0023] 발명의효과 본명세서내에포함되어있음 - 7 -
[0024] 도면의간단한설명 도 1a 는종래의넓은방출대역폭광섬유레이저 (1070nm±10nm) 와 Ar 커버가스의티타늄용접의도면이다. 도 1b는 Nd:YAG 고체상태레이저와 Ar 커버가스의티타늄용접의도면이다. 도 2는아르곤스펙트럼라인들에대한 Nd:YAG 레이저들과광섬유레이저에대한예시적인방출스펙트럼의도면이다. 도 3은광섬유레이저용접시스템의구성요소들의블록도이다. 도 4는다중레이저가스위칭특징을갖는커플링메커니즘에의해결합되는광섬유레이저용접시스템의구성요소들의블록도이다. 도 5는본발명의방법의흐름의순서도이다. 도 6은아르곤커버가스를사용하는티타늄과의용접비교의예시도이다. [0025] [0026] [0027] [0028] 발명을실시하기위한구체적인내용이제첨부한도면들에예시된본발명의몇몇실시예들을상세히참조한다. 가능한경우에, 동일하거나유사한도면부호들이동일하거나유사한부분들또는단계들을나타내기위해도면들및상세한설명에사용된다. 도면들은간략화된형태이다. 상술한바와같이간단한대체 (substitution) 중에다른모든유사한인자 (factor) 들을사용하여 1070nm에서의종래의광섬유레이저로 1064nm에서의고체상태 Nd:YAG 레이저를대체하고아르곤 (Ar) 커버가스에서용접할때놀랍게도많은그을음이생성되었다. 이는허용할수없는것이었고본발명의개발중에발명자들은광섬유레이저-물질상호작용이 Nd:YAG 레이저-물질상호작용들과기본적으로상이했는데왜냐하면광섬유레이저로발생하는플라즈마가 Nd:YAG 레이저들로생성되는더작고적은강도의백색 / 노란색스펙트럼신호와비교할때훨씬크고밝은백색 / 청색스펙트럼신호를보이기때문임을밝혀냈다. 도 2에서, 이상호작용의판정은 Nd:YAG 레이저와광섬유레이저의파장들에대한아르곤의스펙트럼 ( 흡수 / 방출라인들 ) 을작도하여지지되었다. 이는 Ar 라인들이 1070nm의광섬유레이저스펙트럼과중첩되고 Nd:YAG 레이저스펙트럼내에는선이없음을보인다. 이조건을회피하기위해새로운광섬유레이저가 1067.36nm의아르곤라인으로부터정확히멀어지게이동하도록 1070nm 내지 1064nm의중심파장을변환하게구성되었다. 결과적으로, 제안된광섬유레이저는커버가스로서아르곤을사용하여용접할때 Nd:YAG 레이저를사용하여얻어지는최소그을음생성및플라즈마거동과일치할수있음이판정되었다. 그러므로, 티타늄용접이광섬유레이저용접중에플라즈마영역에서아르곤과티타늄의이온화된입자들간의조합과광섬유레이저방출스펙트럼과연계된다. 부가적으로, 광섬유레이저-티타늄용접상호작용은차폐에다른가스들또는혼합된가스들, 더낮은펄스피크출력레벨의더긴펄스, 용접플라즈마의강도를제한하기위해피크출력레벨의감소와함께더작은스팟사이즈를사용하여추가로최소화될수있다. 도 3에서, 제안된시스템이광섬유레이저용접시스템 (10) 의구성요소들의블록도로서도시되어있다. 광섬유 레이저 (20) 는 1064nm±0.5nm의좁은대역폭에서고밀도빔 (22) 을보낸다. M 2 =38의예시적인상부빔프로파일전파 (propagation) 가광섬유레이저의출력에대해측정될수있다. 용접들은 1.25ms( 밀리초 ) 의펄스지속시간을갖는일시적정사각형형상으로수행되지만용접업계에서요구될수있는임의의범위의다른지속시간들이사용될수있다. [0029] [0030] [0031] 빔 (22) 은티타늄과같은용접재료 (28) 가가공물 (24) 에용접부를형성하는것을허용하는작은용융영역 (26) 을갖는용접영역 (30) 에보내진다. 용접부는사용중가공물이움직이거나레이저가움직이거나또는둘다에따라움직일수있다. 불활성아르곤차폐가스는직교류영역 (32)( 또는모든구성요소들이제어된환경으로글로브박스에배치될수있다 ) 에적용되고이는용접부의오염을방지하기위해용접영역 (30) 에서커버가스로서작용한다. 순도 99.996% 의상업용등급의아르곤이최적으로사용된다. 가스차폐유동배향, 및각도는밝고빛나고산화물-없는표면마무리를얻도록최적화된다. 도 4에서제안된시스템은도 3의것과유사한광섬유레이저용접시스템 (50) 의구성요소들의블록도로서도시 - 8 -
되었지만, 1064nm±0.5nm의좁은대역폭에서고밀도빔 (68) 을보내도록커플러 (64) 와커플링경로 (62a, 62b 및 62c) 들을통해여러펄스광섬유레이저 (60a, 60b 및 60c) 들중의하나를사용한다. 빔 (68) 은티타늄과같은용접재료 (74) 가가공물 (70) 상에용접부를형성하도록하는작은용융영역 (72) 을갖는용접영역 (76) 에보내진다. [0032] [0033] [0034] [0035] [0036] [0037] [0038] [0039] 불활성차폐가스, 바람직하게는아르곤이직교류영역 (78) 에적용되고 ( 또는모든구성요소들이제어된환경에서글로브박스에배치될수있음 ) 이는용접부의오염을방지하도록용접영역 (76) 에커버가스로서작용한다. 도 5에서, 본발명의방법흐름의순서도가도시되어있다. 이흐름은공냉펄스모드광섬유레이저의선택으로단계 100에서시작한다. 레이저는단계 102에서, 빔전달 ; 개구수 ; 스팟사이즈 ; 공간프로파일 ; 시간프로파일 ; 펄스지속시간 ; 펄스반복율 ; 용접스팟들의중첩 ; 용접고정구 ; 및용접공정의속도, 용접재료및커버가스구성에대해수정함으로써작업에대해 ' 구성 ' 된다. ' 구성 ' 단계 102는이시스템및방법의특성들을최적화하기위해이해되듯이단계들 104, 106 및 108과협력관계 (symbiosis) 로수정될수있음을알아야한다. 이단계에서이루어진설정들은사용중에필요에따라이후의단계들에서재수정될수있다. 단계 102로부터, 흐름은단계 104로나아가고여기서티타늄과같은용접재료가가공물상의제위치에배치된다. 단계 104는단계 100 및 102 전에수행될수있으며 ; 이단계의중요성은레이저빔의생성전에수행된다는점에있다. 도 5에예시된바와같이, 이방법의흐름은단계 104로부터단계 106으로나아가고여기서개구수가가공물의작은용융영역내의용접재료의위치에근거하여빔에대해결정된다. 그다음에흐름은단계 106으로부터단계 108로나아가고, 여기서한세트의 ' 빔확산 ' 특성들이최대최적화에도달하도록화살표로도시한바와같이단계 102와연계하여광섬유레이저의빔에대한파장출력과커버가스또는가스들의조합과, 선택적으로용접될비철합금간의상호작용을회피하게설정된다. 시험된실시예들은티타늄을포함하지만, 다른것들이이시스템및방법에의해사용될수있다. 그다음에흐름은단계 110으로나아가고여기서최적초점스팟사이즈가정해지고광섬유레이저에입력된다. 단계 110으로부터, 흐름은단계 112로나아가고여기서광섬유레이저는좁은대역폭 ( 여기서최적범위밖에있을때형성되는것으로밝혀진오염물질들없이용접의플라즈마가형성되도록하는선택된아르곤커버가스로인해 1064nm±0.5nm로지정됨 ) 내에서빔을생성한다. 그다음에레이저빔은단계 114에서작은용융영역에보내지고여기서용접재료가가공물상에위치된다. 빔이용접재료에작용할때, 시스템은단계 116에서불활성가스가용융영역주변에서직교류로적용되는지여부를질의한다. 질의에대한응답이 " 예 " 이면, 아르곤과같이스펙트럼간섭을회피하도록시스템에대해지정된불활성가스가단계 118에서작업영역에걸쳐직교류로적용된다 ( 또는모든구성요소가제어된환경, 예를들어, 글로브박스 ( 아래에서단계 120 참조 ) 에배치될수있음 ). 그러나, 단계 116에서질의에대한응답이 " 아니오 " 이면, 흐름은단계 120으로나아가고여기서모든구성요소들은제어된불활성가스분위기내에배치된다. 단계 118 및단계 120으로부터, 흐름은단계 122로나아가고여기서용접부가가공물상에형성된다. 용접부가형성된후, 이방법은다른용접이수행될지에대해질의한다. 질의에대한응답이 " 예 " 이면, 흐름은단계 104 로복귀하고여기서용접재료가다음용접형성을위해제위치에배치된다. 그러나, 단계 124에서질의에대한응답이 " 아니오 " 이면, 흐름은단계 126으로나아가고여기서과정이종료된다. 도 6에서, 용접결과들의예시도는 1070nm 광섬유레이저내에서더강한플라즈마거동과더높은그을음생성의근본원인이 1067.35nm에서아르곤흡수 / 방출라인과레이저파장출력간의상호작용로인한것임을확인했다. 결과적으로, 이발견과, 제안된시스템들및방법들을사용하여 Nd:YAG 레이저와유사한최소그을음생성의개선된거동이이루어진다. 우수한용접은 1064nm에서좁은대역폭광섬유레이저였다. 이는레이저빔, 커버가스및용접재료 ( 티타늄 ) 간의부가적상호작용들을회피했다. 본발명의방법단계들을따르면다른커버가스들및용접재료들에대해동일한이점들이가능하다. 첨부한도면들을참조하여본발명의양호한실시예들중하나이상이설명되었지만, 본발명은이러한정확한실시예들에한정되지않고, 다양한변화들, 수정들, 및적용들이첨부한청구범위에정의된바와같은본발명의범위또는진의를벗어나지않고당업자에의해그안에서실시될수있음이이해될것이다. [0040] 부호의설명 10: 광섬유레이저용접시스템 - 9 -
20: 광섬유레이저 22: 고밀도빔 24: 가공물 26: 용융영역 28: 용접재료 30: 용접영역 32: 직교류영역 도면 도면 1a 도면 1b - 10 -
도면 2 도면 3-11 -
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