KR100267711B1 - 피라미드 미러를 이용한 광폭 레이저 빔 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고출력 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 레이저 빔 가공장치에 관한 것으로서, 레이저 발진기로부터 나온 레이저 빔을 반사 미러를 통해 소정위치의 피가공물에 조사하여 가공하는 레이저 가공장치에 있어서, 꼭지방향의 상단부가 결여되어 균일형상의 반사면을 갖는 피라미드 형상으로 이루어져 그 반사면을 통해 상기 반사 미러로부터 입사되는 레이저 빔을 상기 피가공물에 조사할 수 있도록 축방향을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 피라미드 미러와, 상기 피라미드 미러를 회전시키는 구동수단을 포함하는 특징이 있으며, 본 발명의 레이저 가공 장치를 이용하면 피가공물에 주사되는 레이저 빔을 균일하게 분포시켜 광폭화함으로써 가공성을 향상시킬 수 있도록 함은 물론 가공물의 제품성을 향상시킬 수 있다.

Description

피라미드 미러를 이용한 광폭 레이저 빔 가공장치(wide width laser beam processing equipment using pyramid mirror)

본 발명은 고출력 레이저 빔을 이용하여 피가공물을 가공하는 레이저 빔 가공장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피라미드(pyramid ; 각추)형상의 미러를 고속 회전시켜 피가공물에 주사되는 레이저 빔을 균일 분포시켜 광폭화할 수 있도록 하는 레이저 빔 가공장치에 관한 것이다.

일반적으로 산업용으로 사용되는 레이저는 계측용 레이저와 가공용 레이저로 대분되며, He-Ne 레이저 반도체 레이저는 계측용 레이저에 속하며, Nd-YAG 레이저나 CO₂레이저는 고출력 레이저로써 가공용 레이저에 속한다. 고출력 레이저를 응용한 기술로서는 절단, 용접, 천공, 열처리, 클래딩 등이 있다.

레이저 열처리는 레이저 빔을 금속의 표면에 조사하여 높은 경도를 지닌 표면을 얻는 가공방법이며, 클래딩은 표면에 특수한 금속분말을 용융 접합시키는 가공방법이다. 이러한 열처리와 클래딩 기술이 응용되는 분야로서는 대개 자동차 산업 및 항공기 산업 등에 응용되며 구체적인 예로는 자동차 엔진 피스톤의 링그루브, 실린더의 내면, 크랭크 축, 엔진 밸브 시트, 압연용 롤러, 터빈 블레이드 등이 있다.

그런데, 엔진 피스톤의 링 그루브와 엔진 벨브 시트의 경우 열처리나 클래딩 할 면적이 좁으므로 보통 레이저 빔을 사용하여 가공하여도 무방하나, 압연용 롤러나 터빈 블레이드 처럼 가공면적이 넓은 피가공물의 경우 레이저 빔을 여러번 조사 하는 방법을 사용해야 하므로 가공시간이 길어져 가공성을 저하시킴은 물론 이에 따른 가공비용을 상승시키게 되는 문제점이 있다.

또한, 여러븐 레이저 빔을 조사할 경우 레이저 빔 에너지의 조사 분포가 고르지 못하여 열처리성이나 클래딩 가공성을 저하시켜 가공제품의 품질을 저하시키게 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해소시키기 위해 개발된 선행기술로서는 대한민국 특허 공고번호 제93-4999호에 기재된 레이저 가공장치가 알려져 있다. 이는 제1도에 도시되는 바와 같이, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기(101)와, 그 레이저 발진기(101)로부터 나온 레이저 빔의 단면강도 분포를 균일분포로 하기 위한 비구면 렌즈(102)(103)와, 그 비구면 렌즈(102)(103)을 통과한 레이저 빔의 단면형상을 증폭시키기 위한 볼록모양의 원통렌즈(104)(105)와, 그 볼록 모양 원통렌즈(104)(105)를 통과한 레이저 빔을 반사시키는 반사 미러(106)와, 평면상에서 일렬도 다수 배열된 평볼록 렌즈(107a)를 구비하여 그 반사 미러(106)로부터 압사되는 레이저 빔을 테이블(109)의 피가공물(108)에 조사하는 집광광학장치(107)로 구성되어 있다.

이에 따라, 레이저 가공시 레이저 발진기(101)로부터 나온 레이저 빔은 비구면(102)(103)에 의해 평행성을 유지하면서 단면강도가 가우스분포로부터 균일분포로 변화된다. 이렇게 균일화된 레이저 빔은 볼록모양 원통렌즈(104)에 의해서 수평 방향이 일단 집광되어 확대되고, 그 볼록모양 원통렌즈(104)보다도 초점거리가 긴 볼록모양 원통렌즈(105)에 의해서 수평방향이 확대된 평행한 레이저 빔이 된다. 그 후, 레이저 빔은 반사 미러(106)에 의해서 집광광학장치(107)에 입사되면서 이의 각 평 볼록렌즈(107a)에 의해 집광되어, 다점 스포트로서 피가공물(108)에 조사된다. 이때의 테이블(109)은 X-Y 축 방향으로 이동되면서 피가공물(108)의 가공위치를 조절하게 된다.

그러나, 이와 같은 선행기술에 의한 레이저 가공장치는 볼록모양 원통렌즈(104)(105)에 의해 확대된 레이저 빔을 다점스포트로서 피가공물(108)에 조사하거나 집광광학장치(107)를 제거한 상태로 레이저 빔을 피가공물(108)에 조사할 경우 한번에 가공할 수 있는 가공면적을 증폭시킬 수는 있지만, 볼록모양 원통렌즈(104)(105)에 의해 레이저 빔이 확대 분산됨에 따라 빔의 강도가 급속도로 저하된 상태임으로써 정상적으로 가공하기 위해서는 레이저 발진기(101)로부터 나오는 빔의 강도를 높여야 하는 어려움이 있다. 또한, 볼록모양 원통레즈(104)(105)를 통해 확산되는 빔의 강도가 중심부는 가장 강하고 주변은 약해지므로 피가공물(108)의 균일한 가공이 어려운 문제점이 있다.

더욱이, 선행기술에 의한 레이저 가공장치는 다수의 렌즈사용으로 인하여 전체적인 구조를 복잡화시켜 제작성을 저하시킴은 물론 제작비용 및 가공비용을 증가 시키는 문제점이 있다.

또한, 앞서 기술한 선행기술에 따른 레이저 가공장치와는 달리 세그먼트 미러나 빔 모드를 바꾸어 사용하여 가공하는 방법이 있으나, 이 역시 제작이 어려워 제작비용을 증가시킴은 물론 빔 조사 분포가 고르지 못하여 가공제품을 품질을 저하시키는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자는 레이저 빔을 확산시키지 않고도 광폭된 레이저 빔을 간단히 형성할 수 있는 가공장치를 개발하고자 노력하여 오던 중, 특정 형상의 미러를 이용하여 피가공물에 주사되는 레이저 빔을 순간적으로 균일 분포시켜 광폭화할 수 있는 레이저 가공장치를 개발하여 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 피가공물에 주사되는 레이저 빔을 균일하게 분포시켜 광폭화함으로써 가공성을 향상시킬 수 있도록 하고 특히 레이저 빔을 광폭화 시키는 과정에서 레이저 빔과의 접촉으로 인한 과열로 특정 미러의 손상을 줄일 수 있도록 하는 레이저 빔 가공장치를 제공하는데 있다.

제1도는 종래 레이저 빔을 집광시키는 레이저 가공장치를 보인 사시도.

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 피라미드 미러를 이용한 광폭 레이저 빔 가공장치를 보인 사시도.

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 피라미드 미러를 보인 정면도.

제4도는 제3도에 a-a선 단면도.

제5도는 본 발명의 레이저 빔 가공장치의 요부 작용상태를 보인 것으로서,

제5a도는 레이저 빔이 피라미드 미러의 반사면 선단으로 입사되는 상태도

제5b도는 레이저 빔이 피라미드 미러의 반사면 중단으로 입사되는 상태도

제5c도는 레이저 빔이 피라미드 미러의 반사면 후단으로 입사되는 상태도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 레이저 발진기 20 : 집속 렌즈

30 : 반사 미러 40 : 피라미드 미러

40a : 반사면 41 : 미러축

41a : 물재킷 42,52 : 구동풀리

45 : 축 홀더 50 : 전동모터

55 : 구동벨트 60 : 냉각수 순환장치

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기로부터 나온 레이저 빔을 집속시키는 집속렌즈와, 상기 집속렌즈에 의해 집속된 레이저 빔을 소정위치로 반사시키는 반사 미러와, 다수개의 반사면을 통해 상기 반사 미러로부터 입사되는 레이저 빔을 상기 피가공물에 조사할 수 있도록 미러축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 피라미드 미러와, 상기 피라미드 미러를 회전시키는 상기 전동모터로 구성되는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 피라미드 미러를 고정하는 미러축에는 그 피라미드 미러를 냉각시키기 위한 물재킷이 형성되며, 냉각수 순환장치에 의해 상기 물재킷내로 냉각수가 순환되도록 구성되는 레이저 가공장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 광폭 레이지 빔 가공장치(1)를 도시한 것으로서, 이(1)는 고출력 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기(10)와, 그 레이저 발전기(10)로부터 방출되는 레이저 빔을 집속시키는 집속렌즈(20)와, 그 집속 렌즈 (20)를 통과한 레이저 빔을 소정 방향으로 반사시키는 반사 미러(30)와, 그 반사 미러(30)로부터 입사되는 레이저 빔을 테이블(70)의 피가공물(71)에 조사하는 피라미드 미러(40)와, 그 피라미드 미러(40)를 회전시키는 전동모터(50)를 포함하여 구성된다.

제3도 및 제4도는 피라미드 미러(40)를 도시한 것으로, 이(40)는 꼭지방향의 상단부가 평행하게 결여되어 균일형상의 반사면(40a)을 다수개 갖는 피라미드 형상으로 이루어지고, 각 반사면(40a)을 중심으로 회전할 경우 반사 미러(30)로부터 반사되는 레이저 빔을 소정 위치에 오는 한 반사면(40a)만으로 피가공물(71)에 조사될 수 있도록 축 홀더(45)에 지지된 미러축(41)에 동기 회전 가능하게 설치된다. 또한, 피라미드 미러(40)의 중심부에는 미러축(41)과 견고히 결합될 수 있도록 볼트(43)가 체결되는 다수개의 체결공(40b) 및 축공(40c)이 각각 형성된다.

그 피라미드 미러(40)의 반사면(40a)은 20~50면으로 이루어지고, 각각 균일하고도 평활한 표면을 형성할 수 있도록 초정밀 가공기로 가공되며, 그 표면에는 레이저 빔의 반사 효율을 높일 수 있도록 99.99%의 금이 도금된다. 또한, 반사미러(30)의 표면에도 역시 99.99%의 금이 도금된다.

전동모터(50)의 0에서 8000 rpm이상까지 구동될 수 있도록 하여 집속 렌즈(20)를 통과한 레이저 빔의 주파수를 0에서 1000 Hz까지 조정할 수 있도록 하며, 저소음 및 안정된 상태로 미러축(41)을 고속 회전시킬 수 있도록 구동축(51)에 고정된 구동풀리(52)와 미러축(41)에 고정된 구동폴리(42)간에는 구동벨트(55)가 설치되며, 그 구동폴리(42)(52)와 구동벨트(55)은 동력전달 과정에서의 슬립을 억제하기 위해 치합될 수 있는 타이밍 벨트, 풀리로 이루어진다.

미러축(41)의 내부에는 고온의 레이저 빔으로 인한 피라미드 미러(40)의 손상을 줄일 수 있도록 피라미드 미러(40)와 근접위치까지 냉각수의 물재킷(41a)이 형성되며, 그 물재킷(41a)은 실링장치(65) 및 냉각수 유입관(61), 냉각수 유출관(62)을 통해 냉각수 순환장치(60)에 연결된다. 또한, 실링장치(65)는 미러축(41)이 고속으로 회전하는 과정에서도 와류에 의한 냉각수가 외부로 누수되지 않도록 마그네트(magnet)와 오링(O-ring)으로 실링된다.

집속 렌즈(20)는 레이저 발진기(10)로부터 직경이 넓고 에너지 분포가 불균일 하게 방출되는 레이저 빔을 직경이 약 2~3mm정도로 작게 하여 비교적 균일한 상태를 유지할 수 있도록 집속하는 역할을 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

우선 레이저 발진기(10)를 동작시키기전에, 레이저 가공시 전동모터(50)를 고속으로 구동시킨다. 이때, 전동모터(50)의 고속 회전력은 구동축(51)의 구동풀리(52), 구동벨트(55), 미러축(41)의 구동풀리(42)를 통해 미러축(41)을 회전시키게 되며, 이렇게 회전하는 미러축(41)에 의해 피라미트 미러(40)는 고속으로 동기 회전하게 된다.

이러한 상태에서, 레이저 발진기(10)를 동작시키게 될 경우 그 레이저 발진기(10)에서 방출되는 레이저 빔은 집속 렌즈(20)를 통과하면서 직경이 작게 집속되고, 그 집속된 레이저 빔은 다시 반사 미러(30)에 의해 반사되면서 피라미드 미러(40)의 반사면(40a)으로 조사된다. 이때, 반사 미러(30)는 레이저 빔을 지속적으로 동일한 방향으로 피라미드 미러(40)의 반사면(40a) 일부분에 조사하게 되며, 피라미드 미러(40)는 미러축(41)을 중심으로 회전하는 상태이므로 레이저 빔과 접촉되는 반사면(40a)은 회전방향을 따라 바꿔 간다.

이러한 과정에서, 회전방향을 기준으로 피라미드 미러(40)의 한 반사면(40a)선단으로부터 후단까지 시간차를 두고 입사되는 레이저 빔의 입사각도는 반사면(40a)의 회전각을 따라 일정방향으로 변화된다.

이와 같이, 반사면(40a)에 입사되는 레이저 빔의 입사각이 일정하게 변화됨에 따라, 반사면(40a)의 선단으로 입사되는 레이저 빔은 제5a도에 도시되는 바와 같이 피가공물(71) 좌측의 선단점(P1)으로 조사되고, 반사면(40a)의 중단으로 입사되는 레이저 빔은 제5b도에 도시되는 바와 같이 그 선단점(P1)에서 우측으로 이동된 중단점(P2)으로 조사되고, 반사면(40a)의 후단으로 입사되는 레이저 빔은 제5c도에 도시되는 바와 같이 선단점(P1) 및 중단점(P2)에서 우측으로 완전히 이동된 후단점(P3)로 조사된다.

이때의 피라미드 미러(40)는 고속을 회전하고 있는 상태이므로 입사각과 조사각이 매우 순간적으로 바뀌면서 조사폭이 정해지며, 한 반사면(40a)당 피가공물(71)에 조사되는 레이저 빔의 조사폭은 선단점(P1)과 후단점(P3)간의 간격이 되므로 집속된 레이저 빔의 기본 조사폭보다 증폭된 상태가 된다. 즉, 집속 렌즈(20)에 의해 집속된 레이저 빔은 확산되지 않은 그대로의 직경을 유지하면서 회전각도에 따른 한 반사면(40a)을 따라 주기적으로 왕복하면서 광폭화된 조사폭(t)을 형성하게 된다.

이러한 과정에서, 테이블(70)을 X-Y 방향으로 이동시켜 피가공물(71)의 가공부위를 조정하게 되며, 냉각수 순환장치(60)는 유입관(61) 및 유출관(62)을 통해 미러축(41)의 물재킷(41a)으로 냉각수를 순환시켜 피라미드 미러(40)를 냉각시킴으로써 고온상태의 레이저 빔의 접촉에 의한 피라미드 미러(40)의 과열, 손상을 최소화시킬 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 레이저 빔 가공장치(10)를 이용하여 클래딩 실험한 결과, 레이저 빔의 출력 P=1.68kw, 빔 직경 d=3 mm의 레이저 빔을 사용하고, 이송속도 V=2.5mm/s에서 단일 패스에, 폭 13mm의 클래드를 얻을 수 있었다.

또한, 열처리에서도 이와 비슷한 폭의 열처리된 면적을 얻을 수 있었으며, 빔 에너지 분포가 균일하기 때문에 경화 깊이가 1mm로 일정하였다.

CO₂레이저 빔은 빔 모드가 가우시안 모드일 경우, 포물선의 형태로 중심부에서 에너지가 가장 높아서 경화된 면의 형상이 포물선의 모양으로 나타나지만, 본 발명에 따른 장치를 이용한 경우는 직속된 레이저 빔을 이용하므로 직선형태의 경화된 면을 얻을 수 있다. 또한, 레이저 발진기에서 방출되는 레이저 빔 직경의 4배 정도로 확장된 폭으로 레이저 빔을 조사할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 단순한 형태의 피라미드 형상의 미러를 고속 회전시켜 피가공물에 주사되는 레이저 빔을 균일 분포시켜 광폭화할 수 있도록 함으로써 기존 직경의 레이저 빔을 그대로 사용하던 것에 비해 가공이 편리함은 물론 가공시간은 단축시켜 가공성을 향상시킬 수 있고, 기존 특성 렌즈를 이용하거나 빔 모드를 조절하여 레이저 빔의 조사폭을 확산시키는 것에 비해 보다 균일하고도 강력한 빔을 조사할 수 있음으로써 가공물의 제품성를 향상시킬 수 있으며, 기존 다수개의 렌즈를 사용하던 것에 비해 전체구성을 간단화시켜 제작성을 향상시킬 수 있음은 물론 제작원가를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 피라미드 미러를 통해 레이저 빔을 광폭화시키는 과정에서 냉각수의 순환을 이용하여 냉각시키게 됨으로써 레이저 빔과의 접촉, 과열로 인한 피라미드 미러의 손상을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구 범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 레이저 발진기(10)와, 상기 레이저 발진기(10)로부터 나온 레이저 빔을 집속시키는 집속렌즈(20)와, 상기 집속렌즈(20)에 의해 집속된 레이저 빔을 소정위치로 반사시키는 반사 미러(30)와, 다수개의 반사면(40a)을 통해 상기 반사 미러(30)로부터 입사되는 레이저 빔을 상기 피가공물(71)에 조사할 수 있도록 미러축(41)을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 피라미드 미러(40)와, 상기 피라미드 미러(40)를 회전시키는 상기 전동모터(50)로 구성되는 레이저 가공장치에 있어서,

   상기 피리미드 미러(40)를 고정하는 미러축(41)에는 그 피리미드 미러(40)를 냉각시키기 위한 물재킷(41a)이 형성되며, 냉각수 순환장치(60)에 의해 상기 물재킷(41a)내로 냉각수가 순환되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.