KR100479890B1

KR100479890B1 - 재료의정밀가공및기계가공을위한레이저기반장치및제조품을절단하는방법

Info

Publication number: KR100479890B1
Application number: KR10-1998-0703026A
Authority: KR
Inventors: 헨리 콥사
Original assignee: 이.아이,듀우판드네모아앤드캄파니
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 2005-09-12
Also published as: KR19990067086A

Abstract

본 발명은 레이저 비임으로 물체를 절단하는 개량된 방법 및 장치에 관한 것으로, 상기 방법은 약 2 내지 약 100 와트의 평균 전력 출력을 갖고 물체에 10¹² W/m²×sr을 초과하는 평균 레이저 비임 휘도 및 10¹³ W/m²×sr을 초과하는 피크 휘도를 분배하는 다이오드 레이저 펌핑된 펄스형 고상 레이저를 사용하는 단계를 포함한다. 물체는 4 mm 미만의 열 영향부(HAZ)를 갖고 대체로 미세 크랙이 없는 상기 레이저 절단 방법으로 절단된다.

Description

재료의 정밀가공 및 기계가공을 위한 레이저 기반 장치 및 제조품을 절단하는 방법 {LASER BASED APPARATUS FOR PRECISION PROCESSING AND MACHINING OF MATERIALS, AND METHOD FOR CUTTING A MANUFACTURED OBJECT}

본 발명은 집중된 고에너지 레이저 비임에 의해 제조물을 레이저 절단하는 방법과, 재료를 정밀 가공 및 기계 가공하는 장치와, 상기 방법에 의해 절단된 제조물에 관한 것이다.

집중된 레이저 비임에 의한 제조물 절단 방법은 일반적으로 당업계에 주지되어 있다. 대부분의 상업 시스템에서는 광섬유 다발을 사용하여 절단 위치에 비임을 분배한다. 그러나, 광섬유를 사용하면 비임 품질 인자(Quality Factor)가 열화되므로 정밀한 절단에 있어서는 전적으로 적절치 못하다. 섬유로 분배되는 비임에 대한, 이하에서 정의되는 비임 품질 인자(M²)는 전형적으로 50 내지 150 범위에 있는데, 정밀한 절단용으로는 2 미만의 비임 품질 인자(M²)가 필요하다. M²가 휘도(brightness) 방정식의 분모에 제곱식으로 들어가 있으므로, 섬유가 결합된 레이저는 그 크기에 따라 필요한 휘도를 얻지 못한다.

일부의 관련 문헌만이 절단용으로 직접 레이저 비임을 사용하는 것을 논의하고 있다. 전형적인 것은 존슨(Johnson) 등의 미국 특허 제5,057,664호인데, 상기 특허는 박막 저항기로 사용되는 니크롬 또는 탄탈륨 등의 고융점 재료로 된 초박막(1 ㎜이하)을 절단하기 위한 다이오드 펌핑된 Q-스위치 이트륨 알루미늄 가닛(YAG) 레이저 사용을 기재하고 있다. 존슨(Johnson) 등은 양호한 평탄도(smoothness)를 갖는 정돈된 프로파일(trim profile)을 이룬다고 기재하고 있다

바수(Basu) 등의 미국 특허 제4,890,289호는 예컨대 레이저 절단용으로 적용 가능한 고에너지 다이오드 펌핑된 고상 레이저 배열을 기재하고 있다. 방사선과 함께 발생된 열에 의한 레이저 획득 재료의 비틀림을 회피하도록, 바수(Basu) 등은 레이저 재료로부터 소정 거리에 펌핑 다이오드를 배열하여, 광섬유에 의해 펌핑 방사선을 안내하여 집중시키고 펌핑된 구역을 주기적으로 이동시켜 광학 펌핑 방사선에 의해 레이저에서 발생된 열을 분산시킨다. 분명히 상기 배열은 복잡한 기구 및 제어 수단을 필요로 한다. 또한, 바수(Basu) 등에 의해 개시된 것 등의 슬래브 레이저(slab laser)는 정밀에 대해 로드 레이저(rod laser)보다 좋지 않은데, 이는 전형적으로 슬래브 레이저가 비임 품질 인자(M²)가 소정 범위에 있는 것을 방해하는 비점 수차(astigmatism)를 나타내기 때문이다.

베어(Baer)의 미국 특허 제5,059,764호는 반도체 제조 및 리페어에 적용하기 위해 단부 펌핑되고(end-pumped) 섬유가 결합된, 레이저 다이오드에 의해 펌핑되는 고상 로드 레이저를 채용하고 있다. 상기 시스템의 비임 폭은 1 내지 2 ㎜ 정도로 작을 수 있고, 전형적으로 펄스는 30 mJ의 에너지를 갖는다. 단일 펄스는 반도체 회로에서 원하지 않는 연결을 절단하도록 채용된다.

상기 존슨(Johnson) 등 및 베어(Baer)의 방법은 반도체 회로의 금속층 등의 얇은 물체를 성형하는 데 유용하고 상기 재료는 주로 절단에 의해 제거된다. 일반적으로 바수(Basu) 등의 방법은 두꺼운 재료에 적절하지만 단지 상당히 조악한 즉 양호한 것보다 약 10배나 넓게 절단할 수 있다. 두꺼운 제조물을 정밀 미세 절단하는, 즉 재료 두께(L)와 절단폭(D) 사이의 종횡비(L/D)가 높은 것을 절단하는 방법에 대한 필요성이 존재한다. 콥사(Kobsa) 등의 미국 특허 제5,168,143호는 레이저 비임을 채용하여 스피너리트판(spinneret plate)의 복잡한 모세관을 절단하였다. 전형적으로 상기 판은 금속제이고, 두께가 0.1 ㎜ 정도로 얇거나 2.0 ㎜ 정도로 두꺼울 수 있지만 전형적인 두께는 0.2 내지 1.0 ㎜이다. 상기 공정에서 집중된 레이저 에너지는 판의 정면(상부)과 저면(하부) 사이에 용융 재료의 풀(pool)을 형성하고 용융 금속은 레이저 비임과 동축으로 유동하는 가압 유체에 의해 방출된다. 대체로 레이저 비임은 단일 모드 비임이고 판 상부면의 상부 위치에 100 ㎜ 미만의 크기를 갖는 지점에 집중된다. 레이저는 크세논 플래시 튜브(xenon flash tube)에 의해 펌핑되어 100 ㎐와 200 ㎐ 사이의 반복 주파수로 작동되는 것이 좋다. 상기 방법에 의해, 약 40 ㎜의 폭 및 매우 매끄러운 모서리를 갖도록 약 0.2 내지 1.3 ㎜의 두께를 갖는 금속 및 세라믹 판이 절단될 수 있다.

상기 방법에서 독특한 점이라면 절단면(surface of the kerf)에 열 영향부(HAZ)가 발생한다는 것이다. 이는 유체 제트에 의해 제거되지 않은 채로 제조품의 열소산으로 인한 재결정에 의해 응고되는 용융 재료에 의해, 또는 열응력이나 기타 영향으로 인한 크랙 발생에 의해 야기될 수도 있다. 주지된 레이저 절단 방법에 의해 형성된 HAZ의 두께는 절단되는 재료에 따라 그리고 공정 변수에 의해 좌우되며, 전형적으로 25 내지 50 ㎜이다. 일반적으로 HAZ에서 재료는 벌크 재료와는 상이한 물리적 및 화학적 성질을 갖는다. 이와 같이 제조품을 사용하면 열 영향부가 벌크 재료에 비해 기계적인 마모 및/또는 화학적인 공격(attack)에 취약해지고 절단 구역의 치수가 사용 중에 급변하게 되는 경우가 발생할 수도 있다. 분명히 이는 단점이다.

따라서 본 발명의 목적은 레이저 절단 물체의 열 영향부 두께가 종래 기술에 비해 상당히 작게하는 방식으로 레이저 절단 공정을 개량하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 장치를 도시하는 도면.

도2는 본 발명에 따른 광학 요소의 개략 양식도.

도3은 레이저 비임 분배 조립체를 도시하는 부분 측면도.

도4는 레이저 로드를 광학적으로 펌핑하기 위한 양호한 실시예를 도시하는 레이저 로드 및 펌핑 다이오드의 사시도.

본 발명에 따르면, 약 0.1 ㎜ 내지 2.0 ㎜의 두께를 갖는 제조품을 절단하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 약 2 내지 약 100 와트의 평균 에너지 출력을 갖고 10¹² W/m²×sr을 초과하는 평균 레이저 비임 휘도 및 10¹³ W/m²×sr을 초과하는 피크 휘도를 분배하여 레이저 비임을 발생시키는 측부 펌핑된(side-pumped) 다이오드 바아를 갖는 레이저를 사용하는 단계를 포함한다. 레이저 비임은 물체의 상부면과 하부면 사이의 평면에 집중되는데, 이는 재료를 용융시키거나 증발시킨다. 레이저 비임에 의해 용융되거나 증발된 재료는 레이저 비임과 동축으로 유동하는 가압 유체에 의해 물체로부터 방출된다.

또한 본 발명은 재료 및 공작물을 정밀 가공 및 기계 가공하는 레이저 기반 장치를 포함한다. 상기 장치는 고상 레이저 광원을 포함하는데, 상기 광원은 레이저 매질, 양호하게는 네오디뮴이 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛(Nd:YAG), 2개의 단부 미러에 의해 형성된 레이저 공동, 레이저를 펌핑하기 위해 레이저 매질 주위에 배열된 다수의 다이오드 바아, 및 비임의 품질를 개선시키는 광학 요소를 포함한다. 일반적으로 상기 광학 요소는 주지되어 있으며, 단일 모드 예컨대 TEM00 모드를 선택하기 위한 조리개, 렌즈, 또는 만곡된 미러일 수도 있다. 상기 장치는 레이저 비임을 확장시키고 조준하고 집중하는 렌즈 시스템를 추가로 포함한다. 포커싱 렌즈는 콜리메이터 근방이나 소정 거리에 위치되어 상기 장치의 다른 부품 즉 비임 감쇠기(beam attenuator) 또는 비임 검사용 비임 스플리터(beam splitter)를 위한 공간을 남길 수도 있다. 상기 장치는 레이저 비임에 대해 공작물을 지지 및 이동시키는 작업대를 추가로 포함한다. 상기 작업대는 예컨대 클램핑 요소에 의해 공작물을 지지하고, 2개의 직각 방향으로 공작물을 독립적으로 이동시키고 제1의 2개의 방향에 직각인 제3 방향으로 레이저의 초점을 독립적으로 이동시키는 수단을 갖는다.

레이저의 평균 휘도(Bav)는 레이저 에너지와, 초점 평면에서 레이저 비임의 입체각 뿐만 아니라 단면적에 따라서도 좌우된다. 상기 평균 휘도는 펄스형 레이저에 대해 이하의 다음 식으로 정의된다.

즉, Bav = (n × E) / (A × Q) [W/m²×sr], 여기에서

E [J] = 펄스당 에너지,

n [1/s] = 반복 속도,

A [m²] = 초점 평면에서 비임의 단면적,

Q [sr] = 요부(waist)에서 비임에 의해 둘러싸여진 입체각.

CW 레이저에 대해, n × E는 [W] 차원의 에너지로 교체되어야 한다.

용이하게 측정할 수 있는 단위로 바꾸면 상기 식은 다음과 같이 된다.

즉, Bav = (4/p)² × (n × E) / (Wo² × q²) [W/m²× sr], 여기에서

Wo [m] = 요부에서 비임의 직경,

q [rad] = 레이저 비임의 발산도.

발산도(q)는 포커싱 렌즈에 진입하기 전의 조준된 비임의 직경과 상기 렌즈의 초점 길이 사이의 비율로서 결정될 수 있다.

Wo는 ㎜ 단위로 측정하는 것이 편리하므로, 상기 식은 다음과 같이 된다.

즉, Bav = 10¹² × (4/p)² × (n × E) / (Wo² × q²) [W/m²× sr].

피크 휘도는 Bav를 듀티 사이클(r)로 나누면 얻어진다.

즉, Bp = Bav / r [W/m²× sr].

듀티 사이클이란 동일하고 필수적으로 직사각형인 레이저 펄스에 대해 하나의 펄스의 개시와 다음 펄스의 개시 사이의 시간 간격에 대한 레이저 펄스의 지속 시간의 비를 의미한다.

다음에, 고휘도를 얻기 위해서는 펄스 에너지(E)를 증가시키거나 비임 품질를 나타내는 제품 Wo× q를 감소시키는 것 중 하나 또는 모두를 행하여야 한다. Wo× q의 최소값은 회절 한계 4 l/p와 동일한데, 여기에서 l은 레이저 방사선의 파장이다. 상세한 논의를 위해서는 비임 품질 인자(M²)를 사용하는데, 이는 (Wo× q)의 실제값과 최소값 사이의 비이고 다음 식으로 정의된다.

즉, Wo× q = M² × 4 × l / p [m × rad].

상기를 사용하여 평균 휘도에 대한 다음 식을 얻게 된다.

즉, Bav = (n× E) / (l²× (M²)²) = 0.883× 10¹²× n× E / (M²)² [W/m²× sr]인데, Nd:YAG 레이저에 대해 l = 1.064 ㎜이다.

이는 레이저에 대해 고휘도를 얻기 위해서 비임 품질 인자(M²)는 가능하면 낮아야 한다는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 장치는 이하에서 설명되는 바와 같이 다음의 방법, 즉 (1) 레이저 공동 내부에 하나 이상의 렌즈를 사용하거나 하나 이상의 만곡된 단부 미러를 사용하여 열적 렌징(thermal lensing; 매질 내의 반경방향 온도구배에 의한 굴절률의 반경방향 불균일에 의해서 매질이 렌즈 유사한 기능을 갖는 현상)을 보정하는 방법과, (2) 레이저 매질의 열적 로딩(thermal loading; 매질이 가열되는 현상)을 최소화시켜 보정하기 곤란하거나 불가능한 비점 수차 등 고도의 비틀림을 회피하는 방법에 의해 M²를 제어한다.

도면에는 본 발명에 따른 장치(10)가 도시되어 있다. 상기 장치(10)는 무진동 지지 구조체(20), 3축 위치 설정 시스템(30), 대상물 고정 기기(40), 레이저 비임 감쇠기(60), 레이저 비임 확장기(70), 비임 샘플러(80), 레이저 비임 분배 조립체(90), 레이저 비임 품질 모니터(100), 절단부 관찰 시스템(110), 용량성 거리 센서(140), 가압 가스 절단 보조 유닛(150), 및 광밀(빛이 새지 않는) 안전 밀폐부(160)를 포함한다.

레이저 절단 장치(50)은 레이저 다이오드 펌핑된 펄스형 Nd:YAG 고상 레이저 헤드(52)를 기초로 한다. 레이저 장치(50)은 2개의 단부 미러에 의해 형성된 레이저 공동, 레이저 매질, 상기 레이저 매질을 펌핑하는 다수의 다이오드 바아, 및 비임 품질을 개선시키는 적어도 하나의 광학 요소를 포함한다. 모델 3621-3000-1로서 버지니아주 Herndon 소재의 Fibertek사제 레이저 장치는 레이저 헤드(52), 전원(54), 및 열 냉각 유닛(56)을 포함한다. 레이저 헤드의 레이저 로드(52R)를 포함하는 레이저 매질은 각각 50 W의 80개의 레이저 다이오드 바아에 의해 펌핑된다. 상기 다이오드 바아는 레이저 로드의 주변에 나란하게 4× 4 배열로 5개의 배열(52D1 내지 52D5)로 배열된다. 도4는 상기 배열을 도시하고 있다. 평균 레이저 에너지는 약 2 와트 내지 약 100 와트일 수도 있는데, 약 30 W인 것이 좋다. 펄스 길이는 150 마이크로초[㎳]이고, 펄스 반복 속도는 0.15의 듀티 사이클에 해당하는 초당 1000 펄스[1/s]이다. 다이오드(52D) 및 레이저 로드(52R)는 물 대 공기(water-to-air) 냉각 유닛(56)에 의해 냉각된다.

레이저 매질의 온도 분포는 가능하면 대칭이어야 한다는 것이 중요하다. 이는 원통형 로드 형상의 레이저 매질이 슬래브 형상의 레이저 매질보다 대칭이기 때문에 용이하게 이루어지는 경우가 있다. 본 발명에 따른 대부분의 양호한 실시예에서, 도4에 도시된 바와 같이 로드 레이저 매질은 다수(예컨대 5개)가 배열된 레이저 다이오드 바아에 의해 측부 펌핑되어 반경 방향으로는 변하지만 가능하면 원주 방향으로는 변하지 않는 균일한 온도 분포를 이룬다. 원통형 로드(52R)는, 일정한 평균 온도로 레이저 로드(52R)를 유지시키기 위해 냉각 유닛(56)에 의해 공급되는 순수(deionized water) 등의 온도 조절된 냉각제가 일정한 속도로 유동하는 투명 석영 튜브(52Q)로 둘러싸는 것이 좋다. 펌핑 레이저 다이오드(52D)를 지지하는 바아는 냉각 유닛(56)으로부터 나온 온도 조절된 냉각제가 일정한 속도로 유동하여 펌핑 레이저 다이오드를 일정한 평균 온도로 유지시키는 높은 열전도도를 갖는 열 싱크 재료(heat sink material)로 제조된다. 고에너지 펄스를 얻기 위해서는, 최대 광학 펌핑 효율을 얻을 목적으로 상기 레이저 로드(52R)에 직접 결합된 펌핑 레이저 다이오드(52D)를 측부 펌핑 레이저 로드(52R)에 사용하는 본 발명에 따른 방법이 좋다.

특히 원통형 로드 형상의 레이저 매질이 좋다. 펌핑 다이오드 배열은 레이저 매질에 근접하여 배열된다. 펌핑 다이오드는 레이저 매질의 주변에 배치되는 것이 좋다. 상기 방식으로 다수(예컨대 20 내지 160)의 다이오드는 레이저 매질 근방에 배열될 수 있는데, 각각의 다이오드는 20 와트 내지 100 와트 정도의 출력 펌핑 방사선 에너지를 가져서 수 킬로와트의 펌핑 에너지를 얻을 수 있다. 동시에 펌핑 에너지는 레이저 매질에 걸쳐 균일하게 분포되고 열응력은 낮아진다. 레이저 로드 내에서 가장 균일한 열분포를 갖도록 레이저 로드 주위에 대칭 배열된 5 또는 7 등의 홀수개의 다이오드 바아 배열선을 갖는 배열이 좋다. 홀수는 레이저에 의해 흡수되지 않는 하나의 다이오드 바아 배열선으로부터 나온 광학 에너지가 대향 다이오드 바아 배열선을 방해하지 않기에 양호하다. 본 발명으로써, M² = 1.2인 비임 품질이 하나 이상의 만곡 단부 미러를 사용하고 레이저 매질을 측부 펌핑하여 얻어진다.

비임 감쇠기(60)는 웨지 필터로서도 주지된 밀도가 변하는 회색(중립 밀도) 필터(grey filter), 또는 도2에 도시된 바와 같이, 반사도(62)가 변하는 부분 반사경(부분 반사 비임 스플리터)일 수도 있는데, 상기 감쇠기는 광학적 경로에 필수적으로 수직 방향으로 이동될 수 있다. 반사된 레이저 에너지는 비임 덤프(beam dump, 64)에 의해 흡수된다. 특히 양호한 감쇠기(60)로는 회절 비임 스플리터로서도 주지된 회절 레이저 비임 감쇄기가 있다. 또한 비임 스플리터가 넓은 감쇠 범위에 걸쳐 연속 가변형이어서 비임 에너지가 상기 범위에 걸쳐 선택되어 절단될 재료를 수용할 수도 있다면 유리하다. 적절한 감쇠기로는 캐나다 퀴벡주 Saint-Foy 소재의 Gentec사제 광학 에너지 모듈레이터(Optical Power Modulator) 모델 OPM 121-45021이 있다.

비임 감쇠기는 편의상 레이저 헤드(52)의 외부 결합 미러(52M2)와 최종 포커싱 렌즈(94) 사이의 소정 장소에 위치될 수 있다. 예컨대, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 코너 미러(58) 직후방에 위치될 수 있거나 또는 비임이 확장되거나 조준된 후에 렌즈 장치 내부로 삽입될 수 있다.

비임은 상기한 바와 같이 비임 감쇠기(60)를 통과한다. 다음에 적용 분야에 따라 비임의 직경은 5 내지 20 ㎜까지 확장시키는 비임 확장 렌즈(72)와 상기 비임을 조준하는 비임 조준 렌즈(74)를 통과한다. 다음에 비임 스플리터 미러를 포함하는 비임 샘플러(80)는 비임 검사용 레이저 비임 품질 모니터(100)에 약 0.1 %의 비임을 분리시키고 절단부에 비임을 집중하는 레이저 비임 분배 조립체(90)에 비임의 나머지 99.9 %를 반사시킨다. 비임 샘플러(80)는 가시 광선에 대해 투명하여 절단부 관찰 장치(110)과 관련하여 기술한 바와 같이 절단 공정을 감시할 수 있다. 상기 레이저 비임 품질 모니터(100)의 CCD 카메라(102)에 의해 검출된 비임부는 레이저 비임 외형(contour)의 온라인 사진을 생성하고, 상기 사진은 작업자가 비임 품질을 시각적으로 관찰하도록 하나의 모니터 상에 표시된다. 레이저 비임 분배 조립체(90)의 포커싱 렌즈(94)는 80 ㎜의 초점 길이를 갖는다. 레이저 비임 분배 조립체(90)에 장착된 노즐(98)은 콥사(Kobsa)의 미국 특허 제5,168,143호와 유사하게 공작물의 표면에 레이저 비임과 동축인 유체의 제트를 향하게 한다. 절단용 가압 가스 절단 보조 유닛(150)의 양호한 유체로는 산소, 질소, 이산화탄소, 아르곤 등이 있으며, 상기 가스의 압력을 제어하여 최적 절단 상태를 이룰 수 있고 예컨대 약 5 ㎫정도가 될 수 있다. 지지 구조체(20)는 Thyssen Laser Technik GmbH사의 유닛 등의 화강암, 또는 유사한 재료로 제조되어 진동을 감소시키고 광학 장치의 적절한 정렬을 유지시키는 것이 좋다.

3축 위치 설정 장치(30)은 제어기(32), X축 위치 설정 스테이지(34), Y축 위치 설정 스테이지(36), 및 Z축 위치 설정 스테이지(38)를 포함한다. 각각의 위치 설정 스테이지(34, 36, 38)는 각각의 가동 테이블(34T, 36T, 38T)을 갖는다. 레이저 장치(50)은 레이저 헤드(52), 레이저 전원(54) 및 레이저 냉각 유닛(56)을 포함한다. 레이저 비임 확장기(70)는 비임 확장 렌즈(72) 및 비임 조준 렌즈(74)를 포함한다. 레이저 비임 분배 조립체(90)는 비임 분배 튜브(92), 대물 또는 포커싱 렌즈(94), 창(96), 및 노즐(98)을 포함한다.

상기 레이저 비임 품질 모니터(100)는 초점 제어 유닛(104)과 화상 처리/제어 유닛(108)을 갖는 비임 화상 형성 CCD 카메라 조립체(102)를 포함한다. 비임 샘플러(80)를 통과하는 레이저 비임 에너지의 작은 부분은 초점 제어 시스템(104)를 통과하여 비임 화상 형성 CCD 카메라 조립체(102)의 평면 CCD 카메라 배열(102A) 상으로 집중된다. 화상 처리/제어 유닛(108)은 초점 제어 유닛(104)을 제어하여 여러개의 특정 위치에 포커싱 렌즈(106)의 위치를 설정한다. 렌즈(106)의 제1 위치는 CCD 배열(102A) 상으로 정확하게 비임을 집중하는 위치에 대응하고, 렌즈(106)의 제2 위치는 CCD 배열(102A)의 평면으로부터 작은 거리에 떨어진 위치에서 비임을 집중하는 위치에 대응하고, 렌즈(106)의 제3 위치는 CCD 배열(102A)의 평면으로부터 먼 거리에 떨어진 위치에서 비임을 집중하는 위치에 대응한다. 상기 변하는 초점 위치에서 생성된 화상은 화상 처리/제어 유닛(108)에 의해 수용되는데, 상기 유닛은 1993년도에 뮌헨 소재 Carl Hanser Verlag 출판사의 레이저 광선에 의한 재료 가공(Werstoffbearbeitung mit Laserstrahlung) 중에서 Herzinger와 Loosen의 제3장 및 제4장에 기재된 방법에 따라 차례대로 비임 품질 인자(M²)를 계산한다.

절단부 관찰 시스템(110)은 CCD 카메라 조립체(112), 보조 광원(114), 및 화상 표시 유닛(116)을 포함한다. 절단부 관찰 시스템(110)은 레이저 비임 분배 조립체(90)에 인접한 Z축 위치 설정 스테이지(38)에 장착된다. 공작물의 절단부로부터, 레이저 비임 또는 보조 광원(114) 중 어느 하나로부터 반사하는 광선은 대물 렌즈(94)에 의해 조준되어 비임 샘플러(80)를 통과한다. 카메라 조립체(112)의 렌즈(112L)는 카메라(112)의 CCD 화상 형성 배열(112A) 상으로 절단부의 화상을 집중한다.

지지 구조체(20)는 기부(22)를 포함하는데, 상기 기부 상에는 2개의 지지 칼럼(24)이 장착되고 상기 칼럼 상에는 상부 플랫폼(26)이 장착된다. 공작물 지지 고정구(40)는 Y축 위치 설정 스테이지(36)에 장착되는데, 다음에 상기 스테이지는 X축 위치 설정 스테이지(34)에 장착되고, 다음에 지지 구조체(20)의 기부(22)에 장착된다. 레이저 헤드(52), 코너 미러(58), 레이저 비임 감쇠기(60), 코너 미러(68), 레이저 비임 확장기(70), 및 Z축 위치 설정 스테이지(38)는 상부 플랫폼(26)에 장착된다. 레이저 비임 분배 조립체(90)는 Z축 위치 설정 스테이지(38)에 장착된다.

3축 위치 설정 부속 시스템(subsystem, 30)으로서 사용하기에 적합한 것으로는 모델 UNIDEX(R)의 모델 31 시리즈 제어기(32), X축 스테이지(34)로서 역할하는 모델 ATS 50060 위치 설정 스테이지, Y축 스테이지(36)로서 역할하는 모델 ATS 50060 위치 설정 스테이지, 및 Z축 스테이지(38)로서 역할하는 모델명 ATS 50060 위치 설정 스테이지를 포함하는 펜실바니아주 피츠버그 소재의 Areotech사제의 상업용 유닛이 적절하다.

용량성 거리 센서(140)는 거리 감지 요소(142) 및 제어 모듈(144)을 포함한다. 모듈(144)의 출력은 케이블(146)을 통해 제어기(32)에 연결된다. 거리 센서(140)는 대물 포커싱 렌즈(116)로부터 공작물의 표면까지의 거리를 측정한다. 감지 요소(142)는 노즐(98)에 장착될 수도 있다. 작동시에 제어 모듈(144)은 대물 렌즈와 공작물 사이의 거리를 나타내는 전기 신호를 보내고 제어기(32)는 Z축 스테이지(38)에 제어 신호를 보내서 스테이지 테이블(38T)의 위치를 설정하고, 레이저 비임 분배 조립체(90)를 공작물의 표면으로부터 소정 거리에 유지시켜 대물 렌즈(94)가 공작물의 표면에 대해 소정 위치에서 레이저 비임을 집중한다.

가스의 공급원(150C), 공급 튜브(152) 및 절단 노즐(98)을 포함하고 포커싱 렌즈(94)와 공작물(W) 사이에 레이저 비임과 동축으로 정렬되어 장착된 가스 절단 보조 유닛(150)은 작업대에 지지된 공작물의 표면에 가압 유체의 제트를 향하게 한다. 상기 유체는 산소, 아르곤, 이산화탄소, 또는 질소 등의 가스인 것이 좋다.

또한 본 발명에 따르면, 0.1 내지 2.0 ㎜의 두께를 갖는 물체를 절단하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 약 2 내지 약 100 와트의 평균 출력을 갖고 10¹² W/m²×sr을 초과하는 평균 레이저 비임 휘도 및 10¹³ W/m²× sr을 초과하는 피크 휘도를 분배하여 레이저 비임을 발생시키는, 측부 펌핑된(side-pumped) 다이오드 바아를 갖는 레이저를 사용하는 단계를 포함한다. 레이저 비임은 물체의 상부면과 하부면 사이의 평면에 집중되는데, 이는 재료를 용융시키거나 증발시킨다. 용융된 또는 증발된 재료는 레이저 비임과 동축으로 유동하는 가압 유체에 의해 물체로부터 레이저 비임에 의해 방출된다.

상기 장치에 과도한 열의 부하없이 고휘도 피크를 성취할 수 있기 때문에 본 발명에 따른 방법에는 펄스형 레이저가 좋다. 또한 적어도 초당 500 펄스[1/s]의 반복 주파수로 레이저 절단 장치를 작동시키는 것이 좋다.

또한 본 발명에 따른 방법에서 일정한 평균 에너지 출력으로 레이저(50)를 작동시켜 최적 비임 품질을 유지시키고, 레이저 헤드(52)와 공작물(W) 사이의 광학적 경로에(양호하게는 레이저 헤드(52)의 직후방에) 배열된 감쇠기(60)에 의해 레이저 비임의 강도를 조정하는 것이 좋다. 이와 같이 레이저 비임은 일정한 평균 에너지 레벨로 운행되고 공작물에서 레이저 비임의 평균 유효 에너지는 특정한 적용 분야에 적합한 레벨까지 감쇠기(60)에 의해 조정된다. 대체로 레이저 절단을 수행하기에만 충분한 레벨까지 공작물에서 레이저 비임 에너지를 조정하는 것은 유리하다. 과도한 에너지 레벨을 사용하면 열 영향부가 증가된다. 이는 공진기 공동을 적절하게 설계하거나, 또는 도2에 도시된 바와 같은 광학 보정 요소(52E)를 사용하면, 반경 방향의 온도 구배에 의해 유발되는 매질 내에서의 반경 방향의 굴절률 불균일에 의해 발생하는 레이저 매질의 회피할 수 없는 열적 렌징이 일정하게 유지될 수 있고 효과적으로 보정될 수 있다는 것을 의미한다.

또한 포커싱 렌즈(94)와 공작물(W) 사이의 거리를 감시하여 일정값으로 상기거리를 제어하는 것이 좋다. 이와 같이 공작물의 비평탄 또는 만곡에 대한 영향이 제거될 수 있고 레이저 비임 초점이 공작물의 표면에 대해 소정 위치로 유지될 수 있다. 상기 제어는 독일 Gaggenau 소재의 Precitec GmbH사의 등록 상표 Lasermatic Ⅱ 등의 거리 센서 시스템(140)에 의해 이루어지는 것이 좋은데, 상기 시스템는 레이저 비임 전달 튜브(92) 상에 장착된 용량형 센서(142)를 가지고 적절한 3 좌표 작업대(30)의 제어 유닛(32)에 전기 신호를 제공하고 다음에 공작물의 표면에 대해 소정 위치로 레이저 비임 초점을 유지시킨다.

두꺼운 물체를 절단하려면 비임의 최소 단면적 및 최고 영향력 또는 휘도가 하나의 평면에만 제한된다는 것을 기억하여야 한다. 상기 평면 상하부에서 비임은 포커싱 광학 시스템이라는 결과로서 넓어진다. 이는 비임이 (요부에서) 최소 면적의 2배로 발산하는 거리인 소위 레일리 길이(Zr)에 의해 표현되는데, 상기 식은 다음과 같다.

Zr = Wo² × p / (M² × l) = 4 Wo / q,

여기에서 Zr, Wo, 및 l 은 동일한 단위로 측정된다.

전형적으로, 약 2 Zr 두께까지의 또는 약간 더 두꺼운 재료는 양질로 절단될 수 있다. 그것은 Zr이 재료 두께의 0.4 배보다 큰 것이 좋다는 것을 의미한다.

레일리 길이(Zr)는 적절한 비임 확장기를 선택하여 제어될 수 있다. 비임을 확장시키는 것은 작은 비임 요부(Wo) 즉 작은 발산(q)을 제공하지만 작은 레일리 길이(Zr)도 제공한다. 반면, 요부(Wo)에서 비임 직경이 작아질수록, 절단면은 협소해질 수 있다. 약 2 Zr 두께를 갖는 재료를 절단하려면, 성취 가능한 절단면 폭은 약 1.4 Wo이다. 실제로 성취 가능한 절단면 폭은 절단될 재료의 열전도도에 따라 상기 값보다 약간 크다.

본 발명에 따른 절단 방법은 광범위한 재료에 적용될 수 있다. 스텐레스강, 구리, 알루미늄 등의 금속과, 심지어는 텅스텐 등의 고융점 금속과, 알루미나(예컨대 Hoechst사의 등록 상표 KERAMTEC 708 재료), 실리콘 카바이드, 또는 지르코니아 등의 세라믹 재료에 좋다. 또한 탄소 섬유 보강 열경화성 수지, 탄소 섬유 보강 탄소, 또는 세라믹층으로 코팅된 스텐레스강 등의 클래드 재료가 절단될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 절단면이 매우 매끄럽고 전형적으로 4 ㎜이하의 매우 얇은 HAZ를 갖는다는 것을 알게 되었다. 이는 본 발명에 따른 레이저 절단 장치에 대한 매우 낮은 M² 값과, 절단하기에만 충분하고 공작물에 과도한 에너지를 축적시키지 않는 레벨까지 펄스당 유효 에너지를 조정한 것에 기인한다. 세라믹 등의 취성 재료를 절단하면 종래 기술에 의한 방법의 결과와는 반대로 대체로 절단면에 존재하는 미소 크랙이 없다는 것을 알게 되었다.

본 발명에 따른 방법은 예컨대 자동차 산업에서 금속판의 정밀 절단용으로, 또 전기 전자 산업용 정밀 세라믹 부품, 섬유 산업용 스프너리트판, 및 디젤 기관용 등의 연료 분사 노즐 제조용 등으로 상이한 기술 분야에 적용될 수 있다.

광학적 경로는 레이저 헤드로부터 공작물까지 연장되는 시스템에 형성된다. 미러, 렌즈, 또는 비임 스플리터 등의 광학 요소는 당업계에서 통상 사용되는 경우와 마찬가지로 광학적 경로에 존재할 수 있다.

다이오드 측부 펌핑된 레이저로 된 소형 구조 때문에 상기 레이저 장치가 상당히 작은 밀폐부에 배열될 수 있고 적당한 에너지가 소비될 수 있다는 것을 알게 되었다. 따라서 외부 하우징에 본 장치를 밀폐시키는 것이 좋은데, 상기 하우징의 도어는 레이저 전원과 상호 연동되는 것이 좋다. 따라서 상기 장치는 인증된 레이저 안전 표준에 따라 Class Ⅰ레이저 장치로 취급될 수 있다.

실시예 1

0.5 ㎜ 두께의 스텐레스 강판을 3 m/min의 절단 속도 및 n× E=30 와트의 전체 평균 레이저 에너지로 상기의 장치로 절단하였다. 상기 정의된 바와 같이 비임 품질 인자(M2)는 1.2인 것을 알게 되었다. 상기한 바와 같이 계산된 본 실험의 피크 휘도 Bp는 12.3 × 10¹³ [W/m²× sr]였고 평균 휘도 Bav는 18.4 × 10¹² [W/m²× sr]였다.

실시예 2

제2 실험에서, 0.2 ㎜ 두께의 스텐레스 강판을 0.2 m/min의 속도로 절단하였다. 모니터(116)로 절단 공정을 시각적으로 관찰하고 절단에만 충분할 정도의 에너지로 감쇠기(60)를 설정하여, 인가된 평균 레이저 에너지 n× E는 2.5 와트였다. 비임 품질는 실시예 1의 값으로부터 변하지 않았는데, 즉 비임 품질 인자(M2)는 1.2였다. 본 실험에 인가된 휘도 중 Bp는 1.03 × 10¹³ [W/m²× sr]였고 Bav는 1.53 × 10¹² [W/m²× sr]였다.

HAZ의 폭은 금속 조직학 기술(폴리싱 및 식각)에 의해 측정되었고 실시예 1 및 실시예 2 모두에서 절단된 재료에 대해 2 ㎜인 것을 알게 되었다. 추가 시험에서 비임 품질 인자가 중간 절단 속도 및 10 와트 등의 평균 레이저 에너지에서도 유지되었다는 것을 알게 되었다.

상기 결과에 비해, 콥사(Kobsa)의 미국 특허 제5,168,143호에 기재된 종래 기술에 의한 방법에서는 평균 휘도 Bav = 0.4 × 10¹² [W/m²× sr]에 대응하는 n× E = 11 W, Wo = 42 ㎜, 및 q = 80 mrad로써, HAZ가 5 ㎜보다 상당히 두꺼운 즉 약 25 ㎜까지 되었다.

Claims

재료의 정밀 가공 및 기계 가공을 위한 레이저 기반 장치에 있어서,

2개의 단부 미러에 의해 형성된 레이저 공동, 레이저 매질, 복수로 배열된 레이저 다이오드에 의해 직접 측부 펌핑되는 원통형 레이저 로드, 및 비임 품질을 개선시키는 적어도 하나의 광학 요소를 포함하는 펄스형 고상 레이저와,

레이저 비임을 확장시키고 조준하고 집중시키기 위한 레이저 비임 분배 시스템과,

레이저 비임에 대해 공작물을 지지하고 이동시키기 위한 작업대와,

상기 공작물의 표면으로 가압 유체의 제트를 향하게 하기 위한 절단 노즐을 포함하며,

상기 레이저 비임은 약 2 내지 약 100 와트의 평균 에너지를 갖고 상기 집중된 레이저 비임은 10¹² W/m²× sr를 초과하는 평균 휘도 및 10¹³ W/m²× sr를 초과하는 피크 휘도를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 고상 레이저 매질은 니오디뮴이 도핑된 이트륨 알루미늄 가닛(Nd:YAG)인 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 레이저 공동 외부에 연속 가변형 비임 스플리터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 광학적 경로에 있는 비임 샘플러와, 레이저 비임 품질 모니터를 추가로 포함하며, 상기 비임 샘플러는 레이저 비임 품질 모니터로 소량의 비임을 향하게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
제4항에 있어서, 상기 레이저 비임 품질 모니터는 평면 CCD 배열을 갖는 CCD 카메라 조립체, 초점 제어 유닛 및 화상 처리/제어 유닛을 포함하며, 상기 비임 샘플러를 통과하는 레이저 비임 에너지의 일부는 초점 제어 유닛을 통과하여 평면 CCD 배열 상으로 집중되어 레이저 비임 품질을 감시하기 위한 레이저 비임의 화상을 생성시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 레이저 비임 전달 시스템에 고정된 거리 센서를 추가로 포함하며, 상기 거리 센서는 작업대에 소정값을 입력하여 포커싱 렌즈와 재료의 표면 사이의 거리를 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
약 0.1 ㎜ 내지 2.0 ㎜의 두께를 갖는 제조품을 절단하는 방법에 있어서,

레이저는 약 2 내지 약 100 와트의 평균 에너지를 갖고 10¹² W/m²× sr을 초과하는 평균 레이저 비임 휘도 및 10¹³ W/m²× sr을 초과하는 피크 휘도를 갖고서 레이저 비임을 발생시키면서, 복수로 배열된 레이저 다이오드에 의해 직접 측부 펌핑되는 원통형 레이저 로드를 갖는 레이저를 사용하는 단계와,

물체의 상부면과 하부면 사이의 평면에 레이저 비임을 집중시켜 상기 재료를 용융시키거나 증발시키는 단계와,

상기 레이저 비임과 동축으로 유동하는 가압 유체에 의해 물체로부터 레이저 비임에 의해 용융되거나 증발된 재료를 방출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 레이저는 2 미만의 비임 품질 인자(M²)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 레이저는 1.5 미만의 비임 품질 인자(M²)를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 상기 레이저 에너지는 2.0 미만의 비임 품질 인자(M²)가 유지되도록 일정한 평균 에너지로 유지되고, 상기 레이저 비임 강도는 물체를 레이저 절단하기에만 충분한 레벨까지 레이저와 상기 물체 사이의 광학적 경로에 배치된 감쇠기에 의해 조정되어 물체의 열 영향부가 최소화되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 레이저 비임의 포커싱 렌즈와 상기 재료의 표면 사이의 거리는 자동적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 레이저 비임의 레일리 길이는 절단될 재료 두께의 약 0.4 배를 초과하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 레이저의 반복 속도는 500 ㎐를 초과하는 것을 특징으로 하는 방법.