KR101521256B1 - 분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광을 이용한 레이저 가공 장치 - Google Patents

분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광을 이용한 레이저 가공 장치 Download PDF

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유키아키 나가타
다다시 스기모리
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Abstract

레이저 가공 장치는, 레이저 광을 생성하기 위한 레이저 발진기와, 피가공물에 분사류 액체를 분사하기 위한 노즐과, 노즐에 분사류 액체를 공급하기 위한 액체 공급 수단을 포함하며, 노즐로부터 분사된 분사류 액체 칼럼 내에 레이저 광이 도입된다. 레이저 가공 장치는 분사류 액체를 층류 상태로 노즐에 공급하기 위한 층류 형성 채널을 또한 포함한다. 층류 형성 채널은, 액체 공급 수단으로부터 공급된 분사류 액체를 노즐의 축선 주위에 환형으로 분배하기 위한 공동에 의해 형성된 분배 채널과, 노즐 축선 방향으로 분배 채널의 하류측에서 분배 채널과 연통하도록 배치되고, 분배 채널보다 좁은 유로를 제공하도록 노즐 축선 주위에 환형 공동에 의해 형성된 연결 채널과, 노즐 축선 방향으로 노즐 상류측에 인접하게 배치되고, 분사류 액체를 저장하여 노즐에 공급하는 액체 저류 체임버를 포함한다. 액체 저류 체임버는 환형의 외주 전체에 걸쳐서 연결 채널과 연통하는 외주 가장자리를 구비한다.
레이저 가공 장치, 분사류 액체 칼럼, 층류 형성 채널, 분배 채널, 연결 채널, 액체 저류 체임버

Description

분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광을 이용한 레이저 가공 장치{LASER MACHINING APPARATUS USING LASER BEAM INTRODUCED INTO JET LIQUID COLUMN}
본 발명은 분사류 액체 칼럼(jet liquid column) 내에 도입된 레이저 광을 이용한 레이저 가공(처리) 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 레이저 광의 전파(propagation) 효율을 향상시킬 수 있고 안정적인 가공 품질을 확보할 수 있는 분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광을 이용한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
종래에, 분사류 액체 칼럼을 통해 레이저 광을 도입하는 기술을 이용하여, 도금 또는 에칭용 전해액의 분사류 액체 칼럼 내에 레이저 광을 조사하고, 기판에 도금 또는 에칭을 실시하기 위한 장치가 공지되어 있다. 또한, 워터 젯(water jet) 내에 레이저 광을 조사하고 레이저 광을 전반사 조건으로 워터 젯 내에 전달함으로써, 워터 젯 및 레이저로 치료 부위를 절개하기 위한 치료 장치도 공지되어 있다.
전반사 조건으로 액체 칼럼 내에 레이저 광을 도입하는 그러한 기술은 여러 분야에서 응용된다. 레이저 가공 분야에서는, 액체를 분사함과 동시에 레이저 광을 조사함으로써 원하는 레이저 가공을 실시하는 레이저 가공 장치가 공지되어 있다 [예를 들면, 일본 특허공표공보 평10-500903호(특허문헌 1)]. 공지된 레이저 가공 장치에서는, 액체 칼럼 빔(분사류 액체 칼럼)을 분사하도록 형성된 노즐 통로를 구비하는 노즐 블록(nozzle block)이 가공 헤드(machining head)의 단부에 배치되고, 집광 렌즈(focusing lens)에 의해 레이저 광이 노즐 통로의 유입구에 집광되어, 노즐 통로로부터 분사하는 액체 칼럼 내로 레이저 광이 도입된다.
또한, 공지된 레이저 가공 장치에는 레이저 광의 제공을 위하여, YAG 레이저(파장 1064nm), CO2 레이저(파장 10.6㎛) 등이 주로 사용되어 왔다.
YAG 레이저(파장 1064nm)와 CO2 레이저(파장 10.6㎛)는, 분사류 액체 칼럼의 생성을 위해 일반적으로 사용되는 물에 용이하게 흡수되므로, 레이저 광의 전파 효율이 낮다. 또한, 레이저 광이 물에 흡수되었을 때에 발열에 의해 열 렌즈(thermal lens) 작용이 일어나므로, 레이저 광을 워터 젯(분사류 액체 칼럼)으로 효율적으로 도입하는 것이 곤란하다는 문제가 발생한다. 또한, 열 렌즈 작용의 발생에 의해 레이저 광이 굴절되면, 굴절된 레이저 광은 노즐의 유입구에 충돌할 수 있고, 따라서 노즐을 손상시킬 수 있다.
전술한 문제를 해결하기 위하여, 특허문헌 1에 기재된 레이저 가공 장치에 있어서는, 워터 젯을 분사하는 노즐에 물을 도입하기 위한 물 이송 통로로서 작용하는 액체 공급 공간의 높이를 낮게 함으로써, 레이저 광이 물 이송 통로와 교차하게 되는 거리를 감소시킨다. 또한, 이 장치에서는, 액체 공급 공간의 높이를 감소시킴으로써, 액체 공급 공간을 통과하는 물의 유속(flow speed)을 상승시킨다. 이는, 액체 공급 공간을 통해 흐르고 레이저 광을 흡수하는 물의 온도 상승을 감소시키고 열 렌즈의 형성을 억제함에 있어서 효과적이다.
그러나, 온도 상승을 감소시키기 위하여 노즐에 물을 도입하기 위한 액체 공급 공간 내의 물의 유속을 증가시키면, 워터 젯의 형상에 변동이 생기기 쉽게 되고, 워터 젯의 표면이 불안정해진다는 점에서 또 다른 문제가 발생한다. 보다 구체 적으로는, 워터 젯의 표면이 불안정해지면, 워터 젯에 의해 도입되는 레이저 광도 영향을 받고, 그 결과 레이저 가공 장치의 가공 품질이 저하된다. 몇몇 경우에는, 피가공물(machining target)의 재질이나 치수에 따라, 레이저 가공 장치에 실시되는 한 사이클의 가공을 위하여 상당히 긴 시간을 필요로 하게 된다. 그러한 이유로, 워터 젯에는 가공 시간 전체에 걸쳐서 교란(disturbance)이 발생하지 않는 높은 안정성이 요구된다. 또한, 워터 젯의 표면에 교란이 있게 되면, 레이저 광이 워터 젯의 표면에서 전반사하지 않고 워터 젯으로부터 외측으로 누설될 수도 있다. 따라서, 워터 젯의 교란에 의해 레이저 광의 전파 효율이 저하한다.
본 발명의 목적은, 전술한 종래 기술 상태에 기초하여, 레이저 광을 도입하기 위한 워터 젯을 안정적으로 생성할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광을 사용하는 레이저 가공 장치로서, 레이저 광의 전파 효율을 향상시키고 안정적인 가공 품질을 확보할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 레이저 광을 생성하기 위한 레이저 발진기와, 피가공물에 분사류 액체를 분사하기 위한 노즐과, 노즐에 분사류 액체를 공급하기 위한 액체 공급 수단을 포함하되, 노즐로부터 분사된 분사류 액체 칼럼 내에 레이저 광이 도입되는 레이저 가공 장치로서, 분사류 액체를 층류 상태로 노즐에 공급하기 위한 층류 형성 채널을 또한 포함하되, 층류 형성 채널은, 액체 공급 수단으로부터 공급된 분사류 액체를 노즐의 축선 주위에 환형으로 분배하기 위한 공동에 의해 형성된 분배 채널과, 노즐 축선 방향으로 분배 채널의 하류측에서 분배 채널과 연통하도록 배치되고, 분배 채널보다 좁은 유로를 제공하도록 노즐 축선 주위에 환형 공동에 의해 형성된 연결 채널과, 노즐 축선 방향으로 노즐 상류측에 인접하게 배치되고, 분사류 액체를 저장하여 노즐에 공급하는 액체 저류 체임버를 포함하며, 액체 저류 체임버는, 환형의 외주 전체에 걸쳐서 연결 채널과 연통하는 외주 가장자리를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치를 제공한다.
본 발명에 의해, 분사류 액체를 층상 상태로 노즐에 공급하는 층류 형성 채널이 제공되어, 노즐의 상류측에 안정적인 층류 상태(즉, 레이놀즈 수가 작은 상태)의 흐름이 생성될 수 있다. 따라서, 표면에 교란이 생기기 어렵고 변동이 없는 분사류 액체 칼럼이 노즐로부터 분사될 수 있다.
보다 구체적으로, 고압으로 공급되는 분사류 액체는, 우선, 분배 채널에 의해 노즐의 축선 주위에 환형으로 분배된다. 그 후, 분사류 액체는, 환형으로 형성되고 분배 채널보다 좁은 유동 통로를 제공하는 연결 채널을 통해 유동함으로써, 분사류 액체는 난류가 억제된 상태로 액체 저류 체임버에 도입된다. 액체 저류 체임버에 도입된 분사류 액체의 유동은 액체 저류 체임버 내에서 속도가 감소한다. 그 결과, 분사류 액체의 유동의 레이놀즈 수가 감소하고, 따라서 분사류 액체는 층류 상태로 노즐에 도입된다.
또한, 액체 저류 체임버의 외주 가장자리는, 환형의 외주 전체에 걸쳐서 연 결 채널과 연통하므로, 분사류 액체가 연결 채널의 주위 전체로부터 액체 저류 체임버의 외주 가장자리로 균일하게 도입되면서, 분사류 액체의 유속이 감소한다. 그 결과, 분사류 액체는 안정적인 층류 상태로 액체 저류 체임버에 유지된다.
따라서, 노즐 상류측에서 유속을 감소시키고 안정적인 층류 상태를 형성하는 작용을 하는 층류 형성 채널을 제공함으로써, 표면에 교란이 생기기 어렵고 변동이 없는 분사류 액체 칼럼을 노즐로부터 분사할 수 있고, 그에 따라 가공 품질 저하를 방지할 수 있다. 또한, 분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광의 전파 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저 광은 분사류 액체를 통과할 때의 흡수 계수가 0.01[cm-1] 이하이다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서, 분사류 액체는 물이고, 레이저 광은 그린 레이저 또는 UV 레이저이다.
이러한 특징에 의해, 레이저 광이 분사류 액체 칼럼을 통과할 때에 레이저 광의 감쇠를 감소시킬 수 있으므로, 액체 저류 체임버의 두께(깊이)가 크도록 구성한 경우에도 레이저 광을 충분한 강도로 분사류 액체 칼럼에 도입할 수 있다. 또한, 분사류 액체 칼럼이 물인 경우에, 물에 흡수되기 어렵고 투과율이 높은 레이저 광으로서 그린 레이저[2배파(second harmonic generation, SHG) YAG 레이저, 파장 532nm], 또는 UV 레이저(예를 들면, 파장 355nm 또는 266nm)를 사용함으로써, 레이저 광의 전파 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 분사류 액체에 흡수되기 어려운 레 이저 광을 사용함으로써, 열 렌즈의 발생을 억제하고, 레이저 광을 노즐의 유입구에 높은 정밀도로 더욱 용이하게 도입할 수 있다. 따라서, 노즐 손상을 방지할 수 있고 안정적인 가공 품질을 확보할 수 있다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서, 분사류 액체는 물이고, 레이저 광은 파장 범위가 200nm 내지 700nm이다.
이러한 특징에 의하면, 물을 통과할 때의 레이저 광의 감쇠를 감소시킬 수 있으므로, 액체 저류 체임버의 두께(깊이)가 크도록 구성한 경우에도 레이저 광을 물에 충분한 강도로 도입할 수 있다. 또한, 파장 범위가 200nm 내지 700nm이고 물에 흡수되기 쉬운 레이저 광을 사용함으로써, 열 렌즈의 발생을 억제하고, 레이저 광을 노즐의 유입구에 높은 정밀도로 더욱 용이하게 도입할 수 있다. 따라서, 노즐 손상을 방지할 수 있고 안정적인 가공 품질을 확보할 수 있다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서, 액체 저류 체임버는, 노즐의 축선 방향으로의 깊이가 2mm 이상이고, 노즐의 축선 방향의 상류측의 외주 가장자리에서 연결 채널과 연통한다.
이러한 특징에 의하면, 액체 저류 체임버의 노즐 축선 방향으로의 깊이가 2mm 이상으로 유지되고, 액체 저류 체임버의 외주 가장자리가 축선 방향의 상류측에서 연결 채널과 연통하므로, 분사류 액체의 유속이 액체 저류 체임버의 깊이 방향으로 감소하고, 노즐의 상류측에서 보다 안정적인 층류 상태로 분사류 액체가 액 체 저류 체임버에 저장된다.
따라서, 표면에 교란이 생기기 어렵고 변동이 없는 분사류 액체 칼럼을 노즐로부터 분사할 수 있고, 분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광의 전파 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 액체 저류 체임버의 노즐 축선 방향으로의 깊이가 2mm 이상으로 유지되므로, 노즐의 유입구에서의 레이저 광의 초점으로부터 안내 창과 렌즈 등의 광학계 장치를 격리할 수 있다. 그 결과, 광학계 장치의 열 변형 등을 방지하여 안정적인 광학 성능을 확보할 수 있고, 내구성을 향상시켜 안정적인 가공 품질을 확보할 수 있다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서, 분사류 액체가 물인 경우에, 액체 공급 수단은 레이저 광에 대한 전파 매체로서 작용하는 분사류 액체의 균질성을 증가시키기 위한 처리 장치를 포함한다.
이러한 특징에 의하면, 예를 들면, 분사류 액체 중에 불순물로서 존재하는 용존 가스 및 입자와, 이온 발광의 원인이 되는 이온은 처리 장치에 의해 제거되고, 그에 따라 레이저 광에 대한 전파 매체로서 작용하는 분사류 액체 칼럼은 글래스와 같이 균일성이 향상될 수 있다.
따라서, 안정된 분사류 액체 칼럼이 노즐로부터 분사될 수 있고, 분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광의 전파 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서, 레이저 가공 장치는 분사류 액체 칼럼을 따라 보조 가스를 도입하기 위한 보조 가스 공급 장치를 또한 포함하며, 보조 가스 공급 장치는, 노즐의 하류측에 배치되고 분사류 액체 칼럼을 수용하도록 형성된 가스 공급 체임버와, 가스 공급 체임버에 보조 가스를 도입하기 위한 안내 채널을 포함하고, 안내 채널은, 분사류 액체 칼럼의 외주를 따라 보조 가스를 나선형으로 유동시키도록 형성된 나선형 안내 채널, 또는 분사류 액체 칼럼의 축선에 점근하도록 형성된 원추형 안내 채널이다.
이러한 특징에 의하면, 분사류 액체 칼럼을 따라 보조 가스가 도입됨으로써, 분사류 액체 칼럼에 작용하는 편향된 힘(biased force)이 발생되지 않고 보조 가스가 분사류 액체 칼럼의 외주에 향해 안내될 수 있다. 따라서, 표면에 교란이 생기기 어렵고 변동이 없는 분사류 액체 칼럼이 노즐로부터 분사될 수 있고, 분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광의 전파 효율이 향상될 수 있다.
또한, 피가공물 상면에 퇴적되고 가공 시에 불필요한 분사류 액체와, 가공이 이루어지는 면으로부터 비산된 분사류 액체를 효율적으로 제거함으로써, 작업성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서, 액체 저류 체임버는 그 용적이 연결 채널의 공동의 용적보다 크다.
이러한 특징에 의하면, 연결 채널의 공동으로부터 공급된 분사류 액체는, 체적이 더 큰 액체 저류 체임버로 유입된다. 따라서, 액체 저류 체임버 내의 분사류 액체의 유속이 감소하고, 액체 저류 체임버 내에 층류 상태가 더욱 용이하게 형성된다. 따라서, 안정된 분사류 액체 칼럼을 노즐로부터 분사할 수 있고, 분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광의 전파 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서, 분배 채널에는, 액체 공급 수단으로부터의 분사류 액체를 도입하기 위한 안내 파이프가 접속되고, 연결 채널과 분배 채널 사이의 연통부는, 안내 파이프의 축선으로부터 벗어난 위치에 배치된다.
이러한 특징에 의하면, 연결 채널과 분배 채널 사이의 연통부는 안내 파이프의 축선으로부터 벗어난 위치에 배치되므로, 안내 파이프로부터 분배 채널에 도입된 분사류 액체가 연결 채널에 직접 유입되는 것이 방지된다. 따라서, 분배 채널로부터의 분사류 액체는 노즐 축선 주위의 모든 방향으로부터 균일하게 연결 채널에 공급될 수 있고, 액체 저류 체임버 내에서 분사류 액체의 층류 상태가 더욱 용이하게 형성될 수 있다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서, 연결 채널의 외주면과 액체 저류 체임버의 외주면은 단차 없는 연속적인 면을 형성한다.
이러한 특징에 의하면, 연결 채널의 외주면을 따라 이동하는 분사류 액체는 동일 평면 상의 액체 저류 체임버의 표면, 즉 연결 채널의 외주면과 단차 없이 연속적으로 형성된 액체 저류 체임버의 외주면을 따라 이동한다. 따라서, 연결 채널로부터 액체 저류 체임버까지의 분사류 액체의 유동이 더욱 원활해질 수 있고, 액 체 저류 체임버에서 분사류 액체의 층류 상태가 더욱 용이하게 형성된다.
본 발명의 레이저 가공 장치에 있어서, 액체 저류 체임버는 노즐의 축선 방향으로의 깊이가 노즐 직경의 20배 이상이다.
이러한 특징에 의하면, 액체 저류 체임버 내에, 노즐로부터 분사된 분사류 액체의 유량에 대하여 충분한 유동 통로 면적을 확보할 수 있다. 따라서, 액체 저류 체임버 내에서 유속을 충분히 감소시킬 수 있고, 교란이 없는 액체 유동을 용이하게 생성할 수 있다.
분사류 액체 칼럼 내에 도입된 레이저 광을 사용하는 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 광의 전파 효율을 향상시키고 안정적인 가공 품질을 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
참조하는 도면 중에서, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 전체 구조를 나타내는 측면 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 광학 장치의 다른 예를 설명하기 위한 부분 확대도로서, 레이저 광 안내 창이 제공되지 않은 경우를 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 층류 형성 채널의 형상을 나타내는 사시도이다. 도 4는 도 1의 선 A-A를 따른 단면도로서, 본 발 명의 실시예에 따른 보조 가스 공급 장치의 나선형 안내 채널의 구조를 나타내는 도면이다. 도 5는 보조 가스 공급의 다른 예에 따른 원추형 안내 채널의 구조를 나타내는 측면 단면도이다.
이하의 설명에서, 도 1의 수직 방향(상하 방향)은 실시예에서의 레이저 가공 장치(1)의 수직 방향인 것으로 가정한다. 그러나, 가공 헤드(machining head)(4)의 방향은 수직 방향으로 한정되는 것은 아니며, 가공 헤드(4)는 수직 방향에 대하여 경사질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 광(L) 즉 그린 레이저(green laser)를 생성하기 위한 그린 레이저 발진기(2)와, 분사류 액체로서 고압수를 피가공물(workpiece)(W)에 분사하기 위한 노즐(3)을 구비한 가공 헤드(4)와, 레이저 광(L)을 노즐(3)에 도입하기 위한 광학 장치(5)와, 고압수를 노즐(3)에 공급하기 위한 액체 공급 유닛(6)과, 노즐(3)의 상류측에 인접하게 배치되고 고압수를 층류 상태로 노즐(3)에 공급하는 층류 형성 채널(8)과, 레이저 광(L)의 전파 매체로서 작용하는 분사류 액체의 균질성을 향상시키기 위한 처리 장치(9)와, 분사류 액체 칼럼(jet liquid column)(F)을 따라 보조 가스(assist gas)(AS)를 도입하기 위한 보조 가스 공급 장치(11)를 포함한다.
그러한 구성에 의해, 노즐(3)로부터 분사된 분사류 액체 칼럼(워터 젯)(F) 내로 도입된 레이저 광(L)을 피가공물(W)에 조사하면서, 테이블(T) 또는 가공 헤드(4)를 이동 유닛(도시 생략)에 의해 이동시킴으로써, 레이저 가공을 실시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 그린 레이저 발진기(2)는 레이저 광(L)으로서 그 린 레이저를 생성한다. 레이저 광(L)은 그린 레이저 발진기(2)로부터 광학 섬유 케이블(21)로 도입되고, 가공 헤드의 상부로부터 가공 헤드(4)의 하부에 배치된 노즐(3)을 향해 집광된다.
그린 레이저는 2배파(second harmonic generation, SHG) YAG 레이저이고 파장이 532nm이다. (파장이 1064nm인) YAG 레이저 및 (파장이 10.6㎛인) CO2 레이저와는 달리, 그린 레이저는 물에 대하여 더욱 투과성이 있다. 따라서, 저렴한 비용으로 용이하게 이용 가능한 물이 분사류 액체로서 사용되면, 레이저 광(L)의 전파 효과가 향상할 수 있다. 또한, 그린 레이저는 물에 덜 흡수되므로, 열 렌즈(thermal lens)의 발생이 억제되고, 레이저 광(L)이 노즐(3)의 유입구(inlet opening)(31)로 높은 정밀도로 더욱 용이하게 도입될 수 있다. 그 결과, 노즐(3)이 손상되는 것을 방지할 수 있고, 안정적인 가공 품질을 확보할 수 있다.
가공 헤드(4)는 대략 원통형으로 형성된 하우징(41)과, 하우징(41) 내에 상부에 배치된 광학 장치(5)와, 광학 장치(5)의 하방에 배치된 층류 형성 채널(8)과, 층류 형성 장치(8) 하방에 배치된 노즐(3)과, 노즐(3) 하방에 배치된 보조 가스 공급 장치(11)를 포함한다.
하우징(41)의 상부로부터 하방으로 조사된 레이저 광(L)은 광학 장치(5)에 의해 노즐(3)의 유입구(31)를 향해 집광되고, 노즐(3)로부터 분사된 분사류 액체 칼럼(F) 내로 도입된다. 또한, 레이저 광(L)은 분사류 액체 칼럼(F)을 통해 도입되면서 내부 전반사를 반복한 후에 피가공물(W)에 조사된다.
광학 장치(5)는 하우징(41)의 상부로부터 조사된 레이저 광(L)을 평행 광으로 변환하기 위한 시준 렌즈(collimator lens)(51)와, 시준 렌즈(51)에 의해 변환된 평행 광을 노즐(3)의 유입구(31)를 향해 집광하기 위한 집광 렌즈(52)와, 층류 형성 채널(8)(구체적으로는, 액체 저류 체임버(liquid reservoir chamber)(83))의 상방에 인접하게 배치되고 레이저 광(L)을 층류 형성 채널(8)로 도입하는 안내 창(53)을 포함한다.
이 실시예에서, 레이저 광(L)용 안내 창(53)이 도 1에 도시된 바와 같이 액체 저류 체임버(83)의 상방에 배치되어 있으나, 본 발명이 그러한 구성에 한정되는 것은 아니다. 도 1에 도시된 안내 창(53) 대신에, 안내 창(53)의 위치에 집광 렌즈(52')가 배치될 수도 있다(도 2 참조).
액체 공급 유닛(6)은, 급수 탱크(도시 생략)로부터 물을 흡인하고 수압을 증가시키는 고압수 펌프(61)와, 증가된 고압 하에서 층류 형성 채널(8)에 물을 공급하기 위한 고압 파이프(62)를 포함한다.
또한, 고압수 펌프(61)는 서보 구동 펌프를 채용하며, 서보 구동 펌프는, 펌프의 토출 압력(delivery pressure)을 검출하고 토출 압력이 일정하게 유지되도록 피드백 제어를 행함으로써, 서보 모터와 볼 나사(ball screw)와 협동하여 일정한 유량(flow rate)으로 물을 밀어내도록 구성되어 있다.
그러한 구성에 의하여, 안정적인 고압수의 유동이 발생하고 층류 형성 채널(8)에 공급될 수 있다.
층류 형성 채널(8)은, 액체 공급 유닛(6)으로부터 공급된 분사류 액체인 고 압수를 노즐 축선(G) 주위에 환형으로 분배하기 위한 공동(cavity)으로서 형성된 분배 채널(81)과, 노즐 축선(G) 방향으로 분배 채널의 하류측에서 분배 채널(81)에 연통되도록 배치되고, 노즐 축선(G) 주위에 분배 채널(81)보다도 좁은 유로(flow passage)를 제공하는 환형 공동으로서 형성된 연결 채널(interconnecting channel)(82)과, 노즐 축선(G) 방향으로 상류측에 인접하게 배치되고, 고압수를 저장하여 노즐(3)에 공급하는 액체 저류 체임버(83)를 구비한다.
연결 채널(82)과 액체 저류 체임버(83)는, 액체 저류 체임버(83)의 외주 가장자리(83a)에서, 환형의 연결 채널(82)의 원주 전체에 걸쳐서 서로 연통되어 있다.
이 실시예에서, 연결 채널(82)은 노즐 축선(G) 방향으로의 상류측에서 분배 채널(81)에 연통되고, 노즐 축선(G) 방향 하류측에서의 직경이 상류측보다도 작은 원통형 축경 채널(cylindrically tapered channel)을 제공하도록 형성된다. 또한, 액체 저류 체임버(83)는, 노즐 축선(G) 방향 하류측에서의 직경이 상류측보다도 작은 역(逆)원추대 형상으로 형성된다.
또한, 연결 채널(82)의 외주면(82a)과 액체 저류 체임버(83)의 외주면(83b)은, 단차 없이 동일 면상에서 연속적으로 연장되도록 배치되어 있다. 또한, 외주면(82a, 83b)이 연장되는 방향은, 노즐 축선(G)의 방향에 대하여 내측으로(노즐 쪽으로) 기울어져 있다.
이러한 구성에 의해, 분배 채널(81)에 저장된 고압수는 연결 채널(82)로부터 외주면(83b)의 경사를 따라 액체 저류 체임버(83)로 도입된다. 따라서, 고압수가 안정적인 층류 상태로 액체 저류 체임버(83)에 저장되고 노즐(3)에 공급되도록, 액체 유동이 적절히 제어된다.
액체 저류 체임버(83)는, 노즐 축선(G) 방향으로 깊이(높이 H)가 3mm이고, 외주 가장자리(83a)에서 노즐 축선(G) 방향 상류측으로 연결 채널(82)에 연통되어 있다.
노즐 축선(G) 방향으로 액체 저류 체임버(83)의 깊이(높이 H)는 2mm 이상인 것이 바람직하다. 상세히 후술하는 바와 같이, 액체 저류 체임버(83)의 깊이가 클수록, 액체 저류 체임버(83) 내에서의 분사류 액체의 속도가 감소한다. 따라서, 노즐(3)의 바로 위의 액체 저류 체임버(83) 부분에 층류를 형성함에 있어서는, 액체 저류 체임버(83)의 깊이를 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 액체 저류 체임버((83)의 깊이를 증가시킴으로써, 레이저 광이 작은 점상(spot)으로 집광되기 전에 안내 창(53)을 통과한다. 이는, 안내 창(53)을 통과하는 레이저 광의 에너지 밀도를 감소시키고 안내 창(53)을 보호함에 있어서 유효하다. 이러한 이유로, 노즐 축선(G) 방향으로 액체 저류 체임버(83)의 깊이(높이 H)는, 사용 공간의 제약과 요구되는 응답성을 고려하여, 필요에 따라 2mm 내지 40mm의 범위의 값으로 설정되는 것이 바람직하다.
[실시예에 따른 층류 형성 채널의 상세 형상]
이하에서, 실시예에 따른 층류 형성 채녈(8)의 바람직한 형상에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 6은, 실시예에 따른 층류 형성 채널(8)의 축선(G) 방향을 따라 절단한 단 면도이다. 층류 형성 채널(8)은, 고압 펌프로부터 공급된 고압수가 액체 저류 체임버(83)에 일시적으로 저장되어 층류 상태의 형성과 더불어 와류 생성의 억제 등이 이루어질 수 있고, 표면 교란이 없는 분사류 액체 칼럼(F)이 노즐(3)로부터 분사될 수 있는 형상으로 구성되어 있다.
보다 구체적으로, 도 6의 단면도에 도시된 바와 같이, 층류 형성 채널(8)의 분배 채널(81)은, 고압 펌프로부터 물을 도입하기 위한 안내 파이프(112)가 연결된 외주 벽면(114)과, 외주 벽면(114)에 대향 배치된 내주 벽면(116)에 의해 구획되는 대략 직사각형 단면의 환형 공간으로 형성되어 있다. 외주 벽면(114)의 축선(G) 방향으로의 치수(h)는, 안내 파이프(112)의 직경(c)보다 크게 설정되어 있다. 또한, 안내 파이프(112)는 축선(G) 방향으로 상류측의 소정 위치에서 외주 벽면(114)에 접속되어 있다. 내주 벽면(116)은 안내 파이프(112)의 축선(M)과 교차하도록 배치되어 있다.
여기서, 분배 채널(81)은, 분배 채널(81)의 물의 유속이 연결 채널(82) 내의 물의 유속의 1/2 내지 1/10로 유지될 수 있도록 하는 단면적을 구비하는 형상으로 구성되는 것이 바람직하며, 그에 따라 분배 채널(81) 내의 물이 모든 방향으로부터 액체 저류 체임버(83)에 도입된다.
연결 채널(82)은, 상류측의 연통부(118)가 노즐 축선(G) 방향으로 분배 채널(81)의 내주 벽면(116)의 하류측에서 내주 벽면에 접속되도록 배치된다. 이러한 구성에 의해, 연결 채널(82)의 연통부(118)는, 물의 안내 파이프(112)의 축선(M)으로부터 벗어난 위치에 배치된다. 또한, 연결 채널(82)은, 분배 채널(81)로부터 액 체 저류 체임버(83)를 향하여 연장되면서 축선(G) 방향 하류측을 향해 내측으로 경사지도록 형성되고, 그에 따라 분배 채널(81)과 액체 저류 체임버(83) 사이의 유로를 좁히는 얇은 채널을 형성한다.
연결 채널(82)의 하류측 환형 단부에서의 직경(D)은, 가공 헤드(4)의 크기 또는 레이저 가공 장치(1)의 성능 등을 고려하여 설정되고, 예를 들면 10mm 내지 40mm로 설정될 수 있다.
또한, 연결 채널(82)의 길이(p)는, 가공 헤드(4)의 형상과 크기, 가용 공간의 자유도 등에 따라 적절히 선택될 수 있다. 연결 채널(82)의 내주면과 외주면은 분배 채널(81)의 물의 유동 내에 생성되는 와류(eddy)를 억제하는 작용을 하므로, 연결 채널(82)의 길이(p)는 그 기능을 유효하게 발휘할 수 있도록 설정되는 것이 바람직하다. 실용적으로, 길이(p)는 연결 채널(82)의 내주면과 외주면 사이의 간격 크기(s)의 대략 1배 내지 20배 정도로 설정되는 것이 바람직하다.
연결 채널(82)의 간격 크기(s)는 어떤 값으로 설정되더라도, 액체 저류 체임버(83)에 접속되는 연결 채널(82)의 직경(D)과 노즐(3)로부터 유출되는 액체의 유량(flow rate)(Q)이 일정하게 유지되면, 레이놀즈 수(Reynolds number)는 변화하지 않는다. 따라서, 연결 채널(82)의 간격 크기(s)는, 물이 분배 채널(81)의 모든 방향으로부터 액체 저류 체임버(83)에 도입될 수 있도록, 예를 들면 분배 채널(81)의 치수와 공급되는 물의 압력 등의 여러 조건을 고려하여 설정될 수 있다. 간격 크기(s)는 일반적으로 0.3mm 내지 2mm로 설정된다.
액체 저류 체임버(83)의 축선(G) 방향으로의 깊이는, 전술한 바와 같이, 예 를 들면 특허문헌 1에 기재된 종래 구조에서의 깊이보다 크게 설정되고, 실용적으로는 2mm 이상으로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 액체 저류 체임버(83)의 용적은 연결 채널(82)의 용적보다 크게 설정되는 것이 바람직하다.
전술한 구조의 층류 형성 채널(8)에서는, 고압 펌프에 의해 안내 파이프(112)를 통해 물이 공급되면, 물은 내주 벽면(116)을 향해 전진하고 분배 채널(81)의 전체 영역에 걸쳐 퍼진다. 내주 측벽(116)은 안내 파이프(112)의 축선(M)과 교차하도록 배치되고, 연결 채널(82)은 축선(M)과 교차하지 않도록 배치되므로, 고압 펌프로부터 공급된 물은 연결 채널(82)로 바로 진입하는 것이 방지되고, 우선 분배 채널(81)의 전체 영역에 걸쳐서 분배된다. 따라서, 안내 파이프(112)를 통해 공급된 고압수의 힘이 분배 채널(81) 내에서 약화된다.
분배 채널(81)로부터의 물은 모든 방향으로부터 연결 채널(82)에 유입된다. 연결 채널(82)은, 고압 펌프의 작용에 의해 분배 채널(81) 내의 수류 내에서 생성되는 와류를 연결 채널(82)의 내주면과 외주면에서 억제하는 기능과 더불어, 모든 방향에서 액체 저류 체임버(83)에 물을 분배 방식으로 공급하는 기능을 가진다.
연결 채널(82)에 유입된 물은 액체 저류 체임버(83) 내로 유입된다. 전술한 바와 같이, 액체 저류 체임버(83)는, 물을 내부에 체류시키고 주로 증가된 깊이의 설정에 의해 물의 유속을 감소시키는 작용을 함으로써, 수류가 층류 상태로 제어된다.
전술한 과정에 의해, 노즐(3)로부터 분사되는 분사류 액체 칼럼(F)은 표면에서의 교란이 발생하기 어렵고 변동(fluctuation)이 발생하지 않는다. 따라서, 분사 류 액체 칼럼(F)을 통해 도입되는 레이저 광(L)의 전파 효율의 손실도 감소한다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 노즐(3)은 디스크 형상이고, 상부 표면에 형성된 유입구(41)를 포함하며, 유입구(41)를 향해 레이저 광(L)이 집광된다. 유입구(31) 아래에는, 하방으로 직경이 점차 증가하는 분사구(jet opening)(32)가 형성되어 있다. 분사구(32)로부터 하방으로 분사되는 분사류 액체 칼럼(F) 내에 레이저 광(L)이 도입된 후에 피가공물(W)에 조사된다.
처리 장치(9)는, 분사류 액체 내에 즉 수중에 불순물로서 존재하는 용존 가스 및 입자와, 이온 발광(ion luminescence)을 일으키는 이온을 제거하는 작용을 한다. 예를 들면, 처리 장치(9)는 물 처리 장치(91)(탈기 장치와 이온 교환 수지를 포함)와 고압 여과기(92)에 의해 구성될 수 있다.
보조 가스 공급 장치(11)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 보조 가스(AS)의 압력을 조정하는 공기 제어기(11a)와, 노즐(3)의 하류측에 배치되고 분사류 액체 칼럼(F)을 수용하도록 형성된 가스 공급 체임버(11b)와, 가스 공급 체임버(11b)에 보조 가스(AS)를 도입하는 나선형 안내 채널(11c)을 구비한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 나선형 안내 채널(11c)은 분사류 액체 칼럼(F)의 축선을 향하는 방향으로부터 벗어난 위치로 보조 가스(AS)를 도입하도록 형성됨으로써, 보조 가스(AS)는 분사류 액체 칼럼(F)의 외주를 따라 나선형으로 유동한다.
안내 채널의 다른 예로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 안내 채널은 하방으로 경사지면서 가스 공급 체임버(11d)에 수용된 분사류 액체 칼럼(F)의 축선에 점근하도록 형성된 원추형 안내 채널(11e)로서 구성될 수도 있다. 또한, 원추형 안내 채 널(11e)은, 가스 공급 체임버(11d)의 주위에 원환형(toric shape)으로 형성되고 보조 가스(AS)를 분배하는 작용을 하는 분배 채널(11f)을 구비한다. 보조 가스(AS)는 하방으로 유동하면서 분사류 액체 칼럼(F)의 축선에 점근하도록 분배 채널(11f)로부터 공급되다.
실시예에 따라 이와 같이 구성된 레이저 가공 장치의 작동 및 작용 효과에 대하여, 주로 도 3을 참조하여 이하에서 설명한다.
레이저 가공 장치(1)에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 고압수를 층류 상태로 노즐(3)에 공급하기 위한 층류 형성 채널(8)은, 노즐(3)의 상류측에 안정된 층류 상태(레이놀즈 수가 작은 상태)의 수류를 생성하도록 제공되고, 그에 따라 표면에 교란이 발생하기 어렵고 변동이 없는 분사류 액체 칼럼(F)이 노즐(3)로부터 분사된다.
보다 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 공급된 고압수는 분배 채널(81)에 의해 노즐 축선(G) 주위에 (R1 내지 R2의 유동으로 도시된 바와 같이) 환형으로 분배된다. 여기서, 분배 채널(81)의 단면적은, 고압수를 분배 채널(81)에 도입하는 급수 통로[안내 파이프(112)]의 단면적보다 충분히 크도록 설정된다. 따라서, 도입된 고압수가 분배 채널(81)에 유입되면, 고압수의 유속이 충분히 감소함으로써, 분배 채널(81)로의 물의 유입 시에 발생하는 교란이 제거된다. 또한, 고압수는, 환형으로 형성되고 분배 채널(81)보다 좁은 유로를 구비하는 연결 채널(82)을 통해 유동한다. 따라서, 고압수는 난류가 억제된 상태에서 액체 저류 체임버(3)에 도입된다.
또한, 액체 저류 체임버(83)의 외주 가장자리(83a)는, 외주면(83b)에서, 환형의 연결 채널(82)의 원주 전체에 걸쳐서 연결 채널(82)과 연통하므로, (R3의 유동으로 나타낸 바와 같이) 연결 채널(82)의 영역 전체로부터 액체 저류 체임버(83)의 외주 가장자리로 균일하게 도입된다. 여기서, 액체 저류 체임버(83)의 높이(H)는, 연결 채널(82)의 높이보다도 높게 설정된다. 따라서, 고압수가 연결 채널(82)로부터 액체 저류 체임버(83)에 유입되면, 고압수의 유동 통로의 단면적이 증가하고, 그에 따라 고압수의 유속이 감소하고 고압수는 안정된 층류 상태로 액체 저류 체임버(83) 내에 유지된다.
따라서, 노즐(3) 상류측에 안정된 층류 상태를 형성하는 액체 저류 체임버(83)를 제공함으로써, 표면에 교란이 생기기 어렵고 변동이 없는 분사류 액체 칼럼(F)이 노즐(3)로부터 분사될 수 있다. 그 결과, 분사류 액체 칼럼(F) 내에 도입된 레이저 광(L)의 전파 효율이 증가할 수 있다.
[실시예에서의 그린 레이저의 전파 효율]
다음으로, 도 7과 도 8을 참조하여, 액체 저류 체임버(83)를 통과하는 레이저 광의 전파 효율을 설명한다. 도 7은, 여러 깊이(높이 H, 즉 안내 창-노즐 사이의 거리)를 가지는 액체 저류 체임버에 19W와 24W의 레이저 광이 입사되었을 때에 사출되는 레이저 광의 출력을 나타낸 그래프이다. 도 8은 여러 깊이(높이 H, 즉 안내 창-노즐 사이의 거리)를 가지는 액체 저류 체임버에 레이저 광이 통과할 때의 레이저 광의 전파 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은, 노즐 직경이 φ100㎛이고 분사 압력이 10MPa이고 레이저 광(L)의 주 파수가 10kHz인 경우에, 레이저 광(L)의 출력과 안내 창-노즐 거리의 관계를 나타낸다. 도 7에서, 종축은 레이저 광의 출력[노즐(3) 아래의 20mm 위치에서 측정한 출력]을 나타내고, 횡축은 안내 창-노즐 거리를 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 안내 창-노즐 사이의 거리가 3mm로 설정되었을 때에, 입력이 24W의 경우에 대략 17.2W의 출력이 얻어진다. 안내 창-노즐 거리가 증가하면, 출력은 점차 증가한다. 또한, 안내 창-노즐 사이의 거리가 3mm로 설정되었을 때에, 입력이 19W인 경우에는 대략 14.2W의 출력이 얻어진다. 안내 창-노즐 거리가 증가하면, 출력은 점차 증가한다. 이러한 결과는, 안내 창-노즐 사이의 거리가 증가함에 따라, 입사 레이저 광이 액체 전체를 투과하는 거리의 증가에도 불구하고, 액체를 투과함에 의해 야기되는 레이저 광의 파워 저하는 작아진다는 것을 나타낸다.
여기서, 레이저 광(L)의 출력은 분사류 액체 칼럼(F)을 통해 전파하는 레이저 광(L)의 전파 효율을 의미한다. 따라서, 레이저 광(L)의 출력은 레이저 광에 대한 전파 매체로서 분사류 액체 칼럼(F)의 적격성(suitability)의 정도를 나타낸다. 레이저 광(L)의 높은 출력은, 분사류 액체 칼럼(F)이 안정된 층류 상태로 존재한다는 것을 나타낸다. 즉, 안내 창-노즐 거리를 큰 값으로 설정함으로써, 더욱 안정화된 층류 상태가 형성되고 유지되는 것으로 이해된다.
따라서, 액체 저류 체임버(83)의 노즐 축선(G) 방향으로의 깊이를 3mm로 설정, 즉 2mm 이상으로 설정함으로써, 고압수는 깊이 방향으로 유속이 감소하고, 노즐(3)의 상류측에서 더욱 안정적인 층류 상태로 액체 저류 체임버(83)에 저장된다.
그 결과, 표면에 교란이 발생하기가 더욱 어렵고 변동이 없는 분사류 액체 칼럼(F)이 노즐(3)로부터 분사될 수 있고, 분사류 액체 칼럼(F) 내에 도입된 레이저 광(L)의 전파 효율이 증가할 수 있다(도 7 참조)
다음으로, 도 8을 참조하여, 레이저 광으로서 그린 레이저를 사용한 경우의 전파 효율에 대하여 설명한다.
도 8은, 그린 레이저가 물의 분사류 액체 칼럼을 통과할 때의 노즐의 유입구로부터의 거리(d)에 대한 그린 레이저의 전파 효율을 나타내는 그래프이다. 여기서, 그린 레이저의 출력은 24W이고, 노즐 직경은 100㎛이고, 수압 10MPa이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 그린 레이저의 전파 효율은, 액체 저류 체임버의 높이(H)가 증가함에 따라 점증한다. 전술한 바와 같이, 액체 저류 체임버의 높이(H)가 높은 경우에, 레이저 광이 액체를 통과하는 거리가 증가하고 액체에 의해 더 많은 양이 흡수되므로, 레이저 광의 전파 효율이 감소하여야 한다. 그러나, 실제로는 전파 효율이 증가한다. 그 이유는, 액체 저류 체임버의 높이(H) 증가에 의해, 액체 저류 체임버 및 분사류 액체 칼럼 내에서의 유동 교란이 감소하기 때문인 것으로 추정된다. 따라서, 그린 레이저를 사용한 경우에, 도 8에 도시된 바와 같이, 액체 저류 체임버의 높이(H)가 대략 4mm에 이를 때까지는, 유동 교란의 감소에 의하여 효과가 증가하고 전파 효율이 향상하는 것으로 이해된다.
한편, 액체 저류 체임버의 높이(H)가 작은 경우에 레이저 광의 전파 효율이 감소하는 이유는, 열 렌즈의 영향 때문이 아니라, 액체 저류 체임버의 높이(H)가 감소함에 따라 노즐의 유입구의 상류측의 유동이 불안정해지기 때문인 것으로 추정 된다. 즉, 액체 저류 체임버의 높이(H)가 감소하면, 노즐의 유입구의 상류측 영역에서의 물의 흐름이 난류가 되고, 이는 분사류 액체 칼럼을 교란시키며, 레이저 광은 분사류 액체 칼럼을 통해 양호하게 도입될 수 없게 된다.
전술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 레이저 광으로서 물에 대해 열 흡수가 작은 그린 레이저를 이용하는 경우에, 열 렌즈의 영향은 매우 작거나 실질적으로 무시할 만하다. 따라서, 물에 대한 흡수가 작은 레이저 광을 사용하는 경우에, 특허문헌 1에 기재되어 있는 장치에서와 같이, 액체 저류 체임버 내에서의 유속을 증가시켜 열 렌즈의 형성을 억제하기 위한 목적으로 액체 저류 체임버의 높이(H)를 감소시킬 필요는 없다. 반대로, 액체 저류 체임버 내의 유속이 감소하여 액체 저류 체임버 및 분사류 액체 칼럼 내에서의 유동 교란이 억제되도록, 액체 저류 체임버의 높이(H)를 큰 값으로 설정함으로써, 레이저 광의 전파 효율이 향상될 수 있다.
이와 같이, 안내 창-노즐 거리(액체 저류 체임버의 높이 H)를 크게 설정하는 것은, 안내 창을 보호하고 노즐(3) 상류측에 층류를 형성하는 데 유리하다. 그러나, 실질적으로 안내 창-노즐 거리는, 가용 공간 제약이나 요구되는 응답성에 기초하여, 필요에 따라, 2mm 내지 40mm의 범위로 설정되거나, 노즐(3) 직경의 관점에서 노즐 직경의 20배 내지 400배의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 노즐(3)의 축선 방향으로의 액체 저류 체임버(83)의 깊이를 3mm로 설정, 즉 2mm 이상으로 설정함으로써, 안내 창(53) 등[도 2의 예에서는 집광 렌즈(52)를 포함]은 노즐(3)의 유입구(31)에서의 레이저 집광점(focused point)으로 부터 원거리에 유지될 수 있다. 따라서, 안내 창(53) 등은 열 변형 등이 방지되고, 안정적인 광학 성능이 확보될 수 있다. 또한, 내구성이 향상될 수 있고 안정적인 가공 품질이 확보될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 액체 저류 체임버(83)의 노즐(3) 축선 방향으로의 깊이가 3mm로 설정되었으나, 노즐 직경을 고려하여, 노즐 직경의 20배 이상으로 설정될 수도 있다. 그 이유는, 노즐 직경이 증가하면, 노즐(3)로부터 분사된 고압수의 유량이 증가하므로, 노즐(3)의 축선 방향으로의 액체 저류 체임버(83)의 깊이를 더 큰 값으로 설정함으로써, 층류 상태가 더욱 용이하게 형성될 수 있기 때문이다. 예를 들면, 노즐 직경이 φ150㎛인 경우에, 액체 저류 체임버(83)의 노즐(3) 축선 방향으로의 깊이는 3mm 이상, 예를 들면 4mm 내지 5mm로 설정되는 것이 바람직하다.
[실시예에 따른 액체 저류 체임버의 높이와 액체 저류 체임버 내의 액체 유속의 관계]
다음으로, 도 9를 참조하여, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83) 내에서 레이저 광(L)이 조사된 영역(공간)의 주면(peripheral surface)에서의 유속과, 종래 구조에 의한 액체 공급 통로 내에서 레이저 광이 조사된 영역(공간)의 주면에서의 유속을 비교한다.
도 9는, 노즐의 주위의 액체 저류 체임버(액체 공급 통로)의 구조를 나타내는 개략도이다. 도 9에 있어서, 액체 저류 체임버(120) 내에서 레이저 광(L)이 조사된 영역(U)은, 안내 창(122)과 노즐(124)의 유입구 사이에 형성된 원추대에 의해 제공된다. 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)를 이용하는 경우와, 특허문헌 1 에 기재된 장치에서의 액체 공급 통로를 이용한 경우에 대하여, 원추대 영역(U)의 주면(측면)을 따라 통과하는 액체의 평균 유속을 계산하고, 이 두 경우를 서로 비교한다.
본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)에서, 노즐 축선(G) 방향으로의 액체 저류 체임버(83)의 깊이(H)는, 바람직한 깊이 범위의 최소치인 H = 2mm로 설정된다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 종래 구조의 액체 공급 통로는 H = 0.5mm로 설정된다. 다른 조건은 두 경우 모두에 대해 공통의 값으로 설정된다. 보다 구체적으로, 분사류 액체로서 물이 이용되고, 노즐 직경은 150㎛, 물의 공급 압력은 80바(8MPa)로 설정된다. 원추대 영역(U) 측면의 축선에 대한 각도(θ)는 10°로 설정되며, 그 이유는, 수주(water column) 내에서 레이저 광이 전반사되고 노즐 직경보다 작은 레이저 광의 집광 직경이 얻어질 수 있도록, 그 각도가 일반적으로 대략 10°로 설정되기 때문이다.
전술한 조건 하에서, 물의 유량(Q)은 아래의 식 1에 기초하여 1700mm3/s이다.
Figure 112008067932739-pat00001
(n = 노즐 계수 = 1.14) (식 1)
또한, 원추대 영역(U)의 측면 면적(A)은, 아래의 식 2에 의해 얻어진다. 식 2에서, r은 원추대 영역(U)의 상면 원형 표면의 반경이고, 이는 노즐의 반경, 즉 r = 75㎛과 같다. R은, 원추대 영역(U)의 저면 원형 표면의 반경이고, R = H·tanθ로 표현된다. 또한, L은 원추대 영역(U)의 측면을 따른 길이이고, L = H/cosθ로 표현된다.
A = π(R+r)L (식 2)
따라서, 액체 저류 체임버(83) 내에서의 원추대 영역(U)의 주면(측면)을 따라 통과하는 액체의 평균 유속은 Q/A에 의해 계산되므로, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)를 이용한 경우의 평균 유속(V1)과, 특허문헌 1에 기재된 장치에서의 평균 유속(V2)의 비는, 아래의 식 3에 의해 구해진다.
Figure 112008067932739-pat00002
(식 3)
전술한 식으로부터, 비(R)는 R=1/10.5로 산정된다. 또한, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)에서는, 평균 유속이 623.3mm/sec로 계산되고, 특허문헌 1에 기재된 장치에서는 평균 유속이 6542mm/sec로 계산된다. 따라서, 본 실시예의 레이저 가공 장치에서의 평균 유속은 종래 장치에서의 평균 유속보다 훨씬 느리다는 점을 알 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)가 이용된 경우, 액체 저류 체임버(83)의 물의 유속은, 종래 구조의 액체 공급 통로 내의 물의 유속의 대략 1/10이다. 또한, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)의 깊이가 필요에 따라 더욱 바람직한 값인 4mm로 설정되면, 평균 유속은 더욱 감소하고 평균 유속의 비(R)는 대략 1/38로 산정된다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 액체 저류 체임버(83)의 축선(G) 방향으로의 깊이를 더욱 큰 값, 구체적로는 2mm 이상의 값, 보다 바람직하게는 4mm 이상의 값으로 설정함으로써, 종래 구조의 액체 공급 통로를 이용한 경우에 비하여, 액체 저류 체임버(83) 내의 물의 유속이 현저하게 감소할 수 있다. 유속이 감소하도록 물을 액체 저류 체임버(83)로 유동시키는 것은, 전술한 바와 같이, 노즐(3) 상류측에서 물의 안정적인 층류 상태를 형성하는 데에 효과적이다.
보다 구체적으로, 특허문헌 1에 기재된 장치는, 원추대 영역(U)에서 열 렌즈의 발생을 억제하는 것을 주안점으로 하여, 액체 공급 통로 내의 물의 유속이 증가하도록, 액체 공급 통로의 깊이가 작은 값으로 설정된 구조를 구비한다. 따라서, 액체 공급 통로 내의 물은 난류가 되기 쉽고, 이는 분사류 액체 칼럼을 교란시킨다. 따라서, 열 렌즈의 발생이 억제되더라도, 레이저 광의 전파 효율은 만족스럽게 증가하지는 않는다. 반면에, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)에서는, 액체 저류 체임버(83)의 깊이를 큰 값으로 설정함으로써, 유속이 감소하도록 물이 액체 저류 체임버(83)를 통과할 수 있고, 안정적인 층류 상태가 형성될 수 있다. 그 결과, 교란이 없는 분사류 액체 칼럼(F)이 형성될 수 있고, 레이저 광의 전파 효율이 증가할 수 있다.
[실시예에 따른 액체 저류 체임버 내의 물의 레이놀즈 수]
다음으로, 도 9를 이용하여, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83) 내의 원추대 영역(U)에서의 물의 레이놀즈 수와, 종래 구조의 액체 공급 통로 내의 원추대 영역(U)에서의 물의 레이놀즈 수를 비교한다.
전술한 도 9의 개략도에서 깊이가 2mm 및 4mm로 설정된 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)의 구조와, 깊이(H)가 0.5mm로 설정한 특허문헌 1에 기재된 종 래 장치에 대하여, 레이놀즈 수를 계산한다.
레이놀즈 수는 아래의 식 4로 표현되며, V는 평균 유속, L은 도 9에 도시된 바와 같이 원추대 영역(U)에서의 주면을 따라서의 노즐과 안내 창 사이의 거리, ν는 20℃에서 물의 동점성(dynamic viscosity) 계수이다. 평균 유속(V)은 식 3에 의해 계산된 값으로 제공된다. 보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)에서, 깊이 H = 2mm인 경우에 평균 유속(V)은 0.623m/s이고, 깊이 H = 4mm인 경우에 평균 유속(V)은 0.171m/s이다. 또한, 종래 구조의 액체 공급 통로에서 깊이 H = 0.5mm인 경우에 평균 유속(V)은 6.542m/s이다. 또한, 물의 동점성 계수(ν)는 1.01×10-6m2/s로 한다.
Figure 112008067932739-pat00003
(식 4)
각 조건에 대해 식 4로부터 계산된 레이놀즈 수(Re)는, 깊이 H = 2mm인 경우에 Re = 1252, 깊이 H = 4mm인 경우에 Re = 688, 깊이 H = 0.5mm인 경우에 Re = 3288이다. 여기서, 가공 헤드(4)의 경우와 같이, 노즐(3) 및 안내 창(53)의 평행한 평탄 표면에 둘러싸인 구조에서, 난류와 층류 사이의 경계에서의 최소 임계 레이놀즈 수는, 평행한 벽에 의해 한정된 유동에서의 최소 파이프 라인의 최소 임계 레이놀즈 수에 상당하는 것으로 간주될 수 있는데, 다시 말하자면 Re = 1000인 것으로 고려될 수 있다. 따라서, 종래 구조의 액체 공급 통로에 있어서, 레이놀즈 수는 최소 임계 레이놀즈 수를 크게 초과하는 3288가 되고, 액체 공급 통로 내부는 난류를 발생시키기 용이한 상태가 된다는 점을 알 수 있다.
깊이 H = 2mm인 경우에도, 레이놀즈 수(Re)는 최소 임계 레이놀즈 수를 초과하지만, 이 레이놀즈 수는 노즐 직경이 150㎛로 설정된 경우의 수치를 나타낸다. 노즐 직경이 보다 작은 값으로 설정된 경우에, 노즐을 통해 흐르는 액체의 유량이 감소하고 레이놀즈 수(Re)도 감소한다. 따라서, 보다 작은 직경의 노즐이 사용되는 경우에는, 깊이 H = 2mm인 경우에도 난류를 발생시키지 않는 조건이 형성될 수 있다. 따라서 깊이 치수는, 예를 들면 사용되는 노즐 직경과 같은 설정치에 따라 적절히 설정될 필요가 있다. 반면에, 깊이 H = 4mm 이상인 경우에, 난류를 발생시키지 않으면서 사용 가능한 노즐 직경의 범위가 증가한다. 따라서, 액체 저류 체임버(83)의 설계에 있어서 깊이를 H = 4mm 이상으로 설정함으로써, 가공 헤드에 넓은 범용성이 부여될 수 있다.
[실시예에 따른 액체 저류 체임버 내의 액체 유속의 분포]
전술한 바와 같이, 본 실시예의 레이저 가공 장치에서는, 액체 저류 체임버(83) 내의 평균 유속이 특허문헌 1에 기재된 장치에 비하여 상당히 느리다.
수치 계산에 기초한 유체 시뮬레이션을 사용함으로써, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83) 내의 유속 분포와, 종래 구조의 액체 공급 통로 내의 유속 분포를 더욱 상세하게 비교한다. 특허문헌 1에 기재된 종래 구조의 액체 공급 통로는, 노즐 축선 방향으로의 액체 공급 통로의 깊이가 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)의 깊이보다 작다는 점에서, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)와는 크게 다르다는 점에 주목하여야 한다.
도 10은 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83) 내의 유속 분포 계산에 사용된 액체 저류 체임버(83)의 모델(100)을 나타낸다. 모델(100)은, 직경이 10mm이고 높이가 4mm인 대략 원통형으로 형성되고, 모델(100)의 저면 중앙에는 노즐(3)에 대응하는 직경 100㎛의 구멍(102)이 형성되어 있다. 유체가 모델(100)의 주면으로부터 모델(100) 내로 6.25mm/s의 속도로 균일하게 유입되고, 구멍(12)으로부터 100m/s의 속도로 균일하게 유출되는 조건으로, 유속 분포에 대한 시뮬레이션을 실행하였다.
한편, 도 11은 종래 구조의 액체 공급 통로 내의 유속 분포 계산을 위해 사용된 액체 공급 통로의 모델(104)을 나타낸다. 모델(104)은, 직경이 10mm이고 높이가 0.5mm인 대략 원통형으로 형성되고, 모델(104)의 저면 중앙에는 노즐에 대응하는 직경 100㎛의 구멍(106)이 형성되어 있다. 구멍(106)으로부터의 유체의 유출 속도가 본 실시예에서의 계산 조건과 동일한 값인 100m/s가 되도록, 모델(104)의 주면으로부터의 유입 속도를 50mm/s로 설정함으로써, 유속 분포에 대한 시뮬레이션을 실행하였다.
도 12와 도 13은 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버인 모델(100)이 사용된 경우에 물의 유속 분포의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 14와 도 15는 특허문헌 1에 기재된 액체 공급 체임버를 나타내는 모델(104)이 사용된 경우의 물의 유속 분포의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도면들 중에서, 도 12와 도 14는 두 모델 내의 구멍의 축선을 따른 단면에서의 유속 분포를 각각 나타낸다. 도 12와 도 14에서, 모델(100, 104) 내의 각 점에서의 유속은, 그 점으로부터 연장된 벡터의 방향과 크기에 의해 표현된다. 벡터의 길이는 클수록, 유속이 크다는 것을 의미한다. 도 13과 도 15는, 액체 저류 체임버와 액체 공급 통로 내의 액체의 유선(stream line)뿐 만 아니라, 유속이 실질적으로 동일한 개략적인 분할 영역 내의 유속 분포도 나타낸다. 도 13과 도 15에 있어서, 영역 I은 유속이 대략 0.125m/s 이하인 영역을 나타내고, 영역 II는 유속이 대략 0.125m/s 내지 0.25m/s인 영역을 나타내고, 영역 III은 유속이 대략 0.25m/s 내지 0.75m/s인 영역을 나타낸다. 영역 IV는 유속이 대략 0.75m/s 내지 0.875m/s인 영역을 나타내고, 영역 V는 유속이 대략 0.875m/s보다 큰 영역을 나타낸다. 도 15에 있어서, 유속이 대략 0.25m/s 이하인 영역(즉, 영역 I과 영역 II)은 거의 나타나지 않는다.
도 12와 도 13에 도시된 바와 같이, 본 실시예를 나타내는 모델(100) 내에서, 구멍(102) 근방 이외의 영역에서는, 물의 이동이 작고 물의 유속도 작다. 또한, 구멍(102) 상방의 넓은 영역 내에서 유속이 상당히 작다.
한편, 도 14 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 특허문헌 1에 기재된 액체 공급 통로를 나타내는 모델(104)에서는, 물의 유속이 액체 공급 통로 전체에 걸쳐서 모델(100) 내의 유속보다 크다. 특히, 구멍(106) 상부의 영역에서는, 액체 공급 통로의 상단부까지 유속이 상당히 크다는 점이 확인된다. 또한, 물의 유동은, 구멍(106)으로부터 이격된 외주측으로부터 중앙의 구멍(106)을 향해, 구멍(106)의 축선 방향에 수직한 방향으로 이동하고, 구멍(106)의 상부에서 유동 방향은 구멍(106)의 축선 방향에 수직한 방향으로부터 축선 방향을 향하여 급격히 변화한다.
이상의 설명으로부터, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)에서와 같이, 각 모델(100, 104)에 대응하는 원통의 높이, 즉 액체 저류 체임버(액체 공급 통로)의 노즐(3)의 축선(G) 방향으로의 깊이를 종래 구조보다 크게 설정함으로써, 종래 구조에 비하여 액체 저류 체임버(83) 내의 물의 유속이 감소하도록, 물이 액체 저류 체임버(83)를 통해 유동할 수 있게 된다. 따라서, 액체 저류 체임버(83) 내에 노즐(3) 상류측에 층류 상태가 형성될 수 있고, 노즐(3)로부터 분사되는 분사류 액체 칼럼(F)의 표면에서 발생하는 교란이 효과적으로 방지될 수 있다.
[실시예에 따른 액체 저류 체임버 내의 액체의 난류 에너지의 분포]
다음으로, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83) 내의 난류 에너지와, 특허문헌 1에 기재된 종래 구조의 액체 공급 통로 내의 난류 에너지를 비교한다. 여기서, "난류 에너지(turbulence energy)"는, 난류의 각 방향에서의 변동 속도 성분의 제곱의 합의 시간 평균을 2로 나누어 계산한 값, 즉 유동 교란의 정도를 의미한다.
전술한 도 10과 도 11에 도시된 각 모델(100, 104)에 기초하여, 수치 유체 시뮬레이션을 이용함으로써, 원통의 축선에 수직한 평면에서의 난류 에너지의 분포는 구멍(102, 106)이 형성된 표면으로부터 0.01mm의 거리에서 계산된다.
도 16은, 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)를 나타내는 모델(100)에서의 난류 에너지의 분포의 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도 17은 종래 구조의 액체 공급 통로를 나타내는 모델(104)에서의 난류 에너지의 분포의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 16과 도 17 각각에서, 난류 에너지의 값은 XI, XII, XIII, XIV, XV의 순서로 증가한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 모델(100)의 난류 에너지는, 구멍(102) 근방을 제외하고 실질적으로 모든 영역에서 균일하고 작은 값을 가지며, 난류 에너지의 비 교적 높은 영역은 구멍(102) 근방에서 대칭적으로 대략 원형으로 나타난다.
한편, 도 17에 도시된 바와 같이, 모델(104) 내의 난류 에너지는, 구멍(106) 주위의 넓은 영역에서 도 16에서의 난류 에너지보다 높은 값을 가지며, 난류 에너지의 분포는 비대칭적으로 나타난다. 즉, 모델(104) 내의 유동이 균일하지 않고 국소적 난류 증가(entanglement)와 같은 불균일한 유동(교란)이 발생한다.
이상의 설명으로부터, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)를 나타내는 모델(100)에서는, 액체 저류 체임버의 높이(H), 즉 액체 저류 체임버(83)의 노즐(3)의 축선(G) 방향으로의 깊이를 종래 구조보다 큰 값으로 설정함으로써, 액체 저류 체임버(83)의 축선(G)에 수직한 방향으로 균일하고 교란이 적은 액체 유동을 형성할 수 있다는 점을 알 수 있다.
또한, 도 10과 도 11에 도시된 모델(100, 104)에서의 각 유동장(flow field)에서의 난류 에너지의 최대치는, 도 10에 도시된 모델에서 124m2/s2이고, 도 11에 도시된 모델에서 307m2/s2이다. 이러한 최대치로부터, 모델(100)에 대응하는 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)의 구조는 모델(104)에 대응하는 종래 구조보다 난류의 발생을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다는 점을 알 수 있다.
[실시예에 따른 노즐 근방의 물의 이동 경로여]
다음으로, 본 실시예에서의 노즐 근방에서의 물의 이동 경로와, 종래 구조에서의 노즐 근방에서의 물의 이동 경로를 실험에 의해 비교한다.
전술한 도 12 내지 도 17에 도시된 시뮬레이션 결과를 실제로 확인하기 위하 여, 도 10 및 도 11에서의 모델과 유사한 실제 모델을 제작하였다. 관찰 입자로서 도료 입자(paint particle)를 혼입한 물을 공급하여 제작된 모델을 통해 유동시키고, 도료 입자를 고속 비디오 카메라로 촬영하였다. 이 때, 노즐에 대응하는 구멍의 직경을 200㎛로 설정하고, 물의 분사 압력을 2MPa로 설정하고, 도료 입자의 입자 직경을 20㎛ 내지 60㎛로 하였다. 또한 고속 비디오 카메라 촬영 조건으로서, 비디오 카메라는 포토론 패스트캠-맥스 모델 120k(Photoron FASTCAM-MAX model 120k)이며, 도 10의 모델에 대해서는 촬영 프레임 수가 6000fps이었고, 도 11의 모델에 대해서는 촬영 프레임 수가 4000fps이었다.
도 18은, 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)의 구조를 나타내는 도 10의 실제 모델에서의 물의 이동 결과의 영상을 나타내고, 도 19는, 종래의 액체 공급 통로의 구조를 나타내는 도 11에 도시된 실제 모델에서의 물의 이동을 나타낸다. 도 18과 도 19 각각에 있어서, 다른 시간에 촬영된 관찰 입자의 영상이 중첩되어, 관찰 입자의 이동 경로가 나타나 있다.
도 18에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 액체 저류 체임버(83)의 구조를 나타내는 모델에서, 관찰 입자는 화살표에 의해 표시된 바와 같이, 구멍(108)의 상방으로부터 교란이 없는 유선을 나타내면서 구멍(108)을 향하여 이동하고 있다.
한편, 도 19에 도시된 바와 같이, 종래 구조를 나타내는 모델에서, 관찰 입자는 구멍(110)을 향해 그 주위를 선회하면서, 즉 와류를 일으키면서 이동한다.
관찰 입자의 이러한 운동은, 전술한 도 16과 도 17에 도시된 시뮬레이션 결과와도 일치한다.
이상의 설명으로부터, 본 실시예에 따른 액체 저류 체임버(83)의 구조에서는, 노즐 축선(G) 방향으로의 깊이를 종래 구조보다 크게 설정함으로써, 물의 난류성 선회를 방지하고 물을 균일한 흐름으로 노즐에 유입시킬 수 있다는 점을 알 수 있다.
[실시예에 따른 레이저 광의 물에 대한 열적 영향]
다음으로, 특허문헌 1의 장치에서 사용된 파장 1064nm의 기본파(fundamental wave)와, 본 실시예의 레이저 가공 장치에서 사용되는 파장 532nm의 제2차 고주파(second harmonic wave)를 이용하는 경우와 관련하여, 수중에서 진행하는 레이저 광이 물에 미치는 열적 영향에 대하여 설명한다.
우선, IR 레이저 및 그린 레이저에 대하여, 레이저 광의 흡수에 의한 물의 온도 상승을 비교한다.
도 20A는 노즐(3) 근방의 영역을 나타낸 개략도이다. 도 20A에 도시된 바와 같이, 레이저 광(L)은 집광 렌즈(52)에 의해 집광되고 안내 창(53)을 통과한다. 또한, 레이저 광(L)은 액체 저류 체임버(83) 내의 수중으로 진입하고, 노즐(3)의 유입구(31)에서 집광된다. 따라서, 액체 저류 체임버(83) 내의 수중에서 레이저 광(L)이 조사되는 영역(N)은 원추형이다. 따라서, 원추형 영역(N)에서의 물의 온도 상승을 계산한다.
도 20B는, 레이저 광(L)이 조사되는 원추형 영역(N)을 나타내는 개략도이다. 도 20B에서, 원추형 영역(N)의 저면 중심에 대응하는 점(A)으로부터, 점 A에서 거리 d만큼 떨어지고 노즐(3)의 유입구(31)의 위치에 대응하는 정점(B)까지의 원추형 영역(N) 내의 물의 온도 상승(ΔT)은 다음의 식 5에 의해 산정된다.
Figure 112008067932739-pat00004
(식 5)
식 5에서, P는 레이저 광의 출력(W)이고, α는 레이저 광의 물에 대한 흡수 계수(cm-1)이다. IR 레이저에서는 αFM = 1.44×10-1이고, 그린 레이저에서는 αSHG = 4.47×10-4이다. 또한, d는 점 A로부터의 거리(mm)이고, C는 물의 비열로서 4.18(J/g·K)이고, ρ는 물의 밀도로서 1(g·cm-3)이고, J는 노즐 직경이 150㎛이고 분사 압력이 대략 4MPa인 경우에 물의 유량으로서 1.7(cm3/sec)이고, θ는 도 20A에 도시된 바와 같이 축선(G)에 대한 원추형 영역(N)의 주면의 각도로서 tanθ = 0.1이다.
도 21은, 출력 P = 10(W)인 경우에, 점 A부터 점 B까지의 거리(d)에 대하여, 레이저 광의 흡수에 의한 물의 온도 상승(ΔT)을 나타낸 도면이다. 도 21에 도시된 바와 같이, IR 레이저를 조사한 경우에는, 거리(d) 증가에 비례하여 물의 온도가 상승한다. 4mm의 거리(d)에서 온도 상승(ΔT)은 16.2℃이다. 한편, 그린 레이저를 조사한 경우에는, 거리(d)가 증가하여도 물의 온도는 거의 상승하지 않는다. 4mm의 거리(d)에서 온도 상승(ΔT)은 0.05℃이다. 이 경우에, 물의 온도 상승에 의한 굴절률(refractivity) 변화(Δn)는, IR 레이저의 경우에 ΔnFM = 1.3×10-3이고, 그린 레이저의 경우에 ΔnSHG = 4×10-6이다. 따라서, 그린 레이저를 이용한 경우에는, IR 레이저를 사용한 경우와는 달리, 굴절률이 크게 변화하지 않고 레이저 광의 투과에 대한 열적 영향이 없다는 점을 알 수 있다.
IR 레이저를 이용한 경우에, 온도 상승을 그린 레이저와 동등하게 억제하기 위해서는, 점 A부터 점 B까지의 거리(d)를 13㎛ 정도로 설정할 필요가 있다. 그러나, 점 A부터 점 B까지의 거리(d)를 그와 같이 작은 값으로 설정하면, 전술한 바와 같이, 액체 저류 체임버(83) 내에서 유동 교란이 발생한다. 이러한 사실은, 교란이 없는 분사류 액체 칼럼의 형성을 가능하게 하면서 열적 영향을 최소화함에 있어서, 그린 레이저의 사용이 더욱 유리하다는 것을 입증한다.
따라서, 그린 레이저를 이용한 경우에, 거리(d)를 4mm로 설정하여도 물의 온도가 거의 상승하지 않으며, 온도 상승에 기인하는 물의 굴절률 변화에 의한 열 렌즈의 영향은 IR 레이저를 이용한 경우보다도 현저히 억제될 수 있다. 또한, 그린 레이저를 사용한 경우에는, 원추 영역(N)에서의 열적 영향이 작으므로, 물의 온도 상승을 방지하기 위해 물의 유속을 의도적으로 크게 설정할 필요가 없다. 따라서, 액체 저류 체임버(83)의 축선(G) 방향으로의 깊이를 큰 값으로 설정할 수 있고 물의 유속을 감소시킬 수 있다. 따라서, 액체 저류 체임버(83) 내의 물을 층류 상태로 유지할 수 있고, 교란 없는 안정된 상태로 분사류 액체 칼럼(F)을 분사할 수 있다.
다음으로, IR 레이저와 그린 레이저를 사용한 경우에, 출력에 대한 물의 온 도 변화의 관계에 대하여 설명한다.
도 22는, 점 A부터 점 B까지의 거리(d)를 4mm로 설정한 경우에, IR 레이저와 그린 레이저의 출력(P)에 대한 원추형 영역(N)의 물의 온도 변화(ΔT)를 나타낸 도면이다. 여기서, 노즐 직경은 150㎛이고, 분사 압력은 4MPa이고, 레이저 광(L)의 집광 각도(θ)는 5.7°로 하였다. 도 22에 도시된 바와 같이, IR 레이저를 이용한 경우에, 레이저 광(L)의 출력(P) 증가에 비례하여 물의 온도 변화(ΔT)가 증가한다. 반면에, 그린 레이저를 사용한 경우에, 레이저 광의 출력(P)이 증가하여도, 온도 변화(ΔT)는 거의 증가하지 않는다.
이상의 설명으로부터, IR 레이저를 사용하는 경우에 비하여 그린 레이저를 사용한 경우에는, 거리(d)에 대해서 뿐만 아리라 레이저 광의 출력(P)에 대해서도, 열 렌즈의 발생을 억제함에 있어서 더욱 유리하다는 점을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 가공 헤드의 제1 예에 대하여, 도 23을 참조하여 설명한다. 도 23은 본 발명의 실시예에 따른 가공 헤드의 제1 예의 구성을 나타내는 측면 단면도이다.
전술한 실시예에 따른 가공 헤드(4)의 구성요소와 동일한 도 23의 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고, 여기에서 이 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제1 예의 가공 헤드(44)는, 도 23에 도시된 바와 같이, 레이저 광(L)의 중심 축의 위치를 정렬하기 위한 정렬 기구(45)와 레이저 광(L)의 집광점의 축 방향 높이를 조정하기 위한 축 방향 조정 기구(46)를 포함한다.
가공 헤드(44)에서, 광학 장치(5)를 수용하는 하우징(441)은 굴곡된 크랭크 형상을 이루고, 하우징(441)의 말단부에 축 방향 조정 기구(46)를 통해 노즐 헤드(442)가 장착된다. 가공 헤드(44)의 상부로부터 하방으로 방사된 레이저 광(L1)은, 빔 스플리터(beam splitter)(511)에 의해 수평 방향으로 반사된다. 이와 같이 수평 방향으로 반사된 레이저 광(L2)은, 빔 스플리터(512)에 의해, 레이저 광(L1)과 평행한 하방을 향해 다시 반사된다. 이와 같이 반사된 레이저 광(L3)은 집광 렌즈(52)에 의해 노즐(3)의 유입구(31)에서 집광된다.
빔 스플리터(511, 512)는, 녹색 부근 이외의 가시광이 빔 스플리터를 통과하도록, 레이저 광(L)을 반사하는 기능을 가진다. 빔 스플리터(511)의 후방(도 23에서의 우측)에는 CCD 카메라(513)가 배치되고, 빔 스플리터(512)의 후방(도 23의 상측)에는 광원으로서 작용하는 LED 라이트(514)가 배치된다.
이러한 구성에 의해, LED 라이트(514)에 의해 노즐(3)의 유입구(31)가 조사될 수 있고, CCD 카메라(513)에 의해 레이저 광(L)의 초점 위치가 확인될 수 있다.
정렬 기구(45)는, 원주 상에서 서로 직교하는 3곳의 위치에 배치된 조정 나사(45a)와, 빔 스플리터(512)를 유지하기 위한 스프링(45b)을 포함한다. 조정 나사(45a)를 누르거나 당김으로써, 빔 스플리터(512)의 각도를 조정할 수 있다.
이러한 구성에 의해, 노즐(3)의 유입구(31)에서의 레이저 광(L)의 초점 위치를 CCD 카메라(513)로 확인하면서, 조정 나사(45a)로 빔 스플리터(512)의 각도를 조정함으로써, 레이저 광(L)의 중심 축의 위치를 노즐(3)의 유입구(31)와 정렬할 수 있다.
축 방향 조정 기구(46)는, 하우징(441)의 말단부에 나사 결합된 노즐 헤드(442)를 유지하기 위한 조정 너트(46a)와, 하우징(441)의 말단부에 나사 결합된 조정 너트(46a)를 그 상부측에서 유지하기 위한 잠금 너트(lock nut)(46b)와, 조정 너트(46a)의 외주부에서 나사 결합된 노즐 헤드(442)를 유지하기 위한 잠금 너트(46c)를 포함한다. 잠금 너트(46b, 46c)에는 백래시(backlash)를 제거하기 위하여 축 방향으로 잠금 너트를 가압하는 스프링(46d, 46e)이 각각 내장되어 있다.
이러한 구성에 의해, 잠금 너트(46b, 46c)가 느슨한 상태에서 조정 너트(46a)를 회전시킴으로써, 노즐 헤드(442)의 축 방향 위치를 조정하여, 레이저 광(L)의 집광점의 축 방향 높이를 노즐(3)의 유입구(31)와 정렬시킬 수 있다. 또한, 잠금 너트(46b, 46c)로 노즐 헤드(442)를 견고히 고정하고, 스프링(46d, 46e)의 제공에 의해 백래시를 제거하므로, 진동이나 충격에 대해 내구성 있는 구조를 얻을 수 있다. 따라서, 레이저 광(L)을 분사류 액체 칼럼(F) 내에 효율적이고 안정적으로 도입할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가공 헤드의 제2 예에 대하여, 도 24A와 도 24B를 참조하여 설명한다. 도 24A는 본 발명의 실시예에 따른 가공 헤드의 제2 예에서의 노즐 주위의 구성을 나타내는 부분 단면 측면도이고, 도 24B는 도 24A의 구성에서 밀봉 부재가 배치되어 있는 경우를 나타낸다.
도 24에 있어서, 전술한 실시예에 따른 가공 헤드(4)와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고, 상세한 설명은 생략한다.
도 24A와 도 24B에 도시된 제2 예의 각 가공 헤드(48, 48')는, 대응하는 하 우징(445 또는 446)의 중심 축과 노즐 축선(G)을 정렬하기 위한 정렬 기구(49)를 포함한다.
정렬 기구(49)는, 도 24A와 도 24B에 도시된 바와 같이, 노즐 측에 형성된 테이퍼 형상부(tapered portion)(491)와 하우징 측에 형성된 상보적인 테이퍼 형상부(492)가 맞물림으로써, 하우징(445)의 중심 축(G)과 노즐 축선(G)이 자동적으로 정렬되도록 구성되어 있다. 또한, 노즐 캡(cap)(30a)을 각 하우징(445, 446)에 나사 결합함으로써, 노즐(30, 30')을 각각 하우징(445, 446)에 고정할 수 있다.
또한, 가공 헤드(48')에서, 도 24B에 도시된 바와 같이, 밀봉 부재로서 O링(32)이 노즐(30')의 외주면에 배치되어, 그에 따라 밀봉성을 향상시킨다.
전술한 구성의 정렬 기구(49)의 제공에 의해, 노즐(30, 30')을 안정적으로 적소에 유지할 수 있다. 노즐(30, 30')을 교환할 때마다 각 노즐(30, 30')의 중심 위치와 직각도(perpendicularity)가 변동되고 분사류 액체 칼럼(F)이 안정적으로 유지되지 않는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 노즐(30, 30')을 하우징(445, 446)에 각각 고정하기 위한 노즐 캡(30a)의 제공에 의해, 노즐(30, 30')의 교환 작업이 용이해질 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 층류 형성 채널의 변형예에 대하여, 도 25 내지 도 27을 참조하여 설명한다. 도 25는, 본 발명에 따른 층류 형성 채널의 제1 변형예의 형상을 나타내는 사시도이고, 도 26은 본 발명에 따른 층류 형성 채널의 제2 실시예의 형상을 나타내는 사시도이고, 도 27은 본 발명에 따른 층류 형성 채널의 제3 실시예의 형상을 나타내는 사시도이다.
도 25에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 변형예의 층류 형성 채널(200)은, 분배 채널(202)의 내주 벽면(204)이, 축선(G) 방향으로의 하류측을 향해 내측으로 경사진 경사면으로 형성된다. 유사하게, 연결 채널(206)의 내주 표면(208)도, 축선(G) 방향의 하류측을 향해 내측으로 경사진 경사면으로서 형성된다. 내주 표면(208)과 내주 벽면(204)은 동일 평면 상의 연속 표면을 형성한다. 고압수가 고압 펌프로부터 안내 파이프(210)를 통해 그와 같은 형상의 층류 형성 채널(200)로 도입되면, 물은 분배 채널(202)의 경사진 내주 벽면(204)과 연결 채널(206)의 경사진 내부 표면(208)에 의해 안내되면서 연결 채널(206)로 유입된다. 따라서, 물은 층류 형성 채널(200) 내에서 원활하게 유동하고, 난류 또는 와류의 발생이 더욱 바람직하게 억제될 수 있다.
도 26에 도시된 제2 변형예에서, 층류 형성 채널(220)의 연결 채널(222)의 외주 표면(224) 및 액체 저류 체임버(226)의 외주 표면(228)은 모두 내측으로 원호 형상으로 만곡되어 있다. 따라서, 제2 변형예에서, 연결 채널(222)의 외주 표면(224)과 액체 저류 체임버(226)의 외주 표면(228)은 연속적인 곡면을 형성한다. 이와 같은 형상의 층류 형성 채널(220)에 의해, 물은 연결 채널(222)로부터 액체 저류 체임버(226)로 원활히 유동할 수 있고, 난류 또는 와류의 발생이 더욱 바람직하게 억제될 수 있다.
도 27에 도시된 제3 변형예에서, 층류 형성 채널(240)의 분배 채널(242) 및 액체 저류 체임버(244)는 각각 대략 직사각형의 단면 형상을 가진다. 층류 형성 채널(240)의 연결 채널(246)은, 축선(G)의 하류측에서의 분배 채널(242)의 내측 부분 이 축선(G)의 상류측에서의 액체 저류 체임버(244)의 외측 부분과 연통하도록, 축선(G) 방향으로 연장된다. 이러한 형상의 층류 형성 채널(240)에 의해, 분배 채널(242)로 유입된 물은 내주 벽면(248)에 접촉하고 분배 채널(242)의 영역 전체에 공급된다. 축선(G) 방향의 하방으로 유동 방향이 변경된 후에, 물은 내주 표면(248)을 따라 진행하고 연결 채널(246)로 유입된다. 또한, 물은 연결 채널(246)로부터 액체 저류 체임버(244)의 외주 벽면(250)을 따라서 액체 저류 체임버(244)로 유동한다. 즉, 이러한 형상의 층류 형성 채널(240)에 의해, 물은 분배 채널(242)의 내부 벽면(248)과 액체 저류 체임버(244)의 외주 벽면(250)을 따라 이동하므로, 벽면에서 물의 와류 발생이 억제된다. 제3 변형예의 층류 형성 채널(240)은, 연결 채널(246)이 구조적인 관점의 제약으로 인해 길게 형성될 수 없는 경우에 특히 유효하다.
또한, 연결 채널은 전술한 도 3 및 도 25 내지 도 27과 같은 형상에 한정되지 않으며, 액체 저류 체임버에 외주 전체로부터 분사류 액체가 유입될 수 있도록 하는 형상이라면, 어떠한 임의적인 형상이라도 가능하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고 필요에 따라 다양하게 변경된 형태로 실시될 수 있다.
예를 들면, 본 실시예에서 레이저 광(L)으로서 그린 레이저를 사용하였으나, 본 발명이 그린 레이저에 한정되는 것은 아니다. 파장이 더욱 짧고 물에 흡수되기 어려운 UV 레이저를 레이저 광으로서 사용할 수도 있다. 바람직하게는, 분사류 액 체를 통과할 때의 흡수 계수가 0.01[cm-1] 이하인 레이저 광을 사용한다.
또한, 실시예에서 분사류 액체로서 물을 사용하였으나, 본 발명은 물의 사용에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 레이저 광(L)이 흡수되기 어려운 실리콘 오일을 분사류 액체로 사용할 수 있다. 또한, 레이저 광(L)은 그린 레이저 또는 UV 레이저에 한정되는 것이 아니라, CO2 레이저와 YAG 레이저를 사용할 수도 있다. 분사류 액체로서 물을 사용하는 경우에는, 물에 흡수되기 어려운 레이저 광을 방출하는 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 물에 흡수되기 어려운 레이저 광은, 예를 들면 파장 영역이 200nm 내지 700nm인 레이저 광이다. 레이저 광이 흡수되기 어려운 분사류 액체를 사용하는 경우에는, CO2 레이저와 YAG 레이저를 이용하였을 경우에도 레이저 광은 양호한 전파 효율로 도입될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 전체 구성을 나타내는 측면 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 광학 장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 부분 확대도로서, 레이저 광의 안내 창이 장착되지 않은 경우를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 실시예에 따른 층류 형성 채널의 형상을 나타내는 사시도.
도 4는 도 1의 선 A-A를 따른 단면도로서, 본 발명의 실시예에 따른 보조 가스 공급 장치 내의 나선형 안내 채널의 구성을 나타내는 도면.
도 5는 보조 가스 공급 장치에서의 다른 예에 따른 원추형 안내 채널의 구성을 나타내는 측면 단면도.
도 6은 실시예에 따른 층류 형성 채널의 축선 방향을 따른 단면도.
도 7은 노즐의 축선(G) 방향으로의 깊이(높이, 즉 안내 창과 노즐 사이의 거리)와 레이저 광의 전파 효율의 관계를 나타내는 그래프.
도 8은, 그린 레이저가 물의 액체 칼럼 빔을 통과할 때에, 액체 저류 체임버의 높이(H)에 대한 그린 레이저의 전파 효율을 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 노즐 주위의 액체 저류 체임버(액체 공급 통로)의 구조를 나타내는 개략도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 액체 저류 체임버 내의 유속 분포를 계산하기 위해 사용한 액체 저류 체임버의 모델을 나타내는 도면.
도 11은 종래 구조의 액체 공급 통로 내의 유속 분포를 계산하기 위해 사용한 액체 저류 체임버의 모델을 나타내는 도면.
도 12는 액체 저류 체임버의 각 점에서 유속을 벡터로 나타낸 도면.
도 13은 액체 저류 체임버의 공간을 대략 동일한 유속의 영역마다 분할하여 나타낸 도면.
도 14는 액체 공급 통로 내의 각 점에서의 유속을 벡터로 나타낸 도면.
도 15는 액체 공급 통로의 공간을 대략 동일한 유속의 영역마다 분할하여 나타낸 도면.
도 16은 실시예에 따른 액체 저류 체임버를 나타내는 모델 내의 난류 에너지 분포의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 17은 종래 구조의 액체 공급 통로를 나타내는 모델 내의 난류 에너지 분포의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 18은 실시예에 따른 액체 저류 체임버의 구조를 나타내는 모델 내에서의 유체 이동을 나타낸 도면.
도 19는 종래의 액체 공급 통로의 구조를 나타내는 모델 내에서의 유체 이동을 나타낸 도면.
도 20A와 도 20B는 노즐 상방에서 레이저 광이 조사된 원추형 영역을 나타내는 개략도.
도 21은, 출력이 P = 10(W)인 경우에, 점 A부터의 거리(d)에 대하여 레이저 광의 흡수에 의한 물의 온도 상승을 나타낸 그래프.
도 22는, 점 A로부터의 거리(d)가 4mm로 설정된 경우에, IR 레이저 및 그린 레이저의 출력(P)에 대하여 원추형 영역 내의 물의 온도 상승(ΔT)을 나타내는 도면.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 가공 헤드의 제1 예의 구성을 나타내는 측면 단면도.
도 24A는 본 발명의 실시예에 따른 가공 헤드의 제2 예에 있어서 노즐 주위의 구성을 나타낸 부분 단면 측면도.
도 24B는 도 24A의 구조에 밀봉 부재가 배치된 경우를 나타내는 도면.
도 25는 본 발명에 따른 층류 형성 채널의 제1 변형예의 형상을 나타낸 사시도.
도 26은 본 발명에 따른 층류 형성 채널의 제2 변형예의 형상을 나타낸 사시도.
도 27은 본 발명에 따른 층류 형성 채널의 제3 변형예의 형상을 나타낸 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1: 레이저 가공 장치 2: 그린 레이저 발진기
3: 노즐 4: 가공 헤드
5: 광학 장치 6: 액체 공급 유닛
8: 층류 형성 채널 9: 처리 장치
11: 보조 가스 공급 장치 11c: 나선형 안내 채널
11e: 원추형 안내 채널 11f: 분배 채널
31: 유입구 32: 분사구
81: 분배 채널 82: 연결 채널
83: 액체 저장 체임버 83a: 외주 가장자리
91: 물 처리 장치(처리 장치) 92: 고압 여과기(처리 장치)
AS: 보조 가스 F: 분사류 액체 칼럼
L(L1, L2, L3) 레이저 광 W: 피가공물

Claims (11)

  1. 레이저 광을 생성하기 위한 레이저 발진기와, 피가공물에 분사류 액체를 분사하기 위한 노즐과, 노즐에 분사류 액체를 공급하기 위한 액체 공급 수단을 포함하되, 노즐로부터 분사된 분사류 액체 칼럼 내에 레이저 광이 도입되는 레이저 가공 장치로서,
    분사류 액체를 층류 상태로 노즐에 공급하기 위한 층류 형성 채널을 또한 포함하되,
    층류 형성 채널은,
    액체 공급 수단으로부터 공급된 분사류 액체를 노즐의 축선 주위에 환형으로 분배하기 위한 공동에 의해 형성된 분배 채널과,
    노즐 축선 방향으로 분배 채널의 하류측에서 분배 채널과 연통하도록 배치되고, 분배 채널보다 좁은 유로를 제공하도록 노즐 축선 주위에 환형 공동에 의해 형성된 연결 채널과,
    노즐 축선 방향으로 노즐 상류측에 인접하게 배치되고, 분사류 액체를 저장하여 노즐에 공급하는 액체 저류 체임버를 포함하며,
    액체 저류 체임버는, 환형의 외주 전체에 걸쳐서 연결 채널과 연통하는 외주 가장자리를 구비하고,
    액체 저류 체임버는, 노즐의 축선 방향으로의 깊이가 2mm 이상 40mm 이하이고, 노즐의 축선 방향의 상류측의 외주 가장자리에서 연결 채널과 연통하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    레이저 광은, 분사류 액체를 통과할 때의 흡수 계수가 0[cm-1] 초과 0.01[cm-1] 이하인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    분사류 액체는 물이고,
    레이저 광은 그린 레이저 또는 UV 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    분사류 액체는 물이고,
    레이저 광은 파장 범위가 200nm 내지 700nm인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체 저류 체임버는 그 용적이 연결 채널의 공동의 용적보다 큰 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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