KR101531115B1 - 작업편의 레이저 재료 가공을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작업편(2)의 레이저 재료 가공을 위한, 특히, 레이저 절단 또는 레이저 용접을 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 작업편(2)의 적어도 일부가 레이저 빔(1)에 의해 용융 및/또는 증발되며, 상기 레이저 빔(1)과 상기 작업편(2) 사이의 상대 이동이 추가됨으로써 조사 전방부(3)가 형성되는 방법에 있어서, 상기 조사 전방부(3)의 표면 구조가 소정의 가공 결과를 기반으로 본 발명에 따라 조절된다. 조사 전방부(3)의 표면 구조가, 예를 들어, 레이저 빔(1)의 빔 특성, 특히, 편광 및/또는 빔 프로파일의 적절한 선택에 의해 조절될 수도 있다.

Description

작업편의 레이저 재료 가공을 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR LASER MATERIAL PROCESSING OF A WORKPIECE}

본 발명은 작업편의 레이저 재료 가공을 위한, 특히, 레이저 절단 또는 레이저 용접을 위한 방법에 관한 것으로서, 작업편의 적어도 일부는 레이저 빔에 의해 용융되고 그리고/또는 증발되며, 레이저 빔과 작업편 사이의 상대 이동이 추가됨으로써 조사 전방부가 형성된다.

레이저 재료 가공 작업에서는, 설비의 적용성 및 유효성에 따라, 다양한 레이저 빔 공급원이 사용된다. 예를 들어, 레이저 절단 작업의 경우, 대략 10㎛의 레이저 파장을 갖는 CO₂ 레이저가 사용되는 것이 바람직하며, 특히 레이저 용융 절단 작업의 경우, 높은 에너지 효율과 진행 속도 증가로 인해, 1㎛ 이상의 범위의 파장을 갖는 고체 상태 레이저의 중요성이 점점 더 증가하고 있는 추세이다.

사용 방법의 효율을 증가시키기 위하여, 작업편에서의 레이저 빔의 에너지 결합을 최대화하기 위한 시도가 종종 이루어져 왔다. 예를 들어, 이와 관련하여, 제 WO 2010/016028 호에는, 레이저 절단 작업의 경우 방위각 편광 방사선을 사용하는 방법이 제안되어 있다. 편광의 적응성의 덕택으로, 조사 전방부에서의 흡수도(absorption)가 증가한다.

그러나, 대략 10㎛의 파장을 갖는 레이저(CO₂ 레이저)의 사용과 비교하여, 1㎛의 파장을 갖는 레이저를 사용한 절단 작업은 거칠기가 비교적 높은 절단 에지를 초래하며, 버(burr)의 형성 및 이로 인한 파상형(corrugation) 부분을 초래한다. 금속 시트의 두께가 증가할수록 이러한 영향도 두드러지게 나타나게 된다. 한편, 알려진 바와 같이, 레이저 절단시 뿐만 아니라 레이저 용접 시에도, 통계적 편광의 1㎛ 범위의 파장에서, 특히 높낮이가 있는 조사 전방부가 형성된다. 이에 따라, 조사 전방부에서 레이저 방사선의 입사각이 상이해진다. 그러나, 레이저 방사선의 프레넬(Fresnel) 흡수도가 또한 특히, 상기와 같은 입사각에 좌우되므로, 파동과 같은, 조사 전방부에서의 국소적인 교란(disturbance)에 따른 상이한 입사각은 교란 현상을 약화시키기보다 오히려 증진시키는 국소적으로 바람직하지 못한 프레넬 흡수 거동을 초래한다. 이러한 영향은 비교적 불량한 절단 에지 품질과 직결될 수 있다.

제 DE 10 2007 024 700 A1 호에는, 1㎛의 파장에서의 강(steel)의 레이저 재료 가공의 경우, 레이저 방사선이 비교적 작은 입사각, 예를 들어, 80° 미만의 입사각으로 조사 전방부와 충돌하는 방식으로 레이저 방사선에 영향을 미치는 방법이 제안되어 있다. 최대치의 프레넬 흡수도를 달성할 수 있다는 효과 외에도, 이러한 특성을 갖는 레이저 방사선을 선택함으로써 프레넬 흡수도 구배를 낮춤으로써, 이에 따라 야기되거나 증가되는 공정의 불안정성을 방지하거나 적어도 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 표준형 광 시스템의 촬영 오류로 인해 야기되는 발산 각에 대하여 레이저 빔의 발산 각을 더 증가시키는 인위적인 촬영 오류를 도입하는 방식으로 작은 입사각으로의 조절이 이루어진다.

집속 레이저 빔의 국소적인 입사각을 감소시킴으로써, 흡수도 특성은 궁극적으로는 조사 전방부에 적합하도록 맞추어진다. 결과적으로, 흡수도의 값이 커지게 되며, 이에 따라 공정 속도가 더 빨라지는 것으로 알려져 있다. 그러나, 국소적인 입사각의 감소를 통한 흡수도 증가에 의해 또한 제안되고 있는 흡수도의 감소 각도 의존성이 가공 품질을 향상시키지는 않는다는 문제가 있다.

이에 따라, 입사각 감소에 의한 감소 각도 의존성은, 특히, 조사 전방부에서의 파동 생성 및 파동의 세기에 안 좋은 영향을 미치며, 결과적으로 절단 품질에 안 좋은 영향을 미친다. 또한, 종래 기술에 따라 높낮이가 있는 조사 전방부를 고려하는 경우에는, 전체 조사 전방부에 걸쳐 또한 고려되어야만 하는 온도 분포 및 조사의 결과 발생되는 레이저 빔을 중심으로 방위각으로 연장되는 용융물 흐름이 완전히 무시되고 있다.

따라서, 본 발명의 일 목적은, 도입부에 언급한 방식의 방법을 사용하여, 조사 전방부에서의 파동의 형성을 감소시키며, 조사 전방부를 갖는 재료 두께 범위에 걸쳐 용융물의 국소적인 및/또는 전체적인 증발 압력에 의해 유발되는 레이저 빔을 중심으로 연장되는 용융물의 분열성 유동을 최소화하고, 이에 따라, 레이저 재료 가공 작업의 품질, 특히 절단 에지 및/또는 용접 이음부의 품질을 개선하는 것이다.

전술한 바와 같은 목적은, 본 발명에 따라, 조사 전방부(irradiation front)의 표면 구조가 소정의 가공 결과에 따라 조절됨으로써 달성된다. 조사 전방부의 표면 구조는, 예를 들어, 레이저 빔의 빔 특성, 특히, 편광 및/또는 빔 프로파일의 적절한 선택에 의해 조절될 수도 있다. 바람직하게는, 대략 90°의 입사각 범위에서의 흡수 강도의 구배가 레이저 빔의 편광에 의해 영향을 받는다. 대안으로서 또는 추가로, 조사 전방부에서의 온도 분포 및 결과적으로는 조사 전방부의 표면 구조가 레이저 빔의 빔 프로파일에 의해 영향을 받을 수 있다.

다시 말해, 레이저 빔의 빔 특성, 특히, 레이저 빔의 편광 및/또는 빔 프로파일의 경우, 특히, 대략 90° 범위의 입사각을 기준으로 조사 전방부에 실질적으로 적합하도록 맞추어진 흡수 강도 구배를 초래하고 그리고/또는 조사 전방부를 포함하는 재료 두께 범위에 걸쳐 균일한 온도 분포를 초래할 수 있도록 조절된다.

특히, 가공 효율(흡수도)의 증가 관점에서 고려되는 프레넬(Fresnel) 흡수도는, 본 발명의 내용에서 가공 품질의 기준으로서 고려되어야 하는 것은 아니며, 실제로는 공정 관련 흡수 강도(프레넬 흡수도 * cos(입사각))가 고려되어야 하는 것으로 인식되어 왔다.

따라서, 입력 열 에너지 또는 열 에너지 분포를 조사 전방부에서 국소적으로 및/또는 조사 전방부를 포함하는 재료 두께 범위에 걸쳐 (국소적 대 전체적) 실질적으로 균일한 레벨에 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 이와 같이 실질적으로 적합하게 맞추어진 흡수 강도 및/또는 온도 분포의 덕택으로, 시험 결과를 통해 알려진 바와 같이, 높낮이가 있는 조사 전방부의 형성, 다시 말해, 조사 전방부의 표면 구조가, 레이저 절단 방법의 실시 동안 완화되거나, 표면 발달의 관점에서 감소되며, 또한, 조사 전방부의 용융물이 조사 전방부를 포함하는 재료 두께에 걸쳐 비교적 일정한 관계를 가짐을 증명하고 있다. 이를 위해, 본 발명에 따르면, 대략 90°의 입사각 범위에서의 흡수 강도 구배가 10㎛의 파장의 원형 편광 레이저 방사선에 적합하게 맞추어져야 하며, 또는 적어도 10㎛의 파장의 원형 편광 레이저 방사선과 유사하게 조절되어야 하는 것으로 인식되어 왔다. 이에 따라 안정적인 공정 조건이 달성됨으로써, 레이저 절단 방법의 경우, 절단 에지 거칠기, 버의 형성 및 이로 인한 파상형 부분이 감소되며, 본 예에서는, 대략 90°의 입사각 범위에서의 흡수 강도 구배가 최대화되는 것이 바람직하다.

레이저 절단 방법의 경우, 높낮이가 있는 조사 전방부의 형성으로 인해, 다시 말해, 조사 전방부의 표면 구조로 인해, 바람직하게는, 이음부 품질에 안 좋은 영향을 미치는 금속 시트의 상측 및/또는 하측 상의 접착부 형태의 스플래쉬(splash)의 형성이 일차적으로 감소되거나, 완전히 방지될 수 있도록 하기에 적절하게 흡수 강도가 맞추어진다. 이를 위해, 대략 90°의 입사각 범위에서의 흡수 강도 구배가 최소화되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 조사 전방부에서의 입사각이 대략 90°의 범위로만 제한되는 것은 아니며, 입사각의 범위가 흡수 강도에 대응하여 적절하게 맞추어진 구배 특성을 갖는 범위까지 확장될 수 있다. 1㎛ 파장의 광 조사를 이용하는 레이저 절단 영역에서, 입사각의 범위는 일차적으로, 80°를 초과하며, 특히, 84°보다 크다.

바람직하게는, 레이저 절단의 경우 실질적으로 최대화되며, 또한 바람직하게는, 레이저 용접의 경우 실질적으로 최소화되는 방식으로의 대략 90°의 범위의 입사각에서의 흡수 강도 구배 조절이, 바람직하게는, 선택적인 편광 조절에 의해, 특히, 방위각 편광 및/또는 방사상 편광의 조절에 의해 수행된다. 따라서, 레이저 절단용 레이저 방사선은 방사상 편광을 가능한 가장 높은 비율로 갖추어야 하며, 이러한 가장 높은 비율은 적어도 통계적 편광의 경우의 방사상 편광의 비율을 초과하는 것이 이상적이다. 특히, 순수한 방사상의 또는 거의 순수한 방사상의 편광이 특히 바람직하다.

선택적인 편광 조절의 덕택으로, 또한 입사각을 편향시킴으로써, 예를 들어, 90°에서 시작하여 대략 60° 또는 120°에 이르는 범위에서 통상적으로 작동하는 천공 또는 드래깅(dragging) 작동 방법에 의해, 90° 범위의 입사각에서의 작동 범위의 흡수 강도가 비교적 공정을 안정화하는 방식으로 비교적 높은 레벨(1㎛ 대 10㎛)에 유지될 수 있다. 본 발명에 따르면, 방사선이 구배가 큰 경사각(다시 말해, 90°의 입사각에 근접하는 큰 경사각)에서 흡수되는 것이 바람직하기 때문에, 방사선이 원형 편광 방식으로 작업편과 충돌하는 10㎛ 범위의 파장을 갖는 레이저 방사선에 의한 조사 전방부에서의 용융물의 파동이 완화되는 것으로 인식되어 왔다. 1㎛ 범위의 파장을 갖는 레이저 방사선이 (현재 사용되고 있는) 통계적 편광과 사용되는 경우, 낮은 구배로 인해, 바람직하게는, 방사선이 레이저 빔과 마주하는 파동측에서 흡수되며 결과적으로 더 작은 입사각에서 흡수된다. 이에 따라, 파동이 강화되어, 생성된 증기 충격으로 인해 파동이 빔 팽창 방향 및 레이저 빔을 중심으로 방위각 방향으로 추가로 가압된다. 결과적으로, 용용물이 방출이 국소적으로 상당히 변화함으로써, 전술한 버의 형성 및 이로 인한 파상형 부분의 형성 또는 스플래쉬의 형성이 야기된다. 이러한 효과를 감소시키거나 심지어 방지하기 위하여, 본 발명에 따르면, 프레넬 흡수도 특성, 또는 바람직하게는 1㎛ 방사선의 흡수 강도(프레넬 흡수도 * cos(입사각))가, 필적하는 완화 효과를 달성하기 위하여, 10㎛ 방사선의 흡수도 특성에 적절하게 맞추어지는 방식으로, 편광의 조절이 이루어진다.

소정의 편광 조절은, 바람직하게는, 통계적 편광이 대응하는 레이저 재료 가공 장치의 가공 헤드의 레이저 빔의 방사상 편광으로 전환됨으로써 수행된다. 특히 바람직한 일 변형예에 있어서, (가공 헤드에서의 전환 시에서와 같은) 상당한 파워 손실 없이 공명기에서 방사상 편광이 생성되어, 예를 들어, 상기 용도로 구성되는 미러 기반 빔 가이드(mirror-based beam guide) 또는 광 이송 섬유와 같은 편광 유지 빔 가이드를 통해 가공 위치 또는 가공 헤드로 안내된다.

본 발명에 따르면, 또한, 입사각의 흡수 강도 의존성이, 필요한 경우, 절단 가스의 굴절률의 적응성에 의해 영향을 받을 수 있는 것으로 인식되어 왔다. 이에 따라, 절단 가스 및/또는 절단 가스 혼합물을 선택함으로써, 편광 조절의 대안으로서 또는 이에 추가하여, 90°에 근접하는 입사각으로 소정의 공정 안정화 흡수도 특성을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 공간상 적절하게 맞추어진 강도 분포의 덕택으로, 국소적으로 또는 전체적으로 너무 높은 공정 온도에 의해 야기되는 국소적인 증발이 또한 방지됨으로써, 파동의 이동이 증가되는 경우에 생성되는 바와 같은 레이저 빔을 중심으로 방위각으로 연장되는 용용물의 바람직하지 못한 유동이 야기될 수 있다.

따라서, 선택적인 편광 조절의 대안으로서 또는 이에 추가하여, 적절하게 맞추어진 빔 프로파일의 사용을 통해, 레이저 빔을 중심으로 한 용융물의 음의 방위각 흐름을 초래하는, 바람직하지 못한 증발을 방지할 수 있으며 및/또는 파동의 형성을 감소시키거나 추가로 감소시킬 수 있다. 외부 빔 반경 범위에서의 강도 최대치와 빔 축선 방향으로 감소하는 강도를 갖는 공간상 빔 프로파일로 인해, 특히, 링 모드(ring mode)의 사용에 의해, 실제로 가능한 한 일정한 용용물의 특성이 빔 팽창 방향에서의 조사 전방부를 포함하는 재료 두께에 걸쳐 조절되는 방식으로, 조사 전방부에 걸쳐 입력되는 온도가 조정된다. 결과적으로, 온도 성장 및 그에 따른 증기의 성장이 감소된다. 만약 그렇지 않았다면 이러한 온도 성장 및 그에 따른 증기의 성장이 용융물 상에 인가되는 증기 압력 충격에 의해 빔 팽창 방향으로 증가할 것이며, 이로 인해, 바람직하지 못한 용융물 흐름 또는 파동 형성을 야기하거나 더 증가시키는 한편, 방지할 필요가 있는 레이저 빔 축선에 대해 방위각으로 연장되는 용융물 흐름이 야기된다.

바람직한 일 실시예에 있어서, 최대 강도로부터 최소 강도까지의 측면의 (음의) 피치(pitch)가 가공될 재료 두께 또는 재료 깊이( 그리고 가공될 재료 그 자체)에 따라 적절하게 맞추어진다.

본 발명은 또한, 작업편의 레이저 절단을 위한 방법에 관한 것으로, 작업편의 적어도 일부가 레이저 빔에 의해 용융되고 그리고/또는 증발되며, 레이저 빔과 작업편 사이의 상대 이동이 추가됨으로써 절단 전방부(cutting front)가 작업편 상에 형성되며, 레이저 빔이 레이저 빔의 진행 방향으로 서로에 대해 오프셋되어 있는 적어도 두 개의 방사상으로 편광된 부분 빔(part-beams)에 의해 형성된다.

진행 방향으로 서로 오프셋되어 있는 두 개의 방사상으로 편광된 부분 빔에 의해, 연관된 E 벡터가 또한, 입사 평면과 평행한 금속 시트의 하부 영역과 충돌하는 것이 보장되며, 결과적으로 가능한 최상의 범위까지 흡수되는 것이 보장된다. 이에 따라, 방사상 편광의 유효 깊이가 실질적으로 증가함으로써, 결과적으로 더 넓은 일정한 폭의 평행한 절단 채널이 야기된다. 이러한 두 개의 방사상으로 편광된 부분 빔은, 두 개의 별개의 레이저 빔에 의해, 또는 레이저 빔의 진행 방향으로 서로에 대해 오프셋되어 있는 두 개의 강도 최대치를 갖는 빔 형상의 레이저 빔에 의해 형성될 수 있다.

본 발명은 또한, 작업편의 레이저 절단을 위한 방법에 관한 것으로, 작업편의 적어도 일부가 레이저 빔에 의해 용융되고 그리고/또는 증발되며, 레이저 빔과 작업편 사이의 상대 이동이 추가됨으로써 절단 전방부가 작업편 상에 형성되며, 레이저 빔이 레이저 빔의 진행 방향으로 연장되는 복수 개의 빔 스트립(beam strip)에 의해 형성되며, 각각의 빔 스트립은 상이한 선형 편광 방향을 가지며, 선형 편광 방향과 레이저 빔 종방향 중심 평면의 사이에 각각 형성되는 각도는 진행 방향으로 연장되는 레이저 빔 종방향 중심 평면을 기점으로 외부의 빔 스트립을 향하는 방향으로 증가한다. 특히 바람직하게는, 각각의 빔 스트립의 선형 편광 방향이 절단 전방부 전면 윤곽의 법선과 평행하게 연장된다.

선형 편광 빔 스트립의 덕택으로, 레이저 방사선이 전체 절단 전방부에서 P-편광 방식으로 각각의 작업편 평면과 충돌하여, 모든 입사각에 대해 최대 프레넬 흡수도를 초래한다. 스트립 편광(strip polarization)에 있어서, 유효 깊이가 전체 작업편 두께에 걸쳐 연장되므로, 더 이상 에지 만입부가 존재하지 않으며, 레이저 파워의 최적의 전환이 이루어질 수 있다. 수직 절단 에지로 인해, 절단 품질이 개선된다. 또한, 감소된 반사 파워로 인해, 버의 형성 및 표면 거칠기가 감소한다.

레이저 빔은, 바람직하게는 대략 500nm 내지 대략 5㎛ 범위의, 특히 대략 1㎛ 내지 대략 5㎛ 범위의 파장을 가지며, 예를 들어, 로드 레이저(rod laser), 디스크 레이저(disc laser), 파이버 레이저(fibre laser) 또는 다이오드 레이저(diode laser)와 같은 고체 상태 레이저에 의해 생성된다. 복수 개의 부분 빔 또는 빔 스트립의 사용과 관련하여, 바람직한 파장 범위가 또한, CO₂ 레이저에 의해 제공되는 바와 같은 대략 10㎛(10.6㎛)의 방사선의 범위까지 확장된다.

마지막으로, 본 발명은 또한, 두 개의 방사상으로 편광된 부분 빔 및/또는 스트립 편광된 레이저 빔을 이용하여 작업편을 레이저 절단하기 위한 장치에 관한 것이다.

본 발명의 그외 다른 장점이 특허청구의 범위, 구체적인 내용의 상세한 설명 및 도면으로부터 이해될 것이다. 전술한 특징들 및 이하에 언급되는 특징들은 또한, 개별적으로 또는 함께 조합하여 사용될 수 있다. 도시 및 설명되고 있는 실시예들은 본 발명을 제한하고자 하는 의도가 아닌 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 의도로 사용되는 것임을 이해하여야 한다.

도 1a 및 도 1b는 작업편의 재료 두께에 걸쳐 각각 10.6㎛(도 1a) 및 1㎛(도 1b)의 파장을 갖는 레이저를 이용한 통상의 레이저 절단 시의 작업편의 높낮이가 있는 조사 전방부를 도시한 도면이다.
도 2는 편광 의존 흡수 강도(프레넬 흡수도 * cos(입사각(α))와 10.6㎛(원형 편광)의 레이저 파장 및 1㎛(통계적 편광, P-편광 및 S-편광)의 레이저 파장에서의 입사각(α) 사이의 관계를 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 조사 전방부에 대한 방사상 편광(도 3a) 및 조사 전방부에 대한 방위각 편광(도 3b)에 의한 레이저 빔을 도시한 도면이다.
도 4는 조사 전방부에 관한 균일한 온도 분포를 위한 레이저 빔의 빔 프로파일을 도시한 도면이다.
도 5는 방사상으로 편광된 레이저 빔을 이용한 레이저 절단 시의 작업편의 절단 전방부를 도시한 종 방향 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 A-C를 따라 취한 작업편의 절단 전방부를 도시한 세 개의 상이한 작업편 평면도이다.
도 7a 내지 도 7c는 서로 평행하게 연장하는(도 7a), 서로에 대해 경사진(도 7b), 또는 빔 형상의 레이저 빔에 의해 형성되는(도 7c) 두 개의 방사상으로 편광된 부분 빔을 이용한 레이저 절단 시의 작업편의 절단 전면을 도시한 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 7의 A-C를 따라 취한 작업편의 절단 전방부를 도시한 세 개의 상이한 작업편 평면도이다.
도 9는 두 개의 방사상으로 편광된 부분 빔을 생성하기 위한 레이저 절단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 도 7의 A-C를 따라 취한 스트립 편광된 레이저 빔을 이용한 레이저 절단 시의 작업편의 절단 전방부를 도시한 세 개의 상이한 작업편 평면도이다.
도 11은 스트립 편광된 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 절단 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 레이저 빔 축선을 중심으로 회전될 수 있는 스트립 편광자와, 상류에 배치되며 레이저 빔 축선을 중심으로 회전될 수 있는 편광 컨버터를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(1)을 이용한 레이저 절단 시에, 작업 위치에서 작업편(2)의 일부가 용융 및/또는 증발되며, 조사 전방부가 이후 레이저 빔(1)과 작업편(2) 사이의 상대 이동(절단 방향(v))을 통해 작업편(2)의 재료 두께에 걸쳐 형성된다. 이러한 조사 전방부는 도면 부호 3으로 지시되어 있으며, 용융물(4)에 위치한다. 레이저 빔(1)이 대략 70°내지 110°의 범위의, 특히, 거의 직각의 입사각으로 레이저 빔과 마주하는 작업편 표면(2a)으로 입사한다.

도 1a에는 10.6㎛의 파장을 갖는 원형 편광 레이저 빔(1)을 사용한 통상의 레이저 절단 공정이 도시되어 있으며, 도 1b에는 대략 1㎛의 파장을 갖는 통계적 편광 레이저 빔(1)을 사용한 통상의 레이저 절단 공정이 도시되어 있다. 조사 전방부(3)가 마련되는 용융물(4)은, 1㎛에서의 레이저 절단 시에, 10.6㎛에서보다 분명히 더 확연한 높낮이가 있는 표면 구조를 형성한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(1)은, 실질적으로 동일한 입사각(α₁, α₂)(α₁≒α₂)으로, 국소적으로 높낮이가 있는 용융물(4)과 충돌한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(1)이 상이한 입사각(α₁, α₂)(α₁<α₂)으로 국소적으로 높낮이가 있는 용융물(4)과 충돌함으로써, 작은 입사각(α₁)의 경우에, 레이저 빔(1)과 마주하는 용용뮬(4)의 파동 부분에서, 즉, 레이저 빔(1)과 마주하는 파동측(5)에서 상당한 흡수 강도가 조절된다. 대략 레이저 빔(1)의 방향으로 연장되는 용융물(4)의 파동 부분은 더 큰 입사각(α₂)을 초래하며, 이러한 더 큰 입사각은 더 낮은 흡수 강도와 직결되어 있다. 이에 따라, 용융물(4)의 파동이 더 강화되며, 증기 충격에 의해 이와 같이 강하된 파동이 레이저 빔(1)을 중심으로 하방으로 방위각 범위에 걸쳐 더 가압된다. 이러한 영향으로 인해, 레이저 빔(1)의 전방 및 후방에서 용용물(6)의 일시적이면서도 국소적인 불규칙적인 방출이 이루어져, 결과적으로, 특히 재료 두께 증가와 함께 절단 작업편(2)에서의 버의 형성 및 이에 따른 상당한 파상형 부분이 초래된다.

10.6㎛의 파장을 갖는 레이저 방사선의 대략 90° 범위의 입사각에서 나타나는 대조적인 비교적 가파른 흡수 강도 구배 및 이에 대응하는 조사 전방부(3)에서의 용융물(4)의 평평한 파동 구조는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 용융물(6)의 실질적으로 더 규칙적인 방출을 야기한다.

이러한 영향은, 레이저 빔(1)에 대한 도시된 흡수 강도를 참조하여, 즉, 편광 의존 흡수 강도와 상이한 파장에서의 입사각(α) 사이의 연관성을 도시한 도 2를 참조하여, 다시 명확하게 이해될 것이다. 입사각(α)이 큰 경우, 레이저 방사선의 흡수가 상당한 범위까지 이미 이루어져 있으므로, 원형 편광(21)의 10.6㎛의 레이저 방사선은 용융물(4)의 파동을 완화하는 작용을 한다. 통상적으로 사용되는 통계적 편광(22)의 1㎛의 레이저 방사선은, 바람직하게는, 레이저 빔(1)과 마주하는 용융물(4)의 파동측(5)에서 흡수된다. 결과적으로, 1㎛의 레이저 방사선에 의해, 용융물(4)의 파동이 강화되며, 이러한 파동은 증기 충격에 의해 레이저 빔(1)을 중심으로 하방으로 방위각 범위에 걸쳐 더 가압된다. 이와 같이 1㎛의 파장을 갖는 레이저 방사선에 의한 파동 형성 증가를 방지하며 10.6㎛의 레이저 방사선의 경우에서와 견줄 만한 완화 효과를 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 1㎛의 레이저를 이용한 레이저 절단을 위한 90°의 입사각 범위에서의 흡수 강도 구배가 10㎛에서의 알려진 특성과 가능한 유사해지도록 또는 바람직하게는 최대화되도록 조절된다.

도 2에 따르면, 이러한 조절은, 본 발명에 따라, 절단 방향(v)의 1㎛의 레이저 방사선에 의해, 순수 P-편광(방사상 편광)(23) 또는 P-편광(23)과 S-편광(방위각 편광)(24)의 정해진 혼합 편광이 필요한 결합 특성을 조절하도록 사용됨으로써 달성된다. 레이저 빔(1)에는 적당한 편광 장치, 예를 들어, 가공 헤드의 세그먼트형 편광 평면 광 시스템에 의해 소정의 편광 특성이 제공된다.

도 3a에는 조사 전방부(3)에 대한 방사상 편광 특성의, 즉, P-편광(23) 특성의 레이저 빔(1)이 도시되어 있으며, 도 3b에는 조사 전방부(3)에 대한 방위각 편광 특성의, 즉, S-편광(24) 특성의 레이저 빔(1)이 도시되어 있다.

조사 전방부(3)를 구비한 작업편(2)의 재료 두께의 국소 영역 뿐만 아니라 전체 영역에 걸쳐 조사 전방부(3)의 높낮이가 있는 표면 구조를 감소시키기 위하여, 필요한 결합 특성의 편광 조절의 대안으로서 또는 이에 추가하여, 도 4에 도시된 공간상 빔 프로파일(40)을 갖는 레이저 빔(1)이 사용되며, 공간상 빔 프로파일은 입사 레이저 빔(1)과 마주하는 작업편 표면(2a)의 충돌 위치(조사 전방부 에지)(3a)에서 최대 강도(41)를 가지며, 조사 전방부(3)를 따라 강도가 감소한다. 빔 반경(r)이 적어도 조사 정반부(3)를 덮는 위치(조사 전방부 에지)(3b)에 작업편 하측(2b)이 도달할 때까지, 강도가 적어도 최소치(42)로 떨어진다. 강도 최대치로부터 최소치까지 측면의 (음의) 경사도는, 바람직하게는, 가공될 재료 두께 또는 재료 깊이에 따라 (그리고 가공될 재료 자체에 따라) 적절하게 맞추어진다. 소정의 강도 분포가 임의로 빔 생성 시에 이미 조절될 수 있으며, 미러 기반 빔 가이드 또는 광 섬유 유닛에 의해 가공 위치로 전달된다. 대안으로서, 중공 코어 섬유 또는 다중 피복(multiclad) 섬유 형태의 이송 섬유, 또는 회절, 반사 또는 굴절 광 시스템에 의해 가우시안(Gaussian) 형태의 또는 플랫 탑(flat-top) 형태의 강도 분포와 같은 전형적인 강도 분포가 발생될 수 있다.

전술한 측정 방법의 대안으로서 또는 이러한 측정 방법에 추가하여, 소정의 흡수 특성, 특히, 90°에 근접하는 입사각(α)에서의 흡수 강도 구배가 또한, 절단 가스 혼합물 또는 절단 가스의 광학 특성을 통해 적절하게 맞추어질 수 있다.

도 5에는 작업편(51)과 수직 방식으로 충돌하며 작업편(51)에 걸쳐 진행 방향(v)으로 이동되는 방사상으로 편광된 레이저 빔(52)을 이용한 레이저 절단 시의 작업편(51)의 경사진 절단 전방부(50)가 도시되어 있다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 원형 레이저 빔(52)으로 인해, 절단 전방부(50)는 레이저 빔 축선(S)과 수직 방향의 각각의 절단 평면에서 실질적으로 동일한 반원형 절단 전방부 윤곽을 가지며, 개개의 절단 전방부 윤곽은 절단 전방부 오버런(overrun)으로 인해 진행 방향(v)으로 상호 오프셋된다. 반원형 절단 전방부 윤곽이 그리는 원의 중심점(M)은 작업편 상측(53)(작업편 평면(A))에서 레이저 빔 축선(S)과 일치하며, 레이저 빔(52)이 작업편(51)(작업편 평면(B, C))으로 더 깊이 도입되고, 절단 전방부 오버런으로 인해 레이저 빔 축선(S)의 반원형 절단 전방부 윤곽이 그리는 원의 중심 지점(M)이 추가로 이동된다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 방사상 편광의 E 벡터(54)는 빔 축선(S)과 반원형 절단 전방부 윤곽의 개개의 법선 벡터(n)에 의해 형성되는 입사 평면과 평행한 작업편 상측(53)에서 꾸준히 진동한다. 결과적으로, 작업편 상측(53)에서의 방사상 편광은 전적으로, 모든 입사각에 대해 최대 프레넬 흡수도를 초래하는 P-편광으로서 작용한다. 반원형 절단 전방부 윤곽이 그리는 원의 중심점(M)이 빔 축선(S)으로부터 점점 더 이격 될수록(도 6b 및 도 6c), 평균적으로 방사상 편광의 점점 더 많은 부분이 S-편광으로서 작용하게 된다. 이러한 S-편광은, 레이저 절단 시에 발생하는 입사각에서, P-편광에서보다 상당히 더 안 좋은 흡수 특성을 나타낸다. 방사상 편광이 작업편 상측(53)에서만 P-편광 방식으로 작용하므로, 상기 위치에서의 흡수도 증가로 인해 레이저 절단 시에 바람직하지 못한 원추형 에지 만입부를 갖는 절단 채널(55)이 생성된다. 또한, 전체 잠재 파워의 전환이 이루어질 수 없다.

도 7a 내지 도 7c에는 두 개의 방사상으로 편광된 부분 빔(72a, 72b)(예를 들어, 1㎛의 레이저 방사선)으로 형성되며 작업편(51)에 걸쳐 진행 방향(v)으로 이동되는 레이저 빔(72)을 이용한 레이저 절단 시의 작업편(71)의 경사진 절단 전방부(70)가 도시되어 있다. 두 개의 부분 빔(72a, 72b)이 진행 방향(v)으로 서로에 대해 오프셋되며, 진행 방향(v)으로 전단 부분 빔(72a)은 수직으로 작업편 상측(73)과 충돌하며, 바람직하게는 후단 부분 빔(72b)보다 높은 파워 밀도를 갖는다. 도 7a에서, 후단 부분 빔(72b)은 전단 부분 빔(72a)과 평행하게 연장되며, 결과적으로 수직으로 작업편 상측(73)과 충돌한다. 도 7b에서, 후단 부분 빔(72b)은 전단 부분 빔(72a)에 대해 경사지게 연장되며, 바람직하게는 경사진 절단 전방부(70)와 적어도 거의 평행하게 연장된다. 도 7c에서, 양 부분 빔(72a, 72b)은 진행 방향(v)으로 서로에 대해 오프셋되어 있는 두 개의 강도 최대치를 갖는 단일 레이저 빔(72)에 의해 형성된다.

도 8a에 도시된 바와 같이, 작업편 상측(73)(작업편 평면(A))에서, 전단 부분 빔(72a)의 방사상 편광의 E 벡터(74a)는 전단 부분 빔(72a)의 빔 축선(Sa)과 반원형 절단 전방부 윤곽의 개개의 법선 벡터(n)에 의해 형성되는 입사 평면과 평행하게 꾸준히 진동하며, 결과적으로 가능한 최상의 범위까지 흡수된다.

도 8b에 도시된 바와 같이, 작업편 중심 영역(작업편 평면(B))에서, 후단 부분 빔(72b)의 방사상 편광의 E 벡터(74b)는 후단 부분 빔(72b)의 빔 축선(Sb)과 반원형 절단 전방부 윤곽의 개개의 법선 벡터(n)에 의해 형성되는 입사 평면과 평행하게 꾸준히 진동하며, 결과적으로 가능한 최상의 범위까지 흡수된다.

후단 부분 빔(72b)은 또한, 도 6c와 비교하여, 작업편 하측(작업편 평면(C))에서 의 흡수도 개선으로 이어진다.

따라서, 진행 방향(v)으로 서로에 대해 오프셋되어 있는 두 개의 방사상으로 편광된 부분 빔(72a, 72b)에 의해, 연관된 E 벡터(74a, 74b)가 또한, 금속 시트의 중앙 및 하부 영역의 입사 평면과 평행하게 충돌하는 것이 보장되며, 결과적으로 가능한 최상의 범위까지 흡수되는 것이 보장된다. 이에 따라, 방사상 편광의 유효 깊이가 실질적으로 증가될 수 있어, 더 일정한 에너지 입력이 초래되며, 결과적으로 절단 에지 경사도가 감소된 평행한 절단 채널(75)을 초래한다. 동시에, 적어도 금속 시트의 중앙 및 하부 영역의 폭이 더 넓은 절단 채널로 인한 개선된 가스 결합 및 증가된 흡수도는 전진 속도 증가로 이어진다.

도 7b에서, 경사진 후단 부분 빔(72b)의 방사상 편광은 실질적으로 전체 절단 전방부(70)에 걸쳐 P-편광으로서 작용한다. 후단 부분 빔(72b)이 브로우스터(Brewster) 각도로 경사진 절단 전방부(70)와 유리하게 충돌함에 따라, 하부 작업편 영역에서 최대 흡수도가 달성되며, 절단 채널(75)이 팽창된다.

도 7a 및 도 7b에 도시된 두 개의 방사상으로 편광된 부분 빔(72a, 72b)이, 예를 들어, 부분적으로 레이저 빔 내로 돌출되는 웨지 플레이트(wedge plate)와 같은, 예를 들어, 빔 스플리터(beam splitter)에 의해 단일의 방사상으로 편광된 레이저 빔으로부터 생성될 수도 있다.

두 개의 강도 최대치를 갖는 도 7c에 도시된 빔 프로파일은 광학 촬영 시스템(예를 들어, 회절 광학 시스템)에 의해 이미 방사상으로 편광되어 있는 레이저 빔으로부터 생성 또는 형상화될 수도 있다. 대안으로서, 빔 형상화 광학 요소가 방사상 편광 자체를 생성할 수도 있다.

도 9에는 레이저 빔, 특히, 이미 방사상으로 편광된 레이저 빔(72)을 생성하기 위한 레이저 발생기(91)를 구비하며, 또한 레이저 빔(72)으로부터 두 개의 방사상으로 편광된 부분 빔(72a, 72b)을 생성하기 위한 장치(92)를 구비하는 연관된 레이저 절단 장치(90)가 개략적으로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 장치(91)는, 예를 들어, 광학 빔 형상화 시스템 또는 빔 스플리터일 수도 있다.

도 10a 내지 도 10c에는 도 7의 A-C를 따라 취한 스트립 편광된 원형 레이저 빔(102)(예를 들어, 1㎛의 레이저 방사선)을 이용한 레이저 절단 시의 작업편(101)의 반원형 절단 전방부(100)가 세 개의 상이한 작업편 평면도로 도시되어 있다. 도시된 원형 레이저 빔(102) 대신, 그외 다른 형상의 빔 단면을 상상할 수 있으며, 빔 스트립이 이에 대응하여 맞추어진 스트립 편광자를 사용하여 형성된다. 레이저 빔(102)은 레이저 빔의 진행 방향(v)으로 연장되며, 각기 상이한 선형 편광 방향(편광 벡터)(104₁-104₇)을 갖는 복수 개의(본 예에서, 단지 7개의) 빔 스트립(103₁-103₇)에 의해 형성된다. 진행 방향(v)으로 연장되는 레이저 빔 종방향 중심 평면(스트립 중심 평면)(105)에서 시작하여, 선형 편광 방향(104₁-104₇)과 레이저 빔 종방향 중심 평면(105)의 사이에 형성되는 각도(β)가 중앙 빔 스트립(103₄)으로부터 두 개의 외부 빔 스트립(103₁, 103₇)으로 갈수록 증가한다. 빔 스트립(103₁-103₇)의 선형 편광 방향(104₁-104₇)이 개개의 연관 빔 스트립의 절단 전방부의 전면 윤곽의 법선과 평행하게 연장되는 방식으로 선택된다. 도시된 원형 레이저 빔(102)의 경우에, 개개의 빔 스트립(103₁-103₇)의 편광 방향(104₁-104₇)이 절단 전방부의 전면 윤곽에서 빔 중심 지점 축선(S)을 향하는 방식으로 선택된다. 개개의 빔 스트립(103₁-103₇)에 있어서, 따라서, 편광 방향이 입사 레이저 빔(102)의 E 벡터(104₁-104₇)가 개개의 입사 평면과 사실상 평행한 전체 작업편 두께에 걸쳐 진동하며 결과적으로 가능한 최상의 범위까지 흡수되는 방식으로 선택된다. 즉, 절단 전방부(100)를 따라 국소적으로 유사 방사상 편광이 생성된다.

도 10a 내지 도 10c에 도시된 바와 같이, 선형 편광 빔 스트립(103₁-103₇)으로 인해, 레이저 방사선(102)이 전체 절단 전방부(100)에서 각각의 작업편 평면에 P-편광 방식으로 충돌하여, 모든 입사각에 대한 최대 프레넬 흡수도 및 흡수 강도를 초래한다. 스트립 편광에 의해 유효 깊이가 작업편의 전체 두께에 걸쳐 연장되므로, 더 이상 에지 만입부가 존재하지 않으며, 레이저 파워가 최적으로 전환될 수 있다. 수직 방향 절단 에지로 인해 절단 품질이 개선된다. 또한, 반사 파워가 감소함으로 인해 버의 형성 및 표면 거칠기가 감소한다.

빔 스트립((103₁-103₇)의 개수 및 그 폭은 자유롭게 변경될 수도 있으며, 적어도 두 개의 빔 스트립이 필요하다. 또한, 스트립은 평행한 형태로 구성될 필요는 없으며, 예를 들어, 또한 쐐기형일 수도 있다.

도 11에는 레이저 빔(112)을 생성하기 위한 레이저 발생기(111)를 구비하며, 또한 레이저 빔(112)으로부터 선형 편광 빔 스트립((103₁-103₇)을 갖는 레이저 빔(102)을 생성하기 위한 스트립 편광자(113)를 구비하는 연관된 레이저 절단 장치(110)가 개략적으로 도시되어 있다. 전술한 형태의 스트립 편광자(113)는 방향에 좌우되며, 다시 말해, E 벡터(104₁-104₇)가 입사 평면과 평행하게 진동하도록 스트립 편광자가 진행 방향(v)에 대해 배향되어야 한다. 스트립 편광자(113)와 충돌하는 선형 편광 레이저 빔(112)의 경우, 또한, 방향 의존 방식으로 회전되어야 한다.

도 12에 도시된 바와 같이, 입사 레이저 빔(112)의 선형 편광 방향을 회전시키기 위하여, 예를 들어, 회전 가능한 λ/2 플레이트 형태의 레이저 빔 축선을 중심으로 회전될 수 있는 편광 컨버터(114)가 레이저 빔 축선을 중심으로 회전될 수 있는 스트립 편광자(113)의 상류에 배치된다. 양 광 성분(113, 114)의 회전 각도가 동일하게 제공되어야 할 필요는 없다. 이를 위해, 이들 광 성분은 서로 독립적으로 회전될 수도 있으며, 또는 결합에 의해 정해진 전송 방법에 의해 서로 연결될 수도 있다.

회전 가능한 편광 컨버터(114)의 원리가 스트립 편광자(113)(또한 회전 가능함)와 함께 사용하도록만 제한되는 것은 아니지만, 일반적으로 방향 의존성 광학 편광 시스템으로 전달될 수 있다.

입사 레이저 빔(112)의 선형 편광이 공명기 내부에서, 즉, 레이저 발생기(111)에서 그리고 광 전환 시스템(도시하지 않음)을 통해 발생될 수 있으며, 자유 빔 전파에 의해 또는 편광 유지 섬유에 의해 스트립 편광자(113) 또는 편광 컨버터(114)로 공급될 수 있다.

전술한 광 성분은 투과 방식 및 반사 방식으로 구성될 수도 있다. 또한, 스트립 편광자(113)가 초점 조절 시스템의 상류, 본 예에서는 초점 조절 렌즈(115)의 상류에 바로 배치되어야 할 필요는 없지만, 빔 가이드의 다른 위치에 또는 레이저 발생기(111)에 제공될 수도 있다.

1 : 레이저 빔 2 : 작업편
2a, 2b : 작업편측 3 : 조사 전방부
3a, 3b : 조사 전방부 에지 40 : 공간상 빔 프로파일
41 : 최대 강도 42 : 최소 강도

Claims (25)

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7. 작업편(71)의 레이저 절단 방법으로서, 상기 작업편(71)의 적어도 일부는 레이저 빔(102)에 의해 용융되거나 증발되며, 상기 레이저 빔(102)과 작업편(71) 사이의 상대 이동이 추가됨으로써 절단 전방부(70)가 상기 작업편(71)에 형성되는, 작업편의 레이저 절단 방법에 있어서,
   레이저 빔(102)이, 레이저 빔의 진행 방향(v)으로 연장되고 그리고 각각 상이한 선형 편광 방향(104₁-104₇)을 갖는, 복수 개의 빔 스트립(103₁-103₇)에 의해 형성되며,
   상기 선형 편광 방향(104₁-104₇)과 레이저 빔 종방향 중심 평면(105) 사이에 각각 형성되는 각도(β)는 진행 방향(v)으로 연장되는 레이저 빔 종방향 중심 평면(105)을 기점으로 외부의 빔 스트립을 향하는 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 작업편의 레이저 절단 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 빔 스트립(103₁-103₇)의 선형 편광 방향(104₁-104₇)은 상기 빔 스트립(103₁-103₇)의 절단 전방부 전면 윤곽의 법선과 각각 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는, 작업편의 레이저 절단 방법.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 빔 스트립(103₁-103₇)의 선형 편광 방향(104₁-104₇)은 각각의 진행 방향(v)에 따라 회전되는 것을 특징으로 하는, 작업편의 레이저 절단 방법.
10. 삭제
11. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 레이저 빔(102)은 500nm 내지 5㎛ 범위의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는, 작업편의 레이저 절단 방법.
12. 삭제
13. 작업편(101)의 레이저 절단 장치(110)이며,
    레이저 빔(112)을 생성하기 위한 레이저 발생기(111)를 가지며,
    상기 레이저 빔(112)으로부터 스트립 편광된 레이저 빔(102)을 생성하기 위한 스트립 편광자(113)를 갖고,
    상기 스트립 편광된 레이저 빔(102)이, 레이저 빔의 진행 방향(v)으로 연장되고 각각 상이한 선형 편광 방향(104₁-104₇)을 갖는 복수 개의 빔 스트립(103₁-103₇)에 의해 형성되며,
    상기 선형 편광 방향(104₁-104₇)과 레이저 빔 종방향 중심 평면(105) 사이에 각각 형성되는 각도(β)는 진행 방향(v)으로 연장되는 레이저 빔 종방향 중심 평면(105)을 기점으로 외부의 빔 스트립을 향하는 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 작업편의 레이저 절단 장치.
14. 제13항에 있어서, 스트립 편광자(113)는 레이저 빔 축선을 중심으로 회전될 수 있도록 지지되며,
    상기 레이저 빔 축선을 중심으로 회전 가능하게 지지되어 상기 스트립 편광자(113)에 충돌하는 레이저 빔(112)의 선형 편광 방향을 회전시키는 편광 컨버터(114)가 상기 스트립 편광자(113)의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는, 작업편의 레이저 절단 장치.
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