KR101733334B1 - 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법 및 파이버 레이저 가공기 - Google Patents

파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법 및 파이버 레이저 가공기 Download PDF

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Abstract

각각이 레이저광을 생성하는 복수의 파이버 레이저 모듈을 갖는 파이버 레이저 발진기와, 파이버 레이저 발진기로부터 생성되는 레이저광을 출사하는 레이저 가공 헤드와, 워크와 레이저 가공 헤드 사이에 설치되고 레이저 가공 헤드로부터의 레이저광에 따르는 스폿 직경에 의해 워크에 대하여 조사하는, 소정의 촛점 거리의 집광 렌즈를 구비한 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법으로서, 워크에 대응하는 스폿 직경이 되도록 복수의 파이버 레이저 모듈의 발진 갯수를 조정함으로써레이저 가공 헤드로부터의 빔 품질을 조정한다.

Description

파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법 및 파이버 레이저 가공기{METHOD FOR CONTROLLING OUTPUT OF FIBER LASER PROCESSING MACHINE, AND FIBER LASER PROCESSING MACHINE}
본 발명은 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법 및 파이버 레이저 가공기에 관한 것이다.
파이버 레이저 가공기는, 레이저광을 생성하는 복수의 파이버 레이저 모듈을 갖는 파이버 레이저 발진기로부터 생성되는 레이저광을 레이저 가공 헤드에 의해 조사함으로써 워크의 절단 등을 행하는 장치이다[예컨대, 일본 특허 공개 제2012-27241호 공보(특허문헌 1)].
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2012-27241호 공보
종래의 파이버 레이저 가공기에서는, 파이버 레이저 발진기의 각 파이버 레이저 모듈의 열화 상태의 차이를 없애기 위해서, 요구 출력에 대하여, 각 파이버 레이저 모듈로부터 발진되는 레이저광의 강도가 거의 일정해지도록, 즉, 각 파이버 레이저 모듈로부터 발진되는 레이저광의 출력이 거의 일정해지도록 제어하였다.
예컨대, 500 W의 파이버 레이저 모듈을 4대 탑재한 2000 W의 파이버 레이저 발진기이면, 1600 W의 요구 출력에 대하여, 각 파이버 레이저 모듈의 출력이 400 W 가 되도록 발진시킴으로써 1600 W의 출력을 얻었다.
그런데, 레이저 가공기로 강판을 절단하는 경우, 레이저 빔의 조사로 용융된 금속을 어시스트 가스(일반적으로는, 산소 가스를 사용)의 분류(噴流)로 불어 날릴 필요가 있다. 어시스트 가스로 용융물을 불어 날리기 위해서는, 판 두께에 따라서 필요한 절단 홈 폭(커프 폭)이 정해져 있고, 도 10에 나타내는 바와 같이, 판 두께가 두꺼워질수록 절단 홈 폭을 넓게 해야 할 필요가 있다. 필요한 절단 홈 폭보다도 좁은 상태로 어시스트 가스를 분사하면, 재료 표면측(레이저 빔 조사측)에서 용융물이 날아 올라버리고, 용융물이 이면에 흐를 수 없어 양호한 절단을 행할 수 없다. 특히 후판(예컨대, 판 두께가 9 mm 정도 이상)을 절단하는 경우에는, 절단 홈 폭을 넓혀, 어시스트 가스 압력을 저압(어시스트 가스압 0.05∼0.1 MPa 정도)으로 설정하는 것이 필요하다.
여기서, 절단 홈 폭을 결정하는 스폿 직경 ω은, 하기 (1)식으로 나타낸다.
ω=1.27·(λ·f/D)·M2 (1)
다만, λ은 레이저의 파장, f는 집광 렌즈의 촛점 거리, D는 집광 렌즈로의 입사 빔 직경, M2는 엠 스퀘어값(이하, M2값)이라 불리는, 빔 품질을 나타내는 값이다.
(1)식으로부터 분명한 바와 같이, M2값은, 스폿 직경 ω을 결정하는 지표로 되어 있다. 종래의 파이버 레이저 가공기에 있어서는, 항상, 4대의 파이버 레이저 모듈을 발진시키고 있기 때문에, 발진되는 레이저광의 M2값은 항상 동일했다. 즉, M2값은 항상 동일한 값을 나타내기 때문에, 절단 홈 폭을 결정하는 스폿 직경 ω을 바꾸기 위해서는 집광 렌즈의 촛점 거리 f를 바꾸기 위해 집광 렌즈를 교환할 필요가 있었다.
따라서, 종래의 파이버 레이저 가공기에 있어서는, 판 두께, 재료 등에 따라서 절단 홈 폭을 바꾸기 위해서, 집광 렌즈의 교환이 필요하여, 작업성의 저하의 원인이 되었다.
구체적으로는, 예컨대 판 두께 12 mm의 워크를 절단하는 경우에는 f=200 mm의 집광 렌즈를 사용하고, 판 두께 3.2 mm의 워크를 절단하는 경우에는 f=125 mm의 집광 렌즈를 사용하였다.
본 발명은, 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 작업성을 향상시킬 수 있는 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법 및 파이버 레이저 가공기를 제공하는 것에 있다.
그 밖의 과제와 신규 특징은, 본 명세서의 설명 및 첨부 도면으로부터 분명해질 것이다.
본 발명자는, 파이버 레이저 가공기의 사용 양태, 파이버 레이저 모듈의 열화 상태를 정밀하게 조사한 바, 20000시간(연간 2000시간의 가동으로 약 10년의 사용에 상당)에서의 파이버 레이저 모듈의 열화 상태는, 종래 생각되고 있던 만큼 크지 않고, 가공하는 워크에 거의 영향을 주지 않는 것을 발견하여 본 발명에 이른 것이다.
본 발명은, 이하의 양태를 제공하는 것이다.
본 발명의 일정 국면에 따르는 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법은, 각각이 레이저광을 생성하는 복수의 파이버 레이저 모듈을 갖는 파이버 레이저 발진기와, 파이버 레이저 발진기로부터 생성되는 레이저광을 출사하는 레이저 가공 헤드와, 워크와 레이저 가공 헤드 사이에 설치되고 레이저 가공 헤드로부터의 레이저광에 따르는 스폿 직경에 의해 워크에 대하여 조사하는, 소정의 촛점 거리의 집광 렌즈를 구비하는 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법이다. 워크에 대응하는 스폿 직경이 되도록 복수의 파이버 레이저 모듈의 발진 갯수를 조정함으로써 레이저 가공 헤드로부터의 빔 품질을 조정한다.
이상에 기재된 양태에 따르면, 파이버 레이저 모듈의 수를 제어함으로써 발진되는 레이저광의 M2값을 바꿀 수 있고, 이에 따라 스폿 직경 ω을 조정할 수 있기 때문에, 종래 필요했던 집광 렌즈의 교환 횟수를 줄이거나, 또는 교환을 배제할 수 있어 작업성을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 소정의 판 두께를 갖는 워크를 절단할 때에 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수에 대하여, 소정의 판 두께보다 얇은 판 두께를 갖는 워크를 절단할 때에 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 적게 한다.
이상에 기재된 양태에 따르면, 판 두께가 얇은 경우에는 최대 절단 속도가 얻어지는 절단 홈 폭이 좁아지기 때문에, 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 줄임으로써 스폿 직경을 작게 할 수 있어 고정밀도의 가공을 행할 수 있다.
바람직하게는, 소정의 속도로 절단할 때에 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수에 대하여, 소정의 속도보다도 빠른 속도로 절단할 때에 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 적게 한다.
이상에 기재된 양태에 따르면, 절단 속도를 빠르게 하고 싶은 경우에는 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 줄임으로써 동일 출력이라도 스폿 직경을 작게 함으로써 파워 밀도를 높일 수 있고, 절단 속도의 고속화를 실현할 수 있음과 함께 고정밀도의 가공을 행할 수 있다.
바람직하게는, 합계의 레이저 지령 출력이 소정의 출력 이하일 때에는, 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 제한한다.
이상에 기재된 양태에 따르면, 합계의 레이저 지령 출력이 소정의 출력 이하일 때에는 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 제한함으로써, 각 파이버 레이저 모듈의 출력이 작은 것으로 인해 출력이 불안정해지는 것을 회피할 수 있어 안정된 가공을 실현할 수 있다.
바람직하게는, 복수의 파이버 레이저 모듈의 출력을 각각 상이하게 한다.
이상에 기재된 양태에 따르면, 파이버 레이저 모듈의 출력 설정의 자유도가 향상된다.
본 발명의 일정 국면에 따르는 파이버 레이저 가공기는, 각각이 레이저광을 생성하는 복수의 파이버 레이저 모듈을 갖는 파이버 레이저 발진기와, 파이버 레이저 발진기로부터 생성되는 레이저광을 출사하는 레이저 가공 헤드와, 워크와 레이저 가공 헤드 사이에 설치되고 레이저 가공 헤드로부터의 레이저광에 따르는 스폿 직경에 의해 워크에 대하여 조사하는, 소정의 촛점 거리의 집광 렌즈와, 복수의 파이버 레이저 모듈의 발진 갯수에 따라서 레이저 가공 헤드로부터의 빔 품질을 조정하는 것이 가능한 제어 장치를 구비한다. 제어 장치는, 워크에 대응하는 스폿 직경이 되도록 복수의 파이버 레이저 모듈의 발진 갯수를 조정한다.
이상에 기재된 양태에 따르면, 파이버 레이저 모듈의 수를 제어함으로써 발진되는 레이저광의 M2값을 바꿀 수 있고, 이것에 따라 스폿 직경 ω을 조정할 수 있기 때문에, 종래 필요했던 집광 렌즈의 교환 횟수를 줄이거나, 또는 교환을 배제할 수 있어 작업성을 향상시킬 수 있다.
바람직하게, 제어 장치는, 소정의 판 두께를 갖는 워크를 절단할 때에 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수에 대하여, 소정의 판 두께보다 얇은 판 두께를 갖는 워크를 절단할 때에 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 적게 한다.
이상에 기재된 양태에 따르면, 판 두께가 얇은 경우에는 최대 절단 속도가 얻어지는 절단 홈 폭이 좁아지기 때문에, 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 줄임으로써 스폿 직경을 작게 할 수 있어 고정밀도의 가공을 행할 수 있다.
바람직하게, 제어 장치는, 소정의 속도로 절단할 때에 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수에 대하여, 소정의 속도보다도 빠른 속도로 절단할 때에 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 적게 한다.
이상에 기재된 양태에 따르면, 절단 속도를 빠르게 하고 싶은 경우에는 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 줄임으로써 동일 출력이라도 스폿 직경을 작게 하여 파워 밀도를 높일 수 있으므로, 절단 속도의 고속화를 실현할 수 있음과 함께 고정밀도의 가공을 행할 수 있다.
바람직하게, 제어 장치는, 합계의 레이저 지령 출력이 소정의 출력 이하일 때에는, 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 제한한다.
이상에 기재된 양태에 따르면, 합계의 레이저 지령 출력이 소정의 출력 이하일 때에는, 발진하는 파이버 레이저 모듈의 수를 제한함으로써 각 파이버 레이저 모듈의 출력이 작은 것으로 인해 출력이 불안정해지는 것을 회피할 수 있어, 안정된 가공을 실현할 수 있다.
바람직하게, 제어 장치는 복수의 파이버 레이저 모듈의 출력을 각각 상이하게 하도록 제어한다.
이상에 기재된 양태에 따르면, 파이버 레이저 모듈의 출력 설정의 자유도가 향상된다.
파이버 레이저 가공기의 작업성을 향상시키는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 가공기의 개략 평면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 레이저 가공기의 개략 측면도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 레이저 가공기의 우측면측의 사시도이다.
도 4는 레이저 발진기의 도어를 개방하여 컴바이너 테이블(combiner table) 및 융착 테이블을 인출한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5는 외부 광학계를 모식적으로 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 실시형태에 기초한 파이버 레이저 가공기(10)의 기능 블록을 설명하는 도면이다.
도 7은 파이버 레이저 모듈의 갯수와 레이저광의 M2값의 관계를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제어 장치(22)에서의 파이버 레이저 발진기(21)의 제어 처리에 관해서 설명하는 순서도이다.
도 9는 동일한 출력으로 레이저 모듈을 단독으로 발진한 경우와, 복수로 발진한 경우의 집광 렌즈로의 입사 빔의 출력 분포를 나타내는 그래프이다.
도 10은 절단 가능한 절단 홈 폭(커프 폭)과 판 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관해서 도면에 기초하여 설명한다.
이하, 본 발명에 따른 파이버 레이저 가공기의 일 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 파이버 레이저 가공기(10)(이하, 레이저 가공기라고 함)는, 가공기 본체(20)와, 가공기 본체(20)에 접속되는 파이버 레이저 발진기(21)(이하, 레이저 발진기라고 함) 및 제어 장치(22)와, 가공기 본체(20)에 접속하여 배치되는 펠릿 교환장치(23)와, 공기 중의 질소 가스를 분리하기 위해서 사용되는 부스터 압축기(24)나 공기 압축기(25), 또는, 산소 가스 봄베(26) 등을 구비하는 어시스트 가스 공급부(27)와, 레이저 발진기(21) 및 레이저 가공 헤드(40)(이하, 가공 헤드라고 함)를 냉각시키는 냉각수를 공급하는 칠러 유닛(28), 및 가공 시에 발생되는 먼지 등을 배제하는 집진기(29) 등을 주로 구비한다.
또, 본 실시형태에 있어서, 앞쪽이란 가공기 본체(20)와 펠릿 교환장치(23)의 배열 방향(도 1∼3의 X 방향)에 있어서 가공기 본체(20)에 치우친 방향을 나타내고, 뒤쪽이란 해당 배열 방향에 있어서, 펠릿 교환장치(23)에 치우친 방향을 나타낸다. 또한, 왼쪽 및 오른쪽은, 해당 배열 방향에 직교하는 방향(도 1, 도 3의 Y 방향)에 있어서, 뒤쪽으로부터 앞쪽으로 보았을 때의 방향에서 표시된다.
가공기 본체(20)의 일부를 이루고 가공기 본체(20)의 외형을 형성하는 캐빈(30) 내에는, 펠릿(31)을 소정의 방향인 캐빈(30)의 길이 방향(X 방향)으로 구동하는 펠릿 구동 기구(32)와, 펠릿(31)에 탑재된 워크(W)를 가공하기 위한 레이저광을 조사하는 가공 헤드(40)와, 가공 헤드(40)를 구동하는 가공 헤드 구동 기구(49)가 수용되어 있다. 또, 도 1의 실선 및 도 2의 점선으로 나타내는 가공 헤드(40)는, X 방향에서 가장 앞쪽에 위치한 상태[펠릿(31)의 가공 시 설치 위치]를 나타내고, 도 1 및 도 2의 일점 쇄선으로 나타내는 가공 헤드(40)는, X 방향에서 가장 뒤쪽에 위치한 상태를 나타내고 있다.
가공 헤드(40)는, 가공기 본체(20)에 설치되고, 가공 헤드 구동 기구(49)에 의해서, X방향, 캐빈(30)의 폭 방향(Y 방향) 및 캐빈(30)의 상하 방향(Z 방향)으로 이동 가능하다. 도 5를 또한 참조하면, 가공 헤드(40) 내에는, 프로세스 파이버 케이블(3)의 출사단으로부터 출사된 레이저광을 평행광선화하기 위한 콜리메이터 렌즈(51)와, 평행광선화된 레이저광을 집광하기 위한 집광 렌즈(52)가 배치되어 있다.
또한, 가공 헤드(40)의 주위에는, 칠러 유닛(28)으로부터 공급되는 냉각관 및 어시스트 가스 공급부(27)로부터 질소가스, 혹은 산소가스인 어시스트 가스를 공급하는 가스 공급관이나, 가공 헤드(40)의 레이저 노즐 근방을 향하여 질소가스, 혹은 산소가스인 어시스트 가스를 분무하는 사이드 노즐에 접속되는 가스 공급관이 설치되어 있다.
가공 헤드(40)에 있어서, 레이저 발진기(21)를 작동시키면, 레이저광이 프로세스 파이버 케이블(3)을 통해 콜리메이터 렌즈(51)로 평행광선화되고, 다시 평행광선화된 레이저광이 집광 렌즈(52)에 입사하여 집광되며, 레이저 노즐로부터 워크(W)의 가공부에 조사되어 워크(W)를 가공한다. 가공 시에 있어서, 어시스트 가스 공급부(27)로부터 공급되는 어시스트 가스는, 레이저 노즐이나 사이드 노즐로부터 워크(W)의 가공부를 향하여 분출되어, 가공 시에 생기는 용융 금속을 불어 날린다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 캐빈(30)에는, 정면(30F)에 개폐 도어인 걸윙(38)이 설치되고, 정면(30F)에 대하여 반대측이 되는 배면(30B)에는, 가로로 긴 슬릿 형상으로 형성된 반입출구(도시하지 않음)가, 펠릿 교환장치(23)에 대응하여 설치되어 있다. 펠릿 교환장치(23)는 반입출구가 설치된 캐빈(30)의 배면(30B)에 대향하여 배치되어 2대의 펠릿(31)을 상하로 2단 배치할 수 있다. 큰 로트 제품의 가공 시에는, 워크(W)를 적재하는 펠릿(31)을, 펠릿 교환장치(23)로 반입출구를 통해 반입출하고, 작은 로트 제품의 가공 시에는, 걸윙(38)으로부터 워크(W)를 반입출하여, 로트의 크기에 대응한 반입출 작업을 행할 수 있다. 또, 부호 75는 사용자가 가공 조건 등을 입력하는 조작반이며, 부호 76은 걸윙(38)의 개폐를 제어하는 풋 스위치, 부호 70은 주로 펠릿 교환장치(23)의 조작을 행하는 조작반이다.
캐빈(30)의 우측면(30R)에는, 레이저 발진기(21)를 수납하는 오목형상의 발진기 수납부(30a)가 대략 중앙부에 배치되어 있다. 이 발진기 수납부(30a)에 배치되는 레이저 발진기(21)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상자형상의 케이스(80) 내에, 레이저광을 생성하는 복수(본 실시형태에서는, 4개)의 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)이 세로로 중첩되어 수용되고, 그 위쪽에, 각 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)로부터의 출력 케이블(82)이 접속되는 컴바이너(combiner; 83)가 수용되어 있다. 또한, 컴바이너(83)의 위쪽에는, 컴바이너(83)와 피딩 파이버 케이블(2)에 접속되는 융착 박스(84)가 수용되어 있다. 융착 박스(84) 내에서는, 피딩 파이버 케이블(2)이 도입되는 측과 반대측에, 가공 헤드(40)에 연결되는 프로세스 파이버 케이블(3)이 도입되고, 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)이 융착되어 있다. 컴바이너(83) 및 융착 박스(84)는, 각각 케이스(80)로부터 인출 가능한 컴바이너 테이블(85) 및 융착 테이블(86) 상에 배치되어 있다. 이와 같이, 레이저 발진기(21)에서는, 복수의 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 출력 케이블(82)이 컴바이너(83)로 묶여져, 레이저광이 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)로 가공 헤드(40)에 유도된다.
레이저 발진기(21)에 인접하여 배치되는 제어 장치(22)는, 파이버 레이저 가공기(10) 전체를 제어한다.
<기능 블록도>
도 6은, 본 실시형태에 기초한 파이버 레이저 가공기(10)의 기능 블록를 설명하는 도면이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 파이버 레이저 가공기(10)는, 주로 가공기 본체(20)와, 파이버 레이저 발진기(21)와, 제어 장치(22)를 포함한다.
가공기 본체(20)는 가공 헤드(40)를 포함한다.
파이버 레이저 발진기(21)는, 복수의 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)과, 복수의 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)에 각각 대응하여 설치되는 출력 제어부(LMC1∼LMC4)와, 컴바이너(83)와, 융착 박스(84)를 포함한다.
출력 제어부(LMC1∼LMC4)는, 제어 장치(22)로부터의 지시에 따라 대응하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 출력을 제어한다.
컴바이너(83)는, 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)에서 출력되는 복수의 레이저광을 합파하여 피딩 파이버 케이블(2)에 출력한다.
융착 박스(84)에서는, 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)이 융착되어 있고, 합파된 레이저광이 프로세스 파이버 케이블(3)을 통해 가공기 본체(20)의 가공 헤드(40)로 유도된다.
제어 장치(22)는, 레이저 발진기 제어부(46)와 가공기 제어부(45)를 포함한다.
가공기 제어부(45)는, 조작반(75)을 통해 사용자로부터, 가공하는 워크의 판 두께, 재질, 속도 등의 가공 조건의 입력을 접수하면, 해당 입력에 기초하여 가공기 본체(20)를 제어한다. 또한, 가공기 제어부(45)는, 해당 입력에 기초하여, 최적의 레이저 지령 출력 등의 지령값을 레이저 발진기 제어부(46)에 출력한다.
레이저 발진기 제어부(46)는, 가공기 제어부(45)로부터의 지령값에 기초하여 각 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 발진을 제어함으로써 레이저 발진기(21)로부터 생성되는 레이저광의 출력을 제어하는 것이다.
여기서, 본 발명의 제어 장치(22)는, 종래의 제어 방법과는 상이하게, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 제어할 수 있다. 또한, 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)들 사이에서 출력차가 생기도록 제어할 수도 있다.
도 7은, 파이버 레이저 모듈의 갯수와 레이저광의 M2값과의 관계를 설명하는 도면이다.
도 7에 나타낸 바와 같이 각각의 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 싱글 모드의 레이저광의 M2값은 약 1이며, 4대의 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 멀티 모드의 레이저광의 M2값은 약 5이다. 4대의 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4) 중 2대 또는 3대를 발진시킨 경우의 멀티 모드의 레이저광의 M2값은 약 1∼약 5 사이의 값이 된다.
예컨대, 500 W의 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)을 4대 탑재한 2000 W의 레이저 발진기의 경우를 예로 하여 본 발명의 제어 방법과 종래의 제어 방법의 차이에 관해서 설명한다.
종래의 제어 방법이라면, 합계의 레이저 지령 출력이 120 W, 600 W, 1200 W, 1800 W인 경우, 표 1에 나타낸 바와 같이, 모든 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)에서 동일한 출력이 되도록, 각각을 30 W, 150 W, 300 W, 450 W인 레이저 지령 출력으로 하고 있었다. 다시 말해서, 모든 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)을 발진시킨 멀티 모드로밖에 작동할 수 없고, 레이저광의 M2값은 약 5로 일정한 값이었다.
Figure 112015066858777-pct00001
이에 대하여, 본 발명의 제어 방법은, 예컨대, 합계의 레이저 지령 출력이 소정의 출력 이하일 때에는 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 제한할 수 있다. 예컨대, 표 2에 나타낸 바와 같이, 합계의 레이저 지령 출력이 50 W∼500 W인 경우, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 하나로 하여, 예컨대 파이버 레이저 모듈 LM1만을 발진시킨다. 합계의 레이저 지령 출력이 500 W∼1000 W인 경우, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 2개로 하여, 예컨대 파이버 레이저 모듈 LM1, LM2만을 발진시킨다. 합계의 레이저 지령 출력이 1000 W∼1500 W인 경우, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 3개로 하여, 예컨대 파이버 레이저 모듈 LM1∼LM3만을 발진시킨다. 합계의 레이저 지령 출력이 1500∼2000 W인 경우, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 4개로 하여, 즉 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4) 전부를 발진시킨다. 이와 같이, 본 발명의 제어 방법에서는, 싱글 모드에서의 작동과 멀티 모드에서의 작동이 가능하고, 또한 멀티 모드에서의 작동에 있어서도 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 제어할 수 있다.
Figure 112015066858777-pct00002
또, 표 2 중, Y는 발진을 의미하고, N은 정지를 의미한다.
표 3은, 본 발명의 제어 방법에서의, 합계의 레이저 지령 출력이 120 W, 600 W, 1200 W, 1800 W인 경우의 출력 설정의 일례를 나타내는 것이다.
Figure 112015066858777-pct00003
또, 표 3 중, N은 정지를 의미한다.
표 3에 나타내는 레이저 지령 출력은 일례이며, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)을 바꾸어도 좋고, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)들 사이에서 출력을 동일하게 해도 좋고, 또한 표 3과는 상이한 수치가 되도록 출력을 분류해도 좋다. 이와 같이, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)들 사이에서 출력을 상이하게 할 수 있기 때문에, 출력 설정의 자유도가 향상된다.
본 발명의 제어 방법에서는, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 바꿈으로써 M2값으로 불리는 빔 품질을 바꿀 수 있고, 그렇기 때문에 스폿 직경 ω을 바꿀 수 있다. 즉, 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4) 중 1대만을 발진시킴으로써 레이저광의 M2값은 약 1이 되고, 4대의 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)를 발진시킴으로써 레이저광의 M2값은 약 5가 되며, 4대의 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4) 중 2대 또는 3대를 발진시킴으로써 레이저광의 M2값은 약 1∼약 5 사이의 값이 된다. 종래의 제어 방법에서는, M2값은 항상 일정값이기 때문에 스폿 직경 ω을 바꾸기 위해서는 집광 렌즈를 바꾸어야 할 필요가 있었지만, 본 발명의 제어 방법에서는, M2값을 바꿈으로써 스폿 직경 ω을 바꿀 수 있기 때문에, 스폿 직경 ω을 바꾸기 위해서 집광 렌즈를 바꾸는 작업을 생략할 수 있다. 또한, 합계의 레이저 지령 출력이 소정의 출력 이하인 경우, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 제한함으로써, 각 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 출력이 작은 것으로 인해 출력이 불안정해지는 것을 회피할 수 있어 안정된 가공을 실현할 수 있다.
<순서도>
상기 처리를 실현하는 순서도에 관해서 설명한다.
도 8은, 본 발명의 제어 장치(22)에서의 파이버 레이저 발진기(21)의 제어 처리에 관해서 설명하는 순서도이다. 해당 처리는, 주로 가공기 제어부(45)에 있어서 실행된다.
도 8을 참조하면, 가공 조건을 취득한다(단계 S1). 구체적으로는, 가공기 제어부(45)는, 조작반(75)에 대한 가공 조건의 입력을 접수하여 해당 가공 조건 정보를 취득한다.
다음으로, 가공기 제어부(45)는, 취득한 가공 조건 정보에 기초하여 파이버 레이저 발진기(21)에서의 레이저 지령 출력 P를 산출한다(단계 S2).
해당 레이저 지령 출력 P는, 가공하는 워크의 판 두께, 재질, 속도 등의 가공 조건 등에 따라서 소정의 연산식에 기초하여 산출되는 것이 가능하다.
그리고, 가공기 제어부(45)는, 레이저 지령 출력 P가 500 이하인지 아닌지를 판단한다(단계 S3).
단계 S3에 있어서, 가공기 제어부(45)는, 레이저 지령 출력 P가 500 이하라고 판단한 경우(단계 S3에 있어서 예)에는, 파이버 레이저 모듈 LM1에 대하여 레이저광을 발진 출력하도록 지령을 출력한다(단계 S4).
그리고, 가공기 제어부(45)는, 파이버 레이저 모듈 LM1의 출력 지령값을 산출하여 출력한다(단계 S5).
그리고, 처리를 종료한다(종료).
단계 S3에 있어서, 가공기 제어부(45)는, 레이저 지령 출력 P가 500 이하가 아니라고 판단한 경우(단계 S3에 있어서 아니오)에는, 레이저 지령 출력 P가 1000 이하인지 아닌지를 판단한다(단계 S6).
단계 S6에 있어서, 가공기 제어부(45)는, 레이저 지령 출력 P가 1000 이하라고 판단한 경우(단계 S6에 있어서 예)에는, 파이버 레이저 모듈 LM1, LM2에 대하여 레이저광을 발진 출력하도록 지령을 출력한다(단계 S7).
그리고, 가공기 제어부(45)는, 파이버 레이저 모듈 LM1, LM2의 출력 지령값을 산출하여 출력한다(단계 S8).
그리고, 처리를 종료한다(종료).
단계 S6에 있어서, 가공기 제어부(45)는, 레이저 지령 출력 P가 1000 이하가 아니라고 판단한 경우(단계 S6에 있어서 아니오)에는, 레이저 지령 출력 P가 1500 이하인지 아닌지를 판단한다(단계 S9).
단계 S9에 있어서, 가공기 제어부(45)는, 레이저 지령 출력 P가 1500 이하라고 판단한 경우(단계 S9에 있어서 예)에는, 파이버 레이저 모듈 LM1∼LM3에 대하여 레이저광을 발진 출력하도록 지령을 출력한다(단계 S10).
그리고, 가공기 제어부(45)는, 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM3)의 출력 지령값을 산출하여 출력한다(단계 S11).
그리고, 처리를 종료한다(종료).
단계 S9에 있어서, 가공기 제어부(45)는, 레이저 지령 출력 P가 1500 이하가 아니라고 판단한 경우(단계 S9에 있어서 아니오)에는, 레이저 지령 출력 P가 2000 이하인지 아닌지를 판단한다(단계 S12).
단계 S12에 있어서, 가공기 제어부(45)는, 레이저 지령 출력 P가 2000 이하라고 판단한 경우(단계 S12에 있어서 예)에는, 파이버 레이저 모듈 LM1∼LM4에 대하여 레이저광을 발진 출력하도록 지령을 출력한다(단계 S13).
그리고, 가공기 제어부(45)는, 파이버 레이저 모듈 LM1∼LM4의 출력 지령값을 산출하여 출력한다(단계 S14).
그리고, 처리를 종료한다(종료).
한편, 단계 S12에 있어서, 가공기 제어부(45)는, 레이저 지령 출력 P가 2000 이하가 아니라고 판단한 경우(단계 S12에 있어서 아니오)에는, 출력 제한값을 초과하기 때문에 처리를 종료한다(종료).
해당 처리에 의해, 예컨대, 합계의 레이저 지령 출력이 소정의 출력 이하일 때에는, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 제한하는 것이 가능하다.
도 9는, 동일한 출력으로 레이저 모듈을 단독으로 발진한 경우와, 레이저 모듈을 복수로 발진한 경우의 집광 렌즈로의 입사 빔의 출력 분포를 나타내는 그래프이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 레이저 모듈을 단독으로 발진한 경우 빔은 싱글 모드가 되고, 레이저 모듈을 복수로 발진한 경우에는 빔은 멀티 모드가 되는 것을 알 수 있다.
이 성질을 이용하여, 절단 속도를 빠르게 하고자 하는 경우에는 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 줄임으로써 동일 출력이라도 스폿 직경을 작게 함으로써 파워 밀도를 높일 수 있고, 절단 속도의 고속화를 실현할 수 있음과 함께 고정밀도의 가공을 행할 수 있다. 따라서, 가공하는 워크의 가공형상, 예컨대 예각 부분, 곡선 부분, 직선 부분 등에 따라서 최적의 M2값을 선택함으로써 최적의 가공을 행할 수 있다. 또한, 도 7에서 설명한 바와 같이 가공하는 워크(W)의 판 두께가 얇은 경우 최대 절단 속도가 얻어지는 절단 홈 폭은 좁아지기 때문에, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 줄여 스폿 직경 ω을 작게 함으로써 종래에 비해, 고정밀도의 가공이 가능해진다.
또한, 예컨대 금긋기 가공(재료의 표면에 새겨 넣기를 함)의 경우, 소출력으로 가공할 필요가 있다. 종래의 제어 방법과 같이 멀티 모드로 작동하는 경우, 소출력에서 발진이 안정되지 않아 고정밀도로 가공하는 것이 어렵지만, 본 발명의 제어 방법에서는 싱글 모드로 작동시킬 수 있으므로 소출력으로도 하나의 레이저 모듈의 출력은 그 정도로 작지 않기 때문에, 안정된 가공을 실현할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 효과에 관해서 실시예와 비교예를 들어 설명한다.
본 발명의 2 kW의 레이저 가공기(실시예)와 종래의 2 kW의 레이저 가공기(비교예)로 판 두께 12 mm의 연강과, 판 두께 1.6 mm의 연강을 레이저 절단하는 경우 에서의 각각의 설정에 관해서 이하에 나타낸다.
(실시예)
(a) 연강 판 두께 12 mm
레이저의 파장 : λ=1.06 μm
빔 품질 : M2=5
집광 렌즈의 촛점 거리 : f=200 mm
입사 빔 직경 : D=15 mm
스폿 직경 : ω=90 μm
출력 : P=2000 W
파워 밀도 : PD=(2000×4)/(90×90×π)=0.314 W/μm2
절단 속도 : F=900 mm/min
(b) 연강 판 두께 1.6 mm
레이저의 파장 : λ=1.06 μm
빔 품질 : M2=1.1
집광 렌즈의 촛점 거리 : f=200 mm
입사 빔 직경 : D=15 mm
스폿 직경 : ω=19.7 μm
출력 : P=500 W
파워 밀도 : PD=(500×4)/(19.7×19.7×π)=1.64 W/μm2
절단 속도 : F=8000 mm/min
(비교예)
(a) 연강 판 두께 12 mm
레이저의 파장 : λ=1.06 μm
빔 품질 : M2=5
집광 렌즈의 촛점 거리 : f=200 mm
입사 빔 직경 : D=15 mm
스폿 직경 : ω=90 μm
출력 : P=2000 W
파워 밀도 : PD=(2000×4)/(90×90×π)=0.314 W/μm2
절단 속도 : F=900 mm/min
(b) 연강 판 두께 1.6 mm
레이저의 파장 : λ=1.06 μm
빔 품질 : M2=5
집광 렌즈의 촛점 거리: f=125 mm
입사 빔 직경 : D=15 mm
스폿 직경 : ω=56 μm
출력 : P=2000 W
파워 밀도 : PD=(2000×4)/(56×56×π)=0.812 W/μm2
절단 속도 : F=4000 mm/min
종래의 2 kW의 레이저 가공기를 이용한 비교예의 설정에서는, 집광 렌즈의 촛점 거리를 변경하여, 박판 절단(1.6 mm)과 후판 절단(12 mm)을 전환하였다. 이에 대하여, 본 발명의 2 kW의 레이저 가공기를 이용한 실시예의 설정에서는, 집광 렌즈의 촛점 거리를 고정(여기서는, f=200 mm)하고, 후판 절단(12 mm) 시에는 종래와 동일하게 500 W×4=2000 W로 절단을 행하지만, 박판 절단(1.6 mm) 시에는 500 W의 단독 모듈로 절단을 행한다.
이에 따라, 박판 절단(1.6 mm) 시에는, 단독 모듈을 사용하기 때문에 빔 품질이 좋고, 출력이 500 W로 종래보다 낮음에도 불구하고, 파워 밀도(PD)가 높아져, 결과로서 절단 속도(F)가 빠르게 된다. 따라서, 동일한 판 두께 1.6 mm의 워크를 절단하는 경우, 출력(P)이 2000 W로부터 500 W로 1/4의 저출력이 되며, 발진기의 소비 전력도 1/4이 된다. 또한, 절단 속도(F)도 4000 mm/min로부터 8000 mm/min로 2배의 속도로 절단하는 것이 가능하고, 절삭 시간은 종래의 1/2이 된다. 따라서, 발진기의 저출력의 결과와 맞춰지면 운전 비용은, 종래의 1/8이 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제어 방법에 따르면, 발진하는 파이버 레이저 모듈(LM1∼LM4)의 수를 제어함으로써, M2이라 불리는 빔 품질을 바꿀 수 있고, 그렇기 때문에 스폿 직경 ω을 바꿀 수 있다. 이에 따라, 종래 필요했던 집광 렌즈의 교환 횟수를 줄이거나, 또는 교환을 배제할 수 있어 작업성을 향상시킬 수 있다. 또한, 발진기의 저출력화, 절단 속도의 고속화에 따른 절삭 시간의 단축, 운전 비용의 절감이 가능해진다.
또한, 본 발명은, 전술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 적절하게 변형, 개량 등이 가능하다.
예컨대, 레이저 발진기(21)에 포함되는 파이버 레이저 모듈의 수는, 4개로 한정되는 것은 아니고 적어도 2이상이면 좋다.
이상, 본 발명의 실시형태에 관해서 설명했지만, 이번 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것은 아니라고 생각해야 한다. 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의해서 표시되고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함하도록 의도된다.
2 : 피딩 파이버 케이블, 3 : 프로세스 파이버 케이블, 10 : 파이버 레이저 가공기, 20 : 가공기 본체, 21 : 파이버 레이저 발진기, 22 : 제어 장치, 23 : 펠릿 교환장치, 24 : 부스터 압축기, 25 : 공기 압축기, 26 : 산소 가스 봄베, 27 : 어시스트 가스 공급부, 28 : 칠러 유닛, 29 : 집진기, 30 : 캐빈, 30B : 배면, 30F : 정면, 30R : 우측면, 30a : 발진기 수납부, 31 : 펠릿, 32 : 펠릿 구동 기구, 38 : 걸윙, 40 : 레이저 가공 헤드, 45 : 가공기 제어부, 46 : 레이저 발진기제어부, 49 : 가공 헤드 구동 기구, 51 : 콜리메이터 렌즈, 52 : 집광 렌즈, 70, 75 : 조작반, 76 : 풋 스위치, 80 : 케이스, 82 : 출력 케이블, 83 : 컴바이너, 84 : 융착 박스, 85 : 컴바이너 테이블, 86 : 융착 테이블

Claims (10)

  1. 각각이 레이저광을 생성하는 복수의 파이버 레이저 모듈을 갖는 파이버 레이저 발진기와, 상기 파이버 레이저 발진기로부터 생성되는 레이저광을 출사하는 레이저 가공 헤드와, 워크와 상기 레이저 가공 헤드 사이에 설치되고 상기 레이저 가공 헤드로부터의 레이저광에 따르는 스폿 직경에 의해 상기 워크에 대하여 조사하는, 미리 정해진 촛점 거리의 집광 렌즈를 구비한 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법으로서,
    상기 워크에 대응하는 스폿 직경이 되도록 상기 복수의 파이버 레이저 모듈의 발진 갯수를 조정함으로써 상기 레이저 가공 헤드로부터의 빔 품질을 조정하고,
    미리 정해진 속도로 절단할 때에 발진하는 상기 파이버 레이저 모듈의 수에 대하여, 상기 미리 정해진 속도보다 빠른 속도로 절단할 때에는 발진하는 상기 파이버 레이저 모듈의 수를 적게 하는 것인, 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 미리 정해진 판 두께를 갖는 워크를 절단할 때에 발진하는 상기 파이버 레이저 모듈의 수에 대하여, 상기 미리 정해진 판 두께보다 얇은 판 두께를 갖는 워크를 절단할 때에는 발진하는 상기 파이버 레이저 모듈의 수를 적게 하는 것인 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 합계의 레이저 지령 출력이 미리 정해진 출력 이하일 때에는, 발진하는 상기 파이버 레이저 모듈의 수를 제한하는 것인 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 파이버 레이저 모듈의 출력을 각각 상이하게 하는 것인 파이버 레이저 가공기의 출력 제어 방법.
  6. 각각이 레이저광을 생성하는 복수의 파이버 레이저 모듈을 갖는 파이버 레이저 발진기와,
    상기 파이버 레이저 발진기로부터 생성되는 레이저광을 출사하는 레이저 가공 헤드와,
    워크와 상기 레이저 가공 헤드 사이에 설치되고 상기 레이저 가공 헤드로부터의 레이저광에 따르는 스폿 직경에 의해 상기 워크에 대하여 조사하는, 미리 정해진 촛점 거리의 집광 렌즈와,
    상기 복수의 파이버 레이저 모듈의 발진 갯수에 따라서 상기 레이저 가공 헤드로부터의 빔 품질을 조정하는 것이 가능한 제어 장치
    를 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 워크에 대응하는 스폿 직경이 되도록 상기 복수의 파이버 레이저 모듈의 발진 갯수를 조정하고,
    상기 제어 장치는, 미리 정해진 속도로 절단할 때에 발진하는 상기 파이버 레이저 모듈의 수에 대하여, 상기 미리 정해진 속도보다 빠른 속도로 절단할 때에는 발진하는 상기 파이버 레이저 모듈의 수를 적게 하는 것인, 파이버 레이저 가공기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어 장치는, 미리 정해진 판 두께를 갖는 워크를 절단할 때에 발진하는 상기 파이버 레이저 모듈의 수에 대하여, 상기 미리 정해진 판 두께보다 얇은 판 두께를 갖는 워크를 절단할 때에는 발진하는 상기 파이버 레이저 모듈의 수를 적게 하는 것인 파이버 레이저 가공기.
  8. 삭제
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제어 장치는, 합계의 레이저 지령 출력이 미리 정해진 출력 이하일 때에는, 발진하는 상기 파이버 레이저 모듈의 수를 제한하는 것인 파이버 레이저 가공기.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 복수의 파이버 레이저 모듈의 출력을 각각 상이하게 하도록 제어하는 것인 파이버 레이저 가공기.
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