KR101919504B1 - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 레이저 가공 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 및 상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위한 워터젯을 생성하는 워터젯 생성부;를 포함하고, 상기 레이저의 상기 워터젯에 대한 오프셋(offset) 및 각편향(angular deflection) 중 적어도 하나를 조절하여 상기 피가공물에 도달하는 레이저의 빔 모드를 제어하는, 레이저 가공 장치를 제공한다.

Description

레이저 가공 장치{LASER PROCESSING APPARATUS}
본 발명의 실시예는 레이저 가공 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 워터젯을 사용하여 레이저를 피가공물로 전달하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
산업이 발전함에 따라 다양한 분야에 대한 정밀 가공 요구가 증가하고 있다. 특히, 발전용 엔진, 항공기 엔진, 산업장비의 터빈 엔진, 선박용 터빈 엔진 등의 주요 부품에 대한 정밀 가공이 필요한 상황이다. 특히 가스 터빈의 경우에는 고효율화, 고출력화를 위하여 터빈의 에너지 변환 효율이 향상되어야 하며 이를 위하여 터빈의 소재가 고온 내식성 및 내열성이 요구되는 소재가 필요하다. 에너지 및 항공 우주 산업의 핵심 부품인 터빈 블레이드의 냉각 홀 뿐만 아니라 임펠러, 블리스크 및 기타 구조적으로 복잡한 부품에 대한 정밀 가공 요구가 증가하고 있다.
이러한 정밀 가공을 위하여 레이저 가공 기술이 개발되고 있다. 종래의 레이저 가공 기술의 경우에는 레이저 빔을 집속시키기 위하여 광학 렌즈를 사용하는데 레이저 빔의 발산 성질 때문에 유효한 작업 거리가 불과 수 mm 정도 밖에 되지 않는다. 따라서, 피가공물이 두꺼울 경우에는 이를 절단하기 어렵고, 작업 거리를 늘리기 위하여 레이저의 출력을 높이게 되면 열 손상 영역(heat affected zone)이 커지게 된다. 또한, 레이저 가공 중 가공면에서 발생하는 찌꺼기가 가공면 주위에 남아서 가공물에 대한 오염 및 인체에 유해한 물질이 발생하게 된다.
이를 해소하기 위한 새로운 레이저 가공 기술 개발이 필요하며, 특히 다양한 가공 공정에 대응할 수 있도록 레이저 빔의 에너지 분포 형상을 조절할 수 있는 레이저 가공 장치 개발이 필요하다.
한국등록실용신안공보 제20-0164249호 (1999. 10. 06)
본 발명의 실시예들은, 다양한 공정에 대응하는 다양한 빔 모드 조절이 가능한 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 워터젯을 사용하여 작업 거리를 늘일 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 레이저에 의한 가공면의 가열을 방지하도록 효율적으로 가공면을 냉각시킬 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 가공 중에 발생하는 불순물을 효율적으로 제거할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 및 상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위한 워터젯을 생성하는 워터젯 생성부;를 포함하고, 상기 레이저의 상기 워터젯에 대한 오프셋(offset) 및 각편향(angular deflection) 중 적어도 하나를 조절하여 상기 피가공물에 도달하는 레이저의 빔 모드를 제어하는, 레이저 가공 장치를 제공한다.
상기 워터젯 생성부는, 상기 워터젯을 생성하기 위한 액체를 수용하는 워터 챔버; 상기 워터 챔버에 액체를 공급하는 워터 공급부; 및 상기 워터 챔버의 액체가 상기 피가공물로 분사되는 노즐;을 포함할 수 있다.
상기 오프셋은 횡방향 오프셋 및 종방향 오프셋을 포함할 수 있다.
상기 횡방향 오프셋은 상기 워터젯의 중심축에 대한 상기 레이저의 중심축의 편차이고, 상기 종방향 오프셋은 상기 노즐과 상기 레이저의 포커스 간의 편차일 수 있다.
상기 각편향은 상기 워터젯의 중심축과 상기 레이저의 중심축 간의 사이각일 수 있다.
상기 빔 모드는, 링 모드, 가우시안 모드 및 플랫 탑(flat top) 모드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위한 워터젯을 생성하는 워터젯 생성부; 상기 레이저의 상기 워터젯에 대한 오프셋 및 각편향 중 적어도 하나를 조절하는 변경부; 및 상기 변경부를 통해 상기 피가공물에 도달하는 레이저의 빔 모드를 제어하기 위한 제어부;를 포함하는 레이저 가공 장치를 제공한다.
상기 변경부는 상기 레이저 발생부의 위치 및 각도 중 적어도 하나를 변경할 수 있다.
상기 변경부는 상기 레이저의 포커스를 변경할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 레이저의 워터젯에 대한 오프셋 및 각 편향 중 적어도 하나를 조절하여 피가공물에 도달하는 레이저의 빔 모드를 다양하게 변경할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 워터젯을 사용함으로써 피가공물에 대한 작업 거리를 늘일 수 있는 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 워터젯을 사용함으로써 레이저에 의해 가열된 가공면을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 워터젯을 사용하여 가공 중에 발생하는 불순물을 효율적으로 제거할 수 있는 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 생성되는 워터젯을 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 빔 모드 제어를 설명하는 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 모드를 나타내는 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 레이저 가공 장치(100)는 피가공물을 가공하기 위한 레이저(L)를 발생시키는 레이저 발생부 및 레이저(L)를 피가공물(S)까지 전달하기 위한 워터젯을 생성하는 워터젯 생성부를 포함할 수 있다. 레이저 발생부는 레이저 광선을 평행광선으로 하는 콜리메이터(110) 및 레이저의 초점을 형성하는 포커스 렌즈(120)를 포함할 수 있다. 콜레메이터(collimator)(110)와 포커스 렌즈(120)를 통과한 레이저는 윈도우(130)를 통해 워터젯 생성부를 지날 수 있다. 워터젯 생성부는 워터젯을 생성하기 위한 액체인 물 등을 수용하는 워터 챔버(140), 워터 챔버(140)에 액체를 공급하는 워터 공급부(145) 및 워터 챔버 내의 액체가 피가공물(S) 측으로 분사되는 노즐(150)을 포함할 수 있다.
워터젯에 의해서 레이저가 긴 거리를 발산 없이 전달될 수 있어서 작업 거리(working distance)를 늘일 수 있다. 또한, 워터젯은 레이저에 의해 가열된 피가공물(S)의 가공면을 효율적으로 냉각시킬 수 있어서 재료의 물리적 손상이나 열 손상을 방지할 수 있고 가공의 품질을 향상시킬 수 있다. 그에 따라 슬래그(slag) 처리, 그라인딩(grinding)과 같은 후처리가 필요하지 않아서 비용 및 시간을 절약할 수도 있다. 그리고, 워터젯에 의해 가공 중 발생하는 불순물을 씻어내어 제거할 수도 있다.
여기에서 윈도우(130)는 사파이어와 같은 물질로 형성될 수 있으며, 노즐(150)는 사파이어 또는 다이아몬드와 같은 물질로 형성될 수 있다. 도면에서 생략된 워터 공급부(145)의 일단은 펌프(미도시됨)와 연결되고, 펌프의 압력에 의해 액체가 워터 챔버(140) 측으로 공급될 수 있다. 워터 챔버(140)에 공급되는 액체는 물일 수 있는데, 레이저(L)가 통과하는 워터젯을 형성하기 때문에 워터 챔버(140)에 공급되는 물은 순도가 높은 것이 바람직하다. 만약 물에 불순물이 포함되어 있을 경우에는 그 내부를 통과하는 레이저와 반응하는 등에 의해 레이저에 악영향을 미칠 수 있다.
노즐(150)을 통과한 레이저(L)은 가스 생성부를 통과할 수 있다. 가스 생성부는 헬륨(He)과 같은 보조 가스(assist gas)를 수용하는 가스 챔버(160), 가스 챔버에 보조 가스를 공급하는 가스 공급부(165) 및 가스 챔버(160)의 보조 가스가 분사되는 가스 노즐(167)을 포함할 수 있다. 보조 가스는 그 압력을 통해 워터젯 생성 초기에 발생하는 난류(turbulence)를 억제할 수 있고, 레이저(L)에 의해 가공되는 피가공물(S)에서 발생되는 열을 냉각할 수 있으며, 레이저 워터젯의 길이를 조절하여 작업거리를 조절할 수 있다.
레이저 가공 장치(100)는 워터젯을 생성하기 위한 액체와 별도로 제 2 액체를 피가공물(S)로 분사하는 보조분사부를 포함할 수 있다. 보조분사부는 제 2 액체를 수용하는 제 2 액체 챔버(170), 제 2 액체 챔버에 제 2 액체를 공급하는 제 2 액체 공급부(175), 제 2 액체를 피가공물(S) 측으로 분사하는 제 2 액체 배출부(180)를 포함할 수 있다. 보조분사부에 의해 피가공물로 분사되는 제 2 액체는 피가공물에서 발생되는 가공 부산물을 제거하거나 피가공물 표면을 개질하는 등의 다양한 역할을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 생성되는 워터젯(200)을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 워터젯(200)은 고속으로 분사되는 물기둥으로서, 워터젯(200) 내에 적절한 각도로 레이저(L)가 조사되면, 워터젯(200)을 이루는 물과 외부 공기의 경계면에서 전반사가 일어날 수 있다. 따라서, 워터젯(200)이 피가공물(S)까지 유지되는 한 레이저는 외부로 발산되지 않고 피가공물까지 전달될 수 있다. 워터젯(200)은 머리카락 굵기 정도의 미세한 물기둥일 수 있다. 따라서, 그 내부에서 전달되는 레이저(L)도 미세하게 형성될 수 있어서 이를 이용하여 절단(cutting), 그루빙(grooving), 스크라이빙(scribing), 드릴링(drilling) 등의 다양한 공정을 행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)의 빔 모드 제어를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 레이저 가공 장치(100)의 빔 모드 제어는 레이저(L)의 워터젯(200)에 대한 오프셋(offset) 및 각편향(angular deflection) 중 적어도 하나에 의해 행해질 수 있다.
오프셋은, 워터젯(200)의 중심축을 종방향이라고 할 때, 횡방향 오프셋(transverse offset) 및 종방향 오프셋(longitudinal offset)을 포함할 수 있다. 도 3에 있어서, 횡방향 오프셋은 부호 r로 표시되고, 종방향 오프셋은 부호 h로 표시된다. 즉, 횡방향 오프셋은 워터젯(200)의 중심축과 레이저(L)의 중심축 간의 편차이고, 종방향 오프셋은 노즐과 레이저(L)의 포커스 간의 편차일 수 있다.
각편향은 도 3에서 부호 θ로 표시될 수 있는데, 이는 워터젯(200)의 중심축과 레이저(L) 중심축 간의 사이각을 나타낼 수 있다.
이와 같이, 레이저(L)의 워터젯(200)에 대한 오프셋과 각편향을 조절하기 위하여 변경부(미도시됨)가 사용될 수 있다. 변경부는 레이저 발생부의 위치 및 각도 중 적어도 하나를 변경함으로써, 횡방향 오프셋 및 각편향을 조절할 수 있고, 레이저 발생부 내의 포커스 렌즈를 조절하여 레이저의 포커스를 변경함으로써, 종방향 오프셋을 조절할 수도 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 변경부가 레이저 발생부의 위치를 종방향으로 이동시킴으로써 종방향 오프셋을 조절하는 것도 가능하다.
그리고, 변경부를 통해 피가공물에 도달하는 레이저의 빔 모드를 제어하기 위한 제어부(미도시됨)가 레이저 가공 장치(100)에 포함될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 모드를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 레이저(L)의 워터젯(200)에 대한 오프셋과 각편향을 조절함과 동시에, 피가공물에 도달하는 레이저 빔의 모드도 다양하게 변경할 수 있다. 도 4에서 나타내는 레이저의 빔 모드는 예시이며 이에 한정되는 것은 아니다. 도 4(a), 도 4(b), 도 4(c) 각각의 도면의 상측은 피가공물에 도달하는 워터젯 내의 레이저 형상의 평면도이고, 각각의 도면의 하측은 레이저 빔의 위치에 따른 에너지 분포를 나타내는 그래프이다.
도 4(a)는 레이저 빔 모드 중 링 모드를 나타낸다. 링 모드에서는 레이저의 에너지 분포가 다른 부분보다 중심에서 낮게 될 수 있다. 링 모드는 피가공물에 대한 패턴을 형성하는데 유리할 수 있다.
도 4(b)는 레이저 빔 모드 중 가우시안 모드를 나타낸다. 가우시안 모드에서는 레이저의 에너지 분포가 가우시안 분포를 나타낼 수 있다. 가우시안 모드는 피가공물에 대한 가공 중 드릴링 가공에 유리하게 사용될 수 있다.
도 4(c)는 레이저 빔 모드 중 플랫 탑(flat top) 모드를 나타낸다. 플랫 탑 모드는 가공을 통해 피가공물의 형상을 형성하거나 테이퍼를 최소화하여 가공하는데 유리하게 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 레이저 가공 장치
110 : 콜리메이터
120 : 포커스 렌즈
130 : 윈도우
140 : 워터 챔버
145 : 워터 공급부
150 : 노즐
160 : 가스 챔버
165 : 가스 공급부
167 : 가스 노즐
170 : 제 2 액체 챔버
175 : 제 2 액체 공급부
180 : 제 2 액체 배출부
200 : 워터젯

Claims (9)

  1. 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 및
    상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위해 수직방향의 워터젯을 생성하는 워터젯 생성부;를 포함하고,
    수직방향의 상기 워터젯의 중심축과 상기 레이저 중심축 간의 사이각을 변경부를 통해 형성하는 각편향(angular deflection)을 조절하여, 상기 워터젯의 중심축과 상기 레이저 중심축 간의 사이각을 형성함으로써 상기 레이저의 단면 형상 및 상기 레이저의 에너지 분포가 달라지는 빔 모드를 제어하는, 레이저 가공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 워터젯 생성부는,
    상기 워터젯을 생성하기 위한 액체를 수용하는 워터 챔버;
    상기 워터 챔버에 액체를 공급하는 워터 공급부; 및
    상기 워터 챔버의 액체가 상기 피가공물로 분사되는 노즐;을 포함하는, 레이저 가공 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 빔 모드는,
    링 모드, 가우시안 모드 및 플랫 탑(flat top) 모드 중 적어도 하나를 더 포함하는, 레이저 가공 장치.
  7. 피가공물을 가공하기 위한 레이저를 발생시키고, 포커스 렌즈를 포함하는 레이저 발생부;
    상기 레이저를 상기 피가공물까지 전달하기 위한 수직방향의 워터젯을 생성하는 워터젯 생성부;
    수직방향의 상기 워터젯의 중심축과 상기 레이저 중심축 간의 사이각인 각편향(angular deflection)을 조절함으로써, 상기 피가공물에 도달하는 상기 레이저의 빔 모드를 제어하는 변경부; 및
    상기 변경부를 통해 상기 피가공물에 도달하는 상기 레이저의 빔 모드를 제어하기 위한 제어부;를 포함하고,
    종방향 오프셋(offset)은 상기 포커스 렌즈의 포커스 변경 또는 상기 변경부에 의한 상기 레이저 발생부의 이동에 의해 조절되며,
    상기 빔 모드는,
    상기 각편향의 조절을 통해 수직방향의 상기 워터젯의 중심축과 상기 레이저 중심축 간의 사이각을 형성함으로써, 상기 레이저의 단면 형상 및 상기 레이저의 에너지 분포의 변화에 따라 달라지는, 레이저 가공 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
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