KR102020377B1 - 레이저 가공 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 가공 장치 및 방법에 관한 것으로서 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔을 발생시키는 레이저발진기;와, 상기 레이저발진기와 상기 대상물 사이에 구비되어 레이저 빔을 집광하는 분리형집광유닛; 및 상기 레이저발진기와 상기 대상물 사이에 구비되어 집광된 레이저 빔을 상기 대상물 방향으로 스캔하는 폴리곤미러유닛;을 포함하되, 상기 분리형집광유닛은, 상기 레이저발진기와 상기 대상물 사이에 구비되어 레이저 빔을 복수의 방향으로 집광하게 제공될 수 있다.

Description

레이저 가공 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR LASER BEAM MACHINING}
본 발명은 레이저 가공 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 변압기와 같은 전기기기의 철심으로 사용되는 방향성 전기강판의 전력손실을 줄이고 효율을 향상시키기 위해 철손이 낮고 자속밀도는 높은 자기적 특성을 지닌 방향성 전기강판이 요구된다.
방향성 전기강판의 철손을 줄이기 위해, 강판 표면에 기계적 방법이나 레이저 빔을 조사하여 압연 방향에 대해 수직방향으로 자구를 미세화함으로써 철손을 감소시킬 수 있다.
자구 미세화 방법 중 하나인 영구 자구미세화 방법은 열처리 후에도 철손 개선 효과를 유지하고자 하는 목적으로 사용되며, 강판을 지지하고 장력을 조절한 상태에서 강판의 표면에 레이저빔을 조사해 강판 표면에 용융 홈을 형성함으로써 자구를 미세화시킬 수 있다.
영구 자구미세화 방법은 도 1에서 보이듯, 이송롤(24)에 의해 강판(1)을 레이저룸(20)으로 이송하고, 레이저룸(20) 내의 레이저 발진기(21), 및 광학계(22)를 이용해 레이저를 일정 빔(23)의 형태로 만들어 수행된다.
이렇게 만들어진 빔(23)은 강판 표면에 조사됨으로써 일정 크기 및 형상을 가지는 용융 홈을 형성하게 되는데 이때, 레이저에 의해 강판 표면에 형성되는 홈은 20㎛ 이하의 미세한 폭을 가지는 타원형이다.
타원형의 빔은 주로 장축이 강판(1)의 폭방향과 나란하고, 단축이 강판(1)의 진행방향과 나란한데 이러한 작업조건 하에서 자성특성의 개선이 최대로 일어나기 위해서는 타원형 빔의 장축방향의 길이를 최적화하는 것이 매우 중요하다.
KR 10-2017-0074608 A (2017.06.30)
본 발명은 강판 특히, 철손이 낮고 자속밀도가 높은 자기적 특성을 지닌 방향성 전기강판을 가공할 수 있는 레이저 가공 장치 및 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.
또한, 장비 사용의 효율성 및 가공의 용이성을 향상시켜 생산성 향상에 기여함을 일 목적으로 한다.
본 발명은 레이저 가공 장치 및 방법에 관한 것으로서 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔을 발생시키는 레이저발진기;와, 상기 레이저발진기와 상기 대상물 사이에 구비되어 레이저 빔을 집광하도록 상기 레이저발진기에 후행되게 배치되어 레이저 빔을 상기 대상물의 폭방향으로 집광하는 제1 집광수단; 및 상기 대상물에 선행되게 구비되어 상기 제1 집광수단에 의해 집광 완료된 레이저 빔을 상기 대상물의 길이방향으로 집광하는 제2 집광수단;을 포함하고, 레이저 빔을 복수의 방향으로 집광하게 제공되는 분리형집광유닛;과, 상기 레이저발진기와 상기 대상물 사이에 구비되어 집광된 레이저 빔을 상기 대상물 방향으로 스캔하는 폴리곤미러유닛;과, 상기 레이저발진기에 후행되고, 상기 제1 집광수단에 선행되게 구비되어 상기 레이저발진기에서 발생된 레이저 빔을 평행광으로 만드는 콜리메이팅유닛; 및 상기 제1 집광수단에 연결되어 상기 제1 집광수단 및 제2 집광수단의 상기 대상물에서의 초점위치 및 빔 길이 설정 완료 이후에 상기 제1 집광수단을 상기 제2 집광수단에 대해 독립적으로 이동시켜 기 설정된 빔 길이를 변화시키는 구동유닛;을 포함하되, 상기 제1 집광수단은 상기 폴리곤미러유닛에 선행되게 구비되고, 상기 제2 집광수단은 상기 폴리곤미러유닛에 후행되면서 상기 대상물에 선행되게 구비되며, 상기 제1 집광수단이 레이저 빔 길이를 변경시킬 시에 레이저 빔의 길이를 일정하게 유지하게 제공될 수 있다.
바람직하게, 상기 구동유닛은, 상기 제1 집광수단이 빔 길이를 집광하는 방향으로 빔 길이를 변화시키도록 상기 제1 집광수단을 이동시키게 제공될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 구동유닛에 연결되어 상기 구동유닛이 상기 제1 집광수단을 이동시키는 이동량을 연산하여 상기 구동유닛을 제어하되, 기 설정된 빔 길이와, 변화시키고자 하는 빔 길이에 의해 상기 이동량을 연산하는 제어유닛;을 더 포함하되, 상기 이동량은, (상기 제1 집광수단의 초점거리/상기 제1 집광수단의 기 설정된 빔 길이×상기 제1 집광수단에 의해 상기 대상물에 조사되는 레이저 빔 길이의 변화량)에 의해 연산될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 제1,2 집광수단은, 원통 렌즈(cylindrical lens) 또는 미러(mirror)이고, 상기 구동유닛은, 상기 제1 집광수단에 연결되는 구동모터일 수 있다.
한편 다른 측면으로서의 본 발명은 대상물을 레이저 가공하도록, 콜리메이팅유닛에 의해 집광 완료된 레이저 빔을 집광유닛에 의해 대상물의 제1 방향으로 집광하는 집광 제1 단계;와, 상기 집광 제1 단계 이후, 폴리곤미러유닛에 의해 스캔된 레이저 빔을 집광유닛에 의해 상기 대상물의 제2 방향으로 집광하는 집광 제2 단계; 및 상기 집광 제2 단계 완료 이후 실시되고, 상기 집광 제1 단계에서 레이저 빔을 집광한 집광유닛인 장축집광유닛을 이동시켜 상기 대상물 표면에 조사되는 레이저 빔의 형상, 넓이 및 직경 중 적어도 어느 하나를 변화시키는 이동단계;를 포함하되, 상기 집광 제1,2 단계는 서로 다른 집광유닛에 의해 실시되고, 상기 집광 제2 단계는, 상기 이동단계 중에도 집광 중인 레이저 빔을 유지하는 레이저 가공 방법을 제공한다.
한편 바람직하게, 상기 이동단계는, 레이저 빔의 길이가 상기 제1 방향으로 변화되도록 상기 장축집광유닛을 이동시킬 수 있다.
그리고 바람직하게, 상기 집광 제1,2 단계 및 상기 이동단계는, 상기 장축집광유닛이 이동 완료된 이후 상기 대상물 표면에 조사되는 레이저 빔이 타원형이 되도록 실시될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 집광 제1 단계는, 이송중인 상기 대상물의 폭 방향으로 레이저 빔을 집광하고, 상기 집광 제2 단계는, 이송중인 상기 대상물의 길이 방향으로 레이저 빔을 집광할 수 있다.
그리고 바람직하게, 상기 이동단계는, 상기 장축집광유닛의 이동량을 연산하는 연산단계;를 더 포함하되, 상기 연산단계는, (상기 장축집광유닛의 초점거리/상기 장축집광유닛의 기 설정된 빔 길이×상기 장축집광유닛에 의해 상기 대상물에 조사되는 레이저 빔 길이의 변화량)에 의해 실시될 수 있다.
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본 발명에 따르면 방향성 전기강판의 물성이 개선되고, 방향성 전기강판의 생산성이 향상된다.
또한, 가공 장치가 간소화되고, 공간 활용성이 높아져 장치의 유지보수가 용이해진다.
도 1은 통상의 영구 자구미세화 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 초점위치에서 빔 길이 유지구간을 도시한 것이다.
도 5는 초점위치에서 레이저 빔을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 레이저 가공 장치에 의해 빔 길이가 변화된 초점위치에서 레이저 빔을 도시한 것이다.
도 7은 복합헤드의 이동거리에 따른 장축방향의 레이저 빔 길이가 도시되어 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 레이저 가공 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 관한 설명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 동일한 부호로 기재된 요소는 동일한 요소이고, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
또한, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위하여 종래의 기술에 의해 익히 알려진 요소와 기술에 대한 설명은 생략하며, 이하에서는, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하고, 당업자에 의해 특정 구성요소가 추가, 변경, 삭제된 다른 형태로도 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명과 동일한 사상의 범위 내에 포함됨을 밝혀 둔다.
또한, 아래에서 설명하는 강판은 가공의 대상물이 되며, 도면에 표시된 X축은 강판의 길이방향을, Y축은 강판의 폭방향을 의미하며, 동시에 X축은 타원형 레이저 빔의 단축방향을, Y축은 장축방향을 의미할 수 있다.
방향성 전기강판 설비는 크게, 강판이 치우침이 없이 생산라인 중앙을 따라 올바르게 이동하도록 하는 사행 제어 장치 강판이 평평한 상태로 유지될 수 있도록 강판에 장력을 부여하는 장력 제어 장치, 강판을 지지하면서 지정된 강판의 상하방향 위치를 제어하는 강판지지롤 위치 조절 장치, 강판을 용융시켜 홈을 형성하는 레이저 가공 장치를 포함할 수 있다.
이 중, 본 발명은 강판을 용융시켜 홈을 형성하는 레이저 가공 장치 및 방법에 관한 것으로서 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 레이저 가공 장치는 도 2에서 보이듯, 강판(도 3의 100)의 표면에 조사되는 레이저 빔(L)을 발생시키는 레이저발진기(110), 상기 레이저발진기와 상기 강판(도 3의 100) 사이에 구비되어 상기 강판의 표면에 조사되는 레이저 빔(L)을 집광하는 분리형집광유닛(120) 및 상기 레이저발진기와 상기 강판(도 3의 100) 사이에 구비되어, 집광된 레이저 빔(L)을 상기 강판 방향으로 스캔하는 폴리곤미러유닛(130)을 포함할 수 있다.
상기 분리형집광유닛(120)은 레이저 빔(L)을 서로 다른 방향으로 집광하는데 바람직하게는 상기 레이저발진기에 후행되고, 상기 폴리곤미러유닛에 선행되게 구비되어 레이저 빔을 상기 강판의 폭방향으로 집광하는 제1 집광수단(121) 및 상기 폴리곤미러유닛(130)에 후행되면서 상기 강판에 선행되게 구비되어 상기 제1 집광수단에 의해 집광 완료된 레이저 빔을 상기 대상물의 길이방향으로 집광하는 제2 집광수단(122)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 상기 제1 집광수단에 연결되어 상기 제1 집광수단 및 제2 집광수단의 상기 강판에서의 초점위치 및 빔 길이 설정 완료 이후에 상기 제1 집광수단을 이동시켜 기 설정된 빔 길이를 변화시키는 구동유닛(140) 및 상기 구동유닛에 연결되어 상기 구동유닛이 상기 제1 집광수단을 이동시키는 이동량을 연산하여 상기 구동유닛을 제어하되, 기 설정된 빔 길이와, 변화시키고자 하는 빔 길이에 의해 상기 이동량을 연산하는 제어유닛(150)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 분리형집광유닛에 따르면 레이저발진기에서 발생한 레이저 빔을 고효율로 집광할 수 있는 효과가 있는데 고출력의 레이저와 정밀한 광학계를 필요로 하는 강판 특히, 폭이 1m 이상이면서, 100mpm(~1.6m/s)이상의 속도로 이송되는 강판에 20㎛ 이하의 미세한 홈을 더욱 신속하고 정밀하게 가공할 수 있는 효과가 있다.
도 3에서 보이듯, 강판(100)은 이송수단(101)에 의해 강판의 길이방향(X축)으로 이송될 수 있으며, 레이저발진기(110)에서 발생된 레이저 빔(L)은 분리형집광유닛(120)에 의해 타원형이 되어 강판(100) 표면에 조사된다.
이때, 타원형 빔의 단축방향 길이는 15㎛, 장축방향 길이는 50~500㎛ 정도이며, 강판(100)의 자성특성은 타원형 레이저 빔(L)의 장축방향(Y축)과 관계가 있으므로 강판의 자성 특성을 개선하기 위해서는 타원형 레이저 빔의 장축방향(Y)의 길이를 최적화해야 한다.
레이저 빔의 장축방향의 길이는 아래 식 1에 의해 얻을 수 있다.
Figure 112017110751928-pat00001
(식 1)
이때, d=레이저 빔의 장축방향의 길이, k=비례상수, v=라인스피드, l= 영구자구미세화에서 홈과 홈 사이의 간격이다.
실험적으로 라인스피드 120mpm, 홈간격 2.5mm에서 최적의 자성특성의 개선을 보이는 레이저 빔 길이는 200~400㎛로서, 이보다 레이저 빔 길이가 짧으면 홈의 깊이가 작아지고, 이보다 레이저 빔 길이가 길면 홈 주변에 잔존 용융물이 많아져 홈의 형상이 지저분해지고 강판의 절연성이 떨어지게 된다.
타원형 레이저 빔의 장축방향의 길이는 상수가 아니라 라인스피드와 홈과 홈 사이 간격에 의해 달라지는 변수이므로 라인스피드 40mpm, 홈간격 2.5mm인 경우에 최적의 장축방향의 빔 길이는 200~400㎛이 아니라, 이것의 1/3정도인 66~133㎛가 된다.
라인스피드나 홈과 홈 사이 간격은 강종, 생산조건 등에 의해 달라질 수 있는 값이므로 강종, 생산조건 등에 맞는 라인스피드, 홈과 홈 사이 간격 등을 위 식 1에 대입하여 레이저 빔의 장축방향의 적절한 길이를 계산할 수 있다.
이와 같이 장축방향의 적절한 길이를 계산하는 것도 제어유닛(도 2의 150)에 의해 수행될 수 있다. 그러나 이는 반드시 본 발명에 의해 한정되지 않으며 당업자에 의해 적절히 변경되어 적용될 수 있는 사항이다.
장축방향의 적절한 길이가 도출되었으면 레이저발진기(110)로 레이저 빔을 발생시키고, 이를 평행 빔으로 유도할 수 있다.
이러한 과정은 콜리메이팅유닛(160)에 의해 수행될 수 있는데 바람직하게 상기 콜리메이팅유닛(160)은 콜리메이션 광학계로 제공될 수 있다.
도 2 및 도 3에서 보이듯, 콜리메이팅유닛(160)은 레이저발진기(110)의 광섬유로부터 출사되는 레이저 빔을 평행 빔으로 유도하기 위한 것으로서, 광섬유에서 출사되어 특정한 각도로 퍼지는 레이저 빔(L)을 특정한 직경의 평행 빔으로 만드는 볼록 렌즈(미도시)를 구비하고 있으며, 볼록 렌즈의 초점거리는 사용되는 레이저 빔(L)의 발산 각에 따라 다르다.
이어, 콜리메이팅유닛(160)에 후행되게 배치되어 상기 콜리메이팅유닛(160)에 의해 만들어진 평행 빔을 제1 집광수단(121)에 의해 집광한다. 이때, 상기 제1 집광수단(121)은 원통 렌즈(cylindrical lens) 또는 미러(mirror)로 구비되어 강판(도 3의 100)의 폭 방향(Y축)으로 집광할 수 있다.
그리고, 도 2에서 보이듯, 제1 집광수단(121)에 연결된 구동모터(141)를 통해 제1 집광수단(121)을 이동시킴으로써 레이저 빔(L)의 장축방향(도 3의 Y축) 길이를 변화시킬 수 있다.
상기 제1 집광수단(121)은 구동모터(141)의 회전축(미도시)에 감속기에 의해 연결될 수 있고, 구동모터(141)의 회전축의 회전에 의해 제1 집광수단(121)의 각도를 변경(스텝모터 등)하거나 위치를 변경할 수 있는데 이와 같이 제1 집광수단(121)의 각도를 변경하거나 위치를 변경함으로써 제1 집광수단(121)에 대하여 최초 설정되었던 레이저 빔의 길이(장축방향 길이)를 변경할 수 있다.
이처럼 제1 집광수단(121)을 이동시킨다는 것은 제1 집광수단(121)이 기존에 잡고 있던 초점위치를 다른 초점위치로 변경한다는 의미이므로 제1 집광수단(121)의 초점위치를 변경할 수 있다면 구동모터(141)가 아니어도 다른 구동수단으로 대체될 수 있고, 작업자가 수작업에 의해 이를 수행할 수도 있다.
즉, 본 발명은 위의 식 1에 의하여 산출된 타원형 레이저 빔의 장축방향의 길이를 변경해야 할 때, 광학계의 소자를 변경하거나 추가로 새로운 소자를 추가할 필요없이 제1 집광수단(121)의 초점위치만을 변경함으로써 타원형 레이저 빔의 장축방향의 길이를 변경할 수 있다는 것에 그 의미가 있는 것이므로 제1 집광수단(121)의 위치를 변경하는 구동수단의 종류 및 이동을 구현하는 방법 등은 반드시 본 발명에 의해 한정되는 것이 아니다.
기존의 광학계에서 광학소자를 교체하거나 신규 광학소자를 사용하고자 할 때에는 새롭게 광정렬을 실시해야 해서 많은 작업시간이 소모되는 반면, 본 발명은 광학소자의 교체없이 광학계에서 제1 집광수단을 이동시켜 초점위치를 변경하면 되므로 작업시간이 절감되고, 가공 작업의 신속성 및 생산성이 향상되는 효과가 있다.
제1 집광수단(121)을 얼마나 이동시킬 것인지는 구동모터(141)에 연결된 제어유닛(150)에 의해 연산될 수 있고, 제어유닛(150)은 연산된 이동량만큼 제1 집광수단(121)이 이동할 수 있도록 구동모터(141)의 동작을 제어한다.
바람직하게는, 제1 집광수단(121)을 강판(도 3의 100)의 표면에 대하여 멀어지거나 가까워질 수 있도록 함으로써, 제1 집광수단(121)이 인식하게 되는 강판의 초점위치와, 실제 강판의 위치를 서로 다르게 하는 방식을 이용할 수 있다.
예를 들면, 레이저 빔의 장축방향(도 3의 Y축)의 길이를 45㎛로 하고, 제1 집광수단(121)이 이와 같은 길이를 출력하도록 제1 집광수단(121)의 위치를 세팅한 뒤, 구동모터(141)를 통해 제1 집광수단(121)을 이동시켜 강판과 제1 집광수단(121) 사이의 실제 거리를 변화시키는 방식이다.
즉, 제1 집광수단(121)을 이동시켜 제1 집광수단(121)의 초점위치가 강판의 표면에 존재하지 않도록 하는 방식인데 이때 레이저 빔의 단축방향(도 3의 X축) 빔 길이를 결정하는 제2 집광수단(122)의 초점위치는 강판(도 3의 100)의 표면에 존재하도록 한다.
이와 같이 제1 집광수단(121)과 제2 집광수단(122)은 서로 독립적으로 동작하므로 제1 집광수단(121)이 레이저 빔의 장축방향 길이를 변경시키더라도 제2 집광수단(122)은 레이저 빔의 단축방향 길이를 일정하게 유지하고 있을 수 있다.
이처럼 제1 집광수단(121)을 통해 레이저 빔의 장축방향 길이만을 변화시키는 이유는 강판의 자성특성 개선에 직접적 영향을 미치는 것은 레이저 빔의 장축방향의 길이이기 때문인데, 레이저 빔의 장축방향의 길이만을 변경시켜 빠르고 신속하게 광학계를 설정할 수 있도록 함으로써 가공성 및 생산성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
일예로, 장축방향의 길이를 45㎛로 하고, 제1 집광수단(121)의 위치를 잡은 뒤, 구동모터(141)에 의해 제1 집광수단(121)을 2mm만큼 이동시키면 제1 집광수단(121)은 실제로 초점위치에서 2mm만큼 벗어나 있게 된다.
그러면 레이저 빔의 장축방향의 길이는 대략 100㎛가 되며, 제1 집광수단(121)이 실제 초점위치에서 4mm만큼 벗어나게 되면 레이저 빔의 장축방향의 길이는 대략 180㎛가 된다. 이때 이동방향은 중요하지 않으므로 제1 집광수단(121)을 강판 표면에 대하여 4mm만큼 멀어지게 하거나, 4mm만큼 가깝게 할 수도 있다.
그러나 이는 반드시 본 발명에 의해 한정되는 것이 아니며, 작업자 및 작업환경에 의해 적절히 변경되어 적용될 수 있는 사항이다.
또한 바람직하게, 본 발명은 위와 같이 장축방향의 빔 길이가 45㎛ 이고, 단축 방향의 빔 길이가 15㎛ 정도인 이심률이 3 이상인 매우 큰 타원형의 빔을 형성하는 경우에 적용될 수 있다.
구체적으로, 도 4의 (a)를 보면 초점위치에서 빔 길이 유지구간은 최소길이에서 40% 증가할 때까지 변화하는 거리로서, 아래 식 2와 같이 표현된다.
Figure 112017110751928-pat00002
(식 2)
이때, Lfocal= 초점위치에서 거리유지구간, M2= 레이저의 빔 품질인자, d= 초점에서의 빔 크기, λ= 레이저의 파장이다. 예를 들어 파장이 ~1.07㎛ 이고, 레이저의 빔 품질인자가 M2 ~1 이면서 단일모드 광섬유 레이저를 사용할 때 장축방향의 빔길이가 160㎛ 인 경우 160㎛ 초점위치(도 4에서는 빔 길이의 절반만 표시)에서 초점유지구간(z position)은 대략 37.5mm가 된다.
반면, 도 4의 (b)에서 보이듯, 초점위치가 아닌 구간에서 빔 크기 40% 변화를 허용하는 거리유지구간은 아래 식 3과 같이 표현된다.
Figure 112017110751928-pat00003
(식 3)
이때, Loff -focal= 초점위치가 아닌 지점에서 거리유지구간, D= 초점위치가 아닌 임의의 지점에서 빔 길이이다. 이러한 경우, 초점위치가 아닌 구간에서 약 300㎛ 의 빔을 형성하게 되면 위 식 3에 의해 거리유지구간은 약 14.3mm가 된다.
반면, 초점위치에서 약 300㎛ 의 빔을 형성하게 되면 식 2에 의해 거리유지구간은 132mm가 된다. 따라서 초점위치에 비해 초점위치가 아닌 지점에서 빔을 사용하게 되면 거리유지구간이 짧아지므로 그만큼 광학계의 안정성은 악화된다.
그런데 본 발명은 장축방향의 빔 길이가 45㎛ 일 때, 단축방향의 빔 길이는 15㎛ 정도에 불과하고, 여기에 식 2를 적용하면 초점위치에서 단축방향의 거리유지구간은 0.3mm에 불과하여 장축방향의 거리유지구간 14.3mm에 비해 매우 작은 값이 된다.
이때, 장축방향의 거리유지구간은 132mm이거나 14.3mm이거나 단축방향의 거리유지구간 0.3mm에 비해 월등히 큰 값이므로 본 발명에서 제1 집광수단(121)을 이동시켜 초점을 변화시키고, 빔 길이를 변화시키는 것은 광학계의 안정성에 영향을 미치지 않는다.
한편 바람직하게, 도 2에서 보이듯, 레이저발진기(110)의 출력 광섬유와 콜리메이팅유닛(160) 및 제1 집광수단(121)을 하나의 모듈로 하고, 구동모터를 모듈화된 제1 집광수단(121)에 연결하여 구동모터(141)로 하여금 이 모듈 전체를 이동시키게 할 수도 있다.
그러면, 제1 집광수단(121)을 이동시켜도 콜리메이팅유닛(160)을 별도로 세팅할 필요가 없어 가공 시간을 더욱 단축할 수 있다.
이러한 모듈의 이동에 제2 집광수단(122)이 영향을 받지 않도록 제2 집광수단(122)을 이 모듈에서 분리하여, 레이저 빔(L)을 강판(도 3의 100) 방향으로 스캔하는 폴리곤미러유닛(130)에 후행되면서 강판(도 3의 100)에 선행되게 배치하여 장축방향 길이 조절이 완료된 레이저 빔(L)의 단축방향의 길이를 장축과 독립적으로 조절할 수 있도록 할 수 있다.
이에 따라 도 3에서 보이듯, 레이저발진기(110)의 광섬유는 콜리메이팅유닛(160)에 의해 평행 빔이 되고, 이 평행 빔은 제1 집광수단(121)을 거쳐 강판(100)의 폭 방향(Y축)으로 길이가 조절된 후, 제2 집광수단(122)을 거쳐 레이저 빔(L)의 단축방향 길이 즉, 강판(100)의 이송방향(X축)으로의 길이가 조절된다.
이때, 제2 집광수단(122)은 단축방향의 빔 길이를 매우 급격히 줄이므로 강판(100) 표면에 조사되는 레이저 빔(L)은 제2 집광수단(122)을 거치고 나서 단축방향의 길이가 급격히 줄어들며 타원형의 레이저 빔이 된다.
도 5에는 초점위치에서 레이저 빔(L)의 단축방향의 길이가 15㎛이고, 단축방향의 길이가 45㎛가 되도록 구비된 제1 집광수단(도 2의 121) 및 제2 집광수단(도 2의 122)에 의해 집광된 레이저 빔(L)의 형상이 도시되어 있다.
한편, 도 6에는 레이저발진기(도 2의 110)의 출력 광섬유와 콜리메이팅유닛(도 2의 160) 및 제1 집광수단(도 2의 121)을 하나의 모듈로 하고, 이들 모듈을 6mm움직인 경우 집광된 레이저 빔(L)의 형성이 도시되어 있다.
도 5의 경우에는 레이저 빔(L)의 길이가 약 60㎛ 이고, 도 6의 경우 모듈을 6mm 이동시켰을 뿐인데 레이저 빔(L)의 길이가 240㎛ 인 것을 알 수 있다.
도 7에는 레이저발진기(도 2의 110)의 출력 광섬유와 콜리메이팅유닛(도 2의 160) 및 제1 집광수단(도 2의 121)(이하, '복합헤드'라고 함) 즉, 복합헤드란, 제1 집광수단을 별도의 지지대(미도시) 등에 고정시켜 사용하는 경우, 제1 집광수단과 상기 지지대(미도시)를 통틀어 이르는 말이 되며, 제1 집광수단을 단독으로 사용하는 경우 제1 집광수단만을 이르는 말이 될 수 있는데, 이러한 복합헤드의 이동거리에 따른 장축방향의 레이저 빔 길이가 도시되어 있다.
이를 참조하면 복합헤드를 1mm 움직일 때 장축방향의 빔길이가 220㎛에서 260㎛로 약 40㎛ 변하는 것을 알 수 있고, 이러한 off-focus 상태에서 복합헤드의 거리 변화와 레이저 빔 길이의 변화는 아래 식 4에 의해 표현할 수 있다.
Figure 112017110751928-pat00004
(식 4)
이때, ΔL은 복합헤드의 거리변화량이고, D0는 복합헤드에서 레이저 빔 길이이며, Δd= 복합헤드(도 2의 121)에 의해 상기 강판에 조사되는 레이저 빔 길이 변화량이며, f= 복합헤드(도 2의 121)의 초점거리이다.
즉, 복합헤드(도 2의 121)의 초점거리가 600mm이고, 복합헤드에서 레이저 빔 길이가 24mm이고, 레이저 빔의 장축방향의 빔 길이를 만약 40㎛를 키우고 싶다면 위 식 4를 이용해서 복합헤드를 움직이는 양을 정할 수 있다.
즉, ΔL= 40㎛이고, D0= 24mm, f=600mm 일 때, 식 4를 이용해 계산해보면 복합헤드를 1mm 움직일 때 레이저 빔의 장축방향의 길이를 40㎛ 변화시킬 수 있다.
따라서, 전술한 제어유닛(도 2의 150)은 이들 식을 참조로 하여 복합헤드의 이동량을 연산하고, 구동유닛(도 2의 140)을 제어하여 복합헤드를 연산된 양만큼 이동하도록 할 수 있다.
이때, 작업조건 중 라인스피드가 120mpm이고, 영구자구미세화 홈과 홈 사이 간격이 2.5mm일 때, 최적의 자성특성 개선을 보이는 레이저 빔 길이를 아래 식 5에 의해 계산하면 200~400㎛ 정도가 될 수 있다(d=레이저 빔의 장축방향의 길이, k=비례상수, v=라인스피드).
Figure 112017110751928-pat00005
(식 5)
이러한 레이저 빔 길이는 상수가 아니라 라인스피드 및 홈 간격에 의해 달라지는 변수이다. 즉, 위의 경우에서 라인스피드가 40mpm으로 변경되면 최적의 레이저 빔 길이는 66~133㎛이 된다.
따라서, 레이저 빔의 장축방향 길이를 최적으로 선택하기 위해서는 위와 같이 라인스피드, 홈 간격, 강종, 기타 생산조건에 따른 인자들을 함께 고려하는 것이 바람직하다.
한편 다른 측면으로서의 본 발명은 도 8에서 보이듯, 강판을 레이저 가공하도록 집광유닛에 의해 강판의 제1 방향으로 레이저 빔을 집광하는 집광 제1 단계(S110) 및 상기 집광 제1 단계 이후, 집광유닛에 의해 상기 강판의 제2 방향으로 레이저 빔을 집광하는 집광 제2 단계(S120)를 포함하되 상기 집광 제1,2 단계는 서로 다른 집광유닛에 의해 실시되는 레이저 가공 방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 집광 제2 단계(S120) 완료 이후 실시되고, 상기 집광 제1 단계(S110)에서 레이저 빔을 집광한 집광유닛인 장축집광유닛을 이동시켜 강판 표면에 조사되는 레이저 빔의 형상 및 넓이 중 적어도 어느 하나를 변화시키는 이동단계(S130)를 더 포함할 수 있다.
이때, 제1 방향은 강판의 폭 방향일 수 있고, 제2 방향은 강판의 이송방향일 수 있으며, 강판의 표면에는 강판의 폭 방향을 장축으로 하고, 강판의 이송방향을 단축으로 하는 타원형의 레이저 빔이 조사될 수 있다.
또한, 상기 이동단계(S130)는 레이저 빔의 장축방향의 길이를 변화시키도록 장축집광유닛을 일정량 이동시킬 수 있다. 이때, 강판의 이송방향으로 레이저 빔을 집광하는 단축집광유닛은 고정되어 있을 수 있으며, 단축집광유닛의 초점은 강판 위에 있을 수 있다.
반면, 강판의 폭 방향으로 레이저 빔을 집광하는 장축집광유닛의 초점은 틀어져 강판 위에 존재하지 않도록 함으로써 장축방향의 레이저 빔의 길이를 변화시킬 수 있다.
이때, 이동단계는 장축집광유닛을 얼마나 이동시키고, 얼마나 초점을 틀을 것인지에 대해 연산하는 연산단계(S131)를 포함할 수 있는데 이러한 연산단계는 제어유닛(미도시)에 의해 수행될 수 있다.
제어유닛(미도시)은 연산단계(S131)에서 위의 식 4에 의해 장축집광유닛의 이동량을 연산하고, 상기 장축집광유닛에 연결된 구동유닛(미도시)을 동작시켜 그 이동량만큼 상기 장축집광유닛이 이동하도록 할 수 있다.
이때, ΔL은 장축집광유닛의 거리변화량이고, D0는 장축집광유닛의 레이저 빔 길이이며, Δd= 장축집광유닛에 의해 상기 강판에 조사되는 레이저 빔 길이의 변화량이며, f= 장축집광유닛의 초점거리이다.
이상에서 설명한 사항은 본 발명의 일 실시예에 관하여 설명한 것이며, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
1, 100 : 강판 20 : 레이저룸
21, 110 : 레이저발진기 22 : 광학계
23, L : 레이저 빔 120 : 분리형집광유닛
121 : 제1 집광수단 122 : 제2 집광수단
130 : 폴리곤미러유닛 140 : 구동유닛
141 : 구동모터 150 : 제어유닛
160 : 콜리메이팅유닛

Claims (13)

  1. 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔을 발생시키는 레이저발진기;
    상기 레이저발진기와 상기 대상물 사이에 구비되어 레이저 빔을 집광하도록 상기 레이저발진기에 후행되게 배치되어 레이저 빔을 상기 대상물의 폭방향으로 집광하는 제1 집광수단; 및 상기 대상물에 선행되게 구비되어 상기 제1 집광수단에 의해 집광 완료된 레이저 빔을 상기 대상물의 길이방향으로 집광하는 제2 집광수단;을 포함하고, 레이저 빔을 복수의 방향으로 집광하게 제공되는 분리형집광유닛;
    상기 레이저발진기와 상기 대상물 사이에 구비되어 집광된 레이저 빔을 상기 대상물 방향으로 스캔하는 폴리곤미러유닛;
    상기 레이저발진기에 후행되고, 상기 제1 집광수단에 선행되게 구비되어 상기 레이저발진기에서 발생된 레이저 빔을 평행광으로 만드는 콜리메이팅유닛; 및
    상기 제1 집광수단에 연결되어 상기 제1 집광수단 및 제2 집광수단의 상기 대상물에서의 초점위치 및 빔 길이 설정 완료 이후에 상기 제1 집광수단을 상기 제2 집광수단에 대해 독립적으로 이동시켜 기 설정된 빔 길이를 변화시키는 구동유닛;을 포함하되,
    상기 제1 집광수단은 상기 폴리곤미러유닛에 선행되게 구비되고,
    상기 제2 집광수단은 상기 폴리곤미러유닛에 후행되면서 상기 대상물에 선행되게 구비되며, 상기 제1 집광수단이 레이저 빔 길이를 변경시킬 시에 레이저 빔의 길이를 일정하게 유지하게 제공되는 레이저 가공 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동유닛은,
    상기 제1 집광수단이 빔 길이를 집광하는 방향으로 빔 길이를 변화시키도록 상기 제1 집광수단을 이동시키게 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동유닛에 연결되어 상기 구동유닛이 상기 제1 집광수단을 이동시키는 이동량을 연산하여 상기 구동유닛을 제어하되, 기 설정된 빔 길이와, 변화시키고자 하는 빔 길이에 의해 상기 이동량을 연산하는 제어유닛;
    을 더 포함하되,
    상기 이동량은,
    (상기 제1 집광수단의 초점거리/상기 제1 집광수단의 기 설정된 빔 길이×상기 제1 집광수단에 의해 상기 대상물에 조사되는 레이저 빔 길이의 변화량)에 의해 연산되는 레이저 가공 장치.
  6. 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1,2 집광수단은,
    원통 렌즈(cylindrical lens) 또는 미러(mirror)이고,
    상기 구동유닛은,
    상기 제1 집광수단에 연결되는 구동모터인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  7. 삭제
  8. 대상물을 레이저 가공하도록,
    콜리메이팅유닛에 의해 집광 완료된 레이저 빔을 집광유닛에 의해 대상물의 제1 방향으로 집광하는 집광 제1 단계;
    상기 집광 제1 단계 이후, 폴리곤미러유닛에 의해 스캔된 레이저 빔을 집광유닛에 의해 상기 대상물의 제2 방향으로 집광하는 집광 제2 단계; 및
    상기 집광 제2 단계 완료 이후 실시되고, 상기 집광 제1 단계에서 레이저 빔을 집광한 집광유닛인 장축집광유닛을 이동시켜 상기 대상물 표면에 조사되는 레이저 빔의 형상, 넓이 및 직경 중 적어도 어느 하나를 변화시키는 이동단계;를 포함하되,
    상기 집광 제1,2 단계는 서로 다른 집광유닛에 의해 실시되고,
    상기 집광 제2 단계는,
    상기 이동단계 중에도 집광 중인 레이저 빔을 유지하는 레이저 가공 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 이동단계는,
    레이저 빔의 길이가 상기 제1 방향으로 변화되도록 상기 장축집광유닛을 이동시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 집광 제1,2 단계 및 상기 이동단계는,
    상기 장축집광유닛이 이동 완료된 이후 상기 대상물 표면에 조사되는 레이저 빔이 타원형이 되도록 실시되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 집광 제1 단계는,
    이송중인 상기 대상물의 폭 방향으로 레이저 빔을 집광하고,
    상기 집광 제2 단계는,
    이송중인 상기 대상물의 길이 방향으로 레이저 빔을 집광하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동단계는,
    상기 장축집광유닛의 이동량을 연산하는 연산단계;를 더 포함하되,
    상기 연산단계는,
    (상기 장축집광유닛의 초점거리/상기 장축집광유닛의 기 설정된 빔 길이× 상기 장축집광유닛에 의해 상기 대상물에 조사되는 레이저 빔 길이의 변화량)에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 방법.
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