KR102228075B1 - 레이저 가공헤드 조립체 - Google Patents

레이저 가공헤드 조립체 Download PDF

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Abstract

레이저 가공헤드 조립체가 개시된다. 본 발명의 레이저 가공헤드 조립체는, 가공물을 향해 레이저빔을 조사하고 절단가스를 분사하도록 단부에 노즐이 마련되고 내부에 레이저빔과 절단가스의 이동경로가 마련되는 집광헤드를 포함하는 레이저 가공헤드 조립체로서, 상기 집광헤드는, 내부에 복수의 렌즈가 배치되고 상기 복수의 렌즈 주변의 온도변화를 감지하기 위한 온도센서가 마련되는 제1 집광헤드 본체; 및 일측 및 타측이 상기 제1 집광헤드 본체와 상기 노즐에 각각 결합되고, 상기 노즐 부위로 냉각가스를 공급하도록 냉각가스 유로가 마련되는 제2 집광헤드 본체를 포함하며, 상기 온도센서의 감지값에 대응하여 상기 냉각가스의 유동 제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 온도센서를 통해 렌즈 주변의 온도를 감지하고 감지된 온도를 기반으로 노즐 부위로 냉각가스를 분사함으로써, 레이저빔이 복수의 렌즈를 100% 통과하지 못함으로 인해 렌즈 주변에 발생하는 고온의 열, 가공물을 향해 조사되어 역반사되는 역반사 레이저빔에 의해 특히 노즐부위에 발생하는 고온의 열, 제1 집광헤드 본체 내의 복수의 렌즈들의 정렬 불량으로 발생하는 고온의 열 등이 실질적으로 렌즈로 작용하여 렌즈의 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Description

레이저 가공헤드 조립체{Laser processing head assembly}
본 발명은 레이저빔과 절단가스 외에 노즐 부위를 향해 냉각가스를 추가적으로 분사하는 구조를 채용하여 레이저 가공 작업중 발생하는 고온의 열에 의해 특히 렌즈가 손상 및 파손되는 것을 방지할 수 있는 레이저 가공헤드 조립체에 관한 것이다.
최근, 산업분야에서 금속 소재의 절단, 용접 및 열처리 등은 원가절감, 공장 자동화 및 품질향상의 측면에서 우수한 효과를 갖는 레이저빔이 적용되고 있는 추세이며, 이러한 레이저빔의 적용에 있어 요구되는 몇 가지 목표는 레이저빔 에너지 분포의 균일화, 일정한 열처리 온도를 유지할 수 있는 레이저 출력제어, 생산성과 품질을 충족시킬 수 있는 최적 레이저빔의 조사 속도, 에너지 흡수율의 극대화 등을 들 수 있다.
최근들어 절단용 레이저 가공기는 CO2 레이저에서 화이버 레이저(Fiber laser)로 전환되고 있으며, 화이버 레이저 가공기의 출력 CO2 레이저에 비해 비약적으로 증가하고 있으나 집광장치의 구조적문제로 인해 대략 12KW이하에서만 사용하고 있는 실정이다.
레이저 가공기는 화이버 레이저의 도입으로 특히 절단용 레이저 분야에서 그 출력이 비약적으로 커지게 되었으나, 렌즈를 포함하는 집광헤드는 특별히 개선되지 않은 채 CO2 레이저에서 사용되었던 것과 비슷한 작동원리를 갖는 부품을 사용하고 있다. 레이저 가공기의 출력이 증가함에 따라 집광헤드 내 렌즈들의 파손은 더욱 심각하고 빈번하게 발생하고 있는 실정이다.
이러한 레이저 광학계(집광헤드의 렌즈들)의 파손 요인은 다음과 같이 정리할 수 있다.
첫째, 집광헤드의 렌즈들은 레이저빔을 100% 통과시킬 수 없기 때문에 통과되지 못한 레이저빔이 열로 변환되어 광학계의 온도를 상승시키고 렌즈들의 변형 및 손상을 유발시킨다.
둘째, 광학계의 복수의 렌즈들의 정렬상태가 불량하게 되면 레이저빔이 정확히 집광되지 못하고 렌즈 홀더 또는 집광 노즐 등에 충돌하게 되는데 이때 많은 열이 발생하게 되고 이는 결국 노즐이나 렌즈의 파손 등으로 이어진다.
셋째, 레이저빔을 가공 대상물을 향해 조사할 때 가공 대상물이 100% 레이저빔을 흡수할 수 없으며, 흡수되지 못하고 역반사된 레이저빔은 근접한 노즐 뿐만 아니라 광학계의 온도 상승에 영향을 미치게 된다.
현재 집광헤드 부위에 냉각수를 유동시키는 구조를 채용하여 레이저 가공시 렌즈 부위의 온도 증가를 최대한 억제하는 구조가 개발되어 적용되고 있으나, 현재 적용하고 있는 냉각 구조는 단순히 렌즈 주변을 냉각시키는 것일 뿐 역반사 레이저빔에 의한 노즐과 광학계의 온도 상승을 저감시킬 수 없는바 이러한 문제의 해결을 위한 구조 개선이 요구되는 바이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1781332호 (2017. 09. 25 공고)
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 레이저빔 가공시 렌즈 주변의 온도 증가를 최대한 억제하여 렌즈의 파손이 발생하는 것을 방지하여 장치의 내구성을 증대시킬 수 있는 레이저 가공헤드 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 렌즈 주변의 온도감지를 통해 노즐 주변 냉각을 위한 냉각가스 공급을 능동적으로 조절할 수 있을 뿐만 아니라 온도상승 감지를 통해 렌즈들의 정렬 불량 상태를 용이하게 파악할 수 있는 레이저 가공헤드 조립체를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가공물을 향해 레이저빔을 조사하고 절단가스를 분사하도록 단부에 노즐이 마련되고 내부에 레이저빔과 절단가스의 이동경로가 마련되는 집광헤드를 포함하는 레이저 가공헤드 조립체로서, 상기 집광헤드는, 내부에 복수의 렌즈가 배치되고 상기 복수의 렌즈 주변의 온도변화를 감지하기 위한 온도센서가 마련되는 제1 집광헤드 본체; 및 일측 및 타측이 상기 제1 집광헤드 본체와 상기 노즐에 각각 결합되고, 상기 노즐 부위로 냉각가스를 공급하도록 냉각가스 유로가 마련되는 제2 집광헤드 본체를 포함하며, 상기 온도센서의 감지값에 대응하여 상기 냉각가스의 유동 제어가 이루어지는 레이저 가공헤드 조립체가 제공된다.
상기 제2 집광헤드 본체와 상기 노즐 사이에는 냉각가스 배출구가 마련되며, 상기 냉각가스 유로는, 상기 레이저빔의 이동경로인 빔 이동경로와 이격되며 빔 이동경로를 둘레방향으로 감싸도록 상기 제1 집광헤드 본체에 마련되는 제1 냉각가스 유로; 및 상기 제1 냉각가스 유로와 상기 냉각가스 배출구를 서로 연통하도록 상기 제2 집광헤드 본체에 마련되는 제2 냉각가스 유로를 포함할 수 있다.
상기 제2 집광헤드 본체는, 상기 복수의 렌즈를 통과한 레이저빔과 외부에서 상기 빔 이동경로로 공급되는 절단가스가 상기 노즐을 통해 동시에 조사 및 분사되도록, 내측에 빔 및 가스경로가 마련되는 노즐연결부; 및 상기 노즐연결부와의 사이에 상기 제2 냉각가스 유로를 형성하도록 노즐연결부를 둘레방향으로 감싸는 형상으로 이루어지는 커버부를 포함할 수 있다.
상기 노즐연결부와 상기 커버부는 일정이상의 내열성을 갖는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
상기 노즐연결부는 상기 제1 집광헤드 본체에 결합되는 일측에서 노즐을 향하는 타측으로 갈수록 외경이 점차 감소하도록 테이퍼지고, 상기 커버부의 내면은 상기 노즐연결부와 대응하도록 테이퍼지게 이루어질 수 있다.
냉각가스를 공급하는 냉각가스 공급부; 및 상기 온도센서의 감지값을 전달받아 상기 냉각가스 공급부의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하되, 상기 제어부는, 상기 온도센서의 감지값을 전달받아 상기 냉각가스 공급부로부터 제공되는 냉각가스의 온도를 가변적으로 조절할 수 있다.
상기 제1 집광헤드 본체 내부에는 냉각수가 순환되도록 냉각수 순환경로가 마련되며, 상기 노즐 부위로 공급되는 냉각가스의 온도는 상기 냉각수 온도에 비해 상대적으로 낮을 수 있다.
상기 냉각수의 온도는 작업장 내 공기의 이슬점온도 이상이며, 상기 냉각가스의 온도는 작업장 내 공기의 이슬점 온도 미만일 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 레이저 가공헤드 조립체에 의하면, 온도센서를 통해 렌즈 주변의 온도를 감지하고 감지된 온도를 기반으로 노즐 부위로 냉각가스를 분사함으로써, 레이저빔이 복수의 렌즈를 100% 통과하지 못함으로 인해 렌즈 주변에 발생하는 고온의 열, 가공물을 향해 조사되어 역반사되는 역반사 레이저빔에 의해 특히 노즐부위에 발생하는 고온의 열, 제1 집광헤드 본체 내의 복수의 렌즈들의 정렬 불량으로 발생하는 고온의 열 등이 실질적으로 렌즈로 작용하여 렌즈의 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 온도센서의 감지값을 통해 냉각가스 분사를 제어함으로써, 예를 들어 렌즈의 정렬 불량 상태가 미미한 경우에는 충분히 렌즈 부위의 온도상승을 억제할 수 있다. 또한, 이슬점 온도 이하의 냉각가스를 노즐 부위로 공급함으로써 역반사 레이저빔에 의해 노즐의 파손이 발생하는 것을 방지함과 더불어 일종의 냉각가스 차단막을 형성하여 노즐 부위의 발생열이 렌즈 측으로 전달되는 것을 효율적으로 차단할 수 있다.
또한, 렌즈 부위의 온도 상승을 최대한 억제할 수 있는 구조를 채용함으로써, 특히 렌즈를 포함하는 광학부품의 흡수율 저하에 의해 출력을 증가시키기 어려운 화이버 레이저 가공기의 출력을 현재보다 월등히 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공헤드 조립체를 나타내는 단면도,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공헤드 조립체의 일부분을 나타내는 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공헤드 조립체의 일부분을 나타내는 저면 분해 사시도,
도 5는 도 1의 Ⅴ영역 확대도,
도 6은 도 1의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공헤드 조립체에서 냉각가스가 레이저 가공시 발생하는 열을 차단하는 모습을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 가공헤드 조립체는 가공물의 절단작업을 위해 고출력 화이버(fiber) 레이저빔과 절단가스를 조사하는 것으로서, 레이저빔과 절단가스 외에 냉각가스를 추가적으로 분사하는 구조를 채용하여 레이저 가공 작업중 발생하는 고온의 열에 의해 렌즈가 손상 및 파손되는 것을 최대한 방지하여 장치의 내구성을 증대시킬 수 있다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 가공헤드 조립체(10, 이하 조립체)는 가공물(20)을 향해 레이저빔을 조사하고 절단가스를 분사하는 집광헤드(100)와, 집광헤드(100) 내부로 화이버 레이저빔을 제공하도록 피딩 화이버(210)가 마련되는 피딩 화이버 커넥터(200)를 포함한다.
도 1에 도시한 바와 같이 집광헤드(100)는 제1 집광헤드 본체(110), 제2 집광헤드 본체(150) 및 노즐(160)을 포함하고, 그 내부에는 레이저빔의 이동경로인 빔 이동경로(133)와 절단가스의 이동경로가 마련되며, 노즐(160)을 통해 레이저빔이 조사되고 절단가스가 동시에 분사된다.
먼저, 제1 집광헤드 본체(110)의 내부에는 레이저빔의 포커싱 사이즈를 가변시키는 복수의 렌즈가 배치되고, 이러한 렌즈들은 피딩 화이버(210)를 통해 전달되는 레이저빔이 퍼지지 않도록 평행광을 형성하는 평행광 렌즈(111), 평행광 형태의 레이저빔을 집광해서 레이저빔의 크기를 축소하는 집광렌즈(112), 보호 윈도우(113), 보호 렌즈(114) 등을 포함할 수 있다.
또한, 제1 집광헤드 본체(110)의 내부에는 복수의 렌즈 주변의 온도변화를 감지하기 위한 온도센서(115)가 마련된다. 여기서, 렌즈 주변의 온도변화 감지는 렌즈의 근접한 주변 영역, 제1 집광헤드 본체(110)의 외면, 상기 외면과 렌즈 사이 영역을 포함하는 영역의 온도변화 감지를 의미한다. 실질적으로 온도센서(115)는 렌즈 주변에 발생하는 고온의 열을 감지하여 렌즈에 악영향이 미치는 것을 후술하는 바와 같이 미리 예방하는 것으로서, 렌즈에 악영향이 미치는 것으로 예상되는 부위의 온도를 감지하는 것이다.
일 예로, 도 1에 도시한 바와 같이, 온도센서(115)는 평행광 렌즈(111) 및 집광렌즈(112) 등을 고정하고 있는 렌즈 홀더(116)에 마련될 수 있으며, 써머커플 등으로 적용 가능하다.
본 발명의 실시예에서, 레이저 가공시, 즉 레이저빔이 복수의 렌즈를 통과하면서 발생하는 고온의 열에 의해 렌즈가 손상되는 것을 방지하도록, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 집광헤드 본체(110) 내부에는 냉각수가 순환되도록 냉각수 순환경로(117)가 마련된다. 제1 집광헤드 본체(110)의 일측에는 냉각수 입구(131)가 마련되고 타측에는 냉각수 출구(132)가 마련되며, 그 사이를 연결하도록 냉각수 순환경로(117)가 연통된다.
냉각수 순환경로(117)는 수직 순환경로(118)와 수평 순환경로(119)를 포함하고, 도 2에 도시한 바와 같이, 수평 순환경로(119)는 대략 복수의 렌즈를 둘레방향으로 감싸는 형상으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 수평 순환경로(119)가 렌즈를 둘레방향으로 감싸도록 이루어짐으로써, 특히 렌즈 부위로 고온의 열이 전달되어 렌즈 손상이 발생하는 것을 더욱 방지할 수 있다.
한편, 복수의 렌즈는 필요시 교체 가능하도록 제1 집광헤드 본체(110)에 분리 가능하게 장착되며, 이러한 렌즈 교체를 위해 제1 집광헤드 본체(110)는 도면상 상하 방향으로 결합 및 분리 가능한 복수의 블록 결합체로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 렌즈가 배치된 부분을 기준으로 복수의 블록은 서로간에 상하 방향으로 분리/결합이 이루어질 수 있으며, 각각의 블록 외측에 노출되는 수직 순환경로와 수평 순환경로에는 재조립 후 냉각수의 누설을 방지하도록 별도의 실링재(미도시)가 마련된다.
본 발명의 실시예에서, 제1 집광헤드 본체(110) 내부로는 작업장내 공기의 이슬점온도 이상의 냉각수가 항시 유동하도록 한다. 만약, 레이저빔이 제1 집광헤드 본체(110)를 통과하지 않는 비작업시, 렌즈 부위로 전달되는 고온의 열을 확실히 차단하고자 제1 집광헤드 본체(110) 내부로 이슬점온도 이하의 냉각수를 순환시키게 되면 제1 집광헤드 본체가 과냉각되어 이슬이 발생하고 이슬에 의해 복수의 렌즈에 손상이 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명은 전술한 바와 같이 제1 집광헤드 본체(110) 내부로 작업장 기준 이슬점온도 이상의 냉각수를 항시 유동함으로써, 비작업시에 이슬이 발생하는 것을 방지할 뿐만 아니라 레이저빔 조사에 따른 가공시에도 렌즈 부위로 고온의 열이 전달되는 것을 한층 방지할 수 있다.
다음, 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 제2 집광헤드 본체(150)는 그 일측 및 타측이 제1 집광헤드 본체(110)와 노즐(160)에 각각 결합되고, 노즐(160) 부위로 냉각가스를 공급하도록 냉각가스 유로(151)가 마련된다.
이러한 냉각가스 공급은 레이저 가공시 발생하는 고온의 열에 의해 노즐(160)이 파손되는 것을 방지함과 더불어 노즐로 작용하는 고온의 열이 제1 집광헤드 본체(110) 측으로까지 전달되는 것을 추가적으로 방지할 수 있다. 즉, 냉각가스 공급은 전술한 냉각수 순환과 더불어 제1 집광헤드 본체(110)에서 렌즈 주변 영역의 온도 상승을 최대한 억제하여 렌즈의 파손을 방지하기 위함이다.
도 1, 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 제2 집광헤드 본체(150)는 제1 집광헤드 본체(110)의 하부 중앙 영역에 결합되는 노즐연결부(155)와, 노즐연결부(155)를 둘레방향으로 감싸는 형상으로 이루어져 마찬가지로 제1 집광헤드 본체(110)의 하부 영역에 결합되는 커버부(157)를 포함한다. 여기서, 제2 집광헤드 본체(150)와 노즐(160) 사이, 즉 노즐연결부(155), 커버부(157) 및 노즐(160)의 상호 연결부위에 냉각가스 배출구(158)가 마련된다.
본 발명의 실시예에서, 관련 도면에는 도시하지 않았으나. 제1 집광헤드 본체(110)와 노즐연결부(155)의 연결 부분, 제1 집광헤드 본체(110)와 커버부(157)의 연결 부분에는 후술하는 냉각가스의 누설 방지를 위해 실링재(미도시)가 마련된다.
또한, 도면에 구체적으로 도시하지 않았으나, 노즐연결부(155)와 커버부(157)는 제1 집광헤드 본체(110)에 나사 결합 방식을 통해 분리 가능하게 결합 가능하다.
도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 노즐(160) 부위로 냉각가스를 공급하는 냉각가스 유로(151)는 제1 집광헤드 본체(110)에 마련되는 제1 냉각가스 유로(152)와 제2 집광헤드 본체(150)에 마련되는 제2 냉각가스 유로(153)를 포함한다.
도 1 및 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 냉각가스 유로(152)는 레이저빔의 이동경로인 빔 이동경로(133)와 이격되면서 빔 이동경로(133)를 둘레방향으로 감싸도록 제1 집광헤드 본체(110)에 마련된다. 제1 집광헤드 본체(110)에는 제1 냉각가스 유로(152)로 냉각가스를 공급하도록 냉각가스 공급부(170)가 연결되며, 냉각가스 공급부는 에어 쿨러(air cooler), 콜드 건(cold gun) 등으로 적용 가능하다. 이와 같이, 제1 냉각가스 유로(152)가 대략 링 형상을 포함하도록 이루어짐에 따라, 제1 집광헤드 본체(110)의 하부 영역의 최대한 넓은 면적을 냉각시킬 수 있는 이점이 있다. 여기서, 냉각가스 공급부(170)는 공급 냉각가스의 온도를 필요에 따라 가변적으로 조절할 수 있는 구조로 이루어진다.
제2 냉각가스 유로(153)는 제1 냉각가스 유로(152)와 냉각가스 배출구(158)를 서로 연통하도록 제2 집광헤드 본체(150)에 마련된다.
본 발명의 실시예에서, 도 1, 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 노즐연결부(155)는 복수의 렌즈를 통과한 레이저빔과 외부에서 빔 이동경로(133) 내로 공급되는 절단가스가 노즐(160)을 통해 동시에 조사 및 분사되도록 내측에 빔 및 가스경로(156)가 마련된다. 부연하자면, 제1 집광헤드 본체(110)의 일측에는 빔 및 가스경로(156) 내부로 산소, 질소 등과 같은 절단가스가 공급되도록 절단가스 공급구(135)가 마련되며, 절단가스는 레이저빔과 동시에 가공물(20)을 향해 분사되어 가공물 절단이 이루어지도록 한다.
커버부(157)는 노즐연결부(155)와의 사이에 제2 냉각가스 유로(153)를 형성하도록 노즐연결부(155)를 둘레방향으로 감싸는 형상으로 이루어진다. 여기서, 제2 냉각가스 유로(153)는 노즐연결부(155)의 원주방향을 기준으로 연속적으로 형성된다. 따라서, 냉각가스 공급부(170)로부터 공급된 냉각가스는 링 형상의 제1 냉각가스 유로(152)를 순환함과 더불어 제2 냉각가스 유로(153) 측으로 유입된 후 최종적으로 냉각가스 배출구(158)를 통해 노즐(160) 주변 영역으로 배출된다. 이와 같은 냉각가스 분사를 통해 레이저 가공시 특히 가공물에 반사되어 노즐(160)로 작용하는 역반사 레이저빔에 의해 노즐(160)이 파손되는 것을 보완할 수 있을 뿐만 아니라, 노즐의 발생열이 제1 집광헤드 본체(110) 측으로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
덧붙이자면, 도 7에 도시한 바와 같이, 냉각가스 배출구(158)를 통해 배출된 냉각가스는 노즐(160) 주변으로 일종의 배리어(barrier)를 형성함으로써, 전술한 역반사 레이저빔에 의한 열이 노즐(160)로 전달되는 것을 한층 효율적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 냉각가스 유로(151)로는 전술한 냉각수 온도에 비해 상대적으로 낮은, 구체적으로 경우에 따라 작업장 내 공기의 이슬점 온도 이상, 이슬점온도 이하의 냉각가스가 유동하도록 할 수 있으며, 이에 따라 노즐(160) 냉각효과와 제1 집광헤드 본체(110) 측으로의 열전달 차단 효과를 극대화시킬 수 있다. 한편, 이러한 냉각가스 공급은 온도센서(115)의 감지값에 대응하여 이루어지며, 구체적으로 냉각가스 공급부(170)로부터 제공되는 냉각가스의 온도는 온도센서의 감지값에 따라 가변적으로 조절 가능하며 이에 대한 설명은 후술한다.
한편, 노즐연결부(155)와 커버부(157)에는 이슬점 온도 이상, 이슬점 온도 이하의 냉각가스 유동에 따른 저온 열, 가공물을 향해 조사된 후 반사된 역반사 레이저빔에 의한 고온 열이 동시에 작용하게 되며, 이러한 고온/저온 열이 장기간 반복적으로 작용하게 되면 노즐연결부와 커버부가 쉽게 파손되는 현상이 발생할 수 있다.
이를 보완하기 위해, 노즐연결부(155)와 커버부(157)는 일정 이상의 내열성을 갖는 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 일 예로 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 5에 도시한 바와 같이, 노즐연결부(155)는 제1 집광헤드 본체(110)에 결합되는 일측에서 노즐(160)을 향하는 타측으로 갈수록 외경이 점차 감소하도록 테이퍼지고, 커버부(157)의 내면은 노즐연결부(155)의 외면과 대응하도록 테이퍼지게 이루어진다.
따라서, 제1 냉각가스 유로(152)를 통해 제2 냉각가스 유로(153)로 유입된 냉각가스는 노즐(160)을 향해 한층 집중적으로 공급되어 노즐을 냉각할 수 있으므로 결국 제1 집광헤드 본체(110)로의 열전달을 효율적으로 차단할 수 있다.
또한, 노즐연결부(155)의 내경 또한 외경과 마찬가지로 노즐(160) 측으로 갈수록 단면적이 감소하도록 테이퍼지게 이루어지며, 이에 따라 절단가스가 노즐(160) 배출구를 통해 가공물의 절단 부위를 향해 집중 분사되도록 할 수 있다.
이하, 노즐(160) 측으로의 냉각가스 공급 제어에 대해 부연 설명한다.
본 발명의 실시예에서, 제1 집광헤드 본체(110) 내부의 냉각수 순환은 레이저 가공이 진행되는 동안 항시 연속적으로 이루어지고, 냉각가스 유로(151)를 통한 냉각가스의 유동(분사)은 제1 집광헤드 본체(110)에 장착된 온도센서(115)의 감지값에 대응하여 이루어진다.
구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 조립체(10)는 제2 집광헤드 본체(150), 즉 제1 냉각가스 유로(152) 및 제2 냉각가스 유로(153)로 냉각가스를 공급하는 냉각가스 공급부(170)와, 온도센서(115)의 감지값을 전달받아 냉각가스 공급부(170)의 구동을 제어하는 제어부(180)를 더 포함한다.
여기서, 제어부(180)는 레이저 가공이 이루어지는 동안 항시 냉각가스 배출구(158)를 통해 이슬점온도 이하의 냉각가스가 배출되도록 하지 않고, 온도센서(115)의 감지값을 전달받아 냉각가스 공급부(170)로부터 제공되는 냉각가스의 온도를 가변적으로 조절한다.
구체적으로, 레이저 가공기의 작동이 시작되어 제1 집광헤드 본체(110)의 온도가 일정온도 이하인 경우, 예를 들면 레이저빔의 저출력 상태이거나 레이저빔 조사가 이루어지다가 잠시 정지된 상태인 경우, 제어부(180)는 냉각가스 공급부(170)의 구동을 제어하여 이슬점 온도 이상의 냉각가스가 공급되도록 한다.
부연하자면, 만약 제1 집광헤드 본체(110)의 온도가 일정온도 이하인 경우, 구체적으로 레이저빔의 저출력 상태이거나 레이저빔 조사가 이루어지다가 잠시 정지된 상태인 경우, 노즐(160) 부위로 이슬점온도 이하의 냉각가스가 제공되면 제1 집광헤드 본체(110)에 이슬이 발생하게 되며 나아가서는 내부 렌즈들의 파손이 발생하게 된다. 따라서, 초기 구동시나 레이저빔의 저출력 상태시에는 이슬점 온도 이상의 냉각가스를 제공하여 전술한 바와 같이 이슬의 발생을 방지함과 더불어 노즐과 렌즈 부위의 온도 상승을 저감할 수 있다.
이후, 레이저 가공기의 작동이 일정 이상 진행됨(고출력 레이저빔에 의한 가공)에 따라 노즐 부위, 렌즈 주변의 온도가 일정 이상 증가한 경우, 즉 제어부(180)가 온도센서(115)의 감지 온도를 전달받아 일정 온도 이상인 것으로 판단되면 제어부(180)는 냉각가스 공급부(170)를 구동하여 이슬점 온도 이하의 냉각가스를 노즐(160) 부위로 분사하여 노즐(160) 및 제1 집광헤드 본체(110)의 온도 증가를 최대한 억제할 수 있다. 본 발명은 이와 같은 냉각가스 분사 구조를 적용하여 더 큰 출력의 레이저 가공기를 제작할 수 있는 이점이 있다.
온도센서 감지값 수신을 통한 제어부(180)의 냉각가스 제공에 대해 좀 더 부연설명하면, 제어부(180)는 온도센서(115)의 감지값이 기설정 온도값(일 예로 30도) 이하인 경우에는 이슬점 온도 이상의 냉각가스가 노즐 부위로 공급되도록 하고, 기설정 온도값 이상인 경우에는 냉각가스 공급부를 구동하여 이슬점 온도 미만의 냉각가스가 냉각가스 배출구(158)를 통해 분사되도록 일차적으로 제어한다.
이후, 제어부(180)는 주기적으로 온도센서(115)의 감지값을 전달받으며, 감지된 제1 집광헤드 본체(110)의 온도가 이전보다 더욱 증가한 상태라고 판단되면 냉각가스 공급부(170)를 제어하여 냉각가스 배출구(158)를 통해 배출되는 냉각가스의 배출 유량과 유속을 일정이상 증가시키거나, 냉각가스의 온도를 더 감소시킬 수 있다.
마찬가지로, 제어부(180)는 이후에도 주기적으로 온도센서(115)의 감지값을 전달받으며, 감지된 제1 집광헤드 본체(110)의 온도가 설정 임계치를 초과하는 것으로 감지되면, 제1 집광헤드 본체(110) 내부의 복수의 렌즈들의 정렬상태가 불량한 것으로 판단하여 경고음, 경고램프 등을 발생시킴과 더불어 레이저 가공기의 구동을 전체적으로 정지시킨다.
부연하자면, 노즐 주변으로 이슬점온도 이하의 저온의 냉각가스를 분사시켰음에도 불구하고 온도센서(115)의 감지값이 설정 임계치를 초과하는 상황이 발생한다면, 제어부(180)는 이러한 온도 증가의 요인으로 복수의 렌즈들이 정렬 불량상태인 것으로 판단한다. 이후, 작업자는 렌즈들을 결합 분리하고 재정렬 배치 작업을 수행한 후 레이저 가공작업을 재실시할 수 있다.
다음, 도 1에 도시한 바와 같이, 피딩 화이버 커넥터(200)는 집광헤드(100) 내부로 레이저빔을 제공하도록 피딩 화이버(210)가 마련되는 것으로서, 집광헤드(100)와 분리 가능하도록 결합된다.
피딩 화이버 커넥터(200) 내부에는 제1 집광헤드 본체(110)와 마찬가지로 화이버 냉각수 순환경로(220)가 마련되며, 피딩 화이버 커넥터(200)의 일측에는 화이버 냉각수 입구(230)가 마련되고 타측에는 화이버 냉각수 출구(240)가 마련되며, 그 사이를 연결하도록 화이버 냉각수 순환경로(220)가 연통된다.
화이버 냉각수 순환경로(220)는 화이버를 기준으로 이격되게 마련됨으로써, 고출력 레이저빔 조사에 의해 특히 제1 집광헤드 본체(110) 내의 렌즈 부위로 고온의 열이 전달되어 렌즈 손상이 발생하는 것을 더욱 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 피딩 화이버 커넥터(200) 내부로는 작업장 내 공기의 이슬점 온도 이상의 냉각수가 항시 유동하도록 하며, 이로부터 유발되는 효과는 제1 집광헤드 본체 내부로의 냉각수 순환을 통해 발생하는 효과와 동일한 바 이하 중복 설명은 생략한다.
이상 설명한 본 발명은 온도센서(115)를 통해 렌즈 주변의 온도를 감지하고 감지된 온도를 기반으로 노즐 부위로 냉각가스를 분사함으로써, 레이저빔이 복수의 렌즈를 100% 통과하지 못함으로 인해 렌즈 주변에 발생하는 고온의 열, 가공물을 향해 조사되어 역반사되는 역반사 레이저빔에 의해 특히 노즐부위에 발생하는 고온의 열, 제1 집광헤드 본체 내의 복수의 렌즈들의 정렬 불량으로 발생하는 고온의 열 등이 실질적으로 렌즈로 작용하여 렌즈의 파손이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 온도센서(115)의 감지값을 통해 냉각가스 분사를 제어함으로써, 예를 들어 렌즈의 정렬 불량 상태가 미미한 경우에는 충분히 렌즈 부위의 온도상승을 억제할 수 있다. 또한, 이슬점 온도 이하의 냉각가스를 노즐 부위로 공급함으로써 역반사 레이저빔에 의해 노즐의 파손이 발생하는 것을 방지함과 더불어 일종의 냉각가스 차단막을 형성하여 노즐 부위의 발생열이 렌즈 측으로 전달되는 것을 효율적으로 차단할 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
10: 레이저 가공헤드 조립체 100: 집광헤드
110: 제1 집광헤드 본체 111: 평행광 렌즈
112: 집광렌즈 115: 온도센서
116: 렌즈 홀더 117: 냉각수 순환경로
118: 수직 순환경로 118: 수평 순환경로
135: 절단가스 공급구 150: 제2 집광헤드 본체
151: 냉각가스 유로 152: 제1 냉각가스 유로
153: 제2 냉각가스 유로 155: 노즐 연결부
157: 커버부 158: 냉각가스 배출구
160: 노즐 170: 냉각가스 공급부
180: 제어부 200: 피딩 화이버 커넥터
220: 화이버 냉각수 순환경로

Claims (8)

  1. 가공물을 향해 레이저빔을 조사하고 절단가스를 분사하도록 단부에 노즐이 마련되고 내부에 레이저빔과 절단가스의 이동경로가 마련되며, 내부에 복수의 렌즈가 배치되고 상기 복수의 렌즈 주변의 온도변화를 감지하기 위한 온도센서가 마련되며 냉각수가 순환되도록 냉각수 순환경로가 마련되는 제1 집광헤드 본체와, 일측 및 타측이 상기 제1 집광헤드 본체와 상기 노즐에 각각 결합되고 상기 노즐 부위로 냉각가스를 공급하도록 냉각가스 유로가 마련되는 제2 집광헤드 본체를 포함하는 집광헤드;
    상기 냉각가스를 공급하는 냉각가스 공급부; 및
    상기 온도센서의 감지값을 전달받아 상기 냉각가스 공급부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 제1 집광헤드 본체 내부로는 작업장내 공기의 이슬점 온도 이상의 냉각수가 항시 유동하도록 하고,
    상기 제어부는,
    상기 온도센서의 감지값이 기설정 온도값 이상인 경우에는 상기 냉각가스 공급부를 구동하여 작업장내 공기의 이슬점 온도 미만의 냉각가스가 공급되도록 하고,
    상기 온도센서의 감지값이 기설정 온도값 미만인 경우에는 상기 냉각가스 공급부를 구동하여 작업장내 공기의 이슬점 온도 이상의 냉각가스가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공헤드 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 집광헤드 본체와 상기 노즐 사이에는 냉각가스 배출구가 마련되며,
    상기 냉각가스 유로는,
    상기 레이저빔의 이동경로인 빔 이동경로와 이격되며 빔 이동경로를 둘레방향으로 감싸도록 상기 제1 집광헤드 본체에 마련되는 제1 냉각가스 유로; 및
    상기 제1 냉각가스 유로와 상기 냉각가스 배출구를 서로 연통하도록 상기 제2 집광헤드 본체에 마련되는 제2 냉각가스 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공헤드 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 집광헤드 본체는,
    상기 복수의 렌즈를 통과한 레이저빔과 외부에서 상기 빔 이동경로로 공급되는 절단가스가 상기 노즐을 통해 동시에 조사 및 분사되도록, 내측에 빔 및 가스경로가 마련되는 노즐연결부; 및
    상기 노즐연결부와의 사이에 상기 제2 냉각가스 유로를 형성하도록 노즐연결부를 둘레방향으로 감싸는 형상으로 이루어지는 커버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공헤드 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 노즐연결부와 상기 커버부는 일정이상의 내열성을 갖는 세라믹 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 가공헤드 조립체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 노즐연결부는 상기 제1 집광헤드 본체에 결합되는 일측에서 노즐을 향하는 타측으로 갈수록 외경이 점차 감소하도록 테이퍼지고, 상기 커버부의 내면은 상기 노즐연결부와 대응하도록 테이퍼지게 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 가공헤드 조립체.

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