KR20000067871A - 레이저 광원으로부터 발생한 레이저 빔을 차단하고 작동 영역을 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작동 영역을 둘러싸고 부스(booth), 벽이나 스크린과 같은, 레이저 광원(38)으로부터 발생한 레이저 빔을 차단하는 보호 장치를 위한 벽 기소(10)에 관련된다. 이 벽 기소(10)는 작동 영역과 인접한 내벽(12) 및, 내벽(12)과 평행을 이루고 상기 내벽(12)에 비해 작동 영역으로부터 더 많이 떨어져 있는 외벽(14)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 레이저 광원이나 처리 장치를 비활성화시키는 비상 정지 장치를 작동하기 위해서, 내벽(12)과 외벽(14)은 철판이나 강철판과 같은 금속재로 구성되고, 내벽(12)은 작동 영역을 향하고 있는 면(18)에 흡수력이 높은 물질로 코팅(16)되고 내벽(12)을 향하고 있는 외벽(14)의 표면(22)은 낮은 흡수력을 가진다.

Description

레이저 광원으로부터 발생한 레이저 빔을 차단하고 작동 영역을 둘러싸고 있는 보호 장치의 벽 기소{WALL ELEMENT FOR A PROTECTIVE DEVICE SURROUNDING AN OPERATING OR WORKING AREA AND PROTECTING AGAINST LASER BEAMS FROM A LASER SOURCE}

레이저 빔 처리 장치에 끼워맞추어진 상기 보호 장치는 독일 특허 89 08 806 U1에서 발표되었다. 상기 보호 장치의 벽 부분은 레이저 빔 흡수재 또는 플라스틱재로 만들어진 내창과 외창의 안쪽을 따라 이동하는, 전도체로서 이융 와이어로 형성된 외부 유리나 플라스틱 창으로 구성된다. 상기 이융 와이어는 리드(lead)에 의해 처리기의 비상 꺼짐 회로와 연결된다. 만일 처리기의 예외적인 작동이 발생하는 동안 레이저 빔이 하나의 벽 기소에 닿는다면, 내창 재료의 흡수율이 비교적 높기 때문에 내창은 비교적 넓은 면적에 대해 용융을 일으킨다. 최근접 전도 와이어를 녹여서 내부의 낮은 연속 전류를 중단시킬 정도로 발생된 온도는 충분히 높다. 전류가 중단되므로, 비상 꺼짐 회로와 레이저 광원 및 처리기는 모두 정지된다. 비상 꺼짐 회로는 벽 기소의 유리창이 입사 레이저 빔에 의해 완전히 용융되기 전에 감응하도록 만들어진다.

또 레이저 시스템에서 광 섬유 케이블의 감시 기술 및 레이저 광의 감시 기술은 공지되어 있다. 레이저 용접할 때, 발생된 플라즈마는 포토셀을 이용해 감시될 수 있다. 끝으로 시스템은 레이저 광으로 끼워맞추어질 수 있는데 이것은 잔류 반사를 기초로 레이저 광원에서 발생한 빔이 광 섬유를 통과하고 공간으로 산란되는지 아닌지 탐지한다.

공지된 모든 감시 시스템 또는 보호 시스템의 기능은 비상 꺼짐 시스템을 작동시켜서 레이저 광원 또는 처리기를 정지시키는 것이다.

과거 사고와 더불어 실제적인 경험에 따르면 상기 감시 시스템은 보호 장치를 벗어난 레이저 빔에 대해 100%의 신뢰도를 부여하지 못했다. 왜냐하면 이 비상 꺼짐 장치는 용융 과정이 종료될 때까지 레이저 빔이 보호 장치에서 빠져나오지 못할 정도로 충분히 빠르게 작동될 수 없기 때문이다.

전문적인 견해에 따르면 공지된 보호 장치는 만족스럽지 못하다. 95년 11월 EN 12,254의 "레이저 작동 공간의 차단"이라는 논문에서 벽 기소에 사용되는 재료를 다양하게 적용해 보았으나, 해결책이 되지 못했다. 또 20회 IEC 8254 "레이저가드"의 초안은 전세계적으로 토론되었으나 현재 재고, 수정되고 있다. 이 초안에 따르면 수동 벽 기소를 가압수 또는 공기로 채운다. 이 벽 기소는 누설을 막도록 만들어져야 하므로 높은 생산 비용이 든다. 또, 제대로 작동하지 않는 경우에, 벽 기소로부터 스며나온 물은 작동 영역으로 배출되므로 누전의 위험을 수반한다. 벽 기소로서 압력 용기를 사용한다면, 가압-용기가 안전하게 조절되고 있는지 관찰해야 한다. 전술한 초안은 수동 벽과 유사한 형태를 가지지만, 내부 공간과 외부 공간 사이의 온도 차이 또는 압력 차이를 감지하는 센서를 구비한, 레이저-빔 보호 장치를 위한 활성 벽 기소에 대해서도 다룬다. 전술한 종류의 해결책은 만족스러운 결과를 가져 왔지만, 구조가 복잡하고 벽 기소의 제작 비용이 많이 들기 때문에 바람직하지 못하다.

본 발명은 레이저 광원으로부터 발생한 레이저 빔의 작동 공간을 둘러싸고, 캐빈(cabin), 벽 또는 스크린 형태인 보호 장치의 벽 기소에 관련되는데, 이 벽 기소는 레이저 빔의 작동 영역과 이웃한 내벽 및 작동 영역으로부터 더 멀리 떨어져 있고 내벽과 평행을 이루는 외벽으로 이루어진다.

도 1 은 내벽과 외벽으로 이루어진 본 발명에 따른 벽 기소의 제 1 실시예를 나타낸 도면,

도 2 는 추가 격벽을 포함하는 도 1에 나타낸 본 발명의 제 2 실시예를 나타낸 도면,

도 3 은 두 개의 격벽으로 구성되고, 도 1에 나타낸 본 발명에 따른 벽 기소의 다른 실시예를 나타낸 도면,

도 4 는 두 개의 격벽으로 구성된, 도 1에 나타낸 본 발명에 따른 벽 기소의 다른 실시예를 나타낸 도면으로, 하나의 격벽은 흑연으로 만들어지거나 흑연으로 코팅된다,

도 5 는 도 1에 나타낸 본 발명에 따른 벽 기소의 다른 실시예를 나타낸 도면으로, 연기 센서는 내부 공간에 장착된다.

*부호 설명

10 ... 벽 기소 12 ... 내벽

14 ... 외벽 16 ... 피복부

18,20, 22, 32 ... 측면 24,26,28 ... 격벽

30 ... 페인트 도포층 34,36 ... 틈

38 ... 레이저 광원 42,44 ... 단부면

46,48 ... 센서 50 ... 보링구멍

본 발명의 목적은 아주 쉽게 제작할 수 있고 레이저 등급 1에 대해 보호 장치의 요구를 충족시키도록 전술한 종류의 벽 기소를 만드는 것이다. 이 벽 기소는 100초동안 유지된다. 즉, 레이저 빔은 100초 내에 벽 기소를 뚫을 수 없다. 또 MZB 값이 관측되어야 한다. 본원에서, "레이저 빔" 또는 "레이저 광원"은 재료를 파괴할 정도로 충분히 높은 전력을 가지는 레이저를 나타낸다. 이 레이저 광원은 30kw의 전력을 가지는 CO₂레이저, 헬륨, 아르곤, 루비 및 Nd-YAG 레이저가 있다.

본 발명은, 금속 예를 들면 철이나 강철판으로 내벽 및 외벽을 만들어줌으로써 전술한 문제점을 해결하는데, 이 내벽은 작동 공간을 향하는 측면에 흡수율이 높은 코팅 물질을 도포하고 내벽을 향하는 외벽 표면의 흡수율은 낮다.

이 벽 기소는 제대로 작동하지 않고 벽 기소에 입사된 레이저 빔이 갈라지는 경우에, 측면의 피복부는 빔이 입사할 때 가열되고 연소되도록 한다. 입사점으로부터 방사상 열 소산은 부적절하고, 적절한 페인트가 사용된다면 점화 부분은 원형 공간으로 제한될 것이다. 생성된 기체는 자체 분기 이상으로 빔을 넓힌다. 즉 빔은 변형(열 팽창)되어서 레이저 빔의 전력 밀도는 상당히 줄어든다. 분기하는 빔의 가장자리 근처의 온도는 내벽 피복물의 연소시에 생성된 기체에 의해 낮아진다. 더 낮은 흡수율, 즉 더 높은 반사율을 가지는 외벽은 내벽 바깥쪽 면에 의해 방출되는 열 에너지를 반사하고, 100초 동안 외벽 측부는 일부만 가열된다. 대체로, 본 발명에 따른 벽 기소는 비용과 구조면에서 경제적이고, 레이저 빔에 의해 발생된 입사 부위에서 가스나 증기의 생성은 가스나 증기 내에서 레이저 광을 강하게 산란시킴으로써 레이저 빔의 실효 감쇠를 일으킨다.

본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 검은 색 페인트로 코팅된다. 내벽의 안쪽에 한번 더 코팅되므로, 제대로 작동 하지 못해 벽 기소의 내벽을 통하여 연소되면 다량의 가스 및 증기가 벽 기소의 내벽과 외벽 사이에 형성되고 더 많이 분기된다. 즉 레이저 빔 전력 밀도를 감쇠시킨다.

내벽과 외벽 사이에 하나 이상의 격벽을 장착하는 것이 유리하다. 이 격벽은, 벽 기소가 다양한 kw에서 작동하는 Nd-YAG 레이저로부터, 비교적 높은 전력의 레이저 빔을 차단할 때 특히 유용하다.

하나 이상의 격벽은 금속, 예를 들어 철 또는 강철판 및 흑연이나 흑연-피복된 판금으로 만들어질 수 있다. 흑연이나 흑연-피복된 판금은 흡수율이 높기 때문에 특히 적합하다. 벽 기소 내에서 특별한 격벽 결합체는 벽 기소의 수명을 100초 이상으로 증가시키고, 10kw 이상인 전력의 레이저 빔을 차단한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 격벽은 한 면에 특히 검은 색 페이트로 코팅된다. 제대로 작동하지 않는 경우에 내벽이 레이저 빔에 의해 용융되었다면, 격벽의 피복부는 연소되고 가스와 증기를 생성하며, 감쇠되는 레이저 빔을 벌어지게 한다.

또 흡수력이 높은 페인트로 외벽과 이웃한 격벽을 코팅하고 내벽과 이웃한 격벽은 낮은 흡수력을 가지도록 만들어지는 것이 유리하다. 이런 특별한 구조는 벽 기소의 수명을 증가시키고, 요구되는 강도는 더 높은 전력에서 달성될 수 있다.

다양하게 적용해 본 결과 흑연으로 코팅된 판금 또는 모두 흑연인 격벽은 실용적인 것으로 밝혀졌다.

벽 기소의 내벽과 외벽 사이의 간격은 초기 레이저 빔의 직경과 거의 동일하다. "초기 빔"이라는 표현은 레이저가 광 섬유로 들어가기 전에 레이저로부터 방출하는 빔을 나타낸다. 이 크기를 관찰할 때, 전력 밀도가 감쇠하는, 빔의 유효 산란이 달성된다.

인접한 벽, 예를 들어 내벽과 격벽 또는 격벽과 격벽 또는 격벽과 외벽 사이의 간격은 레이저 빔의 초기 직경과 거의 일치한다. 벽 사이의 간격이 넓어지면 벽 기소의 최대 두께와 효율성 사이에 균형이 요구된다.

실험에 의하면 인접한 벽 사이의 간격은 60mm가 적합하다.

본 발명의 다른 실시예에서 벽 기소와 레이저 광원 사이의 거리는 레이저 광학 초점 길이의 4배 또는 5배이다. 원칙적으로 벽 기소는 전력 밀도가 너무 높기 때문에 레이저 광학의 초점 범위 내에 있지 않다. 또 이런 벽 기소의 구조는 사고 규제와 같은, 안전성을 고려해야 한다.

본 발명의 또다른 실시예에서, 다중-쉘 벽 기소의 단부면은 모든 면에서 밀봉된다. 따라서 벽 기소는 쉽게 처리되고 더 큰 복합재로 쉽게 결합되며, 제대로 작동하지 않는 경우에 벽 기소 내에서 발생되는 가스나 증기는 농축되어서 쉽게 빠져나가지 못한다.

본 발명의 다른 실시예에서 벽 기소는 수직, 상부 영역에서, 특히 단부면의 영역에 보링 구멍을 포함한다. 이 보링 구멍은 제대로 작동하지 못할 때 벽 기소 내부에 발생된 연기를 배출하는 역할을 한다.

제어 유닛에 연결되고 벽 기소의 내벽과 외벽 사이에 장착된 연기 또는 가스 센서는 더 큰 안전성을 부여한다. 이 제어 유닛은 오작동시에 비상 신호를 발생시키고 조작자가 항상 주의를 기울일 수 없는 완전 자동화 레이저 시스템에 특히 적합하다. 그러나 제어 유닛은 잠그고 전력을 감소시킴으로써 레이저에 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 또다른 개선점에 따르면, 다른 위치에서 벽 기소에 둘 이상의 센서가 장착된다. 센서를 두 개 사용함으로써 한 센서가 오작동할 때 레이저 빔이 정확하게 입사할 수 있도록 하고, 다른 하나의 센서는 유용한 여분의 시스템이다.

본 발명의 특히 유리한 실시예에서, 내벽과 외벽 그 사이의 격벽은 바깥쪽에서 그리고 벽 기소를 통하여 작동 영역을 광학 감시할 수 있도록 연속 폴리카보네이트나 유리층으로 이루어진 서로 높이가 동일한 창으로 끼워맞추어진다. 이 창 구조는 CO₂와 Nd-YAG 레이저에 의한 부하를 견딜 수 있다는 것을 알 수 있다. 이런 특징은 제 1 창을 통과한 후 이격된 제 2 창에 가해지는 부하가 지연될 때 레이저 빔이 상당량의 전력을 손실하는데 기인한다. 시간 지연은 또다른 창을 장착함으로써 증가될 수 있다.

하나 이상의 벽 기소를 끼워맞춘 레이저 빔을 막는 보호 장치에 관해서, 이 장치는 제작하기에 용이한 구조이고, 프레임은 강철 빔으로 구성되며 벽은 이 빔에 부착된다.

본 발명은 첨부도면에 나타낸 실시예를 참고로 기술된다.

도 1에 나타낸 벽 기소(10)는 레이저 광원(38)으로부터 발생하는 빔을 막는 보호 장치의 일부분이고 내벽(12) 및 이 내벽과 평행한 외벽(14)으로 이루어진다. 내벽(12)과 외벽(14)은 철이나 강철과 같은 금속성 재료로 만들어지고, 내벽(12)은 레이저 작용을 받는 영역을 향하는 측면(18)에 끼워맞추어지며, 바깥쪽 면(20)에 피복층(16)이 형성된다. 유리하게도 피복층(16)은 검정 페인트와 같은, 높은 흡수성을 가지는 페인트로 도포된다. 내벽(12)을 향하고 있는 외벽(14)의 측면(22)은 낮은 흡수성을 가진다. 이런 낮은 흡수성 또는 외벽(14) 측면(22)의 높은 반사성은 외벽(14)으로서 사용되고 반사 표면을 구성하는 철 또는 강철로 이루어진 미처리 판금을 사용함으로써 실제적으로 달성된다. 분명히 내벽(12)을 향하고 있는 외벽(14)의 측면(22)은 반사성을 높이도록 특별한 처리를 받아야 한다. 유리하게도 내벽(12)의 측면(20)도 코팅될 것이다.

도 2에 나타낸 실시예에서, 양면에 코팅되지 않은 격벽(24)은 내벽(12)과 외벽(14) 사이의 틈 내에 존재하고 낮은 흡수율, 즉 높은 반사성을 제공한다. 격벽은 높은 흡수성을 가지는 페인트로 한 면 또는 양면이 코팅될 수 있다는 것을 알 수 있다. 이런 상이한 구조는 특정 용도에 따라 달라진다.

도 3에 나타낸 실시예에서, 두 개의 격벽(24,26)이 사용되고, 격벽(24)은 코팅되지 않아서 반사하고, 격벽(26)은 코팅되어서 흡수한다.

도 4의 실시예에서, 두 개의 격벽(24,28)은 벽 기소의 내벽(12)과 외벽(14) 사이에 배치되고, 이 경우에 격벽(28)은 흑연으로 만들어지거나 흑연-코팅된 판금으로 만들어진다. 한편 격벽(24)은 코팅되지 않아서 반사율이 높다.

특정 용도에 부합하는 전술한 실시예는 본 발명의 범위 내에서 다양하게 변화시킬 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 기본 개념은 오작동시에, 벽 기소(10)를 적절히 만들어줌으로써, 특정 기체, 증기 및 연기를 생성할 수 있다는 것이다. 피복층(16)에 끼워맞추어진 각각의 벽은 이런 목적으로 제공된다. 예를 들어 격벽(26)은 내면(32)과 더불어 외면에서 페인트로 코팅된다. 특정 벽/격벽(12,14,24,26,28) 사이의 간격(32,34)은 레이저 광원(38)에서 발생하는 초기 빔의 직경과 일치한다. 인접한 벽/격벽(12,14,24,26,28) 사이의 공간(34,36)은 약 60mm 이상이 적합한 것으로 밝혀졌다. 벽 기소(10)와 레이저 광원(38) 사이의 거리(40)는 레이저 광학 초점 길이의 4배 또는 5배이어야 한다.

다중-쉘 벽 기소(10)의 단부 면(42,44)은 모든 면에서 닫혀진다. 그러나, 도 4에 개략적으로 나타낸 것처럼, 보링 구멍(50)은 단부면(42)과 이웃한, 수직, 상부 영역에 존재한다. 예를 들어 벽 기소(10)의 구조는 프레임으로 이루어지고, 이 프레임은 강철 빔 또는 횡단면이 일치하는 빔으로 구성되며, 벽/격벽(14,16,24,26,28)은 이 프레임에 부착된다

유리하게도 제어 유닛에 결합된 두 개의 연기 및 가스 센서(46,48)는 도 5에 나타낸 것처럼 벽 기소(10)의 내벽(12)과 외벽(14) 사이의 틈에 장착된다.

Claims (18)

1. 작동 공간과 이웃한 내벽(12) 및 내벽(11)보다 작동 공간으로부터 더 멀리 떨어져 있고 내벽(12)과 평행을 이루는 외벽(14)을 포함하고, 레이저 광원(38)으로부터 발생한 레이저 빔을 차단하도록 작동 공간을 둘러싸는 캐빈, 벽 또는 스크린과 같은 장치를 위한 벽 기소(10)에 있어서,

   내벽(12)과 외벽(14)은 철이나 강철 판금과 같은, 금속재로 만들어지고, 내벽(12)은 작동 공간을 향하고 있는 측면(18)에 흡수력이 높은 코팅 물질(16)로 도포되고 내벽(12)과 마주보는 외벽(14)의 측면(22)은 흡수력이 낮은 물질로 도포되는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
2. 제 1 항에 있어서, 코팅 물질(16)은 검정색 페인트인 것을 특징으로 하는 벽 기소.
3. 상기 청구항에 있어서, 하나 이상의 격벽(24,26,28)은 내벽(12)과 외벽(14) 사이에 장착되는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
4. 상기 청구항에 있어서, 하나 이상의 격벽(24,28)은 철이나 강철 판금 및 흑연이나 흑연으로 코팅된 판금인, 금속재로 만들어지는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
5. 제 3항 또는 4항에 있어서, 격벽(26)은 한쪽 측면(32)에 특히 검정색 페인트(30)를 이용해 코팅(18)되는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
6. 제 3항 내지 5항 중 한 항에 있어서, 외벽(14)과 이웃한 격벽(26)은 흡수력이 높은 페인트(30)로 코팅되고 내벽(12)과 이웃한 격벽(24)의 흡수력은 낮은 것을 특징으로 하는 벽 기소.
7. 제 3항 내지 6항 중 한 항에 있어서, 격벽(28)은 흑연 또는 흑연-코팅된 판금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
8. 상기 청구항 중 한 항에 있어서, 내벽(12)과 외벽(14) 사이의 공간(34)은 레이저 광원(38)에서 발생하는 초기 빔의 직경과 일치하는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
9. 상기 청구항 중 한 항에 있어서, 내벽(12)과 격벽(24) 및 격벽(24)과 격벽(26,28) 또는 격벽(24,26,28)과 외벽(14) 사이와 같은 인접한 벽과 격벽 사이의 공간(36)은 레이저 광원(38)에서 발생한 초기 빔의 직경과 일치하는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
10. 상기 청구항 중 한 항에 있어서, 인접한 벽 및 격벽(12,14,24,26,28)의 간격(34,36)은 60mm 이상인 것을 특징으로 하는 벽 기소.
11. 상기 청구항 중 한 항에 있어서, 벽 기소(10)와 레이저 광원(38) 사이의 거리(40)는 광 섬유 초점 길이의 4배 내지 5배인 것을 특징으로 하는 벽 기소.
12. 상기 청구항 중 한 항에 있어서, 다중-쉘 벽 성분(10)의 단부면(42,44)은 닫혀져 있는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
13. 제 12 항에 있어서, 보링구멍(50)은 수직, 상부 영역, 즉 단부면(42)의 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
14. 상기 청구항 중 한 항에 있어서, 제어 장치에 연결된 연기 또는 기체 센서(46,48)는 내벽(12)과 외벽(14) 사이에 장착되는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
15. 제 14 항에 있어서, 둘 이상의 센서(46,48)는 벽 성분(10)에서 다른 위치에 장착되는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
16. 상기 청구항 중 한 항에 있어서, 내벽(12)과 외벽(14) 및 그 사이에 장착된 격벽(24,26,28)은 서로 동일한 높이의 폴리카보네이트 또는 유리창으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
17. 제 16 항에 있어서, 유리창은 둘 또는 그 이상의 연속적으로 적재된 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 벽 기소.
18. 상기 청구항 중 한 항에 따른 하나 이상의 벽 기소를 가지는 레이저 빔을 차단하는 보호장치에 있어서, 이 보호 장치는 강철 빔으로 이루어진 프레임이고 벽 및 격벽(14,16,24,26,28)은 이 프레임에 부착되는 것을 특징으로 하는 보호 장치.