KR20080011069A - 레이저 가공 헤드의 노즐 부재용 수납 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수납 장치(52), 특히 레이저 가공 헤드의 노즐 부재용 수납 장치에 관한 것으로서, 환상의 절연체 부재(18)와, 이 절연체 부재(18)의 재료와 다른 열팽창 계수를 갖는 재료로 구성되어 노즐 부재(38)를 탈착 가능하게 수납하기 위해 상기 절연체 부재(18)의 중앙 리세스부(26) 내에 배치되는 인서트(20)를 포함하는 수납 장치(52)에 관한 것이다. 상기 수납 장치(52)의 전기적 특성을 유지하면서도 부하 수용 능력을 증가시키기 위해, 상기 중앙 리세스부(26) 내부에서 상기 절연체 부재(18)의 내부 벽면과 상기 인서트(20)의 외부 벽면 사이에 복합 재료가 제공된다. 이 복합 재료는 특히 반경 방향으로 이루어지는 상기 인서트(20)의 팽창과 상기 절연체 부재의 팽창의 차이를 보상한다.
레이저 가공 헤드, 노즐 수납 장치, 절연, 열팽창, 복합재료

Description

레이저 가공 헤드의 노즐 부재용 수납 장치 {RECEIVING DEVICE, ESPECIALLY FOR A NOZZLE ELEMENT OF A LASER PROCESSING HEAD}
본 발명은 수납 장치, 특히 레이저 가공 헤드의 노즐 부재용 수납 장치에 관한 것이다.
레이저 가공 헤드를 이용하여, 예컨대 용접 혹은 절단 작업이 실행되는 방식으로 공작물은 레이저 빔에 의해 가공된다. 이를 위해 레이저 가공 헤드는 공작물에 상대적으로 적합한 방법으로 위치 결정된다. 위치 결정은 간격 조절 장치를 통해 이루어지되, 노즐 부재와 공작물 사이의 간격은 예컨대 용량성 경로 상에서 측정될 수 있으며, 이를 위해 커패시터 전극으로서 기능하는 공작물과 함께 커패시터를 형성하는 노즐 부재에는 교류 형태의 측정 전압이 인가된다. 이 경우 레이저 가공 헤드의 하우징에 장착되는 노즐 부재는 하우징으로부터 절연되어야 한다.
레이저 가공 헤드에 노즐 부재를 고정하기 위한 절연 부재가 종종 이용되며 그 기능에 대해서는 일반적으로 잘 알려져 있다.
예를 들어, DE 90 04 335 U1은 세라믹 절연체를 구비한 수납 장치를 개시하고 있다. 절연체는 레이저 가공 헤드용 금속 노즐 부재를 나사 체결하기 위한 암 나사를 구비한 금속 인서트를 수용하는 리세스부를 포함한다. 이때 인서트는 절연체 내에서 나사산이 없는 리세스부 내에 형상 잠금(shape-locked) 방식으로 압입되어 접착된다. 인서트를 구비한 수납 장치를 이용함으로써 노즐 부재는 레이저 가공 헤드에서 나사 체결 방식으로 조이거나 풂으로써 교체할 수 있다.
US 6,025,571은 세라믹 소재의 환상(annular)의 절연부와 중앙 리세스부 내에 장착되는 금속 인서트를 구비한 수납 장치를 개시하였다. 이 경우 인서트는 절연체 내부에서 축방향으로 제공되는 구멍을 통해 연장되는 나사에 의해 탈착 가능하게 고정된다. 그로 인해 열적 혹은 기계적 부하에 의해 야기되는 인서트의 탈락이 억제될 뿐 아니라 인서트의 용이한 교체도 가능하다. 금속 인서트 내에는 다시 노즐 부재가 나사 체결될 수 있다.
상기한 절연부의 일반적인 특징은 세라믹 절연체 내부에 침투하여 형상 잠금(shape-locked) 방식으로 중심 결정되는 금속 인서트에 있다. 그러나 이러한 유형의 형상 잠금 방식은 금속 인서트가 강하게 가열되는 상황에서는 문제가 된다. 특히 높은 레이저 출력으로 반사성 재료(reflecting material)를 가공할 때와 절단을 위한 플런지 커팅 시가 이에 해당한다. 금속 인서트를 강하게 가열할 때에 금속 인서트는 팽창하며, 이는 세라믹 절연부에 인장 부하를 초래하며, 과부하의 결과로 그 절연부는 파괴될 수 있다.
세라믹 소재는 일반적으로 비교적 낮은 인장 강도를 가지며, 그리고 전기적 특성과 세라믹 소재의 가격으로 사용 가능한 재료는 매우 제한되기 때문에, 통상적인 수단을 이용하여 단지 구조의 적당한 열적 부하 수용 능력만이 제공될 수 있다.
본 발명의 목적은 전기적 특성을 유지하면서도 부하 수용 능력이 상승되는 새로운 수납 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적은 청구항 제1항에 따른 수납 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 구현예 및 개선 실시예는 후술된다.
본 발명에 따라, 환상의 절연체 부재, 이 절연체 부재의 재료와 다른 열 팽창 계수를 갖는 재료로 이루어진 노즐 부재를 탈착 가능하게 수납하기 위해 절연체 부재의 중앙 리세스부 내에 장착되는 인서트, 그리고 중앙 리세스 내부에서 절연체 부재의 내부 벽면과 인서트의 외부 벽면 사이에 제공되는 복합 재료를 포함하는 수납 장치가 제공된다. 상기한 복합 재료는 특히 반경 방향으로 이루어지는 인서트의 팽창과 절연체 부재의 팽창의 차이를 보상한다.
다시 말해, 노즐 부재를 수납하기 위한 수납 장치에 있어서, 환상의 절연체 부재뿐 아니라 이 절연체 부재의 중앙 리세스부 내에 장착되는 금속 인서트를 포함하되, 금속 인서트의 외부 벽면과 절연체 부재의 내부 벽면 사이에는 예컨대 경질 땜납 혹은 접착제를 수용하기 위한 중간 공간이 존재하는 수납 장치가 제공된다. 이와 관련하여 인서트는 절연체 부재 내부로 나사 체결될 수 있다. 그렇게 함으로써 외부를 향해 반경 방향으로 작용하는 힘, 즉 가열 시에 인서트 및 절연체 부재의 상이한 팽창에 의해 발생할 수 있는, 인서트 원주 방향의 전단력은 복합 재료에 의해 보상되거나 흡수되며, 그렇게 함으로써, 특히 세라믹으로 제조된 절연체 부재가 파괴될 수 있는 가능성은 최소화된다.
이와 관련하여 복합 재료는 발생하는 높은 온도를 고려하여 바람직하게는 에폭시 수지 접착제 혹은 세라믹 접착제와 같은 고온 접착제이다.
그리고 양호한 세라믹-금속 결합을 위해 고온 접착제는 산화 알루미늄, 산화 규소 혹은 산화 마그네슘으로 이루어진 무기질 충전재를 함유하는 것이 바람직하다. 그 외에도 양호한 열 전도성을 위해, 질화 알루미늄으로 이루어진 충전재가 첨가될 수 있다.
또 다른 바람직한 구현예에 따라 복합 재료는 경질 땜납일 수도 있다.
특히 축방향으로 절연체 부재와 인서트의 결합의 높은 안정성을 달성하기 위해, 바람직하게는 절연체 부재의 중앙 리세스부 내에 상대 나사산을 구비한 인서트를 수납하기 위한 나사산이 제공된다.
우수한 전기적 절연 특성을 바탕으로, 바람직하게는 절연체 부재는 세라믹으로 제조되며, 이 경우 특히 나사산을 제공하기 위해 바람직하게는 절연체 부재는 절삭 가공이 가능한 유리 세라믹으로 제조된다.
인서트는 필요한 전기 전도성 및 바람직한 우수한 열전도성을 고려하여 더욱 바람직하게는 금속이나 혹은 금속 합금으로 제조되며, 이 경우 특히 바람직하게는 동, 청동, 혹은 황동으로 제조된다.
레이저 가공 시스템에서 실제로 사용하기 위해, 바람직하게는 절연체 부재는 인서트로부터 반대 방향으로 향해 있는 자체 축방향 단부에 외부를 향해 반경 방향 으로 연장되는 플랜지를 포함하되, 이 플랜지를 통해 수납 장치는 유니언 너트를 이용하여 레이저 가공 헤드의 하우징에 탈착 가능하게 고정된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 수납 장치는 하우징을 구비한 레이저 가공 헤드에 이용되며, 상기 하우징을 통해 가공 레이저 빔 경로가 안내된다. 이 가공 레이저 빔 경로는, 노즐을 하우징에 탈착 가능하게 고정하기 위해, 노즐을 통과하여 가공 대상물 쪽으로 유출된다.
본 발명에 따르면, 전기적 특성을 유지하면서도 부하 수용 능력이 상승된수납 장치를 제공할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 따라 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 가공 헤드의 노즐 영역을 부분 단면도를 포함하여 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 가공 헤드의 노즐 부재용 수납 장치를 절결하여 도시한 개략적 단면도이다.
도면에서 서로 대응하는 구조 부재는 동일한 도면 부호로써 도시되어 있다.
도 1은 레이저 가공 장치 혹은 시스템과 함께 사용되는 레이저 가공 헤드(10)의 일 부분을 도시하고 있다. 이 경우 레이저 가공 장치로부터 제공되는 가공 레이저 빔은 레이저 가공 헤드(10)를 통과하여 공작물(12) 상으로 조사된다. 이는 광축(L)에 의해 도시되어 있다.
레이저 가공 헤드(10)의 하우징(14)에는 유니언 너트(16)를 이용하여 환상의 절연체 부재(18)가 탈착 가능하게 고정된다. 인서트(20)는 반경 방향 플랜지(24)가 연결되는 부시(22)를 이용하여 환상 절연체 부재(18)의 리세스부(26) 내 중심에 삽입되고, 이하에서 도 2에 따라 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 상기 절연체 부재(18)와 다양한 방법으로 결합될 수 있다. 예컨대 도 1에서 볼 수 있듯이, 인서트(20)는 중앙의 리세스부(26) 내에 위치하는 나사산(28)에 나사 체결될 수 있다. 환상의 절연체 부재(18) 내에는 보어부(32)가 위치한다. 이 보어부(32) 내로는 핀(34)이 삽입된다. 인서트(20)와 그에 따라 이 인서트(20) 내에 고정되는 노즐 부재(38)를 전기적으로 접속시킬 수 있도록 하기 위해, 핀(34)은 인서트(20)의 보어부(36) 내로 맞물리며, 예컨대 납땜, 용접, 나사, 압입 등을 통해 상기 보어부(36) 내에서 고정된다. 이 경우 인서트(20)와 핀(34)의 우수한 접촉을 고려하면 납땜 혹은 용접이 특히 바람직하다.
노즐 부재(38)는 노즐 보어부(40)와, 에지부(44)를 구비한 반경 방향 플랜지(42)를 포함한다. 노즐 부재(38)는 수나사(46)를 이용하여 인서트(20)의 암나사(48)에 나사 체결된다. 금속 인서트(20)와 노즐 부재(38)의 나사 체결부를 용이하게 조이고 풀기 위해, 상기 에지부(44)에는 작은 돌기(knurl)가 제공될 수 있다. 노즐 부재(38)와 인서트(20) 사이에 중심 결정부로서 이용되는 것은 예컨대 원추형의 중심 결정면(50)이다.
도 2는 본질적으로 본 발명에 따른 수납 장치(52)만을 도시하고, 탈착 가능하게 고정된 노즐 부재(38)는 개략적으로 도시되어 있다. 레이저 가공 장치로부터 공급되는 가공 레이저 빔은 도시한 광축(L)을 따라 수납 장치(52)를 통과한다.
수납 장치(52)는 전술한 환상의 절연체 부재(18)와 인서트(20)를 포함한다.
환상의 절연체 부재(18)는 인서트(20)의 반대 방향으로 향해 있는 자체 축방향 단부에 바깥쪽을 향해 반경 방향으로 연장되는 플랜지(54)를 포함한다. 이 플랜지(54)를 통해 환상의 절연체 부재(18)는 유니언 너트(16)를 이용하여 레이저 가공 헤드(10)의 도 1에 도시한 하우징(14)에 탈착 가능하게 고정될 수 있다. 환상의 절연체 부재(18)의 직경은 통상적으로 25mm이며, 그 높이는 통상적으로 12mm이지만, 레이저 가공 헤드(10)의 각 사용 영역에 따라 또 다른 적합한 치수를 가질 수도 있다. 환상의 절연체 부재(18)는 전기 절연 재료, 특히 세라믹으로 제조된다.
도 2에 도시한 실시예에 따라, 절연체 부재(18)의 중앙 리세스부(26)의 내부 벽면에는 나사산(28)이 제공되며, 그를 통해 인서트(20)를 중앙의 리세스부(26) 내에 나사 체결할 수 있다. 이를 위해 특히 바람직하게는 예컨대 Corning Incorporated 사의 유리 세라믹 Macor와 같이 절삭 가공이 가능한 유리 세라믹이 이용된다. 상기한 유리 세라믹은 약 800℃의 작업 온도의 연속 작동 조건에서 이용할 수 있지만, 약 1000℃의 단기간 피크 온도 조건에서도 이용할 수 있다. 더욱이 상기한 재료는 우수한 전기 절연체이며, 낮은 열전도성을 갖는다. 그 외에도 상기한 재료는 접착이 가능할 뿐 아니라 경질 납땜도 가능하다는 장점을 가지고 있다.
인서트(20)는 전기 전도성 재료, 특히 금속이나 금속 합금으로 제조된다. 이 경우 높은 온도가 발생할 시에 재료의 파괴를 회피하기 위해 이용되는 재료는 높은 용융점을 가지고 있어야 하는 점이 중요하게 작용한다.
그러므로, 예컨대 레이저 절단 시 공작물 내에 플런지 커팅 공정이 이루어질 시에 1000℃ 이상의 국소적 피크 온도가 발생할 수 있다. 이를 위해, 국소적 피크 온도를 양호하게 유도하여 분배할 수 있도록 하기 위해, 이용되는 재료는 우수한 열전도성을 가지고 있어야 한다. 특히 적합한 재료는 예컨대 동, 청동 혹은 황동이다.
인서트(20)는 다음에서 기술하는 바와 같이 절연체 부재(18)의 중앙 리세스부(26) 내에 다양한 방법으로 고정될 수 있다. 다음에서 기술하는 모든 실시예와 관련하여, 중앙 리세스부(26)의 내부 벽면과 인서트(20)의 부시(22)의 외부 벽면 사이에 갭 혹은 중간 공간이 존재함으로써, 인서트(20)로부터 주변의 절연체 부재(18)로 축방향으로 직접적인 접촉에 의해 이루어지는 직접적인 힘 전달은 회피된다는 사실이 공통적으로 적용된다.
예컨대, 인서트(20)를 용이하게 중앙 리세스부(26) 내에 나사 체결하기 위해, 절연체 부재(18)의 중앙 리세스부(26)의 내부 벽면과 인서트(20)의 부시(22)의 외부 벽면은 각각 나사산과 상대 나사산을 구비할 수 있다. 그러나 다음에서 설명되는 복합 재료에 양호한 고정성을 부여하기 위해, 중앙 리세스부(26)의 내부 벽면 및/또는 인서트(20)의 부시(22)의 외부 벽면은 표면이 거칠게 처리될 수도 있다.
복합 재료는 중앙 리세스부(26)의 내부 벽면과 인서트(20)의 부시(22)의 외부 벽면 사이의 중간 공간에 삽입되어, 한편으로는 절연체 부재(18)와 인서트(20) 를 견고하게 연결하며, 다른 한편으로 가열 시에 인서트(20)와 특히 부시(22)의 팽창을 자체 탄성력을 통해 수용하면서, 반경 방향으로 작용하는 힘을 완화하거나 완충시키는 과제를 충족한다. 그러므로 절연체 부재(18) 쪽으로 이루어지는 직접적인 힘 전달은 다양한 열팽창 계수를 바탕으로 억제되며, 그리고 그와 결부된 절연체 부재(18)의 파괴 가능성은 최소화된다. 또한, 절연체 부재(18)에 인서트(20)를 더욱 확실하게 고정하기 위해, 복합 재료가 인서트(20)의 반경 방향 플랜지(24)와 절연체 부재(18)의 저면 사이에 삽입될 수 있다.
복합 재료로서는 접착제나 땜납이 이용될 수 있다. 접착제의 경우 예컨대 에폭시 수지와 같은 고온 접착제가 특히 적합하다. 그러나 무기질 충전 재료가 혼합되어 있는 특수한 세라믹 접착제도 이용할 수 있다. 이와 관련하여 충전 재료는 다양한 과제를 충족할 수 있는데, 예컨대 세라믹-금속 결합이 강화되거나 접착제의 열적 전도성이 증가할 수 있다. 이 경우 가능한 충전 재료로는 산화 알루미늄, 산화 규소, 질화 알루미늄, 산화 마그네슘 혹은 산화 지르코늄으로 구성되되, 동 혹은 황동과 세라믹을 결합시키기 위해서는 산화 마그네슘이나, 혹은 산화 알루미늄과 산화 규소로 이루어진 혼합물이 특히 적합하다.
땜납의 경우는 발생하는 높은 온도를 고려하면 경질 땜납이 특히 적합하다. 이와 관련해서는 전술한 유리 세라믹이 특히 적합한데, 왜냐하면 이 유리 세라믹은 경질 납땜이 가능하며, 그에 따라 액상 땜납이 모세관 현상에 기초하여 부시(22)와 절연체 부재(18) 사이에 제공되는 전술한 중간 공간 내로 유입될 수 있기 때문이다.
다시 말해, 복합 재료를 이용함으로써, 인서트는 절연체 부재(18) 내부에서 충분히 견고하게 고정될 수 있으며, 인서트와 절연체 부재 사이에서 금속 인서트(20)가 가열되고, 그에 따라 팽창할 때에, 그 인서트(20)를 둘러싸는 환상의 절연체 부재(18)에 작용하는 힘은 상기한 복합 재료에 의해 흡수될 수 있다. 이런 실시예는 내부의 인장 부하에 의해 절연체 부재(18)의 바람직하게는 세라믹인 재료가 파괴될 가능성이 최소화된다는 장점을 갖는다. 그러므로, 본원의 수납 장치(52)의 높은 부하 능력뿐 아니라 오랜 수명이 보장된다. 그 외에도 레이저 가공 헤드(10)의 작동 시에 절연체 부재(18)가 파괴됨으로써 공작물(12) 혹은 레이저 가공 헤드(10)에서 야기될 수 있는 기타 손상도 회피된다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 가공 헤드의 노즐 영역을 부분 단면도를 포함하여 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 가공 헤드의 노즐 부재용 수납 장치를 절결하여 도시한 개략적 단면도이다.

Claims (12)

  1. 수납 장치(52)로서,
    환상의 절연체 부재(18); 이 절연체 부재(18)의 재료와 다른 열 팽창 계수를 갖는 재료로 구성되어 노즐 부재(38)를 수납하기 위해 상기 절연체 부재(18)의 중앙 리세스부(26) 내에 배치되는 인서트(20); 및 상기 중앙 리세스부(26) 내부에서 상기 절연체 부재(18)의 내부 벽면과 상기 인서트(20)의 외부 벽면 사이에 제공되어 반경 방향으로 이루어지는 상기 인서트(20)의 팽창과 상기 절연체 부재의 팽창의 차이를 보상하는 복합 재료;를 포함하는 수납 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복합 재료는 고온 접착제인 것을 특징으로 하는 수납 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 고온 접착제는 에폭시 수지 혹은 세라믹 접착제인 것을 특징으로 하는 수납 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 고온 접착제는 산화 알루미늄, 산화 규소 혹은 산화 마그네슘으로 이루어진 무기질 충전재를 함유하는 것을 특징으로 하는 수납 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복합 재료는 경질 땜납인 것을 특징으로 하는 수납 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연체 부재(18)의 중앙 리세스부(26) 내에는 상대 나사산을 구비한 인서트(20)를 수용하기 위한 나사산(28)이 제공되는 것을 특징으로 하는 수납 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연체 부재(18)는 세라믹으로 제조되는 것을 특징으로 하는 수납 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 절연체 부재(18)는 절삭 가공이 가능한 유리 세라믹으로 제조되는 것을 특징으로 하는 수납 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인서트(20)는 금속 혹은 금속 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 수납 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 인서트(20)는 동, 청동 혹은 황동으로 제조되는 것을 특징으로 하는 수납 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연체 부재는 인서트(20) 의 반대 방향으로 향해 있는 자체 축방향 단부에 외부 방향을 향해 반경 방향으로 연장되는 플랜지(54)를 포함하되, 이 플랜지(54)를 통해, 상기 수납 장치(52)는 유니언 너트(16)를 이용하여 레이저 가공 헤드(10)의 하우징(14)에 탈착 가능하게 고정될 수 있는 것을 특징으로 하는 수납 장치.
  12. 가공 레이저 빔 통로를 안내하는 하우징(14)을 포함하는 레이저 가공 헤드(10)로서,
    상기 가공 레이저 빔 경로는 노즐(38)을 통해 가공 대상물 측으로 유출되되, 상기 노즐(38)은 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따르는 수납 장치(52)를 이용하여 하우징(14)에 탈착 가능하게 고정되어 있는 레이저 가공 헤드.
KR1020070074146A 2006-07-28 2007-07-24 레이저 가공 헤드의 노즐 부재용 수납 장치 KR101465200B1 (ko)

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