KR20080048908A

KR20080048908A - 레이저 빔을 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공헤드

Info

Publication number: KR20080048908A
Application number: KR1020070074339A
Authority: KR
Inventors: 슈베르트 피터
Original assignee: 프레치텍 카게
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2008-06-03
Also published as: CN201076974Y

Abstract

본 발명은 레이저 빔을 이용하여 공작물(14)을 가공하기 위한 레이저 가공 헤드(10)에 관한 것이다. 본 발명의 레이저 가공 헤드는 유입구로부터 유출구까지 레이저 빔용 광로가 관통하는 하우징(12), 레이저 빔의 광로 내에 배치되는 집속 광학 장치(68), 및 상기 집속 광학 장치(68)와 상기 유출구 사이의 공간(82)으로 공정 가스를 유입시키기 위한 공정 가스 공급부를 포함하며, 상기 공간(82)으로부터 공정 가스가 레이저 빔과 함께 상기 유출구를 통해 유출되며, 이때 공정 가스는 상기 집속 광학 장치(68)의 빔 유출측 표면의 방향으로 상기 공간 내로 유입될 수 있다.

레이저, 가공, 헤드

Description

레이저 빔을 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공 헤드{LASER PROCESSING HEAD FOR PROCESSING A WORK PIECE USING A LASER BEAM}

본 발명은 레이저 빔을 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공 헤드에 관한 것이다.

공지된 레이저 가공 헤드는 하우징과 레이저 빔 집속용 집속 광학 장치를 포함한다. 이와 관련하여, 집속 광학 장치는 측면에서 하우징 내에 삽입될 수 있는 플러그인 유닛(plug-in unit) 내에 배치된다.

집속 광학 장치는 렌즈를 구비한다. 렌즈는 레이저 가공 헤드가 작동하는 동안 열적 부하를 기반으로 레이저 빔의 초점을 이동시킬 수 있다. 이러한 점은 예컨대, 렌즈 표면의 변형이나 렌즈 소재의 굴절률의 변화에 의해 야기될 수 있으며, 그렇게 함으로써 렌즈의 초점 거리가 감소하게 된다. 렌즈의 가열을 근거로 이와 같은 초점의 이동을 억제하기 위해, 상기한 렌즈는 대체적으로 냉각된다.

그러므로, 예를 들어 냉각 가스 유동을 이용하여 렌즈를 냉각시키는 기술이 공지되었다. 냉각 가스 유동은 렌즈 고정 하우징 내부에서 렌즈의 주변을 따라 안내된다. 이를 위해, 하우징은 냉각 가스를 유입하기 위한 연결부와 냉각 가스 유출 어댑터를 구비한다.

DE 295 07 189 U1은 레이저 빔을 이용하여 공작물을 가공하기 위한 연결 헤드를 기술하고 있다. 연결 헤드는 하우징을 구비하며, 하우징 안으로 집속 광학 장치가 플러그인 유닛을 이용하여 삽입된다. 그리고, 플러그인 유닛의 빔 유입측 영역 안으로는 가압 상태에 있는 기체 형상 냉각 매체가 유입된다. 냉각 매체는 주변 채널을 통해 환상의 제한 장치(restricter) 쪽으로 안내된다. 가압 상태에 있는 기체 형상 매체는 제한 장치로부터 유출되고, 팽창하면서 냉각되며, 그런 다음 집속 광학 장치의 빔 유입측 표면과 만나게 된다. 이와 같은 방법으로, 집속 광학 장치는 집속 광학 장치의 빔 유입측 표면의 냉각을 통해 냉각된다.

본 발명의 목적은 레이저 가공 헤드에 있어서, 집속 광학 장치의 균일한 냉각이 달성되는 방식으로 상기한 레이저 가공 헤드를 개선하는 것에 있다.

본 발명의 목적은 특허 청구항 제1항에 따른 레이저 가공 헤드에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들에 제시된다.

본 발명에 따르면, 레이저 빔을 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공 헤드가 제공되며, 레이저 가공 헤드는, 하우징, 레이저 빔의 광로에 배치되는 집속 광학 장치, 및 집속 광학 장치와 유출구 사이의 공간에 공정 가스를 유입하기 위한 공정 가스 공급부를 포함하며, 레이저 빔용 광로는 유입구에서부터 유출구까지 상기 하우징을 통과하여 안내된다. 그리고, 집속 광학 장치와 유출구 사이의 공간으로부터 공정 가스는 레이저 빔과 함께 유출구를 통해 유출되며, 이때, 그 공정 가스는 집속 광학 장치의 빔 유출측 표면의 방향으로 향하면서 상기 공간 내로 유입될 수 있다.

다시 말해, 내부에 집속 광학 장치가 배치되는 하우징을 포함하는 레이저 가공 헤드가 제공된다. 집속 광학 장치를 통해서 레이저 빔은 공작물 상에 집속되며, 추가로 노즐 부재를 통해 공정 가스가 공작물 상으로 편향된다. 이와 관련하여, 공정 가스는 추가로 집속 광학 장치를 냉각시키기 위해 이용된다. 이와 같은 냉각 작용은, 가스가 하우징으로부터 노즐 부재 내로 안내되기 전에, 그 가스는 공정 가스 공급부를 통해 집속 광학 장치의 렌즈에 있어 공작물로 향해 있는 그의 측면으로 배향되고, 그런 다음 그 반대되는 방향으로 하우징 혹은 노즐 부재의 유출구로부터 유출되면서 이루어진다.

특히, 간단하게 구성되는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따르면, 공정 가스 공급부는 레이저 빔 광로의 광학축을 중심으로 연장되는 환상 채널을 포함한다.

환상 채널은 공정 가스 공급부 연결부와 연결되며, 환상 채널의 횡단면은, 집속 광학 장치를 마주보면서 집속 광학 장치와 유출구 사이의 공간으로 개방되는 환상 간극 쪽을 향해 축방향으로 갈수록 가늘어진다.

이와 관련하여, 본 발명의 제1 실시예의 구조적 변경을 위해, 특히 간단하면서도 바람직하게는 환상 채널이 자체 외부 원주부에서는 원통형 관통 채널의 내부 벽부에 의해 범위가 한정되고, 자체 내부 원주부에서는 원통형 관통 채널 내에 삽입 장착되는 슬리브의 외부 원주벽부에 의해 범위가 한정된다. 이때, 특히 바람직하게는 환상 채널은, 관통 채널에 있어서 내부 방향을 향해 슬리브 쪽으로 연장되는 그의 연장부 구간을 이용하여 환상 간극 쪽으로 갈수록 가늘어진다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 공정 가스 공급부는 레이저 빔 광로의 광학축을 중심으로 연장되는 환상 채널을 구비한다. 환상 채널은 공정 가스 공급부 연결부와 연결되고, 다수의 노즐과 연결된다. 그 다수의 노즐을 통해 공정 가스는 집속 광학 장치와 유출구 사이의 공간 내로 안내된다. 본 발명에 따른 실시예는, 노즐들을 이용함으로써 공정 가스 흐름이 특히 목표한 바대로 집속 광학 장치 쪽을 향해 배향될 수 있다는 장점을 제공한다.

본 발명의 제2 실시예를 특히 복잡하지 않게 구조적으로 변경하기 위해, 바람직하게는 환상 채널은 환상 그루브로서 원통형 관통 채널의 내부 벽부 내에 형성되며, 자체 내부 원주면에서는 관통 채널에 삽입 장착되는 슬리브에 의해 범위가 한정된다. 슬리브는 다수의 노즐 채널을 포함하며, 이들 노즐 채널들은 슬리브 외부 벽부로부터 슬리브 내부 벽부 쪽으로 경사져서 집속 광학 장치의 방향으로 연장되어, 그 집속 광학 장치를 향해 배향되며, 그럼으로써 공정 가스 흐름은 집속 광학 장치의 빔 유출측 표면으로 편향된다. 이때, 특히 바람직하게는 슬리브 및 노즐 채널들은 그 내부에 매우 간단하게 제조된다.

양 측면으로부터, 다시 말해 공작물로 향하는 측면과 공작물의 반대 방향으로 향하는 측면으로부터 집속 광학 장치를 균일하게 냉각하는 점을 달성하기 위해, 바람직하게는 레이저 가공 헤드는 또한 집속 광학 장치와 유입구 사이의 공간으로 가스를 유입하기 위한 가스 공급부를 구비하며, 가스는 집속 광학 장치의 빔 유입측 표면의 방향으로 향하면서 상기한 공간 내로 유입된다.

공작물에 공정 가스 빔을 집속할 뿐 아니라, 교류 전압을 통한 용량성 측정을 이용하여 공작물로부터 레이저 가공 헤드의 이격 간격을 조절하기 위해, 특히 바람직하게는 하우징의 유출구에는 센서 전극을 포함한 노즐 전극이 탈거 가능하게 장착될 수 있다.

만일, 집속 광학 장치를 동일한 광학 특성 혹은 다른 광학 특성을 갖는 집속 광학 장치와 교체하거나, 집속 광학 장치를 세정하거나, 다른 여타의 방법으로 유지 보수해야 한다면, 바람직하게는 간단한 교체 혹은 집속 광학 장치에 대한 용이 한 접근을 가능케 하기 위해, 집속 광학 장치는 레이저 빔의 길이 방향에 대해 측면으로 하우징 내에 삽입될 수 있는 플러그인 유닛 내에 배치된다.

이를 위해, 목표하는 집속 광학 장치를 포함하는 새 플러그인 유닛을 하우징 안으로 측면에서 삽입하거나, 혹은 새 집속 광학 장치가 삽입된 기존 플러그인 유닛을 사용할 수 있다. 위의 두 경우에, 레이저 빔에 집속 광학 장치를 상대적으로 용이하게 조정할 수 있는데, 더욱 정확하게 말하면 외부로부터 접근이 가능한 조정 수단을 통해 조정할 수 있다. 조정 수단은, 플러그인 유닛이 이미 하우징 내에 다시 삽입되었을 때에만 집속 광학 장치의 조정을 허용한다. 그러므로, 집속 광학 장치의 위치 결정은 레이저 빔이 존재한 상태에서도 실행되며, 그럼으로써 그 위치 결정은 분명히 정확하게 이루어질 수 있다.

이때, 조정 수단은, 예컨대 노즐의 첨두부에 집속 광학 장치의 초점 위치를 상대적으로 위치 결정할 수 있도록 하기 위해, 레이저 빔의 길이 방향으로 집속 광학 장치를 이동시킬 수 있도록 형성된다. 이때, 노즐은 하우징의 빔 유출측 단부와 연결되며, 그 노즐을 레이저 빔이 통과한다.

또한, 조정 수단은 집속 광학 장치의 중심과 빔 중심을 일치시키기 위해, 레이저 빔의 길이 방향에 대해 수직으로 집속 광학 장치를 이동시킬 수 있도록 형성될 수도 있다.

공작물을 가공하기 위해 사용하는 공정 가스가 노즐 포트로부터 나오는 곳과 다른 위치에서 공작물 상부에 유출되는 것을 억제함으로써 노즐로부터 유출되는 공정 가스의 충분히 높은 압력을 달성하기 위해, 바람직하게는 플러그인 유닛은 가이 드 슬리브를 포함한다. 가이드 슬리브 내에는 집속 광학 장치가 배치되며, 가이드 슬리브의 빔 유출측 선단부에는 밀봉 링이 제공된다. 밀봉 링은, 집속 광학 장치와 유출구 사이의 공간 내로 유입되는 모든 공정 가스가 유출구를 통해 유출될 수 있는 방식으로 상기한 공간을 형성하기 위해, 가이드 슬리브가 삽입된 상태에서 하우징 바닥부와 가이드 슬리브 사이에 위치한다.

이와 관련하여, 하우징으로부터 인출된 플러그인 유닛으로부터 실링 링이 탈거되는 것을 억제하기 위해, 바람직하게는 가이드 슬리브는 자체 빔 유출측 선단부에 선단 그루브를 포함하며, 그루브 내로 실링 링이 삽입될 수 있다.

이와 관련하여, 공간이 가압 상태에 있을 때 특히 양호한 밀봉을 달성하기 위해 바람직하게는 밀봉 링은 C 링이다.

본 발명의 두 실시예에 설명된 바와 같이, 본 발명을 통해, 레이저 가공 공정에 이용되는 공정 가스를 집속 광학 장치(68)에 있어 공작물로 향해 있는 그의 측면을 냉각시키기 위해 이용할 수 있다. 또한, 집속 광학 장치(68)의 렌즈(68)로 배향된 가스 유동에 의해, 렌즈(69)의 표면에 점착된 입자 등이 제거될 수 있으며, 그럼으로써 렌즈(69)의 추가 가열은 점착성 입자의 빛 흡수에 의해 회피된다.

그 외에도, 집속 광학 장치(68)와 하우징(12)의 유입구 사이의 공간에 가스를 유입하기 위한 추가적인 가스 공급부가 제공될 수 있으며, 집속 광학 장치(68)를 공작물의 반대 방향으로 향해 있는 그 측면에서 냉각시키거나, 혹은 분진 입자 등으로부터 자유롭게 하기 위해, 냉각 가스는 집속 광학 장치(68)의 빔 유입측 표 면 혹은 공작물의 반대 방향으로 향해 있는 그의 표면 방향으로 상기한 공간에 유도된다. 상기 추가적인 가스 공급부의 가능한 실시예는 예컨대 DE 295 07 189 U1에 상세하게 설명되어 있다.

다시 말해, 공정 가스 공급부의 본 발명에 따른 실시예와 결부하여, 집속 광학 장치(68)의 두 측면은 독립적으로 두 가지 상이한 가스 시스템에 의해 냉각될 수 있으며, 그 외에도 집속 광학 장치(68)에 있어 공작물의 반대 방향으로 향해 있는 그의 측면을 냉각시키기 위해 마찬가지로 공정 가스를 이용할 수도 있다. 그러므로, 가스 연결부 및 가스 시스템의 수는 감소되는데, 왜냐하면 최소한 집속 광학 장치(68)에 있어 공작물로 향해 있는 그의 측면을 냉각할 때에, 공정 가스가 공작물(14)의 가공용으로뿐 아니라 집속 광학 장치(68)의 냉각용으로도 이용되기 때문이다.

또한, 본 발명은 집속 광학 장치(68)의 렌즈가 대류에 의해 냉각된다는 장점을 제공한다. 이와 같이, 집속 광학 장치(68)를 균일하게 냉각시킴으로써, 예컨대 렌즈 표면의 응력 혹은 변형은 레이저 빔의 초점 이동과 결부된 온도 기울기를 바탕으로 최소화될 수 있다.

도 1은 레이저 가공 머신 혹은 시스템과 함께 이용되는 것과 같은 레이저 가공 헤드(10)를 도시하고 있다. 이와 관련하여, 레이저 생성 장치로부터 유출되는 가공 레이저 빔은, 예컨대 용접 작업이나 절단 작업이 실행되는 방식으로 레이저 빔을 이용하여 공작물(14)을 가공하기 위해, 레이저 가공 헤드(10)의 하우징(12)을 통과하여 공작물(14)로 편향된다.

레이저 가공 헤드(10)의 하우징(12)은 공작물의 반대 방향으로 향해 있거나 혹은 레이저 유입측에 위치하는 자체 선단부에 커버(16)를 구비한다. 커버(16)는 레이저 생성 장치로부터 유출되는 레이저 빔을 하우징(12) 내로 유입하기 위한 유입구(미도시)를 포함한다. 이와 관련하여, 커버(16)는 나사를 이용하여 하우징(12)에 고정될 수 있다. 하우징(12)은 공작물로 향하는 자체의 측면에 바닥판(18)을 구비한다. 바닥판(18)은 유출구를 포함하며, 유출구를 통해 레이저 빔의 광로가 통과한다. 이와 관련하여, 바닥판(18)은 원통형 관통 채널을 포함하며, 관통 채널 내에, 아래에서 추가로 상세하게 설명되는 바와 같이, 공정 가스 공급부가 통합된다. 바닥판(18)에 있어서, 공작물로 향하는 그의 측면에는, 노즐 전극(20)이 고정된다. 노즐 전극(20)은 자체의 첨두부에 센서 전극(22)을 장착하며, 센서 전극을 이용하여 용량성 경로(capacitive path)에서 레이저 가공 헤드(10)와 가공할 공작물(14) 사이의 간격을 측정할 수 있다. 이때, 레이저 가공 헤드(10)를 통과하는 레이저 빔은, 공작물(14)에 도달하기 위해, 노즐(20)과 센서 전극(22)을 통과한다. 센서 전극(24)에는, 동축 플러그(26)를 구비한 전기 연결부(24)를 통해 공급되는 센서 전위(sensor potential)가 인가된다. 이때, 레이저 가공 헤드(10)는 충돌 검출(collision detection)을 위해 이용될 수 있는 접지 전위, 차폐 전위 혹은 직류 전압 전위 상태에 위치한다. 레이저 가공 헤드(10)는 공정 가스 혹은 절단 가스를 공급하기 위한 연결부를 포함하며, 그 외에도 하우징(12), 커버(16) 혹은 바닥판(18)에 냉각 가스를 공급하기 위한 추가의 연결부를 포함할 수 있다.

도 1에서 알 수 있듯이, 하우징(12)의 전방부에는, 장방형으로 형성되어 하우징(12)의 전체 높이에 걸쳐 연장되는 개구부(28)가 위치한다. 개구부(28)는 어댑터 플레이트(30)에 의해 기밀하게 밀폐된다. 어댑터 플레이트는 자체의 측면에서 클램핑 나사들(32)(34)을 이용하여 하우징(12)에 나사 체결된다. 클램핑 나사들(32)(34)은 어댑터 플레이트(30)를 통과하여 돌출되고, 하우징(12)의 측벽부 내로 나사 체결된다.

어댑터 플레이트(30)에서 공작물로 향하는 영역에는 리세스부(36)가 위치한다. 플러그인 유닛(38)은 리세스부(36)를 통해 하우징(12) 내에 적합하고 기밀하게 삽입된다. 플러그인 유닛(38)은, 리세스부(36)에 적합하게 안착되는 프런트 플레이트(40)를 포함한다. 이때, 플러그인 유닛(38)은 클램핑 나사(32)에 의해 하우징(12)으로부터 이탈되지 않도록 고정된다. 플러그인 유닛(38)이 너무 깊게 하우징(12) 내로 삽입되는 것을 억제하기 위해, 추가적인 위치 결정 나사들(42)(44)이 프런트 플레이트(40)에 제공된다. 그 위치 결정 나사들은 프런트 플레이트(40) 내에 나사 체결되고, 자체의 헤드부를 이용하여 어댑터 플레이트(30)의 전방부 쪽에 맞닿는다.

다시 설명하는 바와 같이, 플러그인 유닛(38)은 집속 광학 장치를 지지하면서, 필요에 따라 하우징(12) 내부의 상이한 높이 내지 축방향 위치에서 그 위치가 결정될 수 있다. 이를 위해, 또 다른 어댑터 플레이트(30)가 이용되어야 한다. 어댑터 플레이트(30)는 목표하는 축방향 위치에 대응하는 리세스부(36)를 포함한다.

플러그인 유닛(38)의 프런트 플레이트(40)의 전방부에는 핸들(46)이 위치한 다. 핸들을 이용하여, 플러그인 유닛(38)을 하우징(12)으로부터 인출한다. 또한, 프런트 플레이트(40)를 통해 조정 링(48)에 접근할 수 있다. 조정 링은 레이저 빔의 길이 방향에 대해 동축으로 위치하며, 수동으로 일측 방향 혹은 타측 방향으로 회전시킬 수 있다. 이를 위해, 조정 링(48)은 자체의 외부의 원주면에 옹이부(knurling)를 포함한다. 그 외에도, 프런트 플레이트(40)안에는 조정 나사들(50)(52)이 나사 체결된다. 이들 조정 나사들(50)(52)은 플러그인 유닛(38)에 의해 지지되는 집속 광학 장치를 평평하게 조정하는데 이용된다. 다시 설명되는 바와 같이, 하나 혹은 두 개의 조정 나사(50)(52)를 회전시킴으로써 집속 광학 장치는 일 평면에서 레이저 빔의 길이 방향에 대해 수직으로 변위될 수 있다. 프런트 플레이트(40) 내에 위치하는 윈도우(54)는 집속 광학 장치의 높이 위치를 판독할 수 있게 해준다. 이를 위해, 집속 광학 장치는 적합한 표시를 구비할 수 있다.

도 2는 플러그인 유닛(38)뿐 아니라 하우징(12) 및 바닥판(18)의 일부분을 축방향 단면도로 도시하고 있다. 이와 관련하여, 도 1에서 사용된 부재와 동일한 부재들은 동일한 참조 부호를 갖는다.

도 2로부터 알 수 있듯이, 플러그인 유닛(38)은 가이드 슬리브(56)를 포함한다. 가이드 슬리브(56)는 광학축(L)에 대해 평행한 축을 중심으로 회동 가능하게 프런트 플레이트(40)에 장착된다. 이를 위해, 프런트 플레이트(40)는 자체의 배면에 축방향으로 상호 간에 이격 되는 하나 혹은 그 이상의 연장부를 포함하며, 상기 도 2에는 단지 연장부(58) 만이 가이드 슬리브(56)에 있어서 공작물로 향해 있는 그의 선단부 근처에 도시되어 있다. 상기한 연장부(58)는 본질적으로 U자 모양으로 형성되며, 상호 간에 평행하게 연장되는 2개의 다리부를 포함한다. 다리부들의 개구부는 프런트 플레이트(40)의 반대 방향으로 향해 있다. 연장부(58)의 두 다리부 사이에서는 핀(60)이 안내된다. 이때, 연장부(58)에서 상호 간에 평행하게 연장되는 그의 두 다리부의 간격은 안내되는 핀(6)의 직경에 상응한다. 그러므로, 핀(60)은 다리부들 사이에서 변위되면서도, 자체 세로축을 중심으로 회전한다. 가이드 슬리브(56)를 프런트 플레이트(40)와 회동 가능하게 연결하기 위해, 하나 혹은 그 이상의 연장부, 바람직하게는 2개의 연장부(이 중 연장부(58)만이 도시되어 있음)가 각각 수평 슬롯 내에 맞물린다. 수평 슬롯은 가이드 슬리브(56)의 원주 벽부의 일부분에 위치한다. 도 2에는 수평 슬롯(62)만이 도시되어 있다. 핀(60)은, 가이드 슬리브(56)를 프런트 플레이트에 고정시키면서 회동 축의 역할을 하기 위해, 수평 슬롯(62)을 수직으로 관통한다. 이와 관련하여, 바람직하게는 프런트 플레이트(40)의 배면에서 중심에 연장부들을 배치함으로써 가이드 슬리브(56)의 회동축은 하우징(12) 내부에 위치하는 플러그인 유닛(38)의 정면에서 본질적으로 레이저 빔의 광학축(L)과 일치하게 된다.

가이드 슬리브(56)는 스프링들(64)을 이용하여 프런트 플레이트(40)의 후방 벽부에 대항하여 인장된다. 이때, 스프링들(64)은 가이드 슬리브(56) 둘레에 위치하면서, 자체 단부들로는 프런트 플레이트(40)에 고정된다. 가이드 슬리브(56)는 전술한 조정 나사들(50)(52)을 이용하여 스프링들(64)의 힘에 대항하여 평면에서 레이저 빔의 광학축(L)에 대해 수직으로 변위될 수 있다. 이를 위해, 조정 나사들(52)(54)은 프런트 플레이트(40)를 비스듬하게 통과하여 돌출되며, 상호 간에 45 °를 이루면서 연장되고 본질적으로 가이드 슬리브(56)의 중심을 향해 정렬되는 방식으로 배향된다. 조정 나사들은 자체 전방의 바닥면을 이용하여 가이드 슬리브(56)의 원주 벽부 쪽에 맞닿기 때문에, 가이드 슬리브(56)를 그에 상응하게 정렬시킨다.

가이드 슬리브(56)는 내부가 원통형으로 형성되며, 적절하게 원통형 렌즈 홀더(66)를 수납한다. 이와 관련하여, 렌즈 홀더(66)는 가이드 슬리브(56)와 견고하게 체결될 수 있거나, 혹은 광학축(L)의 길이 방향으로 가이드 슬리브(56)를 따라 변위될 수 있다. 렌즈 홀더(66)가 광학축(L)을 따라 조정될 수 있는 경우에, 렌즈 홀더는 암나사산을 구비할 수 있으며, 암나사산은 다시 조정 실린더의 수나사산과 맞물린다. 조정 실린더는 다시금, 조정 링(48)의 회전을 통해 가이드 슬리브(56)의 내부에서 렌즈 홀더(66)를 상승 및 하강시키기 위해, 회전되지 않도록 조정 링(48)과 체결된다.

렌즈 홀더(66) 자체도 마찬가지로 중공 원통형으로 설계되며, 공작물로 향해 있는 자체 부분 내에 집속 광학 장치(68)를 수납한다. 집속 광학 장치(68)는 하나 혹은 그 이상의 렌즈로 구성될 수 있지만, 하나의 렌즈 (69)만을 포함하는 것이 바람직하며, 공작물로 향해 있는 측면으로부터 렌즈 홀더(66)에 그에 상응하게 확대되어 제공되는 개구부 내에 삽입된다. 원주측에서 집속 광학 장치(68)는 렌즈 홀더(66)의 대응하는 견부(70) 상에서 지지된다. 최종적으로, 렌즈 홀더(66) 내에 집속 광학 장치(68)를 고정하기 위해, 고정 링(72)이 나사 체결될 수 있다. 고정 링은 광학축(L)에 대해 동축으로 위치하며, 자체 선단면을 통해 집속 광학 장 치(68)를 견부(70) 쪽에 밀착시킨다. 이를 위해, 고정 링(72) 상에는 환상 스프링(73)이 직접적으로 위치한다. 환상 스프링은 공정 가스가 공급되지 않으면(계속 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이) 견부(70)의 방향으로 렌즈(69)에 힘을 인가한다. 그렇게 함으로써, 렌즈(69)가 설정된 공정 가스 압력과 무관하게 정의된 위치에서 유지되며, 그럼에도 열적 영향을 근거로 팽창될 수 있는 점을 보장한다. 왜냐하면, 환상 스프링(73)은 탄성 부재이기 때문이다. 또한, 렌즈(69)를 위치 결정하기 위해, 집속 광학 장치(68)는 추가적으로 이격 링(74)을 포함할 수 있다.

또한, 렌즈 홀더(66)에 있어 공작물을 향해 있는 그의 선단면에는 밀봉 링(76)이 제공될 수 있다. 밀봉 링(76)은 렌즈 홀더(66)의 견부 구간(78)에 안착되며, 가이드 슬리브(56)의 내부 벽부와 견부 구간(78)으로부터 공작물의 방향으로 연장되는 렌즈 홀더(66) 구간의 원주 벽부에 인접한다. 이와 관련하여, 특히 바람직하게는 밀봉 링(76)으로서 C 링이 선택된다. C 링은 가압 하에서 그에 상응하게 렌즈 홀더(66) 및 가이드 슬리브(56)의 벽부에 밀착되며, 그로 인해 가이드 슬리브(56)와 렌즈 홀더(66) 사이에 존재하는 간극을 특히 바람직하게 밀봉시킨다.

또한, 가이드 슬리브(56)에 있어서, 빔 유출측 혹은 공작물로 향하는 그의 선단부에는 추가적인 밀봉 링(80)이 제공될 수 있다. 밀봉 링(80)은 가이드 슬리브(56)가 삽입된 상태에서, 밀봉 링(76)과 함께 하우징(12)의 바닥판(12)과 집속 광학 장치(68) 사이에 존재하는 공간(82)을 밀봉하기 위해, 하우징(12) 내부의 바닥판(18)에 있어서, 공작물의 반대 방향으로 향해 있는 그의 표면과 가이드 슬리 브(56)에 있어 공작물로 향해 있는 그의 선단면 사이에 위치한다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 밀봉 링(80)은 가이드 슬리브(56)의 선단 그루브(84) 내에 수납된다. 또한, 밀봉 링(80)은 C 링이다. C 링은 가압 하에서 팽창되며, 그로 인해 공간(82)의 특히 우수한 밀봉을 제공한다.

바닥판(18) 내에는 관통 채널(86)이 제공된다. 레이저 빔은 관통 채널을 통과하여 광학축(L)을 따라 하우징(12)으로부터 공작물(14)의 방향으로 안내된다. 이와 관련하여, 레이저 빔과 함께 공정 가스 유동이 하우징(12)으로부터 노즐 전극(20)과 센서 전극(22)(도 1)을 통해 유출되며, 예컨대, 절단 공정 시에 용융되는 공작물 부분을 제거하기 위해 공작물(14)에 도달한다.

이때, 본 발명에 따라 공급되는 공정 가스는 우선 집속 광학 장치(68)의 방향으로 집속 광학 장치(68)와 바닥판(18) 사이의 공간(82)으로 유입되며, 유입된 공정 가스(도 2의 화살표)는 우선 집속 광학 장치(68)에 있어서 공작물로 향해 있는 그의 측면에 도달하고, 그 위치에서 다시 그 반대되는 방향으로 관통 채널(86)로부터 공작물의 방향으로 하우징(12)으로부터 유출될 수 있도록 하기 위해 편향된다(도 2의 화살표).

이하에서는 본 발명에 따른 공정 가스 공급부의 제1 실시예가 설명된다.

도 2에서 볼 수 있듯이, 레이저 빔 광로의 광학축(L)을 중심으로 연장되는 환상의 공정 가스 분배 채널(88)은 마찬가지로 광학축(L)을 중심으로 연장되는 환상 채널(90) 내로 개방되며, 공정 가스 분배 채널(88)은 공정 가스 공급부 연결부(미도시)와 연결되며, 환상 채널(90)은 축방향에서 바닥판(18)의 중앙 구간으로부 터 출발하여 플러그인 유닛(38) 쪽으로 연장된다. 환상 채널(90)은 환상 간극(92) 쪽으로 갈수록 가늘어진다. 환상 간극(92)은 집속 광학 장치(68)와 하우징(12)의 바닥판(18)에 있어서 공작물의 반대 방향으로 향해 있는 그의 표면 사이의 공간(82) 내로 개방된다. 이와 관련하여, 환상 간극(92)은 공간(82) 내로 유입되는 공정 가스가 집속 광학 장치(68)의 렌즈로 편향되는 방식으로 형성된다. 그 외에도 환상 간극(92)은 압력 상태에서 환상 채널(90)로 유입되는 공정 가스용 제한 장치로서 작용하며, 공간(82) 내로 가스가 유입될 때에 공정 가스의 팽창은 가스를 추가적으로 냉각시킴으로써 집속 광학 장치(68)는 더욱 효과적으로 냉각될 수 있다.

환상 채널(90)은 원통형 관통 채널(86) 내에 삽입 장착되는 슬리브(94)에 의해 형성된다. 환상 채널(90)은 자체 외부의 원주부에서는 원통형 관통 채널(86)의 내부 벽부에 의해 범위가 한정되고, 자체 내부의 원주부에서는 슬리브(94)의 외부 원주 벽부에 의해 범위가 한정된다. 환상 간극(92) 쪽으로 갈수록 가늘어지는 환상 채널(90)의 테이퍼 형상은 바닥판(18) 내에서 관통 채널(86)의 내부 원주 벽부로부터 내부 방향을 향해 연장되는 견부 구간(96)에 의해 달성된다. 이는 도 3의 단면도로서 제공되는 확대도에서 확인할 수 있다.

도 3의 확대도에 따르면, 견부 구간(96)은 장방형 에지부로서 형성된다. 그러나 견부 구간(96)은 비스듬하게 형성될 수 있으며, 그럼으로써 공정 가스가 집속 광학 장치(86)의 방향으로 더욱 잘 편향될 수 있게 한다. 이는 도 3에 도시한 슬리브(94)에 있어 공작물의 반대 방향으로 향해 있는 그의 선단부에서와 같다.

이하에서는 본 발명에 따른 공정 가스 공급부의 제2 실시예가 설명된다.

공정 가스 공급부와 관련하여, 도 4에 도시한 제2 실시예의 경우, 하우징의 바닥판(18) 내에 광학축(L)을 중심으로 연장되는 환상 채널(98)이 제공된다. 환상 채널(98)은 공정 가스 공급부 연결부(미도시)와 연결된다. 상기한 환상 채널(98)은 다수의 노즐(100)과 연결되고, 이들 노즐들은 집속 광학 장치(68)와 관통 채널(86) 사이의 공간(82) 내로 유입되는 공정 가스 유동을 집속 광학 장치(68)의 방향으로 안내한다.

이와 관련하여, 환상 채널(98)은 원통형 관통 채널(86)의 내부 벽부 내부에서 광학축(L)을 중심으로 연장되는 환상 그루브(102)에 의해 형성되며, 환상 채널(98)은 자체 내부면에서는 슬리브(104)에 의해 범위 한정된다. 슬리브(104)는 다수의 노즐(100)를 포함한다. 환상 채널(98)을 형성하기 위해 슬리브(104)와 환상 그루브(102) 사이에 기밀한 접촉을 제공하기 위해, 환상 채널(98)에 있어 공작물의 반대 방향으로 향해 있는 그의 측면에서, 원통형 관통 채널(86)의 내부 원주 벽부에, 바닥판(18)에 있어 내부 방향을 향해 연장되는 견부 구간(106)이 형성된다. 그리고, 슬리브(104)에 있어 공작물의 반대 방향으로 향해 있는 그의 선단부는 조립된 상태에서 상기한 견부 구간(106)에 충돌한다.

공작물로 향해 있는 측면에서 환상 채널(98)을 추가로 밀봉하기 위해, 슬리브(104)에 있어 공작물로 향해 있는 그의 영역에서 그 슬리브(104)의 외부 원주 벽부 내에는 환상 그루브(108)가 제공될 수 있다. 이 환상 그루브(108) 내로는 밀봉 링(110)이 삽입된다. 밀봉 링(110)은, 환상 채널(98)을 밀봉하는 방식으로, 관통 채널(86)의 내부 벽부와 슬리브(104)의 외부 벽부 사이에 배치된다. 추가적으로, 슬리브(1040의 외부 벽부에는 수나사산(112)이 제공될 수 있다. 수나사산은, 슬리브(104)가 공작물의 반대 방향으로 향해 있는 자체 선단부로써 견부 구간(106)에 충돌할 때까지, 관통 채널(86) 내에 슬리브(104)를 나사 체결하기 위해, 관통 채널(86)의 내부 벽부에서 암나사산(114)과 맞물려 고정된다.

노즐들(100)은 채널로서 혹은 보어로서 슬리브(104)의 원주 벽부에 의해 형성되며, 슬리브는 공정 가스 흐름을 렌즈(69)의 방향으로 편향시키기 위해 슬리브(104)의 외부 벽부로부터 슬리브(104)의 내부 벽부 쪽을 향해 집속 광학 장치(68)의 방향으로 경사져서 연장된다. 이때, 노즐들(100)은 슬리브(104)의 원주부에 걸쳐 균일하게 분포되어 배치될 수 있다.

슬리브(104) 내로는 다시 어댑터 피스(116)가 삽입된다. 어댑터 피스(116)는 공정 가스 흐름을 공작물(14)의 방향으로 안내한다. 이와 관련하여, 어댑터 피스(116)의 견부 구간(118)에 인접하여 밀봉 링(120)이 위치한다. 밀봉 링(120)은 슬리브(104)와 어댑터 피스(116) 사이의 간극을 밀봉시킨다. 이러한 밀봉 링(120)은 바람직하게는 C 링이다.

본 발명은 다음에서 도면과 관련하여 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은 플러그인 유닛이 삽입 장착된 상태로 본 발명에 따른 레이저 가공 헤드의 정면을 도시한 정면도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 헤드의 플러그인 유닛 및 하우징의 일부분을 축방향으로 절단하여 도시한 단면도이다.

도 3은 도 2에 따른 환상 간극을 도시한 상세도이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 헤드의 플러그인 유닛 및 하우징의 일부분을 축방향으로 절단하여 도시한 단면도이다.

Claims

레이저 빔을 이용하여 공작물(14)을 가공하기 위한 레이저 가공 헤드(10)에 있어서,

유입구로부터 유출구까지 레이저 빔용 광로가 관통하는 하우징(12);

상기 레이저 빔용 광로 내에 배치되는 집속 광학 장치(68); 및

상기 집속 광학 장치(68)와 상기 유출구 사이의 공간(82)으로 공정 가스를 유입시키기 위한 공정 가스 공급부;를 구비하며,

상기 공간(82)으로부터는 공정 가스가 상기 레이저 빔과 함께 상기 유출구를 통해 유출되며, 이때 상기 공정 가스는 상기 집속 광학 장치(68)의 빔 유출측 표면의 방향으로 상기 공간 내로 유입될 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제1항에 있어서,

상기 공정 가스 공급부는 레이저 빔 광로의 광학축(L)을 중심으로 연장되는 환상 채널(90)을 포함하며,

상기 환상 채널(90)은 상기 공정 가스 공급부 연결부와 연결되고, 상기 환상 채널의 횡단면은 축방향에서 환상 간극(92) 쪽으로 갈수록 가늘어지며,

상기 환상 간극(92)은 상기 집속 광학 장치(68)의 맞은편에서 상기 집속 광학 장치(68)와 상기 유출구 사이의 공간(82) 내로 개방되는 것을 특징으로 하는 레 이저 가공 헤드.
제2항에 있어서,

상기 환상 채널(90)은 자체 외주 원주부에서는 원통형 관통 채널(86)의 내부 벽부에 의해 범위가 한정되고, 자체 내부 원주부에서는 상기 원통형 관통 채널(86) 내에 삽입 장착되는 슬리브(94)의 외주 원주 벽부에 의해 범위가 한정되며,

상기 환상 채널(90)은 상기 관통 채널(86)에 있어 내부 방향을 향해 슬리브(94) 쪽으로 연장되는 그의 견부 구간(96)을 이용하여 상기 환상 간극(92) 쪽으로 갈수록 가늘어지게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제1항에 있어서,

상기 공정 가스 공급부는 상기 레이저 빔용 광로의 광학축(L)을 중심으로 연장되는 환상 채널(98)을 포함하며,

상기 환상 채널(98)은 공정 가스 공급부 연결부와 연결되면서 다수의 노즐(100)과 연결되며, 상기 노즐들(100)을 통해 공정 가스가 상기 집속 광학 장치(68)와 상기 유출구 사이의 공간(82) 내로 안내되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제4항에 있어서,

상기 환상 채널(98)은 원통형 관통 채널(86)의 내부 벽부 내에 환상 그루 브(102)로서 형성되며, 자체 내부 원주면에서는 상기 관통 채널(86) 내에 삽입 장착되는 슬리브(104)에 의해 범위가 한정되며,

상기 슬리브는 다수의 노즐 채널(100)을 포함하고, 상기 노즐 채널들(100)은 원주에 걸쳐 분포되면서 상기 집속 광학 장치(68) 쪽으로 배향됨으로써 공정 가스 흐름이 상기 집속 광학 장치(68)의 빔 유출측 표면으로 편향되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 집속 광학 장치(68)와 상기 유입구 사이의 공간으로 가스를 유입시키기 위한 가스 공급부를 포함하며,

상기 가스는 상기 집속 광학 장치(68)의 빔 유입측 표면의 방향으로 상기 공간 내로 안내되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 하우징(12)의 유출구에 센서 전극(22)을 구비한 노즐 전극(20)이 이탈 가능하게 장착될 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 집속 광학 장치(68)는 레이저 빔의 길이 방향에 대해 측면으로 상기 하우징(12) 내에 삽입될 수 있는 플러그인 유닛(38) 내에 배치되는 것을 특징으로 하 는 레이저 가공 헤드.
제8항에 있어서,

상기 플러그인 유닛(38)은 외부로부터 접근할 수 있는 플러그인 유닛(38)에 상대적으로 상기 집속 광학 장치(68)를 변위시키기 위한 조정 수단(50)(52)(48)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제9항에 있어서,

상기 조정 수단(48)은 레이저 빔의 광학축(L)의 방향으로 상기 집속 광학 장치(68)를 변위시킬 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제9항 또는 제10항에 있어서,

상기 조정 수단(50)(52)은 레이저 빔의 광학축(L)에 대해 수직으로 상기 집속 광학 장치(68)를 변위시킬 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 플러그인 유닛(38)은 가이드 슬리브(56)를 포함하며, 상기 가이드 슬리브 내부에 상기 집속 광학 장치(68)가 배치되며,

상기 가이드 슬리브(56)의 빔 유출측 선단부에는 밀봉 링(80)이 제공되며,

상기 집속 광학 장치(68)와 유출구 사이의 공간(82) 내로 유입되는 모든 공정 가스가 상기 유출구를 통해 유출되는 방식으로 상기 공간(82)을 밀봉하기 위해, 상기 밀봉 링(80)은 상기 가이드 슬리브(38)가 삽입된 상태에서 하우징 바닥부(18)와 상기 가이드 슬리브(58) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제12항에 있어서,

상기 가이드 슬리브(56)는 자체 빔 유출측 선단부에 선단 그루브(84)를 포함하며,

상기 선단 그루브(84) 내로 밀봉 링(80)이 삽입될 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.
제12항 또는 제13항에 있어서,

상기 밀봉 링(80)은 C 링인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드.