KR20090013800A - 가압 가스용 입구를 갖는 레이저 절단 헤드 및 노즐로부터 축방향으로 변위가능한 렌즈 홀더 - Google Patents

가압 가스용 입구를 갖는 레이저 절단 헤드 및 노즐로부터 축방향으로 변위가능한 렌즈 홀더 Download PDF

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앤드류 네일 존슨
크리스토퍼 피터 랜드
짐 피어렛
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더 비오씨 그룹 피엘씨
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Abstract

레이저 비임에 웨이스트를 생성하는 렌즈(22)와, 가압 가스용 입구(32)를 갖는 내부 챔버(30)와, 레이저 비임 및 상기 내부 챔버와 연통하는 가압 가스의 제트 양자를 위한 출구 노즐(10)과, 렌즈(22)를 유지하는 대체로 원통형의 내부 중공형 렌즈 홀더(6)를 포함한다. 렌즈 홀더(6)는 (ⅰ) 외측 슬리브(8)와 슬라이딩 맞물림하고, (ⅱ) 렌즈(22)를 유지하며, (ⅲ) 사용시 노즐(10)로부터 멀어지도록 축방향으로 변위가능한 본체(7)를 갖는다. 복수의 횡단 핀(70)이 외측 슬리브(8) 내의 슬롯(72)을 통해 연장하여 렌즈 홀더(6)의 본체와 맞물리고, 최외측의 조정가능한 제한 링(78)은 그 축방향 위치가 재연가능하게 설정될 수 있으며 슬리브(8)와 맞물리고, 조정가능한 제한 링(78)은 렌즈 홀더(6)의 축방향 위치를 규정한다.

Description

가압 가스용 입구를 갖는 레이저 절단 헤드 및 노즐로부터 축방향으로 변위가능한 렌즈 홀더{LASER CUTTING HEAD WITH AN INLET FOR PRESSURISED GAS AND A LENS HOLDER AXIALLY DISPLACEABLE AWAY FROM A NOZZLE}
본 발명은 레이저 절단 헤드에 관한 것이다.
레이저 절단은 잘 알려진 산업 공정이다. 수많은 상이한 레이저 절단 공정이 존재한다. 한 종류의 공정에서, 레이저 비임에 의해 발생된 열은 절단될 소재를 용융시키고 그것에 의해 절단을 수행한다. 절단 공정으로부터의 파편이 절단물에 쌓아지는 경향이 있다. 가스의 제트가 절단물로부터 파편을 불어 날리기 위해 채용된다. 그러한 레이저-보조 가스 절단 공정은 한정된 적용예를 갖는다. 대안적인 종류의 절단 공정은 레이저가 소재를 산소와 자생적으로 반응할 온도까지 사전가열하기 위해 채용되고 산소의 제트가 절단을 행하기 위해 소재의 사전가열된 구역에 지향되는 공정이다.
전형적으로, 레이저 절단 장치는 적합한 레이저에 부착될 수 있는 헤드를 포함하고, 레이저는 대략적으로 조준된 레이저 비임을 생성한다. 레이저 비임의 조 준은 소정 상황에서 레이저 절단 장치 내의 광학 조준기에 의해 조정될 수 있다. 전형적으로, 조준기는 2개의 렌즈를 포함하고, 그것의 분리는 레이저 비임의 조준 특성을 변경하기 위해 변화될 수 있다. 다른 조준 장치가 대안적으로 사용될 수 있다. 헤드는 선택된 위치에 레이저 비임 웨이스트(waist)를 생성하는 렌즈를 갖는다. 이 위치는 절단될 소재의 표면 상일 수 있다. 그러나, 레이저-산소 절단에서, 레이저 비임 웨이스트가 절단될 소재 표면으로부터 일정 거리에 형성되어 소재의 적합한 영역이 사전가열되는 것을 가능하게 하는 것이 바람직하다. 표면에 대한 레이저 비임 웨이스트의 정확한 위치는 헤드가 구비하는 렌즈의 초점 거리, 레이저 비임의 조준 특성 및 그러한 장치가 설비된다면 조준기의 설정에 좌우된다. 전형적으로, 헤드는 그 말단부에 가스의 제트가 분출하는 노즐을 갖는다. 보통, 레이저 비임은 또한 이 노즐을 통과한다.
렌즈가 절단될 소재의 특질에 따라 재연가능하게 축방향으로 위치될 수 있는 레이저 절단 헤드에 대한 필요성이 존재한다. 이러한 필요성을 충족하는 레이저 절단 헤드를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 따르면, 레이저 비임에 웨이스트(waist)를 형성하는 렌즈와, 가압 가스용 입구를 갖는 내부 챔버와, 상기 레이저 비임 및 상기 내부 챔버와 연통하는 가압 가스의 제트 양자를 위한 출구 노즐과, 상기 렌즈를 유지하는 대체로 원통형의 내측 중공형 렌즈 홀더로서, (ⅰ) 외측 슬리브와 슬라이딩 맞물림하고, (ⅱ) 상기 렌즈를 유지하며, (ⅲ) 사용시 상기 노즐로부터 축방향으로 변위될 수 있는 본체를 갖는, 상기 렌즈 홀더와, 상기 외측 슬리브 내의 슬롯을 통해 연장하여 상기 렌즈 홀더의 본체와 맞물리는 복수의 횡단 핀과, 축방향 위치가 재연가능하게 설정될 수 있고 상기 슬리브와 맞물리는 최외측의 조정가능한 제한 링으로서, 상기 렌즈 홀더의 축방향 위치를 한정하는, 상기 제한 링을 포함하는 레이저 절단 헤드가 제공된다.
레이저 절단 헤드는 바람직하게 레이저 절단 장치에 용이하게 접속가능하다.
조정가능한 제한 링은 바람직하게 눈금을 갖는 가시면(visible face)을 갖고 바람직하게 슬리브의 외측 표면과 스크류 나사산 맞물림한다. 전형적으로 슬리브 상에는 상보형 마크가 존재하고, 상보형 마크는 제한 링의 임의의 축방향 위치가 마크에 눈금이 나란히 놓임으로써 기록되는 것을 가능하게 한다.
핀의 헤드는 바람직하게 사용시 제한 링과 접촉하는 슬라이딩 링과 맞물린다.
슬리브는 바람직하게 또한 그것과 스크류 나사산 맞물림하는 고정 링을 갖는다. 고정 링은 노즐과 핀 중간에 위치되고, 내부 챔버 내의 압력의 순간적인 또는 다른 이완의 경우에 노즐을 향한 렌즈 홀더의 임의의 축방향 변위를 방지하기 위해 선택된 위치에 설정될 수 있다.
바람직하게 서로로부터 균등하게 이격된 3개의 원주방향 이격 핀이 존재한다.
가스는 바람직하게 산소이다. 산소는 전형적으로 10바아 내지 20바아 범위의 압력으로 공급되지만, 보다 낮은 압력 예를 들어 1바아가 특히 피어싱(piercing)을 위해 대신 사용될 수 있다. 만약 산소가 사용되면, 헤드 구성체의 재료는 산소와 상용성(compatible)일 필요가 있다.
노즐은 바람직하게 슬리브의 말단부에 고정된 노즐 홀더에 분리가능하게 부착된다.
내부 챔버는 바람직하게 슬리브를 통하는 입구를 갖는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이 용어 "절단(cutting)"은 절단, 피어싱, 가우징(gouging) 및 소재의 임의의 다른 기계가공을 포함한다.
이제 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드가 헤드의 측단면도인 첨부된 도면을 참고하여 예의 목적으로 기술될 것이다.
도면은 정확하게 일정한 비율이 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드의 측단면도이다.
도면을 참조하면, 레이저 절단 헤드는 기단부(2) 및 말단부(4)를 갖는다. 레이저 절단 헤드는 슬리브(8) 내에서 슬라이딩 맞물림(sliding engagement)하는 기다란 본체(7)를 갖는 대체로 원통형의 내측 중공형 렌즈 홀더(6)를 포함한다. 헤드는 그 말단부에 노즐 홀더(12) 내에서 유지되는 노즐(10)을 갖는다. 노즐 홀 더(12)는 슬리브(8)의 말단부에 고정된다. 슬리브(8)의 말단부는 소정 절단을 행하기에 충분한 전력의 구매가능한 소정의 레이저 절단 장치에 접속되는 것을 가능하게 하는 구성인 어댑터(adaptor)(14)와 맞물린다. 레이저는 예를 들어 이산화탄소 레이저일 수 있지만, 다른 종류의 레이저[예를 들어, 다이오드 레이저, 파이버 레이저(fibre laser), Nd:YAG 레이저]가 대신에 채용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 어댑터(14)는 내측 및 외측 부재(16, 18)를 각각 포함하지만, 이 어댑터(4)의 형상 및 구성은 레이저 절단 장치의 선택에 좌우된다는 것이 이해될 것이다.
렌즈 홀더(6) 및 슬리브(8)는 노즐(10)과 동축(同軸)으로 위치된다. 렌즈 홀더(6)는 그 말단부에 확대된 내부 횡단면의 횡단부(20)를 갖는다. 렌즈(22)가 유지되는 곳이 이 횡단부(20)이다. 렌즈는 횡단부(20)와 맞물리는 링(24)에 의해 보유된다. 밀봉 와셔(26)가 렌즈 홀더(6)의 말단부(20)와 링(24) 사이에 보유된다. 렌즈 밀봉 링(28)이 또한 렌즈(22)의 기부측 상에 제공된다. 와셔(26) 및 밀봉 링(28)의 목적은, 내부 챔버(30)로부터 렌즈 홀더(6)의 중공 내부 내로의 가스의 누출을 방지하거나 최소화하고 그리고 헤드가 가압될 때 렌즈(22)가 상당히 변위되지 않는 것을 보장하게 하는 것이다. 예를 들어 가스 실린더인 압력 하의 가스원이 슬리브(8) 말단의 오리피스(32)를 통해 챔버(20)와 연통하여 배치될 수 있다. 챔버(30)는 슬리브(8)의 말단부와 노즐 홀더(12)의 기단부 사이에 형성되고 가스의 균일한 원주방향 분배를 보장하는 대체로 환형의 공간(34)을 포함한다. 노즐 홀더(12)의 기단부는 편평한 표면(36)을 갖는다.
노즐 홀더(12)는 3개의 주요 중공형 개방 단부 부분, 즉 기부 부분(38), 중간 부분(40) 및 말단 부분(42)을 포함한다. 기부 부분(38)은 일체형 플랜지(44)를 갖는다. 노즐 홀더(12)의 중간 부분(40)은 기부 부분(38)에 접촉하고, 스크류 또는 볼트(46)에 의해 기부 부분(38)의 플랜지(44)에 볼트결합되거나 다른 방식으로 고정된 조정 링(50)에 의해 그것과 밀봉 맞물림하여 유지된다. 플랜지(44)를 통해 연장하고 노즐 홀더(12)의 기부 부분(38)을 슬리브(8)의 말단부에 유지하는 균등하게 이격된 복수의 원주방향 스크류 또는 볼트(46)(그 중 하나만이 도면에 도시됨)가 존재한다. 예를 들어, 10개의 그러한 스크류(46)가 제공될 수 있다. 노즐 홀더(12)의 중간 부분(40)은 말단 부분(42)을 지지한다. 부분(38, 40, 42)의 각각은 절두원추형(frusto-conical) 형상의 가스 통로를 형성한다. 조정 링(50)은 절두원추형 가스 통로의 부분(40, 42)이 조정 링(50) 내에 제공된 직경방향으로 대향하는 2쌍의 세트 스크류(또는 멈춤 나사)(set screw)(93)에 의해 정밀하게 축방향으로 위치되는 것을 가능하게 하고, 스크류(93) 중 하나만이 도면에 도시된다. 노즐 홀더(12)의 각각의 부분과 슬리브(8)의 말단부 사이의 가스 누출을 방지하거나 최소화하기 위해, 종래의 밀봉 링(58)이 제공된다. 노즐(10)은 바람직하게 간결한 비-발산 고속 가스 제트를 생성하기 위해 정밀하게 윤곽 형성된 형상을 갖는다.
사용시, 챔버(30) 내의 가스 압력은 렌즈 홀더(6)를 노즐(10)로부터 멀어지도록 강제한다. 렌즈 홀더(6)의 본체(7)는 4개의 횡단 핀(70)을 갖는다(그 중 하나만이 도면에 도시됨). 핀(70)이 슬리브(8) 내의 상보형 슬롯(72)을 통해 연장한다. 각 핀(70)은 슬리브(8) 외측에서 종결하는 헤드(74)를 갖는다. 핀(70)의 각 헤드(74)는 슬라이딩 로케이션 링(sliding location ring)(76)과 맞물린다. 슬라이딩 로케이션 링(76)의 기부측 상에 조정가능한 제한 링(78)이 위치된다. 제한 링(78)은 슬리브(8)의 외측 표면 상의 상보형 스크류 나사산과 맞물리는 내부 나사산을 갖는다. 제한 링(78)의 위치는 그것에 의해 정밀하게 설정될 수 있다. 원한다면, 제한 링(78)의 면(face)(80)은 슬리브(8) 상의 마크(도시되지 않음)에 대한 위치가 관찰될 수 있는 원주방향 눈금(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 따라서, 제한 링(78)의 위치가 재연가능하게 설정될 수 있다. 레이저 절단 헤드의 사용시 렌즈 홀더(6)와 따라서 렌즈(22)의 위치를 결정하는 것은 이 위치이다. 이것은 이어서 절단될 소재(도시되지 않음)에 대한 렌즈(22)의 초점 위치의 축방향 위치를 결정한다. 전형적인 일 예에서, 챔버(30)에 공급된 가스는 공업용의 순수 산소이다. 이 경우에, 레이저 비임의 웨이스트가 소재 위에 위치되어 초점이 흐려진 발산 비임이 그 위에 입사하는 것이 전형적으로 요구된다. 따라서, 레이저 비임의 소정 조준 특성 및 임의의 조준기(도시되지 않음)의 소정 설정에 대해, 소재에 대한 렌즈(22)의 축방향 위치가 레이저 비임이 입사하는 소재의 영역을 결정한다. 따라서, 레이저 비임에 의해 사전가열되어야 하는 영역의 정확한 치수가 제어될 수 있다.
조정 링(78)의 위치는 핀(70)에 의해 지지되는 슬라이딩 로케이션 링(76)에 대해 스톱(stop)으로서 작용하기 때문에 렌즈 홀더(6)와 따라서 렌즈(22)의 축방향 위치를 결정한다. 챔버(30) 내의 산소 또는 다른 가스의 압력은 따라서 로케이션 링(76)이 제한 링(78)과 접촉하는 정확한 위치로 렌즈 홀더(6)를 강제한다.
보통, 절단하기 위해 레이저 헤드를 사용하는 경우, 챔버(30) 내의 압력은 일정하다. 그러나, 이 압력의 완화의 경우, 예를 들어 피어싱 작업(piercing operation) 동안, 핀(70)의 말단측 및 슬라이딩 로케이션 링(76) 상에 추가의 스크류-나사산 형성된 링(90)을 제공하는 것이 바람직하다. 링(90)은 그 내측 표면 상에 슬리브(8)의 외측 표면 상의 상보형 나사산과 맞물리는 스크류 나사산(도시되지 않음)을 갖는다. 링(90)은 제한 링(78)과 접촉할 때까지 로케이션 링(76)을 상방으로 밀도록 그 나사산 상에서 회전된다. 이 위치에서, 링(90)은 렌즈 홀더(6)가 챔버(30) 내의 압력 변화의 경우에 위치변화되지 않는 것을 보장한다.
렌즈 홀더(6)의 본체(7)와 슬리브(8)의 내측 표면 사이의 챔버(30)로부터의 가스 누출을 방지하기 위해, 스프링-로딩된(spring-loaded) 한 쌍의 PTFE 밀봉 링(92)이 그 사이에 맞물린다. 밀봉 링(92)에 의해 제공된 마찰 저항은 링(90)을 그 나사산 상에서 회전시키는 것이 아닌 렌즈 홀더(6)의 축방향 위치의 수동 조정을 방지한다.
전형적으로, 렌즈 홀더(6), 슬리브(8), 노즐 홀더(12) 및 슬라이딩 로케이션 링(76)은 모두 스테인리스 스틸로 제조된다. 링(78, 90)은 구리 또는 황동으로 제조될 수 있다. 노즐(10)은 바람직하게 구리로 제조된다. 노즐(10)은 상대적으로 짧은 작동 수명을 가질 수 있다. 노즐은 따라서 노즐 홀더(12) 내에 분리가능하게 위치되어, 동일한 노즐로 용이하게 교체될 수 있다.
도면에 도시된 레이저 헤드의 정상 사용시, 레이저 헤드는 레이저 절단 장치(도시되지 않음)에 결합되어 헤드와 따라서 노즐의 축이 수직이다. 따라서, 핀 은 그렇다면 수평방향 위치에 있다. 작동시, 레이저 비임이 렌즈 홀더(6)의 중공형 내부를 통해 전해지고 렌즈(22)에 의해 초점이 맞춰져, 본질적으로 모든 비임이 노즐(10)을 통과한다. 산소가 챔버(30)에 공급되고 산소의 제트가 레이저 비임과 함께 노즐(10)을 통해 분출된다. 전술된 바와 같이, 레이저 비임은 절단될 소재의 선택된 표면 영역을 사전가열한다. 사전가열은 표면의 온도를 산소와 자생적으로 반응하는 온도로 상승시키는 데에 유효하다. 이 반응은 절단이 행해지게 한다. 만약 전형적으로 요구되는 바와 같이 절단물이 가늘고 기다랗다면, 레이저 헤드는 공작물에 비례하여 또는 반대로 이동된다.

Claims (8)

  1. 레이저 절단 헤드에 있어서,
    레이저 비임에 웨이스트(waist)를 형성하는 렌즈와,
    가압 가스용 입구를 갖는 내부 챔버와,
    상기 레이저 비임 및 상기 내부 챔버와 연통하는 가압 가스의 제트 양자를 위한 출구 노즐과,
    상기 렌즈를 유지하는 대체로 원통형의 내측 중공형 렌즈 홀더로서, (ⅰ) 외측 슬리브와 슬라이딩 맞물림하고, (ⅱ) 상기 렌즈를 유지하며, (ⅲ) 사용시 상기 노즐로부터 축방향으로 변위될 수 있는 본체를 갖는, 상기 렌즈 홀더와,
    상기 외측 슬리브 내의 슬롯을 통해 연장하여 상기 렌즈 홀더의 본체와 맞물리는 복수의 횡단 핀과,
    축방향 위치가 재연가능하게 설정될 수 있고 상기 슬리브와 맞물리는 최외측의 조정가능한 제한 링으로서, 상기 렌즈 홀더의 축방향 위치를 한정하는, 상기 제한 링을 포함하는
    레이저 절단 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조정가능한 제한 링이 눈금을 갖는 가시면(visible face)을 구비한
    레이저 절단 헤드.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조정가능한 제한 링이 상기 슬리브의 외측 표면과 스크류 나사산 맞물림을 하는
    레이저 절단 헤드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 슬리브 상에 상보형 마크가 존재하고, 상기 마크는 상기 제한 링의 축방향 위치가 상기 마크에 상기 눈금이 나란히 놓여 기록되는 것을 가능하게 하는
    레이저 절단 헤드.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    서로로부터 균등하게 이격된 4개의 원주방향 이격 핀이 존재하는
    레이저 절단 헤드.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀의 헤드가 사용시 상기 제한 링과 접촉하는 슬라이딩 링과 맞물리는
    레이저 절단 헤드.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬리브가 또한 스크류 나사산 맞물림하는 고정 링을 갖고, 상기 고정 링은 상기 노즐과 상기 핀의 중간에 위치되며, 그것에 의해 상기 고정 링이 상기 내부 챔버 내의 압력 이완의 경우에 상기 노즐을 향한 상기 렌즈 홀더의 축방향 변위를 방지하는 선택된 위치에 설정될 수 있는
    레이저 절단 헤드.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐이 상기 슬리브의 말단부에 고정된 노즐 홀더에 분리가능하게 부착된
    레이저 절단 헤드.
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