KR20130136581A - 작업물을 파괴 분할하기 위한 방법, 작업물 및 레이저 유닛 - Google Patents

Abstract

작업물을 파괴 분할하기 위한 방법 및 이러한 방법으로 만들어지는 작업물이 개시된다. 본 발명에 따르면, 이송 속도 및/또는 레이저 펄스는 레이저 가공 중에 작업물의 기하학적 형상에 따라 그리고/또는 주기적으로 조절된다.

Description

작업물을 파괴 분할하기 위한 방법, 작업물 및 레이저 유닛{METHOD FOR FRACTURE SPLITTING WORKPIECES, WORKPIECE, AND LASER UNIT}

본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따라 작업물을 파괴 분할하기 위한 방법, 이러한 방법에 따라 제작되는 작업물 및 레이저 유닛에 관한 것이다.

본 출원인의 EP 0 808 228 B2에는 일반적인 파괴 분할 방법이 기재되어 있는데, 이 방법에서는 파괴면을 미리 규정하는 노치가 레이저 에너지로 파괴 분할될 연결 로드의 상단부에 형성된다. 이러한 노치는 다수의 노치부로 이루어지며, 노치부의 거리는 실질적으로 레이저의 펄스율 및 연결 로드 상단부에 대한 레이저 빔의 이송 속도로 정해진다. 이러한 노치부에 의해 응력 집중 계수가 연속적인 노치와 비교하여 상당히 증가되는 것으로 밝혀졌으며, 따라서 비교적 작은 레이저 출력으로 노치를 형성할 수 있다. 이러한 작은 레이저 출력 및 이에 동반하여 도입되는 낮은 열에너지는 노치 영역에서 바람직하지 않은 깊은 구조적 변화를 방지하게 되는데, 구조적 변화는 단지 노치의 특별한 가장자리 영역에만 주어지며 그래서 파괴 분할 거동이 개선된다.

본 출원인의 DE 2005 031 335 A1 에는 개선된 방법이 기재되어 있는데, 이 방법에서 노치는 곧은 형상을 갖지 않고, 곧게 연장되어 있는 단부를 갖는 사인( sine) 형상을 갖는다. 놀랍게도, 파괴 분할 거동은 이러한 노치 설계로 더 개선될 수 있는 것으로 밝혀졌다.

종래 기술로서 특히 연결 로드 및 크랭크케이스의 파괴 분할을 위해 이러한 노치부를 포함하는 레이저 노치가 형성되는데, 왜냐하면 이러한 노치의 파괴 거동이 연속 노치 보다 우수하기 때문이다. 이들 긍정적인 파괴 분할 특성에도 불구하고, 파고 분할 거동을 더 개선하고자 하는 노력이 있다.

이와 비교되는 본 발명의 목적은 적은 노력으로 파괴 분할 노치의 노치부를 만들 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 이러한 방법에 따라 제작되는 작업물 및 그러한 방법을 실시하기 위한 레이저 유닛을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1 의 특징적 사항을 포함하는 방법, 독립 청구항 10 의 특징적 사항을 포함하는 작업물 및 청구항 12 의 특징적 사항을 포함하는 레이저 유닛으로 달성된다.

본 발명에 따른 방법에서, 종래의 방법과 유사하게, 레이저 노치는 레이저 에너지로 형성되며, 상기 노치는 다수의 노치부를 갖는다. 본 발명에 따르면, 레이저 노치 가공 중에, 즉 노치를 형성하는 중에, 이송, 즉 유효하게 참여하는 레이저 비임과 작업물 사이의 상대 운동 및/또는 레이저 펄스의 조절이 수행된다. 이 조절에 의해, 다른 깊이의 노치부 또는 노치 거리를 갖는 노치가 형성될 수 있다. 노치부의 "깊이"는, 레이저 빔의 방향으로의 침투 깊이를 의미한다. 더욱이, 이송 속도 및/또는 펄스 파라미터를 변화시켜 연속적인 영역(이하, 노치 베이스라고 함)의 깊이를 변화시킬 수 있다. 이러한 노치는 다소 일정한 기하학적 형상을 갖는 종래의 노치에 비해 개선된 응력 집중 계수 및 개선된 파괴 역학적 기구를 보인다. 본 방법은 파괴 분할에 사용되는 모든 종류의 레이저로 실용적으로 실현될 수 있다.

레이저 빔의 발진은 바람직하게는 길이 방향 노치 축선에 대해 경사지게 이루어진다.

놀랍게도, 전술한 기준을 적절히 선택하면, 천공이 제공되는 노치를 매우 높은 펄스율과 빠른 이송의 경우에도 여전히 만들 수 있는 것으로 나타났고, 상기 노치 거리는 계산된 노치 거리 보다 상당히 더 크게 된다. 이러한 방법의 이점으로, 매우 높은 이송 속도와 함께 고주파수 레이저를 사용할 수 있으며, 그래서 종래의 해결 방안 보다 훨씬 더 빠르게 또한 낮은 열 도입으로 레이저 노치를 형성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 이송 속도가 주기 함수, 예컨대 사인(sine) 함수 또는 요소의 기하학적 형상에 따라 변하는 것이 바람직하다.

레이저 가공 중의 이송 속도는 100 mm/min ∼ 1500 mm/min 의 범위에서 변할 수 있다.

예컨대 레이저 헤드를 이동시키거나 또는 실질적으로 간단한 방식으로 경사 거울(스캐너)을 사용하여, 레이저 빔이 아이들(idle) 작업물에 대해 움직일 수 있으며, 운동학적으로 반대로, 작업물이 아이들 레이저에 대해 움직일 수도 있으며, 또한 혼합된 형태가 유리하다. 레이저 빔은 반경 방향으로, 즉 파괴 분할 노치에 수직하게 또는 그 파괴 분할 노치에 대해 경사지게 발진될 수 있다.

반경 방향 발진의 경우, 노치부는 그래서 노치 축선에 수직하게 되며, 경사 발진의 경우에는 노치부는 노치 축선에 대해 기울어제 된다. 발진은 길이 방향 노치 축선에 수직인 평면에 대해 바람직하게는 ≤45°의 각도로 수행된다(연결 로드의 경우에 이는 그 연결 로드 상단부의 반경 반향 평면임). 수평으로 지지하는 연결 로드 및 이에 수직인 이송 방향(노치 축선)에서는, 각도는 그러면 수평에 대해 30°이고 수직에 대해서는 60°가 될 것이다(도 11 참조요).

펄스 조절은 에컨대 펄스 폭, 펄스 주파수, 펄스 진폭 및/또는 펄스 위상을 변화시켜 수행될 수 있다. 기록된 펄스 파워/펄스 에너지 또는 예컨대 일정한 펄스 파워에서의 펄스 시퀀스를 변화시키고 따라서 노치의 코스를 따라 노치 깊이 또는 노치 거리를 변화시키고 그래서 파괴 거동을 더 최적화하기 위해, 이들 파라미터들은 단독으로 또는 어떤 조합으로 펄스 조절을 위해 변화될 수 있다. 예컨대, 점성 재료에서 주변 파괴 분할 노치들이 형성되는데, 그러한 작업물에서 노치 거리 또는 노치 깊이는 예컨대 연결 로드 상단부에 있는 그리고 실제 연결 로드 상단부의 외부에서 연장되어 있는 부분을 따라 있는 파괴 분할 노치의 코스에 따라 변할 수 있다.

상기 파라미터들을 적절히 선택하여, 예컨대 시간 제어 펄스 에너지 램핑(ramping)으로 조절을 수행할 수 있으며, 이때 펄스 주파수는 실질적으로 일정하게 유지된다. 일반적으로 "램핑"은, 펄스 시퀀스 중에 펄스 파워가 램프(ramp) 쪽으로 증가하고/증가하거나 그 램프에서 시작하여 감소하는 방법을 의미한다.

대안적으로, 조절은 펄스 시퀀스/펄스 주파수 조절로 수행될 수도 있는데, 이러한 경우 펄스 파워는 대략 일정하게 유지될 수 있다.

이미 언급한 바와 같이, 다른 파라미터도 변화될 수 있다.

이송 속도 및 펄스 둘다를 조절하는 것도 생각할 수 있는데, 이 조절은 연속적으로 또는 중첩식으로 또는 동시에 수행된다.

본 발명에 따르면, 레이저로서 소위 섬유 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 섬유 레이저는 당 기술 분야에서 알려져 있으며 따라서 이의 구조에 대한 설명은 필요 없을 것이다.

본 발명의 일 경우, 대략 100 ∼ 200 ns의 펄스 지속 시간에서 50 W 또는 100 W의 평균 출력 및 1 kHz 이상, 바람직하게는 10 kHz 이상의 펄스율을 갖는 레이저가 사용되며, 이송은 1000 mm/min 이상일 수 있다. 다른 한편, 종래 방법에서의 펄스율은 거의 동일한 크기 범위내에 있으며, 펄스 주파수는 확실히 더 낮은데, 예컨대 50 ∼ 140 Hz 이다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 노치부는 연속적인 노치 베이스로부터 연장되어 있다.

상기 방법에 따라 제작되는 작업물은 파괴 분할 방법에 의해 베어링 구멍 또는 다른 영역이 분할되는 예컨대 연결 로드 또는 크랭크케이스 또는 다른 작업물일 수 있다.

상기 방법에 따라 만들어지는 작업물은 레이저의 이송 속도 또는 펄스를 변화시켜 상이한 깊이 또는 상이한 노치 거리의 노치부들을 가질 수 있다. 이송 변화는 노치부를 따라 주기적으로 반복되는 것이 특히 바람직하다.

상기 방법을 실시하기 위한 레이저 유닛은, 레이저 모듈, 이 레이저 모듈로부터 나오는 레이저 빔을 가공될 작업물에 집중시키는 레이저 헤드 및 이송 방향으로 작용하는 이송 축선을 포함한다. 후자는 레이저 가공 중의 이송이 조절될 수 있도록 제어 유닛을 통해 제어가능하다. 대안적으로 또는 동시에, 펄스 조절이 또한 상기 제어 유닛을 통해 수행될 수 있다.

상기 노치 거리는 펄스 조절의 주기, 예컨대 펄스 에너지 램핑 또는 펄스 주파수 조절의 주기에 의해 규정된다. 본 출원인은 그에 대한 청구 권리도 보유한다.

이와 관련하여, 매우 동적인 이송 축선이 바람직한데, 이러한 이송 축선에 의해 이송 속도의 변화가 0.5 g 이상, 바람직하게는 1 ∼ 2 g 의 범위내의 가속도로 가능하게 된다. 즉, 이송 속도 프로파일은 높은 정밀도로 사인형이 될 수 있으며, 한계적인 경우에는 심지어 거의 사각형으로 될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 개략적인 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 1 은 큰 연결 로드 상단부에서 파괴 분할 노치를 만들기 위한 레이저 유닛의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 방법에 따라 만들어진 파괴 분할 노치를 크게 확대한 것이다.
도 3 은 레이저 출력 및/또는 펄스율이 변한 경우의 대응도를 나타낸다.
도 4 는 이송에 따른 파괴 분할 노치를 나타낸다.
도 5 는 평균 레이저 출력에 따른 파괴 분할 노치를 나타낸다.
도 6 은 레이저 빔의 이송에 대한 노치 깊이의 의존성을 강조하기 위한 다이어그램을 나타낸다.
도 7 은 시간의 함수인 이송 속도 조절을 강조하기 위한 다이어그램을 나타낸다.
도 8 은 노치 깊이가 이송 속도 조절로 평균 이송 속도에 따라 조절되는 것을 강조하기 위한 다이어그램을 나타낸다.
도 9 은 이송 속도 조절이 있는 경우와 없는 경우에 있어서 비교가능한 조건에서의 파괴 분할 노치의 사진을 나타낸다.
도 10 은 이송 속도 조절이 있는 레이저 방법에 사용될 수 있는 레이저 유닛을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 11 은 도 10 에 따른 레이저 유닛의 레이저 헤드의 개략적인 다이어그램을 나타낸다.
도 12 는 레이저의 펄스 진폭 조절을 강조하기 위한 선도를 나타낸다.
도 13 은 레이저의 펄스 시퀀스 조절을 강조하기 위한 선도를 나타낸다.
도 14 는 도 12 및 13 에 따른 실시 형태의 일 변형예를 나타낸다.
도 15 는 노치 깊이에 대한 이송 및 펄스 주파수의 조절의 영향을 도시하는 선도를 나타낸다.

도 1 은 큰 연결 로드 상단부(1)의 단면도를 나타내며, 이 연결 로드 상단부는 파괴 분할에 의해 베어링 시트 및 연결 로드 측의 부분으로 분리된다. 이 파괴 분할 면(2)의 코스는 서로 정반대편에 있는 두개의 파괴 분할 노치(4)(도 1 에는 하나만 도시)에 의해 미리 결정되며, 이 노치는 바람직하게는 다수의 노치부(6)를 갖는 천공의 형태로 되어 있다. 종래 기술과 관련하여 전술한 바와 같이, 도 1 에 있는 연결 로드 상단부(1)의 좌우측 벽에 파괴 분할 노치(4)를 형성한 후에, 확장 맨드릴을 연결 로드 상단부 안으로 삽입하고, 그런 다음에 그 확장 맨드릴을 적절히 확장시키고 연결 로드 상단부를 지지하여 연결 로드의 로드측 부분으로부터 베어링 시트가 분리되며, 이때 구조적인 조건으로 인해, 생성되는 파괴 분할 면의 기하학적 형상에 의해 두 부재를 정확히 끼워맞움 결합하는 것이 쉬워진다.

파괴 분할 노치(4)를 설계하기 위해 섬유 레이저가 사용되는데, 이의 레이저 헤드(8)가 도 1 에 개략적으로 나타나 있다. 이러한 종류의 섬유 레이저는 기본적으로 다이오드 여기 고체 레이저일 수 있으며, 유리 섬유의 코어가 작용 매체를 구성한다. 고체 레이저의 방사선은 발진을 통해 섬유 안으로 도입되고, 이 섬유 안에서 실제 레이저 증폭이 일어나게 된다. 레이저가 대부분 외부 영향에 대해 독립적으로 유지되고 또한 매우 간단한 구조를 갖도록 레이저의 빔 특성과 빔 질을 섬유(유리 섬유)의 기하학적 형상을 통해 조절할 수 있다.

상기 작용 섬유에서 나온 후에 레이저 빔은 유리 섬유 안으로 도입되고, 그리고 이 유리 섬유를 통해 방사선이 도 1 에 나타나 있는 레이저 헤드(8)에 안내되고 포커싱 광학 기구(10)를 통해 가공 대상 작업물(1)에 집중된다. 나타나 있는 실시 형태에서, 레이저 빔(12)은 반경 방향으로, 즉 노치 축선(도 1 에서 수직 방향)에 수직하게 충돌하게 된다. 이러한 구성의 경우, 90°발진으로 인해 반사 및 있을 수 있는 잔류 용융뮬이 직접 광학 경로를 따라 되돌아 가기 때문에 포커싱 광학 기구(10)가 용융 재료로 더렵혀질 수 있다는 단점이 있다. 발진이 경사지게, 예컨대 30°또는 45°로 이루어지면, 있을 수 있는 반사 및 잔류 융융물은 반사각(도 1 참조: "12""")으로 떠나게 되며, 따라서 더렵혀짐이 일어나지 않는다. 경사 발진 레이저 유닛은 도 10 및 11 을 참조하여 설명한다.

90°발진의 다른 단점은 약하거나 강한 빔 제어가 가능하지 않다는 것이다. 경사지는 경우, 노치의 기하학적 형상은 약하거나(도 11 에서 상방) 또는 강한(도 11 에서 하방) 빔 제어에 의해 추가적으로 영향을 받을 수 있다. 노치의 기하학적 형상은 노즐을 통과하는 용융물에 작용하는 공기 흐름에 의해 추가적으로 영향을 받을 수 있다. 종속항에는 전술한 두 가지 점에 관한 것일 수 있다.

이들 섬유 레이저는 우수한 전기 광학적 효율 및 큰 촛점 깊이를 갖는 뛰어난 빔 질과 그리고 매우 컴팩트한 구조를 가지며, 따라서 작은 구축 공간으로 종래의 레이저 보다 비용 효과적인 해결 방안이 제공될 수 있다. 섬유 레이저의 높은 피크 능력 및 큰 집중 능력으로 인해 출력 밀도가 비교적 높게 되며, 따라서 재료의 증발된 부분이 우세하게 존재한다. 그러나, 에너지의 일부가 열로 전환되므로, 그럼에도 불구하고 여전히 용융물과 환경의 열적 영향이 있다. 잔류열이 축적될 수 있어 별개의 용융 현상이 일어나는데, 이 현상에 의해, 계산된 노치 거리는 실제 생기는 노치 거리 보다 명백히 작게 되며 또한 다른 파라미터들이 변하지만 이러한 노치 거리는 또한 비교적 안정적이다.

도 1 의 좌측에 있는 연결 로드 벽을 가공한 후에, 레이저 헤드는 약 180°회전되고 우측 연결 로드 벽이 가공된다. 원리적으로 크로스 헤드가 또한 사용될 수 있는데, 이 경우에는 양쪽 벽부가 동시에 가공될 수 있다.

전술한 실시 형태에서, 작업물, 즉 연결 로드는 고정되게 죄여지며, 레이저 헤드(8)는 축선 방향으로 또는 그 축선에 평행하게 이송 속도(V)로 이동되며, 레이저 출력은 약 50 W 이고, 나타난 실시 형태에서 레이저의 펄스 주파수는 대략 20 kHz 이다. 점(spot) 직경은 대략 30 ㎛ 이고, 이송 속도(V)는 약 1500 mm/min 이다. 이러한 파라미터의 경우, 계산되는 노치 거리는 약 0.00125 mm 가 될 것이다. 사실, 노치 거리(K)(이 경우 레이저 빔은 45°로 경사지게 발진됨)은 약 0.1 mm 이다.

도 2 는 전술한 파라미터들과 함께 본 발명의 방법에 따라 구체적으로 가공된 연결 로드 상단부를 크게 확대한 것으로, 이 실시 형태에서 레이저 빔은 경사지게(45°) 발진된다. 평균 레이저 출력은 약 50 W 이고 펄스 출력은 약 8 kW 이다. 천공 거리(노치 거리)(K)는 약 0.1 mm 이고, 천공을 형성하는 개별적인 노치부(6)가 연장되어 있는 연속적인 노치 베이스(G)가 얻어진다. 도 2 에 따른 실시 형태에서, 노치 베이스(G)의 깊이는 약 0.51 mm 이고, 노치부(6)의 깊이(P)(반경 방향에서 본 것임)는 약 0.78 mm 이다(연결 로드 상단부(1)의 원주벽(14)에서 부터 측정됨).

도 3 은 레이저 빔(12)의 감소된 레이저 출력(40 W) 및 더 가파른 발진(30°)을 갖는 유사한 실시 형태를 나타내는데, 노치 거리(K)에 있어서는 실질적인 변화가 없으며, 더 가파른 발진 및 감소된 레이저 출력(40 W)의 경우에는 노치 베이스의 깊이(G)와 노치부의 깊이(P)는 약간 더 크게 된다. 다소 더 가파른 발진의 경우, 파괴 거동을 개선하는 노치가 이렇게 해서 전술한 실시 형태에서 보다 더욱더 작은 출력으로 형성될 수 있다.

도 4 는 레이저 빔이 길이 방향 노치 방향으로 이동할 때의 설정 이송 속도(V)(도 1 참조요)에 대한 파괴 분할 노치의 의존성을 보여준다.

명백히 알 수 있는 바와 같이, 다른 이송 속도(500 mm/min, 1000 mm/min, 1500 mm/min)에서도 노치 거리는 거의 변하지 않는다. 그러나, 분명하게도, 더 낮은 이송 속도에서는 한편으로 노치 베이스의 깊이(G)는 더 크게 되고 또한 노치 부의 축방향 길이(P-G)는 이송에 반비례하며, 여기서 500 mm/min 와 1000 mm/min 의 차는 비교적 작다.

도 5 는 레이저 출력에 대한 파괴 분할 노치의 의존성을 보여준다. 도 5 의 맨 위쪽에 나타낸 바와 같이 평균 레이저 출력은 50 W 로 설정되었다. 그 아래에 나타나 있는 파괴 분할 노치는 100 W 의 평균 레이저 출력에서 얻어진 것이며, 이때 다른 파라미터들은 변하지 않았다. 분명히 알 수 있는 바와 같이, 레이저 출력이 감소되는 경우, 더 긴 노치부를 갖는 다소 미세한 노치 구조가 형성되며, 하지만 앞에서 이미 언급한 바와 같이 노치 거리는 거의 변하지 않는다. 더욱이, 레이저 출력을 감소시키면, 예상한 대로, 더 큰 레이저 출력의 경우에서 보다 다소 더 작은 깊이(G)를 갖는 연속적인 노치 베이스가 형성된다. 파괴 역학적 기구 면에서, 500 ∼ 1500 mm/min 범위의 평균 이송 속도에서는 비교적 작은 레이저 출력(50 W 이하)을 갖는 레이저를 사용하는 것이 최적이다.

빔 질은 소위 Q-스위치로 개선될 수 있다. 이러한 Q-스위치는 광학 요소인데, 펄스성 레이저의 경우 그 스위치에 의해 펄스가 지연되고, 펄스 지속 시간은 감소되며 또한 펄스 높이(피크 성능)은 커지게 되며, 따라서 매우 예리한 레이저 펄스가 얻어지는데, 이러한 레이저 펄스는 급속히 증가하고 또한 최대의 예리함에 도달하면 다시 급속히 감소하게 된다. 이러한 Q-스위치가 없으면 펄스는 명백히 더 넓고 또한 더 평평한 형태를 갖게 된다.

도 6 은 100 ∼ 3000 mm/min 에서 변하는 이송 속도에 대한 노치 깊이의 의존성을 보여준다. 이와 관련하여, 측정치(S2)는 규정된 측정치(G)(노치 베이스의 깊이)에 대응하고, 측정치(S1)는 노치의 총 깊이(P)(도 2 및 3 참조요)에 대응하며, 따라서 노치부의 길이는 차(G-P)에 대응한다. 위쪽 곡선은 노치의 총 깊이(S1)의 추이를 나타내며, 아래쪽 곡선은 노치 베이스의 깊이(S2)의 추이를 나타낸다. 분명한 바와 같이, 약 800 mm/min 까지의 범위내에 있는 비교적 낮은 이송 속도에서는 노치 깊이(S1, S2)의 비교적 강한 의존성이 나타난다. 더 높은 이송 속도(대략 800 ∼ 3000 mm/min)에서는 의존성이 더욱더 작게 나타난다. 이들 실험은 50 kHz의 펄스 주파수와 50 W의 평균 펄스 출력에서 수행된 것이다. 이렇게 해서, 전술한 도면에 도시된 바와 같은 이송 속도에 대한 노치의 기하학적 형상의 의존성이 도 6 에 나타난 실험으로 확인되었다.

뒤에서 더 자세히 설명하겠지만, 매우 낮은 이송 속도(200 mm/min 이하)에서는 노치 베이스 영역에서의 열적 과열로 인해 노치 질이 불충분했다. 검게 탄 영역이 형성되었는데, 이러한 영역으로 인해, 레이저 가공을 받은 작업물은 실용상 쓸모가 없게 되었다. 상기 검게 탄 영역은 예컨대 아래에서 더 자세히 설명할 도 9 의 맨 위쪽에 나타나 있다.

그러므로 레이저 가공에서는, 파괴 분할 노치를 형성할 때 이러한 질적 손실이 일어나지 않도록 이송 속도를 제어하는 주의를 기울어여 한다.

레이저 가공 동안에 이송 속도를 변화시키면 상기 현상을 피할 수 있는 것으로 밝혀졌는데, 한편으로 충분한 노치 깊이를 가지며 또한 다른 한편으로는 높은 이송 속도에서 그래서 짧은 시간 내에 형성될 수 있는 파괴 분할 노치가 생성되며, 이때 파괴 역학적 기구를 저해하는 질적 손실은 예상되지 않는다.

도 7 은 이송 속도 조절의 예를 보여주는데, 이송 속도 조절은 사인(sine) 함수에 따라 수행된다. 물론, 이송 속도 조절은 다른 함수, 바람직하게는 주기 함수에 따라서도 수행될 수 있다. 형성될 파괴 분할 노치의 총 길이에 대응하지 않는 특정 이송 범위내의 이송 속도의 추이가 시간의 함수로 도시되어 있다. 이 경우, 67.5 ∼ 69.5 mm의 이송 범위가 구체적으로 나타나 있는데, 즉 단지 2개의 2 mm 전체 파괴 분할 노치가 나타나 있지만, 파괴 분할 노치의 영역(미도시)에서 이송 속도 조절이 대응적으로 수행된다. 좌측 위쪽에서부터 우측 아래쪽으로 가면서 다소 물결치듯이 나타나 있는 곡선(상측 곡선은 파괴선으로 나타나 있고 하측 곡선은 연속적인 선으로 나타나 있음)은 파괴 분할 노치의 방향으로의 실제 이송을 시간(t)의 함수로 나타낸 것이다. 이러한 다소 물결형의 이송 중에, 이송 속도는 나타내진 사인 함수에 따라 변하게 되는데, 더 높은 진폭을 갖는 사인 함수는 파선의 레이저 경로에 할당되며, 더 작은 진폭을 갖는 사인 함수는 연속적인 선의 레이저 운동 경로에 할당된다. 이송 속도는 비교적 높은 주파수에서 변하며, 따라서 형성될 파괴 분할 노치를 따른 운동 프로파일을 조절하기 위해 레이저 헤드(8)를 짧은 시간내에 크게 가속 및 감속시켜야 함을 알 수 있다.

도 7 에 따른 선도에서, 각각 조절되는 이송 속도의 실제 값은 우측에 나타나 있다. 따라서, 상측 속도 조절에서 그 이송 속도는 117 ∼ 1157 mm/min 범위내에서 변하였다. 이러한 이송 속도 조절에서 파괴 분할 노치를 형성할 때, 도 8 및 9 에 예시되어 있는 바와 같은 파괴 분할 노치의 기하학적 형상이 얻어진다. 도 8 은 발생되는 노치 깊이가 평균 이송(V_m)의 함수, 즉 전술한 속도 조절의 평균값의 함수로 조절되는 선도를 나타낸다. 도 8 에서 알 수 있는 바와 같이, 예컨대 800 mm/min의 평균 이송 속도의 경우(사실 이송 속도는 도 7 에 따른 사인 함수에 따라 변하게 된다) 도 8 에 나타나 있는 추이를 갖는 파괴 분할 노치가 생성된다. 분명한 바와 같이, 사인 주기에 대응하는 측정치(S2)(G)를 갖는 노치 베이스로부터 상이한 노치부들이 형성된다. S3 으로 표시된 노치부는 이송 속도가 비교적 낮은 영역에서 형성된다. S1 로 표시된 노치부는 레이저가 비교적 높은 속도로 움직이는 영역에서 형성된다.

평균 이송에 따른 특성 파라미터(S1(P), S2(G), S3(P))의 추이는 도 8 에 따른 선도에 나타나 있다. 상측 곡선은 낮은 이송 속도에서 총 노치 깊이(S3)의 추이를 나타내며, 곡선(S1)은 비교적 높은 이송 속도에서의 노치 깊이의 추이를 나타내며(항상 속도 조절 중에) 곡선(S2)은 노치 베이스의 깊이의 추이를 나타낸다. 평균 이송 속도가 증가하면 노치 깊이가 감소하는 것으로 나타났다. 그러나, 분명히 알 수 있는 바와 같이, 각각의 속도 조절시에는 가변적인 노치 깊이를 갖는 노치부들이 형성될 수 있다. 이러한 노치는 서두에서 언급한 노치와 비교하여 파괴 역학적 기구를 확연히 개선했다. 다시 말해, 이송 속도 조절에 의해, 이송 속도 조절 없이 연속적인 천공을 포함하는 파괴 분할 노치와 비교하여 초기 파괴 인성과 어레스팅 파괴 인성을 확실히 개선하는 비교적 깊고 예리한 초기 노치가 형성될 수 있다.

따라서, 복잡한 요소도 균열시킬 수 있게 되는데, 이때 이송 속도의 조절은 그 요소의 기하학적 형상에 따라 수행될 수 있다. 즉, 예컨대 파괴 분할 노치의 영역에서 브레이크쓰르우(breakthrough)를 포함하는 매우 복잡한 요소에서, 이송 속도는 그 요소의 기하학적 형상에 적합하게 될 수 있으며, 따라서 복잡하지 않은 영역에서는 이송 속도 조절의 비교적 높은 이송 속도 또는 진폭이 적용되며, 더 중요한 영역에서는 더 낮은 평균 이송 속도 또는 일정한 이송 속도로 조절되도록 이송 속도 조절이 적절히 감소된다.

전술한 이송 속도 조절의 이점은 도 9 로 강조된다. 위쪽에는 200 mm/min의 비교적 낮은 일정한 이송 속도에서 조절되는 파괴 분할 노치가 나타나 있다. 낮은 이송 속도에서 높은 열 도입으로 인해 일어날 수 있는 비교적 큰 노치 깊이와 연소된 부분/검게 탄 부분을 뚜렷히 볼 수 있다. 이러한 파괴 분할 노치는 실용상 쓸모가 없다.

다른 한편으로, 아래쪽의 사진에는 이송 속도 조절이 일어나는 본 발명의 방법에 따라 얻어진 노치가 나타나 있는데, 이송 속도는 117 ∼ 1157 mm/min 의 범위에서 조절되었다. 뚜렷히 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 조절로 노치 베이스 영역에서 연소를 신뢰적으로 피할 수 있다. 또한, 적절한 속도 조절로 형성된 더 크거나 작은 깊이를 갖는 노치부를 볼 수 있는데, 그 깊이는 또한 레이저의 경사각에도 의존한다. 나타나 있는 실시 형태에서, 경사각, 즉 발진각은 도 9 에서 수평에 대해 약 30°이였다.

도 10 및 11 을 참조하여, 이송 속도 조절이 일어나는 전술한 방법을 실시하는데 특히 잘 적합한 레이저 유닛에 대해 설명한다. 도 10 에 따르면, 레이저 유닛은 레이저 모듈(16)을 포함하고, 이 레이저 모듈은 예컨대 섬유 레이저 및 이 섬유 레이저의 제어부를 포함한다. 레이저 유닛의 제어부(16)는 레이저 빔의 이송 속도가 전술한 방식으로 조절될 수 있도록 구성되어 있다.

레이저 모듈(16)로 발생되는 레이저 빔(12)은 광 전달기(18)를 지나 도 10 에 단순하게 도시되어 있는 리콜리메이터(re-collimator: 20)에 안내된다. 리콜리메이터에서 레이저 빔은 평행 빔으로 전환되며, 빔 직경은 대략 6 mm 범위에 있다. 그런 다음 상기 평행 빔은 광 전달기(18)를 지나 레이저 헤드(8)에 안내되고, 그런 다음 레이저 빔이 그 레이저 헤드를 경유하여 가공 대상 작업물(본 경우에는 연결 로드의 연결 로드 상단부(1))에 집중된다. 집중되는 레이저 빔은 도 10 에서 수평에 대해 30°의 각도로 발진된다. 레이저 헤드(8)는 Z 이송 축선(22)을 가지며, 이 이송 축선을 통해 길이 방향 노치 축선에서 이송이 일어난다. 상기 이송 축선은 매우 동적인 축선인데, 이 축선에 의해 높은 폐루프 이득과 큰 저크(jerk)와 함께 극히 높은 가속도가 얻어질 수 있게 되며, 따라서 조절에 대한 극히 정밀힌 제어가 요구된다. 가속도는 예컨대 1 ∼ 2g 의 범위일 수 있으며, 폐루프 이득은 10 n/min/mm(166.71/s) 의 범위일 수 있으며, 저크는 400 m/s³ 이상일 수 있다. 연결 로드 상단부(1)의 양쪽을 가공하는 경우, 레이저 헤드(8)는 피봇 축선(24)을 더 갖게 되는데, 이 피봇 축선에 의해 레이저 헤드(8)는 Z 이송 축선(22) 주위로 선회될 수 있다. 또한 레이저 유닛은 X 조절 축선(26)을 포함하는데, 이 제어 축선을 통해 전체 레이저 헤드(8)가 X 방향으로(연결 로드 상단부(1)에 대해 반경 방향으로) 이동할 수 있다. 이러한 수단에 의해 사인형 파괴 분할 노치가 또한 형성될 수 있다.

도 11 은 레이저 헤드(8)에서 빔을 안내하는 기본적인 구조를 도시한다. 이 도에는 섬유 레이저(레이저 모듈(16))에 연결되어 있는 광 전달기(18)가 나타나 있다. 리콜리메이터(20)에서 레이저 빔은 대략 6 mm 의 직경을 갖는 평행 빔으로 전환되고 그리고 나서 방향 전환 거울(28)에 의해 연결 로드 상단부 축선의 방향으로 90°방향 전환된다. 그런 다음에, 방향 전환된 레이저 빔(12)은 예컨대 100 mm 의 촛점 길이를 갖는 광학 기구를 경유하여 연결 로드 상단벽에 집중되며, 연결 로드의 원주벽의 배향은 다른 방향 전환 거울(32)을 통해 수행되는데, 나타나 있는 실시 형태에서 그 다른 방향 전환 거울은, 수평에 대해 30°의 발진각이 얻어지도록 레이저 빔이 연결 로드의 원주벽에 충돌하도록 수평에 대해 60°의 각도로 경사지거나 또는 방향 전환 거울(32)에 충돌하는 레이저 빔(12)의 수직 방향 부분에 대해 60°의 경사각으로 경사진다(60°방향 전환). 레이저 빔은 노즐(34)을 통해 나가며, 그리하여, 레이저 점이 노즐(34)의 출구면에 대해 약 3 mm 앞에 위치하도록 촛점이 맞추어진다. 광학 기구(30)와 거울(28, 32)이 더렵혀지는 것을 피하기 위해, 노즐(34)과 방향 전환 거울(32) 사이의 광학 경로에 보호 유리(34)가 제공된다. 도 11 에서는 피봇 축선(24)도 볼 수 있는데, 상기 레이저 헤드(8)는 피봇 베어링(38)을 통해 피봇되며, 실제적으로 연결 로드의 모든 원주벽 영역에 도달할 수 있도록 모터(미도시)에 의해 Z 이송 축선(22) 주위로 선회될 수 있다.

섬유 레이저를 사용할 때 그리고 이송 속도 조절과 비교적 높은 펄스율(종래의 해결 방안과 비교하여)을 적절히 선택하면, 종래 시스템에서의 경우 보다 실질적으로 낮은 에너지 입력 및 상당히 더 빠른 이송 속도로 최적의 응력 집중 계수를 갖는 천공을 형성할 수 있다.

실행된 실험에 의하면, 예컨대 20 kHz의 펄스 주파수에서 50 W 의 출력을 갖는 섬유 레이저의 경우 노치부(6)가 1/10 mm, 바람직하게는 0.1 ∼ 0.3 mm 의 범위내의 거리를 갖는 파괴 분할 노치(4)가 형성될 수 있다. 단지 30 W 의 출력을 갖는 레이저가 사용될 때에도 매우 효과적인 천공된 파괴 분할 노치(4)가 형성될 수 있는 것으로 나타났다.

전술한 실시 형태에서, 이송 조절이 수행된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 펄스 조절이 예컨대 이후에 설명할 방식으로 또한 일어날 수 있다.

원칙적으로, 그러한 펄스 조절시, 펄스형 캐리어 또는 기초 함수가 조절되는데, 이 경우 예컨대 펄스폭, 펄스 지속 시간 또는 펄스 위상이 변할 수 있다. 바람직하게는, 펄스 에너지(펄스 램핑(ramping)) 또는 펄스 주파수/펄스 시퀀스가 조절된다. 펄스 진폭 조절시 상기 사각형 캐리어 펄스 시퀀스는 펄스 진폭의 변화로 변하게 된다. 펄스 지속 시간 조절시, 기초가 되는 캐리어 함수의 펄스 폭이 적절히 변화된다. 이에 대응하여, 펄스 위상시 펄스 위치는 각각의 캐리어 함수에 대해 위상 변위되며, 이때 일정한 펄스 폭과 펄스 진폭이 사용된다.

이하, 펄스 주파수가 일정한 시간 제어 펄스 에너지 램핑 및 대략 일정한 펄스 파워의 펄스 시퀀스 조절을 설명한다.

시간 제어 펄스 에너지 램핑에서, 시간 제어는 현재의, 바람직하게는 일정한 이송 속도 및 요망되는 노치부 그리드(천공 그리드)에 적합하게 된다. 이 경우에 펄스 에너지 램프는 형상은 천공 형상을 대략적으로 나타낸다.

도 12 에는, 시간 제어 펄스 에너지 램핑이 일어나는 그러한 조절이 나타나 있다. 시작 또는 캐리어 함수로서 펄스 에너지(E_KI)의 추이가 시간에 따라 나타나 있는데, 여기서 펄스 에너지는 예컨대 120 ns의 펄스 길이 및 50 kHz의 주파수에서 1 mJ 이다. 이 캐리어 함수는, 펄스 에너지(P_Ramp)(이의 추이는 도 12 에 나타나 있음)의 램프형 조절에 의해 중첩된다. 나타나 있는 실시 형태에서 펄스 램프 형상은 영과 교차하지 않는 대략 사인(sine) 형상을 갖는다. 그러나, 원리적으로는, 증가 하고 감소하는 측면부 및 일정한 파워/에너지의 정상 평탄부를 갖는 다른 램프 형상도 사용될 수 있다. 나타나 있는 실시 형태에서, 시작 또는 캐리어 함수의 조절은 미리 정해진 최대 펄스 에너지(1 mJ)가 주기적으로 감소하도록 수행되며, 그러한 감소 및 최대 펄스 에너지로의 관련된 증가(램핑)은 대략 사인형 추이를 갖는다.

상기 캐리어 함수(E_KI)의 적절한 조절의 결과, 램프 형상을 갖는 펄스 에너지 변화(E_Ramp)가 나타난다. 램프의 시간 시퀀스, 즉 펄스 에너지 램프 형상은 노치 거리(K)를 규정하며, 그래서 펄스 에너지 램프 형상은 천공 형상을 나타낸다. 이 실시 형태에서는 일정한 이송 속도가 제공되는데, 도시되어 있는 실시 형태에서 그 이송 속도는 대략 200 mm/min 이고 함수(P_Ramp)의 펄스 주파수/주기는 항상 11.1 Hz 이다. 레이저의 펄스 에너지(E_Ramp)는 동일한 주파수에서 램프 함수에 따라 변하게 되며, 노치부(K)는 상기 주파수 및 선택된 이송 속도에 따라 조절된다. 그래서, 이 실시 형태에서도, 실제 펄스 주파수(50 kHz(함수 E_KI 참조)) 및 선택된 이송 속도로부터 계산되어 얻어지는 것 보다 명확히 큰 노치 거리(K)가 조절되는데, 왜냐하면 그러한 노치 거리(K)는 실질적으로 램프 함수의 선택된 주파수/주기(11.1 Hz)에 의존하기 때문이다.

도 13 은 펄스 시퀀스 또는 펄스 주파수 조절이 일어나는 실시 형태를 나타낸다. 전술한 실시 형태와 유사하게, 1 mJ의 펄스 에너지 및 120 ns의 펄스 길이를 갖는 출력 또는 캐리어 펄스 시퀀스가 기초로서 취해진다. 이 출력 함수는 펄스 시퀀스 조절 중에 펄스 주파수를 100 kHz의 최대값과 20 kHz의 최소값 사이에서 변화시켜 조절되며, 여기서도 변화는 도 13 에 따라 대략 사인형으로 수행된다. 그리고 이 펄스 시퀀스의 주기 또는 주파수 변화는 노치 거리(K)를 결정한다. 1 mJ의 펄스 파워 및 100 kHz 범위내의 고주파수를 갖는 영역에서 최대 노치 깊이가 형성됨을 분명히 알 수 있다. 따라서, 노치 깊이는 펄스 주파수에 의존한다 (펄스 파워는 일정할 때). 나타나 있는 실시 형태에서, 펄스 조절의 주기는 11.1 Hz 이다. 이송 속도는 200 mm/min 이다. 캐리어 함수의 이러한 조절의 결과, 11.1 Hz의 조절 주파수(펄스열 주기)에서 펄스 시퀀스가 10 ∼ 50 ㎲ 에서 변하는 펄스 시퀀스 조절(E_KIPf)가 얻어진다.

도 12 에 따른 실시 형태와 유사하게, 이러한 펄스 시퀀스 조절에서의 노치 거리(K)는 주기(11.1 Hz)로 얻어지는 것인데, 따라서 램프형(펄스 에너지 램핑)의 주파수 주기(펄스 시퀀스 조절) 또는 주기를 적절히 선택하면 천공 그리드, 즉 노치 거리(K)가 얻어진다. 설명한 실시 형태에서, 에컨대 0.3 mm의 노치 거리가 조절된다. 이러한 유형의 조절을 "주파수 요동" 이라고도 한다.

도 14 는 노치 깊이 또는 노치 거리가 펄스 파워(P)의 변화로 변경되는 실시 형태를 매우 일반적인 형태로 도시하는데, 이 파워 조절은 동적으로 수행된다. 적절하다면 펄스 폭 및 펄스 진폭 그리고 펄스 주파수가 또한 변화된다.

기본적으로 펄스 조절 중에 버스트 모드(burst mode)가 또한 사용될 수 있는데, 이 모드에서는 고정된 펄스 수에 도달할 때까지 또는 에너지 저장 장치가 방전될 때까지 레이저 펄스가 상기 에너지 저장 장치에서 출력된다. 이 경우, 파괴 분할 노치가 완전히 형성되는 것으로 생각되며 작업물은 다른 스테이션에 이송된다. 에너지 저장 장치는 그러한 작업물 취급 중에 충전되며 그래서 다음 레이저 가공을 위한 준비가 된다.

도 15 에 나타나 있는 선도를 참조하여, 본 발명에 의해 밝혀진 사실을 다시 한번 정리할 것이다. 이 선도는 노치 깊이를 이송 및 펄스 주파수의 함수로 나타낸다.

앞에서 자세히 설명한 바와 같이, 비교적 낮은 이송 속도로 큰 노치 깊이가 얻어지며, 펄스 주파수의 조절시 노치 깊이는 주파수가 높아짐에 따라 증가하게 된다. 따라서, 이송 속도가 일정할 때, 높은 주파수(100 kHz)에서의 노치 깊이는 50 kHz의 펄스 주파수의 경우의 거의 두 배이다. 이 경우, 1 mJ의 펄스 에너지, 130 ns의 펄스 길이 및 90°의 발진각으로, 100 W의 평균 출력을 갖는 레이저가 사용된다.

이미 반복해서 설명한 바와 같이, 이송 속도 및 레이저 팔스는 조절될 수 있다. 본 출원인은 최대 레이저 출력에서 이송 속도를 변화시키는 경향이 있는데, 노치 깊이가 이송 속도의 조절에 거의 선형적으로 의존하므로 항상 최대의 레이저 출력이 작업에 사용될 수 있다. 선형 모터 기술을 이용하여, 비가공 시간을 상당히 줄일 수 있으며, 이송 속도 조절은 비교적 간단한 방식으로 가능하다. 레이저가 스캐너 기술을 포함하면 조절은 더욱더 쉽게 될 수 있으며, 레이저의 정렬은 경사 거울 또는 광학 기구를 통해 수행되며 따라서 선형 축선은 대개 필요 없다.

본 발명은 작업물을 파괴 분할하기 위한 방법 및 이러한 방법으로 제작되는 작업물에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 이송 속도 및/또는 레이저 펄스는 레이저 가공 중에 작업물의 기하학적 형상 및/또는 레이저 출력에 따라 조절된다.

1 연결 로드 상단부
2 파괴면
4 파괴 분할 노치
6 노치부
8 레이저 헤드
10 포커싱 광학 기구
12 레이저 빔
14 원주벽
16 레이저 모듈
18 광 전달기
20 리콜리메이터
22 이송 축선
24 피봇 축선
26 제어 축선
28 방향 전환 거울
30 광학 기구
32 방향 전환 거울
34 노즐
36 보호 유리
38 피봇 베어링

Claims (15)

1. 레이저 에너지로 작업물(1)을 파괴 분할하기 위한 방법으로서, 파괴 분할면을 미리 규정하는 파괴 분할 노치(4)가 레이저 빔(12)과 작업물(1) 사이의 상대 변위에 의해 형성되고, 상기 파괴 분할 노치는 노치부(6)를 포함하는 천공의 형태로 되어 있고, 레이저의 이송 속도(V) 및/또는 펄스 파라미터가 가공 중에 변하게 되는, 레이저 에너지로 작업물을 파괴 분할하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   레이저 빔(12)은 길이 방향 노치 축선에 대해 경사지게 발진되는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   이송 속도(V)는 주기 함수, 예컨대 사인(sine) 함수에 따라 변하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   이송 속도는 100 mm/min ∼ 1500 mm/min 에서 변하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   펄스 조절은 펄스 폭, 펄스 주파수, 펄스 진폭 및/또는 펄스 위상을 변화시켜 수행되며, 파라미터들은 개별적으로 또는 조합되어 조절되는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 조절은 일정한 펄스 주파수에서 시간 제어 펄스 에너지 램핑(ramping)으로 수행되는 방법.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 조절은 일정한 펄스 파워로 펄스 시퀀스/펄스 주파수 조절에 의해 바람직하게는 20 kHz ∼ 100 kHz의 범위 내에서 수행되는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   사용되는 레이저는 섬유 레이저인 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   파괴 분할 노치(4)는 노치부(6)가 연장되어 있는 연속적인 노치 베이스를 갖는 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제작되는 작업물, 특히 연결 로드 또는 크랭크케이스.
11. 제 10 항에 있어서,
    작은 깊이를 갖는 하나 이상의 노치부(6)와 더 큰 깊이를 갖는 하나 이상의 노치부(6)가 대략 주기적으로 반복 형성되어 있거나 또는 작업물의 기하학적 형상에 의존하는 다른 노치 깊이(P)를 갖는 작업물.
12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하기 위한 레이저 유닛으로서,
    섬유 레이저,
    가공될 작업물 상에 레이저 빔(12)을 집중시키기 위한 것이며, 이송 방향으로 작용하는 적어도 하나의 이송 축선(22)을 포함하는 레이저 헤드(8), 및
    파괴 분할 노치의 형성 중에 레이저의 이송 속도 및/또는 펄스 파라미터를 변화시키기 위한 제어 유닛(16)을 포함하는 레이저 유닛.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 이송 축선(22)은, 파괴 분할 노치의 형성 중에 이송 속도의 변화가 ＞0.5 g, 바람직하게는 최대 2 g로 가능하도록 되어 있는 레이저 유닛.
14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 섬유 레이저의 평균 출력은 100 W 이고 20 kHz 이상, 바람직하게는 대략 100 kHz의 최대 펄스율에서는 더 작게 되는 레이저 유닛.
15. 제 12 항 내지 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    조절의 주기는 미리 정해진 노치 거리(K)가 조절되도록 선택되는 레이저 유닛.

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