KR20140131437A - 레이저 가공헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 빔과 가공 어시스트가스를 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공헤드에 관한 것으로, 가공 어시스트가스의 기류와 충돌하도록 별도의 충돌용 가공 어시스트가스를 공급함으로써, 스패터가 노즐을 통해 가공헤드 내부로 침입하더라도 충돌 지점에서 발생되는 가공 어시스트가스의 기류 혼란 영역에서 스패터가 더 이상 전진하지 못하여 포커싱 렌즈에 부착되지 않도록 한 것으로,
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 레이저 빔과 가공 어시스트가스를 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공헤드에 있어서, 레이저 빔이 유입되어 유출되도록 레이저 빔 광로가 관통 형성됨과 아울러 레이저 빔을 집광하는 포커싱 렌즈를 레이저 빔 광로내에서 고정되도록 지지하는 제1 홀더와; 제1 홀더가 내장되도록 이를 둘러싸는 형상으로 형성되어 제1 홀더를 지지하는 제2 홀더와; 가공 어시스트가스가 포커싱 렌즈의 레이저 빔 유출측 표면을 향하도록 포커싱 렌즈의 레이저 빔 유출측 이후 영역에 해당되는 제1 홀더에 상기 레이저 빔 광로와 연통되도록 관통 형성되는 가공 어시스트가스 공급부를 구비하며,
상기 포커싱 렌즈에서 리턴되어 제1 홀더의 레이저 빔 유출측을 향해 유동되는 가공 어시스트가스의 기류와 충돌하도록 가공 어시스트가스 공급부와 제1 홀더의 레이저 빔 유출측 사이 구간의 제1 홀더에 충돌용 어시스트가스 공급부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 가공헤드{A LASER PROCESSING HEAD}

본 발명은 레이저 빔과 가공 어시스트가스를 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공헤드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가공 어시스트가스의 기류와 충돌하도록 별도의 충돌용 가공 어시스트가스를 공급함으로써, 스패터가 노즐을 통해 가공헤드 내부로 침입하더라도 충돌 지점에서 발생되는 가공 어시스트가스의 기류 혼란 영역에서 스패터가 더 이상 전진하지 못하여 포커싱 렌즈에 부착되지 않도록 한 레이저 가공헤드에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 레이저 가공장치는 공작물이 놓여지는 테이블 위에서 Y축 또는 -Y축 방향으로 이동 제어되는 컷팅브릿지와, 이 컷팅브릿지에 설치되어 X축 또는 -X축 방향으로 이동 제어되는 컷팅캐리지와, 이 컷팅캐리지에 설치되 Z축 또는 -Z축 방향으로 이동 제어되어 공작물을 절단가공 또는 마킹가공하기 위해 레이저 빔이 출사되도록 하는 가공헤드를 포함하여 이루어져 있다.

이와 같은 레이저 가공장치의 구성중 가공헤드 내부에는 레이저(laser) 발진기로부터 발진되어 빔 전송수단을 통해 전송된 레이저 빔을 집광하는 포커싱 렌즈가 설치되어 있고, 가공헤드의 말단부에는 포커싱렌즈에 의해 집광된 레이저 빔을 스틸(Steel) 재질의 판재나 스테인리스(Stainless) 재질, 알루미늄 재질, 구리 재질로 된 판재 등의 가공해야 할 공작물을 향해 출사시키는 노즐이 설치되어 있다.

여기서, 상기 공작물을 향해 레이저빔의 조사와 함께 가공헤드의 내부로 공급된 후 노즐의 구멍으로부터 가공 어시스트 가스도 분사되는데, 이 가공 어시스트 가스는 절단품질과 절단성능을 높여주는 중요한 역할을 한다.

한편, 전술한 레이저 가공장치를 이용하여 공작물을 가공하는 과정에서 수반되는 현상으로 스패터(Spatter)가 공작물에서 상부 방향으로 비산하게 되는데, 그 중 일부가 노즐의 구멍내로 침입하여, 가공헤드내에 설치된 포커싱 렌즈에 부착되는 현상, 즉 포커싱 렌즈 하부 오염이 발생된다는 것이다.

이와 같이, 포커싱 렌즈에 스패터가 부착하게 되면 레이저 빔이 포커싱 렌즈에 흡수되어 렌즈를 발열시키는 문제, 소위 열 렌즈 효과가 생겨 레이저 빔 흡수율의 증가와 함께 빔 포커싱 성능 저하를 초래할 뿐만 아니라 포커싱 렌즈의 수명이 단축되는 문제도 있다.

이를 개선하기 위해 레이저 가공시 비산하는 스패터에 의해 포커싱 렌즈가 오염되지 않도록 하는 방책으로, 노즐의 구경을 작게 하여 스패터의 침입이 제한되도록 하고 있다. 그러나 이러한 방책은 노즐과 레이저 빔의 간섭이나 가공에 대한 가공 어시스트 가스에 의한 절단품질과 절단성능 효과를 고려하면 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 레이저 빔과 가공 어시스트가스를 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공헤드에서, 스패터가 노즐을 통해 가공헤드 내부로 침입하더라도 포커싱 렌즈에 부착되지 않도록 한 레이저 가공헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 레이저 빔과 가공 어시스트가스를 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공헤드에 있어서, 레이저 빔이 유입되어 유출되도록 레이저 빔 광로가 관통 형성됨과 아울러 레이저 빔을 집광하는 포커싱 렌즈를 레이저 빔 광로내에서 고정되도록 지지하는 제1 홀더와; 제1 홀더가 내장되도록 이를 둘러싸는 형상으로 형성되어 제1 홀더를 지지하는 제2 홀더와; 가공 어시스트가스가 포커싱 렌즈의 레이저 빔 유출측 표면을 향하도록 포커싱 렌즈의 레이저 빔 유출측 이후 영역에 해당되는 제1 홀더에 레이저 빔 광로와 연통되도록 관통 형성되는 가공 어시스트가스 공급부를 구비하며, 포커싱 렌즈에서 리턴되어 제1 홀더의 레이저 빔 유출측을 향해 유동되는 가공 어시스트가스의 기류와 충돌하도록 가공 어시스트가스 공급부와 제1 홀더의 레이저 빔 유출측 사이 구간의 제1 홀더에 충돌용 어시스트가스 공급부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 레이저 가공헤드에 따르면, 가공 어시스트가스의 기류와 충돌하도록 별도의 충돌용 가공 어시스트가스를 공급함으로써, 스패터가 노즐을 통해 가공헤드 내부로 침입하더라도 충돌 지점에서 발생되는 가공 어시스트가스의 기류 혼란 영역에서 스패터가 더 이상 전진하지 못하여 포커싱 렌즈에 부착되지 않게 되며, 그 결과 포커싱 렌즈는 장기간동안 스패터에 의해 오염되지 않게되며, 포커싱 렌즈의 수명을 장기간동안 연장시킬 수 있는 이점도 있다.

도 1은 본 발명에 의한 레이저 가공헤드의 내부 구성을 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 레이저 가공헤드를 구성하는 제1 홀더의 정면도.
도 3은 도 2에 도시된 지시선 "A-A"부의 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 지시선 "B-B"부의 단면도.
도 5는 도 2에 도시된 지시선 "K" 방향에서 바라본 제1 홀더의 외관 사시도.
도 6은 도 2에 도시된 지시선 "L" 방향에서 바라본 제1 홀더의 외관 사시도.

이하, 본 발명에 의한 레이저 가공헤드에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 레이저 빔(300)과 가공 어시스트가스(245)를 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공헤드(100)에 관한 것으로, 제1 홀더(200)와, 제2 홀더(400)와, 가공 어시스트가스 공급부(240)와, 충돌용 어시스트가스 공급부(250)를 포함하여 이루어진다.

제1 홀더(200)는 레이저 빔(300)이 유입되어 유출되도록 레이저 빔 광로(205)가 관통 형성됨과 아울러 레이저 빔(300)을 집광하는 포커싱 렌즈(230)를 레이저 빔 광로(230)내에서 고정되도록 지지한다.

여기서, 제1 홀더(200)는 대략적으로 원통체 형상으로 형성되고, 상하단부가 개방되어 있는 형상이다. 제1 홀더(200)의 상단부는 레이저 빔(300)이 유입되는 유입측(210)이고, 하단부는 레이저 빔(300)이 유출되는 유출측(220)이다.

그리고, 제1 홀더(200)의 내부 공간은 레이저 빔(300)이 통과하는 통로 역할을 하는 레이저 빔 광로(205)이다.

상기 제2 홀더(400)는 제1 홀더(200)가 내장되도록 이를 둘러싸는 형상으로 형성되어 제1 홀더(200)를 지지한다.

상기 가공 어시스트가스 공급부(240)는 가공 어시스트가스(245)가 포커싱 렌즈(230)의 레이저 빔(300) 유출측(220) 표면을 향하도록 포커싱 렌즈(230)의 레이저 빔(300) 유출측(220) 이후 영역에 해당되는 제1 홀더(200)에 레이저 빔 광로(205)와 연통되도록 관통 형성되는 것으로, 제1 홀더(200)의 외주를 따라 일정 간격을 두고 이격되게 형성된 수개 내지 십여개의 구멍으로 이루어진다.

이와 같이 구성된 가공 어시스트가스 공급부(240)를 통해 공급된 가공 어시스트가스는 포커싱 렌즈(230)이 하면, 즉 레이저 빔(300)의 유출측(220) 표면에 충돌한 후 유동 방향이 리턴되어 제1 홀더(200)의 레이저 빔 광로(205)를 따라 계속 유동하면서 노즐(110)의 구멍(111)을 통해 공작물을 향해 분사된다.

여기서, 가공 어시스트가스 공급부(240)를 통해 공급되는 가공 어시스트 가스에 포커싱 렌즈(230)가 열화되는 것을 방지한다. 즉, 가공 어시스트가스는 포커싱 렌즈(230)를 냉각시키는 역할도 한다.

마지막으로, 상기 충돌용 어시스트가스 공급부(250)는 포커싱 렌즈(230)에서 리턴되어 제1 홀더(200)의 레이저 빔(300) 유출측(220)을 향해 유동되는 가공 어시스트가스(245)의 기류와 충돌하도록 가공 어시스트가스 공급부(240)와 제1 홀더(200)의 레이저 빔(300) 유출측(220) 사이 구간의 제1 홀더(200)에 형성된다.

상기와 같이 본 발명은 가공 어시스트가스(245)의 기류와 충돌하도록 별도의 충돌용 가공 어시스트가스(255)를 공급함으로써, 스패터가 노즐을 통해 가공헤드(100) 내부, 즉 제1 홀더(200)의 레이저 빔 광로(205)내로 침입하더라도 충돌 지점에서 발생되는 가공 어시스트가스(245)의 기류 혼란 영역에서 스패터가 더 이상 전진하지 못하여 포커싱 렌즈(230)에 부착되지 않게 되며, 그 결과 포커싱 렌즈(230)는 장기간동안 스패터에 의해 오염되지 않게되며, 포커싱 렌즈(230)의 수명을 장기간동안 연장시킬 수 있다.

여기서, 상기 충돌용 가공 어시스트가스(255)의 종류는 가공 어시스트가스(245)와 동일하기 때문에 가공 어시스트가스와 충돌용 가공 어시스트가스는 서로 충돌후에 합류되어 노즐에서 공작물을 향해 레이저 빔과 함께 분사된다.

한편, 본 발명에서는 몇 가지 변형 가능한 실시예로써, 충돌용 가공 어시스트가스 공급부(250)를 구성할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 적어도 2단 이상 레이저 빔(300)의 빔축(310)방향으로 일정 간격 이격되게 분리 형성할 수 있는데, 이렇게 함으로써, 가공 어시스트가스와 충돌시 기류 혼란을 더욱 많이 발생시킬 수 있으며, 그 결과 스패터가 기류 혼란 영역에서 더 이상 전진하지 못하여 포커싱 렌즈(230)에 부착되지 않게 된다.

그리고, 본 발명에 의한 충돌용 가공 어시스트가스 공급부(250)의 변형 가능한 바람직한 실시예로, 충돌용 어시스트가스(255)가 서로 반대 방향으로 분사 공급되도록 형성되도록 한다.

그리고, 이제까지 설명한 본 발명에 의한 충돌용 가공 어시스트가스 공급부(250)는 제1 홀더(200)에 원주 방향으로 일정 구간 장공 형상으로 형성된다. 그 이유는 가공 어시스트가스 공급부(240)와의 충돌 범위를 증가시켜 기류 혼란이 많이 발생되도록 함에 있다.

여기서, 충돌용 가공 어시스트가스(255)의 토출 방향이 레이저 빔(300)의 빔축(310)에 대해 직각이 되도록 하는 상기 충돌용 가공 어시스트가스 공급부(250)의 형성 각도를 구성하는 것을 실시예로 하였으나, 상방향으로 토출되도록 충돌용 가공 어시스트가스 공급부(250)의 형성 각도를 변형하여 구성할 수 있다. 일례를 들어, 충돌용 가공 어시스트가스(255)의 토출 방향이 가공 어시스트가스 공급부(240)를 통해 토출되는 가공 어시스트 가스(245)의 토출 방향과 대략 평행하도록 구성할 수 있다. 그리고 충돌용 가공 어시스트가스(255)의 토출 방향을 하방향으로 도출되도록 충돌용 가공 어시스트가스 공급부(250)의 형성 각도를 변경할 수 있음은 물론이다. 여기서 상기 '상방향'은 레이저 빔(300)의 진행 방향의 역방향을 의미하고, 상기 '하방향'은 레이저 빔(300)의 진행 방향을 의미한다.

이제까지는 본 발명에 의한 레이저 가공헤드의 주요 구성에 대해 설명하였으며, 이하 본 발명에 구비되는 부수적인 구성에 대해 간단하게 설명한다.

부재번호 500은 환상 채널로써, 제1 홀더(200)와 제2 홀더(400) 사이에 가공 어시스트가스 공급부(240)의 유로 면적보다 크게 형성된다.

따라서, 가공 어시스트가스는 환상 채널(500)내에 채워진 상태에서 가공 어시스트가스 공급부(240)를 통과한 후, 가공 어시스트가스 공급부(240)의 유로 면적보다 넓은 제1 홀더(200)의 레이저 빔 광로(205)내로 분사될 때 팽창되며, 이로 인해 제1 홀더(200)의 레이저 빔 광로(205)내로 분사되는 가공 어시스트가스는 온도 하강으로 인해 포커싱 렌즈(230)를 냉각시키는 작용을 한다.

100 : 레이저 가공헤드
200 : 제1 홀더
210 : 유입측
220 : 유출측
230 : 포커싱 렌즈
240 : 가공 어시스트가스 공급부
250 : 충돌용 어시스트가스 공급부
300 : 레이저 빔
400 : 제2 홀더

Claims (4)

1. 레이저 빔(300)과 가공 어시스트가스(245)를 이용하여 공작물을 가공하기 위한 레이저 가공헤드(100)에 있어서,
   레이저 빔이 유입되어 유출되도록 레이저 빔 광로(205)가 관통 형성됨과 아울러 상기 레이저 빔을 집광하는 포커싱 렌즈(230)를 상기 레이저 빔 광로(230)내에서 고정되도록 지지하는 제1 홀더(200)와;
   상기 제1 홀더(200)가 내장되도록 이를 둘러싸는 형상으로 형성되어 상기 제1 홀더(200)를 지지하는 제2 홀더(400)와;
   상기 가공 어시스트가스(245)가 상기 포커싱 렌즈(230)의 레이저 빔(300) 유출측(220) 표면을 향하도록 상기 포커싱 렌즈(230)의 레이저 빔(300) 유출측(220) 이후 영역에 해당되는 제1 홀더(200)에 상기 레이저 빔 광로(205)와 연통되도록 관통 형성되는 가공 어시스트가스 공급부(240)를 구비하며,
   상기 포커싱 렌즈(230)에서 리턴되어 상기 제1 홀더(200)의 레이저 빔(300) 유출측(220)을 향해 유동되는 가공 어시스트가스(245)의 기류와 충돌하도록 상기 가공 어시스트가스 공급부(240)와 상기 제1 홀더(200)의 레이저 빔(300) 유출측(220) 사이 구간의 제1 홀더(200)에 충돌용 어시스트가스 공급부(250)가 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공헤드.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 충돌용 가공 어시스트가스 공급부(250)는 적어도 2단 이상 레이저 빔(300)의 빔축(310)방향으로 일정 간격 이격되게 분리 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공헤드.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 충돌용 가공 어시스트가스 공급부(250)는 충돌용 어시스트가스(255)가 서로 반대 방향으로 분사 공급되도록 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공헤드.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
   상기 충돌용 가공 어시스트가스 공급부(250)는 상기 제1 홀더(200)에 원주 방향으로 일정 구간 장공 형상으로 형성된 것을 레이저 가공헤드.

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