KR20150060926A

KR20150060926A - 파이버 레이저 가공기, 파이버 접속 방법 및 파이버 레이저 발진기

Info

Publication number: KR20150060926A
Application number: KR1020157010797A
Authority: KR
Inventors: 세이이치 하야시
Original assignee: 고마쓰 산기 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼; 후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-06-03
Also published as: US20150266134A1; WO2014065360A1; JP6251684B2; JPWO2014065360A1

Abstract

빔 품질의 향상이 가능한 파이버 레이저 가공기, 파이버 접속 방법 및 파이버 레이저 발진기를 제공한다. 파이버 레이저 가공기(10)는, 레이저 광을 조사하는 레이저 가공 헤드(40)가 마련된 가공기 본체(20)와, 레이저 광을 생성하는 파이버 레이저 모듈(81) 및 이 파이버 레이저 모듈(81)이 생성한 레이저 광을 통합하여 취출하는 피딩 파이버 케이블(2)을 갖는 파이버 레이저 발진기(21)와, 상기 파이버 레이저 발진기(21)의 피딩 파이버 케이블(2)에 의해 취출되는 레이저 광을 가공기 본체(20)의 레이저 가공 헤드(40)에 전송하는 프로세스 파이버 케이블(3)을 구비한다. 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)은 융착에 의해 접합되며, 상기 피딩 파이버 케이블(2)과 상기 프로세스 파이버 케이블(3)의 코어 직경이 같다.

Description

파이버 레이저 가공기, 파이버 접속 방법 및 파이버 레이저 발진기{FIBER LASER PROCESSING MACHINE, FIBER CONNECTION METHOD, AND FIBER LASER OSCILLATOR}

본 발명은 파이버 레이저 가공기, 파이버 레이저 가공기에 이용되는 파이버 접속 방법 및 파이버 레이저 발진기에 관한 것이다.

파이버 레이저 가공기는, 피가공재에 대하여 레이저 광을 조사함으로써 피가공재의 절단 등의 가공을 행하는 장치이다. 종래의 파이버 레이저 가공기에서는, 파이버 레이저 발진기가, 레이저 광을 생성하는 복수의 파이버 레이저 모듈과, 복수의 파이버 레이저 모듈이 생성한 레이저 광을 통합하여 취출하는 피딩 파이버 케이블을 구비하고, 상기 피딩 파이버 케이블이 커플링 유닛을 통해, 레이저 광을 가공 헤드에 전송하는 프로세스 파이버 케이블에 접속되어 있다.

특허문헌 1에서는, 이 커플링 유닛을 이용하는 경우의 결점으로서, 이하의 4가지를 언급하고 있다.

(a) 커플링 유닛에 있어서는, 피딩 파이버 케이블로부터 프로세스 파이버 케이블로 레이저 광을 전송하기 위해 콜리메이터 렌즈, 포커싱 렌즈를 이용하기 때문에, 렌즈에 의한 레이저 광의 수차가 있어, 출력이 저감된다.

(b) 프로세스 파이버 케이블의 코어 직경이 피딩 파이버 케이블의 코어 직경보다 크기 때문에, 레이저 광을 전송할 때에 레이저 광의 휘도가 저감된다.

(c) 커플링 유닛이 파이버 레이저 발진기의 크기에 영향을 끼쳐, 파이버 레이저 발진기를 소형화하는 것이 어렵다.

(d) 콜리메이터 렌즈나 포커싱 렌즈를 통해 레이저 광을 전송하기 때문에, 그 조정이 어렵다.

이를 해결하기 위해, 특허문헌 1에서는, 피딩 파이버 케이블의 레이저 광의 출사단과 프로세스 파이버 케이블의 레이저 광의 입사단을, 소정의 간극을 두고 대향시킨 상태로 피딩 파이버 케이블 및 프로세스 파이버 케이블을 유리로 이루어지는 통체 내에 고정하는 것이 제안되어 있다.

또한, 다른 해결안으로서, 피딩 파이버 케이블과 프로세스 파이버 케이블을 융착하는 것도 검토되고 있다. 또한, 특허문헌 1에서는, 어느 방법에 있어서도, 피딩 파이버 케이블의 코어 직경은 50 ㎛ 정도이며, 프로세스 파이버 케이블의 코어 직경은 피딩 파이버 케이블의 코어 직경보다 굵은 100 ㎛∼200 ㎛ 정도인 것이 기재되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2012-27241호 공보

그러나, 특허문헌 1에서는, 피딩 파이버 케이블과 프로세스 파이버 케이블을 융착하면, 융착 시에 열이 가해진 부분에서 이들 케이블에 있어서의 코어의 형상에 왜곡이 생겨, 빔 품질이 열화되어 현실적으로 사용에 견딜 수 있는 것이 아니라는 것이 기재되어 있다.

본 발명은, 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 빔 품질의 향상이 가능한 파이버 레이저 가공기, 파이버 접속 방법 및 파이버 레이저 발진기를 제공하는 것에 있다.

본 발명자는, 우선, 파이버 레이저 가공기의 절삭 속도를 빠르게 하기 위해, 절삭 속도와 비례 관계에 있는, 아래 (a) 식으로 나타내는 파워 밀도(PD)(선밀도)를 올리는 것에 대해서 검토하였다.

PD=P/(d×π) (a)

단, P는 출력, d는 스폿계(초점 직경)이며, 파워 밀도(PD)는 단위 면적당의 파워를 나타내는 것이다.

파워 밀도(PD)를 올리기 위해서는, 출력(P)을 올리는 것이 고려되지만 출력을 올리면 소비 전력이 증가하여, 운전 비용이 증가하여 버린다. 따라서, 본 발명자는, 스폿 직경(d)을 작게 하는 것에 대해서 검토하였다. 스폿 직경(d)은, 아래 (b) 식으로 나타낸다. 또한, 도 13은 외부 광학계를 모식적으로 나타낸 모식도이다.

d=(α×M×λ×fL)/D

=(β×M×λ×fL)/fC (b)

단, α, β는 계수, M은 레이저 확장각(빔 모드), λ는 레이저의 파장, fL은 집광 렌즈의 초점 거리, fC는 콜리메이터의 초점 거리이다.

스폿 직경(d)을 작게 하기 위해서는, 집광 렌즈의 초점 거리(fL)를 작게 하는 것, 혹은, 콜리메이터 렌즈의 초점 거리(fC)를 길게 하는 것이 고려되지만, 집광 렌즈의 초점 거리(fL)를 작게 하는 것은 기계적 치수의 제한에 의해 어렵고, 콜리메이터 렌즈의 초점 거리(fC)를 길게 하는 것은 콜리메이터 렌즈의 렌즈 직경의 제한에 의해 어렵다. 그래서, 본 발명자는, 스폿 직경(d)을 작게 하기 위해, 빔 모드라고도 칭해지는 레이저 확장각(M)을 작게 하는 것에 대해서 검토하였다. 특허문헌 1에서도 기재되어 있는 바와 같이, 현재까지는 피딩 파이버 케이블의 코어 직경은 50 ㎛ 정도이며, 프로세스 파이버 케이블의 코어 직경은 피딩 파이버 케이블의 코어 직경보다 굵은 100 ㎛∼200 ㎛ 정도가 케이블끼리의 접속 관계 상 한계라고 생각되고 있어, 프로세스 파이버 케이블의 코어 직경을 100 ㎛보다 작게 하는 것에 대해서는, 상정되어 있지 않았다. 또한, 피딩 파이버 케이블과 프로세스 파이버 케이블의 융착에 대해서도 현실적인 접속 방법으로서 인식되어 있지 않았다.

본 발명은, 종래에 현실적이지 않다고 생각되고 있던 피딩 파이버 케이블과 프로세스 파이버 케이블의 융착에 의해 빔 품질의 향상을 실현한 것이며, 이하의 양태를 제공하는 것이다.

(1) 레이저 광을 조사하는 레이저 가공 헤드가 마련된 가공기 본체와,

레이저 광을 생성하는 파이버 레이저 모듈 및 이 파이버 레이저 모듈이 생성한 레이저 광을 통합하여 취출하는 피딩 파이버 케이블을 갖는 파이버 레이저 발진기와,

상기 파이버 레이저 발진기의 피딩 파이버 케이블에 의해 취출되는 레이저 광을, 상기 가공기 본체의 레이저 가공 헤드에 전송하는 프로세스 파이버 케이블

을 구비한 파이버 레이저 가공기로서,

상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블은 융착에 의해 접합되고,

상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블의 코어 직경이 같은 것을 특징으로 하는 파이버 레이저 가공기.

(2) 상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블은, 각각 일정한 코어 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 파이버 레이저 가공기.

(3) 상기 파이버 레이저 발진기는, 상기 파이버 레이저 모듈과 상기 피딩 파이버 케이블을 수용하는 케이스를 구비하고,

상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블의 융착부는, 상기 케이스 내에 수용되는 인출 가능한 융착 테이블 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 파이버 레이저 가공기.

(4) 상기 가공기 본체는, 상기 레이저 가공 헤드를 수용하여 상기 가공기 본체의 외형을 형성하는 캐빈을 구비하고,

상기 캐빈은, 측면에 상기 파이버 레이저 발진기를 수용하는 발진기 수용부를 가지며, 상기 발진기 수용부에 상기 파이버 레이저 발진기가 상기 케이스의 상태로 수용되는 것을 특징으로 하는 (3)에 기재된 파이버 레이저 가공기.

(5) 레이저 광을 생성하는 파이버 레이저 모듈 및 이 파이버 레이저 모듈이 생성한 레이저 광을 통합하여 취출하는 피딩 파이버 케이블을 갖는 파이버 레이저 발진기와, 상기 피딩 파이버 케이블에 의해 취출되는 레이저 광을 레이저 가공 헤드에 전송하는 프로세스 파이버 케이블을 구비한 파이버 레이저 가공기에 이용되어, 상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블을 접속하는 파이버 접속 방법으로서,

상기 파이버 레이저 발진기의 케이스 내에 마련된 인출 가능한 융착 테이블 상에서 융착시키는 것을 특징으로 하는 파이버 접속 방법.

(6) 레이저 광을 생성하는 파이버 레이저 모듈과,

상기 파이버 레이저 모듈이 생성한 레이저 광을 통합하여 취출하는 피딩 파이버 케이블과,

상기 파이버 레이저 모듈과 상기 피딩 파이버 케이블을 수용하는 케이스

를 구비하고,

레이저 가공 헤드에 레이저 광을 전송하는 프로세스 파이버 케이블에 접속되는 파이버 레이저 발진기로서,

상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블은 융착에 의해 접합되며,

상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블의 융착부는, 상기 케이스 내에, 인출 가능하게 수용되는 융착 테이블 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 파이버 레이저 발진기.

상기 (1)에 기재된 양태에 따르면, 융착에 의해 피딩 파이버 케이블과 프로세스 파이버 케이블을 접속함으로써, 피딩 파이버 케이블의 코어 직경과 같은 코어 직경의 프로세스 파이버 케이블을 이용할 수 있어, 코어 직경의 차이에 의한 휘도의 저하를 억제할 수 있으며, 빔 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 융착에 의해 프로세스 파이버 케이블의 코어 직경을 종래보다 작게 하는 것이 가능해져, 빔 모드라고도 칭해지는 레이저의 확장각(BPP: Beam Parameter Product)을 작게 할 수 있어, 절삭 속도를 상승시킬 수 있다.

상기 (2)에 기재된 양태에 따르면, 피딩 파이버 케이블과 프로세스 파이버 케이블에 특별한 가공을 실시하는 일 없이, 코어 직경의 차이에 의한 휘도의 저하를 억제할 수 있어, 빔 품질을 향상시킬 수 있다.

상기 (3)에 기재된 양태에 따르면, 피딩 파이버 케이블과 프로세스 파이버 케이블의 융착 처리가 용이해진다. 통상, 공장 등의 클린 룸에서 행해지는 융착 처리를, 파이버 레이저 가공기의 조립 장소, 또는, 파이버 레이저 가공기의 설치 장소 등에서 행하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 프로세스 파이버 케이블의 교환 시와 같은 때에, 파이버 레이저 발진기의 케이스 내로부터 융착 테이블을 인출함으로써 용이하게 융착 처리를 행할 수 있다.

상기 (4)에 기재된 양태에 따르면, 파이버 레이저 가공기 본체로부터 떨어져 파이버 레이저 발진기가 설치되어 있는 경우에 비해서, 정리성이 좋아, 가공기 본체의 캐빈에 수용할 수 있기 때문에 파이버 레이저 가공기 전체를 소형화할 수 있다. 또한, 피딩 파이버 케이블과 프로세스 파이버 케이블을 융착한 상태로, 파이버 레이저 발진기와 파이버 레이저 가공기 본체를 함께 운반할 수 있다.

상기 (5) 및 (6)에 기재된 양태에 따르면, 피딩 파이버 케이블과 프로세스 파이버 케이블의 융착 처리가 용이해진다. 통상, 공장 등의 클린 룸에서 행해지는 융착 처리를, 파이버 레이저 가공기의 조립 장소, 또는, 파이버 레이저 가공기의 설치 장소 등에서 행하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 프로세스 파이버 케이블의 교환 시와 같은 때에, 파이버 레이저 발진기의 케이스 내로부터 융착 테이블을 인출함으로써 용이하게 융착 처리를 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태의 파이버 접속 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 가공기의 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 레이저 가공기의 개략적인 측면도이다.
도 4는 가공 헤드 구동 기구의 사시도이다.
도 5는 가공 헤드의 사시도이다.
도 6은 도 2에 나타내는 레이저 가공기의 배면도이다.
도 7은 도 2에 나타내는 레이저 가공기의 우측면측의 사시도이다.
도 8은 도 2에 나타내는 레이저 가공기의 좌측면측의 사시도이다.
도 9는 레이저 발진기의 도어를 개방한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 10은 융착 박스의 내부를 나타내는 도면이다.
도 11은 각각의 파이버 레이저 가공기에 있어서의 판 두께에 대한 상한 절단 속도를 정리한 그래프이다.
도 12는 각각의 파이버 레이저 가공기의 상한 절단 속도를 나타내는 그래프이고, (a)는 판 두께 1 ㎜일 때의 그래프이며, (b)는 판 두께 2 ㎜일 때의 그래프이다.
도 13은 외부 광학계를 모식적으로 나타낸 모식도이다.

우선, 본 발명의 파이버 접속 구조의 일 실시형태에 대해서 설명한다.

본 실시형태의 파이버 접속 구조(1)는, 예컨대 후술하는 파이버 레이저 가공기(10)에 적용되는 것이며, 도 1에 나타내는 바와 같이, 동일한 코어 직경을 갖는 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)이 융착에 의해 접속되어 있다. 도 1 중, 도면 부호 2a는 피딩 파이버 케이블(2)의 코어, 2b는 피딩 파이버 케이블(2)의 클래드를 나타내고, 3a는 프로세스 파이버 케이블(3)의 코어, 3b는 프로세스 파이버 케이블(3)의 클래드를 나타내며, 4는 융착부를 나타내고 있다. 또한 본 명세서에 있어서는, 2개의 파이버 케이블의 각각의 코어 직경의 차가 ±10％ 이하이면, 상기 2개의 파이버 케이블은 동일한 코어 직경을 가지고 있는 것으로 한다. 예컨대, 피딩 파이버 케이블(2)의 코어 직경이 50 ㎛인 경우, 프로세스 파이버 케이블(3)의 코어 직경이 50±5 ㎛의 범위에 있으면, 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)은 동일한 코어 직경을 가지고 있으며, 각각의 코어 직경이 같은 것으로 한다.

이와 같이 코어 직경이 같은 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)을 융착함으로써, 양 케이블(2, 3)의 코어 직경의 차이에 의한 휘도의 저하가 억제되어, 빔 품질이 향상된다. 또한, 커플링 유닛을 배제함으로써, 콜리메이터 렌즈, 포커싱 렌즈에 의한 레이저 광의 수차가 없어, 출력 저하, 커플링 유닛에 의한 장치의 대형화, 렌즈 조정의 번잡함을 회피할 수 있다.

피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)은 융착부(4)가 동일한 코어 직경을 가지고 있으면 좋지만, 각각 일정한 코어 직경을 갖는 것이 바람직하다. 이에 의해, 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블에 특별한 가공을 실시하는 일 없이, 코어 직경의 차이에 의한 휘도의 저하를 억제할 수 있어, 빔 품질을 향상시킬 수 있다. 또한 본 명세서에 있어서는, 파이버 케이블의 코어 직경의 분포가 ±10％ 이하의 범위에 있으면, 상기 파이버 케이블은 일정한 코어 직경을 가지고 있는 것으로 한다. 예컨대, 피딩 파이버 케이블(2)[또는 프로세스 파이버 케이블(3)]이, 그 전체 길이에 걸쳐 50±5 ㎛의 코어 직경을 가지고 있는 경우, 피딩 파이버 케이블(2)[또는 프로세스 파이버 케이블(3)]은 일정한 코어 직경을 가지고 있는 것으로 한다.

융착 처리는, 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)의 단부면을 대향시켜 배치하고, 양단부면을 맞닿게 한 상태로 가열함으로써 행해진다. 이 융착 처리는, 광 파이버 융착 접속기를 이용하여 행할 수 있지만, 정렬 성능이 우수한 코어 직시형 광 파이버 융착 접속기를 이용하여 행하는 것이 바람직하다. 광 파이버 융착 접속기를 이용하여 융착 처리를 행함으로써, 종래보다 코어 직경이 작은 프로세스 파이버 케이블(3)을 이용하는 것이 가능해져, 코어 직경이 작은 케이블(2, 3)끼리를 접속함으로써 레이저의 확장각(M)을 작게 할 수 있어, 절삭 속도를 상승시킬 수 있다.

피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)의 코어 직경은, 약 100 ㎛ 이하가 바람직하고, 약 50 ㎛ 이하가 더욱 바람직하다. 클래드 직경에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)에서 상이한 클래드 직경으로 하여도 좋고, 동일 직경이어도 좋다.

계속해서, 본 발명의 파이버 접속 구조(1)가 적용되는 파이버 레이저 가공기와 파이버 레이저 발진기에 대해서 도 2∼도 10을 참조하여 설명한다.

도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 파이버 레이저 가공기(10)(이하, 레이저 가공기라고 부름)는, 가공기 본체(20)와, 가공기 본체(20)에 접속되는 파이버 레이저 발진기(21)(이하, 레이저 발진기라고 부름) 및 제어 장치(22)와, 가공기 본체(20)에 접속하여 설치되는 팰릿 체인저(23)와, 공기 중의 질소 가스를 분리하기 위해 사용되는 부스터 컴프레서(24)나 에어 컴프레서(25), 또는, 산소 가스 봄베(26) 등을 구비하는 어시스트 가스 공급부(27)와, 레이저 발진기(21) 및 레이저 가공 헤드(40)(이하, 가공 헤드라고 부름)를 냉각하는 냉각수를 공급하는 칠러 유닛(28), 및 가공 시에 발생하는 진애 등을 없애는 집진기(29) 등을 주로 구비한다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 전방이란, 가공기 본체(20)와 팰릿 체인저(23)의 배치 방향(도 2의 X 방향)에 있어서 가공기 본체(20) 쪽의 방향을 나타내고, 후방이란, 상기 배치 방향에 있어서, 팰릿 체인저(23) 쪽의 방향을 나타낸다. 또한, 좌측 및 우측은, 상기 배치 방향에 직교하는 방향(도 2의 Y 방향)에 있어서, 후방에서 전방을 보았을 때의 방향으로 나타낸다.

가공기 본체(20)의 일부를 이루며, 가공기 본체(20)의 외형을 형성하는 캐빈(30) 내에는, 팰릿(31)을 소정의 방향인 캐빈(30)의 길이 방향(X 방향)으로 구동시키는 팰릿 구동 기구(32)와, 팰릿(31)에 탑재된 워크(W)를 가공하기 위한 레이저 광을 조사하는 가공 헤드(40)와, 가공 헤드(40)를 구동시키는 가공 헤드 구동 기구(49)와, 가공 시에 절단된 칩 등을 회수하기 위한 회수 컨베이어(60)가 수용되어 있다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 가공 헤드(40)는, 가공기 본체(20)에 마련되고, 가공 헤드 구동 기구(49)에 의해, X 방향, 캐빈(30)의 폭 방향(Y 방향) 및 캐빈(30)의 상하 방향(Z 방향)으로 이동 가능하다. 구체적으로, 좌우에 마련된 한쌍의 지지대(41)에는, 보(beam, 梁)형태의 X 방향 가동대(42)가 걸쳐 배치되고, 이 X 방향 가동대(42)는, X축 모터(43)에 의해 X 방향으로 구동된다. 또한, X 방향 가동대(42)에는, Y축 모터(44)에 의해 구동되어 Y 방향으로 이동 가능한 Y 방향 가동대(45)가 설치되어 있다. Y 방향 가동대(45)는, X 방향 가동대(42) 내에 배치된, 도시하지 않는 랙에, Y축 모터(44)의 회전축에 고정된, 도시하지 않는 피니언이 맞물리는 랙 피니언 기구에 의해 Y 방향으로 구동된다. 또한, Y 방향 가동대(45)에는, Z축 모터(46)에 의해 구동되는 랙 피니언 기구를 이용하여 가공 헤드(40)가 Z 방향으로 이동 가능하게 설치되어 있다.

또한, 도 2의 실선 및 도 3의 점선으로 나타내는 가공 헤드(40)는, X 방향에서 가장 전방에 위치한 상태[팰릿(31)의 가공 시 설치 위치]를 나타내고, 도 2 및 도 3의 일점 쇄선으로 나타내는 가공 헤드(40)는, X 방향에서 가장 후방에 위치한 상태를 나타내고 있다.

가공 헤드(40)에는, 레이저 발진기(21)로부터 연장되는 프로세스 파이버 케이블(선단만 도시)(3)이, X 방향용 케이블 베어(등록 상표)(48x), 및 Y 방향용 케이블 베어(등록 상표)(48y)를 통해 라우팅됨으로써 접속되어 있다. 또한, 가공 헤드(40) 내에는, 프로세스 파이버 케이블(3)의 출사단으로부터 출사된 레이저 광을 평행 광선화하기 위한 콜리메이터 렌즈(51)와, 평행 광선화된 레이저 광을 집광하기 위한 집광 렌즈(52)가 배치되어 있고, 집광 렌즈(52)는, 가공 헤드(40)에 대하여 Z 방향으로 위치 조정 가능하게 마련되어 있다.

또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 가공 헤드(40)의 주위에는, 칠러 유닛(28)으로부터 마련되는 냉각관(56)이 접속되어 있어, 프로세스 파이버 케이블(3)의 출사단과, 집광 렌즈(52)의 주위를 냉각한다. 또한, 가공 헤드(40)의 주위에는, 가공 헤드(40) 내에 어시스트 가스 공급부(27)로부터의 질소 가스, 혹은 산소 가스인 어시스트 가스를 공급하는 가스 공급관(57)이나, 가공 헤드(40)의 레이저 노즐(53) 근방을 향하여, 질소 가스, 혹은 산소 가스인 어시스트 가스를 분무하는 사이드 노즐(54)에 접속되는 가스 공급관(58)이 마련되어 있다.

이들 냉각관(56)이나 가스 공급관(57, 58)은, Z 방향용 케이블 베어(등록 상표)(48z)를 통과한 후, 프로세스 파이버 케이블(3)과 함께, X 방향용 케이블 베어(등록 상표)(48x), 및 Y 방향용 케이블 베어(등록 상표)(48y)에 라우팅되어, 칠러 유닛(28) 및 어시스트 가스 공급부(27)에 접속된다.

가공 헤드(40)는, 레이저 발진기(21)를 작동시키면, 레이저 광이 프로세스 파이버 케이블(3)을 통해 콜리메이터 렌즈(51)에서 평행 광선화되고, 더욱 평행 광선화된 레이저 광이 집광 렌즈(52)에 입사하여 집광되며, 레이저 노즐(53)로부터 워크(W)의 가공부에 조사되어, 워크(W)를 가공한다. 가공에 있어서, 어시스트 가스 공급부(27)로부터 공급되는 어시스트 가스는, 레이저 노즐(53)이나 사이드 노즐(54)로부터 워크(W)의 가공부를 향하여 분출하여, 가공 시에 생긴 용융된 금속을 불어서 날려 버린다.

도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 팰릿 구동 기구(32)는, X 방향을 따라 팰릿(31)의 우측면과 대향하는 위치에 설치되어, 구동 모터(33)에 의해 회전 구동되는 무단 체인(34)과, 팰릿(31)의 하면측에 마련된 복수의 롤러(36)가 회전 안내되어 팰릿(31)을 지지하는 레일(35)을 갖는다. 그리고, 구동 모터(33)에 의해 무단 체인(34)이 회전 구동되면, 무단 체인(34)에 마련된 핀(도시하지 않음)이 팰릿(31)의 걸어 맞춤부(도시하지 않음)에 걸어 맞춰져, 레일(35) 상의 팰릿(31)을 X 방향으로 이동시킨다.

도 6∼도 8에 나타내는 바와 같이, 캐빈(30)에는, 정면(30F)에 개폐 도어인 걸윙(38)이 마련되고, 정면(30F)에 대하여 반대측이 되는 배면(30B)에 가로로 긴 슬릿형으로 형성된 반입출구(37)가, 팰릿 체인저(23)에 대응하여 마련되어 있다. 이에 의해, 대로트 제품의 가공 시에는, 워크(W)를 배치하는 팰릿(31)을 반입출구(37)를 통해 반입출하고, 소로트 제품의 가공 시에는, 걸윙(38)으로부터 워크(W)를 반입출하여, 로트의 크기에 대응한 반입출 작업을 행할 수 있다.

또한, 캐빈(30)의 정면(30F)에는, 걸윙(38)의 측방에 제1 조작반(75)이 배치되고, 좌측면(30L)에는, 제2 조작반(70)이 배면(30B) 쪽에 배치되어 있다. 또한, 캐빈(30)의 정면(30F)에, 걸윙(38)의 하방에는, 작업자가 발로 조작 가능한 풋 스위치(76)가 배치되어 있다.

캐빈(30)의 우측면(30R)에는, 레이저 발진기(21)를 수납하는 오목형의 발진기 수납부(30a)가 대략 중앙부에 배치되어 있다. 이 발진기 수납부(30a)에 배치되는 레이저 발진기(21)는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 상자형의 케이스(80) 내에, 레이저 광을 생성하는 복수(본 실시형태에서는, 4개)의 파이버 레이저 모듈(81)이 세로로 쌓여 수용되고, 그 상방에, 각 파이버 레이저 모듈(81)로부터의 출력 케이블(82)이 접속되는 컴바이너(83)가 수용되어 있다. 또한, 컴바이너(83)의 상방에는, 컴바이너(83)와 피딩 파이버 케이블(2)에 접속되는 융착 박스(84)가 수용되어 있다.

융착 박스(84)에는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 피딩 파이버 케이블(2)이 도입되는 측과 반대측에서, 가공 헤드(40)에 연결되는 프로세스 파이버 케이블(3)이 도입되고, 융착 박스(84) 내에 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)의 융착부(4)가 배치되어 있다. 컴바이너(83) 및 융착 박스(84)는, 각각 케이스(80)로부터 인출 가능한 컴바이너 테이블(85) 및 융착 테이블(86) 상에 배치되어 있다.

도 2 및 도 3, 도 6으로 되돌아가서, 팰릿 체인저(23)는, 반입출구(37)가 마련된 캐빈(30)의 배면(30B)에 대향하여 배치되어 있다. 팰릿 체인저(23)는, 도 2에 나타내는 구동 기구(61)에 의해 상하 구동되는 가동 프레임(62)을 가지고, 가동 프레임(62)의 좌우 측방에 마련된 모난 대략 C자형 레일(63) 상에 2대의 팰릿(31)을 상하로 2단 배치할 수 있다.

상측의 팰릿(31)은, 모난 대략 C자형 레일(63)의 상측 레일면(63a) 상에 배치되고, 또한, 하측의 팰릿(31)은, 모난 대략 C자형 레일(63)의 하측 레일면(63b) 상에 배치된다. 모난 대략 C자형 레일(63) 상에 2단 배치된 팰릿(31)은, 구동 기구(61)로 가동 프레임(62)을 상하 구동시킴으로써, 모난 대략 C자형 레일(63) 상의 팰릿(31)을 상하로 이동시켜, 캐빈(30) 내에 설치된 레일(35)과 동일한 높이가 되도록 높이 조절이 가능하여, 상기 레일(35)과 동일한 높이에 위치하는 팰릿(31)을, 반입출구(37)를 통해 팰릿 체인저(23)와 캐빈(30) 내부 사이에서 반입출할 수 있다.

또한, 가동 프레임(62)의 하방에는, 워크(W)를 팰릿(31)의 기준에 맞게 하기 위해, 워크(W)를 팰릿(31) 상에서 이동시키기 위한 프리 베어링(64)을 최상부에 구비하는 워크 리프터(66)가 승강 가능하게 마련되어 있다(도 6 참조). 또한, 도 2 및 도 3에 있어서, 부호 65는, 워크 리프터(66)를 상하 구동시키는 구동 기구(67)를 작동시키기 위한 풋 스위치이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 팰릿 체인저(23)를 둘러싸는 작업 영역(WA)의 각 코너부에는, 투광기(71), 반사판(72), 및 수광기(73)로 이루어지는 센서가 배치되어 있고, 투광기(71)로부터 조사한 광을, 3개의 반사판(72)으로 반사하여 수광기(73)에서 수광함으로써, 작업 영역(WA) 내에서의 작업자 등의 출입을 감시하고 있다. 또한, 캐빈(30)의 배면(30B)에는, 영역 센서(74)가 설치되어, 작업 영역(WA) 내의 작업자 등의 유무를 검출한다. 투광기(71), 반사판(72), 및 수광기(73)로 이루어지는 센서, 또는 영역 센서(74)가 작동하였을 때는, 작업 영역(WA) 내에 작업자 등이 있다고 판단하여 팰릿 체인저(23)의 반입출 작업을 금지하고, 이에 의해 작업자 등의 안전이 확보된다.

본 실시형태의 파이버 접속 구조(1)는, 상기 레이저 가공기(10)에 한정되지 않고 여러 가지의 파이버 레이저 가공기에 적용할 수 있지만, 특히 상기 레이저 가공기(10)에 적용함으로써, 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)의 융착부(4)를, 레이저 발진기(21)의 케이스(80) 내로부터 인출 가능한 융착 테이블(86) 상에 배치할 수 있다. 이에 의해, 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)의 융착 처리가 용이해져, 통상, 공장 등의 클린 룸에서 행해지는 융착 처리를, 레이저 가공기(10)의 조립 장소, 또는, 레이저 가공기(10)의 설치 장소 등에서 행하는 것이 가능해진다. 즉, 프로세스 파이버 케이블(3)의 교환 시와 같은 때에, 케이스(80) 내로부터 융착 테이블(86)을 인출하고, 인출한 부분을 간이 클린 부스로 덮어 간이적인 클린 룸을 형성함으로써 용이하게 융착 처리를 행할 수 있다. 또한, 융착 테이블(86)과 융착 박스(84)는 일체로 형성되어 있어도 좋고, 별개의 부재로 형성되어 있어도 좋다.

또한, 컴바이너 테이블(85)은 반드시 케이스(80)로부터 인출 가능할 필요는 없지만, 융착 테이블(86)과 마찬가지로 인출 가능하게 함으로써, 파이버 레이저 모듈(81)의 교환, 증설 등의 작업을 용이하게 행하는 것이 가능해진다.

또한, 레이저 가공기(10)에서는, 레이저 발진기(21)를 캐빈(30)의 우측면(30R)에 형성된 발진기 수납부(30a)에 수용할 수 있기 때문에, 가공기 본체(20)로부터 떨어져 레이저 발진기가 설치되어 있는 경우에 비해서, 통합성이 좋아, 가공기 본체(20)의 캐빈(30)에 수용할 수 있기 때문에 레이저 가공기(10) 전체를 소형화할 수 있다. 또한, 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)을 융착한 상태로, 레이저 발진기(21)와 파이버 레이저 가공기 본체(20)를 함께 운반할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.

본 발명의 파이버 접속 구조의 효과를 실증하기 위해, 본 발명의 파이버 접속 구조를 채용한 출력 1 ㎾의 파이버 레이저 가공기(실시예 1), 본 발명의 출력 2 ㎾의 파이버 레이저 가공기(실시예 2), 종래의 출력 2 ㎾의 파이버 레이저 가공기(비교예 1), 종래의 출력 4 ㎾의 파이버 레이저 가공기(비교예 2), 출력 2 ㎾의 탄산 가스 레이저 가공기(비교예 3)를 이용하여, 드로스가 발생하지 않는 범위(소위, 드로스 프리 절단)의 절단 속도(이하, 상한 절단 속도라고 부름)에 대해서 측정하였다. 측정에는, SUS304제의 3종류의 판 두께(t = 1 ㎜, 2 ㎜, 3 ㎜)의 박판을 이용하여, 직선형으로 절단을 행하였다.

도 11은 각각의 파이버 레이저 가공기에 있어서의 판 두께에 대한 상한 절단 속도를 정리한 그래프이며, 도 12의 (a)는 판 두께 1 ㎜일 때의 각각의 파이버 레이저 가공기의 상한 절단 속도를 나타내는 그래프이고, 도 12의 (b)는 판 두께 2 ㎜일 때의 각각의 파이버 레이저 가공기의 상한 절단 속도를 나타내는 그래프이다.

도 11로부터, 판 두께 3 ㎜에서는 그만큼 상한 절단 속도에 차이는 없지만, 판 두께가 얇아짐에 따라 상한 절단 속도에 큰 차이가 생겼다. 판 두께(t) = 2 ㎜인 경우, 도 12의 (b)로부터 분명한 바와 같이, 실시예 1의 파이버 레이저 가공기는, 2배의 출력을 갖는, 비교예 1의 파이버 레이저 가공기 및 비교예 3의 탄산 가스 레이저 가공기와 거의 같은 정도의 상한 절단 속도를 나타내었다. 또한, 실시예 2의 파이버 레이저 가공기는, 동일한 출력을 갖는 비교예 1의 파이버 레이저 가공기 및 비교예 3의 탄산 가스 레이저 가공기의 3배 이상의 상한 절단 속도를 나타내며, 또한 2배의 출력을 갖는 비교예 2의 파이버 레이저 가공기와 거의 같은 정도의 상한 절단 속도를 나타내었다.

판 두께(t) = 1 ㎜인 경우, 도 12의 (a)로부터 분명한 바와 같이, 실시예 1의 파이버 레이저 가공기는, 2배의 출력을 갖는, 비교예 1의 파이버 레이저 가공기와 같은 정도의 상한 절단 속도를 나타내고, 비교예 3의 탄산 가스 레이저 가공기의 약 3배의 상한 절단 속도를 나타내었다. 또한, 실시예 2의 파이버 레이저 가공기는, 동일한 출력을 갖는, 비교예 1의 파이버 레이저 가공기의 2배 이상, 비교예 3의 탄산 가스 레이저 가공기의 6배 이상의 상한 절단 속도를 나타내며, 또한 2배의 출력을 갖는 비교예 2의 파이버 레이저 가공기보다 높은 상한 절단 속도를 나타내었다.

이와 같이 본 실시형태의 파이버 접속 구조를 채용한 파이버 레이저 가공기에 의하면, 특히 2 ㎜ 이하의 박판재의 절단에 있어서, 동일한 출력을 갖는 레이저 가공기 및 탄산 가스 레이저 가공기에 비해서 현저히 높은 상한 절단 속도를 나타내고, 2배의 출력을 갖는 레이저 가공기와 거의 같은 정도의 상한 절단 속도를 나타내었다. 이는, 동일한 출력을 갖는 레이저 가공기에 대해서는 상한 절단 속도의 차이로 인해 동일한 절단 작업을 단시간에 행할 수 있다는 것을 의미하고, 2배의 출력을 갖는 레이저 가공기에 대해서는 동일한 절단 작업을 적은 소비 전력으로 행할 수 있다는 것을 의미한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 융착에 의해 피딩 파이버 케이블(2)과 프로세스 파이버 케이블(3)을 접속함으로써, 피딩 파이버 케이블(2)의 코어 직경과 같은 코어 직경의 프로세스 파이버 케이블(3)을 이용할 수 있어, 코어 직경의 차이에 의한 휘도의 저하를 억제할 수 있어, 빔 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 융착에 의해 프로세스 파이버 케이블(3)의 코어 직경을 종래보다 작게 하는 것이 가능해져, 빔 모드라고도 칭해지는 레이저의 확장각을 작게 할 수 있어, 절삭 속도를 상승시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 전술한 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 적절하게 변형, 개량 등이 가능하다.

예컨대, 레이저 발진기(21)의 케이스(80) 내의 구성에 대해서는, 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 복수의 파이버 레이저 모듈(81)이 가로로 배열되어 배치되어 있어도 좋다. 또한, 적어도 하나의 파이버 레이저 모듈(81)이 수용되어 있으면 좋고, 그 수는 적절하게 변경할 수 있으며, 후에 증설할 수 있도록 모듈 설치 공간이 확보되어 있어도 좋다.

1 : 파이버 접속 구조
2 : 피딩 파이버 케이블
3 : 프로세스 파이버 케이블
4 : 융착부
10 : 파이버 레이저 가공기
20 : 가공기 본체
21 : 파이버 레이저 발진기
30 : 캐빈
30a : 발진기 수용부
40 : 레이저 가공 헤드
80 : 케이스
81 : 파이버 레이저 모듈
86 : 융착 테이블

Claims

레이저 광을 조사하는 레이저 가공 헤드가 마련된 가공기 본체와,
레이저 광을 생성하는 파이버 레이저 모듈 및 이 파이버 레이저 모듈이 생성한 레이저 광을 통합하여 취출하는 피딩 파이버 케이블을 갖는 파이버 레이저 발진기와,
상기 파이버 레이저 발진기의 피딩 파이버 케이블에 의해 취출되는 레이저 광을 상기 가공기 본체의 레이저 가공 헤드에 전송하는 프로세스 파이버 케이블
을 구비한 파이버 레이저 가공기로서,
상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블은 융착에 의해 접합되고,
상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블의 코어 직경이 같은 것을 특징으로 하는 파이버 레이저 가공기.
제1항에 있어서, 상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블은, 각각 일정한 코어 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 파이버 레이저 가공기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파이버 레이저 발진기는, 상기 파이버 레이저 모듈과 상기 피딩 파이버 케이블을 수용하는 케이스를 구비하고,
상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블의 융착부는, 상기 케이스 내에 수용되는 인출 가능한 융착 테이블 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 파이버 레이저 가공기.
제3항에 있어서, 상기 가공기 본체는, 상기 레이저 가공 헤드를 수용하여 상기 가공기 본체의 외형을 형성하는 캐빈을 구비하고,
상기 캐빈은, 측면에 상기 파이버 레이저 발진기를 수용하는 발진기 수용부를 가지며, 상기 발진기 수용부에 상기 파이버 레이저 발진기가 상기 케이스의 상태로 수용되는 것을 특징으로 하는 파이버 레이저 가공기.
레이저 광을 생성하는 파이버 레이저 모듈 및 이 파이버 레이저 모듈이 생성한 레이저 광을 통합하여 취출하는 피딩 파이버 케이블을 갖는 파이버 레이저 발진기와, 상기 피딩 파이버 케이블에 의해 취출되는 레이저 광을 레이저 가공 헤드에 전송하는 프로세스 파이버 케이블을 구비한 파이버 레이저 가공기에 이용되어, 상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블을 접속하는 파이버 접속 방법으로서,
상기 파이버 레이저 발진기의 케이스 내에 마련된 인출 가능한 융착 테이블 상에서, 융착시키는 것을 특징으로 하는 파이버 접속 방법.
레이저 광을 생성하는 파이버 레이저 모듈과,
상기 파이버 레이저 모듈이 생성한 레이저 광을 통합하여 취출하는 피딩 파이버 케이블과,
상기 파이버 레이저 모듈과 상기 피딩 파이버 케이블을 수용하는 케이스
를 구비하고,
레이저 가공 헤드에 레이저 광을 전송하는 프로세스 파이버 케이블에 접속되는 파이버 레이저 발진기로서,
상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블은 융착에 의해 접합되며,
상기 피딩 파이버 케이블과 상기 프로세스 파이버 케이블의 융착부는, 상기 케이스 내에, 인출 가능하게 수용되는 융착 테이블 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 파이버 레이저 발진기.