KR20150082259A - 내부 가동 요소 및 외부 커버를 구비하는 레이저 노즐 - Google Patents

Abstract

본 출원은 노즐 본체(1)의 전방면(1a)에 위치되는 제1 출구 오리피스(11)를 포함하는 제1 축방향 하우징(5)을 포함하는 노즐 본체(1); 노즐 본체(1)의 제1 축방향 하우징(5)에 배치되는 가동 요소(2)로서, 스커트부를 형성하는 전방 부분(2a) 및 상기 스커트부를 형성하는 전방 부분(2a)으로부터 나오는 제2 출구 오리피스(12)를 갖는 축방향 통로(4)를 포함하는 가동 요소(2); 및 노즐 본체(1)와 가동 요소(2)와의 사이에서 제1 축방향 하우징(5)에 배치되는 탄성 요소(8)를 포함하는 레이저 노즐을 기재한다. 본 발명에 따르면, 가동 요소(2)는 가동 요소(2)에 가해지는 가스 압력의 영향 하에 제1 출구 오리피스(11)의 방향으로 제1 축방향 하우징(5)에서 병진적으로 이동할 수 있으며, 탄성 요소(8)는 가동 요소(2)에 탄성 복귀력을 가하여 가동 요소(2)가 제1 축방향 하우징(5)에서 제1 출구 오리피스(11)의 방향으로 병진 이동하는 것을 저지하는 경향이 있다. 또한, 노즐은 노즐 본체(1)의 모두 또는 일부 주위에 슬리브를 형성하는 외부 커버(13)를 포함한다. 본 출원은 또한 집속 헤드 및 관련 레이저 절단 장치, 및 이러한 노즐, 이러한 레이저 집속 헤드, 또는 이러한 장치를 실행하는 레이저 빔 절단 공정을 규정한다.

Description

내부 가동 요소 및 외부 커버를 구비하는 레이저 노즐{LASER NOZZLE HAVING AN INTERNAL MOBILE ELEMENT AND AN EXTERNAL COVER}

본 발명은 절단 가스가 절단 자국 안으로 집중될 수 있도록 하는 스커트부를 포함하는 내부 가동 요소를 구비하며 또한 산업적으로 실시하기에 보다 용이하고 보다 긴 사용 수명을 갖는 레이저 빔 절단에서 사용할 수 있는 레이저 노즐에 관한 것이다.

레이저 빔 절단은 가스를 전달하며 레이저 빔이 통과하는 것을 허용하는 일반적으로 구리로 만들어진 노즐의 사용을 필요로 한다.

이 노즐은 전형적으로 0.6 내지 2mm의 작동 거리에 대해 0.5 내지 3mm의 출구 오리피스 직경을 갖는다.

절단을 가능하게 하기 위해서, 가스가 절단 자국 안으로 침투하여 용융 금속을 제거할 수 있도록 하기 위해 집속 헤드에서 일반적으로 수 bar의 고압을 사용할 필요가 있다.

그러나, 사용된 가스의 많은 비율, 전형적으로는 50 내지 90%가 절단 자국의 옆으로 손실되기 때문에 절단 공정, 즉 용융 금속의 추출에 활용되지 않는다.

이러한 가스 손실은 사실 노즐 오리피스의 유동 단면적과 초점의 크기와의 사이의 큰 차이로 인한 것이다. 따라서, 예시하자면, 1.5mm직경의 출구 오리피스를 갖는 노즐의 유동 단면적은 이 노즐을 통과하는 빔에 의해 생성되는 초점의 단면적 보다 25배 더 크다.

그러나, 불충분한 양의 가스가 절단 자국 안으로 침투하는 경우, 절단 결함 특히 부착 버(burr) 및/또는 산화 흔적이 나타나는 것이 관찰될 것이다.

노즐의 오리피스의 직경을 감소시킴으로써 이러한 문제를 해결하기 위한 시도는 레이저 빔이 노즐의 내부에 부딪치고 노즐의 내부를 열화시킬 위험이 있기 때문에 이상적이지 않다. 노즐의 오리피스의 직경을 감소시키는 것은 또한 절단 품질 및/또는 성능을 저하시킨다.

또한, 가스가 절단 자국 안으로 침투하는 것을 촉진하려고 시도하는 다양한 해법을 제안하는 다수의 문헌, 예를 들어 문헌 EP-A-1669159, JP-A-62006790, JP-A-61037393, JP-A-63108992, JP-A-63040695, 및 US-A-4,031,351이 있다.

그러나, 이들 해법은 실행하기에 복잡하고, 종래의 노즐에 비해 크며, 그리고/또는 제한된 유효성을 갖는 구성을 주로 갖기 때문에 이들 해법 중 정말로 이상적인 것은 없다.

문헌 US-A-4,031,351은 특히 절단 자국 안으로의 절단 가스의 분사를 촉진하기 위해서 피절단 부품의 표면에 대해 단부가 스프링에 의해 가압되는 가동 요소를 포함하는 레이저 절단 노즐을 개시한다.

이 해법의 주요 결점은, 판재의 방향으로 스프링에 의해 가해지고, 절단 가스의 압력에 더해지는 힘에 의해 가동 요소가 피절단 판재에 상당한 힘을 가하게 된다는 사실에 있다. 그러므로, 일반적으로 판재가 산업용 절단 기계의 테이블 위에 단순히 위치될 때, 판재가 가동 요소에 의해 변형되거나, 긁힌 자국이 나거나, 또는 심지어 끌려가게 될 위험이 있다.

이러한 결점을 해결하기 위해서, 2011년 5월 16일에 출원된 프랑스특허출원 제1 154 224호에서, 레이저 노즐의 본체에 가동 요소를 배치하는 것이 제안되었다. 이 가동 요소는 가스 압력의 영향 하에 피절단 판재의 표면 방향으로 상기 본체에서 축방향으로 이동할 수 있다. 가동 요소는 따라서 피절단 판재의 상면을 향해 이동하여 그 상편과 접촉하고, 가동 요소는 이러한 방식으로 절단 자국 안으로 절단 가스를 집중시키는 스커트부를 형성하며, 이에 의해 가스가 상기 자국 안으로 침투되도록 하고 가스의 유효성을 향상시킨다.

또한, 이 노즐은 판재로부터 가동 요소를 멀어지게 이동시키려는 방향으로 가동 요소에 탄성 복귀력을 가하는 탄성 요소를 포함한다. 따라서, 가스가 차단될 때, 가동 요소는 그 휴지 위치로 복귀될 수 있고 스커트부는 따라서 노즐 본체 안으로 들어간다.

그러나, 이 해법은 특히 산업적인 사용과 관련하여 소정 문제를 지속적으로 야기한다.

따라서, 산업적인 레이저 절단 기계 및 관련 레이저 집속 헤드는 그 자체로 알려져 있는 바와 같이 집속 헤드가 피절단 판재 위의 일정한 거리에서 이동하는 것을 보장하도록 용량형 거리 감지 시스템을 채용한다.

이 시스템은 커패시터를 형성하는 2개의 전도성 요소 사이의 거리의 작은 변화를 검출하기 위해 용량 효과를 이용한다. 2개의 전도성 요소를 분리하는 거리는 특히 2개의 전도성 요소를 분리하는 매체의 유전체 유전율에 의존하는 이 커패시터의 전기 커패시턴스를 측정함으로써 결정된다.

절단 기계에는 일반적으로 구리와 같은 전기 전도성 재료로 형성되는 종래의 레이저 노즐이 설치된다. 노즐이 헤드의 단부에 장착될 때, 노즐은 용량형 센서 시스템에 전기적으로 연결된다. 따라서, 용량형 센서는 판재와 노즐의 평평한 단부 표면과의 사이의 전기 커패시턴스를 측정할 수 있으며, 이때 상기 표면은 판재에 대면하여 위치된다.

용량형 센서는 측정된 커패시턴스가 변하는 경우 헤드의 높이를 조정하거나 노즐과 판재가 접촉하는 경우 헤드의 이동을 정지시키도록 집속 헤드의 이동을 제어하기 위한 수단에 자체적으로 전기적으로 연결된다.

이 용량형 센서 시스템은 판재의 표면에 대해 일정한 위치에서 레이저 빔의 초점을 유지시킴으로써 속도 및 절단 품질의 면에서 일정한 절단 성능을 보장하는 것을 가능하게 한다. 이 용량형 센서 시스템은 또한 판재에 장애물이 존재하는 경우 기계를 정지시키는 것을 가능하게 한다.

그러므로, 용량형 센서 시스템의 작동을 방해하지 않는 것이 필수적이다.

그러나, 프랑스특허출원 제1 154 224호에 기재된 바와 같은 가동 요소를 갖는 레이저 노즐의 사용은 이러한 시스템과 쉽게 양립될 수 없다.

구체적으로, 상기 노즐의 가동 요소는 피절단 판재와 접촉하는 스커트부를 형성한다. 이러한 가동 요소가 절삭 공정 및 용융 금속의 스패터에 의해 발생되는 열에 저항할 수 있는 것을 보장하기 위해서, 가동 요소는 구리, 황동 등과 같은 금속으로 형성될 수 있다.

그러나, 금속 가동 요소는 판재와 접촉하고, 즉 판재와 동일한 전기 전위에 있고, 동시에 그 자체가 전기 전도성 재료로 형성되는 노즐 본체의 내부 벽과 접촉한다. 그러므로, 절단 기계가 오작동하는 것을 방지하기 위해서 용량형 센서를 비활성화시킬 필요가 있다.

기계의 용량형 센서의 작동을 허용하는 한가지 해법은 전기 절연 재료로 형성되는 가동 요소를 사용하는 것일 것이다. 그러나, 이 해법은 전기 절연 재료가 일반적으로 절단 공정에 의해 발생되는 강한 열 및 용융 금속의 스패터 및/또는 열 충격에 대해 그다지 내성이 있지 않기 때문에 이상적이지 않다.

검토될 문제는 따라서 특히 기존의 해법에 비해 크게 향상된 강인성 및 사용수명을 갖고 산업적으로 실행하기에 훨씬 더 용이하며, 종래기술보다 산업용 절단 기계에 설치되는 용량형 거리 감지 시스템의 작동을 확실히 덜 방해하거나 방해하지 않는 레이저 노즐을 제공함으로써 전술한 결점의 모두 또는 일부를 경감시키는 방법이다.

본 발명의 해법은 따라서:

- 노즐 본체의 전방면에 위치되는 제1 출구 오리피스를 포함하는 제1 축방향 하우징을 포함하는 노즐 본체,

- 노즐 본체의 제1 축방향 하우징에 배치되는 가동 요소로서, 스커트부를 형성하는 전방 부분 및 상기 스커트부를 형성하는 전방 부분으로부터 나오는 제2 출구 오리피스를 갖는 축방향 통로를 포함하고, 가동 요소에 가해진 가스 압력의 영향 하에 제1 출구 오리피스의 방향으로 제1 축방향 하우징에서 병진적으로 이동할 수 있는 가동 요소, 및

- 노즐 본체와 가동 요소와의 사이에서 제1 축방향 하우징에 배치되는 탄성 요소로서, 가동 요소에 탄성 복귀력을 가하여 가동 요소가 제1 축방향 하우징에서 제1 출구 오리피스의 방향으로 병진 이동하는 것을 저지하는 경향이 있는 탄성 요소를 포함하는 레이저 노즐에 있어서,

노즐은 노즐 본체의 모두 또는 일부 주위에 슬리브를 형성하는 외부 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 노즐이다.

경우에 따라서, 본 발명의 노즐은 이하의 기술적인 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:

- 외부 커버는 제1 둘레 벽을 포함하고, 노즐 본체는 제2 둘레 벽을 포함하며, 상기 제1 및 제2 둘레 벽의 모두 또는 일부는 접촉하거나 상기 제1 및 제2 둘레 벽은 서로 이격되어 있다.

- 가동 요소는 전방 부분이 제1 출구 오리피스를 통해 상기 제1 축방향 하우징 밖으로 돌출할 때까지 제1 출구 오리피스의 방향으로 제1 축방향 하우징에서 병진적으로 이동할 수 있다.

- 외부 커버는 상기 외부 커버의 전방면에 위치되는 제3 출구 오리피스를 포함하는 제2 축방향 하우징을 포함하고, 상기 제3 출구 오리피스는 전방 부분이 제1 축방향 하우징 밖으로 나올 때 가동 요소의 축방향 통로의 상기 제2 출구 오리피스의 상류로 나온다.

- 노즐 본체는 전기 절연 재료로 형성되고, 외부 커버는 전기 전도성 재료로 형성된다.

- 가동 요소는,

· 가동 요소의 전방 부분이 축방향 하우징 안으로 완전히 또는 거의 완전히 들어가 있는 휴지 위치, 및

· 가동 요소의 전방 부분의 스커트부가 제1 출구 오리피스를 통해 축방향 하우징 밖으로 완전히 또는 거의 완전히 돌출해 있는 작동 위치

를 포함하는 복수의 위치 사이에서 이동할 수 있다.

- 적어도 하나의 밀봉 요소, 예를 들어 하나 이상의 O-링이 노즐 본체와 가동 요소와의 사이에 배치된다.

- 상기 적어도 하나의 밀봉 요소는 가동 요소의 외부 둘레 벽에 만들어진 둘레 홈에 배치된다.

- 가동 요소의 축방향 통로는 원뿔형, 절두원뿔형, 또는 수렴형/확산형 형상을 갖는다.

- 노즐 본체는 전기 절연 재료, 특히 전기 절연 테크니컬 세라믹 예를 들어 Al₂O₃, AlN, ZrO₂ 또는 Al₂TiO₅, 또는 폴리머 예를 들어 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 또는 Vespel^®, 또는 전기 절연 세라믹 또는 파이렉스(Pyrex)로 만들어진다.

- 외부 커버는 전기 전도성 재료, 예를 들어 강, 청동, 내화강, 구리 또는 황동과 같은 금속 재료, 또는 전기 전도성 세라믹 재료로 형성된다.

- 가동 요소의 모두 또는 일부는 전기 전도성 재료, 예를 들어 강, 청동, 내화강, 구리 또는 황동과 같은 금속 재료, 또는 전기 전도성 세라믹 재료로 형성된다. 바람직하게는, 가동 요소는 판재와의 마찰을 제한하여 판재의 마모를 제한하는 전기 전도성 재료로 형성된다.

- 대안적으로, 가동 요소는 전기 절연 재료, 바람직하게는 고온/열에 내성이 있는 전기 절연 재료, 특히 전기 절연 테크니컬 세라믹 예를 들어 Al₂O₃, AlN, ZrO₂ 또는 Al₂TiO₅, 또는 폴리머 예를 들어 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 또는 Vespel^®, 또는 전기 절연 세라믹 또는 파이렉스로 만들어진다.

본 발명은 또한 적어도 하나의 집속 광학 요소, 예를 들어 하나 이상의 렌즈 또는 미러, 특히 집속 렌즈 및 조준 렌즈를 포함하는 레이저 집속 헤드에 관한 것으로, 레이저 집속 헤드가 본 발명에 따른 레이저 노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 집속 헤드는 또한 용량형 센서 시스템을 포함하고, 노즐의 외부 커버는 상기 용량형 센서 시스템에 전기적으로 연결된다.

나아가, 본 발명은 또한 레이저 발생기, 레이저 집속 헤드, 및 상기 레이저 발생기 및 상기 레이저 집속 헤드에 연결되는 레이저 빔 안내 장치를 포함하는 레이저 장치에 관한 것으로, 레이저 집속 헤드는 본 발명에 따르는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 레이저 발생기 또는 레이저 공급원은 CO₂, YAG, 섬유 또는 디스크 레이저, 바람직하게는 섬유 또는 디스크 레이저 및 특히 이테르븀 섬유 레이저 공급원이다.

또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 또한 금속 부품을 절단하기 위한 레이저 빔 절단 공정에 관한 것으로, 이 공정은 본 발명에 따른 노즐, 본 발명에 따른 레이저 집속 헤드, 또는 본 발명에 따른 장치를 채용한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 절단 공정에서, 절단된 금속 부품과 집속 헤드와의 사이의 거리는 외부 커버와 금속 부품과의 사이에서 측정되는 하나 이상의 전기 커패시턴스 값에 기초하여 조정된다.

본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 주어진 이하의 설명에 의해 보다 잘 이해될 것이다.

도 1a는 종래의 레이저 절단 장치의 집속 헤드를 개략적으로 도시한다.
도 1b는 노즐 오리피스의 크기에 대한 레이저 스팟의 크기를 개략적으로 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 노즐의 본체의 개략적인 단면도이다.
도 2b는 내부에 가동 요소가 배치되어 있지 않은 본 발명의 일 실시형태에 따른 노즐의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 노즐의 3차원 도면이다.
도 4a 및 도4b는 2개의 상이한 위치에서의 가동 요소를 구비한 본 발명의 노즐을 도시한다.

도 1a는 종래의 레이저 노즐(21)이 체결되는 종래의 레이저 절단 장치의 집속 헤드(20)를 도시하며, 상기 노즐에는 집속된 레이저 빔이 통과하며 또한 빔(22)에 의해 피절단 금속 부품(30) 예를 들어 강 또는 스테인리스강의 판재에 형성된 절단 자국(31) 외부로 빔에 의해 용융된 금속을 추출하도록 작용하는 보조 가스[화살표(23)]가 통과한다.

보조 가스는 산소, 공기, CO₂ 또는 수소와 같은 활성 가스, 또는 아르곤, 질소 또는 헬륨과 같은 불활성 가스, 또는 다수의 이러한 활성 가스 및/또는 불활성 가스의 혼합물일 수 있다. 가스의 조성은 특히 피절단 부품의 성질에 따라 선택된다.

상기 부품에 충돌하게 되는 빔은 이 충돌 지점에서 금속을 용융시킬 것이고, 이 금속은 보조 가스의 압력에 의해 부품 아래로 추출될 것이다.

도 1b는 빔(22)의 초점의 크기(S2)에 대한 노즐(21)의 오리피스(24)의 유동 단면 영역(S1)을 명확하게 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 영역(S1)은 빔(22)의 초점의 크기(S2)보다 매우 더 크고, 이에 의해 종래 노즐에서는 보조 가스의 높은 소비를 초래하고, 이 보조 가스의 작은 비율만이 절단 자국(31)으로부터 용융 금속을 추출하도록 작용할 것이다.

절단 동안에 요구되는 가스 소비 및 압력을 상당히 저감시키기 위해서, 프랑스특허출원 제1 154 224호는 보다 낮은 가스 유동 및/또는 가스 압력에서 레이저 빔으로 절단하는 것이 가능하고 그리고 그렇게 설계된 레이저 노즐을 제공하며, 그 특정 노즐 구성은 사용된 레이저 전력 및 빔의 파장에 관계없이 가스의 보다 큰 비율이 절단 자국(31) 안으로 침투하도록 하며 절단 자국으로부터 용융 금속을 효과적으로 추출하도록 한다.

문헌 FR 1 154 224에 따르면, 레이저 노즐은 노즐의 본체(1) 내측에 이동가능하게 배치되는 가동 요소(2)와 상호작용하는 노즐 본체(1)를 포함한다. 노즐 본체(1)는 전도성 재료, 바람직하게는 구리로 형성되는 것이 바람직하고, 가동 요소(2)는 전기 절연 또는 전기 전도성일 수 있다.

본 발명과 관련하여, 표현 "전기 절연 재료" 또는 "유전체 재료"는 전기를 전도하지 않는 재료, 즉 2개의 전기 전도성 요소 사이에서 전류의 통과를 막는 재료를 의미하는 것으로 이해되어야 하는 것을 유의해야 한다. 이에 반해, 전기 전도성 재료는 전자기장의 작용 하에 용이하게 이동할 수 있는 많은 전하 운반체를 포함한다.

그러나, 전술한 이유로 이들 해법 중 어는 것도 이상적이지 않다. 한편, 플라스틱 또는 유사 재료와 같은 전기 절연 재료는 절단 자국 부근에서 격게 되는 고온, 전형적으로는 1000 내지 2000℃에 대해 그다지 내성이 있지 않고 그리고/또는 판재의 표면에 대해 과도하게 거칠기 때문에 적절하지 않다. 다른 한편, 전기 전도성 재료의 사용은 용량형 센서가 비활성화될 것을 필요로 하고, 이에 의해 절단 가공의 신뢰성 및 성능을 저하시킨다.

이를 해결하기 위해서, 본 발명은 용량형 센서가 피절단 판재의 표면을 검출할 수 있게 하고 상기 표면에 대한 고정 헤드의 위치를 조정할 수 있게 하기 위해서 향상된 레이저 노즐을 제공한다.

도 2a에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 노즐은 3개의 필수적인 구성요소, 즉 노즐 본체(1), 가동 요소(2), 및 노즐 본체(1)의 모두 또는 일부의 주위에 슬리브를 형성하는 외부 커버(13)를 포함한다는 점에서 상이하다.

바람직하게는, 제1 둘레 벽(1c)의 노즐 본체(1)는 축선(AA)의 제1 축방향 하우징(5)이 일 측부로부터 다른 측부까지 통과하는 축대칭 부품이며, 상기 하우징(5)은 본체(1)의 후방면(1b)으로부터 상기 본체(1)의 전방면(1a)까지 연장된다. 제1 축방향 하우징(5)은 노즐 본체(1)의 두개의 전방면(1a) 및 후방면(1b) 각각으로부터 나온다. 후방면(1b)은 따라서 제1 입구 오리피스(11')를 포함하는 반면, 전방면(1a)은 노즐 본체(1)의 제1 출구 오리피스(11)를 포함하며, 제1 입구 및 출구 오리피스(11', 11)는 동축이고 축선(AA)과 동축이다.

이 제1 축방향 하우징(5)은 실제로는 제1 하우징(5)의 중앙을 향해 반경방향으로 돌출하는 제1 내부 어깨부(9)를 포함하는 예를 들어 원통형 형상의 공동이며, 상기 제1 내부 어깨부(9)는 노즐 본체(1)의 전방면(1a)의 제1 출구 오리피스(11)와 동일 높이에 있는 축방향 하우징(5)의 단면의 협폭부에 의해 형성된다. 바람직하게는, 제1 내부 어깨부(9)는 상기 축방향 하우징(5)의 바닥(15)에 만들어진다.

노즐은 또한 노즐 본체(1)의 제1 하우징(5) 안으로 삽입되고 바람직하게는 도 2에 도시된 바와 같이 본체(1)에 대해 동축인 가동 요소(2)를 포함한다. 이 가동 요소(2)는 제1 출구 오리피스(11)의 방향으로 노즐 본체(1)의 제1 하우징(5) 내측에서 축선(AA)을 따라 병진적으로 이동할 수 있으며 그렇게 설계된다.

가동 요소(2)의 둘레 벽(2c)은 바람직하게는 상기 어깨부(9)에 대면하여 외부 표면에 배치되는 제1 받침부(10)를 포함한다. 바람직하게는, 제1 받침부(10)는 환상의 형상이며 가동 요소(2)의 둘레의 모두 또는 일부에 걸쳐 연장된다.

이 가동 요소(2)는 형상이 원통형인, 즉 관형상인 스커트부(6)를 형성하는 전방 부분(2a)을 포함하고, 노즐 본체(1)의 제1 축방향 하우징(5)에 배치되며, 상기 스커트부(6)를 형성하는 전방 부분(2a)으로부터 나오는 제2 출구 오리피스(12)를 갖는 축방향 통로(4)를 포함한다.

축방향 통로(4)는 원뿔형 내부 윤곽을 가질 수 있고, 그 출구 채널은 가능하게는 원통형, 절두원뿔형 또는 수렴형/확산형(즉, de Laval 튜브) 또는 임의의 다른 적절한 기하학적 구조이다. 바람직하게는, 제2 출구 오리피스(12)의 직경은 0.5 내지 5mm이다.

노즐의 사용 동안, 레이저 빔(22) 및 보조 가스(23)는 가동 요소(2)의 축방향 통로(4)를 통과하고 상기 스커트부(6)를 형성하는 전방 부분(2a)에 위치되는 제2 출구 오리피스(12)를 통해 배출된다.

가동 요소(2)는 축선(AA)을 따라 노즐의 본체(1)에 대해 축방향으로 이동가능하다. 실제로, 가동 요소(2)는 상기 가동 요소(2)에 가해져서 피절단 부품(30)의 방향으로 가동 요소를 가압하는 경향이 있는 보조 가스(23)의 압력의 영향 하에 이동한다. 바람직하게는, 가동 요소(2)는 제1 출구 오리피스(11)를 통해 전방 부분(2a)이 제1 하우징(5) 밖으로 돌출할 때까지 병진적으로 이동할 수 있다.

가동 요소(2)의 축선(AA)을 따르는 병진 이동은 스커트부(6)가 피절단 판재의 상면(30)에 더 가까워지게 이동되도록 하고, 이는 도 4b에 도시된 바와 같이 스커트부와 판재의 상면을 서로 접촉시킬 것이다.

따라서, 가스는 스커트부(6)에 의해 전달되고 레이저 스팟에 그리고 그에 따라 절단 자국에 집중될 것이고, 이에 의해 가스의 유효성 및 금속의 추출이 크게 향상될 것이다.

본 발명에 따르면, 외부 커버(13)는 노즐 본체(1)의 모두 또는 일부의 주위에 배치된다. 실제로, 외부 커버(13)는 노즐 본체(1)가 적어도 부분적으로 배치되는 제2 축방향 하우징(7)을 포함한다.

바람직하게는, 외부 커버(13)의 제2 둘레 벽(13c) 및 제2 축방향 하우징(7)은 대체로 형상이 원통형이다. 제2 축방향 하우징(7)은 바람직하게는 커버(13)의 상류 단부에 만들어지는 제2 내부 어깨부(17)를 포함한다.

본 발명과 관련하여, 용어 "상류" 및 "하류"는 레이저 노즐에서의 절단 가스의 유동 방향, 즉 가동 요소(2)의 입구 오리피스(11')로부터 상기 가동 요소(2)의 출구 오리피스(11)의 방향에 대해 규정되는 것이다.

노즐 본체(1)의 외부 둘레 벽(1c)은 상기 제2 내부 어깨부(17)에 대면하여 배치되는 제2 받침부(18)를 포함하며, 상기 제2 받침부(18)는 외부 커버(13)가 노즐 본체(1) 주위에 유지되도록 한다.

외부 커버(13) 및 노즐 본체(1)의 상기 제1 및 제2 둘레 벽(1c 및 13c)의 모두 또는 일부는 접촉할 수 있거나, 상기 제1 및 제2 둘레 벽(1c 및 13c)은 서로 이격될 수 있다. 도 2에서, 제1 및 제2 벽(1c 및 13c) 사이에 공간이 제공된다. 전형적으로, 약 수 mm의 거리가 상기 제1 및 제2 둘레 벽(1c 및 13c)을 분리한다.

바람직하게는, 외부 커버(13)는 상기 외부 커버(13)의 전방면(13a)에 위치되는 제3 출구 오리피스(14)를 포함하는 제2 축방향 하우징(7)을 포함한다. 외부 커버(13)는 또한 커버(13)의 전방면(13a)의 반대편 측에 위치되는 후방면(13b)을 포함한다.

바람직하게는, 외부 커버(13)의 제2 둘레 벽(13c)은 적어도 노즐 본체(1)의 전방면(1a)까지 그리고 상기 노즐 본체(1)의 둘레의 모두 또는 일부 주위에 연장된다. 외부 커버(13)는 구멍이 뚫리지 않거나 도 3에 도시된 바와 같이 구멍 부분(40)을 포함할 수 있고, 구멍이 뚫리는 경우는 외부 커버(13)의 중량을 감소시키는 것이 요망될 때 바람직하다.

바람직하게는, 커버(13)의 상기 제3 출구 오리피스(14)는 노즐 본체(1)의 전방면(1a)의 하류 또는 상류로부터 나올 수 있다. 바람직하게는, 커버(13)는 전방 부분(2a)이 제1 축방향 하우징(5) 밖으로 돌출할 때 상기 제3 출구 오리피스(14)가 가동 요소(2)의 축방향 통로(4)의 상기 제2 출구 오리피스(12)의 상류에 나타나도록 설계된다.

노즐 본체(1), 외부 커버(13), 및 가동 요소(2)는 바람직하게는 서로 동축으로 배치되는 축대칭 부품이며, 바람직하게는 단일 구성이다.

노즐 본체(1)는 레이저 장치의 레이저 집속 헤드(20)에 체결되도록 되어 있다. 노즐 본체는 종래의 노즐에서는 전기 전도성 재료로 형성된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 노즐 본체는 전기 절연 재료, 가능하게는, 테크니컬 세라믹; 폴리머, 예를 들어 폴리에테르에테르케톤(Peek); Vespel^®; 또는 파이렉스와 같은 복합물로 형성되는 것이 바람직하다.

가동 요소(2)는 전기 절연 또는 전도성 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 가동 요소(2)는 바람직하게는 전기 전도성 재료로 형성된다. 이러한 유형의 재료는 고온 및 기계적 및/또는 열적 충격에 대해 보다 더 내성이 있다. 이러한 전기 전도성 재료는 금속 재료, 예를 들어 강, 청동, 내화강, 구리 또는 황동, 또는 전기 전도성 세라믹 재료일 수 있다. 바람직하게는, 가동 요소는 판재의 마모를 제한하기 위해 판재와의 마찰을 제한하는 전기 전도성 재료, 즉 그다지 거칠지 않은 재료로 형성된다.

외부 커버(13)는 바람직하게는 전기 전도성 재료, 예를 들어 강, 청동, 내화강, 구리 또는 황동과 같은 금속 재료, 또는 전기 전도성 세라믹 재료로 형성된다.

따라서, 본 발명의 노즐은 용량형 센서 시스템과 양립할 수 있으며, 한편 전기 전도성 재료로 형성되는 가동 요소를 포함하고, 이 요소는 레이저 절단 자국 부근에 위치되는 것에 대해 보다 더 적절하고 보다 더 내성이 있는 이점을 갖는다는 점이 이해될 것이며, 이는 종래기술에 따른 가동 요소를 갖는 노즐에서는 가능하지 않았던 것이다.

구체적으로, 작동 시에, 노즐 본체(1)는 피절단 판재에 대면하여 위치되는 집속 헤드의 단부에 장착된다. 바람직하게는, 이 집속 헤드는 그 자체로 알려져 있는 바와 같이 용량형 센서 시스템을 포함한다. 전형적으로, 노즐 본체(1)는 상기 본체(1)를 집속 헤드(20)에 장착하기 위한 수단, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같은 나사부를 포함한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 레이저 노즐이 집속 헤드에 장착되었을 때, 외부 커버(13)는 상기 커버의 외부 표면의 적어도 일 부분, 바람직하게는 후방면(13b)의 적어도 일 부분이 헤드에 설치되는 용량형 센서 시스템에 전기적으로 연결되도록 설계된다. 바람직하게는, 이 전기적인 연결은 외부 커버(13)의 적어도 일 표면 부분이 헤드의 일 부분과 접촉하게 함으로서 형성되고, 상기 일 부분은 용량형 센서 시스템의 일부를 형성하는 전기 전도성 재료로 형성된다.

전기 전도성 가동 요소(2)는 판재와 접촉하고 따라서 판재와 동일한 전기 전위를 갖는다. 가동 요소(2)와 접촉하는 노즐 본체(1)는 전기 절연 재료로 만들어지기 때문에 이는 용량형 센서를 방해하지 않는다.

용량형 센서는 작동을 유지하고, 외부 커버(13), 바람직하게는 커버(13)의 전방면(13a)과 피절단 부품의 상면과의 사이의 전기 커패시턴스의 하나 이상의 값을 측정한다. 이러한 값에 기초하여, 센서는 커버와 판재 사이의 거리를 일정한 또는 거의 일정한 값, 전형적으로는 0.1 내지 5mm, 및 바람직하게는 0.5 내지 2mm로 조정하고 판재 평평도(planarity)의 결함에 대해 보정하는 것을 가능하게 한다. 센서는 또한 골격부에 막혀있는 미리 절단된 임의의 부분들과의 충돌을 방지하는 것을 가능하게 하고, 센서는 집속 헤드의 반동 또는 절단 기계의 정지를 유발한다.

따라서, 내부 가동 요소가 없는 구리로 만들어진 표준 노즐에서의 경우와 같이, 전기 전도성 재료로 만들어진 외부 커버(13)의 전방면(13a) 및 집속 헤드는 용량형 센서에 의해 일정하게 유지되는 높이에 유지될 수 있다.

또한, 가동 요소(2)가 판재와 접촉하는지 또는 접촉하지 않는지의 여부에 관계없이, 외부 커버(13)와 판재와의 사이에서 측정된 전기 커패시턴스 값은 변화되지 않는 상태로 유지된다. 산업용 레이저 절단 장치에 있어서 종래의 레이저 노즐을 본 발명에 따른 노즐로 교체하는 것은 따라서 용량형 센서 설치 집속 헤드 및 기존의 레이저 절단 장치에 대해 완전히 명백하다.

본 발명에 따르면, 스프링과 같은 탄성 요소(8)가 노즐 본체(1)와 가동 요소(2)와의 사이에서 제1 축방향 하우징(5)에 배치되어 피절단 부품으로부터 가동 요소(2)를 이격시키려는 방향으로 가동 요소(2)에 탄성 복귀력을 가한다. 따라서, 절단의 종료시에, 가스가 차단되고 가스 압력이 가동 요소(2)에 가해지는 것이 중단될 때, 가동 요소(2)는 그 휴지 위치까지 복귀될 수 있고, 따라서 스커트부(6)는 제1 하우징(5)으로 들어간다. 탄성 요소(8)는 바람직하게는 제1 받침부(10)와 제1 어깨부(9)와의 사이에 배치된다.

탄성 요소(8)는 따라서 일반적으로 절단 단계에 선행하는 판재의 천공 단계 동안 스커트부(6)의 마모가 제한되도록 하는 효과를 가능케 한다. 구체적으로, 이러한 천공은 낮은 가스 압력 하에, 전형적으로는 4bar 미만에서 가장 자주 실행된다. 그리고 탄성 요소는 스커트부(6)가 제1 하우징(5) 안으로 완전히 또는 거의 완전히 들어가도록 충분한 복귀력을 가하며, 따라서 스커트부는 천공에 의해 발생되는 용융-금속 스패터로부터 보호된다.

또한, 가스 압력이 가동 요소에 가해지는 것이 중단되고 스커트부(6)가 제1 하우징(5) 안으로 들어가기 때문에 탄성 요소(8)는 절단 가스 또는 빔이 없는 상태에서는 판재 위의 작은 거리에서 절단 헤드를 신속하게 이동시키는 것을 보다 용이하게 한다. 스커트부(6) 만이 당겨지고, 집속 헤드 지지 노즐을 상승시킬 필요는 없다.

또한, 탄성 요소(8)는 가동 요소(2)가 절단 가스의 영향 하에 피절단 부품 방향으로 이동될 때 가동 요소(2)에 의해 피절단 부품에 가해지는 압력을 제한하는 것을 가능하게 한다. 보다 정확하게는, 탄성 요소(8)의 복귀력은 가동 요소(2)가 판재에 가하는 압력을 제한하면서 상기 가동 요소(2)가 피절단 부품과의 접촉을 유지하여, 일부가 절단되는 판재를 변형시키고, 판재의 표면에 긁힌 자국을 내며, 판재를 끌려가게 하는 임의의 위험을 크게 최소화하거나 나아가서는 제거하도록 수치화되는 것이 바람직하다.

상황에 따라, 가동 요소(2)는 원통형 형상, 즉 축선(AA)을 따르는 일정한 외측 직경의 전방 부분(2a), 또는 스커트부(6)에 대해 충격이 크게 감소된 상태에서 또는 충격 없이 단차부 또는 장애물 위를 통과하도록 형상화된 단부 부분을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 전방 부분(2a)은 외측 직경이 제2 출구 오리피스(12)의 방향으로 점진적으로 감소하는 단부 부분을 포함한다. 따라서, 전방 부분(2a)은 판재의 표면에 존재하는 장애물 또는 양각부 위를 통과하는 것을 용이하게 하도록 형상화된다. 단부 부분의 외측 직경의 점진적인 감소는 스커트부(6)가 단차부 또는 별개의 장애물에 맞닥뜨릴 때 하우징(5)을 향하는 스커트부(6)의 인입을 촉진하기 때문에 충격이 더 잘 흡수된다.

표현 "단부 부분"은 상기 전방 부분의 단부에 위치되는, 즉 피절단 판재의 상면에 대면하는 전방 부분(2a)의 부분을 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 단부 부분은 노즐 본체(1)의 전방면(1a)에 대해 각도(α)를 형성하는 적어도 하나의 모따기부를 포함한다. 모따기부의 각도(α)는 0.1 내지 80°, 및 바람직하게는 10 내지 45°이다.

도 2a에 도시된 다른 실시형태에서, 단부 부분의 외부 윤곽은 적어도 하나의 곡선 형상 부분을 포함한다. 바람직하게는, 단부 부분의 외부 윤곽은 적어도 하나의 볼록한 형상 부분을 포함한다. 적어도 하나의 볼록한 부분의 곡률 반경은 전형적으로 0.1 내지 2mm이다.

선택적으로, 적어도 하나의 밀봉 요소, 예를 들어 탄성중합체 밀봉재, 특히 하나 이상의 O-링이 노즐 본체(1)와 가동 요소(2)와의 사이에 배치되고, 이에 의해 노즐 본체(1)와 가동 인서트(2)와의 사이에서 밀봉을 형성하는 것이 가능해진다. 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 밀봉 요소는 가동 요소(2)의 외부 둘레 벽에 만들어진 둘레 홈에 배치된다.

도 2a에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 노즐은 표준 크기인데, 즉 노즐의 크기는 종래의 절단 노즐의 크기보다 크지 않고, 이는 비늘모양으로 겹쳐진 절단부, 즉 다양한 부분들을 분리하는 매우 작은 공간을 갖는 주어진 판재의 부분들에 바람직하며 이러한 부분들과 양립가능하다.

실제로, 본 발명에 따른 노즐의 가동 요소(2)는 따라서 적어도,

- 전방 부분(2a)의 스커트부(6)가 도 4a에 도시된 바와 같이 노즐 본체(1)의 축방향 하우징(5) 안으로 완전히 또는 거의 완전히 들어가 있는 휴지 위치, 및

- 전방 부분(2a)의 스커트부(6)가 제1 출구 오리피스(11)를 통해 노즐 본체(1)의 제1 축방향 하우징(5) 밖으로 완전히 또는 거의 완전히 돌출해 있고 도 4b에 도시된 바와 같이 피절단 부품(30)과 접촉하는 작동 위치

를 포함하는 복수의 위치 사이에서 이동할 수 있다.

물론, 가동 요소(2)는 스커트부(6)가 노즐 본체(1)의 제1 축방향 하우징(5) 밖으로 부분적으로만 돌출해 있는 중간 위치를 취할 수 있다. 이 중간 위치는 특히 가스에 의해 가동 요소(2)에 가해지는 압력에 따라 달라질 수 있다.

본 발명의 해법은 따라서 가동 요소를 갖는 노즐을 초래하였으며, 이 노즐은 FR 1 154 224에 따른 노즐보다 산업적인 측면에서 더 강인하고, 더 긴 사용수명을 가지며, 실시하기가 더 용이하다.

예

표준 노즐 즉 가동 요소가 없고 따라서 가스를 절단 자국 안으로 보내기 위해 가동 요소에 장착된 스커트부를 사용하는 이점이 없는 종래의 노즐에 대한 본 발명에 따른 노즐의 유효성을 증명하기 위해서, 집속 광학 요소, 즉 렌즈를 포함하는 레이저 집속 헤드에 보내지는 레이저 빔을 발생시키는데 CO₂ 레이저 발생기를 채용하는 절단 장치를 사용하여 비교 실험을 실행하였다.

레이저 집속 헤드에는 1.8mm의 출구 오리피스를 갖는 표준 노즐, 또는 강으로 만들어진 원통형 가동 스커트부 및 테크니컬 세라믹으로 만들어진 본체를 갖는 도 2에 따른 노즐이 설치되었으며, 축방향 통로는 직경이 1.8mm인 원통형 출구 채널 및 원뿔형 윤곽을 갖는다. 또한, 노즐은 구리로 만들어진 외부 커버를 포함한다. 이러한 실험 동안, 용량형 센서는 커버의 전방면 및 피절단 판재의 상면과의 사이의 거리를 1mm의 거리까지 조정하도록 파라미터화되었다.

사용된 보조 가스는 질소였다.

피절단 판재는 5mm 두께의 304L 스테인리스강 판재였다.

레이저 빔은 4kW의 전력을 가지며 절단 속도는 2.6m/min 이었다.

얻어진 결과는 다음과 같은 점을 증명하였다:

- 표준 노즐에서는 14bar의 가스 압력이 양질의 절단부를 얻는데 충분하지 않다는 것을 증명하였다. 구체적으로, 14bar에서, 절단부의 모서리는 많은 부착 버를 포함한다. 이는 추출될 필요가 있는 용융 금속에 대한 불충분한 가스의 작용으로 인해 용융 금속의 배출이 행해져야 하는 만큼 일어나지 않았다는 것을 증명한다. 이러한 버를 제거하기 위해서, 16bar의 압력이 요구되었다.

- 본 발명의 노즐에서는, 1 내지 5bar의 압력에서 실행된 실험에서 양질의 절단부, 즉 부착된 버가 전혀 없는 절단부 모서리가 얻어졌다. 노즐의 스커트부는 가스가 절단 자국 안으로 전달되도록 하였으며 용융 금속이 효과적으로 추출되도록 하였다. 또한, 노즐은 용량형 센서가 작동되도록 하였으며 헤드는 절단된 판재의 상면에 대해 일정한 높이에 유지시켰다.

이러한 실험은 다른 조건은 동일한 상태에서 실행 가스 압력이 표준 노즐에 대해 상당히 감소되도록 하고 따라서 가스 소비 또한 감소되도록 하는 본 발명에 따른 노즐의 유효성을 명확히 증명한다. 또한, 현존하는 레이저 절단 장치의 작동은 본 발명의 노즐의 사용에 의해 조금도 방해되지 않았다. 노즐의 외부 커버와 판재와의 사이의 전기 커패시턴스의 값을 측정하고 상기 값의 임의의 변화에 따라 헤드의 높이방향 위치를 조정함으로써 집속 헤드를 피절단 판재의 상면 위에서 일정한 높이에 유지시키는 것이 용이했다.

Claims (12)

1. - 노즐 본체(1)의 전방면(1a)에 위치되는 제1 출구 오리피스(11)를 포함하는 제1 축방향 하우징(5)을 포함하는 노즐 본체(1),
   - 노즐 본체(1)의 제1 축방향 하우징(5)에 배치되는 가동 요소(2)로서, 스커트부를 형성하는 전방 부분(2a) 및 상기 스커트부를 형성하는 전방 부분(2a)으로부터 나오는 제2 출구 오리피스(12)를 갖는 축방향 통로(4)를 포함하는 가동 요소(2), 및
   - 노즐 본체(1)와 가동 요소(2)와의 사이에서 제1 축방향 하우징(5)에 배치되는 탄성 요소(8)를 포함하는 레이저 노즐에 있어서,
   - 가동 요소(2)는 가동 요소(2)에 가해지는 가스 압력의 영향 하에 제1 출구 오리피스(11)의 방향으로 제1 축방향 하우징(5)에서 병진적으로 이동할 수 있고,
   - 탄성 요소(8)는 가동 요소(2)에 탄성 복귀력을 가하여 가동 요소가 제1 축방향 하우징(5)에서 제1 출구 오리피스(11)의 방향으로 병진 이동하는 것을 저지하는 경향이 있으며,
   - 노즐 본체(1)의 모두 또는 일부 주위에서 슬리브를 형성하는 외부 커버(13)를 특징으로 하는 레이저 노즐.
2. 제1항에 있어서, 외부 커버(13)는 제1 둘레 벽(13c)을 포함하고, 노즐 본체(1)는 제2 둘레 벽(1c)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 둘레 벽(13c, 1c)의 모두 또는 일부는 접촉하거나 상기 제1 및 제2 둘레 벽(13c, 1c)은 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 노즐.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가동 요소(2)는 전방 부분(2a)이 제1 출구 오리피스(11)를 통해 상기 제1 축방향 하우징(5) 밖으로 돌출할 때까지 제1 출구 오리피스(11)의 방향으로 제1 축방향 하우징(5)에서 병진적으로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 노즐.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 커버(13)는 상기 외부 커버(13)의 전방면(13a)에 위치되는 제3 출구 오리피스(14)를 포함하는 제2 축방향 하우징(7)을 포함하고, 상기 제3 출구 오리피스(14)는 전방 부분(2a)이 제1 축방향 하우징(5) 밖으로 돌출할 때 가동 요소(2)의 축방향 통로(4)의 상기 제2 출구 오리피스(12)의 상류에 나타나는 것을 특징으로 하는 레이저 노즐.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐 본체(1)는 전기 절연 재료로 형성되고 외부 커버(13)는 전기 전도성 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 노즐.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 가동 요소(2)는,
   가동 요소(2)의 전방 부분(2a)이 축방향 하우징(5) 안으로 완전히 또는 거의 완전히 들어가 있는 휴지 위치, 및
   가동 요소(2)의 전방 부분(2a)의 스커트부가 제1 출구 오리피스(11)를 통해 축방향 하우징(5) 밖으로 완전히 또는 거의 완전히 돌출해 있는 작동 위치
   를 포함하는 복수의 위치 사이에서 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 노즐.
7. 적어도 하나의 집속 광학 요소를 포함하는 레이저 집속 헤드에 있어서, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서의 레이저 노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 집속 헤드.
8. 제7항에 있어서, 용량형 센서 시스템을 더 포함하고, 노즐의 외부 커버(13)는 상기 용량형 센서 시스템에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 레이저 집속 헤드.
9. 레이저 발생기, 레이저 집속 헤드, 및 상기 레이저 발생기 및 상기 레이저 집속 헤드에 연결되는 레이저 빔 안내 장치를 포함하는 레이저 장치에 있어서,
   레이저 집속 헤드는 제7항 또는 제8항에 있어서의 레이저 집속 헤드인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
10. 제9항에 있어서, 레이저 발생기는 CO₂, YAG, 섬유, 또는 디스크 레이저 발생기인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서의 레이저 노즐, 제7항 또는 제8항에 있어서의 레이저 집속 헤드, 또는 제9항 또는 제10항에 있어서의 레이저 장치를 채용하는 금속 부품(30)을 절단하기 위한 레이저 빔 절단 공정.
12. 제11항에 있어서, 절단된 금속 부품(30)과 집속 헤드와의 사이의 거리는 외부 커버(13)와 금속 부품(30)과의 사이에서 측정된 하나 이상의 전기 커패시턴스 값에 기초하여 조정되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 절단 공정.

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