KR20170110156A - 유동 특성을 설정하기 위한 변위 가능한 슬리브를 구비하는 절단 가스 노즐 및 레이저 절단 방법 - Google Patents

유동 특성을 설정하기 위한 변위 가능한 슬리브를 구비하는 절단 가스 노즐 및 레이저 절단 방법 Download PDF

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Abstract

중심 유동(7)을 형성하기 위한 내부 노즐(6)을 구비하며 그리고, 환형 유동(9)을 형성하기 위한, 내부 노즐(6)을 둘러싸는 환형 틈새 노즐(8)을 구비하는, 레이저 가공 헤드(2)를 위한 절단 가스 노즐(1)에서, 본 발명에 따라, 슬리브(10)가, 후진 위치와 전진 위치 사이에서 축 방향으로 변위 가능하도록, 환형 틈새 노즐(8)의 환형 틈새(11) 내에서 안내되고, 상기 슬리브(10)는 적어도 전진 위치에서 내부 노즐(6) 너머로 돌출하며 그리고 상기 슬리브(10)는 상기 두 위치 사이에서 환형 틈새 노즐(8)의 노즐 단면적(25)을 가변적인 정도로 개방한다.

Description

유동 특성을 설정하기 위한 변위 가능한 슬리브를 구비하는 절단 가스 노즐 및 레이저 절단 방법
본 발명은, 중심 유동을 형성하기 위한 내부 노즐 및 환형 유동을 형성하기 위한 내부 노즐을 둘러싸는 환형 틈새 노즐을 포함하는, 레이저 가공 헤드를 위한 절단 가스 노즐에, 그리고 또한 가스-가압 절단 가스 노즐로 가공물을 레이저 절단하는 방법에 관한 것이다.
이러한 유형의 절단 가스 노즐이, JPH 10 216978A로부터 또는 DE 198 53 735 C1로부터 공지된다.
상이한 외측 또는 내측 윤곽들, 상이하게 성형된 노즐 개구들, 및 상이한 노즐 직경을 구비하는, 상이한 절단 가스 노즐들이, 레이저 빔의 도움으로 상이한 재료 두께의 상이한 재료들(건설용 스틸, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 등)을 절단하기 위해 요구된다.
이러한 다양성 및 필요한 노즐 변화의 빈도를 감소시키기 위해, 내부 노즐을 통해 처리 개소 상으로 절단 가스를 유도하며 그리고 내부 노즐을 둘러싸는 환형 틈새 노즐을 통해 처리 개소 상으로 보조 가스를 유도하는, 레이저 가공 헤드를 위한 절단 가스 노즐이, JPH 10 216978A로부터 공지된다. 환형 틈새 노즐은, 나사의 도움으로, 환형 틈새 노즐의 노즐 개구(노즐 단면적)를 변화시키도록 그리고 그에 따라 보조 가스의 가스 유동에 영향을 미치도록, 내부 노즐에 대해 축 방향으로 전진 및 후진하게 될 수 있다.
자체의 내부에, 내부 노즐을 구비하며 그리고 환형 틈새 노즐을 구비하는 절단 가스 노즐이, 변위 가능한 방식으로 안내되는, 중공 피스톤 내에 배치되는, 레이저 가공 헤드가, DE 198 53 735 C1에 공지된다. 레이저 가공 헤드의 작동 시, 가스 쿠션이, 가공물 표면과 중공 피스톤의 끝단면 사이에 형성된다. 가공물 표면과 중공 피스톤의 끝단면 사이의 틈새 치수는, 가스 압력의 도움으로 조절될 수 있으며, 내부 노즐 및 환형 틈새 노즐은 상이한 압력으로 가압될 수 있다.
본 발명은, 중심 유동 및 환형 유동의 유동 상태들이, 가스 압력을 변화시켜야 할 필요 없이, 절단 프로세스 도중에, 개별적으로 변경되거나 또는 조정될 수 있는 방식으로, 처음에 언급된 유형의 절단 가스 노즐을 개량하는 목적, 및 그러한 절단 가스 노즐과 함께 하는 레이저 절단 방법을 구체화하는 목적에 기초하게 된다.
이러한 목적은, 슬리브가, 후진 위치와 전진 위치 사이에서 축 방향으로 변위 가능하도록, 환형 틈새 노즐의 환형 틈새 내에서 안내되고, 상기 슬리브는 적어도 전진 위치에서 내부 노즐 너머로 돌출하며 그리고 상기 슬리브는 상기 두 위치 사이에서 환형 틈새 노즐의 노즐 단면적을 가변적인 정도로 개방하고, 상기 슬리브는 특히, 자체의 하나의 위치(후진 위치 또는 전진 위치)에서, 환형 틈새 노즐을 많이 또는 완전히 폐쇄하며, 그리고 자체의 다른 하나의 위치(전진 위치 또는 후진 위치)에서, 환형 틈새 노즐을 개방하는, 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명에 따르면, 환형 틈새 내부에서 슬리브를 변위시킴에 의해, 유동 역학의 관점에서의 절단 가스 노즐의 특성이, 절단 가스가 단지 내부 노즐로부터만 흘러나오는 단일-보어 노즐(single-bore nozzle)(단일-덕트 노즐)의 특성으로부터, 절단 가스가 내부 노즐 뿐만 아니라 환형 틈새 노즐 양자 모두로부터 흘러나오는 우회 유동 노즐(복수-덕트 노즐)의 특성으로, 변화될 수 있다. 단일-보어 노즐은, 주로 얇은 시트의 처리 및 천공에 유리한 가운데, 우회 유동 노즐은, 무엇보다도 두꺼운 시트의 처리에 유리하다. 따라서, 상이한 두께의 가공물들이, 본 발명에 따른 절단 가스 노즐을 사용하여 절단될 수 있으며, 그리고 상이한 가공 방법들이 특히 또한 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 절단 가스 노즐의 유연성은, 예비 부품 목록의 관점에서 뿐만 아니라, 사용자의 경우에서의 지금까지 필요한 절단 노즐들의 관점에서, 변형의 다양성이 감소되는 것을 가능하게 한다. 더불어, 노즐 변경 도중의 기계의 비생산적 중단 시간이 최소화될 수 있다.
내부 노즐 및 환형 틈새 노즐은, 노즐 몸체 내에 형성되며 그리고, 상호 별개의 가스 커넥터를 구비하거나 또는, 내부 노즐의 노즐 보어 및 환형 틈새 노즐의 환형 틈새가 노즐 몸체의 적어도 하나의 연결 보어에 의해 상호 연결되는 정도로, 공통 가스 커넥터를 구비할 수 있다. 공통 가스 커넥터를 구비하는 경우, 내부 노즐의 노즐 보어는 가스 커넥터에 연결되며, 그리고 환형 틈새는, 연결 보어(들)에 의해 노즐 보어에 연결되는 것이 유리하다.
특히 바람직하게, 슬리브의 후진 위치에서, 특히 노즐 몸체와 슬리브 사이에 제공되는 안내 틈새에 의해 주변 환경과 연결되는 환형 공간이, 슬리브의 후단면과 노즐 몸체 사이에 남게 되고, 적어도 하나의 연결 개구가, 환형 공간 내로 연장되는 개구로서 형성된다. 각 슬리브 위치에서 제공되는 환형 공간 및 그와 소통하는 개구(들)에 의해, 가스 압력의 표적화된 선택에 의해 상기 슬리브의 전진한 위치로부터 후진측 끝단 위치로 슬리브가 흡입되는 것이 가능하다.
내부 노즐의 노즐 보어 및 환형 틈새 노즐의 환형 틈새가 개구들에 의해 상호 연결되지 않는 다른 실시예에서, 슬리브의 후단면과 노즐 몸체 사이에 제공되는 환형 공간이, 특히 노즐 몸체와 슬리브 사이에 제공되는 안내 틈새에 의해, 주변 환경과 연결된다. 내부 밸브 밖으로 흘러나가는 절단 가스의 벤츄리 효과에 의해, 공기(산소)가 주변 환경으로부터 흡입되고, 상기 공기는, 슬리브 내부에서, 질소 절단 가스 분사류와 혼합된다.
가공물 표면 상에서의 슬리브의 접촉 압력은 유리하게, 슬리브의 구조적 설계에 의해 표적화된 방식으로 조절될 수 있다. 절단 가스 압력이 그 위에 전진 방향으로 작용하는 슬리브의 그러한 표면 부분이, 특히 가공물 표면 상에 안착된 슬리브의 경우에서, 절단 가스 압력이 그 위에 후진 방향으로 작용하는 슬리브의 그러한 표면 부분보다 더 큰 경우, 절단 가스 압력은 이때 원칙적으로, 가공물 표면 상에 슬리브의 접촉-압력(contact-pressure force)을 야기한다. 대안적으로, 절단 가스 압력이 그 위에 전진 위치로 작용하는 슬리브의 그러한 표면 부분은, 가공물 표면 상에 안착된 슬리브의 경우에서, 절단 가스 압력이 그 위에 후진 위치로 작용하는 슬리브의 그러한 표면 부분과 동등하거나, 또는 그보다 (얼마간) 더 작을 수 있다. 이 경우, 가스 압력의 절대 레벨과 무관하게, 절단 가스 압력에 의해 슬리브 상에 작용하는 양력(lifting force) 및 접촉-압력이 단지 평형 상태에 놓이거나, 또는 작은 양력이 발생되어, 슬리브가, 이상적으로 마찰 없이, 그러나 그럼에도 불구하고, 항상 평면형 방식으로 그 위에서 지탱하기 위해, 가공물 표면 상에서 평면형 방식으로 일정하게 지탱되는 가운데, 평면형 가공물 표면을 가로질러 미끄럼 이동하도록 하거나, 또는 슬리브가 가공물 표면 위에서 선회하도록 최소의 틈새가 슬리브의 끝단면과 가공물 표면 사이에 생성되도록 한다. 슬리브의 후자의 설계의 실시예는 특히, 절단에 의한 흠집 없는 가공에 유리하다.
특히 유리하게, 환형 틈새의 내측 벽은, 내부 노즐의 특히 원추형의 외측 측면에 의해 형성된다. 더욱 유리하게, 슬리브는, 환형 틈새의 외측 벽 상에서 변위 가능하도록 안내된다.
자체의 (끝단) 위치들 중의 하나에서 슬리브가 환형 틈새 노즐을 폐쇄하는 실시예들의 경우에서, 환형 틈새 노즐을 폐쇄하는 자체의 그러한 위치에서의 슬리브가 그 위에 지탱되는 밸브 시트가, 환형 틈새 내에 배치된다.
본 실시예에 대한 제1 개선예에서, 밸브 시트는, 슬리브의 후진 (끝단) 위치에서 폐쇄되며, 그리고 슬리브의 전진 (끝단) 위치에서 개방된다. 밸브 시트는, 예를 들어, 환형 틈새의 원추형 벽 부분에 의해 또는 환형 쇼울더부에 의해 형성될 수 있다. 밸브 시트는, 환형 틈새의 내측 벽 상에 배치되지만, 환형 쇼울더부의 경우에, 또한 환형 틈새의 베이스부 상에 형성될 수도 있다. 원추형 벽 부분은, 슬리브의 전진 방향으로 좁아진다.
본 실시예에 대한 제2 개선예에서, 밸브 시트는, 슬리브의 전진 (끝단) 위치에서 폐쇄되며, 그리고 슬리브의 후진 (끝단) 위치에서 개방된다. 밸브 시트는, 예를 들어, 환형 틈새의 원추형 벽 부분에 의해 또는 환형 쇼울더부에 의해 형성될 수 있으며, 슬리브는, 후진 방향에서 밸브 시트 후방에 맞물리는 밀봉면을 구비한다. 원추형 벽 부분은, 슬리브의 후진 방향으로 좁아진다.
밸브 시트와 상호 작용하는 슬리브의 밀봉면이, 일체형 방식으로 슬리브에 성형될 수 있으며, 또는 별개의 환형 밀봉체에 의해 형성될 수 있다. 후자의 경우에, 슬리브 및 환형 밀봉체는, 상이한 재료로, 따라서, 슬리브에 대한 생산 비용이 감소되는 점 및 환형 밀봉체가 세라믹으로 이루어지는 일체형 슬리브보다 더욱 정밀한 밀봉면을 구비하는 점을 고려하여, 예를 들어 슬리브는 세라믹으로 그리고 환형 밀봉체는 금속으로, 이루어질 수 있다.
특히 바람직하게, 슬리브가 환형 틈새 내부에서 예를 들어 ±5° 만큼 기울어질 수 있게 장착되도록, 슬리브는, 횡방향 간극을 구비하도록 ("부유" 방식으로) 환형 틈새 내에 장착된다. 이러한 방식으로, 절단 가스 노즐은, 기계적으로 손상되거나 또는 평평하지만 약간 기울어진 시트 표면에 대한 형상-맞춤 접촉을 상실하지 않는 가운데, 기울어짐에 의해 가공물 표면의 평탄하지 않음에 대응할 수 있다. 슬리브는 유리하게, 변위 가능하도록 안내되며 그리고 환형 틈새의 외측 벽 상에서 기울어질 수 있게 장착되는, 외부적으로 둘러싸는 뾰족한 또는 구형의 센터링 비드(centering bead)를 구비할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 환형 틈새 내부에서 대략 ±5° 만큼 슬리브의 기울어짐을 가능하게 하도록, 환형 틈새의 외측 벽은, 특히 원추형 방식으로 전진 방향으로 좁아질 수 있으며, 및/또는 슬리브 외측 측면은, 특히 원추형 방식으로 후진 방향으로 좁아질 수 있다.
예를 들어 절단된 가공물 부분들의 기울어짐에 의해 발생할 수 있는 바와 같은, 가공물 표면에서의 사소한 단계들에서의 손상 없이 미끄럼 이동 가능하도록 하기 위해, 슬리브의 전단면은 바람직하게, 내측 및/또는 외측 측면 상에, 예를 들어 45° 모따기부 형태의, 상향 경사부(run-up slant)를 구비한다.
특히 바람직하게, 슬리브는, 고주파 기술의 관점에서 세라믹들이 개별적으로 충분히 중성이거나 또는 전기적으로 비전도성이기 때문에, 세라믹들(예를 들어, 알루미늄 산화물)로 이루어져, 본 발명에 따른 절단 가스 노즐이, 레이저 가공 헤드의 정전 용량형 공간 센서 시스템에 의해, 통상적인 우회 유동 노즐(일체형 슬리브 없는 노즐)과 같이 취급될 수 있도록 한다. 더불어, 세라믹의 높은 용융점 및 높은 마모 저항성은, 슬리브의 충분히 긴 수명을 보증한다. 그러나, 세라믹으로 이루어지는 대신에, 슬리브는 또한, 비교적 온도 저항성인 그리고 전기적으로 비전도성인 재료로, 또는 적어도 100℃까지 온도 저항성이 있는 플라스틱 재료로, 형성될 수 있다. 후자의 경우에, 미끄럼 이동 특성, 강도, 및 적어도 100℃까지 (연속적인 작동 온도에 대한) 온도 저항성이, 중요하다. 건조 스틸을 가로지르는 이동시의 마찰 계수는 < 0.3 이어야만 한다. 더불어, 106 Hz에서의 비유전율은, 3 미만이어야만 한다. 이러한 요건은, 예를 들어 테플론에 의해 만족된다.
슬리브는 바람직하게, 자체의 전단면에, 반경 방향으로 비스듬히 연장되는, 적어도 하나의 홈을, 바람직하게 복수의 홈을, 구비하거나, 또는 자체의 슬리브 벽에, 반경 방향으로 비스듬히 연장되는, 적어도 하나의 보어를, 바람직하게 복수의 보어를, 구비한다. 홈들 및 보어들의 개별적으로 비스듬한 또는 나선형의 배열에 의해, 흘러나가는 절단 가스의 추진력(momentum)이 슬리브 상에 토크를 가하고, 슬리브는 그에 따라 회전 상태에 놓이게 된다. 대안적으로, 슬리브는 또한, 자체의 슬리브 벽의 외측 측면 상에, 축 방향으로 비스듬히 연장되는, 적어도 하나의 홈을, 바람직하게 복수의 홈을, 구비하여, 슬리브가, 슬리브의 외측면을 따라 축 방향으로 유동하는 공기에 의해 또는 슬리브의 외측면을 따라 축 방향으로 유동하는 공정 가스 또는 불활성 가스에 의해, 회전 상태에 놓이도록 한다. 회전하는 슬리브에 의해, 가공물 표면 상의 오염물들이 예를 들어 제거될 수 있으며, 그리고 슬리브 아래에 위치하게 되는 처리 구역 내부에서의 가스 압력의 조정이, 슬리브 벽 내의 적어도 하나의 보어 또는 홈에 의해, 바람직하게 복수의 보어 또는 홈에 의해, 표적화된 방식으로 야기된다.
본 발명에 따른 절단 가스 노즐은 유리하게, 예를 들어, 특히 얇은 시트들(건설용 스틸, 스테인리스 스틸, 알루미늄)의 복층형 시트 적층체들의 고압 질소 레이저 절단을 위해 활용될 수 있다. 슬리브 내부에 형성되는 에어 쿠션은, 절단 프로세스 도중에 개별적인 가공물들의 펼쳐짐(fanning out)을 방지하도록, 가공물 적층체 상에 접촉-압력을 야기한다. 슬리브 아래의 가스 쿠션은 여기에서, 시트 적층체 상에 평면형 방식으로 가해지는 접촉-압력을 가하여, (공간적인 방식으로 엄격하게 한정되는 가스 분사류에 의해 국부적으로 한정되는 방식으로 가해지는 접촉-압력에 대항하는) 레이저 빔의 구역에서 시트 표면 상에 가해지는 모멘트가 없도록, 그리고 개별적인 시트의 튀어나옴(bulging)과의 조합과 더불어 야기되는 국부적으로 한정되는 함몰이 없도록 한다. 절단 가스도 또는 용융물도, 그에 따라 개별적인 적층된 가공물들 사이의 공간들에 침투할 수 있다. 틈새 없는 방식으로 적층되는 개별적인 절단 에지들은, 이 경우, 절단 가스 분사류에 대해, 하나의 공통적인 균질의 절단 에지와 같이 거동하여, 균일하게 높은 버 없는(burr-free) 절단 에지 품질이 모든 적층된 가공물에 걸쳐 달성될 수 있도록 한다. 슬리브에 의해 야기되는 바와 같은, 절단 틈새 내로의 절단 가스의 개선된 도입으로 인해, 절단은, 표준 절단 가스 노즐들과 비교하여 3 내지 5의 인자(factor) 만큼 감소된 절단 가스 압력에서 수행될 수 있다. 따라서, 적층체의 개별적인 가공물들이 펼쳐지는 것으로 이어질 수 있는 절단 틈새 내의 정적 가스 압력은 마찬가지로, 통상적인 노즐들의 사용과 비교하여, 3 내지 5의 인자 만큼 더 낮아서, 절단 틈새 내의 절단 가스 압력에 의한 시트 적층체의 어떤 펼쳐짐의 가능성이 감소되도록 한다.
본 발명은 또한, 이상에 설명된 바와 같은 가스-가압 절단 가스 노즐로 가공물을 레이저 절단하는 방법에 관한 것으로, 레이저 빔이, 가공물 상으로 내부 노즐을 통해 유도되며, 그리고 슬리브가, 가공물 표면과의 접촉에 의해 기계적으로 또는 공압적으로 작업 위치로 변위되는 것인, 레이저 절단 방법에 관한 것이다.
하나의 방법 변형예에서, 슬리브는, 절단 가스 압력에 의해 전진 방향으로 전진하게 되며, 그리고 가공물 상으로 가변적인 방식으로 하강하게 되는 절단 가스 노즐에 의해 후진하게 된다.
후방을 향한 (말하자면, 노즐 몸체 내로의) 슬리브의 후진은, 슬리브의 전단면과 가공물 표면 사이의 접촉에 의해 야기된다. 가공물 표면을 향한 방향으로의, 개별적으로, 절단 가스 노즐의 또는 절단 가스 노즐을 지탱하는 레이저 가공 헤드의 수직 이동에 의해, 슬리브는, 가공물 상으로 압박되며 그리고 이러한 방식으로 환형 틈새 내부에서 후방으로 밀리게 된다. 내부 노즐을 통한 중심 유동과 환형 틈새를 통한 환형 유동 사이의 비율이, 상기 비율이 가공물 표면으로부터의 레이저 가공 헤드(및 그에 따른 절단 가스 노즐)의 간격에 의해 제어 가능하도록, 야기된다. 가공물 표면으로부터의 레이저 가공 헤드의 수직 간격에 의해, 유동 역학의 관점에서, 절단 가스 노즐의 특성들이 그에 따라, 예를 들어 천공으로부터 절단으로 변경될 때, 또는 그 밖에 진행 중인 절단 프로세스 도중에, 단일-덕트 노즐의 특성과 복수-덕트 노즐의 특성 사이에서, 수치적으로 제어되는 방식으로 변화될 수 있다. 슬리브가 가공물 표면 상에 안착되었을 때, 상기 슬리브는, 가공물 표면 상에서 미끄럼 이동할 수 있으며 그리고, (거의) 기밀이 되도록 폐쇄되며 그리고 부가적으로 절단 틈새 내로의 절단 가스의 침입(coupling-in)을 개선하는 캐비티가, 슬리브와 가공물 표면 사이에 형성된다. 시트 표면을 가로지르는 절단 가스의 횡방향 유출이 방지되며, 그리고 절단 가스 소모가 감소된다.
전진 방향으로의 슬리브의 전진은, 슬리브 상에 작용하는 절단 가스에 의한 압력 제어 방식으로 실행된다. 예를 들어, 슬리브의 후단면이 슬리브의 전단면보다 상당히 더 크게 설계되는 경우, 개별적으로, 슬리브의 전단면 상에 또는 후단면 상에 작용하는 절단 가스 압력들의 비율이, 전방을 향한 결과적으로 생성되는 힘 및, 그에 의해 생성되는, 가공물 표면 상에 안착된 슬리브의 경우에서의 가공물 상의 접촉-압력을 야기한다.
적어도 하나의 연결 개구가 그 내부에서 노즐 몸체와 슬리브의 후단면 사이의 환형 덕트와 소통하는, 절단 가스 노즐을 구비하는 다른 방법 변형예에서, 슬리브는, 절단 가스 압력이 한계 값 위에 놓일 때 전진 방향으로 전진하게 되며, 그리고 절단 가스 압력이 한계 값 아래에 놓일 때 후진 방향으로 후진하게 된다.
내부 노즐의 노즐 보어 및 환형 틈새 노즐의 환형 틈새가 그 내부에서 상호 연결되지 않는, 절단 가스 노즐을 구비하는 또 다른 방법 변형예에서, 환형 틈새 노즐의 노즐 단면적이 개방된 경우에, 주변 공기가 중심 유동으로부터 환형 공간 내로 흡입되며, 상기 주변 공기는 이어서 중심 유동과 함께 절단 가스 노즐을 빠져 나간다.
본 발명의 대상의 추가적인 이점들 및 유리한 설계 실시예들이, 설명, 청구항들 및 도면으로부터 도출된다. 이상에 언급된 그리고 아직 열거되지 않은 특징들은 마찬가지로, 개별적으로, 또는 서로의 임의의 조합에서 복수로서, 사용될 수 있다. 도시되고 설명된 실시예들은, 철저한 열거로서 이해되어서는 안되며, 대신에 본 발명을 예시하기 위한 예시적인 것이다.
도 1a 및 도 1b는, 도 1a에서 자체의 폐쇄된 끝단 위치에서 도시되며 그리고 도 1b에서 자체의 개방된 끝단 위치에서 도시되는, 환형 틈새 노즐을 구비하는 본 발명에 따른 제1 절단 가스 노즐을 도시하고;
도 2a 및 도 2b는, 도 2a에서 자체의 폐쇄된 끝단 위치에서 도시되며 그리고 도 2b에서 개방 위치에서 도시되는, 환형 틈새 노즐을 구비하는 본 발명에 따른 제2 절단 가스 노즐을 도시하며;
도 3a 및 도 3b는, 도 3a에서 자체의 폐쇄된 끝단 위치에서 도시되며 그리고 도 3b에서 개방 위치에서 도시되는, 환형 틈새 노즐을 구비하는 본 발명에 따른 제3 절단 가스 노즐을 도시하고;
도 4a 및 도 4b는, 도 4a에서 자체의 하나의 끝단 위치에서 도시되며 그리고 도 4b에서 자체의 다른 하나의 끝단 위치에서 도시되는, 환형 틈새 노즐을 구비하는 본 발명에 따른 제4 절단 가스 노즐을 도시하며; 그리고
도 5a 내지 도 5d는, 도 1 내지 도 4에 도시된 슬리브에 대한 다양한 수정예를, 슬리브의 전방 단부 측의 평면도(도 5a)로, 단면도(도 5b, 도 5d)로, 그리고 사시 측면도(도 5c)로, 도시한다.
동일한 참조 부호들이, 도면에 대한 뒤따르는 설명에서 동일한 또는 기능적으로 동등한 구성요소들을 위해 사용된다.
도 1a, 도 1b, 그리고 도 2a, 도 2b에 도시된 절단 가스 노즐들(1, 1')은, 레이저 가공 헤드(2) 상에 배치되며, 그리고 레이저 빔(3)에 의해 가공되는 가공물(예를 들어, 시트)(4) 상으로 절단 가스를 유도하는 역할을 한다. 그러한 절단 가스 노즐들(1, 1')은, 예를 들어 DE 10 2013 210 844 B3에 개시되는 바와 같은, 레이저 공작 기계 상에 사용될 수 있다.
절단 가스 노즐들(1, 1')은 각각의 경우에, 중심 유동(7)을 형성하기 위한 내부 노즐(6)을 구비하며 그리고, 환형 유동(9)을 형성하기 위한, 내부 노즐(6)을 둘러싸는 환형 틈새 노즐(8)을 구비하는, 하나의 노즐 몸체(5), 및 밸브 슬리브로서 형성되며, 내부 노즐(6) 너머로 돌출하고, 두 위치 사이에서 축 방향으로 변위 가능하도록 환형 틈새 노즐(8)의 환형 틈새(11) 내에서 안내되며, 그리고 적어도 하나의 위치에서 내부 노즐(6) 너머로 돌출하는 슬리브(10)를 포함한다. 바람직하게 세라믹 슬리브로서 설계되는 밸브 슬리브(10)는, 환형 틈새 노즐(8)의 노즐 단면적(25)을 하나의 위치에서 폐쇄하며, 그리고 환형 틈새 노즐(8)의 노즐 단면적(25)을 다른 위치에서 개방한다. 밸브 슬리브(10)는, 환형 틈새(11)의 외측 벽(12) 상에서 변위 가능하도록 안내된다. 자체의 끝단 위치에서 환형 틈새 노즐(8)을 폐쇄하는 밸브 슬리브(10)가 그 위에 지탱되는 밸브 시트(14)가, 환형 틈새(11)의 내측 벽(13) 상에 제공되고, 상기 내측 벽(13)은, 내부 노즐(6)의 외측 측면에 의해 형성된다. 내부 노즐(6)은, 자체의 중앙 노즐 보어(15)에 의해, 가스 공급원(미도시)에 연결된다. 환형 틈새(11)는, 하나 또는 복수의 연결 개구(16)에 의해, 노즐 보어(15)에 연결된다. 레이저 빔(3)은, 내부 노즐(6)의 노즐 배출 개구(100)를 통해 가공물(4) 상으로 유도된다.
밸브 슬리브(10)는, 엄격한 허용 공차를 갖는 외부적으로 둘러싸는 센터링 비드(17)를 구비하도록 형성되고, 상기 센터링 비드(17)는, 대체로 밀봉된 방식으로 환형 틈새(11)의 외측 벽(12) 상에서 변위 가능하도록 안내된다. 환형 틈새(11)의 외측 벽(12)과 외측으로 뾰족한 또는 구형의 센터링 비드(17) 사이의 기계적 간극이, 환형 틈새(11) 내부에서 대략 ±5° 만큼 밸브 슬리브(10)의 기울어짐을 가능하게 한다. 이러한 방식으로, 가공물 표면 내의 평탄하지 않음이, 가공물(4) 상에서의 밸브 슬리브(10)의 이동 시 균등화될 수 있다. 예를 들어 절단된 가공물 부분들의 기울어짐에 의해 발생할 수 있는 바와 같은, 가공물 표면에서의 사소한 단계들에서의 손상 없이 미끄럼 이동 가능하도록 하기 위해, 밸브 슬리브(10)의 전단면은, 내측 측면 및 외측 측면 상에, 각각의 경우에, 30° 내지 60° 사이의 모따기 각을 구비하는, 특히 45°의 모따기 각을 구비하는, 모따기부 형태의, 하나의 둘러싸는 상향 경사부(18a, 18b)를 구비한다.
도 1a, 도 1b에 도시된 절단 가스 노즐(1)의 경우에서, 노즐 몸체(5)는, 레이저 가공 헤드(2) 내로 나사 결합되며 그리고 내부 노즐(6) 및 환형 틈새 노즐(8)을 구비하는 (예를 들어, 구리로 이루어지는) 메인 바디(5a)로서, 내부 노즐은 선택적으로, 메인 바디(5a)에 나사 결합되거나 또는 메인 바디와 일체형인 것인, 메인 바디(5a), 및 메인 바디(5a) 상에 외측에서 나사 결합되며 그리고 환형 틈새(11) 내로 반경 방향 내향으로 돌출하는 고정 림(19)을 구비하는, (예를 들어, 구리로 이루어지는) 고정 너트(5b)를 포함한다. 고정 림(19)은, 환형 틈새(11) 내에 구속되도록 밸브 슬리브(10)를 유지하며 그리고, 자체의 전진 끝단 위치에 놓인 밸브 슬리브(10)가 그 위에서 센터링 비드(17)에 의해 지탱되는, 끝단 정지부를 형성한다. 밸브 시트(14)는 환형 틈새(11)의 내측 벽(13)에 의해 형성되고, 상기 내측 벽(13)은 밸브 슬리브(10)의 전진 방향(20)으로 원추형 방식으로 수렴하며, 상기 밸브 시트(14)는, 밸브 슬리브(10)와 함께, 환형 틈새 밸브를 형성한다.
도 1a에 도시된 바와 같은 밸브 슬리브(10)의 후진 끝단 위치(가공물(4)로부터의 내부 노즐(6)의 간격(A): 대략 0 내지 1 mm)에서, 밸브 슬리브(10)는, 가공물(4) 상에 안착되며 그리고, 상기 밸브 슬리브(10)의 슬리브 보어의 내측 에지에 의해, 밸브 시트(14) 상에 밀봉 방식으로 지탱되고, 그에 의해, 환형 틈새 밸브 및 그에 따라 환형 틈새 노즐(8)의 노즐 단면적(25)이 폐쇄된다. 레이저 가공 헤드(2)로부터 절단 가스 노즐(1) 내로 유동하는 절단 가스는, 단지 내부 노즐(6)의 중앙 노즐 배출 개구(100)를 통해서만, 중심 유동(7)으로서, 흘러나갈 수 있다. 이러한 단일-보어 노즐(단일-덕트 노즐)은, 예를 들어, 얇은 시트의 가공에 바람직하다.
밸브 슬리브(10)가 자체의 후진 끝단 위치로부터 전방으로 전진할 때, 상기 밸브 슬리브(10)는 밸브 시트(14)로부터 부상하게 되며 그리고 환형 틈새 밸브는 개방된다. 밸브 슬리브(10)가 전진함에 따라, 점진적으로 더 넓은 틈새가, 말하자면 점진적으로 더 넓은 노즐 개구(25)가, 밸브 슬리브(10)와 내측 벽(13) 사이에 생성되어, 증가하는 비율의 절단 가스가, 더 이상 내부 노즐(6)의 노즐 배출 개구(100)를 통해서 흘러나가지 않도록 하는 대신, 연결 개구들(16)에 의해 환형 틈새(11) 내로 그리고 환형 틈새로부터 환형 틈새 노즐(8)을 통한 환형 유동(9)으로서 흘러나가도록 한다. 절단 가스가 내부 노즐(6) 뿐만 아니라 환형 틈새 노즐(8) 양자 모두로부터 흘러나가는, 이러한 우회 유동 노즐(복수-덕트 노즐)은, 무엇보다도 두꺼운 가공물들을 절단할 때 바람직하다. 밸브 슬리브(10)는, 도 1b에 자체의 전진 끝단 위치에서 도시되고, 가공물(4)로부터의 내부 노즐(6)의 간격(A)은, 적어도 자체의 두 끝단 위치 사이에서의 밸브 슬리브(10)의 변위 경로 만큼, 후진 끝단 위치에서의 간격보다 더 크다.
센터링 비드(17) 때문에, 밸브 슬리브(10)의 후단면(21)은, 부품-페이스(18a)로부터 형성되는 전단면보다 상당히 더 커서, 노즐의 내부와 주변 환경 사이의 압력차가, 밸브 슬리브(10)가 전진 방향(20)으로 전진하는 것을 야기하도록 그리고, 가공물 표면 상에 이미 안착된 밸브 슬리브(10)의 경우에, 절단 가스 압력에 비례하는 가공물 표면 상에서의 밸브 슬리브(10)의 접촉-압력을 야기하도록 한다. 압력에 비례하는 밸브 슬리브(10)의 이러한 공압 스프링식 접근법에 의해, 가공물 표면으로부터의 밸브 슬리브(10)의 어떠한 부상(lifting)이 긍정적으로 방지된다. 후진 방향(22)으로의 밸브 슬리브(10)의 후진은, 가공물(4)로부터 가변적인 간격에서 절단 가스 노즐(1)을 하강시킴에 의해 실행되고, 그에 의해, 밸브 슬리브(10)가 가공물 표면 상에 안착된 다음 후진 방향(22)으로 후진하게 된다.
도 2a, 도 2b에 도시되는 절단 가스 노즐(1')의 경우에서, 노즐 몸체(5)는, 레이저 가공 헤드(2) 내로 나사 결합되며 그리고 환형 틈새(11)의 외측 벽(12)을 형성하는 (예를 들어, 구리로 이루어지는) 외측 노즐 바디(5a), 및 외측 노즐 바디(5a) 내로 나사 결합되거나, 압입 끼워맞춤 되거나, 또는 접착식으로 접합되며 그리고 내부 노즐(6)을 포함하는 (예를 들어, 구리로 이루어지는) 내측 노즐 바디(5b)를 포함하고, 상기 내측 노즐 바디(5b)의 외측 측면은 환형 틈새(11)의 내측 벽(13)을 형성한다. 밸브 시트(14)는, 후진 방향(22)으로 원추형으로 수렴하며 그리고, 쇼울더부로서 성형되는 밸브 슬리브(10)의 내측 윤곽과 상호 작용하거나 또는 밸브 슬리브(10)의 후방 단부 측에 체결되며 전진 방향(20)에서 밸브 시트(14) 뒤에 맞물리는 환형 밀봉체(23)와 상호 작용하는, 내측 벽(13)의 전방 벽 부분(24)에 의해 형성된다. 환형 밀봉체(23) 또는 밸브 슬리브(10)의 쇼울더부는 개별적으로, 환형 틈새(11) 내에 구속되도록 밸브 슬리브(10)를 유지한다. 밸브 시트(14)는, 밸브 슬리브(10)와 함께, 환형 틈새 밸브를 형성한다.
도 2a에 도시되는 밸브 슬리브(10)의 전진 끝단 위치에서, 밸브 슬리브(10)는, 가공물(4)로부터 이격되며 그리고, 환형 밀봉체(23)에 의해, 밸브 시트(14) 상에 밀봉 방식으로 지탱되고, 그에 의해, 환형 틈새 밸브 및 그에 따라 환형 틈새 노즐(8)의 노즐 단면적(25)이 폐쇄된다. 레이저 가공 헤드(2)로부터 절단 가스 노즐(1') 내로 유동하는 절단 가스는, 단지 내부 노즐(6)의 중앙 노즐 배출 개구(100)를 통해서만, 중심 유동(7)으로서, 흘러나갈 수 있다. 이러한 단일-보어 노즐(단일-덕트 노즐)은, 레이저 가공 헤드(2) 및 그에 따라 내부 노즐(6)이 가공물 표면으로부터 큰 거리로 이격될 때, 레이저 빔(3)에 의한 가공물(4)의 천공에 또는 얇은 시트의 가공에, 바람직하다.
가공물 표면(4)의 방향으로 후진 방향(22)에서 도 2b에 도시되는 위치로 가공 헤드(2)를 하강시킴에 의해, 밸브 슬리브(10)가 자체의 전진 끝단 위치로부터 후진하게 될 때, 상기 밸브 슬리브(10)는 밸브 시트(14)로부터 부상하게 되며 그리고 환형 틈새 밸브는 개방되어, 절단 가스가, 연결 개구들(16)에 의해, 또한 환형 틈새(11) 내로 그리고 환형 틈새로부터 환형 틈새 노즐(8)의 노즐 단면적(25)을 통해 환형 유동(9)으로서 흘러나가도록 한다. 절단 가스가 내부 노즐(6)의 노즐 배출 개구(100) 뿐만 아니라 환형 틈새 노즐(8) 양자 모두로부터 흘러나가는, 이러한 우회 유동 노즐(복수-덕트 노즐)은, 무엇보다도 두꺼운 가공물들의 절단에 바람직하다. 도 2b의 밸브 슬리브(10)는 가공물(4) 상에 지탱되는 것으로 도시되고, 가공물(4)로부터의 내부 노즐(6)의 간격(A)은, 안착될 때, 노즐의 전진 끝단 위치에서 보다 밸브 슬리브(10)의 변위 경로 만큼 더 작다.
밸브 슬리브(10)는, 도시된 예에서, 작동 시, 가스 압력의 절대 레벨에 무관하게, 절단 가스 압력에 의해 밸브 슬리브(10) 상에 작용하는 양력 및 접촉-압력이 단지 평형 상태에 놓이도록, 밸브 슬리브(10)가, 대체로 마찰 없이 그러나 그럼에도 불구하고 일정하게 평면형 방식으로 그 위에 지탱되도록 하는 가운데, (평면형) 가공물 표면을 가로질러 미끄럼 이동하도록, 구성된다. 이는, 절단 가스 압력이 그 위에 전진 방향(20)으로 작용하는 밸브 슬리브(10)의 그러한 표면 부분이, 절단 가스 압력이 그 위에 후진 방향(22)으로 작용하는 밸브 슬리브(10)의 그러한 표면 부분에 대해, 크기에 관해 동등하도록, 달성된다. 도시된 예에서, 밸브 슬리브(10) 및 환형 밀봉체(23)에 의해 형성되는 후단면은, 내측 상향 경사부(18a)에 의해 형성되는 (돌출부에서의) 전단면과 동등한 크기이며, 상기 전단면은, 가공물(4) 상에 안착된 밸브 슬리브(10)의 경우에, 절단 가스 압력을 받게 된다. 가공물(4) 상에 안착되지 않은 밸브 슬리브(10)의 경우에, 전진 방향(20)으로의 밸브 슬리브(10)의 전진은, 절단 가스 압력에 의해 실행된다. 후진 방향(22)으로의 밸브 슬리브(10)의 후진은, 가공물(4)로부터 가변적인 간격에서 절단 가스 노즐(1)을 하강시킴에 의해 실행되고, 그에 의해, 밸브 슬리브(10)가 가공물 표면 상에 안착되며 그리고 후진 방향(22)으로 후진하게 된다. 가공물(4) 위에서의 밸브 슬리브(10)의 규정된 선회 상태(hovering state)가, 예를 들어, 절단에 의한 흠집 없는 가공을 가능하게 하도록 하기 위해, 표적화된 방식으로 이러한 면적 비를 수정함에 의해, 현재 가스 압력과 독립적으로 달성될 수 있다.
천공에 뒤따라, 슬래그의 적층 및 가공물 표면에 대한 고화된 금속 액적들의 부착 시, 가공물 표면의 오염으로 인한 가공물(4) 상에서의 평평한 방식의 밸브 슬리브(10)의 안착에 아직 적당하지 않은 구역이, 실제 절단 윤곽의 출발점의 천공 구멍으로부터의 레이저 빔(3)의 경로 상에서 극복되어야만 한다. 노즐 특성의 수치적으로 제어된 전환에 대한 가능성은, 천공 위치와 실제 절단 윤곽 사이의 이러한 전이 구역("예비 절단부(precut)"로 지칭됨)에서 마찬가지로 유리한 효과를 갖는다. 예비 절단부의 구역에서, 단일-보어 노즐(단일-덕트 노즐)의 노즐 특성은, 안정적인 절단 프로세스를 위해 더욱 유리한 가운데, 우회 유동(복수-덕트) 특성으로의 전환은, 실제 구성요소 윤곽에 도달할 때 일어날 수 있으며, 이는 두꺼운 가공물들을 절단하는데 더욱 유리하다.
절단 가스 노즐(1')은, 큰 간격에서 천공할 때, 전통적인 단일-보어 노즐(단일-덕트 노즐)의 특성과 동일한 특성을 갖는다. 따라서, 천공 프로세스 파라미터들에 대한 부가적인 데이터 검출이 요구되지 않는다. 천공 시, 가스 분사류가 단지 내부 노즐(6)의 중앙 개구(100)를 통해서 배출될 수 있는, 콤팩트한 가스 분사류에 의해, 절단 가스 노즐(1')은, 가능한 한 최상의 방식으로, 튀김(splash) 또는 연기에 의한 오염에 대해 보호된다. 천공 구멍 밖으로 분출되는 금속 액적들의 궤적 및 냉각 거동은, 가능한 한 튀김 없는 천공이 달성되도록, 가능한 한 최상의 방식으로 영향을 받게 된다.
안착된 절단 가스 노즐(1, 1')의 경우에서, 절단 가스 노즐(1, 1')과 가공물 표면 사이의 구역의 거의 기밀한 캡슐화는:
- 절단 틈새(= 활용되는 프로세스)를 관통하지 않지만 시트 표면(= 활용되지 않는 프로세스)을 수평으로 가로질러 처리 구역 밖으로 유동하는 가스의 양을 최소화하고,
- 그에 의해, 개별적으로, 기계에 의해 제공될 최대 절단 가스 압력, 또는 요구되는 최대 절단 가스 유량을 최소화하며,
- 절단 가스 노즐(1, 1')에 의해 생성되는 소음 방출을 최소화하고,
- 기계에 의해 제공되는 이용 가능한 최대 가스 압력에서 절단 틈새 내로의 절단 가스의 개선된 침입에 의해 더욱 더 큰 시트 두께의 절단을 가능하게 하며, 그리고
- 절단 가스(예를 들어, 초고순도 산소)의, 절단 틈새 내로 또한 흡입되는 주변 공기와의, 어떠한 해로운 혼합을 방지한다.
진행중인 절단 작업 시 노즐 몸체(5) 내에서의 밸브 슬리브(10)의 "부유식"으로 기울어질 수 있는 장착은, 이하의 것들을 허용한다.
- 노즐과 시트 사이의 간격(A)의 수치적으로 제어된 변화, 및 그에 의한,
- 밸브 슬리브(10) 내부의 유동 분포의 표적화된 수정, 및 그에 의한, 전통적인 단일-보어 노즐(단일-덕트 노즐) 뿐만 아니라 소모-최소화된 우회 유동 노즐(복수-덕트 노즐) 양자 모두로서의 절단 가스 노즐(1, 1')의 유연한 사용,
- 절단 가스 동적 특성을 수정함이 없는 그리고 그에 따라 절단 결과를 수정함이 없는, 비-평면형 가공물 표면들의 자동적 보상.
밸브 시트(14)는, 도시된 원추형 변형예와 반대되는 것으로서, 특히 환형 틈새(11)의 베이스 상에, 평면형 환형 쇼울더부로서 또한 형성될 수 있다.
도 3a, 도 3b에 도시된 절단 가스 노즐(1'')은, 내부 노즐(6)의 노즐 보어(15) 및 환형 틈새 노즐(8)의 환형 틈새(11)가 상호 연결되지 않으며 그리고 그에 따라 연결 보어들이 제공되지 않는다는 점, 및 밸브 슬리브(10)의 후단면(21)과 노즐 몸체(5) 사이에 제공되는 환형 공간(26)이, 노즐 몸체(5)와 밸브 슬리브(10) 사이에 제공되는 안내 틈새(27)에 의해, 주변 환경과 연결된다는 점에서, 도 2의 절단 가스 노즐(1')과 상이하다. 따라서, 절단 가스 노즐들(1, 1')의 경우에서 요구되는 바와 같은, 주변 대기에 관한, 개별적으로, 밸브 슬리브(10)의, 또는 그의 센터링 비드(17)의 외측 직경의 밀봉이, 표적화된 방식으로 배제된다.
슬리브의 후단면 및 전단면 사이의 비율은, 사용되는 절단 가스 압력과 독립적으로, 절단 작업 시 밸브 슬리브(10) 상에 작용하는 가스 압력이, 충분히 높은 유량의 손실 가스가 슬리브의 전단면과 가공물 표면 사이의 틈새를 통해 밸브 슬리브(10)로부터 탈출하도록 하는, 밸브 슬리브(10)의 규정된 선회 상태를 야기하도록, 선택되고, 상기 틈새는, 규정되고 재현 가능한 방식으로 조절되는 것이 가능하다.
이에 대한 대안으로, 충분히 높은 유량의 손실 가스가 또한, 슬리브의 끝단면 내로의 가스 유출 덕트들의, 또는 그 밖의 슬리브의 원통형 부분 내로의 가스 유출 보어들의, 표적화된 통합에 의해, 달성될 수 있다.
도 3a에 도시되는 자체의 폐쇄된 밸브 위치로부터 진행하는 절단 가스 노즐(1'')이, 가공물(4)에 대한 내부 노즐의 점진적으로 감소되는 간격(A)에서, 작동되는 경우, 밸브 슬리브(10)는 밸브 시트(14)로부터 부상하게 되며 그리고 환형 틈새 밸브는 점진적으로 개방된다(도 3b 참조). 내부 노즐(6) 밖으로 흘러나가는 절단 가스의 벤츄리 효과에 의해, (점진적으로 더 많은) 공기(및 그에 따라 산소)가, 안내 틈새(27)에 의해 환형 유동(9)으로서 주변 환경으로부터 흡입되고, 상기 환형 유동은, 밸브 슬리브(10) 내부에서, 질소 절단 가스 분사류와 혼합된다. 이러한 방식으로, 가공물(4)로부터의 내부 노즐의 간격(A)에 의존하여, 절단 가스로서 활용되는 질소 유동 내의 이종 가스(foreign gas)의 비율이, 주변 환경으로부터의 산소에 의해 표적화된 방식으로 조절될 수 있다. 절단 가스 노즐(1'')은 따라서, 조절 가능한 가스 혼합 노즐로서 기능한다. 현재 절단 프로세스의 요건에 대한 절단 가스 내의 산소의 결과적인 비율의 맞춤이, 가공물(4)로부터의 내부 노즐의 간격(A)의 정확한 선택에 의해, (예를 들어, 레이저 출력, 시트 두께, 압연 면(rolling skin) 표면 특성들에 의존하여) 재현 가능하고 조절 가능한 방식으로 실행될 수 있다.
그러한 조절 가능한 가스 혼합 노즐에 의해, 프로세스 효율 및 프로세스 안정성이, 예를 들어, CO2 레이저 복사에 의한 알루미늄의 절단에서, 주변 환경으로부터 초고순도 질소 절단 가스 분사류로의 대략 0.5 내지 2% 산소의 제어된 혼합에 의해 증가될 수 있다. 최소 퍼센트의 산소의 존재에 의해, 흡수 계수의 증가 및 용융 점도의 감소가, 절단 프로세스에서 달성된다.
주변 공기의 혼합이 실행되지 않는 경우, 가공물(4)로부터의 내부 노즐의 간격(A)은, 밸브 슬리브(10)가 원추형 밸브 시트(14) 상에 안착하며 그리고 환형 틈새(11) 그에 따라 폐쇄되는 정도(도 3a 참조)까지, 확대되어야 한다. 이러한 방식으로, 초고순도 절단 가스 분사류의 절단 틈새 내로의 침입이, 주변 대기에 의한 최소 오염 상태에서, 가능하게 된다. 이는, 예를 들어, 무-산화물 구성요소들을 절단하는데 유리하다.
다른 변형예(미도시)에서, 가스 노즐은 대안적으로, 내부 노즐(6)의 노즐 보어(15) 및 환형 틈새 노즐(8)의 환형 틈새(11)가 상호 연결되지 않도록, 그에 따라 연결 보어들이 제공되지 않도록, 그리고 밸브 슬리브(10)의 후단면(21)과 노즐 몸체(5) 사이에 제공되는 환형 공간(26)이 주변 환경과 연결되지 않도록, 실시될 수 있다. 가스 노즐은, 이러한 변형예에서, 항상 단일-덕트 노즐로서 기능한다. 유동 상태의 변경이, 그러한 가스 노즐에 의해 가능하지 않지만, 절단 틈새 내로의 절단 가스의 침입, 또는 용접에서의 불활성 가스의 영향이, 개별적으로, 개선된다.
도 4a, 도 4b에 도시되는 절단 가스 노즐(1''')은, 연결 개구들(16)이, 슬리브(10)의 후진 끝단 위치(도 4a)에서 전진 끝단 위치(도 4b)까지 내부 노즐(6)의 노즐 보어(15)와 환형 틈새 노즐(8)의 환형 틈새(11)를 상호 연결하는, 축 방향으로 길쭉한 구멍들로서 형성된다는 점, 및 노즐 몸체(5)와 슬리브(10) 사이에 제공되는 안내 틈새(27)에 의해 주변 환경과 연결되는 환형 공간(26)이, 슬리브(10)의 후단면(21)과 노즐 몸체(5) 사이의 슬리브(10)의 후진 끝단 위치에서 남는다는 점에서, 도 2의 절단 가스 노즐(1')과 상이하다. 연결 보어들(16)에 의해 그리고 각 슬리브 위치에서 제공되는 환형 공간(26)에 의해, 가스 압력의 표적화된 선택에 의해, 슬리브(10)가 상기 슬리브(10)의 전진 위치로부터 후진 끝단 위치까지 후진 방향(22)으로 흡입되는 것이 가능하다. 슬리브(10)의 후진 끝단 위치는, 내부 노즐(6)의 원추형 외측 측면 상에 지탱되는 슬리브의 후단면에 의해, 또는 노즐 몸체(5) 상에 지탱되는 전방 슬리브 림(18c)에 의해, 규정된다.
절단 가스 노즐들(1, 1', 1'')과 반대되는 것으로서, 절단 가스 노즐(1''')의 슬리브(10)는, 어떠한 외측으로 뾰족한 또는 구형의 센터링 비드를 구비하지 않으며; 대신에, 여기에서의, 노즐 몸체(5)의 메인 바디(5a)의 내측 벽에 의해 형성되는, 환형 틈새(11)의 외측 벽(12)은, 환형 틈새(11) 내부에서 대략 ±5° 만큼 슬리브(10)의 기울어짐을 가능하게 하도록, 전진 방향(20)으로 원추형으로 좁아진다. 대안적으로 또는 부가적으로, 슬리브 벽이, 외측 측면 상에서, 후진 방향(22)으로, 특히 원추형 방식으로, 또한 좁아질 수 있다.
여기에서의 절단 가스 노즐(1''')은, 다음과 같이 작동한다:
절단 가스 유동이 전환될 때, 음압이 우선, 개별적으로, 환형 공간(26) 내에, 또는 슬리브(10)의 후단면(21) 상에, 생성되고, 그러한 음압에 의해, 상기 슬리브(10)가, 심지어 슬리브(10)가 가공물 표면과 접촉하지 않을 때에도, 노즐 몸체(5) 내로, 후진 끝단 위치까지 견인된다. 절단 가스의 가스 압력이 슬리브(10)의 중량에 의해 사전 한정되는 한계 압력(예를 들어, 3 bar) 보다 낮게 유지되는 경우, 슬리브(10)는, 흡입된 상태로 유지된다. 이러한 상태는, 말하자면, 특히, 가공물(4)로부터 떨어진 큰 노즐에서 작동하지만, 슬리브(10)는 그럼에도 노즐 몸체(5) 내의 후진 끝단 위치에 유지되는 방법에서, 예를 들어 천공할 때, 가공물을 조각하거나 또는 마킹(marking)하기 위해 노즐을 사용할 때, 또는 브러시로 노즐을 청소할 때, 손상 또는 오염으로부터 슬리브(10)를 보호하기 위해 활용 가능하다.
가스 압력이 한계 압력 너머로 증가되는 경우, 절단 가스는, 점증적으로 난류형 방식으로 내부 노즐(6)과 슬리브(10) 사이의 환형 틈새(11)를 통해 유동하고, 이에 의해, 마찬가지로 전방으로 지향되는 절단 가스의 힘의 영향이 증가하여, 슬리브(10)가 절단 가스에 의해 전진 방향(20)으로 압박되도록 한다.
이러한 상태는, 가공물(4)을 절단할 때, 슬리브(10)가 가공물 표면과 접촉 상태에 놓이도록 조절된다. 이는, 절단 가스의 어떠한 횡방향 유출 및 절단 틈새 내로의 주변 공기의 흡입을 효과적으로 방지한다. 이러한 방식으로, 가스 소모는 감소하게 되며 그리고 정확하게 규정되는 가스 조성이 절단 틈새 내에서 달성되고, 이에 의해, 획득되는 절단 에지들의 품질이 상당히 개선된다.
슬리브(10)가 절단 작업 이후에 다시 흡입되도록 하기 위해, 노즐 몸체(5)의 입구(15)에서의 가스 압력은 우선, 거의 0 bar까지 감소되어야만 하거나, 또는 완전히 끊어져야만 한다. 다시 한계 값 바로 아래까지 가스 압력을 증가시키는 것은 이때, 중력으로 인해 노즐 몸체(5)의 돌출부들(101) 상의 자체의 전진 끝단 위치에 위치하게 되는, 슬리브(10)를, 자체의 후진 끝단 위치까지, 흡입하는 효과를 갖는다. 한계 압력 아래에서의 일정한 가스 압력의 경우에, 슬리브(10)는, 노즐 몸체(5) 내의 자체의 후진 끝단 위치에 영구적으로 유지된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 안내 틈새(27)에 의하는 대신에, 주변 환경으로부터의 공기가 또한, 환형 공간(26)을 주변 환경과 연결하는, 노즐 몸체(5) 내의 보어(미도시)에 의해 흡입될 수 있다.
슬리브(10)에 대한 다양한 수정예들이, 도 5a 내지 도 5d에 도시된다.
슬리브(10)가, 자체의 전단면(29) 내에, 반경 방향으로 비스듬히 또는 나선형으로 연장되는, 복수의, 현재 예시적인 방식으로 2개의, 홈(30)(도 5a 참조)을 구비하거나, 또는 자체의 원통형 슬리브 벽(31) 내에, 반경 방향으로 비스듬히 연장되는, 복수의, 현재 예시적인 방식으로 2개의, 보어(32)(도 5b 참조)를 구비하며, 슬리브(10)는, 홈들(30) 또는 보어들(32) 내에서 내부로부터 외부로 흘러나가는 절단 가스에 의해 회전 상태에 놓이게 된다. 홈들(30)은, 매우 좁고 평평하도록 실시될 수 있으며, 따라서, 단지 작은 분율의 절단 가스만이 홈들(30)을 통해 주변 환경으로 흘러나가도록 한다. 홈들(30) 및 보어들(32)의, 개별적으로, 비스듬한 또는 나선형의 정렬에 의해, 흘러나가는 절단 가스의 추진력(momentum)이 밸브 슬리브(10) 상에 토크를 가하고, 슬리브는 그에 따라 회전 상태에 놓이게 된다. 대안적으로, 축 방향에 대해 비스듬히 연장되는 복수의 홈(33)(도 5c 참조)이 또한, 원통형 슬리브 벽(31)의 외측 측면 상에 제공될 수 있으며, 따라서 밸브 슬리브(10)가, 안내 틈새(27) 내에서 축 방향으로 유동하는, 개별적으로 공기(28) 또는, 공정 가스 또는 불활성 가스에 의해, 회전 상태에 놓이도록 한다. 회전-야기 구조물들에 부가하여, 밸브 슬리브(10)는, 자체의 원통형 슬리브 벽(31) 내에, 하나의 또는 복수의 얇은 보어(34)를 구비할 수 있다.
슬리브(10)의 회전은 유리하게 다음과 같이 활용될 수 있다:
슬리브(10)가, 예를 들어 산화물 세라믹(Al2O3)과 같은, 고도의 마모-저항 재료로 이루어질 때, 슬리브(10)는, 자체의 전단면(29)에 의해, 터닝 공구 또는 밀링 공구의 경우에서와 유사하게, 어느 정도까지 추진력 전달에 의해 가공물 표면으로부터 오염물을 제거할 수 있다. 슬리브(10)가 가공물 표면과 영구적인 기계적 접촉 상태에 놓일 때(슬리브(10)는 회전하고 있음), 예를 들어, 오일 또는 흑피(mill scale) 층들, 페인트 또는 접착제 잔류물들, 분쇄 가루의 흔적들, 금속 펄들, 또는 이와 유사한 것과 같은, 평면형 오염 물질들이 이때, 제거될 수 있다. 그러나, 직접적인 기계적 접촉에 의해, 세라믹 슬리브(10)는, 가공물 표면 상에 흠집 자국들을 남길 수 있다. 더불어, 슬리브(10)의 회전에 의해, 슬리브(10)와 가공물 표면 사이의 정적 마찰, 그리고 슬리브(10)의 마모가, 국부적인 가열에 의해 감소된다.
슬리브(10)가, 공정 가스의 작은 부분이 그를 통해 국부적으로 한정되는 방식으로 슬리브(10)의 내부 공간으로부터 주변 환경 내로 흘러나갈 수 있는, 자체의 끝단면(29)(도 5a 참조) 내에, 예를 들어 홈들(30)과 같은, 기하학적 구조물들을 구비하거나, 또는 슬리브 벽(31)(도 5b, 도 5d 참조) 내에, 보어들(32, 34)을 구비하는 경우, 슬리브(10)의 회전은, 슬리브(10) 아래에 위치하게 되는 (가공물(4) 상의) 처리 구역에서의 공정 가스 압력의 표적화된 조정을 가능하게 한다. 표적화된 방식으로 생성되는 이러한 압력 변화는, 예를 들어 레이저 절단 시, 가공물(4) 상에 생성되는 절단 에지들의 품질에 관한 긍정적인 효과를 갖도록 한다.
슬리브(10)는 또한, 세라믹 대신에 플라스틱으로 이루어질 수 있으며, 상기 플라스틱은, 세라믹과 같은 온도-저항성이어야만 하는 것은 아니다. 플라스틱의 더 우수한 동적 미끄럼 이동 특성은, 가공물 표면 상의 흠집의 형성이 가공물을 가로지르는 슬리브(10)의 이동 시에 감소되거나 또는 전체적으로 제거될 수 있는, 이점을 갖도록 한다.

Claims (26)

  1. 중심 유동(7)을 형성하기 위한 내부 노즐(6) 및, 환형 유동(9)을 형성하기 위한, 내부 노즐(6)을 둘러싸는 환형 틈새 노즐(8)을 포함하는, 레이저 가공 헤드(2)의 절단 가스 노즐(1, 1', 1'', 1''')로서,
    슬리브(10)가, 후진 위치와 전진 위치 사이에서 축 방향으로 변위 가능하도록, 환형 틈새 노즐(8)의 환형 틈새(11) 내에서 안내되고, 상기 슬리브(10)는 적어도 전진 위치에서 내부 노즐(6) 너머로 돌출하며 그리고 상기 슬리브(10)는 상기 두 위치 사이에서 환형 틈새 노즐(8)의 노즐 단면적(25)을 가변적인 정도로 개방하는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  2. 제 1항에 있어서,
    슬리브(10)는, 자체의 하나의 방향에서, 환형 틈새 노즐(8)을 적어도 대체로, 특히 완전히, 폐쇄하며 그리고, 자체의 다른 하나의 방향에서 환형 틈새 노즐(8)을 개방하는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    내부 노즐(6) 및 환형 틈새 노즐(8)은, 노즐 몸체(5) 내에 제공되는 것을, 그리고 내부 노즐(6)의 노즐 보어(15) 및 환형 틈새 노즐(8)의 환형 틈새(11)는, 적어도 하나의 연결 개구(16)에 의해 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  4. 제 3항에 있어서,
    슬리브(10)의 후진 위치에서, 특히 노즐 몸체(5)와 슬리브(10) 사이에 제공되는 안내 틈새(27)에 의해 주변 환경과 연결되는 환형 공간(26)이, 슬리브(10)의 후단면(21)과 노즐 몸체(5) 사이에 남게 되는 것을, 그리고 적어도 하나의 연결 개구(16)가, 환형 공간(26) 내로 연장되는 개구로서 형성되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    내부 노즐(6) 및 환형 틈새 노즐(8)은 노즐 몸체(5) 내에 형성되고, 내부 노즐(6)의 노즐 보어(15) 및 환형 틈새 노즐(8)의 환형 틈새(11)가 상호 연결되지 않는 것을, 그리고 슬리브(10)의 후단면(21)과 노즐 몸체(5) 사이에 제공되는 환형 공간(26)이, 특히 노즐 몸체(5)와 슬리브(10) 사이에 제공되는 안내 틈새(27)에 의해, 주변 환경과 연결되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    절단 가스 압력이 그 위에 전진 방향(20)으로 작용하는 슬리브(10)의 그러한 표면 부분이, 절단 가스 압력이 그 위에 후진 방향(22)으로 작용하는 슬리브(10)의 그러한 표면 부분보다 더 큰 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    절단 가스 압력이 그 위에 전진 방향(20)으로 작용하는 슬리브(10)의 그러한 표면 부분이, 절단 가스 압력이 그 위에 후진 방향(22)으로 작용하는 슬리브(10)의 그러한 표면 부분과 동등하거나 또는 그보다 더 작은 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    환형 틈새(11)의 내측 벽(13)은, 내부 노즐(6)의 외측 측면에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬리브(10)는, 환형 틈새(11)의 외측 벽(12) 상에서 변위 가능하도록 안내되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 시트(14)가 환형 틈새(11) 내에 배치되며, 밸브 시트 상에, 슬리브(10)가, 환형 틈새 노즐(8)을 폐쇄하는 자체의 그러한 위치에서, 지탱되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  11. 제 10항에 있어서,
    밸브 시트(14)는, 슬리브(10)의 후진 위치에서 폐쇄되며, 그리고 슬리브(10)의 전진 위치에서 개방되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  12. 제 11항에 있어서,
    밸브 시트(14)는, 원추형 벽 부분에 의해, 또는 환형 틈새(11)의 환형 쇼울더부에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  13. 제 10항에 있어서,
    밸브 시트(14)는, 슬리브(10)의 전진 위치에서 폐쇄되며, 그리고 슬리브(10)의 후진 위치에서 개방되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  14. 제 13항에 있어서,
    밸브 시트(14)는, 원추형 벽 부분(24)에 의해, 또는 환형 틈새(11)의 환형 쇼울더부에 의해 형성되는 것을, 그리고 슬리브(10)는, 밸브 시트(14) 후방에 맞물리는 밀봉면을 구비하는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  15. 제 10항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 시트(14)와 상호 작용하는 슬리브(10)의 밀봉면이, 별개의 환형 밀봉체(23)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬리브(10)는, 환형 틈새(11) 내에서 기울어질 수 있도록 장착되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  17. 제 16항에 있어서,
    슬리브(10)는, 변위 가능하도록 안내되며 그리고 환형 틈새(11)의 외측 벽(12) 상에서 기울어질 수 있게 장착되는, 외부적으로 둘러싸는 뾰족한 또는 구형의 센터링 비드(17)를 구비하는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬리브의 전단면(10)은, 내측 측면 및/또는 외측 측면 상에 상향 경사부(18a, 18b)를 구비하는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  19. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬리브(10)는, 세라믹으로, 또는 비교적 온도-저항성인 그리고 전기적으로 비-전도성인 재료로, 또는 적어도 100℃까지 온도 저항성이 있는 플라스틱 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  20. 제 1항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬리브(10)는, 자체의 전단면(29)에, 반경 방향으로 비스듬히 연장되는, 적어도 하나의 홈(30)을, 바람직하게 복수의 홈(30)을, 구비하거나, 또는 자체의 슬리브 벽(31)에, 반경 방향으로 비스듬히 연장되는, 적어도 하나의 보어(32)를, 바람직하게 복수의 보어(32)를, 구비하는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  21. 제 1항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬리브(10)는, 자체의 슬리브 벽(31)의 외측 측면 상에, 축 방향에 대해 비스듬히 연장되는, 적어도 하나의 홈(33)을, 바람직하게 복수의 홈(33)을, 구비하는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  22. 제 1항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서,
    슬리브(10)는, 자체의 슬리브 벽(31) 내에, 적어도 하나의 보어(34)를, 바람직하게 복수의 보어(34)를, 구비하는 것을 특징으로 하는 절단 가스 노즐.
  23. 제 1항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 따른 가스-가압 절단 가스 노즐(1, 1', 1'', 1''')로 가공물(4)을 레이저 절단하는 방법으로서,
    레이저 빔(3)이, 내부 노즐(6)을 통해 가공물(4) 상으로 유도되며, 그리고 슬리브(10)는, 작업 위치로 기계적으로 또는 공압적으로 변위되는 것인, 레이저 절단 방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    슬리브(10)는, 절단 가스 압력에 의해 전진 방향(20)으로 전진하게 되며, 그리고 가공물(4) 상으로 가변적인 방식으로 하강하게 되는 절단 가스 노즐(1)에 의해 후진 방향(22)으로 후진하게 되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
  25. 제 23항에 있어서,
    제 4항에 따른 절단 가스 노즐(1''')을 사용하는 방법으로서,
    슬리브(10)는, 절단 가스 압력이 한계 값 위에 놓일 때 전진 방향(20)으로 전진하게 되며, 그리고 절단 가스 압력이 한계 값 아래에 놓일 때 후진 방향(22)으로 후진하게 되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
  26. 제 23항에 있어서,
    제 5항에 따른 절단 가스 노즐(1'')을 사용하는 방법으로서,
    환형 틈새 노즐(8)의 노즐 단면적(25)이 개방된 경우에, 주변 공기가 중심 유동(7)으로부터 환형 공간(26) 내로 흡입되며, 상기 주변 공기는 이어서 중심 유동(7)과 함께 절단 가스 노즐(1'')을 빠져 나가는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 방법.
KR1020177025836A 2015-05-04 2016-04-25 유동 특성을 설정하기 위한 변위 가능한 슬리브를 구비하는 절단 가스 노즐 및 레이저 절단 방법 KR101893319B1 (ko)

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