KR20190093622A - 레이저 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 처리를 위한 장치 및 이의 용도에 관한 것이다. 본 발명은 또한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 제1 광 공급 섬유(32)를 제공하는 제1 레이저 디바이스(30), 및 제2 광 공급 섬유(33)를 제공하는 제2 레이저 디바이스(31)가 제공된다. 제1 및 제2 공급 섬유들 그리고 멀티-코어 광섬유(35)에 연결되는 빔 조합 수단(34)은, 멀티-코어 광섬유의 제1 코어와 정렬되는 제1 광 공급 섬유(32) 및 멀티-코어 광섬유(35)의 적어도 하나의 제2 코어와 정렬되는 제2 광 공급 섬유를 가짐으로써 복합 레이저 빔을 형성하도록 적응된다. 제1 및 제2 코어들은 복합 레이저 빔(2)을 처리될 가공물(21)로 출력한다. 제어 유닛(10)은, 절단 진행의 방향으로 변경 지점(22)에 접근하는 것에 응답하는 경우 및 절단되고 있는 가공물(21)의 두께에 따라 제1 출력 레이저 빔의 전력 밀도와 제2 출력 레이저 빔의 전력 밀도 사이의 관계의 변경을 유발시키는 것에 응답하는 경우 중 적어도 하나의 경우에, 복합 레이저 빔의 제1 및 제2 출력 레이저 빔들 중 적어도 하나의 전력 밀도를 제어한다.

Description

레이저 처리 장치 및 방법
[0001] 본 발명은 레이저 처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 레이저 처리에 의한 재료들의 절단들에 관한 것이다.
[0002] 금속을 레이저 빔으로 처리할 때, 레이저 빔은, 가공물이 용융하도록, 에너지 밀도를 증가시키고 그리고 금속 용융점으로 가공물을 순간적으로 가열하기 위해 집광 렌즈(condenser lens)를 통해 레이저 빔은 100 내지 500㎛의 점으로 통상적으로 집광된다(condensed). 동시에, 보조 가스가 용융된 금속의 부식을 방지하기 위해 공급될 수 있다. 솔리드-스테이트 레이저(solid-state laser) 또는 파이버 레이저(fiber laser)로부터의 1마이크로미터 파장 대역(waveband)의 레이저 빔은 CO2 레이저로부터의 10마이크로미터 웨이브밴드의 레이저 빔과 비교하여 금속성 작업 상에서 매우 높은 광학 에너지 강도 및 흡수를 실현한다. 그러나, 가우시안 빔(Gaussian beam)을 갖는 1마이크로미터 웨이브밴드 레이저 빔이 연강 시트 가공물을 절단하기 위해 산소 보조 가스와 함께 사용된다면, 가공물의 최상부 면 상의 용융된 폭은 불필요하게 넓어지고 커프(kerf) 제어를 손상시킨다. 또한, 자체-연소가 발생할 수 있어, 레이저 절단의 품질을 저하시킨다.
[0003] 고리형 또는 “도넛”형 형상을 가지는 것으로 설명될 수 있는 링-형상 레이저 빔들(이는 강도 프로파일을 제공함)의 사용은 레이저 처리에 대해 공지되어 있다. 주어진 두께의 금속의 절단이 보다 많은 종래의 빔 프로파일들 대신에 도넛형 빔을 사용할 때, 매우 더 낮은 전력으로 수행될 수 있고, 그리고 절단 속도 및 품질에 대해 양호한 결과들을 야기할 수 있는 것이 관찰되었다.
[0004] US8781269는, 출력 레이저 빔의 상이한 빔 프로파일 특성들을 생성하도록 레이저 빔들을 멀티-클래드 섬유로 지향시키기 위해 다양한 배열들을 개시하며, 여기서 입력 레이저 빔은 내부 섬유 코어 내로 또는 외부 링 코어 내로 선택적으로 커플링된다.
[0005] 이러한 재료들 처리 적용들은 레이저 빔의 휘도를 최대화하도록 노력하고 있다. 휘도는 단위 입체각(solid angle) 및 단위 면적 당 전력으로 규정된다. 휘도의 중요성의 예로써, 레이저 빔 수단의 밝기를 증가시키는 것은, 레이저 빔이 처리 속도 또는 재료 두께를 증가시키는 데 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 고휘도 레이저 빔들은, 예컨대 파이버 레이저들 및 얇은 디스크 레이저들로부터 획득될 수 있다. 다이렉트 다이오드 레이저들(direct diode lasers)은 휘도에 있어서 계속해서 또한 개선되고 있으나, 재료들 처리를 위한 상업용 다이렉트 다이오드 레이저들은 파이버 또는 얇은 디스크 레이저들의 휘도에 꽤 여전히 접근하지 않는다.
[0006] 종래 기술에 따라 수행되는 레이저 처리는 일부 중요한 단점들을 갖는다. 특히 두꺼운 재료들의 절단 적용들에서, 레이저 빔은 높은 강도 및 상대적으로 넓은 초점(focal spot)을 가져야 해서, 용융된 금속을 기화하고 그리고 그렇지 않으면 제거하여, 용융된 금속이 레이저 빔 후에 다시 함께 피스들을 용접하는 것을 회피한다. 이러한 고전력 절단은 형상에서 다소 불규칙한 절단 표면들을 남긴다. 레이저 절단을 위한 개선된 방법들 및 디바이스들에 대한 필요가 존재한다.
[0007] 본 발명은 독립항들의 특징들에 의해 규정된다. 일부 특정 실시예들은 종속항들에 규정된다.
[0008] 본 발명의 일 양태에 따르면, 레이저 처리 장치는,
적어도 하나의 제1 광 공급 섬유(optical feed fiber)에 제1 레이저 빔(laser beam)을 각각 제공하는 적어도 하나의 제1 레이저 디바이스(laser device);
적어도 하나의 제2 광 공급 섬유에 제2 레이저 빔을 각각 제공하는 적어도 하나의 제2 레이저 디바이스;
제1 및 제2 공급 섬유들에 그리고 멀티-코어 광섬유에 연결되는 빔 조합 수단(beam combining means)─빔 조합 수단은 상기 멀티-코어 광섬유의 제1 코어와 정렬되는 상기 적어도 하나의 제1 광 공급 섬유 및 상기 멀티-코어 광섬유의 적어도 하나의 제2 코어와 정렬되는 상기 적어도 하나의 제2 광 공급 섬유를 가짐으로써 복합 레이저 빔을 형성하도록 적응되며, 여기서 상기 멀티-코어 광섬유의 상기 제1 코어는 원형 단면을 가지며, 그리고 상기 제2 코어는 상기 제1 코어와 동심인 고리 형상을 가지고, 상기 제1 및 제2 코어들은, 제1 및 제2 출력 레이저 빔들을 포함하는 복합 레이저 빔을 절단될 가공물로 지향시키기 위해, 레이저 처리 헤드(laser processing head)에 연결가능함─; 및
상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들에서 전력 밀도를 개별적으로 제어하기 위해, 상기 제1 및 제2 레이저 디바이스들에 기능적으로 연결되는 제어 유닛을 포함하며, 여기서 제어 유닛은, 절단 진행의 방향으로 변경 지점에 접근하는 것에 응답하는 경우 및 절단되고 있는 상기 가공물의 두께에 따라 상기 제1 출력 레이저 빔의 전력 밀도와 상기 제2 출력 레이저 빔의 전력 밀도 사이의 관계의 변경을 유발시키는 것에 응답하는 경우 중 적어도 하나의 경우에 제1 및 제2 출력 레이저 빔들 중 적어도 하나의 전력 밀도를 적응시키도록 구성된다.
[0009] 본 발명의 제2 양태에 따르면, 가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법은,
적어도 하나의 제1 레이저 디바이스에 연결되는 적어도 하나의 제1 광 공급 섬유로부터 적어도 하나의 제1 레이저 빔을 제공하는 단계;
적어도 하나의 제2 레이저 디바이스에 연결되는 적어도 하나의 제2 광 공급 섬유로부터 적어도 하나의 제2 레이저 빔을 제공하는 단계;
상기 적어도 하나의 제1 광 공급 섬유를 멀티-코어 광섬유의 제1 코어와 정렬시키고 그리고 상기 적어도 하나의 제2 광 공급 섬유를 상기 멀티-코어 광섬유의 제2 코어와 정렬시킴으로써 멀티-코어 광섬유에서 상기 제1 및 제2 레이저 빔들을 조합하는 단계─여기서 상기 멀티-코어 광섬유의 상기 제1 코어는 원형 단면을 가지며, 그리고 상기 제2 코어는 상기 제1 코어와 동심인 고리 형상을 가짐─;
제1 및 제2 출력 빔들을 포함하는 복합 레이저 빔을 상기 멀티-코어 광섬유로부터 절단될 가공물로 지향시키는 단계; 및
제어 유닛에 의해 상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들에서 전력 밀도를 개별적으로 제어하는 단계를 포함하며, 여기서 절단 진행의 방향으로 변경 지점에 접근하는 것에 응답하는 경우 및 절단되고 있는 가공물의 두께에 따라 상기 제1 출력 레이저 빔의 전력 밀도와 상기 제2 출력 레이저 빔의 전력 밀도 사이의 관계의 변경을 유발시키는 것에 응답하는 경우 중 적어도 하나의 경우에, 제1 및 제2 출력 레이저 빔들 중 적어도 하나의 전력 밀도는 적응된다.
[0010] 일부 실시예들에 따르면, 가공물은 절단 작동 진행 방향의 적어도 하나의 변경을 포함하는 미리 정해진 처리 프로파일에 따라 처리되며, 그리고 상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들 중 적어도 하나의 전력 밀도는 처리 프로파일에 대해 현재 절단 포지션(position)에 기초하여 적응된다.
[0011] 일부 실시예들에 따르면, 전력 밀도는, 변경 지점에 접근할 때 점차적으로 감소된다.
[0012] 일부 실시예들에 따르면, 상기 제2 레이저 빔은, 가공물의 두께가 고리형 레이저 빔의 전원을 끄기 위해 미리 정해진 두께 제한 값 아래로 떨어지는 것에 응답하여 전원이 꺼진다.
[0013] 다음에는, 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면들을 참조로 하여 더 상세히 설명된다.
[0014] 다음에서, 본 발명은 부착된 도면들에 대한 참조로 더 상세히 설명된다.
도 1a 내지 도 1d는 중심 및 링 레이저 빔 프로파일 예들의 개략적인 단면들을 예시한다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 프로파일 전력 제어를 위한 제어 유닛을 예시한다.
도 3은 회전 지점들을 수반하는 레이저 절단 작동의 일 예를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 장치의 일 예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 복합 레이저 빔을 단면으로 도시한다.
도 6a는 일부 실시예들에 따른 커플링 수단의 수신 단부의 단면을 도시한다.
도 6b는 본 발명에 따른 일부 실시예들에 따른 커플링 수단의 출력시 굴절율 프로파일을 예시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 컴포넌트를 개략적으로 도시한다.
[0015] 특정한 레이저-절단 도전들, 다시 말해, 절단 작동 동안 재료 두께들 및 불일치들(discrepancies)을 변경하기 위해 어떻게 최적화하는지에 대해 절단 품질을 개선시킬 수 있는 방법 및 장치가 제공된다. 특정한 상황들을 위한 최적 빔 프로파일 조합을 가능하게 하는 각각의 레이저 빔에 대한 적응형 전력 제어(adaptive power control)에 의한 다수의 레이저 빔들에 의한 절단 작동들을 배열함으로써 달성된다. 이러한 특징들은 본 방법 및 장치에 적용될 수 있으며, 여기서 실질적으로 원형 단면을 가지는 제1 레이저 출력 빔 및 제1 레이저 출력 빔과 동심인 실질적으로 고리 형상을 갖는 제2 레이저 출력 빔이 형성된다. 레이저 빔들은 별도의 레이저 디바이스들, 예컨대, 다이오드 레이저 및 파이버 레이저에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 제1 출력 레이저 빔은 원형 또는 중심 빔으로 지칭될 수 있으며, 그리고 제2 출력 레이저 빔은 고리 또는 링 빔으로 지칭될 수 있다. 제1 출력 레이저 빔 및 제2 출력 레이저 빔은 절단될 중첩 요소들을 갖는 가공물로 선택적으로 지향된다.
[0016] 다른 빔의 상태와 관계 없이, 이의 제어 유닛이 중심 빔 및/또는 링 빔에서 전력 밀도들(power densities)을 개별적으로 제어하는 것을 가능하게 하는 레이저 절단 장치가 제공된다. 특히, 절단 공정 및/또는 절단되는 재료에서 불일치 지점에 대해 최적인 빔 프로파일 조합을 유발하는 특정한 전력 밀도 제어가 배열된다. 중심 빔 및/또는 링 빔의 전력 밀도는, 절단 진행의 방향으로 변경 지점에 접근하는 것에 응답하는 경우 및 절단되는 가공물의 두께에 따라 중심 빔의 전력 밀도와 링 빔의 전력 밀도 사이의 관계의 변경을 유발시키는 것에 응답하는 경우 중 적어도 하나의 경우에 적응된다. 결과적인 출력 빔들의 전력 밀도들은 각각의 레이저 전력 레벨, 레이저 디바이스에서의 변조 파라미터들, 레이저 디바이스로부터의 광 펄스들의 펄스 폭 및/또는 주파수, 및/또는 각각의 레이저 출력 빔에 의해 가공물에 적용되는 전력 밀도에 영향을 주는 다른 파라미터들에 적응함으로써 적응될 수 있다.
[0017] 도 1a 내지 도 1d는 절단 작동 동안 제어될 수 있는 상이한 빔 프로파일 조합의 일부 기본적인 예들을 예시한다. 전력(P)은 오직 중심 빔(1)에 대한 도 1a 및 오직 링 빔(2)에 대한 도 1b에서 적용된다. 도 1c는 중심 빔(1)에서 보다 높은 전력을 갖는 듀얼-빔 프로파일을 예시하는 반면, 도 1d에서, 링 빔(2)은 보다 높은 전력 밀도 및 전력 레벨을 갖는다.
[0018] 도 2는 레이저 장치의 중심 빔(1) 및 링 빔(2)을 위한 적응형 전력 제어에 대한 일부 실시예들에 따른 제어 유닛(10)을 예시한다. 제어 유닛은 적어도 하나의 레이저 유닛(12)에 직접적으로 또는 간접적으로 연결된다. 제어 유닛(10)은 전력 제어를 위한 적합한 소프트웨어가 제공되는 다목적 컴퓨터를 포함할 수 있거나, 제어 유닛은 마이크로컨트롤러(microcontroller)를 포함할 수 있다. 제어 유닛은 적어도 하나의 프로세서(11)를 포함하며, 이 프로세서는 싱글-(single-) 또는 멀티-코어 프로세서(multi-core processor)일 수 있으며, 여기서 싱글-코어 프로세서는 하나의 처리 코어를 포함하며, 그리고 멀티-코어 프로세서는 하나 초과의 처리 코어를 포함한다. 프로세서는 적어도 하나의 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit, ASIC)를 포함할 수 있다. 프로세서는 디바이스에서 방법 단계들을 수행하기 위한 수단일 수 있다. 프로세서는 현재 예시되는 빔 프로파일 전력 제어 특징들을 수행하기 위해, 컴퓨터 명령들에 의해 적어도 부분적으로 구성될 수 있다.
[0019] 제어 유닛 디바이스는 기억 장치(memory)(13)를 포함할 수 있다. 기억 장치는 임의 접근 기억 장치(random-access memory) 및/또는 영구 기억 장치(permanent memory)를 포함할 수 있다. 기억 장치는 적어도 하나의 RAM 칩(chip)을 포함할 수 있다. 기억 장치는, 예를 들어, 솔리드-스테이트(solid-state), 자기식, 광학식 및/또는 홀로그래픽(holographic) 기억 장치를 포함할 수 있다. 기억 장치는 프로세서에 적어도 부분적으로 접근가능할 수 있다. 기억 장치는 프로세서(11)가 실행하도록 구성되는 컴퓨터 명령들(14)을 포함할 수 있다. 프로세서가 특정 동작들을 수행하는 것을 유발시키도록 구성되는 컴퓨터 명령들이 기억 장치에 저장되며, 그리고 디바이스가 전체적으로 기억 장치로부터 컴퓨터 명령들을 사용하여 프로세서의 방향 하에 구동하도록 구성될 때, 프로세서 및/또는 그의 적어도 하나의 처리 코어는 상기 특정 동작들을 수행하도록 구성되는 것으로 고려될 수 있다. 기억 장치(13)는 프로세서에 적어도 부분적으로 포함될 수 있다. 기억 장치(13)는 적어도 부분적으로 디바이스의 외부에 있을 수 있으나, 제어 유닛 디바이스에 접근가능할 수 있다.
[0020] 현재 예시되는 전력 제어 특징들은, 프로세서(11)에서 실행될 때, 기억 장치(13)에 저장되고 그리고 명령들(14)을 포함하는 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램에 의해 유발될 수 있어, 프로세서가 레이저 유닛(들)(12)에 대한 각각의 출력 제어 신호들에 의해 레이저 빔들의 전력 밀도들을 적응적으로 제어하는 것을 허용한다. 기억 장치(13)는 또한, 프로세서에 의한 전력 제어에 영향을 주는 다양한 파라미터들(15), 예컨대 상이한 중심 빔 프로파일 및/또는 링 빔 프로파일 그리고 상이한 절단 프로파일들 및 조작자에 의해 조절가능한 프로그램들을 규정하는 파라미터 세트들을 저장할 수 있다.
[0021] 제어 유닛 디바이스는 사용자 인터페이스(user interface, UI)(16)를 포함할 수 있다. UI는, 예를 들어, 디스플레이, 키보드, 터치스크린 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제어 유닛은 사용자 입력에 기초하여 적어도 부분적으로 전력 밀도들을 제어하도록, 예를 들어, 가공물에 관한 사용자 입력에 기초하여 전력 밀도 관계를 적응시키도록 배열될 수 있다. 제어 유닛(10)은 또한, 하나 이상의 센서들(17), 예컨대, 레이저 절단 작동의 진행을 감시하는 센서 및/또는 처리될 가공물의 특성들을 검출하는 센서에 연결될 수 있다. 제어 유닛(10)은 또한, 하나 이상의 셀룰러(cellular) 또는 논-셀룰러(non-cellular) 표준에 따라 정보를 전송하고 수신하도록 구성되는 다른 유닛들, 예컨대 송신기(transmitter) 및 수신기(receiver)를 포함할 수 있다.
[0022] 제1 양태에 따르면, 상기 제1 출력 레이저 빔 또는 중심 빔(1)의 전력 밀도와 상기 제2 출력 레이저 빔, 또는 링 빔(2)의 전력 밀도 사이의 관계는 절단되는 가공물의 두께에 따른다.
[0023] 일부 실시예들에 따르면, 제1 가공물이 제2 가공물보다 더 얇을 때, 링 빔(2)의 전력 밀도에 대한 중심 빔(1)의 전력 밀도의 보다 높은 비율은 제2 가공물을 위해서보다 제1 가공물을 위해 제어된다. 다시 말해, 더 얇은 재료를 절단하기 위한 중심 빔(1)에 대해 상대적으로 보다 작은 전력이 제어되는 반면, 링 빔(2)은 더 두꺼운 재료를 위해 상대적으로 더 큰 전력으로 제어된다.
[0024] 가공물 두께들을 변경하기 위해 현재 개시되는 특징들을 적용하고 그리고 최적의 전력 밀도들 및 중심 빔과 링 빔 사이의 관계를 적용함으로써 달성가능한 다양한 이점들이 있다. 하나의 이점은 절단 품질이 개선될 수 있다는 점이다. 형상들 및 빔 단면적들에서의 차이들로 인해, 멀티-코어 광섬유의 내부 코어에 의해 제공되는 중심 빔(1)은 링 빔(2)보다 더 양호한 빔 품질을 발생할 수 있고, 따라서 얇은 재료들 및 가공물들을 절단하거나 두꺼운 재료들을 관통하여 절단하기 위해 매우 양호한 품질 절단 표면적을 제공하도록 제어될 수 있다. 보다 두꺼운 재료들을 위해, 링 빔에 의해 발생되는 다소 보다 낮은 빔 품질의 단점들은, 외부 코어의 링형 강도 분배로 인한 조합된 처리 속도 및 절단 표면들의 청결에 의해 우세하게 될(outweighed) 수 있다. 내부 및 외부 코어들의 전력 강도들은 제어 유닛(10)에 의해 개별적으로, 그리고, 유래하는 레이저 소스들의 전력을 조절함으로써, 가공물의 현재 두께 및 가능하게는 절단 작동과 연관된 다른 파라미터들의 한 세트에 따라 조절가능할 수 있다.
[0025] 따라서, 링 빔(2)의 전력 밀도는 가공물의 두께에서의 증가에 응답하여 중심 빔(1)의 전력 밀도보다 더 크게 증가하도록 제어될 수 있다. 링 빔(2)의 사용은 절단되는 더 두꺼운 재료의 에지 영역들에서의 양호한 흡수를 가지는 것을 가능하게 하여, 양호한 절단 에지 품질을 용이하게 한다.
[0026] 제어 유닛(10)은, 가공물의 두께에 따라, 특정한 전력 밀도들 및 중심 빔과 링 빔 사이의 관계에 의해 가공물의 관통을 유발하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 중심 빔(1) 및 링 빔(2) 둘 모두는 관통을 유발시키도록 제어된다. 관통 후에, 제어 유닛은 절단 작동을 위해 최적의 전력 밀도 및 중심 빔과 링 빔 사이의 관계를 제어할 수 있다.
[0027] 제어 유닛(10)은 링 레이저 빔의 전원을 끄기(switching off) 위해 가공물의 두께가 미리 정해진 두께 제한 값 아래로 떨어지는 것에 응답하여 링 빔의 전원을 끄도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제한 값은 4 내지 8밀리미터의 범위로부터, 일 실시예에서는 6mm로 선택된다.
[0028] 상이한 전력 밀도들 및 중심 빔(1)과 링 빔(2) 사이의 관계는 절단되는 재료에 따라 제어될 수 있다. 중심 빔(1)의 전력 밀도와 링 빔(2)의 전력 밀도 사이의 관계를 제어하기 위한 위에서 예시된 실시예들은 양호한 결과들로 검사되었다. 예를 들어, 구리를 위해, 가공물이 10mm 이상일 때, 우수한 절단 품질이, 링 빔 전력 밀도와 중심 빔 전력 밀도 사이의 ~3:1의 관계로 제어함으로써 현재 개시된 배열에 의해 달성될 수 있는 것이 검출되었다.
[0029] 또한, 상이한 가공물 두께들을 위해 전력 밀도들의 제어 및 중심 빔(1) 및 링 빔(2)의 전력 밀도 관계에 영향을 줄 수 있는 다른 절단 파라미터들, 예컨대 절단 속도 그리고 중심 빔 및 링 빔의 직경들이 있다. 이러한 다른 파라미터들은 현재 개시되는 전력 제어 파라미터들과 함께 그리고 이 전력 제어 파라미터들에 대해 제어될 수 있다.
[0030] 도 3은 절단 작동 방향(23, 24, 26)에서의 변경들(22, 25)을 수반하는 절단 작동을 예시한다. 가공물(21)은, 가공물에서 처리/절단 동작의 진행 방향의 변경으로 일반적으로 지칭하는 절단 작동 진행 방향(23, 24, 26)의 변경들을 포함하는 미리 정해진 처리 프로파일에 따라 절단되고 있다.
[0031] 제2 양태에 따르면, 제어 유닛(10)은, 또한 회전 지점으로서 지칭될 수 있는 처리 방향(23, 24, 26)의 변경 지점(22, 25)에 접근하는 것에 응답하여 중심 빔(1)의 전력 밀도 및/또는 링 빔(2)의 전력 밀도를 적응시키도록 구성된다. 중심 빔(1) 및/또는 링 빔(2)에서의 전력 밀도는, 가공물에 대해 레이저 헤드의 움직임이 느려지고 있는 것과 연관하여 감소하도록 제어될 수 있다. 유사하게는, 회전 지점(22, 25) 후에, 레이저 헤드(20)가, 회전 지점에 접근하기 전과 같은 절단 진행으로 복귀하고 있을 때, 전력 밀도들이 복원된다.
[0032] 제어 유닛(10)은 변경 지점에 접근하는 것에 응답하여 미리 정해진 기간 동안 링 빔(1) 및/또는 중심 빔(2)의 전력 밀도를 감소시킬 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 전력 제어는 처리 프로파일에 대해 현재 절단 포지션(즉, 이 포지션에서, 레이저 헤드(20)는 처리 프로파일에 대해 가공물을 절단하고 있음) 그리고/또는 가공물에 대한 레이저 헤드의 현재 속도에 기초한다. 이는, 레이저 헤드가 느려질 수 있거나 임시적으로 정지할 수 있는 회전 지점에서 또한 고품질 절단 표면들을 유지하는 것을 가능하게 한다.
[0033] 일부 실시예들에서, 링 빔(2)의 전력 밀도는 회전 지점(22, 25)에 접근하는 것에 응답하여 감소될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 유닛(10)은 회전 지점에서 중심 빔(1)의 전원을 끌 수 있고, 변경 지점 이후에는 중심 빔(1)의 전원을 켤 수 있다.
[0034] 제어 유닛(10)은 회전 지점(22, 25)에 접근할 때, 전력 밀도(들)를 점차적으로 감소시킬 수 있다. 유사하게는, 전력 밀도(들)은 회전 지점 후에 점차적으로 복원될 수 있다. 전력 밀도는, 처리 헤드(20)의 속도의 감소 또는 증가의 경우에 선형적으로 감소되거나 증가될 수 있다.
[0035] 일부 실시예들에서, 제어 유닛(10)은, 전력 밀도 제어 이외에도 또는 전력 밀도 제어 대신에, 절단 작동시에 불일치 지점 주위에 복합 레이저 빔(1, 2)에 영향을 주는 다른 제어 작동을 또한 유발시키도록 배열된다. 일 실시예에서, 제어 유닛(10)은, 변경 지점(22)에 접근할 때 그리고/또는 가공물 폭의 변경에 응답하여 중심 빔(1) 및/또는 링 빔(2)의 변조를 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 제어 유닛(10)은, 변경 지점에 접근할 때 변조의 전원을 켤 수 있다. 회전 지점 전의 변조에 관한 상태 또는 파라미터들은, 직접적인 절단이 회전 지점 후에 연속될 때 제어될 수 있다.
[0036] 처리 방향 변경과 연관된 본 전력 제어 특징들은, 회전 지점 전에 느려지고 그 후 다시 가속하는 레이저 헤드의 품질-저하 효과들(quality-deteriorating effects)을 보상할 수 있다.
[0037] 현재 개시된 실시예들 중 적어도 부분은 관통 및 연속적인 절단 적용들을 위해 적용될 수 있다. 연속적인 절단의 경우에, 레이저 처리 헤드의 움직임의 방향의 링 빔(2)의 선단 에지는 제1 강도 피크를 유발시키며, 그리고 링 빔의 후방 에지는 제2 강도 피크를 유발시킨다. 그러므로, 요소들은 단계적으로 가열되며 그리고 후방 및 선단 에지들의 강도 레벨은 적합한 동작을 유발하기 위해 단일 중심 또는 점 빔과 비교하여 보다 낮을 수 있다. 사전-가열(pre-heating)이외에도, 선단 에지는 또한 오염 삭마(contaminant ablation)를 가능하게 할 수 있다. 이는 급격한 온도 변경을 회피하고 그리고 후속하는 템퍼링(tempering) 그리고 따라서 급격한 온도 변화에 의해 유발되는 보다 약한 영역들을 회피하거나 적어도 감소시킬 수 있다. 연속 절단에서의 링 빔의 사용은 또한 스퍼터링을 회피하는데 유리하다.
[0038] 중심 빔(1) 및 링 빔(2)의 하이브리드(hybrid)가 유래하는 레이저 디바이스들로부터의 레이저 빔들 및 멀티-코어 광섬유에서의 공급 섬유들을 조합함으로써 생성될 수 있으며, 이로부터 중심 빔(1) 및 링 빔(2)을 갖는 결과적인 복합 레이저 빔이 가공물로 지향될 수 있다. 제1 광학 공급 섬유는 멀티-코어 광섬유의 제1 코어와 정렬될 수 있으며, 그리고 제2 광학 공급 섬유는 상기 멀티-코어 광섬유의 제2 코어와 정렬될 수 있다. 상기 멀티-코어 광섬유의 제1 코어는 원형 단면을 가지며, 그리고 제2 코어는 상기 제1 코어와 동심인 고리 형상을 갖는다. 추가의 일부 예시적인 실시예들은 아래에 예시된다.
[0039] 일부 실시예들에서, 키홀(keyhole) 레이저 절단은 적응가능한 중심 및 링 레이저 빔 프로파일들을 동적으로 제공하기 위해 열 전도 절단(heat conduction cutting)과 조합하여 적용된다. 열 전도 절단은, 통상적으로 대략 2mm의 재료 두께까지 금속 시트들을 절단하기 위해 적용가능하다. 전도 절단을 가능하게 하는 다이오드 레이저(diode laser)에 의해 처리되는 금속 시트는 금속의 상대적으로 얕지만 넓은 점에 충격을 준다. 통상적으로, 이러한 종류의 다이오드 레이저들은 2kW의 전력 정격(power rating) 및 0.1 MW/cm2의 상당히 아래의 전력 밀도를 갖는다. 통상적인 키홀 패턴은 높은 휘도 레이저, 예컨대 파이버 레이저에 의해 유발된다. 두꺼운 금속 시트들이 이러한 레이저로 어떻게 절단될 수 있는지에 대한 실제적인 제한은 존재하지 않지만, 이는 레이저 빔 강도 및 처리 속도, 즉, 레이저 빔이 금속 표면에 걸쳐 이동하는 속도에 물론 의존한다. 파이버 레이저들은 최대 1 내지 10kW 또는 그 초과의 전력 정격, 및 수 MW/cm2의 전력 강도를 가질 수 있다. 키홀의 직경은 1밀리미터 미만의, 예를 들어 0.1밀리미터 영역에 있을 수 있으며, 그리고 점의 직경은, 예를 들어, 수밀리미터, 예컨대 3밀리미터의 영역에 있을 수 있다. 순수 키홀 절단 및 원형 레이저 빔 및 고리형 레이저 빔에 의한 하이브리드 절단의 적용을 비교할 때, 하이브리드 절단 관통이 동일한 처리 속도를 사용하여 순수 키홀 절단의 절단 관통보다 적어도 20% 더 깊다는 것이 유의되었다.
[0040] 도 4는 독립적인 중심 및 링 빔 전력 제어를 가능하게 하는 장치의 일 실시예를 도시하며, 그리고 여기서 위에서 예시되는 전력 제어 특징들 중 적어도 일부가 적용될 수 있다. 높은 휘도의 파이버 레이저(30)는 광섬유(32)로 레이저 빔 조합기(34)에 연결된다. 마찬가지로, 하나 또는 수개의 솔리드 스테이트 또는 다이오드 레이저들(31)이 섬유(33)로 빔 조합기(34)에 연결된다. 일반적으로, 단일 레이저 빔 조합기들은 당 분야에서 공지된다. 이러한 경우에, 조합기의 업무는, 레이저 빔들이 듀얼 코어 광섬유(35)에 커플링될 수 있도록 들어오는 모든 레이저 빔들을 배열하는 것이다. 따라서, 레이저의 하이브리드 특성은 단일의 듀얼-코어 광섬유(35) 내측에 전파하는 2개의 레이저 빔들을 가지는 결과이다. 섬유(35) 내측의 2개의 레이저 빔들은 통상적으로 상이한 휘도 및 강도 프로파일들을 가지고, 그리고 심지어 상이한 파장들을 가질 수 있다. 더욱이, 2개의 레이저 빔들에서의 전력 레벨들은 파이버 레이저(30) 및 솔리드 스테이트 또는 다이오드 레이저(31)로부터 전력 레벨들을 조절함으로써 독립적으로 그리고 연속적으로 제어될 수 있다.
[0041] 빔의 충분한 휘도를 달성하기 위해, 고휘도 파이버 레이저(30)는 예를 들어, 파이버 공진기(fiber resonator)에 커플링되는 파이버-커플링된 다이오드 레이저들로 각각 구성되는, 다이오드-펌핑된 단일 또는 다수 파이버 레이저 오실레이터(fiber laser oscillator) 또는 MOPA(master oscillator-power amplifier) 모듈들로 구성될 수 있다. 추가적으로, 고휘도 레이저들의 예들은 파이버-커플링된 얇은-디스크 레이저들 또는 Nd-YAG 레이저들이며, 이들은 다이오드 레이저들로부터 광으로 펌핑된다. 최신 레이저 기술은, 많은 활성 솔리드-스테이트 광 증폭 재료들이 절연체들이기 때문에, 빈번하게 에너지 전달 매체로서 광에 의존한다. 다이오드 레이저들은, 이들의 보다 높은 효율성 및 보다 좁은 광 스펙트럼 때문에, 이전에 사용된 플래쉬 램프들(flash lamps)을 대체하였다.
[0042] 레이저(31)는 통상적으로, 다이오드 레이저들, 예컨대 얇은-디스크 레이저 공진기(미도시됨)에 의해 펌핑된 솔리드-스테이트 레이저 공진기를 또한 포함할 수 있는 파이버-커플링된 레이저이다. 듀얼 코어 광섬유(35)는 그의 중심 코어의 파이버 레이저(30)로부터의 레이저 빔 및 중심 코어 주위에 고리형으로, 중심 코어로부터 소정의 거리를 두고 배열되는 외부 코어에서 하나 또는 다수의 제2 레이저 공진기들(31)에 의해 생성되는 빔을 운반하도록 배열될 수 있다(도 6a를 참조). 분명히, 그리고 본 발명의 일 실시예에서, 제1 및 제2 레이저들 둘 모두는, 각각 독립적으로 제어가능한 전력 레벨들을 가지는 파이버 레이저들일 수 있다. 일부 레이저들은 구성에 의한 파이버 레이저들이고, 광을 광섬유 내로 본질적으로 공급하며, 다른 레이저들은 레이저 빔을 출력 섬유의 코어에 정렬시키기 위해 섬유와 광학적으로 인터페이싱되어야 한다. 따라서, 일부 실시예들에서, 레이저들(30 및 31) 둘 모두는 파이버 레이저들일 수 있으며, 다른 실시예들에서, 파이버 레이저 및 솔리드-스테이트 레이저 또는 다이오드 레이저 또는 둘 모두의 임의의 조합은 다이오드 레이저들일 수 있다. 레이저 장치의 목적 및 개별적인 레이저 모듈들의 전력 정격은, 어떤 종류의 레이저들이 빔 조합기(34)에 연결될 수 있는지를 결정한다.
[0043] 듀얼 코어 광섬유는 그의 반대편 단부에서, 가공물(21)의 앞으로 조합되거나 복합 레이저 빔(1, 2)을 안내하는 레이저 처리 헤드(20)에 연결된다. 레이저 처리 헤드(20)는 보통, 렌즈들의 초점 길이들에 의해 결정되는 바와 같이, 요망되는 크기를 갖는 가공물(21) 상의 섬유(35)의 단부로부터 나타나는 강도 프로파일의 이미지를 발생하기 위해 조준 렌즈(collimating lense) 및 초점 렌즈(focusing lense)(미도시됨)를 포함한다. 레이저 헤드(20)의 업무는 또한, 가압된 가스 제트를 절단 라인에 제공하는 것일 수 있다. 가압된 가스는 또한, 레이저 헤드(20) 내의 광학 장치들(optics)을 흘러나오는(spitting) 용융된 금속으로부터 보호하고, 그리고 또한 절단 라인으로부터 이 용융된 금속을 제거하여, 광학 장치를 깨끗하게 유지하는 것을 돕는다. 일 실시예에서, 산소 보조 가스는 적어도 절단 진행 회전 지점들과 연관되어 적용되어, 추가의 에너지를 제공하고 그리고 이러한 지점들에서 절단 에지 품질을 더 개선시킬 수 있다.
[0044] 본 발명의 일 실시예에서, 장치에는 제어 유닛(10)이 제공된다. 제어 유닛은 또한 레이저 유닛(30 또는 31) 중 하나에 통합될 수 있다. 대안적으로, 모든 유닛들(30, 31 및 10)은, 편의성 및 신뢰성을 위해, 단일 하우징에 배치될 수 있고 그리고 이들의 구조에서 서로 통합될 수 있다. 표시되는 바와 같이, 제어 유닛(10)은 링 빔(2) 및 중심 빔(1)의 프로파일의 독립적인 전력 제어를 수행하는 데, 그리고 위에서 예시된 특징들 중 적어도 일부를 적용함으로써 온-더-플라이(on-the-fly) 방식으로 조절될 수 있는 동적으로 조절가능한 링-중심 빔을 가능하게 하는데 사용될 수 있다. 제어 유닛은 레이저 유닛들(30, 31) 중 적어도 하나의 변조를 제어하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 둘 모두의 레이저 빔들의 변조는 동적으로 별도로 제어될 수 있다. 그러므로, 매우 다양한 상이한 절단 적용들 및 목적들은 동일한 장치에 의해 가능해진다. 빔 프로파일은 도전적인 절단 유형들/적용들의 다양한 요구들, 예컨대 상이한 재료들, 코팅들 및/또는 두께들을 맞추도록 동적으로 조절될 수 있다.
[0045] 제어 유닛(10)은 레이저 헤드(20)의 사용자로부터 피드백(feedback)(36), 또는 자동 피드백을, 예컨대 광 강도 센서들로부터 수신하도록 배열될 수 있다. 그 후, 피드백 또는 입력은, 미리 정해진 목표들을 따르기 위해 레이저들(30 및 31)의 전력을 제어하는 데, 또는 가공물(21)에서 관찰되는 결과적인 절단 결과에 따라 레이저 전력을 조절하는 데 사용된다. 제어 유닛(10), 또는 다른 제어 유닛은 또한, 장치의 다른 기능, 예컨대 가공물에 대한 레이저 처리 헤드(20)의 움직임을 제어할 수 있다.
[0046] 본 발명에 따르면, 빔 조합기(34)는 용융 실리카 성분들로 만들어지며, 여기서 광학 전력은 용융 실리카 내측에 전체 조합기 구조를 통해 전파하며, 그리고 조합기는 입력부 및 출력부에 광섬유들을 갖는다. 따라서, 본 발명에서, 빔 조합기(34)는 모든 유리 섬유 조합기(all-glass fiber combiner)로 불릴 수 있다.
[0047] 도 5에서, 레이저 처리 헤드로부터 가공물(21)로 나타나는 복합 레이저 빔(40)의 구조가 도시된다. 고리형 외부 링 빔(42)은 레이저 디바이스들(31)에 의해 제공되는 레이저 전력을 운반하고 있다. 대응하여, 내부 중심 빔(41)은 파이버 레이저 디바이스(30)에 의해 제공되는 레이저 전력을 운반하고 있고, 이의 보다 높은 휘도로 인해 가공물에서 키홀 패턴을 유발시킬 것이다. 고리 형상의 구역(43)이 빔들 사이에 있으며, 이 구역은 단지 표유(stray)를 제공하거나 레이저 방사를 전혀 제공하지 않는다.
[0048] 도 6a에서, 주요 클래딩(primary cladding)(54)을 갖는 중심 코어(51)를 가지는 예시적인 듀얼 코어 광섬유(50)의 단면이 도시된다. 외부 코어(53)는 내부 클래딩(54) 및 외부 클래딩(55)에 의해 공간적으로 형성된다. 당업자에게는 명백한 바와 같이, 클래딩은 코어의 굴절율보다 더 낮은 굴절율을 가지는 재료로서 규정된다. 예를 들어, 중심 코어(51)의 직경은 70㎛일 수 있으며, 그리고 외부 코어(53)의 내경 및 외경은 각각, 100㎛ 및 180㎛일 수 있다. 중심 및 주변 코어들(51 및 53)은 또한, 전술된 것들과 다른 형태들을 취할 수 있다. 중심 코어(51)는, 예를 들어, 정사각형 또는 직사각형 형상일 수 있다. 주변 코어(53)는 또한, 직사각형 경계들을 가질 수 있거나, 선형 또는 원형 형상들의 다수의 세그먼트들로 구성될 수 있다.
[0049] 빔 조합기로부터 용융 공급 섬유들(56 및 57)(도 7에서의 섬유들(72 및 71))의 단부들의 코어들이 듀얼 코어 광섬유(50)의 단면과 어떻게 정렬할 수 있는지가 파선들로 도시된다.
[0050] 듀얼 코어 광섬유(50)의 중심 코어(51)에서의 레이저 방사는 중심 및 좁은 공간 강도 프로파일을 가지는 반면, 외부 코어(53)에서의 강도 분포는 도우넛의 형태를 취하고 있다. 이러한 공간 강도 패턴은 가공물 상의 레이저 헤드(20)에서 처리하는 광학 장치들에 의해 추가적으로 이미징된다. 이러한 구성으로, 레이저 빔의 빔 품질은 중심 및 외부 코어들 둘 모두에서 상대적으로 높다.
[0051] 도 6b를 이제 참조하면, 듀얼 코어 광섬유(50)의 예시적인 굴절율 프로파일이 도시된다. 코어들(51 및 53)은, 에워싸는 재료들(54 및 55) 각각의 지수들(n54 및 n55)보다 더 높은 굴절율들(n51 및 n53)을 갖는다. 이러한 방식으로, 레이저 빔은, 고리형 강도 프로파일에서 적어도 가능한 저하 및 광학 전력의 감쇄 그리고 코어들 각각에서의 강도와 함께 가공물로 안내된다(도 5 참조).
[0052] 용융 실리카의 굴절율은 불순물들로 이 용융 실리카를 도핑함으로써 조절될 수 있다. 게르마늄으로 용융 실리카를 도핑하는 것은 굴절율의 증가를 초래하는 반면, 플루오린으로 용융 실리카를 도핑하는 것은 굴절율의 감소를 초래한다. 따라서, 코어들(51 및 53)은 Ge-도핑된 또는 도핑되지 않은 용융 실리카로 만들어질 수 있으며, 그리고, 예를 들어, 이들의 주요 클래딩들(54 및 55)은 F-도핑된 용융 실리카로 만들어질 수 있다.
[0053] 도 7에서, 파이버 조합기(34)의 키(key) 광 컴포넌트(70)가 도시된다. 이는 용융 실리카 유리 튜브(77), 적어도 2개의 레이저 디바이스들로부터 광 공급 섬유들(71 및 72)(예컨대, 디바이스들(30 및 31)로부터의 섬유들(32 및 33))에 의해 운반되는 레이저 빔들(미도시됨)을 수용하기 위한 입력 단부(76)로 구성되는 본체 부분을 가지는 멀티-보어 캐필러리 튜브(multi-bore capillary tube)이다. 이는 또한, 동일한 방향으로 서로 정렬되는 적어도 2개의 레이저 빔들로 구성되는 복합 출력 레이저 빔을 전송하기 위한 반대편의 출력 단부(74)를 갖는다.
[0054] 입력 단부(76)에 진입하는 광 공급 섬유(71, 72)는 캐필러리 보어들에서 상기 본체 부분을 통해 상기 출력 단부(74)로 연장하고, 광 안내 코어들(71a, 72a) 및 에워싸는 유리 재료로 구성되는 컴포넌트를 형성하기 위해 유리 튜브(77)와 용융된다. 코어들은, 총 내부 반사에 의해 전체 컴포넌트를 통해 코어들에서의 광학 전력의 전파를 제공하기 위해 코어들 주위에 있는 에워싸는 유리 재료의 굴절율보다 더 높은 굴절율을 갖는다.
[0055] 섬유 조합기의 이론을 도시하기 위해, 코어들의 치수들 및 컴포넌트(70)의 치수들은 실척이 아니며, 그리고 명료성을 위해, 단지 코어들의 커플(couple)이 파선들로 도시된다.
[0056] 광학 컴포넌트(70)는 예컨대 인발가공(drawing)에 의해 제작될 수 있다. 이러한 예에서, 중심에서 직경이 약 300㎛의 섬유(72)를 위한 보다 큰 보어 및 중심 보어(72)에 대해 대칭이고 보어 주변에 배치되는 섬유들(71)을 위한 4개의 보다 작은 보어들이 존재할 수 있다. 보다 작은 보어들은, 예를 들어, 약 150㎛의 직경을 가질 수 있다. 캐필러리 튜브의 외경은 1mm일 수 있다. 예를 들어, 튜브의 재료는 용융 실리카일 수 있다. 섬유들(이 섬유들의 벌크 유리(미도시)의 외부 클래딩이 바람직하게는 적어도 부분적으로 에칭 어웨이됨(etched away))은 중간 보어들 내로 삽입되고 그리고 캐필러리 테이퍼의 웨이스트(waist) 부분(73)으로 이를 통해 푸시된다. 섬유들이 제자리에 있을 때, 캐필러리 튜브(70)는, 섬유들을 튜브에 용융하기 위해 그리고 제1 중심 광 안내 코어(72a) 및 제2 광 안내 코어들(71a)(이 안내 코어들 모두는 광학 컴포넌트(70)를 통해 연장함)을 형성하기 위해 웨이스트 섹션(73)에서 가열된다.
[0057] 섬유들(71, 72)은 대안예로서 순수 용융 실리카 재료의 내부 코어 및 F-도핑된 실리카의 외부 클래딩을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 광학 컴포넌트(70)의 용융 실리카 유리 튜브(77)는 순수 용융 실리카로 제작될 수 있는데, 왜냐하면 섬유들의 광-안내 코어들이 보다 낮은 굴절율을 갖는 재료에 의해 본래 둘러싸이기 때문이다. 이는, 캐필러리 튜브의 굴절율이 섬유 코어들에서와 동일할지라도, 광이 코어들(71a, 72a) 안에 있는 상태를 유지하는 것을 의미한다. 이러한 경우에, 또는 더 추가적으로, 일부 F-도핑된 클래딩이 순수 또는 Ge-도핑된 내부 섬유 코어 주위에 유지하는 한, 벌크 유리의 외부 섬유 클래딩은 F-도핑된 클래딩으로 아래로 에칭 어웨이될 수 있다.
[0058] 그 후, 용융된 코어들(71a, 72a)(파선들로 도시됨) 및 튜브(70)는 단부 표면(74)을 생성하기 위해 절취되거나 쪼개진다(cleaved). 그 후, 도 4에서 도시되는 것과 같은 듀얼 코어 섬유(35)는 단부(74)에서 캐필러리 튜브에 용접될 수 있어, 시임(seam)(75)을 초래한다.
[0059] 바람직한 실시예들에서, 제1 광 공급 섬유(72)의 중심은 컴포넌트(70)의 중심과 정렬되며, 그리고, 예를 들어, 4개의 제2 광 공급 섬유들(71)의 중심들은 제1 중심 광 안내 코어(72a)로부터 미리 규정된 거리(R)에 있는 출력 단부(74)에 출력 빔을 제공하도록 위치된다. 제2 공급 섬유들의 수가 이와 같이 제한되지 않지만, 예를 들어, 대신에, 4개를 대신하여, 8개, 16개 또는 32개인 것이 이해된다. 제2 광 안내 코어들(71a)은 바람직하게는 중심 코어(72a)에 대해 대칭으로 배열되어, 출력 빔들에게 서로 사이의 90°의 각도 거리를 제공한다.
[0060] 현재 개시된 레이저 절단 방법 및 장치는 매우 다양한 적용들에 적용될 수 있다. 특정한 이점들은, 상이한 특성들, 예컨대, 두께들을 갖는 레이저-절단 재료들을 위한 우수한 절단 표면 품질, 및/또는 변하고 그리고 다양한 형태의 절단 작동들을 달성할 필요가 있는 적용들에서 달성된다. 단일의 절단 장치는 이제 이러한 변하는 특성들/요건들을 위해 사용될 수 있어, 이에 따라 최적의 절단 빔 프로파일에 즉시 적응하는 것을 가능하게 한다. 일부 예들과 같이, 본 시스템은 자동차 산업의 절단 요구들에 대해 특히 유리할 수 있다.
[0061] 개시된 본 발명의 실시예들이 본원에 개시되는 특정한 구조들, 공정 단계들 또는 재료들에 제한되지 않지만, 당업자에 의해 인식되는 바와 같이 이의 동등물들로 연장되는 것이 이해된다. 본원에서 채택된 용어가 단지 특정한 실시예들을 설명하는 목적을 위해 사용되고 그리고 제한하는 것으로 의도되지 않는 것이 또한 이해되어야 한다.
[0062] "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 본 명세서 전체에 걸친 참조는, 실시예와 연관되어 설명된 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸친 다양한 위치들에서 어구들 "일 실시예에서”의 출현들은 반드시 동일한 실시예를 모두 지칭하지는 않는다.
[0063] 본 발명의 다양한 실시예들 및 예는 이의 다양한 컴포넌트들을 위한 대안예들과 함께 본원에서 참조될 수 있다. 이러한 실시예들, 예들, 및 대안예들이 사실상 서로의 동등물들로서 해석되지 않아야 하지만, 본 발명의 별도의 그리고 자율적인 표현들로서 고려될 수 있는 것이 이해된다.
[0064] 더욱이, 설명된 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 또는 그 초과의 실시예들에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 설명에서, 다수의 특정 상세들, 예컨대 예들의 길이들, 폭들, 형상들 등이 본 발명의 실시예들의 전체적인 이해를 제공하기 위해 제공된다. 그러나, 당업자는, 본 발명이 특정 상세들 중 하나 이상 없이, 또는 다른 방법들, 컴포넌트들, 재료들 등으로 실시될 수 있는 것을 인식할 것이다. 다른 예들에서, 주지된 구조들, 재료들 또는 작동들이 본 발명의 양태들을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 상세히 도시되거나 설명되지 않는다.
[0065] 이전의 예들이 하나 이상의 특정 적용들에서 본 발명의 원리들을 예시하지만, 형태의 다수의 수정들, 사용 및 구현의 상세들이 발명의 능력의 행사 없이, 그리고 본 발명의 원리들 및 개념들로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있는 것이 당업자에게 명백해질 것이다. 이에 따라, 본 발명이 아래에 제시된 청구항들에 의한 것을 제외하고는 제한되는 것이 의도되지 않는다.

Claims (30)

  1. 레이저 처리 장치(laser processing apparatus)로서,
    적어도 하나의 제1 광 공급 섬유(optical feed fiber)(32)에 제1 레이저 빔(laser beam)을 각각 제공하는 적어도 하나의 제1 레이저 디바이스(laser device)(30);
    적어도 하나의 제2 광 공급 섬유(33)에 제2 레이저 빔을 각각 제공하는 적어도 하나의 제2 레이저 디바이스(31);
    상기 제1 및 제2 광 공급 섬유들에 그리고 멀티-코어 광섬유(35; 50)에 연결되는 빔 조합 수단(beam combining means)(34)─상기 빔 조합 수단은 상기 멀티-코어 광섬유(50)의 제1 코어(51)와 정렬되는 상기 적어도 하나의 제1 광 공급 섬유(72; 56) 및 상기 멀티-코어 광섬유(50)의 적어도 하나의 제2 코어(53)와 정렬되는 상기 적어도 하나의 제2 광 공급 섬유(71; 57)를 가짐으로써 복합 레이저 빔을 형성하도록 적응되며, 상기 멀티-코어 광섬유(50)의 상기 제1 코어(51)는 원형 단면을 가지며, 그리고 상기 제2 코어(53)는 상기 제1 코어와 동심인 고리 형상을 가지고, 상기 제1 및 제2 코어들은, 제1 및 제2 출력 레이저 빔들(1, 2)을 포함하는 복합 레이저 빔(40)을 절단될 가공물(21)로 지향시키기 위해, 레이저 처리 헤드(laser processing head)(20)에 연결가능함─; 및
    상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들(1, 2)에서 전력 밀도(power density)를 개별적으로 제어하기 위해, 상기 제1 및 제2 레이저 디바이스들(30, 31)에 기능적으로 연결되는 제어 유닛(control unit)(10)을 포함하며, 상기 제어 유닛은, 절단 진행의 방향으로 변경 지점(22)에 접근하는 것에 응답하는 경우 및 절단되고 있는 상기 가공물(21)의 두께에 따라 상기 제1 출력 레이저 빔(1)의 전력 밀도와 상기 제2 출력 레이저 빔(2)의 전력 밀도 사이의 관계의 변경을 유발시키는 것에 응답하는 경우 중 적어도 하나의 경우에, 상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들(1, 2) 중 적어도 하나의 전력 밀도를 적응시키도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 장치는 절단 작동 진행 방향의 적어도 하나의 변경을 포함하는 미리 정해진 처리 프로파일에 따라 상기 가공물을 처리하도록 구성되며, 그리고 상기 제어 유닛은 상기 처리 프로파일에 대해 현재 절단 포지션에 기초한 상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들(1, 2) 중 적어도 하나의 전력 밀도를 적응시키도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 변경 지점(22)에 접근하는 것에 응답하여 상기 제2 레이저 빔(2)의 전력 밀도를 감소시키도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 변경 지점(22)에 접근할 때 상기 전력 밀도를 점차적으로 감소시키도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 레이저 처리 헤드가 상기 변경 지점에 접근하는 것에 응답하여 상기 제1 레이저 빔(1)의 전원을 끄고(switch off) 그리고 상기 변경 지점 이후에 상기 제1 레이저 빔(1)의 전원을 키도록(switch on) 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 가공물(21)에 관한 상기 레이저 헤드(20)의 현재 속도에 대해 전력 밀도를 적응시키도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 변경 지점(22)에 접근할 때 그리고/또는 상기 가공물의 두께의 변경에 응답하여 상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들(1, 2) 중 적어도 하나의 변조(modulation)를 변경시키도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 제2 가공물을 위한 것보다 제1 가공물을 위한 상기 제2 출력 레이저 빔(2)의 전력 밀도에 대한 상기 제1 출력 레이저 빔(1)의 전력 밀도의 더 높은 비율을 적용하도록 구성되며, 상기 제1 가공물 두께는 상기 제2 가공물 두께보다 더 적은,
    레이저 처리 장치.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 제1 출력 레이저 빔 및 상기 제2 출력 레이저 빔 둘 모두에 의해 상기 가공물의 관통을 유발시키도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 고리형 레이저 빔의 전원을 끄기 위해 가공물의 두께가 미리 정해진 두께 제한 값 아래로 떨어지는 것에 응답하여 상기 제2 레이저 빔(2)의 전원을 끄도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제한 값은 4 내지 8밀리미터의 범위에 있는,
    레이저 처리 장치.
  12. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 제2 레이저 디바이스의 출력 전력이 상기 제1 레이저 디바이스의 출력 전력의 2배 내지 4배의 범위에 있도록, 상기 제한 값이 초과되는 것에 응답하여 상기 제1 및/또는 상기 제2 레이저 디바이스들(30, 31)을 제어하도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 제1 및 상기 제2 출력 레이저 빔들 중 적어도 하나의 전력 밀도를 적응시키기 위해 상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔 중 적어도 하나의 광 펄스들(light pulses)의 펄스 폭(pulse width) 및/또는 주파수를 변경시키도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  14. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 적어도 부분적으로 상기 가공물(21)에 관한 사용자 입력에 기초하여 상기 전력 밀도들의 관계를 제어하도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  15. 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가공물의 두께를 감지하기 위한 센서(sensor)(17)는 상기 제어 유닛에 연결되며, 그리고 상기 제어 유닛은 상기 가공물(21)의 두께를 나타내는 수신된 센서 출력에 기초하여 상기 전력 밀도들의 관계를 적응시키도록 구성되는,
    레이저 처리 장치.
  16. 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔을 안내하도록 적응되는 상기 제1 광 공급 섬유(72; 56)의 중심은 상기 멀티-코어 광섬유(50)의 상기 제1 코어(51)의 중심과 정렬되며, 그리고 상기 제2 레이저 빔을 안내하도록 적응된 상기 적어도 하나의 제2 광 공급 섬유(71; 57)의 중심은 상기 멀티-코어 광섬유(50)의 상기 제2 고리형 코어(53)의 내경과 외경 사이에 정렬되는,
    레이저 처리 장치.
  17. 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1 레이저 디바이스(30)는 파이버 레이저(fiber laser)인,
    레이저 처리 장치.
  18. 가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법으로서,
    적어도 하나의 제1 레이저 디바이스(30)에 연결되는 적어도 하나의 제1 광 공급 섬유(32)로부터 적어도 하나의 제1 레이저 빔을 제공하는 단계;
    적어도 하나의 제2 레이저 디바이스(31)에 연결되는 적어도 하나의 제2 광 공급 섬유(33)로부터 적어도 하나의 제2 레이저 빔을 제공하는 단계;
    상기 적어도 하나의 제1 광 공급 섬유를 멀티-코어 광섬유(multi-core optical fiber)(35; 50)의 제1 코어(51)와 정렬시키고 그리고 상기 적어도 하나의 제2 광 공급 섬유를 상기 멀티-코어 광섬유(35; 50)의 제2 코어(53)와 정렬시킴으로써 상기 멀티-코어 광섬유(35; 50)에서 상기 제1 및 제2 레이저 빔들을 조합하는 단계─상기 멀티-코어 광섬유의 상기 제1 코어(51)는 원형 단면을 가지며, 그리고 상기 제2 코어(53)는 상기 제1 코어와 동심인 고리 형상을 가짐─;
    제1 및 제2 출력 빔들(1, 2)을 포함하는 복합 레이저 빔을 상기 멀티-코어 광섬유(12; 50)로부터 절단될 가공물(21)로 지향시키는 단계; 및
    상기 제어 유닛(10)에 의해 상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들(1, 2)에서 전력 밀도를 개별적으로 제어하는 단계를 포함하며, 절단 진행의 방향으로 변경 지점(22)에 접근하는 것에 응답하는 경우 및 절단되고 있는 상기 가공물(21)의 두께에 따라 상기 제1 출력 레이저 빔(1)의 전력 밀도와 상기 제2 출력 레이저 빔(2)의 전력 밀도 사이의 관계의 변경을 유발시키는 것에 응답하는 경우 중 적어도 하나의 경우에, 상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들(1, 2) 중 적어도 하나의 전력 밀도는 적응되는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 가공물(21)은 절단 작동 진행 방향의 적어도 하나의 변경을 포함하는 미리 정해진 처리 프로파일에 따라 처리되며, 그리고 상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들(1, 2) 중 적어도 하나의 전력 밀도는 상기 처리 프로파일에 대해 현재 절단 포지션(position)에 기초하여 적응되는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  20. 제18 항 또는 제19 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔(2)의 전력 밀도는 상기 변경 지점(22)에 접근하는 것에 응답하여 감소되는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  21. 제18 항 내지 제20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 밀도는, 상기 변경 지점(22)에 접근할 때 점차적으로 감소되는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  22. 제18 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔(1)은, 레이저 처리 헤드가 상기 변경 지점(22)에 접근하는 것에 응답하여 전원이 꺼지며, 그리고 상기 제1 레이저 빔은 상기 변경 지점 이후에 전원이 켜지는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  23. 제18 항 내지 제22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 밀도는 상기 가공물에 관한 레이저 헤드(20)의 현재 속도에 대해 적응되는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  24. 제18 항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들(1, 2) 중 적어도 하나의 변조는 상기 변경 지점에 접근하는 것에 응답하여 그리고/또는 상기 가공물의 두께의 변경에 응답하여 변경되는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  25. 제18 항 내지 제24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 출력 레이저 빔(2)의 전력 밀도에 대한 상기 제1 출력 레이저 빔(1)의 전력 밀도의 더 높은 비율이 상기 제2 가공물을 위한 것보다, 제1 가공물을 위해 적용되며, 상기 제1 가공물 두께는 상기 제2 가공물 두께보다 더 적은,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  26. 제18 항 내지 제25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가공물의 관통이 상기 ㅉ제1 출력 레이저 빔(1) 및 상기 제2 출력 레이저 빔(2) 둘 모두에 의해 유발되는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  27. 제18 항 내지 제26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 레이저 빔(2)은, 상기 가공물(21)의 두께가 고리형 레이저 빔의 전원을 끄기 위해 미리 정해진 두께 제한 값 아래로 떨어지는 것에 응답하여 전원이 꺼지는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 제한 값은 4 내지 8밀리미터의 범위에 있는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  29. 제27 항 또는 제28 항에 있어서,
    상기 제한 값이 초과되는 것에 응답하여, 상기 제1 및 제2 레이저 디바이스들은, 상기 제2 레이저 디바이스의 출력 전력이 상기 제1 레이저 디바이스의 출력 전력의 2배 내지 4배의 범위에 있도록 제어되는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
  30. 제18 항 내지 제29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 빔 및 상기 제2 레이저 빔 중 적어도 하나의 광 펄스들의 펄스 폭 및/또는 주파수는 상기 제1 및 제2 출력 레이저 빔들 중 적어도 하나의 전력 밀도를 적응시키도록 변경되는,
    가공물을 레이저 빔으로 절단하기 위한 방법.
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