KR20220150819A - 레이저 절단 가공방법 - Google Patents

레이저 절단 가공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 절단대상물에 대한 레이저 절단 가공 시 절단대상물의 두께 변화에 따라 노즐의 위치 또는 레이저빔의 조사 영역을 적절히 조절함으로써, 다양한 두께를 가지는 절단대상물을 효과적으로 절단 가공하면서도 가공면에 대한 가공 품질을 높일 수 있는 레이저 절단 가공방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 절단대상물의 상측에서 포커싱되어 상기 절단대상물의 표면에서 디포커싱된 상태로 레이저빔을 조사하면서 상기 절단대상물을 절단 가공하되, 노즐은 상기 절단대상물의 표면으로부터 제1간격으로 이격하여 배치되고, 이때, 레이저빔의 초점은 상기 노즐의 유로 내부에 배치되도록 상기 절단대상물의 표면으로부터 상기 제1간격보다 큰 제2간격으로 이격하여 배치되는 특징을 개시한다.

Description

레이저 절단 가공방법{METHOD FOR LASER CUTTING}
본 발명은 레이저 절단 가공방법에 관한 것으로, 상세하게는 레이저빔을 이용하여 소재, 두께 등 다양한 종류의 절단대상물에 대한 효과적인 절단 가공이 가능하면서도 우수한 가공 품질을 제공할 수 있는 레이저 절단 가공방법에 관한 것이다.
대상물에 홀을 형성하거나 대상물을 절단하는 등 미세 정밀 가공 분야에서는 레이저를 이용한 가공 장치 및 방법이 폭넓게 이용된다.
레이저 절단 가공의 품질은 소재 및 두께 등 절단대상물의 종류, 사용되는 레이저빔의 특성 및 어시스트가스의 압력 등 다양한 가공 조건에 따라 변화된다.
특히, 절단대상물의 소재에 적합한 레이저빔이 설정되었다 하더라도 절단 두께에 따라 레이저빔의 파워 및 어시스트가스의 압력 등 가공 조건에 대한 매우 정교한 제어가 요구된다. 예를 들어, 절단 두께에 따라 레이저빔의 파워 또는 어시스트가스의 압력을 직접적으로 조절하는 것만으로는 가공면에서의 표면 거칠기(Roughness)의 변화량이나 버(Burr)의 발생 정도를 제어하기가 어려운 문제가 있다. 더구나, 절단대상물이 강재일 경우에는 레이저빔의 파워 및 어시스트가스의 압력 변화에 따라 가공면의 가공 품질에 더욱 큰 영향을 받게 된다.
대한민국 등록특허공보 제1800306호 (2017.11.22.공고)
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는 절단대상물에 대한 레이저 절단 가공 시, 레이저빔의 파워 및 어시스트가스의 압력과 무관하게 노즐의 위치 또는 레이저빔의 조사 영역을 적절히 조절함으로써, 다양한 두께를 가지는 절단대상물에 대한 효과적인 절단 가공과 가공면의 가공 품질을 높일 수 있는 레이저 절단 가공방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법은, 절단대상물의 상측에서 포커싱되어 상기 절단대상물의 표면에서 디포커싱된 상태로 레이저빔을 조사하면서 상기 절단대상물을 절단 가공하되, 노즐은 상기 절단대상물의 표면으로부터 제1간격으로 이격하여 배치되고, 이때, 레이저빔의 초점은 상기 노즐의 유로 내부에 배치되도록 상기 절단대상물의 표면으로부터 상기 제1간격보다 큰 제2간격으로 이격하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법에 있어서, 상기 제2간격은 상기 절단대상물의 두께가 두꺼울수록 크게 조절될 수 있다.
본 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법에 있어서, 상기 유로는 레이저빔 및 어시스트가스가 통과하는 유동방향을 따라 유로단면적이 점차적으로 감소하는 아음속형성부와, 상기 아음속형성부에 연결되며 상기 아음속형성부로부터 상기 유동방향을 따라 유로단면적이 점차적으로 증가하는 초음속형성부와, 상기 아음속형성부 및 상기 초음속형성부 사이의 경계를 형성하는 음속경계부를 포함할 수 있고, 이 경우 상기 레이저빔의 초점은 상기 음속경계부 또는 상기 초음속형성부에 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법에 있어서, 상기 절단대상물의 표면에 디포커싱되는 상기 레이저빔의 조사 영역의 단면적은 상기 절단대상물의 두께가 두꺼울수록 크게 조절될 수 있다.
본 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법에 있어서, 상기 제1간격은 상기 절단대상물의 두께가 두꺼울수록 크게 조절될 수 있다.
본 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법에 있어서, 상기 레이저빔의 최소 출력은 10kW일 수 있다.
본 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법에 있어서, 상기 절단대상물의 두께가 6mm 내지 40mm 일 때, 상기 제1간격은 0.5mm 내지 2.8mm 범위에서 설정될 수 있고, 상기 제2간격은 6mm 내지 12mm 범위에서 설정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 절단대상물에 대한 레이저 절단 가공 시, 절단대상물의 두께 변화에 따라 노즐의 위치 또는 레이저빔의 조사 영역을 적절히 조절함으로써, 다양한 두께를 가지는 절단대상물을 효과적으로 절단 가공할 수 있고, 가공면에 대한 가공 품질을 크게 높일 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 절단대상물의 두께 변화에 따라 노즐의 위치 및 레이저빔의 조사 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노즐의 유로 내부에 배치되는 레이저빔의 초점 위치를 설명하기 위한 도면이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 절단대상물의 두께 변화에 따라 노즐의 위치 및 레이저빔의 조사 특성을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노즐의 유로 내부에 배치되는 레이저빔의 초점 위치를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 레이저 절단 가공의 품질은 절단대상물(1)의 소재, 두께 등의 특성과, 절단대상물에 조사되는 레이저빔의 특성 및 어시스트가스의 압력 등 다양한 가공 조건에 따라 변화될 수 있다.
여기서, 절단대상물(1)의 소재가 결정되었다 하더라도 절단대상물(1)의 절단 두께에 따라 레이저빔의 파워 및 어시스트가스의 압력 등 가공 조건에 대한 매우 정교한 제어가 요구된다. 예를 들어, 레이저 절단 가공 시 사용되는 레이저빔의 파워를 직접적으로 변화시키거나 어시스트가스의 압력을 직접적으로 변화시키는 것만으로는 절단 두께에 따른 가공면에서의 표면 거칠기(Roughness)의 변화량이나 버(Burr)의 발생 정도를 제어하기가 매우 곤란하다. 특히, 강재의 절단대상물(1)은 소재의 특성 상 가공 조건에 따른 가공 품질에 많은 영향을 받게 된다.
이에 본 발명은 절단대상물(1)에 대한 레이저 절단 가공 시, 레이저빔(LB)의 파워 및 어시스트가스(AG)의 압력과 무관하게 노즐(100)의 위치 또는 레이저빔(LB)의 조사 영역을 적절히 조절함으로써, 절단대상물(1)에 대한 효과적인 절단 가공과 가공면의 가공 품질을 높일 수 있도록 한 것이다.
특히, 본 발명은 절단대상물(1)의 두께(t) 변화에 따라 노즐(100)의 위치 및 레이저빔(LB)의 조사 영역을 적절히 조절함으로써, 다양한 두께(t)를 가지는 절단대상물(1)에 대한 효과적인 절단 가공과 가공면의 가공 품질을 높일 수 있도록 한다.
먼저, 본 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법이 적용되는 절단대상물(1)로는 강재가 사용될 수 있고, 강재로는 탄소강이나 스테인레스 스틸이 사용될 수 있다. 또한, 적용되는 레이저빔(LB)은 최소 출력이 10kM으로 설정될 수 있다. 또한, 어시스트가스(AG)로는 산소가 사용될 수 있다.
그리고, 기본적으로 본 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법은 노즐(100)에서 출사되는 레이저빔(LB)이 절단대상물(1)의 상측에서 포커싱되어 절단대상물(1)의 표면에서 디포커싱된 상태로 조사되면서 절단대상물(1)을 절단 가공할 수 있다. 이처럼 절단대상물(1)의 표면에서 디포커싱된 상태로 레이저빔(LB)이 조사됨에 따라, 절단대상물(1)의 효과적인 절단 가공이 수행될 수 있고, 가공면에 대한 거칠기를 낮추거나 다량의 버 발생을 억제하는 등 가공면에 대한 가공 품질을 높일 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 레이저 절단 가공방법은 절단대상물(1)의 상측에 노즐(100)을 배치하는 노즐배치단계와, 상기 노즐(100)로부터 레이저빔(LB)을 출사하며 절단대상물(1)을 절단 가공하는 절단단계를 포함할 수 있다.
노즐(100)은 레이저빔(LB) 및 어시스트가스(AG)가 경유하도록 관통 형성되는 유로(110)를 가질 수 있으며, 유로(110)를 통하여 레이저빔(LB)이 절단대상물(1)에 조사될 수 있고, 동시에 어시스트가스(AG)가 절단대상물(1)에 분사 공급될 수 있다.
또한, 노즐(100)의 유로(110)는 레이저빔(LB) 및 어시스트가스(AG)가 통과하는 유동방향을 따라 유로단면적이 점차적으로 감소하는 아음속형성부(111)와, 아음속형성부(111)에 연결되며 아음속형성부(111)로부터 유동방향을 따라 유로단면적이 점차적으로 증가하는 초음속형성부(113)와, 아음속형성부(111) 및 초음속형성부(113) 사이의 경계를 형성하는 음속경계부(115)를 포함할 수 있으며, 이때 초음속형성부(113)가 종료되는 부분이 유로(110)의 출구(101)에 해당될 수 있다.
노즐배치단계에서 노즐(100)은 절단대상물(1)로부터 제1간격(d1)으로 이격하여 배치될 수 있다. 즉, 레이저빔(LB)이 경유하는 유로(110)의 출구(101)는 절단대상물(1)의 표면으로부터 제1간격(d1)으로 이격하여 배치될 수 있다.
제1간격(d1)은 절단대상물(1)의 두께(t)에 따라 조절될 수 있다.
도 2의 (a)에서와 같이, 절단대상물(1)의 두께(t1)가 상대적으로 얇아질수록 제1간격(d11)은 작아질 수 있다. 실시예에 따른 절단대상물(1)의 최소 두께(t1)는 6mm일 수 있고, 이때 제1간격(d11)의 최소 크기는 0.5mm일 수 있다.
그리고, 도 2의 (b)에서와 같이, 절단대상물(1)의 두께(t2)가 상대적으로 두꺼울수록 제1간격(d12)은 커질 수 있다. 실시예에 따른 절단대상물(1)의 최대 두께(t2)는 40mm일 수 있고, 이때 제1간격(d12)의 최소 크기는 2.8mm일 수 있다.
이처럼 절단대상물(1)의 두께(t)에 따라 제1간격(d1)의 크기를 조절함으로써, 어시스트가스(AG)의 공급 압력과 무관하게 유로(110)를 통해 절단대상물(1)의 절단영역으로 공급되는 어시스트가스(AG)의 장입량이 조절될 수도 있다. 어시스트가스(AG)의 장입량은 절단대상물(1)의 절단되는 소재의 양과 적정의 균형을 맞춤으로써 가공면의 가공 품질을 높일 수 있다.
절단단계에서 레이저빔(LB)의 초점(fP)은 절단대상물(1)의 표면으로부터 제2간격(d2)으로 이격하여 배치될 수 있다. 이때, 제2간격(d2)은 제1간격(d1)보다 클 수 있고, 이에 따라 레이저빔(LB)의 초점(fP)은 노즐(100)의 유로(110) 내부에 배치될 수 있다. 실시예에 따른 레이저빔(LB)의 초점(fP)은 유로(110)의 음속경계부(115) 또는 초음속형성부(113)에 배치될 수 있다.
제1간격(d1)과 마찬가지 제2간격(d2)도 절단대상물(1)의 두께(t)에 따라 조절될 수 있다.
도 2의 (a)에서와 같이, 절단대상물(1)의 두께(t1)가 상대적으로 얇아질수록 제2간격(d21)은 작아질 수 있다. 즉, 절단대상물(1)의 두께(t1)가 상대적으로 얇아질수록 레이저빔(LB)의 초점(fP)은 유로(110)의 초음속형성부(113)의 하부영역으로 이동될 수 있다. 실시예에 따른 절단대상물(1)의 최소 두께(t1)가 6mm일 때, 제2간격(d21)의 최소 크기는 6mm일 수 있다.
그리고, 도 2의 (b)에서와 같이, 절단대상물(1)의 두께(t2)가 상대적으로 두꺼울수록 제2간격(d22)은 커질 수 있다. 즉, 절단대상물(1)의 두께(t2)가 상대적으로 두꺼울수록 노즐(100)의 유로(110)의 음속경계부(115)를 향해 상부영역으로 이동될 수 있다. 실시예에 따른 절단대상물(1)의 최대 두께(t2)가 40mm일 때, 제2간격(d22)의 최대 크기는 12mm일 수 있다.
한편, 절단단계에서 절단대상물(1)의 표면에는 디포커싱되는 레이저빔(LB)의 조사 영역의 단면적(A)이 마련될 수 있는데, 앞서 설명한 제1간격(d1) 및 제2간격(d2)과 마찬가지 단면적(A)도 절단대상물(1)의 두께(t)에 따라 조절될 수 있다.
도 2의 (a)에서와 같이, 절단대상물(1)의 두께(t1)가 상대적으로 얇아질수록 절단대상물(1)의 표면에는 디포커싱되는 레이저빔(LB)의 단면적(A1)은 작아지게 설정될 수 있다. 단면적(A1)이 작아지면 절단대상물(1)의 절단폭이 작아질 수 있다.
이처럼 절단대상물(1)의 표면에는 디포커싱되는 레이저빔(LB)의 단면적(A1)이 작아지게 설정될 경우, 상대적으로 얇은 두께(t1)를 가지는 절단대상물(1)의 절단영역에 적정의 에너지 강도가 균일하게 전달될 수 있도록, 가공속도(V1)는 상대적으로 빠르게 설정될 수 있고, 레이저빔(LB)의 출력은 상대적으로 높아질 수 있다.
그리고, 도 2의 (b)에서와 같이, 절단대상물(1)의 두께(t2)가 상대적으로 두꺼울수록 절단대상물(1)의 표면에는 디포커싱되는 레이저빔(LB)의 단면적(A2)은 커지게 설정될 수 있다. 단면적(A2)이 커지면 절단대상물(1)의 절단폭이 커질 수 있다.
이처럼 절단대상물(1)의 표면에는 디포커싱되는 레이저빔(LB)의 단면적(A2)이 커지게 설정될 경우, 상대적으로 두꺼운 두께(t2)를 가지는 절단대상물(1)의 절단영역에 적정의 에너지 강도가 균일하게 전달될 수 있도록, 가공속도(V2)는 상대적으로 느리게 설정될 수 있고, 레이저빔(LB)의 출력은 상대적으로 낮아질 수 있다.
절단대상물(1)의 표면에 디포커싱되는 레이저빔(LB)의 조사 영역의 단면적(A)의 크기는 제1간격(d1)을 변화시킴으로써 조절될 수 있고, 제2간격(d2)을 변화시킴으로써 조절될 수도 있다.
이상에서와 같이, 도 2의 (a)에서와 같이, 절단대상물(1)의 두께(t1)가 상대적으로 얇아질 경우에는 제1간격(d11), 제2간격(d21) 및 단면적(A1) 중 적어도 어느 하나의 크기를 상대적으로 작게 설정하고, 도 2의 (b)에서와 같이, 절단대상물(1)의 두께(t2)가 상대적으로 두꺼워질 경우에는 제1간격(d12), 제2간격(d22) 및 단면적(A2) 중 적어도 어느 하나의 크기를 상대적으로 크게 설정함으로써, 레이저빔(LB)의 설정된 출력과 무관하게 절단에 요구되는 적정의 에너지 강도를 제공하여 절단대상물(1)을 효과적으로 절단 가공할 수 있고, 가공면에 대한 거칠기를 낮추고 다량의 버 발생을 억제하는 등 가공 품질을 크게 높일 수 있다.
또한, 도 2의 (a)에서와 같이, 절단대상물(1)의 두께(t1)가 상대적으로 얇아지면 제1간격(d11)의 크기를 상대적으로 작게 설정하고, 도 2의 (b)에서와 같이, 절단대상물(1)의 두께(t2)가 상대적으로 두꺼워지면 제1간격(d12)의 크기를 상대적으로 크게 설정하면, 어시스트가스(AG)의 공급 압력과 무관하게 절단대상물(1)의 절단영역으로 공급되는 어시스트가스(AG)의 장입량이 절단대상물(1)에서 절단되는 소재의 양과 적정의 균형을 맞출 수 있게 된다. 이로 인하여 가공면의 가공 품질을 더욱 높일 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
1: 절단대상물
100: 노즐
d1: 제1간격(절단대상물 및 노즐 간의 거리)
d2: 제2간격(절단대상물 및 레이저빔의 초점 간의 거리)

Claims (7)

  1. 절단대상물의 상측에서 포커싱되어 상기 절단대상물의 표면에서 디포커싱된 상태로 레이저빔을 조사하면서 상기 절단대상물을 절단 가공하되,
    노즐은 상기 절단대상물의 표면으로부터 제1간격으로 이격하여 배치되고,
    레이저빔의 초점은 상기 노즐의 유로 내부에 배치되도록 상기 절단대상물의 표면으로부터 상기 제1간격보다 큰 제2간격으로 이격하여 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 가공방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2간격은 상기 절단대상물의 두께가 두꺼울수록 크게 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 가공방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 레이저빔 및 어시스트가스가 통과하는 유동방향을 따라 유로단면적이 점차적으로 감소하는 아음속형성부와, 상기 아음속형성부에 연결되며 상기 아음속형성부로부터 상기 유동방향을 따라 유로단면적이 점차적으로 증가하는 초음속형성부와, 상기 아음속형성부 및 상기 초음속형성부 사이의 경계를 형성하는 음속경계부를 포함하고,
    상기 레이저빔의 초점은 상기 음속경계부 또는 상기 초음속형성부에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 가공방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절단대상물의 표면에 디포커싱되는 상기 레이저빔의 조사 영역의 단면적은 상기 절단대상물의 두께가 두꺼울수록 크게 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 가공방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1간격은 상기 절단대상물의 두께가 두꺼울수록 크게 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 가공방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저빔의 최소 출력은 10kW인 것을 특징으로 하는 레이저 절단 가공방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절단대상물의 두께가 6mm 내지 40mm 일때,
    상기 제1간격은 0.5mm 내지 2.8mm 범위에서 설정되고,
    상기 제2간격은 6mm 내지 12mm 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 절단 가공방법.
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