KR20240078007A - Laser Cutting Head Based on Sheet Beam - Google Patents

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KR20240078007A KR1020220160517A KR20220160517A KR20240078007A KR 20240078007 A KR20240078007 A KR 20240078007A KR 1020220160517 A KR1020220160517 A KR 1020220160517A KR 20220160517 A KR20220160517 A KR 20220160517A KR 20240078007 A KR20240078007 A KR 20240078007A
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송기희
신재성
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 원통형 렌즈(Cylindrical Lens)를 이용하여 한 축으로 집속하여 시트 빔을 형성하는 레이저 절단 헤드로서, 중공의 관로가 형성되며, 내부에서 레이저 빔이 집속되는 케이스부와, 상기 케이스부의 일측에 위치되고, 상기 케이스부의 일측으로 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생부 및 상기 케이스부의 내부에 위치되고, 상기 레이저 빔 발생부에서 발생되어 상기 케이스부의 일측으로 입사된 레이저 빔을 집속시키는 집속부를 포함하고, 상기 집속부는, 상기 입사된 레이저 빔을 시준하는 콜리메이션 렌즈와, 상기 콜리메이션 렌즈를 통과한 상기 레이저 빔을 한 축으로 집속시키는 원통형 렌즈로 형성된 집속 렌즈를 포함하고, 상기 집속 렌즈를 지난 레이저 빔이 집속된 축 방향을 제1 방향이라고 하고, 상기 제1 방향과 수직인 방향을 제2 방향이라고 정의하면, 집속된 상기 레이저 빔은, 상기 제2 방향으로 일정한 두께의 시트 형상이다. 절단 진행 방향과 시트빔의 방향을 동일하게 정렬함으로써 절단 시 발생하는 발산에 따른 열적 손실을 최소화할 수 있다.The present invention is a laser cutting head that forms a sheet beam by focusing it on one axis using a cylindrical lens. A hollow pipe is formed, a case part where the laser beam is focused inside, and a case part on one side of the case part. It is located and includes a laser beam generator that generates a laser beam to one side of the case portion, and a focusing portion located inside the case portion that focuses the laser beam generated by the laser beam generator and incident to one side of the case portion. , the focusing unit includes a focusing lens formed of a collimation lens for collimating the incident laser beam, and a cylindrical lens for focusing the laser beam passing through the collimation lens to one axis, and the laser beam passing through the focusing lens If the axial direction in which the beam is focused is defined as the first direction, and the direction perpendicular to the first direction is defined as the second direction, the focused laser beam is in the shape of a sheet with a constant thickness in the second direction. By aligning the cutting progress direction and the direction of the sheet beam to be the same, thermal loss due to divergence that occurs during cutting can be minimized.

Description

시트빔 기반 레이저 절단 헤드{Laser Cutting Head Based on Sheet Beam}Laser Cutting Head Based on Sheet Beam}

본 발명은 레이저 절단 헤드에 대한 것으로서, 레이저 빔을 시트 형상으로 집속하여 높은 에너지 효율을 갖는 레이저 절단 헤드에 대한 것이다.The present invention relates to a laser cutting head, which has high energy efficiency by focusing a laser beam into a sheet shape.

레이저 절단장치는 대상체에 레이저 빔을 조사하여 대상체를 절단하는 장치이다. 레이저 절단장치는 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발생장치, 발생된 레이저 빔을 좁은 영역에 집속 시키는 레이저 절단 헤드 및 고압 가스 공급 장치를 포함한다.A laser cutting device is a device that cuts an object by radiating a laser beam to the object. The laser cutting device includes a laser generator that generates a laser beam, a laser cutting head that focuses the generated laser beam into a narrow area, and a high-pressure gas supply device.

레이저 절단장치는 대상체에 집속된 레이저 빔을 조사하고, 레이저 빔은 대상체의 좁은 부위에 높은 에너지를 가하게 되어 정밀하게 가공할 수 있게 된다.A laser cutting device irradiates a laser beam focused on an object, and the laser beam applies high energy to a narrow area of the object, enabling precise processing.

대상체에 조사된 레이저 빔은 급속한 열변형을 통해 바뀌면서 대상체를 절단할 수 있게 된다. 즉, 광 에너지의 일부 또는 전부가 열에너지로 변환되면서 대상체가 용융되고, 고압가스를 이용하여 제거함으로써 절단할 수 있게 되는 것이다.The laser beam irradiated to the object changes through rapid thermal deformation, making it possible to cut the object. In other words, part or all of the light energy is converted into heat energy, melting the object, and removing it using high-pressure gas allows it to be cut.

원전 해체용 레이저 절단 가공 장치는, 열 절단 기술의 한 가지로서, 레이저 빔을 이용하여 절단 대상체를 용융 시키고, 그 용융물을 고압가스로 제거함으로써 절단 대상체를 절단한다. A laser cutting processing device for nuclear power plant decommissioning is a type of thermal cutting technology that melts an object to be cut using a laser beam and removes the melt with high-pressure gas to cut the object.

절단 시 절단 대상체를 균일하게 용융 시키는 것이 중요하고, 용융 작업의 균일성은 레이저 빔의 품질, 에너지 밀도, 및 균일도 등에 영향을 받는다. 따라서, 성공적인 절단 작업 수행을 위해 절단 환경에 최적화된 레이저 빔 특성 제어 및 레이저 헤드 설계가 요구된다.When cutting, it is important to uniformly melt the cutting object, and the uniformity of the melting operation is affected by the quality of the laser beam, energy density, and uniformity. Therefore, in order to perform a successful cutting operation, control of laser beam characteristics and laser head design optimized for the cutting environment are required.

한국 특허출원 제10-2021-0030124호 (2021.03.08 출원)Korean Patent Application No. 10-2021-0030124 (filed on March 8, 2021)

본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 원통형 렌즈(Cylindrical Lens)를 이용하여 한 축으로 집속하여 시트 빔을 형성하는 레이저 절단 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the above problems, and its purpose is to provide a laser cutting head that forms a sheet beam by focusing on one axis using a cylindrical lens.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같이 형성된 레이저 절단 헤드를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a laser cutting head formed as follows.

본 발명의 일실시예에 따른 레이저 절단 헤드는, 중공의 관로가 형성되며, 내부에서 레이저 빔이 집속되는 케이스부와, 상기 케이스부의 일측에 위치되고, 상기 케이스부의 일측으로 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생부 및 상기 케이스부의 내부에 위치되고, 상기 레이저 빔 발생부에서 발생되어 상기 케이스부의 일측으로 입사된 레이저 빔을 집속시키는 집속부를 포함하고, 상기 집속부는, 상기 입사된 레이저 빔을 시준하는 콜리메이션 렌즈와, 상기 콜리메이션 렌즈를 통과한 상기 레이저 빔을 한 축으로 집속시키는 원통형 렌즈(Cylindrical Lens)로 형성된 집속 렌즈를 포함하고, 상기 집속 렌즈를 지난 레이저 빔이 집속된 축 방향을 제1 방향이라고 하고, 상기 제1 방향과 수직인 방향을 제2 방향이라고 정의하면, 집속된 상기 레이저 빔은, 상기 제2 방향으로 일정한 두께의 시트 형상이다. The laser cutting head according to an embodiment of the present invention includes a case part in which a hollow pipe is formed and a laser beam is focused inside, and a laser located on one side of the case part and generating a laser beam to one side of the case part. It includes a beam generator and a focusing portion located inside the case portion and focusing a laser beam generated from the laser beam generating portion and incident on one side of the case portion, wherein the focusing portion has a collimator that collimates the incident laser beam. It includes a focusing lens formed of a mation lens and a cylindrical lens that focuses the laser beam passing through the collimation lens to one axis, and the axis direction in which the laser beam passing through the focusing lens is focused is a first direction. If the direction perpendicular to the first direction is defined as the second direction, the focused laser beam is in the shape of a sheet with a constant thickness in the second direction.

또한, 상기 레이저 빔의 조사 방향을 조절하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 절단 대상물이 절단되어야 하는 가공 방향과 상기 제1 방향이 일치하도록 제어한다.In addition, it further includes a control unit that adjusts the irradiation direction of the laser beam, and the control unit controls the first direction to match the processing direction in which the cutting object is to be cut.

본 발명은 위와 같은 구조를 통하여, 레이저 빔의 집속된 후 확산에 의한 열손실을 최소화함으로써 두꺼운 절단 대상물을 보다 균일한 절단 품질로서 절단할 수 있다. 또한, 개구수가 큰 집속렌즈를 사용할 수 있기에 레이저 절단 헤드의 소형화에 유리하다. Through the above structure, the present invention can cut thick cutting objects with more uniform cutting quality by minimizing heat loss due to diffusion after the laser beam is focused. In addition, since a focusing lens with a large numerical aperture can be used, it is advantageous for miniaturizing the laser cutting head.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 절단 헤드의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 절단 헤드 내부의 광학 구성 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 집속부에 포함되는 원통형 렌즈의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 레이저 절단 헤드에서 조사된 레이저 빔의 집속 및 발산 형상의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드에서 (a)는 레이저 절단 헤드의 위에서 바라본 레이저 빔의 형상을 도시하며, (b)는 레이저 절단 헤드의 측면에서 바라본 레이저 빔의 형상을 도시하고, (c)는 레이저 절단 헤드에서 조사된 빔이 절단 대상체 내부인 A 위치에서의 xy 단면과 B 위치에서의 xy 단면에서 빔의 형상을 도시한다.
도 6은 기존의 레이저 절단 헤드에서 조사된 레이저 빔의 집속 및 발산 형상의 개략도이다.
도 7은 기존의 레이저 절단 헤드에서 (a)는 위에서 바라본 레이저 빔의 형상을 도시하며, (b)는 측면에서 바라본 레이저 빔의 형상을 도시한다. 그리고, (c)는 레이저 절단 헤드에서 조사된 빔이 절단 대상체 내부인 A 위치에서의 xy 단면과 B 위치에서의 xy 단면에서 빔의 형상을 도시한다.1 is a schematic diagram of a laser cutting head according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of the optical configuration inside a laser cutting head according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a perspective view of a cylindrical lens included in the focusing unit according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram of the focus and divergence shapes of a laser beam emitted from a laser cutting head according to an embodiment of the present invention.
5 shows the shape of the laser beam viewed from the top of the laser cutting head in (a), (b) shows the shape of the laser beam viewed from the side of the laser cutting head, and (c) in the laser cutting head according to the present invention. ) shows the shape of the beam in the xy cross-section at position A and the xy cross-section at position B, where the beam irradiated from the laser cutting head is inside the cutting object.
Figure 6 is a schematic diagram of the focus and divergence shapes of a laser beam emitted from a conventional laser cutting head.
Figure 7 shows (a) the shape of the laser beam viewed from above, and (b) shows the shape of the laser beam viewed from the side in the existing laser cutting head. And, (c) shows the shape of the beam irradiated from the laser cutting head in the xy cross-section at position A and the xy cross-section at position B, which are inside the cutting object.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the spirit of the present invention is not limited to the presented embodiments, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may add, change, or delete other components within the scope of the same spirit, or create other degenerative inventions or this invention. Other embodiments that are included within the scope of the inventive idea can be easily proposed, but it will also be said that this is included within the scope of the inventive idea of the present application.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 절단 헤드를 개략적으로 도시한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 절단 헤드의 광학 구성을 개략적으로 도시한다.1 schematically shows a laser cutting head according to one embodiment of the present invention. Figure 2 schematically shows the optical configuration of a laser cutting head according to one embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 레이저 절단 헤드는, 케이스부(1), 레이저 빔 발생부(2) 및 집속부(3)를 포함한다. The laser cutting head according to an embodiment of the present invention includes a case part (1), a laser beam generating part (2), and a focusing part (3).

케이스부(1)는 내부에 중공의 관로가 형성되어 레이저 빔의 경로가 된다. 그리고, 내부에서 레이저 빔이 집속되어 외부의 특정 지점에 조사되도록 할 수 있다.The case portion 1 has a hollow pipe formed inside it to serve as a path for the laser beam. Also, the laser beam can be focused inside and irradiated to a specific point on the outside.

레이저 빔 발생부(2)는, 상기 케이스부(1)의 일측에 위치되고, 상기 케이스부(1)의 일측으로 레이저 빔을 발생시킨다.The laser beam generator 2 is located on one side of the case portion 1 and generates a laser beam toward one side of the case portion 1.

일례로 레이저 빔 발생부(2)는 상기 레이저 빔을 형성하는 레이저 발진기(21)와, 상기 레이저 발진기(21)로부터 형성된 레이저 빔을 전송하는 광섬유(22)를 포함할 수 있다.For example, the laser beam generator 2 may include a laser oscillator 21 that forms the laser beam, and an optical fiber 22 that transmits the laser beam formed from the laser oscillator 21.

레이저 발진기(21)는 레이저 빔을 형성하고, 상기 레이저 발진기(21)로부터 형성된 레이저 빔을 전송하도록 일측은 레이저 발진기(21)의 빔 발생부분의 타측은 상기 고정부(9)에 고정된 상태로 상기 케이스부(1)에 위치될 수 있다. 이를 통하여 레이저 빔 발생부(2)에서 발생된 레이저 빔이 케이스부(1)의 일측으로 입사된다.The laser oscillator 21 forms a laser beam, and one side of the beam generating part of the laser oscillator 21 is fixed to the fixing part 9 to transmit the laser beam formed from the laser oscillator 21. It may be located in the case portion (1). Through this, the laser beam generated from the laser beam generator 2 is incident on one side of the case portion 1.

그리고, 상기 광섬유(22)를 상기 케이스부(1)에 고정시키는 고정부(9)가 형성될 수 있다. 고정부(9)는 광섬유(22)와 결합되되, 유연성이 없는 소재로 형성된 케이스부(1)와의 사이에서 레이저 절단 헤드의 움직임에 따라 유연하게 동작할 수 있도록 소재나 형상이 유연하게 구성되어 있을 수 있다.Additionally, a fixing part 9 may be formed to fix the optical fiber 22 to the case part 1. The fixing part (9) is coupled to the optical fiber (22), and has a flexible material or shape so that it can operate flexibly according to the movement of the laser cutting head between the case part (1) made of an inflexible material. You can.

집속부(3)는 상기 케이스부(1)의 내부에 위치되고, 상기 상기 레이저 빔 발생부(2)에서 발생되어 상기 케이스부(1)의 일측으로 입사된 레이저 빔을 집속시킨다. 집속부(3)에는 상기 레이저 빔의 경로를 따라, 콜리메이션 렌즈(Collimation Lens, 31)와 집속 렌즈(32)가 차례로 위치된다. The focusing part 3 is located inside the case part 1 and focuses the laser beam generated from the laser beam generating part 2 and incident on one side of the case part 1. In the focusing unit 3, a collimation lens 31 and a focusing lens 32 are sequentially positioned along the path of the laser beam.

콜리메이션 렌즈(31)는 상기 입사된 레이저 빔을 시준한다. 그러므로 상기 콜리메이션 렌즈(31)를 통과한 빔은 시준빔(Collimated Beam)이 된다. 그리고, 집속 렌즈(32)는 상기 콜리메이션 렌즈(31)를 통과한 상기 레이저 빔을 한 축으로 집속시키는 원통형 렌즈(Cylindrical Lens)로 형성될 수 있다.The collimation lens 31 collimates the incident laser beam. Therefore, the beam that passes through the collimation lens 31 becomes a collimated beam. Additionally, the focusing lens 32 may be formed as a cylindrical lens that focuses the laser beam that has passed through the collimation lens 31 to one axis.

원통형 렌즈는 하나의 선으로 빔을 집속시킨다. 따라서, 한 축으로 집속되므로, 집속된 상기 레이저 빔의 진행방향 또는 조사방향과 수직한 단면의 형상은 사각형이 될 수 있다. 가장 좁은 면적의 집속 면적을 갖는 위치 외에 다시 발산되는 빔에서도 단면 형상은 사각 형상과 유사하다. A cylindrical lens focuses the beam into a single line. Therefore, since it is focused on one axis, the cross-sectional shape perpendicular to the direction of travel or irradiation of the focused laser beam may be square. In addition to the position with the narrowest focusing area, the cross-sectional shape of the re-radiated beam is similar to a square shape.

또한, 상기 집속 렌즈(32)를 지난 레이저 빔이 집속된 축 방향을 제1 방향이라고 하고, 상기 제1 방향과 수직인 방향을 제2 방향이라고 정의하면, 집속된 상기 레이저 빔은, 상기 제2 방향으로 최적화된 일정한 두께의 시트 형상인 시트 빔(Sheet Beam)으로 진행한다. 그러므로, 집속된 상기 레이저 빔의 조사방향과 수직한 단면에서의 레이저 빔의 형상은 가늘고 긴 형상일 수 있다.In addition, if the axial direction in which the laser beam passing through the focusing lens 32 is focused is defined as the first direction, and the direction perpendicular to the first direction is defined as the second direction, the focused laser beam is defined as the second direction. It proceeds with a sheet beam, which is a sheet shape of constant thickness optimized in the direction. Therefore, the shape of the laser beam in a cross section perpendicular to the irradiation direction of the focused laser beam may be elongated.

본 발명의 일실시예에 따른 레이저 절단 헤드는, 상기 케이스부(1)의 타측에 연결되고, 노즐이 구비되어 상기 집속부(3)에서 집속된 빔이 조사되는 노즐부(4)와, 상기 케이스부(1)와 상기 노즐부(4)의 사이에 위치되고, 적어도 하나 이상의 가스 투입구(51)가 형성된 가이드부(5) 및 상기 가이드부(5)와 상기 노즐부(4)의 사이에 위치되고, 상기 노즐부(4)를 향해서 좁아지게 경사지는 경사부(6)를 더 포함할 수 있다.The laser cutting head according to an embodiment of the present invention includes a nozzle part (4) connected to the other side of the case part (1) and provided with a nozzle to which the focused beam from the focusing part (3) is irradiated, A guide portion (5) located between the case portion (1) and the nozzle portion (4) and formed with at least one gas inlet (51), and between the guide portion (5) and the nozzle portion (4). It may further include an inclined portion 6 that is located and narrowly inclined toward the nozzle portion 4.

노즐부(4)는 집속된 레이저 빔이 조사되도록 한다. 집속부(3)를 지난 레이저 빔은 일정한 거리를 두고서 가장 좁은 범위에 집속된다. 집속거리를 고려하여 노즐부(4)가 위치된다. 그리고 직접 케이스부(1)에 결합될 수 있으나, 케이스부(1)와 노즐부(4)의 사이에 가이드부(5) 및 경사부(6)를 더 포함할 수도 있다. The nozzle unit 4 allows a focused laser beam to be irradiated. The laser beam that has passed through the focusing unit 3 is focused in the narrowest range at a certain distance. The nozzle unit 4 is positioned considering the focusing distance. It may be directly coupled to the case portion 1, but may further include a guide portion 5 and an inclined portion 6 between the case portion 1 and the nozzle portion 4.

가이드부(5)는 가스 투입구(51)를 통하여 인입된 고압의 보조 가스가 용융물을 제거함으로써 절단 대상체(100)을 절단할 수 있다. 또한, 절단 가공에 의하여 형성된 티끌 등의 불순물이 레이저 절단 헤드 내부로 인입되는 것을 방지하기 위하여 가스가 함께 분사될 수 있다. 불순물이 레이저 절단 헤드에 인입되는 경우에는 내부의 빔의 경사가 막히거나, 집속부(3)의 광학계 구성이 망가지는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 것을 방지하기 위하여, 보조 가스가 가스 투입구(51)로 인입되고, 레이저 빔의 조사와 함께 분사될 수 있다. 보조 가스로 사용되는 가스는 공기, 아르곤, 헬륨, 질소, 산소 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 이러한 보조 가스는 절단 대상체(100)의 용융을 촉진하는 효과로 절단 대상체(100)의 절단을 촉진하는 효과도 제공할 수 있다.The guide unit 5 can cut the cutting object 100 by removing molten material using high-pressure auxiliary gas introduced through the gas inlet 51. Additionally, gas may be sprayed together to prevent impurities such as dust formed during cutting from entering the inside of the laser cutting head. If impurities enter the laser cutting head, the tilt of the internal beam may be blocked or the optical system of the focusing unit 3 may be damaged. To prevent this, auxiliary gas may be introduced into the gas inlet 51 and injected together with irradiation of the laser beam. The gas used as the auxiliary gas may include any one or more of air, argon, helium, nitrogen, and oxygen. In addition, this auxiliary gas may also provide an effect of promoting cutting of the cutting object 100 by promoting melting of the cutting object 100 .

경사부(6)는 가이드부(5)로부터 노즐부(4)를 향해서 좁게 형성되므로, 보조 가스가 면적이 좁아짐에 따라 발생하는 압력 차에 의하여 용이하게 배출되는 효과가 발생한다.Since the inclined portion 6 is formed narrowly from the guide portion 5 toward the nozzle portion 4, the auxiliary gas is easily discharged by the pressure difference generated as the area becomes narrower.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 절단 헤드는 상기 레이저 빔의 조사 방향을 조절하는 제어부(7)와, 상기 케이스부(1)에 연결되며 상기 제어부(7)에 의하여 제어되는 매니퓰레이터(8)를 더 포함할 수 있다.The laser cutting head according to an embodiment of the present invention includes a control unit 7 that controls the irradiation direction of the laser beam, and a manipulator 8 connected to the case unit 1 and controlled by the control unit 7. More may be included.

제어부(7)는 레이저 빔의 조사 방향과 레이저 절단 헤드의 위치를 조절할 수 있다. 제어부(7)는 절단 대상물이 절단되어야 하는 가공 방향과 상기 제1 방향이 일치하도록 제어할 수 있다. 제1 방향으로 집속되기 때문에, 발산 역시 주로 제1 방향으로만 발생하고, 제2 방향으로의 발산은 제1 방향의 발산에 비하여 적게 된다. 그러므로, 절단 진행 방향과 시트빔의 방향을 동일하게 정렬할 수 있고, 일례로, 절단 진행 방향인 가공 방향과 발산이 큰 방향인 제1 방향을 동일하게 정렬하여 발산에 따른 열적 손실을 최소화할 수 있다. 그러므로 절단 품질을 향상할 수 있다.The control unit 7 can adjust the irradiation direction of the laser beam and the position of the laser cutting head. The control unit 7 may control the first direction to match the processing direction in which the cutting object must be cut. Because it is focused in the first direction, divergence also mainly occurs only in the first direction, and divergence in the second direction is less than divergence in the first direction. Therefore, the cutting direction and the direction of the sheet beam can be aligned equally, and for example, the processing direction, which is the cutting direction, and the first direction, which is the direction of large divergence, can be aligned equally to minimize thermal loss due to divergence. there is. Therefore, cutting quality can be improved.

매니퓰레이터(8)는 상기 케이스부(1)에 연결되어 상기 제어부(7)의 명령에 따라 레이저 절단 헤드의 위치를 조절할 수 있다. 제어부(7)와 매니퓰레이터(8)에 의하여, 집속거리 및 절단 대상체(100)의 두께 등을 고려하여 절단 대상체(100)와의 거리를 조절할 수 있으므로, 가공의 효율이 높아질 수 있다.The manipulator 8 is connected to the case part 1 and can adjust the position of the laser cutting head according to commands from the control part 7. The control unit 7 and the manipulator 8 can adjust the distance to the cutting object 100 in consideration of the focusing distance and the thickness of the cutting object 100, so that processing efficiency can be increased.

도 3은 원통형 렌즈를 도시한다. 도 4는 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드에서 조사된 레이저 빔의 형상을 도시한다. 도 5는 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드에서 (a)는 레이저 절단 헤드의 위에서 바라본 레이저 빔의 형상을 도시하며, (b)는 레이저 절단 헤드의 측면에서 바라본 레이저 빔의 형상을 도시하고, (c)는 레이저 절단 헤드에서 조사된 빔이 절단 대상체 내부인 A 위치에서의 단면과 B 위치에서의 단면에서 빔의 형상을 도시한다. Figure 3 shows a cylindrical lens. Figure 4 shows the shape of the laser beam emitted from the laser cutting head according to the present invention. 5 shows the shape of the laser beam viewed from the top of the laser cutting head in (a), (b) shows the shape of the laser beam viewed from the side of the laser cutting head, and (c) in the laser cutting head according to the present invention. ) shows the shape of the beam in the cross section at position A and the cross section at position B, where the beam irradiated from the laser cutting head is inside the cutting object.

원통형 렌즈는 시트형태로 빔을 집속시키는 렌즈로서, 곡면과 단면으로 이루어질 수 있다. 원통형 렌즈는 원기둥의 일부의 형상을 나타낼 수 있다. A cylindrical lens is a lens that focuses a beam in the form of a sheet and can have a curved surface and a cross-section. A cylindrical lens may take the shape of a portion of a cylinder.

도 3을 참조하면, 원통형 렌즈의 통과 이후에도 집속되지 않는 방향인 y축 방향이 제2 방향일 수 있다. 그리고, x축 방향으로 집속되므로 집속된 축 방향이 제1 방향일 수 있다. 이때, z축 방향은 빔의 진행 방향이 된다. Referring to FIG. 3, the y-axis direction, which is a direction that is not focused even after passing through the cylindrical lens, may be the second direction. And, since it is focused in the x-axis direction, the focused axis direction may be the first direction. At this time, the z-axis direction becomes the traveling direction of the beam.

도 4를 참조하면, 노즐부(4)에서 조사된 빔은 가장 적은 면적이 될 때까지 집속된 후, 다시 발산된다. 집속 렌즈의 위치에서 가장 좁은 면적이 되는 지점까지의 거리가 집속거리가 된다. Referring to FIG. 4, the beam irradiated from the nozzle unit 4 is focused until it reaches the smallest area and then diverges again. The distance from the position of the focusing lens to the narrowest area is the focusing distance.

본 발명의 일 실시예에 따른 집속 렌즈(32)는 한 축으로만 집속시키기 때문에, 집속된 빔이 발산될 때도 한 축으로 발산되게 된다. 즉, 집속된 방향으로 다시 발산되는 특성을 갖게 된다.Since the focusing lens 32 according to an embodiment of the present invention focuses only on one axis, even when the focused beam diverges, it diverges on one axis. In other words, it has the characteristic of radiating back in the direction in which it was focused.

도 5를 참조하면, 레이저 빔은 집속 렌즈(32)를 지나 굴절률 변화를 갖는 제1 방향에 대하여 절단 대상체(100)의 내부 특정 위치 A에서 최대로 집속된다. A 위치에서는 단일 면적에 대하여 가장 높은 빔 세기를 갖는다. 반면에, 제2 방향의 경우, 절단 대상체(100)의 용융을 충분히 야기시키는 최적화된 두께로 시준된 빔이 절단 대상체(100) 내부를 진행한다. B 위치에서의 빔의 단면 크기에서 볼 수 있듯이 절단 과정에서 주요 열적 손실이 되는 제2 방향에 대한 빔의 발산을 최소화하고, 발산되는 빔의 축 방향인 제1 방향을 가공 방향과 동일하게 정렬함으로써, 절단 과정에서 발생하는 열적 손실을 최소화할 수 있다. 도 5의 (c)를 참조하면, 오른쪽에 화살표 방향이 가공 방향일 수 있다.Referring to FIG. 5 , the laser beam passes through the focusing lens 32 and is maximally focused at a specific position A inside the cutting object 100 with respect to the first direction having a change in refractive index. Position A has the highest beam intensity for a single area. On the other hand, in the case of the second direction, a beam collimated with an optimized thickness that sufficiently causes melting of the cutting object 100 proceeds inside the cutting object 100. As can be seen from the cross-sectional size of the beam at position B, the divergence of the beam in the second direction, which is the main thermal loss during the cutting process, is minimized, and the first direction, which is the axial direction of the diverged beam, is aligned to be the same as the processing direction. , thermal loss occurring during the cutting process can be minimized. Referring to (c) of FIG. 5, the direction of the arrow on the right may be the processing direction.

또한, 한 축으로 집속되어 발산하고 나머지 한 축은 일정한 두께로 빔의 모양을 유지하며 빔은 시트 형태로 진행함으로써, 빔의 진행방향에 대하여 보다 균일하게 빔이 조사되는 효과를 제공한다.In addition, by focusing and diverging on one axis and maintaining the shape of the beam at a constant thickness on the other axis, and the beam traveling in the form of a sheet, it provides the effect of irradiating the beam more uniformly in the direction of the beam.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(7)는 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향의 길이 대비 상기 제2 방향의 길이가 가장 큰 위치인 집속거리에 상기 절단 대상물이 위치되도록 상기 매니퓰레이터(8)를 제어할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the control unit 7 uses the manipulator 8 to position the cutting object at a focus distance where the length of the second direction is the largest compared to the length of the laser beam in the first direction. can be controlled.

절단 대상체(100)의 내부에 상기 레이저 빔의 상기 제1 방향의 길이 대비 상기 제2 방향의 길이가 가장 큰 부분인 집속거리가 위치되어야 절단 대상체(100)를 효과적으로 가공할 수 있다. 그러므로, 제어부(7)는 집속거리를 연산하고, 상기 절단 대상체(100)의 두께를 고려하여, 상기 절단 대상체(100)의 내측에 에너지 효율이 가장 뛰어난 점이 포함되도록 매니퓰레이터(8)를 통하여 거리를 조절할 수 있다.The cutting object 100 can be effectively processed only when the focus distance, which is the part where the length of the laser beam in the second direction is the largest compared to the length of the laser beam in the first direction, is located inside the cutting object 100. Therefore, the control unit 7 calculates the focusing distance, considers the thickness of the cutting object 100, and adjusts the distance through the manipulator 8 so that the point with the highest energy efficiency is included inside the cutting object 100. It can be adjusted.

도 6과 도 7은 기존의 한 쌍의 투과형 렌즈로 집속부가 형성된 경우의 빔 형상을 도시한다. 도 6은 기존의 레이저 절단 헤드에서 조사된 레이저 빔의 형상을 도시한다. 도 7은 기존의 레이저 절단 헤드에서 (a)는 위에서 바라본 레이저 빔의 형상을 도시하며, (b)는 측면에서 바라본 레이저 빔의 형상을 도시한다. 그리고, (c)는 레이저 절단 헤드에서 조사된 빔이 절단 대상체 내부인 A 위치에서의 단면과 B 위치에서의 단면에서 빔의 형상을 도시한다.Figures 6 and 7 show the beam shape when the focusing part is formed with a pair of existing transmissive lenses. Figure 6 shows the shape of a laser beam emitted from a conventional laser cutting head. Figure 7 shows (a) the shape of the laser beam viewed from above, and (b) shows the shape of the laser beam viewed from the side in the existing laser cutting head. And, (c) shows the shape of the beam in the cross section at position A and the cross section at position B, where the beam irradiated from the laser cutting head is inside the cutting object.

기존의 집속 렌즈(320)는 일례로 볼록 렌즈일 수 있다. 볼록 렌즈는 빔을 한 점으로 집속 시키고, 한 점으로 집속된 빔의 단면 형상은 원형일 수 있다.The existing focusing lens 320 may be a convex lens, for example. A convex lens focuses the beam to one point, and the cross-sectional shape of the beam focused to one point may be circular.

도 6을 참조하면, 기존의 레이저 절단 헤드의 노즐부(4)에서 조사된 빔은 가장 적은 면적이 될 때까지 집속된 후, 다시 발산된다. 이때, 원형으로 모든 방향에서 집속되기 때문에, 집속된 빔은 모든 방향으로 다시 발산될 수 있다.Referring to FIG. 6, the beam irradiated from the nozzle portion 4 of the existing laser cutting head is focused until it reaches the smallest area and then diverged again. At this time, because it is focused in a circular shape in all directions, the focused beam can be re-radiated in all directions.

광섬유(22)에서 나온 빔은 케이스부(1) 내부의 첫 번째 렌즈인 콜리메이션 렌즈(31)를 지나 시준되고, 두 번째 렌즈인 기존의 집속 렌즈(320)를 지나 일정한 집속거리를 진행하며 절단 대상체(100)의 내부의 한 지점에서 집속된다. The beam from the optical fiber 22 is collimated through the collimation lens 31, which is the first lens inside the case part 1, and is cut while passing through the existing focusing lens 320, which is the second lens, at a constant focusing distance. It is focused at one point inside the object 100.

일반적으로 절단 가공을 위해 절단 대상체(100)에 균일하게 레이저 빔을 조사하는 것이 중요하므로, 레이저 헤드를 구성하는 렌즈의 특성을 고려하여 빔의 발산 또는 집속 위치를 조절함으로써 절단 성능을 최적화할 수 있다. In general, it is important to uniformly irradiate a laser beam to the cutting object 100 for cutting processing, so cutting performance can be optimized by adjusting the divergence or focus position of the beam by considering the characteristics of the lens constituting the laser head. .

그러나 기존의 레이저 절단 헤드에서, 높은 개구수의 집속 렌즈(320)를 사용하는 레이저 절단 헤드의 경우, 두꺼운 절단 대상체(100)을 절단하는데 어려움이 있다. However, in the case of a conventional laser cutting head that uses a high numerical aperture focusing lens 320, it is difficult to cut a thick cutting object 100.

구체적으로, 레이저 빔이 크게 발산하며 절단 대상체(100) 내부를 진행함에 따라 빔의 진행방향에 대하여 절단 대상체(100)을 균일하게 용융하기 힘들다. 도 7을 참고하면, 집속 렌즈(32)를 지나 절단 대상체(100)내부를 진행하는 빔의 진행모습을 보여준다. 레이저 빔은 기존의 집속 렌즈(320)를 지나 가우시안(Gaussian) 모양의 형태로 집속되고, 절단 대상체(100)의 내부에 가장 좁은 면적에 집속되는 A 위치에서 가장 높은 빔 세기를 갖는다. 이 구간은 일반적으로 레일리 영역(Rayleigh Region)으로 정의되고, 아래의 수식에 의해 결정된다.Specifically, as the laser beam diverges greatly and proceeds inside the cutting object 100, it is difficult to uniformly melt the cutting object 100 with respect to the beam's travel direction. Referring to FIG. 7, it shows the progress of the beam passing through the focusing lens 32 and passing through the inside of the cutting object 100. The laser beam passes through the existing focusing lens 320 and is focused in a Gaussian shape, and has the highest beam intensity at position A, where it is focused on the narrowest area inside the cutting object 100. This section is generally defined as the Rayleigh Region and is determined by the formula below.

상기의 식에서, L: 거리, w0: 빔 웨이스트(Beam waist); NA: 개구수(Numerical Aperture.)를 나타낸다.In the above equation, L: distance, w0: beam waist; NA: Represents Numerical Aperture.

그러므로, 절단 대상체(100)의 두께가 수 백 밀리미터(mm) 수준의 두꺼운 절단 두께를 갖는 경우, 레이저 빔이 진행함에 따라 크게 발산하고, B의 위치에서는 상대적으로 큰 빔의 크기를 갖는다. B의 위치에서는 발산으로 인하여 낮은 에너지 밀도의 빔이 전달된다. A의 위치에서의 빔의 세기와 비교하여 수십에서 최대 수천 배에 이르는 에너지 밀도차가 야기되며, B의 위치에서 절단 대상체(100)의 용융 균일도를 떨어뜨리는 열 손실을 갖게 된다. 이러한 이유로, 절단 대상체(100)를 절단하는 성능에 영향을 미친다. Therefore, when the cutting object 100 has a thick cutting thickness of several hundred millimeters (mm), the laser beam diverges significantly as it progresses, and has a relatively large beam size at the position B. At location B, a beam of low energy density is transmitted due to divergence. Compared to the intensity of the beam at position A, an energy density difference ranging from tens to thousands of times occurs, and heat loss occurs at position B that reduces the melting uniformity of the cutting object 100. For this reason, the performance of cutting the cutting object 100 is affected.

또한, 절단 대상체(100)가 위치된 구조물이 협소한 경우, 높은 개구수의 집속 렌즈로 이루어진 소형 레이저 절단 헤드를 사용해야 하는데, 기존의 레이저 절단 헤드는 집속거리가 긴 집속 렌즈(320)를 사용하여 발산각을 조절하기 때문에 레이저 절단 헤드의 소형화에 어려움이 있다.In addition, if the structure where the cutting object 100 is located is narrow, a small laser cutting head made of a focusing lens with a high numerical aperture must be used, but the existing laser cutting head uses a focusing lens 320 with a long focusing distance. Because the divergence angle is adjusted, it is difficult to miniaturize the laser cutting head.

그러나 본 발명과 같이, 레이저 빔의 형상이 일정한 두께를 갖는 시트 빔의 경우, 상기 언급한 열 손실로 발생하는 문제가 최소화되는 효과를 제공할 수 있다. However, as in the present invention, in the case of a sheet beam where the shape of the laser beam has a constant thickness, the problem occurring due to the above-mentioned heat loss can be minimized.

빔의 진행 방향에 대하여 보다 균일하게 레이저 빔을 전달함으로써 절단 대상체(100) 내부에서 빔 진행 방향에 대하여 불균일하게 발생하는 열적 손실을 최소화할 수 있고, 빔의 발산 정도에 민감한 수 백 밀리미터(mm) 수준의 두꺼운 절단 대상체(100)을 절단하는데 효과적일 수 있다. By transmitting the laser beam more uniformly with respect to the direction of beam travel, thermal loss that occurs unevenly with respect to the direction of beam movement within the cutting object 100 can be minimized, and the thermal loss that occurs unevenly with respect to the direction of beam movement can be minimized, and the laser beam can be transmitted more uniformly with respect to the direction of beam travel by several hundred millimeters (mm), which is sensitive to the degree of divergence of the beam. It can be effective in cutting a thick cutting object 100.

또한, 높은 개구수를 갖는 집속 렌즈(32)를 사용하여, 절단 대상체(100)가 협소한 구조물 내에 위치하는 경우의 절단을 위하여 소형화될 수 있는 효과를 제공할 수 있다.In addition, by using the focusing lens 32 having a high numerical aperture, the object to be cut 100 can be miniaturized for cutting when it is located in a narrow structure.

이상에서는 본 발명을 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상의 변화 없이 통상의 기술자에 의해서 변형되어 실시될 수 있음은 물론이다.In the above, the present invention has been described focusing on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may be modified and implemented by those skilled in the art without changing the technical spirit of the present invention as claimed in the claims. Of course.

1: 케이스부 2: 빔 발생부
21: 레이저 발진기 22: 광섬유
3: 집속부 31: 콜리메이션 렌즈
32: 집속 렌즈 4: 노즐부
5: 가이드부 51: 가스 투입구
6: 경사부 7: 제어부
8: 매니퓰레이터 9: 고정부
100: 절단 대상체 320: 기존의 레이저 절단헤드 집속 렌즈1: Case part 2: Beam generation part
21: laser oscillator 22: optical fiber
3: Focusing unit 31: Collimation lens
32: Focusing lens 4: Nozzle part
5: Guide part 51: Gas inlet
6: Inclined part 7: Control part
8: Manipulator 9: Fixing part
100: Cutting object 320: Conventional laser cutting head focusing lens

Claims (6)

중공의 관로가 형성되며, 내부에서 레이저 빔이 집속되는 케이스부;
상기 케이스부의 일측에 위치되고, 상기 케이스부의 일측으로 레이저 빔을 발생시키는 레이저 빔 발생부; 및
상기 케이스부의 내부에 위치되고, 상기 레이저 빔 발생부에서 발생되어 상기 케이스부의 일측으로 입사된 레이저 빔을 집속시키는 집속부;를 포함하고,
상기 집속부는,
상기 입사된 레이저 빔을 시준하는 콜리메이션 렌즈와,
상기 콜리메이션 렌즈를 통과한 상기 레이저 빔을 한 축으로 집속시키는 원통형 렌즈(Cylindrical Lens)로 형성된 집속 렌즈를 포함하고,
상기 집속 렌즈를 지난 레이저 빔이 집속된 축 방향을 제1 방향이라고 하고, 상기 제1 방향과 수직인 방향을 제2 방향이라고 정의하면,
집속된 상기 레이저 빔은,
상기 제2 방향으로 일정한 두께의 시트 형상인 레이저 절단 헤드.
A case portion in which a hollow pipe is formed and a laser beam is focused inside;
a laser beam generator located on one side of the case portion and generating a laser beam toward one side of the case portion; and
A focusing unit located inside the case unit and focusing the laser beam generated from the laser beam generator and incident on one side of the case unit,
The focusing unit,
A collimation lens for collimating the incident laser beam,
It includes a focusing lens formed of a cylindrical lens that focuses the laser beam that has passed through the collimation lens onto one axis,
If the axial direction in which the laser beam passing through the focusing lens is focused is defined as the first direction, and the direction perpendicular to the first direction is defined as the second direction,
The focused laser beam is,
A laser cutting head having a sheet shape with a constant thickness in the second direction.
 제1항에 있어서,
집속된 상기 레이저 빔의 조사방향과 수직한 단면에서의 상기 레이저 빔의 형상은 가늘고 긴 형상인 레이저 절단 헤드.
According to paragraph 1,
A laser cutting head in which the shape of the laser beam in a cross section perpendicular to the irradiation direction of the focused laser beam is elongated.
 제1항에 있어서,
상기 레이저 빔의 조사 방향을 조절하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는,
절단 대상물이 절단되어야 하는 가공 방향과 상기 제1 방향이 일치하도록 제어하는 레이저 절단 헤드.
According to paragraph 1,
Further comprising a control unit that adjusts the irradiation direction of the laser beam,
The control unit,
A laser cutting head that controls the first direction to match the processing direction in which the cutting object must be cut.
 제3항에 있어서,
상기 케이스부에 연결되며 상기 제어부에 의하여 제어되는 매니퓰레이터를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 레이저 빔의 상기 제1 방향의 길이 대비 상기 제2 방향의 길이가 가장 큰 위치에 상기 절단 대상물이 위치되도록 상기 매니퓰레이터를 제어하는 레이저 절단 헤드.
According to paragraph 3,
Further comprising a manipulator connected to the case unit and controlled by the control unit,
The control unit,
A laser cutting head that controls the manipulator so that the cutting object is positioned at a position where the length of the second direction is the largest compared to the length of the laser beam in the first direction.
 제1항에 있어서,
상기 빔 발생부는,
상기 레이저 빔을 형성하는 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기로부터 형성된 레이저 빔을 전송하는 광섬유를 포함하고,
상기 광섬유를 상기 케이스부에 고정시키는 고정부를 더 포함하는 레이저 절단 헤드.
 According to paragraph 1,
The beam generator,
It includes a laser oscillator that forms the laser beam, and an optical fiber that transmits the laser beam formed from the laser oscillator,
A laser cutting head further comprising a fixing part for fixing the optical fiber to the case part.
 제1항에 있어서,
상기 케이스부의 타측에 연결되고, 노즐이 구비되어 상기 집속부에서 집속된 빔이 조사되는 노즐부;
상기 케이스부와 상기 노즐부의 사이에 위치되고, 적어도 하나 이상의 가스 투입구가 형성된 가이드부; 및
상기 가이드부와 상기 노즐부의 사이에 위치되고, 상기 노즐부를 향해서 좁아지게 경사지는 경사부;를 더 포함하는 레이저 절단 헤드.According to paragraph 1,
a nozzle unit connected to the other side of the case unit and provided with a nozzle to irradiate the beam focused by the focusing unit;
a guide portion located between the case portion and the nozzle portion and having at least one gas inlet; and
A laser cutting head further comprising an inclined portion located between the guide portion and the nozzle portion and narrowly inclined toward the nozzle portion.
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