KR100620505B1

KR100620505B1 - 레이저 가공용 노즐장치

Info

Publication number: KR100620505B1
Application number: KR1020050019720A
Authority: KR
Inventors: 김재구; 나석주; 황경현; 장원석; 조성학
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-09-06

Abstract

본 발명은 레이저 가공장치에 관한 것으로서, 특히 가공 잔여물 제거 및 플라즈마 차광막 형성 억제를 위한 노즐장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 레이저가공장치의 빔집속부에 결합되는 노즐장치로서, 상기 빔집속부에서 레이저빔이 조사되는 부분을 감싸도록 상기 빔집속부에 결합되며, 가공물로 조사되는 레이저빔이 통과하는 제1 관통구멍과, 상기 제1 관통구멍과 통하며 가스분사장치 및 분사압력 조절장치와 연결되는 분사가스 유입구를 구비하는 하우징과, 상기 하우징에서 상기 제1 관통구멍이 마련되는 부분을 감싸도록 상기 하우징에 결합되며, 가공물로 조사되는 레이저빔이 통과하는 제2 관통구멍과, 상기 제2 관통구멍과 통하며 가스흡입장치 및 흡입압력 조절장치와 연결되는 흡입가스 배출구를 구비하는 하우징 덮개를 포함하는 노즐장치가 제공된다.

레이저가공, 빔집속부, 노즐장치, 결합부재, 하우징, 하우징 덮개

Description

레이저 가공용 노즐장치 {NOZZLE DEVICE FOR LASER BEAM MACHINING}

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 노즐장치의 사시도로서, 렌즈에 결합된 상태를 도시한 도면

도2는 도1에 도시한 노즐장치의 분해사시도

도3은 도2에 도시한 노즐장치의 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 노즐장치 20 : 결합부재

29 : 중간부재 50 : 하우징

62 : 제1 관통구멍 67 : 밀봉링

72 : 분사가스 유입구 80 : 하우징 덮개

83 : 제2 관통구멍 86 : 흡입가스 배출구

90 : 빔집속부

본 발명은 레이저 가공장치에 관한 것으로서, 특히 가공 잔여물 제거 및 플라즈마 차광막 형성 억제를 위한 노즐장치에 관한 것이다.

레이저를 이용한 미세가공시 가공 잔여물이 발생하게 된다. 이 가공 잔여물이 가공물에 남아있으면 가공품질 저하의 원인이 된다. 이를 방지하기 위해 가공 잔여물을 제거하기 위한 가스분사노즐이 마련된다. 종래의 가스분사노즐은 레이저 조사 방향의 동축 상에 흡입장치가 없고, 측면에서 분사되는 경우에는 가공 잔여물 등이 분사방향으로 남게 된다. 또한, 플라즈마를 효과적으로 차단할 수 없어 가공면까지 분사되지 않아 1㎛이하인 가공 잔여물이 가공물에 여전히 남아있게 된다. 또한 가스를 측면에서 분사하므로 레이저 가공시 발생하는 플라즈마 차광막을 억제할 수 없어 가공 정밀도를 저하시키는 원인이 된다. 그리고 측면에서 가공물의 형상에 따라 가스분사노즐을 재구성해야 하는 불편이 있다.

본 발명의 목적은 레이저 가공시 분사압력에 의해 플라즈마를 효과적으로 차단하고 잔여물들을 부양시킴과 동시에 흡입압력에 의해 가공 잔여물을 보다 잘 제거하는 구조를 갖는 노즐장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 레이저 가공시 플라즈마 차광막의 형성을 억제하는 구조를 갖는 노즐장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 위치조절이 용이한 구조를 갖는 노즐장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면,

레이저가공장치의 빔집속부에 결합되는 노즐장치로서,

상기 빔집속부에서 레이저빔이 조사되는 부분을 감싸도록 상기 빔집속부에 결합되며, 가공물로 조사되는 레이저빔이 통과하는 제1 관통구멍과, 상기 제1 관통구멍과 통하며 가스분사장치 및 분사압력 조절장치와 연결되는 분사가스 유입구를 구비하는 하우징과,

상기 하우징에서 상기 제1 관통구멍이 마련되는 부분을 감싸도록 상기 하우징에 결합되며, 가공물로 조사되는 레이저빔이 통과하는 제2 관통구멍과, 상기 제2 관통구멍과 통하며 가스흡입장치 및 흡입압력 조절장치와 연결되는 흡입가스 배출구를 구비하는 하우징 덮개를 포함하는 노즐장치가 제공된다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 하우징은 상기 제1 관통구멍이 마련되는 단부벽과, 상기 단부벽으로부터 연장되며 상기 분사가스 유입구가 마련되는 측벽을 구비할 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 분사가스 유입구는 레이저빔의 조사축선의 원주방향을 따라 다수 개 마련되며, 각각 등 간격으로 배치될 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 분사가스 유입구는 3개일 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 하우징과 빔집속부 사이의 가스 누설을 방지하는 밀봉링을 더 구비할 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 하우징 덮개는 상기 제2 관통구멍이 마련되는 단부벽과, 상기 단부벽으로부터 연장되며 상기 흡입가스 배출구가 마련되는 측벽을 구비할 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 흡입가스 배출구는 레이저빔의 조사축선의 원주방향을 따라 다수 개 마련되며, 각각 등 간격으로 배치될 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 흡입가스 배출구는 6개일 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 분사가스 유입구에는 분사압력 조절장치가 연결되며, 상기 흡입가스 배출구에는 흡입압력 조절장치가 연결될 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 제1 관통구멍과 제2 관통구멍의 크기가 조절될 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 제1 관통구멍과 제2 관통구멍은 아이리스 다이어프램(Iris Diaphragm)에 의해 형성될 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 빔집속부와 레이저빔의 조사축선을 중심으로 함께 회전하도록 고정되며, 상기 하우징과는 레이저빔의 조사축선을 중심으로 상대회전이 가능하도록 나사결합되는 결합부재를 더 포함하며,

상기 결합부재의 회전에 의해 상기 하우징은 상기 레이저빔의 조사축선을 따라 이동할 수 있다.

상기 노즐장치에 있어서, 상기 결합부재는 결합볼트에 의해 상기 빔집속부에 고정되며, 상기 결합볼트 끝단과 상기 빔집속부의 벽면 사이에 끼워지는 탄성의 중간부재를 더 구비할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도1 내지 도3을 참조하면, 노즐장치(10)는 레이저빔을 집속하여 가공물로 조사하는 빔집속부(90)에 장착된다. 빔집속부(90)는 레이저빔의 조사축선(100)을 따라 연장되는 대체로 원통형상이다. 상세히 도시되지는 않았으나, 빔집속부(90) 내부에는 집광렌즈가 마련된다. 노즐장치(10)는 결합부재(20)와, 하우징(50)과, 하우 징 덮개(80)를 구비한다. 결합부재(20)는 원형의 기초부(22)와, 기초부(22)의 축방향 일단부 가장자리로부터 축선(100)방향과 대체로 평행하게 연장된 연장부(30)를 구비한다. 기초부(22)의 중앙에는 원형의 통로구멍(24)이 마련된다. 통로구멍(24)으로 빔집속부(90)가 끼워져 빔접속부(90)의 외주면(92)과 기초부(22)의 내주면(25)이 접한다. 기초부(22)의 외주면(26)에는 반경방향 안쪽으로 연장되는 볼트구멍(27)이 원주방향을 따라 등 간격으로 다수 개 마련된다. 각 볼트구멍(27)의 안쪽에 너트부(271)가 마련되어 각 볼트구멍(27)에 후술하는 고정용 볼트(21)가 끼워져 결합된다. 각 볼트구멍(21)의 안쪽 끝단에는 통로구멍(24)과 통하는 연결통로(272)가 연결된다. 각 연결통로(272)에는 탄성을 갖는 원기둥 형상의 중간부재(29)가 수용된다. 본실시예에서는 중간부재(29)가 PMMA(Poly Methly Meth Acrylate)소재인 것으로 하나 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 중간부재(29)의 양단이 각각 고정용 볼트(21)의 끝단과 빔집속부(90)의 외주면(92)에 닿아 결합부재(20)가 빔집속부(90)에 고정된다. 중간부재(29)는 빔집속부(90)가 손상되는 것을 방지하는 역할을 한다.

연장부(30)의 내주면에는 암나사부(32)가 형성된다. 암나사부(32)는 하우징(50)의 후술하는 제1 수나사부(65)와 결합된다. 결합부재(20)를 회전시키면, 암나사부(32)와 제1 수나사부(65)의 상호작용에 의해 하우징(50)이 축선(100) 방향을 따라 직선이동하게 된다. 본 실시예에서는 결합부재(20)가 18도 회전함에 따라 하우징(50)이 25㎛ 이동하도록 암나사부(32)와 제1 수나사부(65)가 형성되는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 연장부(30)의 외주면에는 18도 간격으로 표시 된 눈금이 마련된다. 연장부(30)의 끝단에는 고리모양으로 축선(100) 방향과 평행하게 돌출된 안내부(34)가 마련된다. 안내부(34)가 하우징(50)의 후술하는 삽입홈(62)에 수용되어 하우징(50)의 직선이동을 안내한다.

하우징(50)은 빔집속부(90)의 레이저빔이 조사되는 쪽 일단을 막도록 형성된 원추형의 단부벽(60)과, 단부벽(60)으로부터 축선(100) 방향을 따라 연장되어 빔집속부(90)의 외주면(92)을 감싸도록 형성된 측벽(70)을 구비한다. 단부벽(60)의 중심에는 레이저빔과 가스가 통과하도록 마련된 관통구멍(62)이 형성된다. 단부벽(60)은 레이저빔의 조사방향을 따라 관통구멍(62) 쪽으로 갈수록 좁아지도록 약간 경사진다. 측벽(70)의 끝단에는 축선(100)과 평행하게 파여 형성된 고리모양의 삽입홈(62)이 마련된다. 삽입홈(62)에 결합부재(20)의 안내부(34)가 수용된다. 안내부(34)와 삽입홈(62)의 상호작용에 의해 하우징(50)의 이동이 보다 정밀하게 안내된다. 측벽(70)의 내경은 빔집속부(90)의 외경보다 크게 형성된다. 따라서 하우징(70)의 내벽면과 빔집속부(90)의 외벽면 사이는 충분히 이격된다. 측벽(70)의 끝단에는 삽입홈(62)보다 반경방향 안쪽에 위치하며 돌출된 고리형의 연장부(64)가 마련된다. 연장부(64)의 외주에는 제1 수나사부(65)가 형성되어 결합부재(20)의 암나사부(32)와 결합된다. 연장부(64)의 내주면(66)은 빔집속부(90)의 외주면(92)에 접한다. 연장부(64)의 내주면(66)에는 고리형 삽입홈(67)이 마련된다. 이 삽입홈(67)에 누설방지용 밀봉링(68)이 끼워진다. 밀봉링(68)이 빔집속부(90)의 외주면(92)과 밀착되어 가스가 누설되는 것을 방지한다. 하우징(50)의 측벽(70)에는 원주방향을 따라 마련된 3개의 분사가스 유입구(72)가 등 간격, 즉 120도 간격으로 배치된다. 분사가스 유입구(72)를 통해 하우징(50)의 내부와 외부가 통한다. 도시되지는 않았으나, 분사가스 유입구(72)에 가스분사장치 및 분사압력 조절장치가 연결되어 분사가스 유입구(72)를 통해 하우징(50) 내부로 가스가 분사되며 그 분사압력이 조절된다. 분사가스 유입구(72)를 통해 하우징(50) 내부로 들어온 가스는 단부벽(60)의 관통구멍(62)을 통해 가공물(110)로 조사되는 레이저빔과 함께 가공물(110)의 가공부로 분사된다. 본 실시예에서는 분사가스 유입구(72)가 3개이며 서로 등 간격으로 배치되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 하우징(50)의 측벽(70) 외주에는 분사가스 유입구(72)가 위치하는 곳으로부터 단부벽(60) 쪽으로 약간 이격된 곳에 원주방향을 따라 빙 둘러서 돌출된 고리형 돌출부(74)가 마련된다. 돌출부(74)는 하우징(50)에 결합되는 하우징 덮개(80)가 결합시 측벽(70)의 끝단 쪽으로 더 이동하는 것을 막는다. 하우징(50)의 측벽 외주에는 돌출부(74)가 위치하는 곳으로부터 단부벽(60) 쪽으로 근접한 곳에 제2 수나사부(75)가 마련된다. 제2 수나사부(75)에 하우징 덮개(80)의 후술하는 암나사부(88)가 결합된다. 도시되지는 않았으나, 하우징(50)은 축선(100)을 따라 직선이동은 가능하되, 결합부재(20)와 함께 회전하지 않도록 고정된다. 하우징(50)의 제1 관통구멍(62)은 크기가 조절되도록 구성될 수도 있다. 도시되지는 않았으나, 이를 위하여 제1 관통구멍(62)은 아이리스 다이어프램(Iris Diaphragm)에 의해 구성될 수 있다. 아이리스 다이어프램의 일예로는 카메라의 렌즈 조리개로 많이 사용되는 아이리스 다이어프램의 구성일 수 있으며 이러한 아이리스 다이어프램의 구성은 본 명세서의 내용과 더불어 당업자라면 이해할 수 있을 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

하우징 덮개(80)는 하우징(50)의 단부벽(60)을 막도록 형성된 원형 단부벽(82)과, 단부벽(82)으로부터 축선(100)과 평행하게 연장된 측벽(84)을 구비한다. 단부벽(82)의 중앙에는 빔집속부(90)로부터 조사되는 레이저빔이 통과하도록 원형의 관통구멍(83)이 마련된다. 관통구멍(83)은 하우징(50)의 관통구멍(62)보다 크다. 측벽(84)의 내경은 하우징(50)의 측벽(70)의 외경보다 크다. 따라서 하우징 덮개(80)의 내벽면과 하우징(50)의 외벽면 사이는 이격된다. 측벽(84)에는 원주방향을 따라 마련된 6개의 흡입가스 배출구(86)가 등 간격, 즉 60도 간격으로 배치된다. 흡입가스 배출구(86)를 통해 하우징 덮개(80)의 내부와 외부가 통한다. 도시되지는 않았으나, 흡입가스 배출구(80)에 가스흡입장치 및 흡입압력 조절장치가 연결되어 흡입가스 배출구(86)를 통해 하우징 덮개(80) 내부의 가스가 배출되며 그 흡입압력이 조절된다. 단부벽(82)의 관통구멍(83)을 거쳐 흡입가스 배출구(86)를 통해 가공물(110)의 가공부 주위의 가스가 배출된다. 본 실시예에서는 흡입가스 배출구(86)가 6개이며 서로 등 간격으로 배치되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 측벽(84)의 끝단은 반경방향 안쪽으로 연장된 플랜지(87)를 구비한다. 플랜지(87)의 내주에는 암나사부(88)가 형성되어 하우징(50)의 제2 수나사부(75)와 결합한다. 결합시 플랜지부(87)가 하우징(52)의 돌출부(74)에 걸린다. 하우징 덮개(80)의 제2 관통구멍(83)은 크기가 조절되도록 구성될 수도 있다. 도시되지는 않았으나, 이를 위하여 제2 관통구멍(83)은 하우징(50)의 제1 관통구멍(62)과 동일하게 아이리스 다이어프램(Iris Diaphragm)에 의해 구성될 수 있다.

이제, 도3을 참조하여 상기 실시예의 작용을 상세히 설명한다.

도3을 참조하면, 빔집속부(90)를 통과한 레이저빔은 빔집속부(90)에 구비되는 집광렌즈(도시되지 않음)에 의해 집속되어 축선(100)을 따라 가공물(110)로 조사되며, 가공물(110)을 가공하게 된다. 레이저빔은 하우징(50)의 단부벽(60)에 형성된 관통구멍(62)과 하우징 덮개(80)의 단부벽(82)에 형성된 관통구멍(83)을 지나간다. 이때, 하우징(50)의 분사가스 유입구(72)를 통해 가스가 유입되고, 유입된 가스는 빔집속부(90)와 하우징(50) 사이에 형성된 틈을 통해 이동하여 단부벽(60)의 통로구멍(62)을 통해 레이저빔과 함께 가공물(110)의 가공부로 가공물(110)의 수직인 방향으로 분사된다. 이 가공물(110)의 가공부로 분사되는 가스에 의해 가공시 발생하는 플라즈마 차광막이 약해져서 레이저빔의 가공 에너지 효율이 높아지고 가공 정밀도가 향상된다. 분사가스 유입구(72)가 120도 간격으로 배치되므로 분사가스가 특정방향으로 편향되는 것이 방지된다. 가공시 발생하는 가공 잔여물은 가공부 주위에 위치하는 하우징 덮개(80)의 단부벽(82)에 형성된 관통구멍(83)을 통해 하우징(50)과 하우징 덮개(80) 사이의 틈을 거쳐 하우징 덮개(80)의 흡입가스 배출구(86)로 가스와 함께 배출되어 제거된다. 또한, 결합부재(20)를 적당한 각도로 회전시키면 하우징(50)과 하우징 덮개(80)가 함께 축선(100)을 따라 이동하며 가공물(110)에 보다 근접시킬 수 있다.

본 발명의 구성을 따르면 앞에서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는 가공물로 분사되는 가스의 방향이 레이저빔의 조사방향과 동일 하므로 플라즈마 차광막의 형성을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 가공물의 가공부에 근접하여 흡입구가 위치하여 가스 종류에 따라 제1 관통구멍의 크기, 제2 관통구멍의 크기, 분사압력 및 흡입압력을 조절하여 가공 잔여물을 효과적으로 제거할 수 있다. 그리고 노즐의 위치를 보다 쉽게 조절할 수 있으므로 사용이 편리하다.

이상 본 발명을 상기 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

Claims

레이저가공장치의 빔집속부에 결합되는 노즐장치로서,

상기 빔집속부에서 레이저빔이 조사되는 부분을 감싸도록 상기 빔집속부에 결합되며, 가공물로 조사되는 레이저빔이 통과하는 제1 관통구멍과, 상기 제1 관통구멍과 통하며 가스분사장치와 연결되는 분사가스 유입구를 구비하는 하우징과,

상기 하우징에서 상기 제1 관통구멍이 마련되는 부분을 감싸도록 상기 하우징에 결합되며, 가공물로 조사되는 레이저빔이 통과하는 제2 관통구멍과, 상기 제2 관통구멍과 통하며 가스흡입장치와 연결되는 흡입가스 배출구를 구비하는 하우징 덮개를 포함하며,

상기 하우징 덮개는 상기 제2 관통구멍이 형성된 단부벽을 구비하고, 상기 제1 관통구멍은 상기 하우징 덮개의 단부벽 안쪽에 위치하는 노즐장치.
제1항의 노즐장치에 있어서, 상기 하우징은 상기 제1 관통구멍이 마련되는 단부벽과, 상기 단부벽으로부터 연장되며 상기 분사가스 유입구가 마련되는 측벽을 구비하는 노즐장치.
제2항의 노즐장치에 있어서, 상기 분사가스 유입구는 레이저빔의 조사축선의 원주방향을 따라 다수 개 마련되며, 각각 등 간격으로 배치되는 노즐장치.
제3항의 노즐장치에 있어서, 상기 분사가스 유입구는 3개인 노즐장치.
제2항의 노즐장치에 있어서, 상기 하우징과 빔집속부 사이의 가스 누설을 방지하는 밀봉링을 더 구비하는 노즐장치.
제1항의 노즐장치에 있어서, 상기 하우징 덮개는 상기 단부벽으로부터 연장되며 상기 흡입가스 배출구가 마련되는 측벽을 구비하는 노즐장치.
제6항의 노즐장치에 있어서, 상기 흡입가스 배출구는 레이저빔의 조사축선의 원주방향을 따라 다수 개 마련되며, 각각 등 간격으로 배치되는 노즐장치.
제7항의 노즐장치에 있어서, 상기 흡입가스 배출구는 6개인 노즐장치.
제1항의 노즐장치에 있어서, 상기 분사가스 유입구에는 분사압력 조절장치가 연결되며, 상기 흡입가스 배출구에는 흡입압력 조절장치가 연결되는 노즐장치.
제1항의 노즐장치에 있어서, 상기 제1 관통구멍과 제2 관통구멍의 크기가 조절되는 노즐장치.
제10항의 노즐장치에 있어서, 상기 제1 관통구멍과 제2 관통구멍은 아이리스 다이어프램(Iris Diaphragm)에 의해 형성되는 노즐장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 청구항의 노즐장치에 있어서, 상기 빔집속부와 레이저빔의 조사축선을 중심으로 함께 회전하도록 고정되며, 상기 하우징과는 레이저빔의 조사축선을 중심으로 상대회전이 가능하도록 나사결합되는 결합부재를 더 포함하며,

상기 결합부재의 회전에 의해 상기 하우징은 상기 레이저빔의 조사축선을 따라 이동하는 노즐장치.
제12항의 노즐장치에 있어서, 상기 결합부재는 결합볼트에 의해 상기 빔집속부에 고정되며, 상기 결합볼트 끝단과 상기 빔집속부의 벽면 사이에 끼워지는 탄성의 중간부재를 더 구비하는 노즐장치.