KR101626312B1 - 레이저 절단방법 및 레이저 절단장치 - Google Patents

레이저 절단방법 및 레이저 절단장치 Download PDF

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Abstract

레이저 절단기로서, 제어부는, 상기 피가공재의 재질 및 두께에 따라, 정상 산소 농도와, 레이저 노즐과의 이동 속도와, 레이저 빔 정상 제어 조건을 설정하고, 상기 레이저 노즐이 절단 궤적의 종점 전의 제 1 설정 위치에 도달하면, 상기 레이저 노즐과 이동 속도를 제 1 설정 속도로 저하시키고, 상기 레이저 노즐이 제 2 설정 위치에 도달하면, 상기 절단 가스의 상기 산소 농도와 상기 레이저 빔의 제어 조건을 변화시켜, 상기 레이저 노즐과의 상대 이동 속도를 제 2 설정 속도로 저하시킨다.

Description

레이저 절단방법 및 레이저 절단장치{LASER CUTTING METHOD AND LASER CUTTING DEVICE}
본 발명은, 피가공재에 대해 레이저 빔을 조사함과 동시에 절단 가스를 분사하여, 피가공재를 절단하는 레이저 절단방법 및 레이저 절단장치에 관한 것이다.
본 특허출원은, 2011년 11월 2일에, 일본에 출원된 특허출원 제2011-241464 호를 기초로 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
레이저 절단은, 레이저 빔의 주위에 절단 가스가 유동하여, 피가공재에 조사된 레이저 빔의 에너지와 피가공재와 절단 가스의 산화 반응 에너지에 의해 피가공재가 녹아, 용융된 금속이 절단 가스의 운동 에너지에 의해 배출된다.
이러한 레이저 절단에 의해 피가공재를 절단하는 경우, 미리 설정된 형상으로 레이저 노즐이 피가공재로부터 분리되도록 레이저 절단의 종점을 설정하는 것이 바람직하다. 그러나 예를 들어, 연강재의 절단과 같이 절단 가스로 산소가 사용되는 경우, 절단된 형상이나 재질, 표면 상태에 따라, 필요 이상으로 넓은 범위가 고온이 되어, 피가공재가 과도하게 용융하여 절단 종점의 근방에서 원하는 형상이 확보되지 않는 경우가 있다.
이에 따라, 레이저 절단의 종점 근방에서 원하는 형상을 확보하기 위해, 예를 들어 도 5a에 도시한 바와 같이 마이크로 조인트를 남겨 절단이 이루어지게 하는 것이 일반적이다. 또는, 도 5b ~ 도 5d에 도시한 바와 같이 절도(切逃)가 진행되게 하는 것이 일반적이다. 여기서, 도 5a ~ 도 5d에서의 실선은 절단 홈의 가장자리를 나타내고, 착색된 원은 피어싱 구멍을 나타내며, 파선과 점선 상의 화살표는 레이저 노즐의 궤적(軌跡)을 나타내고 있다.
그러나 마이크로 조인트를 남겨 절단을 진행하는 경우, 마이크로 조인트를 별도로 절단할 필요가 있어, 절단 공정 및 절단 비용이 증가한다. 이에 따라, 예를 들어, 마이크로 조인트를 작게 형성하여 가공 효율을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.(예를 들어, 특허문헌 1 참조)
한편, 절도에 있어서는, 절단의 종점 근방에 상처가 발생하기 쉽다.
일본공개 특허 제2001-334397호 공보
도 6a ~ 도 6c는, 절단 종점 근방에서의 레이저 절단 상태를 나타내는 개념도이다. 도 6a ~ 도 6c는, 상측이 평면도를 나타내고, 하측이 평면도와 대응하는 T - T 종단면도를 나타내고 있다. 도 6a ~ 도 6c에서, 부호 C는 절단 홈을 나타내고, 부호 D는 피어싱 구멍을 나타내며, 부호 E는 레이저 빔을 나타내고, 부호 G는 절단 가스를 나타내며, 부호 W는 피가공재를 나타내고, 부호 H는 드래그(drag)를 나타내며, 부호 J는 미 절단부를 나타내고 있다.
예를 들어, 절단 종점 근방에서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 레이저 노즐이 화살표로 나타낸 바와 같이 미리 형성된 절단 홈(C)의 절단 종료부에 근접하면, 절단면과 미리 형성된 절단 홈 사이의 미 절단부(J)가 감소하여, 절단 열이 배출되기 어려워진다.
다음으로, 도 6b에 도시된 바와 같이, 레이저 노즐이 절단 종료부에 근접하면, 드래그(drag) 지연에 기인하여, 드래그(drag) 아래 부분이 급속하게 승온된다.
또한, 도 6c에 도시된 바와 같이, 레이저 노즐이 절단 종료부에 근접하면, 미 절단부(J)가 열에너지에 의해 급속하게 승온되어 격렬하게 용융한다. 이러한 격렬한 용융에 의해 상처가 발생한다.
또한, 절단 종점 근방이나, 열 투입에 편향이 발생하기 쉬운 코너부에서, 열 투입량을 감소시켜 절단 속도를 낮게 함으로써, 상처 발생을 억제하여 고품질의 절단을 진행할 수 있다.
본 발명은, 이러한 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 철강 등의 피가공재를 레이저 절단하는 경우, 절단 종점을 비롯한 절단 궤적의 원하는 위치에서, 원하는 가공 형상에서의 상처 발생을 억제하여 효율적으로 절단할 수 있는 레이저 절단방법 및 레이저 절단장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1태양에 따른 레이저 절단방법은, 피가공재에 대해 레이저 노즐로부터 레이저 빔을 조사하는 것과 동시에 절단 가스를 분사하여, 상기 피가공재의 레이저 빔이 조사된 부위를 상기 절단 가스에 의해 피복한 상태에서, 상기 레이저 노즐과 상기 피가공재를 상대적으로 이동시켜 상기 피가공 재료를 절단하는 레이저 절단방법이다. 그리고, 상기 피가공재의 재질 및 두께에 기초하여 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 상기 절단 가스가 함유하는 정상 산소 농도와, 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 정상 상대 이동 속도와, 상기 레이저 빔의 주파수, 듀티(duty), 피크 또는 평균 출력을 포함한 레이저 빔 제어 조건에 기초하여 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 레이저 빔 정상 제어 조건이 설정된다. 또한, 상기 레이저 노즐이 절단 궤적의 종점 또는 코너부 중 하나의 앞쪽에 위치하는 제 1 설정 위치에 도달한 경우에, 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 상대 이동 속도를 상기 정상 상대 이동 속도보다 저속인 제 1 설정 속도로 저하시키고, 상기 레이저 노즐이 상기 제 1 설정 위치보다 상기 종점 또는 코너부측에 위치하는 제 2 설정 위치에 도달한 경우에, 상기 절단 가스의 상기 산소 농도와 상기 레이저 빔의 제어 조건 중 적어도 어느 하나를 변화시켜 상기 피가공재로의 열 투입을 감소시킴과 동시에, 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 상대 이동 속도를 상기 제 1 설정 속도보다 저속인 상기 피가공재로의 열 투입과 대응하는 제 2 설정 속도로 저하시킨다.
본 발명의 제2태양에 따르면, 본 발명의 제1태양에 따른 레이저 절단방법에 있어서, 상기 레이저 노즐이 상기 제 2 설정 위치보다 상기 종점 또는 상기 코너부측에 위치하는 제 3 설정 위치에 도달한 경우에, 상기 레이저 빔 제어 조건 중 상기 주파수를 낮게 함으로써 상기 피가공재로의 열 투입을 감소시킨다.
본 발명의 제3태양에 따른 레이저 절단장치는, 레이저 노즐로부터 조사된 레이저 빔을 절단 가스에 의해 피복하여 상기 레이저 노즐을 피가공재에 대해 상대적으로 이동시켜 상기 피가공재를 절단하는 레이저 절단장치이다. 그리고, 상기 피가공재에 대해 상기 레이저 빔을 조사함과 동시에 상기 레이저 빔의 주위에 상기 절단 가스를 분사하는 상기 레이저 노즐과, 상기 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기와, 상기 절단 가스에 포함된 산소의 농도를 조정함과 동시에 상기 산소 농도가 조정된 절단 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 레이저 노즐을 유지하는 노즐 유지부와, 상기 노즐 유지부와 상기 피가공재를 상대적으로 이동시키는 이동 수단과, 제어부를 포함한다. 그리고, 상기 제어부는, 상기 피가공재의 재질, 두께 및 절단 궤적을 설정함과 동시에, 상기 피가공재의 재질 및 두께에 기초하여 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 상기 절단 가스가 함유하는 정상 산소 농도와, 상기 피가공재를 정상 절단할 때의 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 정상 상대 이동 속도와, 상기 레이저 빔의 주파수, 듀티(duty), 피크 또는 평균 출력을 포함한 레이저 빔 제어 조건에 기초하여 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 레이저 빔 정상 제어 조건을 설정하고, 상기 레이저 노즐이 절단 궤적의 종점 또는 코너부 중 하나의 앞쪽에 위치하는 제 1 설정 위치에 도달한 경우에, 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 상대 이동 속도를 상기 정상 상대 이동 속도보다 저속인 제 1 설정 속도로 저하시키고, 상기 레이저 노즐이 상기 제 1 설정 위치보다 상기 종점 또는 코너부측에 위치하는 제 2 설정 위치에 도달한 경우에, 상기 절단 가스의 상기 산소 농도와 상기 레이저 빔의 제어 조건 중 적어도 어느 하나를 변화시켜 상기 피가공재로의 열 투입을 감소시킴과 동시에, 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 상대 이동 속도를 상기 제 1 설정 속도보다 저속인 상기 피 가공재로의 열 투입과 대응하는 제 2 설정 속도로 저하시킨다.
본 발명의 제4태양에 따르면, 본 발명의 제3태양에 따른 레이저 절단장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 레이저 노즐이 상기 제 2 설정 위치보다 상기 종점 또는 코너부측에 위치한 제 3 설정 위치에 도달한 경우에, 상기 레이저 빔 제어 조건 중 상기 주파수를 낮게 한다.
상기 발명에 따른 레이저 절단방법, 레이저 절단장치에 따르면, 레이저 노즐이 절단 궤적의 종점 또는 코너부의 앞에 위치하는 제 1 설정 위치에 도달하면, 피가공재와 레이저 노즐과의 상대 이동 속도를 정상 상대 이동 속도로부터 제 1 설정 속도로 저하시킨다. 따라서, 드래그(drag)의 지연이 감소되고 드래그(drag)를 생성할 수 있으며, 그 결과, 피가공재가 안정되게 절단되어 상처 발생을 억제할 수 있다.
또한, 레이저 노즐이 제 2 설정 위치에 도달하면, 절단 가스의 산소 농도와 레이저 빔의 제어 조건 중 적어도 어느 하나를 변화시킨다. 따라서, 산소 농도를 낮게 한 경우에는 절단면과 미리 형성된 절단 홈 사이의 미 절단부가 작아져도 레이저 절단에 의해 발생한 열에 기인하는 셀프 버닝(self burning)이 억제된다. 그 결과, 미 절단부의 온도가 과도하게 상승하여 급격한 용융이 발생하는 것이 억제되어 고효율로 레이저 절단 구멍을 형성할 수 있다.
본 명세서에서, 절단 가스는, 어시스트 가스, 실드 가스와 어시스트 가스의 혼합 가스를 모두 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 정상 상대 이동 속도는, 피가공재의 재질 및 두께에 따라 설정되는 속도이다. 또한, 제 1 설정 속도는, 정상 상대 이동 속도보다 저속으로 드래그(drag)의 지연을 작게 하여 드래그(drag)를 생성하여 두께 방향으로 접근하는 것을 목적으로 하는 속도이다.
또한, 피가공재의 재질은, 조성, 성분 등의 특성 외에, 표면 성상, 이종 재질을 첨가한 클래드 구조나 피가공재의 면 방향에서의 이종 재질의 존재, 내부의 공동(cavity) 등의 구성이 포함된다.
또한, 제 1 설정 속도 및 제 2 설정 속도는, 예를 들어, 피가공재의 재질, 사용하는 산소의 순도 등에 따라 범위를 가지고 설정되는 속도이다. 즉, 제 1 설정 속도 및 제 2 설정 속도는 절단 개시시의 정상 상대 이동 속도가 아니라, 실제 절단 부위의 재질, 판 두께에 따라 정상 상대 이동 속도를 기준으로 설정된다.
또한, 본 명세서에서, 코너부와 절단 홈은 R(곡선) 또는 굴곡을 통해 방향 전환되는 부위를 말한다.
상기 발명에 따른 레이저 절단방법, 레이저 절단장치에 따르면, 레이저 노즐이 제 3 설정 위치에 도달하면, 레이저 빔 제어 조건 중 주파수를 낮게 함으로써 용융 범위가 피가공재 표면에서 광범위하게 미치는 것이 억제되고, 미 절단부가 감소해도 급격한 용융에 의한 상처가 발생하기 어렵게 된다.
상기 레이저 절단방법, 레이저 절단장치에 따르면, 레이저 절단의 종점 근방, 코너부에서 미 절단부의 온도가 과도하게 상승하여 급격한 용융이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 피가공재에 상처가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 절단장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 절단장치의 작동을 설명하는 개략적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 절단장치의 작용을 설명하는 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 절단장치에서 제 1 이동 속도의 효과적인 범위를 도시한 도면이다.
도 5a는 종래의 레이저 절단에 의한 절단 종점 근방의 절단방법을 설명하는 도면이다.
도 5b는 종래의 레이저 절단에 의한 절단 종점 근방의 절단방법을 설명하는 도면이다.
도 5c는 종래의 레이저 절단에 의한 절단 종점 근방의 절단방법을 설명하는 도면이다.
도 5d는 종래의 레이저 절단에 의한 절단 종점 근방의 절단방법을 설명하는 도면이다.
도 6a는 종래의 레이저 절단에 의해 절단 종점 근방을 절단할 때 상처가 발생하는 원인을 설명하는 도면이다.
도 6b는 종래의 레이저 절단에 의해 절단 종점 근방을 절단할 때 상처가 발생하는 원인을 설명하는 도면이다.
도 6c는 종래의 레이저 절단에 의해 절단 종점 근방을 절단할 때 상처가 발생하는 원인을 설명하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 대해 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 절단장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 부호 1은 레이저 절단장치를 나타내고 있다.
레이저 절단장치(1)는, 레이저 가공기 본체(10)와, 레이저 발진기(20)와, 가스 공급부(30)와, 제어부(40)를 포함한다. 레이저 가공기 본체(10)에 설치된 레이저 노즐(12)이 피가공재(W)에 레이저 빔을 조사함과 동시에 가스 공급부(30)로부터 분사된 절단 가스에 의해 피가공재(W)가 피복되고, 레이저 노즐(12)이 피가공재(W)에 대해 이동하여 피가공재(W)가 절단된다.
레이저 가공기 본체(10)는, 예를 들어, 피가공물(W)을 적재하는 정반(11)과, 레이저 노즐(12)과, 레이저 노즐(12)의 노즐 구멍을 피가공재(W)의 소정 위치를 향하도록 유지하는 노즐 유지부(13)와, 노즐 유지부(13)를 레이저 노즐(12)과 함께 정반(11)에 대해 상대 이동시키는 이동 수단(15)을 포함하고 있다.
레이저 노즐(12)은, 예를 들어, 원통형으로 형성된 레이저 노즐 본체를 구비한다. 레이저 발진기(20)에서 보내진 레이저 빔이 레이저 노즐 본체의 단부에 배치된 집광 렌즈에 의해 집광되어 레이저 노즐 선단의 구멍으로부터 피가공재(W)에 조사됨과 동시에 가스 공급부(30)로부터 공급된 절단 가스가 상술한 구멍으로부터 레이저 빔의 주위에 분사되어, 피가공재(W)의 가공점이 피복된다.
노즐 유지부(13)는, 레이저 노즐(12)을 피가공재(W)의 소정 부위를 향하도록 유지하는 부재이다. 노즐 유지부(13)는, 예를 들어, 정반(11)의 면상에 대해 수직이고 상호 직교하며, 후술하는 X축과 Z축으로 구성되는 XZ면과 평행한 A면, 및 YZ면과 평행한 B면에서 각각 회동 가능하게 구성되어 있다. 또한, 노즐 유지부(13)로서, 예를 들어, 레이저 노즐(12)을 회전 및 경사시킴으로써 레이저 노즐 (12)의 선단을 피가공재(W)의 소정 부위에 향하도록 구성된, 주지의 노즐 유지부를 적용해도 좋다.
이동 수단(15)은, 상호 직교하는 X축(주행) 방향 이동 수단(15X)과, Y축(횡행) 방향 이동 수단(15Y)과, Z축(높이) 방향 이동 수단(15Z)을 구비한다. 이동 수단(15)은, 제어부(40)로부터의 신호에 의해, 레이저 노즐(12)을 노즐 유지부(13)와 함께 피가공재(W)로 이동시킨다.
레이저 발진기(20)는, 본 실시형태에서는, 펄스 레이저 빔을 발생한다. 발생된 레이저 빔은, 광로 장치(21) 및 집광 장치(도시하지 않음)를 통해 레이저 노즐(12)로 보내진다.
또한, 레이저 발진기(20)는, 제어부(40)로부터의 제어 신호에 의해, 평균 출력, 주파수, 듀티(duty)로 구성된 레이저 빔 제어 조건을 조정할 수 있다.
가스 공급부(30)는, 산소 공급원(31A)과, 질소 가스 공급원(31B)과, 산소 공급원(31A)에 대응하는 질량 유량 제어기(32A)와, 질소 가스 공급원(31B)에 대응하는 질량 유량 제어기(32B)와, 혼합기(33)와, 압력 조정 밸브(34)와, 가스 배관(36)을 구비한다. 산소 공급원(31A)으로부터 혼합기(33)로 보내지는 산소 유량이 질량 유량 제어기(32A)로 조정되고 산소와 질소 가스를 혼합하여 절단 가스의 산소 농도가 조정되며, 압력 조정 밸브(34)에서 압력 조정된 절단 가스가 가스 배관(36)을 통해 레이저 노즐(12)로 보내진다.
제어부(40)는, 입력부(41)를 구비한다. 입력부(41)로부터 절단 궤적, 절단면의 형상, 피가공재(W)의 재질, 판 두께 등의 가공 조건을 입력할 수 있다. 또한, 제어부(40)는, 이동 수단(15), 레이저 발진기(20) 및 가스 공급 장치(30)와 케이블(42)에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 제어부(40)로부터 이동 수단(15), 레이저 발진기(20) 및 가스 공급 장치(30)에 대해 케이블(42)을 통해 신호를 출력할 수 있다.
또한, 제어부(40)는, 입력부(41)로부터 입력된 절단 궤적, 절단면의 형상, 피가공재(W)의 재질 및 판 두께에 따라, 레이저 노즐(12)의 X-Y 좌표상의 위치와, 레이저 노즐(12)의 방향 및 높이와, 피가공재(W)에 대해 정상 절단을 진행할 때의 정상 이동 속도(정상 상대 이동 속도)(V0)와, 절단 가스를 함유하는 정상 산소 농도와, 레이저 빔 정상 제어 조건(평균 출력, 주파수, 듀티)을 산출하고, 노즐 유지부(13) 및 이동 수단(15)에 레이저 노즐(12)의 이동 및 위치 제어에 관한 신호를 출력한다. 또한, 제어부(40)는, 레이저 발진기(20) 및 가스 공급 장치(30)에 대해, 레이저 빔 정상 제어 조건 및 절단 가스의 산소 농도에 관한 신호를 출력한다. 또한, 피가공재(W)의 재질 및 판 두께와, 대응하는 정상 이동 속도(V0)와, 절단 가스의 정상 산소 농도와, 레이저 빔 정상 제어 조건은, 예를 들어, 제어부(40)에 저장된 데이터 테이블을 참조하여 산출된다.
또한, 본 실시형태에 따른 제어부(40)는, 레이저 노즐이 절단 궤적의 종점 또는 코너부 중 하나에 근접할 경우에, 레이저 노즐(12)의 이동 속도, 절단 가스의 산소 농도 및 레이저 빔 제어 조건을 조정하여, 피가공재(W)의 절단 종점 또는 코너부에 상처가 발생하는 것을 억제하도록 구성되어 있다.
다음으로, 제어부(40)에 의한 피가공재(W)의 절단 종점 또는 코너부에서의 상처 발생의 억제에 대하여, 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는, 제어부(40)에 의한 레이저 노즐(12)의 동작 제어를 설명하는 개략적인 블록도이다.
(1) 우선, 입력부(41)를 통해 제어부(40)에 대해, 피가공재(W)의 재질, 두께 및 절단 궤적을 입력한다(S1).
(2) 제어부(40)는, 입력된 피가공재(W)의 재질, 두께 및 절단 궤적에 따라, 예를 들어, 데이터 테이블을 참조하여, 절단 가스의 정상 산소 농도, 레이저 노즐(12)의 정상 이동 속도(V0) 및 레이저 빔의 정상 제어 조건을 설정하고, 가스 공급부(30), 이동 수단(15)(필요에 따라 노즐 유지부(13)) 및 레이저 발진기(20)에 신호를 출력한다(S2).
(3) 제어부(40)는, 레이저 노즐(12)이 제 1 설정 위치에 도달할 때까지 S2에서 설정된 조건에 따라 레이저 노즐(12)을 이동시킨다. 제 1 설정 위치에 도달한 것을 검출하면 S4로 이행한다(S3).
(4) 제어부(40)는, 레이저 노즐(12)의 이동 속도를 정상 이동 속도(V0)에서 제 1 설정 속도(V1)까지 저하시키는 신호를 이동 수단(15)에 출력한다(S4).
(5) 제어부(40)는, 레이저 노즐(12)이 제 2 설정 위치에 도달할 때까지 S4에서 설정된 조건에 따라 레이저 노즐(12)을 이동시킨다. 제 2 설정 위치에 도달한 것을 검출하면 S6로 이행한다(S5).
(6) 제어부(40)는, 절단 가스의 산소 농도를 저하시키는 신호와, 레이저 빔 제어 조건에 의한 열 투입을 감소시키는 신호를 절단 가스 공급부(30) 및 레이저 빔 발진기(20)에 출력한다. 또한, 제어부(40)는, 레이저 노즐(12)의 이동 속도를 제 1 설정 속도(V1)에서 제 2 설정 속도(V2)까지 저하시키는 신호를 이동 수단(15)에 출력한다(S6).
(7) 제어부(40)는, 레이저 노즐(12)이 제 3 설정 위치에 도달할 때까지 S6에서 설정된 조건에 따라 레이저 노즐(12)을 이동시킨다. 제 3 설정 위치에 도달한 것을 검출하면 S8로 이행한다(S7).
(8) 제어부(40)는, 레이저 빔 제어 조건 중 주파수를 저하시키는 신호를 레이저 빔 발진기(20)에 출력한다(S8).
(9) 제어부(40)는, 레이저 노즐(12)이 절단 종점에 도달할 때까지 S8에서 설정된 조건에 따라 레이저 노즐(12)을 이동시킨다. 절단 종점에 도달한 것을 검출하면 레이저 절단을 종료한다(S9).
또한, 적용 대상이 절단 종점이 아니라, 코너부인 경우에는, S8의 진행 후에 S9로 이행하는 대신에 S1로 이행한다.
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 실시형태에 따른 레이저 절단장치(1)의 작용을 설명한다.
또한, 도 3의 횡축의 수치는, 예를 들어, 절단 궤적의 절단 종점까지의 거리와 이동 속도로부터 산출된 절단 종료까지의 시간을 예시한 것이다. 절단 종점까지의 거리에 대신하여, 절단 종점까지의 시간으로 제어하는 것도 좋다.
(1) 제어부(40)는, 제 1 설정 위치(P1)(예를 들어, 절단 종점까지 남은 시간(이하, 같다) 5.25sec)에 도달하면, 레이저 노즐(12)의 이동 속도를 소정의 속도(예들 들어, 80%)까지 저하시킨다. 또한, 레이저 노즐(12)의 이동 속도가 소정의 속도까지 저하되면, 제 2 설정 위치(P2)(예를 들어, 5.0sec)에 도달할 때까지 이동 속도를 유지하고 레이저 노즐(12)을 이동시킨다.
(2) 이어서, 제어부(40)는, 레이저 노즐(12)이 제 2 설정 위치(P2)(예를 들어, 5.0sec)에 도달하면, 레이저 노즐(12)의 이동 속도를 소정의 속도(예를 들어, 10%)까지 점차적으로 저하시킨다. 이때, 제어부(40)는, 레이저 빔의 조사 조건( 출력, 주파수, 듀티)을 소정의 조사 조건(예를 들어, 출력, 주파수, 듀티 모두 정상시의 10%)까지 점차적으로 저하시킨다. 또한, 이때, 제어부(40)는, 절단 가스의 산소 혼합비를 소정 비율(예를 들어, 0%)까지 감소시킨다.
제어부(40)는, 레이저 노즐(12)의 이동 속도 및 레이저 빔의 조사 조건이 소정의 조사 조건까지 저하되면, 레이저 노즐(12)이 제 3 설정 위치(P3)(예를 들어, 2.0sec)에 도달할 때까지 이동 속도, 조사 조건을 유지하고 레이저 노즐(12)을 이동시킨다.
(3) 이어서, 제어부(40)는, 레이저 노즐(12)이 제 3 설정 위치(P3)에 도달하면, 레이저 빔의 조사 조건(출력, 주파수, 듀티) 중에서, 주파수를 소정 주파수(예를 들어, 정상시의 수%)로 저하시킨다.
(4) 이어서, 제어부(40)는, 레이저 노즐(12)이 절단 궤적의 종점에 도달하면, 레이저 노즐(12)의 이동 및 레이저 빔의 조사를 정지시킨다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 제 1 실시형태에 따른 피가공재(W)의 상처 발생이 특히 효과적으로 억제되는 범위를 설명한다. 도 4에서, 횡축은 피가공재(W)의 판 두께(mm)를 나타내고, 종축은 상처 발생이 특히 효과적으로 억제되는 제 1 이동 속도의 범위를 나타낸다. 또한, 표 1은, 도 4에 따라 작성된 제 1 설정 속도(V1)의 상한 및 하한을 보인 수치 범위이다.
도 4에 따르면, 판 두께가 얇을수록 제 1 설정 속도(V1)의 하한이 낮아지고, 판 두께가 두껍게 되면 제 1 설정 속도(V1)의 하한이 높아진다.
두께
 정상 이동 속도에 대한 제 1 이동 속도의 유효 범위
6mm
 30% ~ 90%
9mm
 30% ~ 90%
12mm
 40% ~ 90%
16mm
 40% ~ 90%
19mm
 50% ~ 90%
22mm
 50% ~ 90%
25mm
 60% ~ 90%
28mm
 60% ~ 90%
32mm
 60% ~ 90%
레이저 절단장치(1)에 따르면, 레이저 노즐(12)이 제 1 설정 위치에 도달하면, 레이저 노즐(12)의 이동 속도가 정상 상대 이동 속도에서 제 1 설정 속도(V1)로 저하됨으로써 드래그(drag)가 생성되므로, 드래그(drag) 아래에서의 급격한 용융이 억제되고, 상처 발생이 억제된다.
또한, 레이저 노즐(12)이 제 2 설정 위치에 도달하면, 레이저 노즐(12)이 제 2 설정 속도로 저하됨과 동시에 절단 가스의 산소 농도와 레이저 빔의 제어 조건이 변화하므로, 미 절단부의 과도한 온도 상승과 급격한 용융이 억제되고, 낮은 열 투입에 의해 피가공재를 절단하는 것도 가능하다. 그 결과, 절단 종점 근방에서의 상처 발생을 억제할 수 있다.
또한, 레이저 절단장치(1)에 따르면, 레이저 노즐(12)이 제 3 설정 위치에 도달하면, 레이저 빔 제어 조건 중 주파수를 낮게 한다. 따라서, 용융 범위가 피가공재 표면에서 광범위하게 되는 것이 억제되고, 미 절단부가 작아져도 급격한 용융에 의한 상처 발생이 억제된다.
또한, 정상 이동 속도(V0)를 제 1 설정 속도(V1)로 저하시킬 때, 레이저 제어 조건을 변경하지 않기 때문에 드래그(drag)의 생성 지연을 제거할 수 있다.
레이저 노즐(12)이 제 2 설정 위치(P2)에 도달하면, 산소 농도를 낮게 하여, 레이저 절단에 의해 발생한 열에 기인하는 셀프 버닝(self burning)이 억제되고, 미 절단부의 온도가 과도하게 상승하여 급격한 용융이 발생하는 것이 억제된다. 따라서, 고효율로 레이저 절단 구멍을 형성하는 것이 가능하다.
또한, 절단 종점 근방에서 주파수를 낮게 함으로써, 종점 근방의 피가공재(W) 표면에서의 광범위한 용융이 억제되어 상처 발생이 억제된다.
또한, 정상 이동 속도(V0)에 대해 20% 저하시킨 제 1 설정 속도(V1)로부터 정상 이동 속도(V0)에 대해 80% 저하시킨 제 2 설정 속도(V2)로의 이행을 수반하는 속도 영역이 장기간 계속되면 레이저 에너지를 제어해도 노치(notch)나 셀프 버닝(self burning)이 발생하기 쉽다. 그러나, 절단 가스의 산소 농도 저하와 레이저 빔 제어 조건의 저하를 함께 진행함으로써 노치나 셀프 버닝의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 절단 속도가 정상 이동 속도(V0)에서 20% 이상 다운(down)한 범위에서는, 절단 속도의 변화 비율에 따른 레이저 빔 제어 조건을 저하시키는 것으로 절단 속도 변화에 따른 레이저 에너지의 과잉 및 레이저 에너지의 부족을 억제할 수 있다. 또한, 정상 이동에 대해 20% 저하시킨 제 1 설정 속도(V1) ~ 80% 다운된 제 2 설정 속도(V2)까지의 시간을 단축할 수 있다.
또한, 절단 종료부의 근방에 있어서 레이저 빔의 주파수를 정상 주파수의 10% 이하로 설정하여, 미리 형성된 절단 홈에 돌입할 때의 레이저 에너지를 제어하여 피가공재(W)의 표면이 용융하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서, 다양한 변경을 하는 것이 가능하다.
예를 들어, 상기 실시형태에 있어서는, 레이저 빔 제어 조건이 레이저 빔의 주파수, 듀티 및 평균 출력으로 구성되는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 평균 출력 대신에, 레이저 빔의 피크 출력을 적용하는 것도 좋다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 제 1 설정 속도(V1)가 정상 이동 속도(V0)의 80%로 설정되고, 제 2 설정 속도(V2)가 정상 이동 속도(V0)의 10%로 설정되는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 제 1 설정 속도(V1) 및 제 2 설정 속도(V2)는, 급격한 용융을 억제할 수 있는 범위 에서 자유롭게 설정할 수 있다.
또한, 제 2 설정 위치에 도달 한 후의 절단 가스의 산소 농도를 0%보다 높은 농도로 설정해도 좋다.
또한, 레이저 빔 제어 조건에 따른 평균 또는 피크 출력, 듀티 및 주파수는 임의의 수치로 설정할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 피가공재(W)가 연질 강판의 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 연질 강판 이외에, 스테인리스강, 알루미늄, 구리, 티타늄 등 다른 금속 또는 그들의 합금 및 복합 재료를 피가공재(W)로 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 레이저 노즐(12)이 제 2 설정 위치에 도달하고, 피가공재(W)에 열 투입을 감소시키는 경우, 절단 가스의 산소 농도와 레이저 빔의 제어 조건 모두를 변화시키는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 절단 가스의 산소 농도와 레이저 빔의 제어 조건 중 적어도 어느 하나를 변화시켜도 좋다.
또한, 산소 공급원(31A) 및 질소 공급원(31B)에 대해서는, 액체 산소와 액체 질소, 또는 압축 산소와 질소를 혼합기(33)로 절단 가스에 혼합해도 좋다. 또한, 절단 가스를 구성하는 기체의 일부로 공기를 사용해도 좋다. 질소 대신에, 불활성 가스, 예를 들어 아르곤, 헬륨 등을 사용하는 것도 가능하다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 레이저 노즐(12)이 피가공재(W)에 대해 이동하는 경우에 대해 설명하였으나, 예를 들어, 피가공재(W)가 레이저 노즐(12)에 대해 이동하는 것도 가능하다. 또한, 레이저 노즐(12)과 피가공재(W) 모두가 상대적으로 이동하는 것도 가능하다.
상기의 발명에 따르면, 절단 종점의 근방 또는 코너부에서 피가공재에 상처가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
W : 피가공재
1 : 레이저 절단장치
12 : 레이저 노즐
13 : 노즐 유지부
15 : 이동 수단
20 : 레이저 발진기
30 : 가스 공급부
40 : 제어부

Claims (4)

  1. 피가공재에 대해 레이저 노즐로부터 레이저 빔을 조사함과 동시에 절단 가스를 분사하여, 상기 피가공재의 레이저 빔 조사된 부위를 상기 절단 가스에 의해 피복한 상태에서, 상기 레이저 노즐과 상기 피가공재를 상대적으로 이동시켜 상기 피가공재를 절단하는 레이저 절단방법에 있어서,
    상기 피가공재의 재질 및 두께에 기초하여 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 상기 절단 가스가 함유하는 정상 산소 농도와, 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 정상 상대 이동 속도와, 상기 레이저 빔의 주파수, 듀티, 피크 또는 평균 출력을 포함한 레이저 빔 제어 조건에 기초하여 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 레이저 빔 정상 제어 조건을 설정하고,
    상기 레이저 노즐이 절단 궤적의 종점 또는 코너부 중 하나의 앞쪽에 위치하는 제 1 설정 위치에 도달한 경우에,
    상기 절단 가스가 함유하는 산소 농도를 상기 정상 산소 농도로 유지하고, 상기 레이저 빔 제어 조건을 상기 레이저 빔 정상 제어 조건으로 유지한 상태에서, 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 상대 이동 속도를 상기 정상 상대 이동 속도보다 저속인 제 1 설정 속도로 저하시키고,
    상기 레이저 노즐이 상기 제 1 설정 위치보다 상기 종점 또는 코너부측에 위치하는 제 2 설정 위치에 도달한 경우에,
    상기 절단 가스의 상기 산소 농도와 상기 레이저 빔의 제어 조건 중 적어도 어느 하나를 변화시켜 상기 피가공재로의 열 투입을 감소시키는 것과 동시에, 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 상대 이동 속도를 상기 제 1 설정 속도보다 저속인 상기 피가공재로의 열 투입과 대응하는 제 2 설정 속도로 저하시키는 레이저 절단방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 노즐이 상기 제 2 설정 위치보다 상기 종점 또는 상기 코너부측에 위치하는 제 3 설정 위치에 도달한 경우에,
    상기 레이저 빔 제어 조건 중 상기 주파수를 낮게 함으로써 상기 피가공재로의 열 투입을 감소시키는 레이저 절단방법.
  3. 레이저 노즐로부터 조사된 레이저 빔을 절단 가스에 의해 피복하여 상기 레이저 노즐을 피가공재에 대해 상대적으로 이동시켜 상기 피가공재를 절단하는 레이저 절단장치에 있어서,
    상기 피가공재에 대해 상기 레이저 빔을 조사함과 동시에 상기 레이저 빔의 주위에 상기 절단 가스를 분사하는 상기 레이저 노즐과,
    상기 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기와,
    상기 절단 가스에 포함된 산소의 농도를 조정함과 동시에 상기 산소 농도가 조정된 절단 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 레이저 노즐을 유지하는 노즐 유지부와,
    상기 노즐 유지부와 상기 피가공재를 상대적으로 이동시키는 이동 수단과,
    제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 피가공재의 재질, 두께 및 절단 궤적을 설정함과 동시에, 상기 피가공재의 재질 및 두께에 기초하여 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 상기 절단 가스가 함유하는 정상 산소 농도와, 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 정상 상대 이동 속도와, 상기 레이저 빔의 주파수, 듀티, 피크 또는 평균 출력을 포함한 레이저 빔 제어 조건에 기초하여 상기 피가공재에 대해 정상 절단이 수행될 때의 레이저 빔 정상 제어 조건을 설정하고,
    상기 레이저 노즐이 절단 궤적의 종점 또는 코너부 중 하나의 앞쪽에 위치하는 제 1 설정 위치에 도달한 경우에,
    상기 절단 가스가 함유하는 산소 농도를 상기 정상 산소 농도로 유지하고, 상기 레이저 빔 제어 조건을 상기 레이저 빔 정상 제어 조건으로 유지한 상태에서, 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 상대 이동 속도를 상기 정상 상대 이동 속도보다 저속인 제 1 설정 속도로 저하시키고,
    상기 레이저 노즐이 상기 제 1 설정 위치보다 상기 종점 또는 코너부측에 위치하는 제 2 설정 위치에 도달한 경우에,
    상기 절단 가스의 상기 산소 농도와 상기 레이저 빔의 제어 조건 중 적어도 어느 하나를 변화시켜 상기 피가공재로의 열 투입을 감소시킴과 동시에, 상기 피가공재와 상기 레이저 노즐과의 상대 이동 속도를 상기 제 1 설정 속도보다 저속인 상기 피가공재로의 열 투입과 대응하는 제 2 설정 속도로 저하시키는 레이저 절단장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 레이저 노즐이 상기 제 2 설정 위치보다 상기 종점 또는 코너부측에 위치하는 제 3 설정 위치에 도달한 경우에,
    상기 레이저 빔 제어 조건 중 상기 주파수를 낮게 함으로써 상기 피가공재로의 열 투입을 감소시키는 레이저 절단장치.
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