KR102665919B1

KR102665919B1 - 레이저 커팅 헤드용 노즐 어댑터

Info

Publication number: KR102665919B1
Application number: KR1020220008434A
Authority: KR
Inventors: 비엘라작 고란; 뮬러 알렉산더; 노악 한네스
Original assignee: 투-식스 델라웨어, 인코포레이티드
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2024-05-17
Also published as: KR20220109321A; US20220234138A1; DE102021133009A1; CN114799504A

Abstract

레이저 커팅 헤드는 레이저 커팅 등을 수행하기 위해 노즐 및 가스 흐름을 이용한다. 레이저 처리 및 가스 흐름은 하우징의 단부로부터 통과한다. 센서 조립체는 레이저 처리가 통과하는 제1 통로 및 가스 흐름이 통과하는 오리피스를 갖는 하우징의 단부에 부착된다. 전도성 어댑터는 센서 조립체에 부착되고 레이저 처리가 통과하는 통로를 갖는다. 노즐은 전도성 어댑터 단부의 리셉터클에 부착된다. 칼라는 하나 이상의 가스 유동 통로를 규정하는 어댑터 주위에 배치되었다. 커버는 센서 조립체와 칼라 사이에 배치되고 오리피스로부터 칼라의 하나 이상의 유동 통로에 가스 흐름을 연통시키는 공간을 둘러싼다.

Description

레이저 커팅 헤드용 노즐 어댑터 {NOZZLE ADAPTER FOR LASER CUTTING HEAD}

레이저 커팅 헤드는 상이한 재료(전형적으로, 상이한 유형의 금속 및 금속 화합물)의 시트에 커팅 작업을 수행하기 위해 레이저 빔을 사용한다. 레이저 커팅 프로세스는 커팅 헤드의 정밀한 제어를 필요로 하고 커팅 헤드 노즐(레이저 빔이 나가는 곳)의 선단과 커팅되는 재료(때때로 "워크피스"라고도 함)의 표면 사이의 간격의 특별한 제어를 필요로 한다. 이를 위해, 레이저 커팅 헤드는 커팅 프로세스를 제어하기 위하여 광학장치 및 센서를 사용한다.

일반적으로, 레이저 커팅 헤드는 고-출력 레이저 소스(전형적으로 CO₂ 또는 YAG 레이저)의 에너지를 정밀하고 제어된 방식으로 금속 시트를 커팅(절단)할 수 있는 레이저 빔으로 변환한다. 커팅 헤드는 일련의 렌즈들을 통해 빔을 통과시킬 수 있고 빔을 위한 안내 경로로서 광섬유를 사용할 수 있다. 커팅 헤드는 커팅 프로세스에 필요한 스폿 크기로 빔의 초점을 맞추고, 초점이 맞춰진 빔은 커팅 헤드의 노즐을 통해 커팅될 재료의 시트 쪽으로 향하게 된다.

동반 가스(전형적으로 질소 또는 산소이며, 때때로 커팅 또는 공정 가스라고 지칭됨)가 또한 레이저 빔과 함께 시트의 표면에 전달될 수 있다. 가스는 용융 프로세스(예컨대, "산소-연료 연소 프로세스")을 보조하거나 용융된 재료를 워크피스로부터 멀리 날려 보내는 것을 돕는 역할을 한다. 비록 레이저 프로세스 중에 사용되는 커팅 가스가 재료를 노즐로부터 멀리 동심원적으로 외측으로 날려 보낼 수 있지만, 노즐은 적절한 커팅을 달성하고 용융된 재료가 노즐과 커팅 헤드를 오염시키는 것을 방지하기 위해 워크피스로부터 특정한 스탠드오프(standoff)에 위치되어야 할 필요가 있다.

다양한 레이저 커팅 헤드가 상이한 목적을 위해 제조된다. 각 유형의 커팅 헤드는 노즐의 선단과 워크피스의 표면 사이의 간격을 조정, 제어, 및 모니터링할 수 있는 능력이 필요하다. 이러한 간격을 모니터링(및 제어)하기 위한 하나의 전형적인 시스템은 노즐 선단과 워크피스 사이에서의 측정된 정전용량(커패시터의 유전체로서의 역할을 하는 둘 사이의 에어 갭)을 기반으로 한다. 적절하게 작동하기 위해서는, 노즐 선단과 워크피스 양쪽 모두는 전도성이고 측정 시스템의 전압 소스에 접속되어야 할 필요가 있다.

레이저 커팅 헤드에는 수많은 유형의 노즐이 사용된다. 이들 노즐은 전형적으로, 구리와 같은 금속으로 이루어지며, 집속된 레이저 빔과 커팅 가스의 전달을 위한 통로를 가지고 있다. 노즐은 하나 이상의 구성요소 레이어를 포함할 수 있다. 노즐의 외부 형상뿐만 아니라 관통-통로의 내부 프로파일은 구현예 및 그 용도에 따라 노즐마다 다를 수 있다.

통상적인 사용 동안, 노즐은 마모 및 오염되어, 교체가 필요할 수 있다. 예각으로 베벨 커팅하는 동안, 노즐과 관련된 구성은 워크피스로부터의 노즐의 스탠드오프 또는 간격을 제어하기 위해 센서 측정을 간섭할 수 있다. 매우 작은 예각에서, 노즐과 어댑터의 기존 배열은 오염물이 레이저 커팅 헤드의 광학장치 및 감지를 간섭하는 것을 방지하지 못할 수 있다.

본 개시의 주제는, 위에서 제시된 문제들 중 하나 이상을, 극복하거나 또는 적어도 그 영향을 감소시키는 것에 관한 것이다.

여기에 개시된 장치는 노즐을 레이저 커팅 헤드에 연결하기 위해 사용된다. 헤드는 정전용량 감지를 위한 센서 조립체, 레이저 프로세스를 연통시키기 위한 개구부, 및 퍼지 가스를 연통시키기 위한 오리피스를 갖는다. 장치는 전도성 어댑터 및 커버를 포함한다. 전도성 어댑터는 제1 및 제2 단부를 갖고 개구부로부터의 레이저 프로세스를 연통시키기 위한 제1 통로를 갖는다. 제1 단부는 센서 조립체에 부착될 수 있고 제2 단부는 노즐에 부착될 수 있다. 전도성 어댑터는 주위에 배치되는 칼라를 갖고, 칼라는 관통하는 하나 이상의 제2 통로를 규정한다. 커버는 헤드와 칼라 사이에 위치되도록 구성되고 퍼지 가스를 오리피스로부터 칼라의 하나 이상의 제2 통로에 연통시키는 공간을 둘러싸도록 구성된다.

여기에 개시된 레이저 커팅 헤드는 레이저 프로세스를 전달하기 위해 노즐을 사용한다. 헤드는 하우징, 전도성 어댑터, 및 커버를 포함한다. 하우징은 정전용량 감지를 위한 센서 조립체, 레이저 프로세스를 연통시키기 위한 개구부, 및 퍼지 가스를 연통시키기 위한 오리피스를 갖는다. 전도성 어댑터는 제1 및 제2 단부를 갖고 개구부의 레이저 빔과 연통하기 위한 제1 통로를 갖는다. 제1 단부는 센서 조립체에 부착되고 제2 단부는 노즐에 부착된다. 전도성 어댑터는 주위에 배치되는 칼라를 갖고, 칼라는 관통하는 하나 이상의 제2 통로를 규정한다. 커버는 하우징의 단부와 칼라 사이에 배치되고 퍼지 가스를 오리피스로부터 칼라의 하나 이상의 제2 통로에 연통시키는 공간을 둘러싼다.

전술한 개요는 각각의 잠재적인 실시형태 또는 본 개시의 모든 양태를 요약하도록 의도되지 않는다.

도 1a는 본 개시에 따른 레이저 커팅 헤드의 사시도를 도시한다.
도 1b는 본 개시에 따른 레이저 커팅 헤드 및 로봇 팔을 갖는 레이저 커팅 시스템을 도시한다.
도 2a는 본 개시의 노즐 부착부의 사시도를 도시한다.
도 2b는 레이저 커팅 헤드로 예각 커팅하는 동안의 본 개시의 노즐 부착부의 입면도를 도시한다.
도 2c는 대안적인 노즐을 갖는 노즐 부착부의 사시도를 도시한다.
도 2d는 레이저 커팅 헤드 상의 노즐 및 어댑터가 없는 부위를 노출 도면으로 도시한다.
도 3a는 레이저 커팅 헤드 상의 본 개시의 노즐 부착부의 단면도를 도시한다.
도 3b는 도 3a의 노즐 부착부의 구성요소에 대한 레이저 빔, 공정 가스, 및 퍼지 가스를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 4a는 상이한 노즐을 갖는 본 개시의 노즐 부착부의 단면도를 도시한다.
도 4b는 도 4a의 노즐 부착부의 구성요소에 대한 레이저 빔, 공정 가스, 및 퍼지 가스를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 5는 레이저 커팅 헤드 상의 본 개시의 또 다른 노즐 부착부의 단면도를 도시한다.

도 1a는 본 개시에 따른 레이저 커팅 헤드(30)의 사시도를 도시한다. 레이저 커팅 헤드(30)는 다양한 내부 광학장치를 유지하는 하우징(32)을 포함한다. 하우징(32)의 일단부에서 연결부는 레이저 케이블(40)에 결합될 수 있으며, 이 레이저 케이블은 레이저 에너지를 헤드(30)로 전도시킨다. 하우징(32)의 타단부 상의 출력 조립체 또는 노즐 부착부(50)는 레이저 빔이 커팅 작업을 위하여 지향되는 노즐(120)을 갖는다. 노즐 부착부(50)는 집속된 레이저 빔이 용접, 적층 제조(additive manufacture), 커팅 등과 같은 레이저 작업의 목적을 달성하기 위하여 하우징(32)으로부터 방출되도록 허용한다. 노즐 부착부(50)는 또한, 아래에 더욱 상세하게 개시되는 바와 같이, 워크피스로부터의 노즐(120)의 스탠드오프 또는 간격을 모니터링하기 위한 감지 구성요소(미도시)를 포함한다.

하우징(32) 내부의 내부 광학장치를 보호하기 위해, 헤드(30)는 교체 가능한 커버 슬라이드를 유지하는 커버 슬라이드 카트리지(34)를 포함할 수 있다. 이 커버 슬라이드는 (내부 광학장치를 가지는) 하우징(32)의 내부와 (레이저 프로세스에 노출되는) 외부 환경과의 사이에서 투명한 창으로서 작용한다. 카트리지(34)의 제거 및 교체는 헤드(30)의 측면에 있는 액세스 도어를 통해 이루어질 수 있다. 노즐 부착부(50)는 또한 아래에 개시된 방식으로 레이저 커팅 헤드(30)를 보호한다.

일반적으로, 레이저 커팅 헤드(30)는 헤드(30)가 워크피스에 대해 이동될 수 있도록 갠트리 조립체, 로봇 팔, 또는 또 다른 장치와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1b는 로봇 암(20)에 연결된 레이저 커팅 헤드(30)를 갖는 레이저 커팅 시스템(10)을 도시하며, 이는 본 개시의 레이저 처리의 대상이 되는 워크피스(WP)에 대해 헤드(30)를 조작하도록 작동 가능하다. 케이블(22)은 제어, 감지 및 전력을 레이저 커팅 헤드(30)에 대해 연통시킨다. 케이블(22)은 또한 여기에 설명된 바와 같이 레이저 커팅 프로세스에서 사용되는 임의의 가스의 흐름을 연통시킨다. 레이저 케이블(40)은 레이저 파워를 헤드(30)에 전달하고, 헤드(30)의 단부 상의 노즐 부착부(50)로부터 레이저 빔을 지향시킨다.

일반적으로, 레이저 커팅 시스템(10)은 다양한 구성요소, 즉 로봇 팔(20), 커팅 헤드(30) 등의 작동을 제어하는 제어 시스템(12)을 포함한다. 시스템(10)은 마찬가지로 측정 시스템(14)을 포함하며, 이는 본 실시예에 있어서 커팅 작업을 용이하게 하기 위해 워크피스(WP)로부터의 커팅 노즐(120)의 스탠드오프 또는 간격을 측정하기 위해 제어 시스템(12)과 함께 사용된다.

워크피스(WP)의 형상 및 이루어질 커팅에 따라, 헤드(30)는 워크피스(WP)에 대해 다양한 각도 및 배향으로 로봇 암(20)에 의해 조작될 수 있다. 레이저 프로세스 동안, 노즐 부착부(50)의 구성요소는 워크피스(WP)로부터의 노즐(120)의 거리를 감지할 수 있다. 이것은 노즐(120)과 워크피스(WP) 사이의 정전용량을 이용하여 달성되며, 그들 사이의 에어 갭은 유전체를 제공한다. 이 감지된 정전용량은 헤드(30)의 위치가 원하는 레이저를 달성하기 위해 워크피스(WP)에 대해 제어되도록 허용한다.

예상한 바와 같이, 레이저 프로세스로부터의 열은 사용 도중 노즐(120)을 손상시킨다. 추가적으로, 레이저 프로세스는 노즐(120)을 손상시킬 수 있고 헤드(30)의 정전용량 감지를 감소시킬 수 있는 파편, 캐스트 오프, 스플래터, 블로 백 등을 생성할 수 있다. 본 개시의 노즐 부착부(50)의 구성은 노즐(120)에 대한 손상 완화를 도울 수 있고 정전용량 감지를 보호할 수 있다.

도 2a는 본 개시의 노즐 부착부(50)의 사시도를 도시한다. 노즐 부착부(50)는 헤드(30)에 부착된 캡(52)을 포함한다. 어댑터(110)는 내부 구성요소에 연결되고, 노즐(120)은 어댑터(110)에 부착된다. 커버(130)는 어댑터(110)와 캡(52) 사이에 위치된다. 노즐(120)을 냉각시키기 위해 그리고 파편으로부터의 추가적인 차폐를 생성하기 위해, 어댑터(110)는 노즐(120)에 직접 인접한 오리피스(118)를 통해 퍼지 가스를 전도한다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 헤드(30)의 매우 작은 예각에서, 노즐 부착부(50)의 구성요소는 워크피스(WP)에 가깝게 위치될 수 있고 더 많은 파편 및 간섭에 영향을 받을 수 있다. 헤드(30)가 작동 중 예각에서 사용될 수 있도록 하면서 구성요소를 보호하기 위해, 노즐 부착부(50)는 노즐(120)용 어댑터(110)의 일부를 둘러싸는 커버 또는 거들(130)을 포함한다. 아래에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 커버(130)는 또한 헤드 하우징의 일부를 둘러싸며, 감지 구성요소 및 퍼지 가스 유동을 위한 오리피스를 갖는다. 커버(130)는 세라믹 코팅과 같은 전기적 절연 차폐를 갖는 금속 몸체를 가질 수 있다. 또 다른 구성에서, 커버(130)는 플라스틱 또는 세라믹으로 만들어질 수 있다.

레이저 프로세스에 따라, 상이한 노즐이 노즐 부착부(50)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2c는 이전에 도시된 것과는 상이한, 어댑터(110)에 부착된 보다 큰 노즐(120')을 갖는 노즐 부착부(50)를 도시한다. 보다 큰 노즐(120')을 냉각함에 있어서 그리고 퍼지 가스로 추가적인 차폐를 발생시킴에 있어서 노즐 부착부(50)의 이점은, 커버(130), 어댑터(110) 등에 의해 제공되는 감지 요소의 보호에 더하여, 그러한 보다 큰 노즐(120')로 여전히 달성할 수 있다. 추가적인 상세는 나중에 더 설명될 것이다.

간략하게, 도 2d는 내부 구성요소를 노출시키기 위해 제거된 노즐(120), 어댑터(110), 및 커버(130)를 갖는 노즐 부착부(50)를 도시한다. 감지 조립체(60)의 요소가 도시되어 있고 내부에 전도성 홀더(66)를 갖는 세라믹 몸체(62)를 포함한다. 어댑터(110)는 이 전도성 홀더(66)에 나사결합된다. 세라믹 몸체(62)는 차폐부(72)에 의해 둘러싸여 있으며, 이 차폐부는 부착부의 캡(52)의 립과 함께 환형 간극(54)을 규정한다. 이 환형 간극(54)은 아래에 설명되는 바와 같이 퍼지 가스용 오리피스로서 작용한다. 이해되는 바와 같이, 여기에 개시된 노즐 부착부(50)의 구성은 레이저 프로세스 동안 파편 등으로부터 감지 조립체(60)의 이들 내부 요소를 보호할 수 있다.

이제 더 상세하게 설명하면, 도 3a는 레이저 커팅 헤드(30) 상의 본 개시의 노즐 부착부(50)의 단면도를 도시한다. 언급된 바와 같이, 헤드(30)는 노즐(120)과 함께 레이저 가공에 사용할 수 있다. 레이저 가공 동안 레이저빔(B) 및 공정 가스(G)가 헤드(30)로부터 노즐 부착부(50) 상의 노즐(120) 밖으로 방출된다. 또한, 퍼지 가스(P)도 헤드(30)로부터 노즐(120)에 인접한 노즐 부착부(50) 밖으로 전도된다. 이러한 퍼지 가스(P)는, (i) 노즐(120)을 냉각하도록 돕고 (ii) 노즐(120) 너머의 활성 처리 영역 주위에 추가적인 차폐를 생성하는, 여기에 개시된 목적을 달성한다.

헤드(30)는 레이저 빔(B), 공정 또는 커팅 가스(G), 및 퍼지 가스(P)가 통과할 수 있는 단부 플레이트(38)를 포함할 수 있는 단부를 갖는 하우징(32)을 포함한다. 레이저 빔(B) 및 공정 가스(G)는 하우징(32)의 내부로부터 개구(36)를 통해 그리고 그 다음 센서 조립체(60)를 통해 통과하는 반면, 퍼지 가스(P)는 하우징(32)의 다른 곳으로부터 단지 개략적으로 도시된 경로 또는 또 다른 개구부(35)를 통해 통과할 수 있다. 센서 조립체(60)의 구성요소는 하우징(30)의 단부에 부착되고, 캡 또는 고정구(52)는 하우징(30)의 단부 상에서 조립체(60)를 덮는다. 전도성 어댑터(110)는 센서 조립체(60)에 부착되고, 커버 또는 거들(130)은 센서 조립체(60)와 전도성 어댑터(110) 사이에 배치된다. 마지막으로, 노즐(120)은 전도성 어댑터(110)에 부착된다.

캡(52)은 센서 조립체(60)를 위한 외부 보호 요소로서 기능하여, 조립체(60)를 손상시키거나 작동을 방해할 수 있는 또 다른 제조/제작 요소에 대한 노출로부터 조립체(60)를 보호한다. 상세하게 도시된 바와 같이, 원추형일 수 있는 캡(52)은 센서 조립체(60)와 베이스 플레이트(38) 사이에서 사용되는 리테이닝 링(70)에 대항하여 끼워맞춰지는 단부 플레이트(38)에 나사결합될 수 있는 큰 원주방향 단부를 갖는다. 외부 영향에 대항하여 장치를 밀봉할 뿐만 아니라, 퍼지 가스(P)의 침입을 방지하기 위해 복수의 개스킷이 사용될 수 있다.

노즐 부착부(50)는 퍼지 가스(P)의 일부가 통과하는 오리피스(54)를 갖는다. 예를 들어, 환형 공간(54)이 캡(52)의 립과 감지 조립체(60)의 외부 가장자리 사이에 제공된다. 퍼지 가스(P)는 여기에 개시된 목적을 위하여 어댑터(110) 및 노즐(120)의 단부를 향해 이 환형 공간(54) 밖으로 통과할 수 있다.

센서 조립체(60)는, 그 일부에 대해, 세라믹 몸체(62) 및 전도성 홀더(66)를 갖는다. 세라믹 몸체(62)는 레이저 빔(B) 및 임의의 공정 가스(G)가 통과할 수 있는 제1 통로(64)를 갖는다. 전도성 홀더(66)는 제1 통로(64)에 배치된다. 센서 조립체(60)는 세라믹 몸체(62) 주위에 배치된 전도성 접지 차폐부(72)를 더 포함할 수 있다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 전도성 홀더(66) 및 전도성 접지 차폐부(72)는 각각 전압 및 접지부와 전기적으로 연통하여 접속된다.

전도성 어댑터(110)는 제1 및 제2 단부(114, 116)를 가지며, 레이저 빔(B) 및 임의의 공정 가스(G)가 통과할 수 있는 제2 통로(112)를 갖춘다. 제1 단부(114)는 전도성 홀더(66)에 부착되도록 구성되는 한편, 제2 단부(116)는 노즐(120)이 부착될 수 있는 리셉터클을 규정한다. 예를 들어, 제1 단부(114)는 전도성 홀더(66) 내로 나사결합되는 외부 나사산을 포함할 수 있다. 리셉터클은 노즐(120)이 나사결합되는 내부 나사산을 규정할 수 있다. 노즐(120)은, 그 일부에 대해, 레이저 빔(B) 및 공정 가스(G)의 통과를 위해 단부(126)로부터 단부(124)까지 관통 연장하는 통로(122)를 규정한다.

전도성 어댑터(110)는 그 주위에 배치된 칼라(115)를 갖고, 커버(130)는 센서 조립체(60)와 칼라(115) 사이에 배치된다. 도시된 바와 같이, 커버(130)는 캡(52)과 맞물리도록 구성되는 큰 원주방향 가장자리를 갖고 전도성 어댑터(110)의 칼라(115)와 맞물리도록 구성되는 작은 원주방향 가장자리를 갖는 원추 형상을 가질 수 있다. 전도성 어댑터(110)는 커버(130)와 밀봉 가능하게 맞물리기 위해 칼라(115) 주위에 배치되는 개스킷 시일(117)을 포함할 수 있다.

칼라(115)는 여기에 언급된 바와 같이 일부의 퍼지 가스(P)의 통과를 위하여 일측으로부터 타측으로 관통하는 하나 이상의 가스 유동 통로(118)를 규정한다. 이러한 방식으로, 커버(130)는 오리피스(54)로부터 칼라(115)의 하나 이상의 유동 통로(118)로 퍼지 가스(P)를 연통시키는 내부 공간(55)을 둘러싼다. 그에 따라 칼라(115) 내의 하나 이상의 유동 통로(118)의 하나 이상의 출구는 노즐(120)에 직접적으로 인접하여 바람직하게 배치되며, 이는 노즐(120)의 냉각을 증가시키고 그 작동 수명을 연장시킬 수 있다.

인식되는 바와 같이, 유동 통로(118)를 갖춘 어댑터(110)는 퍼지 가스(P)의 분출을 보조할 수 있으며, 이는 파편이 헤드(30) 및 노즐 부착부(50)의 구성요소에 도달하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 유동 통로(118)를 갖춘 어댑터(110)는 또한 퍼지 가스 스트림의 확산 영역 및 크기를 제어하며, 이는 수행될 커팅 작업에 맞춰질 수 있다.

인식되는 바와 같이, 커팅 노즐(120)은 커팅 작업에서 사용되는 커팅 또는 공정 가스(G)의 분출을 보조할 수 있다. 노즐의 구멍(124)의 크기는 커팅될 재료의 두께에 기초하여 선택될 수 있다. 노즐(120)은 워크피스로부터의 용융된 재료가 레이저 헤드(30)에 다시 도달하는 것을 방지하는 데 도움이 되어, 레이저 헤드(30)의 내부 구성요소는 보호될 수 있다. 노즐(120)은 또한 안정적인 레이저 작동을 유지하기 위해 조정 시스템에 의해 레이저 헤드(30)의 스탠드오프를 조정하는 데 사용하기 위한 정전용량 신호를 제공한다.

일부 배열에서, 레이저 헤드 노즐(120)의 내부 형상은 공정 가스(G)의 흐름 및 압력을 지향시킬 수 있다. 단일층 노즐(120)은 스테인리스강 및 알루미늄 판을 커팅하기 위해 질소가 보조 가스로서 사용될 수 있는 용융 커팅에 사용될 수 있다. 이중층 노즐(120)은 탄소강 커팅을 위한 보조 가스로서의 산소와 함께 사용될 수 있다. 전형적으로, 노즐(120)은 형상이 원추형이고 단일층 또는 다중층을 가질 수 있다. 예를 들어, 이중층 노즐은 내부 코어를 가질 수 있어 공정 가스(G)의 속도를 증가시킬 수 있으며, 이는 많은 이점을 갖는다. 노즐 구멍(124)과 노즐의 두께는 당면한 구현예를 위하여 구성된다.

이제 워크피스로부터의 노즐(120)의 스탠드오프를 감지하기 위하여 사용되는 센서 조립체(60)의 상세로 돌아가서, 원통형 세라믹 몸체(62)는 센서 조립체(60)의 베이스 요소로서 사용된다. 몸체(62)의 세라믹 재료는 절연재이다. 레이저 커팅 헤드 노즐(120)과 외부 측정 시스템(14) 사이의 전기 연결부는 원통형 세라믹 몸체(62)의 외부(또는 내부에 매립)에 소결될 수 있습니다. 이러한 방식으로, 전기 연결부는 정위치에 영구적으로 고정되고 이동이 방지(심지어 "high g" 조건의 존재에서도)되며 고온의 존재에서도 적절하게 기능할 수 있다.

이들 전기 연결부는: 한 쌍의 전기 전도체(와이어)(82, 86), 전도성 홀더(66), 외부 원통형 차폐부(72)(역시 전도성), 및 소켓 커넥터(65)를 포함할 수 있다. 전도성 어댑터(110) 및 노즐(120)은 전도성 홀더(66)와 맞물린다. 이들은, 함께, 레이저 빔(B) 및 임의의 공정 가스(G)를 커팅 헤드(30) 밖으로 워크피스를 향해 지향시킨다.

소켓 커넥터(65)는 중심 전도체 및 외부 접지 전도체(그들 사이에 절연 재료가 배치된 상태로)를 포함하는 동축 케이블 커넥터일 수 있다. 하나의 와이어(86)는 그 자체가 전도성 재료(예를 들어, 스테인리스강)로 형성된 전도성 홀더(66)에 중심 전도체를 따라 전기 신호(전압)를 전도하기 위해 사용된다. 레이저 커팅 헤드(30)를 조립할 때, 어댑터(110)는 전도성 홀더(66)에 나사결합되고(특히, 쌍을 이루는 나사산에 의해 정위치에 나사연결됨), 노즐(120)은 어댑터(110)에 나사결합된다. 그 결과, 노즐(120)은 와이어(86)와 나사식 홀더(66)를 통해 설정된 연결부로 인해 전기가 통한다.

또 다른 와이어(82)는 외부 접지 또는 차폐부(72)를 위한 전도 경로를 생성하기 위해 세라믹 몸체(62) 내에 위치된다. 이러한 외부 차폐부(72)는 원통형 세라믹 몸체(62)의 외부 표면 위로 미끄러져 접촉하도록 설계된 슬리브 형태를 취한다. 차폐부(72)는 세라믹 몸체(62) 주위의 위치에 영구적으로 고정되고 바람직하게는 스테인리스강으로 형성된다.

전도성 홀더(66), 세라믹 몸체(62), 및 차폐부(72)의 조합은 부착된 노즐(120)에 전력을 공급하기 위한 연결 배열을 제공하고, 관련된 측정 시스템(14)에 의해 수행되는 정전용량 측정에 영향을 미칠 수 있는 내부 간섭 및 기생 유도 문제를 최소화한다. 캡(52)에 더하여, 어댑터(110)의 칼라(115) 및 밀봉부(117)와 함께 사용되는 커버(130)는 작동 도중에 감지 조립체(60)의 이들 구성요소를 보호하는 한편, 헤드(30)가 여기에 언급된 바와 같은 작은 예각에서 사용되는 것을 여전히 허용한다.

이미 언급된 바와 같이, 예를 들어, 원추형 캡(52)은 하우징(30)의 단부(38)에 부착된 큰 원주방향 단부를 가지며 퍼지 가스(P)의 통과를 위해 세라믹 몸체(62) 주위에 환형 간극(54)을 규정하는 작은 원주방향 단부를 갖는다. 전도성 어댑터(110)의 칼라(115)의 외주는 노즐(120)의 선단으로부터 원추형 캡(52)의 큰 원주방향 단부까지 연장되는 원추 각도(A) 내에 놓여 있다. 이러한 구성은, 도 2b와 관련하여 이전에 언급된 바와 같이, 헤드(30)가 레이저 작업 동안 워크피스에 대해 작은 예각으로 위치되는 것을 허용한다.

알 수 있는 바와 같이, 임의의 용융 파편 등이 환형 간극(54)에 도달할 수 있는 경우, 오염물은 헤드(30)로부터의 퍼지 가스(P)의 흐름을 방해할 수 있다. 더욱이, 센서 조립체(60)에 도달하는 임의의 용융 파편 또는 또 다른 오염물은 그 감지 능력을 방해할 수 있다. 이 때문에, 커버(130), 어댑터(110)의 칼라(115), 시일(117), 및 또 다른 구성은 간극(54) 및 센서 조립체(60)를 보호한다. 더욱이, 지향성 퍼지 가스(P)는 노즐(120)을 능동적으로 냉각할 수 있고, 이는 과열/마모를 방지한다. 퍼지 가스(P)는 커팅 가스(G) 흐름에 대한 커튼(차폐)으로도 사용될 수 있다.

예를 들어, 도 3b는 도 3a의 노즐 부착부(50)의 구성요소에 대한 레이저 빔(B), 공정 가스(G), 및 퍼지 가스(P)를 나타내는 개략도를 도시한다. 양쪽 가스 스트림(P, G)은 유량, 압력 및 가스 유형의 측면에서 독립적으로 조정할 수 있다. 이를 통해 작업자는 임의의 산소-기반 또는 또 다른 공정 가스(G) 주위의 퍼지 가스(P)로부터 불활성 가스 커튼을 생성할 수 있다. 추가적으로, 퍼지 가스(P) 스트림의 각도는 커팅 작업의 요구 사항에 맞게 조정될 수 있다. 예를 들어, 퍼지 가스(P) 스트림은 퍼지 가스(P)가 헤드(30) 및 갠트리(20)로부터 멀리 프로세스 방출물을 냉각/편향시키는 프로세스 제트로서 작용할 수 있도록 워크피스/재료 표면을 향해 기울어질 수 있다. 퍼지 가스(P)는, 별도로 공급되는 가스로서, 스패터 입자, 매연, 및 일반 먼지와 같은 프로세스-기반 오염물에 대항하여 센서 측정 시스템을 보호하는 것을 목표로 한다. 궁극적으로, 프로세스를 향한 퍼지 가스(P)의 지향된 적용은 노즐(120)의 활성 냉각 매체로서 및/또는 추가적인 프로세스 제트로서 사용될 수 있다.

또 다른 구성으로 돌아가면, 도 4a는, 이전에 언급된 바와 같이, 보다 큰 노즐(120')을 갖는 노즐 부착부(50)의 단면도를 도시한다. 다른 구성에서와 유사한 구성요소는 동일한 참조번호를 가지며 다시 설명되지 않지만, 그 상세는 여기에 포함되어 있다.

도시된 바와 같이, 노즐(120')은 어댑터(110)의 칼라(115)를 넘어서 연장된다. 퍼지 가스(P)가 유동 통로(118)로부터 유동하도록 하기 위해, 측부 챔퍼(side chamfers)(119)가 칼라(115)의 측부에 규정될 수 있다. 유동 통로(118)로부터의 퍼지 가스(P)는 어댑터(110)의 측부 외측으로 빠져나갈 수 있으며 노즐(120')을 냉각시키고 추가적인 차폐를 생성하는 목적을 여전히 달성할 수 있다.

예를 들어, 도 4b는 도 3b의 노즐 부착부(50)의 구성요소에 대해 레이저 빔(B), 공정 가스(G), 및 퍼지 가스(P)를 나타내는 개략도를 도시한다. 노즐 어댑터(110)는 노즐(120')에 퍼지 가스(P) 흐름을 유도함으로써 노즐(120')을 냉각시킨다. 추가적으로, 퍼지 가스(P)는 공정 가스(G) 주위에서 재킷처럼 작용할 수 있다. 이러한 기능은 노즐(120') 및 노즐 어댑터(110)의 설계에 따른다. 여기서, 노즐 어댑터(110)는 오염을 방지하기 위해 퍼지 가스(P)의 수평 횡단-제트를 생성할 수 있다. 그러나 퍼지 가스(P)는 노즐(120')을 여전히 냉각할 수 있다.

노즐 부착부(50)의 대안적인 구성이 도 5에 도시되어 있다. 다른 구성에서와 유사한 구성요소는 동일한 참조번호를 갖지만, 그 상세는 여기에 포함되어 있다. 이러한 배열에 있어서, 도 3a 및 4a의 원추형 캡 및 커버의 개별 구성은 단일 커버(90)로 함께 통합되며, 이 단일 커버는 공간(95)을 둘러싸고 퍼지 가스(P)가 어댑터의 칼라(115) 내의 포트(118)에 도달하도록 오리피스(94)를 규정한다.

여기에 개시된 바와 같이, 노즐 부착부(50)는 작동 동안 직면할 수 있는 사면 커팅 작업으로부터의 문제를 경감할 수 있다. 노즐 부착부(50)는 오염물이 센서 조립체(60) 내부로 들어가는 것을 방지할 수 있고 노즐(120)을 냉각시키기 위한 퍼지 가스(P)로 냉각 효과를 초래할 수 있다. 어댑터(110) 및 커버(130)는 커팅 헤드(30)의 시스템(14) 및 정전용량 센서 조립체(60)에 영향을 미치지 않도록 구성된다. 더욱이, 부착부(50)는 모듈식 설계를 가지므로 부착부(50)는 다수의 상이한 노즐 유형과 함께 사용될 수 있다.

바람직한 실시형태 및 또 다른 실시형태에 대한 상기 설명은 출원인이 생각하는 본 발명의 개념의 범위 또는 적용 가능성을 한정하거나 제한하도록 의도되지 않는다. 개시된 주제의 임의의 실시형태 또는 양태에 따라 위에서 설명된 구성들은 단독으로, 또는 개시된 주제의 임의의 다른 실시형태 또는 양태에 있어서의 임의의 또 다른 설명된 구성과 조합하여 활용될 수 있다는 것은 본 개시의 이점으로 이해될 것이다.

여기에 포함된 발명의 개념을 개시하는 대가로, 출원인은 첨부된 청구범위에 의해 제공되는 모든 특허권을 원한다. 그러므로, 첨부된 청구범위는, 다음의 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에 들어오는 모든 수정 및 변경을 최대한 포함하도록 의도된다.

Claims

레이저 커팅 헤드에 노즐을 연결하기 위한 장치로서, 상기 레이저 커팅 헤드는 상기 노즐과 워크피스 사이의 정전용량을 감지하도록 구성되는 센서 조립체, 레이저 또는 프로세스 가스 중 적어도 하나를 연통시키기 위한 개구부 및 퍼지 가스를 연통시키기 위한 오리피스를 포함하며, 상기 센서 조립체는 전도성 홀더 및 접지 차폐부를 포함하되, 상기 장치는:
상기 노즐을 상기 전도성 홀더에 전기적으로 연결하도록 구성된 전도성 어댑터를 포함하고, 상기 전도성 어댑터는,
상기 센서 조립체에 부착되도록 구성되는 제1 단부;
상기 노즐에 부착되도록 구성되는 제2 단부; 및
칼라;를 포함하고, 상기 전도성 어댑터는:
상기 개구부와 연통되는 제1 통로; 및
상기 칼라의 내부 표면과 상기 전도성 어댑터의 제2 단부의 외부 표면에 의해 규정되고 상기 퍼지 가스를 전달하도록 구성되는 제2 통로; 및
상기 레이저 커팅 헤드와 상기 칼라 사이에 위치하도록 구성되고 상기 퍼지 가스를 상기 오리피스로부터 상기 제2 통로로 전달하도록 구성된 공간을 둘러싸도록 구성된 절연 커버;를 포함하되,
상기 공간은 상기 커버와 상기 접지 차폐부 사이에 위치하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 단부는 상기 노즐에 부착되도록 구성된 리셉터클을 포함하는, 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 리셉터클은 상기 노즐과 나사결합하도록 구성되는 내부 나사산을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전도성 어댑터의 제1 단부는 상기 전도성 홀더와 나사결합하도록 구성되는 외부 나사산을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 절연 커버는 플라스틱, 금속, 또는 세라믹 중 적어도 하나로 이루어지는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전도성 어댑터는 상기 칼라 주위에 배치되고 상기 절연 커버의 립과 밀봉 가능하게 맞물리도록 구성되는 개스킷 시일을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 절연 커버는 상기 센서 조립체와 맞물리도록 구성된 제1 원주 가장자리와 상기 제1 원주 가장자리보다 작고 상기 전도성 어댑터의 상기 칼라와 맞물리도록 구성된 제2 원주 가장자리를 갖는 원추부를 포함하는, 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 원추부는 캡 및 거들을 포함하는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 통로의 출구는 상기 노즐에 직접적으로 인접하게 배치되는, 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 절연 커버는 교체 가능한, 장치.
레이저 커팅 헤드에 있어서,
노즐; 및
하우징;을 포함하고,
상기 하우징은,
상기 노즐과 워크피스 사이의 정전용량을 감지하도록 구성되고, 전도성 홀더 및 접지 차폐부를 포함하는 센서 조립체;
레이저 또는 프로세스 가스 중 적어도 하나를 전달하기 위한 개구부;
퍼지 가스를 전달하기 위한 오리피스; 및
상기 노즐을 상기 전도성 홀더에 전기적으로 연결하는 전도성 어댑터;를 포함하며,
상기 전도성 어댑터는,
상기 센서 조립체에 부착되도록 구성되는 제1 단부;
상기 노즐에 부착되도록 구성되는 제2 단부; 및
칼라;를 포함하고, 상기 전도성 어댑터는:
상기 개구부와 연통되는 제1 통로; 및
상기 칼라의 내부 표면과 상기 전도성 어댑터의 제2 단부의 외부 표면에 의해 규정되고 상기 퍼지 가스를 전달하도록 구성되는 제2 통로; 및
상기 레이저 커팅 헤드와 상기 칼라 사이에 위치하도록 구성되고 상기 퍼지 가스를 상기 오리피스로부터 상기 제2 통로로 전달하도록 구성된 공간을 둘러싸도록 구성된 절연 커버;를 포함하되,
상기 공간은 상기 커버와 상기 접지 차폐부 사이에 위치하는, 레이저 커팅 헤드.
제 11 항에 있어서,
상기 센서 조립체는:
레이저 또는 프로세스 가스 중 적어도 하나를 전달하기 위한 개구부를 갖는 세라믹 몸체; 그리고
상기 세라믹 몸체의 상기 개구부에 배치되는 전도성 홀더;
를 포함하는, 레이저 커팅 헤드.
제 12 항에 있어서,
상기 센서 조립체는 상기 세라믹 몸체 주위에 배치되는 접지 차폐부를 포함하고, 상기 전도성 어댑터 및 상기 접지 차폐부는 전압 차(voltage differential)를 통해 전기적으로 연통하도록 연결되는, 레이저 커팅 헤드.
제 12 항에 있어서,
상기 전도성 어댑터의 제1 단부는 상기 전도성 홀더와 나사결합하도록 구성되는 외부 나사산을 포함하는, 레이저 커팅 헤드.
삭제
제 11 항에 있어서,
상기 제2 단부는 상기 노즐에 부착되도록 구성된 리셉터클을 포함하는, 레이저 커팅 헤드.
제 16 항에 있어서,
상기 리셉터클은 상기 노즐과 나사결합하도록 구성되는 내부 나사산을 포함하는, 레이저 커팅 헤드.
제 11 항에 있어서,
상기 절연 커버는 플라스틱, 금속, 또는 세라믹 중 적어도 하나로 이루어지는, 레이저 커팅 헤드.
제 11 항에 있어서,
상기 전도성 어댑터는 상기 칼라 주위에 배치되고 상기 절연 커버와 밀봉 가능하게 결합되는 개스킷 시일을 포함하는, 레이저 커팅 헤드.
제 11 항에 있어서,
상기 절연 커버는 상기 센서 조립체와 맞물리도록 구성된 제1 원주 가장자리를 포함하고, 상기 제1 원주 가장자리보다 작고 상기 전도성 어댑터의 상기 칼라와 맞물리도록 구성되는 제2 원주 가장자리를 갖는 원추부를 포함하는, 레이저 커팅 헤드.
제 11 항에 있어서,
상기 제2 통로의 출구는 상기 노즐에 인접하게 배치되는, 레이저 커팅 헤드.
제 12 항에 있어서,
상기 센서 조립체는 상기 하우징에 부착되는 제1 원주방향 단부와 상기 세라믹 몸체 주위의 환형 간극을 규정하는 제2 원주방향 단부를 갖는 원추형 캡을 포함하며; 상기 전도성 어댑터의 외주는 상기 원추형 캡의 상기 제1 원주방향 단부로부터 상기 노즐의 선단을 향하여 연장되는 원추 각도 내에 놓이는, 레이저 커팅 헤드.
제 11 항에 있어서,
상기 절연 커버는 교체 가능한, 레이저 커팅 헤드.