KR200164249Y1 - 레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 레이저 빔을 방사하는 레이저 발진기(1), 상기 레이저 발진기(1)로부터 방사된 빔을 전송하는 빔 전송관(2), 상기 빔 전송관(2)으로부터 전송된 빔을 반사시키는 반사거울(3), 및 상기 반사거울(3)로부터 반사된 빔을 이용하여 레이저 가공을 수행하는 가공헤드(4); 와 피가공물(5)을 올려놓는 가공 테이블(6) 및 상기 가공 테이블(6)을 지지하는 가공기 본체(7)로 구성되는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 피가공물(5)의 상부에 설치되어 피가공물(5)로부터 반사되는 빔을 감지하는 광 센서(106); 및 상기 광 센서(106)에 의해 전송된 정보에 의해 레이저 발진기(1)의 빔 모드를 변환시키고 가스량 조절장치(107)를 작동시켜 가스량을 조절하는 제어장치(108)를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

Description

레이저 가공장치

본 고안은 레이저 가공장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 가공작업중 반 사되는 광량의 세기 변화를 감지하는 광센서와, 이 광센서로부터 측정된 결과에 따 라 피가공물의 가공조건을 변환시키는 제어장치를 구비한 것을 특징으로 하는 레이 저 가공장치에 관한 것이다.

레이저를 이용하여 피가공물을 가공하는 가공작업중의 절단가공의 경우는 작 업특성상 초기에 피가공물에 구멍을 만든 후(이하 '피어싱 작업'이라 함), 이 구멍 을 시작으로 하여 작업을 진행하고 있다. 이 때 최초의 피어싱 작업은 가능한 한 피가공물에 에너지를 적게 가한 상태에서도 관통특성이 우수한 펄스빔을 사용하고 있다. 일단 피가공물에 구멍이 생기면 절단효율이 우수한 연속빔으로 빔 모드를 변 환하여 절단작업을 행하게 된다.

그러나, 피가공물의 재질이나 두께가 변할 경우에는 펄스출력이나 시간 등을 변화시켜야 하나, 현실적으로는 모든 재질 및 두께에 대해 피어싱 작업조건을 확보 하는 것은 어렵기 때문에 통상은 충분한 시간동안 펄스빔을 조사시켜서 피가공물을 관통시키고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 피가공물의 관통여부를 레이저 가공헤드부분에 압력센서를 설치하여 이 압력센서의 신호에 따라 레이저 빔모드를 변환하는 기 술이 개발되었다(일본국 특허공개공보 소61-135493호 참조).

이 압력센서는 보조가스 주입라인 근처에 설치되어 피어싱 전, 후의 가공헤 드 내의 압력변화를 검출하는 것으로서, 압력변화가 생기는 시점에서 제어장치에 의해 레이저 빔 모드를 펄스에서 연속파로 변환시켜 작업을 행하게 된다. 이러한 장치는 피가공물에 레이저 빔이 조사되는 동안 피가공물이 관통되지 않으면 가공헤 드 내부는 고압이 걸리게 되고, 일단 관통이 되면 관통된 구멍으로 보조가스가 빠 져나가기 때문에 가공헤드 내의 압력이 저하되는 것을 감지하는 것이다.

그러나, 이러한 압력변화를 감지하기 위해서는 매우 감도가 높은 압력센서가 필요하며, 특히 보조가스의 압력이 저압인 경우에는 적용이 불가능하게 된다. 보조 가스의 압력이 높은 경우에도 감지에는 유리하나 피어싱 작업에서 수반되는 스패터 발생이 더욱 커지게 되어 집광렌즈의 손상이 우려된다.

또한, 피어싱에 의해 관통되는 구멍은 초기의 경우 약 0.1-0.2㎜ 정도로 매 우 작기 때문에 구멍의 크기가 어느 정도 커져야만 압력변화를 감지하기 용이하게 된다.

또, 일본국 특허공개공보 평4-81285호에는 피가공물의 하부에 수광소자를 설 치하여 레이저 빔이 피가공물을 관통했느냐의 여부를 파악하여 이정보를 이용하는 가공방법이 제시되고 있으나, 이 방법은 피가공물 하부에 센서가 설치됨으로써 절 단위치가 변할 경우 센서의 위치이동이 어렵고, 작업이 반복될 경우 스패터 등에 의한 오염으로 충분한 성능을 발휘할 수 없게 된다. 또, 플라잉 옵틱스처럼 가공헤드가 움직일 경우에 수광소자의 동시이동이 어려운 문제점이 있었다.

또, 레이저를 이용한 용접작업의 경우에는 용접초기부분(스타트부분)에서 완 전한 용입이 이루거진 후 용접을 진행하게 되는 데, 피용접재의 재질이나 두께 등 에 따라 완전용입이 되는 조건이 각기 다르기 때문에 정확한 초기 용접시간의 설정 이 어렵다.

따라서, 통상 충분한 시간적 여유를 가지고 초기 용접을 행하게 되는데 이 때문에 용접 초기부분은 과도한 열에 의해 균열이 발생하고 변형이 일어나는등 품 질을 저하시키는 요인이 되고 있다.

본 고안의 목적은, 상기의 여러 문제점을 해결하기 위해, 가공작업중 반사되 는 광량의 세기 변화를 감지하는 광센서와 상기 광센서로부터 측정된 결과에 따라 피가공물의 가공조건을 변환시키는 제어장치를 구비한 레이저 가공장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은, 레이저 빔에 의한 절단 작업시에 피어싱 작업이 완 료되는 순간 빔 모드가 펄스에서 연속출력모드로 바뀌어 바로 절단작업을 수행할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 또 다른 목적은, 레이저 빔에 의한 용접작업시에 용접초기에서 완 전용입이 되는 순간 곧바로 용접을 수행할 수 있는 레이저 가공장치를 제공하는 것 이다.

제1도는 종래의 레이저 가공장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 구 성도.

제2도는 제1도에 나타낸 레이저 가공장치의 가공헤드 부분의 확대 단면도.

제3도는 본 고안의 레이저 가공장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 구성도.

제4도는 본 고안의 레이저 가공장치에 의한 절단가공시 초기부분의 광량변화 를 나타내는 그래프.

제5도는 본 고안의 레이저 가공장치에 의한 제어동작의 플로우 차트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 발진기 2 : 빔 전송관

3 : 반사거울 4 : 레이저 가공헤드

5 : 피가공물 6 : 가공테이블

7 : 가공기 본체 8 : 제어장치

15 : 수광 소자 41 : 가공헤드 본체

42 : 집광렌즈 43 : 공기 주입라인

44 : 냉각수 주입라인 45 : 보조가스 주입라인

46 : 선단노즐 106 : 광센서

107 : 가스량 조절장치 108 : 제어장치

상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 레이저 가공장치는, 레이저 빔을 방 사하는 레이저 발진기(1), 상기 레이저 발진기(1)로부터 방사된 빔을 전송하는 빔 전송관(2), 상기 빔 전송관(2)으로부터 전송된 빔을 반사시키는 반사거울(3), 상기 반사거울(3)로부터 반사된 빔을 이용하여 레이저 가공을 수행하는 가공헤드(4), 피 가공물(5)을 올려놓는 가공 테이블(6), 상기 가공 테이블(6)을 지지하는 가공기 본 체(7)로 구성되는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 피가공물(5) 상부에 설치되어 피가공물(5)로부터 반사되는 빔을 감지하는 광센서(106)와, 상기 광센서(106)로부 터 전송된 정보에 의해 상기 레이저 발진기(1)의 빔 모드를 변환시키고 상기 가스 량 조절장치(107)를 작동시켜 가스량을 조절하는 제어장치(108)를 구비한 것을 특 징 으로 한다.

이하에서는 본 고안의 레이저 가공장치의 구성을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 종래의 레이저 가공장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이고, 제2도는 상기 제1도에 나타낸 레이저 가공장치의 가공헤드 부분이 상세하게 나타나 있다.

제1도에서 1은 레이저 빔을 방사하는 레이저 발진기, 2는 상기 레이저 발진기(1)로부터 방사된 빔을 전송하는 빔 전송관, 3은 상기 빔 전송관(2)으로부터 전송된 빔을 반사시키는 반사거울, 4는 상기 반사거울(3)로부터 반사된 빔을 이용 하여 레이저 가공을 수행하는 가공헤드, 5는 피가공물, 6은 상기 피가공물(5)을 올려놓는 가공 테이블, 7은 상기 가공 테이블(6)을 지지하는 가공기 본체, 8은 상기 레이저 발진기(1)와 가스량 조절장치(107)를 제어하여 전체의 가공작업을 제어하는 제어장치(8)이다.

제2도에서 15는 수광 소자, 41은 가공헤드 본체, 42는 집광렌즈, 43은 공기 주입라인, 44는 냉각수 주입라인, 45는 보조가스 주입라인, 46은 선단노즐이다.

제1도 및 제2도를 참조하여 종래의 레이저 가공장치의 작동을 살펴보면 다음과 같다. 레이저 발진기(1)로부터 발진된 레이저 빔은 빔 전송관(2) 및 반사거울(3)을 통해 가공헤드(4)에 다다르게 되고, 집광렌즈(42)에 의해 한 곳으로 모아져 피가공물(5)을 녹이게 된다.

이 때, 보조가스 주입라인(45)을 통해 들어오는 보조가스는 선단노즐(46)을 거쳐 피가공물에 불어넣어져 레이저 빔에 의한 가공을 도와 준다.

제어장치(8)는 상기 레이저 발진기(1)와 가스량 조절장치(107)를 제어하여 빔 모드를 전환시키고, 보조가스의 유입여부와 유입량(압력) 등을 제어함으로써 소 정의 순서에 의한 레이저 가공작업을 행한다.

절단 작업을 행할 경우에는 먼저 피가공물(5)의 작업개시점에 펄스빔을 이용 하여 구멍을 관통시킨다. 제어장치(8)는 임의로 설정된 일정시간이 지나면 빔모드 를 펄스파에서 연속파로 변환시켜 본래의 절단가공을 행한다. 이러한 가공방법은 피가공물의 두께나 재질에 따라 관통시간을 다시 설정해야 하고 그 설정이 현실적 으로 어려워 필요이상의 시간을 설정하므로 경제적이지 못하고 제품의 품질이 저하 되는 문제점이 있었다.

제3도는 본 고안의 레이저 가공장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.

본 고안의 레이저 가공장치에는 피가공물(5) 상부에 설치되어 상기 피가공물(5)로부터 반사되는 빔을 감지하는 광센서(106) 및 상기 광센서(106)에 의 해 전송된 정보에 의해 빔 모드를 변환시키고 가스량을 조절하는 제어장치(108)가 구비 되어 있다.

레이저 발진기(1)로부터 발진된 레이저 빔은 빔 전송관(2) 및 반사거울(3)을 통해 가공헤드(4)에 다다르게 되고, 집광렌즈(42)에 의해 한 곳으로 모아져 피가공 물(5)을 녹이게 된다.

이 때 보조가스 주입라인(45)을 통해 들어오는 보조가스는 선단노즐(46)을 거쳐 피가공물에 불어넣어져 레이저 빔에 의한 가공을 도와준다.

상기 피가공물(5)에 조사되는 빔은 초기에는 대부분이 반사되며, 피어싱이 진행되는 동안에도 일부는 반사되어 그 정보가 상기 광센서(106)에 감지된다.

그러나, 상기 피가공물(5)이 관통되는 순간에는 레이저 빔의 대부분은 관통 구멍 밑으로 빠져나가고 상대적으로 반사되는 빔은 거의 없어지게 된다.

이러한 정보는 제어장치(108)에 전송, 처리되어 상기 레이저 발진기(1)를 제 어하여 레이저 빔을 연속모드로 절환시키게 되고, 가스량 조절장치(107)를 제어하 여 가스 조절밸브를 열게 하여 가공헤드(4) 내부로 유입되는 보조가스의 유입량(압 력)을 높여주게 된다.

한편, 용접 가공시에는 초기에는 절단가공시와 마찬가지로 대부분의 빔이 반 사되며, 시간이 경과할수록 레이저 빔과 피가공물의 접촉부위는 온도상승에 의한 금속증기의 발생이 일어나고, 급기야 피가공물 내부에 구멍을 만드는 소위 키홀현상이 일어나서, 레이저 빔의 대분분은 키홀 내부에 존재하게 되고, 외부로 반사되는 빔은 상대적으로 줄어들게 된다.

즉, 광센서(106)에 의해 감지되는 빔의 양이 급격히 저하되며 , 이러한 정보 는 제어장치(108)에 전송되고, 더 이상의 시간지체없이 즉각적인 용접가공이 수행 되게 된다.

제4도는 레이저 가공장치에 의한 레이저 빔과 피가공물 사이에서 발생하는 광량의 변화를 광센서를 이용하여 측정한 결과로서 시간에 따른 전압의 변화를 그래프로 나타낸 것이다.

이 때 가공조건은 레이저 출력 0.24㎾, 펄스 빔 100(40%), 보조가스로는 산 소(60 1/분), 피가공물은 C-Mn강(두께:3.3m)을 사용했고, 센서로는 가시광선 영역 의 포토다이오드를 사용하였으며 , 센싱거리는 광원으로부터 100㎜, 센싱위치는 재 료표면 기준 11°상부였다.

초기에는 레이저 빔과 피가공물 사이의 반응이 시작되면서 피가공물이 이온 화되어 나타나는 플라즈마의 발생에 의해 매우 밝게 되며(휘도 높음), 시간이 경과 할수록 재료내부에서 반응이 일어나기 때문에 외부에서 감지되는 휘도가 낮아지게 된다.

이러한 과정이 계속되어 빔이 피가공물을 관통하게 되면 광량은 거의 사라지 게 된다. 여기서 광량(휘도)을 결정하는 구성요소는 플라즈마 외에 재료의 용융물과 스패터의 휘도가 추가된다.

제5도는 본 고안의 레이저 가공장치의 제어장치(108)가 레이저 가공을 행하는 제어동작의 플로우 차트이다.

절단작업의 경우, 가스량 조절장치(107)의 밸브를 열고(저압의 보조가스), 펄스빔을 방사시킨다. 스텝 1 및 스텝 2에 의해 선단노즐(46)을 통해 피가공물(5) 위에 레이저 빔과 보조가스가 방사되어 피어싱 작업이 진행된다.

일정시간 경과 후 구멍이 관통되면, 광센서(106)가 즉각 이를 감지하여(스 텝 3), 빔 모드를 펄스에서 연속출력모드로 바꾸고, 보조가스의 압력을 높여(스텝 4), 프로그램 가공을 개시한다(스텝 5).

가공완료(스텝 6) 후에는 레이저 빔 방사를 정지하고(스텝 7), 가스량 조절 장치를 닫고(스텝 8) 가공을 종료한다.

용접가공의 경우에는 상기 스텝 2에서 펄스빔이 아닌 연속빔을 사용하며, 상 기 스텝 4가 생략되는 것을 제외하고는 절단가공시와 동일하다.

상기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 고안의 레이저 가공장치를 사용하게 되 면, 피어싱 작업시 피가공물의 관통여부를 광센서를 이용하여 정확히 검출함으로 써, 초기 관통시간을 최단시간으로 짧게 하는 것이 가능하다.

또한 가공헤드부의 보조가스 압력을 초기에 저압으로 유지함으로써 통상 고 압조건에서 발생되는 스패터 발생을 방지할 수 있기 때문에 집광렌즈의 오염을 사 전에 방지할 수 있다.

또, 용접가공시에는 키홀작용에 의한 완전용입시점을 정확히 검출함으로써, 용접가공물의 품질을 향상시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 레이저 빔을 방사하는 레이저 발진기(1), 상기 레이저 발진기(1)로부터 방사된 빔을 전송하는 빔 전송관(2), 상기 빔 전송관(2)으로부터 전송된 빔을 반사시키는 반사거울(3), 상기 반사거울(3)로부터 반사된 빔을 이용하여 레이저 가공을 수행하는 가공헤드(4), 피가공물(5)을 올려놓는 가공 테이블(6), 상기 가공 테이블(6)을 지지하는 가공기 본체(7)로 구성되는 레이저 가공장치에 있어서, 상기 피가공물(5) 상부에 설치되어 피가공물(5)로부터 반사되는 빔을 감지하는 광센서(106)와, 상기 광센서(106)로부터 전송된 정보에 의해 상기 레이저 발진 기(1)의 빔 모드를 변환시키고 상기 가스량 조절장치(107)를 작동시켜 가스량을 조 절하는 제어장치(108)를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.