KR100584310B1 - Method and apparatus for processing material with laser beam injected into injection liquid - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분사액체기둥(25)에 주입되는 레이저 빔으로 소재(45)를 가공하는 방법과 장치에 관한 것이다. 액체는 노즐관(29)과 노즐관구(28)에 의해 분사되어 형성되는 바, 이러한 액체의 흐름에는 와류 특히, 노즐관 축에 접선 방향으로 흐르는 성분이 없게 한다. 레이저광은 노즐관의 유입평편면부(30)에 그 초점이 모아지게하며, 액체는 빔을 초점으로 모으는 원추부(38)와 그 주위에 액체 저장 공간이 생기지 아니하게 한다. The present invention relates to a method and apparatus for processing a material (45) with a laser beam injected into the injection liquid column (25). The liquid is formed by being injected by the nozzle tube 29 and the nozzle tube 28, so that the flow of the liquid is free of vortices, in particular, components that flow in a direction tangential to the nozzle tube axis. The laser light causes its focus to converge on the inflow flat surface portion 30 of the nozzle tube, and the liquid does not create a liquid storage space around the conical portion 38 which focuses the beam.
Description
본 발명은 특허 청구 범위 1의 기재에 따른 소재 가공 방법과 특허 청구 범위 4의 기재에 따른 재료 가공 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a material processing method according to the description of Claim 1 and a material processing apparatus according to the description of Claim 4.
레이저 방출을 사용한 소재 가공은 다양한 방법으로 자르고, 구멍내고, 용접하고, 표시하고, 그리고 일반적으로 재료를 절삭하는데 사용되어 왔다. 가공 과정에서 가공될 재료 표면에 소기의 방출 강도로 레이저를 방출하여 재료의 제거를 개시할 수 있다. 이 고출력의 방사는 초점 잡힌 레이저 방출에 의해서 얻어진다. 그러나, 이 기술의 단점은 높은 강도의 방출이 도달할 초점의 축 넓이(빔폭)가 작다는 것이다.Material processing using laser emission has been used to cut, pierce, weld, mark, and generally cut materials in a variety of ways. In the course of processing, removal of the material can be initiated by emitting a laser at a desired emission intensity on the surface of the material to be processed. This high power radiation is obtained by focused laser emission. However, a disadvantage of this technique is that the axial width (beam width) of the focal point that high intensity emission will reach is small.
만일 깊이 파거나 구멍을 낼 경우, 초점의 위치는 매우 높은 수준의 정확도 또는 경로를 포함하여야 한다. 빔은 점점 가늘어져 원뿔 모양으로 초점으로 나아가는 바, 특히 깊게 파낼 경우, 표면에서 시작하여 가공 장소로 원뿔의 빔이 도달할 수 있도록 하기 위하여는 표면 부위에서 상당한 량의 소재가 제거될 것이 필요하다. 그러나 깊게 파내거나 구멍을 형성시키게 되면 항상 경사진 외벽이 형성되어진다. If you dig or dig deep, the location of the focal point must contain a very high level of accuracy or path. The beam becomes thinner and conical to the focal point, especially when digging deep, a significant amount of material needs to be removed from the surface area to allow the cone's beam to reach the machining site, starting from the surface. However, if you dig deep or make a hole, the inclined outer wall is always formed.
초점의 자취를 남기는 것을 막고, 대략 수직인 외벽을 형성시키면서 좁게 파내어 구멍을 만들 수 있는 방법으로서는, 광선 유도체로서, 가공될 소재로 광선을 안내하는 분사액체에 레이저를 방사하는 US-A 5 773 791, EP-A 0 515 983, DE-A 36 43 284 와 WO 95/32834호의 발명이 제시되어 있다.As a method of preventing the traces of focus from being left and making the holes by digging narrowly while forming an approximately vertical outer wall, as a light derivative, US-A 5 773 791 which emits a laser to a spray liquid which guides the light beam to the material to be processed. , EP-A 0 515 983, DE-A 36 43 284 and WO 95/32834 are presented.
DE-A 36 43 284에서 레이저 광선은 유리섬유에 의해 공급되었다. 유리섬유 끝에는 가공될 소재 방향으로 주위에 흐르도록 분사액이 있다. 이 알려진 장치의 단점은, 분사액의 지름이 레이저 광선을 나르는 유리섬유의 지름 보다 작을 수가 없다 것이다. 그리고 또다른 결점은, 유리섬유의 끝 아래에 있는 물에 의해 유래하는 것으로, 이 물이 분사액의 흐름을 방해하고 결국 분사된 물이 급속히 물방울로 변하는 것이다.In DE-A 36 43 284 the laser beam was supplied by glass fibers. At the end of the fiberglass there is an injection liquid which flows around in the direction of the material to be processed. A disadvantage of this known device is that the diameter of the jetting liquid cannot be smaller than the diameter of the glass fibers carrying the laser beam. And another drawback is that it is caused by the water beneath the end of the fiberglass, which hinders the flow of the jetting liquid and eventually the jetted water rapidly turns into water droplets.
EP-A 0 515 983은 분사액의 모양을 결정하는 노즐벽을 갖는 광학장치의 디자인으로 이러한 단점을 피하려고 했다. 분사액의 모양을 결정하는 노즐의 상류에 액을 넣는 액 보유 챔버를 설치하며, 이 챔버에는 레이저 방출을 초점잡고 노즐입구로 부터 공간을 막는 초점 렌즈가 설치되어 있다. 초점 렌즈의 초점 길이와 위치는 레이저 방출의 초점이 노즐관 안쪽 중심축에 위치하는 것을 고려해서 결정된다. 그러나, 이 발명은 가공중 작업에서 노즐이 레이저 방출에 의해 빨리 손상된다는 것을 발견했고, 결과적으로 방출의 형태가 더 이상 완전할 수 없었다.EP-A 0 515 983 sought to avoid this drawback with the design of optics with nozzle walls that determine the shape of the jetting liquid. A liquid holding chamber is placed upstream of the nozzle which determines the shape of the injection liquid, and the chamber is provided with a focusing lens that focuses the laser emission and closes the space from the nozzle inlet. The focal length and position of the focus lens are determined taking into account that the focal point of the laser emission is located in the central axis inside the nozzle tube. However, the invention found that the nozzles were quickly damaged by laser emission in the processing during processing, and as a result the form of the emission could no longer be complete.
WO 95/32834에 의해 분사액체 속으로 레이저를 주입하는 방법이 제공되었고, 여기에서, 방사될 레이저 광선의 초점은 노즐입구의 평면에 위치되도록 했고, 노즐입구의 앞의 액 보유 공간도 제거했다. 분사액체를 형성시키는 노즐은 액체공급부에 설치되어 있고, 이 액체공급부는 노즐축에 대하여 방사상의 방향으로 뻗어 있으며, 같은 축으로 다수개가 분배되어있고 밖으로 연통되어 있다. 이러한 개선에도 불과하고 소재의 가공 과정에서 노즐의 손상을 받았다.WO 95/32834 has provided a method for injecting a laser into a spray liquid, in which the focus of the laser beam to be emitted is positioned in the plane of the nozzle inlet and the liquid holding space in front of the nozzle inlet is also removed. A nozzle for forming the injection liquid is provided in the liquid supply part, and the liquid supply part extends in a radial direction with respect to the nozzle axis, and a plurality of nozzles are distributed in the same axis and communicate with the outside. Even with these improvements, the nozzles were damaged during the processing of the material.
발명의 목적은 방법과 장치를 안전하게 하여 재료를 오랜시간 가공할 수 있게 하는 재료 공정 방법과 분사액체기둥으로 레이저를 조사하는 소재 가공 방법과 장치를 제공하는데 있다. 공정의 방해는 미리 결정된 작업 간극에서만 발생한다. 특히 분사액체의 모양을 결정하는 노즐벽의 손상으로 발생하는 예측하지 않은 방해 가능성은 없을 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a material processing method that enables a long time processing of materials by making the method and apparatus safe, and a material processing method and apparatus for irradiating a laser beam with a spraying liquid column. Interruptions in the process occur only in predetermined working gaps. In particular, there is no possibility of unforeseen interference caused by damage to the nozzle wall, which determines the shape of the injection liquid.
본 발명의 방법에 대한 사항은 청구범위 1항에 기술되어있으며, 본 발명의 소재 가공 장치에 대한 사항은 청구범위 4항에 기술되어있다.Details of the method of the present invention are described in claim 1, and details of the material processing apparatus of the present invention are described in claim 4.
본 발명에서는 레이저 광선이 분사액체를 형성하는 노즐관구로 조사되어지며, 액체는 높은 속력으로(액체저장공간 없이) 노즐로 공급되며, 와류의 발생은 억제된다. 이 세가지 요소를 충족시키는 광학유니트 구성을 이하에서 설명하기로 한다. In the present invention, the laser beam is irradiated to the nozzle port forming the injection liquid, the liquid is supplied to the nozzle at high speed (without the liquid storage space), and the generation of vortex is suppressed. An optical unit configuration that satisfies these three elements will be described below.
본 발명의 실시예와 장치는 이하 도면에 도시되어 있다. 보다 자세한 발명의 특징은 이어지는 본문에 기술된다. Embodiments and apparatus of the present invention are shown in the drawings below. Further features of the invention are described in the text that follows.
제 1도는 소재가공장치의 광학유니트부분의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an optical unit portion of a workpiece processing apparatus.
제 2도는 제 1도에서 도시되었던 광학유니트부분에서, 노즐블록으로 분사액체가 공급되는 상태의 확대 종단면도.FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view of the state in which the injection liquid is supplied to the nozzle block in the optical unit portion shown in FIG.
제 3도는 제 2도에서 도시되었던 노즐블록이 노즐부에 삽입되어있는 모습의 종단면도.3 is a longitudinal sectional view of the nozzle block shown in FIG. 2 inserted into the nozzle unit.
제 4도는 제 2도에서의 IV-IV선 방향 단면도4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG.
제 5도는 제 3도를 확대함으로써 분사액체의 발생과 유도과정을 도시한 단면도.5 is a cross-sectional view showing the generation and induction process of the injection liquid by enlarging FIG.
제 1도에 도시되어있는 소재가공장치의 광학 유니트(1)는 웨이브가이드(3)와 웨이브가이드 연결구(5)로 레이저광원(6)에 연결되어있다. 첨부된 도면에는 레이저광원(6)이 개략적으로 도시되어있지만 이는 Nd:YAG레이저와 같은 고출력의 레이저를 의미한다. 연결구(5)안의 웨이브가이드(3)로 부터의 레이저광(7)은 시준기(9)에 의해 시준되어 광선(10)을 형성한다. 광선(10)은 광선확장유니트(11)로 유도된다. 광선확장유니트(11)안에서 광선(10)은 그 단면의 직경이 커지면서 빔(13)으로 변하게 된다. 첨부된 도면으로부터, 빔의 직경이 2에서 8로 증가되는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 확장 비율은 다시 직경을 줄임으로써 레이저 광선(13)의 광선폭(15)을 다양하게 결정할 수 있게 해준다. 이러한 확장 비율은 도시되어 있지는 않지만 광선확장유니트(11)에 조절장치(motorized beam expander)가 있어 그 변경이 가능하다. 광선(13)은 반사경(17)에 의해 90도 꺾이고, 다시 조절장치(19)에 의해 조절되는 반사경(21)에 반사되어 광학초점장치(23)로 유도된다. 조절장치(19)의 조작 및 사용은 아래에 기술한다.The optical unit 1 of the material processing apparatus shown in FIG. 1 is connected to the
광학초점장치(23)의 이론적인 초점은 광선(13)으로부터의 광선폭(15)의 단면적과 일치하지 않아도 무방하다. 이 둘의 편차는 광선확장유니트(11)에 의해 영향을 받았을 가능성이 있는 광선(13)의 발산(divergence)에 기인한다. The theoretical focus of the optical focusing
노즐관(29)을 갖는 노즐블록(27)은 분사액체(25)기둥을 형성시키는 역할을 한다. 광학초점장치(23)와 광선확장유니트(11)은 광선(13)으로부터 초점이 맞추어져 광선(15)이 노즐관구(28)의 노즐관 접합면(30)에 놓일 수 있도록 배열 또는 조절되어진다. 노즐관 접합면(30)은 노즐블록(27)의 양쪽 표면에서 같이 연장되어진다. 제 2도에서 제5도 까지는 분사액체(25)기둥을 형성하게되는 노즐관(29)의 주변을 도식한 것이다. 제 3도는 노즐블록(27)에 대해서 제 2도보다 큰 스케일로 확대된 도면이다. 노즐관(29)은 실린더 형태를 취하고 있다. 노즐블록(27)은 레이저광선을 통과시킬 수 있는 (여기에선 파장이 1.06㎛) 물질이어야 하며, 기계적으로 견고한 물질로 제조되는 것이 바람직하다. 예로써 수정(quartz)이나 작겠지만 다이아몬드로도 제조가 가능하다. 노즐블록(27)을 수정으로 제조할 때보다 다이아몬드로 제조할 경우 사용수명이 더 연장되는 효과를 얻을 수 있다. 수명이 다할 경우에는 짧은 거리의 분사로도 분사액체(25)가 파쇄되는 현상이 발생한다. The
노즐관 벽의 총 반사효과를 이용하기 위해 노즐블록은 반드시 투명해야 할 필요는 없다. 노즐블록을 투명하지 아니하고 레이저광을 흡수하는 소재로 제작할 경우 노즐관벽을 레이저광선을 반사시킬 수 있는 물질로 코팅하여 분사액체(25)로 인한 마모를 감소시켜야 한다. 노즐블록이 투명하지 않을 경우 노즐표면도 반사물질로 코팅해야하며(수정오차를 방지하기 위해) 노즐블록의 아래쪽 표면에도 반사물질 코팅이 필요하다(소재 주변의 플라스마구름<cloud of plasma>으로 부터의 광선이 소재로 다시 방사되는 것을 방지하기 위해).The nozzle block does not necessarily have to be transparent to take advantage of the total reflection of the nozzle tube wall. When the nozzle block is made of a material that absorbs laser light without being transparent, the nozzle tube wall should be coated with a material capable of reflecting the laser light to reduce wear caused by the
제 3도에 도시되어 있는 노즐블록(27)은 노즐관(29)의 축(32)과 직교하는 접합면(30)을 갖는다. 노즐관구(28)의 노즐관단부(31)는 접합면(30)과 노즐관벽사이에 위치하며 날카롭게 제작되며 곡률반경이 5㎛이하인 것이 바람직하다. 이러한 원형의 노즐관단부(31)는 장거리의 액체분사의 전제조건이 된다. 이는 원형의 노즐관단부(31)가 액체의 와류현상을 억제해 주기 때문이다. 노즐블럭(27)은 노즐부(33)에 삽입된다. 노즐블럭(27)과 노즐부(30) 사이의 접면(34)은 틈이 없도록 제작되어야만 한다. 틈은 액체의 흐름에서 와류를 야기시키고 이는 노즐관(29)에서의 분사액체(25)에 까지 효과가 파급된다. 제 3도에서 도시되어있는 노즐블록(27)은 지름이 2mm 이고 높이가 0.9mm이다. 이정도의 크기일 경우에는 다이아몬드로 제작을 하더라도 합리적인 비용이 소요될 것이다. The
위에서 기술했던 바와 같이 분사액체(25)가 분사되는 노즐관(29)은 실린더형태를 취하고 있으며 본 발명의 경우에 직경이 150㎛, 길이가 300㎛이다. 노즐관(27)의 길이는 직경의 두배가 넘지 않는 것이 바람직하다. 노즐관(29)의 출구는 원뿔형으로 확장되어지는 출구(26)에 인접하게 구성된다. 본 발명에서 원뿔의 각도는 80도이다. 원뿔 안쪽 측면의 표면(35)은 점차적으로 확장되며 노즐부(33)와 한몸을 이루게 된다.
As described above, the
원뿔형의 내측 표면은 그 표면에 반사물질의 코팅을 용이하게 해준다. 어떤 방향으로도 분사액체에 방해를 주는 경우가 없고, 경사 때문에 기계적인 불균질상태(충격파, 불순물 등으로 인한)로 야기되는 불특정한 방향의 방사에 대해서도 반사효과가 향상된다. 본 발명에서 선택된 원뿔의 각은 충분히 커서, 분사액체로 부터의 방사선이 측면의 벽에 전혀 충돌하지 않거나 충돌하더라도 작은 각으로 충돌함으로써 효과적으로 반사될 수 있게 한다. The conical inner surface facilitates the coating of reflective material on that surface. The jetting liquid is not disturbed in any direction, and the reflection effect is improved even for radiation in an unspecified direction caused by mechanical inhomogeneity (due to shock waves, impurities, etc.) due to the inclination. The angle of the cone selected in the present invention is sufficiently large so that the radiation from the sprayed liquid can be effectively reflected by colliding at a small angle even if it does not collide or collide with the side wall at all.
노즐관(29)에 공급되는 액체는 좁은 원판형의 내측공간(36)을 경유하게 되며 내측공간(36)의 높이는 노즐관(29)의 직경의 절반정도이며, 직경은 노즐부(33)의 직경과 동일하다. 20개의 공급관(37)은 노즐관(29)의 축(32)을 중심으로 방사형태로 배열되어있으며 내측공간(36)으로 연결되어있다. 이러한 구성은 노즐관(29)으로의 와류가 없는 균일한 액체의 공급을 위함이다. 공급관(37)의 입구쪽에는 감압필터(39)가 설치되어있다. 감압필터(39)는 환상(環狀)의 공간(40)과 접해있으며 환상의 공간(40)은 공급라인(41)과 연결되어 있다. 감압필터(39)는 20개의 공급관(37)의 압력을 각각 일정하게 유지시킴으로써 액체가 노즐입구로 균일하게 대칭적으로 공급될 수 있도록 해주는 것을 목적으로 한다. 공급라인(41)이 한방향으로만 설치되어있기 때문에 감압필터(39)가 없다면 20개의 공급관(37)중 공급라인(41)에 인접한 것일수록 압력이 높게 걸릴 것이다. 결과적으로 노즐관구(28)로 공급되는 액체는 어긋나는 방향으로 들어갈 수 없다. 레이저광선이 노즐관구(28)까지 도달하기 위해서 내측공간(36)은 액체가 충만되어있고 레이저가 투과할 수 있는 투명한 재질의 커버(43)에 의해 덮여져 있다.
The liquid supplied to the
내측공간(36)의 낮은 높이로 인해 액체의 유속이 빨라진다. 빠른 유속으로 인해서 초점이 맞춰져가는 레이저의 원추부(38)에서 액체가 레이저에 의해 가열된 가능성이 없다(혹은 현저하게 낮다). 위에서 언급한 구성에 의해서 내측공간(36)에, 특히 레이저의 초점이 맞춰지는 원추부(38)의 일부에 더멀렌즈(thermal lens)가 형성되는 것을 막을 수 있다. 더멀렌즈는 레이저가 완벽하고 안정하게 노즐관구(28)의 축(32)에 투사될 수 있는 것을 방해하게 된다. 더멀렌즈가 형성되면 이것이 발산렌즈의 작용을 함으로써 광선의 초점을 악화시키는 역할을 한다. 레이저광선이 노즐관구나 노즐 표면과 충돌함으로써 노즐을 손상시킬 수 있다. 또한 더멀렌즈가 형성됨으로써 액체가 가열되어 불안정하게 유동하게 되는 현상이 발생한다. 따라서 광선이 분사액체(25)로 정확하게 투사되어질 수 없다. Due to the low height of the inner space 36, the flow velocity of the liquid is increased. Due to the high flow rate, there is no possibility (or notably low) that the liquid is heated by the laser at the
별모양의(방사형의) 공급관(37)의 배열, 환상의 공간(40)과 공급관(37) 사이의 감압필터(39), 액체가 흐르는 부분의 노즐블럭(27)과 노즐부(30) 사이의 이음새없는 접면(34), 노즐 입구에 위치한 원형의 작은(반경이 5㎛이상인) 노즐관단부(31)들로 인해서 와류 없는 액체를 공급 할 수가 있어 액체를 분사할 수 있는 거리를 최대화 시킬 수 있다. 또한 액체중의 가스의 제거와 불순물을 걸러주는 작업도 분사거리를 늘려주는 효과를 얻을 수 있다. 또한 액체를 공급하는 과정에서 압력에 펄스가 있어서는 안된다(일정해야만 한다). 이는 실린더형태를 취하고 있기 때문에 압력이 불균일하면 분사가 불안정해지기 때문이다. 표면장력 때문에 액체는 구형으로 그 형태를 변화시키려는 성질이 있다. 그러므로 일정한 거리 이상으로 분사된 액체는 각각 방울을 형성하면서 부서지게 된다. 긴 거리의 액체분사를 실현하기 위해서는 위에서 언급한 것과 같이 여러 방해요소가 제거된 액체공급이 필수적이다. Arrangement of star-shaped (radial)
또한, 분사액체(25)가 가공될 소재의 표면에 충돌하게 되면 충격파가 발생되는데 이 충격파가 분사액체(25)에 영향을 주게 된다. 충격파는 액체의 흐름이 더 이상 층을 이루지 않는 것을 의미하고, 충격파로 인해 분사액체의 표면에 발생하는 불안정성 때문에 노즐관입구로 들어가는 레이저 방출 중 몇몇이 분사액체(25)로부터 나오게 된다. 이와같이 분사액체(25)로부터 광선이 나오게 되면 노즐벽(27)과 접촉하거나 투과할 수 있고 노즐부(33)의 금속벽을 가격할 수 있다. 그렇다면 이 방출은 부분적인 가열을 발생하여 벽에 흡수될 수 있다. 이것은 노즐부(33)의 재질을 녹이거나 기화시킬 수 있고, 노즐부(33)과 노즐벽(27)의 파괴를 야기할 수도 있다. 이런 현상을 막기위해서 내측벽(35)는 원뿔형으로 디자인되어 있고 반사 코팅처리 되어있다. 그러므로 분사액체의 앞쪽면에서의 불안정으로 생성된 레이저 방출은 이 코팅에 의해 반사되며 흡수성의 물질로 노즐벽(27)을 관통하지 못한다. 소재(45)가 구멍이 나거나 깎여 졌다면, 충격파가 없거나 있더라도 최소한의 에너지 형태로 발생된다. In addition, when the
노즐벽(27)은 긴 수명인 것으로 여기에 기술되어있지만 쉽게 교체할 수 있도록 배치되어 있다. 노즐벽의 교체를 위하여는 단지 나사로 빠지는 삽입물(46)만 있으면 된다. The
제공된 봉인을 확인하기 위해서, 외부 옆쪽면으로 둘러진 홈(54)을 가지며 관측구멍(50)을 가진 투명한 덮개(43)가 삽입물(48)에 설치되어 있다. 관측구멍(50)에 액체가 있을 경우에는 봉인링(58a)이 기능을 잃어버렸기 때문이다. 봉인링(58b)이 기능을 잃어버렸을 때는 액체는 투명한 덮개(43)의 표면(60)까지 닿고 그것은 레이저의 초점과 경로를 적지 않게 손상시킬 수 있다. 이 것을 피하기 위해서 봉인링(58a, 58b)은 액체가 관측구멍(50)으로 관측될 때마다 교체해 주어야 한다. In order to confirm the seal provided, a
힘 센서(47)는 가공될 소재(45) 밑에 위치해 있다. 센서(47)의 위치는, 분사액체(25)가 센서(47)에 부딪칠 때(편향되지 아니하고) 센서(47)가 조절장치(49)에 최대한의 전기적 신호를 발할 수 있도록 선택된다. 센서(47)는 분사액체(25)의 기하학상의 축(35)상에 설치된다. 그 속으로 레이저빔이 주입된 분사액체(25)가, 아직 가공되지 아니한 소재(45)에 충돌되면, 분사액체(25)가 소재(45)에 구멍을 뚫게 되므로 신호가 없게 된다. 만일 소재(45)에 이미 분사액체(25)가 통과할 수 있는 구멍이 뚫려 있거나, 초기절단(initial cut)이 되어 있다면, 소재(45)가 움직이는 경우 분사액체(25)가 슬롯의 벽이나 뚫린 구멍의 벽에 부딪치게 된다. 이러한 경우, 분사액체(25)의 일부만이 센서(47)에 부딪치게된다. 그러므로, 제거되어야 할 물질의 량은 센서(47)에 의하여 결정되어진다. The force sensor 47 is located under the material 45 to be processed. The position of the sensor 47 is selected so that when the sprayed
제어장치(49)가 소재(45)의 치환장치에 연결되어있다. 치환장치는 제1도에 화살표로 간략하게 도시되어있으며 화살표들은 이차원적인 평면상에서 두 개의 방향(x(51a), y(51b))으로 이동되는 것을 표시할 수 있도록 도시되어있다. 센서(47)에 의해 결정되는 값에 따라 제어장치(49)가 소재(45)의 이동속도를 조절하며, 이 값은 두 개의 방향 51a와 51b로 정해지는 절삭패턴에 따라서 결정된다. 소재(45)로 부터 항상 충분한 량이 절삭되도록 센서(47)에 의해서 에너지를 조절하여 가공될 소재(45)의 진전을 조절한다. The
제어장치(49)는 또한 레이저광원(6)에 연결되어있다. 그러므로 레이저 출력은 센서와 소재 이동 속도로부터 측정되는 값에 따라 조절된다. 펄스형의 레이저인 경우, 소재의 이동을 위해서 단계적인 이동이 채택되면, 레이저는 다수의 펄스를 발하게 되고 그리하여 소재(45)는 한 단계씩 진전하게 된다. 예를 들어, 단계적 이동은 100Hz의 단계주파수로 설정될 수 있다.The
제 1도에서 도식되었던 광학유니트에도 추가적으로 레이저 광선의 노즐 입구 또는 노즐관(29)의 축(32)방향으로의 유도에 대해서 최적화시키고 모니터링 할 수 있는 장치가 설치되어 있다. 이러한 목적으로 백색광원(53)으로부터 백색광선(52)이 나와 광선(13)과 합동하여 겹쳐지게 된다. 이러한 과정은 반사경(17)에 의해 수행되어진다. 반사경(17)은 레이저광선은 완전히 반사를 시키면서, 백색광원(53)으로부터의 백색광선(52)은 완전히 투과시킨다. 백색광원(53)에서 나온 백색광선(52)이 같이 섞여있는 레이저광선은 반사경(21)에 의해 광학초점장치(23)로 유도되어지고, 노즐관 접합면(30)에서 다시 조정되어 축(32)에 초점이 맞춰지게 된다. 반사경(21)은 백색광(52)을 부분적으로 투과시킬 수 있도록 제작되어있다. In addition to the optical unit illustrated in FIG. 1, an apparatus is also provided for optimizing and monitoring the laser beam for induction of the nozzle inlet or the direction of the
광선이 올바르게 유도되어지고 있는지 여부의 확인은 레이저광선과는 무관하며 오로지 백색광원(53)으로부터의 백색광선(52)만을 사용하게 된다. 시준이 올바르지 않다면 광학초점장치(23)로 초점이 맞추어진 백색광선(52)은 원형의 노즐관단부(31)를 비추게 되거나 혹은 그 주위를 비추게 된다. 노즐관구의 표면과 그 주변은, 망원경(56)과 반사경(21)을 경유하는 카메라(55)를 이용하여 관찰할 수 있으며, 이 반사경(21)은 백색광에 대하여 부분적인 투과성을 갖는다. 반사경(21)을 통과하는 경우 거울 두께 때문에 광선이 뒤틀리게 된다. 그러나 이러한 뒤틀림은 평행유리판시트(57)에 의해서 교정되어 질 수 있다. Checking whether the light is guided correctly is independent of the laser light and uses only the white light 52 from the
반사경(21)은 조절장치(19)에 의해 그 각도를 조정할 수 있다. 조절장치(19)로 반사경(21)의 각도를 조절함으로써 광선이 노즐관(29)의 축(32) 방향으로 올바르게 유도되어 질 수 있게 한다. The
이러한 목적을 달성하기 위한 조작은 다음과 같다. 반사경(21)은 반사 광선이 노즐관단부(31)에 모아지도록 조정되며, 또한 모아지는 방향에 대하여 반대되는 방향으로 조정되어진다. 이와 같은 과정이 거쳐지면 초점이 노즐관구(29)의 축(32)상에 있게 된다. 축(32)과 일직선상에 정렬하기 위해서 빔의 축을 이전의 기울어짐에 대해 수직으로 조정하는 작업이 선행되어야 한다. Operation to achieve this object is as follows. The reflecting
반사경(21)이 레이저광원(6)의 레이저에 대해서 부분적으로 투명하게(대략 2%정도)제작되는 경우에는 백색광원(53)이 불필요하게 될 수 있다. 이러한 경우 역시 망원경과 유리시트(57)는 레이저광선에 대해서 디자인 되어져야 하며, 반사를 억제하는 코팅이 필요하다. 비디오카메라(55)는 레이저광선에 대해서 민감한 감도를 가져야 한다. 이러한 구성에서 시준이 잘못되었을 경우 레이저 광선이 노즐관단부(31)에서 반사되거나 혹은 그 주변에서 반사되어진다. 반사된 광선은 망원경을 경유해서 비디오카메라(55)에 감지되어 잘못 시준된 상황을 확인할 수 있고 이는 위에서 기술했던 조절장치(19)와 광선확장장치(11)를 통해 교정한다. 노즐관이나 그 주변의 손상을 방지하기 위하여, 상기의 조정시에는 레이저의 출력을 낮춘 상태에서 실시하는 것이 바람직하다. 만일 광선확장장치(11)를 연속적으로 사용하여 레이저의 출력이 증가되면, 이와 같이 높은 출력의 레이저광선은 낮은 출력의 레이저광선에 비하여, 반사경의 조절을 변경시킬 수 있다.When the reflecting
정 중앙에 시준되어졌는지의 확인은, 광선확장장치(11)의 출력렌즈를 조절함으로써 노즐관단부(31)를 (즉. 노즐관구(28)) 정확하게 조명할 때까지 광선의 폭을 조절한다. 광선이 이미 정확하게 시준되어져 있을 경우, 광선확장장치(11)의 출력렌즈는 다시 조정이 필요할 때까지 반대방향으로 이동하게 된다. 이러한 구성은 광선의 시준이 노즐관구(29)의 축(32)과 가장 적합하게 일치하도록 하게해 준다. The confirmation of collimation at the center is adjusted by adjusting the output lens of the light expanding
Nd:YAG 레이저가 사용될 경우 분사액체(25)로 물을 사용할 수도 있는데 물은 파장이 1.06㎛인 빛에 대해서 낮은 흡광률을 보여준다. 그럼에도 불구하고 상기의 흡광률은 노즐관구에서 더멀렌즈를 생성하기에 충분하다. 따라서 상기의 액체는 폴리메칠실옥세인계(polymethylsiloxanes)로부터 선택된 실리콘오일을 사용하는 것이 바람직하다. When Nd: YAG laser is used, water may be used as the
분사액체로써 물을 사용할 경우 레이저광선의 흡광도가 0.2㎝-1이하여야 하며 0.15㎝-1이하인 것이 바람직하다. 흡광도가 높은 경우에는 레이저가 분사액체(25)에 필요 이상으로 흡수되게 된다. 분사액체가 레이저를 많이 흡수하게 되면 증발효과가 나타날 수가 있다. 노즐관구(29)에서 더멀렌즈가 형성되지 않게 하기 위해서 낮은 흡광도를 갖는 물을 분사액체로 사용할 경우 파장이 150㎚∼1100㎚인 것을 사용해야 한다(1000㎚근처에서 흡광피크가 존재하기 때문에 190㎚∼920㎚, 1040㎚∼1080㎚인 것이 가장 적합하다). 따라서 레이저 광원으로써 다이오드레이저, YAG레이저, frequency-doubled YAG레이저, 엑시머(excimer)레이저, copper vapor 레이저 등을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면 YAG 레이저는 상용으로 많이 개발되어져 있고 출력도 높다는 장점이 있다. When using water as the injection liquid, the absorbance of the laser beam must be less than or equal 0.2㎝ -1 and preferably less than or equal to -1 0.15㎝. When the absorbance is high, the laser is absorbed by the
광선의 방사는 연속식이거나 펄스식일 수도 있다. 펄스식일 경우 액체가 잠시동안 냉각되어질 수 있어서 열이 발생하는 것을 어느 정도 줄일 수가 있다. 물은 큰 열용량을 가지고 있기 때문에 강한 출력의 레이저를 펄스식으로 방사하는 것이 가능하다. Nd-YAG 레이저에 분사액체로써 물을 사용한다면 20kW이상의 출력의 펄스식의 레이저를 사용할 수 있다. 이때 펄스의 길이는 20∼500㎲이 적당하고, 평균출력은 600W이며 펄스율(Pulse rate)은 5㎑이다. The radiation of the rays may be continuous or pulsed. In the pulsed form, the liquid can be cooled for a while, reducing the amount of heat generated. Since water has a large heat capacity, it is possible to pulse a laser of high power. If water is used as the injection liquid in the Nd-YAG laser, a pulsed laser of 20 kW or more can be used. At this time, the pulse length is appropriately 20 to 500 Hz, the average output is 600 W and the pulse rate is 5 Hz.
또한 펄스길이가 50∼250㎱이며, 평균출력이 20∼120W, 펄스율은 최고 60㎑인 Q-switched Nd:YAG 레이저를 사용할 수도 있고 펄스의 길이가 femtosecond 범위에 있는 mode-coupled 레이저를 사용할 수도 있다. You can also use a Q-switched Nd: YAG laser with a pulse length of 50 to 250 mW, an average power of 20 to 120 W, a pulse rate of up to 60 mW, or a mode-coupled laser with a pulse length of femtosecond. have.
YAG레이저와 같이 연속적인 방식의 레이저도 사용할 수 있다. 그러나 이 경우 평균출력은 광선이 중단이 없기 때문에 이에 제한되어진다. 가능한 경우는 약 700W정도의 출력을 갖는 Nd:YAG레이저로 80㎛두께의 분사수에 조사하는 방식뿐이다. 그 이상의 출력으로 조사할 경우 위에서 기술했던 바와 같이 물이 증발하는 현상을 야기시켜서 분사도중 물방울로 파쇄되어 완벽한 광선의 유도가 올바로 수행되어질 수 없어 적절하지 아니하다. Continuous lasers can also be used, such as YAG lasers. In this case, however, the average power is limited to this because the light beam is uninterrupted. The only possible method is to irradiate 80 µm thick jetted water with an Nd: YAG laser with an output of about 700W. When irradiated with a higher output, water evaporation, as described above, is crushed into water droplets during spraying, which is not suitable because the perfect induction of light cannot be performed correctly.
노즐블록(27)은 위에서 언급했던 것과 마찬가지로 레이저 조사가 가능하도록 투명한 재질인 수정이나 다이아몬드로 제작되었다. 노즐의 출구와 노즐부(33)의 원뿔형의 벽은 레이저를 반사시킬 수 있는 물질로 코팅이 되어있다. 또한 노즐블록(27)은 반사율이 높은 재질로 제작하는 것도 가능하다. 레이저의 파장이 1.06㎛인 경우에는 금으로도 노즐블록 제작이 가능하다. 재질로써 금을 사용할 경우 순수한 금은 너무 무르기 때문에 강도를 약150∼225HV까지 올리기 위해 소량의 구리와 은을 첨가 하여야 한다. As mentioned above, the
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