(57)【要約】【課題】集光レンズとレーザ照射対象物との距離を常に一定に保持しながら、気中と同等に水中でレーザ加工できるように構成する。【解決手段】集光レンズ１２を取付けたレンズホルダ１０にレーザ光出射ノズル２８を取付け、レーザ光出射ノズル２８に水平方向にシールドガス供給ノズル２９を取付ける。また、レーザ光出射ノズル２８にレーザ光照射対象物２６と接触する接触子２７を取付ける。レンズホルダ１０を空気シリンダ３に往復運動自在に保持する。レーザ光出射ノズル２８のレーザ光出射口３４またはその近傍に形成されたシールドガス噴出口３１、シールドガス噴出口３１にシールドガス供給ノズル２９からシールドガスを供給する。レーザ光出射口３４とシールドガス噴出口３１からシールドガスを同時に噴出することにより、レーザ照射対象物２６とレーザ光出射ノズル２８の間にシールド領域が形成される。これにより気中と同等のレーザ加工を行うことができる。【選択図】　図１
2004042113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光レンズと、この集光レンズが取付けられたレンズホルダと、このレンズホルダに取付けられ前記集光レンズを通過したレーザ光を出射するレーザ光出射ノズルと、このレーザ光出射ノズルに取付けられレーザ光照射対象物に接触する接触子と、前記レンズホルダを往復運動自在に保持する加工ヘッド胴体と、前記レーザ光出射ノズルに形成されたレーザ光出射口と、このレーザ光出射口近傍に形成されたシールドガス噴出口と、このシールドガス噴出口にシールドガスを供給するシールドガス供給ノズルとを具備したことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
前記シールドガス噴出口は前記レーザ光出射口の周囲に円筒状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
前記シールドガス噴出口は中心軸に対して０〜４５°傾斜して形成されてなることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
前記シールドガス噴出口は前記レーザ光出射口の周囲に複数個形成されてなることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
前記シールドガス噴出口は前記接触子と前記レーザ光出射口と平行なスリット状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
前記レーザ光出射ノズルのレーザ光通過口に、集光されたレーザ光よりも大きなレーザ光通過口とその周囲に複数のシールドガス通過口を有するブッシュを設けてなることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
前記ブッシュ内に複数のシールドガス通過口を設け、このシールドガス通過口の形状は前記ブッシュ内に設けたレーザ光及びシールドガス通過口に対してらせん状に形成されていることを特徴とする請求項６記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項８】
前記レーザ光出射ノズル内にレーザ光入射側に第１のブッシュを設け、前記レーザ照射対象物側に第２のブッシュを設け、前記第１のブッシュおよび第２のブッシュのいずれも中心にレーザ光通過口と周囲に複数のシールドガス通過口を設け、前記第１のブッシュと前記第２のブッシュは中心軸に対して位相をずらして配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項９】
前記レーザ照射対象物がレーザ光の中心軸に対して０〜４５°傾斜した場合、前記レーザ照射対象物と前記レーザ光出射ノズルの間に気中と同等のレーザ加工を行うために必要なシールド領域を形成してなることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項１０】
前記レーザ照射対象物がエルボ状配管内面のように曲率を有する場合、前記レーザ照射対象物と前記レーザ光出射ノズルの間に気中と同等のレーザ加工を行うために必要なシールド領域を形成することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載のレーザ加工ヘッドを使用して、溶接時の熱サイクルによって鋭敏化し、耐食性が劣化したオーステナイト系ステンレス鋼材料に対して、その鋭敏化部の前記材料表面に水中でレーザを照射し、前記材料の表層部を溶融および溶体化して脱鋭敏化し、前記材料表面の耐食性を改善することを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば原子炉内構造物のメンテナンス時のレーザ表面改質に好適するレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ照射対象物例えば原子炉配管等に発生する応力腐食割れに対する予防保全および補修技術において、遠隔操作によるレーザ溶接装置および表面処理装置を用いる場合、光ファイバによって伝送されてきたレーザ光を集光レンズ（凸レンズ）等で集光し、ミラーで折り返して配管内面にレーザ光を照射する方法が用いられている。
【０００３】
従来のレーザ加工ヘッドとしては、例えば特開２００１−６６７７７号公報に記載した技術が知られている。この従来のレーザ加工ヘッドを図１０により説明する。図１０は、レーザ加工ヘッドの概略を断面で示す模式図である。このレーザ加工ヘッド１は、円筒状に形成された加工ヘッド胴体２の内部に、円筒状の空気シリンダ３を軸線方向に往復動可能に且つ滑らかに嵌合している。
【０００４】
空気シリンダ３は、コイルバネ４の復元力、または空気圧力によって加工ヘッド胴体２内に収納したり、または内部から外部に繰り出すことができるように構成されている。加工ヘッド胴体２の内周部と空気シリンダ３の外周部との間に寸法差を利用して環状の第１空気室５と、バネ収容室６とを形成している。
【０００５】
第１の空気室５およびバネ収容室６を形成するために、空気シリンダ３の外周面に対してその軸線方向のほぼ中央部に鍔状シール部７を突設している。加工ヘッド胴体２の内周部に対して、その開口端側に環状留め金具８を嵌合固定すると共に、加工ヘッド胴体２の内部側に内側シール部９を設けている。
【０００６】
鍔状シール部７と内側シール部９間で第１空気室５が形成され、鍔状シール部７と環状留め金具８との間にバネ収容室６が形成されている。第１空気室５を拡張または縮小させることにより、空気シリンダ３を加工ヘッド胴体２に対して軸線方向に往復動が可能となる。バネ収容室６にはコイルバネ４が収容され、コイルバネ４により鍔状シール部７と環状留め金具８とは常時圧縮されている。
【０００７】
空気シリンダ３の内周部に円筒状のレンズホルダ１０が軸線方向にのみ往復動可能に且つ滑らかに嵌合され、このレンズホルダ１０を後述するように、バネの復元力あるいは空気圧によって、空気シリンダ３の内部に収納したり、または内部から外部に繰り出すことができるようになっている。
【０００８】
空気シリンダ３の内周部とレンズホルダ１０の外周部との間に双方の寸法差を利用して環状の第２空気室１１が形成されている。レンズホルダ１０は、集光レンズ１２と保護ガラス１３を光軸上に設置した軸長の小径円筒体１４と、その外側にこの小径円筒体１４よりも軸短の大径円筒体１５とを同心的に配置し且つこれら小径円筒体１４、大径円筒体１５の一端を一体的に結合した形状を有している。この大径円筒体１５の外周部が空気シリンダ３の内周部と滑らかに嵌合するようになっている。
【０００９】
空気シリンダ３の内周部とレンズホルダ１０の大径円筒体１５との嵌合部に環状の第２空気室１１が形成されている。空気シリンダ３の内周部の軸線方向ほぼ中央部から開口端までの内径をレンズホルダ１０の大径円筒体１５の外径よりも意図的に大きくする大径円筒体１５の開口端側外周部にシール部１６が設けられ、空気シリンダ３の内周部の中間部にシール部１７が設けられている。
【００１０】
第１空気室５と第２の空気室１１との間には１個または複数個の空気連通路１８が形成されて連通しており、前記加工ヘッド胴体２に設けた空気供給口１９から所定圧力の空気を供給することで、第１空気室５、空気連通路１８を通って第２空気室１１に所定圧力の空気が供給される。
【００１１】
小径円筒体１４と大円筒体１５との間にはコイルバネ２０を収納するためのバネ収納室２１が形成され、バネ収納室２１の底部と空気シリンダ３の開口端の内周部に環状留め金具２２が嵌合してコイルバネ２０を常時圧縮されている。
【００１２】
空気シリンダ３の上端外周部と内周部とに段部２３、２４が形成され、これらの段部２３、２４は、それぞれ空気シリンダー３の繰り出し時およびレンズホルダ１０の収納時にストッパとして作用するものである。
【００１３】
レンズホルダ１０の上部内面にレーザ光Ｌを整形する集光レンズ１２および集光レンズ保護用のガラス（以下、保護ガラスという）１３が取り付けられ、下端部にレーザ光Ｌの通過が可能なノズル２５が固定されている。ノズル２５の下端部にはレーザ照射対象物２６の表面になめらかに接触するローラ状の接触子２７が固定されている。
【００１４】
このように構成した従来のレーザ加工ヘッド１は、加工ヘッド胴体２内に伝送されてきたレーザ光Ｌが、集光レンズ１２により整形され、保護ガラス１３を通過した後、ノズル２５の出射口からレーザ照射対象物２６の表面に照射される。
【００１５】
なお、図１０は、第１空気室５および第２空気室１１に所定圧力の空気を供給し、コイルバネ４、２０の復元力に抗して空気シリンダ３を加工ヘッド胴体２の内部から、またレンズホルダ１０を空気シリンダ３の内部から外部へそれぞれ繰り出した状態で示している。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
内面に径変化があったり、凹凸面を有する配管をレーザ照射対象物２６として、図１０に示したレーザ加工ヘッド１を使用して水中でレーザ加工を行う場合、ノズル２５の下面とレーザ照射対象物２６の表面との間に生じる隙間から水が浸入する。その結果、形成される改質層部が酸化してしまうため、レーザ加工が不安定となり、均質な改質層を得ることができない課題がある。
【００１７】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、集光レンズとレーザ照射対象物との距離を常に一定に保ちながら、水中でレーザ加工を行うことができ、またレーザ照射対象物が、異なる曲率を有する配管や、内面に凹凸形状を有する配管等についても安定したレーザ加工を行うことができるレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、集光レンズと、この集光レンズが取付けられたレンズホルダと、このレンズホルダに取付けられ前記集光レンズを通過したレーザ光を出射するレーザ光出射ノズルと、このレーザ光出射ノズルに取付けられレーザ光照射対象物に接触する接触子と、前記レンズホルダを往復運動自在に保持する加工ヘッド胴体と、前記レーザ光出射ノズルに形成されたレーザ光出射口と、このレーザ光出射口近傍に形成されたシールドガス噴出口と、このシールドガス噴出口にシールドガスを供給するシールドガス供給ノズルとを具備したことを特徴とする。
【００１９】
請求項２に係る発明は、前記シールドガス噴出口は前記レーザ光出射口の周囲に円筒状に形成されてなることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、前記シールドガス噴出口は中心軸に対して０〜４５°傾斜して形成されてなることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に係る発明は、前記シールドガス噴出口は前記レーザ光出射口の周囲に複数個形成されてなることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、前記シールドガス噴出口は前記接触子と前記レーザ光出射口と平行なスリット状に形成されてなることを特徴とする。
【００２１】
請求項６に係る発明は、前記レーザ光出射ノズルのレーザ光通過口に、集光されたレーザ光よりも大きなレーザ光通過口とその周囲に複数のシールドガス通過口を有するブッシュを設けてなることを特徴とする。
【００２２】
請求項７に係る発明は、前記ブッシュ内に複数のシールドガス通過口を設け、このシールドガス通過口の形状は前記ブッシュ内に設けたレーザ光及びシールドガス通過口に対してらせん状に形成されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項８に係る発明は、前記レーザ光出射ノズル内にレーザ光入射側に第１のブッシュを設け、前記レーザ照射対象物側に第２のブッシュを設け、前記第１のブッシュおよび第２のブッシュのいずれも中心にレーザ光通過口と周囲に複数のシールドガス通過口が設け、前記第１のブッシュと前記第２のブッシュは中心軸に対して位相をずらして配置されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項９に係る発明は、前記レーザ照射対象物がレーザ光の中心軸に対して０〜４５°傾斜した場合、前記レーザ照射対象物と前記レーザ光出射ノズルの間に気中と同等のレーザ加工を行うために必要なシールド領域を形成してなることを特徴とする。
【００２５】
請求項１０に係る発明は、前記レーザ照射対象物がエルボ状配管内面のように曲率を有する場合、前記レーザ照射対象物と前記レーザ光出射ノズルの間に気中と同等のレーザ加工を行うために必要なシールド領域を形成することを特徴とする。
【００２６】
請求項１１に係る発明は、請求項１から１０のいずれかに記載のレーザ加工ヘッドを使用して、溶接時の熱サイクルによって鋭敏化し、耐食性が劣化したオーステナイト系ステンレス鋼材料に対して、その鋭敏化部の前記材料表面に水中でレーザを照射して、前記材料の表層部を溶融および溶体化して脱鋭敏化し、前記材料表面の耐食性を改善することを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１（ａ），（ｂ）を参照しながら本発明に係るレーザ加工ヘッドの第１の実施の形態を説明する。
なお、図１（ａ）は本実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを一部概略的に示す縦断面図、（ｂ）は図１（ａ）の下面図である。なお、以下の各実施形態において図１０と同一部分ないしは同様の機能を有する部分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。
【００２８】
本実施の形態が従来例と異なる部分は、レンズホルダ１０の小径円筒体１４の下端部にレーザ光出射ノズル２８を取付け、レーザ光出射ノズル２８に、このレーザ光出射ノズル２８と水平方向にシールドガス供給ノズル２９を取付けたことにある。シールドガス供給ノズル２９は、一方（図では右側）にシールドガス供給孔３０を有し、他方（図では左側）に接触子２７が取付けられている。シールドガス供給孔３０の前方には、シールドガス供給孔３０に連通する円筒状シールドガス噴出口３１が形成されている。
【００２９】
レーザ光出射ノズル２８内は上方から下方に沿ってレーザ光入射口３２、レーザ光通過口３３、レーザ光出射口３４が形成されている。レーザ光入射口３２は後述するブッシュを挿入するためのブッシュ挿入位置３５に該当するもので、レーザ光出射口３４とレーザ光照射対象物２６との間に中央部シールド領域３６が形成され、その周辺には周辺部シールド領域３７が形成される。なお、符号３８は例えば原子炉内の水で、原子炉水中でレーザ加工作業が行われることを示している。
【００３０】
しかして、本実施の形態において、伝送されたレーザ光Ｌは、集光レンズ１２により整形され、保護ガラス１３を介してレーザ照射対象物２６の表面に照射される。レーザ照射によりレーザ照射対象物２６の表面に形成される溶融部の形状は、集光レンズ１２とレーザ照射対象物２６の表面までの距離により決定される。
【００３１】
したがって、レーザ照射対象物２６の表面に集光レンズ１３により整形されたレーザ光Ｌを照射することにより形成される表面改質層の形状を一定に保つためには、集光レンズ１２とレーザ照射対象物２６までの距離を常に一定に保つ必要がある。
【００３２】
本実施の形態に係るレーザ加工ヘッド１ａは、空気シリンダ３の圧力によって常にレンズホルダ１０がレーザ照射対象物２６側へ押し出され、レーザ光出射ノズル２８の先端に取り付けられた接触子２７がレーザ照射対象物２６の表面に接触して倣う機構を具備するので、集光レンズ１２とレーザ照射対象物２６までの距離が一定に保たれる。空気供給口１９から空気の供給を止めることにより空気シリンダ３およびレンズホルダ１０は加工ヘッド胴体２の内部にコイルバネ４の圧力により収納することができる。
【００３３】
本実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを水３８に浸漬してレーザ照射対象物２６まで搬送する際、シールドガスをレーザ光Ｌと同軸で供給する。シールドガスは、レーザ光Ｌと同軸で供給するされ、レーザ光出射ノズル２８内のレーザ光及びシールドガス供給口３０を経て、レーザ光及びシールドガス噴出口３１から噴出される。シールドガスを噴出することで、水中でも保護ガラス１３や集光レンズ１２は水３８に浸漬することはなく、常に、シールドガスが集光レンズ１２の近傍を通過するため、結露防止も図ることができる。
【００３４】
レーザ照射対象物２６の表面において、接触子２７により距離を一定に保つことで距離が一定に保たれるため、シールドガス流量を一定に保つことで、例えば後述する図２（ａ）に示す中央部シールド領域３６についても一定の大きさを保つことが可能である。
【００３５】
さらに、シールドガス供給口３０からシールドガスを流すことにより、シールドガスがシールドガス噴出口３１から噴出され、中央部シールド領域３６の外部に周辺部シールド領域３７を形成することにより、外部から中央部シールド領域３６への水３８の浸入を防止することができるため、レーザ光照射中のシールド性が保たれる。
【００３６】
シールドガスは、レーザ照射の際に表面が酸化しないようにするため、アルゴン（Ａｒ）や窒素を用いるのが好ましい。レーザ光出射口３４から噴出されるシールドガス流量は６０〜２００ｌ／ｍｉｎ、シールドガス噴出口３１から噴出されるガス流量は５〜６０ｌ／ｍｉｎの範囲であればいずれの姿勢においても水中で安定したレーザ照射を行うことができる。
【００３７】
この際、レーザ光出射口３４から噴出されるガス流量が６０ｌ／ｍｉｎ以下の場合には中央部シールド領域３６を形成するためのガス流量が不十分となり水３８が内部に浸入してしまい、２００ｌ／ｍｉｎ以上となるとレーザ照射時にレーザ照射対象物２６の表面に形成される図示しない溶融部が飛散してしまうため好ましくない。
【００３８】
また、シールドガス噴出口３１から噴出されるシールドガス流量が５ｌ／ｍｉｎの場合には周辺部シールド領域３７を形成するためのガス流量が不十分となり、水３８が内部に浸入してしまい、６０ｌ／ｍｉｎ以上となると、中央部シールド領域３６とのバランスが乱れ、中央部シールド領域３６が不安定になってしまうので好ましくない。
【００３９】
レーザ光出射口３４の内径は、集光されたレーザ光Ｌがレーザ光出射口３４を通過する時点でのビーム径よりも大きければよいが、ビーム径の１．２〜３．０倍程度の大きさにするのが好ましい。レーザ光出射口３４の大きさがビーム径１．２倍以下あるいは３．０倍以上の大きさの場合には、中央部シールド領域３６を形成するために必要なシールドガスの流速が得られないため好ましくない。
【００４０】
つぎに、図２（ａ），（ｂ）により本発明に係るレーザ加工ヘッドの第２の実施の形態を説明する。
本実施の形態におけるレーザ光出射ノズル２８ａは、シールドガス噴出口３１がレーザ光出射口３４の周囲に円筒状に形成されている。円筒状に配置することで、コーン状のシールド領域３７がレーザ出射口３４の周囲に形成され、シールド性を高めることが可能となり、シールド領域３６内への水３８の侵入を防止することができる。
【００４１】
シールドガス噴出口３１の幅については、０．１ｍｍ〜３ｍｍの間であれば良く、レーザ光出射口１５と平行あるいは中心軸から外側へ傾斜させた構造でも良い。　シールドガスは、レーザ照射の際に表面が酸化しないようにするため、アルゴン（Ａｒ）や窒素を用いるのが好ましい。レーザ光出射口３４から噴出されるシールドガス流量は６０〜２００ｌ／ｍｉｎ、シールドガス噴出口３１から噴出されるガス流量は５〜６０ｌ／ｍｉｎの範囲であればいずれの姿勢においても水中で安定したレーザ照射を行うことができる。
【００４２】
この際、レーザ光出射口３４から噴出されるガス流量が６０ｌ／ｍｉｎ以下の場合には中央部シールド領域３６を形成するためのガス流量が不十分となり水３８が内部に浸入してしまい、２００ｌ／ｍｉｎ以上となるとレーザ照射時にレーザ照射対象物２６の表面に形成される図示しない溶融部が飛散してしまうため好ましくない。
【００４３】
また、シールドガス噴出口３１から噴出されるシールドガス流量が５ｌ／ｍｉｎの場合には周辺部シールド領域３７を形成するためのガス流量が不十分となり、水３８が内部に浸入してしまい、６０ｌ／ｍｉｎ以上となると中央部シールド領域３６とのバランスが乱れ、中央部シールド領域３６が不安定になってしまうので好ましくない。
【００４４】
つぎに、図１（ａ），（ｂ）及び図３（ａ）により本発明に係るレーザ加工ヘッドの第３の実施の形態を説明する。
本実施の形態に係るレーザ加工ヘッドのレーザ光出射ノズル２８ｂは、図３（ａ）に示すようにシールドガス噴出口３１の先端がレーザ光の中心軸に対して傾斜した構造となっている。シールドガス供給口３０から供給されたシールドガスは、レーザ光通過口３３の周囲に配置されたシールドガス噴出口３１からレーザ照射対象物２６に吹きつけられる。
【００４５】
図１（ａ）に示されるようなレーザ加工ヘッド１ａを使用して水中でレーザ加工を行う際にノズル２８として図３に示すノズル２８を用いた場合、シールドガス噴出口３１の先端がレーザ光の中心軸に対して傾斜しているため、シールドガス噴出口３１から噴出されたシールドガスがより外側へ流れるようになり、その結果形成される周辺部シールド領域３７が広くなり、シールド性が向上する。シールドガス噴出口３１の傾斜角度は０〜４５°が好ましく、それ以上大きくなると噴出されるシールドガスの流速が著しく低下し、形成される周辺部シールド領域３７に乱れを生じ、その結果、中央部シールド領域３６に水３８が浸入してしまい水中でのレーザ加工を行うことは難しくなる。
【００４６】
シールドガスは、レーザ照射の際に表面が酸化しないようにするため、アルゴン（Ａｒ）や窒素を用いるのが好ましい。またレーザ光出射口３４から噴出されるシールドガス流量は６０〜２００ｌ／ｍｉｎ、シールドガス噴出口３１から噴出されるガス流量は５〜６０ｌ／ｍｉｎの範囲であればいずれの姿勢においても水中で安定したレーザ照射を行うことができる。
【００４７】
つぎに、図１（ａ）および図３（ｂ）により本発明に係るレーザ加工ヘッドの第４の実施の形態を説明する。
本実施の形態に係るレーザ加工ヘッドのレーザ光出射ノズル２８ｃはレーザ光出射口３４の周囲にレーザ光出射口３４よりも外形の小さい複数の小径シールドガス噴出口３９が配置されている。シールドガス供給口３０から供給されたシールドガスは、シールドガス噴出口３１を経てシールドガス噴出口３９から図３（ａ）に示すレーザ照射対象物２６表面に噴出される。
【００４８】
図１（ａ）に示すレーザ加工ヘッドを用いて水中でレーザ加工を行う際、レーザ光出射ノズル２８として、図３（ｂ）に示すレーザ光出射ノズル２８ｃを用いた場合、レーザ光出射口３４の周囲にレーザ光出射口３４よりも外形の小さい小径シールドガス噴出口３９が複数配置されており、シールドガス噴出口３９から噴出されるシールドガスは、シールドガス噴出口３９の外形が小さいために流速が早くなり、その結果、形成されるシールド領域によりレーザ光出射口３４近傍への水の浸入を防止することができ、水中での安定したレーザ加工を行うことができる。
【００４９】
シールドガスは、レーザ照射の際に表面が酸化しないようにするため、アルゴン（Ａｒ）や窒素を用いるのが好ましい。小径シールドガス噴出口３９の外径はレーザ光出射口３４の外形よりも小さければよいが、例えばレーザ光出射口３４の外径がφ７ｍｍの場合には、小径シールドガス出射口３９の外径はφ０．５〜２．５ｍｍ、レーザ光出射口３４の周囲に８〜１２ヶ所程度配置するのが好ましい。シールドガス出射口３９の外径がφ０．５ｍｍ以下あるいは２．５ｍｍ以上の場合には、図示しないシールド領域形成に必要な流速を得ることはできない。
【００５０】
また、レーザ光出射口３４から噴出されるシールドガス流量は６０〜２００ｌ／ｍｉｎ、小径シールドガス噴出口３９から噴出されるガス流量は５〜６０ｌ／ｍｉｎの範囲であればいずれの姿勢においても水中で安定したレーザ照射を行うことができる。
【００５１】
つぎに、図１（ａ），（ｂ）および図４（ａ），（ｂ）により本発明に係るレーザ加工ヘッドの第５の実施の形態を説明する。
本実施の形態に係るレーザ加工ヘッドのレーザ光出射ノズル２８ｄは、レーザ光出射口３４の側面に接触子２７とレーザ光出射口３４と平行なスリット形状のシールドガス噴出口４０がレーザ光出射口３４の両側に配置されている。
【００５２】
シールドガス供給口３０から供給されたシールドガスが平行なスリット状シールドガス噴出口４０から噴出することにより、シールド領域４１が形成される。シールド領域４１により、レーザ光出射口３４の近傍は水の浸入を防止することが可能となり、水中での安定的なレーザ加工を行うことが可能となる。
【００５３】
スリット状シールドガス噴出口４０の幅は０．１〜１．５ｍｍの間であれば水中でのシールド性を保つことができる。シールドガスは、レーザ照射の際に表面が酸化しないようにするため、アルゴン（Ａｒ）や窒素を用いるのが好ましい。
【００５４】
また、レーザ光出射口３４から噴出されるシールドガス流量は６０〜２００ｌ／ｍｉｎ、スリット状シールドガス噴出口４０から噴出されるガス流量は５〜６０ｌ／ｍｉｎの範囲であればいずれの姿勢においても水中で安定したレーザ照射を行うことができる。
【００５５】
つぎに図１（ａ），（ｂ）および図５（ａ），（ｂ），（ｃ）により本発明に係るレーザ加工ヘッドの第６の実施の形態を説明する。
図５（ａ）は本実施の形態に係るレーザ加工ヘッドのレーザ光出射ノズル２８ｅを示す縦断面図、図５（ｂ）はレーザ光出射ノズル２８ｅ内に挿入するブッシュ４２を示す側面図、図５（ｃ）は図５（ｂ）の上面図である。ブッシュ４２には、中央部にレーザ光Ｌが通過するためのレーザ光通過口４３及び周縁部にはシールドガスが通過するためのシールドガス通過口４４をそれぞれ設けている。
【００５６】
図１（ａ）に示すレーザ加工ヘッド１ａを用いてレーザ加工を行う場合、レーザ照射対象物２６にレーザ光Ｌが照射されると、レーザ照射対象物２６として例えばステンレス鋼の場合には、表面の図示しないレーザ照射部位は溶融または固溶化熱処理されるが、一部は反射してレーザ加工ヘッド１側へ戻ってくる。
【００５７】
レーザ照射対象物２６の表面が平滑な場合には特に問題とならないが、レーザ照射対象物２６の表面が凹凸や突起物が存在した場合には、レーザ光Ｌは乱反射して一部は直接レーザ加工ヘッド内部あるいは図示しないレーザ光Ｌの光源に照射され、ダメージを与える要因となる可能性がある。
【００５８】
図５（ａ）に示すように、ノズル２８の内部にブッシュ４２を挿入することにより、レーザ照射の際に発生する反射光はブッシュ４２に照射またはブッシュ４２内のシールドガス通過口４２内で散乱されるため、レーザ加工ヘッド内部あるいはレーザ光Ｌの光源にダメージを与えることはなくなる。
【００５９】
ブッシュ４２内のレーザ光通過口４３の大きさは、レーザ光通過口３３内を通過するレーザ光のビーム径より大きければ良いが、ビーム径の１．２〜２．０倍程度の内径にするのが好ましい。
【００６０】
つぎに、図１（ａ），（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ），（ｃ）により本発明に係るレーザ加工ヘッドの第７の実施の形態を説明する。
図６（ａ）は本実施の形態に係るレーザ加工ヘッドのレーザ光出射ノズル２８ｆを示す縦断面図で、図６（ｂ）はレーザ光出射ノズル２８ｆ内に挿入するブッシュ４５を示す側面図で、図５（ｃ）は図５（ｂ）の上面図である。
【００６１】
ブッシュ４５にはレーザ光が通過するためのレーザ光通過口４３及びシールドガス４７が通過するためのシールドガス通過口４６をそれぞれ設けている。ら旋状シールドガス通過口４６は、レーザ光通過口４３の周囲に上方から下方に向けてらせん状に配置されている。ブッシュ４５をノズル２８に挿入する。
【００６２】
これにより、レーザ照射時に発生する反射光はブッシュ４５に照射あるいはブッシュ４５内のシールドガス通過口４６内で散乱されるため、レーザ加工ヘッド内部あるいはレーザ光光源にダメージを与えることがなくなる。
【００６３】
また、シールドガス通過口４６を通過して噴出されるシールドガス４７は、レーザ光通過口４６内で渦状となり、レーザ光出射口３０から噴出される際にシールドガス４７は渦流となって噴出される。そのため、シールドガス４７とレーザ照射対象物２６の間に形成される図示しないシールド領域内に水３８が浸入しにくくなり、シールド性が向上ずる。
【００６４】
ブッシュ４５内のレーザ光通過口４３の大きさは、レーザ光通過口４３内を通過するレーザ光のビーム径より大きければ良いが、ビーム径の１．２〜２．０倍程度の内径にするのが好ましい。シールドガス通過口４６については、４〜８ヶ所の穴がらせん状に配置していればよく、穴の形状は図６（ｃ）に示すような矩形が好ましいが、丸や楕円形などの形状でも渦状のシールドガス流を形成することが可能である。
【００６５】
つぎに、図１（ａ），（ｂ）および図７（ａ），（ｂ）により本発明に係るレーザ加工ヘッドの第８の実施の形態を説明する。
本実施の形態は図７（ａ）に示したようにレーザ光出射ノズル２８ｇのブッシュ挿入位置３５内に短尺の第１のブッシュ４８と短尺の第２のブッシュ４９を上下にわたり取付けたことにある。
【００６６】
短尺の第１のブッシュ４８は、図５に示すブッシュ４２と同様の形状で高さが低く、シールドガス通過口４４の配置が４５°分位相を変えて配置したものである。第１のブッシュ４８と第２のブッシュ４９を図７（ａ）に示すようにレーザ光通過口４３内部のブッシュ挿入位置３５に挿入した場合、第１のブッシュ４８と第２のブッシュ４９のシールドガス通過口４４は位相が４５°異なった状態で配置される。
【００６７】
図１（ａ）に示すレーザ加工ヘッド１ａと図７（ａ）において、レーザ照射を行う際にレーザ照射対象物２６の表面に突起物５０があった場合、レーザ光Ｌが突起物２６に照射されることにより反射光５１が発生し、反射光５１はレーザ加工ヘッド内部へ照射される。
【００６８】
その際、発生する反射光１７は、第２のブッシュ４９内のシールドガス通過口４４を通過した場合についても第１のブッシュ４８でレーザ加工ヘッド内への浸入を防止できるため、反射光がレーザ加工ヘッド内部及びレーザ光光源に反射することがなくなるため、ダメージを与えることはなくなる。
【００６９】
第１のブッシュ４８及び第２のブッシュ４９のレーザ光通過口４３の大きさは、レーザ光通過口４３内を通過するレーザ光のビーム径より大きければ良いが、ビーム径の１．２〜２．０倍程度の内径にするのが好ましい。したがって、第１のブッシュ４８と第２のブッシュ４９において通過するレーザ光のビーム径が集光の関係で異なる場合、第１のブッシュ４８と第２のブッシュ４９のレーザ光通過口４３の内径を変更することも可能である。第１のブッシュ４８と第２のブッシュ４９との間の距離は０．５ｍｍ以上離れていればよく、両者間に距離調整用のスペーサ等を入れることにより距離を保つことができる。
【００７０】
つぎに、図８により本発明に係るレーザ加工方法の第１の実施の形態を説明する。
図８は前述した図１に示す水中レーザ加工ヘッド１ａを用いてレーザ照射を行うレーザ照射対象物２６がエルボ管５２内面の場合を示している。エルボ管５２の内面は、表面の曲率が変化するため、ノズル２８とエルボ管５２の内面との間の距離が変動するために、シールド状況が常に変化する。
【００７１】
本実施の形態において、図１に示すレーザ加工ヘッド１ａを使用してレーザ加工を行う場合、シールドガス噴出口３１から噴出されるシールドガスにより、あらゆる姿勢条件下においてレーザ光出射ノズル２８とエルボ管５２の間に外側シールド領域５４が形成されるため、レーザ加工を行うために必要な内側シールド領域５３への水の浸入を防止することができる。
【００７２】
本発明に係るレーザ加工ヘッドのレーザ光出射ノズル２８、２８ａ〜２８ｇを使用することで、レーザ加工ヘッド１ａとエルボ管５２の角度が０〜４５°以内であれば、水中においても安定したシールド領域を形成することが可能であり、安定した水中でのレーザ加工を実施することができる。
【００７３】
つぎに、図９により本発明に係るレーザ加工方法の第２の実施の形態を説明する。
図９は図１に示すレーザ加工ヘッド１ａを用いて配管５５の内面をレーザ加工している状態を概略的に示している。レーザ加工ヘッド１ａはミラー５６を内蔵したレーザ発振器のホルダ５７に取付けられる。
【００７４】
レーザ照射対象物２６が配管やエルボ管などの配管形状を有する構造物内面の場合、レーザ加工ヘッドと施工対象物表面の角度が３次元的に変化する。そのため、例えば特開２００１−６６７７７号公報に示されるようなレーザ加工ヘッド１に示されるノズル２５を用いた場合には、レーザ照射対象物２６の表面が平坦な場合には水中でもシールド性を保つことは可能であるが、レーザ照射対象物２６が配管内面やエルボ管内面のような３次元形状の場合にはシールドを保つことは困難である。
【００７５】
これに対して、本発明に係るレーザ加工ヘッド１ａを使用して、レーザ光出射口３４及びシールドガス噴出口３１からシールドガスを噴出しながらレーザ照射を行う場合には、全姿勢において水中で安定したレーザ加工を行うことができる。
【００７６】
すなわち、レーザ加工ヘッド１ａを加工ヘッド進行方向５８に示す方向へ図示しない回転装置を用いて移動させながらレーザ照射を行うことで、配管５５の内面のレーザ照射部位は局部的に加熱・溶融され、加熱・溶融された部分の鋭敏化領域は表面改質されて脱鋭敏化を行うことができる。
【００７７】
また、回転装置（図示せず）によりレーザ光を照射しながらレーザ加工ヘッド１ａを回転方向５８に示す方向に１周あるいは１周を超えて回転させることで、配管５５の内面に脱鋭敏化領域を形成させた後、図示しない軸方向移動装置によりレーザ加工ヘッドを回転方向５８の鉛直方向に移動させて再度レーザ照射を行う。
【００７８】
これにより、脱鋭敏化処理が必要な配管５５の内面のすべての領域を水中で脱鋭敏化処理することが可能となる。したがって、本発明に係るレーザ加工ヘッド１ａを使用することにより、配管内面はもとよりエルボ管内面についても水中で安定したレーザ加工を行うことができる。
【００７９】
シールドガスは、レーザ照射の際に表面が酸化しないようにするため、アルゴン（Ａｒ）または窒素を使用することが好ましい。また、レーザ光出射口３４から噴出されるシールドガス流量は６０〜２００ｌ／ｍｉｎ、シールドガス噴出口３１から噴出されるガス流量は５〜６０ｌ／ｍｉｎの範囲であればいずれの姿勢においても水中で安定したレーザ照射を行うことができる。
【００８０】
また、本発明に係るレーザ加工ヘッド１ａを使用して、上記シールド条件によりシールドガスを噴出して図９に示すような配管５５の内面の水中でのレーザ加工を行ったところ、水深３０ｍ（水圧３気圧相当）までのシールド性を確保できることが認められた。
【００８１】
つぎに、図１、図８および図９により本発明に係るレーザ加工方法の第３の実施の形態を説明する。
本発明に係るレーザ加工ヘッド１ａを使用して、鋭敏化したステンレス鋼表面にシールドガスを流しながらレーザ光を照射した。これにより、ステンレス鋼表面が局部的に加熱、溶融され、加熱、溶融された部分の鋭敏化領域は表面改質され、脱鋭敏化処理を行うことができる。ステンレス鋼への入熱が大きくなるほど形成される加熱、溶融層は大きくなり、逆に入熱が小さくなるほど溶融層は小さくなる。
【００８２】
レーザ照射対象物２６が配管５５やエルボ管５２などの配管形状を有する構造物の場合、レーザ加工ヘッドと施工対象物表面の角度が３次元的に変化する。そのため、例えば特開２００１−６６７７７号公報に示した従来のレーザ加工ヘッド１に取付けたノズル２５を使用し場合、レーザ照射対象物２６の表面が平坦な場合には水中でもシールド性を保つことはできるが、配管内面やエルボ管内面のような３次元形状の場合にはシールドを保つことは困難である。
【００８３】
そこで、本発明に係るレーザ加工ヘッド１ａを図９に示すように加工ヘッド進行方向５８に示す方向へ回転装置（図示せず）を使用して移動させながらレーザ照射を行うことで、配管５５内面のレーザ照射部位は局部的に加熱、溶融され、加熱、溶融された部分の鋭敏化領域は表面改質されて脱鋭敏化を行うことができる。また、回転装置によりレーザ光Ｌを照射しながらレーザ加工ヘッド１ａを回転方向５８に示す方向に１周あるいは１周を超えて回転させることで、配管５５内面に脱鋭敏化領域を形成させた後、軸方向移動装置（図示せず）によりレーザ加工ヘッド１ａを回転方向５８の鉛直方向に移動させて再度レーザ照射を行う。これにより、脱鋭敏化処理が必要な配管５５内面のすべての領域を水中で脱鋭敏化処理することができる。
【００８４】
シールドガスは、レーザ照射の際に表面が酸化しないようにするため、アルゴン（Ａｒ）または窒素を使用することが好ましい。また、レーザ光出射口３４から噴出されるシールドガス流量は６０〜２００ｌ／ｍｉｎ、シールドガス噴出口３１から噴出されるガス流量は５〜６０ｌ／ｍｉｎの範囲であれば、いずれの姿勢においても水中で安定したレーザ照射を行うことができる。
【００８５】
本実施の形態によれば、本発明に係るレーザ加工ヘッド１ａを使用することにより、上記シールド条件でシールドガスを噴出する。これにより、図９に示すような配管５５内面の水中でのレーザ加工について、水深３０ｍ（水圧３気圧相当）までのシールド性を確保することができる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、集光レンズとレーザ照射対象物との距離を常に一定に保持しながら水中でレーザ加工を行うことができるため、レーザ照射対象物が内面に異なる曲率を有する配管や凹凸が形状を有する配管等についても安定したレーザ加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るレーザ加工ヘッドの第１の実施の形態を説明するための縦断面図、（ｂ）は（ａ）のレーザ光出射ノズルとその近傍の下面図。
【図２】（ａ）は本発明に係るレーザ加工ヘッドの第２の実施の形態におけるレーザ光出射ノズルを拡大して示す縦断面図。
【図３】（ａ）は本発明に係るレーザ加工ヘッドの第３の実施の形態におけるノズル部を示す縦断面図、（ｂ）は本発明に係る第４の実施の形態を示すノズル部の下面図。
【図４】（ａ）は本発明に係るレーザ加工ヘッドの第５の実施の形態におけるノズル部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）に対応するノズルの下面図。
【図５】（ａ）は本発明に係るレーザ加工ヘッドの第６の実施の形態におけるノズル部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるブッシュを示す側面図、（ｃ）は（ｂ）の上面図。
【図６】（ａ）は本発明に係るレーザ加工ヘッドの第７の実施の形態におけるノズル部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるブッシュを示す側面図、（ｃ）は（ｂ）の上面図。
【図７】（ａ）は本発明に係るレーザ加工ヘッドの第８の実施の形態におけるノズル部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）における第１のブッシュを示す上面図。
【図８】本発明に係るレーザ加工方法の第１の実施の形態を説明するための上面図。
【図９】本発明に係るレーザ加工方法の第２の実施の形態を説明するための一部概略的に示す横断面図。
【図１０】従来のレーザ加工ヘッドを説明するための縦断面図。
【符号の説明】
１…レーザ加工ヘッド（従来例）、１ａ…レーザ加工ヘッド（本発明）、２…加工ヘッド胴体、３…空気シリンダ、４…コイルバネ、５…第１空気室、６…バネ収容室、７…鍔状シール部、８…環状留め金具、９…内側シール部、１０…レンズホルダ、１１…第２空気室、１２…集光レンズ、１３…保護ガラス、１４…小径円筒体、１５…大径円筒体、１６…シール部、１７…シール部、１８…空気連通路、１９…空気供給口、２０…コイルバネ、２１…バネ収納室、２２…環状留め金具、２３，２４…段部、２５…ノズル、２６…レーザ照射対象物、２７…接触子、２８…レーザ光出射ノズル、２９…シールドガス供給ノズル、３０…シールドガス供給口、３１…シールドガス噴出口、３２…レーザ光入射口、３３…レーザ光通過口、３４…レーザ光出射口、３５…ブッシュ挿入位置、３６…中央部シールド領域、３７…周辺部シールド領域、３８…水、３９…小径シールドガス噴出口、４０…スリット状ガス噴出口、４１…シールド領域、４２…ブッシュ、４３…レーザ光通過光、４４…シールドガス通過孔、４５…ブッシュ、４６…ら旋状シールドガス通過口、４７…シールドガス、４８…短尺の第１のブッシュ、４９…短尺の第２のブッシュ、５０…突起物、５１…反射光、５２…エルボ管、５３…内側シールド領域、５４…外側シールド領域、５５…配管、５６…ミラー５７…ホルダ、５８…加工ヘッド進行方向。
【図１】
2004042113.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004042113.tif 000008
【図７】
2004042113.tif 000009
【図８】
2004042113.tif 000010
【図９】
2004042113.tif 000011
【図１０】
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