(57)【要約】【課題】加工対象物を、簡素な構成で効率よくレーザ加工でき、加工屑の除去回収を確実にできるようにする。【解決手段】レーザ加工装置は、光ファイバ２を通して伝送されたレーザ光１４を整形して被加工物１０の加工点に向かわせる光学機構１５と、光学機構１５に取り付けられて切削部に向けて水流を吐出する水流ノズル１７と、を備えた加工ヘッド３を有する。レーザ加工装置はさらに、加工点付近から来る水流とともにレーザ光１４が加工点に照射されることによって被加工物１０の一部が溶融して生じた溶融除去物１１を回収する回収ノズル９と、回収ノズル９から回収された水流および溶融除去物１１を受け入れて溶融除去物１１と水とを分離する回収装置７と、加工ヘッド３と回収ノズル９とを連動して駆動する制御装置１９，２０と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から発せられたレーザ光を伝送し、レーザ光を整形して被加工物の加工点に向かわせる光学伝送手段と、前記光学伝送手段に取り付けられて前記加工点に向けて水流を吐出する水流ノズルと、を備えた加工ヘッドと、
前記水流ノズルに接続されて当該水流ノズルに水を供給する水供給手段と、
前記加工点付近から来る水流とともに、前記レーザ光が前記加工点に照射されることによって前記被加工物の一部が溶融して生じた溶融除去物を回収する回収ノズルと、
前記回収ノズルに回収された水流および前記溶融除去物が導かれて前記溶融除去物と水とを分離して、前記分離された水を前記水供給手段に送る回収装置と、
前記加工ヘッドと前記被加工物との間の距離を計測する加工ヘッド・被加工物距離計と、
前記加工ヘッドと前記被加工物との間の距離を所定の範囲に保持しながら、前記加工ヘッドと前記回収ノズルとを連動して駆動する制御装置と、
を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記回収ノズルは前記加工ヘッドと別個に駆動されるように構成され、
前記加工ヘッドと前記回収ノズルとの間の距離を計測する回収ノズル・加工ヘッド距離計をさらに有し、
前記制御装置は、前記回収ノズルと前記加工ヘッドとの間の距離を所定の範囲に保持しながら、前記加工ヘッドと前記回収ノズルとを連動して駆動すること、
を特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記加工ヘッドと前記水流ノズルとが一体で駆動されるように構成されていること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記光学伝送手段は、レーザ光を集光する方向に変える集光素子と、前記集光素子によって集光する方向になったレーザ光を平行光線に近い方向に変える光学素子と、を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記光学伝送手段は、前記加工ヘッドと前記被加工物との間の距離を固定した状態で、前記被加工物の前記加工点に照射されるレーザ光の照射面積を変更可能に構成されていること特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記水流ノズルは、前記加工点に向けて吐出する水流の流出口の大きさを変更可能に構成されていること特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記光学伝送手段は、前記被加工物の前記加工点に向かって出射する向きを変更可能に構成されていること特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記回収ノズルは、開口の大きさを変更可能に構成されていること特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
被加工物の加工点にレーザ光を照射して当該加工点を溶融して加工するレーザ加工方法であって、
レーザ発振器から発せられたレーザ光を、光ファイバを通じて光学機構に伝送する伝送ステップと、
前記光学機構により前記レーザ光を整形して被加工物の加工点に向かわせるレーザ光整形ステップと、
前記光学機構に取り付けられた水流ノズルを通じて前記加工点に向けて水流を吐出する水流吐出ステップと、
前記加工点付近から来る水流とともに、前記レーザ光が前記加工点に照射されることによって前記被加工物の一部が溶融して生じた溶融除去物を回収する回収ステップと、
前記回収ステップで得られた前記溶融除去物と水とを分離して、当該分離された水を前記水流ノズルに還流する水循環ステップと、
を有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】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、被加工物にレーザ光を照射してその照射部を溶融して除去するとともに溶融除去物を回収するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金属材料をガウジング加工する方法として、熱源にアーク、プラズマ、レーザ等を使用して材料表面を溶融させ、溶融金属をエアーや酸素ガスで除去する方法が知られている。工場や周囲に発火物が無い現場では、溶融金属を除去する方法として、エアーや酸素ガスが加工効率もよく、入手性も高いため広く使われている。しかし、上記方法では、熱源による金属材料温度が高くなるため、金属微粉末（ヒューム）が発生して広範囲に飛散し、作業環境を悪化させる問題がある。
【０００３】
そこで、熱源で溶融した材料から発生する金属微粉末の発生量、飛散量を低減する工法としてレーザ光とウォータジェットとを組合わせた工法が開発されている。たとえば、特許文献１に示されるように、レーザ光を材料表面に集光し、レーザ光集光位置にウォータジェットノズルから吐出されたウォータジェットを吹き付けることで二次生成物の発生を低減する工法が知られている。
【０００４】
しかし、本工法では、レーザ光を集光しウォータジェットを吹き付けることから、一回で除去可能な加工量が非常に少なく、また、水中ではウォータジェットが維持されないため加工を行えない問題がある。さらに、ウォータジェット長さで加工可能量が決定され、事前に被切削物の板厚が不明な場合は加工が完了しない問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３１７６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のレーザとウォータジェットとを組み合わせた加工方法では、切削屑（加工屑）がウォータジェットにより様々な方向に飛散し回収が困難である。工場で使用する工作機械として周囲を完全に覆い、切削屑を装置下流で回収することができればよいが、切削対象へ遠隔で装置を投入する場合や、切削対象が大きく表面に凹凸がある場合や形状が不明な場合等、遠隔切削では飛散範囲全てを覆うことが困難であり、可能な場合でも装置の大型化が避けられない。
【０００７】
上記の従来技術では、小径のウォータジェットでレーザを伝送する技術は、水中環境下の対象物に適用するには、部分気中を形成する必要があり、装置が複雑化する。
【０００８】
本発明の実施形態は上記事情に鑑みてなされたものであって、被加工物を、簡素な構成で効率よくレーザ加工でき、加工屑の除去回収を確実にできるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から発せられたレーザ光を伝送し、レーザ光を整形して被加工物の加工点に向かわせる光学伝送手段と、前記光学伝送手段に取り付けられて前記加工点に向けて水流を吐出する水流ノズルと、を備えた加工ヘッドと、前記水流ノズルに接続されて当該水流ノズルに水を供給する水供給手段と、前記加工点付近から来る水流とともに、前記レーザ光が前記加工点に照射されることによって前記被加工物の一部が溶融して生じた溶融除去物を回収する回収ノズルと、前記回収ノズルに回収された水流および前記溶融除去物が導かれて前記溶融除去物と水とを分離して、前記分離された水を前記水供給手段に送る回収装置と、前記加工ヘッドと前記被加工物との間の距離を計測する加工ヘッド・被加工物距離計と、前記加工ヘッドと前記被加工物との間の距離を所定の範囲に保持しながら、前記加工ヘッドと前記回収ノズルとを連動して駆動する制御装置と、を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法は、被加工物の加工点にレーザ光を照射して当該加工点を溶融して加工するレーザ加工方法であって、レーザ発振器から発せられたレーザ光を、光ファイバを通じて光学機構に伝送する伝送ステップと、前記光学機構により前記レーザ光を整形して被加工物の加工点に向かわせるレーザ光整形ステップと、前記光学機構に取り付けられた水流ノズルを通じて前記加工点に向けて水流を吐出する水流吐出ステップと、前記加工点付近から来る水流とともに、前記レーザ光が前記加工点に照射されることによって前記被加工物の一部が溶融して生じた溶融除去物を回収する回収ステップと、前記回収ステップで得られた前記溶融除去物と水とを分離して、当該分離された水を前記水流ノズルに還流する水循環ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、被加工物を、簡素な構成で効率よくレーザ加工でき、加工屑の除去回収を確実にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の概念図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置による加工を行った後の切削部の表面のようすの例を示す写真である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の概念図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の光学機構の模式的縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るレーザ加工装置の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置の概念図である。本実施形態は、水中に配置されて形状が不均一な被切削物（被加工物）１０に対して遠隔で適用するもので、たとえば、原子炉１２内部の溶融デブリを被切削物１０として切削（加工）するものである。
【００１５】
レーザ加工装置は、加工ヘッド３と、回収ノズル９と、レーザ発振器１と、ポンプ４と回収装置７と、レーザ加工装置制御装置（制御装置）２０と、回収装置制御装置（制御装置）１９とを有する。これらのうち、加工ヘッド３と回収ノズル９は原子炉１２内部の水中に投入されて使用される。また、レーザ発振器１と、ポンプ４と、回収装置７と、レーザ加工装置制御装置２０と、回収装置制御装置１９は、原子炉１２の外部に配置される。
【００１６】
ポンプ４の吐出側は、水供給ホース５により、加工ヘッド３の水流ノズル１７（後述）に接続されている。ポンプ４の吸い込み側は、戻り水配管４１により回収装置７の出口側に接続されている。回収装置７の入り口側は、回収ホース８により回収ノズル９に接続されている。
【００１７】
レーザ発振器１から出射されたレーザ光１４は、光学伝送手段としての光ファイバ２にて加工ヘッド３まで伝送される。加工ヘッド３は、レーザ光１４を整形するための光学機構１５を具備している。光学機構１５には、レーザ光１４を集光するための少なくとも１枚（図１に示す例では２枚）の凸レンズ（集光素子）４３が含まれている。整形されたレーザ光１４はミラー１６で反射され、ウィンドウ１８と水流ノズル１７を通って被切削物１０に対して斜めに照射される。水流ノズル１７には、水供給手段としてのポンプ４から吐出された水が水供給ホース５を通って供給されるように接続されている。これにより、水流ノズル１７から、レーザ光１４と同軸に、水流６が被切削物１０に吹き付けられる。
【００１８】
また、加工ヘッド３には、加工ヘッド３と被切削物１０との間の距離を測定するための加工ヘッド・被切削物距離計３０が取り付けられている。加工ヘッド・被切削物距離計３０は、図示の例では非接触式であるが、接触式のものであってもよい。レーザ加工装置制御装置２０は、加工ヘッド・被切削物距離計３０の出力に応じて、加工ヘッド３と被切削物１０との間の距離が所定の範囲に入るように、加工ヘッド３の位置を制御する。
【００１９】
被切削物１０に照射されたレーザ光１４によって部分的に溶融した被切削物１０の表面の材料は、水流６により被切削物１０の表面から除去され、水によって冷却されることで固化し、溶融除去物（切削屑）１１となる。
【００２０】
回収ノズル９は溶融除去物１１を回収容易な位置に配置される。具体的には、回収ノズル９は、水流６が被切削物１０の表面に当たったあとの流れ方向の延長上に位置し、本実施形態では水流ノズル１７の前方に位置する。回収ノズル９には、回収ノズル９と被切削物１０との間の距離を測定するための回収ノズル・被切削物距離計３１が取り付けられている。回収ノズル・被切削物距離計３１は、図示の例では非接触式であるが、接触式のものであってもよい。
【００２１】
回収ノズル９にはさらに、回収ノズル９と加工ヘッド３との間の距離を測定するための回収ノズル・加工ヘッド距離計３２が取り付けられている。回収ノズル・加工ヘッド距離計３２は、図示の例では非接触式であるが、接触式のものであってもよい。また、回収ノズル・加工ヘッド距離計３２は、加工ヘッド３に取り付けられていてもよい。本実施形態においては、回収ノズル９は加工ヘッド３とは独立して配置可能に構成されており、回収装置制御装置１９およびレーザ加工装置制御装置２０により、加工ヘッド３と回収ノズル９の位置関係が適切になるように制御される。
【００２２】
前述したように、被切削物１０の表面から除去された溶融除去物１１は、その大半が水流６によって流れていく。この先に回収ノズル９が配置されることで、溶融除去物１１を回収ノズル９で吸引し、回収ホース８を通して回収装置７内に回収する。
【００２３】
回収装置７はたとえばフィルタ４０を備え、このフィルタ４０により、溶融除去物１１や元から原子炉１２の炉水中に含まれていたゴミ等が分離され、水のみをポンプ４に循環する。水流６から分離した溶融除去物１１は、適宜、回収ノズル９を原子炉１２の外に取り出したうえで回収される。
【００２４】
このように、施工環境の周囲を覆う等することなく、効率よく水中の被切削物表面を切削しつつ溶融除去物１１を回収することが可能となる。
【００２５】
また、形状が不明な被切削物１０に、遠隔にて装置（加工ヘッド３および回収ノズル９）を投入してレーザ切削による加工を行なうことが可能となる。
【００２６】
（第１の実施形態の具体的実施例）
ここで、第１の実施形態の具体的実施例について説明する。実際に実施した具体的条件は次のとおりである。レーザ発振器１の設定出力を１０ｋＷ、照射レーザ光ビームの直径を５ｍｍ、水流ノズル１７の内径を８ｍｍ、加工ヘッド３および回収ノズル９の移動速度を０．５ｍ／ｍｉｎ、水流の流量を１０リットル／ｍｉｎ以上、ウィンドウ１８と被切削物１０の間の距離を３５ｍｍ、照射角度を４５度、水流の圧力を０．２ＭＰａ以上とした。被切削物１０としては、ステンレス鋼のブロックの平坦な表面に、縦（図２の矢印Ｙの方向）に３個ずつ、横（図２の矢印Ｘの方向）に４個ずつが格子状に並んだ円形の穴をあけ、これらの穴に円柱形のセラミックを埋め込んだ試験片を用いた。この試験片の表面に、上記条件でこの実施形態のレーザ加工装置による加工を行った。
【００２７】
その結果を図２に示す。図２は、この実施例のレーザ加工を行った後の切削部の表面のようすを示す写真である。図２で、格子状に並んだ白色のほぼ円形の部分はセラミックスが埋め込まれた部分であり、それらの外側部分はステンレス鋼である。横方向（Ｘ方向）に並んだセラミックス埋め込み部に沿ってレーザ切削加工を行う作業（走査）を縦方向（Ｙ方向）の３箇所で行った結果を示している。図２に示すように、１回表面を走査することで幅５ｍｍ、深さ４ｍｍ程度の範囲を溶融除去することができることを確認した。なお、図２には、１目盛が１ｍｍのスケールも写し込まれている。
【００２８】
このように、材料表面でレーザ光のパワー密度を１０００Ｗ／ｃｍ２以上、水流ノズル径をレーザ光の１２０％以上、水流の圧力が０．２ＭＰａ以上とすることにより、レーザ光によって溶融した溶融除去物１１が、除去溝内に溜まることなく除去可能である。加工パスを進行方向と垂直な方向に進めることで、均一に表面を除去することが可能となり、ウォータジェットのような高圧水を吹き付けることなく被切削物のレーザ加工が可能となる。
【００２９】
また、溶融炉心は金属とセラミックとを含むものと想定されるが、本具体的実施例では金属とセラミックの何れも溶融除去できることが確認された。
【００３０】
［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ加工装置の概念図である。
【００３１】
本実施形態は、構造物表面に付着した被切削物１０を切削して除去するものであり、原子炉１２の炉内構造物１３（例えばシュラウド）の表面に付着したデブリが被切削物１０である例として説明する。
【００３２】
図３に示すように、炉内構造物１３の表面に付着した被切削物１０を除去する際には、レーザ加工装置制御装置２０の指令により光学機構１５でレーザ光１４の被切削物１０への照射径を大きくする（例えば、遠隔で光学機構１５を構成する光学素子の位置を変更することで行う）ことで被切削物１０のみを溶融（切削）除去する。その際、回収ノズル９は、水流６および溶融除去物１１を回収しやすいように回収装置制御装置１９により位置を変更する。被切削物１０へのレーザ光１４の照射を行いながら進行方向（図３に示す例では下方）に加工ヘッド３および回収装置７を直線的に１回動かすことを１パスとする。１パス終了するごとに、被切削物１０の加工面に沿って進行方向に垂直な方向（図３の紙面に垂直な方向）に加工ヘッド３および回収装置７をずらして、再び、加工ヘッド３および回収装置７を直線的に進行方向（下方）に１回動かすことにより次のパスの加工を行う。このようなパスを繰り返し、さらに、深さ方向に加工を進めることで、被切削物１０を徐々に削り、完全に除去することができる。
【００３３】
このとき、レーザ光１４を水流６と同軸で被切削物１０に対し斜めに照射することで、溶融除去物１１を水流方向となる前方に飛散させ、その前方で溶融除去物１１を回収することで溶融除去物１１を広範囲に飛散させることなく切削しながら回収可能となる。さらに加工パスを、被切削物１０の加工面に沿って進行方向と垂直な方向に進めることで、均一に表面を除去することが可能となり、ウォータジェットのような高圧水を吹き付けることなく、被切削物１０のレーザ加工が可能となる。
【００３４】
［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ加工装置の光学機構の模式的縦断面図である。レーザ加工装置の光学機構以外の部分の構成は、上記第１または第２の実施形態と同様である。
【００３５】
上記第１および第２の実施形態では、光学機構１５は２枚の凸レンズ４３から構成されている。それに対して、第３の実施形態では、光学機構１５は、２枚の凸レンズ４３のほかに、これらの凸レンズ４３の光レーザ出口側に凹レンズ（平行化光学素子）４５を備えている。これにより、２枚の凸レンズ４３によって集光に向かったレーザ光１４が平行光になる。これによって、この第３の実施形態では、被切削物１０の被切削部に対して平行レーザ光が照射される。この場合、加工ヘッド３と被切削部との間の距離にかかわらず、レーザ光の照射部の面積が不変となる。したがって、加工ヘッド３と被切削部との間の距離が変化してもレーザ光の径の変化によるエネルギ密度の変動がないため、減衰によって加工可能なエネルギ密度を下回るまでは施工可能となる。したがって、加工ヘッド３からレーザ照射点までの距離に関して加工裕度（加工可能な距離の範囲）を大きくすることができる。また、加工ヘッド３から出射される時点でレーザ光が加工可能な径にすることで、加工ヘッド３を被切削物１０のより近くに配置しても施工が可能となる。
【００３６】
また、被切削物１０を効率よく切削するには、エネルギ密度が所定以上であればレーザ光の径が大きいほうが広範囲を切削できるために望ましい。そのため、本実施形態では表面に凹凸があるような被切削物１０に対して、加工ヘッド３からレーザ光の照射点の距離が多少変動してもレーザ光の照射径が影響を受けず、効率よく加工を行なうことができる。  なお、上記説明では平行光にするものとしたが、必ずしも平行光としなくても、凸レンズ４３によって集光に向かったレーザ光１４を凹レンズ４５によって平行光に近づく方向に修正する構成であれば、上記と類似の効果を得ることができる。
【００３７】
［他の実施形態］
上記の各実施形態の変形例として、加工ヘッド３の位置を変えずにレーザ光１４の焦点の位置（焦点の距離）を調整可能な構成としてもよい。すなわち、この発明では、常に被切削部に焦点を合わせるのが好ましいとは必ずしも言えない。ある程度広い面積の被切削部にレーザ光１４を照射する方が広い面積の被切削部を同時に加工できるので効率がよい。一方で、必要なエネルギ密度を得るためには、レーザ光１４の照射面積をある程度絞る必要がある。レーザ光１４の焦点の位置を調整可能とすることにより、最適な照射面積として高効率の作業を進めることができる。
【００３８】
上記の各実施形態の他の変形例として、水流ノズル１７の開口の大きさを、被切削部の除去幅に合わせて調節可能な構成としてもよい。それにより、たとえば、被切削部の除去幅が小さいときは、水流ノズル１７の開口を小さくして、流速はあまり下げずに水流ノズル１７からの水流６の流量を小さくすることができる。これにより、水処理量を減らし、被ばく低減やフィルタ４０の交換頻度低減を図ることができる。水流ノズル１７の開口の大きさの変更は、例えば水流ノズル１７の出口に、部分的に水流ノズル１７を塞ぐシャッターを設け、このシャッターをモータやエアピストン等で開閉できるようにして行なう。
【００３９】
さらに、加工ヘッド３と被切削部との位置関係に合わせて加工ヘッド３からのレーザ光１４の照射角度を調節可能な構成としてもよい。
【００４０】
さらに、回収ノズル９の受け入れ部の開口の大きさを溶融除去物１１の飛散範囲に合わせて調節可能な構成としてもよい。
【００４１】
また、上記の各実施形態では凸レンズ４３や凹レンズ４５を用いるものとしたが、これらに代えて凹面鏡や凸面鏡を用いることも可能である。
【００４２】
また、上記の各実施形態では加工ヘッド３と回収ノズル９を別個に移動可能な構成としたが、加工ヘッド３と回収ノズル９の位置関係がほぼ一定で良い場合は、加工ヘッド３と回収ノズル９を一体的に構成してもよい。この場合は、回収ノズル・加工ヘッド距離計３２は不要である。
【００４３】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１  レーザ発振器
２  光ファイバ（光学伝送手段）
３  加工ヘッド
４  ポンプ（水供給手段）
５  水供給ホース
６  水流
７  回収装置
８  回収ホース
９  回収ノズル
１０  被切削物（被加工物）
１１  溶融除去物
１２  原子炉
１３  炉内構造物
１４  レーザ光
１５  光学機構（光学伝送手段）
１６  ミラー
１７  水流ノズル
１８  ウィンドウ
１９  回収装置制御装置（制御装置）
２０  レーザ加工装置制御装置（制御装置）
３０  加工ヘッド・被切削物距離計（加工ヘッド・被加工物距離計）
３１  回収ノズル・被切削物距離計（回収ノズル・被加工物距離計）
３２  回収ノズル・加工ヘッド距離計
４０  フィルタ
４１  戻り水配管
４３  凸レンズ（集光素子）
４５  凹レンズ（平行化光学素子）
【図１】
2016013558.tif 000003
【図２】
2016013558.tif 000004
【図３】
2016013558.tif 000005
【図４】
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