劣悪環境下における高出力レーザによる難削材の高効率除去加工に関する研究
東北学院大学 工学部 機械知能工学科
教授 松浦 寛（平成 29 年度 重点研究開発助成 B 課題研究 AF-2017204）
キーワード : 高出力レーザ，研削加工，半導体レーザ，光ファイバ

1.

研究背景・目的
安定化直流電源災害等により，建造物が倒壊し，内部に有害物質が充満した場所に，人が入って作業することが難しい劣悪環境下で，光ファイバ（10 m）構造体を早急に撤去しなければならない場合がある．例えば，

LD

原発事故による燃料デブリの除去では，放射線により人が立冷却部ち入れない，または沈没船内では水深によっては人が潜って空冷冷凍式チラー行けないなどである．
さて，このような場合の構造物除去を考えると，研削は切り研削装置
レーザ照射ヘッド

切り込み量

屑が粉体となるため吸引などにより回収が容易に行える利点
砥石AC モータがある．更に，無数の砥粒（切れ刃）によって，複合難削材なレーザ光ど様々な材料を削ることができる．よって，我々は劣悪環境下

被削材において実用の可能性が高い方法の一つと考えている 1)〜8)．
しかし，研削は「仕上げ」が主目的のため，大量に除去する

動力計ZX

電動スライダY加工には適していない．そこで，本研究ではレーザで被削材を加熱し軟化させることで加工効率の向上を目指した．
実験の結果，最大光出力 1 kW のレーザ援用研削では，研削のみで加工するよりも研削効率が良く，レーザ照射

チャージアンプ
デジタルオシロスコープ

図 1 レーザ援用研削実験装置の概要

時間を長くするほど研削量が増加した．本報告では，その内容，および新たに開発した最大光出力 3 kW 光源につい一方で，SMF は非線形媒質でもある．ラマン閾値近くの光出力を使う FL は誘導ラマン散乱（SRS: Stimulatedて述べる．

Raman Scattering）が課題の一つになっている．光出力と2.

実験環境

伝送損失（接続損失含む）が光ファイバの設計パラメータデブリ除去を想定した実験系を図 1 に示す．半導体レ上でトレードオフの関係にあり，FL 用 SMF の伝送損失ーザ（以後，LD と呼ぶ）から出る光ファイバから出射すは約 0.03 dB/m になる．一般的な生産工場に設置する FLる光を被削材に直接照射する方法である．LD の波長は，は，レーザ本体から加工先まで 5 m 程度のため損失が目ファイバーレーザ（以後，FL と呼ぶ）の励起光の 915 nm立たない．しかし，仮にレーザ本体を 200 m 離れたとこである．光ファイバは放射能の影響を受け難い無機材料ろに設置するならば，光出力の 75％が伝送損失となる．の石英マルチモード光ファイバ（以後，MMF と呼ぶ）でしたがって，我々は伝送損失が一桁優れている MMF からある．一般に，光ファイバによるレーザ加工と言えば，FL直接照射する方式を採用した．

が注目を集めている．FL 用のシングルモード光ファイバ使用した LD 単体の最大定格は 60 W である．LD から（以後，SMF と呼ぶ）は設計パラメータ（コア径と比屈の熱は，ヒートシンク内部に冷却水を循環させてチラー折率差）を調整することで横モードを少なくして高出力により熱を逃がしている．砥石回転は，放射線により電子M2 値

機器が使用できないため水流駆動モータを用いることに（理想は 1）も 1.2 前後と良いため，レンズでビームを絞なるが今回は AC モータ（回転数 6800 rpm）を使用した．

り，パワー密度を上げることができる．

砥石は，アルミナ（#30）砥粒を用いた直径 φ250 mm，厚化を実現している．これによりビーム品質を表す

さ 2.5 mm を使用した．これらを電動スライダにより，切り込み量（Z 軸方向），および被削材の移動（Y 軸方向）を制御して加工を行った．Y 軸方向の最高速度は 400mm/s である．レーザの照射時間，研削時間は Y 軸送り速
レーザ照射方向度で設定した．また，被削材にかかる法線・接線方向の研削抵抗は，電動スライダに取り付けた動力計（Kistler：ガラス管Bガラス管A9257A）で測定した．チャージアンプにより電圧増幅し，デジタルオシロスコープで計測した．被削材は，主に原子エアー管

炉内の構造物に使用されている SUS304（長さ 50 mm，高さ 25 mm，幅 5 mm）とした．

3.

エアー

MMF（バンドル）
エアー管(a) 横方向噴射型

レーザ照射条件決定

エアー

3.1 レーザヘッド構造
レーザ照射方向レーザ援用研削の実験系を図 2 に示す．レーザ照射ヘ
ガラス管B
ガラス管A

ッドを照射面から Z 軸方向へ 45 deg，ヘッド先端から照射点までの距離 20 mm に設置し，初期位置から研削点までの距離を 60 mm とした．

ガラス管C(b) 同軸方向噴射型

一般に，レーザ加工機に用いられるヘッドは，レンズで集光することで高いパワー密度を得る．しかし，劣悪環境

図4

防塵のためのエアー噴射方向および構造下では必ずレンズが汚染され，光透過率が低下する．また，レンズ交換が遠隔操作では困難なため，レンズを使用しないヘッドを設計した．図 3 にレーザ出射部の構造を示す．MMF 端面から直接光を出射する．20 個の LD を使用Crし，出射部を石英ガラス管でバンドルすることで 1 kW のCr高出力照射を可能にした．この構造にすると MMF 端面がCr損傷した際に先端をクリーブカットしてリフレッシュすCrることが可能になるからである．
(a) 横方向噴射型
図5(b) 同軸方向噴射型

SEM による分析結果

レーザ照射ヘッド

次に，加工中の切り屑の戻りによる端面損傷を防止す

砥石（直径250 mm）

るため圧縮空気を噴射する方法として 2 種類設計した．

20

エアー噴射構造の各モデルを図 4（a）,（b）に示す．レーm

Φ16 mmm

ザ照射方向の横方向から噴射する横方向噴射型と，レー25 mm

45 degザ照射方向と同じ方向に噴射する同軸方向噴射型である．
d
Z

被削材（SUS304）

50 mm

図2A60 mmB

レーザ援用研削の後，EDX 付電子顕微鏡 HITACHI 製TM3000（以降，SEM と呼ぶ）により元素分析を行い，MMFXY端面への切り屑の付着量を評価した．まず，光出力 1kWにおいて図 2 に d で示す切り込み深さを 1 mm，Y 軸送りレーザ援用研削の実験系

速度 50 mm/s（照射時間 1 sec）の設定で 5 回行い，合計石英ガラス管で 5 mm 研削した．各エアー出射構造でレーザ援用研削をMMF（バンドル）行った後，SEM で SUS304 の主成分である Cr の MMF 端出射端面面への付着量を分析した．分析結果を図 5 に示す．図 5（b）の方が図 5（a）よりも黒い点で示した Cr の付着量が少ないことが分かる．よって，図 4（b）に示す同軸出端面損傷射構造を採用した．
クリーブカット

3.2 レーザ照射出力と照射時間出射端面レーザ援用研削実験に向けて，被削材（SUS304）が融点温度（約 1400 ℃）に達する照射条件を求めた．条件は

図3

レーザ照射部の構造

光出力を 1 kW，レーザ照射範囲を被削材上面（50×5 mm）

表 1 研削量と砥石磨耗量の比較とした．レーザ照射による被削材の熱伝導状態を図 6 に示す．計算の都合により照射時間を 5 sec，5 mm 毎に移動とした．SUS304 は熱伝導率が 16.7 W/(m•K)であり，銅やアルミに比べて熱が伝導し難い 9)．そこで，ラピッドフィ

研削量 (g)
照射なし
照射あり

切り込み深さ
1 mm
2 mm

0.550.92

砥石磨耗量 (g)
照射なし
照射あり

0.93
1.56

0.33
2.90

0.45
0.96

ード研削で現実的な切り込み深さが 2 mm と想定して，実160

熱量と熱伝達による放熱量のエネルギー収支を P :被削材120に吸収されるエネルギー，m :質量，c :比熱，S :照射表面積，h :物質と空気の熱伝達率として，初期条件を加熱時間
t= 0 sec の時，被削材の温度 T= 300 K とする．仮定した条研削抵抗（N）

際にどの程度の深さに熱が入るのかを計算した．与える

照射なし
1 kW

80400件より，質量 m= 3.96 g，照射表面積 S= 250 mm2 となっ-40た．また，静止した空気の熱伝達率を h= 5 W/(m•K)，室-8000.51時間（s）

温時 SUS304 の比熱を c= 500 J/(kg•K)とし，光吸収率と照射範囲を考慮すると P= 261 W となる．これらから，照射付近の温度が得られた．よって，初期の照射条件を光出力120レーザ援用研削実験（光出力 1 kW）

研削抵抗（N）

1604.

0と最大照射時間でレーザ援用研削を行った．加工前後の-800

被削材重量の差を研削量，砥石重量の差を磨耗量，動力計

1.52

切り込み深さ 1 mm

研削量（g）

2.0

切り込み深さ 2 mm

1.51.0表 1 に，得られた研削抵抗を図 7，8 に示す．研削抵抗を0.5

見ると切り込み深さに関係なくレーザ照射を行った方が，0.0研削抵抗が抑えられている．

1時間（s）

2.5

4.1 レーザ援用の効果パターンの条件で実験を行った．研削量と砥石磨耗量を0.5

図 8 法線方向研削抵抗（切り込み深さ 2 mm）有無で比較した．

ザ照射時間 15 sec において切り込み深さ 1, 2 mm の合計 41kW

40

レーザの効果を評価するため，前項で決定した光出力

研削速度 50 mm/s，研削のみ（レーザ照射なし）とレー照射なし

80-40から得られた電圧の変化を研削抵抗とし，レーザの照射

2

図 7 法線方向研削抵抗（切り込み深さ 1 mm）

時間 t= 15 sec の時に T≒ 1970 K となり SUS304 の融点1 kW，最大照射時間を 15 sec に決定した．

1.50151015照射時間（s）

図 9 レーザ照射時間による研削量の変化
また，表 1 からレーザ照射ありは研削量が多く，切り込み深さ 2 mm において砥石磨耗量は少なくなっている．
これより，レーザによる加熱は被削材を軟化させ，砥石負荷を軽減させる効果がありそうなことが分かった．これにより，研削量の増加が見込めると考えられる．
4.2 レーザ照射時間による変化
レーザ照射時間を変化させて研削を行い，研削量と研削効率に与える影響を調べた．レーザ照射時間を 1，5，10，15 sec で変化させて，研削速度 50 mm/s，切り込み深さ 1，2 mm の条件で実験を行った．研削効率は，研削量を加工時間（レーザ照射時間＋研削時間）で割った値とした．レーザ照射時間による研削量の変化を図 9 に示す．
図 6 レーザ照射による加熱シミュレーション

切り込み深さに関係なく，照射時間が長くなるほど研削量が増加する傾向が得られた．このことから設定切り込10.5 mm

み深さまで被削材を十分に加熱できれば，研削量が切り被削材照射点込み深さに比例して増加すると考えられる．研削効率を
図 10 に示す．研削効率は切り込み深さ 1，2 mm ともに
レーザ照射時間 1 sec の条件で最も研削効率が良かった．

14.8 mm

しかし，レーザ照射時間が長くなるほど効率が悪くなる傾向にあることも分かった．よって，レーザで加熱するほ60 deg

Y

ど被削材が軟化し研削量が大きくなるが，効率を得るに

面積:121.8 mm

XZ（a）レーザ照射径

は加熱時間の最適化をする必要がある．

（b）3 方向照射

図 11 照射方法の変更

以上より，加熱時間の短縮するために，レーザの高出力化を行うことにし，目標とする最大光出力を 3 kW に設定

次に，ヒートシンク内部に冷却液を循環させながら同した．

様の測定を行った．このときの温度推移の比較を図 13 に5.

3 kW 高出力化示す．各条件の最高温度を記録するため温度が落ち着くまで計測した．図 12 の赤点は中心位置を示している．冷

5.1 レーザ照射による加熱効率向上の検討
短時間で高温にするためには単位面積当たりの光エネ

却液なしの温度では，中心位置から離れるほど最高温度ルギーが高いほど良い．そのため同じ光エネルギーならが低くなった．冷却ありと冷却なしの温度推移を比較す

照射面積は小さい方が良い．光出力 1 kW において実験をると，中心位置において温度差が最も大きく 37.3 ℃であ行った際の照射径を図 11（a）に示す．角度をつけて照射った．冷却することで，モデル中心部の冷却効果が最も大を行うため照射範囲は楕円形となる．また，光出力 3 kWきいことを示している．また，温度上昇を抑えられた条件用に MMF を実装すると，バンドル径が大きくなる．さらは冷却ありの中心位置から 20 mm の位置で温度は 58.5 ℃に，単位面積あたりのエアー供給量が一定のため，ごみのであった．以上の実験結果から，市販品より優れた冷却性付着する確率が増加する．そこで，図 11（b）に示すよう能が得られることが分かった．これより，動作温度の上限にレーザ照射ヘッドを 3 方向から 1 点を集中照射するこが 45℃の LD を効率よく冷却するには，循環する冷却液とにした．

を発熱点の直下かつ直近を通す構造が良いことが分かっ

5.2 LD 冷却部の設計・製作た．

光出力 3 kW を出射するには，LD が最低 60 個必要にな
105 mm10 mm

る．市販のヒートシンクは高価なうえ，LD を実装すると容積も重量も大きくなるため，独自に設計を行うことにした．簡易的なモデルを作製し，冷却効果の確認した．測50 mm

中心位置定に使用したモデルを図 12 に示す．LD の熱が冷却液へ移動する際の熱抵抗を低減させるため熱伝導の良いアルミを材料に用い，その内部に銅管を埋め込み，そこに冷却LD液を流す構造にした．LD に見立てたヒータを中心位置にアルミヒートシンク

20 mm

せて温度を記録した．冷却性能を調べるため，冷却液なしの状態でヒータと熱電対を中心位置から 10 mm ずつ矢印

15 mm設置し，埋め込んだ K 型熱電対で得られた電圧を増幅さ循環液
Φ8.0 mm50 mm方向に移動させて 20 mm まで測定した．

図 12 液冷実験モデル
切り込み深さ 1 mm
切り込み深さ 2 mm

3010080温度（℃）

研削効率（g/min）

40206010冷却なし 点X
冷却あり 点X
冷却なし 10 mm
冷却あり 10 mm
冷却なし 20 mm

4000151015レーザ照射時間（s）

図 10 レーザ照射時間による研削効率の比較

2005101520経過時間（min）

図 13 熱源移動による温度推移の比較

25

研削量から研削効率を計算し，砥石磨耗量，研削抵抗から砥石への負荷を評価した．研削量，砥石磨耗量，研削効率を表 2 に，研削抵抗を図 16 に示す．この実験結果か
ら光出力 3 kW はレーザ照射時間が 1/3 でも研削量が同等で，研削効率が 17.0 g/min と良好な値であった．また，砥石磨耗量が少なく研削抵抗が低かった．これは，砥石への負荷が小さいことを表していると思われる．
以上より，更に光出力を上げることで，レーザ加熱時間を短縮することが可能となり，研削効率も向上すると考えられる．また，照射された表面が溶融して軟化するためか砥石への負荷が低下するため，同等の加熱量であって図 14 製作した LD 冷却部（光出力 1kW）もより深く切り込める可能性があることが分かった．

これまでの実験結果を踏まえて，さらに小型化にした L
D 冷却部の構造を図 14 に示す．1 列に最大 12 個の LD を溶融部変色部取り付けることができる．実装密度を上げるために，斜めに配置して MMF を同一方向に向けて，ファイバ収納性を開けている．重量は市販品の 1/2 になり，実装面積を 1/3（a）光出力 1 kWにすることができた．レーザの取り外し，および電源ケーブルの取り替えも容易に行えるよう工夫した．
光出力 3 kW を冷却可能か調べるため LD 側面に熱電対溶融部変色部を取り付け温度測定を行った，1 kW では照射時間 15 secで十分な溶融が確認されたため，余裕を持って 30 sec に設定した．その結果，30 sec 照射した際の最高温度は（b）光出力 2 kW

38.5 ℃であった．これは，LD の許容温度である 45 ℃を十分に下回っているため冷却可能であった．また，製作実装して 1 年経過するが一度も故障，および発火などのトラブルはない．

溶融部

5.3 光出力 3 kW レーザ照射による被削材の変化変色部

光出力 3 kW のレーザ照射が可能となったため，光出力別に照射を行い，被削材の表面を観察した．条件は光出力（c）光出力 3 kW

1 kW，2 kW，3 kW で Y 軸送り速度を 10 mm/s（レーザ照図 15 レーザ照射後の試験片側面の様子

射時間 5 sec）に設定し，3 方向から照射を行った．黒く変表 2 研削結果による比較

形している部分を溶融部，変色している部分を変色部と表すことにした．
レーザ照射後の被削材を図 15 に示す．すべての条件において照射された部分を中心に変形し変色している．溶

光出力
（kW）
13

研削量（g）

砥石磨耗量（g）

研削効率（g/min）

1.76
1.71

1.110.57

6.617.0

融部，変色部共に出力が大きくなるほど範囲が広がっていることが分かる．また，光出力 3 kW では変色部が 6 mm160あり，光出力 1 kW の約 3 倍もある．これらの結果から，る可能性があることが分かった．
5.4 出力の違いによるレーザ援用研削の比較
よって，光出力 3 kW にすると光出力 1 kW の 3 倍の効率が得られるかどうか実験を行った．3 方向からレーザ照射し研削速度 50 mm/s，切り込み深さを 2 mm に固定した．
レーザ照射時間は考察した通り 1 kW は 15 sec，3 kW は 5sec に設定した．

1kW120研削抵抗（N）

光出力 1 kW の 1/3 の照射時間でも同等の研削量が得られ3kW

80400-40-80
00.40.8
1.2
時間（s）

1.6

図 16 法線方向の研削抵抗による比較

26.

結言

謝

光出力 1 kW での基礎実験をもとに光出力 3 kW のレーザ照射装置の設計製作を行い，これを用いたレーザ援用

辞本研究をご支援頂きました公益財団法人天田財団「重点研究開発助成」に深く感謝致します．

加工実験で以下の結果が得られた．

参考文献(1) レーザ出射ヘッドの主要部品を石英で構成すること

1）で熱損傷を減らすことができた．

炉技術の開発，電子情報通信学会光ファイバ応用技(2) エアー同軸方向出射型を実装することで，光ファイバ端面の損傷を減らすことができた．

術研究会 (2018)．
2）(3) 光ファイババンドルの本数を増やすと歩留まりが悪安倍拓哉，他：劣悪環境下におけるレーザ援用研削加工に関する研究，精密工学会講演論文集，講演番

くなるため，比較的容易に作ることができる 20 本バンドル（1 KW 相当）を基準とし，3 方向から 1 点に

髙橋廉生，他：高出力レーザ援用研削加工による廃号 M39 (2018)．
3）

菊池祥平，他：廃炉技術のためのマルチモード光フ集中照射することで単位面積当たりのエネルギー密ァイバのバンドル化による高出力レーザヘッドの開度を 3 kW と同等にする方が実用的であると分かっ

発，電子情報通信学会光ファイバ応用技術研究会

た．

(2018)．

(4) 市販されているヒートシンクの重量が 1/2 軽量で，

4）実装面積が 1/3 になる小型軽量ヒートシンクを製作した．また，現場でも使用できる冷却効果が確認でき置の開発，日本機械学会東北支部大会（2019）.
5）6）

照射時間の 1/3 でも研削抵抗が少なく，かつ砥石磨耗を削減できることが分かった．

菊池祥平，他：砥石回転数がレーザ援用研削加工の結果に与える影響，砥粒加工学会（2019）．

た．
(5) 光出力 3 kW のレーザ援用研削は，1 kW でのレーザ

堀尾克己，他：高出力半導体レーザに用いる冷却装髙橋廉生，他：高出力レーザ援用による難削材の加工性能に関する研究，砥粒加工学会（2019）．

7）

山口憂，他，劣悪環境下を想定した研削加工におけるレーザ援用の効果，砥粒加工学会学術講演会，講演番号 C20(2017)．

これらのことから，劣悪環境下において，レーザ援用研削が効率的に構造物の除去を行うための有効な手段であ8）

安倍拓哉，他：劣悪環境下での高出力レーザ援用研ることを示した．今後は，長時間耐久性，および更なる高削加工方法に関する研究，日本機械学会東北支部大出力化を目指すと共に，切削加工での効果を確かめる．

会（2017）.
9）ステンレス協会：ステンレス鋼データブック，日韓工業新聞社（2000），p.10