JP2000317659A - レーザビームによる切断方法および装置並びに原子炉廃炉を解体するときの黒鉛ブロックの切断方法 - Google Patents

レーザビームによる切断方法および装置並びに原子炉廃炉を解体するときの黒鉛ブロックの切断方法

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JP2000317659A
JP2000317659A JP11127193A JP12719399A JP2000317659A JP 2000317659 A JP2000317659 A JP 2000317659A JP 11127193 A JP11127193 A JP 11127193A JP 12719399 A JP12719399 A JP 12719399A JP 2000317659 A JP2000317659 A JP 2000317659A
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cutting
laser
laser beam
torch
water jet
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Ikuo Mibu
生男 壬生
Kazuhiko Mogaki
和彦 藻垣
Kenichi Maeda
謙一 前田
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Hitachi Engineering and Services Co Ltd
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Hitachi Engineering and Services Co Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Perforating, Stamping-Out Or Severing By Means Other Than Cutting (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】駆動源からレーザトーチを遠く離すことができ
ることによってフレキシブリティがあり、軽量で取り扱
い易く、かつ切断によって二次生成物発生の少ない材料
の切断方法および装置を提供する。 【解決手段】レーザビームを集光レンズで集光して被切
削物に照射するレーザトーチを使用し、かつ形成された
集光ビームと共にウォータジェットを噴射して被切削物
の切断を行うレーザビームによる切断方法において、ガ
ウジングを行うときの前記レーザトーチ1と被切削物の
切削面に形成されるビームスポットとの距離を被切削物
の厚さ以上になるように前記集光レンズ4の焦点を定
め、ビームスポットに方向が調整可能なウォータジェッ
トを噴射するようにして前記レーザトーチ1を複数回下
降せしめる連続ガウジングを行って被切削物14の切断
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームによ
って材料を切断する方法に関し、またその方法を実施す
る装置、およびレーザビーム切断方法を応用した原子炉
廃炉から取り出された黒鉛ブロックの切断方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】厚板切断方法としては、旋回EDM(el
ectric discharge machining),ロールカッタ,プラズ
マ切断,アブレッシングウォータージェット(AW
J),COレーザ切断,YAGレーザとAWJとの組み
合せ方式によるものなどが知られている。動作ガスを用
いたYAGレーザ切断方法は、切断幅が狭く、また研磨
材も必要しないので切断後の二次処理が少ないという特
徴を有しているがワンスルーでの切断厚さが小さいとい
う欠点がある。
【0003】特公表平10−500903号公報には、レーザビ
ームによって材料を切断する方法において、レーザ放射
の射出前にノズル通路からレーザ放射透過性の中実液体
ジェットを発生させ、この中実液体ジェットにレーザビ
ームを光学的に結合させて被切断材料に向かわせること
を特徴とする方法が記載されている。
【0004】また、特開平2−59190号公報には、レーザ
照射とアシストガス噴射を同時に行う先行同軸ノズルの
後方からアシストガスのみを噴射する後行ノズルをタン
デム配置して厚板をレーザ切断するにあたり、上記先行
同軸ノズルで上記厚板の板厚方向の一部をガウジング
し、続いてそのガウジング溝内部にダイバゼント型とし
た上記後行ノズルから超音波アシストガスを噴射させる
ことを特徴とする厚板のレーザ切断方法が記載されてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】駆動源からレーザトー
チを遠く離すことができることによってフキシブリティ
があり、軽量で取り扱い易く、かつ切断によって二次生
成物発生の少なくすることを実現する特に水中における
材料の切断方法および装置、並びに原子炉廃炉の解体の
時に処理対象となる黒鉛ブロックの容易な切断方法を提
供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、ウォータジェ
ットにより、トーチ先端と母材間を離し、切断幅を狭く
し、トーチをダウンさせ連続的にガウジングを行うもの
とし、レーザビームを使用して二次生成物を少なくしな
がら厚板の材料をも水中にて切断する方法および装置に
特徴がある。
【0007】本発明は、具体的には、レーザビームを集
光レンズで集光して被切削物に照射するレーザトーチを
使用し、かつ形成された集光ビームと共にウォータジェ
ットを噴射して被切削物の切断を行うレーザビームによ
る切断方法において、ガウジングを行うときの前記レー
ザトーチと被切削物の切削面に形成されるビームスポッ
トとの距離を被切削物の厚さに依存して、特にそれ以上
になるように前記集光レンズの焦点を定め、ビームスポ
ットにウォータジェットを噴射するようにして前記レー
ザトーチを複数回下降せしめる連続ガウジングを行って
被切削物の切断を行うレーザビームによる切断方法を提
供する。
【0008】本発明は、更に連続ガウジング量のトータ
ルを50〜200mmにしたレーザビームによる切断方法
を提供する。
【0009】本発明は、更に前記距離をウォータジェッ
トの噴射方向が調整可能とされたレーザビームによる切
断方法を提供する。
【0010】本発明は、更に複数のレーザビーム源から
のレーザを合成し、かつウォータジェットの噴射円径を
ほぼ0.1〜0.4mmに設定した(切断幅狭小化)レーザ
ビームによる切断方法を提供する。
【0011】本発明は、レーザビームを集光レンズで集
光して被切削物に照射するレーザトーチを使用し、かつ
形成されたビームスポットにウォータビームを噴射して
被切削物の切断を行うレーザビームによる切断装置にお
いて、前記レーザトーチは、該レーザトーチを所定距離
複数回下降せしめて切断時に連続ガウジングを行うトー
チ下降装置を具備せしめて構成したレーザビームによる
切断装置を提供する。
【0012】本発明は、更に前記レーザトーチは、径
0.1〜0.4mmのウォータジェットノズルと連動するレ
ーザビームによる切断装置を提供する。
【0013】本発明は、更に複数のレーザ発振装置を備
え、該レーザ発振装置に接続される光ファイバケーブル
を備え、かつ前記レーザトーチは光ファイバケーブルか
らの複数のレーザを合成して集光レンズに導入するもの
であるレーザビームによる切断装置を提供する。
【0014】本発明は、原子炉廃炉を解体するときの黒
鉛ブロックの切断方法において、原子炉廃炉の解体に伴
って取り出された黒鉛ブロックに、レーザビームを集光
するレーザトーチによってレーザビームを照射し、この
照射されたビームによって形成されるビームスポットの
周囲で、黒鉛ブロックの黒鉛蒸発部に垂直方向からウォ
ータジェットを噴射し、かつ前記レーザトーチを前記黒
鉛ブロックに対して連続ガウジングを行って切断する原
子炉廃炉を解体するときの黒鉛ブロックの切断方法を提
供する。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。
【0016】図1は、環境が水中における本発明の実施
例にかかわる装置概略を示す。図において、レーザトー
チ1は、その本体2の内部に2つの集光レンズ3,4、
2つのミラー5,6および集光レンズ4の後方に保護ガ
ラス11を備える。また、レーザトーチ1は、入口にお
いて2つの光ファイバーケーブル7,8が連結される。
出口にガラス19を備える。レーザトーチ1の近傍に加
圧水室9,ダイヤモンドで構成されたウォータジェット
ノズル10(ウォータジェットの方向を調整できる構造
となっている)を備えるウォータジェットヘッド15が
設けられる。更に、レーザトーチ1はその下降装置12
を備え、下降装置12にはその移動のための位置制御装
置13が接続される。14は被切削物、例えば黒鉛ブロ
ックを示し、16はウォータジェットの広がり部を示
す。
【0017】2つの光ファイバーケーブル7,8を流れ
て来たビームはレーザ合成されてレーザトーチ1に導入
される。レーザビーム15は、集光レンズで平行なレー
ザビーム16に変えられ、ミラー5,6で反射されて集
光レンズ4で絞られ、保護ガラス11を通り、被切削物
14の表面にビームスポット17を形成する。一方、レ
ーザトーチに一体化されたウォータヘッド25の加圧水
室9に加圧水18(例えば50〜200MPa)が導入
され、レーザビームすなわちビームスポット17を包囲
しつつ、横に位置するウォータジェットノズル10から
被切削物に向けて噴射される。ウォータジェットノズル
10は、回転式とされていて、ジェット方向が調整可能
とされる。
【0018】ウォータジェットノズル10の径は0.1
〜0.4mmという狭小なものとする。これによって切削
幅を狭くして被切削物14を切断することが可能にな
り、二次発生物が少なくなる。
【0019】図1にあっては、初回のガウジング時のレ
ーザトーチ1と被切削物14との距離を160〜170
mmとして、約150mmの被切削物14の切断を行う。こ
れに対し、図2にあっては、初回のガウジング時のレー
ザトーチ41と被切削物14との距離を60〜70mmと
して、約50mmの被切削物14の切断を行っている。
【0020】集光レンズ4で集光されたレーザビームは
ビームスポット17を形成するように集光レンズ4の焦
点距離は定められるが、ビームスポット17を形成した
レーザビーム21は、ウォータジェット22とは別個に
被切削物14に到達する。すなわち、集光レンズ4の焦
点距離は被切削物14にある。ウォータジェット22は
その幅を一定に制御することは容易であり、ウォータジ
ェットノズル径0.1〜0.4mmの径幅を維持することに
なる。すなわち、0.1〜0.4mm という狭小の幅でレー
ザビーム22およびウォータジェット21が被切削物1
4に当たることになる。レーザトーチ1の先端を被切削
物14から離間させながら強力な切削力を被切削物14
に作用させ、これを切削することができる。ある距離の
切削を行ったときに、下降装置12を操作してレーザト
ーチ1の下降(ダウン)を行う。図2は、レーザトーチ
を下降させる状態を示す。図の場合4回の連続下降を行
っている。すなわち連続ガウジングを実施している。
【0021】図3において、レーザトーチを下降しなが
らウォータヘッド25も連続装置18によって連動せし
め、連続ガウジングによって被切削物14の切断を行
う。レーザトーチ1を複数回下降させ、連続的にガウジ
ングすることによって水中にて150mm以上の厚板(材
料)の切断が可能になる。但し、気中にても使用可能で
ある。
【0022】次に、本発明方法および装置を使用して原
子炉廃炉を解体する時に取り出される黒鉛ブロックの切
断方法について説明する。通常、黒鉛ブロックは6角形
をなし、数万本の本数を数え、その迅速な切断と二次発
生物の少量化が必須の条件となる。
【0023】図4は公知の黒鉛ブロック取り出し方法を
示す。原子炉31から取出装置32によって黒鉛ブロッ
ク33が取り出され、受取装置34に渡され、次の二次
受取装置35に渡され、搬送容器36に入れられ、搬送
台車37によって搬出される。その工程をA→B→C→
Dで示すが、公知であるので、これ以上の説明は要さな
い。
【0024】図5において、黒鉛ブロック41を回転し
ながら切削,切断するには高エネルギーが望ましいの
で、レーザ発振装置を2台42,43使用する。それに
伴って2台のクーリング装置44,45を使用し、2台
の制御用パソコン46,47を使用する。
【0025】2台のレーザ発振装置42,43から発振
されたレーザは2本の光ファイバーケーブル7,8を介
してレーザトーチ1に導く。レーザトーチ1にはウォー
タジェットポンプ装置48から加圧水がウォータジェッ
トヘッド15に導入される。
【0026】レーザトーチ1からのレーザビームと、そ
してウォータジェットヘッド15からのウォータジェッ
トで形成されたレーザジェット50が噴射されたときの
切削の機能,原理を図6に示す。黒鉛蒸発部51をウォ
ータジェット22で吹き飛ばして黒鉛の燃え上がりを防
止しつつ、連続ガウジング切断を行う。ガウジング位置
に、焦点を合わせるためのレーザトーチ1の自動位置調
整を行う。
【0027】ウォータジェットによりレーザビームを絞
り、エネルギー密度アップを行うことによって集光レン
ズ4の長焦点化が可能になる。また、ウォータジェット
の幅を狭小0.1〜0.4mmに設定することによって切断
幅が最狭で、切断厚のマップを図ることができる。
【0028】図7は、動作媒体がウォータジェットであ
る場合の環境気中でのレーザ切断の機能を示す。環境水
中において、薄板高精度切断および生成物回収容易効
果、並びに板厚切断可能および生成物回収容易効果を得
ることができる。環境気中において、薄板高精度切断お
よび洗浄効果、並びに板厚切断可能および洗浄効果を得
ることができる。尚、図でWJはウォータジェットを表
わす。
【0029】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば次のよう
な効果を達成することができる。
【0030】・ウォータジェットにより、レーザトーチ
先端と被切削物間を離すことが可能 ・切断幅が狭い ・トーチをダウンさせ連続的にガウジングによって厚板
の切断が可能 ・ガスを使用しないため二次生成物が少なく回収が容易 ・特に厚板水中切断に最適 尚、本発明は、黒鉛ブロック以外にも原子炉シュラウ
ド,圧力容器,蒸発発生器あるいは熱交換器の切断にも
望ましく使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例装置の概略図。
【図2】連続ガウジング方法を示す図。
【図3】黒鉛ブロックの取り出しを示す図。
【図4】YAGレーザジェット切断法を示す図。
【図5】レーザジェットの原理を示す図。
【図6】YAGレーザ切断の影響因子を示す図。
【図7】レーザ切断の機能を示す図。
【符号の説明】
1…レーザトーチ、2…本体、3,4…集光レンズ、
5,6…ミラー、7,8…光ファイバーケーブル、9…
加圧水室、10…ウォータジェットノズル、11…保護
ガラス、12…下降装置、13…位置制御装置、14…
被切削物、15…ウォータジェットヘッド、16…ジェ
ットの広がり、17…ビームスポット、18…連結装
置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B23K 26/14 B23K 26/14 B26F 3/00 B26F 3/00 R S G21C 19/02 G21C 19/02 J G21F 9/30 GDR G21F 9/30 GDRT GDS GDST 535 535E (72)発明者 前田 謙一 茨城県日立市幸町三丁目2番2号 株式会 社日立エンジニアリングサービス内 Fターム(参考) 3C060 AA20 CE21 CE23 CE28 4E068 AE01 CA11 CA12 CD02 CD15 CE02 CE08 CJ07 DB00

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】レーザビームを集光レンズで集光して被切
    削物に照射するレーザトーチを使用し、かつ形成された
    集光ビームと共にウォータジェットを噴射して被切削物
    の切断を行うレーザビームによる切断方法において、 ガウジングを行うときの前記レーザトーチと被切削物の
    切削面に形成されるビームスポットとの距離を被切削物
    の厚さ以上になるように前記集光レンズの焦点を定め、 ビームスポットにウォータジェットを噴射するようにし
    て前記レーザトーチを複数回下降せしめる連続ガウジン
    グを行って被切削物の切断を行うことを特徴とするレー
    ザビームによる切断方法。
  2. 【請求項2】請求項1において、 連続ガウジング量のトータルを50〜150mmにしたこ
    とを特徴とするレーザビームによる切断方法。
  3. 【請求項3】請求項1において、 ウォータジェットの噴射方向が調整可能とされたことを
    特徴とするレーザビームによる切断方法。
  4. 【請求項4】請求項1において、 複数のレーザビーム源からのレーザを合成し、かつウォ
    ータジェットの噴射円径をほぼ0.1〜0.4mmに設定し
    たこと(切断幅狭小化)を特徴とするレーザビームによ
    る切断方法。
  5. 【請求項5】レーザビームを集光レンズで集光して被切
    削物に照射するレーザトーチを使用し、かつ形成された
    ビームスポットにウォータビームを噴射して被切削物の
    切断を行うレーザビームによる切断装置において、 前記レーザトーチは、該レーザトーチを所定距離複数回
    下降せしめて切断時に連続ガウジングを行うトーチ下降
    装置を具備せしめて構成したことを特徴とするレーザビ
    ームによる切断装置。
  6. 【請求項6】請求項5において、 前記レーザトーチは、径0.1〜0.4mmのウォータジェ
    ットノズルと連動することを特徴とするレーザビームに
    よる切断装置。
  7. 【請求項7】請求項6において、 複数のレーザ発振装置を備え、該レーザ発振装置に接続
    される光ファイバケーブルを備え、かつ前記レーザトー
    チは光ファイバケーブルからの複数のレーザを合成して
    集光レンズに導入するものであることを特徴とするレー
    ザビームによる切断装置。
  8. 【請求項8】原子炉廃炉を解体するときの黒鉛ブロック
    の切断方法において、 原子炉廃炉の解体に伴って取り出された黒鉛ブロック
    に、レーザビームを集光するレーザトーチによってレー
    ザビームを照射し、 この照射されたビームによって形成されるビームスポッ
    トの周囲で、黒鉛ブロックの黒鉛蒸発部垂直方向からウ
    ォータジェットを噴射し、かつ前記レーザトーチを前記
    黒鉛ブロックに対して連続ガウジングを行って切断する
    ことを特徴とする原子炉廃炉を解体するときの黒鉛ブロ
    ックの切断方法。
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