【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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing head and a laser processing method suitable for, for example, laser surface modification during maintenance of a reactor internal structure.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in the preventive maintenance and repair technology for stress corrosion cracking that occurs in laser irradiation objects such as reactor piping, when using laser welding equipment and surface treatment equipment by remote control, the laser light transmitted by the optical fiber is collected. A method of condensing with an optical lens (convex lens) or the like, turning back with a mirror, and irradiating the inner surface of the pipe with laser light is used.
[0003]
As a conventional laser processing head, for example, a technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-66777 is known. This conventional laser processing head will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a schematic view showing an outline of the laser processing head in cross section. This laser processing head 1 has a cylindrical air cylinder 3 fitted therein smoothly and reciprocally in the axial direction inside a cylindrical processing head body 2.
[0004]
The air cylinder 3 is configured to be housed in the machining head body 2 by the restoring force of the coil spring 4 or air pressure, or to be drawn out from the inside. An annular first air chamber 5 and a spring accommodating chamber 6 are formed between the inner peripheral portion of the processing head body 2 and the outer peripheral portion of the air cylinder 3 by utilizing a dimensional difference.
[0005]
In order to form the first air chamber 5 and the spring accommodating chamber 6, a flange-shaped seal portion 7 is provided so as to protrude from the outer peripheral surface of the air cylinder 3 at substantially the center in the axial direction. An annular fastener 8 is fitted and fixed to the inner peripheral portion of the processing head body 2 on the opening end side, and an inner seal portion 9 is provided on the inner side of the processing head body 2.
[0006]
A first air chamber 5 is formed between the flange-shaped seal portion 7 and the inner seal portion 9, and a spring accommodating chamber 6 is formed between the flange-shaped seal portion 7 and the annular fastener 8. By expanding or contracting the first air chamber 5, the air cylinder 3 can reciprocate in the axial direction with respect to the machining head body 2. A coil spring 4 is accommodated in the spring accommodating chamber 6, and the hook-shaped seal portion 7 and the annular fastener 8 are constantly compressed by the coil spring 4.
[0007]
A cylindrical lens holder 10 is fitted on the inner peripheral portion of the air cylinder 3 smoothly and reciprocally only in the axial direction. The lens holder 10 is compressed by a spring restoring force or air pressure as will be described later. 3 can be housed inside or extended from the inside to the outside.
[0008]
An annular second air chamber 11 is formed between the inner peripheral portion of the air cylinder 3 and the outer peripheral portion of the lens holder 10 by utilizing the dimensional difference therebetween. The lens holder 10 has a small-diameter cylindrical body 14 having an axial length in which a condensing lens 12 and a protective glass 13 are placed on the optical axis, and a large-diameter cylindrical body 15 having a shorter axis than the small-diameter cylindrical body 14 on the outer side. The small-diameter cylindrical body 14 and the large-diameter cylindrical body 15 are integrally connected at one end. The outer peripheral portion of the large-diameter cylindrical body 15 is smoothly fitted to the inner peripheral portion of the air cylinder 3.
[0009]
An annular second air chamber 11 is formed at a fitting portion between the inner peripheral portion of the air cylinder 3 and the large-diameter cylindrical body 15 of the lens holder 10. The outer peripheral portion on the opening end side of the large diameter cylindrical body 15 in which the inner diameter from the substantially central portion in the axial direction of the inner peripheral portion of the air cylinder 3 to the opening end is intentionally larger than the outer diameter of the large diameter cylindrical body 15 of the lens holder 10. A seal portion 16 is provided, and a seal portion 17 is provided at an intermediate portion of the inner peripheral portion of the air cylinder 3.
[0010]
One or a plurality of air communication passages 18 are formed between the first air chamber 5 and the second air chamber 11 so as to communicate with each other, and are supplied from an air supply port 19 provided in the processing head body 2. By supplying air of pressure, air of a predetermined pressure is supplied to the second air chamber 11 through the first air chamber 5 and the air communication passage 18.
[0011]
A spring storage chamber 21 for storing the coil spring 20 is formed between the small-diameter cylindrical body 14 and the large cylindrical body 15, and an annular fastener is provided at the bottom of the spring storage chamber 21 and the inner peripheral portion of the open end of the air cylinder 3. 22 is fitted and the coil spring 20 is always compressed.
[0012]
Step portions 23 and 24 are formed at the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of the upper end of the air cylinder 3, and these step portions 23 and 24 act as stoppers when the air cylinder 3 is extended and when the lens holder 10 is stored, respectively. It is.
[0013]
A condenser lens 12 for shaping the laser light L and a glass for protecting the condenser lens (hereinafter referred to as protective glass) 13 are attached to the upper inner surface of the lens holder 10, and a nozzle 25 capable of passing the laser light L at the lower end. Is fixed. A roller-like contact 27 that smoothly contacts the surface of the laser irradiation object 26 is fixed to the lower end of the nozzle 25.
[0014]
In the conventional laser processing head 1 configured as described above, the laser light L transmitted into the processing head body 2 is shaped by the condenser lens 12, passes through the protective glass 13, and then passes through the outlet of the nozzle 25. The surface of the laser irradiation object 26 is irradiated.
[0015]
In FIG. 10, air of a predetermined pressure is supplied to the first air chamber 5 and the second air chamber 11, and the air cylinder 3 is moved from the inside of the machining head body 2 against the restoring force of the coil springs 4 and 20. The lens holder 10 is shown in a state where it is extended from the inside of the air cylinder 3 to the outside.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
When laser processing is performed underwater using the laser processing head 1 shown in FIG. 10 with a pipe whose surface has a diameter change or has an uneven surface as a laser irradiation object 26 and the laser processing head 1 shown in FIG. Water enters from a gap formed between the surface of the object 26. As a result, since the formed modified layer portion is oxidized, there is a problem that laser processing becomes unstable and a uniform modified layer cannot be obtained.
[0017]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can always perform laser processing in water while keeping the distance between the condenser lens and the laser irradiation object constant, and the laser irradiation object is An object of the present invention is to provide a laser processing head and a laser processing method capable of performing stable laser processing on pipes having different curvatures, pipes having an uneven shape on the inner surface, and the like.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 includes a condenser lens, a lens holder to which the condenser lens is attached, a laser light emitting nozzle that is attached to the lens holder and emits laser light that has passed through the condenser lens, A contact that is attached to the laser light emitting nozzle and contacts a laser light irradiation object; a processing head body that holds the lens holder in a reciprocating manner; a laser light emitting port formed in the laser light emitting nozzle; The present invention is characterized by comprising a shield gas outlet formed in the vicinity of the laser beam outlet and a shield gas supply nozzle for supplying a shield gas to the shield gas outlet.
[0019]
The invention according to claim 2 is characterized in that the shield gas ejection port is formed in a cylindrical shape around the laser beam emission port.
The invention according to claim 3 is characterized in that the shield gas outlet is formed to be inclined by 0 to 45 ° with respect to the central axis.
[0020]
The invention according to claim 4 is characterized in that a plurality of the shield gas jetting ports are formed around the laser beam emitting port.
The invention according to claim 5 is characterized in that the shield gas injection port is formed in a slit shape parallel to the contact and the laser beam emission port.
[0021]
According to a sixth aspect of the present invention, a laser beam passage opening larger than the focused laser beam and a bush having a plurality of shield gas passage openings are provided around the laser beam passage opening of the laser beam emission nozzle. It is characterized by that.
[0022]
In the invention according to claim 7, a plurality of shield gas passage openings are provided in the bush, and the shape of the shield gas passage openings is formed in a spiral shape with respect to the laser light and the shield gas passage openings provided in the bush. It is characterized by.
[0023]
According to an eighth aspect of the present invention, a first bush is provided on the laser beam incident side in the laser beam emitting nozzle, a second bush is provided on the laser irradiation object side, the first bush and the second bushing are provided. Each of the bushes is provided with a laser beam passage port at the center and a plurality of shield gas passage ports around the bush, and the first bush and the second bush are arranged out of phase with respect to the central axis. And
[0024]
In the invention according to claim 9, when the laser irradiation object is inclined by 0 to 45 ° with respect to the central axis of the laser beam, a laser equivalent to the air between the laser irradiation object and the laser beam emitting nozzle is used. A shield region necessary for processing is formed.
[0025]
In the invention according to claim 10, when the laser irradiation object has a curvature like an inner surface of an elbow pipe, the laser processing equivalent to the air is performed between the laser irradiation object and the laser light emitting nozzle. It is characterized in that a necessary shield region is formed.
[0026]
The invention according to claim 11 uses the laser processing head according to any one of claims 1 to 10 for an austenitic stainless steel material that has been sensitized by a thermal cycle during welding and has deteriorated corrosion resistance. The surface of the material of the sensitized portion is irradiated with laser in water to melt and form a surface layer portion of the material to desensitize the surface, thereby improving the corrosion resistance of the material surface.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of a laser processing head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b).
1A is a longitudinal sectional view schematically showing a part of the laser machining head according to the present embodiment, and FIG. 1B is a bottom view of FIG. In the following embodiments, the same parts as in FIG. 10 or parts having the same functions are denoted by the same reference numerals, and the description of the overlapping parts is omitted.
[0028]
The difference between the present embodiment and the conventional example is that a laser beam emitting nozzle 28 is attached to the lower end portion of the small-diameter cylindrical body 14 of the lens holder 10, and the laser beam emitting nozzle 28 is shielded horizontally with the laser beam emitting nozzle 28. The gas supply nozzle 29 is attached. The shield gas supply nozzle 29 has a shield gas supply hole 30 on one side (right side in the figure), and a contact 27 is attached to the other side (left side in the figure). A cylindrical shield gas outlet 31 that communicates with the shield gas supply hole 30 is formed in front of the shield gas supply hole 30.
[0029]
Inside the laser beam emission nozzle 28, a laser beam incident port 32, a laser beam passage port 33, and a laser beam emission port 34 are formed from above to below. The laser beam incident port 32 corresponds to a bush insertion position 35 for inserting a bush described later, and a central shield region 36 is formed between the laser beam emission port 34 and the laser beam irradiation object 26, A peripheral shield region 37 is formed around the periphery. Reference numeral 38 denotes, for example, water in the nuclear reactor, and the laser processing operation is performed in the nuclear reactor water.
[0030]
Therefore, in the present embodiment, the transmitted laser light L is shaped by the condenser lens 12 and irradiated onto the surface of the laser irradiation object 26 through the protective glass 13. The shape of the melted portion formed on the surface of the laser irradiation object 26 by laser irradiation is determined by the distance between the condenser lens 12 and the surface of the laser irradiation object 26.
[0031]
Therefore, in order to keep the shape of the surface modification layer formed by irradiating the surface of the laser irradiation object 26 with the laser light L shaped by the condensing lens 13, the condensing lens 12 and the laser irradiation are kept constant. It is necessary to always keep the distance to the object 26 constant.
[0032]
In the laser processing head 1a according to the present embodiment, the lens holder 10 is always pushed out to the laser irradiation object 26 side by the pressure of the air cylinder 3, and the contact 27 attached to the tip of the laser light emitting nozzle 28 is irradiated with the laser. Since a mechanism is provided that makes contact with the surface of the object 26 to copy, the distance between the condenser lens 12 and the laser irradiation object 26 is kept constant. By stopping the supply of air from the air supply port 19, the air cylinder 3 and the lens holder 10 can be accommodated inside the machining head body 2 by the pressure of the coil spring 4.
[0033]
When the laser processing head according to the present embodiment is immersed in the water 38 and conveyed to the laser irradiation object 26, the shield gas is supplied coaxially with the laser beam L. The shield gas is supplied coaxially with the laser beam L, and is ejected from the laser beam and the shield gas ejection port 31 through the laser beam and the shield gas supply port 30 in the laser beam emission nozzle 28. By ejecting the shielding gas, the protective glass 13 and the condensing lens 12 are not immersed in the water 38 even in the water, and the shielding gas always passes near the condensing lens 12, thus preventing condensation. it can.
[0034]
Since the distance is kept constant by keeping the distance constant by the contactor 27 on the surface of the laser irradiation object 26, for example, the center shown in FIG. The partial shield region 36 can also be maintained at a certain size.
[0035]
Further, by flowing a shield gas from the shield gas supply port 30, the shield gas is ejected from the shield gas ejection port 31, and the peripheral shield region 37 is formed outside the central shield region 36, so that the central portion from the outside is formed. Since the water 38 can be prevented from entering the shield region 36, the shielding property during laser light irradiation is maintained.
[0036]
As the shielding gas, argon (Ar) or nitrogen is preferably used so that the surface is not oxidized during laser irradiation. The flow rate of the shield gas ejected from the laser beam exit 34 is 60 to 200 l / min, and the gas flow rate ejected from the shield gas jet port 31 is in the range of 5 to 60 l / min. Laser irradiation can be performed.
[0037]
At this time, when the flow rate of gas ejected from the laser beam exit 34 is 60 l / min or less, the gas flow rate for forming the central shield region 36 becomes insufficient, and the water 38 enters the interior, resulting in 200 l. / Min or more is not preferable because a melted portion (not shown) formed on the surface of the laser irradiation object 26 is scattered during laser irradiation.
[0038]
Further, when the flow rate of the shield gas ejected from the shield gas ejection port 31 is 5 l / min, the gas flow rate for forming the peripheral shield region 37 becomes insufficient, and the water 38 enters the interior, resulting in 60 l. / Min or more is not preferable because the balance with the central shield region 36 is disturbed and the central shield region 36 becomes unstable.
[0039]
The inner diameter of the laser beam exit 34 may be larger than the beam diameter at the time when the collected laser beam L passes through the laser exit port 34, but is about 1.2 to 3.0 times the beam diameter. The size is preferred. When the size of the laser beam exit 34 is 1.2 times or less or 3.0 times or more, the shield gas flow velocity necessary for forming the central shield region 36 cannot be obtained. Therefore, it is not preferable.
[0040]
Next, a second embodiment of the laser processing head according to the present invention will be described with reference to FIGS.
In the laser beam emitting nozzle 28a in the present embodiment, the shield gas ejection port 31 is formed in a cylindrical shape around the laser beam emitting port 34. By arranging in a cylindrical shape, a cone-shaped shield region 37 is formed around the laser emission port 34, and it becomes possible to improve the shielding performance and prevent the water 38 from entering the shield region 36. .
[0041]
The width of the shield gas ejection port 31 may be between 0.1 mm and 3 mm, and may be a structure parallel to the laser beam emission port 15 or inclined outward from the central axis. As the shielding gas, argon (Ar) or nitrogen is preferably used so that the surface is not oxidized during laser irradiation. The flow rate of the shield gas ejected from the laser beam exit 34 is 60 to 200 l / min, and the gas flow rate ejected from the shield gas jet port 31 is in the range of 5 to 60 l / min. Laser irradiation can be performed.
[0042]
At this time, when the flow rate of gas ejected from the laser beam exit 34 is 60 l / min or less, the gas flow rate for forming the central shield region 36 becomes insufficient, and the water 38 enters the interior, resulting in 200 l. / Min or more is not preferable because a melted portion (not shown) formed on the surface of the laser irradiation object 26 is scattered during laser irradiation.
[0043]
Further, when the flow rate of the shield gas ejected from the shield gas ejection port 31 is 5 l / min, the gas flow rate for forming the peripheral shield region 37 becomes insufficient, and the water 38 enters the interior, resulting in 60 l. / Min or more is not preferable because the balance with the central shield region 36 is disturbed and the central shield region 36 becomes unstable.
[0044]
Next, a third embodiment of the laser machining head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a), 1 (b) and 3 (a).
As shown in FIG. 3A, the laser beam emission nozzle 28b of the laser processing head according to the present embodiment has a structure in which the tip of the shield gas ejection port 31 is inclined with respect to the central axis of the laser beam. The shield gas supplied from the shield gas supply port 30 is blown to the laser irradiation object 26 from the shield gas ejection port 31 disposed around the laser beam passage port 33.
[0045]
When performing laser processing in water using the laser processing head 1a as shown in FIG. 1A, when the nozzle 28 shown in FIG. 3 is used as the nozzle 28, the tip of the shield gas outlet 31 is a laser beam. As a result, the shield gas ejected from the shield gas ejection port 31 flows more outward, and as a result, the peripheral shield region 37 formed becomes wider and the shielding performance is improved. To do. The inclination angle of the shield gas outlet 31 is preferably 0 to 45 °. If the angle is larger than that, the flow velocity of the shield gas to be ejected is remarkably lowered, and the formed peripheral shield region 37 is disturbed. Water 38 enters the shield region 36 and it is difficult to perform laser processing in water.
[0046]
As the shielding gas, argon (Ar) or nitrogen is preferably used so that the surface is not oxidized during laser irradiation. Further, the flow rate of the shield gas ejected from the laser beam exit 34 is 60 to 200 l / min, and the gas flow rate ejected from the shield gas jet port 31 is 5 to 60 l / min. Laser irradiation can be performed.
[0047]
Next, a fourth embodiment of the laser machining head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 3 (b).
In the laser beam emission nozzle 28c of the laser processing head according to the present embodiment, a plurality of small-diameter shield gas ejection ports 39 having an outer shape smaller than that of the laser beam emission port 34 are arranged around the laser beam emission port 34. The shield gas supplied from the shield gas supply port 30 is jetted from the shield gas jet port 39 to the surface of the laser irradiation object 26 shown in FIG.
[0048]
When performing laser processing in water using the laser processing head shown in FIG. 1A, when the laser light emission nozzle 28c shown in FIG. 3B is used as the laser light emission nozzle 28, the laser light emission port 34 is used. A plurality of small-diameter shield gas jets 39 having an outer shape smaller than that of the laser beam emission port 34 are arranged around the laser beam, and the shield gas jetted from the shield gas jet port 39 is small because the outer shape of the shield gas jet port 39 is small. As a result, the flow velocity is increased, and as a result, the intrusion of water in the vicinity of the laser light emission port 34 can be prevented by the formed shield region, and stable laser processing in water can be performed.
[0049]
As the shielding gas, argon (Ar) or nitrogen is preferably used so that the surface is not oxidized during laser irradiation. The outer diameter of the small-diameter shield gas outlet 39 may be smaller than the outer diameter of the laser beam outlet 34. For example, when the outer diameter of the laser beam outlet 34 is 7 mm, the outer diameter of the small-diameter shield gas outlet 39 is It is preferable to arrange about 0.5 to 2.5 mm and 8 to 12 places around the laser beam exit 34. When the outer diameter of the shield gas outlet 39 is φ0.5 mm or less or 2.5 mm or more, it is not possible to obtain a flow rate necessary for forming a shield region (not shown).
[0050]
The shield gas flow rate ejected from the laser beam exit 34 is 60 to 200 l / min, and the gas flow rate ejected from the small-diameter shield gas jet port 39 is 5 to 60 l / min. With this, stable laser irradiation can be performed.
[0051]
Next, a fifth embodiment of the laser machining head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b) and FIGS. 4 (a) and 4 (b).
In the laser beam emitting nozzle 28d of the laser processing head according to the present embodiment, a shield-shaped shield gas outlet 40 parallel to the contact 27 and the laser beam outlet 34 is formed on the side surface of the laser beam outlet 34. 34 on both sides.
[0052]
A shield region 41 is formed when the shield gas supplied from the shield gas supply port 30 is ejected from the parallel slit-shaped shield gas ejection ports 40. The shield region 41 makes it possible to prevent water from entering the vicinity of the laser light emission port 34 and to perform stable laser processing in water.
[0053]
If the width of the slit-shaped shield gas outlet 40 is between 0.1 and 1.5 mm, the shielding property in water can be maintained. As the shielding gas, argon (Ar) or nitrogen is preferably used so that the surface is not oxidized during laser irradiation.
[0054]
The shield gas flow rate ejected from the laser beam exit 34 is 60 to 200 l / min, and the gas flow rate ejected from the slit-shaped shield gas jet port 40 is 5 to 60 l / min in any posture. Stable laser irradiation can be performed in water.
[0055]
Next, a sixth embodiment of the laser machining head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b) and FIGS. 5 (a), 5 (b) and 5 (c).
FIG. 5A is a longitudinal sectional view showing a laser beam emitting nozzle 28e of the laser processing head according to the present embodiment, and FIG. 5B is a side view showing a bush 42 inserted into the laser beam emitting nozzle 28e. 5 (c) is a top view of FIG. 5 (b). The bush 42 is provided with a laser beam passage port 43 through which the laser beam L passes at the central portion and a shield gas passage port 44 through which a shield gas passes at the peripheral portion.
[0056]
When performing laser processing using the laser processing head 1a shown in FIG. 1A, when the laser irradiation object 26 is irradiated with the laser light L, the surface of the laser irradiation object 26 is, for example, stainless steel. Although a laser irradiation portion (not shown) is melted or solution heat treated, a part of it is reflected and returned to the laser processing head 1 side.
[0057]
When the surface of the laser irradiation object 26 is smooth, there is no particular problem. However, when the surface of the laser irradiation object 26 has irregularities or protrusions, the laser light L is irregularly reflected and a part of the laser light is directly laser. There is a possibility of irradiating the inside of the processing head or the light source of laser light L (not shown) to cause damage.
[0058]
As shown in FIG. 5A, by inserting a bush 42 inside the nozzle 28, the reflected light generated during laser irradiation is irradiated on the bush 42 or scattered in the shield gas passage 42 in the bush 42. Therefore, the laser processing head or the light source of the laser beam L is not damaged.
[0059]
The size of the laser beam passage opening 43 in the bush 42 may be larger than the beam diameter of the laser beam passing through the laser beam passage opening 33, but the inner diameter is about 1.2 to 2.0 times the beam diameter. Is preferred.
[0060]
Next, a seventh embodiment of the laser machining head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b) and FIGS. 6 (a), 6 (b) and 6 (c).
6A is a longitudinal sectional view showing the laser beam emitting nozzle 28f of the laser processing head according to the present embodiment, and FIG. 6B is a side view showing the bush 45 inserted into the laser beam emitting nozzle 28f. FIG. 5 (c) is a top view of FIG. 5 (b).
[0061]
The bush 45 is provided with a laser beam passage port 43 through which laser light passes and a shield gas passage port 46 through which shield gas 47 passes. The spiral shield gas passage port 46 is arranged in a spiral around the laser beam passage port 43 from the upper side to the lower side. The bush 45 is inserted into the nozzle 28.
[0062]
Thereby, the reflected light generated at the time of laser irradiation is applied to the bush 45 or scattered within the shield gas passage 46 in the bush 45, so that the laser processing head or the laser light source is not damaged.
[0063]
Further, the shield gas 47 ejected through the shield gas passage port 46 becomes vortex in the laser beam passage port 46, and the shield gas 47 is ejected as a vortex when ejected from the laser beam exit port 30. The Therefore, it becomes difficult for water 38 to enter a shield region (not shown) formed between the shield gas 47 and the laser irradiation object 26, and the shielding performance is improved.
[0064]
The size of the laser beam passage opening 43 in the bush 45 may be larger than the beam diameter of the laser beam passing through the laser beam passage opening 43, but the inner diameter is about 1.2 to 2.0 times the beam diameter. Is preferred. As for the shield gas passage port 46, it is only necessary to arrange 4 to 8 holes in a spiral shape, and the shape of the hole is preferably a rectangle as shown in FIG. However, it is possible to form a spiral shield gas flow.
[0065]
Next, an eighth embodiment of the laser machining head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b) and FIGS. 7 (a) and 7 (b).
In the present embodiment, as shown in FIG. 7A, a short first bush 48 and a short second bush 49 are vertically installed in the bush insertion position 35 of the laser beam emission nozzle 28g. .
[0066]
The short first bush 48 has a shape similar to that of the bush 42 shown in FIG. 5 and a low height, and the shield gas passage 44 is disposed with the phase shifted by 45 °. When the first bush 48 and the second bush 49 are inserted into the bush insertion position 35 inside the laser beam passage opening 43 as shown in FIG. 7A, the shields of the first bush 48 and the second bush 49 are used. The gas passage ports 44 are arranged with a phase difference of 45 °.
[0067]
In the laser processing head 1a shown in FIG. 1 (a) and FIG. 7 (a), when the projection 50 is present on the surface of the laser irradiation object 26 when performing laser irradiation, the laser beam L is irradiated onto the projection 26. As a result, reflected light 51 is generated, and the reflected light 51 is irradiated into the laser processing head.
[0068]
At this time, the generated reflected light 17 can be prevented from entering the laser processing head by the first bush 48 even when it passes through the shield gas passage port 44 in the second bush 49, so that the reflected light is reflected by the laser. Since there is no reflection inside the processing head and the laser light source, no damage is caused.
[0069]
The size of the laser beam passage port 43 of the first bush 48 and the second bush 49 may be larger than the beam diameter of the laser beam that passes through the laser beam passage port 43. It is preferable that the inner diameter is about 0 times. Accordingly, when the beam diameters of the laser beams passing through the first bush 48 and the second bush 49 are different due to the focusing, the inner diameters of the laser beam passage openings 43 of the first bush 48 and the second bush 49 are set to be different. It is also possible to change. The distance between the first bush 48 and the second bush 49 may be 0.5 mm or more, and the distance can be maintained by inserting a distance adjusting spacer or the like between them.
[0070]
Next, a first embodiment of the laser processing method according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 8 shows a case where the laser irradiation object 26 that performs laser irradiation using the underwater laser processing head 1a shown in FIG. Since the curvature of the surface of the inner surface of the elbow pipe 52 is changed, the distance between the nozzle 28 and the inner surface of the elbow pipe 52 is changed, so that the shielding situation is constantly changed.
[0071]
In the present embodiment, when laser processing is performed using the laser processing head 1a shown in FIG. 1, the laser light emission nozzle 28 and the elbow tube are used under any posture condition by the shield gas ejected from the shield gas ejection port 31. Since the outer shield region 54 is formed between 52, it is possible to prevent water from entering the inner shield region 53 necessary for performing laser processing.
[0072]
By using the laser beam emitting nozzles 28, 28a to 28g of the laser processing head according to the present invention, a stable shield region even in water as long as the angle of the laser processing head 1a and the elbow tube 52 is within 0 to 45 °. Can be formed, and stable laser processing in water can be performed.
[0073]
Next, a second embodiment of the laser processing method according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 9 schematically shows a state where the inner surface of the pipe 55 is laser processed using the laser processing head 1a shown in FIG. The laser processing head 1a is attached to a holder 57 of a laser oscillator incorporating a mirror 56.
[0074]
When the laser irradiation object 26 is an inner surface of a structure having a pipe shape such as a pipe or an elbow pipe, the angle between the laser processing head and the surface of the work object changes three-dimensionally. Therefore, for example, when the nozzle 25 shown in the laser processing head 1 as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-66777 is used, the shielding property is maintained even in water when the surface of the laser irradiation object 26 is flat. Although it is possible, it is difficult to keep the shield when the laser irradiation object 26 has a three-dimensional shape such as the inner surface of the pipe or the inner surface of the elbow.
[0075]
On the other hand, when the laser processing head 1a according to the present invention is used to perform laser irradiation while jetting the shield gas from the laser beam emission port 34 and the shield gas jet port 31, it is stable in water in all positions. Laser processing can be performed.
[0076]
That is, by performing laser irradiation while moving the laser processing head 1a in the direction indicated by the processing head traveling direction 58 using a rotating device (not shown), the laser irradiation portion on the inner surface of the pipe 55 is locally heated and melted. The sensitized region of the heated and melted portion can be surface-modified to perform desensitization.
[0077]
Further, the laser processing head 1a is rotated in the direction indicated by the rotation direction 58 by one rotation or more than one rotation while irradiating the laser beam with a rotating device (not shown), whereby a desensitization region is formed on the inner surface of the pipe 55. After the laser beam is formed, the laser processing head is moved in the vertical direction of the rotation direction 58 by an axial movement device (not shown), and laser irradiation is performed again.
[0078]
Thereby, it becomes possible to desensitize all the area | regions of the inner surface of the piping 55 which needs a desensitization process in water. Therefore, by using the laser processing head 1a according to the present invention, it is possible to perform stable laser processing in water not only on the inner surface of the pipe but also on the inner surface of the elbow pipe.
[0079]
As the shield gas, it is preferable to use argon (Ar) or nitrogen so that the surface is not oxidized during laser irradiation. The shield gas flow rate ejected from the laser beam exit 34 is 60 to 200 l / min, and the gas flow rate ejected from the shield gas jet port 31 is 5 to 60 l / min. Stable laser irradiation can be performed.
[0080]
Further, when the laser processing head 1a according to the present invention was used to perform laser processing in water on the inner surface of the pipe 55 as shown in FIG. It was confirmed that the shielding property up to 3 atm) can be secured.
[0081]
Next, a third embodiment of the laser processing method according to the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 8, and FIG.
The laser processing head 1a according to the present invention was used to irradiate the sensitized stainless steel surface with laser light while flowing a shielding gas. Thereby, the stainless steel surface is locally heated and melted, the sensitized region of the heated and melted part is surface-modified, and desensitization treatment can be performed. The larger the heat input to the stainless steel, the larger the heating and melting layer formed. Conversely, the smaller the heat input, the smaller the melting layer.
[0082]
When the laser irradiation object 26 is a structure having a pipe shape such as the pipe 55 or the elbow pipe 52, the angle between the laser processing head and the surface of the work object changes three-dimensionally. Therefore, for example, when the nozzle 25 attached to the conventional laser processing head 1 shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-66777 is used, if the surface of the laser irradiation object 26 is flat, the shielding property can be maintained even in water. However, it is difficult to keep the shield in the case of a three-dimensional shape such as the inner surface of the pipe or the inner surface of the elbow tube.
[0083]
Therefore, by performing laser irradiation while moving the laser processing head 1a according to the present invention using a rotating device (not shown) in the direction indicated by the processing head traveling direction 58 as shown in FIG. The laser-irradiated region is locally heated and melted, and the sensitized region of the heated and melted portion is subjected to surface modification so that desensitization can be performed. In addition, after the laser processing head 1a is rotated in the direction indicated by the rotation direction 58 by one rotation or more than one rotation while irradiating the laser beam L with the rotating device, the desensitization region is formed on the inner surface of the pipe 55. Then, the laser processing head 1a is moved in the vertical direction of the rotation direction 58 by an axial direction moving device (not shown), and laser irradiation is performed again. Thereby, all the area | regions of the piping 55 inner surface which needs a desensitization process can be desensitized in water.
[0084]
As the shield gas, it is preferable to use argon (Ar) or nitrogen so that the surface is not oxidized during laser irradiation. Further, the flow rate of the shield gas ejected from the laser beam outlet 34 is 60 to 200 l / min, and the gas flow rate ejected from the shield gas outlet 31 is in the range of 5 to 60 l / min. With this, stable laser irradiation can be performed.
[0085]
According to the present embodiment, by using the laser processing head 1a according to the present invention, the shielding gas is ejected under the shielding conditions. As a result, with respect to laser processing of the inner surface of the pipe 55 as shown in FIG.
[0086]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to perform laser processing in water while always keeping the distance between the condenser lens and the laser irradiation object constant. Stable laser processing can also be performed on a pipe having a shape.
[Brief description of the drawings]
1A is a longitudinal sectional view for explaining a first embodiment of a laser processing head according to the present invention, and FIG. 1B is a bottom view of the laser light emitting nozzle of FIG.
FIG. 2A is a longitudinal sectional view showing an enlarged laser light emitting nozzle in a second embodiment of a laser processing head according to the present invention.
3A is a longitudinal sectional view showing a nozzle portion in a third embodiment of a laser processing head according to the present invention, and FIG. 3B is a view of a nozzle portion showing a fourth embodiment according to the present invention. Bottom view.
4A is a longitudinal sectional view showing a nozzle portion in a fifth embodiment of a laser processing head according to the present invention, and FIG. 4B is a bottom view of a nozzle corresponding to FIG. 4A.
5A is a longitudinal sectional view showing a nozzle portion in a sixth embodiment of a laser processing head according to the present invention, FIG. 5B is a side view showing a bush in FIG. 5A, and FIG. The top view of b).
6A is a longitudinal sectional view showing a nozzle portion in a seventh embodiment of a laser processing head according to the present invention, FIG. 6B is a side view showing a bush in FIG. 6A, and FIG. The top view of b).
7A is a longitudinal sectional view showing a nozzle portion in an eighth embodiment of a laser processing head according to the present invention, and FIG. 7B is a top view showing a first bush in FIG. 7A.
FIG. 8 is a top view for explaining the first embodiment of the laser processing method according to the present invention.
FIG. 9 is a partial schematic cross-sectional view for explaining a second embodiment of the laser processing method according to the present invention.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view for explaining a conventional laser processing head.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser processing head (conventional example), 1a ... Laser processing head (this invention), 2 ... Processing head fuselage, 3 ... Air cylinder, 4 ... Coil spring, 5 ... 1st air chamber, 6 ... Spring accommodation chamber, 7 ... Saddle-shaped seal part, 8 ... annular fastener, 9 ... inner seal part, 10 ... lens holder, 11 ... second air chamber, 12 ... condensing lens, 13 ... protective glass, 14 ... small diameter cylindrical body, 15 ... large diameter Cylindrical body, 16 ... seal part, 17 ... seal part, 18 ... air communication passage, 19 ... air supply port, 20 ... coil spring, 21 ... spring storage chamber, 22 ... annular fastener, 23, 24 ... step part, 25 ... Nozzle, 26 ... laser irradiation object, 27 ... contact, 28 ... laser beam emitting nozzle, 29 ... shield gas supply nozzle, 30 ... shield gas supply port, 31 ... shield gas jet port, 32 ... laser beam entrance port, 33 ... Laser beam passage, 34 Laser beam exit, 35 ... bush insertion position, 36 ... central shield area, 37 ... peripheral shield area, 38 ... water, 39 ... small-diameter shield gas outlet, 40 ... slit-like gas outlet, 41 ... shield area, 42 ... Bush, 43 ... Laser beam passing light, 44 ... Shield gas passage hole, 45 ... Bush, 46 ... Helical shield gas passage port, 47 ... Shield gas, 48 ... Short first bush, 49 ... Short length Second bush 50, projection, 51 ... reflected light, 52 ... elbow tube, 53 ... inner shield region, 54 ... outer shield region, 55 ... pipe, 56 ... mirror 57 ... holder, 58 ... working head traveling direction.
