JP2008254006A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、施工装置を交換することなく表面処理、熱加工処理の工程を行うことが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るレーザ加工装置１は、連続波またはパルス波の熱加工用レーザ光、またはパルス波の表面処理用レーザ光を射出するレーザ発振器３と、前記レーザ発振器３から射出されるレーザ光を光ファイバ５に入射させる入射光学系４と、光ファイバ５から射出されるレーザ光を集光させる集光レンズ６と、集光レンズ６を搭載して処理対象物Ｂの近傍に移動して、処理対象物Ｂの表面にレーザ光を照射する施工装置７と、を備え、前記レーザ発振器３は、熱加工を行う際には前記熱加工用レーザ光を射出し、この熱加工の前処理または後処理を行う際には表面処理用レーザ光を射出することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光を照射して金属を加工するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に係り、特にレーザ溶接等の熱的加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来のレーザ溶接、レーザ焼入れ等のレーザを利用した熱的加工を行う際、事前に対象とする材料の表面状態をレーザ加工に適する状態にする目的で事前にクリーニングや研磨、着色などを行う。金属材料を対象として溶接を行う場合に、錆などで覆われていた場合には一般に研磨機で表面を研磨し、金属光沢面を出した後、レーザ光を照射して溶接を行う。また、対象金属がレーザ光に対する反射率が高い組成のものであれば、対象材料の極表面を薬液などで黒色酸化処理をしたり、ペイント等の着色塗料を塗る等したりしてレーザ光の吸収率を高めて、レーザ熱加工を行う場合が多い。また、レーザ熱加工を完了した際には、加工面に亀裂などの欠陥が発生していないことを確認するために、浸透探傷を行ったり超音波探傷により欠陥が発生していないことを確認したりする必要がある。

また、溶接の結果、対照材料の表面には一般に熱膨張、熱収縮のサイクルにより溶接部近傍の表面層に引っ張り応力が発生し、材料の強度が弱くなるほか、たとえば溶接した対象材料が高温水中環境で長時間使用される場合などでは表面の引っ張り応力に起因して応力腐食割れが発生する可能性が高くなる。これを避けるために溶接処理後には材料表面の応力状態を引張りから圧縮に帰る後処理が必要である。このためには、例えば機械的研磨、ショットピーニング処理などの応力改善の後処理が行われる。また、機会強度の観点だけでなく、溶接面は一般に酸化膜などで覆われる場合もあり、金属光沢面が必要とされる場合には研磨剤などでの研磨を実施する場合もある。

このようにレーザ溶接を実施する際には各種の前処理、後処理、検査の一連の工程が行われ、一般にそれぞれの工程に適する工具が用いられる。

レーザ溶接は一般的な金属部品の接合等に工場の製造現場等で用いられることが多いが、レーザ加工ではレーザ光を光ファイバで伝送することができ、さらに、非接触での加工であることから加工時にレーザ照射装置が受ける反力が小さいため、人間の手の届かないような構造物を遠隔で溶接補修したり、遠隔で構造物表面に熱を加えて熱処理したりするのに適している。例えば原子力発電所の原子炉内部にある構造物に応力腐食割れにより亀裂が発生した場合、その亀裂表面をレーザで溶融させて亀裂を封止し、応力腐食割れの進展を止める処置がなされる。これに先立って、前処理としてクリーニングしたり、後処理として溶接後発生した表面の引っ張り応力を改善するためにレーザピーニングを施したりすること等がなされている（特許文献１参照）。
特開２００３−５３５３３号公報

熱加工対象が放射線環境にあったり狭隘な場所にあったりする場合にレーザ加工が施されることが多いが、その前後にクリーニングや表面処理などを行う必要があり、これら前処理、熱加工、後処理、検査の一連の工程にそれぞれ専用の装置を用いて行われる。これらの工程は遠隔で行われるため、装置の取替えは処理場所への設置には多大な労力と時間が必要になる。また、施工する遠隔機器の個数も処理工程の数だけ必要であり、物量、処理コストを増大させる要因となっている。

本発明は、上記課題を鑑みなされたもので、施工装置を交換することなく表面処理、熱加工処理の工程を行うことが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工装置は、連続波またはパルス波の熱加工用レーザ光、またはパルス波の表面処理用レーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出されるレーザ光を光ファイバに入射させる入射光学系と、前記光ファイバから射出されるレーザ光を集光させる集光レンズと、前記集光レンズを処理対象物の近傍に移動させて、処理対象物の表面にレーザ光を照射する施工装置と、を備え、前記レーザ発振器は、熱加工を行う際には前記熱加工用レーザ光を射出し、この熱加工の前処理または後処理を行う際には表面処理用レーザ光を射出することを特徴とする。

また、本発明に係るレーザ加工方法は、熱加工の際には連続波またはパルス波の熱加工用レーザ光を射出し、熱加工の前処理または後処理の際にはパルス波の表面処理用レーザ光を射出するレーザ発振ステップと、前記レーザ発振ステップにより射出されたレーザ光を光ファイバに入射させる入射ステップと、前記光ファイバから射出されたレーザ光を集光する集光ステップと、前記集光レンズを処理対象物の近傍に移動させて、処理対象物の表面にレーザ光を照射する施工ステップとを行うことを特徴とする。

本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法によると、施工装置を交換することなく表面処理、熱加工処理の工程を行うことが可能となる。

本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
本発明に係るレーザ加工装置の第１実施形態について、図１乃至図４を用いて説明する。なお、第１実施形態として、原子力発電所にある原子炉内部の補修保全をレーザ溶接で行う例について説明する。

図１は、第１実施形態のレーザ加工装置１を示す全体概念図である。原子力発電所内にある原子炉圧力容器Ａは、定期点検中は上部が開放され、内部にアクセスできるようになっている。原子炉圧力容器Ａの内部には様々な機器が設置されているが、これらの内部機器にひび割れが発生した場合、溶接等の補修が必要になる。なお、図１において、溶接等の補修処理が必要になった処理対象物Ｂを模式的に示している。第１実施形態では、処理対象物Ｂの表面に肉盛溶接を行うことを想定して説明する。

２モード発振器３は、熱加工用のレーザ光と表面処理用のレーザ光を切り替えて出力でき、２モード発信機３により熱加工用の出力として例えば波長１．０６μｍ、出力４００Ｗの連続発振出力が得られる。また、２モード発振器３は、出力を切り替えることによって表面処理用の短パルス出力も出せるが、この場合、例えばパルス幅は１０ｎｓで波長０．５３μｍ、パルスエネルギー６０ｍＪ、繰り返し速度３０ＰＰＳで出力できる。このような熱加工用の発振器としてはネオジウムヤグレーザが代表的なものであり、これをＱスイッチ動作させることにより表面処理用の短パルス発振が可能であり、さらに非線形光学結晶を通すことにより、表面処理に最適な波長に変換して使用される。

なお、ここではネオジウムヤグレーザを例に挙げているが、その他のレーザ発振器を用いても良く、連続波または長パルス波で平均パワーが１００Ｗ以上の出力を持つ熱加工用レーザ光とパルス幅１μｓ以下かつパルスエネルギー１０ｍＪ以上の短パルスで発振する表面処理用レーザ光が出せるものであることが望ましい。

２モード発振器３から射出されたレーザ光はミラーレンズなどで構成された入射光学系４によりステップインデックス型光ファイバ５に導光される。ステップインデックス型光ファイバ５は原子炉圧力容器Ａの内部に導かれ、処理対象物Ｂの近傍にある集光レンズ６までレーザ光を伝送する。集光レンズ６は遠隔施工装置７にて保持され、処理対象物Ｂの処理したい部分の表面上でレーザ光を照射できるように、位置決め、走査することができる。遠隔施工装置７は固定ジグ８により原子炉圧力容器Ａに仮固定されている。

図２は、集光レンズ６をさらに詳細に描いた図である。処理対象物Ｂと集光レンズ６との間に挟まれる領域Ｃはレーザ光の経路であり、カバー部材９で覆われている。カバー部材９は防水性を有する部材からなり、例えば筒状に形成されている。カバー部材９は処理対象部Ｂ及び集光レンズ６の双方に完全に密着し、このカバー部材９、処理対象部Ｂ、及び集光レンズ６で囲まれた領域（領域Ｃ）は、通常、空気１７で満たされている。しかしカバー部材９には、内部（領域Ｃ内）に対して液体を注入する注入口９Ａが設けられ、この注入口９Ａから外部の水１６を内部（領域Ｃ）に注入することが可能となっている。このカバー部材９及び注入口９Ａが、集光レンズ６の雰囲気を透明液体環境と透明気体環境とで切り替える機構を形成する。

光ファイバ５の先端から射出されたレーザ光は、コリメートレンズ１１によりコリメートされる。このコリメートされたレーザ光は、対物レンズ１２により再度集光されて、窓ガラス１３を介して処理対象物Ｂに集光照射される。なお、図２においては、領域Ｃは空気１７で満たされている。

コリメートレンズ１１と対物レンズ１２の間には、ウェッジダイクロイックミラー１４が、コリメートされたレーザ光をほぼ直角に反射させるように配置されている。このウェッジダイクロイックミラー１４は角度で概ね５度平行から外れた楔形となっている。

ウェッジダイクロイックミラー１４は、表面にダイクロイックミラーコーティングが施されているとともに、波長０．５３μｍの光を全反射させ、波長１．０６μｍの光を透過させる特性を持っている。そしてその裏面は１．０６μｍの光を全反射するコーティングが施されている。このため、波長０．５３μｍの光と、波長１．０６μｍの光とはダイクロイックミラー１４で反射される際に、異なった角度で反射されることになる。

なお、図２において、表面処理用の波長０．５３μｍの短パルスレーザ光を通した場合を示しており、処理対象物Ｂの表面にほぼ垂直にレーザが照射されている。

図３は、集光レンズ６の内部構成と熱加工時のレーザ光路を示す図である。熱加工時には、集光レンズ６に熱加工用の波長１．０６μｍの熱加工用レーザ光１５を使用する。この場合、ウェッジダイクロイックミラー１４の裏面で反射することになるので、処理対象物Ｂに対して垂直からおおむね１０度程度傾いて照射することになる。

図４は、集光レンズの内部構成とピーニング処理または酸化膜付与処理時のレーザ光路を示す図である。ピーニング処理または酸化膜付与処理時は、集光レンズ６から処理対象物Ｂまでの間を、透明な液体である水で充填されている場合を示す。

原子炉内部にある構造物は、使用するに従って表面にクラッドと呼ばれる酸化物が付着していき、そのままレーザ溶接を行うと酸化物を巻き込み溶接不良を起こす原因となる。これを考慮し、レーザ溶接を行う際には前処理としてこの酸化物を除去する。

そこで、レーザ加工装置１ではレーザ溶接に先立ち、表面処理用のレーザ光を用いて酸化物の除去を行う。すなわちレーザ加工装置１において２モード発振器３の出力を表面処理用の短パルスレーザ光１８に選択する。この短パルスレーザ光１８は処理対象物Ｂの表面まで導かれて処理対象物Ｂの表面で衝撃波に変換されグラッドを吹き飛ばす。このとき、遠隔施工装置７を適切に駆動して照射点をずらすことにより、溶接したい部分にあるクラッドを吹き飛ばす。

環境雰囲気が気体である場合、一般にこのような処理を施すと、処理対象物Ｂの表面は酸化物が除去され金属光沢面になる。このような除去方法はレーザクリーニングと呼ばれることが多いが、集光面でのピークパワーが高いほどその効果が大きくなるため、対象面に対して垂直に照射することが望ましい。図２に示すように、短パルスレーザ光１８はウェッジダイクロイックミラー１４の表面で反射して処理対象物Ｂに垂直に当たるため、効率よくクリーニング作業を行うことができる。

レーザ加工装置１では前処理としてクリーニングを行った後にレーザ溶接作業を行うが、この際、２モード発振器３から出力されるレーザ光を熱加工用のレーザ光に切り替える。熱加工用レーザ光１５に切り替えて処理対象物Ｂの表面をレーザ溶接している状況を示す図３によると、一般に、熱加工用レーザ光１５を用いてレーザ加工する際、平均レーザ出力が非常に大きいことから処理対象物Ｂからの反射が問題となる。即ち処理対象物Ｂからの反射が集光レンズ６の内部に戻ってくると、集光レンズ６の内部を熱損傷する可能性が高くなる。

しかしながらレーザ加工装置１によれば、ウェッジダイクロイックミラー１４の裏面で熱加工用レーザ光１５を反射させているため、処理対象物Ｂに斜めにレーザが集光されることになり、集光レンズ６内部に反射光は戻らなくなる。これにより、集光レンズ６は健全に保たれる。このような構成でレーザクリーニング処理した後の表面を遠隔施工装置７を適切に制御して所望のレーザ溶接を完了させることができる。

処理対象物Ｂにおいてレーザ溶接が施された箇所では、一般に熱膨張、熱収縮のサイクルにより材料表面に大きな引っ張り残留応力が形成される。この引っ張り残留応力をのこしたまま例えば原子炉の運転を行うと、応力腐食割れにより再度ひび割れが起こる可能性が高くなる。このため、レーザ溶接後の後処理が必要となり、２モード発振器の発振出力を表面処理用の短パルスレーザ光１８に切り替えてこの後処理を行う。

後処理の際には、図４に示すように、注入口９Ａからカバー部材９の内部に水を前もって注入する。集光レンズ６と処理対象物Ｂの間の領域Ｃが水で満たされているため、短パルスレーザ光１８が材料表面に照射された際に衝撃派が発生し、この衝撃波が水の慣性により非常に高い値に増倍される。この結果、材料表面近傍のみ局所的に塑性変形させることができ、処理対象物Ｂの表面の残留応力状態は圧縮に変換される。このような処理はレーザピーニング処理と呼ばれるが、遠隔施工装置７で適切に走査しながら照射することで所望の範囲に対してレーザピーニング処理により圧縮応力を形成することができる。

なお、領域Ｃを水で満たす代わりに、処理対象物Ｂの水を吹きかけること等により処理対象物Ｂの表面に例えば厚さ約０．１ｍｍの水の皮膜を形成させても良い。

水のような酸素原子を多く含んだ液体を介してレーザピーニング処理を行う場合、レーザ照射点で液体分子が分解し活性な酸素が放出される。この結果、処理後の材料表面に緻密な酸化膜が形成され、ステンレスやインコネルなどでは金属光沢でなくなり、表面がくすんだ色となることが知られている。これを避けるためには水の変わりに酸素原子の含有量の少ない油、アルコールなどを用いれば金属光沢を維持することができる。

また、レーザ溶接前の前処理として図４に示したような構成でクラッドを除去することも可能である。この場合前述したようにクリーニング前処理後の処理対象物表面は金属光沢でなくなり、光を吸収しやすくなる。このため前処理後に引き続いて行われるレーザ溶接処理に必要なレーザパワーが小さくできる、若しくはより早い処理が可能になるなどの効果もある。

第１実施形態のレーザ加工装置１及びレーザ加工方法によると、原子炉内部にある構造物をレーザ溶接補修する際に必要となる前処理、後処理を一つの装置で成し遂げることができるため、従来のように頻繁な装置の入れ替え作業がなくなり工期を大幅に短縮することが可能となる。

また、第１実施形態のレーザ加工装置１及びレーザ加工方法によると、原子炉内に投入すべき基材を最小限に抑える効果もある。

〔第２実施形態〕
本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の第２実施形態について、図５乃至図８を参照して説明する。第２実施形態は、第１実施形態のレーザ加工装置において溶接後の検査工程を加えたものである。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図５は、第２実施形態のレーザ加工装置１Ａを示す全体概念図である。原子力発電所内にある原子炉圧力容器Ａは、定期点検中は上部が開放され、内部にアクセスできるようになっている。原子炉圧力容器Ｂの内部には様々な機器が設置されているが、これらの内部機器にひび割れが発生した場合、溶接等の補修が必要になる。なお、図５において、溶接等の補修処理が必要になった処理対象物Ｂを模式的に示している。第２実施形態では、第１実施形態と同様に、処理対象物Ｂの表面に溶接肉盛を行うことを想定して説明する。

この肉盛溶接の処理作業の前後の工程としては、処理対象物Ｂの表面をレーザ溶接に適する状態にする前処理、そしてレーザ肉盛溶接、その後レーザ溶接によって発生した汚れの除去または表面応力状態の改善が必要となる。また、施工対象によっては溶接後に欠陥が発生していないことを確認する工程も必要になる。この工程はレーザ溶接後、または応力改善処置後に行われる。

一般にこれらの検査はカメラによる遠隔目視または超音波探傷、レーザ超音波探傷装置等が用いられるが、このためには施工装置を取り出して検査装置をすえつける必要がある。第２実施形態のレーザ加工装置１Ａは、検査工程としてレーザ超音波探傷法を採用し、第１実施形態のレーザ加工装置１に加えて、ひとつの施工装置で前処理、溶接、検査、後処理を行えるようにするものである。ただし、表面処理用と熱加工用のレーザ発振器の構成は最良の実施の形態と異なった構成としている。

表面処理用レーザ発振器３Ａは、ＱスイッチＹＡＧレーザの第二高調波光を出力できるものであり、パルスエネルギー１００ｍＪ、繰り返し６０ＰＰＳ、波長０．５３μｍ、パルス幅６ｎｓの出力が得られる。熱加工用レーザ発振器３Ｂは、レーザダイオード励起ファイバレーザを使用し、波長１．０６μｍで出力２ｋＷの連続発振するものである。干渉計測用レーザ発振器３Ｃはスペクトル線幅が非常に狭い連続発信レーザであり、波長１．０６μｍ、出力５Ｗ、スペクトル線幅１００ｋＨｚのレーザダイオード励起ＹＡＧレーザを使用している。

表面処理用レーザ発振器３Ａ、熱加工用レーザ発振器３Ｂ、及び干渉計測用レーザ発振器３Ｃは、それぞれミラーやレンズと移動ミラー１９で構成された入射光学系４Ａでファイバ５に導光される。ステップインデックス型光ファイバ５は原子炉圧力容器Ｂの内部に導かれ、処理対象物Ｂの近傍にある集光レンズ６Ａまでレーザ光を伝送する。集光レンズ６Ａは遠隔施工装置７にて保持され、処理対象物Ｂの処理したい部分の表面上でレーザ光を照射できるように、位置決め、走査することができる。遠隔施工装置７は固定ジグ８により原子炉圧力容器Ｂに仮固定されている。

集光レンズ６Ａからは各種のレーザ光が放出されるが、そのうち干渉計測用レーザ発振器３Ｃから射出されたレーザ光線は処理対象物Ｂの表面で散乱反射され、その一部が集光レンズ６Ａ、ステップインデックス型光ファイバ５、入射光学系１９を逆に戻り、ファブリペロー干渉計と信号処理装置とで構成された干渉分析器２０に導光される。干渉分析器２０は、処理対象物Ｂの表面状態、照射状態を監視する。

図６は、集光レンズ６Ａの内部構成と表面処理時のレーザ光路を示す図である。処理対象物Ｂと集光レンズ６との間に挟まれる領域Ｃはカバー部材９で覆われている。カバー部材９、処理対象部Ｂ、及び集光レンズ６で囲まれた領域（領域Ｃ）は、通常、空気１７で満たされている。しかしカバー部材９には、内部（領域Ｃ内）に対して液体を注入する注入口９Ａが設けられ、この注入口９Ａから外部の水１６を内部（領域Ｃ）に注入することが可能となっている。

ステップインデックス型光ファイバ５から射出された短パルスレーザ光１８はコリメートレンズ１１で平行ビームに変換される。ダイクロイックミラー２３は波長１．０６μｍの光で全反射し、波長０．５３μｍの光を透過するものである。ダイクロイックミラー２３を透過した短パルスレーザ光１８は全反射ミラー２４で折り曲げられ対物レンズ２７で集光され窓ガラス２８を介して処理対象物免状に照射される。

一方、波長１．０６μｍの熱加工用レーザ光１５は、図７に示すように、ダイクロイックミラー２３で直角に折り曲げられ対物レンズ２５、ウェッジ窓２６を介して処理対象物Ｂの表面に集光される。なお、図６、図７では集光レンズ２２と処理対象物Ｂの間の領域Ｃは気体で満たされており、図７で示されるように、ウェッジ窓２６がプリズムの役目を果たして光線が屈折し、１．０６μｍの熱加工用レーザ光１４は処理対象物Ｂに垂直に当たらないようになっている。

図８は、集光レンズの内部構成と検査時及び表面処理時のレーザ光路を示す図である。検査時及び表面処理時には、集光レンズ２２と処理対象物Ｂの間の領域Ｃは透明な液体、例えば水１６で満たされている。水の屈折率は１．３３であり、ウェッジ窓の屈折率１．３３〜１．４６であり、双方を比較すると差が小さいため、ウェッジ窓２６と水１６の境界で光はほとんど屈折しない。よって、干渉用レーザ光２９は、領域Ｃが水で満たされている場合は、処理対象物Ｂにほぼ垂直に照射する。

次に、レーザ加工装置１Ａによる作用について説明する。

レーザ加工装置１Ａは、処理対象物Ｂの表面をレーザ肉盛溶接により補修するが、前処理として、表面処理用レーザ発振器３Ａから射出される短パルスレーザ光１８がステップインデックスファイバ５に導かれるように入射光学系６Ａをセットする。具体的には移動ミラー１９を光路から外すようにセットされる。

このセットにより、集光レンズ６Ａまで短パルスレーザ光１８は導かれ、コリメートレンズ１１で平行になり、ダイクロイックミラー２３を透過し、全反射ミラー２４、対物レンズ２７、窓ガラス２８を介して処理対象物Ｂに照射される。この短パルスレーザ光１８の照射により、対象材料表面をアブレーション現象により比熱的に表面除去し、クラッドなどの付着物をとりさり、レーザ溶接に適切な表面状態にすることができる。

また、図８に示すように集光レンズ２２と処理対象物Ｂの間の領域Ｃに透明な酸素原子を満たすことにより照射後表面に緻密な酸化膜層ができるため、その後のレーザ溶接加工を行う際に、より小さなパワーで実施することができる。

この際、領域Ｃに透明な酸素原子を満たす代わりに、処理対象物Ｂの表面に例えば厚さ約０．１ｍｍの酸素原子の皮膜を形成しても良い。

このようにして、レーザ加工装置１Ａでは、レーザ肉盛溶接に先立ち、処理対象物Ｂの表面状態をレーザ熱加工に適するように前処理をしている。前処理の後に施工装置を入れ替える必要がある通常の手法と異なり、レーザ加工装置１Ａでは、前処理に引き続いてレーザ肉盛溶接を行うことができる。

この際、移動ミラー１９を駆動し、熱加工用レーザ発振器３Ｂからの出力を光ファイバ５に導入できるように調整する。図７に示すように、光ファイバ５から射出された熱加工用レーザ光１４はコリメートレンズ１１により平行になり、波長１．０６μｍの光を反射するダイクロイックミラー２３で対物レンズ２５の方向に折り曲げられる。対物レンズ２５で集光された熱加工用レーザ光１５はウェッジ窓２６を介して処理対象物Ｂの表面に照射され、表面を溶接加工することができる。また熱加工用のレーザを対象に照射する際、垂直に照射すると対象面からの反射光が集光レンズ６Ａの内部に戻ってくる。これは集光レンズ６Ａの内部を異常に加熱し、損傷をもたらす可能性が高くなる。

このためレーザ加工装置１Ａでは、ウェッジ窓２６により熱加工用レーザ光１４は屈折して折り曲げられるため、反射光が処理対象物Ｂに垂直に照射することはない。これにより、レーザ加工装置１Ａでは、処理対象物Ｂからの反射により集光レンズ６Ａが破壊することを防止している。

肉盛溶接加工を実施した後、溶接後の健全性を確認するために、溶接後検査を実施する。通常の作業工程では溶接装置を処理対象物Ｂから取り外して代わりに、検査用機器を導入するが、レーザ加工装置１Ａでは、装置の取替えをする必要がない。すなわち上述した肉盛溶接の後に行う検査工程では、移動ミラー１９を駆動して熱加工用レーザ発振器からの出力が光ファイバ５に入射しないようにすると、表面処理用レーザ発振器３Ａからの出力と、干渉計測用レーザ発振器３Ｃからの出力とを同時に光ファイバ５に入射することができるようになる。

このようにして短パルスレーザ光１８と干渉用レーザ光２９を同時に光ファイバ５に導入すると、集光レンズ６Ａのところでも光ファイバ５から両方の光が射出される。この２つのレーザ光はコリメートレンズ１１により平行になり、波長１．０６μｍの光である干渉用レーザ光２９はダイクロイックミラー２３で対物レンズ２５に導かれ、ウェッジ窓２６を介して処理対象物Ｂの表面に照射される。一方、短パルスレーザ光１８は波長が０．５３μｍであるため、ダイクロイックミラー２３を透過し、全反射ミラー２４で対物レンズ２７の方向に折り曲げられ、窓ガラス２８を介して処理対象物Ｂの表面に照射される。

このとき、集光レンズ６Ａと処理対象物Ｂとの間の領域Ｃに水を満たしておくと、短パルスレーザ光１８を処理対象物Ｂ表面に照射した際、大きな衝撃波が発生する。この衝撃波により、処理対象物Ｂの表面近傍に圧縮応力が形成される。これをレーザピーニング効果といい、このような溶接後の表面処理は実際の原子力発電所の炉内構造物の保全作業に利用されており、溶接後の後処理としての材料表面特性改善が可能になる。

このように短パルスレーザ光１８を処理対象物Ｂの表面に照射した際に、大きな衝撃波が発生するが、この衝撃波は処理対象物Ｂの内部のみでなく表面超音波３１として表面に伝播する。このように伝播した表面超音波３０は干渉用レーザ光２９が照射されている表面にも伝播していく。この結果、表面超音波３０で干渉用レーザ光２９は周波数変調を受けて反射し、この反射光は入射と逆の経路をたどって光ファイバ５の入射口から逆に射出される。このようにして戻ってきた表面超音波によって変調を受けた干渉用レーザ光は、入射光学系４Ａを介して、その一部が干渉分析器２０に導入される。この干渉分析器２０で表面超音波を復調し、表面超音波の特性を調べることができる。ところで、この表面超音波３０は、溶接欠陥が存在した場合には欠陥部で反射される。このため干渉分析器２９で分析される超音波にも変化が現れる。干渉分析器２９でこれを検知することにより、溶接後の健全性確認が可能になっている。

第２実施形態のレーザ加工装置１Ａ及びレーザ加工方法によると、肉盛溶接後の欠陥検査も施工装置を代えることなく連続して実施できるうえ、レーザピーニング施工により溶接後の表面残留応力状態改善の後処理も同時に行うことが可能となる。

なお、第２実施形態では、溶接後検査とレーザピーニング施工とを同時に行う例について説明したが、これに限らず、それぞれを別個に行っても良い。

上記発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施形態に何ら限定されるものではなく、各実施形態の構成を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明に係るレーザ加工装置の第１実施形態を示す全体概念図。 第１実施形態のレーザ加工装置の集光レンズの内部構成と表面処理時のレーザ光路を示す図。 第１実施形態のレーザ加工装置の集光レンズの内部構成と熱加工時のレーザ光路を示す図。 第１実施形態のレーザ加工装置の集光レンズの内部構成とピーニング処理または酸化膜付与処理時のレーザ光路を示す図。 本発明に係るレーザ加工装置の第２実施形態を示す全体概念図。 第２実施形態のレーザ加工装置の集光レンズの内部構成と表面処理時のレーザ光路を示す図。 第２実施形態のレーザ加工装置の集光レンズの内部構成と熱加工時のレーザ光路を示す図。 第２実施形態のレーザ加工装置の集光レンズの内部構成と検査時及び表面処理時のレーザ光路を示す図。

符号の説明

１、１Ａ…レーザ加工装置，３…２モード発振器，３Ａ…表面処理用レーザ発振器，３Ｂ…熱加工用レーザ発振器，３Ｃ…干渉計測用レーザ発振器，４、４Ａ…入射光学系，５…ステップインデックス型光ファイバ，６、６Ａ…集光レンズ，７…遠隔施工装置，８…固定ジグ，９…カバー部材，９Ａ…注入口，１１…コリメートレンズ，１２…対物レンズ，１３…窓ガラス，１４…ウェッジダイクロイックミラー，１５…熱加工用レーザ光，１６…水，１７…空気，１８…短パルスレーザ光，１９…移動ミラー，２０…干渉分析器，２３…ダイクロイックミラー，２４…全反射ミラー，２５…対物レンズ，２６…ウェッジ窓，２７…対物レンズ，２８…窓ガラス，２９…干渉用レーザ光，３０…表面超音波，Ａ…原子炉圧力容器，Ｂ…処理対象物，Ｃ…領域。

Claims (12)

1. 連続波またはパルス波の熱加工用レーザ光、またはパルス波の表面処理用レーザ光を射出するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から射出されるレーザ光を光ファイバに入射させる入射光学系と、
   前記光ファイバから射出されるレーザ光を集光させる集光レンズと、
   前記集光レンズを処理対象物の近傍に移動させて、処理対象物の表面にレーザ光を照射する施工装置と、を備え、
   前記レーザ発振器は、熱加工を行う際には前記熱加工用レーザ光を射出し、この熱加工の前処理または後処理を行う際には表面処理用レーザ光を射出することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記光ファイバの入射面近傍に干渉分析装置を備え、
   熱加工の前処理または後処理の際に、前記レーザ発振器は前記表面処理用レーザ光と併せて連続波の干渉用レーザ光を射出し、前記入射光学系はこれらの表面処理用レーザ光または干渉用レーザ光を前記光ファイバに入射させ、前記干渉分析装置は、前記光ファイバの入射面からの前記干渉用レーザ光の反射光を受光して、前記表面処理用レーザ光の照射時に発生する衝撃波を干渉分析で検知することにより、処理対象物の表面状態、照射状況を監視する請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザ発振器は、前記表面処理用レーザ光と干渉用レーザ光とを波長が異なるようにそれぞれ射出するとともに、前記集光レンズの内部にはダイクロイックミラーが設置されることにより、
   前記表面処理用レーザ光及び干渉用レーザ光が、このダイクロイックミラーで波長分離し、処理対象物の表面において異なった位置に照射されるように構成した請求項２記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ発振器は、干渉用レーザ光と熱加工用レーザ光とを同じ波長で射出するとともに、集光レンズの雰囲気を透明液体環境と透明気体環境とで切り替える機構を備え、前記集光レンズの最終面にウェッジ窓が設けられた請求項２記載のレーザ加工装置。
5. 熱加工の際には連続波またはパルス波の熱加工用レーザ光を射出し、熱加工の前処理または後処理の際にはパルス波の表面処理用レーザ光を射出するレーザ発振ステップと、
   前記レーザ発振ステップにより射出されたレーザ光を光ファイバに入射させる入射ステップと、
   前記光ファイバから射出されたレーザ光を集光する集光ステップと、
   前記集光レンズを処理対象物の近傍に移動させて、処理対象物の表面にレーザ光を照射する施工ステップとを行うことを特徴とするレーザ加工方法。
6. 前記レーザ発振ステップにて射出される熱加工用レーザ光は連続波またはパルス波で平均パワーが１００Ｗ以上であるとともに、前記レーザ発振器にて射出される表面処理用レーザ光はパルス幅１μｓ以下かつパルスエネルギー１０ｍＪ以上である請求項５記載のレーザ加工方法。
7. 熱加工の前処理または後処理の際に、
   前記レーザ発振ステップにて、前記表面処理用レーザ光と併せて連続波の干渉用レーザ光を射出し、
   前記入射光学ステップにて、これらの表面処理用レーザ光及び干渉用レーザ光を前記光ファイバに入射させた後に、前記施工ステップを行うととともに、
   前記光ファイバの入射面近傍で前記光ファイバの入射面からの前記干渉用レーザ光の反射光を受光して、前記表面処理用レーザ光の照射時に発生する衝撃波を干渉分析で検知することにより、処理対象物の表面状態、照射状況を監視する干渉分析ステップを行う請求項５記載のレーザ加工方法。
8. 前記レーザ発振ステップにて、射出される表面処理用レーザ光は、１０Ｗ以下の連続光であり、射出される干渉用レーザ光は、パルス幅１μｓ以下かつパルスエネルギー１０ｍＪ以上のパルスレーザ光である請求項７記載のレーザ加工方法。
9. 始めに前記熱処理の前処理として、レーザ発振ステップにて表面処理用レーザ光を射出し、前記入射ステップ、前記集光ステップ、施工ステップを行い、
   次に熱処理として、レーザ発信ステップにて熱処理用レーザ光を射出し、前記入射ステップ、前記集光ステップ、施工ステップを行い、
   最後に熱処理の後処理として、レーザ発振ステップにて表面処理用レーザ光を射出し、前記入射ステップ、前記集光ステップ、施工ステップを行う請求項５記載のレーザ加工方法。
10. 前記熱加工の前処理として、レーザ発振ステップにて表面処理用レーザ光を射出し、前記入射ステップ、前記集光ステップ、施工ステップを行い、
    次に熱加工の処理として、レーザ発振ステップにて熱加工用レーザ光を射出し、前記入射ステップ、前記集光ステップ、施工ステップを行い、
    最後に熱加工の後処理として、前記レーザ発振ステップにて前記表面処理用レーザ光と併せて連続波の干渉用レーザ光を射出し、前記入射光学ステップにて、これらの表面処理用レーザ光及び干渉用レーザ光を前記光ファイバに入射させた後に、前記施工ステップを行うとともに、
    前記光ファイバの入射面近傍で前記光ファイバの入射面からの前記干渉用レーザ光の反射光を受光して、前記表面処理用レーザ光の照射時に発生する衝撃波を干渉分析で検知することにより、処理対象物の表面状態、照射状況を監視する干渉分析ステップを行う請求項５記載のレーザ加工方法。
11. 前記熱加工の後処理として、レーザ発振ステップにて表面処理用レーザ光を射出する前あるいは同時に、処理対象物の表面に透明な液体の皮膜を生成する皮膜生成ステップを行う請求項５記載のレーザ加工方法。
12. 前記熱処理の前処理として、レーザ発振ステップにて表面処理用のレーザ光を射出する前あるいは同時に、処理対象物の表面に透明な酸素原子の皮膜を生成する皮膜生成ステップを行う請求項５記載のレーザ加工方法。

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