JP2009511273A - レーザー切断／溶接のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハンダ浴（７４）を発生されるように設計されたレーザー光線（６）を放出可能にするレーザーヘッド部（２）を備えているレーザー切断／溶接装置（１）であって、前記装置もまた前記レーザーヘッド部ための冷却装置（２１）を備えているレーザー切断／溶接装置に関する。本発明によれば、この冷却装置は圧縮ガスを供給された少なくとも１つの渦管（５０）を備え、前記渦管（５０）は、レーザーヘッド部の冷却のためにレーザーヘッド部に接続された少なくとも１つの冷却ガス排出口（５４）を有するとともに、少なくとも１つの高温ガス排出口（５６）を有している。

Description

本発明の技術分野は、高出力のレーザー切断及びレーザー溶接の方法及び装置である

本発明は、かなりの厚さを有する材料のレーザー切断／レーザー溶接の分野において特に適用可能とされ、特に、原子力産業、軍事産業、もしくは自動車産業又は航空機産業における装置で使用される材料に適用可能とされる。

この点において、ましてやなおさら本発明の特別な応用が、本発明の原子力施設の解体のフレーム構造における材料のレーザー切断に関係することに留意されたい。

高出力のレーザーによって部品を切断／溶接するこの分野において、従来技術によって周知な装置は通常、冷却液として水を使用する装置の助けと共に冷却する。

しかしながら、この種類の水冷装置は、特に、装置が“建築現場”のもとで使用されるように設計された場合に、いくつかの用途を実施するのに難しい場合がある。実際には、水冷は、限界があり、すなわち、水冷装置はポンプ型の要素及び密封された回路を統合する複合装置を必要とする。さらに、起こり得る漏れが工事現場のための重大な結果を有することができることに留意されたい。

さらに、この冷水装置は、レーザー切断／レーザー溶接装置は、原子力施設の現場で使用されるように設計された場合に極度に制限される場合があり、次いで、水が、処理されるべき廃液を生み出す流体を構成するので、特にこの種類の施設の解体中に極度に制限される。

切断／溶接装置のレーザーヘッド部がその実行中に冷却されない場合に、しばしば５０℃より高い、限界温度に素早く到達する場合があり、使用されたレーザー出力がより大きい場合にそれらの温度は当然ながら、より重大である。

このために、非冷却された切断／溶接装置が強力なレーザー出力を放出することができる場合に、非冷却の切断／溶接装置が高い切断／溶接性能のみを達成することができ、それによってこれはレーザーヘッド部の加熱を引き起こし、レーザーヘッド部の劣化に導く場合がある。

それ故に、この欠点は、原子力設備を解体するなどの、通常はしばしば４ｋＷを超える高出力で持続する干渉を必要とする“建設現場”での切断／溶接タイプの用途のための場合のように、長期間の高出力の使用を必要とする設備に対する特に制限である。

従って、本発明の目的は、レーザーヘッド部の加熱の危険性を制限可能であり、且つ原子力施設を含む全ての種類の用途で拘束されることなく使用可能であるレーザー切断装置又はレーザー溶接装置を提案することである。

これを行うために、本発明は、ハンダ浴を発生させるように設計されたレーザー光線を放出可能にするレーザーヘッド部を備えているレーザー切断／溶接装置であって、前記装置はまた、レーザーヘッド部を冷却するための装置を備えている。本発明によれば、冷却装置は、圧縮ガスを供給された少なくとも１つの渦管を備え、この渦管は、冷却ガスがレーザーヘッド部を冷却するためにレーザーヘッド部の内部に浸透するように、レーザーヘッド部に接続された少なくとも１つの冷却ガス排出口を有するとともに、少なくとも１つの高温ガス排出口を有している。

それ故に、使用された冷却装置は１つ又は数個の渦管に統合し、その周知な操作原理が比較的単純である。実際、圧縮ガスは、例えばアルミニウム又は鉄鋼から製造された装置内に半径方向に噴射され、２つの異なるガス噴射に分割され得る。この装置内に、運動エネルギーの伝達が２つのガス噴射の間で熱の形態で発生し、この装置は、一方で高温ガス排出口を通じて漏れる高温ガスの噴射を有し、他方で上述した排出口と反対の冷却ガス排出口を通じて漏れる冷却ガスの噴射を有することを可能にさせる。それら２つの排出口は一般的に、渦管の両端に配置され、それぞれが数個の高温ガス排出口又は冷却ガス排出口を構成するように分岐部を有することができる。

レーザーヘッド部に作用するこの種類の冷却装置の存在と共に、このヘッド部の加熱は、装置の操作中に非常に最小化されることができ、それによって、この同一のヘッド部を劣化する危険性を伴わずに、長時間に亘って高出力のレーザーを実施することを可能にする。原子力施設の解体に対する“建築用の”切断／溶接型の用途などの“建築用の”切断／溶接型の用途は、それ故に、本発明による装置と共に容易に行われる。

上記に起因する利点は、切断／溶接の性能が増加され、それにより、切断速度／溶接速度、及び／又は、容易に１００ｍｍに到達することができる、より厚い厚さを有する部品の満足すべき切断／溶接、及び／又は、第１のヘッド部と切断／溶接されるべき部品との間の相対的な位置決めにおけるより大きい許容誤差を増加させることができ、第１のヘッド部と切断／溶接されるべき部品との間の相対的な位置決めにおけるより大きい許容誤差を増加させるという特性は、“建設状況”の下での工業的な切断のフレーム構造において特に有利であるという事実に存ずる。

さらに、本発明における他の利点は、冷却用流体としての圧縮ガスの使用に関係する。それ故に、渦管の供給は非常に容易であり、とりわけ、冷却装置はもはや水を組み込むことはなく、原子力施設の用途と共に水の不適合は以前に主要な不利点を構成した。

本発明による装置のさらなる利点は、渦管から出る高温ガス噴射の存在に関係し、高温ガスが切断／溶接の性能をさらに増加するために、ハンダ浴と協働して賢明に使用される。

実際に、装置がレーザー切断のために設計される場合に、渦管からの高温ガス排出口を介して出る高温ガスは、好ましくは、レーザー光線によって生成されたハンダ浴の外側に融解金属粒子の排除を確実にするように設計される。結果として、この高温ガスは渦管から噴射され、それによって切断装置上に既に設けられた作用ガスの噴射に有利に加えられることができる。溝の外側に粒子の排除を改善することを可能にし、それ故に切断性能を増加することを可能にする。当然のことながら、本発明の技術的範囲の外側に逸脱することなく、それは作用ガスの唯一の供給源として使用され得る。

さらに、装置がレーザー溶接のために設計される場合に、渦管の高温ガス排出口から出る高温ガスは好ましくは、溶接されるべき部品の予熱、及び／又は周囲空気に対する凝固されたハンダ浴の保護を確実にするように設計される。第１の場合において、高温ガスは、好ましくは、溶接されるように設計された部品を予熱するその役割を果たすために、溶接の方向に対してレーザー光線の前方で噴射され、それ故に増加された溶接性能を得ることを可能にさせる。しかしながら、第２の場合において、高温ガスは、好ましくは、溶接の方向に対してレーザー光線の後方で噴射され、より好ましくは、液状のハンダ浴の後方で噴射される。実際に、これは、ちょうど凝固されるハンダ浴から生じる金属を保護することを含み、且つ特に、溶接された金属の窒化及び酸化を避けるために、冷却プロセスにおいて周囲空気から金属を保護することを含む。さらなる興味は噴射された高温ガスが熱的溶接サイクル（thermal welding cycle）に作用することを可能にさせることである。冷却ガスと異なって、熱的溶接サイクルが凝固された微細構造のために有益であり、例えば、溶接線の硬度を低減するように転換することができる。このような理由で、この高温空気噴射をレーザー光線及びハンダ浴の後方に取り付けることは、溶接線の過剰な硬度の問題に直面した周知のレーザー溶接などの溶接が困難である材料の溶接性を実質的に増加することを可能にさせる。

好ましくは、冷却装置は、圧縮ガスを供給された複数の渦管を備える。この種類の構成において、渦管は並行に又はカスケード状に取り付けられることができ、一の渦管の高温ガス排出口が、一の渦管に対して直接的に連続して渦管の吸入口に供給する。

一般的に、カスケード状のアセンブリは、高温での高温空気流を有するように主要に得られ、それによってカスケード状のアセンブリをレーザー溶接装置にうまく適され、レーザー装置におけるカスケード状のアセンブリが溶接されるべき部品の非常に満足すべき予熱を可能にすることに留意されたい。さらに、並行のアセンブリは、有効な高温ガス流／冷却ガス流を有するように本質的に適合され、並行のアセンブリをレーザー溶接装置にうまく適され、その結果、大量の高温空気流は溝の外側に金属粒子の非常に満足すべき排除を可能にする。

それにもかかわらず、それら２種類の渦管のアセンブリは、本発明の技術的範囲の外側に逸脱することなく、切断用途及び溶接用途の両方のために当然ながら想像される。

好ましくは、使用された渦管は、約８０％の冷却ガス及び約２０％の高温ガスを生成するように設計され、それらの値は、レーザーヘッド部の最適な冷却を確実にするように選択され、前記ヘッド部が切断又は溶接するために使用されるように設計される。

好ましくは、渦管は、圧縮ガスの吸込温度より約８０℃から約１００℃高い温度の高温ガスを生成するように設計され、且つ圧縮ガスの吸込温度より約２０℃から約３０℃低い温度の冷却ガスを生成するように設計される。

上記のように、装置がレーザー切断のために設計される場合、渦管の高温ガス排出口から出る高温ガスは、好ましくは、レーザー光線によって生成されたハンダ浴の外側に融解金属粒子の排除を確実にするように設計される。この場合において、渦管の高温ガス排出口がレーザーヘッド部に接続され、それによって高温ガスがこの同一のヘッド部に属するノズル先端部によって高温ガス排出口から噴射されることが提供することができる。従って、上述されたノズル先端部はまた、レーザー光線によって貫通されることができ、高温ガスの噴射軸及びレーザー光線軸が好ましくは組み合わせられることを暗示する。

渦管の高温ガス排出口は、代替として、本発明の技術的範囲の外側に逸脱することなく、レーザーヘッド部以外のヘッド部に接続され得ることに留意されたい。

レーザー切断のために、使用された圧縮ガスは、好ましくは、圧縮空気である。しかしながら、溝の外側に融解された金属粒子を放出するこの役割を果たすように、任意の周知な作用ガスを使用することができる。

最後に、溝の外側に融解された粒子の全体的な排除又は部分的な排除を確実にするために高温ガスの使用に関係された一つの利点は、このガスの“高温”における性質が融解金属粒子の冷却効果を強く抑制するという事実に存じ、それによって切断の進行の遮断の危険性を実質的に低減するように導くことに留意されたい。

同様に上述されたように、装置がレーザー溶接のために設計される場合、渦管の高温ガス排出口から出る高温ガスは、溶接されるべき部品の予熱を確実にするように設計され得る。この場合において、渦管の高温ガス排出口は溶接方向においてレーザーヘッド部に対して前方に配置される。

渦管の高温ガス排出口から排出される高温ガスは、代わりに周囲空気に対して凝固されたハンダ浴の保護を確実にするように設計され得る。渦管の高温ガス排出口は、次いで、溶接方向においてレーザーヘッド部に対して後方に配置され、好ましくは、レーザー光線によって発生されたハンダ浴に対して後方に配置される。

上述したように、当然ながら、高温ガスは、問題のある渦管上に数個の高温ガス排出口を設けることによって、上述された役割の両方を果たすことができる。

レーザー溶接のために、使用された圧縮ガスは、好ましくは、不活性ガス又は酸素及び／又は二酸化炭素を備えているガスであり、この種類のガスは“アクティブ”と呼ばれ、且つ溶接されるべき材料の性質により選択され、溶接後の固体冷却フェーズ中の周囲空気から可能な限りこれらの材料を保護することができる。

さらに、本発明はまた、上記の記載のような装置の補助と共に実行されたレーザー切断／溶接方法に関係し、すなわち上述された冷却装置の補助と共に切断／溶接を実行することによってレーザー切断／溶接を行う方法に関係する。

他の特性及び本発明の利点は、以下の詳細且つ制限されていない説明に現れる。

この説明は、添付された図面に関して付与される。

図面を参照して、ネオジウム・ヤグレーザータイプ（Nd-YAG laser type）のレーザー切断／溶接装置１が記載され、特に光ファイバーによるレーザー光線６の伝達に関する優位点のために、又はレーザー光線６と切断／溶接されるべき部品（参照符号７）との間のより良い相互干渉を有する可能性に関する優位性のために選択される。しかしながら、本発明を実施するために二酸化炭素レーザー（CO₂ laser）を使用するのにかなり適切であることに留意されたい。

本発明は、変化された厚さの部品のために使用されるように設計され、より具体的には、約５０ｍｍより厚く、１００ｍｍを超え得る厚さを有する部品のために使用されるように設計される。任意の場合において、本発明は、十分な厚さを有する部品のためのレーザー切断／溶接装置を提案し、当業者によって可能とされる一般的に限定された部品の厚さは１０ｍｍである。

同様に、装置１に供給された電力は、約４ｋｗと約６ｋｗとの間であり、この値の間隔は、先行技術の装置に従来使用された電力に対応し、特別ではあるが、原子力施設を解体する用途に制限されることはない、フレーム構造内で経験される条件のような、”建築”タイプの動作条件にかなり好適である。

最初に図１を参照して、本発明の一の好ましい実施形態の形態で表示されたレーザー切断装置１の一部を示し、この装置は、レーザーヘッド部と呼ばれる第１のヘッド部２を備え、この第１のヘッド部２は略円筒形状を有し、約３０ｍｍの外径及び約２５０ｍｍの長さを備えており、この装置は６ｋｗの近傍で管理された電力のためである。

第１のヘッド部２の内側には、光学手段４，５を見ることができ、この光学手段４，５は、コリメーターレンズ４及び集束レンズ５によって形成され、それらのレンズは互いに面するように配置される。

光学手段４，５はレーザー光線６によって貫通され、レーザー光線６は第１のヘッド部２に機械的に接続された光ファイバー１８によって伝達される。それ故に、光ファイバー１８は、機械的アセンブリ１６，１７によって支持され、これらのアセンブリは光ファイバー１８を囲む接続部１６及びこの接続部１６を支持する機械的インターフェース１７を備える。この機械的インターフェース１７はまた、第１のヘッド部２に結合され、それによって光学手段４，５の向かいのケーブル１８から出力されるレーザー光線６を位置決めする。

好ましくは、且つ特に、ヘッド部２の大きさを制限するように、レーザー光線６は、約４０ｍｍから約６０ｍｍの距離に亘って機械的アセンブリの内側に延在する。当然のことながら、この値の間隔は、制限されるものではなく、当業者によって改善され得る。

レーザービーム６によって貫通された光学手段４，５は、ホットスポット（hot spot）８を生成し、このホットスポット８は、装置１の使用中に切断されるべき部品７内に形成された溝の幅に近似的に対応する。好ましくは、ホットスポット８は、１．５ｍｍより大きい直径を有し、より具体的には、２ｍｍの近傍の直径を有する。実際に、これは、１００ｍｍまでの厚さ、さらにはこの値を超えた厚さを有する部材のための切断品質を確実するように要求された値に対応する。

このヘッド部２はまた、レーザー光線６が出力孔１４を貫通することを可能にする第１のノズル先端部１２を備え、この出力孔１４は、ホットスポット８の直径より僅かに大きい直径を有する。

ヘッド部２は光ファイバー１８から出力するレーザー光線６を受容し、このレーザー光線６はヘッド部２の内側に配置された光学手段４，５を貫通する。それらの光学手段４，５から出るレーザー光線６は、約１０°以下の集束角度∝を備える。好ましくは、集束角度∝は、5°と９°との間である。そのような集束角度と共に、切断されるべき部品とヘッド部２との間の間隙“ｅ”に関係した制約条件は、実質的に減少される。その結果、装置は、約０．５ｍｍと約２０ｍｍとの間の間隙のために、又は、より大きい寸法は以下に記載された装置の第２のヘッド部の実行を伴って、５０ｍｍを超えることができ、より大きい寸法の間隙のために非常に有効な切断品質を得る。

さらに、発生されたレーザー光線の品質が、切断装置の性能と同様に切断装置の寸法決めに影響を及ぼすことに留意されたい。それによって、特に２つの興味深い組み合わせは、被写界深度（depth of field）及び得られた出力密度に関して発見される。第１に、これは、ＹＡＧタイプのバーを供給する閃光電球（flash bulb）のレーザー供給源と６００μｍの近傍における光ファイバーの直径との間の組み合わせを含む。他の組み合わせは、ＹＡＧタイプのレーザー供給源のレーザーダイオード供給ディスク及び２００μｍの近傍における光ファイバーの直径に関係している。両方の場合において、１．３ｋＷ／ｍｍ^２以上の出力密度は、有利には、１００ｍｍ／ｍｉｎの近傍から１５０ｍｍ／ｍｉｎの近傍までの溶接速度で、５０ｍｍを超える被写界深度を超えて得られる。

この好ましい実施形態において、装置１は、第１のヘッド部から分離された第２のヘッド部２０を備え、それ故に、この第２のヘッド部２０は移動され、独立して第１のヘッド部２の保全作業を受けることができる。すなわち、２つのヘッド部２，２０が、移動されなければならない他のヘッド部を伴わず、それぞれ取り外され得ることが、好ましくは提供される。

第２のヘッド部２０はまた、ガス放射装置と称され、第１のヘッド部２から出力するレーザー光線によって生成されたハンダ浴の方向において作用ガスの放射を可能にする。

それ故に、作用ガス２２の噴射は、装置１の作用ガス噴射手段に属しているガス供給源（図示されず）に接続された導管２６によってこの同一のヘッド部に向けた状態になった後に、ノズル先端部２４を介して第２のヘッド部２０から出力する。好ましくは、噴射は、１０バール以下の圧力で行われ、さらに好ましくは１バールと６バールとの間の圧力で行われる。この種類の圧力を使用する理由は、溝内に配置された融解金属粒子が冷却されるのを避け、且つ溝からの金属粒子の排除より前に遮断されることを避けるためである。それ故に、依然として、ガスが融解金属粒子に噴射するその役割を演じることを可能にする弱い圧力を適用することが必要とされる。

使用されるのに適切な作用ガスは、当業者に周知であり、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス、又は、酸素及び／又は二酸化炭素を組み合わせるアクティブと称されるガスである。

以下により詳細に記述されるように、２つのヘッド部２及び２０は、切断装置１から分離されることができることに留意されたい。この分離は、先行技術として周知であるような、遠隔駆動手段を使用して行うことができる。

さらに、本発明の特性は、渦管型の冷却装置２１の存在に存する。この装置２１は、レーザーヘッド部２に結合され、以下に詳細に記述される。今、図２を参照して、切断装置をより完全に示しており、この装置の一部が議論されている建設現場で実行されることができ、この現場は、原子力施設の解体のフレーム構造における放射線照射場所（irradiation location）２８の形態であることを理解することができる。

この部分は、それ故に、非放射線照射場所（non-irradiating location）３２から遠隔駆動され得るキャリアー３０に全体的に統合され、その装置における光ファイバー３２に接続されたレーザー供給源３４、及び導管２６に接続された作用ガス供給源３６はまた、好ましくは配置される。当然のことながら、装置１はまた、２つのヘッド部２，２０を備え、この２つのヘッド部２，２０はマニピュレーターアーム３８，４０を介してキャリアー３０に接続され、それらのアームもまた非放射線照射場所３２から遠隔駆動可能である。それらの２つのアームは、切断されるべき部品７に対してヘッド部２，２０のそれぞれの位置を調整することができるだけではなく、ヘッド部２，２０の相対的な位置を調整することもできる。

図２で可視されるように、第１のヘッド部２及び第２のヘッド部２０は、レーザー光線がレーザー光線軸４２に沿って第１のヘッド部２から出るように配置され、このレーザー光線軸４２はガス噴射軸４４に対して所定の角度であり、このガス噴射軸４４に沿って、作用ガスが第２のヘッド部２０内に噴射されることを理解することができる。より具体的に、典型的に、レーザー光線軸４２が互いに直交するように切断されるべき部品を横切ることが確実にしようとする。それ故に、ガス噴射軸４４は、部品７に対して直交する方向に対して所定の角度であるが、好ましくは、そのような溝が生み出される場合に、レーザー光線軸４２とレーザー光線によって生成された直線的な溝とを組み合わせる平面Ｐ内に配置される。さらに、図２に示されるように、切断方向４６に平行であり、且つ２つの軸４２，４４を通過するこの平面Ｐにおいて、それら２つの軸が２０°と３０°との間の所定の角度βで互いに対して傾斜される。この値は、溝の外側の金属粒子の最適な排出を可能にし、好ましくは、切断方向４６における第１のヘッド部２に対して後ろに第２のヘッド部２０を配置することによって得られ、且つ傾斜された軸４４が前方に向けて延在するように作動する一方、切断されるべき部品により近接することによって得られる。

しかしながら、この軸４４が所定の角度であるけれども、作用ガスジェットがレーザー光線により近接することを示唆し、切断されるべき部品７上における作用ガスの衝突点Ｐ１は、図２において明らかに可視されるように、この同一の部品７上のレーザー光線の衝突点Ｐ２を越えて配置されることを理解することができる。しかしながら、最適な切断性能を得るために、衝突点Ｐ１と衝突点Ｐ２との間の調整を伴う同一性を提供することに留意されたい。

今、図３を参照して、より詳細にレーザーヘッド部２の冷却装置２１を理解することができる。

全体的に、これは、例えばＥＸＡＩＲ社のモデル３２２５などのそれ自体が周知である渦管５０を備えている。この管５０は、１５０ｍｍの近傍である長さを有し、圧縮空気吸入口５２、冷却ガス排出口５４、及び高温ガス排出口５６を伝統的に備えている。

圧縮空気吸入口５２は、圧縮ガス供給源５８に導管６０を介して接続され、作用ガスと共にヘッド部２０の供給を確実にするように設計された作用ガス供給源３６と同一であることができる。それにもかかわらず、圧縮空気が渦管５０を供給するように好適であり、所望された圧力は１０バール以下であり、より具体的に４バールと６バールとの間であることに留意されたい。所望された圧力を得られるように、フィルターを備えた圧力調整器６２は、渦管５０と圧縮ガス供給源５８との間に配置される。

さらに、このレーザーヘッド部２の上部に冷却ガスをもたらす導管６４のおかげで、冷却ガス排出口５４がレーザーヘッド部２に連通することを理解することができる。レーザーヘッド部２に組み込まれると、冷却ガスは、この目的のために設けられた排出通気孔６８を介して流出する前に、ヘッド部の冷却を確実にするように決定された経路を通る。

同様に、このレーザーヘッド部２の下部に高温ガスをもたらす導管６６のおかげで、高温ガス排出口５６がヘッド部２に連通することを理解することができる。ヘッド部２内に組み込まれると、高温ガスは、図３の矢印６７によって示されるように、レーザー光線６と同軸に、ノズル先端部１２から噴射されるように決定された経路を通る。この好ましい実施形態において、レーザー光線軸４２は、結果的に高温ガス噴射軸に同一である。

結果として、この高温ガス噴射は、ヘッド部２０から出力する作用ガス噴射と共に、切断操作中に溝の外側に融解された金属粒子を放出することに積極的に関係する。

しかしながら、切断装置１は、金属粒子の排除を確実にするように使用されるガスが、ノズル先端部１２から出る高温ガスから単独でなるように構成され、その場合において、第２のヘッド部２０の存在はもはや必要ではないことを示す。代替方法として、この第２のヘッド部は、依然として保たれており、作用ガス源３６から生じるガスではなく、渦管５０の排出口５６から生じる高温ガスによって供給される。

より具体的に、溝の外側に融解金属粒子の排除を確実にするための高温ガスのみを使用することが決定された場合に、この高温ガスが、切断性能を十分に最適化するように、ヘッド部２０から生じる作用ガスのために上述された方法と同一に又は類似に噴射されることは、好ましくは実施される。

次いで、渦管５０は、約８０％の冷却ガスと約２０％の高温ガスとを生成するように設計され、且つ調節され、圧縮ガスの吸込温度より約８０℃から約１００℃高い温度の高温ガスを生成するように設計され、圧縮ガスの吸込温度より約２０℃から約３０℃低い温度の冷却ガスを生成するように設計される。

参考のための例として、圧縮ガスは、０℃の温度で約３３０ｌ／ｍｉｎの冷却ガス流及び１１５℃の温度で約８３ｌ／ｍｉｎの高温ガス流を得るように、２５℃の近傍における温度のもとで約４バールの圧力で噴射される。

冷却装置２１から出る高温ガスの温度を高めることを可能にするために、図４に示されるように、カスケード（cascade）状に取り付けられた複数の渦管５０を使用することが可能である。これを行うために、第１の渦管５０は、その高温空気排出口５６が、第２の渦管の圧縮ガス吸入口５６に連通されるように接続されるという事実を除いて、図３に示された構成に同一に配置される。この種類の接続は、必要とされるだけの多くの渦管と共に繰り返され、一の渦管の高温ガス排出口が、一の渦管に対して直接的に連続して渦管の吸入口に供給することを常に提供する。

それ故に、渦管５０の高温ガス排出口５６は、カスケードにおける最も遠くの上流に配置され、図３における冷却装置２１と共に見られる方法と同一の方法で導管６６を介してレーザーヘッド部２に接続されることができ、例えば、管５０の冷却ガス排出口５４はレーザーヘッド部の上部に向けて配置される導管６４にそれぞれ接続されることができる。

ちょうど一の渦管が所望された高温ガスの温度及び所望された冷却ガスの温度を達成するのに十分である場合に、それらのガス噴射の流れは増加されなければならない。次いで、図５に示されるように、並行に取り付けられた数個の渦管５０を使用することが可能になる。

この場合において、吸入口５２のそれぞれは、導管６０を介して圧縮ガスを供給され、冷却ガス排出口５４はヘッド部２の方向で導管６４に全て接続される一方、高温空気流入口５６はレーザーヘッド部２の方向で同様に導管６６上に接続される。

このため、３つの渦管を組み合わせている上記の状態の下で、０℃の温度での約３３０ｌ／ｍｍの約３倍の冷却ガス流、及び１１５℃の温度での８３ｌ／ｍｍの約３倍の高温ガス流を得る。

当然ながら、数個の渦管５０が装置２１のために使用された場合において、それらの渦管５０は、本発明の技術的範囲の外側に逸脱することなく、並行な構成及びカスケード状の構成のハイブリッドな配置によって配置される。

図６に示された装置１は、切断するために設計された装置というよりは部品７をレーザー溶接するために設計された装置であるという違いと共に、前述の図面に示された装置に類似の装置である。

全体的に、レーザーヘッド部２は、既に記載された装置と同一であるが、第２のヘッド部２０は好ましくは消去される。冷却装置２１は、任意の上記の形態において推測することができ、回復された高温ガスが部品７の予熱及び／又は周囲空気に対して凝固されたハンダ浴の保護に役立つことができる。

後者の場合において、好ましくは、不活性ガス又は酸素及び／又は二酸化炭素を備えるガスであって、この種のガスは、“アクティブ”と称され溶接されるべき材料の特性により選択され、溶接後のその固体の冷却フェーズ中にできるだけ同じように、周囲空気からの溶接されるべき材料を保護することができるように使用される。

図示された例のように、これは、アルゴンベース又はヘリウムベースの二成分ガス又は複合ガスを含むことができる。溶接されるべき材料が高合金鋼（strongly alloyed steel）である場合において、ガスは９６．５％のアルゴン、１．５％の酸素、及び２％の二酸化炭素、又は９６％のアルゴン、１％の水素、及び３％の二酸化炭素を備えることができる一方、溶接されるべき部材が低合金鋼（weakly alloyed steel）である場合、ガスは７０％のアルゴン、１０％の酸素、及び２０％の二酸化炭素を備えることができる。

凝固されたハンダ浴を保護する役割、すなわち、既に凝固され、且つ冷却フェーズにある部分ではなく、冷却フェーズにおける液状のハンダ浴から明らかに生じる溶接の部分は、特に、この冷却フェーズ中の材料の亀裂問題を避けること、及び溶接された金属の窒化及び酸化を避けることから構成することが明記される。

これを行うために、第１の高温ガス排出口５６は、溶接方向７０におけるヘッド部２の後ろに配置され、好ましくは、液状のハンダ浴７４と冷却中の凝固されたハンダ浴７６との間の境界７２の後ろに配置される。当然のことながら、第１の排出口５６は、例えば、上述した境界７２を面して異なって配置されることができる。例えば、レーザー光線軸４２と第１の排出口５６の軸７８との間の距離は、０ｍｍと４０ｍｍとの間であることができる。

さらに、溶接されるべき部品７の予熱を確実にするために第２の高温空気排出口５６を設けることができる。この場合において、この排出口は、溶接方向７０においてレーザーヘッド部２に対して前方に配置されており、レーザー光線軸４２と第２の排出口５６の軸８０との間の距離は、０ｍｍと１００ｍｍとの間であることができる。

図示された好ましい実施形態において、３つの軸５６，４２，７８は同一平面上に配置され、溶接にも組み込まれ、好ましくは互いに平行である。

当然ながら、溶接のために遭遇した必要性に依存して２つの排出口５６のうち１つの排出口のみを実施することができる。上記の機能の両方が所望されたこの場合において、２つの排出口４６は関係された渦管上にどちらにも直接的に設けられ、又は渦管の単一の排出口上に設けられた分岐部（図示されず）から生じることに留意されたい。任意の場合において、適合された手段及び従来の手段は、それらの２つの吸入口５６に向けて高温空気流の配分を調整することを可能にさせて使用される。図５の配置が冷却装置２１のために適合される場合に、それ故に、２４０ｌ／ｍｉｎから２５０ｌ／ｍｉｎの近傍の合計の高温空気流は放出され、配分は、予熱のために少なくとも２３０ｌ／ｍｉｎの高温空気流、及び凝固されたハンダ浴の保護のための２０ｌ／ｍｉｎ以下の高温空気流を得るように実行される。

本発明はまた、上記に説明された状態のもとで、装置１によって実施可能なレーザー切断／溶接の方法に関係する。

本発明は、複数の用途を有し、特に原子力の分野に対する用途を含み、より具体的には、原子力施設を解体する用途を含む。次いで、例として、破損セル（breakage cell）内の放射線に照射する要素及び／又は汚染された要素を切断し、その内部装置の全ての切断フェーズと共にセルを解体し、又は、停止された原子炉又は損傷された原子炉上の極めて特定の介在部を取り除くことに言及する。

さらに、この発明もまた、薄いシート状の金属が幅広く使用される自動車産業又は軍事産業において使用されることができる。本発明は、従って、この分野で従来使用されたブロートーチ技術及びプラズマトーチ技術に置換することを可能にする。

当然として、様々な改善は、図示して当業者によってされ、制限するわけではないが単に記載されるレーザー切断／溶接方法でなされる。

本発明の好ましい実施形態による切断装置の部分正面図である。 図１に示された切断装置の簡略図である。 レーザーヘッド部の冷却装置が詳細に示されている図２に示された切断装置の部分正面図である。 図３に示された切断装置の冷却装置のための代替実施形態を図解している図である。 図３に示された切断装置の冷却装置のための他の代替実施形態を図解している図である。 本発明の好ましい実施形態による溶接装置の図式的な部分前面図である。

符号の説明

１ 装置
２ 第１のヘッド部
４ コリメーターレンズ
５ 集束レンズ
６ レーザー光線
８ ホットスポット
１２ 第１のノズル先端部
１４ 出力孔
１６ 接続部
１７ インターフェース
１８ 光ファイバー
２０ 第２のヘッド部
２１ 冷却装置
２２ 作用ガス
２４ ノズル先端部
２６ 導管
２８ 放射線照射場所
３０ キャリアー
３２ 非放射線照射場所
３４ レーザー供給源
３６ 作用ガス供給源
３８ マニピュレーターアーム
４０ マニピュレーターアーム
４２ レーザー光線軸
４４ ガス噴射軸
４６ 切断方向
５０ 渦管
５２ 圧縮空気吸入口
５４ 冷却ガス排出口
５６ 高温ガス排出口
５８ 圧縮ガス供給源
６０ 導管
６２ 圧力調整器
６４ 導管
６６ 導管
６７ 矢印
６８ 排出通気孔
７０ 溶接方向
７２ 境界
７４ 液状のハンダ浴
７６ 凝固されたハンダ浴
７８ 第１の排出口の軸
８０ 第２の排出口の軸

Claims (19)

1. ハンダ浴（７４）を発生させるように設計されたレーザー光線（６）を放出可能にするレーザーヘッド部（２）を備えているレーザー切断／溶接装置（１）であって、
   前記装置はまた前記レーザーヘッド部の冷却装置（２１）を備えているレーザー切断／溶接装置（１）において、
   前記冷却装置（２１）は、圧縮ガスを供給された少なくとも１つの渦管（５０）を備え、
   前記渦管（５０）は、冷却ガスがレーザーヘッド部の冷却のためにこのレーザーヘッド部の内部に浸透するように、前記レーザーヘッド部（２）と連通する少なくとも１つの冷却ガス排出口（５４）を有するとともに、少なくとも１つの高温ガス排出口（５６）を有していることを特徴とするレーザー切断／溶接装置（１）。
2. 前記冷却装置（２１）が、圧縮ガスを供給された複数の渦管（５０）を備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
3. 前記圧縮ガスを供給された前記渦管（５０）が、並行して取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
4. 前記圧縮ガスを供給された前記渦管（５０）が、カスケード状に取り付けられており、一の渦管（５０）の高温ガス排出口（５６）が、一の渦管（５０）に対して直接的に連続して渦管（５０）の吸入口（５２）を供給することを特徴とする請求項２に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
5. 前記渦管（５０）は、約８０％の冷却ガス及び約２０％の高温ガスを生成するように設計されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
6. 前記渦管（５０）は、圧縮ガスの吸込温度より約８０℃から約１００℃高い温度で高温ガスを生成し、かつ圧縮ガスの吸込温度より約２０℃から約３０℃低い温度で冷却ガスを生成するように設計されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
7. レーザー切断／溶接装置（１）は、レーザー切断装置を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
8. 前記渦管（５０）の前記高温ガス排出口（５６）から出る前記高温ガスは、前記レーザー光線（６）によって生成された前記ハンダ浴（７４）の外側に融解金属粒子の排除を確実にするように設計されていることを特徴とする請求項７に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
9. 前記渦管（５０）の前記高温ガス排出口（５６）が前記レーザーヘッド部（２）に接続され、前記高温ガスがこの同一のヘッド部に属するノズル先端部（１２）によって前記高温ガス排出口から噴射されていることを特徴とする請求項８に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
10. 前記ノズル先端部（１２）はまた、前記レーザー光線（６）によって貫通されていることを特徴とする請求項９に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
11. 前記圧縮ガスは、圧縮空気であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
12. 前記レーザー切断／溶接装置（１）が、レーザー溶接装置を含んでいることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
13. 前記渦管（５０）の前記高温ガス排出口（５６）から出る前記高温ガスが、前記溶接されるべき部材（７）の予熱を確実にするように設計されることを特徴とする請求項１２に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
14. 前記渦管（５０）の前記高温ガス排出口（５６）が、溶接方向（７０）において前記レーザーヘッド部（２）に対して前方に配置されることを特徴とする請求項１２に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
15. 前記渦管（５０）の前記高温ガス排出口（５６）から出る前記高温ガスが、周囲空気に対して凝固されたハンダ浴（７８）の保護を確実にするように設計されることを特徴とする請求項１２に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
16. 前記渦管（５０）の前記高温ガス排出口（５６）が、溶接方向（７０）において前記レーザーヘッド部（２）に対して後方に配置されることを特徴とする請求項１５に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
17. 前記渦管（５０）の前記高温ガス排出口（５６）から出る前記高温ガスが、前記溶接されるべき部分（７）の予熱を確実にするように設計され、かつ周囲空気に対して凝固されたハンダ浴（７６）の保護を確実にするように設計されることを特徴とする請求項１２に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
18. 前記圧縮ガスは、不活性ガス又は酸素及び／又は二酸化炭素を備えているガスであることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか一項に記載のレーザー切断／溶接装置（１）。
19. 請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置を使用して実行されることを特徴とするレーザー切断／溶接方法。

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