JP2014091133A - レーザ溶断装置および加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザを用いて種々の条件の被加工部材を溶断することができること。
【解決手段】被加工部材にレーザを照射し、被加工部材を加工するレーザ溶断装置であって、ＴＥＭ００モード及びＴＥＭ１０モードを少なくとも含むマルチモードのレーザを出力するレーザ出力装置と、レーザ出力装置から出力されたレーザを案内する案内光学系と、光学系から出力されたレーザを案内し、被加工部材に照射する照射ヘッドと、レーザ出力装置の動作を制御する制御装置と、を有する。制御装置は、レーザ出力装置から出力されるレーザがＴＥＭ１０モードであるとした場合、被加工部材に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる出力で、レーザ出力装置からレーザを出力させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工対象の部材にレーザを照射して加工対象の部材を溶断するレーザ溶断装置および加工方法に関する。

レーザを照射することで加工対象を切断、溶断する装置がある。例えば、本出願人が出願した特許文献１には、レーザビームと同軸的に配置され、レーザビームの照射と同時にアシストガスの噴射を行う主ノズルと、この主ノズルの周囲に該主ノズルに対して傾けて配置された高圧ガスの噴射を行う複数個の補助ノズルを用い、主ノズルからのレーザビームを被加工物に対し前進角をつけて入射させると同時に、補助ノズルから噴射される高圧ガスを被加工物にほぼ垂直に噴射することを特徴とするレーザ切断方法が記載されている。

このようなレーザを照射することで加工装置を切断、溶断する装置を、他の建物の取り壊し等の場合に加工対象を分割する装置として用いることが提案されている。例えば、特許文献２には、水中でレーザ光を応用した切断機を用いて溶接された炉内構造物を切断することが記載されている。また、解体等のために原子炉に関連する設備を溶断する装置としては、特許文献３にプラズマ発生装置を用いることが記載されている。

特許第２８４６２９７号公報 特開平８−２６２１９０号公報 特許第２９８７０７０号公報

ここで、建物の解体等で加工対象を分割する場合、加工位置や周囲の状況によって被加工部材とレーザの照射位置との相対関係が種々の関係となる。しかしながら、レーザ光で加工を行う場合、基本的にレーザの照射位置を被加工部材に近づけた状態で加工を行う。そのため、切断、溶断が困難な場合もある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザを用いて種々の条件の被加工部材を溶断することができるレーザ溶断装置および加工方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工部材にレーザを照射し、被加工部材を加工するレーザ溶断装置であって、ＴＥＭ００モード及びＴＥＭ１０モードを少なくとも含むマルチモードのレーザを出力するレーザ出力装置と、前記レーザ出力装置から出力されたレーザを案内する案内光学系と、前記光学系から出力されたレーザを案内し、前記被加工部材に照射する照射ヘッドと、前記レーザ出力装置の動作を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記レーザ出力装置から出力されるレーザがＴＥＭ１０モードであるとした場合、前記被加工部材に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる出力で、前記レーザ出力装置からレーザを出力させることを特徴とする。

前記レーザ出力装置は、前記照射ヘッドと被加工部材との距離が０．５ｍ以上４０ｍ以下で、ＴＥＭ１０モードであるとした場合、前記被加工部材に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる範囲でレーザの出力を調整可能であることが好ましい。

また、前記レーザ出力装置は、１ｋＷ以上５０ｋＷ以下のビームワット数のレーザを出力することが好ましい。

また、前記照射ヘッドから出力された前記レーザが到達する前記被加工部材をアシストガス雰囲気とするアシストガス供給装置をさらに有することが好ましい。

また、前記照射ヘッドのレーザ照射位置から前記被加工部材のレーザが照射される位置までの距離を計測する距離計測部をさらに有し、前記制御装置は、前記距離計測部の計測結果に基づいて、前記レーザ出力装置から出力する前記レーザの出力を調整することが好ましい。

また、前記照射ヘッドの位置を移動させる移動機構をさらに有し、前記制御装置は、前記距離計測部で計測した結果に基づいて、前記移動機構で前記照射ヘッドの位置を移動させ、前記照射ヘッドのレーザ照射位置から前記被加工部材のレーザが照射される位置までの距離を調整することが好ましい。

また、前記照射ヘッドは、前記案内光学系から出力された前記レーザを集光する集光光学系を有し、前記集光光学系で集光した前記レーザを前記被加工部材に向けて出力させることが好ましい。

また、前記照射ヘッドは、前記案内光学系から出力された前記レーザをコリメートするコリメート光学系を有し、前記コリメート光学系でコリメートした前記レーザを前記被加工部材に向けて出力させることが好ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工部材にレーザを照射し、被加工部材を溶断する加工方法であって、前記レーザ照射位置から前記被加工部材のレーザが照射される位置までの距離を特定するステップと、ＴＥＭ００モード及びＴＥＭ１０モードを少なくとも含むマルチモードのレーザを出力する出力ステップと、を有し、前記出力ステップは、出力されるレーザがＴＥＭ１０モードであるとした場合、前記被加工部材に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる出力で、マルチモードのレーザを出力させることを特徴とする。

本発明は、レーザがＴＥＭ１０モードであるとした場合、前記被加工部材に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる出力でマルチモードのレーザを出力し、被加工部材を溶断することで、レーザを用いて種々の条件の被加工部材を溶断することができるという効果を奏する。

図１は、レーザ溶断装置の実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２Ａは、レーザ出力装置が出力するレーザを説明するための説明図である。 図２Ｂは、レーザ出力装置が出力するレーザを説明するための説明図である。 図２Ｃは、レーザ出力装置が出力するレーザを説明するための説明図である。 図３は、図１に示す照射ヘッドの概略構成を示す模式図である。 図４は、照射ヘッドの他の例の概略構成を示す模式図である。 図５は、レーザ溶断装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。 図６は、レーザ溶断装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。

以下に、本発明にかかるレーザ溶断装置および加工方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、本実施形態では、板状の被加工部材を加工する場合として説明するが、被加工部材の形状は特に限定されない。被加工部材の形状は、種々の形状とすることができる。また、本実施形態では、レーザを移動させることで、レーザと被加工部材とを相対的に移動させるが、被加工部材を移動させるようにしてもよく、レーザと被加工部材の両方を移動させてもよい。

図１は、レーザ溶断装置の実施形態の概略構成を示す模式図である。図２Ａから図２Ｃは、それぞれレーザ出力装置が出力するレーザを説明するための説明図である。図３は、図１に示す照射ヘッドの概略構成を示す模式図である。

レーザ溶断装置１０は、図１に示すように、第１移動機構（本体移動機構）１１と、レーザ出力装置１２と、案内光学系１４と、照射ヘッド１６と、第２移動機構（ヘッド移動機構）１８と、制御装置２２と、距離計測部２４と、アシストガス供給装置２６と、を有する。レーザ溶断装置１０は、被加工部材８にレーザを照射することで、被加工部材８を加工する。ここで、本件において、レーザ溶断装置１０は、被加工部材８の表面をＹＺ平面とし、被加工部材８の表面に直交する方向をＸ方向とする。

ここで、本実施形態の被加工部材８は、板状の部材である。被加工部材８としては、種々の材料、例えば、コンクリート、インコネル、ハステロイ、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、ガラス等で作成された部材を用いることができる。また、被加工部材８には、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック、Carbon Fiber Reinforced Plastics）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＧＭＴ（ガラス長繊維強化プラスチック）等の繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミ合金等の各種金属、その他複合材料等で作成された部材も用いることができる。

第１移動機構１１は、レーザ溶断装置１０のアシストガス供給装置２６以外の各部を直接または間接的に支持する。具体的には、第１移動機構１１は、レーザ出力装置１２と、第２移動機構（ヘッド移動機構）１８と、制御装置２２と、を支持する。また、第１移動機構１１は、第２移動機構１８を支持することで、第２移動機構１８が支持する案内光学系１４と、照射ヘッド１６と、を間接的に支持する。第１移動機構１１は、車輪１１ａが設置されており、車輪１１ａを駆動させることで、被加工部材８に対して移動することができる。

レーザ出力装置１２は、マルチモードのレーザを出力する装置である。レーザ出力装置１２には、光ファイバを媒質に用いてレーザを出力するファイバレーザ出力装置や、短パルスのレーザを出力する短パルスレーザ出力装置を用いることができる。ファイバレーザ出力装置としては、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置やリング型ファイバレーザ出力装置が例示される。また、ファイバレーザ出力装置は、連続波発振（Continuous Wave Operation）とパルス発振（Pulsed Operation）のいずれの方式を用いるレーザ出力装置でもよい。ファイバレーザ出力装置のファイバには、例えば希土類元素（Ｅｒ、Ｎｄ、Ｙｂ）を添加したシリカガラスを使用することができる。また、短パルスとは、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスである。短パルスレーザ出力装置のレーザの発生源としては、例えばチタンサファイアレーザーを用いることができる。

レーザ出力装置１２は、マルチモードのレーザを出力する。つまり、レーザ出力装置１２は、図２Ａに示す強度分布１０２のＴＥＭ００モード、図２Ｂに示す強度分布１０４のＴＥＭ０１モード及び図２Ｃに示す強度分布１０６のＴＥＭ１０モードが混在するレーザを出力する。ここで、レーザ出力装置１２は、少なくともＴＥＭ００モードとＴＥＭ１０モードを含んだレーザを出力すればよい。また、レーザ出力装置１２は、ＴＥＭ１１モードや、ＴＥＭ０２モード、ＴＥＭ２２モード等を含んだレーザであってもよい。レーザ出力装置１２は、ビームワット数が１ｋＷから５０ｋＷのレーザを出力することが好ましい。

案内光学系１４は、レーザ出力装置１２から出力されたレーザを照射ヘッド１６に案内する光学系である。本実施形態の案内光学系１４は、光ファイバである。案内光学系１４は、一方の端部がレーザ出力装置１２のレーザの出射口と接続され、他方の端部が照射ヘッド１６に接続されている。案内光学系１４は、レーザ出力装置１２から出力されたレーザＬを照射ヘッド１６の入射端に向かって出力する。なお、案内光学系１４の構成はこれに限定されない。レーザ溶断装置１０は、案内光学系１４としてミラーやレンズの組み合わせを用い、レーザを反射、集光等することで、照射ヘッド１６に案内してもよい。

照射ヘッド１６は、案内光学系１４から出力されるレーザＬを被加工部材８に照射する。本実施形態の照射ヘッド１６は、図３に示すように、案内光学系１４から出力されるレーザを集光光学系７０で集光して、被加工部材８に向けて照射する。集光光学系７０は、第１レンズ７２と第２レンズ７４と出射窓７６とを有する。集光光学系７０は、第１レンズ７２と第２レンズ７４とでレーザを集光し、集光したレーザを出射窓７６から外部に出力する。なお、集光光学系７０は、レーザを集光して出力することができればよく、そのレンズ構成は特に限定されない。集光光学系７０のレンズ構成としては、例えば、案内光学系１４側から凸レンズ、凹レンズ、凸レンズ、凸レンズの順で配置されたレンズユニットや、凹レンズ、凸レンズ、凸レンズの順で配置されたレンズユニットを用いることができる。また、集光光学系７０は、レンズの径（直径）を５０ｍｍ以上１００ｍｍとすることが好ましい。集光光学系７０は、レンズの径を上記径とすることで、安価なレンズを用いることができる。なお、この点は他の光学系も同様である。

第２移動機構１８は、アーム３０とアーム３０を移動させる駆動源３２とを有する。アーム３０は、先端で照射ヘッド１６を支持している。駆動源３２は、アーム３０をＸＹＺの３軸方向に加え、θ方向に移動させることができる。第２移動機構１８は、駆動源３２でアーム３０をＸＹＺ方向やθ方向に移動させることで、被加工部材８の種々の位置にレーザＬを照射することができる。なお、本実施形態は、移動機構として、アーム３０と駆動源３２で照射ヘッド１６を移動させる機構としたが、ＸＹステージ、ＸＹＺステージ等で照射ヘッド１６を移動する機構も用いることができる。

制御装置２２は、各部の動作を制御する。制御装置２２は、レーザ出力装置１２から出力するレーザの各種条件を調整したり、第１移動機構１１及び第２移動機構１８で照射ヘッド１６を移動させ、被加工部材８に対する照射ヘッド１６の位置を調整したりする。

距離計測部２４は、照射ヘッド１６に固定されており、照射ヘッド１６のレーザ出力位置から被加工部材８（被加工部材８のレーザが照射される位置）までの距離を計測する。なお、距離計測部２４は、基本的に自機の計測機構が配置されている部分と被加工部材８との距離を検出し、検出した距離を演算することで照射ヘッド１６のレーザ出力位置から被加工部材８までの距離を算出する。距離計測部２４は、種々の計測器を用いることができ、例えば、被加工部材８に向けてレーザを照射し、当該被加工部材８で反射された光を検出することで距離を計測するレーザ測長器を用いることができる。

アシストガス供給装置２６は、被加工部材８のレーザＬが照射される領域にアシストガスを供給し、被加工部材の加工位置（溶断される位置）をアシストガス雰囲気にする。アシストガス供給装置２６は、ガス供給装置移動機構５０と、アシストガス供給源５２と、供給ヘッド５４と、ガス案内部５６と、供給ヘッド移動機構５８と、制御装置６４と、を有する。アシストガスとしては、酸素または窒素が例示される。

ガス供給装置移動機構５０は、アシストガス供給装置２６以外の各部を直接または間接的に支持する。具体的には、ガス供給装置移動機構５０は、アシストガス供給源５２と、供給ヘッド移動機構５８と、制御装置６４と、を支持する。また、ガス供給装置移動機構５０は、供給ヘッド移動機構５８を支持することで、供給ヘッド移動機構５８が支持するガス案内部５６と、供給ヘッド５４と、を間接的に支持する。ガス供給装置移動機構５０は、車輪が設置されており、車輪を駆動させることで、被加工部材８に対して移動することができる。

アシストガス供給源５２は、ガス供給装置移動機構５０に内蔵されている。アシストガス供給源５２は、アシストガスを貯留するタンクや、アシストガスが供給される配管を備えており、保持しているアシストガスをガス案内部５６に供給する。

供給ヘッド５４は、ガス案内部５６から出力されるアシストガスＡを被加工部材８に向けて噴射する。ガス案内部５６は、アシストガス供給源５２から出力されたアシストガスを供給ヘッド５４に案内する配管である。本実施形態のガス案内部５６は、フレキシブルな管路である。ガス案内部５６は、一方の端部がアシストガス供給源５２のアシストガスＡの供給口と接続され、他方の端部が供給ヘッド５４に接続されている。ガス案内部５６は、アシストガス供給源５２から出力されたアシストガスＡを供給ヘッド５４の入射端に向かって出力する。

供給ヘッド移動機構５８は、アーム６０とアーム６０を移動させる駆動源６２とを有する。アーム６０は、先端で供給ヘッド５４を支持している。駆動源６２は、アーム６０をＸＹＺの３軸方向に加え、θ方向に移動させることができる。供給ヘッド移動機構５８は、駆動源６２でアーム６０をＸＹＺ方向やθ方向に移動させることで、被加工部材８の種々の位置にアシストガスＡを噴射し供給することができる。供給ヘッド移動機構５８は、第２移動機構１８と同様に他の方式の移動機構を用いることもできる。

制御装置６４は、各部の動作を制御する。制御装置６４は、アシストガス供給源５２から排出するアシストガスＡの流量を調整したり、ガス供給装置移動機構５０及び供給ヘッド移動機構５８で供給ヘッド５４を移動させ、被加工部材８に対する供給ヘッド５４の位置を調整したりする。また、制御装置６４は、制御装置２２と無線通信等で情報を共有し、同期した制御を実行する。ガス供給装置移動機構５０は、加工位置を検出する機能を設け、検出した加工位置の変動に合わせて供給ヘッド５４を移動させるようにしてもよい。この場合、制御装置６４は、制御装置２２と非同期で制御を行う。レーザ溶断装置１０は、以上のような構成である。

レーザ溶断装置１０は、レーザ出力装置１２からマルチモードのレーザＬを出力させる。レーザ溶断装置１０は、出力されたレーザＬを案内光学系１４で照射ヘッド１６に案内する。レーザ溶断装置１０は、照射ヘッド１６を被加工部材８から距離ｄ離れた位置に配置し、当該位置から被加工部材８に向けてマルチモードのレーザＬを照射させる。

レーザ溶断装置１０は、制御装置２２によりレーザ出力装置１２から出力するレーザＬの出力（強度）を調整する。具体的には、レーザ出力装置１２から出力されるレーザＬがＴＥＭ１０モードであるとした場合、被加工部材８に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる出力で、レーザ出力装置１２からレーザＬを出力させる。つまり、レーザ溶断装置１０は、出力されるレーザＬが全てＴＥＭ１０モードであった場合でも被加工部材８に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる出力を算出し、算出した出力のレーザＬをレーザ出力装置１２から出力させる。

レーザ溶断装置１０は、レーザＬがＴＥＭ１０モードであるとした場合、被加工部材８に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる出力でマルチモードのレーザＬを出力し、被加工部材８を溶断することで、レーザを用いて種々の条件の被加工部材８を溶断することができる。例えば、一定距離以上離れた位置からマルチモードのレーザを照射する場合でも、被加工部材８を好適に溶断することが可能となる。

ここで、距離ｄは、０．５ｍ以上２ｍ以下とすることが好ましく、０．５ｍ以上１０ｍ以下とすることがより好ましく、０．５ｍ以上２ｍ以下とすることがさらに好ましい。レーザ溶断装置１０は、レーザＬの出力を上記条件を満たす出力とすることで、距離ｄを０．５ ｍ以上４０ｍ以下としても、被加工材料８を好適に溶断することができる。また、レーザ溶断装置１０は、距離ｄは、０．５ｍ以上５ｍ以下とすることで、被加工部材８から一定距離以上離れた位置から被加工部材８を加工することができる。これにより、照射ヘッド１６の挿入が困難な位置や、被加工部材８が汚染されており、照射ヘッド１６を近づけることができない場合であっても、被加工部材８をレーザＬで溶断することができる。

ここで、レーザ出力装置１２は、照射ヘッド１６と被加工部材８との距離が４０ｍ以下で、ＴＥＭ１０モードであるとした場合、被加工部材８に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる範囲でレーザの出力を調整可能であることが好ましい。これにより、距離ｄを４０ｍ以下とした場合にレーザ出力装置１２から必要な出力のレーザを出力させることができる。

また、レーザ溶断装置１０は、レーザ出力装置１２として、マルチモードのレーザを出力する装置を用いることで、案内光学系１４を長くすることができ、溶断できる範囲をより広くすることができる。また、装置を安価にすることができる。また、レーザ溶断装置１０は、被加工部材８を溶断する。ここで、溶断とは、切断よりも精度が要求されない加工であり、対象の被加工部材８が対象の領域で分割できていればよい。このため、表面の加工精度等の要求が低いため、マルチモードのレーザを用いた加工でも必要な精度以上の加工が可能となる。

レーザ溶断装置１０は、レーザ出力装置１２から出力されるレーザがＴＥＭ１０モードであるとした場合、被加工部材８に照射されるレーザのピークビーム強度を、５００Ｗ／ｍｍ^２以上とすることが好ましい。これにより、上記効果をより好適に得ることができる。

ここで、レーザ溶断装置１０は、一例として、レーザ出力装置１２のＮＡを０．０９とし、レーザの波長を１．０７μｍとする。また、レーザ溶断装置１０は、ビームウエスト半径を０．００３７８４ｍｍとする。

ここで、上記実施形態のレーザ溶断装置１０は、照射ヘッド１６に集光光学系７０を配置し、集光光学系７０で集光したレーザを出力させたが、これに限定されない。照射ヘッドは、レーザをコリメートして出力してもよい。

図４は、照射ヘッドの他の例の概略構成を示す模式図である。図４に示す照射ヘッド１６ａは、コリメート光学系８０を備える。コリメート光学系８０は、光学部材８２、８４、８６と出射窓８８とを有する。コリメート光学系８０は、光学部材８２、８４、８６でレーザをコリメートし、コリメートレーザを出射窓８８から外部に出力する。なお、コリメート光学系８０は、レーザをコリメートして出力することができればよく、光学部材の構成は特に限定されない。コリメート光学系８０の構成としては、例えば、１枚の凸レンズのみが配置されたユニットや、案内光学系１４側から凹レンズ、凸レンズ、凸レンズ、凹レンズの順で配置されたユニットを用いることができる。

レーザ溶断装置１０は、レーザをコリメートして被加工部材に照射しても、集光した場合と同様の条件を満足させることで、種々の条件で被加工部材を溶断させることができる。具体的には、マルチモードのレーザ光を一定より離れた位置から照射しても、被加工部材を溶断することができる。レーザ溶断装置１０は、レーザをコリメートして被加工部材に照射することで、一定の距離の範囲で、コリメートしたレーザが照射させることができるため、距離ｄが変動しても同様の溶断を実現することができる。レーザ溶断装置１０は、レーザをコリメートして被加工部材に照射する場合、距離ｄを５ｍ以内とすることが好ましく、１ｍ以内とすることがより好ましい。これにより、好適に溶断を行うことができる。

本実施形態のレーザ溶断装置１０は、アシストガス供給装置２６でアシストガスを供給することで、より厚い部材をより短時間で溶断することができる。なお、レーザ溶断装置１０は、アシストガス供給装置２６を備えなくてもよい。アシストガス供給装置２６を備えないことで、装置構成を簡単にすることができる。特に、被加工部材が２ｍｍ以下の場合、レーザ溶断装置１０は、アシストガスを用いなくても好適に溶断することができる。

次に、図５及び図６を用いて、レーザ溶断装置の制御動作の一例について説明する。図５及び６は、それぞれレーザ溶断装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。図５及び図６に示す処理は、制御装置２２で各種処理を行い各部の動作を制御することで、実現することができる。

まず、図５に示す処理を説明する。制御装置２２は、装置の仕様を検出する（ステップＳ１２）。ここで、装置の仕様とは、出力できるレーザの出力や、レーザ出力装置１２の性能、照射ヘッド１６の構成や、集光光学系の場合は焦点距離等の情報を取得する。つまり、制御装置２２は、後述する処理に必要な装置の各パラメータの情報を取得する。

制御装置２２は、仕様を検出したら、被加工部材までの距離、つまり距離ｄを特定する（ステップＳ１４）。ここで距離ｄは、距離計測部２４で計測した結果を用いてもよいし、条件として設定されている加工時の距離ｄを用いてもよい。

制御装置２２は、距離ｄを特定したら、レーザの出力条件を設定する（ステップＳ１６）。制御装置２２は、出力条件を設定したら、設定した条件に基づいて、ＴＥＭ００モードで出力した場合における加工位置の強度を算出する（ステップＳ１８）。具体的には、出力するレーザがＴＥＭ００モードであると仮定した場合に被加工部材８の加工位置に照射されるレーザの強度を算出する。ここで、強度としては、分布を算出してもよいし、ピーク強度のみを算出してもよい。次に、制御装置２２は、設定した条件に基づいて、ＴＥＭ１０モードで出力した場合における加工位置の強度を算出する（ステップＳ２０）。具体的には、出力するレーザがＴＥＭ１０モードであると仮定した場合に被加工部材８の加工位置に照射されるレーザの強度を算出する。ここで、強度としては、分布を算出してもよいし、ピーク強度のみを算出してもよい。

制御装置２２は、加工位置の強度を算出したら、ＴＥＭ１０モードのピーク強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上であるかを判定する（ステップＳ２２）。制御装置２２は、ピーク強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上である（ステップＳ２２でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ２４に進み、ピーク強度が５００Ｗ／ｍｍ^２未満である（ステップＳ２２でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ２６に進む。

制御装置２２は、ステップＳ２２でＹｅｓと判定した場合、ＴＥＭ００モードの平均強度が５００００Ｗ／ｍｍ^２以上であるかを判定する（ステップＳ２４）。制御装置２２は、平均強度が５００００Ｗ／ｍｍ^２以上である（ステップＳ２４でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ２８に進み、平均強度が５００００Ｗ／ｍｍ^２未満である（ステップＳ２４でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ２６に進む。

制御装置２２は、ステップＳ２２、Ｓ２４でＮｏと判定した場合、レーザの出力条件を調整し（ステップＳ２６）、ステップＳ１８に戻る。このように制御装置２２は、ステップＳ２２、２４でＹｅｓと判定される条件が検出されるまで、処理を繰り返す。また、調整する出力条件としては、レーザの出力や、レーザの移動速度、距離ｄ等がある。

制御装置２２は、ステップＳ２４でＹｅｓと判定したら、Ｙｅｓと判定した条件を出力条件に決定し（ステップＳ２８）、決定した出力条件に基づいて溶断を実行し（ステップＳ３０）、本処理を終了する。

このように、制御装置２２は、出力条件を決定し、決定した出力条件で溶断（加工）処理を実行することで、好適に被加工部材を溶断することができる。

また、レーザ溶断装置１０は、溶断処理の実行中に距離ｄを検出し、その結果に基づいて、加工条件を調整してもよい。以下、図６を用いて説明する。制御装置２２は、被加工部材までの距離、つまり距離ｄを特定する（ステップＳ４０）。ここで距離ｄは、距離計測部２４で計測した結果を用いる。

制御装置２２は、距離を計測したら、測定距離が設定距離の許容範囲内であるかを判定する（ステップＳ４２）。ここで、設定距離と許容範囲とは、予め設定した値である。設定距離は、出力条件として設定されている距離ｄである。制御装置２２は、測定距離が設定距離の許容範囲内である（ステップＳ４２でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ５０に進む。

制御装置２２は、測定距離が設定距離の許容範囲内ではない（ステップＳ４２でＮｏ）と判定した場合、距離ｄを調整可能であるかを判定する（ステップＳ４４）。制御装置２２は、距離ｄが調整可能な仕様、条件であるか、また距離ｄを変更可能な設定であるか等に基づいて判定を行う。制御装置２２は、距離の調整が可能である（ステップＳ４４でＹｅｓ）と判定した場合、被加工部材までの距離ｄを調整し（ステップＳ４６）、ステップＳ５０に進む。なお、距離ｄを調整した場合、調整した距離ｄを新たな距離ｄとする。制御装置２２は、距離の調整が可能ではない（ステップＳ４４でＮｏ）と判定した場合、出力条件（距離ｄ以外の条件）を調整し（ステップＳ４８）、ステップＳ５０に進む。

制御装置２２は、ステップＳ４２でＹｅｓ、またはステップＳ４６、４８の処理を実行したら、溶断処理を終了するかを判定する（ステップＳ５０）。制御装置２２は、溶断処理を終了しない（ステップＳ５０でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ４０に戻り、上記処理を繰り返す。制御装置２２は、溶断処理を終了する（ステップＳ５０でＹｅｓ）と判定した場合、本処理を終了する。

制御装置２２は、このように加工時に距離ｄに応じて各種パラメータを調整することで、適切な条件で溶断処理を実行することができ、被加工部材をより確実に溶断することができる。

レーザ溶断装置１０は、第１移動機構１１及び第２移動機構１８によってレーザの照射位置を移動させることで、レーザの照射位置を３次元で種々の方向に移動させることができる。したがって、レーザ溶断装置１０は、レーザの移動を制御することで被加工部材を種々の形状で溶断することができる。つまり、レーザ溶断装置１０は、被加工部材上における加工位置、つまりレーザの照射位置を調整することで、レーザが移動する軌跡（つまり溶断される辺の形状）を、穴、直線、屈曲点を有する形状、湾曲した形状とすることもできる。

レーザ溶断装置１０は、第１移動機構１１及び第２移動機構１８によってレーザの照射位置を移動させる際の、被加工部材８とレーザＬとの相対速度、具体的にはレーザの掃引速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ以上５０００ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。また、レーザ溶断装置１０は、被加工部材の溶断する対象の領域に対してレーザを往復させる、つまり複数回通過させることが好ましい。

またレーザ溶断装置１０は、照射ヘッド１６を冷却する冷却機構を備えることが好ましい。ここで冷却機構としては、水冷式、空冷式等種々の方式の冷却機構を用いることができる。これにより、レーザが照射されることで照射ヘッド１６の光学特性が変動することを抑制することができ、より安定した条件で溶断を実行することができる。

レーザ溶断装置１０は、被加工部材を原子力設備の各部、例えば、原子炉の構造物（圧力容器、炉内構造物、伝熱管等）とすることが好ましい。レーザ溶断装置１０は、一定距離以上離れた位置から溶断が可能であるため、放射性廃棄物に対して一定距離以上離れた位置に照射ヘッド１６を配置することができる。また、伝熱管のように多数の配管が配列されている場合も伝熱管の集合体の外側から、伝熱管の集合体の内側に配置された伝熱管を溶断することができる。

本実施形態のレーザ溶断装置１０は、第１移動機構１１及び第２移動機構１８によってレーザの照射位置を移動させることで、遠隔操作で被加工部材の溶断の作業を行うことができる。これにより、オペレータは安全に作業を行うことができる。なお、レーザ溶断装置１０は、第１移動機構１１及び第２移動機構１８を備えていなくてもよい。この場合、オペレータが、手動でレーザの照射位置を移動させ、被加工部材にレーザを照射し、被加工部材を溶断する。

８ 被加工部材
１０ レーザ溶断装置
１１ 第１移動機構（本体移動機構）
１１ａ 車輪
１２ レーザ出力装置
１４ 案内光学系
１６ 照射ヘッド
１８ 第２移動機構（ヘッド移動機構）
２２、６４ 制御装置
２４ 距離計測部
２６ アシストガス供給装置
３０ アーム
３２ 駆動源
５０ ガス供給装置移動機構
５２ アシストガス供給源
５４ 供給ヘッド
５６ ガス案内部
５８ 供給ヘッド移動機構
６０ アーム
６２ 駆動源
７０ 集光光学系
８０ コリメート光学系
ｄ 距離
Ｌ レーザ

Claims (9)

1. 被加工部材にレーザを照射し、被加工部材を加工するレーザ溶断装置であって、
   ＴＥＭ００モード及びＴＥＭ１０モードを少なくとも含むマルチモードのレーザを出力するレーザ出力装置と、
   前記レーザ出力装置から出力されたレーザを案内する案内光学系と、
   前記光学系から出力されたレーザを案内し、前記被加工部材に照射する照射ヘッドと、
   前記レーザ出力装置の動作を制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、前記レーザ出力装置から出力されるレーザがＴＥＭ１０モードであるとした場合、前記被加工部材に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる出力で、前記レーザ出力装置からレーザを出力させることを特徴とするレーザ溶断装置。
2. 前記レーザ出力装置は、前記照射ヘッドと被加工部材との距離が０．５ｍ以上４０ｍ以下で、ＴＥＭ１０モードであるとした場合、前記被加工部材に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる範囲でレーザの出力を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶断装置。
3. 前記レーザ出力装置は、１ｋＷ以上５０ｋＷ以下のビームワット数のレーザを出力することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶断装置。
4. 前記照射ヘッドから出力された前記レーザが到達する前記被加工部材をアシストガス雰囲気とするアシストガス供給装置をさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ溶断装置。
5. 前記照射ヘッドのレーザ照射位置から前記被加工部材のレーザが照射される位置までの距離を計測する距離計測部をさらに有し、
   前記制御装置は、前記距離計測部の計測結果に基づいて、前記レーザ出力装置から出力する前記レーザの出力を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ溶断装置。
6. 前記照射ヘッドの位置を移動させる移動機構をさらに有し、
   前記制御装置は、前記距離計測部で計測した結果に基づいて、前記移動機構で前記照射ヘッドの位置を移動させ、前記照射ヘッドのレーザ照射位置から前記被加工部材のレーザが照射される位置までの距離を調整することを特徴とする請求項５に記載のレーザ溶断装置。
7. 前記照射ヘッドは、前記案内光学系から出力された前記レーザを集光する集光光学系を有し、前記集光光学系で集光した前記レーザを前記被加工部材に向けて出力させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ溶断装置。
8. 前記照射ヘッドは、前記案内光学系から出力された前記レーザをコリメートするコリメート光学系を有し、前記コリメート光学系でコリメートした前記レーザを前記被加工部材に向けて出力させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ溶断装置。
9. 被加工部材にレーザを照射し、被加工部材を溶断する加工方法であって、
   前記レーザ照射位置から前記被加工部材のレーザが照射される位置までの距離を特定するステップと、
   ＴＥＭ００モード及びＴＥＭ１０モードを少なくとも含むマルチモードのレーザを出力する出力ステップと、を有し、
   前記出力ステップは、出力されるレーザがＴＥＭ１０モードであるとした場合、前記被加工部材に照射されるレーザのピークビーム強度が５００Ｗ／ｍｍ^２以上となる出力で、マルチモードのレーザを出力させることを特徴とする加工方法。