JP2014205170A - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、レーザを伝播させたＷＪを用いて中空の被加工体を効率よく切断する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
実施形態のレーザ加工方法は、対象箇所に対してレーザＬを伝播させた液体流を噴出し、液体流を導光材として対象箇所にレーザＬを照射し対象箇所を切断加工するレーザ加工方法であって、レーザＬを伝播させた液体流を第１の対象箇所に対して噴出させ、第１の対象箇所を貫通する第１の切断スリット３２を形成する第１の切断ステップと、レーザＬを伝播させた液体流に第１の切断スリットを通過させてレーザＬを伝播させた液体流を第２の対象箇所に対して噴出させ、第２の対象箇所を貫通する第２の切断スリット３３を形成する第２の切断ステップと、を備え、第２の対象箇所は第１の対象箇所と間隔を空けて配され、第１の切断スリット３２は第２の切断スリット３３よりもスリット幅が大きいものとする。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態はレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。

金属材料、セラミックス、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）などの切断加工プロセスとして、レーザ切断やウォータジェット（ＷＪ）切断が用いられている。レーザ切断は、レーザ発振器から照射されたレーザ光を光学系により集光して被加工体に照射し、照射部を加熱溶融させる。そして、その溶融部を空気や酸素などのアシストガスを用いて吹き飛ばすことで切断する技術である。

一方、ＷＪ切断は、高圧で水を被加工体に噴出し、噴射した部分を吹き飛ばして切断する技術である。水だけの場合と、水に研磨材を混入して行う場合とがあり、後者の場合には噴出された水の運動エネルギに研磨作用が付加されて切断能力が向上する。

さらに、レーザとＷＪを組み合わせた切断技術がある。この切断技術は例えば半導体基板など、比較的薄い被加工体を精密に加工する目的で用いられている。この方法では、ＷＪにレーザ光を伝播させ、レーザ光とＷＪを同時に加工部に当てることにより切断能力が増大すると共に、加工部が切断と同時に水冷されるために非常にきれいな切断面が得られる。

また、加工部が切断と同時に水冷されるために、加熱により被加工体から発生する蒸気が生じにくい。そのため、被加工体が放射化された金属等である場合、放射化された蒸気が発生しにくく飛散しにくい。よって、切断加工の際に環境への影響が少ない。

また、切屑はＷＪに起因する廃水内に含有されるため、廃水を回収することで、放射化された切屑を容易に回収することができる。

椎原克典、外３名、「レーザとウォータジェットを組合せた厚板切断法」、溶接学会全国大会講演概要、２０１２年９月３日、９１号、ｐ．４−５

レーザを伝播させたＷＪを用いて被加工体を切断する場合、切断経路にＷＪに伝播させたレーザを当てる必要がある。そのため、配管やパイプ等の中空の被加工体を切断する場合、レーザを伝播させたＷＪを切断経路に沿って被加工体に照射するために、被加工体を回転させる必要がある。または、レーザ加工装置を切断経路に沿って移動させる必要がある。

しかし、被加工体が建造物や大型の構造物に設けられている配管やパイプ等である場合、被加工体を回転させることは困難である。また、被加工体の周囲に十分な空間が無い場合、被加工体の切断経路に沿ってレーザ加工装置を移動させることは困難であり、被加工体の切断は困難である。

本発明では、レーザを伝播させた液体流を用いて中空の被加工体を効率よく切断する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、実施形態のレーザ加工方法は、対象箇所に対してレーザを伝播させた液体流を噴出し、液体流を導光材として対象箇所にレーザを照射し対象箇所を切断加工するレーザ加工方法であって、レーザを伝播させた液体流を第１の対象箇所に対して噴出させ、第１の対象箇所を貫通する第１の切断スリットを形成する第１の切断ステップと、レーザを伝播させた液体流に第１の切断スリットを通過させてレーザを伝播させた液体流を第２の対象箇所に対して噴出させ、第２の対象箇所を貫通する第２の切断スリットを形成する第２の切断ステップと、を備え、第２の対象箇所は第１の対象箇所と間隔を空けて配され、第１の切断スリットは第２の切断スリットよりもスリット幅が大きいものとする。

また、上記目的を達成するため、実施形態のレーザ加工装置は、対象箇所に対してレーザを伝播させた液体流を噴出し、液体流を導光材として対象箇所にレーザを照射し対象箇所を切断加工するレーザ加工装置であって、第１の対象箇所と第１の対象箇所と間隔を空けて配された第２の対象箇所を切断するために、レーザ加工装置の各部を制御する制御部を有し、制御部はレーザを伝播させた液体流を第１の対象箇所に噴出させて第１の対象箇所を貫通する第１の切断スリットを形成させ、レーザを伝播させた液体流に第１の切断スリットを通過させてレーザを伝播させた液体流を第２の対象箇所に対して噴出させ、第２の対象箇所を貫通し第１の切断スリットよりもスリット幅が狭い第２の切断スリットを形成するよう制御するものとする。

第１の実施形態のレーザ加工装置の概要を示すブロック図。 第１の実施形態における切断中のレーザ加工装置と配管の配管中心軸に平行な縦断面図。 （ａ）状態が安定しているウォータジェットの模式図と、（ｂ）水滴状になったウォータジェットの模式図と、（ｃ）径が広がったウォータジェットの模式図。 第１の切断スリットが形成された配管の斜視図。 第１の実施形態における第１の切断ステップのウォータジェットの噴出経路。 第１の実施形態における切断途中の配管の配管中心軸に平行な縦断面図。 第２の実施形態における第１の切断ステップのウォータジェットの噴出経路。 第４の実施形態における切断中のウォータジェットと配管の配管中心軸に平行な縦断面図。 第５の実施形態における切断中のウォータジェットと配管の配管中心軸に平行な縦断面図。

以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態について図１乃至図６を用いて説明する。図１は、第１の実施形態のレーザ加工装置の概要を示すブロック図である。図２は、第１の実施形態における切断中のレーザ加工装置と配管の配管中心軸に平行な縦断面図である。図３（ａ）は状態が安定しているウォータジェットの模式図であり、図３（ｂ）は水滴状になったウォータジェットの模式図であり、図３（ｃ）は径が広がったウォータジェットの模式図である。図４は第１の切断スリットが形成された配管の斜視図である。図５は第１の実施形態における第１の切断ステップのウォータジェットの噴出経路である。図６は第１の実施形態における切断途中の配管の配管中心軸に平行な縦断面図である。

なお、本実施形態において切断する対象物である被加工体は、原子力発電所等の施設に鉛直方向に設けられた配管２であるものとする。また、本実施形態において液体流は水で形成されているものとする。そして、水で形成された液体流をウォータージェット（ＷＪ）と呼称する。

（構成）
以下、本実施形態の構成について説明する。図１を用いて、本実施形態のレーザ加工装置１０について説明する。

レーザ加工装置１０は、レーザＬを出射するレーザ発振機１１と、レーザＬを施工ヘッド１３に伝送する光学伝送手段１２を有する。施工ヘッド１３は、配管２の外側からＷＪを配管２に噴出する機構である。施工ヘッド１３はＷＪを噴出する噴出孔２１が配管２に対向するように、配管２の外側に設けられている。施工ヘッド１３に伝送されたレーザＬはＷＪに入射し、ＷＪを伝播する。ＷＪが配管２に噴出される際、レーザＬも配管２に照射される。配管２の内、水流ＷとレーザＬが照射されている部分を加工点と呼称する。

施工ヘッド１３には、ＷＪを形成する水を供給する水供給手段１４と、ＷＪの周囲を追随するように流れる気流Ｒを形成するガスを供給するガス供給手段１５が接続している。

また、レーザ加工装置１０は、切断加工中に加工点の位置を検出しその情報を制御部１９に送信する加工位置測定手段１８を有する。加工位置測定手段１８が測定する加工点の位置とは、加工位置測定手段１８から加工点までの距離（加工距離）であるものとする。

さらにレーザ加工装置１０は、配管２に対して施工ヘッド１３を移動させる施工ヘッド移動手段１６を有する。施工ヘッド移動手段１６は施工ヘッド１３を水平方向及び垂直方向に移動させることが可能であり、また施工ヘッド１３から噴出されたＷＪが回動するように施工ヘッド１３を回動移動させることが可能である。

加工位置測定手段１８、レーザ発振器１１、光学伝送手段１２、水供給手段１４、ガス供給手段１５、施工ヘッド移動手段１６はいずれも制御部１９に接続している。制御部１９は、加工位置測定手段１８で得られた加工距離の情報に基づいて、レーザ発振器１１、水供給手段１４、ガス供給手段１５、光学伝送手段１２、施工ヘッド移動手段１６などの稼働状態を制御する。

以下、各構成の詳細を説明する。まず、レーザ発振器１１について説明する。レーザ発振器１１が出射するレーザＬは、水中でのエネルギの減衰が小さいレーザが好ましく、本実施形態ではＹＡＧレーザ第２高調波（波長５３２ｎｍ）である。しかし、最終的に被加工体２に照射されるレーザＬが加工に十分なエネルギを有していれば良く、水による減衰を加味しても十分なエネルギのレーザを照射するものであれば良い。例えば、ＹＡＧレーザ基本波（波長１０６４ｎｍ）やＵＶレーザ（波長３５５ｎｍ）、ファイバレーザ（波長１０７０ｎｍ）等を用いることも可能である。

光伝送手段１２は、レーザＬをレーザ発振器１１から施工ヘッド１３に伝送するようレンズ、ミラー、テレスコープ、光ファイバ等の光学系部品で構成された光学伝送系であり、図１においては簡易的に単一のミラーのみを図示している。光伝送手段１２としてミラーではなく、光ファイバを用いてレーザＬをレーザ発振器１１から施工ヘッド１３に導いてもよい。

水供給手段１４は水供給配管２２を介して施工ヘッド１３に接続され、ポンプ等により水を施工ヘッド１３へ供給し加圧する。施工ヘッド１３に供給される水は、外部から新しく供給されたものであってもよいし、ＷＪとして噴出された廃水を再利用するものであってもよい。本実施形態おける施工ヘッド１３に供給される水の一部は、廃水を再利用したものであることとする。水供給手段１４は廃水を再利用するための廃水循環機構２３を有する。

例えば廃水循環機構２３は図２に示すように、配管２の周囲に設けられた廃水を収集するための廃水トレー２４と、廃水トレー２４内の廃水から不純物を取り除くろ過部２６と、ろ過された廃水を施工ヘッド１３に循環させる廃水循環ポンプ２５とを備える。不純物とは、切断加工時に生じた切断屑等である。

なお、廃水循環ポンプ２５は直接施工ヘッド１３に接続し廃液を循環させるものとしてもよい。または図２に示すように、廃水循環ポンプ２５は水供給手段１４に接続し、水供給手段１４を経由させて廃液を施工ヘッド１３に循環させるものとしてもよい。

ガス供給手段１５は、図２に示すようにガス供給配管２７を介して施工ヘッド１３に接続されている。ガス供給手段１５から供給されるガスは不活性で軽いガスが好ましく、本実施形態ではヘリウムガスを用いるものとする。

加工位置測定手段１８は配管２に対向するように施工ヘッド１３に設けられ、例えば、レーザを用いた距離センサーや超音波を用いた距離センサーである。レーザによる距離センサーであれば、加工距離測定用のレーザを発光し加工点からの反射を受光し、発光と受光の時差を測定することで加工距離を測定することが可能である。また、超音波を用いたセンサーの場合も同様に、加工距離測定用の超音波を発信して加工点からの反射を受信し、発信と受信の時差を測定することで加工距離を測定することが可能である。

以下、施工ヘッド１３の構成について、図２を用いて説明する。施工ヘッド１３の内部には液体貯留手段としての水室２９が形成されている。水室２９には水供給配管２２が接続されており、水供給配管２２を介して水供給手段１４から供給された水で満たされる。水室２９には配管２に向かって開口するＷＪ噴出ノズル１７が設けられている。ＷＪ噴出ノズル１７の開口部は噴出孔２１である。水室２９に満たされた水は、噴出孔２１から噴出され、ＷＪとして配管２に噴出される。

また、ＷＪ噴出ノズル１７の近傍にはガスノズル２８が設けられており、ガスノズル２８はＷＪに向かって開口している。ガスノズル２８には、ガス供給手段１５からガス供給配管２７を介してガスが供給され、ガスがＷＪの周囲に噴出される。ＷＪの周囲に噴出されたガスは、ＷＪに追随する気流Ｒを形成する。

ガスノズル２８はＷＪ噴出ノズル１７の周囲に１個設けられるものとしてもよいが、複数を設けられるものとしてもよい。ＷＪ噴出ノズル１７の周囲に複数のガスノズル２８が設けられている場合、ＷＪの周囲にはより均一な気流Ｒが形成される。本実施形態では、ガスノズル２８はＷＪ噴出ノズル１７の周囲に等間隔に４個設けられているものとする。

また、ガスノズル２８はＷＪ噴出ノズル１７の周縁外側に設けられ、ＷＪ噴出ノズル１７と同心円状に開口するノズルであるものとしてもよい。ガスノズル２８の位置や形状は、ＷＪ周囲に均一な気流Ｒを形成できるよう適宜定めるのがよい。

施工ヘッド１３には集光光学系３０とウィンドウ３１が設けられている。ウィンドウ３１は水室２９に水密に設けられており、水室２９と集光光学系３０の間に位置している。光学伝送手段１２によって施工ヘッド１３に伝送されたレーザＬは、集光光学系３０で集光され、ウィンドウ３１を介して水室２９内の水を通り抜け、ＷＪ噴出ノズル１７の噴出孔２１を通ってＷＪに入射する。

（レーザＬを伝播させたＷＪと気流Ｒについて）
以下、レーザＬを伝播させたＷＪと気流Ｒとの関係について説明する。まず気流Ｒが形成される様子について説明する。図２において、水室２９は水で満たされ、水室２９内の水は噴出孔２１からＷＪとして噴出され配管２に噴射されている。水室２９は加圧されており、ＷＪの流速は速い。高速で流れる流体の周囲の圧力は低くなるため（ベルヌーイの定理）、ガスノズル２８から噴出されたガスはＷＪの周りを追随するように流れ、気流Ｒを形成する。

次にレーザＬがＷＪを伝播する様子について説明する。ＷＪには、レーザＬを施工ヘッド１３から加工点まで伝播させる導光材としての役割がある。レーザＬの入射ＮＡ（開口数：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、レーザ発振器１１と集光光学系３０により決定される。レーザ発振器１１と集光光学系３０の構成を調節することで、レーザＬの入射ＮＡを調節し、レーザＬをＷＪに入射させることが可能である。

ＷＪに入射したレーザＬはＷＪ内部を透過し、ＷＪとＷＪ周囲との界面（ＷＪの表面）では屈折角の違いにより全反射し、ＷＪ内部に折り返す。レーザＬはＷＪ内で全反射を繰り返しながらＷＪ内を伝播する。そして、レーザＬはＷＪが噴射されている加工点に照射される。加工点はレーザＬのエネルギにより溶融し、溶融部はＷＪの勢いで吹き飛ばされて切断屑２９として加工点から排除され、同時に加工点はＷＪにより冷却される。レーザＬによる溶融とＷＪによる切断屑の除去及び加工点の冷却によって、切断加工が進んでいく。

次に、ＷＪと気流Ｒの関係について説明する。適量の気流ＲはＷＪの状態を安定させる作用がある。ＷＪの状態が安定しているとは、図３（ａ）に示すようにＷＪの径が一定であってＷＪが柱状であるということである。ＷＪの状態が安定している場合、レーザＬはＷＪの表面で全反射し、エネルギをほぼ保ったまま、ＷＪ内を伝播する。そして、レーザＬは加工点を十分に加熱して溶融させることが可能であり、溶融部はＷＪによって加工点から除去され冷却され、配管２の切断加工が進む。

一方、ＷＪの周囲に適量の気流Ｒがない場合、ＷＪの状態は安定しにくい。とくに噴出孔２１からの距離が遠いほどＷＪの状態は不安定となる。例えば、ＷＪは柱状ではなくなり、図３（ｂ）に示すように連続して流れる水滴状になる。または、図３（ｃ）に示すようにＷＪの径が噴出孔２１近傍での径に比べて大きくなり、レーザＬが全反射しなくなる場合がある。ＷＪが柱状ではない部分ではレーザＬは全反射せず、レーザＬの一部または全部がＷＪの外部に放出される。すると、加工点に照射されるレーザＬのエネルギが減少して加工点における加熱が不十分となり溶融量が減少し、切断スピードが低下して切断効率が下がる。または、切断不可能となる。

（レーザ切断方法および作用）
以下、本実施形態におけるレーザ加工装置１０のレーザ加工方法について説明する。なお、施工ヘッド１３を被加工体に対して移動させ切断加工を施す経路を切断経路３４と呼称し、レーザ切断加工によって切断経路３４に生じた溝を切断スリットと呼称する。切断スリットは、被加工体を貫通した溝と、被加工体を貫通するには至っていない溝との両方を指す。切断スリットにおいて、切断経路３４と平行な方向及び切断深さ方向に垂直な方向をスリット幅方向と呼称し、スリット幅方向の切断スリットの幅をスリット幅と呼称する。

また、配管２のうち、レーザＬを伝播させたＷＪを配管２の外側から直接噴出することが可能な部分を第１の壁面２ａと呼称する。配管２のうち、第１の壁面によってレーザＬを伝播させたＷＪから隔てられ、外側からレーザＬを伝播させたＷＪを噴出させることができない部分を第２の壁面２ｂと呼称する。

まず、第１の切断ステップを行なう。第１の切断ステップでは、レーザＬを伝播させたＷＪ及び気流Ｒを第１の壁面２ａに噴出させる。そして図２及び図４に示すように、第１の壁面２ａを貫通する切断経路３４に沿った第１の切断スリット３２を形成する。

第１の切断スリット３２を形成する際、レーザＬを伝播させたＷＪは配管２に図５に示すように噴出される。レーザＬを伝播させたＷＪは配管２に対して、切断経路３４と平行に繰り返し往復するように噴出され、かつ、スリット幅方向に噴出位置をずらしながら噴出される。

そして、第１の切断スリット３２は、レーザＬを伝播させたＷＪおよび気流Ｒが通過することが可能なスリット幅であるように形成される。第１の切断スリット３２のスリット幅は例えば、ＷＪの径の１．５〜２倍の長さであるものとする。

第１の切断スリット３２が第１の壁面２ａを貫通した後に、第２の切断ステップを行なう。第２の切断ステップではレーザＬを伝播させたＷＪ及び気流Ｒに第１の切断スリット３２通過を通過させ、レーザＬを伝播させたＷＪ及び気流Ｒを第２の壁面２ｂに配管２の内面側から噴出させ、第２の壁面２ｂを貫通する第２の切断スリット３３を形成する。

第１の切断スリット３２のスリット幅が、ＷＪ及びＷＪに追随する気流Ｒが通過するために十分な距離であるため、気流Ｒは第２の切断ステップにおける加工点まで到達することが可能である。そのため、ＷＪは第２の切断ステップにおける加工点までレーザＬを良好に伝播することが可能であり、第２の切断スリット３３を迅速に効率よく形成することが可能である。

第１の切断スリット３２及び第２の切断スリット３３が繋がるように切断スリットを形成することにより、配管２を分断するように切断することが可能である。

第１の切断ステップ及び第２の切断ステップが行われている間、廃水循環ステップが行われる。廃水循環ステップでは、廃水トレー２４がＷＪに起因する廃水を収集し、ろ過部２６が廃水から切断屑を除去し、廃水循環ポンプ２５が切断屑を除去された廃水を水供給手段１４に搬送する。そして、切断屑を除去された廃水は再び施工ヘッド１３からＷＪとして噴出され、ＷＪの形成に利用される。

また、第１の切断ステップ及び第２の切断ステップが行われている間、随時加工位置測定ステップが行われる。加工位置測定ステップでは、加工位置測定手段１８が加工距離を測定し、その情報を制御部１９に送信する。そして制御部１９は予め与えられた配管２の径や肉厚、施工ヘッド１３と配管２の初期位置等の情報と、加工位置測定手段１８から受信した加工距離の情報とに基づいて、配管２における加工点の位置を把握する。例えば、制御部１９は加工位置測定手段１８の情報を基に、第１の切断スリット３２が第１の壁面２ａを貫通したことを検出することが可能である。

なお、加工位置測定手段１８は、施工ヘッド１３の移動方向において噴出孔２１の前方または後方に設けられることが好ましい。すると、配管２の径が大きい場合であっても、加工位置測定手段１８から照射されたレーザや超音波は、第１のスリットを通過して第２の壁面の加工点に到達することが可能であり、第２の切断ステップにおいても加工距離を測定することが可能である。

また、加工位置測定手段１８は照射するレーザや超音波の指向性を制御することが可能であるものとしてもよい。すると、加工距離を測定するためのレーザや超音波を加工点により正確に照射することが可能となり、より正確に加工距離を測定することが可能となる。

なお、レーザ加工装置１０において配管２の切断は、制御部１９がレーザ加工装置１０の各部の稼動を制御することにより、自動で行なわれる。制御部１９は配管２における加工点の位置にもとづいて、第１の切断ステップまたは第２の切断ステップの実施を自動で判断する。そして、第１の切断ステップまたは第２の切断ステップを実施するよう、レーザ加工装置１０の各部の稼動を制御する。

また、第２の切断ステップにおいて、第２の切断スリット３３の形成に寄与するＷＪは気流Ｒの存在によりレーザを良好に伝播しているＷＪである。つまり、ＷＪが第１の切断スリット３２を通過する際に、気流Ｒが通過するために必要な距離が、ＷＪと第１の切断スリット３２との間に十分に確保されていない場合、そのＷＪは第２の切断スリット３３の形成に寄与しない。そのため、図６に示すように、第２の切断スリット３３のスリット幅は、第１の切断スリット３２のスリット幅よりも小さくなる。

（効果）
以下、本実施形態のレーザ加工方法およびレーザ加工装置１０の効果について説明する。本実施形態のレーザ加工方法において、第１の切断スリット３２のスリット幅は、レーザＬを伝播させたＷＪ及び気流Ｒが通過できる程度に充分広くなっている。そのため、第２の切断スリット３３を効率よく形成することが可能であり、配管２を効率よく切断することが可能である。よって、施設等に固定され、周囲でレーザ加工装置を移動させるだけの十分な空間が無い配管２であっても、効率よく切断加工することが可能である。

また、配管２が原子力発電所等に設置され放射化された配管である場合、効率よく配管の切断加工を行なうことができるため、作業時間を短縮することが可能であり、作業員の被ばく量を低減させることが可能である。

また、レーザ加工装置１０は自動で配管の切断加工を行なうことができるため、さらに作業員の被ばく量を低減させることが可能である。

また、レーザＬによる溶融と同時にＷＪが加工点を冷却するため、放射化された配管２の蒸気が生じにくい。そのため、環境への負担を低減することが可能である。

また、レーザ加工装置１０は廃水循環機構２３を備えており、廃水量を低減させることが可能である。さらに、放射化された切断屑は廃水に巻き込まれるため飛散しにくく、廃水処理機構２３で回収することが可能である。よって、環境への負担を低減することが可能である。

なお、切断位置測定手段１８は加工距離だけでなく、ＷＪが噴出される側の配管２の表面から加工点までの距離（切断深さ）、および、配管２の径や肉厚を測定することが可能な構成であるものとしてもよい。すると、予め肉厚、施工ヘッド１３と配管２の初期位置等が把握できない場合であっても、配管２の径、加工距離、切断深さの情報から制御部１９は配管２内における加工点の位置を把握することが可能となる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について図を参照しながら説明する。図７は、本実施形態の第１の切断ステップにおけるウォータジェットの噴出経路である。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態は、第１の切断ステップにおいて、第１の切断スリット３２を形成する際、レーザＬを伝播させたＷＪを配管２に図７に示すように切断経路３４に沿ってウィービングさせながら噴出させる。ＷＪを配管２にウィービングさせながら噴出するとは、ＷＪを配管２に第１の切断スリット３２のスリット幅方向に繰り返し往復させつつ、切断経路３４と平行な方向に噴出位置をずらしながら噴出する、ということである。

また、本実施形態における施工ヘッド移動手段１６は、施工ヘッド１３をスリット幅方向に平行な方向に振動させる超音波振動子を備えるものとする。施工ヘッド移動手段１６を超音波振動子でスリット幅方向に振動させながら、切断経路３４に沿って施工ヘッド１３を移動させることで、ＷＪを切断経路３４に沿ってウィービングさせながら噴出することができる。なお、第２の切断ステップの際には、超音波振動子は停止させる。

本実施形態におけるレーザ切断装置１０およびレーザ切断方法は、第１の実施形態と同様の効果を奏する。また、本実施形態におけるレーザ切断装置１０においては、超音波振動子の振幅を所望の幅に設定することで、制御部１９で施工ヘッド移動手段１６のスリット幅方向の移動方向を制御する必要がなくなる。そのため、制御部１９及び施工ヘッド移動手段１６の構成を簡素化することが可能である。よって、レーザ切断装置１０の設置スペースを縮小することが可能である。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の第１の切断ステップで配管２に噴出されるＷＪの径は、第２の切断ステップで配管２に噴出されるＷＪの径よりも大きい。ＷＪの径は、噴出孔２１の径や水供給手段１４の水室２９への加圧を調節することで変化させることが可能である。また、ＷＪに伝播され加工点に照射されるレーザＬのエネルギ密度は、その加工点において切断加工が最も効率よく行なわれるエネルギ密度になるよう制御される。なお、エネルギ密度は、レーザ発信機１１、光学伝送手段１２、集光光学系１３を調節することで、変化させることが可能である。

第１の切断ステップで加工点に噴出されるＷＪの径が大きい分、第１の切断スリット３２のスリット幅をより迅速に形成することが可能となる。よって、本実施形態のレーザ加工方法によれば、作業時間をより短縮することが可能であり、作業員の被ばく量をさらに低減させることが可能である。また、本実施形態のレーザ加工方法は、第１の実施形態と同様の効果を有する。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について図８を用いて説明する。図８は、第４の実施形態における切断中のウォータジェットと配管の配管中心軸に平行な縦断面図である。

なお、第１の実施形態乃至第３の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の第１の切断ステップ及び第２の切断ステップにおいて、レーザＬを伝播させたＷＪは仰角に施工ヘッド１３から噴出される。すると、図８に示すように配管２の中心軸に平行な投影面に置いて第１の切断スリット３２及び第２の切断スリット３２は、施工ヘッド１３から見て仰角に形成される。

ここで、加工点付近に存在する廃水とＷＪの関係について記載する。加工点付近にはＷＪとして噴出された水である廃水が存在するが、ＷＪが噴出する勢いによって、廃水はＷＪ近傍から押しのけられる。しかし、ＷＪの勢いが弱い場合や加工点近傍が狭く廃水が加工点付近に多量に滞留している場合、ＷＪは廃水を押しのけることができなくなり、廃水がＷＪに干渉する。すると、廃水と干渉している部分ではＷＪの表面が消失するため、レーザＬが加工点に到達する前にＷＪの外部に放出し、切断加工が進まず、切断効率が低下する。

本実施形態において、第１の切断スリット３２及び第２の切断スリット３２は仰角に形成されるため、切断スリット内の廃水は、重力にしたがって、切断スリットの外部に流れていく。そのため、本実施形態においては、配管２の肉厚が厚く、切断スリットの切断深さが深くなる場合であっても、効率よく配管２を切断することが可能である。

（第５の実施形態）
以下、第５の実施形態について図９を用いて説明する。図９は、第５の実施形態における切断中のウォータジェットと配管の配管中心軸に平行な縦断面図である。

なお、第１の実施形態乃至第４の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の第１の切断ステップ及び第２の切断ステップにおいて、図８に示すようにレーザＬを伝播させたＷＪは俯角に施工ヘッド１３から噴出される。ＷＪは重力加速度を得ることができ、加工点に噴出するＷＪの勢いは重力加速度の分だけ高まる。そのため、ＷＪは加工点付近の廃水をより多く押しのけることが可能となる。よって、廃水による切断加工の阻害を低減することが可能であり、本実施形態においては、効率よく配管２を切断することが可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。また、実施形態の組み合わせであってもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、配管２は鉛直方向に設置された配管には限られない。水平方向やそれ以外の角度で設置された配管、配管の屈曲部等にも適用することが可能である。また、本実施形態において、切断加工する対象箇所は第１の壁面２ａおよび第２の壁面２ｂであり、切断対象箇所は１つの構造物内に設定されている。しかし、切断を行なう対象箇所は複数の対象にまたがっていてもよく、間隔を空けて重ねられた２枚の板にも適用することが可能である。なお、配管２が水平方向に設置された配管である場合、配管２の内部に廃液が溜まり、第２の切断ステップにおいて廃液とＷＪが干渉し切断加工が阻害されることが考えられる。そのため、廃水がＷＪに干渉することを防ぐための工夫が必要である。たとえば、第２の切断ステップで配管２に噴出するＷＪの流速を早めることで、廃水がＷＪに干渉することを防ぐことができる。また、第１の切断スリット３２から配管２に、廃水を吸引する管等を挿入することで、廃水がＷＪに干渉することを防ぐことができる。

また、被加工体は原子力発電所等に設けられた配管に限られない。他の施設に設けられた配管であってもよい。また、中空であれば配管以外のものであっても良い。また、被加工物の構成材料は炭素鋼に限られず、様々な金属やセラミック、樹脂等であるとしてもよい。

また、液体流はＷＪであるものとしたか、レーザＬを伝播させることが可能であれば水以外の液体で形成するものとしてもよい。また、レーザＬを吸収する液体であったとしても、加工点において十分な出力を保ったレーザを伝播可能であればよい。

また、ＷＪを回動移動させる際は、施工ヘッド移動手段１６で施工ヘッド１３を移動させるのではなく、ＷＪ噴出ノズル１７を回動させるものとしてもよい。その際は、レーザＬがＷＪ内に入射するよう、レーザ発振器１１と集光光学系３０等を調節する必要がある。

２・・・・・配管
２ａ・・・・・第１の壁面
２ｂ・・・・・第２の壁面
１０・・・・・レーザ加工装置
１１・・・・・レーザ発振機
１２・・・・・光学伝送手段
１３・・・・・施工ヘッド
１４・・・・・水供給手段
１５・・・・・ガス供給手段
１６・・・・・施工ヘッド移動手段
１７・・・・・ＷＪ噴出ノズル
１８・・・・・加工位置測定手段
１９・・・・・制御部
２０・・・・・加工点
２１・・・・・噴出孔
２２・・・・・水供給配管
２３・・・・・廃水循環機構
２４・・・・・廃水トレー
２５・・・・・廃水循環ポンプ
２６・・・・・ろ過機構
２７・・・・・ガス供給配管
２８・・・・・ガスノズル
２９・・・・・水室
３０・・・・・集光光学系
３１・・・・・ウィンドウ
３２・・・・・第１の切断スリット
３３・・・・・第２の切断スリット
３４・・・・・切断経路
Ｌ・・・・・レーザ
ＷＪ・・・・・ウォータジェット
Ｒ・・・・・気流

Claims (9)

1. 対象箇所に対してレーザを伝播させた液体流を噴出し、前記液体流を導光材として前記対象箇所に前記レーザを照射し前記対象箇所を切断加工するレーザ加工方法であって、
   前記レーザを伝播させた液体流を第１の対象箇所に対して噴出させ、第１の対象箇所を貫通する第１の切断スリットを形成する第１の切断ステップと、
   前記レーザを伝播させた液体流に前記第１の切断スリットを通過させて前記レーザを伝播させた液体流を前記第２の対象箇所に対して噴出させ、前記第２の対象箇所を貫通する第２の切断スリットを形成する第２の切断ステップと、を備え、
   前記第２の対象箇所は第１の対象箇所と間隔を空けて配され、前記第１の切断スリットは前記第２の切断スリットよりもスリット幅が大きいレーザ加工方法。
2. 前記第１の切断ステップで前記第１の対象箇所に噴出される前記液体流は、前記第２の切断ステップで前記第１の切断スリットを通過する前記液体流よりも、流方向に垂直な断面の径が大きい請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記液体流は仰角に前記対象箇所に噴出される請求項１または請求項２のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
4. 前記液体流は俯角に前記対象箇所に噴出される請求項１乃至請求項２のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
5. 前記第２の切断ステップで前記第２の対象箇所に対して噴出する前記液体流の流速は、前記第１の切断ステップで前記第１の対象箇所に対して噴出する前記液体流の流速よりも速い請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
6. 前記対象箇所中で前記液体流が噴出されている部分である加工点の位置を測定する加工位置測定ステップを備える、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
7. 前記液体流に起因する廃液を収集し、前記廃液から切断屑を除去し、前記切断屑が除去された前記廃液を前記液体流の形成に利用する廃液循環ステップを備える、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
8. 対象箇所に対してレーザを伝播させた液体流を噴出し、前記液体流を導光材として前記対象箇所にレーザを照射し前記対象箇所を切断加工するレーザ加工装置であって、
   第１の対象箇所と前記第１の対象箇所と間隔を空けて配された第２の対象箇所を切断するために、前記レーザ加工装置の各部を制御する制御部を有し、
   前記制御部は前記レーザを伝播させた液体流を前記第１の対象箇所に噴出させて前記第１の対象箇所を貫通する第１の切断スリットを形成させ、
   前記レーザを伝播させた液体流に前記第１の切断スリットを通過させて前記レーザを伝播させた液体流を前記第２の対象箇所に対して噴出させ、前記第２の対象箇所を貫通し前記第１の切断スリットよりもスリット幅が狭い第２の切断スリットを形成するよう制御する前記レーザ加工装置。
9. 前記液体流に起因する廃液を収集するトレー部と、
   前記トレー部に収集された前記廃液から切断屑を除去するろ過部と、
   前記液体流を噴出する施工ヘッドに前記切断屑が除去された前記廃液を循環させる廃液循環ポンプとを備える、請求項８に記載のレーザ加工装置。

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