JP2016093833A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気中において液体を供給しつつ施工を行う際に液体の供給が停止した場合に、レーザ光が気中を伝送されて施工対象面に到達することのない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】被処理部材の表面に液体を供給し、液体を介してパルス状のレーザ光を照射して、表面処理を行うレーザ加工装置であって、光学窓を介して、被処理部材の表面に液体を通してレーザ光を照射するレーザ照射機構と、光学窓の外側表面を通る流路を介して被処理部材の表面に液体を供給する液体供給機構と、を具備し、光学窓のレーザ光出射面は、光学窓のレーザ光出射面に液体が接する場合はレーザを透過し、光学窓のレーザ光出射面に液体が接しない場合はレーザ光を反射するよう構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

例えば、原子力プラントにおいては、定期点検時に自動機器を炉内に設置し炉内機器にアクセスし、各種保全工法が実施されている。その中でも溶接部に残留している引張応力に起因したＳＣＣ（Stress Corrosion Cracking）対策として、その発生を効果的に防止できる技術としてレーザピーニングがある。

レーザピーニングの原理について説明する。パルス幅数ナノ秒（ｎｓ）程度のレーザ光を集光レンズで直径１ｍｍ程度のスポットに集光して被処理部材に照射すると、被処理部材の表面がエネルギーを吸収してプラズマ化する。プラズマの周囲がレーザ光の波長に対して透明な液体や塗料により覆われている場合、プラズマの膨張が妨げられてプラズマの内部圧力は数ギガパスカル（ＧＰａ）程度に達し、被処理部材に衝撃を加える。その際に強力な衝撃波が発生し、材料内部に伝播して塑性変形を引き起こして残留応力を圧縮状態に変える。

レーザピーニングは、ショットピーニングやウォータジェットピーニング等の他のピーニング技術と比べると、効果が材料強度にあまり依存せずに被処理部材の表面から１ｍｍ程度の板厚の内部まで及ぶ。また、加工時の反力がなく、加工装置の小型化が容易で狭あい部への加工性に優れている。このため、例えば管内径が小さな対象物に対して施工可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法が開発されている。

特開２００５−３１３１９１号公報

従来の配管内へのレーザ加工装置では、施工対象部位が水中環境下にあることが望ましいが、気中での施工を余儀なくされる場合がある。例えば、対象物が非常に大きく水槽に沈める等ができないような場合、気中において施工対象に水等の液体を供給しながらレーザ光を照射する。しかし、何らかの障害で液体の供給が停止したり供給量が低下した場合はレーザ光が気中を伝搬し施工対象に照射される可能性がある。レーザ光が気中を伝搬した場合、水中を伝搬した場合に比べて焦点距離が変化する。この場合、レーザ光が収束されて施工対象部に照射されてしまうことも考えられる。集束されたレーザ光はエネルギ密度が高いため、最悪、施工対象部に損傷を与えてしまうことも考えられる。

本発明は、上記の従来の事情に対処してなされたもので、気中において液体を供給しつつ施工を行う際に液体の供給が停止した場合に、レーザ光が気中を伝送されて施工対象面に到達することのない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。

本発明のレーザ加工装置の一態様は、被処理部材の表面に液体を供給し、前記液体を介してパルス状のレーザ光を照射して、表面処理を行うレーザ加工装置であって、光学窓を介して、前記被処理部材の表面に前記液体を通して前記レーザ光を照射するレーザ照射機構と、前記光学窓の外側表面を通る流路を介して前記被処理部材の表面に前記液体を供給する液体供給機構と、を具備し、前記光学窓のレーザ光出射面は、前記光学窓のレーザ光出射面に前記液体が接する場合は前記レーザを透過し、前記光学窓のレーザ光出射面に前記液体が接しない場合は前記レーザ光を反射するよう構成されたことを特徴とする。

本発明のレーザ加工方法の一態様は、気体雰囲気中に設けられた被処理部材の表面に液体を供給し、前記液体を介してパルス状のレーザ光を照射して、表面処理を行うレーザ加工方法であって、光学窓を介して、前記被処理部材の表面に前記液体を通して前記レーザ光を照射するレーザ照射機構と、前記光学窓の外側表面を通る流路を介して前記被処理部材の表面に前記液体を供給する液体供給機構と、を配設し、前記光学窓の外側に、前記液体供給機構から前記液体が供給されている場合は前記被処理部材の表面に前記レーザ光が照射される第１光路、前記液体供給機構からの前記液体の供給が停止された場合は前記被処理部材の表面に前記レーザ光が照射されない第２光路に、前記液体と前記気体雰囲気との屈折率の相違によって光路を切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、気中において液体を供給しつつ施工を行う際に液体の供給が停止した場合に、レーザ光が施工対象部に到達するのを防止することができる。

本発明の第１の実施形態のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 第１の実施形態のレーザ加工装置における液体供給が停止した状態を示す図。 第２の実施形態のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 第３の実施形態のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 第４の実施形態のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 第５の実施形態のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 第６の実施形態のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 第７の実施形態のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 駆動機構の例の概略構成を示す図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ加工装置１００の要部概略構成を示す図である。図１に示すように、レーザ加工装置１００は、配管１１等の内部に挿入され、配管１１の内面に加工を施すためのレーザ照射ヘッド１０１を具備している。

レーザ照射ヘッド１０１は、筒状に形成されており、その内部にレーザ光１３を空間伝送するための光路３０が形成されている。この光路３０内には、集光レンズ１５、ミラー１７等の光学部品が配設されている。このように、本実施形態では、レーザ光１３を空間伝送する構成となっており、これによって、ファイバ伝送を行う構成の場合よりもレーザ光１３の焦点距離を長くとることができる。

光路３０の終端部には、光学窓を構成するプリズム１６が配設されており、このプリズム１６を介して、施工箇所１４にレーザ光１３を照射するようになっている。また、レーザ照射ヘッド１０１には、水等の液体１２を供給するための液体供給配管１８が接続されている。レーザ照射ヘッド１０１内には液体供給配管１８から供給された液体１２を流通させるための流路３１が形成されている。この流路３１は、液体１２がプリズム１６の外側面及びその近傍を通過した後、配管１１の施工箇所１４の近傍に供給されるように構成されている。

本実施形態において、液体１２とプリズム１６の屈折率は、近似した値となっており、液体１２とプリズム１６との屈折率の差は、空気（気体雰囲気）とプリズム１６との屈折率の差よりも小さく設定されている。このため、プリズム１６の外側に液体１２が流れている状態では、ミラー１７で反射しプリズム１６内に入射したレーザ光１３がそのまま略直進し、施工箇所１４に照射されるようになっている（第１光路）。

一方、図２に示すように、液体供給配管１８からの液体１２の供給が停止し、プリズム１６の外側に液体１２が流れていない状態では、プリズム１６の外側が液体１２ではなく、空気（気体雰囲気）が存在する状態となる。そして、プリズム１６と空気（気体雰囲気）とは、その屈折率の差が大きいため、ミラー１７で反射しプリズム１６内に入射したレーザ光１３が、プリズム１６と空気（気体雰囲気）との境界で反射し、施工箇所１４に照射されないようになっている（第２光路）。本実施形態では、レーザ照射ヘッド１０１内にビームダンプ１９が配設されており、プリズム１６と空気（気体雰囲気）との境界で反射したレーザ光１３がこのビームダンプ１９に入射するよう構成されている。

上記構成のレーザ加工装置１００では、液体供給配管１８からの液体１２が供給されている場合には、レーザ光１３が、液体１２を介して施工箇所１４に照射され、レーザピーニング処理が実行される。そして、何らかの原因で液体供給配管１８からの液体１２の供給が停止した場合には、施工箇所１４にレーザ光１３が照射されることはなく、レーザ光１３はビームダンプ１９に入射する。したがって、液体１２が存在しなくなることによって、気体中を通り、不所望に集光された状態となったレーザ光１３が、施工箇所１４に照射され、施工箇所１４が損傷することを確実に防止することができる。

また、上記構成のレーザ加工装置１００では、レーザ光１３を空間伝送する構成となっているので、ファイバ伝送を行う構成の場合よりもレーザ光１３の焦点距離を長くとることができる。これによって、光学部品を、施工箇所１４から離れた位置に配置することができ、施工箇所１４で生じるプラズマの衝撃波等で光学部品が破損することを抑制することができる。

以上のとおり、本実施形態のレーザ加工装置１００によれば、気中において液体１２を供給しつつ施工を行う際に液体１２の供給が停止した場合であっても、施工対象面に損傷を与える可能性を低減することができ、安全に良好な加工を行うことができる。以下、第２〜７の実施形態について説明するが、これらの第２〜７の実施形態についても、上記した第１の実施形態と同様な作用、効果を奏することができる。

図３に、第２の実施形態に係るレーザ加工装置２００の要部概略構成を示す。この第２の実施形態に係るレーザ加工装置２００は、レーザ照射ヘッド２０１を具備している。このレーザ照射ヘッド２０１は、第１の実施形態におけるレーザ照射ヘッド１０１のビームダンプ１９を、レーザ光１３のエネルギーを測定するためのエネルギー計測機構２０に置き換えたものである。なお、他の構成は、第１の実施形態に係るレーザ加工装置１００と同様であるため、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は、省略する。

上記エネルギー計測機構２０としては、例えばパワーメータやフォトダイオードを用いることができる。このように、施工時以外にエネルギー計測機構２０に導光されたレーザ光１３の出力を計測することにより、光学系の健全性や施工時の施工箇所（加工点）１４におけるレーザ光１３の出力を算出することができる。

また、エネルギー計測機構２０として、レーザ光１３の照射位置を計測することが可能なセンサーを用いれば、レーザ光１３の照射位置を計測し、フィードバックすることでレーザ光１３の光軸のズレを補正することも可能である。

図４に、第３の実施形態に係るレーザ加工装置３００の要部概略構成を示す。この第３の実施形態に係るレーザ加工装置３００は、レーザ照射ヘッド３０１を具備している。このレーザ照射ヘッド３０１は、第１の実施形態における光路３０の終端部に配設された光学窓を構成するプリズム１６を、円錐形状の光学部品２１に置き換えたものである。なお、他の構成は、第１の実施形態に係るレーザ加工装置１００と同様であるため、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は、省略する。

円錐形状の光学部品２１は、レーザ光１３の進行方向に沿って次第に小径となる円錐形状に構成されており、プリズム１６の場合と同様に、液体１２と近似した屈折率となっている。したがって、液体１２と円錐形状の光学部品２１との屈折率の差は、空気（気体雰囲気）と円錐形状の光学部品２１との屈折率の差よりも小さく設定されている。このため、円錐形状の光学部品２１の外側に、液体供給配管１８からの液体１２が流れている状態では、ミラー１７で反射し円錐形状の光学部品２１内に入射したレーザ光１３がそのまま略直進し、施工箇所１４に照射されるようになっている。この際、円錐形状であるため、レーザ光１３の広がりを抑えることができる。また、円錐形状をノズル内に設けると噴出する水流が安定しやすくなる作用があるため、噴出する液体の拡がりを抑え、長距離に安定した噴流を形成できる。

一方、液体供給配管１８からの液体１２の供給が停止し、円錐形状の光学部品２１の外側に液体１２が流れていない状態では、円錐形状の光学部品２１の外側が液体１２ではなく、空気（気体雰囲気）が存在する状態となる。そして、円錐形状の光学部品２１と空気（気体雰囲気）とは、その屈折率の差が大きいため、ミラー１７で反射し円錐形状の光学部品２１内に入射したレーザ光１３が、円錐形状の光学部品２１と空気（気体雰囲気）との境界で反射し、施工箇所１４に照射されず、光学部品２１の周方向に拡散して、レーザ光がレーザ照射ヘッド３１の内壁面に照射されるようになっている。レーザ光が分散されるので、レーザ照射ヘッド３１の内壁面に照射されたときのエネルギー密度が低く、ビームダンプを特に設けずともよくなる。このとき、レーザ光１３の出射面に円錐先端が含まれると拡散の効果が高くなるが、少なくとも円錐面を含んでいれば、拡散の効果は得られる。

図５に、第４の実施形態に係るレーザ加工装置４００の要部概略構成を示す。この第４の実施形態に係るレーザ加工装置４００は、レーザ照射ヘッド４０１を具備している。このレーザ照射ヘッド４０１は、第１の実施形態におけるミラー１７を削除し、ミラー１７と光路３０の終端部に配設された光学窓の作用を、１つのプリズム１６によって行うように構成したものである。なお、他の構成は、第１の実施形態に係るレーザ加工装置１００と同様であるため、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は、省略する。

上記構成のレーザ加工装置４００では、第１の実施形態に比べて光学部品の数を削減することができ、光学系を簡素化することができる。また、これによって導光精度を向上させることが可能となる。

図６に、第５の実施形態に係るレーザ加工装置５００の要部概略構成を示す。この第５の実施形態に係るレーザ加工装置５００は、レーザ照射ヘッド５０１を具備している。このレーザ照射ヘッド５０１は、第１の実施形態におけるミラー１７を削除し、ミラー１７と光路３０の終端部に配設された光学窓の作用を、１つのプリズム１６によって行うように構成されている。これとともに、プリズム１６のレーザ光１３を施工箇所１４側に向けて反射する反射面の外側に接して、第２のプリズム２２を配設し、図６中第２のプリズム２２の上方に位置するように、サンプリングレーザ光エネルギー計測機構２３を配置した構成となっている。

また、プリズム１６又は第２のプリズム２２の少なくともいずれか一方には、これらの間に介在するように、コーティング膜が形成されており、レーザ光１３のうちの一部（例えば、数パーセント）が、コーティング膜を通って第２のプリズム２２内に入り、サンプリングレーザ光エネルギー計測機構２３に導光されるようになっている。なお、他の構成は、第１の実施形態に係るレーザ加工装置１００と同様であるため、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は、省略する。

上記構成のレーザ加工装置５００では、サンプリングレーザ光エネルギー計測機構２３によって常時レーザ光１３の出力を計測することができ、施工中以外においては、エネルギー計測機構２０によってもレーザ光１３の出力を計測することができる。したがって、未施工時に、エネルギー計測機構２０とサンプリングレーザ光エネルギー計測機構２３とによりエネルギー計測を行ってこの結果を記録しておき、施工時に、サンプリングレーザ光エネルギー計測機構２３でエネルギー計測を行うことにより、施工時における施工箇所１４のレーザ光１３のエネルギーを間接的に計測することが可能である。

また、エネルギー計測機構２０ではレーザ光の出射面の影響も受けたレーザ光のエネルギーが計測されるが、サンプリングレーザ光エネルギー計測機構２３は、レーザ光の反射面までの影響を受けたレーザ光のエネルギーを計測することができる。これにより、光学系の部品の劣化等によってレーザ光のエネルギーが変化した場合に、プリズム１６のレーザ光の出射面による影響か、それ以前の光学部品による影響か、あるいは両方による影響かを判断することができる。

図７に、第６の実施形態に係るレーザ加工装置６００の要部概略構成を示す。この第６の実施形態に係るレーザ加工装置６００は、レーザ照射ヘッド６０１を具備している。このレーザ照射ヘッド６０１は、第１の実施形態におけるミラー１７を削除し、レーザ光１３の一部を透過させるサンプリングミラー２４とするとともに、サンプリングミラー２４を透過したレーザ光１３の一部をサンプリングレーザ光エネルギー計測機構２３によって計測する構成となっている。

また、光学窓としてのプリズム１６の向きを変更し、液体１２の供給が停止された場合、レーザ光１３が図７中上方に向けて反射されるようにして、プリズム１６の上方に配設されたエネルギー計測機構２０に入射する構成となっている。さらに、液体１２を、図７中下方から供給するように、流路３２が形成されている。なお、他の構成は、第１の実施形態に係るレーザ加工装置１００と同様であるため、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は、省略する。

上記構成のレーザ加工装置６００では、第５の実施形態と同様の効果を奏するとともに、レーザ光１３の発振器等が配設される下方から液体１２を供給する構成となっているので、より簡便に液体１２を供給することができる。

図８に、第７の実施形態に係るレーザ加工装置７００の要部概略構成を示す。この第７の実施形態に係るレーザ加工装置７００は、レーザ照射ヘッド７０１を具備している。このレーザ照射ヘッド７０１は、第１の実施形態におけるミラー１７を削除し、ミラー１７と光路３０の終端部に配設された光学窓の作用を、１つのペンタプリズム２５によって行うように構成されている。

また、ペンタプリズム２５は、施工箇所１４に対して斜めにレーザ光１３を照射する構成となっており、液体１２は、第６の実施形態と同様に、図８中下方から供給するように、流路３２が形成されている。そして、液体１２の供給が停止した場合、ペンタプリズム２５と外側の気体雰囲気との境界で反射されたレーザ光１３が、図８中ペンタプリズム２５の右側に隣接して配設されたエネルギー計測機構２０に入射する構成となっている。なお、他の構成は、第１の実施形態に係るレーザ加工装置１００と同様であるため、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は、省略する。

上記構成のレーザ加工装置７００では、ペンタプリズム２５によって、施工箇所１４に対して斜めにレーザ光１３を照射する構成となっている。したがって、施工箇所１４で生じるプラズマの衝撃及び熱により、光学窓であるペンタプリズム２５が損傷を受ける危険性を低減することができる。また、第６の実施形態と同様に、レーザ光１３の発振器等が配設される下方から液体１２を供給する構成となっているので、より簡便に液体１２を供給することができる。

図９に、上述した第１〜７の実施形態におけるレーザ照射ヘッド１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１を駆動するための駆動機構の一例を、レーザ照射ヘッド１０１を駆動する場合を例にして示す。この駆動機構は、基台１１０と、この基台１１０上に配置され、外筒１１１と内筒１１２とを具備した上下動機構とを具備している。図９中矢印で示すように、内筒１１２は外筒１１１に対して上下動可能とされたおり、これらの外筒１１１と内筒１１２は、基台１１０に対して回転可能とされている。これによって、レーザ照射ヘッド１０１が配管１１内で上下動及び回転して配管１１内に加工を施すようになっている。なお、レーザ発振器１１３等は、基台１１０上に配置されている。

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。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。

１００……レーザ溶接装置、１０１……レーザ照射ヘッド、１１……配管、１２……液体、１３……レーザ光、１４……施工箇所、１５……集光レンズ、１６……プリズム、１７……ミラー、１８……液体供給配管、１９……ビームダンプ、３０……光路、３１……流路。

Claims (6)

1. 被処理部材の表面に液体を供給し、前記液体を介してパルス状のレーザ光を照射して、表面処理を行うレーザ加工装置であって、
   光学窓を介して、前記被処理部材の表面に前記液体を通して前記レーザ光を照射するレーザ照射機構と、
   前記光学窓の外側表面を通る流路を介して前記被処理部材の表面に前記液体を供給する液体供給機構と、
   を具備し、
   前記光学窓のレーザ光出射面は、前記光学窓のレーザ光出射面に前記液体が接する場合は前記レーザを透過し、前記光学窓のレーザ光出射面に前記液体が接しない場合は前記レーザ光を反射するよう構成された
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記光学窓のレーザ光出射面に反射された前記レーザ光が導光されるビームダンプを備えることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記ビームダンプが、前記レーザ光のエネルギーを計測するエネルギー計測機構から構成されたことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
4. 前記光学窓のレーザ光出射面よりも前記レーザ光の光路の上流に配置され、前記レーザ光の一部をサンプリングするサンプリング機構と、
   前記サンプリング機構によってサンプリングされた前記レーザ光のエネルギーを計測するサンプリングレーザ光エネルギー計測機構を具備したことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のレーザ加工装置。
5. 前記光学窓が円錐形状の光学部品であり、前記レーザ光の出射面が前記円錐形状の光学部品の円錐面を含むよう構成されたことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のレーザ加工装置。
6. 気体雰囲気中に設けられた被処理部材の表面に液体を供給し、前記液体を介してパルス状のレーザ光を照射して、表面処理を行うレーザ加工方法であって、
   光学窓を介して、前記被処理部材の表面に前記液体を通して前記レーザ光を照射するレーザ照射機構と、前記光学窓の外側表面を通る流路を介して前記被処理部材の表面に前記液体を供給する液体供給機構と、を配設し、
   前記光学窓の外側に、前記液体供給機構から前記液体が供給されている場合は前記被処理部材の表面に前記レーザ光が照射される第１光路、前記液体供給機構からの前記液体の供給が停止された場合は前記被処理部材の表面に前記レーザ光が照射されない第２光路に、前記液体と前記気体雰囲気との屈折率の相違によって光路を切り替える
   ことを特徴とするレーザ加工方法。

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