JP2017001046A - レーザ切断システム - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ切断時に可燃物が発火した際に、遠隔操作により消火を可能としたレーザ切断システムを提供する。
【解決手段】被加工物１２にレーザ光線９を照射するレーザ加工ヘッド８と、前記レーザ光線を発振するレーザ発振装置１６と、前記レーザ加工ヘッドに酸素ガスと不燃性ガスのうち少なくとも一方を供給すると共に流量調整が可能なガス供給切替え装置１７と、制御装置１８とを具備し、前記レーザ光線の照射部周辺での発火が検知された場合には、前記制御装置は前記レーザ発振装置からの前記レーザ光線の発振を停止させると共に、不燃性ガスの流量を増大させて前記レーザ加工ヘッドに供給する様前記ガス供給切替え装置を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高出力のレーザ光線により金属を切断するレーザ切断システム、特に構造物等の解体に用いられるレーザ切断システムに関するものである。

従来、レーザ光線により金属製の被加工物を切断する場合、特に板厚の厚い構造物を切断する場合には、酸素ガス等の支燃性ガスをアシストガスとして用い、レーザ光線による切断能力を高めることで、板厚の厚い被加工物の切断を行っていた。

然し乍ら、レーザ光線による切断時に、周囲に高温のドロスが飛散し、可燃物に接触して発火する虞れがあるが、従来は作業者が消火器等で直接消火する様になっており、作業者が立入れない場所に於ける遠隔操作による消火は考慮されていなかった。

又、切断能力を向上させる為のアシストガスとして酸素ガスを用いる場合、レーザ光線による被加工物の蒸発により生じるヒュームの発生量が増加するという問題があった。

尚、特許文献１には、レーザ切断用の加工ヘッドが原子炉格納容器内に配置され、レーザ発振器と遠隔制御装置が原子炉外部の付帯施設内に配置され、レーザ発振器から光ファイバを介して加工ヘッドに達したレーザ光が原子炉格納容器に照射されると共に、加工ヘッドの先端のガスノズルから高圧の切断ガスが吹き出される構成が開示されている。

特開２００１−１６６０９０号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、レーザ切断時に可燃物が発火した際に、遠隔操作により消火を可能としたレーザ切断システムを提供するものである。

本発明は、被加工物にレーザ光線を照射するレーザ加工ヘッドと、前記レーザ光線を発振するレーザ発振装置と、前記レーザ加工ヘッドに酸素ガスと不燃性ガスのうち少なくとも一方を供給すると共に流量調整が可能なガス供給切替え装置と、制御装置とを具備し、前記レーザ光線の照射部周辺での発火が検知された場合には、前記制御装置は前記レーザ発振装置からの前記レーザ光線の発振を停止させると共に、不燃性ガスの流量を増大させて前記レーザ加工ヘッドに供給する様前記ガス供給切替え装置を制御するレーザ切断システムに係るものである。

又本発明は、発火を検知する検知手段を更に具備し、前記制御装置は前記検知手段の発火検知に基づき、前記レーザ光線の発振を停止させ、不燃性ガスの流量を増大させる様前記レーザ発振装置と前記ガス供給切替え装置とを制御するレーザ切断システムに係るものである。

又本発明は、前記制御装置は、前記被加工物の板厚に応じて酸素ガスと不燃性ガスの少なくとも一方を選択し、前記レーザ加工ヘッドに供給する様前記ガス供給切替え装置を制御するレーザ切断システムに係るものである。

更に又本発明は、前記ガス供給切替え装置は、更に圧縮空気を前記レーザ加工ヘッドに供給可能であり、前記制御装置は、前記被加工物の板厚に応じて酸素ガスと不燃性ガスと圧縮空気のいずれか一つを選択し、前記レーザ加工ヘッドに供給する様前記ガス供給切替え装置を制御するレーザ切断システムに係るものである。

本発明によれば、被加工物にレーザ光線を照射するレーザ加工ヘッドと、前記レーザ光線を発振するレーザ発振装置と、前記レーザ加工ヘッドに酸素ガスと不燃性ガスのうち少なくとも一方を供給すると共に流量調整が可能なガス供給切替え装置と、制御装置とを具備し、前記レーザ光線の照射部周辺での発火が検知された場合には、前記制御装置は前記レーザ発振装置からの前記レーザ光線の発振を停止させると共に、不燃性ガスの流量を増大させて前記レーザ加工ヘッドに供給する様前記ガス供給切替え装置を制御するので、板厚の厚い前記被加工物を切断可能であると共に、発火箇所の酸素濃度を低下させ、遠隔操作により消火を行うことができ、安全性を向上させることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第１の実施例に係るレーザ切断システムを示す構成図である。 本発明の第２の実施例に係るレーザ切断システムを示す構成図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明の第１の実施例に係るレーザ切断システム１について説明する。

図１中、２は例えば原子力施設の建屋を示し、該建屋２内には解体が必要な放射性の構造物等が設けられた気密室３が設けられている。又、前記建屋２内には、隔離壁４により前記気密室３と気密に隔離された第１操作室５が設けられ、該第１操作室５と壁部６によって区切られる第２操作室７が設けられている。前記気密室３内は、前記隔離壁４により気密に閉鎖された閉鎖空間となっている。

又、前記気密室３の内部には、レーザ加工ヘッド８が配設されている。該レーザ加工ヘッド８は内部に複数のレンズからなるレンズユニット（図示せず）を有し、該レンズユニットにレーザ光線９をノズル１１の先端又は略先端に集光させ、該ノズル１１の先端より照射し、被加工物１２を切断する様になっている。又、前記レーザ加工ヘッド８は把持部１３を介してマニピュレータ等の移動装置（図示せず）に把持され、該移動装置が遠隔操作されることにより、前記気密室３内を移動可能となっている。

又、前記第１操作室５には、レーザ発振装置１６、ガス供給切替え装置１７、制御装置１８が設けられている。

前記レーザ発振装置１６は、前記レーザ光線９の発振停止が可能となっており、光ファイバユニット１９を介して前記レーザ加工ヘッド８と接続されている。前記レーザ発振装置１６で発振された前記レーザ光線９は前記光ファイバユニット１９を経て前記ノズル１１に導かれる様になっている。

前記ガス供給切替え装置１７は、ガス供給ライン２１を介して前記レーザ加工ヘッド８の前記ノズル１１に接続されている。前記ガス供給切替え装置１７は、後述する各ガス供給源２３，２４から供給されるガスのうち１つを選択するか、又は２つのガスを混合させ、前記ガス供給ライン２１を介して前記ノズル１１内に供給可能となっている。又、前記ガス供給切替え装置１７は、前記ノズル１１内に供給するガスの流量を調整可能となっている。

前記制御装置１８は、前記レーザ発振装置１６、前記ガス供給切替え装置１７、及び後述する冷却水供給装置２５等を制御する。即ち、前記制御装置１８は前記レーザ発振装置１６に前記レーザ光線９の発振及び停止を行わせると共に、前記ガス供給切替え装置１７に前記各ガス供給源２３，２４から供給されるガスのいずれか１つを選択するか、又は２つのガスを混合させ、流量調整して前記ノズル１１内に供給させ、更に前記冷却水供給装置２５に前記レーザ加工ヘッド８への冷却水の供給停止を行わせる様になっている。

前記第２操作室７には、前記酸素ガス供給源２３、前記不燃性ガス供給源２４、前記冷却水供給装置２５が設けられている。

前記酸素ガス供給源２３は酸素ガス供給ライン２７を介して前記ガス供給切替え装置１７に接続され、該ガス供給切替え装置１７にアシストガスとして高圧の酸素ガスを供給可能となっている。更に、前記不燃性ガス供給源２４は不燃性ガス供給ライン２８を介して前記ガス供給切替え装置１７に接続され、該ガス供給切替え装置１７に不燃性ガスとして、例えば窒素ガスを供給可能となっている。

又、前記冷却水供給装置２５は、冷却水供給ライン２９を介して前記レーザ加工ヘッド８に接続されている。前記レーザ加工ヘッド８内に形成された冷却水流路（図示せず）内を冷却水が流通することで、前記レーザ加工ヘッド８内のレンズユニットが冷却される。又、前記レーザ加工ヘッド８には排水ライン３１が接続され、前記冷却水流路を流通した冷却水は、前記排水ライン３１を介して前記気密室３の外部に排出される様になっている。

尚、前記光ファイバユニット１９、前記ガス供給ライン２１、前記冷却水供給ライン２９、前記排水ライン３１等は、前記隔離壁４を気密に貫通している。本実施例では、前記隔離壁４に予め設けられた既設配管３２を通して前記気密室３の内部に挿入されている。

前記レーザ切断システム１により前記被加工物１２の切断加工を行なう際には、先ず該被加工物１２が所定の板厚、例えば１０ｍｍ以上であるかどうかが前記制御装置１８に入力される。尚、前記レーザ加工ヘッド８には、切断加工が行われていない場合でも、前記冷却水供給装置２５より冷却水が供給され、常時冷却が行われている。

又、前記レーザ加工ヘッド８の先端と前記被加工物１２の表面との距離を、該被加工物１２の板厚に対応して設定する。該被加工物１２の板厚が大きく、アシストガスを前記被加工物１２の底面迄到達させるのが困難である場合には、前記レーザ加工ヘッド８の先端と前記被加工物１２の表面とを離反させることで、前記レーザ光線９はデフォーカス状態で前記被加工物１２を照射する。前記レーザ光線９はデフォーカス状態とすることで、該レーザ光線９のビーム径が広がり、切断幅が大きくなる。尚、ビーム径の広がりは、アシストガスが前記被加工物１２の底面に到達する様に設定する。

次に、切断加工の開始が入力されると、前記制御装置１８は、前記レーザ発振装置１６にレーザ光線９を発振させ、入力された前記被加工物１２の厚みに基づき、アシストガスとして窒素ガスと酸素ガスのいずれか一方を選択し、前記レーザ加工ヘッド８の前記ノズル１１内に供給する。

尚、アシストガスの選択は、切断加工を行う毎に作業者が前記制御装置１８に選択指令を入力してもよいし、予め記憶された設計データを基に前記制御装置１８が自動で選択する様にしてもよい。

前記被加工物１２の板厚が１０ｍｍ未満である場合には、前記制御装置１８はアシストガスとして窒素ガスを選択し、前記ガス供給切替え装置１７に窒素ガスを供給させる。

前記レーザ加工ヘッド８に内蔵されたレンズユニット（図示せず）により前記レーザ加工ヘッド８の先端で集光された前記レーザ光線９が前記ノズル１１の先端より照射されると共に、窒素ガスが前記ノズル１１の先端より前記レーザ光線９と同軸に噴出され、切断面の酸化が防止されつつ前記被加工物１２が切断される。

該被加工物１２の板厚が所定の厚み、例えば１０ｍｍ以上である場合には、前記制御装置１８はアシストガスとして酸素ガスを選択し、前記ガス供給切替え装置１７に高圧の酸素ガスを供給させ、燃焼効果を促進させる。

前記ノズル１１の先端より前記レーザ光線９が照射されると共に、該レーザ光線９と同軸に高圧の酸素ガスが噴出され、前記被加工物１２が切断される。又、前記レーザ光線９がデフォーカス状態で照射されることで切断幅が広がるので、前記被加工物１２の板厚が増大した場合でも該被加工物１２の底面までアシストガスを到達させることができる。

アシストガスとして酸素ガスが用いられることで、溶融した前記被加工物１２と酸素ガスとが反応し、該被加工物１２に作用するエネルギー量が増大するので、例えば１００ｍｍの板厚を有する金属の場合でも切断することができる。

前記被加工物１２の切断加工中、アシストガスに吹飛ばされた高温のドロス、スパッタ等が周囲に飛散り、前記レーザ光線９の照射部周辺にある可燃物に接触して発火する場合がある。

この場合、前記制御装置１８は、前記気密室３内での発火を検知すると、前記レーザ発振装置１６に前記レーザ光線９の発振を停止させ、前記ガス供給切替え装置１７から供給されるガスを酸素ガスから窒素ガスへと切替えさせると共に、前記ノズル１１内に供給される窒素ガスの流量をアシストガスとして供給する流量に対して増大させる。

前記ガス供給切替え装置１７が、前記ノズル１１内に供給されるガスを窒素ガスへと切替えることで、前記ノズル１１の先端から大流量の窒素ガスが噴出され、窒素ガスにより前記気密室３内の酸素濃度が低下し、該気密室３内が消火される。従って、作業者が前記気密室３内に立入ることなく消火を行うことができる。尚、窒素ガスの流量については、前記気密室３の容積等を考慮して決定される。

尚、該気密室３内での発火の検知は、前記気密室３内に設置されたカメラ（図示せず）の映像を介して作業者が目視し、消火の指令を作業者が直接前記制御装置１８に入力する様にしてもよいし、前記気密室３内に検知手段を設置し、該検知手段により自動で検知される様にしてもよい。又、核燃料施設に於ける切断加工の場合には、前記隔離壁４に遮蔽窓が設けられている為、作業者が遮蔽窓より前記気密室３内を確認する様にしてもよい。

又、発火の検知手段としては、例えば前記気密室３内に温度センサを設置し、前記気密室３内の温度が所定の温度以上となったのを検知することで、該気密室３内で発火したと判断する様にしてもよい。又、カメラの映像を画像処理し、溶接部以外の箇所での明度上昇を検知することで、前記気密室３内で発火したと判断する様にしてもよい。

尚、アシストガスとして窒素ガスを用いていた場合には、ガスの切替えは行われず、窒素ガスの流量の増大のみが行われる。

上述の様に、本実施例では、前記ガス供給切替え装置１７が酸素ガスと不燃性ガスである窒素ガスのいずれかを選択して供給可能であり、前記気密室３内での発火が検知された際には、ガスを切替えて不燃性ガスを供給すると共に流量を増大させ、前記ノズル１１の先端から大流量の不燃性ガスを噴出させる様にしている。従って、前記気密室３内の酸素濃度が低下され、遠隔操作により前記気密室３内での発火を消火することができ、安全性を向上させることができる。

又、前記被加工物１２の板厚に応じて、切断加工時に供給するアシストガスとして、窒素ガスと酸素ガスのいずれか一方を選択すると共に、前記レーザ加工ヘッド８の先端と前記被加工物１２の表面との距離を調整し、前記レーザ光線９をデフォーカス状態で前記被加工物１２を照射することで、前記レーザ光線９のビーム径を調整し、切断幅を調整する様にしているので、板厚が１００ｍｍ程度の厚い前記被加工物１２であっても切断が可能となる。

尚、本実施例では、不燃性ガスとして窒素ガスを用いているが、不燃性ガスとして、ネオンやアルゴン等の不活性ガスを用いてもよいのは言う迄もない。

又、本実施例では、前記壁部６により前記気密室３の外部を前記第１操作室５と前記第２操作室７とに区切っているが、前記壁部６を取外し、前記第１操作室５と前記第２操作室７を合わせて１つの操作室としてもよい。

又、本実施例では、切断加工時に前記ノズル１１内にアシストガスとして窒素ガスと酸素ガスのいずれかを供給する様にしているが、例えば前記ノズル１１内にパージガスとして窒素ガスを常時供給し、前記レーザ加工ヘッド８内への粉塵等の侵入を防止する様にしてもよい。

又、本実施例では、窒素ガスと酸素ガスのいずれか一方をアシストガスとして選択しているが、窒素ガスと酸素ガスとを混合させた混合ガスをアシストガスとしてもよい。この場合、前記被加工物１２の板厚が大きくなる程酸素ガスの割合を増加させる等、前記被加工物１２の板厚に応じて混合ガスの混合比率を変化させることで、所望の板厚の前記被加工物１２を切断することができる。

次に、図２に於いて、本発明の第２の実施例について説明する。尚、図２中、図１中と同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

第２の実施例では、酸素ガス供給源２３、不燃性ガス供給源２４に加え、ガス供給切替え装置１７に圧縮空気供給ライン２６を介して圧縮空気供給源２２が接続されており、前記ガス供給切替え装置１７は酸素ガス、不燃性ガス（窒素ガス）、圧縮空気のいずれかを選択すると共に流量を調整してノズル１１内に供給する様になっている。

第２の実施例に於いて、レーザ切断システム１により被加工物１２の切断加工を行なう際には、該被加工物１２が所定の板厚、例えば１０ｍｍ未満、１０ｍｍ以上３０ｍｍ〜４０ｍｍ未満、３０ｍｍ〜４０ｍｍ以上であるかが制御装置１８に入力される。

該制御装置１８は、前記被加工物１２の板厚が１０ｍｍ未満である場合にはアシストガスとして不燃性ガス、例えば窒素ガスを選択し、前記被加工物１２の板厚が１０ｍｍ以上３０ｍｍ〜４０ｍｍ未満である場合にはアシストガスとして圧縮空気を選択し、前記被加工物１２の板厚が３０ｍｍ〜４０ｍｍ以上である場合にはアシストガスとして酸素ガスを選択し、前記ガス供給切替え装置１７に選択したアシストガスを供給させ、前記被加工物１２の切断が行われる。

又、切断加工中に気密室３内で発火が生じた場合には、第１の実施例と同様、前記ノズル１１内に供給するガスを窒素ガスへと切替えると共に流量を増大させ、前記ノズル１１の先端から大流量の窒素ガスを噴出させることで、前記気密室３内の酸素濃度を低下させ、該気密室３内を消火する。

本実施例では、アシストガスとして圧縮空気が用いられることで、溶融金属を吹飛ばすと共に、前記被加工物１２の切断部の奥まで圧縮空気が到達し、又圧縮空気中の酸素により燃焼効果が促進され、厚板の切断が可能となる。

又、アシストガスとして高圧の圧縮空気が用いられることで、切断加工の際に生じる高温のドロス、スパッタ等を吹飛ばす効果が高まるので、ドロスの残留が抑止され、前記被加工物１２，１２間で再固着するのが防止され、切断効率を向上させることができる。

又、アシストガスとして圧縮空気が用いられることで、アシストガス中の酸素濃度が低くなるので、前記被加工物１２の燃焼が抑制され、前記レーザ光線９が前記被加工物１２を蒸発させるエネルギーが少なくなり、酸素ガスを用いる場合よりも金属ヒュームの発生量を低減させることができる。

１ レーザ切断システム ３ 気密室
８ レーザ加工ヘッド １２ 被加工物
１６ レーザ発振装置 １７ ガス供給切替え装置
１８ 制御装置 ２２ 圧縮空気供給源
２３ 酸素ガス供給源 ２４ 不燃性ガス供給源
２５ 冷却水供給装置

Claims (4)

1. 被加工物にレーザ光線を照射するレーザ加工ヘッドと、前記レーザ光線を発振するレーザ発振装置と、前記レーザ加工ヘッドに酸素ガスと不燃性ガスのうち少なくとも一方を供給すると共に流量調整が可能なガス供給切替え装置と、制御装置とを具備し、前記レーザ光線の照射部周辺での発火が検知された場合には、前記制御装置は前記レーザ発振装置からの前記レーザ光線の発振を停止させると共に、不燃性ガスの流量を増大させて前記レーザ加工ヘッドに供給する様前記ガス供給切替え装置を制御することを特徴とするレーザ切断システム。
2. 発火を検知する検知手段を更に具備し、前記制御装置は前記検知手段の発火検知に基づき、前記レーザ光線の発振を停止させ、不燃性ガスの流量を増大させる様前記レーザ発振装置と前記ガス供給切替え装置とを制御する請求項１のレーザ切断システム。
3. 前記制御装置は、前記被加工物の板厚に応じて酸素ガスと不燃性ガスの少なくとも一方を選択し、前記レーザ加工ヘッドに供給する様前記ガス供給切替え装置を制御する請求項１又は請求項２のレーザ切断システム。
4. 前記ガス供給切替え装置は、更に圧縮空気を前記レーザ加工ヘッドに供給可能であり、前記制御装置は、前記被加工物の板厚に応じて酸素ガスと不燃性ガスと圧縮空気のいずれか一つを選択し、前記レーザ加工ヘッドに供給する様前記ガス供給切替え装置を制御する請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載のレーザ切断システム。

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