JP2017104891A - レーザ切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切断不良を抑制でき、切断対象物を効率良く切断できるレーザ切断装置を提供する。
【解決手段】レーザ切断装置は、切断対象物にレーザ光を照射して切断対象物を切断する。レーザ切断装置は、切断対象物の表面と対向し切断対象物に対して切断方向に相対移動しながらレーザ光を射出する射出部を有するレーザヘッドと、射出部から射出されたレーザ光による切断対象物の切断部にアシストガスを供給する供給口を含むアシストガス供給部と、切断部の移動により切断対象物に形成された切断溝に少なくとも一部が配置され、アシストガス供給部から供給された前記アシストガスを整流する整流部材と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ切断装置に関する。

特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に開示されているように、コンクリート壁を切断する方法としてレーザ切断装置を用いる方法が知られている。レーザ切断装置は、コンクリート壁にレーザ光を照射してコンクリート壁を溶融させることによって切断する。レーザ光の照射により生成されたコンクリートの溶融物（ドロス）は、供給されるアシストガスによって除去される。アシストガスは、コンクリート壁の外側から溶融物に供給される。アシストガスを供給する方式として、レーザ光を射出するレーザヘッドから供給する方式、及びレーザヘッドとは別のガス供給ノズルから供給する方式が存在する。

特許第２５５１２５３号公報 特許第２６１６２７８号公報 特許第２７２０６６９号公報

レーザ光が照射されることによりコンクリート壁に切断溝が形成され、溶融物の少なくとも一部は切断溝の内側に生成される。コンクリート壁の外側から切断溝にアシストガスを供給する方式の場合、切断溝の内側でアシストガスが拡散し、コンクリート壁の表面から離れるほどアシストガスの流量又は流速が低下する。その結果、切断溝から溶融物が十分に排出されず、切断溝の内側に滞留してしまう。

また、コンクリート壁の外側から切断溝にアシストガスを供給する場合、アシストガスが切断溝の内側に十分に入り込めない可能性がある。その場合においても、切断溝から溶融物が十分に排出されず、切断溝の内側に滞留してしまう。また、切断溝の内側にアシストガスを入り込ませようとして供給するアシストガスの流量又は流速を増大させると、アシストガスのロス分又は消費量が増えてしまうこととなる。

また、切断溝の内側に滞留した溶融物が排出されずに冷えてしまうと、コンクリート壁がレーザ光で切断されても、冷えた溶融物で再び接着してしまい、コンクリート壁の切断不良がもたらされる。

本発明は、コンクリート壁のような切断対象物の切断において切断不良を抑制でき、切断対象物を効率良く切断できるレーザ切断装置を提供することを目的とする。

本発明は、切断対象物にレーザ光を照射して前記切断対象物を切断するレーザ切断装置であって、前記切断対象物の表面と対向し前記切断対象物に対して切断方向に相対移動しながら前記レーザ光を射出する射出部を有するレーザヘッドと、前記射出部から射出された前記レーザ光による前記切断対象物の切断部にアシストガスを供給する供給口を含むアシストガス供給部と、前記切断部の移動により前記切断対象物に形成された切断溝に少なくとも一部が配置され、前記アシストガス供給部から供給された前記アシストガスを整流する整流部材と、を備えるレーザ切断装置を提供する。

前記整流部材は、前記レーザ光の光路に面するガイド面を有し、前記ガイド面は、前記切断対象物の裏面に向かって前記切断方向に垂直な方向に対して離れるように傾斜することが好ましい。

前記整流部材は、前記切断方向に移動することが好ましい。

前記整流部材の少なくとも一部は、前記切断対象物の前記表面の外側に配置され、前記アシストガス供給部は、前記表面の外側から前記アシストガスを供給することが好ましい。

前記供給口は、前記切断溝に配置されることが好ましい。

本発明は、切断対象物にレーザ光を照射して前記切断対象物を切断するレーザ切断装置であって、前記切断対象物の表面と対向し前記切断対象物に対して切断方向に相対移動しながら前記レーザ光を射出する射出部を有するレーザヘッドと、前記レーザ光の照射により前記切断対象物に形成された切断溝に配置され、アシストガスを供給する供給口を含むアシストガス供給部と、を備えるレーザ切断装置を提供する。

少なくとも一部が前記切断溝に配置され、前記レーザ光による前記切断対象物の切断部に面する対向面を有する挿入部材を備え、前記供給口は、前記対向面に配置されることが好ましい。

前記対向面は、前記切断対象物の裏面に向かって前記切断方向に垂直な方向に対して離れるように傾斜することが好ましい。

前記挿入部材は、前記切断方向に移動することが好ましい。

前記アシストガス供給部において、前記切断方向に垂直な方向に沿って前記供給口が複数設けられることが好ましい。

前記アシストガス供給部から供給される前記アシストガスを加熱する加熱装置を備えることが好ましい。

前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部から射出される前記レーザ光の焦点位置を変更可能な焦点位置変更光学系を備え、前記レーザヘッドは、前記切断対象物の表面と裏面との間において前記焦点位置を変更しながら前記射出部から前記レーザ光を射出することが好ましい。

本発明は、切断対象物にレーザ光を照射して前記切断対象物を切断するレーザ切断装置であって、前記切断対象物の表面と対向し前記切断対象物に対して切断方向に相対移動しながら前記レーザ光を射出する射出部を有するレーザヘッドと、前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部から射出される前記レーザ光の焦点位置を変更可能な焦点位置変更光学系と、を備え、前記レーザヘッドは、前記切断対象物の表面と裏面との間において前記焦点位置を変更しながら前記射出部から前記レーザ光を射出する、レーザ切断装置を提供する。

前記焦点位置変更光学系は、前記焦点位置が前記裏面に近付くほど前記射出部から射出される前記レーザ光をコリメート化することが好ましい。

前記射出部から射出される前記レーザ光は、前記切断対象物を溶融する第１レーザ光と、前記第１レーザ光よりも移動方向後方において照射され前記切断対象物の溶融物を加熱する第２レーザ光と、を含むことが好ましい。

本発明は、切断対象物にレーザ光を照射して前記切断対象物を切断するレーザ切断装置であって、前記切断対象物の表面と対向し前記切断対象物に対して切断方向に相対移動しながら前記レーザ光を射出する射出部を有するレーザヘッドを備え、前記射出部から射出される前記レーザ光は、前記切断対象物を溶融する第１レーザ光と、前記第１レーザ光よりも移動方向後方において照射され前記切断対象物の溶融物を加熱する第２レーザ光と、を含む、レーザ切断装置を提供する。

前記第２レーザ光の拡がり角度は、前記第１レーザ光の拡がり角度よりも小さいことが好ましい。

前記レーザヘッドに設けられ、前記レーザ光の照射領域のうち移動方向前方の第１領域のエネルギー密度を前記移動方向後方の第２領域のエネルギー密度よりも高める回折光学素子を備えることが好ましい。

前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部から射出される前記レーザ光の断面の前記切断方向と直交する方向の寸法を拡大する形状調整光学素子を備えることが好ましい。

前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部から射出される前記レーザ光を前記切断方向と直交する方向に振動させる第１振動光学素子を備えることが好ましい。

前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部から射出される前記レーザ光を前記切断方向に振動させる第２振動光学素子を備えることが好ましい。

前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部に最も近い集光光学素子を備え、前記第２振動光学素子は、前記レーザ光が前記集光光学素子の光軸と平行又は移動方向前方に照射される第１状態と移動方向後方に照射される第２状態との間で前記レーザ光を振動させ、前記第１状態の時間は、前記第２状態の時間よりも長いことが好ましい。

本発明によれば、切断不良を抑制でき、切断対象物を効率良く切断できるレーザ切断装置が提供される。

図１は、第１実施形態に係るレーザ切断装置を模式的に示す図である。 図２は、第１実施形態に係るレーザ切断装置を模式的に示す斜視図である。 図３は、従来例に係る図であって整流部材が設けられない場合の溶融物の状態を模式的に示す図である。 図４は、第１実施形態に係るレーザ切断装置の変形例を示す図である。 図５は、第１実施形態に係るレーザ切断装置の変形例を示す図である。 図６は、第２実施形態に係るレーザ切断装置の一例を模式的に示す斜視図である。 図７は、第３実施形態に係るレーザ切断装置の光学系の一例を模式的に示す図である。 図８は、第４実施形態に係るレーザ切断装置の光学系の一例を模式的に示す図である。 図９は、従来例に係る図であって図８に示した光学系から形状調整光学素子を省略したときのレーザ光の照射領域の形状の一例を示す図である。 図１０は、第４実施形態に係る図であって図８に示したような形状調整光学素子が設けられているときのレーザ光Ｌの照射領域の形状の一例を示す図である。 図１１は、第５実施形態に係るレーザ切断装置の光学系の一例を模式的に示す図である。 図１２は、第５実施形態に係るレーザ光の照射領域におけるエネルギー密度分布の一例を示す図である。 図１３は、第６実施形態に係るレーザ切断装置の光学系の一例を模式的に示す図である。 図１４は、第６実施形態に係るレーザ光の照射方向を模式的に示す図である。 図１５は、第６実施形態に係るレーザ光を振動させる方法を説明するための図である。 図１６は、第７実施形態に係るレーザ切断装置の光学系の一例を模式的に示す図である。 図１７は、第８実施形態に係るレーザ切断装置の光学系の一例を模式的に示す図である。 図１８は、第８実施形態に係るレーザヘッドの動作の一例を示す模式図である。 図１９は、従来例に係る図であって光学系に焦点位置変更光学系に設けられてなくレーザ光の焦点位置が変更されない例を示す図である。 図２０は、第８実施形態に係る焦点位置変更光学系の変形例を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

＜第１実施形態＞
第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ａを模式的に示す図である。レーザ切断装置１Ａは、切断対象物Ｓにレーザ光Ｌを照射して切断対象物Ｓを切断する。本実施形態において、切断対象物Ｓは、コンクリート壁Ｓである。コンクリート壁Ｓは、例えば原子炉建屋に使用される鉄筋コンクリート壁である。

レーザ切断装置１Ａは、コンクリート壁Ｓの表面Ｓａと対向するように配置され、レーザ光を射出する射出部２を有するレーザヘッド３と、レーザ光Ｌの照射により発生したコンクリート壁Ｓの溶融物Ｄ（ドロス）を除去するためのアシストガスＧを供給するアシストガス供給部４とを備える。

また、レーザ切断装置１Ａは、レーザ光源５と、アシストガス供給源６と、レーザ光源５から送出されたレーザ光Ｌが伝播する光ファイバ７と、アシストガス供給源６から送出されたアシストガスＧが流れる供給管８と、レーザ切断装置１Ａを制御する制御装置９とを備える。

レーザヘッド３は、レーザ光源５からのレーザ光Ｌが供給される光学系１０と、光学系１０を保持する鏡筒１１と、鏡筒１１と接続されるノズル１２とを有する。

レーザ光源５は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器を含む。本実施形態において、レーザ光源５は、ファイバレーザ光源である。ファイバレーザ光源は、光ファイバを媒質としてレーザ光Ｌを出力する。ファイバレーザ出力装置として、例えば、ファブリペロー型ファイバレーザ出力装置又はリング型ファイバレーザ出力装置が用いられてもよい。ファイバレーザ出力装置のファイバとして、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、及びイッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素が添加されたシリカガラスが用いられてもよい。なお、レーザ光源５は、パルスレーザ光源でもよい。パルスレーザ光源は、例えば高出力のＹＡＧレーザパルス光源も使用可能である。

レーザ光源５から出力されたレーザ光Ｌは、光ファイバ７を介してレーザヘッド３に供給される。レーザ光Ｌは、鏡筒１１に保持されている光学系１０に入射する。光学系１０は、複数の光学素子を有する。光学素子は、レーザ光Ｌをコリメートするコリメート光学素子、及びレーザ光Ｌを集光してコンクリート壁Ｓに導く集光光学素子を含む。

ノズル１２は、レーザ光Ｌの進行方向に向かって径が縮小する中空の円錐形状である。ノズル１２は、射出部２を有する。射出部２は、ノズル１２の先端部に設けられた開口部である。光学系１０を通過したレーザ光Ｌは射出部２から射出される。光学系１０の複数の光学素子のうち射出部２に最も近い集光光学素子１０Ａから射出されたレーザ光Ｌは、射出部２を介してコンクリート壁Ｓの表面Ｓａに照射される。

アシストガス供給部４は、アシストガスを供給可能な供給口４Ｍを含み、射出部２から射出されたレーザ光Ｌによるコンクリート壁Ｓの切断部にアシストガスＧを供給する。切断部とは、レーザ光Ｌの照射によりコンクリート壁Ｓが溶融して切断される部位をいう。本実施形態において、アシストガス供給部４の供給口４Ｍは、ノズル１２の先端部に設けられた開口部である。アシストガスＧは、ノズル１２の開口部から噴射され、コンクリート壁Ｓに供給される。アシストガスＧとして、例えば、空気、窒素ガス、アルゴンガス、キセノンガス、Ｃｏ_２ガス、又はこれらの混合ガスを用いることができる。

アシストガス供給源６は、アシストガス供給部４の供給口４Ｍから噴射させるためのアシストガスＧをノズル１２に供給する。アシストガス供給源６から送出されたアシストガスＧは、供給管８を介してノズル１２に供給される。アシストガス供給源６からのアシストガスＧは、集光光学素子１０Ａの光射出面１０Ａａとアシストガス供給部４との間の空間に供給された後、アシストガス供給部４の供給口４Ｍからコンクリート壁Ｓに供給される。

制御装置９は、コンピュータシステムを含み、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサと、ＲＯＭ（Read Only Memory）又はＲＡＭ（Random Access Memory）のようなメモリと、入出力インターフェース回路とを有する。

図２は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ａを模式的に示す斜視図である。本実施形態において、ノズル１２の開口部は、射出部２及びアシストガス供給部４の両方の機能を有する。レーザ光Ｌによるコンクリート壁Ｓの切断において、射出部２及びアシストガス供給部４の両方がコンクリート壁Ｓの表面Ｓａと対向する。アシストガスＧは、レーザヘッド３からレーザ光Ｌと同軸の関係でレーザ光Ｌと一緒にコンクリート壁Ｓに供給される。

レーザヘッド３から射出されたレーザ光Ｌがコンクリート壁Ｓに照射されることにより、コンクリート壁Ｓの少なくとも一部が溶融し、そのコンクリート壁Ｓに切断溝Ｖが形成される。切断溝Ｖは、切断部が切断方向に移動することによりコンクリート壁Ｓに形成される。レーザ切断装置１Ａは、レーザヘッド３を切断方向に移動するための動力を発生する駆動装置（不図示）を備える。レーザヘッド３は、コンクリート壁Ｓに対して切断方向に移動しながら射出部２からレーザ光Ｌを射出する。これにより、切断溝Ｖが切断方向に拡大し、コンクリート壁Ｓが切断される。

以下の説明においては、切断方向におけるレーザヘッド３の進行方向の前方を適宜、移動方向前方、と称し、移動方向前方の逆方向を適宜、移動方向後方、と称する。

なお、本実施形態においては、切断対象物Ｓであるコンクリート壁Ｓの位置が固定されレーザヘッド３が移動することとするが、切断対象物Ｓが移動可能である場合、切断対象物Ｓの切断において切断対象物Ｓが切断方向に移動してもよいし、レーザヘッド３及び切断対象物Ｓの両方が切断方向に移動してもよい。

図２に示すように、レーザ光Ｌは、コンクリート壁Ｓの表面Ｓａに実質的に垂直に入射する。表面Ｓａに入射したレーザ光Ｌは、コンクリート壁Ｓを溶融しながら裏面Ｓｂに向かって進行する。これにより、コンクリート壁Ｓがレーザ光Ｌによって貫通され、切断溝Ｖが形成される。そのレーザ光Ｌが切断方向に移動することにより、切断溝Ｖが切断方向に拡大し、コンクリート壁Ｓが切断される。

本実施形態において、レーザ切断装置１Ａは、コンクリート壁Ｓに形成された切断溝Ｖに少なくとも一部が配置され、アシストガス供給部４から供給されたアシストガスＧを整流する整流部材１３を備える。整流部材１３は、板状の部材である。整流部材１３は、アシストガス供給部４から供給されたアシストガスＧをコンクリート壁Ｓの裏面Ｓｂ側にガイドする。

整流部材１３は、切断方向に移動する。レーザヘッド３と整流部材１３とは、不図示の連結部材を介して連結されており、一緒に移動可能である。なお、レーザヘッド３を移動する駆動装置と、整流部材１３を移動する駆動装置とが別々に設けられてもよい。その場合、それら２つの駆動装置は、レーザヘッド３と整流部材１３とは同速度で移動するように制御される。

整流部材１３は、レーザ光Ｌによるコンクリート壁Ｓの切断部に面するガイド面１３Ｇを有する。本実施形態において、ガイド面１３Ｇは、レーザ光Ｌの光路に面するように配置され、レーザ光Ｌの光路（集光光学素子１０Ａの光軸ＡＸ）と実質的に平行である。

整流部材１３の一部は、コンクリート壁Ｓの表面Ｓａの外側に配置されてもよい。図２に示す例では、整流部材１３の一端部１３Ａがコンクリート壁Ｓの表面Ｓａよりも外側（図２では上方）に突出し、整流部材１３の他端部１３Ｂがコンクリート壁Ｓの裏面Ｓｂよりも外側（図２では下方）に突出する。

アシストガス供給部４は、コンクリート壁Ｓの表面Ｓａの外側から（図２では上方から）、加工溝Ｖに向けてアシストガスＧを供給する。

次に、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ａの動作について説明する。射出部２及びアシストガス供給部４とコンクリート壁Ｓの表面Ｓａとが対向した状態で、射出部２からレーザ光Ｌが射出され、アシストガス供給部４からアシストガスＧが噴射される。レーザヘッド３は、レーザ光Ｌを射出しアシストガスＧを噴射しながら切断方向前方に移動する。整流部材１３は、レーザヘッド３との相対位置を維持したまま、レーザヘッド３と一緒に切断方向前方に移動する。

レーザ光Ｌの照射により切断溝Ｖが形成され、切断溝Ｖの内側にコンクリート壁Ｓの溶融物Ｄが生成される。アシストガス供給部４は、レーザ光Ｌの光路にアシストガスＧを供給して、切断溝Ｖの内側にアシストガスＧを供給する。コンクリート壁Ｓの表面Ｓａ側から切断溝Ｖに供給されたアシストガスＧは、切断溝Ｖを裏面Ｓｂ側に向かって流れる。切断溝Ｖの内側に生成された溶融物Ｄは、表面Ｓａ側から裏面Ｓｂ側に向かって流れるアシストガスＧの力により裏面Ｓｂ側から排出される。

本実施形態においては、切断溝Ｖに整流部材１３が配置される。整流部材１３のガイド面１３Ｇと、コンクリート壁Ｓが未だ切断されていない部分である切断溝Ｖの底面Ｖｂとの間に、表面Ｓａと裏面Ｓｂとを貫く流路Ｆが形成される。アシストガス供給部４から切断溝Ｖの内側に噴射されたアシストガスＧは、整流部材１３によって拡散を防止されつつ、流路Ｆを表面Ｓａ側から裏面Ｓｂ側に向かって一方向に流れる。これにより、表面Ｓａ側から切断溝Ｖに流入したアシストガスＧは、流量又は流速を維持したまま裏面Ｓｂ側に導かれる。そのため、溶融物Ｄは、切断溝Ｖに滞留することなく切断溝Ｖから円滑に排出される。

図３は、従来例に係る図であって整流部材１３が設けられない場合の溶融物Ｄの状態を模式的に示す図である。整流部材１３が設けられない場合、アシストガス供給部４から切断溝Ｖの内側に供給されたアシストガスＧは、切断方向後方に拡散してしまう。そのため、表面Ｓａ側から切断溝Ｖに流入したアシストガスＧのうち、裏面Ｓｂまで到達するアシストガスＧの流量又は流速は低下してしまう。その結果、図３に示すように、溶融物Ｄが切断溝Ｖから排出しきれず、裏面Ｓｂの近傍の切断溝Ｖの内側に滞留してしまう。切断溝Ｖの内側に滞留した溶融物Ｄが冷えてしまうと、コンクリート壁Ｓは冷えた溶融物で再び接着してしまい、コンクリート壁Ｓの切断不良がもたらされる。

本実施形態においては、切断溝Ｖに整流部材１３が配置されるので、コンクリート壁Ｓの表面Ｓａの外側に配置されたアシストガス供給部４から切断溝Ｖに供給されたアシストガスＧは、流量又は流速を維持したまま、切断溝Ｖを表面Ｓａ側の空間から裏面Ｓｂ側の空間まで流れることができる。したがって、切断溝Ｖの内側に生成された溶融物Ｄは、切断溝Ｖから十分に排出される。

また、本実施形態においては、整流部材１３は、レーザヘッド３と一緒に切断方向に移動する。これにより、切断溝Ｖの底面Ｖｂとガイド面１３Ｇの距離とは常に一定に維持され、流路Ｆが実質的に同一サイズで形成され続ける。そのため、表面Ｓａ側から切断溝Ｖに流入したアシストガスＧは、溶融物Ｄを排出するために十分な流量又は流速を維持したまま裏面Ｓｂ側に導かれる。

図４は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ａの変形例を示す図である。上述の実施形態においては、ノズル１２の開口部が射出部２とアシストガス供給部４との両方の機能を有することとした。図４に示すように、アシストガス供給部４を有するガス供給ノズル４Ｎが、射出部２を有するレーザヘッド３とは別に設けられてもよい。図４に示す例において、アシストガス４は、切断方向において射出部２と整流部材１３との間に配置される。レーザヘッド３と整流部材１３とガス供給ノズル４Ｎとは切断方向に一緒に移動する。

図５は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ａの変形例を示す図である。上述の実施形態においては、ガイド面１３Ｇは、レーザ光Ｌの光路と実質的に平行であることとした。図５に示すように、ガイド面１３Ｇは、コンクリート壁Ｓの裏面Ｓｂに向かってレーザ光Ｌの光路（集光光学素子１０Ａの光軸ＡＸ）から離れるように傾斜してもよい。すなわち、ガイド面１３Ｇは、コンクリート壁Ｓの裏面Ｓｂに向かって切断方向ＶＳに垂直な方向ＨＳに対して離れるように傾斜してもよい。溶融物Ｄは飛散するので、整流部材１３に飛散した溶融物Ｄが付着すると、整流部材１３とコンクリート壁Ｓとが溶融物Ｄにより固着し、整流部材１３がコンクリート壁Ｓに固定されてしまう可能性がある。ガイド面１３Ｇを傾斜させることにより、溶融物Ｄが整流部材１３に付着することが抑制され、整流部材１３がコンクリート壁Ｓに固定されることが抑制される。

なお、上述の実施形態においては、整流部材１３が板状の部材であることとした。整流部材１３は棒状の部材でもよい。

＜第２実施形態＞
第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図６は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ｂの一例を模式的に示す斜視図である。図６に示すように、本実施形態において、アシストガス供給部４の供給口４Ｍは、コンクリート壁Ｓに形成された切断溝Ｖに配置される。

レーザ切断装置１Ｂは、少なくとも一部が切断溝Ｖに配置される挿入部材１４を備える。挿入部材１４は、射出部２から射出されたレーザ光Ｌの光路に面する対向面１４Ｇを有する。アシストガス供給部４は、対向面１４Ｇに配置される。

本実施形態において、アシストガス供給部４の供給口４Ｍは、挿入部材１４の対向面１４Ｇに形成された開口部である。挿入部材１４の内部にはアシストガス供給部４の供給口４Ｍと接続される内部流路１４Ｆが形成される。挿入部材１４の内部流路１４Ｆは、供給管８を介してアシストガス供給源６と接続される。アシストガス供給源６から送出されたアシストガスＧは、挿入部材１４の内部流路１４Ｆを流れた後、アシストガス供給部４の供給口４Ｍから、対向面１４Ｇと切断溝Ｖの底面Ｖｂとの間の流路Ｆに供給される。アシストガス供給部４は、底面Ｖｂに向かってアシストガスＧを噴射する。

図６に示すように、アシストガス供給部４の供給口４Ｍは、レーザ光Ｌの光路に沿って複数設けられる。すなわち、アシストガス供給部４において、切断方向ＶＳに垂直な方向ＨＳに沿って供給口４Ｍが複数設けられる。アシストガス供給部４の複数の供給口４ＭからアシストガスＧが同時に噴射される。

本実施形態において、対向面１４Ｇは、コンクリート壁Ｓの裏面Ｓｂに向かって切断方向ＶＳに垂直な方向ＨＳに対して離れるように傾斜する。

上述の実施形態と同様、レーザヘッド３は、コンクリート壁Ｓに対して切断方向前方に移動しながら射出部２からレーザ光Ｌを射出する。挿入部材１４は、レーザヘッド３と一緒に切断方向前方に移動する。

また、本実施形態において、レーザ切断装置１Ｂは、アシストガス供給部４から供給されるアシストガスＧを加熱する加熱装置１５を備える。本実施形態において、加熱装置１５は、供給管８に配置され、アシストガス供給源６から送出されたアシストガスＧを加熱して、アシストガス供給部４に供給する。

次に、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ｂの動作について説明する。射出部２とコンクリート壁Ｓの表面Ｓａとが対向し、切断溝Ｖに挿入部材１４が配置された状態で、射出部２からレーザ光Ｌが射出され、アシストガス供給部４の供給口４ＭからアシストガスＧが噴射される。レーザヘッド３はレーザ光Ｌを射出しながら切断方向前方に移動し、挿入部材１４はアシストガスＧが噴射しながら切断方向前方に移動する。レーザヘッド３と挿入部材１４とは、相対位置を維持したまま一緒に切断方向前方に移動する。

レーザ光Ｌの照射により切断溝Ｖが形成され、切断溝Ｖの内側にコンクリート壁Ｓの溶融物Ｄが生成される。本実施形態においては、切断溝Ｖの内側にアシストガス供給部４の供給口４Ｍが配置されており、切断溝Ｖの内側で生成された溶融物Ｄに近い距離から直接的にアシストガスＧを噴射することができる。これにより、アシストガスＧの力が溶融物Ｄに十分に作用し、切断溝Ｖの内側に生成された溶融物Ｄは、溶融物Ｄは切断溝Ｖに滞留することなく、切断溝Ｖから円滑に排出される。

また、本実施形態においては、アシストガス供給部４から供給されたアシストガスＧは切断溝Ｖの内側に十分に入り込むため、コンクリート壁Ｓ（切断溝Ｖ）の外側から切断溝ＶにアシストガスＧを供給する方式に比べて、アシストガス供給部４から噴射するアシストガスＧの流量又は流速を小さくしても、溶融物Ｄを排出するために十分な流量又は流速のアシストガスＧが溶融物Ｄに供給される。そのため、アシストガスＧのロス分が低減され、アシストガスＧの消費量は抑制される。

また、本実施形態においては、アシストガス供給部４の供給口４Ｍは、レーザ光Ｌの光路に沿って複数設けられる。複数のアシストガス供給部４の供給口４Ｍのうち、少なくとも一部の供給口４Ｍは、表面Ｓａの近傍の切断溝ＶにおいてアシストガスＧを噴射し、少なくとも一部の供給口４Ｍは、裏面Ｓｂの近傍の切断溝ＶにおいてアシストガスＧを噴射する。そのため、表面Ｓａの近傍の切断溝Ｖのみならず、裏面Ｓｂの近傍の切断溝Ｖにも、溶融物Ｄを排出するために十分な流量又は流速のアシストガスＧが供給されるため、溶融物Ｄは切断溝Ｖから十分に排出される。

また、アシストガス供給部４の供給口４Ｍは、挿入部材１４の対向面１４Ｇに配置される。そのため、アシストガス供給部４は、ガイド面１４Ｇと底面Ｖｂとの間に形成された流路ＦにアシストガスＧを供給することができる。これにより、アシストガスＧの拡散が抑制され、アシストガス供給部４から噴射されたアシストガスＧは、裏面Ｓｂ側に向かって流れることができる。したがって、溶融物Ｄは裏面Ｓｂ側から切断溝Ｖの外側に円滑に排出される。

また、対向面１４Ｇは、コンクリート壁Ｓの裏面Ｓｂに向かってレーザ光Ｌの光路から離れるように傾斜する。複数のアシストガス供給部４から供給されるアシストガスにより、コンクリート壁Ｓの裏面Ｓｂに近付くにつれてアシストガスの流量が増すこととなる。対向面１４Ｇを傾斜させることにより、アシストガスの流速が一定に保たれ、圧損が一定となり、アシストガスが円滑に流れる。また、図５を参照して説明した実施形態と同様、対向面１４Ｇを傾斜させることにより、溶融物Ｄの飛散により挿入部材１４とコンクリート壁Ｓとが固定されることが抑制される。

また、挿入部材１４は、レーザヘッド３と一緒に切断方向に移動する。これにより、切断溝Ｖの底面Ｖｂと対向面１４Ｇの距離とは常に一定に維持され、流路Ｆが実質的に同一サイズで形成され続ける。そのため、表面Ｓａ側から切断溝Ｖに流入したアシストガスＧは、溶融物Ｄを排出するために十分な流量又は流速を維持したまま裏面Ｓｂ側に導かれる。

また、本実施形態においては、加熱装置１５で加熱されたアシストガスＧがアシストガス供給部４から供給される。高温のアシストガスＧが供給されることにより、溶融物Ｄの排出中において溶融物Ｄの粘性の低下が抑制される。溶融物Ｄの粘性の低下が抑制されることにより、溶融物Ｄの滞留が抑制され、溶融物Ｄは切断溝Ｖから円滑に排出される。

また、本実施形態においては、挿入部材１４は、板状の部材である。これにより、曲げ、振動、及び揺動に対する強度が増すとともに、アシストガスＧの噴射方向を容易に設定することができる。また、挿入部材１４の内部流路１４Ｆを大きくすることにより圧損を抑制することができる。

なお、挿入部材１４は、上述の実施形態で説明したような整流部材１３と同様、アシストガス供給部４から供給されたアシストガスＧを整流してコンクリート壁Ｓの裏面Ｓｂ側にガイドする機能を有してもよい。

なお、上述の実施形態で説明したような整流部材１３のアシストガス供給部４の供給口４ＭからアシストガスＧを噴射する際に、供給口４Ｍと併用してレーザヘッド３の射出部２からアシストガスＧを噴出してもよい。

＜第３実施形態＞
第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図７は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ｃの光学系１０の一例を模式的に示す図である。本実施形態においては、レーザヘッド３に設けられた光学系１０は、射出部２から射出されるレーザ光Ｌを切断方向と直交する方向に振動させる第１振動光学素子１０Ｃを備える。

光学系１０は、少なくとも、レーザ光Ｌを集光させる集光光学素子１０Ａと、集光光学素子１０Ａよりもレーザ光の光路の上流側に配置されレーザ光をコリメートするコリメート光学素子１０Ｂとを有する。第１振動光学素子１０Ｃは、集光光学素子１０Ａとコリメート光学素子１０Ｂとの間に配置され、第１振動光学素子１０Ｃには、コリメート光学素子１０Ｂにてコリメートされたレーザ光Ｌが入射する。

第１振動光学素子１０Ｃは、例えばガルバノミラーであり、集光光学素子１０Ａから射出されるレーザ光Ｌの射出角度を変更可能である。第１振動光学素子１０Ｃは、射出角度を時間的に変化させて、射出部２から射出されるレーザ光Ｌを表面Ｓａと平行な面内において切断方向と直交する方向に振動させる。

コンクリート壁Ｓを溶融するための十分なレーザ光Ｌのエネルギー密度を確保するために、レーザ光Ｌの断面積（ビームスポット径）は小さい方が好ましい。一方、レーザ光Ｌのビームスポット径が小さくなると、切断溝Ｖの幅が狭くなり、切断溝ＶにアシストガスＧを供給したとき、切断溝Ｖでの圧損が大きくなり、切断溝ＶへのアシストガスＧの導入が不十分となる可能性がある。また、切断溝Ｖの幅が狭いと、切断溝Ｖで生成された溶融物Ｄが切断溝Ｖから排出され難くなり、切断溝Ｖに滞留する可能性が高くなる。

本実施形態によれば、切断方向と直交する方向にレーザ光Ｌが振動するので、レーザ光Ｌのエネルギー密度を低下させることなく、切断溝Ｖの幅を大きくすることができる。そのため、溶融物Ｄの排出性を向上させることができる。また、レーザ光Ｌのビーム径が細い場合、そのレーザ光Ｌで形成される切断溝Ｖの幅も細くなるため、上述の実施形態で説明した整流部材１３や挿入部材１４を切断溝Ｖに挿入することが困難となる。本実施形態によれば、光学系１０を改善することによって切断溝Ｖの幅を大きくすることができ、溶融物Ｄの排出性の向上、及び整流部材１３や挿入部材１４の挿入の容易性の向上を図ることができる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図８は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ｄの光学系１０の一例を模式的に示す図である。本実施形態においては、レーザヘッド３に設けられた光学系１０は、射出部２から射出されるレーザ光Ｌの断面の切断方向の寸法を縮小し、切断方向と直交する方向の寸法を拡大する形状調整光学素子１０Ｄを備える。

形状調整光学素子１０Ｄは、集光光学素子１０Ａとコリメート光学素子１０Ｂとの間に配置され、形状調整光学素子１０Ｄには、コリメート光学素子１０Ｂにてコリメートされたレーザ光Ｌが入射する。

形状調整光学素子１０Ｄは、例えば円筒レンズであり、レーザ光Ｌの照射領域の形状を調整可能である。

図９は、従来例に係る図であって図８に示した光学系１０から形状調整光学素子１０Ｄを省略したときの表面Ｓａにおけるレーザ光Ｌの照射領域の形状の一例を示す図である。図１０は、本実施形態に係る図であって図８に示したような形状調整光学素子１０Ｄが設けられているときの表面Ｓａにおけるレーザ光Ｌの照射領域の形状の一例を示す図である。図１０に示すように、形状調整光学素子１０Ｄが設けられることにより、切断方向と直交する方向の寸法が拡大されて、レーザ光Ｌの照射領域の形状（断面形状）は、楕円形状となる。このとき切断方向は、切断に必要なエネルギー密度を考慮して、元の寸法を維持しても良く、また縮小してもよい。

本実施形態においても、形状調整光学素子１０Ｄの挿入により簡便な機構で切断溝Ｖの幅を大きくすることができる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図１１は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ｅの光学系１０の一例を模式的に示す図である。本実施形態においては、レーザヘッド３に設けられた光学系１０は、レーザ光Ｌの照射領域におけるエネルギー密度分布を調整可能な回折光学素子１０Ｅを備える。回折光学素子と組み合わせてエネルギー密度分布を調整する手段において，レーザ発振器は，よりレーザ光自体の干渉性が高いシングルモードレーザが効果的である。

回折光学素子１０Ｅは、集光光学素子１０Ａとコリメート光学素子１０Ｂとの間に配置され、回折光学素子１０Ｅには、コリメート光学素子１０Ｂにてコリメートされたレーザ光Ｌが入射する。

回折光学素子１０Ｅは、例えばマイクロレンズアレイ又はデジタルミラーデバイス（digital mirror device）を含み、レーザ光Ｌの照射領域におけるレーザ光Ｌのエネルギー密度分布を調整可能である。

本実施形態において、回折光学素子１０Ｅは、レーザ光Ｌの照射領域のうち移動方向前方の第１領域のエネルギー密度を移動方向後方の第２領域のエネルギー密度よりも高めるように、エネルギー密度分布を調整する。

図１２は、本実施形態に係るレーザ光Ｌの照射領域におけるエネルギー密度分布の一例を示す図である。図１２に示すように、レーザ光Ｌの照射領域ＡＲのうち、移動方向前方の第１領域ＡＲ１のエネルギー密度は、移動方向後方の第２領域ＡＲ２のエネルギー密度よりも高い。第１領域ＡＲ１と第２領域ＡＲ２とは、照射領域ＡＲを移動方向において２分割した領域である。第１領域ＡＲ１と第２領域ＡＲ２との境界は、集光光学素子１０Ａの光軸ＡＸと一致する。

移動方向前方の第１領域ＡＲ１のエネルギー密度は、コンクリート壁Ｓを切断するために必要十分なエネルギー密度である。エネルギー密度が高い第１領域ＡＲ１のレーザ光Ｌによってコンクリート壁Ｓが溶融及び切断される。

移動方向後方の第２領域ＡＲ２のエネルギー密度は、第１領域ＡＲ１のレーザ光Ｌの照射により生成された溶融物Ｄを加熱するために必要十分なエネルギー密度である。エネルギー密度が低い第２領域ＡＲ２のレーザ光Ｌは、コンクリート壁Ｓの溶融及び切断には寄与しないものの、生成された溶融物Ｄが冷えて粘性が低下することを抑制する。

本実施形態によれば、レーザ光源５の出力を過度に高めなくても、回折光学素子１０Ｅによって第１領域ＡＲ１のレーザ光Ｌのエネルギー密度を、コンクリート壁Ｓを切断するために必要十分なエネルギー密度に高めることができる。第２領域ＡＲ２のレーザ光Ｌの照射により、溶融物Ｄの粘性の低下が抑制されるため、溶融物Ｄは切断溝Ｖに滞留せずに切断溝Ｖから円滑に排出される。また、第２領域ＡＲ２のレーザ光Ｌの照射により、コンクリート壁Ｓが冷えた溶融物Ｄで再び接着してしまう、もしくは溶融物によりレーザ光が端部まで届かなくなることが抑制され、コンクリート壁Ｓの切断不良が抑制される。

＜第６実施形態＞
第６実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図１３は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ｆの光学系１０の一例を模式的に示す図である。本実施形態においては、レーザヘッド３に設けられた光学系１０は、射出部２から射出されるレーザ光Ｌを切断方向に振動させる第２振動光学素子１０Ｆを備える。

第２振動光学素子１０Ｆは、集光光学素子１０Ａとコリメート光学素子１０Ｂとの間に配置され、第２振動光学素子１０Ｆには、コリメート光学素子１０Ｂにてコリメートされたレーザ光Ｌが入射する。

第２振動光学素子１０Ｆは、例えばガルバノミラーであり、集光光学素子１０Ａから射出されるレーザ光Ｌの射出角度を変更可能である。第２振動光学素子１０Ｆは、射出角度を時間的に変化させて、射出部２から射出されるレーザ光Ｌを表面Ｓａと平行な面内において切断方向に振動させる。

レーザ光Ｌの照射によりコンクリート壁Ｓが溶融し切断される。生成された溶融物Ｄのうちレーザ光Ｌよりも移動方向後方の溶融物Ｄが冷えて粘性が低下し、切断溝Ｖから排出しきれず、切断溝Ｖに滞留してしまう可能性がある。冷えた溶融物Ｄによりコンクリート壁Ｓが再び接着してしまう可能性がある。

本実施形態によれば、射出部２から射出されるレーザ光Ｌが切断方向に振動する。切断方向前方に振動したレーザ光Ｌにより、コンクリート壁Ｓが溶融及び切断され、切断方向後方に振動したレーザ光Ｌにより、切断方向後方の溶融物Ｄは加熱される。そのため、生成された溶融物Ｄが冷えて粘性が低下することが抑制される。

図１４は、本実施形態に係るレーザ光Ｌの照射方向を模式的に示す図である。第２振動光学素子１０Ｆは、レーザ光Ｌが集光光学素子１０Ａの光軸ＡＸと平行又は移動方向前方に照射される第１状態と移動方向後方に照射される第２状態との間でレーザ光Ｌを振動させる。レーザ光Ｌが第１状態で照射されることにより、コンクリート壁Ｓが溶融及び切断される。レーザ光Ｌが第２状態で照射されることにより、第１状態におけるレーザ光Ｌの光路よりも切断方向後方に存在する溶融物Ｄが加熱される。

図１５は、本実施形態に係るレーザ光Ｌを振動させる方法を説明するための図である。図１５に示すように、レーザ光Ｌは、集光光学素子１０Ａの光軸ＡＸと平行又は移動方向前方に照射される第１状態と、移動方向後方に照射される第２状態とが交互に繰り返されるように振動する。図１５に示すように、第１状態の時間は、第２状態の時間よりも長い。

コンクリート壁Ｓは、第１状態のレーザ光Ｌにより溶融及び切断されるため、第１状態の時間が短いと、コンクリート壁Ｌの切断速度が低下してしまう。第２状態のレーザ光Ｌは、移動方向後方の溶融物Ｌの冷却防止が目的であるため、第２状態の時間は短くてもよい。したがって、第１状態の時間を長くし、第２状態の時間を短くすることにより、溶融物Ｄの粘性の低下を抑制しつつ、コンクリート壁Ｓを効率良く切断することができる。

＜第７実施形態＞
第７実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図１６は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ｇの光学系１０の一例を模式的に示す図である。本実施形態においては、レーザヘッド３の射出部２から射出されるレーザ光Ｌは、第１レーザ光Ｌ１と、第１レーザ光Ｌ１よりも移動方向後方において照射される第２レーザ光Ｌ２と、を含む。

第１レーザ光Ｌ１のエネルギー密度は、第２レーザ光Ｌ２のエネルギー密度よりも高い。第１レーザ光Ｌ１は、コンクリート壁Ｓを溶融及び切断するためのレーザ光Ｌであり、コンクリート壁Ｓを溶融及び切断するために必要十分なエネルギー密度で照射される。第２レーザ光Ｌ２は、第１レーザ光Ｌ１の照射により生成された溶融物Ｄを加熱するためのレーザ光Ｌであり、コンクリート壁Ｓの溶融及び切断には寄与しないものの、生成された溶融物Ｄが冷えて粘性が低下することを抑制するために必要十分なエネルギー密度で照射される。第２レーザ光Ｌ２の照射により、コンクリート壁Ｓが冷えた溶融物Ｄで再び接着してしまうことが抑制され、コンクリート壁Ｓの切断不良が抑制される。

本実施形態においては、レーザ光源５は、第１レーザ光Ｌ１を生成するための第１レーザ光源と、第２レーザ光Ｌ２を生成するための第２レーザ光源とを含む。第１レーザ光源から出力された第１レーザ光Ｌ１は、第１光ファイバ７Ａを介して光学系１０に供給される。第２レーザ光源から出力された第２レーザ光Ｌ２は、第２光ファイバ７ｂを介して光学系１０に供給される。

第１レーザ光Ｌ１は、マルチモードのレーザ光Ｌであり、第２レーザ光Ｌ２は、シングルモードのレーザ光である。シングルモードとは、強度分布がレーザ光Ｌの照射領域の中心で大きく周辺で確率分布的に小さくなるレーザ光Ｌである。マルチモードとは、シングルモード以外のレーザ光Ｌである。

第１レーザ光Ｌ１は、第１光ファイバ７Ａの射出端から第１拡がり角度αで射出される。第２レーザ光Ｌ２は、第２光ファイバ７Ｂの射出端から第２拡がり角度βで射出される。また、第１レーザ光Ｌ１は、第１拡がり角度αに応じた第３拡がり角度α’でコンクリート壁Ｓに照射される。第２レーザ光Ｌ２は、第２拡がり角度βに応じた第４拡がり角度β’でコンクリート壁Ｓに照射される。拡がり角度とは、集光光学素子１０Ａの光軸ＡＸと平行な軸に対して一方側のレーザ光Ｌの最も外側の光線と他方側のレーザ光Ｌの最も外側の光線とがなす角度である。

本実施形態において、第２レーザ光Ｌ２の第２拡がり角度βは、第１レーザ光Ｌ１の第１拡がり角度αよりも小さく、第２レーザ光Ｌ２の第４拡がり角度β’は、第１レーザ光Ｌ１の第３拡がり角度α’よりも小さい。また、第２レーザ光Ｌ２の照射領域は、第１レーザ光Ｌ１の照射領域よりも小さいことが望ましい。

なお、図１６に示す例においては、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２の集光点が同一として記載されているが、異なっていてもよい。また、図１６に示す例では、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は集光光学素子１０Ａを共有しているが、別々の２つの光学系が並列され、第１レーザ光Ｌ１が第１の光学系を介して照射され、第２レーザ光Ｌ２が第２の光学系を介して照射されてもよい。

本実施形態においては、拡がり角度が大きい第１レーザ光Ｌ１でコンクリート壁Ｓが溶融及び切断され、拡がり角度が小さい第２レーザ光Ｌ２で溶融物Ｄが加熱される。第２レーザ光Ｌ２の拡がり角度が大きく、第２レーザ光Ｌ２の太さが第１レーザ光Ｌ１の太さよりも太いと、第２レーザ光Ｌ２は、コンクリート壁Ｓのうち第１レーザ光Ｌ１により切断溝Ｖが形成されていない部分に照射される可能性が高くなる。その結果、第２レーザ光Ｌ２がコンクリート壁Ｓにけられ、切断溝Ｖの内側に十分に入り込むことができなかったり、切断溝Ｖの内側に存在する溶融物Ｄに十分に照射されなかったり、裏面Ｓｂの近傍の切断溝Ｖに存在する溶融物Ｄまで届かなかったりする可能性が高くなる。第２レーザ光Ｌ２の拡がり角度を第１レーザ光Ｌ１の拡がり角度を小さくして、第２レーザ光Ｌ２の太さを第１レーザ光Ｌ１の太さよりも細くすることにより、第２レーザ光Ｌ２を溶融物Ｄに効率良く照射することができ、溶融物Ｄの粘性の低下を抑制することができる。

＜第８実施形態＞
第８実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図１７は、本実施形態に係るレーザ切断装置１Ｈの光学系１０の一例を模式的に示す図である。本実施形態においては、レーザヘッド３に設けられた光学系１０は、射出部２から射出されるレーザ光Ｌの焦点位置を変更可能な焦点位置変更光学系４０を備える。焦点位置変更光学系４０は、集光レンズ群４１と、第１レンズ群４２と、第２レンズ群４３とを備える。集光レンズ群４１の光軸と、第１レンズ群４２の光軸と、第２レンズ群４３の光軸とは一致する。

集光レンズ群４１は、レーザヘッド３の射出側に固定され、レーザヘッド３から射出されるレーザ光Ｌを集光する。集光レンズ群４１は、メニスカスレンズ４１１と、両凸レンズ４１２とを有する。両凸レンズ４１２は、メニスカスレンズ４１１よりも射出部２側に配置される。メニスカスレンズ４１１は、凸側が両凸レンズ４１２に対向し、メニスカスレンズ４１１には凹側からレーザ光Ｌが入射する。両凸レンズ４１２は、曲率半径が大きい側がメニスカスレンズ４１１に対向し、両凸レンズ４１２には曲率半径が大きい側からレーザ光Ｌが入射する。

第１レンズ群４２は、レーザヘッド３の入射側に固定され、光ファイバ７から射出されたレーザ光Ｌは第１レンズ群４２に入射する。第１レンズ群４２は、収差の低減を目的として、二枚の平凸レンズ４２１，４２２を有する。レーザ光Ｌの入射側の平凸レンズ４２１は、凸側が射出側となる平凸レンズ４２２に対向する。これにより、レーザ光Ｌの入射側となる平凸レンズ４２１には平側からレーザ光Ｌが入射する。また、レーザ光Ｌの出射側となる平凸レンズ４２２は、凸側が入射側となる平凸レンズ４２１に対向する。これにより、レーザ光Ｌの出射側となる平凸レンズ４２２には凸側からレーザ光Ｌが入射する。

第２レンズ群４３は、集光レンズ群４１と第１レンズ群４２との間を移動可能であり、第１レンズ群４２とともに、集光レンズ群４１の焦点位置を変更する。第２レンズ群４３は、メニスカスレンズ４３１と両凹レンズ４３２とを有する。両凹レンズ４３２は、メニスカスレンズ４３１よりも射出部２側に配置される。メニスカスレンズ４３１は、凸側が両凹レンズ４３２に対向し、メニスカスレンズ４３１には凹側からレーザ光Ｌが入射する。両凹レンズ４３２は、曲率半径が小さい側がメニスカスレンズ４３１に対向し、両凹レンズ４３２には曲率半径が小さい側からレーザ光Ｌが入射する。

図１８は、本実施形態に係るレーザヘッド３の動作の一例を示す模式図である。図１８に示すように、制御装置５（図１参照）は、第２レンズ群４３を移動するための動力を発生するアクチュエータ（不図示）を制御して、第２レンズ群４３を光軸と平行な方向に移動して、レーザ光Ｌの焦点距離を変更する。図１８に示すように、レーザヘッド３は、コンクリート壁Ｓの表面Ｓａと裏面Ｓｂとの間において、レーザ光Ｌの焦点位置を変更しながら、射出部２からレーザ光Ｌを射出する。

図１８に示すように、制御装置９は、例えば表面Ｓａに近いコンクリート壁Ｓの部位Ａから、表面Ｓａと裏面Ｓｂとの間のコンクリート壁Ｓの部位Ｂを経て、裏面Ｓｂに近いコンクリート壁Ｓの部位Ｃまでレーザ光Ｌの焦点位置が変化するように第２レンズ群４３を移動しながら、レーザ光Ｌを照射する。

図１８に示すように、焦点位置変更光学系４０は、焦点位置が裏面Ｓｂ（部位Ｃ）に近付くほど、射出部２から射出されるレーザ光Ｌをコリメート化する。これにより、切断効率が向上する。

図１９は、従来例に係る図であって光学系１０に焦点位置変更光学系４０が設けられてなくレーザ光Ｌの焦点位置が変更されない例を示す図である。図１９に示すように、集光光学素子を通過したレーザ光Ｌは、焦点位置で集光した後、焦点位置から拡がるように照射される。そのため、図１９に示すように、例えば焦点位置をコンクリート壁Ｓの表面Ｓａに合わせた場合、裏面Ｓｂに近づくほどレーザ光Ｌが拡がり、エネルギー密度が低下するとともに，コンクリート壁Ｓが余計に溶融され、切断効率が低下してしまう。

本実施形態によれば、焦点位置変更光学系４０が設けられ、レーザ光Ｌの焦点位置が変更されるので、レーザ光Ｌが拡がることが抑制され、レーザ光Ｌのエネルギー密度の低下が抑制される。レーザヘッド３は、エネルギー密度の低下を抑制したまま、コンクリート壁Ｓの表面Ｓａと裏面Ｓｂとの間において焦点位置を変更しながら射出部２からレーザ光Ｌを射出することにより、コンクリート壁Ｓを効率良く切断することができる。

また、本実施形態においては、焦点位置変更光学系４０は、焦点位置が裏面Ｓｂに近付くほど射出部２から射出されるレーザ光Ｌをコリメート化する。これにより、レーザ光Ｌの拡がりが十分に抑制され、例えば部位Ｂ，Ｃに照射されるレーザ光Ｌを、図１９に示したような従来例よりも細くすることができる。したがって、コンクリート壁Ｓが余計に溶融されることが抑制され、レーザ出力を効率良く切断に使用することが可能となるとともに、コンクリート壁Ｓの余計な溶融を抑制することで、溶融物の排出性が向上する。これによって排出物を削減する効果も期待できる。

図２０は、本実施形態に係る焦点位置変更光学系の変形例を示す図である。焦点位置変更光学系６０は、集光レンズ群６１と、第１レンズ群６２と、第２レンズ群６３とを有する。

集光レンズ群６１は、レーザヘッド３の射出側に固定され、レーザヘッド３から射出されるレーザ光Ｌを集光する。集光レンズ群６１は、焦点距離の長い二枚の平凸レンズ６１１，６１２を有する。レーザ光Ｌの入射側となる平凸レンズ６１１は、凸側が出射側となる平凸レンズ６１２に対向する。これにより、レーザ光Ｌの入射側となる平凸レンズ６１１には平側からレーザ光Ｌが入射する。また、レーザ光Ｌの出射側となる平凸レンズ６１２は、平側が入射側となる平凸レンズ６１１に対向する。これにより、レーザ光Ｌの出射側となる平凸レンズ６１２には平側からレーザ光Ｌが入射する。

第１レンズ群６２は、レーザヘッド３の入射側で移動可能であり、光ファイバ７から射出されたレーザ光Ｌは、第１レンズ群６２に入射する。第１レンズ群６２は、収差の低減を目的として、平凸レンズ６２１と両凸レンズ６２２とを有する。両凸レンズ６２２は、平凸レンズ６２１よりもレーザ光Ｌの射出側に配置される。平凸レンズ６２１は、凸側が両凸レンズ６２２に対向し、平凸レンズ６２１には平側からレーザ光Ｌが入射する。一方、両凸レンズ６２２は、入射側と出射側とが略同一形状を有し、入射側から入射された光は出射側で集光される。

第２レンズ群６３は、集光レンズ群６１と第１レンズ群６２との間を移動可能であり、第１レンズ群６２とともに、集光レンズ６１の焦点位置を変更する。第２レンズ群６３は、平凹レンズ６３１を有する。平凹レンズ６３１は、凹側がレーザ光Ｌの入射側を向く。これにより、平凹レンズ６３１には凹側からレーザ光Ｌが入射する。

第１レンズ群６２と第２レンズ群６３とは所定の位置関係で移動する。第１レンズ群６２と第２レンズ群６３とが所定の位置関係で集光レンズ群６１に近づくと、集光レンズ群６１から射出されるレーザ光Ｌの焦点位置が奥側に遠ざかる。第１レンズ群６２と第２レンズ群６３とが所定の位置関係で集光レンズ群６１から遠ざかると、集光レンズ６１から射出されるレーザ光Ｌの焦点位置が手前側に近づく。

なお、上述の各実施形態は適宜に組み合わせることができる。例えば、第３実施形態から第８実施形態で説明したレーザヘッド３に、第１実施形態で説明した整流部材１３を組み合わせてもよいし、第２実施形態で説明した挿入部材１４を組み合わせてもよい。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ レーザ切断装置
２ 射出部
３ レーザヘッド
４ アシストガス供給部
４Ｍ 供給口
４Ｎ ガス供給ノズル
５ レーザ光源
６ アシストガス供給源
７ 光ファイバ
８ 供給管
９ 制御装置
１０ 光学系
１０Ａ 集光光学素子
１０Ａａ 光射出面
１０Ｂ コリメート光学素子
１０Ｃ 第１振動光学素子
１０Ｄ 形状調整光学素子
１０Ｅ 回折光学素子
１０Ｆ 第２振動光学素子
１１ 鏡筒
１２ ノズル
１３ 整流部材
１３Ａ 一端部
１３Ｂ 他端部
１３Ｇ ガイド面
１４ 挿入部材
１４Ｇ 対向面
１４Ｆ 内部流路
１５ 加熱装置
４０ 焦点位置変更光学系
４１ 集光レンズ群
４２ 第１レンズ群
４３ 第２レンズ群
６０ 焦点位置変更光学系
６１ 集光レンズ群
６２ 第１レンズ群
６３ 第２レンズ群
４１１ メニスカスレンズ
４１２ 両凸レンズ
４２１，４２２ 平凸レンズ
４３１ メニスカスレンズ
４３２ 両凹レンズ
６１１，６１２ 平凸レンズ
６２１ 平凸レンズ
６２２ 両凸レンズ
６３１ 平凹レンズ
Ｄ 溶融物
Ｆ 流路
Ｇ アシストガス
Ｌ レーザ光
Ｌ１ 第１レーザ光
Ｌ２ 第２レーザ光
Ｖ 切断溝
Ｖｂ 底面

Claims (22)

1. 切断対象物にレーザ光を照射して前記切断対象物を切断するレーザ切断装置であって、
   前記切断対象物の表面と対向し前記切断対象物に対して切断方向に相対移動しながら前記レーザ光を射出する射出部を有するレーザヘッドと、
   前記射出部から射出された前記レーザ光による前記切断対象物の切断部にアシストガスを供給する供給口を含むアシストガス供給部と、
   前記切断部の移動により前記切断対象物に形成された切断溝に少なくとも一部が配置され、前記アシストガス供給部から供給された前記アシストガスを整流する整流部材と、
   を備えるレーザ切断装置。
2. 前記整流部材は、前記レーザ光の光路に面するガイド面を有し、
   前記ガイド面は、前記切断対象物の裏面に向かって前記切断方向に垂直な方向に対して離れるように傾斜する、
   請求項１に記載のレーザ切断装置。
3. 前記整流部材は、前記切断方向に移動する、
   請求項１又は請求項２に記載のレーザ切断装置。
4. 前記整流部材の少なくとも一部は、前記切断対象物の前記表面の外側に配置され、
   前記アシストガス供給部は、前記表面の外側から前記アシストガスを供給する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
5. 前記供給口は、前記切断溝に配置される、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
6. 切断対象物にレーザ光を照射して前記切断対象物を切断するレーザ切断装置であって、
   前記切断対象物の表面と対向し前記切断対象物に対して切断方向に相対移動しながら前記レーザ光を射出する射出部を有するレーザヘッドと、
   前記レーザ光の照射により前記切断対象物に形成された切断溝に配置され、アシストガスを供給する供給口を含むアシストガス供給部と、
   を備えるレーザ切断装置。
7. 少なくとも一部が前記切断溝に配置され、前記レーザ光による前記切断対象物の切断部に面する対向面を有する挿入部材を備え、
   前記供給口は、前記対向面に配置される、
   請求項５又は請求項６に記載のレーザ切断装置。
8. 前記対向面は、前記切断対象物の裏面に向かって前記切断方向に垂直な方向に対して離れるように傾斜する、
   請求項５から請求項７のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
9. 前記挿入部材は、前記切断方向に移動する、
   請求項５から請求項８のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
10. 前記アシストガス供給部において、前記切断方向に垂直な方向に沿って前記供給口が複数設けられる、
    請求項５から請求項９のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
11. 前記アシストガス供給部から供給される前記アシストガスを加熱する加熱装置を備える、
    請求項５から請求項１０のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
12. 前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部から射出される前記レーザ光の焦点位置を変更可能な焦点位置変更光学系を備え、
    前記レーザヘッドは、前記切断対象物の表面と裏面との間において前記焦点位置を変更しながら前記射出部から前記レーザ光を射出する、
    請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
13. 切断対象物にレーザ光を照射して前記切断対象物を切断するレーザ切断装置であって、
    前記切断対象物の表面と対向し前記切断対象物に対して切断方向に相対移動しながら前記レーザ光を射出する射出部を有するレーザヘッドと、
    前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部から射出される前記レーザ光の焦点位置を変更可能な焦点位置変更光学系と、を備え、
    前記レーザヘッドは、前記切断対象物の表面と裏面との間において前記焦点位置を変更しながら前記射出部から前記レーザ光を射出する、
    レーザ切断装置。
14. 前記焦点位置変更光学系は、前記焦点位置が前記裏面に近付くほど前記射出部から射出される前記レーザ光をコリメート化する、
    請求項１２又は請求項１３に記載のレーザ切断装置。
15. 前記射出部から射出される前記レーザ光は、前記切断対象物を溶融する第１レーザ光と、前記第１レーザ光よりも移動方向後方において照射され前記切断対象物の溶融物を加熱する第２レーザ光と、を含む、
    請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
16. 切断対象物にレーザ光を照射して前記切断対象物を切断するレーザ切断装置であって、
    前記切断対象物の表面と対向し前記切断対象物に対して切断方向に相対移動しながら前記レーザ光を射出する射出部を有するレーザヘッドを備え、
    前記射出部から射出される前記レーザ光は、前記切断対象物を溶融する第１レーザ光と、前記第１レーザ光よりも移動方向後方において照射され前記切断対象物の溶融物を加熱する第２レーザ光と、を含む、
    レーザ切断装置。
17. 前記第２レーザ光の拡がり角度は、前記第１レーザ光の拡がり角度よりも小さい、
    請求項１５又は請求項１６に記載のレーザ切断装置。
18. 前記レーザヘッドに設けられ、前記レーザ光の照射領域のうち移動方向前方の第１領域のエネルギー密度を前記移動方向後方の第２領域のエネルギー密度よりも高める回折光学素子を備える、
    請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
19. 前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部から射出される前記レーザ光の断面の前記切断方向と直交する方向の寸法を拡大する形状調整光学素子を備える、
    請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
20. 前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部から射出される前記レーザ光を前記切断方向と直交する方向に振動させる第１振動光学素子を備える、
    請求項１から請求項１９のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
21. 前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部から射出される前記レーザ光を前記切断方向に振動させる第２振動光学素子を備える、
    請求項１から請求項２０のいずれか一項に記載のレーザ切断装置。
22. 前記レーザヘッドに設けられ、前記射出部に最も近い集光光学素子を備え、
    前記第２振動光学素子は、前記レーザ光が前記集光光学素子の光軸と平行又は移動方向前方に照射される第１状態と移動方向後方に照射される第２状態との間で前記レーザ光を振動させ、
    前記第１状態の時間は、前記第２状態の時間よりも長い、
    請求項２１に記載のレーザ切断装置。

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