JP2017121660A - レーザ加工装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工により発生する溶融物を含む２次生成物の外部環境への飛散を低減できること。【解決手段】被加工物１をレーザ光２により溶融して加工するレーザ加工装置１０において、光学系２０を備え、レーザ発振器１２から伝送されたレーザ光を光学系により集光して被加工物の加工点４へ照射する照射ヘッド１１と、この照射ヘッドからのレーザ光の照射により溶融した前記加工点へ、この加工点の溶融により発生した溶融物やヒュームを含む２次生成物５を所定方向へ排出させるための水３を噴出するノズル１３と、を有するものである。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、レーザ光の照射により被加工物を加工するレーザ加工装置及び方法に関する。

原子力プラントで使用されている材料は、発電運転中に燃料から受ける放射線や環境の影響で劣化するため、一定の運転期間を経て交換される。例えば、制御棒や燃料チャンネルボックスは、決められた運転期間を過ぎた後、高放射性固体廃棄物として一旦原型のまま水中に貯蔵される。また、今後運転後４０年を超過するプラントについては廃止措置が見込まれるため、構成する全ての材料を切断して保管する必要性が生じる。原子力プラントの高放射性固体廃棄物は、例えばステンレス鋼やニッケル基合金などで構成されており、切断時に発生する切削片についても放射性物質となるため取扱いが非常に困難である。

高放射性固体廃棄物の水中切断装置については、例えば矩形断面を有する使用済み燃料チャンネルボックスと、十字状断面を有する使用済み制御棒とを被切断物として、軸線に沿う方向で切断可能としたものがある。また、熱源としてレーザ光を用いた水中切断装置も知られている。これらの事例は、切断方法として材料を加熱・溶融して除去する方法を採用しており、バンドソーなどの機械式切断のように材料に応じて刃物や切断条件を大幅に変更することなく切断できるメリットがある。

一方、金属材料の加工方法として、熱源にプラズマやレーザ光などを使用して表面を溶融させ、溶融金属を空気や酸素ガスで除去するガウジング法が知られている。工場や周囲に発火物が無い現場では、溶融金属を除去する方法として空気や酸素ガスが加工効率もよく、入手も容易であるため広く使用される。しかし、この方法では、熱源による金属材料の温度上昇が著しくなるため、発生したヒューム（金属蒸気とこの金属蒸気が固化した金属微粉末）が広範囲に飛散してしまい、作業環境が悪化する課題がある。

そこで、熱源で溶融した材料から発生するヒュームの発生量や飛散量を低減する工法として、レーザ光とウォータジェットとを組み合わせた工法が開発されている。例えば、レーザ光を材料表面に集光し、このレーザ光集光位置にウォータジェットノズルからウォータジェットを吹き付け、またはレーザ光と同軸にウォータジェットを吐出させて、レーザ光及びウォータジェットにより切断すると共に、ウォータジェットにより２次生成物の発生を低減するものがある。

特開平８−２８５９９６号公報 特開２００３−１５６５９３号公報 特開２０００−３１７６５９号公報 特開２０００−３１７６６１号公報

放射性物質をプラズマやレーザ光などの熱的手段により切断する場合、放射性物質が溶融した際に発生するヒュームも放射性物質であるため、このヒュームが大気中に飛散して外部環境の放射線量が上昇し、これにより作業員の被ばくや機器の放射化が問題となる。前述の水中切断装置は、切断粉やガス状放射性物質を回収する回収装置を具備しているが、フィルタを頻繁に交換しなければならない課題があり、また気中環境では切断作業を行うことができない。

また、レーザ光とウォータジェットとを組み合わせた切断加工では、レーザ光を集光し且つウォータジェットを吹き付けて切断することから、切削屑がウォータジェットにより様々な方向に飛散し易く回収が困難である。この切断装置を、工場で使用する工作機械と同様に周囲を完全に覆い、切断屑を装置下流で回収できればよいが、遠隔操作による切断を行なう場合には、飛散範囲の全てを覆うことは困難である。

本発明における実施形態の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、レーザ加工により発生する溶融物やヒュームを含む２次生成物の外部環境への飛散を低減できるレーザ加工装置及び方法を提供することにある。

本発明の実施形態におけるレーザ加工装置は、被加工物をレーザ光により溶融して加工するレーザ加工装置において、光学系を備え、レーザ発振器から伝送されたレーザ光を前記光学系により集光して前記被加工物の加工点へ照射する照射ヘッドと、前記加工点への前記レーザ光の照射により発生した２次生成物を所定方向へ排出させるための流体を前記加工点に向けて噴出するノズルと、を有することを特徴とするものである。

本発明の実施形態におけるレーザ加工方法は、被加工物をレーザ光により溶融して加工するレーザ加工方法において、レーザ発振器から伝送されたレーザ光を照射ヘッドの光学系により集光して前記被加工物の加工点へ照射し、前記加工点へ向けてノズルから流体を噴出して、前記加工点への前記レーザ光の照射により発生した２次生成物を所定方向へ排出することを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、レーザ加工により発生する溶融物やヒュームを含む２次生成物の外部環境への飛散を低減できる。

一実施形態に係るレーザ加工装置による切断加工の状況を示す構成図。 図１のレーザ加工装置によるガウジング加工の状況を示す構成図。 貫通加工及び切断加工とレーザ光のスポット径との関係を示し、（Ａ）がスポット径を示す平面図、（Ｂ）が貫通加工及び切断加工の加工状態を示す概略断面図。 ガウジング加工とレーザ光のスポット径との関係を示し、（Ａ）がスポット径を示す平面図、（Ｂ）がガウジング加工の加工状態を示す概略断面図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図１は、一実施形態に係るレーザ加工装置による切断加工の状況を示す構成図である。この図１に示すレーザ加工装置１０は、被加工物（例えば原子力プラントで発生した高放射性固体廃棄物などの放射性物質）１をレーザ光２により溶融して加工するものであり、照射ヘッド１１、レーザ発振器１２、ノズル１３、流体供給源１４、角度変更機構１５、モニタリング装置１６、制御装置１７及び回収装置１８を有して構成される。

照射ヘッド１１は光学系２０を内蔵すると共に、この光学系２０が伝送手段としての光ファイバ１９を介してレーザ発振器１２に接続される。従って、レーザ発振器１２から射出されたレーザ光２は、光ファイバ１９により伝送されて照射ヘッド１１の光学系２０に導入される。この光学系２０は集光レンズ２１Ａ及び２１Ｂ等を備え、この光学系２０に導入されたレーザ光２は、集光レンズ２１Ａにより所定のビーム径に拡大または縮小された後、集光レンズ２１Ｂにより集光されて被加工物１の加工点４へ照射される。

被加工物１の加工点４にレーザ光２が集光されて一定のパワー密度以上のエネルギーが導入されたときに、この加工点４が局所的に溶融する。例えば、レーザ発振器１２からのレーザ出力が５ｋＷで、被加工物１の加工点４におけるレーザ光２のスポット径Ｓ(図３；後述)が１ｍｍであれば、厚さ１６ｍｍのステンレス鋼を貫通して溶融させることが可能である。ここで、図１〜図３中の符号６は溶融部を示す。また、本実施形態で使用されるレーザ光２は、高出力で金属を溶融し且つ光ファイバ１９により伝送が可能な例えばファイバレーザ光（波長：１０７０ｎｍ）が好ましいが、ＹＡＧレーザ光（波長：１０６４ｎｍ）やダイレクトダイオードレーザ光（波長：８００〜９００ｎｍ）であってもよい。

ノズル１３は、供給手段としての配管やホース２２を介して、ポンプなどの流体供給源１４に接続される。従って、流体供給源１４からホース２２等を経て、流体としての例えば水がノズル１３に供給され、このノズル１３が水３を被加工物１の加工点４へ向けて噴出する。このとき、ノズル１３における水３の噴出口の口径が５ｍｍ〜１０ｍｍに設定されているため、ノズル１３の上記噴出口から噴出する水３の噴出径（直径）Ｄも５ｍｍ〜１０ｍｍに設定される。

照射ヘッド１１からのレーザ光２の照射により溶融した加工点４へ向けてノズル１３から水３が噴出されることで、この加工点４へのレーザ光２の照射により発生した２次生成物５が、噴出された水３中に取り込まれて、この水３と共に所定方向Ａへ排出される。ここで、２次生成物５は、被加工物１の加工点４近傍の金属などの材料がレーザ光２の照射により溶融することで発生した、溶融部６の溶融物（溶融金属）やヒューム（金属蒸気とこの金属蒸気が固化した金属微粉末）を含むものであり、気体、液体、コロイドまたはエアロゾルの形をとる。

２次生成物５が水３と共に排出される所定方向Ａは、例えば、照射ヘッド１１がレーザ光２を、ノズル１３が水３を、共に被加工物１に対して垂直に近い角度でそれぞれ照射、噴出する場合には、被加工物１の厚さ方向に沿った水３の流れ方向である。また、照射ヘッド１１がレーザ光２を、ノズル１３が水３を、共に被加工物１に対して傾斜した角度でそれぞれ照射、噴出する場合（図２の場合）には、水３が被加工物１の表面で反射して流れる方向である。

ところで、レーザ発振器１２は、照射ヘッド１１から照射されるレーザ光２を連続波またはパルス波とするよう構成される。つまり、レーザ発振器１２は、被加工物１を切断加工したり後述のガウジング加工する場合にはレーザ光２を連続波とするが、貫通加工する場合にはレーザ光２をパルス波とする。例えば、切断加工を実施する際に、被加工物１の端部にレーザ光２を照射すると、このレーザ光２のエネルギーが上記端部に集中するので、被加工物１の端部が厚さ方向に溶融し、この端部から照射ヘッド１１及びノズル１３を加工方向Ｂへ移動させることで、被加工物１の切断が可能になる。

これに対し、被加工物１の端部以外の例えば中央部から切断を開始する場合に、この中央部に連続波のレーザ光２を照射すると、レーザ光２のエネルギーが周囲に拡散してしまう。そこで、この被加工物１の例えば中央部から切断を開始するために上記中央部に貫通孔を形成する場合には、レーザ発振器１２は、射出するレーザ光２をパルス波とし、照射ヘッド１１から被加工物１の中央部の加工点４にパルス状のレーザ光２を照射させ、被加工物１を厚さ方向に段階的に溶融し掘削して貫通加工を行うピアシング加工を実施させる。レーザ発振器１２は、被加工物１の例えば中央部に貫通孔が形成された後には、射出するレーザ光２を連続波とし、照射ヘッド１１から連続波のレーザ光２を照射させる。この状態で、照射ヘッド１１及びノズル１３を加工方向Ｂへ例えば０．１〜０．５ｍ／分の速度で移動させることで、被加工物１の切断が可能になる。

流体供給源１４は、照射ヘッド１１から連続波のレーザ光２が照射されているときに、ノズル１３から流体としての水３を連続して噴出させる。また、流体供給源１４は、照射ヘッド１１からパルス波のレーザ光２が照射されているときには、ノズル１３から流体としての水３を連続して、またはパルス状に制御して噴射させる。ノズル１３から水３をパルス状に制御して噴射させるときには、流体供給源１４は、水３の噴出タイミングを、パルス波のレーザ光２の照射タイミング（照射周波数）と同期させて、被加工物１の加工点４に溶融物が発生した時点で水３が加工点４の近傍に到達するようなタイミングに制御する。

角度変更機構１５は、照射ヘッド１１及びノズル１３の、被加工物１の表面に対する角度θを変更可能とする。この角度変更機構１５は、照射ヘッド１１とノズル１３の上記角度θを同時に変更させてもよく、それぞれ個別に独立して変更させるものでもよい。角度変更機構１５により、照射ヘッド１１及びノズル１３の角度θが被加工物１の表面に対して略垂直（θ≒９０°）に設定されることで、図１に示すように貫通加工及び切断加工が実施される。また、角度変更機構１５により、照射ヘッド１１及びノズル１３の角度θが、図２に示すように被加工物１の表面に対して傾斜（θ＝２０〜６０°）して配置されることで、被加工物１の表面から深さ１〜５ｍｍの深さ範囲をレーザ光２により溶融し、２次生成物５を水３により排出して削り取るガウジング加工が実施される。

照射ヘッド１１の光学系２０は、焦点距離可変機構（ズーム機構）を具備しており、貫通加工、切断加工、ガウジング加工等の加工の種類によって、被加工物１へ照射するレーザ光２のスポット径Ｓ（即ち、図３及び図４に示すように、被加工物１の加工点４に照射されたときのレーザ光２の直径）を変更可能に構成される。つまり、図３（Ａ）及び(Ｂ)に示すように、レーザ光２のスポット径Ｓが小さい場合には、被加工物１に導入されるレーザ光２のエネルギー密度が高くなるので、レーザ光２により溶融される表面積は狭くなるが、深い領域まで溶融されて溶融部６が形成される。従って、貫通加工や切断加工を行う場合には、光学系２０によってレーザ光２のスポット径Ｓが１ｍｍ程度と小さく設定される。

また、レーザ光２のスポット径Ｓが大きい場合には、図４（Ａ）及び(Ｂ)に示すように、レーザ光２により溶融される表面積は広くなるが、浅い領域で溶融されて溶融部６が形成される。従って、被加工物１の表面を削り取るガウジング加工を行う場合には、レーザ光２のスポット径Ｓが、貫通加工や切断加工の場合よりも大きく設定される。

モニタリング装置１６は、被加工物１の加工点４の加工状況を監視するものであり、例えば照射ヘッド１１の光学系２０の近傍または光学系２０の内部に設置される。貫通加工、切断加工及びガウジング加工のいずれの場合も、被加工物１はレーザ光２により表面から深さ方向に溶融され、溶融物などの２次生成物５が水３により排出されるため、被加工物１の加工状況を監視するモニタリング装置１６は、光学系２０から被加工物１までの距離を計測する距離計が好ましい。具体的には、このモニタリング装置１６は、超音波やレーザ光を用いた距離計が好適である。

モニタリング装置１６による加工状況の監視結果は制御装置１７へ送信され、この制御装置１７が監視結果に基づいてレーザ発振器１２及び流体供給源１４の動作を制御する。また、この制御装置１７は、貫通加工やガウジング加工などの加工の種類に応じて、角度変更機構１５を制御し、照射ヘッド１１及びノズル１３の被加工物１の表面に対する角度θを変更し、更に、照射ヘッド１１の光学系２０を制御してレーザ光２のスポット径Ｓを調整する。また、制御装置１７は、貫通加工を行う場合にレーザ発振器１２を制御して、このレーザ発振器１２にパルス波のレーザ光を射出させてピアシング加工を実施させる。更に、制御装置１７は、切断加工やガウジング加工を行う場合にはレーザ発振器１２を制御して、このレーザ発振器１２に連続波のレーザ光２を射出させる。

光ファイバ１９と、この光ファイバ１９との接続部を含めた照射ヘッド１１の構造は、液密構造（例えば水密構造）に構成される。レーザ加工装置１０は、光ファイバ１９から照射ヘッド１１における光学系２０の先端の集光レンズ２１Ｂまでが水密構造とされ、更に、ノズル１３から噴出される水３の噴出径が５ｍｍ〜１０ｍｍに設定されて、ノズル１３からの水３の噴出エネルギーが大きくなることから、気中でも水中でも被加工物１のレーザ加工が可能になる。

水中加工の場合には、照射ヘッド１１における光学系２０の集光レンズ２１Ｂから被加工物１の加工点４までの間が水中環境となる。このため、例えばレーザ光２がファイバレーザ光やＹＡＧレーザ光のように波長が１０６４ｎｍ〜１０７０ｎｍである場合には、これらのレーザ光２が水により吸収されて減衰してしまい、水中加工でレーザ発振器１２のレーザ出力が気中と同一であると、被加工物１の加工点４でのレーザエネルギーが不足してしまう。

従って、水中加工の場合には、照射ヘッド１１の光学系２０の集光レンズ２１Ｂから被加工物１の加工点４までの距離に応じた水によるレーザ光２の減衰分を考慮して、レーザ発振器１２から射出させるレーザ光２のレーザ出力を調整することで、水中でも気中と同様にレーザ加工が可能になる。例えば、照射ヘッド１１の光学系２０の集光レンズ２１Ｂから被加工物１の加工点４までの距離が１００ｍｍの場合に、気中でのレーザ加工でレーザ発振器１２のレーザ出力が５ｋＷであれば、レーザ光２の水による減衰率を５０％としたとき、水中でのレーザ加工では、レーザ発振器１２のレーザ出力を２倍の１００ｋＷとすることで、水中でも気中と同等のレーザ加工が可能になる。

回収機構１８は、レーザ加工による加工点４の溶融によって発生した２次生成物５（溶融物とヒューム）を回収するものであり、水３と共に排出される２次生成物５の排出方向（所定方向Ａ）に設置される。貫通加工や切断加工の場合、２次生成物５の排出方向（所定方向Ａ）は、被加工物１の厚さ向に沿った水３の流れ方向であるため、この流れ方向における被加工物１の裏面側に回収装置１８が設置される。

また、ガウジング加工の場合、２次生成物５の排出方向（所定方向Ａ）は、ノズル１３からの水３が被加工物１の表面で反射して流れる方向であるため、この流れ方向における照射ヘッド１１及びノズル１３の加工方向Ｂ側に回収装置１８が設置される。この回収装置１８によって水３と共に回収された２次生成物５は、遠心分離等の分離手段により水３と分離されて回収される。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）〜（５）を奏する。
（１）照射ヘッド１１から照射されたレーザ光２により溶融した被加工物１の加工点４へ向けてノズル１３から水３が噴出される。この水３の噴出径が５ｍｍ〜１０ｍｍと多量であることから、被加工物１の加工点４に発生した溶融物及びヒュームを含む２次生成物５は、水３により固化されると共にこの水３中に取り込まれて、この水３と共に所定方向Ａへ排出される。この結果、レーザ加工により発生する溶融物及びヒュームを含む２次生成物５の外部環境への不用意な飛散を低減できる。

特に、被加工物１が放射性物質である場合には、レーザ加工により発生する２次生成物５も放射性物質となるが、この２次生成物５が水３により固化されると共に、水３中に取り込まれて外部環境への不用意な飛散が低減されることで、外部環境の放射線量の上昇を抑制できる。

（２）照射ヘッド１１及びノズル１３は、角度変更機構１５により被加工物１に対する角度θが変更可能に構成されている。このため、レーザ加工装置１０は、同一の構成であっても、角度変更機構１５により照射ヘッド１１及びノズル１３の被加工物１に対する角度θを変更することで、切断加工または貫通加工を行う場合とガウジング加工を行う場合とにそれぞれ対応させることができる。

（３）照射ヘッド１１に、被加工物１の加工点４における加工状況を監視するモニタリング装置１６が設置されたので、被加工物１が燃料デブリのように各種の物質が混在したもので、これらの各物質によってレーザ光２の吸収率が異なる場合であっても、レーザ光２による加工状況を確認しつつレーザ加工を行うことで、このレーザ加工を確実に実施できる。

（４）照射ヘッド１１からのレーザ光２による被加工物１の加工点４の溶融により発生した２次生成物５が回収装置１８により回収されるので、２次生成物５の処理を迅速化できる。特に、２次生成物５が放射性物質である場合には、２次生成物５が回収装置１８により回収されることで、外部環境の放射線量の上昇を確実に抑制できる。

（５）照射ヘッド１１から照射されるレーザ光２がパルス波である場合、ノズル１３から噴出される水３の噴出タイミングがレーザ光２のパルス波に同期してパルス状に制御される。このため、水３を連続して噴射する場合に比べて、水３の噴出量を低減できる。この結果、回収装置１８により２次生成物５と共に回収される水３の量が減少することで、２次生成物５を水３と分離する遠心分離等を容易に実施できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この実施形態は、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、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１…被加工物、２…レーザ光、３…水（流体）、４…加工点、５…２次生成物、１０…レーザ加工装置、１１…照射ヘッド、１２…レーザ発振器、１３…ノズル、１４…流体供給源、１５…角度変更機構、１６…モニタリング装置（モニタリング手段）１８…回収装置、２０…光学系、Ａ…所定方向、Ｄ…噴出径、θ…角度。

Claims (6)

1. 被加工物をレーザ光により溶融して加工するレーザ加工装置において、
   光学系を備え、レーザ発振器から伝送されたレーザ光を前記光学系により集光して前記被加工物の加工点へ照射する照射ヘッドと、
   前記加工点への前記レーザ光の照射により発生した２次生成物を所定方向へ排出させるための流体を前記加工点に向けて噴出するノズルと、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記ノズルから噴出される流体の噴出径が、５ｍｍ〜１０ｍｍに設定されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記２次生成物の排出方向に設置されて、前記２次生成物を回収する回収装置を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記照射ヘッド及びノズルは、被加工物に対する角度が変更可能に構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 照射ヘッドから照射されるレーザ光はパルス波であり、ノズルから噴出される流体の噴出タイミングが制御可能に構成されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 被加工物をレーザ光により溶融して加工するレーザ加工方法において、
   レーザ発振器から伝送されたレーザ光を照射ヘッドの光学系により集光して前記被加工物の加工点へ照射し、
   前記加工点へ向けてノズルから流体を噴出して、前記加工点への前記レーザ光の照射により発生した２次生成物を所定方向へ排出することを特徴とするレーザ加工方法。

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