JP2023168639A - レーザー照射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な機構が不要で、不確定状態の対象物にも容易に対応可能なレーザー照射方法を提供する。【解決手段】複数の半導体レーザー１から出射され、光ファイバー２によって伝送されるレーザー光を加工ヘッド４から照射することで被加工物を加熱、溶融するレーザー加工におけるレーザー照射方法であって、複数の半導体レーザー１から各々出射されるレーザー光２は、複数の光ファイバー２からなる複数の光ファイバー束３によって加工ヘッド４まで伝送され、被加工物に複数の光ファイバー束３からレーザー光を照射する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー加工におけるレーザー照射方法に関するものである。

従来、レーザー光を用いて被加工物を加熱、溶融するレーザー加工が行われている。レーザー加工のための装置にはレーザー発振器が備えられており、レーザー発振器からのレーザー光を被工作物に対して照射するようになっている。

レーザー加工装置には、複数本のレーザービームを被加工物の複数箇所に同時に照射するものがある。例えば特許文献１には、ビームスプリッタにより分割された複数本のレーザービームをそれぞれレンズで集光し、集光された複数のレーザービームを直線上又は同一面上に所望の間隔で同時に照射するようにした、レーザー加工装置に関する発明が記載されている。

一方、レーザー光の照射により原子炉施設の原子炉を解体する方法が提案されている。例えば特許文献２には、レーザー発振器から発振されたレーザー光を光ファイバーで原子炉の内部に導き、集光レンズで集光して原子炉機器に対して照射して切断するようにした、原子炉解体方法に関する発明が記載されている。

また特許文献３には、原子力発電所における原子炉の事故により生じる可能性のある炉心溶融物などの無定形で不規則な外形を有する処理対象物を、レーザー光を用いて溶断・破砕するにあたり、処理対象物の形状や材質を検出して、レーザー加工ヘッドを搭載したロボットやレーザー光を制御する制御装置に関する発明が記載されている。

特開平３－１８４６８７号公報 特開２００１－１６６０９０号公報 特開２０１５－１３９８２０号公報

原子炉の解体や炉心溶融物などの処理は、無定形で不規則な外形を有する可能性のある不確定状態の対象物を処理しなければならないものである。一方、寸法精度や切断面粗度に対する要求はないため、高精度切断は必要としないという特徴がある。従って、このような対象物をレーザー光で加工（切断・溶断・破砕）するにあたっては、不確定状態の対象物にも効率的に対応可能な構成が求められる。また、放射線環境下での作業となることから人の立ち入りができず、遠隔で操作を行う必要があるため、ヘッドの高精度な位置決めが難しく、構成部品の損傷や位置ずれが生じた場合の復旧も困難である。そのため、複雑な機構を要することなくレーザー光の照射が可能であることも重要である。

これに対して、特許文献１に記載された発明においては、１本の光ファイバーで伝送されてきたレーザー光を光学素子で分岐して被加工物に照射しているため、ヘッド内の構造が複雑となる。また、特許文献２に記載された発明においては、異なる波長の複数のレーザー光をミラーやレンズといった光学素子を用いて１本の光ファイバーに導光し、合成されたレーザー光をレンズで集光して照射しており、光学系の精密な位置調整が求められる。また、特許文献３に記載された発明においては、ロボットやレーザー光の制御のための複雑な機構が必要である。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、複雑な機構が不要で、不確定状態の対象物にも容易に対応可能なレーザー照射方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明のレーザー照射方法は、複数の半導体レーザーから出射され、光ファイバーによって伝送されるレーザー光を加工ヘッドから照射することで被加工物を加熱、溶融するレーザー加工におけるレーザー照射方法であって、前記複数の半導体レーザーから各々出射されるレーザー光は、複数の光ファイバーからなる複数の光ファイバー束によって前記加工ヘッドまで伝送され、前記被加工物に前記複数の光ファイバー束からレーザー光を照射することを特徴とする。

また、本発明のレーザー照射方法は、前記複数の半導体レーザーから各々出射されるレーザー光が、伝送路において結合されることなく前記加工ヘッドまで伝送されることを特徴とする。

また、本発明のレーザー照射方法は、前記複数の半導体レーザーから各々出射されるレーザー光が、伝送路において部分的に結合されて前記加工ヘッドまで伝送されることを特徴とする。

また、本発明のレーザー照射方法は、前記光ファイバー束の端面形状を変更することで、照射するビーム形状を変更できることを特徴とする。

また、本発明のレーザー照射方法は、前記加工ヘッド内にレンズを設け、前記光ファイバー束と前記レンズとの距離を変更することで、照射するビームの大きさを変更できることを特徴とする。

本発明のレーザー照射方法は、複数の半導体レーザーから出射され、光ファイバーによって伝送されるレーザー光を加工ヘッドから照射することで被加工物を加熱、溶融するレーザー加工におけるレーザー照射方法である。そして、複数の半導体レーザーから各々出射されるレーザー光を、複数の光ファイバーからなる複数の光ファイバー束によって加工ヘッドまで伝送し、被加工物に複数の光ファイバー束からレーザー光を照射するようになっている。これにより、光学素子を採用した複雑な機構を用いずとも、光ファイバー束の分割数を調整することで照射スポットを容易に分割することができる。従って、不確定状態の対象物のように被加工物の厚みが変化する場合にはレーザー光を分割スポットで照射し厚み方向全体に照射して加工することができる。

また、本発明のレーザー照射方法は、複数の半導体レーザーから各々出射されるレーザー光を、伝送路において結合することなく加工ヘッドまで伝送することで、結合によるレーザー光のエネルギー効率の低下を防ぐことができる。

また、本発明のレーザー照射方法は、複数の半導体レーザーから各々出射されるレーザー光を、伝送路において部分的に結合して加工ヘッドまで伝送することで、光ファイバーの本数が多すぎて取り回しが困難になるのを防ぐことができる。

また、本発明のレーザー照射方法は、レーザー光を照射する光ファイバー束の端面形状を変更することで、光学素子を採用した複雑な機構を用いずとも、円形、矩形、ライン状等任意のビーム形状を作り出すことができる。これにより、加工対象の形状に応じて照射範囲を変えることができ、効率的に加工を行うことができる。

また、本発明のレーザー照射方法は、加工ヘッド内にレンズを設け、光ファイバー束とレンズとの距離を調整することで、照射するビームの大きさを簡単な機構で変更することができる。これにより、加工対象物の厚みや材質に応じてレーザー光のエネルギー密度を変えることができ、効率的に加工を行うことができる。

このように、本発明によれば、複雑な機構が不要で、不確定状態の対象物にも容易に対応可能なレーザー照射方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザー照射方法の説明図である。 本実施形態に係るレーザー照射方法による切断の説明図である。 光ファイバー束の端面形状に応じた照射範囲を示す図である。 光ファイバー束とレンズとの距離に応じた照射範囲を示す図である。

次に、図１乃至図４を参照して、本発明の実施形態に係るレーザー照射方法について説明する。本実施形態に係るレーザー照射方法は、複数の半導体レーザーから出射され、光ファイバーによって伝送されるレーザー光を加工ヘッドから照射することで被加工物を加熱、溶融するレーザー加工方法におけるものである。

対象となる被加工物としては、例えば原子炉の解体や炉心溶融物などの無定形で不規則な外形を有する可能性のある不確定状態の対象物が挙げられるが、これに限定されるものではない。ただし、本実施形態に係るレーザー照射方法は、不確定状態の対象物に対して特に効果的なものである。

図１は、本実施形態に係るレーザー照射方法の説明図である。図１（Ａ）に示すように、複数の半導体レーザー１から各々出射されるレーザー光は、各々の半導体レーザー１に対応する複数の光ファイバー２によって加工ヘッドまで伝送されるようになっている。すなわち、複数の半導体レーザー１と同数の光ファイバー２が加工ヘッドに接続されており、各々出射されるレーザー光は伝送路において結合されることなく、そのまま加工ヘッドまで伝送される。

図１（Ａ）に示す加工ヘッドは、３つの加工ヘッド４ａ，４ｂ，４ｃから構成されている。加工ヘッド４ａには複数の光ファイバー２からなる光ファイバー束３ａが接続されている。そして、光ファイバー束３ａからレーザー光５ａが集光点６ａに向けて照射されるようになっている。レーザー光５ａは、１本のレーザー光ではなく複数のレーザー光から構成されたものである。

同様に、加工ヘッド４ｂには複数の光ファイバー２からなる光ファイバー束３ｂが接続されており、光ファイバー束３ｂからレーザー光５ｂが集光点６ｂに向けて照射されるようになっている。また、加工ヘッド４ｃには複数の光ファイバー２からなる光ファイバー束３ｃが接続されており、光ファイバー束３ｃからレーザー光５ｃが集光点６ｃに向けて照射されるようになっている。レーザー光５ｂ，５ｃの各々も、１本のレーザー光ではなく複数のレーザー光から構成されたものである。

３つの加工ヘッド４ａ，４ｂ，４ｃは、光ファーバー束３ａ，３ｂ，３ｃから照射されるレーザー光が平行となるように角度を付けずに配置されている。

なお、図１（Ｂ）に示すように、１つの加工ヘッド４の内部に光ファーバー束３ａ，３ｂ，３ｃの各々の通路を配置し、１つの加工ヘッド４からレーザー光５ａ，５ｂ，５ｃを集光点６ａ，６ｂ，６ｃに向けて照射するようにしてもよい。

また、３つの加工ヘッド４ａ，４ｂ，４ｃを、光ファーバー束３ａ，３ｂ，３ｃから照射されるレーザー光が平行とならないように角度を付けて配置することもできる。

また、光ファイバー束３の数や、１つの光ファイバー束３を構成する光ファイバー２の数は限定されない。また、照射するレーザー光としては、例えば出力５０Ｗ以上で波長８００～１２００ｎｍのものを用いることができる。

図２は、本実施形態に係るレーザー照射方法による切断の説明図である。図２に示すように、加工ヘッド４の光ファイバー束３ａ，３ｂ，３ｃから照射されるレーザー光５ａ，５ｂ，５ｃを被加工物１００に照射して、被加工物１００を加熱、溶融して切断する。被加工物１００は、無定形で不規則な外見を有しており、部位によって厚みが異なっている。

図２の左側に示す加工ヘッド４からは、３束のレーザー光５ａ，５ｂ，５ｃが被加工物１００に対して照射されている。そして、３束のレーザー光５ａ，５ｂ，５ｃが、それぞれ被加工物１００の３つの照射点６ａ，６ｂ，６ｃに照射されている。３つの照射点６ａ，６ｂ，６ｃは、被加工物１００の加工部位の厚み方向全体に亘っており、加工部位全体を加熱、溶融して切断することができる。

次に、図２の右側に示す加工ヘッド４´からは、３束のレーザー光５ａ´，５ｂ´，５ｃ´が被加工物１００に対して照射されている。そして、３束のレーザー光５ａ´，５ｂ´，５ｃ´が、それぞれ被加工物１００の３つの照射点６ａ´，６ｂ´，６ｃ´に照射されている。３つの照射点６ａ´，６ｂ´，６ｃ´は、被加工物１００の加工部位の厚み方向全体に亘っており、加工部位全体を加熱、溶融して切断することができる。

ここで、加工ヘッド４´は、加工ヘッド４を角度を変化させることなく移動したものであり、各々から照射されるレーザー光５ａ，５ｂ，５ｃとレーザー光５ａ´，５ｂ´，５ｃ´は同一の角度で照射されている。従って、被加工物１００の厚みに合わせて加工ヘッド４を移動させるだけで、被加工物１００の厚みに応じたレーザー光の照射が可能となる。なお、加工ヘッド４は、加工方向に沿って水平に移動させればよいが、垂直移動を組み合わせるようにしてもよい。

本実施形態に係るレーザー照射方法は、複数の半導体レーザー１から出射され、光ファイバー２によって伝送されるレーザー光を加工ヘッド４から照射することで被加工物１００を加熱、溶融するレーザー加工におけるレーザー照射方法である。そして、複数の半導体レーザー１から各々出射されるレーザー光を、複数の光ファイバー２からなる複数の光ファイバー束３によって加工ヘッド４まで伝送し、被加工物１００に複数の光ファイバー束３からレーザー光５を照射するようになっている。これにより、光学素子を採用した複雑な機構を用いずとも、光ファイバー束の分割数を調整することで照射スポットを容易に分割することができる。従って、不確定状態の対象物のように被加工物の厚みが変化する場合にはレーザー光を分割スポットで照射し厚み方向全体に照射して加工することができる。

また、複数の半導体レーザー１から各々出射されるレーザー光を、伝送路において結合することなく加工ヘッド４まで伝送することで、結合によるレーザー光のエネルギー効率の低下を防ぐことができる。

これに対して、複数の半導体レーザー１から各々出射されるレーザー光を、伝送路において部分的に結合して加工ヘッド４まで伝送することもでき、その場合には光ファイバーの本数が多すぎて取り回しが困難になるのを防ぐことができる。

図３は、光ファイバー束３の端面形状に応じた照射範囲を示す図である。図３（Ａ）は、光ファイバー束３の端面を円形状とし複数の光ファイバー２を円形状に配置したものであり、集光点６も円形状となっている。図３（Ｂ）は、光ファイバー束３の端面を矩形状とし複数の光ファイバー２を矩形状に配置したものであり、集光点６も矩形状となっている。図３（Ｃ）は、光ファイバー束３の端面をライン状とし複数の光ファイバー２をライン状に配置したものであり、集光点６もライン状となっている。

本実施形態に係るレーザー照射方法は、レーザー光を照射する光ファイバー束３の端面形状を変更することで、光学素子を採用した複雑な機構を用いずとも、円形、矩形、ライン状等任意のビーム形状を作り出すことができる。これにより、加工対象の形状に応じて照射範囲を変えることができ、効率的に加工を行うことができる。

図４は、光ファイバー束とレンズとの距離に応じた照射範囲を示す図である。加工ヘッド内にはレンズ１０が設けられており、光ファイバー束３とレンズ１０との距離が変更できるようになっている。図４（Ａ）は光ファイバー束３とレンズ１０との距離が小さい場合を示し、図４（Ｂ）は光ファイバー束３とレンズ１０との距離が大きい場合を示しており、それぞれの集光点６の照射範囲が異なっている。

本実施形態に係るレーザー照射方法は、加工ヘッド内にレンズ１０を設け、光ファイバー束３とレンズ１０との距離を調整することで、照射するビームの大きさを簡単な機構で変更することができる。これにより、加工対象物の厚みや材質に応じてレーザー光のエネルギー密度を変えることができ、効率的に加工を行うことができる。

このように、本実施形態に係るレーザー照射方法によれば、複雑な機構が不要で、不確定状態の対象物にも容易に対応することができる。

以上、本発明の実施形態に係るレーザー照射方法について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるわけではなく、その他種々の変更が可能である。

１ 半導体レーザー
２ 光ファイバー
３ 光ファイバー束
４ 加工ヘッド
５ レーザー光
６ 集光点
１０ レンズ
１００ 被加工物

Claims (5)

1. 複数の半導体レーザーから出射され、光ファイバーによって伝送されるレーザー光を加工ヘッドから照射することで被加工物を加熱、溶融するレーザー加工におけるレーザー照射方法であって、
   前記複数の半導体レーザーから各々出射されるレーザー光は、複数の光ファイバーからなる複数の光ファイバー束によって前記加工ヘッドまで伝送され、
   前記被加工物に前記複数の光ファイバー束からレーザー光を照射することを特徴とするレーザー照射方法。
2. 前記複数の半導体レーザーから各々出射されるレーザー光が、伝送路において結合されることなく前記加工ヘッドまで伝送されることを特徴とする請求項１に記載のレーザー照射方法。
3. 前記複数の半導体レーザーから各々出射されるレーザー光が、伝送路において部分的に結合されて前記加工ヘッドまで伝送されることを特徴とする請求項１に記載のレーザー照射方法。
4. 前記光ファイバー束の端面形状を変更することで、照射するビーム形状を変更できることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１つに記載のレーザー照射方法。
5. 前記加工ヘッド内にレンズを設け、前記光ファイバー束と前記レンズとの距離を変更することで、照射するビームの大きさを変更できることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１つに記載のレーザー照射方法。

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