JP6121924B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

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。

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て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レーザ加工方法および装置が開発されている。

図１は、本レーザ加工の原理を表す概念図である。パルス幅が数ナノ秒（ｎｓ）程度のレーザビーム１を集光レンズ２で直径１ｍｍ程度のスポットに集光して被処理部材３に照射すると、被処理部材３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４の周囲がレーザビーム１の波長に対して透明な液体６により覆われている場合、プラズマ４の膨張が妨げられてプラズマ４の内部圧力は数ギガパスカル（ＧＰａ）程度に達し、被処理部材３に衝撃を加える。その際に強力な衝撃波５が発生し、被処理部材３の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。

上記レーザ加工は、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。

原子炉の炉内構造物に適用する場合、被処理部材が液体中にある場合は直接レーザ光を照射することができるが、例えば、取り外された加圧水型原子炉圧力容器の上蓋内面にレーザ光を照射する場合は、気中環境に存在する被処理部材に対して加工する必要がある。このような気中環境に設置された被処理部材に対して、液体を供給して液膜を張りつつレーザ光を照射し、効果的にレーザ加工する方法および装置が開発されている。

特許第４８６８７２９号公報

しかしながら、気中環境にて液膜を張りつつレーザ光を照射して加工を行った場合、レーザ照射時に被処理部材がアブレーションされて金属微粒子が生じる。また同時に、レーザビームを照射することにより発生したプラズマの衝撃及び照射時に発生する熱により、液体の一部が霧状流体になるため、金属微粒子を含んだ霧状流体が気中環境へと放出される。

この場合、被処理部材が放射性物質であれば、霧状流体の拡散により気中環境の線量を上昇させるだけでなく、加工に用いた装置や遮蔽壁表面を汚染することにより除染の作業が必要となる可能性がある。また、被処理部材が放射性物質でない場合であっても、浮遊した金属微粒子が周囲に付着したり、人体に吸引されたりすることが好ましく無い場合もある。

本発明は上記の課題に対処してなされたもので、気中環境に設置された被処理部材を加工した際に生じる金属微粒子を含んだ霧状流体の拡散を抑制できる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、気中環境に設けられた被処理部材に対してレーザビームを照射し、表面処理を行うレーザ加工装置であって、液体を噴射し、前記被処理部材の表面に供給する液体供給機構と、前記被処理部材の表面に前記液体を通してパルス状の前記レーザビームを照射するレーザ照射機構と、前記被処理部材の表面に、前記レーザビームを照射することにより生じた霧状流体を収集するための霧状流体収集機構と、を具備し、前記霧状流体収集機構は、前記霧状流体を吸引して収集する吸引機構と、前記霧状流体を凝縮させるための霧状流体凝縮機構とを有することを特徴とする。

本発明のレーザ加工方法の一態様は、気中環境にある被処理部材にレーザビームを照射して表面処理を行うレーザ加工方法であって、液体を前記被処理部材の表面に供給しつつ、 前記被処理部材の表面に前記液体を通してパルス状の前記レーザビームを照射するとともに、前記被処理部材の表面に前記レーザビームを照射することにより生じた霧状流体を、吸引機構により吸引して収集し、霧状流体凝縮機構により凝縮させることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、気中環境に設置された被処理部材を加工した際に生じる金属微粒子を含んだ霧状流体の拡散を抑制できる。

レーザ加工の原理を示す概念図。 本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図。 図２のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 図２のレーザ加工装置の全体概略構成を示す図。 本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置の全体概略構成を示す図。 本発明の第３実施形態に係るレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 図６のレーザ加工装置の全体概略構成を示す図。 図６のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 図６のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 第３実施形態の変形例の要部概略構成を示す図。 第４実施形態に係るレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 アクセス機構の他の例の構成を示す図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図２，３は、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ照射部１００の概略構成を示す図である。図２に示すように、レーザ照射部１００は、液体噴射ノズル１０２を具備しており、液体噴射ノズル１０２の近傍には、霧状流体収集機構としての吸引ノズル１０１が配設されている。

液体噴射ノズル１０２は、先端が傾斜駆動可能とされており、上下方向に駆動が可能な駆動装置昇降軸１０３と、水平方向に駆動が可能な駆動装置水平軸１０４と、回転駆動が可能な駆動装置回転軸１０５との３つの駆動系を用いて３次元に走査可能とされている。駆動装置回転軸１０５上には、レーザ発振器１０６が配設されており、図３に示すように、駆動装置水平軸１０４及び駆動装置昇降軸１０３の内部には、レーザ発振器１０６から発振されたレーザビーム１を液体噴射ノズル１０２に伝送するための光学伝送系が内蔵されている。光学伝送系は、全反射ミラー１０９と光路上に設置された集光レンズ２等から構成されており、全反射ミラー１０９の一部は、駆動装置水平軸１０４及び駆動装置昇降軸１０３の駆動に伴って駆動されるよう構成されている。

レーザ発振器１０６から発振されたレーザビーム１は、全反射ミラー１０９によって伝送され、集光レンズ２によって集光されて、液体噴射ノズル１０２内に到る。そして、液体供給機構２０７（図４参照）から供給される液体１１０に伝送され、液体噴射ノズル１０２の先端から噴射される液体１１０の液流内に、同軸に照射される。液体１１０内に照射されたレーザビーム１は液体１１０内を伝送し、表面が液体１１０の液膜と接触している状態の被処理部材３に照射される。これによって、被処理部材３の表面にプラズマ４を生じさせ、前述したレーザ加工の原理により、被処理部材３の残留応力を緩和することができる。

レーザ加工後の液体１１０は、その一部がプラズマ４により微細な霧状流体１１１となり、残りの一部が被処理部材３との衝突により液滴１１２となり、残りは被処理部材３の表面を流れる表面流液体１１３となる。これらは、夫々レーザ照射時に生じる被処理部材３の金属微粒子を含むが、液滴１１２と表面流液体１１３は重力により被処理部材３の近傍に落下し広範囲に拡散することがないため回収は容易である。一方、霧状流体１１１は気中に浮遊した状態となるため、気中を漂い、不所望な部位にまで拡散してしまう可能性がある。

そこで、本実施形態のレーザ加工装置では、吸引ノズル１０１を用いることで、金属微粒子を含む霧状流体１１１を吸引し、吸引機構２０６（図４参照。）を通して回収することによって、金属微粒子を含む霧状流体１１１が不所望な部位にまで拡散してしまうことを防止することができる。

図４は、加圧水型原子炉の原子炉圧力容器上蓋の管台にレーザ加工する場合のレーザ加工装置の全体構成を示している。原子炉圧力容器から取り外された原子炉圧力容器上蓋２０２は、複数本の支持円柱２０４に支えられ気中環境に設置される。支持円柱２０４の内側には、放射線防護のためコンクリート生体遮蔽体２０５とステンレス遮蔽体２０３が設置されている。

レーザ加工装置のレーザ照射部１００は、コンクリート生体遮蔽体２０５及びステンレス遮蔽体２０３の内側に設置されたロボットアーム等からなるアクセス機構２１１とアクセス機構取り合い部１１４を介して接続されている。そして、このアクセス機構２１１により、レーザ照射部１００は原子炉圧力容器上蓋２０２に溶接されている原子炉上蓋管台２０１の近傍にアクセスすることが可能となり、所望の部位にレーザ加工することができるようになっている。

レーザ加工に必要となる液体を供給する液体供給機構２０７と、レーザ照射部１００に電源を供給するとともに制御を行うレーザ制御機構２０８は、コンクリート生体遮蔽体２０５とステンレス遮蔽体２０３の外側に配置され、作業員がアクセスできるようになっている。液体供給機構２０７とレーザ制御機構２０８は、それぞれ液体供給チューブ１０７と、冷却液体循環機構及び制御信号ケーブル２０９とによって、レーザ照射部１００の動作及びレーザ加工に必要となる液体、信号等を供給するようになっている。

レーザ照射部１００に設置されている吸引ノズル１０１から回収された霧状流体１１１は、吸引チューブ１０８を通してコンクリート生体遮蔽体２０５とステンレス遮蔽体２０３の外側に配置された吸引機構２０６に導かれ、吸引機構２０６に設けられた気液分離機構によって、液体と金属微粒子に分離して回収するようになっている。

次に、図５を参照して、第２実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。なお、図５において、第１実施形態に係るレーザ加工装置と対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は省略する。

第２実施形態では、第１実施形態にて、液体噴射ノズル１０２の近傍に配設した吸引ノズル１０１を、アクセス機構２１１に配設した構成となっている。このように、吸引ノズル１０１を、アクセス機構２１１に配設することにより、レーザ照射部１００ａの軽量化が可能となる。

この第２実施形態では、レーザ照射部１００ａの近傍における霧状流体１１１の回収率は減少するが、原子炉圧力容器上蓋２０２とコンクリート生体遮蔽体２０５とステンレス遮蔽体２０３に囲まれた空間内での霧状流体１１１の回収を可能とすることができ、この空間内から外部に霧状流体１１１が拡散してしまうことを防止することができる。

次に、図６〜９を参照して、第３実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。なお、図６〜９において、第１実施形態に係るレーザ加工装置と対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は省略する。

第３実施形態では、レーザ照射部１００ｂに設けられた霧状流体収集機構は、液体噴射ノズル１０２を囲むように配設された筒状の気体層流ノズル３０１と、この気体層流ノズル３０１の内面に配設された霧状流体凝縮機構３０４とから構成されている。霧状流体凝縮機構３０４は、霧状流体１１１を冷却することによって凝縮させるようになっている。霧状流体凝縮機構３０４の詳細な構成については後述する。

本実施形態において、筒状の気体層流ノズル３０１は、被処理部材である原子炉上蓋管台２０１が筒状の気体層流ノズル３０１の内側を貫通できるように、例えば気体層流ノズル３０１を、底部を有しない筒状、あるいは貫通孔が形成された底部を有する形状とされる。なお、原子炉上蓋管台２０１が筒状の気体層流ノズル３０１の内側を貫通できない構成の場合、例えば、筒状の気体層流ノズル３０１を有底筒状とした場合は、気体層流ノズル３０１を、原子炉上蓋管台２０１の全体を覆うことのできる十分な長さを有する構成とする。

気体層流ノズル３０１が、貫通穴が形成された底部を有する筒状の場合、液体噴射ノズル１０２から噴射された液体や、霧状流体１１１が凝縮した流体は貫通穴から流下する。この場合、落下する液体を受けるトレイをフロア上に設置して集める等の構成とすることが望ましい。

また、気体層流ノズル３０１を（原子炉上蓋管台２０１が通る貫通穴の無い）有底筒状とした場合、気体層流ノズル３０１に溜まる液体を取り除くための構成を有することが望ましい。例えば、原子炉上蓋管台２０１が通らない穴を液体がフロアに流下するリークパスとして設ける、液体を回収するためのチューブを接続し、このチューブにポンプを接続して吸引する、といった構成が考えられる。

気体層流ノズル３０１は、上側端部から、筒状のエアカーテンを形成するように、構造物に対して気体層流３０３を吹き付けることができるように構成されている。吹きつけられる気体層流３０３は、原子炉圧力容器上蓋２０２にまで２次元層流にて到達し、レーザ加工時に生じる液滴１１２、霧状流体１１１を気体層流ノズル３０１の内側に吹き飛ばして収集できるようになっている。

図７は、第３の実施形態に係るレーザ加工装置により、原子炉上蓋管台２０１にレーザ加工する場合の装置全体の構成図を示すである。前述の気体層流を構成する気体は、コンクリート生体遮蔽体２０５とステンレス遮蔽体２０３の外側に設置された気体供給源３０７から気体供給チューブ３０２を通じて供給される。気体供給源３０７としては、例えばコンプレッサーやガスボンベなど、高圧に気体を圧縮することのできるものを使用することができる。

次に、図８を参照して霧状流体凝縮機構３０４の構成について説明する。レーザビーム１の照射によって生じた霧状流体１１１は、レーザビーム１の照射による熱により、加工前の液体１１０より温度が上昇した状態で浮遊する。この浮遊している霧状流体１１１を、気体層流ノズル３０１から吹き付けられた気体層流３０３にて気体層流ノズル３０１の内側に収集する。気体層流ノズル３０１の内面に設置された霧状流体凝縮機構３０４の表面は十分冷却されており、収集された霧状流体１１１は、霧状流体凝縮機構３０４の表面にて凝縮され、液化した凝縮流体３０６として気中から回収することができる。

図９（ａ）、（ｂ）に霧状流体凝縮機構３０４の構成例を示す。図９（ａ）に示すように、気体層流ノズル３０１には、気体層流３０３を構成する気体を供給するために、上下方向に沿って多数の気体供給路３０８が設けられている。なお、これらの気体供給路３０８は、１つのチャンバーから分岐される構造、若しくは、隣り合う気体供給路３０８が連通された構造など、各気体供給路３０８内の気体が分圧される構造とすることが好ましい。

気体層流３０３を構成する気体を冷却した状態で気体供給路３０８内を通過させた場合、気体と気体層流ノズル３０１との間で熱交換が行われ、気体層流ノズル３０１の内面が冷却されるので、霧状流体凝縮機構３０４による霧状流体１１１を効率良く凝縮させることができる。

また、図９（ｂ）に示すように、霧状流体凝縮機構３０４として、気体層流ノズル３０１の内面に液体供給チューブ１０７を設け、この液体供給チューブ１０７に冷却した液体４０１を流通させて、霧状流体１１１を冷却し凝縮させるようにすることもできる。なお、液体供給チューブ１０７を通過した液体が、液体噴射ノズル１０２から噴出される構成とすることもできる。

気体層流３０３を形成するための気体としては、各種の気体を使用することができ、空気を使用してもよい。また、安価にて入手可能で環境影響の少ない窒素を用いればレーザ加工後の被処理部材の酸化を防ぎながら表面の湿気を取り除くことができるため、空気を用いた場合より加工後の表面状態は良好となる。しかし、酸化防止効果を得るためには、気体層流３０３を構成する気体は、窒素にかかわらずに被処理部材に対して不活性な気体を用いれば良く、例えば、アルゴン等を用いることもできる。

また、逆に被処理部材に対して活性な気体を用いることで表面処理を同時に行うことも可能であり、たとえば被処理部材が原子力圧力容器ではなく、アルミニウム合金等であれば緻密な酸化膜を形成することなどが可能である。

本実施形態では、エアカーテンを形成することで霧状流体１１１が外へ流出するのを防ぎ、液状流体凝縮機構３０４で冷却する構成としたが、このような構成に限られない。例えば、霧状流体１１１の流出を防ぐのは物理的なカバーでもよいし、周囲温度や液体噴射ノズル１０２から噴射する液体の温度が十分低ければ、これらを利用して霧状流体１１１を凝縮させる構成であってもよい。

この本実施形態の変形例を図１０に示す。図１０においては、気体層流ノズル３０１に代えて筒状部材３０１ａが配設され、この上部に、内部に設けられた弾性体３２０によって上方に付勢される筒状のベローズ３２１が設けられている。このベローズ３２１は、原子炉圧力容器上蓋２０２の下面に届く長さを有し、下方から原子炉圧力容器上蓋２０２下面に押し付けられることで、その内側と外側を隔てる。霧状流体１１１が外側に流出しなければよいので、ベローズ３２１の上部が原子炉圧力容器上蓋２０２下面に接していればよく、強く押し付けられる必要はない。また、ベローズ３２１の上面を、ベローズ３２１の周方向に伸縮性を有する構成とすることで、原子炉圧力容器上蓋２０２下面が大きい曲率を有する位置でも良好に接することができる。あるいは、単一の筒状のベローズ３２１を用いることに代えて、円弧状のベローズを複数並べて、全体として筒状のベローズとして構成することによっても、大きい曲率を有する原子炉圧力容器上蓋２０２下面に適合できる。なお、ベローズ３２１と弾性体３２０に代えて、例えば風船を設け、この風船がエアーの供給により膨張して原子炉圧力容器上蓋２０２下面に接するような構成でもよい。

また、筒状部材３０１ａは貫通穴が形成された底部を有する。この貫通穴からは前述したとおり液体噴射ノズル１０２から噴射される液体が流下するが、施工中は筒状部材３０１ａの内側に液体が滞留する構成となっている。これは、施工時に貫通穴と原子炉上蓋管台２０１の隙間（すなわち、液体のリークパス）を十分小さく形成することで達成できる。このような構成によれば、ベローズの内側に漂う霧状流体１１１が、筒状部材３０１ａの内側に滞留する液体によって凝縮されてから筒状部材３０１ａの外部へ排出される。

次に、図１１を参照して、第４実施形態に係るレーザ加工装置について説明する。なお、図１１において、第３実施形態に係るレーザ加工装置と対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は省略する。この第４実施形態では、筒状の気体層流ノズル３０１に代えて、内部に貯水することのできる有底円筒状の気体層流ノズル３０９をレーザ照射部１００ｃに配設した構成となっている。

上記構成の第４実施形態では、レーザ加工時に噴出した液体１１０とレーザ照射時に生じた金属微粒子を、気体層流ノズル３０９内に、金属微粒子含有液体３１０として回収することができる。また、気体層流ノズル３０９の内側に収集された金属微粒子含有液体３１０を、気体層流ノズル３０９の底部に配設した配管等からなる排出機構３１１を介して吸引することによって外部に排出し、液体中から金属微粒子を分離して収集すれば、空間線量を上昇させることなくレーザ加工を行うことができる。

次に、図１２を参照してアクセス機構の他の例の構成について説明する。図１２に示すアクセス機構２１２では、回転可能とされた回転テーブル２１３上に、水平方向に移動可能とされた昇降軸２１４が配設されており、この昇降軸２１４に回転軸２１５を介してレーザ照射部１００が接続されている。なお、回転テーブル２１３には、原子炉上蓋管台２０１の外側をレーザ加工するためのレーザ照射機構としてレーザ照射部１００が配設されている他、原子炉上蓋管台２０１の内面を加工するためのレーザ照射機構としてレーザ照射部２２０が配設されている。ここで、例えば、回転テーブル２１３を十字形状にする等して、レーザ照射部１００やレーザ照射部２２０を複数同時に稼動できる構成としてもよい。

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。
例えば、筒状の気体層流ノズル３０１を円筒状として説明したが、多角形の筒状等であってもよい。

１……レーザビーム、２……集光レンズ、３……被処理部材、４……プラズマ、５……衝撃波、６……液体、１００……レーザ照射部、１０１……吸引ノズル、１０２……液体噴射ノズル、１０３……駆動装置昇降軸、１０４……駆動装置水平軸、１０５……駆動装置回転軸、１０６……レーザ発振器、１０７……液体供給チューブ、１０８……吸引チューブ、１０９……全反射ミラー、１１０……液体、１１１……霧状流体、１１２……液滴、１１３……表面流液体、１１４……アクセス機構取り合い部、２０１……原子炉上蓋管台、２０２……原子炉圧力容器上蓋、２０３……ステンレス遮蔽体、２０４……支持円柱、２０５……コンクリート生体遮蔽体、２０６……吸引・液体処理機構、２０７……液体供給機構、２０８……レーザ電源及び制御装置、２０９……冷却液体循環機構及び制御信号ケーブル、２１１……アクセス機構、２１３……回転テーブル、２１４……昇降軸、２１５……回転軸、２２０……レーザ照射部、３０１……気体層流ノズル、３０１ａ……筒状部材、３０２……気体供給チューブ、３０３……気体層流、３０４……霧状流体凝縮機構、３０６……凝縮流体、３０７……気体供給源、３０８……気体供給路、３０９……気体層流ノズル、３１０……金属微粒子含有液体、３１１……排出機構、３２０……弾性体、３２１……ベローズ。

Claims (6)

1. 気中環境に設けられた被処理部材に対してレーザビームを照射し、表面処理を行うレーザ加工装置であって、
   液体を噴射し、前記被処理部材の表面に供給する液体供給機構と、
   前記被処理部材の表面に前記液体を通してパルス状の前記レーザビームを照射するレーザ照射機構と、
   前記被処理部材の表面に、前記レーザビームを照射することにより生じた霧状流体を収集するための霧状流体収集機構と、
   を具備し、
   前記霧状流体収集機構は、前記霧状流体を吸引して収集する吸引機構と、前記霧状流体を凝縮させるための霧状流体凝縮機構とを有する
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１記載のレーザ加工装置であって、
   前記霧状流体凝縮機構は、
   筒状構造物と、当該筒状構造物を冷却するための冷却手段と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項２記載のレーザ加工装置であって、
   前記筒状構造物は、前記被処理部材における前記レーザビームの照射位置の周囲に気体層流を吹き付ける気体層流ノズルを有することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項３記載のレーザ加工装置であって、
   前記冷却手段は、前記気体層流ノズルの気体流路内に、冷却された気体を流すことによって冷却することを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項２〜４いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
   前記筒状構造物が、有底筒状とされ、内部に液体を溜める液体貯留部を有することを特徴とするレーザ加工装置。
6. 気中環境にある被処理部材にレーザビームを照射して表面処理を行うレーザ加工方法であって、
   液体を前記被処理部材の表面に供給しつつ、
   前記被処理部材の表面に前記液体を通してパルス状の前記レーザビームを照射するとともに、
   前記被処理部材の表面に前記レーザビームを照射することにより生じた霧状流体を、吸引機構により吸引して収集し、霧状流体凝縮機構により凝縮させる
   ことを特徴とするレーザ加工方法。

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