JP6141047B2 - レーザ切断装置およびレーザ切断方法 - Google Patents
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Description
レーザ切断の一使用用途として金属の切断が挙げられるが、例えば特許文献2には原子力発電施設において原子炉施設の金属容器の切断に使用されることが開示されている。
本発明のレーザ切断装置は、閉空間の内部でレーザビームを照射して切断対象材を切断するレーザ切断装置であって、レーザ切断時に発生し、前記閉空間から回収される金属の粉じんの量を計測する計測手段と、前記計測手段が計測した前記金属の粉じんの量により前記切断対象材の切断状態を判定する制御手段と、を備えたレーザ切断装置を採用する。
本発明によれば、レーザ切断時に発生する金属の粉じんの量を計測するため、金属の粉じんの量に応じて切断不良の発生有無などが詳細に判定できる。
本発明によれば、計測した金属蒸気または金属の粉じんの量に応じてレーザビームの切断速度を制御するため、計測した値から切断が不安定、すなわち良好な切断が行えていないと判定された場合にレーザビームの切断速度を低下させることで定常切断に戻すことができる。
本発明によれば、レーザ切断時に発生し閉空間から回収される金属の粉じんの量を計測し、これにより切断対象材の切断状態を判定することから、例えば切断対象材のレーザビーム照射面のみが外部に露出しており、レーザビーム照射面と対向する面(裏面)が外部に露出しておらず確認できない場合であっても、切断対象材の切断状態を判定することができる。
図1には、本実施形態にかかるレーザ切断装置およびレーザ切断方法の概略構成が示されている。
図1に示されるように、レーザ切断装置1は、レーザビームを発生させるレーザ発振器5と、ビーム(レーザビーム)20を金属板(切断対象材)101に照射するヘッド9と、ビーム20が照射されて溶融した金属を吹き飛ばすためにビーム20と同時にヘッド9から同軸で噴射されるアシストガスを供給するアシストガス供給部7と、ヘッド9の進行方向および切断速度やレーザ発振器5の出力等を制御する制御装置(制御手段)3と、計測装置(計測手段)4を主な構成として備えている。
レーザ切断装置1により金属板101にビーム20を照射すると、金属が溶融し、金属の微細な粉じん(以下、「ヒューム」という)が発生する。ヒュームは、大気中に飛散すると環境へ影響を及ぼすこと、および爆発の可能性があること等から、切断は閉空間100の内部で行われ、ヒュームは回収される。金属板101としては、例えば鉄とされ、その概要は厚板であり厚さは50mm〜200mm程度である。
発生したヒュームは排気ダクト120を通じて回収される。回収されたヒューム量は計測装置4によりその量を測定される。計測装置4としては、デジタル粉塵計(具体的には柴田科学製P5L(光散乱式相対濃度計))が用いられる。オリフィス流量計121により排出気体の流量が計測され、換気装置122によりヒュームの捕集および排気が行われる。また、閉空間100内の気圧が保たれるように、吸気ダクト110から吸気が行われる。
コンクリート壁102は、これに限らず他の部材でもよく、遮へい材あるいは視線を遮る部材であれば種類は問わない。
レーザ切断装置1を用いて金属板101の切断を行い、良好に切断が進行し終了した場合、計測装置4にて計測を行ったヒューム量は時間とともに図2のように推移する。
切断開始時、ビーム20は金属板101のビーム20照射面からこれと対向する面までの厚み分の金属を溶融させドロス(溶融金属の酸化生成物)が増加することから、ヒューム量は急激に増加する(図2においてT1からT2の期間に相当)。
その後、ビーム20は進行方向へ進みながら金属板101の切断を行う。この時、ビーム20が溶融させる金属は、金属板101の切断カーフ(切断溝)内のビーム20の進行方向側の面のみとなるため、ヒューム量は切断開始時のヒューム量よりも少ない一定の範囲内で安定する(図2においてT2からT3の期間に相当)。
ここで、ヒューム量は、切断対象の材料およびその厚さにより異なるため、ヒューム量が安定する範囲も異なる。また、ヒューム量は切断対象の材料およびその厚さにより推定可能である。
定常切断時、ヒューム量のグラフでの値は緩やかに右肩下がりの値を示す。
そして、切断が終了すると、ビーム20による金属の溶融も終了するが、それまでに溶融された金属が残っているため、この残存溶融金属およびドロスによるヒュームが残存し、緩やかに減少する(図2においてT3以降の期間に相当)。
レーザ切断装置1を用いて金属板101の切断を行い、切断状態が悪化し終了した場合、計測装置4にて計測を行ったヒューム量は時間とともに図3のように推移する。
切断開始時、ビーム20は金属板101のビーム20照射面からこれと対向する面までの厚み分の金属を溶融させドロスが増加することから、ヒューム量は急激に増加する(図3においてT6からT7の期間に相当)。
その後、ビーム20は進行方向へ進みながら金属板101の切断を行う。この時、ビーム20が溶融させる金属は金属板101の切断カーフ内のビーム20の進行方向側の面のみとなるため、ヒューム量は切断開始時のヒューム量よりも少ない一定の範囲内で安定する(図3においてT7からT8の期間に相当)。
そして、切断状態が悪くなり、金属板101のビーム20を照射する面と対向する面までビーム20が到達しなくなると、ドロスが金属板101のビーム20を照射する面と対向する面側へ吹き飛ばされないため、切断カーフ内に溶融金属がとどまることとなる。これにより溶融金属周辺の温度が上昇し蒸発量が増えることから、ヒューム量が急激に増加する。
すなわち、金属板101の切断が良好に進行せず切断不良が発生するとヒューム量が急激に増加するため、ヒューム量計測によりヒューム量の増加を検知することで、ビーム20を照射する面と対向する面がコンクリート壁102で覆われ切断状態が目視で確認できなくても、金属板101の切断状態を判定することができる。
切断不良であると検知されるヒューム量の増加とは、具体的に、定常切断時間帯に異常上昇した値となること及び/または定常切断時に切断開始時のヒューム量よりも多い値となることである。
そして、切断が終了すると、ビーム20による金属の溶融も終了するが、それまでに溶融された金属が残っているため、この残存溶融金属およびドロスによるヒュームが残存し、緩やかに減少する(図3においてT8以降の期間に相当)。
切断不良は、ビーム20が金属板101のビーム20を照射する面と対向する面まで到達しないまま進行方向に向かってヘッド9が進行することにより発生する。上述したヒューム量の増加を検知し制御装置3が切断不良であると判定すると、制御装置3はヘッド9の切断速度を低下させる制御を行う。これにより、ドロスがアシストガスにより吹き飛ばされ、ビーム20が金属板101のビーム20を照射する面と対向する面に到達し切断が安定する。
切断が安定するとともに、ヒューム量が安定するため、ヒューム量の安定を検知すると制御装置3は切断が良好であると判定し、制御装置3はヘッド9の切断速度をもとに戻す制御を行う。
切断速度は、金属板101の含有金属成分量や板厚などにより一定とはならないため、上記のような制御が必要となる。
レーザ切断時に発生するヒューム量を計測し、これにより金属板101の切断状態を判定することから、例えば金属板101のビーム20照射面のみが外部に露出しており、ビーム20の照射面と対向する面(裏面)が外部に露出しておらず目視で確認できない場合であっても、金属板101が切断できたか否かを判定することができる。従来、裏側から確認できない場合にはファイバースコープを用いて切断状態を確認する等の方法も存在するが、本発明と比較するとアクセス性が悪い。
また、制御装置3が計測したヒューム量に応じてヘッド9の切断速度を制御するため、制御装置3がヒューム量から切断が不安定である、すなわち良好な切断が行えていないと判定した場合にヘッド9の切断速度を低下させることで定常切断に戻すことができる。
また、ヒュームはそのまま大気中に放出されると、環境への影響や爆発の危険性があるため、必ずヒュームの回収系であるヒュームコレクターを設置する必要がある。ヒュームコレクターにはヒュームの有無が確認できるモニタリング装置も設置される。本発明によれば、これらの装置を利用することができるため、新たに装置を設置する必要が無い。
制御装置3はヘッド9に接続し、ヘッド9の進行方向や切断速度を制御するとしたが、ヘッド9は固定され、切断対象材または切断対象材が搭載された機具が移動するとしてもよい。この場合、切断対象材または切断対象材が搭載された機具の移動方向や移動速度が制御装置3により制御される。
切断対象材は金属板であるとしたが、セラミックスであってもよい。この場合、計測装置4ではセラミックス蒸気を計測する。
切断対象材は板厚が厚い板を想定したが、板厚が薄い板(例えば5mm以下)であってもよい。この場合、レーザ発振器5の出力を板厚に応じて変更することで対応可能となる。
3 制御装置(制御手段)
4 計測装置(計測手段)
5 レーザ発振器
7 アシストガス供給部
9 ヘッド
20 ビーム(レーザビーム)
100 閉空間
101 金属板(切断対象材)
102 コンクリート壁
110 吸気ダクト
120 排気ダクト
121 オリフィス流量計
122 換気装置
Claims (3)
- 閉空間の内部でレーザビームを照射して切断対象材を切断するレーザ切断装置であって、
レーザ切断時に発生し、前記閉空間から回収される金属の粉じんの量を計測する計測手段と、
前記計測手段が計測した前記金属の粉じんの量により前記切断対象材の切断状態を判定する制御手段と、
を備えたレーザ切断装置。 - 前記制御手段は、前記計測手段が計測した値に応じてレーザビームの切断速度を制御することを特徴とする請求項1に記載のレーザ切断装置。
- 閉空間の内部でレーザビームを照射して切断対象材を切断するレーザ切断方法であって、
レーザ切断時に発生し、前記閉空間から回収される金属の粉じんの量を計測する計測工程と、
前記計測工程において計測した前記金属の粉じんの量により前記切断対象材の切断状態を判定する制御工程と、
を備えたレーザ切断方法。
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