JP6265417B2 - Fusing and crushing adaptive control device using laser light - Google Patents
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Description
本発明は、レーザー光を熱源として用いた溶断・破砕適応制御装置に関するものである。 The present invention relates to a fusing and crushing adaptive control device using laser light as a heat source.
原子力発電所における原子炉の事故により冷却機能が減退あるいは喪失すると、核燃料の崩壊熱により、燃料集合体や炉心構造体が過熱されて溶融し、炉心溶融物が生じる可能性がある。
この炉心溶融物は、例えば圧力容器などを構成する炭素鋼からなる金属、燃料被覆管を構成するジルコニウム、核燃料を構成する酸化ウランや酸化プルトニウムなどが混在した溶融物であり、その形状は無定形、不規則となる可能性がある。
この炉心溶融物の処理方法として、例えば特開２０１３−８８１１７号公報(特許文献１)などで提案されている方法がある。
この特許文献１に記載されている炉心溶融物の処理方法は、
炉心溶融物を電解浴の陽極に装荷し、陰極に金属Ｚｒを電解析出させる工程と、
交換した陰極に金属Ｆｅを電解析出させる工程と、
第１ガスをバブリングして陽極雰囲気の酸化性を高める工程と、
交換した陰極にＵ酸化物を電解析出させる工程と、
第２ガスをバブリングして陽極雰囲気の酸化性をさらに高める工程と、
交換した陰極にＵ酸化物及びＰｕ酸化物の混合物を電解析出させる工程と、
陽極に残留する残留物を回収する工程と、
電解浴に含まれる核分裂生成物を回収する工程を含むことを特徴としており、
放射性物質、ＦｅならびにＺｒを別々に分離して回収する方法である。
If the cooling function is reduced or lost due to a nuclear accident at a nuclear power plant, the fuel assembly or core structure may be overheated and melted due to the decay heat of the nuclear fuel, resulting in a core melt.
This core melt is a melt containing, for example, a metal made of carbon steel constituting a pressure vessel, zirconium constituting a fuel cladding tube, uranium oxide and plutonium oxide constituting a nuclear fuel, and the shape thereof is amorphous. Could be irregular.
As a method for treating the core melt, there is a method proposed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2013-88117 (Patent Document 1).
The processing method of the core melt described in this patent document 1 is
Loading the core melt to the anode of the electrolytic bath and electrolytically depositing metal Zr on the cathode;
Electrolytically depositing metallic Fe on the exchanged cathode;
Bubbling a first gas to increase the oxidizability of the anode atmosphere;
Electrolytically depositing U oxide on the exchanged cathode;
Bubbling a second gas to further enhance the oxidizability of the anode atmosphere;
Electrolytically depositing a mixture of U oxide and Pu oxide on the exchanged cathode;
Collecting the residue remaining on the anode;
It includes a step of recovering fission products contained in the electrolytic bath,
In this method, radioactive materials, Fe and Zr are separately separated and recovered.
しかし、前述した炉心溶融物の処理方法は多数の工程を有しており、作業が煩雑であり、時間がかかり、コスト高を招く懸念がある。また、この発明では、各種材料が混在した無定形で不規則な外形を有する炉心溶融物を原子炉の中で溶断あるいは破砕することにより、適当な大きさにして原子炉から取り出すことについて配慮されていない。 However, the method for treating a core melt described above has a number of steps, and the operation is complicated, takes time, and may increase the cost. Further, in the present invention, consideration is given to taking out the core melt having an irregular and irregular outer shape mixed with various materials to an appropriate size by fusing or crushing in the reactor. Not.
本発明の目的は、例えば金属やセラミックスなど異なる材料が混在して、無定形で不規則な外形を有する処理対象物を、その材料に対応して溶断あるいは破砕できるレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置を提供することにある。 The object of the present invention is to cut and crush using laser light that can melt or crush a processing object having an irregular and irregular outer shape, such as metal and ceramics, corresponding to the material. It is to provide an adaptive control device.
前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、
溶断・破砕をしようとする処理対象物に対してレーザー光を照射するレーザー加工ヘッドを搭載したロボットと、
前記処理対象物の状態を検出する検出部と、
前記検出部からの検出情報に基づいて前記ロボットを制御する制御部を備え、
前記検出部は、前記処理対象物からのレーザー光の反射光を受光し、前記反射光に基づいて前記処理対象物の３次元幾何学形状を認識するレーザースキャナと、
前記反射光に基づいて前記処理対象物の材質を検出する分光計と、
前記反射光に基づいて前記処理対象物の溶断又は破砕が良好に行われているか否かを検出する温度計と、を有しており、
前記制御部は前記検出部からの情報に基づいて、前記ロボットの動作制御をするロボット制御部と、前記レーザー加工ヘッドから照射されるレーザー光を制御するレーザー光制御部を有していることを特徴とするものである。
本発明の第２の手段は第１の手段において、
前記処理対象物の形状が無定形、不規則であり、前記ロボットがＸ−Ｙ−Ｚ３軸直交型のロボットで、前記レーザースキャナによって認識された前記処理対象物の３次元幾何学形状に沿うように、前記ロボット制御部で前記レーザー加工ヘッドの位置を制御することを特徴とするものである。
本発明の第３の手段は第１または２の手段において、
前記レーザー加工ヘッドは、前記処理対象物に対してレーザー光の連続照射とパルス照射が切り替え可能になっており、
前記分光計により前記レーザー光が照射されている前記処理対象物の部位分が金属としての性質を有する金属領域であると検出されると、前記レーザー光制御部により前記レーザー加工ヘッドは前記処理対象物に対してレーザー光の連続照射を行い、
前記分光計により前記レーザー光が照射されている前記処理対象物の部位がセラミックスとしての性質を有するセラミックス領域であると検出されると、前記レーザー光制御部により前記レーザー加工ヘッドは前記処理対象物に対してレーザー光のパルス照射を行うように構成されていることを特徴とするものである。
本発明の第４の手段は第１ないし第３の手段において、
前記処理対象物の溶融溝内に生成した溶融金属を当該溶融溝から排出するアシストガスを噴射するためのアシストガス噴射手段を有し、
前記温度計の検出情報に基づいて前記アシストガスの流量が調整可能になっていることを特徴とするものである。
本発明の第５の手段は第１ないし第４の手段において、
前記レーザー加工ヘッドの付近に前記処理対象物の溶断・破砕で生成した粗粒体を吸引する吸引パイプが設けられ、
前記吸引パイプは前記レーザー加工ヘッドと共に移動可能になっていることを特徴とするものである。
本発明の第６の手段は第１ないし第５の手段において、
前記処理対象物が原子炉の炉心溶融物であることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the first means of the present invention comprises:
A robot equipped with a laser processing head that irradiates a processing target to be melted and shredded with a laser beam;
A detection unit for detecting a state of the processing object;
A control unit for controlling the robot based on detection information from the detection unit;
The detector receives the laser beam of the reflected light from the object to be treated, a laser scanner for recognizing a three-dimensional geometry of the processing object based on the reflected light,
A spectrometer for detecting the material of the processing object based on the reflected light;
Has a thermometer for detecting whether or not blown or crushing of the processing object is satisfactorily performed on the basis of the reflected light,
The control unit includes a robot control unit that controls the operation of the robot based on information from the detection unit, and a laser light control unit that controls laser light emitted from the laser processing head. It is a feature.
The second means of the present invention is the first means,
The shape of the processing object is amorphous or irregular, and the robot is an XYZ three-axis orthogonal type robot so as to follow the three-dimensional geometric shape of the processing object recognized by the laser scanner. In addition, the position of the laser processing head is controlled by the robot control unit.
The third means of the present invention is the first or second means,
The laser processing head is capable of switching between continuous irradiation of laser light and pulse irradiation on the processing object,
When it is detected by the spectrometer that the portion of the object to be processed that is irradiated with the laser light is a metal region having a property as a metal, the laser light control unit causes the laser processing head to move the laser processing head. The object is continuously irradiated with laser light,
When it is detected by the spectrometer that the part of the processing object irradiated with the laser light is a ceramic region having properties as ceramics, the laser processing head causes the laser processing head to move the laser processing head. It is comprised so that pulse irradiation of a laser beam may be performed with respect to.
The fourth means of the present invention is the first to third means,
An assist gas injection means for injecting an assist gas for discharging the molten metal generated in the molten groove of the object to be processed from the molten groove;
A flow rate of the assist gas can be adjusted based on detection information of the thermometer.
The fifth means of the present invention is the first to fourth means,
In the vicinity of the laser processing head, a suction pipe for sucking coarse particles generated by fusing and crushing the processing object is provided,
The suction pipe is movable with the laser processing head.
The sixth means of the present invention is the first to fifth means,
The object to be treated is a core melt of a nuclear reactor.
本発明は前述のような構成になっており、異なる材料が混在して、無定形で不規則な外形を有する処理対象物を、その材料に対応して溶断あるいは破砕できるレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置を提供することができる。 The present invention is configured as described above, and fusing using a laser beam capable of fusing or crushing an object to be processed having an amorphous and irregular outer shape in accordance with the material, in which different materials are mixed. -A crushing adaptive control device can be provided.
原子炉の事故により冷却機能が減退あるいは喪失すると、核燃料の崩壊熱により、燃料集合体や炉心構造体が過熱されて溶融し、炉心溶融物が生じる可能性がある。
この炉心溶融物は、例えば圧力容器などを構成する炭素鋼からなる金属、燃料被覆管を構成するジルコニウム、核燃料を構成する酸化ウランや酸化プルトニウムなどが混在した溶融物であり、その形状は無定形、不規則な外形となる可能性がある。
If the cooling function is reduced or lost due to a nuclear accident, the fuel assembly or core structure may be overheated and melted by the decay heat of the nuclear fuel, resulting in a core melt.
This core melt is a melt containing, for example, a metal made of carbon steel constituting a pressure vessel, zirconium constituting a fuel cladding tube, uranium oxide and plutonium oxide constituting a nuclear fuel, and the shape thereof is amorphous. , May have an irregular shape.
また、この炉心溶融物は、靭性の高い金属から靭性の低いセラミックス(ＨＶ〜３００)まで含まれており、さらに熱伝導を阻害する多孔質の領域が存在することもある。また、炉心溶融物の炉外への取出しに際しては、二次廃棄物量の低減が要求される。 Further, the core melt contains a metal having a high toughness to a ceramic having a low toughness (HV to 300), and there may be a porous region that inhibits heat conduction. Moreover, when taking out the core melt outside the reactor, it is required to reduce the amount of secondary waste.
このようなことから本発明では、材料を選ばずに高速の溶断ならびに破砕が可能で、しかも炉心溶融物の溶断・破砕に伴う粉じんの発生量が少ないレーザー光を熱源として炉心溶融物の溶断・破砕に使用する。 For this reason, in the present invention, high-speed melting and crushing are possible regardless of the material, and the amount of dust generated due to melting and crushing of the core melt is low. Used for crushing.
次に本発明の実施形態を図面とともに説明する。図1は、本発明の実施形態に係る溶断・破砕適応制御装置の概略構成図である。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fusing / crushing adaptive control device according to an embodiment of the present invention.
図１に示されているように溶断・破砕適応制御装置は、ロボット１と制御部２と検出部３とパソコン４から主に構成されている。そしてロボット１と検出部３は事故が起こった原子炉内に挿入されて、一緒に原子炉内で移動できるようになっている。一方、制御部２とパソコン４は、被爆を避けるために原子炉から離れた遠隔操作室（図示せず）に設置されている。
ロボット１と制御部２と検出部３とパソコン４は図１に示すような接続関係になっている。図面上は制御部２とパソコン４が別体に描かれているが、実際には制御部２はパソコン４内に組み込まれている。パソコン４では、例えば溶断・破砕適応制御の開始、終了ならびに溶断・破砕ルートの入力など諸種の操作が行われる。
As shown in FIG. 1, the fusing / crushing adaptive control device is mainly composed of a robot 1, a control unit 2, a detection unit 3, and a personal computer 4. The robot 1 and the detection unit 3 are inserted into the reactor where the accident has occurred, and can be moved together in the reactor. On the other hand, the control unit 2 and the personal computer 4 are installed in a remote operation room (not shown) separated from the nuclear reactor in order to avoid exposure.
The robot 1, the control unit 2, the detection unit 3, and the personal computer 4 are connected as shown in FIG. Although the control unit 2 and the personal computer 4 are depicted separately in the drawing, the control unit 2 is actually incorporated in the personal computer 4. In the personal computer 4, various operations such as start and end of fusing / crushing adaptive control and input of a fusing / crushing route are performed.
ロボット１は、多関節アーム５の先端部にレーザー加工ヘッド６を搭載したＸ−Ｙ−Ｚ３軸直交型のロボットで構成されている。本実施形態では、レーザー加工ヘッド６の位置精度は±０．１ｍｍ、移動速度は０．１ｍｍ／ｓ〜３００ｍｍ／ｓ（単軸) の範囲内において制御可能である。 The robot 1 is composed of an XYZ three-axis orthogonal type robot in which a laser processing head 6 is mounted at the tip of the articulated arm 5. In the present embodiment, the positional accuracy of the laser processing head 6 can be controlled within a range of ± 0.1 mm, and the moving speed can be controlled within a range of 0.1 mm / s to 300 mm / s (single axis).
制御部２は、ロボット１の動作を制御するロボット制御部７と、処理対象物１９(図２参照)に対してレーザー加工ヘッド６から照射されるレーザー光８ (図２参照)を制御するレーザー光制御部９と、処理対象物１９に対してレーザー加工ヘッド６から噴射されるアシストガス１０ (図２参照)の噴流を制御するアシストガス制御部１１を備えている。制御部２は他の制御部も備えているが、本発明とは直接的な関係が薄いため、それらの説明は省略する。 The control unit 2 includes a robot control unit 7 that controls the operation of the robot 1 and a laser that controls the laser light 8 (see FIG. 2) emitted from the laser processing head 6 to the processing object 19 (see FIG. 2). The light control unit 9 and the assist gas control unit 11 that controls the jet of the assist gas 10 (see FIG. 2) injected from the laser processing head 6 to the processing object 19 are provided. Although the control part 2 is also provided with the other control part, since the direct relationship with this invention is thin, those description is abbreviate | omitted.
検出部３は、処理対象物１９に照射されたレーザー光８の反射光２５(図２参照)を受光することにより、処理対象物１９の表面との距離を演算して、処理対象物１９の表面の凹凸状態を検出するレーザースキャナ１２と、レーザー光８の反射光２５から処理対象物１９の表面温度を検出して溶断などの有無を判断する二色温度計１３と、レーザー光８の反射光２５から処理対象物１９におけるレーザー光照射部位の材質を検出する分光計(レーザー誘起ブレークダウン分光：ＬＩＢＳ) １４を備えている。 The detection unit 3 receives the reflected light 25 (see FIG. 2) of the laser light 8 irradiated on the processing object 19 to calculate the distance from the surface of the processing object 19 and A laser scanner 12 for detecting the surface irregularity state, a two-color thermometer 13 for detecting the surface temperature of the object 19 to be processed from the reflected light 25 of the laser light 8 and determining the presence or absence of fusing, and the reflection of the laser light 8 A spectrometer (laser-induced breakdown spectroscopy: LIBS) 14 for detecting the material of the laser light irradiation site in the processing object 19 from the light 25 is provided.
レーザースキャナ１２、二色温度計１３、分光計(ＬＩＢＳ) １４は一諸に収納されて１つの検出部３を構成している。検出部３は他の検出手段も備えているが、本発明とは直接的な関係が薄いため、それらの説明は省略する。 The laser scanner 12, the two-color thermometer 13, and the spectrometer (LIBS) 14 are housed in one piece to constitute one detection unit 3. Although the detection unit 3 includes other detection means, since it is not directly related to the present invention, a description thereof will be omitted.
図２は、レーザー加工ヘッド６の先端部の拡大断面図である。図２に示すように、ヘッドケーシング１５の内側には照射筒体１６が同心円状に設置されており、ヘッドケーシング１５の下端面に開口部１７が形成されている。
その開口部１７を取り囲むように先端が尖った照射・噴射ノズル１８が取り付けられ、照射筒体１６の先端部は開口部１７を貫通して、照射・噴射ノズル１８の内部に入り込んでいる。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the tip portion of the laser processing head 6. As shown in FIG. 2, the irradiation cylinder 16 is installed concentrically inside the head casing 15, and an opening 17 is formed on the lower end surface of the head casing 15.
An irradiation / injection nozzle 18 having a sharp tip is attached so as to surround the opening 17, and the tip of the irradiation cylinder 16 penetrates the opening 17 and enters the irradiation / injection nozzle 18.
照射筒体１６から照射・噴射ノズル１８を通して溶断・粉砕用のレーザー光８が処理対象物１９に照射される。本実施形態では、レーザー光８のスポット径は１ｍｍである。
ヘッドケーシング１５と照射筒体１６の間に形成されたガス供給流路２０からはアシストガス１０が供給され、照射・噴射ノズル１８で流速が速められて、照射・噴射ノズル１８からレーザー光８の照射部位(溶融溝)に向けて噴射される。アシストガス１０として、例えばアルゴンガス、圧縮空気、窒素ガスなどが用いられる。
The processing object 19 is irradiated with laser light 8 for fusing and crushing from the irradiation cylinder 16 through the irradiation / injection nozzle 18. In the present embodiment, the spot diameter of the laser beam 8 is 1 mm.
The assist gas 10 is supplied from the gas supply flow path 20 formed between the head casing 15 and the irradiation cylinder 16, the flow velocity is increased by the irradiation / injection nozzle 18, and the laser beam 8 is emitted from the irradiation / injection nozzle 18. Injected toward the irradiation site (melting groove). As the assist gas 10, for example, argon gas, compressed air, nitrogen gas, or the like is used.
図２の例では、金属としての性質を有する金属領域２１とセラミックス(例えば(Ｕ，Ｚｒ)Ｏ2) としての性質を有するセラミックス領域２２が混在した処理対象物１９を示している。
金属領域２１の溶断やセラミックス領域２２の粉砕によって生成した粗粒体２３は、フレキシブルで大径の吸引パイプ２４を備えて、強力な吸引力を有する吸引回収機構により炉外に素早く回収される。吸引パイプ２４もレーザー加工ヘッド６と一緒に移動する構成になっている。
In the example of FIG. 2, a processing object 19 in which a metal region 21 having a property as a metal and a ceramic region 22 having a property as a ceramic (for example, (U, Zr) O 2 ) is mixed is shown.
The coarse particles 23 produced by fusing the metal region 21 and crushing the ceramic region 22 are quickly recovered outside the furnace by a suction and recovery mechanism having a flexible and large-diameter suction pipe 24 and having a strong suction force. The suction pipe 24 is also configured to move together with the laser processing head 6.
処理対象物１９の幾何形状や機械的特性などに応じてレーザー光８による処理対象物１９の溶断・粉砕が的確に行われるように、検出部３からの情報に基づいてレーザー光８の照射条件などを常に調整する必要がある。 Irradiation conditions of the laser light 8 based on information from the detection unit 3 so that the processing object 19 is accurately melted and crushed by the laser light 8 in accordance with the geometric shape and mechanical characteristics of the processing object 19. It is necessary to always adjust such as.
図３は、検出部３からの情報に基づいて溶断・粉砕条件を調整するシステムを説明する図である。なお、図中の符号３０は溶融金属を示している。
図２に示されているように検出部３は、処理対象物１９に照射されたレーザー８の反射光２５を確実に受光するように、照射・噴射ノズル１８の外周、すなわち処理対象物１９のレーザー光照射部位近傍に配置される。
FIG. 3 is a diagram illustrating a system that adjusts the fusing / pulverizing conditions based on information from the detection unit 3. In addition, the code | symbol 30 in a figure has shown the molten metal.
As shown in FIG. 2, the detector 3 detects the outer periphery of the irradiation / injection nozzle 18, that is, the processing object 19 so as to reliably receive the reflected light 25 of the laser 8 irradiated to the processing object 19. It arrange | positions in the laser beam irradiation site | part vicinity.
検出部３に取り入れられる反射光２５により、レーザースキャナ１２では処理対象物１９の３次元幾何学形状点群データを取得して、その点群データを基に幾何学形状ＣＡＤデータを作成し、このＣＡＤデータにより処理対象物１９の３次元幾何学形状を認識する。 The laser scanner 12 acquires the three-dimensional geometric shape point cloud data of the object 19 to be processed based on the reflected light 25 taken into the detection unit 3, and creates geometric shape CAD data based on the point cloud data. The three-dimensional geometric shape of the processing object 19 is recognized from the CAD data.
そして制御部２のロボット制御部７では、前述の幾何学形状ＣＡＤデータに基づいてロボット１の多関節アーム５を駆動して、レーザー加工ヘッド６を処理対象物１９の形状に沿って適切に移動する。 Then, the robot control unit 7 of the control unit 2 drives the articulated arm 5 of the robot 1 based on the above-described geometric shape CAD data, and appropriately moves the laser processing head 6 along the shape of the processing object 19. To do.
また、検出部３に取り入れられる反射光２５により、分光計(ＬＩＢＳ) １４では反射光２５の波長を測定する。処理対象物１９の中で金属領域とセラミックス領域では反射光２５の波長が異なり、その波長の違いから処理対象物１９のレーザー光照射部位の材質を識別することができる。 The spectrometer (LIBS) 14 measures the wavelength of the reflected light 25 by the reflected light 25 taken into the detection unit 3. In the processing object 19, the wavelength of the reflected light 25 is different between the metal region and the ceramic region, and the material of the laser light irradiation site of the processing object 19 can be identified from the difference in wavelength.
そして制御部２のレーザー光制御部９では、金属領域を溶断する場合はレーザー光８の連続照射を行い、セラミックス領域を破砕する場合はレーザー光８のパルス照射を行う。このレーザー光８の照射形態の切り替えをロボット１の動作と連携制御することで、処理対象物１９の溶断−破砕を連続的に行うことができる。セラミックス領域にレーザー光８をパルス照射することにより、熱応力を利用してセラミックス領域を粉砕する。 The laser light control unit 9 of the control unit 2 performs continuous irradiation with the laser light 8 when fusing the metal region, and performs pulse irradiation with the laser light 8 when crushing the ceramic region. By switching the irradiation mode of the laser light 8 in cooperation with the operation of the robot 1, the processing object 19 can be continuously melted and crushed. By irradiating the ceramic region with the laser beam 8, the ceramic region is pulverized using thermal stress.
さらに、検出部３に取り入れられる反射光２５により、二色温度計１３では処理対象物１９の表面温度を検出して溶断・粉砕性能を評価する。溶断・粉砕の確認を行いながら、制御部２のロボット制御部７で処理対象物１９の溶断・粉砕を進めていく。 Further, the two-color thermometer 13 detects the surface temperature of the object 19 to be processed and evaluates the fusing / pulverization performance by the reflected light 25 taken into the detection unit 3. While confirming fusing and crushing, the robot control unit 7 of the control unit 2 advances fusing and crushing the processing object 19.
処理対象物１９が溶断・粉砕不良の場合は、レーザー光制御部９で例えばレーザー光８の出力Ｐ、レーザー光８の焦点距離ＬＦ、処理対象物１９の切断部からレーザー加工ヘッド６までの距離ＬＷ、レーザー加工ヘッド６の移動速度Ｖ、アシストガス制御部１１でアシストガス１０のガス流速ＶＬ（いずれも図３参照）などの溶断・粉砕条件を調整する。 In the case where the processing object 19 is defective in fusing or crushing, for example, the laser light control unit 9 outputs, for example, the output P of the laser light 8, the focal length LF of the laser light 8, and the distance from the cutting part of the processing object 19 to the laser processing head 6 LW, the moving speed V of the laser processing head 6, and the gas flow rate VL of the assist gas 10 (all refer to FIG. 3) are adjusted by the assist gas control unit 11 and the like.
図４は、アシストガス１０の噴流が溶断性能に与える影響について評価した結果をまとめた図である。
この試験は、金属試験片（ＳＳ４００，５０×７５×３０ｍｍ）の端面溶断試験を行った。レーザー光８として出力４ｋＷのファイバーレーザーを用い、レーザー加工ヘッド６を移動速度Ｖ[ｍｍ／ｍｉｎ]で移動させ、アシストガス１０の流量(Ｑ＝７０，３５０ Ｌ／ｍｉｎ) およびスタンドオフ(Ｌ＝２，１０ｍｍ)を加工パラメータとして実施した。
FIG. 4 is a diagram summarizing the results of evaluating the influence of the jet of the assist gas 10 on the fusing performance.
In this test, an end surface fusing test of a metal test piece (SS400, 50 × 75 × 30 mm) was performed. A fiber laser with an output of 4 kW is used as the laser beam 8, the laser processing head 6 is moved at a moving speed V [mm / min], the flow rate (Q = 70, 350 L / min) of the assist gas 10 and the standoff (L = 2,10 mm) as a processing parameter.
図４中の（ａ）はスタンドオフＬ（図３参照）：２ｍｍ、アシストガス流量Ｑ：３５０Ｌ／ｍｉｎ、（ｂ）はスタンドオフＬ：２ｍｍ、アシストガス流量Ｑ：７０Ｌ／ｍｉｎ、（ｃ）はスタンドオフＬ：１０ｍｍ、アシストガス流量Ｑ：３５０Ｌ／ｍｉｎの条件で、金属片の溶断、溶断不可の判定を行った。 4A, stand-off L (see FIG. 3): 2 mm, assist gas flow rate Q: 350 L / min, and (b) stand-off L: 2 mm, assist gas flow rate Q: 70 L / min, (c). The standoff L was 10 mm and the assist gas flow rate Q was 350 L / min.
この図４の結果により、（ａ）のようにスタンドオフを小さくする、ならびに(もしくは)アシストガス流量を多くすることにより溶断性能は向上し、また、レーザー加工ヘッド６の移動速度Ｖをある程度上げても確実に溶断することができる。 According to the result of FIG. 4, the fusing performance is improved by reducing the standoff as shown in FIG. 4A and / or increasing the assist gas flow rate, and the moving speed V of the laser machining head 6 is increased to some extent. However, it can be surely melted.
金属試験片を溶断する際、金属試験片内に溶融溝が形成され、その溶融溝にアシストガスを噴射することにより溶融溝内に生成された溶融金属を排出する訳であるが、溶融金属の排出の際にドラグラインが形成される。 When a metal test piece is melted, a molten groove is formed in the metal test piece, and the molten metal generated in the molten groove is discharged by injecting an assist gas into the molten groove. Drag lines are formed during discharge.
溶断可と判定された金属片を観察してみると、金属試験片の表面から裏面までほぼストレートなドラグラインが形成されるが、溶断不可と判定された金属片を観察してみると、ドラグラインは大きく弧を描き、溶融溝の側面に繋がっている様子が確認され、アシストガスによる溶断溝深部の溶融金属の排出ができなくなったために溶断不可となったと考えられる。 When observing a piece of metal that has been determined to be blown, a straight drag line is formed from the surface to the back of the metal test piece. It is thought that the line was greatly arced and connected to the side surface of the molten groove, and it was impossible to blow the molten metal because the molten metal could not be discharged in the deep part of the molten groove by the assist gas.
核燃料と炉内構造物が溶融混合した状態で急冷され、セラミックス化した処理対象物１９の存在が予想される。本発明者らはこのセラミックス化した処理対象物１９の粉砕についても検討を行った。 Presence of the processing object 19 that is rapidly cooled in a state where the nuclear fuel and the in-furnace structure are melt-mixed and converted into ceramics is expected. The present inventors also examined the pulverization of the ceramicized processing object 19.
セラミックス化した処理対象物１９のビッカース硬さを模擬したアルミナペレットのセラミックス模擬体２６を制作し、その模擬体２６にレーザーパルスを照射して模擬体２６の破砕の状態を調べた。 A ceramic simulated body 26 of alumina pellets simulating the Vickers hardness of the ceramic object 19 was manufactured, and the simulated body 26 was irradiated with a laser pulse to examine the state of fracture of the simulated body 26.
図５は、アルミナペレットの模擬体２６にレーザーパルスを照射した状態を示す図である。
ジルコニア(１３００ＨＶ) と同程度の硬さを有するアルミナ(１５５０ＨＶ) 製の円柱状ペレット(直径８．７ｍｍ、高さ１０ｍｍ)を模擬体２６として用い、模擬体２６を固定治具２７で固定した。これをスタンドオフＬ：２ｍｍになるようにしてレーザー加工ヘッド６の直下に取り付け、模擬体２６に対してスポット径：１．５６ｍｍのレーザー光８を模擬体２６に上面に対して垂直にパルス照射し、模擬体２６の破砕状態を調べた。
実験パラメータの設定は、入熱密度と投入熱量の影響を把握するため、レーザー出力と照射時間を組み合わせ、図６に示す条件とした。
FIG. 5 is a view showing a state in which a laser pulse is irradiated to the simulated body 26 of alumina pellets.
A cylindrical pellet (diameter 8.7 mm, height 10 mm) made of alumina (1550 HV) having a hardness comparable to that of zirconia (1300 HV) was used as the simulated body 26, and the simulated body 26 was fixed with a fixing jig 27. This is mounted directly under the laser processing head 6 so that the standoff L is 2 mm, and a laser beam 8 having a spot diameter of 1.56 mm is irradiated to the simulated body 26 in a pulse direction perpendicular to the upper surface. Then, the crushing state of the simulated body 26 was examined.
The experimental parameters were set in the conditions shown in FIG. 6 by combining the laser output and the irradiation time in order to grasp the influence of the heat input density and the input heat amount.
図７は、投入熱量と模擬体２６の破砕数との関係を示す図である。図７において破片数１は、模擬体２６が溶融貫通するものの、破砕されなかった場合を示す。
図７に示されているように、入熱密度が１３１ｋＷ／ｃｍ２ (試験条件Ａ〜Ｄ)では、投入熱量の増加に伴って破砕数が増加しており、アルミナが細かく破砕されていることが分かる。また、入熱密度が２６２ｋＷ／ｃｍ２ (試験条件Ｅ〜Ｇ)でも同様の傾向があり、入熱密度１３１ｋＷ／ｃｍ２と比較すると、投入熱量が同じであっても、入熱密度の違いにより細かく粉砕できていることが分かる。しかし、投入熱量が最も多い試験条件Ｈでは、破砕数の減少が見られた。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the amount of input heat and the number of fractures of the simulated body 26. In FIG. 7, the number of pieces 1 indicates a case where the simulated body 26 melts and penetrates but is not crushed.
As shown in FIG. 7, when the heat input density is 131 kW / cm 2 (test conditions A to D), the number of crushing increases as the input heat amount increases, and the alumina is finely crushed. I understand. Further, there is a similar tendency input heat density even 262kW / cm 2 (Test Conditions E to G), when compared with the heat input density 131kW / cm 2, even heat input is the same, the difference in heat input density It turns out that it can grind finely. However, a decrease in the number of crushing was observed under the test condition H with the largest input heat amount.
図８は、金属としての性質を有する金属領域２１とセラミックスとしての性質を有するセラミックス領域２２が混在した処理対象物１９を模擬した金属−セラミックス複合模擬体２８の斜視図である。
図８に示すように、縦横ともに３０ｍｍで、厚さが１０ｍｍの正方体からなり、それの中心部に直径が９ｍｍ、深さが９ｍｍの有底状の穴を形成したステンレス鋼板２９を準備する。
FIG. 8 is a perspective view of a metal / ceramic composite simulated body 28 simulating a processing object 19 in which a metal region 21 having properties as a metal and a ceramic region 22 having properties as a ceramic are mixed.
As shown in FIG. 8, a stainless steel plate 29 is prepared which is made of a rectangular parallelepiped having a length of 30 mm and a thickness of 10 mm, and having a bottomed hole having a diameter of 9 mm and a depth of 9 mm at the center thereof.
一方、直径が８．７ｍｍで、高さが１０ｍｍの円柱状アルミナペレット３０の全周面にセラミックスボンドを塗布し、このアルミナペレット３０をステンレス鋼板２９の穴に埋め込んで金属−セラミックス複合模擬体２８を制作した。 On the other hand, a ceramic bond is applied to the entire peripheral surface of a columnar alumina pellet 30 having a diameter of 8.7 mm and a height of 10 mm, and the alumina pellet 30 is embedded in a hole in the stainless steel plate 29 so that the metal-ceramic composite simulated body 28 is formed. Produced.
図示していないが、レーザー加工ヘッド６の直下にこの金属−セラミックス複合模擬体２８を固定し、スタンドオフを１０ｍｍ、焦点位置を模擬体２８の上面から高さ方向に＋８ｍｍとし、レーザー光８の照射方向は模擬体２８の上面に対して面直方向とした。 Although not shown, this metal-ceramic composite simulated body 28 is fixed immediately below the laser processing head 6, the standoff is 10 mm, the focal position is +8 mm in the height direction from the upper surface of the simulated body 28, and the laser beam 8 The irradiation direction was perpendicular to the upper surface of the simulated body 28.
ステンレス鋼板２９上の一点鎖線はレーザー光連続照射時におけるレーザー加工ヘッド６の移動方向を示しており、また、アルミナペレット３０上の黒丸はレーザー光のパルス照射位置を示している。 An alternate long and short dash line on the stainless steel plate 29 indicates the moving direction of the laser processing head 6 during continuous irradiation of the laser beam, and a black circle on the alumina pellet 30 indicates the pulse irradiation position of the laser beam.
ステンレス鋼板２９上を連続照射するときのレーザー出力Ｐを４ｋＷ、レーザー加工ヘッド６の移動速度Ｖを１ｍｍ／ｓ、アシストガスとして圧縮空気を使用し、その流速Ｖを３５０Ｌ／ｍｉｎとして、アルミナペレット３０上をパルス照射するときのレーザー出力Ｐを４ｋＷ、照射時間を３００ｍｓとした。 When the laser power P when continuously irradiating the stainless steel plate 29 is 4 kW, the moving speed V of the laser processing head 6 is 1 mm / s, compressed air is used as an assist gas, and the flow velocity V is 350 L / min. The laser output P when irradiating the top with a pulse was 4 kW, and the irradiation time was 300 ms.
このような条件で、ステンレス鋼板２９の溶断−アルミナペレット３０の破砕−ステンレス鋼板２９の溶断を連続して行った。 Under such conditions, the fusing of the stainless steel plate 29, the crushing of the alumina pellets 30, and the fusing of the stainless steel plate 29 were continuously performed.
図９は、本実施形態に係る溶断・破砕適応制御方法の全体を説明するフローチャートである。 FIG. 9 is a flowchart illustrating the entire fusing / crushing adaptive control method according to the present embodiment.
まず、ステップ(以下、Ｓと略記する) 1においてレーザースキャナ１２で処理対象物１９の形状を認識し、Ｓ２において分光計１４で処理対象物１９の材質を認識する。この処理対象物１９の形状と材質の情報を参考にして、Ｓ３で処理対象物１９の溶断・破砕ルートをパソコン４から入力する。 First, in step (hereinafter abbreviated as S) 1, the shape of the processing object 19 is recognized by the laser scanner 12, and the material of the processing object 19 is recognized by the spectrometer 14 in S 2. With reference to information on the shape and material of the processing object 19, a fusing / crushing route of the processing object 19 is input from the personal computer 4 in S 3.
Ｓ４で溶断・破砕ルートの始点から終点までの位置座標を時々刻々更新し、Ｓ５において前記Ｓ1の結果に基づき、ロボット制御部７で処理対象物１９の形状に沿ってロボット１（レーザー加工ヘッド６）の移動制御、前記Ｓ２の結果に基づき、レーザー制御部９でレーザー照射(連続照射あるいはパルス照射)制御、アシストガス制御部１１でアシストガスの噴射制御を行いながら、処理対象物１９の溶断・破砕を実行する。 In S4, the position coordinates from the start point to the end point of the fusing / crushing route are updated every moment, and in S5, the robot controller 7 (laser machining head 6) follows the shape of the object 19 to be processed based on the result of S1. ), The laser control unit 9 performs laser irradiation (continuous irradiation or pulse irradiation) control, and the assist gas control unit 11 controls the injection of the assist gas while fusing and controlling the processing object 19. Perform crushing.
Ｓ６において二色温度計１４で溶断・破砕の表面温度を測定し、その情報に基づいてＳ７で溶断・破砕が良好に行われているか否かの判断がなされる。溶断・破砕が良好に行われていないと判断されると(Ｓ７でＮＯ)、Ｓ８で、適応制御アルゴリズムによる回復動作を決定する。 In S6, the surface temperature of fusing / crushing is measured by the two-color thermometer 14, and based on the information, it is determined whether or not fusing / crushing is performed well. If it is determined that the fusing / crushing is not performed well (NO in S7), the recovery operation by the adaptive control algorithm is determined in S8.
すなわち、溶断不良の場合、どの可制御パラメータを変更して溶断良好な状況にするかを決定する。可制御パラメータは、レーザー加工ヘッド６のスウィープ速度、スタンドオフ、レーザー出力、入熱密度、アスシトガス流量などの中から決定される。この決定には、予め蓄えられているデータベースを利用する。 That is, in the case of fusing failure, it is determined which controllable parameter is changed to obtain a good fusing condition. The controllable parameters are determined from the sweep speed of the laser machining head 6, standoff, laser output, heat input density, ascito gas flow rate, and the like. For this determination, a database stored in advance is used.
このようにして溶断・破砕条件が更新され、それに基づいてＳ５で処理対象物１９の溶断・破砕が実行される。 In this way, the fusing / crushing conditions are updated, and based on this, the fusing / crushing of the processing object 19 is executed in S5.
Ｓ７で溶断・破砕が良好に行われていると判断されると(Ｓ７でＹＥＳ)、Ｓ９で溶断・破砕が終了か否かの判断がなされる。そして溶断・破砕が終了であれば(Ｓ９でＹＥＳ)、溶断・破砕適応制御を終了し、溶断・破砕が終了でなければＳ４に戻る。 If it is determined in S7 that the fusing / crushing is being performed well (YES in S7), it is determined in S9 whether the fusing / crushing is completed. If the fusing / crushing is finished (YES in S9), the fusing / crushing adaptive control is finished, and if the fusing / crushing is not finished, the process returns to S4.
前記実施形態では空気中にある金属やセラミックスの溶断・粉砕について説明したが、金属やセラミックスが水中にある場合、ロボット１のアーム５（レーザー加工ヘッド６）を水中に浸漬して溶断・粉砕を行うことになる。 In the above embodiment, the fusing and crushing of metal and ceramics in the air has been described. However, when the metal and ceramics are in water, the arm 5 (laser processing head 6) of the robot 1 is immersed in the water for fusing and crushing. Will do.
前記実施形態ではセラミックスを粉砕する例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばコンクリート、岩石、各種塊体の破砕にも適用可能である。その場合は、破砕する処理対象物に対して破砕性能を評価して、レーザー照射条件を適切に変更する適応制御システムとなる。 Although the example which grind | pulverizes ceramics was demonstrated in the said embodiment, this invention is not limited to this, For example, it is applicable also to the crushing of concrete, a rock, and various aggregates. In that case, it becomes an adaptive control system which evaluates crush performance with respect to the processing target object to crush, and changes laser irradiation conditions appropriately.
前記実施形態では原子力発電で燃料集合体や炉心構造体が過熱されて溶融した炉心溶融物の冷却体を溶断−粉砕する例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば産業廃棄物焼却装置の火炉壁に固着した燃焼残渣物の溶断・破砕、船舶の溶断解体、岩石の破砕撤去など各種の産業分野において適用可能である。 In the above embodiment, the example of fusing and pulverizing the cooling body of the core melt that has been melted by overheating the fuel assembly or the core structure in the nuclear power generation is described, but the present invention is not limited to this, for example, It can be applied in various industrial fields such as fusing and crushing of combustion residue stuck to the furnace wall of industrial waste incinerators, fusing and dismantling of ships, and crushing and removal of rocks.
１：ロボット、
２：制御部、
３：検出部、
６：レーザー加工ヘッド、
７：ロボット制御部、
８：レーザー光、
９：レーザー光制御部、
１０：アシストガス、
１１：アシストガス制御部、
１２：レーザースキャナ、
１３：二色温度計、
１４：分光計、
１９：処理対象物、
２１：金属領域、
２２：セラミックス領域、
２３：粗粒体、
２４：吸引パイプ、
２５：反射光、
Ｐ：レーザー光の出力、
ＬＦ：レーザー光の焦点距離、
ＬＷ：処理対象物の切断部からレーザー加工ヘッドまでの距離、
Ｖ：レーザー加工ヘッドの移動速度、
ＶＬ：アシストガス流速。
1: Robot,
2: Control unit,
3: Detection unit,
6: Laser processing head,
7: Robot controller,
8: Laser light
9: Laser light control unit,
10: assist gas,
11: Assist gas control unit,
12: Laser scanner
13: Two-color thermometer,
14: Spectrometer,
19: processing object,
21: metal region,
22: Ceramics field,
23: coarse particles,
24: suction pipe,
25: Reflected light,
P: laser light output,
LF: focal length of laser light,
LW: distance from the cut portion of the processing object to the laser processing head,
V: Moving speed of laser processing head,
VL: assist gas flow rate.
Claims (6)
前記処理対象物の状態を検出する検出部と、
前記検出部からの検出情報に基づいて前記ロボットを制御する制御部を備え、
前記検出部は、前記処理対象物からのレーザー光の反射光を受光し、前記反射光に基づいて前記処理対象物の３次元幾何学形状を認識するレーザースキャナと、
前記反射光に基づいて前記処理対象物の材質を検出する分光計と、
前記反射光に基づいて前記処理対象物の溶断又は破砕が良好に行われているか否かを検出する温度計と、を有しており、
前記制御部は前記検出部からの情報に基づいて、前記ロボットの動作制御をするロボット制御部と、前記レーザー加工ヘッドから照射されるレーザー光を制御するレーザー光制御部を有していることを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。 A robot equipped with a laser processing head that irradiates a processing target to be melted and shredded with a laser beam;
A detection unit for detecting a state of the processing object;
A control unit for controlling the robot based on detection information from the detection unit;
The detector receives the laser beam of the reflected light from the object to be treated, a laser scanner for recognizing a three-dimensional geometry of the processing object based on the reflected light,
A spectrometer for detecting the material of the processing object based on the reflected light;
Has a thermometer for detecting whether or not blown or crushing of the processing object is satisfactorily performed on the basis of the reflected light,
The control unit includes a robot control unit that controls the operation of the robot based on information from the detection unit, and a laser light control unit that controls laser light emitted from the laser processing head. Fusing and crushing adaptive control device using laser light that is a feature.
前記処理対象物の形状が無定形、不規則であり、前記ロボットがＸ−Ｙ−Ｚ３軸直交型のロボットで、前記レーザースキャナによって認識された前記処理対象物の３次元幾何学形状に沿うように、前記ロボット制御部で前記レーザー加工ヘッドの位置を制御することを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。 In the fusing and crushing adaptive control device using the laser beam according to claim 1,
The shape of the processing object is amorphous or irregular, and the robot is an XYZ three-axis orthogonal type robot so as to follow the three-dimensional geometric shape of the processing object recognized by the laser scanner. In addition, the fusing / crushing adaptive control device using laser light, wherein the robot control unit controls the position of the laser processing head.
前記レーザー加工ヘッドは、前記処理対象物に対してレーザー光の連続照射とパルス照射が切り替え可能になっており、
前記分光計により前記レーザー光が照射されている前記処理対象物の部位が金属としての性質を有する金属領域であると検出されると、前記レーザー光制御部により前記レーザー加工ヘッドは前記処理対象物に対してレーザー光の連続照射を行い、
前記分光計により前記レーザー光が照射されている前記処理対象物の部位がセラミックスとしての性質を有するセラミックス領域であると検出されると、前記レーザー光制御部により前記レーザー加工ヘッドは前記処理対象物に対してレーザー光のパルス照射を行うように構成されていることを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。 In the fusing and crushing adaptive control device using the laser beam according to claim 1 or 2,
The laser processing head is capable of switching between continuous irradiation of laser light and pulse irradiation on the processing object,
When it is detected by the spectrometer that the portion of the processing object irradiated with the laser light is a metal region having a property as a metal, the laser processing head causes the laser processing head to move the laser processing head. Is continuously irradiated with laser light,
When it is detected by the spectrometer that the part of the processing object irradiated with the laser light is a ceramic region having properties as ceramics, the laser processing head causes the laser processing head to move the laser processing head. An apparatus for adaptive control of fusing and crushing using laser light, characterized in that it is configured to irradiate laser light with a pulse.
前記処理対象物の溶融溝内に生成した溶融金属を当該溶融溝から排出するアシストガスを噴射するためのアシストガス噴射手段を有し、
前記温度計の検出情報に基づいて前記アシストガスの流量が調整可能になっていることを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。 In the fusing and crushing adaptive control apparatus using the laser beam according to any one of claims 1 to 3,
An assist gas injection means for injecting an assist gas for discharging the molten metal generated in the molten groove of the object to be processed from the molten groove;
A fusing / crushing adaptive control device using laser light, wherein the flow rate of the assist gas can be adjusted based on detection information of the thermometer.
前記レーザー加工ヘッドの付近に前記処理対象物の溶断・破砕で生成した粗粒体を吸引する吸引パイプが設けられ、
前記吸引パイプは前記レーザー加工ヘッドと共に移動可能になっていることを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。 In the fusing and crushing adaptive control device using the laser beam according to any one of claims 1 to 4,
In the vicinity of the laser processing head, a suction pipe for sucking coarse particles generated by fusing and crushing the processing object is provided,
An apparatus for adaptive control of fusing and crushing using laser light, wherein the suction pipe is movable with the laser processing head.
前記処理対象物が原子炉の炉心溶融物であることを特徴とするレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置。 In the fusing and crushing adaptive control device using the laser beam according to any one of claims 1 to 5,
A fusing / crushing adaptive control apparatus using laser light, wherein the object to be treated is a core melt of a nuclear reactor.
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