JP6348877B2 - Thermal cutting apparatus and method - Google Patents

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Description

本発明は、被加工物に熱エネルギーを加えることにより被対象物を切断する熱切断工法、例えば、レーザの照射、プラズマアークの放電、ガス切断のノズルから噴出する高圧酸素による酸化反応熱、により加工・切断を行う熱切断装置及び方法に係り、特にレーザ照射、プラズマアークの放電によって生じた溶融生成物(以下ドロスという)を除去しながら行う熱切断装置及び方法に関する。   The present invention is based on a thermal cutting method for cutting a workpiece by applying thermal energy to the workpiece, for example, by laser irradiation, plasma arc discharge, heat of oxidation reaction by high pressure oxygen ejected from a gas cutting nozzle. The present invention relates to a thermal cutting apparatus and method for processing and cutting, and more particularly, to a thermal cutting apparatus and method for removing a molten product (hereinafter referred to as dross) generated by laser irradiation and plasma arc discharge.

従来から、被加工物の加工・切断のために熱エネルギーを付与することによる熱切断の技術が提案されている。例えば、レーザの照射、プラズマアークの放電、または、ガス切断ノズルから噴出する高圧酸素による酸化反応熱、等の熱切断を実施する際に生じる溶融生成物(以下ドロスという)を除去しながら行う加工・切断する技術が提案されている。   Conventionally, a thermal cutting technique by applying thermal energy for processing / cutting a workpiece has been proposed. For example, processing performed while removing molten products (hereinafter referred to as dross) generated when performing thermal cutting such as laser irradiation, plasma arc discharge, or oxidation reaction heat generated by high-pressure oxygen ejected from a gas cutting nozzle. -Cutting technology has been proposed.

例えば特許文献1には、「レーザ光の照射とウォータジェットの噴射とを別々に独立させて行うレーザヘッド1とウォータジェットヘッド2を備えたレーザとウォータジェットの複合加工装置において、レーザヘッド1からのレーザ光による被加工物の溶融部に対してウォータジェットヘッド2からのウォータジェットを間欠的に噴射させるように制御する間欠噴射制御手段を更に備えた構成とした。」ものが開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses that in a combined laser and water jet machining apparatus including a laser head 1 and a water jet head 2 that perform laser beam irradiation and water jet injection separately and independently, the laser head 1 The apparatus further includes intermittent injection control means for controlling the water jet from the water jet head 2 to be intermittently injected into the melted portion of the workpiece by the laser beam of "." .

また特許文献2には、「レーザ光で切断対象物を照射して溶融させ、この溶融部を高圧水を噴射して除去することにより切断する。」ものが開示されている。この場合に、レーザ光で切断部を照射して溶融させ、この溶融部をウォータジェットで吹き飛ばすことにより切断するとしている。つまり、「ガスで溶融部を吹き飛ばす従来の方法より、高圧水の運動エネルギが大きくかつ高圧水自身が切断能力を持っているため切断能力が増大し、より厚板の切断が可能になる。また酸素ガスを使用しないので火災の恐れもない。さらにレーザ光で溶融しても高圧水を噴射するのでFRPの切断に使用しても燃える恐れはない。また切断速度は従来のレーザ切断と同様高速切断できる」としている。   Further, Patent Document 2 discloses "cutting by irradiating an object to be cut with laser light and melting it, and jetting and removing the melted portion with high-pressure water." In this case, the cutting part is irradiated with a laser beam to be melted, and the melting part is blown off with a water jet for cutting. That is, “the kinetic energy of the high-pressure water is larger and the high-pressure water itself has the cutting ability than the conventional method of blowing the melted portion with gas, so that the cutting ability is increased and the thick plate can be cut. Since no oxygen gas is used, there is no risk of fire, and even when melted with laser light, high pressure water is injected so there is no risk of burning even when used for FRP cutting, and the cutting speed is as fast as conventional laser cutting. It can be cut. "

特開2001−62652公報JP 2001-62652 A 特開平11−774公報JP-A-11-774

特許文献1、特許文献2においては、被加工物について特に限定をせず、幅広い対象物の加工・切断のためにレーザを照射することが記載されている。然るにこの点に関し、これらはより特定された被加工物として、例えば、核燃料を扱い、雰囲気線量の高い原子力発電プラントや、再処理工場、廃炉となった原子力プラントの解体作業等や、また、別の例として、福島第1原子力発電所における冷却材の喪失により原子炉燃料が溶融し、原子炉構造材や制御棒と共に冷えて固まった、いわゆる「燃料デブリ」等、過酷な環境下での作業を対象とするものではない。   Patent Document 1 and Patent Document 2 describe that a workpiece is not particularly limited, and laser irradiation is performed for processing and cutting a wide range of objects. However, in this regard, these are more specific workpieces, for example, nuclear fuel, high atmospheric dose nuclear power plants, reprocessing plants, decommissioning of decommissioned nuclear power plants, etc. As another example, the reactor fuel melts due to the loss of coolant at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, and cools and hardens together with the reactor structural materials and control rods. It is not intended for work.

また特許文献1、特許文献2においては、レーザ切断時に発生する生成物(ドロス)を吹き飛ばすために、あるいはさらに切断力の増大を期待して、ウォータージェットを用いることが記載されている。然るにこの点に関し特許文献1では、ガスジェットに替えてウォータージェットを用いることにした理由について、ガスジェットを用いた場合に、酸素に引火の恐れがあるためとしている。   Patent Document 1 and Patent Document 2 describe the use of a water jet in order to blow off a product (dross) generated during laser cutting or to further increase the cutting force. However, in this regard, in Patent Document 1, the reason why the water jet is used instead of the gas jet is that oxygen may be ignited when the gas jet is used.

また特許文献1においては、ウォータージェットを間欠的に用いるとしているが、具体的な間欠噴射の手法、条件を開示していない。   Moreover, in patent document 1, although it is supposed that a water jet is used intermittently, the method and conditions of a specific intermittent injection are not disclosed.

以上要するに、特許文献1、特許文献2においては、被加工物が「放射化された鋼材」または「燃料デブリ」である場合のレーザ加工・切断をどのように行うべきであるのか、具体的に示したものではない。放射化された鋼材や燃料デブリを対象とするためには、放射化された鋼材や燃料デブリが置かれた環境などを十分に考慮する必要がある。具体的にはウォータージェットにより水を用いる場合には、加熱分解、または高線量の場所で用いると、分解により水素が発生し、水素爆発の危険性が増大するという懸念があることに留意すべきである。   In short, Patent Document 1 and Patent Document 2 specifically describe how laser processing / cutting should be performed when the workpiece is “activated steel” or “fuel debris”. Not shown. In order to target activated steel and fuel debris, it is necessary to fully consider the environment in which the activated steel and fuel debris are placed. Specifically, when water is used by a water jet, it should be noted that there is a concern that if it is used in a thermal decomposition or high-dose location, hydrogen is generated due to the decomposition and the risk of hydrogen explosion increases. It is.

以上のことから本発明が解決しようとする課題は、酸素、水噴射に変わるドロス処理手法を備えた熱切断装置及び方法を提供することを目的とするものである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermal cutting apparatus and method having a dross treatment method that changes to oxygen and water injection.

以上のことから本発明においては、被加工物に熱エネルギーを加えて切断・加工する熱切断装置であって、被加工物に熱エネルギーを加える熱エネルギー付与手段と、被加工物に生成したドロスに不活性体を噴射して除去するための不活性体噴射手段と、被加工物に生成したドロスの領域である溶融部を監視する監視手段と、熱エネルギー付与手段と不活性体噴射手段を制御するとともに、監視手段からの情報を用いて不活性体噴射手段による不活性体の噴射時期を決定して間欠制御を実行する制御手段を備えることを特徴とする熱切断装置である。   In view of the above, in the present invention, a thermal cutting apparatus that applies thermal energy to a workpiece to cut and process the workpiece, the thermal energy applying means for applying thermal energy to the workpiece, and the dross generated on the workpiece. An inert material injection means for injecting and removing the inert material, a monitoring means for monitoring a melted portion that is a dross region generated on the workpiece, a thermal energy applying means, and an inert material injection means. A thermal cutting apparatus comprising control means for controlling and executing intermittent control by determining the injection timing of the inert substance by the inert substance injection means using information from the monitoring means.

また本発明は、被加工物に熱エネルギーを加えて切断・加工し、熱エネルギーにより被加工物に生成したドロスに不活性体を噴射して除去するために、被加工物に生成したドロスの領域である溶融部の情報を用いて不活性体の噴射時期を決定して間欠制御を実行することを特徴とする熱切断方法である。   In addition, the present invention cuts and processes the workpiece by applying thermal energy, and injects and removes the inert material on the dross generated on the workpiece by the thermal energy, thereby removing the dross generated on the workpiece. It is a thermal cutting method characterized in that intermittent control is executed by determining the injection timing of the inactive substance using information on the melted part which is a region.

本発明によれば、酸素、水噴射に変わるドロス処理手法を備えた熱切断装置及び方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thermal cutting apparatus and method provided with the dross process method changed into oxygen and water injection can be provided.

本発明の実施例1に係るレーザ加工・切断装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the laser processing and cutting apparatus which concerns on Example 1 of this invention. 被加工物8が鉄系材である場合の温度と粘性係数の関係を示す図。The figure which shows the relationship between temperature and a viscosity coefficient in case the to-be-processed object 8 is a ferrous material. 本発明の実施例1に係るプラズマ加工・切断装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the plasma processing and cutting apparatus which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る制御装置10の処理内容を示すフロー図。The flowchart which shows the processing content of the control apparatus 10 which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例2、実施例3に係るレーザ加工・切断装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the laser processing and cutting apparatus which concerns on Example 2 and Example 3 of this invention. 本発明の実施例2、実施例3に係るプラズマ加工・切断装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the plasma processing and cutting apparatus which concerns on Example 2 and Example 3 of this invention. 本発明の実施例3に係る制御装置10の処理内容を示すフロー図。The flowchart which shows the processing content of the control apparatus 10 which concerns on Example 3 of this invention.

以下本発明の実施例について図を用いて説明する。尚、下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明の内容は下記態様に限定されるものでないことは言うまでもない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the following is only an Example, and it cannot be overemphasized that the content of invention is not limited to the following aspect.

図1に、本発明に係る被加工物に熱エネルギーを加えることにより被対象物を切断する熱切断工法の一例として、レーザ加工・切断装置の構成を示している。本発明の加工・切断装置においては、レーザ照射手段と不活性体噴射手段を備えている。特許文献1、特許文献2が、レーザとウォータジェットの複合加工装置であったのに対し、本発明ではレーザと不活性体による加工装置とされている。なお、特許文献1、特許文献2では、ウォータジェットも加工・切断に寄与することが可能であったが、本発明では加工・切断は熱エネルギーを付与して加工・切断する熱切断用の手段、例えばレーザ等に特化され、不活性体はドロスの吹き飛ばしおよび、吹き飛ばしつつ冷却することにより、取り扱いやすい塊とし、被対象物に再溶着して切断、加工に対して悪影響を及ぼさないように切断、加工後のドロスの処理に特化されている。不活性体は、例えば液体窒素、ドライアイス、アルゴンガスなどである。   FIG. 1 shows a configuration of a laser processing / cutting device as an example of a thermal cutting method for cutting a workpiece by applying thermal energy to the workpiece according to the present invention. The processing / cutting apparatus of the present invention includes laser irradiation means and inert body injection means. Whereas Patent Document 1 and Patent Document 2 are combined laser and water jet processing devices, in the present invention, a processing device using a laser and an inert material is used. In Patent Document 1 and Patent Document 2, the water jet can also contribute to the processing / cutting. However, in the present invention, the processing / cutting is a means for thermal cutting that performs processing / cutting by applying thermal energy. Specialized in, for example, lasers, etc. The inert material is blown away by the dross and cooled while being blown away to make it a mass that is easy to handle, so that it is re-welded to the object so as not to adversely affect cutting and processing. Specialized in processing dross after cutting and processing. Examples of the inert substance include liquid nitrogen, dry ice, and argon gas.

図1の本発明に係る熱切断・加工装置の一例である、レーザ加工・切断装置は、レーザ照射手段Rと、不活性体噴射手段Kと監視手段Mで構成されている。   The laser processing / cutting apparatus, which is an example of the thermal cutting / processing apparatus according to the present invention shown in FIG. 1, includes a laser irradiation means R, an inert material injection means K, and a monitoring means M.

このうちレーザ照射手段Rは、レーザ発振器5、レンズ2、レーザヘッド1などで構成されており、被加工物(切断対象部)8の切断予定線に沿ってフォーカスしたレーザ光を被加工物(切断対象部)8に照射して加工・切断を行う。レーザ発振器5で出力されたレーザ光は、光ファイバを介して被加工物8に対して垂直に配置させたレーザヘッド1に送られ、レーザヘッド1内に備えたレンズ2により被加工物8の加工部に集光し照射される。なお、本レーザヘッド1の構成は一例にすぎず、被加工物8にレーザ光を集光して照射できれば、レーザヘッド1内に備えた光学系手段はいかなる組み合わせでも良い。本発明では、加工・切断の機能は、専らレーザ照射手段Rに委ねられる。   Among them, the laser irradiation means R is composed of a laser oscillator 5, a lens 2, a laser head 1, and the like, and the laser beam focused along the planned cutting line of the workpiece (cutting target portion) 8 is processed ( Irradiate the cutting target part) 8 to perform processing / cutting. The laser beam output from the laser oscillator 5 is sent to the laser head 1 disposed perpendicularly to the workpiece 8 through an optical fiber, and the workpiece 8 is formed by the lens 2 provided in the laser head 1. The processed part is focused and irradiated. The configuration of the laser head 1 is merely an example, and any combination of the optical system means provided in the laser head 1 may be used as long as the laser beam can be condensed and irradiated onto the workpiece 8. In the present invention, the function of processing / cutting is exclusively left to the laser irradiation means R.

不活性体噴射手段Kは、例えば不活性体として液体窒素を用いる場合には、液体窒素タンク6内の液体窒素を液体窒素噴射ノズル3に導き、被加工物8の加工部において、加工・切断により生じた生成物(ドロス)を吹き飛ばす。本発明では、液体窒素噴射タイミングが後述する監視手段Mの情報に応じて間欠制御される。このため、液体窒素噴射ノズル3は間欠制御のための弁機構を内包する。本発明では、液体窒素はドロス吹き飛ばしにのみ用いられ、加工・切断の動力としては期待されていない。このように、液体窒素タンク6内で加圧された加圧液体窒素は、高圧ホースを介してレーザヘッド1の周囲近傍に配置させた液体窒素噴射ノズル3に送られ、間欠制御のための弁機構の開閉制御によって制御されたタイミング、量の液体窒素を被加工物8の溶融部に向けて間欠的に噴射する。   For example, in the case where liquid nitrogen is used as the inert substance, the inert body injection means K guides the liquid nitrogen in the liquid nitrogen tank 6 to the liquid nitrogen injection nozzle 3, and performs processing / cutting in the processing portion of the workpiece 8. Blow off the product (dross) produced by In the present invention, the liquid nitrogen injection timing is intermittently controlled according to information from the monitoring means M described later. For this reason, the liquid nitrogen injection nozzle 3 includes a valve mechanism for intermittent control. In the present invention, liquid nitrogen is used only for blowing dross and is not expected as power for processing and cutting. Thus, the pressurized liquid nitrogen pressurized in the liquid nitrogen tank 6 is sent to the liquid nitrogen injection nozzle 3 disposed in the vicinity of the periphery of the laser head 1 via the high-pressure hose, and is a valve for intermittent control. The timing and amount of liquid nitrogen controlled by the opening / closing control of the mechanism is intermittently injected toward the melting portion of the workpiece 8.

液体窒素の間欠制御のタイミング、量を決定するのは、監視手段Mの監視結果に基づいて行われる。図1の実施例の場合に、監視手段Mは温度センサ4と信号変換器7により構成されており、要するに被加工物8の溶融部、あるいは加工部における被加工物8の温度を検知している。なお温度検知には種々の手法が適用可能であり、本発明ではその実現手法を問わない。   The timing and amount of intermittent control of liquid nitrogen are determined based on the monitoring result of the monitoring means M. In the case of the embodiment of FIG. 1, the monitoring means M is composed of a temperature sensor 4 and a signal converter 7. In short, the monitoring means M detects the temperature of the work piece 8 at the melted part of the work piece 8 or the work part. Yes. Various methods can be applied to temperature detection, and any method for realizing the temperature detection is not limited in the present invention.

図1において、制御装置10は、一連のレーザ加工・切断処理を実行している。例えばレーザ照射手段Rとの関係では、レーザ光を被加工物(切断対象部)8の切断予定線に沿ってフォーカスしたレーザ光を被加工物(切断対象部)8に照射して加工・切断を行わしめる。   In FIG. 1, the control device 10 executes a series of laser processing / cutting processes. For example, in relation to the laser irradiation means R, the workpiece (cutting target portion) 8 is irradiated with the laser light focused along the planned cutting line of the workpiece (cutting target portion) 8 to process / cut. To do.

以上の説明においては、被加工物に熱エネルギーを加えることにより被対象物を切断する熱切断工法の一例として、レーザ加工・切断装置の構成を示したが、これはプラズマアークの放電、または、ガス切断ノズルから噴出する高圧酸素による酸化反応熱、等の熱切断の場合であっても、レーザの場合と同様に構成することが可能である。本発明は、熱切断の手法が上記のいずれか、あるいは他の原理によるものであってもよい。   In the above description, as an example of a thermal cutting method for cutting a workpiece by applying thermal energy to the workpiece, the configuration of the laser processing / cutting device has been shown. Even in the case of thermal cutting such as oxidation reaction heat by high-pressure oxygen ejected from a gas cutting nozzle, it can be configured in the same manner as in the case of a laser. In the present invention, the thermal cutting method may be based on any one of the above or other principles.

図3に、本発明に係る被加工物に熱エネルギーを加えることにより被対象物を切断する熱切断工法の一例として、プラズマ加工・切断装置の構成を示している。図3のプラズマ加工・切断装置においては、図1のプラズマアーク発生手段Pがレーザ照射手段Rに置き換えられている点においてのみ図1と構成が相違している。プラズマアーク発生手段Pは、電極11とプラズマヘッド12で構成されており、発生したプラズマにより被加工物に熱エネルギーを加えることにより被対象物を切断する。   FIG. 3 shows a configuration of a plasma processing / cutting apparatus as an example of a thermal cutting method for cutting a workpiece by applying thermal energy to the workpiece according to the present invention. The plasma processing / cutting apparatus shown in FIG. 3 differs from that shown in FIG. 1 only in that the plasma arc generating means P shown in FIG. The plasma arc generating means P is composed of an electrode 11 and a plasma head 12, and cuts the object by applying thermal energy to the object by the generated plasma.

本発明において、熱エネルギーによる切断を行う部分については、上記説明のように各種原理のものが採用可能であるので、以下の説明においては特に断りのない限りアーク切断を行うことについて説明する。   In the present invention, as the portion to be cut by thermal energy, those of various principles can be adopted as described above. Therefore, in the following description, arc cutting will be described unless otherwise specified.

本発明に係るドロス処理に関しては、図4に示す処理フローに沿って一連の処理を実行する。図4の処理フローによれば、最初の処理ステップS1において、一連の処理プロセスを開始する。処理プロセスの中にはレーザ照射のプロセスも含まれている。次の処理ステップS2では、監視手段Mの温度センサ4と信号変換器7を通じて温度情報を入手する温度計測の準備処理を行う。計測が可能な状態であれば次の処理ステップS3において、レーザ照射手段Rを駆動して被加工物(切断対象部)8の加工・切断を実施する。   Regarding the dross processing according to the present invention, a series of processing is executed along the processing flow shown in FIG. According to the processing flow of FIG. 4, a series of processing processes is started in the first processing step S1. The treatment process includes a laser irradiation process. In the next processing step S2, temperature measurement preparation processing for obtaining temperature information through the temperature sensor 4 and the signal converter 7 of the monitoring means M is performed. If the measurement is possible, the laser irradiation means R is driven to process / cut the workpiece (cutting target portion) 8 in the next processing step S3.

監視手段Mでは、温度センサ4と信号変換器7を通じて温度情報を引き続き入手しており、処理ステップS4では計測した温度がしきい値以上か、以下かを判断する。図2は、被加工物8が鉄系材である場合の温度と粘性係数の関係を示している。これによれば、酸化鉄FeOは温度が高いほど粘性が低下する。このことから本発明の実施例1においては、粘性係数が所定値よりも低い状態になったことを、計測した溶融部の温度から判断する。粘性係数が所定値よりも低い状態であれば、ドロスは容易に吹き飛ばすことが可能であるが、粘性係数が所定値よりも高い状態であれば、吹き飛ばしの効果が期待できない。   In the monitoring means M, temperature information is continuously obtained through the temperature sensor 4 and the signal converter 7. In processing step S4, it is determined whether the measured temperature is equal to or higher than a threshold value. FIG. 2 shows the relationship between temperature and viscosity coefficient when the workpiece 8 is an iron-based material. According to this, the viscosity of iron oxide FeO decreases as the temperature increases. Therefore, in Example 1 of the present invention, it is determined from the measured temperature of the melted part that the viscosity coefficient is lower than a predetermined value. If the viscosity coefficient is lower than the predetermined value, the dross can be easily blown off, but if the viscosity coefficient is higher than the predetermined value, the effect of blowing off cannot be expected.

なお図2は、温度が低いときは鉄Feよりも酸化鉄FeOの方が粘性は小さいが、ある温度以上の高温になると逆転し、酸化鉄FeOの流動性が極めてよくなり、このため適切な酸素ガスを吹き付けて切断すると、ドロスフリー(ドロスが付着していない状態)になることを意味している。   Note that FIG. 2 shows that when the temperature is low, iron oxide FeO has a lower viscosity than iron Fe, but when the temperature becomes higher than a certain temperature, the viscosity is reversed and the fluidity of iron oxide FeO becomes extremely good. This means that when oxygen gas is blown and cut, it becomes dross-free (a state in which no dross is attached).

処理ステップS4で計測した温度がしきい値以上である場合には、吹き飛ばしが有効に行えると考えられるため、処理ステップS5において不活性体噴射手段Kを駆動し、液体窒素の噴射によるドロス除去処理を実施する。   When the temperature measured in the processing step S4 is equal to or higher than the threshold value, it is considered that the blow-off can be effectively performed. Therefore, in the processing step S5, the inert body injection means K is driven, and the dross removing process by the liquid nitrogen injection is performed. To implement.

処理ステップS4で計測した温度がしきい値以下である場合には、吹き飛ばしが有効に行えないと考えられるため、処理ステップS2に戻り、レーザ照射の継続により溶融部の温度が上昇するのを待つ。   When the temperature measured in the process step S4 is equal to or lower than the threshold value, it is considered that the blow-off cannot be performed effectively. .

上記の加熱及び吹き飛ばし処理は、予め計画された被加工物(切断対象部)8の加工・切断作業が完了するまで、適宜作業位置をずらしながら継続実行され、その終了により処理ステップS6のプロセス終了となる。   The above heating and blow-off processing is continuously executed while shifting the work position as appropriate until the processing / cutting work of the work piece (cutting target part) 8 planned in advance is completed. It becomes.

かくして上記手順によれば、まず、レーザヘッド1からレーザ光を被加工物8に連続照射し、被加工物8を溶融する(溶融工程)。レーザ光12で溶融したドロスが生成し、かつ十分な温度に上昇していることから有効な吹き飛ばしが可能な状態であることを推定し、液体窒素を噴射して溶融部のドロスを吹き飛ばして加工する(除去工程)液体窒素の冷却効果により、吹き飛ばされたドロスは扱いやすい塊となり再溶着の悪影響を防ぐことが出来る。溶融部のドロス除去後、液体窒素噴射ノズル3からの液体窒素噴射を停止し、被加工物8にレーザ光のみが照射される状態にし、溶融部を形成する。また液体窒素噴射ノズル3により再度加工部に噴射させて新たに形成された溶融部ドロスを吹き飛ばす。このように、液体窒素噴射の間欠制御を行うことにより、溶融部を確実に形成する「溶融工程」と溶融部を確実に除去する「除去工程」とを繰り返しながら、必要に応じて穴加工を行う。またその後レーザヘッド1及び液体窒素噴射ノズル3あるいは監視手段Mの温度センサ4を移動手段(図示しない)により移動させることで連続する加工・切断が可能になる。   Thus, according to the above procedure, first, the workpiece 8 is continuously irradiated with laser light from the laser head 1 to melt the workpiece 8 (melting step). The dross melted by the laser beam 12 is generated and the temperature has risen to a sufficient temperature, so that it is estimated that effective blowing is possible, and liquid nitrogen is jetted to blow off the dross in the melted portion. Do (removal step) Due to the cooling effect of liquid nitrogen, the blown-out dross becomes an easy-to-handle lump, and the adverse effect of re-welding can be prevented. After removing the dross from the melted part, the liquid nitrogen jet from the liquid nitrogen jet nozzle 3 is stopped, and the workpiece 8 is irradiated with only the laser beam to form the melted part. Also, the newly formed molten portion dross is blown off by being again sprayed onto the processing portion by the liquid nitrogen spray nozzle 3. In this way, by performing intermittent control of liquid nitrogen injection, drilling is performed as necessary while repeating the “melting step” for reliably forming the molten portion and the “removing step” for reliably removing the molten portion. Do. Further, after that, the laser head 1 and the liquid nitrogen injection nozzle 3 or the temperature sensor 4 of the monitoring means M are moved by moving means (not shown), so that continuous processing and cutting can be performed.

このように本発明では、温度センサ4(例えばサーモグラフィ)により、レーザで対象部位を溶融している部分を計測し、計測結果が、図2のグラフにあるように、酸化物の粘性が低くなる温度以上になったところで溶融部分に対して液体窒素を噴射し、ドロスを吹き飛ばしつつ、冷却により、ドロスの再溶着を防ぐようにする。別の言い方をすると本発明は、レーザ照射後、溶融部の温度をモニタし、材料の溶融部の表面張力が未溶融部のそれを超えたことを基にして液体窒素を噴射したものということができる。   As described above, in the present invention, the temperature sensor 4 (for example, thermography) is used to measure the portion where the target portion is melted by the laser, and the viscosity of the oxide is reduced as shown in the graph of FIG. When the temperature becomes higher than the temperature, liquid nitrogen is sprayed onto the melted portion, and the dross is blown away while cooling to prevent re-welding of the dross. In other words, in the present invention, after the laser irradiation, the temperature of the melted part is monitored, and liquid nitrogen is injected based on the fact that the surface tension of the melted part of the material exceeds that of the unmelted part. Can do.

この場合に、ドロスを吹き飛ばしつつ、冷却により、ドロスの再溶着を防ぐ効果を得るためには、不活性体が液体窒素であることが望ましい。窒素ガスであっても水素との結合による安全上の問題を回避可能であるが、冷却のためには液体窒素であることが望ましい。   In this case, in order to obtain the effect of preventing dross re-welding by cooling while blowing the dross, it is desirable that the inert substance is liquid nitrogen. Even nitrogen gas can avoid safety problems due to bonding with hydrogen, but liquid nitrogen is desirable for cooling.

実施例2においては、図5、図6に示すように図3の液体窒素噴射ノズル3が、ドライアイスブラスト噴射ノズル3Aに、液体窒素タンク6がドライアイス貯蔵タンク6Aに置き換えられている。なお図5はレーザ加工・切断装置とする場合、図6はプラズマ加工・切断装置とする場合に、不活性体噴射手段Kとしてドライアイスを用いた事例を示している。   In the second embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, the liquid nitrogen injection nozzle 3 of FIG. 3 is replaced with a dry ice blast injection nozzle 3A, and the liquid nitrogen tank 6 is replaced with a dry ice storage tank 6A. FIG. 5 shows an example in which dry ice is used as the inert material injection means K in the case of using a laser processing / cutting apparatus, and FIG. 6 in the case of using a plasma processing / cutting apparatus.

本発明は、燃料デブリが置かれた環境では酸素はもちろん、水でさえも危険であるという認識のもとに不活性体を用いている。実施例2は、液体窒素の代わりにドライアイスブラストを用いている。   The present invention uses inerts with the recognition that in the environment where fuel debris is placed, not only oxygen but also water is dangerous. Example 2 uses dry ice blasting instead of liquid nitrogen.

この場合にも、ドロスを吹き飛ばしつつ、周囲を冷却する効果を得るためには、不活性体がドライアイスブラストであることが望ましい。二酸化炭素ガスであっても水素との結合による安全上の問題を回避可能であるが、冷却のためにはドライアイスブラストであることが望ましい。   Also in this case, in order to obtain the effect of cooling the surroundings while blowing the dross, it is desirable that the inert substance is dry ice blast. Even carbon dioxide gas can avoid safety problems due to bonding with hydrogen, but dry ice blasting is desirable for cooling.

実施例3においては、図5、図6に示すように監視手段Mを監視手段MAとし、温度計測に替えてカメラによる監視としている。カメラにより溶融部ドロスの大きさを監視し、所定大きさに達したことをもって吹き飛ばしを実行せしめる。この場合に4Bはカメラ、7Bはカメラコントローラとされている。   In the third embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, the monitoring unit M is the monitoring unit MA, and monitoring by a camera is performed instead of temperature measurement. The size of the melted part dross is monitored by a camera, and blow-off is executed when the predetermined size is reached. In this case, 4B is a camera and 7B is a camera controller.

この場合における制御装置10による処理手順の一例が、図7に示されている。図7の処理フローによれば、最初の処理ステップS1において、一連の処理プロセスを開始する。処理プロセスの中にはレーザ照射のプロセスも含まれている。次の処理ステップS7では、監視手段MAのカメラ4Bとカメラコントローラ7Bを通じて溶融部近傍の画像情報を入手し形状計測の準備処理を行う。形状計測が可能な状態であれば次の処理ステップS3において、レーザ照射手段Rを駆動して被加工物(切断対象部)8の加工・切断を実施する。   An example of the processing procedure by the control device 10 in this case is shown in FIG. According to the processing flow of FIG. 7, a series of processing processes are started in the first processing step S1. The treatment process includes a laser irradiation process. In the next processing step S7, image information in the vicinity of the fusion part is obtained through the camera 4B and the camera controller 7B of the monitoring means MA, and a shape measurement preparation process is performed. If the shape can be measured, in the next processing step S3, the laser irradiation means R is driven to process / cut the workpiece (cutting target portion) 8.

監視手段MAでは、カメラ4Bとカメラコントローラ7Bを通じて溶融部近傍の画像情報を引き続き入手しており、処理ステップS8では計測した形状(大きさ)がしきい値以上か、以下かを判断する。処理ステップS8で計測した形状(ドロスの滞留)が切断を阻害する大きさになる前の状態である時の形状、大きさをしきい値として設定している。これにより、しきい値以上である場合には、吹き飛ばしの時期に達していると判断し、処理ステップS5において不活性体噴射手段Kを駆動し、液体窒素の噴射によるドロス除去処理を実施する。   The monitoring means MA continues to obtain image information in the vicinity of the melted part through the camera 4B and the camera controller 7B, and in processing step S8, it is determined whether the measured shape (size) is greater than or less than a threshold value. The shape and size when the shape measured in process step S8 (the dross retention) is in a state before the cutting is hindered are set as threshold values. Thus, if it is equal to or greater than the threshold value, it is determined that the blow-off timing has been reached, and the inert material jetting means K is driven in the processing step S5, and dross removal processing is performed by jetting liquid nitrogen.

処理ステップS8で計測した形状がしきい値以下である場合には、吹き飛ばしの時期に達していないと判断し、処理ステップS7に戻り、レーザ照射の継続により溶融部のドロスの滞留を待つ。   When the shape measured in the process step S8 is equal to or less than the threshold value, it is determined that the blow-off time has not been reached, and the process returns to the process step S7 to wait for the dross staying in the melted part by continuing the laser irradiation.

上記の加熱及び吹き飛ばし処理は、予め計画された被加工物(切断対象部)8の加工・切断作業が完了するまで、適宜作業位置をずらしながら継続実行され、その終了により処理ステップS6のプロセス終了となる。   The above heating and blow-off processing is continuously executed while shifting the work position as appropriate until the processing / cutting work of the work piece (cutting target part) 8 planned in advance is completed. It becomes.

以上説明した本発明によれば、特に福島第1原子力発電所における冷却材の喪失により原子炉燃料が溶融し、原子炉構造材や制御棒と共に冷えて固まった、いわゆる「燃料デブリ」を対象とするに好適である。ウォータージェットを用いずに、不活性体を噴射することで水素発生環境での安全確保が可能である。またドロスの除去が有効に機能する間歇制御を実行している。   According to the present invention described above, the so-called “fuel debris”, in which the reactor fuel is melted due to the loss of the coolant in the Fukushima No. 1 nuclear power plant and is cooled and solidified together with the reactor structural material and the control rod, is targeted. It is suitable for. It is possible to ensure safety in a hydrogen generation environment by injecting an inert material without using a water jet. In addition, intermittent control is performed so that dross removal functions effectively.

1:レーザヘッド
2:レンズ
3:液体窒素噴射ノズル
3A:ドライアイスブラスト噴射ノズル
4:温度センサ
4B:カメラ
5:レーザ発振器
6:液体窒素タンク
6A:ドライアイス貯蔵タンク
7:信号変換器
7B:カメラコントローラ
8:被加工物(切断対象部)
10:制御装置
11:電極
12:プラズマヘッド
K:不活性体噴射手段
M、MA:監視手段M
P:プラズマアーク発生手段
R:レーザ照射手段
1: Laser head 2: Lens 3: Liquid nitrogen injection nozzle 3A: Dry ice blast injection nozzle 4: Temperature sensor 4B: Camera 5: Laser oscillator 6: Liquid nitrogen tank 6A: Dry ice storage tank 7: Signal converter 7B: Camera Controller 8: Work piece (part to be cut)
10: Controller 11: Electrode 12: Plasma head K: Inert body injection means M, MA: Monitoring means M
P: Plasma arc generating means R: Laser irradiation means

Claims (10)

被加工物に熱エネルギーを加えて切断・加工する熱切断装置であって、
被加工物に熱エネルギーを加える熱エネルギー付与手段と、前記被加工物に生成したドロスに不活性体を噴射して除去するための不活性体噴射手段と、前記被加工物に生成したドロスの領域である溶融部を監視する監視手段と、前記熱エネルギー付与手段と前記不活性体噴射手段を制御するとともに、前記監視手段からの情報を用いて前記不活性体噴射手段による不活性体の噴射時期を決定して間欠制御を実行する制御手段を備えることを特徴とする熱切断装置。
A thermal cutting device that applies thermal energy to a workpiece to cut and process the workpiece,
Thermal energy application means for applying thermal energy to the workpiece, inert body injection means for injecting and removing the inert material on the dross generated on the workpiece, and dross generated on the workpiece The monitoring means for monitoring the melted portion which is a region, the thermal energy applying means, and the inert substance injection means are controlled, and the inert substance injection by the inert substance injection means is performed using information from the monitoring means A thermal cutting apparatus comprising control means for determining timing and executing intermittent control.
請求項1に記載の熱切断装置であって、
前記熱エネルギー付与手段として、被加工物にフォーカスしたレーザ光を照射するレーザ照射手段を備える熱切断装置。
The thermal cutting device according to claim 1,
A thermal cutting apparatus comprising laser irradiation means for irradiating a laser beam focused on a workpiece as the thermal energy application means.
請求項1に記載の熱切断装置であって、
前記熱エネルギー付与手段として、プラズマアークの放電を行うプラズマアーク放電手段を備える熱切断装置。
The thermal cutting device according to claim 1,
A thermal cutting apparatus comprising plasma arc discharge means for discharging plasma arc as the thermal energy applying means.
請求項1に記載の熱切断装置であって、
前記熱エネルギー付与手段として、ガス切断ノズルから噴出する高圧酸素による酸化反応熱を用いるガス切断手段を備える熱切断装置。
The thermal cutting device according to claim 1,
A thermal cutting device provided with a gas cutting means using oxidation heat of high pressure oxygen ejected from a gas cutting nozzle as the thermal energy applying means.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の熱切断装置であって、
前記不活性体が液体窒素であることを特徴とする熱切断装置。
The thermal cutting device according to any one of claims 1 to 4,
The thermal cutting apparatus, wherein the inert substance is liquid nitrogen.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の熱切断装置であって、
前記不活性体がドライアイスであることを特徴とする熱切断装置。
The thermal cutting device according to any one of claims 1 to 4,
A thermal cutting apparatus, wherein the inert material is dry ice.
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の熱切断装置であって、
前記監視手段は、被加工物に生成したドロスの領域である溶融部の温度を監視し、前記制御手段は前記監視手段からの温度情報を用いて、前記不活性体噴射手段による不活性体の噴射時期を決定して間欠制御を実行することを特徴とする熱切断装置。
The thermal cutting device according to any one of claims 1 to 6,
The monitoring means monitors the temperature of the melted portion, which is a dross region generated on the workpiece, and the control means uses temperature information from the monitoring means to inactivate the inert material by the inert material injection means. A thermal cutting device that performs intermittent control by determining an injection timing.
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の熱切断装置であって、
前記監視手段は、被加工物に生成したドロスの領域である溶融部の形状を監視し、前記制御手段は前記監視手段からの形状情報を用いて、前記不活性体噴射手段による不活性体の噴射時期を決定して間欠制御を実行することを特徴とする熱切断装置。
The thermal cutting device according to any one of claims 1 to 6,
The monitoring means monitors the shape of the melted portion, which is a dross region generated on the workpiece, and the control means uses the shape information from the monitoring means to detect the inactive material by the inactive material injection means. A thermal cutting device that performs intermittent control by determining an injection timing.
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の熱切断装置であって、
前記監視手段は、被加工物に生成したドロスの領域である溶融部の温度を監視し、前記制御手段は前記監視手段からの温度情報を用いて、溶融部の表面張力が未溶融部の表面張力を超えたことを推定し、不活性体の噴射時期を決定して間欠制御を実行することを特徴とする熱切断装置。
The thermal cutting device according to any one of claims 1 to 6,
The monitoring means monitors the temperature of the molten part, which is a dross region generated on the workpiece, and the control means uses the temperature information from the monitoring means to determine that the surface tension of the molten part is the surface of the unmelted part. A thermal cutting device characterized by estimating that the tension has been exceeded, determining the injection timing of the inert body, and performing intermittent control.
被加工物に熱エネルギーを加えて切断・加工し、熱エネルギーにより前記被加工物に生成したドロスに不活性体を噴射して除去するために、前記被加工物に生成したドロスの領域である溶融部の情報を用いて前記不活性体の噴射時期を決定して間欠制御を実行することを特徴とする熱切断方法。   This is a region of dross generated on the workpiece to be cut and processed by applying thermal energy to the workpiece, and to inject and remove the inert material on the dross generated on the workpiece by the heat energy. The thermal cutting method characterized by performing the intermittent control by determining the injection timing of the inert body using the information of the melting part.
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