JP6375898B2 - 水中レーザ切断方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ切断トーチによる切断対象物の切断処理を水中で行うために用いる水中レーザ切断方法及び装置に関するものである。

切断や接合の施工は、気中よりも水中で行う方が工期、品質、安全の面で有利になることがある。たとえば、有害物質に汚染された設備を切断解体する場合、水中切断は、気中切断と比較して、ヒュームやスパッタの飛散を抑えることができるため、作業者の保護や汚染物質の拡散防止の点で有利になることが知られている。

ところで、レーザによる熱源によって被加工材を加熱するトーチを水中で使用するための装置としては、トーチの加工対象物（被加工材）側に配置される先端側に、加工対象物の加工個所を局部的に覆う固体隔壁を備え、固体隔壁の内側にシールドガスを供給するようにしたものが従来提案されている。この構成によれば、内側にシールドガスが充満される固体隔壁によって水を遮蔽し、この水が遮蔽された固体隔壁内側の空間内でトーチより加工個所へのレーザ光の照射が行われて、加工対象物の加工が行われるようになっている（たとえば、特許文献１参照）。

特許第３００６３７０号公報

ところが、特許文献１に示された手法で用いられるトーチは、先端側の外周に、トーチの先端部よりも大きな径を有する固体隔壁が存在しているために、狭隘部や構造不連続部に対しての適用が難しい。

更に、固体隔壁は、シールドガスの吹き抜けによって水の遮蔽が不完全になることを防止するために、固体隔壁の先端側の周縁部は、全周に亘り均等に加工対象物の表面に近接配置されていることが必要とされる。そのため、固体隔壁は、その先端側を加工対象物の表面に倣って移動させる必要がある。

ところで、一般に、接合個所の形状は設計で決めることができるため、接合個所の表面形状を凹凸のない平坦な形状とすることに特に問題は生じない。

これに対し、設備を切断解体する場合は、切断対象となる個所は必ずしも表面が平坦ではない場合がある。

そのため、特許文献１に示された固体隔壁を備えたトーチは、溶接作業に用いるトーチとしては有効であるとしても、表面に凹凸が存在する個所の切断作業に用いるトーチとしては採用することは難しい。

そこで、本発明は、表面に凹凸を有するような切断対象物であっても、水中での切断処理を実施することができる水中レーザ切断方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、レーザトーチにてノズルから有効レンジ計測用レーザの出射とアシストガスの噴射とを行って前記ノズルから有効レンジ計測用レーザの散乱光が生じる領域までの離隔距離を検出する試験の結果を基に、水中レーザ切断作業を行う水深、前記ノズルの口径、アシストガス供給手段から前記レーザトーチに供給される前記アシストガスの圧力及び流量と、前記離隔距離を基に設定されるスタンドオフの値とが関連付けられたデータをデータベースに蓄積し、切断対象物の水中レーザ切断を行うときには、切断対象物が配置されている水深と、切断対象物とレーザトーチとのスタンドオフと、前記ノズルの口径の条件を基に、前記データベースより、前記レーザトーチに供給する前記アシストガスの圧力と流量の設定値を呼び出して、該設定値に基づいた圧力と流量でレーザトーチへのアシストガスの供給を行わせる水中レーザ切断方法とする。

又、ノズルよりレーザの出射とアシストガスの噴射を行うレーザトーチと、切断用レーザと有効レンジ計測用レーザを発振するレーザ発振器と、前記レーザトーチと前記レーザ発振器とを接続する光ファイバと、前記レーザトーチに前記アシストガスを供給するアシストガス供給手段と、データベースに蓄積されたデータを基に、前記アシストガス供給手段へ前記アシストガスの圧力と流量の指令を与える制御装置とを備え、前記データベースは、水中レーザ切断作業を行う水深、前記ノズルの口径、前記アシストガス供給手段から前記レーザトーチに供給される前記アシストガスの圧力及び流量と、前記レーザトーチにて前記有効レンジ計測用レーザの出射と前記アシストガスの噴射とを行うときに前記ノズルから前記有効レンジ計測用レーザの散乱光が生じる領域までの離隔距離を基に設定されるスタンドオフの値とが関連付けられたデータとが蓄積されるものとした構成を有する水中レーザ切断装置とする。

本発明の水中レーザ切断方法及び装置によれば、表面に凹凸を有するような切断対象物であっても、水中での切断処理を実施することができる。

水中レーザ切断装置の実施形態を示す概要図である。 図１の制御装置のデータベースに蓄積するデータ取得のために用いる試験装置の概要を示す図である。 図２の試験装置を用いて行う試験の結果を示すもので、（ａ）（ｂ）はレーザトーチより出射される有効レンジ計測用レーザの散乱光を示す図面代用写真、（ｃ）（ｄ）は、それぞれ（ａ）（ｂ）と同じ撮影領域でのレーザトーチからのアシストガスの噴射状態のイメージを示す図面代用写真である。

本発明の水中レーザ切断方法及び装置について、図面を参照して説明する。

図１は、水中レーザ切断方法の実施に用いる水中レーザ切断装置の実施形態を示す概要図である。

本実施形態の水中レーザ切断装置は、図１に符号１で示すもので、レーザトーチ２と、レーザ発振器３と、レーザトーチ２をレーザ発振器３に接続する光ファイバ４と、アシストガス供給手段５と、チラー６と、制御装置７とを備えた構成とされている。

レーザトーチ２は、切断対象物Ｗに臨むように配置される先端側に、切断用レーザＬ１及び有効レンジ計測用レーザＬ２の出射と、アシストガスＧの噴射とを行うノズル８を備えた構成とされている。ノズル８は、切断用レーザＬ１、有効レンジ計測用レーザＬ２の出射方向と、アシストガスＧの噴射方向が同軸となるように形成されている。

切断対象物Ｗとは逆側に配置されるレーザトーチ２の基端側には、光ファイバ接続部９が備えられている。光ファイバ接続部９は、たとえば、メス側のコネクタ（レセプタクル）とされていることが好ましい。

更に、レーザトーチ２には、たとえば、先端寄り個所に、アシストガス入口１０が備えられている。アシストガス入口１０は、レーザトーチ２の内部を通してノズル８に連通されている。

レーザ発振器３は、切断用レーザＬ１の発振部１１と、有効レンジ計測用レーザＬ２の発振部１２とを備えた構成とされている。

なお、切断用レーザＬ１は、切断対象物Ｗの切断に必要とされる波長、出力が得られるものであればよい。又、レーザ発振器３は、切断対象物Ｗの切断に必要とされる切断用レーザＬ１の出力に応じて、発振部１１を複数備えて、各発振部１１で発振される切断用レーザＬ１をまとめて出力する構成とされていてもよい。

有効レンジ計測用レーザＬ２の発振部１２は、一般のレーザ発振器に広く備えられているアライメント用のガイド光として用いられる可視光レーザ（ガイドレーザ）の発振器と共通であってもよい。したがって、有効レンジ計測用レーザＬ２は、ガイドレーザを兼ねていてもよい。

レーザ発振器３は、一つの光ファイバ接続部１３から、切断用レーザＬ１と、有効レンジ計測用レーザＬ２とを切り替えて出力する機能を備えている。光ファイバ接続部１３は、たとえば、メス側のコネクタ（レセプタクル）とされていることが好ましい。

光ファイバ４は、両端部にオス側のコネクタ（プラグ）４ａを備えた構成とされ、各コネクタ４ａにより、レーザ発振器３の光ファイバ接続部１３と、レーザトーチ２の光ファイバ接続部９にそれぞれ接続されている。

アシストガス供給手段５は、アシストガスＧとして、たとえば、コンプレッサ等により生成された圧縮空気を供給するものであり、アシストガスライン１４を介してレーザトーチ２のアシストガス入口１０に接続されている。

更に、アシストガス供給手段５には、制御装置７からの指令に基づいてレーザトーチ２に供給するアシストガスＧの圧力を調整する圧力制御部１５と、レーザトーチ２に供給するアシストガスＧの流量を制御する流量制御部１６とが備えられている。

チラー６は、たとえば、冷却水送出口１７と冷却水回収口１８を複数組備え、そのうちの１つの組が、レーザ発振器３に、冷却水供給ライン１９と冷却水回収ライン２０を介して接続されている。これにより、レーザ発振器３では、各発振部１１，１２、及び、レーザ発振器３内部のレーザ伝送用の図示しない光学系が、チラー６より循環供給される冷却水２１によって冷却されるようになっている。

更に、冷却水送出口１７と冷却水回収口１８のその他の組は、光ファイバ４の両端側に設けられたコネクタ４ａに、冷却水供給ライン１９と冷却水回収ライン２０を介して接続されている。これにより、各コネクタ４ａは、チラー６より循環供給される冷却水２１によって冷却されるようになっている。

レーザトーチ２の基端側には、光ファイバ接続部９と、それに接続された光ファイバ４とを覆うための防水ホース２２の一端側が水密に取り付けられている。この防水ホース２２は、水中レーザ切断作業を行うときに、光ファイバ４の水面下に配置される部分を覆う状態で、他端側が水没しない個所に保持されるようにしてあれば、必ずしも光ファイバ４の全長を覆っていなくてもよい。これにより、レーザトーチ２は、アシストガス入口１０を経て供給されるアシストガスＧが内部に充満し、余剰分のアシストガスＧがノズル８を通して外方に常に吹き出させるようにした状態とすることにより、内部を遮水した状態で、水中への配置が可能となっている。

制御装置７は、切断条件に関するデータベース２３を備えている。

制御装置７は、データベース２３に蓄積された切断条件の情報を基に、少なくとも、アシストガス供給手段５の圧力制御部１５と流量制御部１６に指令を与えて、レーザトーチ２に供給するアシストガスＧの圧力と流量とを制御する機能を備えている。

データベース２３に蓄積される切断条件は、水中レーザ切断作業を行う水深、ノズル８の口径、アシストガス供給手段５からレーザトーチ２に供給されるアシストガスＧの圧力及び流量について、水中レーザ切断作業を実施するときのスタンドオフ（レーザトーチ２と切断対象物Ｗとの離間距離）と関連付けたデータを含むものであり、これらは以下の試験の結果を基に求められるものである。

図２は、データベース２３に蓄積するデータの取得に用いた試験装置の概要を示す図である。図３は試験結果を示すもので、図３（ａ）（ｂ）はレーザトーチより出射される有効レンジ計測用レーザＬ２の散乱光を示す図面代用写真、図３（ｃ）（ｄ）は、それぞれ図３（ａ）（ｂ）と同じ撮影領域でのレーザトーチ２からのアシストガスＧの噴射状態のイメージを示す図面代用写真である。

図２に示すように、試験装置２４は、水槽２５と、水槽２５内に水没させて配置するためのフレーム２６とを備えている。

フレーム２６には、図１に示したと同様のレーザトーチ２が保持されている。レーザトーチ２には、図示してないが、図１に示したと同様のレーザ発振器３が光ファイバ４を介して接続され、更に、アシストガス供給手段５、チラー６も付属されている。

フレーム２６は、水槽２５内に配置するときに、レーザトーチ２のノズル８が配置される水深を変化させることができるようにしてあることが好ましい。これは、たとえば、水槽２５内に、フレーム２６を予め設定された水深で受けるための図示しない支持台を備える構成により実現できる。あるいは、フレーム２６を吊って水槽２５内に配置する作業に用いるクレーンやホイスト等の図示しないフレーム搬送手段により、水槽２５内でフレーム２６を予め設定された水深に配置し、その状態で、フレーム搬送手段をロックするようにしてもよい。

更に、フレーム２６は、レーザトーチ２の向きを、ノズル８が横向きとなる姿勢と、ノズル８が下向きとなる姿勢で保持できるようにしてあるものとする。これは、たとえば、フレーム２６を立方体形状としておき、水槽２５内にフレーム２６を配置するときに、フレーム２６自体の縦横の姿勢を変えることにより実現できる。

試験装置２４には、更に、図３（ｃ）（ｄ）に示すような水中に配置されたレーザトーチ２の先端部付近を撮影するＣＣＤカメラのような撮像装置２７と、撮像装置２７により撮影された画像を処理する画像処理装置２８とが備えられている。

以上の構成としてある試験装置２４を用いて試験を行う場合は、先ず、フレーム２６に保持されたレーザトーチ２を、フレーム２６ごと水槽２５内に没水させて配置する。このとき、レーザトーチ２は、予め設定された横向き姿勢あるいは下向き姿勢で且つ予め定められた水深に配置されるようにする。

更に、レーザトーチ２を没水させるときには、アシストガス供給手段５（図１参照）からレーザトーチ２へアシストガスＧを予め設定された圧力と流量の条件で供給し、レーザトーチ２のノズル８からアシストガスＧが常時噴射されるようにする。

この状態で、レーザ発振器３（図１参照）では、発振部１２によって発振される有効レンジ計測用レーザＬ２を、光ファイバ４を通してレーザトーチ２へ出力させる。

これにより、レーザトーチ２では、前記所定の水深、所定の姿勢で、ノズル８からアシストガスＧの噴射と有効レンジ計測用レーザＬ２の出射が行われる。

この状態で、撮像装置２７では、レーザトーチ２の先端側におけるアシストガスＧが噴射され且つ有効レンジ計測用レーザＬ２の出射が行われている領域の撮影を行う。

撮像装置２７によって撮影された画像は、画像処理装置２８へ入力させる。

画像処理装置２８では、撮像装置２７から入力される画像について、有効レンジ計測用レーザＬ２の波長に基づいて、その散乱光が生じている領域を検出する。この散乱光は、アシストガスＧの気泡によって有効レンジ計測用レーザＬ２が散乱されることで生じるものである。

その結果は、図３（ａ）（ｂ）に示す如きものとなる。図３（ａ）（ｂ）において白く示されている個所が有効レンジ計測用レーザＬ２の散乱光発生領域である。

更に、画像処理装置２８では、図３（ｃ）（ｄ）に示すような前記試験と同じ撮影領域の白色光（通常光）での撮影画像から得られるノズル８の先端部位置（図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に白色の点線で示す）を基に、図３（ａ）（ｂ）において、それぞれ散乱光発生領域のノズル８から離隔距離ｘを検出する。

図３（ａ）と図３（ｂ）は、アシストガスＧの流量の条件を変更して行った試験の結果をそれぞれ示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）の場合に比して、アシストガスＧの流量の条件を大としたものである。

図３（ａ）の結果では、散乱光発生領域がノズル８の先端部位置の近傍から発生していて、離隔距離ｘはほぼゼロとなっている。

これに対し、アシストガスＧの流量をより大とした場合の図３（ｂ）の結果では、散乱光発生領域は、ノズル８の先端部位置より離反している。したがって、図３（ｂ）の結果からは、離隔距離ｘまでの範囲では、有効レンジ計測用レーザＬ２の散乱が生じていないことが判明した。

これは、ノズル８から水中にアシストガスＧを噴射させると、ノズル８の先端が向いた方向には、噴射されるアシストガスＧの勢いと体積によって水が排除された領域（空洞）が形成され、その領域が、ノズル８からのアシストガスＧの噴射量の増加に伴って、アシストガスＧの噴射方向に拡大されることに起因すると考えられる。

したがって、レーザトーチ２に供給するアシストガスＧの流量を制御することで、ノズル８の先端部位置から有効レンジ計測用レーザＬ２が散乱の影響を受けずに到達可能な距離が、離隔距離ｘを基に求まることが分かる。更に、この離隔距離ｘの範囲では、レーザトーチ２より有効レンジ計測用レーザＬ２に代えて、切断用レーザＬ１（図１参照）を出射させた場合にも散乱が生じないと推定される。したがって、この離隔距離ｘを基にスタンドオフを設定すれば、水中レーザ切断の実施が可能になる。

ところで、ノズル８より水中に噴射されるアシストガスＧの体積は、レーザトーチ２に供給されるアシストガスＧの流量に加えて、供給されるアシストガスＧの圧力、レーザトーチ２が配置されている水深に応じた水圧による影響を受ける。

又、ノズル８より水中に噴射されるアシストガスＧの勢いは、ノズル８の口径の影響を受ける。

そこで、前記と同様の試験を、レーザトーチ２が配置される水深、ノズル８の口径、レーザトーチ２へ供給するアシストガスＧの圧力及び流量について種々変更した条件で行い、これらの設定値と、試験結果として得られた離隔距離ｘを基に設定されるスタンドオフの値が関連付けられたデータが、データベース２３に蓄積されている。

本発明者等は、実験により、数ｍの水深であってもレーザトーチ２と切断対象物Ｗとの間に１０ｍｍ以上のスタンドオフを確保した状態で、水中レーザ切断作業が実施可能であることを確認している。

以上の構成としてある水中レーザ切断装置１を用いて水中に配置されている切断対象物Ｗの水中レーザ切断の作業を行う場合は、先ず、制御装置７に、図１に示した切断対象物Ｗが配置されている水深と、切断対象物Ｗとレーザトーチ２とのスタンドオフとしての所望される値を入力する。

これにより、制御装置７では、データベース２３より、水深及びスタンドオフの条件を基に、アシストガス供給手段５よりレーザトーチ２に供給するアシストガスＧに必要とされる圧力と流量の設定値を呼び出して、アシストガス供給手段５の圧力制御部１５と流量制御部１６に指令を与える。

なお、データベース２３に入力される水深とスタンドオフの条件に一致したデータが蓄積されてない場合は、制御装置７は、より大きな水深、あるいは、より大きなスタンドオフの条件に基づく圧力と流量の設定値を呼び出して、アシストガス供給手段５の圧力制御部１５と流量制御部１６に指令を与える。

これにより、アシストガス供給手段５からは、制御装置７の指令に基づいた圧力と流量でレーザトーチ２へのアシストガスＧの供給が行われる。

次いで、レーザトーチ２は、水中の切断対象物Ｗに対して前記所定のスタンドオフで配置する。

この状態で、レーザ発振器３では、切断用レーザＬ１をレーザトーチ２へ出力する。

これにより、レーザトーチ２からは切断対象物Ｗに向けて切断用レーザＬ１が出射されるため、レーザトーチ２を切断対象物Ｗの表面に沿って移動させることで、切断対象物Ｗの水中レーザ切断作業が行われる。

なお、レーザトーチ２を切断対象物Ｗに対して所定のスタンドオフで配置する操作や、レーザトーチ２を移動させる操作は、水中作業者が行ってもよく、あるいは、図示しないロボットにより行わせるようにしてもよい。

このように、本実施形態の水中レーザ切断装置１によれば、水中の切断対象物Ｗに対し予め設定されたスタンドオフを保持した状態で、切断対象物Ｗの水中レーザ切断作業を実施することができる。このため、レーザトーチ２は切断対象物Ｗの表面に倣って移動させる必要がないため、切断対象物Ｗが表面に凹凸を有するものであっても、その切断処理を実施することができる。

更に、水中レーザ切断を行う場合は、レーザトーチ２の周囲には、水が存在しているため、レーザトーチ２の冷却が行われ、又、ヒュームやスパッタがレーザトーチ２に付着することが抑制されるので、レーザトーチ２の消耗を抑えることができる。

又、レーザトーチ２を切断対象物Ｗの表面に倣って移動させる必要がなくなるので、ロボット等を用いた遠隔操作による切断対象物Ｗの水中レーザ切断を実施することが容易になる。

なお、前記データベース２３は、切断条件として、水中レーザ切断作業を行う水深、ノズル８の口径、アシストガス供給手段５からレーザトーチ２に供給されるアシストガスＧの圧力及び流量を、スタンドオフと関連付けたデータが蓄積されるものとして説明したが、更に、切断用レーザＬ１の出力（ｋＷ）、切断速度、レーザスポット径等の制御パラメータ、及び、レーザトーチの角度姿勢、切断対象板厚等の環境パラメータも予め蓄積しておき、制御装置７では、切断対象物Ｗの水中レーザ切断作業を実施するときに、これらの条件も呼び出すようにしてもよい。

又、本発明は、前記実施形態にのみ限定されるものではなく、有効レンジ計測用レーザＬ２は、撮像装置で撮影可能な波長であれば、任意の波長のレーザでよく、必ずしも可視光レーザでなくてもよい。

有効レンジ計測用レーザＬ２は、ガイドレーザを兼ねることが望ましいが、発振部１２はガイドレーザの発振部とは別であってもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 水中レーザ切断装置、２ レーザトーチ、３ レーザ発振器、４ 光ファイバ、５ アシストガス供給手段、７ 制御装置、８ ノズル、２３ データベース、Ｌ１ 切断用レーザ、Ｌ２ 有効レンジ計測用レーザ、Ｇ アシストガス、Ｗ 切断対象物

Claims (2)

1. レーザトーチにてノズルから有効レンジ計測用レーザの出射とアシストガスの噴射とを行って前記ノズルから有効レンジ計測用レーザの散乱光が生じる領域までの離隔距離を検出する試験の結果を基に、水中レーザ切断作業を行う水深、前記ノズルの口径、アシストガス供給手段から前記レーザトーチに供給される前記アシストガスの圧力及び流量と、前記離隔距離を基に設定されるスタンドオフの値とが関連付けられたデータをデータベースに蓄積し、
   切断対象物の水中レーザ切断を行うときには、切断対象物が配置されている水深と、切断対象物とレーザトーチとのスタンドオフと、前記ノズルの口径の条件を基に、前記データベースより、前記レーザトーチに供給する前記アシストガスの圧力と流量の設定値を呼び出して、
   該設定値に基づいた圧力と流量でレーザトーチへのアシストガスの供給を行わせること
   を特徴とする水中レーザ切断方法。
2. ノズルよりレーザの出射とアシストガスの噴射を行うレーザトーチと、
   切断用レーザと有効レンジ計測用レーザを発振するレーザ発振器と、
   前記レーザトーチと前記レーザ発振器とを接続する光ファイバと、
   前記レーザトーチに前記アシストガスを供給するアシストガス供給手段と、
   データベースに蓄積されたデータを基に、前記アシストガス供給手段へ前記アシストガスの圧力と流量の指令を与える制御装置とを備え、
   前記データベースは、
   水中レーザ切断作業を行う水深、前記ノズルの口径、前記アシストガス供給手段から前記レーザトーチに供給される前記アシストガスの圧力及び流量と、
   前記レーザトーチにて前記有効レンジ計測用レーザの出射と前記アシストガスの噴射とを行うときに前記ノズルから前記有効レンジ計測用レーザの散乱光が生じる領域までの離隔距離を基に設定されるスタンドオフの値とが関連付けられたデータとが蓄積されるものとしたこと
   を特徴とする水中レーザ切断装置。