JP6549007B2 - レーザ照射装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、レーザ光を光ファイバにより伝送して加工対象の表面に照射するレーザ照射装置に関し、特に、レーザピーニングに用いられるレーザ照射装置に関する。

原子力プラント等においては、金属製の部材の表面、例えば、溶接部の表面に、当該部材を構成する材料の残留応力（引張応力）に起因して、いわゆる応力腐食割れ（stress corrosion cracking）が生じることがある。このような応力腐食割れを防止するために、レーザ光を加工対象の表面に断続的に（パルス状に）照射することにより、加工対象の表面近傍の残留応力を引張応力から圧縮応力に変えるレーザ加工方法、いわゆるレーザピーニングが提案されている。

レーザピーニングは、パルス状のレーザ光を集光して加工対象の表面に照射すると、加工対象の表面がレーザ光のエネルギを吸収してプラズマ化する。プラズマの内部圧力は、数ギガパスカル（ＧＰａ）に達するため、当該プラズマは、加工対象の表面に衝撃を与える。プラズマが発生した際の衝撃波が、加工対象の表面から内部に伝播して塑性変形を生じさせることにより、加工対象の表面側の残留応力を圧縮応力に変えることができる。レーザピーニングの効果は、例えば、加工対象の表面から１ｍｍ程度内側に及ぶ。

レーザピーニングにおいては、プラズマが発生した際の衝撃波を、加工対象の表面から内側に向けて伝播させるため、一般的に、加工対象の表面を透明な液体（例えば、水）に覆った状態でレーザ光を照射する。

特開２００４−２５８３８７号公報

ところで、加工対象の表面の近傍に別の部材がある場合、レーザ発振器からのレーザ光は、一般的に、光ファイバにより加工対象の表面の近傍に伝送される。そして、レーザ光は、光ファイバの先端に設けられた凸レンズにより集光されて、当該表面に照射される。このため、加工対象の表面に対して、凸レンズを所定の正確な位置に位置決めする必要がある。加工対象の表面に対する凸レンズの位置が所定の位置からずれると、レーザ照射により生じる衝撃波により凸レンズや光ファイバの先端部が損傷する虞がある。また、レーザ光が十分に集光されていない状態で、当該表面に照射されてしまい所望の衝撃波を発生できない虞もある。

本発明の実施形態は、上記事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバの先端部にある凸レンズを、加工対象の表面に対して所定の位置に位置決めすることが可能なレーザ照射装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態のレーザ照射装置は、レーザ光を伝送する光ファイバと、当該光ファイバの外側を囲っており、且つ当該光ファイバと結合されているガイドと、前記光ファイバのうち先端部に設けられており、当該光ファイバにより伝送されたレーザ光を、加工対象の表面である対象面に向けて集光する凸レンズと、当該ガイドのうち加工対象側の端部に結合されており、前記対象面と接して、当該対象面と前記凸レンズとの距離が所定の距離となるよう位置決めする位置決め機構と、を備えるレーザ照射装置であって、前記凸レンズのうち当該光ファイバからのレーザ光が入射する入射面は、前記光ファイバの端面と接合されており、当該入射面及び当該端面は、当該凸レンズから射出されるレーザ光が前記対象面に向かうよう、前記光ファイバの前記先端部の光軸と直交する平面に対して前記対象面側に傾斜していることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、光ファイバの先端部にある凸レンズを、加工対象の表面に対して所定の位置に位置決めすることができる。

第１の実施形態のレーザ照射装置の概略と、加工対象の周辺構成を説明する断面立面図である。 第１の実施形態のレーザ照射装置のうち、光ファイバの先端部及び凸レンズの周辺構成を示す縦断面図であり、図１の破線Ｃで囲う領域の拡大断面図である。 第１の実施形態のレーザ照射装置のうち、光ファイバの先端部及び凸レンズの周辺構成を示す横断面図である。 第２の実施形態のレーザ照射装置のうち、光ファイバの先端部及び凸レンズの周辺構成を示す縦断面図であり、図１の破線Ｃで囲う領域の拡大断面図である。 第３の実施形態のレーザ照射装置のうち、光ファイバの先端部及び凸レンズの周辺構成を示す縦断面図であり、図１の破線Ｃで囲う領域の拡大断面図である。 第４の実施形態のレーザ照射装置のうちガイドに設けられた検出器と、その周辺構成を示す部分断面図である。 第４の実施形態のレーザ照射装置において、複数の検出器による光ファイバ及びガイドの傾斜を検出する手法を説明する説明図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

〔第１の実施形態〕
第１の実施形態のレーザ照射装置について図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態のレーザ照射装置の概略と、加工対象の周辺構成を説明する断面立面図である。図２は、本実施形態のレーザ照射装置のうち、光ファイバの先端部及び凸レンズの周辺構成を示す縦断面図であり、図１の破線Ｃで囲う領域の拡大断面図である。図３は、本実施形態のレーザ照射装置のうち、光ファイバの先端部及び凸レンズの周辺構成を示す横断面図である。

図１に示すように、本実施形態のレーザ照射装置１０の加工対象は、加圧水炉（ＰＷＲ）の上蓋３に設けられたノズル５である。ノズル５は、ステンレス鋼等の金属材料で構成されている。ノズル５は、略筒状をなしており、その内側には、サーマルスリーブ７が配置されている。

サーマルスリーブ７は、略筒状をなしており、ノズル５と同軸に設けられている。サーマルスリーブ７は、原子炉の反応度を制御する制御棒（図示せず）が、内側に通るよう構成されている。サーマルスリーブ７は、上蓋３のノズル５への熱影響を緩和する。

本実施形態において、レーザ照射装置１０がレーザ光を照射する面、すなわち加工対象の表面（以下、対象面と記す）は、ノズル５の内壁６（図２参照）である。図２に示すように、当該内壁６は、サーマルスリーブ７の外壁８と対向している。なお、加工対象の表面である対象面と、対向している面を、以下に「対向面」と記す。

本実施形態において、レーザ光が照射される対象面は、ノズル５の内壁６であり、これに対向する対向面は、サーマルスリーブ７の外壁８である。内壁６と外壁８との間隔は、本実施形態において、約３ｍｍである。レーザ照射装置１０は、対象面である内壁６の所定領域にレーザ光を照射するために、レーザ発振器（図示せず）からのレーザ光を加工対象に向けて伝送する光ファイバ２０を有している。

また、レーザ照射装置１０は、光ファイバ２０を保護するために、当該光ファイバの外側を囲い、且つ光ファイバに結合されている部材（以下、ガイドと記す）４０を有している。光ファイバ２０及びガイド４０は、加工対象（ノズル５）の対象面（内壁６）と、対向面（外壁８）との間にある筒状の空間に挿入されて、当該空間内を一体に移動する。

本実施形態において、ガイド４０は、略筒状をなしており、光ファイバ２０を覆う外皮として構成されている。ガイド４０は、光ファイバ２０に比べて曲がりにくい材料、例えば、光ファイバ２０に比べて体積弾性係数（bulk modulus）が大きい材料で構成されている。光ファイバ２０は、当該ガイド４０により保持されることにより、極端に曲がったり、折れたりすることが抑制される。

また、レーザ照射装置１０は、ガイド４０を駆動する装置（以下、単に「駆動装置」と記す）９０を有している。駆動装置９０がガイド４０を駆動することにより、光ファイバ２０は、ガイド４０と一体に移動する。駆動装置９０は、光ファイバ２０の先端部２１が、図２に示すように、内壁（対象面）６と外壁（対向面）８との間に位置するよう、ガイド４０を駆動する。当該先端部２１においては、光ファイバ２０の外周面２２は、外部に露出している。

なお、光ファイバ２０及びガイド４０が延びている方向、すなわち光ファイバ２０内を伝送されるレーザ光の光軸の方向を、以下に「軸方向」と記す。また、軸方向のうち、光ファイバ２０が送り込まれる側を「軸方向送り側」と記して、図に矢印Ａ１で示し、軸方向のうち送り側とは反対側を「軸方向戻し側」と記して、図に矢印Ａ２で示す。

本実施形態において、ノズル５の内壁６及びサーマルスリーブ７の外壁８は、それぞれ鉛直方向に延びており、ガイド４０及び光ファイバ２０は、鉛直上側に送り込まれる。すなわち、軸方向送り側が、鉛直上側とほぼ一致している。

レーザ照射装置１０は、光ファイバ２０により伝送されたレーザ光を、対象面に向けて集光する凸レンズ３０を有している。凸レンズ３０は、光ファイバ２０のうち加工対象側の先端部２１に設けられている。凸レンズ３０は、光ファイバ２０からのレーザ光を内壁６に向けて集光する。すなわち、凸レンズ３０は、光ファイバ２０により伝送される平行光線束を、図２に破線Ｂで示すように、内壁６に向かうに従って収束する収束光線束にする。

凸レンズ３０のうち光ファイバ２０からのレーザ光が入射する入射面３４は、光ファイバ２０の先端部２１の端面２４と接合されている。入射面３４及び端面２４は、凸レンズ３０から射出されるレーザ光が対象面である内壁６に向かうよう、光ファイバ２０の光軸と直交する平面（図２に二点鎖線Ｅで示す）に対して、内壁（対象面）６側に角度θ１を付けて傾斜している。

また、レーザ照射装置１０は、対象面である内壁６に対する凸レンズ３０の相対位置を、位置決めするための機構（以下、位置決め機構と記す）５０を有している。位置決め機構５０は、図２及び図３に示すように、ガイド４０のうち少なくとも加工対象側の端部４１に結合されており、ガイド４０と一体に移動する。位置決め機構５０は、対象面である内壁６と、対向面である外壁８との双方に接するよう、その寸法等が構成されている。

本実施形態において、位置決め機構５０は、図３に示すように、光ファイバ２０及びガイド４０を中央に挟んで、内壁６及び外壁８に沿う方向すなわちノズル５及びサーマルスリーブ７の周方向（図に矢印Ｃで示す）の両側に設けられている。

これにより、位置決め機構５０は、対象面である内壁６と凸レンズ３０（図２参照）との距離が、所定の距離（図に寸法Ｄで示す）となるよう、光ファイバ２０（光軸を図に点Ａで示す）及びこれに結合された凸レンズ３０（図２参照）を位置決めする。換言すれば、位置決め機構５０は、対象面（内壁６）に対する凸レンズ３０の相対位置が、当該内壁６に対して所定の距離をあけた位置となるよう位置決めしている。

以上のように構成されたレーザ照射装置１０は、図２に示すように、凸レンズ３０から対象面（内壁６）に向けて射出されるレーザ光の光路（図に破線Ｂで示す）および内壁６のうちレーザ光が照射される照射領域６ａの近傍は、透明な液体（例えば、水）で満たされている。この状態で、レーザ照射装置１０は、凸レンズ３０から断続的に（パルス状に）レーザ光を照射してレーザピーニングを行う。

対象面である内壁６の照射領域６ａがレーザ光のエネルギを吸収してプラズマ化し、当該照射領域６ａに衝撃を与える。これにより、加工対象であるノズル５のうち、照射領域６ａの近傍の残留応力を引張り応力から圧縮応力に変える。

そして、図１に示す駆動装置９０がガイド４０を駆動し、凸レンズ３０の位置を変えることにより、レーザ光の照射領域６ａを変える。そして、新たな照射領域６ａにパルス状のレーザ光を照射してレーザピーニングを行う。なお、レーザピーニングを行いながら、照射領域６ａの変更を行うものとしても良い。このようにして、加工対象であるノズル５の内壁６の所定の部分に、レーザピーニングを施すことができる。

〔第２の実施形態〕
第２の実施形態のレーザ照射装置の構成について、図１及び図４を用いて説明する。図４は、本実施形態のレーザ照射装置のうち、光ファイバの先端部及び凸レンズの周辺構成を示す縦断面図であり、図１の破線Ｃで囲う領域の拡大断面図である。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態のレーザ照射装置は、レーザ光の照射領域６ａの近傍、及び凸レンズ３０から射出されるレーザ光の光路に向けて透明な液体（水）を噴出する機構（以下、液体噴出機構と記す）６０を有している。液体噴出機構６０は、上述したガイド４０と結合されており、当該ガイド４０、光ファイバ２０及び凸レンズ３０と一体に移動する。

液体噴出機構６０は、光ファイバ２０及びガイド４０に沿って軸方向に延びている管（以下、軸方向延伸管と記す）６２と、噴出口６６から液体を噴出する管（以下、噴出管と記す）６４とを有している。また、液体噴出機構６０は、軸方向延伸管６２と噴出管６４とを接続する管（以下、接続管と記す）６３を有している。

噴出管６４は、凸レンズ３０より軸方向送り側（図に矢印Ａ１で示す）に配置されている。本実施形態において、噴出管６４は、接続管６３から噴出口６６に向かうに従って内壁６（対象面）側に位置するように延びている。噴出口６６は、軸方向戻し側に対して所定の鋭角を付けて対象面側に傾斜した方向を向いている。

軸方向延伸管６２は、図示しない液体供給源から透明な液体の供給を受けて、当該液体を軸方向送り側に導く。軸方向延伸管６２の軸方向送り側の端部は、接続管６３を介して噴出管６４と接続されている。軸方向延伸管６２内を軸方向送り側に流れた液体は、接続管６３において向きを変えて、噴出管６４に流入する。噴出管６４は、軸方向延伸管６２から供給された透明な液体を噴出口６６から照射領域６ａに向けて噴出する。

本実施形態のレーザ照射装置によれば、加工対象の表面である対象面が、気中に露出している場合であっても、当該対象面のうちレーザ光が照射される照射領域に透明な液体を供給することができる。これにより、加工対象のうち照射領域の近傍に対して良好に衝撃波を与えて、当該照射領域近傍の残留応力を、引張応力から圧縮応力に変えることができる。

〔第３の実施形態〕
第３の実施形態のレーザ照射装置の構成について、図１及び図５を用いて説明する。図５は、本実施形態のレーザ照射装置のうち、光ファイバの先端部及び凸レンズの周辺構成を示す縦断面図であり、図１の破線Ｃで囲う領域の拡大断面図である。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態のレーザ照射装置において、光ファイバと結合されているガイド７０は、内部に透明な液体が流れる液体通路７７を有している。ガイド７０は、当該液体通路７７を軸方向送り側に流れた液体を、対象面である内壁６のうちレーザ光の照射領域６ａに導くよう構成されている。

ガイド７０は、光ファイバ２０の軸方向に軸心が延びる略筒状をなしており、当該光ファイバ２０の外側を囲っている部分（以下、筒状部と記す）７２を有している。本実施形態において、液体通路７７は、当該筒状部７２と光ファイバ２０との間に形成されている。凸レンズ３０は、筒状部７２の内側に配置されている。

加えて、ガイド７０は、液体通路７７からの液体の流れを内壁（対象面）６に向かうように偏向させる部分（以下、偏向部と記す）７４を有している。偏向部７４は、筒状部７２及び凸レンズ３０より軸方向送り側に設けられている。本実施形態において、偏向部７４は、図５に示すように、筒状部７２の軸心を含む縦断面において軸方向送り側に向かうに従って内壁（対象面）６側に位置するように延びている。偏向部７４は、液体通路７７を軸方向送り側に流れる液体の流れを、内壁６の照射領域６ａに向かう流れに偏向させる。

本実施形態のレーザ照射装置によれば、対象面が気中に露出している場合であっても、ガイド７０の内側にある液体通路７７を通して照射領域６ａに向けて透明な液体を供給して、凸レンズ３０から照射領域６ａに至る光路を、より確実に透明な液体で覆うことができる。

〔第４の実施形態〕
第４の実施形態のレーザ照射装置について図１、図６及び図７を用いて説明する。図６は、本実施形態のレーザ照射装置のうちガイドに設けられた検出器と、その周辺構成を示す部分断面図である。なお、図６において、理解を容易にするために、ガイドについてのみ断面を示している。
図７は、複数の検出器による光ファイバ及びガイドの傾斜を検出する手法を説明する説明図である。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態のレーザ照射装置において、ガイド４０には、当該ガイド４０の移動量を検出するための検出器８０が複数設けられている。各検出器８０は、球状をなしており、ガイド４０のうち少なくとも凸レンズ３０の近傍に配置されている。本実施形態において、検出器８０は、軸方向に所定の間隔をあけて複数配列されている。

本実施形態において、検出器８０は、それぞれ、球状をなしており、ガイド４０に対して回転可能に構成されている。検出器８０は、その一部が、ガイド４０の外周面４４から径方向外側に突出しており、対象面又は対向面と接することが可能に構成されている。

本実施形態の検出器８０は、対象面である内壁６と接することにより、当該内壁６と前記凸レンズ３０との距離が、所定の距離となるよう位置決めする位置決め機構としても機能する。なお、検出器８０とは別に、第１の実施形態と同様の位置決め機構５０（図２参照）を有し、当該位置決め機構５０が、内壁６と外壁８の双方に接するよう構成することも好適である。

図１に示すように、本実施形態のガイド４０は、光ファイバ２０と共にノズル５の内壁（対象面）６と、サーマルスリーブ７の外壁（対向面）８との間に挿入され、駆動装置９０により駆動される。より詳細には、図６に示すようにガイド４０の外周面４４には、ガイド４０を挟み込み、これを軸方向に駆動するための部材９５が接する。部材９５は、図１に示す駆動装置９０を構成している。

図１に示すように、ガイド４０が内壁（対象面）６と外壁（対向面）８との間に挿入されると、ガイド４０に配列された複数の検出器８０のうち、少なくとも凸レンズ３０側にあるものは、内壁６又は外壁８のうち一方に接する。ガイド４０が駆動装置９０により駆動されると、内壁６又は外壁８に接している検出器８０が回転する。

本実施形態において、各検出器８０は、それぞれ自らの回転量（回転角）を検出する機能を有しており、いわゆるトラックボールとして構成されている。レーザ照射装置１０は、各検出器８０の回転量に基いてガイド４０の移動量を算出し、且つ移動量に基いて光ファイバ２０の先端にある凸レンズ３０の位置を算出する機能（図示せず）を有している。なお、レーザ照射装置１０は、複数の検出器８０の回転量に基いて光ファイバ２０及びガイド４０の傾きを算出することも可能である。

図７に矢印Ｎで示す方向に、光ファイバ２０及びガイド４０がノズル５（図１参照）の内側に挿入された場合、まず、凸レンズ３０側の検出器８０Ａが回転して、検出器８０Ａの矢印Ｎで示す方向（ノズル５の軸方向）における位置（図７に破線Ｘａで示す）が算出される。さらに矢印Ｎで示す方向に挿入されると、当該検出器８０Ａと光ファイバ２０の軸方向に隣り合う検出器８０Ｂが、ノズル５の内側に挿入されて回転し、当該検出器８０Ｂの位置（図に破線Ｏで示す）が算出される。

これにより、矢印Ｎで示す方向における検出器８０Ａと検出器８０Ｂとの距離Ｘ（図に寸法Ｘで示す）を求めることができる。検出器８０Ｂと検出器８０Ａの距離をＬとすると、光ファイバ２０及びガイド４０の傾きθ２は、以下の式（１）で求めることができる。
θ２＝arccos（Ｘ／Ｌ） ・・・（１）

このようにして、本実施形態のレーザ照射装置１０は、凸レンズ３０の位置だけでなく、光ファイバ２０の傾きも求めることが可能である。

〔他の実施形態〕
上述した各実施形態において、レーザ照射装置は、加工対象の対象面のうち少なくとも照射領域を透明な液体で覆った状態で、当該照射領域にレーザ光を照射することによりレーザピーニングを行うものとしたが、本発明に係るレーザ加工の態様は、これに限定されるものではない。例えば、対象面の照射領域が気体で覆われた状態でレーザ光を照射するものとしても良い。

本発明のいくつかの実施形態について説明したが、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。

３ 上蓋、５ ノズル（加工対象）、６ 内壁（対象面）、６ａ 照射領域、７ サーマルスリーブ、８ 外壁（対向面）、１０ レーザ照射装置、２０ 光ファイバ、２１ 先端部、２２ 外周面、２４ 端面、３０ 凸レンズ、３４ 入射面、４０ ガイド、４１ 端部、４４ 外周面、５０ 位置決め機構、６０ 液体噴出機構、６２ 軸方向延伸管、６３ 接続管、６４ 噴出管、６６ 噴出口、７０ ガイド、７２ 筒状部、７４ 偏向部、７７ 液体通路、８０ 検出器、８０Ａ 検出器、８０Ｂ 検出器、９０ 駆動装置、９５ 部材

Claims (6)

1. レーザ光を伝送する光ファイバと、
   当該光ファイバの外側を囲っており、且つ当該光ファイバと結合されているガイドと、
   前記光ファイバのうち先端部に設けられており、当該光ファイバにより伝送されたレーザ光を、加工対象の表面である対象面に向けて集光する凸レンズと、
   当該ガイドのうち加工対象側の端部に結合されており、前記対象面と接して、当該対象面と前記凸レンズとの距離が所定の距離となるよう位置決めする位置決め機構と、
   を備えるレーザ照射装置であって、
   前記凸レンズのうち当該光ファイバからのレーザ光が入射する入射面は、前記光ファイバの端面と接合されており、
   当該入射面及び当該端面は、当該凸レンズから射出されるレーザ光が前記対象面に向かうよう、前記光ファイバの前記先端部の光軸と直交する平面に対して前記対象面側に傾斜している
   ことを特徴とするレーザ照射装置。
2. 前記対象面のうちレーザ光が照射される照射領域に向けて液体を噴出する液体噴出機構を、
   さらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
3. 前記液体噴出機構は、
   前記ガイドに沿って延びており、且つ前記凸レンズよりも軸方向送り側に延びており、前記液体の供給を受ける軸方向延伸管と、
   当該軸方向延伸管より前記対象面側に延びており、噴出口から透明な液体を噴出する噴出管と、を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ照射装置。
4. 前記ガイドは、内側に液体が流れる液体通路を有し、当該液体通路を軸方向送り側に流れる前記液体を、前記対象面のうちレーザ光が照射される照射領域に導くよう構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
5. 前記ガイドは、
   前記光ファイバの軸方向に軸心が延びる略筒状をなしており、前記光ファイバの外側を囲っている筒状部と、
   当該筒状部及び前記凸レンズより軸方向送り側に設けられており、前記液体通路からの前記液体の流動方向を、前記対象面に向かう方向に偏向させる偏向部と、を有する
   ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ照射装置。
6. 前記ガイドには、移動量を検出可能な検出器が設けられており、
   当該検出器により検出された当該ガイドの移動量に基いて、前記対象面のうちレーザ光が照射される照射領域の位置を算出する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のレーザ照射装置。

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