JP6927470B2 - 切断装置及び切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、切断装置及び切断方法に関する。

近年、様々なレーザ加工技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特表２０１１−５２４２５９号公報

施設の解体現場では、切断対象物の切断や破砕といった様々な解体手法が用いられる。切断対象物を切断する手法にも様々あり、例えば、回転刃で切断する手法、対向する一対の切断刃で挟んで切断する手法、火炎あるいはレーザ光で焼き切る手法がある。

ところで、切断対象物をレーザ光で切断する場合、切断対象物を貫通したレーザ光が予期せぬ箇所に照射されるのを防ぐため、切断対象の切断対象物の背面にレーザ光を吸収するビームダンパが設置される。しかし、例えば、配管やタンクの外周面のような曲面にレーザ光を照射して周方向に切断する場合、ビームダンパを設置すべき箇所を特定するのが難しい。また、例えば、切断対象の切断対象物が狭隘な場所に設置されている場合、当該切断対象物の背面にビームダンパを設置するのが容易でない。

そこで、本願は、ビームダンパを用いることなく切断対象物をレーザ光で切断可能な切断装置および切断方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明では、中空の物体を切断対象物とし、レーザ光を出射するレーザ切断ヘッドを切断対象物の外側で周回させる。その際、切断対象物の外側を周回するレーザ切断ヘッドが形成する仮想の軌道面に対し、レーザ光の光軸を傾けた状態にすることにした。

詳細には、本発明は、中空の切断対象物をレーザ光で切断する切断装置であって、レーザ光を出射するレーザ切断ヘッドと、レーザ切断ヘッドを切断対象物の外側で周回させるハンドリング装置と、を備え、ハンドリング装置は、切断対象物の外側を周回するレーザ切断ヘッドが形成する仮想の軌道面に対し、レーザ光の光軸を傾けた状態でレーザ切断ヘッドを周回させる切断装置である。

なお、ここでいう軌道面とは、切断対象物の外側を周回するレーザ切断ヘッドが描く仮想の軌跡が含まれる平面であり、例えば、切断対象物が直管でレーザ切断ヘッドが当該直管の中心線を軸に周回する場合は当該直管の中心軸に直交する面が当該軌道面に該当する。

このような切断装置であれば、切断対象物の外側を周回するレーザ切断ヘッドが形成する仮想の軌道面に対し、レーザ光の光軸が傾いているため、レーザ切断ヘッドが切断対象物の周囲を半分以上周回しても、切断対象物の外面に形成された貫通孔からレーザ光が漏れ出さない。すなわち、中空の切断対象物の中に入ったレーザ光が切断対象物の中に留ま
る。このため、切断対象物の内面がビームダンパとして実質的に機能し、ビームダンパの省略が可能となる。

なお、ハンドリング装置は、レーザ光のビームウェストを切断対象物の外面に位置合わせした状態を保ちながらレーザ切断ヘッドを周回させるものであってもよい。上記切断装置がこのようなハンドリング装置を備えていれば、切断対象物の内面に投射されるレーザ光のエネルギー密度が下がるため、切断対象物の内面がビームダンパとしての機能を維持することができる。

また、ハンドリング装置は、軌道面に対する光軸の傾き角を、レーザ光の広がり角よりも大きくなるように光軸を傾けた状態でレーザ切断ヘッドを周回させるものであってもよい。上記切断装置がこのようなハンドリング装置を備えていれば、レーザ切断ヘッドが切断対象物を半周以上周回しても、切断対象物を貫通して切断対象物の内部を通過したレーザ光が反対側の貫通孔から漏れ出ない。

また、ハンドリング装置は、先端にレーザ切断ヘッドを設けたロボットアームを有するものであってもよい。上記切断装置がこのようなハンドリング装置を備えていれば、様々な形態の切断対象物に対応自在である。

また、本発明は、方法の側面から捉えることもできる。例えば、本発明は、中空の切断対象物をレーザ光で切断する切断方法であって、レーザ光を出射するレーザ切断ヘッドを、切断対象物の外側で周回させる工程を有し、レーザ切断ヘッドを切断対象物の外側で周回させる工程においては、切断対象物の外側を周回するレーザ切断ヘッドが形成する仮想の軌道面に対し、レーザ光の光軸を傾けた状態でレーザ切断ヘッドを周回させる切断方法であってもよい。

上記の切断装置および切断方法であれば、ビームダンパを用いることなく切断対象物をレーザ光で切断可能である。

図１は、実施形態に係る切断装置を示した図である。 図２は、制御装置の構成図である。 図３は、切断装置において実現される動作内容を示したフローチャートである。 図４は、切断装置が切断対象物を切断中に多関節ロボットで保持する切断対象物に対するレーザ切断ヘッドの相対的な姿勢の一例を示した図である。 図５は、切断対象物の外周面に位置合わせされるビームウェストと切断対象物Ｗの内周面に投射されるビームスポットとの大小関係を示した図である。 図６は、レーザ光のビーム伝搬特性を示した図である。 図７は、レーザ光による平板の切断の可否がスタンドオフや切断速度に依存することを示したグラフである。 図８は、切断装置が切断対象物を切断する際のレーザ切断ヘッドの動きを示した図である。

以下、本願発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本願発明の一態様であり、本願発明の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る切断装置を示した図である。切断装置１は、切断対象物Ｗをレ
ーザ光で切断する装置であり、図１に示すように、多関節ロボット２、レーザ切断ヘッド３、レーザ発振器４、制御装置５、発信器用チラー６、切断ヘッド用チラー７、アシストガス容器８を備える。多関節ロボット２は、ロボットアーム２１と制御盤２２を有する。レーザ切断ヘッド３は、ロボットアーム２１の先端に設けられており、レーザ発振器４から光ファイバを通じて送られるレーザ光Ｌを切断対象物Ｗに照射する。ロボットアーム２１は、制御装置５の指令に従い、制御盤２２から供給される電力で作動し、レーザ切断ヘッド３を適宜動かす。発信器用チラー６は、レーザ発振器４を冷却する。切断ヘッド用チラー７は、レーザ切断ヘッド３を冷却する。アシストガス容器８は、レーザ切断ヘッド３にアシストガスを供給する。制御装置５は、ロボットアーム２１の動作を制御する他にレーザ発振器４を制御し、レーザ切断ヘッド３から出射されるレーザ光Ｌの照射状態やレーザ切断ヘッド３から噴射されるアシストガスの噴射状態を制御する。

レーザ発振器４としては、例えば、波長１０７０ｎｍのレーザ光を発光するファイバレーザ発振器が好適であるが、ファイバレーザ発振器以外の固体レーザ発振器や炭酸ガスレーザ発振器等の各種レーザ発振器も適用可能である。レーザ発振器４から出射されたレーザ光は、光ファイバを介してレーザ切断ヘッド３へ送られ、レーザ切断ヘッド３の出射口より外部に向けて出射される。

切断対象物Ｗの切断は、切断対象物Ｗの外周面の予定切断箇所にレーザ切断ヘッド３から出射されたレーザ光Ｌを照射して、レーザ光Ｌの照射部を局部的に溶解し、溶解部に生成されたドロスをレーザ切断ヘッド３から噴射されるアシストガスによって吹き飛ばすことにより行われる。従って、レーザ切断ヘッド３に設けられるアシストガスの噴射口は、レーザ光Ｌが照射されている照射部に、ドロスを除去するに十分な圧力及び風量のアシストガスが噴射されるように設計される。

多関節ロボット２は、切断対象物Ｗに対するレーザ切断ヘッド３の位置及び姿勢、切断対象物Ｗに対するレーザ光Ｌの照射方向（回転方向）を自在に変更するもので、多関節のリンクと各リンクを駆動するモータ等のアクチュエータとを有する。多関節ロボット２は、例えば、図１に示すように、切断対象物Ｗの付近にレーザ切断ヘッド３を配置し、切断対象物Ｗの外周面の予定切断箇所にレーザ光Ｌのビームウェストを位置合わせした状態を保ちながら、レーザ切断ヘッド３を切断対象物Ｗの外側で３６０度周回させることができる。

図２は、制御装置５の構成図である。制御装置５は、いわゆるＰＣ（Personal Computer）であり、図２に示すように、入力部５１、ＲＡＭ５２、ＲＯＭ５３、ＣＰＵ５４、Ｈ
ＤＤ５５、出力部５６を有する。入力部５１には、多関節ロボット２から提供される各アクチュエータの角度等の制御情報、レーザ発振器４から提供されるレーザ光Ｌの発光状態に関する情報、オペレータが操作するキーボードからの情報等が入力される。ＲＡＭ５２には、ＣＰＵ５４がＲＯＭ５３やＨＤＤ５５にアクセスして読み込んだコンピュータプログラムや、ＣＰＵ５４がコンピュータプログラムの実行中に生成する各種演算データが一時的に格納される。ＲＯＭ５３とＨＤＤ５５には多関節ロボット２の制御やその他の諸機能を担う各種のコンピュータプログラムが格納されている。出力部５６は、ＣＰＵ５４によって制御量が算出された多関節ロボット２の制御信号を出力する。

ＣＰＵ５４が参照するＨＤＤ５５のデータには、ロボットアーム２１の各リンク長、レーザ切断ヘッド３の形状、レーザ切断ヘッド３のレンズの状態によって定まるスタンドオフ量、切断対象物Ｗの外周面に設定されている予定切断箇所の座標、レーザ切断ヘッド３の移動速度、切断対象物Ｗに対するレーザ切断ヘッド３の傾斜角の設定値、その他の各種情報が含まれる。

図３は、切断装置１において実現される動作内容を示したフローチャートである。切断装置１では、制御装置５がコンピュータプログラムを実行することにより、次のような動作内容が実現される。すなわち、切断装置１は、ロボットアーム２１の各アクチュエータを作動させてレーザ切断ヘッド３を適当な箇所に位置合わせする（Ｓ１０１）。次に、切断装置１は、レーザ切断ヘッド３からのアシストガスの噴射を開始する（Ｓ１０２）。次に、切断装置１は、レーザ切断ヘッド３からレーザ光Ｌが規定の出力で出射されるようにレーザ発振器４を作動させる（Ｓ１０３）。次に、切断装置１は、レーザ切断ヘッド３からのレーザ光Ｌの出射を開始し、切断対象物Ｗへのレーザ光Ｌの照射を開始する（Ｓ１０４）。そして、切断装置１は、ロボットアーム２１の各アクチュエータを作動させ、レーザ切断ヘッド３を切断対象物Ｗの外周面に沿って周回させる（Ｓ１０５）。切断装置１は、レーザ切断ヘッド３が切断対象物Ｗの周囲を一回りして切断対象物Ｗの切断が完了した時点で、レーザ切断ヘッド３からのレーザ光Ｌの出射を停止する（Ｓ１０６）。そして、切断装置１は、レーザ切断ヘッド３から噴射されるアシストガスの噴射を停止する（Ｓ１０７）。

ところで、本実施形態においては、切断対象物Ｗのような中空の切断対象物を、ビームダンパを用いることなく切断可能とするため、切断対象物Ｗに対するレーザ切断ヘッド３の相対的な姿勢が以下の状態を保つように多関節ロボット２がレーザ切断ヘッド３を動かす。図４は、切断装置１が切断対象物Ｗを切断中に多関節ロボット２で保持する切断対象物Ｗに対するレーザ切断ヘッド３の相対的な姿勢の一例を示した図である。レーザ切断ヘッド３には、レーザ発振器４からレーザ切断ヘッド３へレーザ光を送る光ファイバの終端から放たれるレーザ光を平行状態にするコリメートレンズ３ａ、コリメートレンズ３ａを透過した平行状態のレーザ光を一点に収束させるフォーカシングレンズ３ｂが備わっている。ここで、コリメートレンズ３ａとフォーカシングレンズ３ｂの中心点を繋ぐ軸（以下、単に「光軸」という）に対するレーザ光Ｌの広がり角をＡとし、切断対象物Ｗの中心軸線に直交する面に対する光軸の傾き角をＢとした場合、切断装置１は、切断対象物Ｗの切断中、少なくともＢがＡよりも大きい状態を保ちながらレーザ切断ヘッド３を動かす。切断対象物Ｗに対するレーザ切断ヘッド３の姿勢が、少なくともＢがＡよりも大きい状態で保たれていれば、レーザ切断ヘッド３が切断対象物Ｗを半周以上周回しても、切断対象物Ｗを貫通して切断対象物Ｗの内部を通過したレーザ光Ｌが反対側の貫通孔から漏れ出ない。

また、切断装置１は、レーザ光Ｌのビームウェストが切断対象物Ｗの外周面の予定切断箇所に位置合わせされた状態を保持しながら切断対象物Ｗの切断を行うため、切断対象物Ｗの内面にはレーザ光Ｌが以下のように投射される。図５は、切断対象物Ｗの外周面に位置合わせされるビームウェストと切断対象物Ｗの内周面に投射されるビームスポットとの大小関係を示した図である。また、図６は、レーザ光Ｌのビーム伝搬特性を示した図である。切断対象物Ｗの内面に投射されるレーザ光ＬのスポットサイズＷｚ（ｍｍ）は、以下の数式で表される。
Ｗｚ＝Ｗ_０（１＋（４λｚ／πＷ_０ ^２））^１／２
なお、Ｗ_０はレーザ光Ｌのビームウェストにおけるスポットサイズ（ｍｍ）、ｚはビームスポットから切断対象物Ｗの内面に投射されるレーザ光Ｌの像の中心までの距離（ｍｍ）、λはレーザ光Ｌの波長（ｍ）、πは円周率である。

本実施形態においては、中空の切断対象物Ｗの内面をビームダンパとして利用する。よって、レーザ光Ｌのビームウェストを切断対象物Ｗの外周面の予定切断箇所に位置合わせすることで、切断対象物Ｗの内周面に投射されるビームスポットの大きさが、切断対象物Ｗの外周面に投射されるビームスポットよりも大きくなるようにしている。切断対象物Ｗの内周面に投射されるビームスポットが大きければ、切断対象物Ｗの内面に投射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度が下がり、切断対象物Ｗの内面から始まる切断対象物Ｗの溶解
が抑制される。切断対象物Ｗの内面に投射されるレーザ光Ｌのエネルギー密度は、Ｗｚの大きさの２乗に反比例する。よって、切断装置１を用いる際は、切断対象物Ｗの内面をビームダンパとして機能させるべく、レーザ切断ヘッドの焦点距離、スタンドオフ、切断対象物Ｗの大きさからＷｚが算出され、切断対象物Ｗの内面がビームダンパとして機能するレーザ光Ｌの強度（出力）や切断速度が設定される。なお、本実施形態の切断装置１は、切断対象物Ｗの内周面に投射されるビームスポットの大きさを、切断対象物Ｗの外周面に投射されるビームスポットより大きくするものであればよく、例えば、レーザ光Ｌの焦点が切断対象物Ｗの外周面から位置ずれしてもよい。

図７は、レーザ光による平板の切断の可否がスタンドオフや切断速度に依存することを示したグラフであり、炭素鋼で出来た厚さ２５ｍｍの平板を実験的に切断した際の結果を示している。レーザ光による切断においては、図７のグラフから判るように、切断速度（レーザ光の移動速度）が速すぎると切断不可になることが判る。また、スタンドオフの大きさ（フォーカスレンズから切断箇所までの距離）が長くなるに従って切断が不可になっていくことが判る。そこで、本実施形態では、レーザ光を使った切断におけるこのような特性を利用し、切断対象物Ｗの内面がビームダンパとして機能するようにレーザ切断ヘッド３の選定や光学系の調整、位置の調整が行われる。

図８は、切断装置１が切断対象物Ｗを切断する際のレーザ切断ヘッド３の動きを示した図である。切断装置１が切断対象物Ｗの切断を開始すると、切断対象物Ｗの外周面に出来た貫通孔をレーザ光Ｌが通り、切断対象物Ｗの内周面にレーザ光Ｌが投射される（図８（Ａ）を参照）。そして、レーザ切断ヘッド３は、多関節ロボット２に動かされて切断対象物Ｗを周回する（図８（Ｂ）を参照）。しかし、レーザ切断ヘッド３は、切断対象物Ｗを周回することによって自身が形成する仮想の軌道面（切断対象物Ｗのような直管の場合、管の中心軸に対し直交する面）に対し、レーザ光の光軸を傾けた状態で多関節ロボット２に周回させられている。よって、レーザ切断ヘッド３が切断対象物Ｗを周回しても、レーザ光Ｌは、切断対象物Ｗの内周面を投射するに留まり、レーザ光Ｌによって切断対象物Ｗの外周面に形成された貫通孔から漏れ出すことは無い。すなわち、切断対象物Ｗの内周面がビームダンパとしての機能を果たす。そして、レーザ切断ヘッド３が切断対象物Ｗの周囲を一回りすると、切断対象物Ｗの切断が完了する（図８（Ｃ）を参照）。

なお、本実施形態では、切断対象物Ｗとして配管を例示していたが、切断対象物Ｗはこれに限定されない。切断対象物Ｗは、中空の切断対象物であれば如何なるものであってもよく、例えば、液体や気体を貯蔵するタンク等の容器、機器等を収容する筐体、油圧で動くピストンが摺動するシリンダといった機械部品、その他の各種切断対象物であってもよい。

また、本実施形態では、レーザ切断ヘッド３を動かすハンドリング装置の一例として、様々な形態の切断対象物に対応自在な多関節ロボット２を例示していたが、ハンドリング装置はこれに限定されない。レーザ切断ヘッド３を動かすハンドリング装置は、例えば、レーザ切断ヘッド３を保持しながら、切断対象物Ｗに巻き付けたチェーン状の走行レールを走行する装置であってもよいし、或いは、切断対象物Ｗを３点の車輪で挟持するクランプ状の装置が、レーザ切断ヘッド３を保持した状態で切断対象物Ｗの周りを自走しながら周回するものであってもよい。後者の場合、切断対象物Ｗは円筒状の部位を有し、当該部位を切断部位とするものに限定される。

１・・切断装置：２・・多関節ロボット：２１・・ロボットアーム：２２・・制御盤：３・・レーザ切断ヘッド：３ａ・・コリメートレンズ・３ｂ・・フォーカシングレンズ：４・・レーザ発振器：５・・制御装置：５１・・入力部：５２・・ＲＡＭ：５３・・ＲＯＭ
：５４・・ＣＰＵ：５５・・ＨＤＤ：５６・・出力部：６・・発信器用チラー：７・・切断ヘッド用チラー：８・・アシストガス容器：Ｌ・・レーザ光：Ｗ・・切断対象物

Claims (5)

1. 中空の切断対象物をレーザ光で切断する切断装置であって、
   レーザ光を出射するレーザ切断ヘッドと、
   前記レーザ切断ヘッドを前記切断対象物の外側で周回させるハンドリング装置と、を備え、
   前記ハンドリング装置は、前記切断対象物の外側を周回する前記レーザ切断ヘッドが形成する仮想の軌道面に対し、前記切断対象物を貫通したレーザ光が前記切断対象物の内面に投射されるように前記レーザ光の光軸を傾けた状態で前記レーザ切断ヘッドを周回させる、
   切断装置。
2. 前記ハンドリング装置は、前記レーザ光のビームウェストを前記切断対象物の外面に位置合わせした状態を保ちながら前記レーザ切断ヘッドを周回させる、
   請求項１に記載の切断装置。
3. 前記ハンドリング装置は、前記軌道面に対する前記光軸の傾き角を、前記レーザ光の広がり角よりも大きくなるように前記光軸を傾けた状態で前記レーザ切断ヘッドを周回させる、
   請求項１または２に記載の切断装置。
4. 前記ハンドリング装置は、先端に前記レーザ切断ヘッドを設けたロボットアームを有する、
   請求項１から３の何れか一項に記載の切断装置。
5. 中空の切断対象物をレーザ光で切断する切断方法であって、
   レーザ光を出射するレーザ切断ヘッドを、前記切断対象物の外側で周回させる工程を有し、
   前記レーザ切断ヘッドを前記切断対象物の外側で周回させる工程においては、前記切断対象物の外側を周回する前記レーザ切断ヘッドが形成する仮想の軌道面に対し、前記切断対象物を貫通したレーザ光が前記切断対象物の内面に投射されるように前記レーザ光の光軸を傾けた状態で前記レーザ切断ヘッドを周回させる、
   切断方法。

Images