JPH05138377A - レーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】作業機器の小型化および作業員の放射線被曝低
減と作業効率の向上を図る。 【構成】銅蒸気レーザー光２を導く光ファイバー３の先
端部に平行光レンズ４，反射ミラー５および収束レンズ
６からなる光学系を取り付け、銅蒸気レーザー光２の焦
点を被加工物配管７の接続部８に結ぶ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子力プラントの保守の
ように近接して作業をすることが困難な配管、機器等の
切断，穴開け，溶接等を可能とするレーザー加工装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力プラントにおいて保守をする必要
が生じた場合、作業者の放射線被曝線量が一定以下にな
るように多数の作業者が交替で除染作業，遮蔽作業を行
う。その後に切断，穴開け，溶接加工等の作業をアーク
溶接機，ガス切断・溶接機器を用いて行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】原子力プラントの保守
作業のうち、除染・遮蔽作業等をロボットで行うことに
より作業者の放射線被曝線量を減らすことは可能であ
る。これら作業後の切断，穴開け，溶接加工等の作業を
自動化しようとした場合、従来用いていた電気，ガス等
の加工用エネルギー密度を大きくするには大変な困難が
伴う。そのため、作業機器の小型化および作業効率の向
上を図ることは困難である。

【０００４】これに対してレーザー加工装置では、容易
にエネルギー密度を大きくすることができるため、これ
までは大出力が出せる炭酸ガスレーザーを用いることが
検討されていた。しかしながら、光ファイバーによる伝
送ができないため、光学系の取扱が大変面倒となり、使
用できる範囲が限定されるという課題がある。

【０００５】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、大出力レーザーとして光ファイバーで伝送が
可能な銅蒸気レーザーを用い、配管・板・任意形状の構
造物の切断，溶接および穴加工を行うためのレーザー加
工装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は銅蒸気レーザー
光を光ファイバーで導き、この光ファイバーの先端部に
平行光レンズおよび収束レンズなどの組みレンズを取り
付け、前記銅蒸気レーザー光の焦点を被加工部に結んで
なることを特徴とする。

【０００７】

【作用】レーザー加工を施したい被加工部に銅蒸気レー
ザー光の焦点を結ぶように光ファイバーの先端に組みレ
ンズを取り付けてレーザー加工装置を構成する。このレ
ーザー加工装置は配管内面の加工の場合には内面自動走
行車に搭載され、板あるいは配管外面の加工の場合には
二次元走行クレーン等に搭載され、任意形状の構造物の
加工の場合には多関節アームに搭載される。光ファイバ
ーで導かれた銅蒸気レーザー光は高エネルギー密度を有
しており、理論収束限界近くまで光学系で収束させる。

【０００８】銅蒸気レーザー光は光ファイバーでレーザ
ー加工をしたい任意の場所に容易に持っていくことがで
き、またＹＡＧレーザー光に比較しても波長が短いた
め、理論収束限界値も小さく必要なファイバー径も小さ
くてすみ取扱が容易である。レーザー発振器を作業現場
から離れた場所に設置することができ、配管内加工，配
管外加工あるいは板加工，任意形状構造物の加工を小型
の遠隔自動走行装置に搭載のレーザー光焦点形成機構を
用いて容易に行う。このようにして、原子力プラント構
成機器等の保守を行いたい部分を遠隔操作で切断，穴開
け、溶接加工を行うことができる。

【０００９】

【実施例】図１を参照しながら本発明に係るレーザー加
工装置の第１の実施例を説明する。図１に示す配管内面
レーザー加工装置１は被加工物となる配管７，７ａの接
続部８を溶接する例を示しているが、銅蒸気レーザー発
振器および光ファイバーに導入するための光学系、光フ
ァイバー巻取装置は本発明の要旨と直接関係がないた
め、図示していない。

【００１０】すなわち、図１において、配管７，７ａの
内面を走行する４個の車輪19が光ファイバー固定部20に
取り付けられ、光ファイバー固定部20内に銅蒸気レーザ
ー光２を伝送する光ファイバー３が挿入されている。光
ファイバー３の先端部には平行レンズ４と、この平行レ
ンズ４の光路先に反射ミラー５と、この反射ミラー５に
より90°偏向した位置に収束レンズ取付管12を介して収
束レンズ６が配置されている。光ファイバー固定部20の
外側には周方向駆動モータ13，周方向駆動組歯車14，軸
方向駆動モータ17，軸方向駆動組歯車18が設けられてい
る。反射ミラー５の下部には回転部15が設けられ、回転
部15の先端部にはバネ16が設けられている。光ファイバ
ー固定部20内を貫通し収束レンズ６の先端部近傍まで達
してアシストガス10を流す噴出ノズル配管11が設けられ
ている。

【００１１】しかして、上記装置において、銅蒸気レー
ザー光２は光ファイバー３中を伝送され、その光ファイ
バー３の先端部に設置された平行光レンズ４を通って平
行光線となり、反射ミラー５で反射された後、収束レン
ズ６などの組みレンズを通って被加工物となる配管７の
接続部８の点で焦点を結ぶ。

【００１２】接続部８で反射されるレーザー光は反射パ
ルス光９として組みレンズおよび反射ミラー５の光学系
を戻り、光ファイバー３を逆進する。銅蒸気レーザー光
２は５ kHz程度のパルスレーザー光であるため、反射パ
ルス光９の遅れ時間を計測することにより焦点を結んだ
位置を算出する。

【００１３】銅蒸気レーザー光２で切断する場合のアシ
ストガス10は、溶接，穴開け加工の時には光学系に金属
蒸気が付着するのを防止する働きをする。このアシスト
ガス10を平行光レンズ４と収束レンズ６との間の空間を
導き、噴出ノズル配管11からアシストガス10を噴出させ
る量を調節することにより収束レンズ取付管12とレーザ
ー光の焦点を結ぶ位置との間隔を調整する。反射パルス
光９の遅れ時間を所定の値になるようにアシストガス10
の噴出量を調節すると、レーザー光の焦点を結ぶ位置を
制御することができる。

【００１４】銅蒸気レーザー光２の焦点を結ぶ点の配管
７の周方向位置は周方向駆動モータ13で周方向駆動歯車
14を回転し、周方向駆動歯車14に固定されている回転部
15を回転させ、回転部15に精度よく挿入されてバネ16を
介して固定されている収束レンズ取付管12を周方向に回
転させて所定の位置に変える。

【００１５】レーザー光の焦点を結ぶ点の配管の軸方向
位置は、軸方向駆動モータ17で軸方向駆動組歯車18を回
し、この組歯車18は車輪19の軸に取付いた歯車と組み合
わさっていて車輪19を回転させ、配管７の内面を車輪19
が軸方向に走行することとなり、車輪19が取付けられて
いる光ファイバー固定部20およびこれに固定されている
回転部15，収束レンズ取付管12を軸方向に移動させて所
定の位置に変える。

【００１６】次に図２により本発明の第２の実施例を説
明する。この第２の実施例は板の接続部を被加工部に適
用した例である。図２における板のレーザー加工装置21
では銅蒸気レーザー発振器および光ファイバーに導入す
るための光学系，光ファイバー巻取装置は図示していな
い。また、図１と同一部分には同一符号を付してその説
明を省略する。

【００１７】すなわち、図２において、銅蒸気レーザー
光２は光ファイバー３中を伝送され、その光ファイバー
３の先端部に設置された平行光レンズ４を通って平行光
線となり、反射ミラー５で反射された後、収束レンズ６
を通って被加工部となる板22の接続部23の点で焦点を結
ぶ。焦点となった接続部23で反射されるレーザー光は、
組みレンズおよび反射ミラーの光学系を戻り、光ファイ
バーを逆進する。

【００１８】銅蒸気レーザー光２は５ kHz程度のパルス
レーザー光であるため、反射パルス光９の遅れ時間を計
測することにより焦点を結んだ位置を算出する。収束レ
ンズ取付管12とレーザー光の焦点を結ぶ位置との間隔の
調整は、スクリューネジ24のスクリューナット26を高さ
調整モータ25で回転し、スクリューネジ24の先端に取付
けられた光ファイバー固定部20および収束レンズ取付管
12を高さ方向に動かすことにより行う。

【００１９】レーザー光の焦点を結ぶ点の平面内の移動
は、Ｘ方向レール27，Ｙ方向レール28，上をＸ方向駆動
輪29，Ｙ方向駆動輪30がそれぞれ駆動するモータで駆動
されて動くことにより行われる。Ｙ方向レール28は、Ｘ
方向駆動輪29を介して懸垂され、高さ調整モータ25は、
Ｙ方向駆動輪30を介して懸垂され、板のレーザー加工装
置21は、スクリューネジ24を介して懸垂されている。こ
の方式で配管外面のレーザー加工を行うためには、スク
リューネジ24の先端に仰角方向の回転機能を付加する必
要がある。

【００２０】次に図３により本発明の第３の実施例を説
明する。第３の実施例はドーム状など任意形状構造物に
適用した例である。図３における任意形状構造物のレー
ザー加工装置31では銅蒸気レーザー発振器および光ファ
イバーに導入するための光学系、光ファイバー巻取装置
は図示していない。また、図１と同一部分には同一符号
を付してその説明を省略する。

【００２１】すなわち、図３において、銅蒸気レーザー
光２は光ファイバー３中を伝送され、その出口に設置さ
れた平行光レンズ４を通って平行光線となり、収束レン
ズ６を通って被加工部となる任意形状構造物32の加工部
33の点で焦点を結ぶ。焦点部で反射されるレーザー光
は、組みレンズ等の光学系を戻り、光ファイバーを逆進
する。

【００２２】銅蒸気レーザー光２は５ kHz程度のパルス
レーザー光であるため反射パルス光９の遅れ時間を計測
することにより焦点を結んだ位置を算出する。レーザー
で切断する時のアシストガス10は、溶接，穴開け加工の
時には光学系に金属蒸気が付着するのを防止する働きを
する。

【００２３】レーザー光の焦点を結ぶ点を任意形状構造
物32の任意の位置に持っていくため、コラム34の上端部
は旋回モータ36でコラム34の軸周りに旋回し、コラム34
の上端部は第１腕37と第１関節35で結合され、第１関節
35には第１腕37を仰角方向に回転させる仰角モータ38が
取付けられ、第１腕37は第２腕39と第２関節40で結合さ
れる。

【００２４】第２関節40には第２腕39を、図３の場合で
は水平面内に回転させる第２腕回転モータ41が取付けら
れ、第２腕39は光ファイバー固定部20と第３関節42で結
合され、第３関節42には光ファイバー固定部回転モータ
43が取付けられ、第１腕37と第２腕39はそれぞれ２つに
分かれ腕軸周りに相対運動をするように腕軸回転モータ
44，45が取り付けられている。

【００２５】レーザー光を用いて切断，穴開け，溶接加
工を行う時、加工を加える金属のレーザー光の吸収特性
は加工に用いるレーザーの必要出力を決定する上で非常
に重要な要因である。図４中に示すように銅蒸気レーザ
ー光は研磨した銀を除き炭酸ガスレーザーに比較し吸収
特性上有利であることがわかる。なお、図４はレーザー
学会編、レーザーハンドブックから引用したもので、レ
ーザー波長と金属表面のレーザー光吸収の関係を示して
いる。

【００２６】その上、レーザー光の理論収束限界を考慮
するとレーザー波長に対して等しいレーザー出力密度を
出すのに必要なレーザー出力係数は図５に示すようにな
り、金属の吸収特性を考慮しても銅蒸気レーザー光は現
在利用可能な他の大出力レーザー光に対して有利である
ことがわかる。図５は理論レーザー光収束限界値を考慮
したときのレーザー波長に対するレーザー照射エネルギ
ー密度を同じにするために必要なレーザー出力係数を示
している。

【００２７】銅蒸気レーザー光は、可視光であり、光フ
ァイバーによる伝送が可能であり、高エネルギー密度を
得るのに必要なレーザー出力が小さくて良いことがわか
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、原子力プラントの保守
作業の切断，穴開け，溶接加工を光ファイバーで伝送す
る銅蒸気レーザー光を用いて行うことにより加工装置を
小型化でき、遠隔自動操縦装置とすることができ、作業
員の放射線被曝低減と作業効率の向上に効果が大であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザー加工装置の第１の実施例
を示す縦断面図。

【図２】本発明に係るレーザー加工装置の第２の実施例
を示す縦断面図。

【図３】本発明に係るレーザー加工装置の第３の実施例
を示す縦断面図。

【図４】本発明の効果を説明するためのレーザー波長と
金属表面のレーザー光吸収の関係を示す特性図。

【図５】本発明の効果を説明するための理論レーザー光
収束限界値を考慮した時のレーザー波長に対するレーザ
ー出力係数を示す特性図。

【符号の説明】

１…第１実施例のレーザー加工装置、２…銅蒸気レーザ
ー光、３…光ファイバー、４…平行光レンズ、５…反射
ミラー、６…収束レンズ、７…配管、８…接続部、９…
反射パルス光、10…アシストガス、11…噴出ノズル配
管、12…収束レンズ取付管、13…周方向駆動モータ、14
…周方向駆動歯車、15…回転部、16…バネ、17…軸方向
駆動モータ、18…軸方向駆動組歯車、19…車輪、20…光
ファイバー固定部、21…第２実施例をレーザー加工装
置、22…板、23…接続部、24…スクリューネジ、25…高
さ調整モータ、26…スクリューナット、27…Ｘ方向レー
ル、28…Ｙ方向レール、29…Ｘ方向駆動輪、30…Ｙ方向
駆動輪、31…第３実施例のレーザー加工装置、32…任意
形状構造物、33…加工部、34…コラム、35…第１関節、
36…旋回モータ、37…第１腕、38…仰角モータ、39…第
２腕、40…第２関節、41…第２腕回転モータ、42…第３
関節、43…光ファイバー固定部回転モータ、44，45…腕
軸回転モータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅蒸気レーザー光を光ファイバーで導
   き、この光ファイバーの先端部に平行光レンズおよび収
   束レンズなどの組みレンズを取り付け、前記銅蒸気レー
   ザー光の焦点を被加工部に結んでなることを特徴とする
   レーザー加工装置。