JP2016215255A - 熱切断装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】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。【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

特開２００１−６２６５２公報 特開平１１−７７４公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。

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