JP6141047B2 - レーザ切断装置およびレーザ切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ切断装置およびレーザ切断方法に関するものである。

切断対象材を切断する方法として、レーザビームを使用したレーザ切断装置がある（下記特許文献１参照）。レーザ切断装置は、レーザ発振器から出力されたレーザビームをレンズにより集光し、ノズルを通じてレーザビームを切断対象材に照射する。この照射された部分の切断対象材が溶融もしくは蒸発して切断される。溶融した切断対象材は、ノズルからレーザーと同軸で発せられるアシストガスで吹き飛ばされる。
レーザ切断の一使用用途として金属の切断が挙げられるが、例えば特許文献２には原子力発電施設において原子炉施設の金属容器の切断に使用されることが開示されている。

特開昭５９−８７９９６号公報 特開平１１−１９７８６６号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に開示された発明では、切断対象材のレーザビームの照射面と対向する面（すなわち裏面）に別の部材が存在することについて考慮されていないため、例えば原子炉容器等のように金属板とコンクリート壁が重なっており、レーザビームを金属板側から照射し切断する場合に金属板の切断状態が裏側（コンクリート壁側）から容易に確認できないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、切断状態が容易に判定可能なレーザ切断装置およびレーザ切断方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ切断装置およびレーザ切断方法は以下の手段を採用する。
本発明のレーザ切断装置は、閉空間の内部でレーザビームを照射して切断対象材を切断するレーザ切断装置であって、レーザ切断時に発生し、前記閉空間から回収される金属の粉じんの量を計測する計測手段と、前記計測手段が計測した前記金属の粉じんの量により前記切断対象材の切断状態を判定する制御手段と、を備えたレーザ切断装置を採用する。

本発明によれば、レーザ切断時に発生する金属蒸気を計測し、これにより切断対象材の切断状態を判定することから、例えば切断対象材のレーザビーム照射面のみが外部に露出しており、レーザビーム照射面と対向する面（裏面）が外部に露出しておらず確認できない場合であっても、切断対象材の切断状態を判定することができる。

さらに、本発明の一態様におけるレーザ切断装置では、前記計測手段は、レーザ切断時に発生する金属の粉じんの量を計測することを特徴とする。
本発明によれば、レーザ切断時に発生する金属の粉じんの量を計測するため、金属の粉じんの量に応じて切断不良の発生有無などが詳細に判定できる。

さらに、上記の本発明の各レーザ切断装置において、前記制御手段は、前記計測手段が計測した値に応じてレーザビームの切断速度を制御することを特徴とする。
本発明によれば、計測した金属蒸気または金属の粉じんの量に応じてレーザビームの切断速度を制御するため、計測した値から切断が不安定、すなわち良好な切断が行えていないと判定された場合にレーザビームの切断速度を低下させることで定常切断に戻すことができる。

また、本発明のレーザ切断方法は、閉空間の内部でレーザビームを照射して切断対象材を切断するレーザ切断方法であって、レーザ切断時に発生し、前記閉空間から回収される金属の粉じんの量を計測する計測工程と、前記計測工程において計測した前記金属の粉じんの量により前記切断対象材の切断状態を判定する判定工程と、を備える。
本発明によれば、レーザ切断時に発生し閉空間から回収される金属の粉じんの量を計測し、これにより切断対象材の切断状態を判定することから、例えば切断対象材のレーザビーム照射面のみが外部に露出しており、レーザビーム照射面と対向する面（裏面）が外部に露出しておらず確認できない場合であっても、切断対象材の切断状態を判定することができる。

本発明によれば、レーザ切断の際に発生した金属蒸気の計測により、切断対象材の切断状態が判定できるので、例えば目視にて切断状態を確認できない等の切断状態の判定が困難な場合でも、容易に切断状態を判定することができる。

本発明の一実施形態にかかるレーザ切断装置を示した概略構成図であり、切断対象材の断面を表した図である。 本発明の一実施形態にかかるレーザ切断装置による定常切断時の金属の粉じんの量の計測値を示したグラフである。 本発明の一実施形態にかかるレーザ切断装置による切断不良時の金属の粉じんの量の計測値を示したグラフである。

以下に、本発明にかかるレーザ切断装置およびレーザ切断方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本実施形態にかかるレーザ切断装置およびレーザ切断方法の概略構成が示されている。
図１に示されるように、レーザ切断装置１は、レーザビームを発生させるレーザ発振器５と、ビーム（レーザビーム）２０を金属板（切断対象材）１０１に照射するヘッド９と、ビーム２０が照射されて溶融した金属を吹き飛ばすためにビーム２０と同時にヘッド９から同軸で噴射されるアシストガスを供給するアシストガス供給部７と、ヘッド９の進行方向および切断速度やレーザ発振器５の出力等を制御する制御装置（制御手段）３と、計測装置（計測手段）４を主な構成として備えている。
レーザ切断装置１により金属板１０１にビーム２０を照射すると、金属が溶融し、金属の微細な粉じん（以下、「ヒューム」という）が発生する。ヒュームは、大気中に飛散すると環境へ影響を及ぼすこと、および爆発の可能性があること等から、切断は閉空間１００の内部で行われ、ヒュームは回収される。金属板１０１としては、例えば鉄とされ、その概要は厚板であり厚さは５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度である。
発生したヒュームは排気ダクト１２０を通じて回収される。回収されたヒューム量は計測装置４によりその量を測定される。計測装置４としては、デジタル粉塵計（具体的には柴田科学製Ｐ５Ｌ（光散乱式相対濃度計））が用いられる。オリフィス流量計１２１により排出気体の流量が計測され、換気装置１２２によりヒュームの捕集および排気が行われる。また、閉空間１００内の気圧が保たれるように、吸気ダクト１１０から吸気が行われる。

ここで、金属板１０１がコンクリート壁１０２の表面を覆うように施工されており、ビーム２０を照射し金属板１０１の切断を行うとする。この場合、ビーム２０を照射する面と対向する面がコンクリート壁１０２で覆われており、金属板１０１の切断状態を裏側から目視で確認することはできない。
コンクリート壁１０２は、これに限らず他の部材でもよく、遮へい材あるいは視線を遮る部材であれば種類は問わない。

図２には、レーザ切断装置１による定常切断時のヒューム量の計測値がグラフとして示されている。同図において、横軸は時間、縦軸はヒューム量である。
レーザ切断装置１を用いて金属板１０１の切断を行い、良好に切断が進行し終了した場合、計測装置４にて計測を行ったヒューム量は時間とともに図２のように推移する。
切断開始時、ビーム２０は金属板１０１のビーム２０照射面からこれと対向する面までの厚み分の金属を溶融させドロス（溶融金属の酸化生成物）が増加することから、ヒューム量は急激に増加する（図２においてＴ１からＴ２の期間に相当）。
その後、ビーム２０は進行方向へ進みながら金属板１０１の切断を行う。この時、ビーム２０が溶融させる金属は、金属板１０１の切断カーフ（切断溝）内のビーム２０の進行方向側の面のみとなるため、ヒューム量は切断開始時のヒューム量よりも少ない一定の範囲内で安定する（図２においてＴ２からＴ３の期間に相当）。
ここで、ヒューム量は、切断対象の材料およびその厚さにより異なるため、ヒューム量が安定する範囲も異なる。また、ヒューム量は切断対象の材料およびその厚さにより推定可能である。
定常切断時、ヒューム量のグラフでの値は緩やかに右肩下がりの値を示す。
そして、切断が終了すると、ビーム２０による金属の溶融も終了するが、それまでに溶融された金属が残っているため、この残存溶融金属およびドロスによるヒュームが残存し、緩やかに減少する（図２においてＴ３以降の期間に相当）。

図３には、レーザ切断装置１による切断不良時のヒューム量の計測値がグラフとして示されている。同図において、横軸は時間、縦軸はヒューム量である。
レーザ切断装置１を用いて金属板１０１の切断を行い、切断状態が悪化し終了した場合、計測装置４にて計測を行ったヒューム量は時間とともに図３のように推移する。
切断開始時、ビーム２０は金属板１０１のビーム２０照射面からこれと対向する面までの厚み分の金属を溶融させドロスが増加することから、ヒューム量は急激に増加する（図３においてＴ６からＴ７の期間に相当）。
その後、ビーム２０は進行方向へ進みながら金属板１０１の切断を行う。この時、ビーム２０が溶融させる金属は金属板１０１の切断カーフ内のビーム２０の進行方向側の面のみとなるため、ヒューム量は切断開始時のヒューム量よりも少ない一定の範囲内で安定する（図３においてＴ７からＴ８の期間に相当）。
そして、切断状態が悪くなり、金属板１０１のビーム２０を照射する面と対向する面までビーム２０が到達しなくなると、ドロスが金属板１０１のビーム２０を照射する面と対向する面側へ吹き飛ばされないため、切断カーフ内に溶融金属がとどまることとなる。これにより溶融金属周辺の温度が上昇し蒸発量が増えることから、ヒューム量が急激に増加する。
すなわち、金属板１０１の切断が良好に進行せず切断不良が発生するとヒューム量が急激に増加するため、ヒューム量計測によりヒューム量の増加を検知することで、ビーム２０を照射する面と対向する面がコンクリート壁１０２で覆われ切断状態が目視で確認できなくても、金属板１０１の切断状態を判定することができる。
切断不良であると検知されるヒューム量の増加とは、具体的に、定常切断時間帯に異常上昇した値となること及び／または定常切断時に切断開始時のヒューム量よりも多い値となることである。
そして、切断が終了すると、ビーム２０による金属の溶融も終了するが、それまでに溶融された金属が残っているため、この残存溶融金属およびドロスによるヒュームが残存し、緩やかに減少する（図３においてＴ８以降の期間に相当）。

また、ヒューム量の計測感度を上げるには、排気ダクト１２０の流量を増やす、ヒューム量の計測を排気ダクト１２０の閉空間１００の近傍で行う、等の方策を実施することができる。

切断不良が発生すると、ヘッド９の制御が行われる。
切断不良は、ビーム２０が金属板１０１のビーム２０を照射する面と対向する面まで到達しないまま進行方向に向かってヘッド９が進行することにより発生する。上述したヒューム量の増加を検知し制御装置３が切断不良であると判定すると、制御装置３はヘッド９の切断速度を低下させる制御を行う。これにより、ドロスがアシストガスにより吹き飛ばされ、ビーム２０が金属板１０１のビーム２０を照射する面と対向する面に到達し切断が安定する。
切断が安定するとともに、ヒューム量が安定するため、ヒューム量の安定を検知すると制御装置３は切断が良好であると判定し、制御装置３はヘッド９の切断速度をもとに戻す制御を行う。
切断速度は、金属板１０１の含有金属成分量や板厚などにより一定とはならないため、上記のような制御が必要となる。

以上、説明してきたように、本実施形態にかかるレーザ切断装置およびレーザ切断方法によれば、以下のような効果を奏する。
レーザ切断時に発生するヒューム量を計測し、これにより金属板１０１の切断状態を判定することから、例えば金属板１０１のビーム２０照射面のみが外部に露出しており、ビーム２０の照射面と対向する面（裏面）が外部に露出しておらず目視で確認できない場合であっても、金属板１０１が切断できたか否かを判定することができる。従来、裏側から確認できない場合にはファイバースコープを用いて切断状態を確認する等の方法も存在するが、本発明と比較するとアクセス性が悪い。
また、制御装置３が計測したヒューム量に応じてヘッド９の切断速度を制御するため、制御装置３がヒューム量から切断が不安定である、すなわち良好な切断が行えていないと判定した場合にヘッド９の切断速度を低下させることで定常切断に戻すことができる。
また、ヒュームはそのまま大気中に放出されると、環境への影響や爆発の危険性があるため、必ずヒュームの回収系であるヒュームコレクターを設置する必要がある。ヒュームコレクターにはヒュームの有無が確認できるモニタリング装置も設置される。本発明によれば、これらの装置を利用することができるため、新たに装置を設置する必要が無い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。

たとえば、上述した各実施形態においては制御装置３はレーザ発振器５に接続し、ビーム２０の出力を制御するとしたが、レーザ発振器５に制御機能が備わっていてもよい。
制御装置３はヘッド９に接続し、ヘッド９の進行方向や切断速度を制御するとしたが、ヘッド９は固定され、切断対象材または切断対象材が搭載された機具が移動するとしてもよい。この場合、切断対象材または切断対象材が搭載された機具の移動方向や移動速度が制御装置３により制御される。
切断対象材は金属板であるとしたが、セラミックスであってもよい。この場合、計測装置４ではセラミックス蒸気を計測する。
切断対象材は板厚が厚い板を想定したが、板厚が薄い板（例えば５ｍｍ以下）であってもよい。この場合、レーザ発振器５の出力を板厚に応じて変更することで対応可能となる。

１ レーザ切断装置
３ 制御装置（制御手段）
４ 計測装置（計測手段）
５ レーザ発振器
７ アシストガス供給部
９ ヘッド
２０ ビーム（レーザビーム）
１００ 閉空間
１０１ 金属板（切断対象材）
１０２ コンクリート壁
１１０ 吸気ダクト
１２０ 排気ダクト
１２１ オリフィス流量計
１２２ 換気装置

Claims (3)

1. 閉空間の内部でレーザビームを照射して切断対象材を切断するレーザ切断装置であって、
   レーザ切断時に発生し、前記閉空間から回収される金属の粉じんの量を計測する計測手段と、
   前記計測手段が計測した前記金属の粉じんの量により前記切断対象材の切断状態を判定する制御手段と、
   を備えたレーザ切断装置。
2. 前記制御手段は、前記計測手段が計測した値に応じてレーザビームの切断速度を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断装置。
3. 閉空間の内部でレーザビームを照射して切断対象材を切断するレーザ切断方法であって、
   レーザ切断時に発生し、前記閉空間から回収される金属の粉じんの量を計測する計測工程と、
   前記計測工程において計測した前記金属の粉じんの量により前記切断対象材の切断状態を判定する制御工程と、
   を備えたレーザ切断方法。

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