JP2018039015A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子の損傷を抑制して被加工物を加工し易いレーザ加工装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、光照射部と、ミラーと、を備えるレーザ加工装置が提供される。前記光照射部は、光源からのレーザ光を先端から出射する。前記ミラーは、前記光照射部の先端に対向する。前記ミラーは、前記光照射部から出射された前記レーザ光を非球面の反射面で反射する。前記光照射部から前記ミラーに伝送される前記レーザ光と、前記ミラーで反射した前記レーザ光と、が形成する角度は、９０度以上である。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、レーザ加工装置に関する。

レーザ光は、狭い面積に高密度の光エネルギーを集中させることができるので、レーザ光による加工が、原子力分野などの広い分野で利用されている。レーザ光の加工技術として、水中内の金属表面にレーザ光を照射し、レーザ光の照射によって発生するプラズマの衝撃波を利用して金属表面の組成を変化させるレーザピーニングがある。レーザピーニングは、原子炉内の構造物に用いられており、構造物内の応力を緩和させて腐食割れを抑制する。

レーザピーニングにおいては、ミラー等の光学素子でレーザ光を反射して金属表面に集光させている。レーザ光を集光させる金属表面との間の位置によっては、光学素子はプラズマの衝撃波による影響を受け易い。これにより、光学素子が損傷するという問題がある。

特開２００５−３１３１９１号公報

本発明の実施形態は、光学素子の損傷を抑制して被加工物を加工し易いレーザ加工装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、光照射部と、ミラーと、を備えるレーザ加工装置が提供される。前記光照射部は、光源からのレーザ光を先端から出射する。前記ミラーは、前記光照射部の先端に対向する。前記ミラーは、前記光照射部から出射された前記レーザ光を非球面の反射面で反射する。前記光照射部から前記ミラーに伝送される前記レーザ光と、前記ミラーで反射した前記レーザ光と、が形成する角度は、９０度以上である。

第１実施形態に係るレーザ加工装置を示す模式図である。 図１の一部の拡大図である。 比較例のレーザ加工装置を示す図である。 第２実施形態に係るレーザ加工装置を示す模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るレーザ加工装置を示す模式図である。
図１に表すように、レーザ加工装置１には、本体部１０と、駆動部５０と、送液部６０と、が設けられている。レーザ加工装置１は、例えば、被加工物である配管７０にレーザピーニングを行う装置である。

レーザピーニングとは、ＹＡＧ（ヤグ）レーザ等のレーザを用いた加工技術である。レーザ光をレンズやミラー等の光学素子を用いて集光し、金属表面に照射することでプラズマを発生させ、プラズマの衝撃波によって金属内に圧縮応力を与える。レーザピーニングによって、金属内に残留した引張応力を除去して応力を緩和させることにより、金属の応力腐食割れを抑制する。このようなレーザピーニングは、例えば、原子炉内の構造物に適用されている。

本体部１０には、筐体１１と、光ファイバ１２（光照射部）と、反射ミラー１３と、が設けられている。
筐体１１は、中空の筒状を有し、その内部に、光ファイバ１２及び反射ミラー１３を収納する。筐体１１には、開口１１ａが形成されている。

光ファイバ１２は、先端部１２ａ及び連結部１２ｂを有する。レーザ光源（図示せず）からのレーザ光Ｌは、連結部１２ｂを通って先端部１２ａから出射される。例えば、レーザ光Ｌは、そのパルス幅が１００（ｎｓ）以下の短パルスレーザ光である。

反射ミラー１３は、銅等の金属を含む。反射ミラー１３は、光ファイバ１２の先端部１２ａに対向する反射面１３ａを有する。反射面１３ａには、誘電体で形成された膜が設けられている。つまり、反射ミラー１３は、金属を含む導電体上に誘電体膜が設けられて構成されている。これにより、レーザ光Ｌによって反射ミラー１３が損傷することが抑制される。なお、誘電体膜は、単層膜でも良く多層膜でも良い。

反射ミラー１３は、光ファイバ１２の先端部１２ａから出射されたレーザ光Ｌを反射させる。反射ミラー１３は、先端部１２ａから入射するレーザ光を曲げて開口１１ａに伝送させ、配管７０の施工部分（図２の施工部分７０ａ）に集光させる。

駆動部５０は、本体部１０を上下方向に移動させ、本体部１０を回転させるための駆動装置である。駆動部５０は、連結部分５０ａを介して本体部１０に連結している。
例えば、駆動部５０は、光ファイバ１２及び反射ミラー１３を収納した筐体１１を上下方向に移動させて本体部１０を上下方向に移動させる。
例えば、筐体１１が、中空の筒状を有する回転部分と、回転部分の周囲に設けられて回転部分を回転可能に支持する支持部分と、を有することで、駆動部５０は、筐体１１を回転させて本体部１０を回転させる。
なお、本明細書において、「上方向」とは、反射ミラー１３から光ファイバ１２に向かう方向であって、「下方向」とは、光ファイバ１２から反射ミラー１３に向かう方向である。

レーザピーニングを行う場合、駆動部５０が本体部１０を駆動させることで、配管７０に対する本体部１０の照射部分１０ａの位置が調整される。例えば、配管７０内に本体部１０が埋め込まれている場合、本体部１０を上方向に移動させ、垂直方向（例えば、図面に対して垂直方向）に回転させることで、配管７０に対する照射部分１０ａの位置が調整される。これにより、光ファイバ１２の先端部１２ａ、及び、反射ミラー１３の反射面１３ａの位置が調整され、配管７０の施工部分にレーザピーニングを行うことができる。

送液部６０は、本体部１０の筐体１１内に水等の液体を供給する機能を有する。送液部６０は、供給管６０ａを介して筐体１１に連結している。筐体１１内には、送液部６０から供給された液体を流す流路Ｒが形成されている。流路Ｒは、液体が筐体１１内を流れて配管７０の施工部分に供給されるように形成されている。なお、流路Ｒは下方向に形成され、送液部６０から供給された液体は、流路Ｒを介して筐体１１内を下方向に流れる。

例えば、筐体１１の外壁面１１ｂと配管７０との間に液体が通る隙間を形成することで、流路Ｒ内の液体が筐体１１の開口１１ａを通った後、隙間を通って配管７０の施工部分に供給される。その後、液体は、筐体１１及び配管７０の間に設けられた隙間を介して、流路Ｒの形成方向とは反対方向（上方向）に流れる。そして、配管７０の上端側から排出される。

配管７０は、中空の筒状を有する。配管７０内にレーザ加工装置１の本体部１０が挿入される。したがって、配管７０は、本体部１０の筐体１１の周囲を囲むように、筐体１１の外壁面１１ｂ上に位置する。
例えば、配管７０は、下方向にテーパになっている部分（段差７０ｓ）が設けられている。この場合、段差７０ｓは、配管７０内に埋め込まれた本体部１０が移動する方向（上方向）に逆テーパになっている部分である。

図２は、図１の一部の拡大図である。
図２において、レーザ加工装置１を用いて配管７０の施工部分７０ａにレーザ光Ｌを集光する形態が示されている。

反射ミラー１３の反射面１３ａは、非球面である。例えば、図２に示すように、反射面１３ａの形状は、放物面である。反射面１３ａの形状は、双曲面または楕円面であっても良い。反射面１３ａの形状が放物面または双曲面である場合、反射面１３ａの形状が楕円面である場合と比較して、反射面１３ａで反射したレーザ光Ｌを配管７０の施工部分７０ａに集光させ易くなる。

反射面１３ａの形状が非球面である場合、反射面１３ａの形状は、例えば、コーニック係数ｋに依存する。例えば、反射面１３ａの形状がコーニック係数ｋを含む所定の式（サグ量）で表される場合、コーニック係数ｋが−１であると反射面１３ａの形状は放物面となる。また、コーニック係数ｋが−１より小さいと、反射面１３ａの形状は双曲面であって、コーニック係数ｋが−１より大きく０より小さいと、反射面１３ａの形状は楕円面となる。

図２の破線に表すように、レーザ光Ｌは、光ファイバ１２の先端部１２ａから出射される。レーザ光Ｌは、反射ミラー１３の反射面１３ａに反射して配管７０の施工部分７０ａに集光する。
なお、図２に示す例では、配管７０内におけるレーザ光Ｌの集光部分は、施工部分７０ａと一致している。つまり、レーザ光Ｌが集光する点は、加工点と一致している。集光部分は、施工部分７０ａに一致していなくても良く、施工部分７０ａの近傍でも良い。

先端部１２ａから反射面１３ａに伝送されるレーザ光Ｌと、反射面１３ａに反射して施工部分７０ａに伝送されるレーザ光Ｌと、が形成する角度θは、９０度以上である。例えば、角度θは、９０度より大きく１８０度より小さい。
ここで、光軸Ｌａ１が、先端部１２ａから反射面１３ａに伝送されるレーザ光Ｌの光軸であって、光軸Ｌａ２が、反射面１３ａから施工部分７０ａに伝送されるレーザ光Ｌの光軸である場合、光軸Ｌａ１及び光軸Ｌａ２が形成する角度θ１は、９０度以上となる。

ここで、角度θが９０度以上となるように、本体部１０内において、先端部１２ａに対する反射ミラー１３の位置が決められる。例えば、先端部１２ａに対する反射面１３ａの傾斜を調整することで角度θが９０度以上となる。つまり、反射面１３ａの形状が非球面であるので、筐体１１に対する反射面１３ａの端１３ｔ１、１３ｔ２の位置を調整することで角度θが９０度以上となる。ここで、端１３ｔ１は、端１３ｔ２より下方向に位置する端に相当する。

角度θが９０度以上であるので、施工部分７０ａは、反射面１３ａより上に位置しない。例えば、下方向において、反射面１３ａの端１３ｔ１は、反射面１３ａの端１３ｔ２と、施工部分７０ａと、の間に位置する。

また、角度θが９０度以上であるので、施工部分７０ａが段差７０ｓに位置する場合であっても、反射面１３ａから伝送されるレーザ光Ｌは、テーパの段差７０ｓに対して所定の角度で入射する。これにより、レーザ光Ｌが段差７０ｓに照射され易い。

本実施形態のレーザ加工装置１を用いてレーザピーニングを行う場合、最初に、駆動部５０が本体部１０を上下方向に移動させた後に回転させることで、配管７０に対する本体部１０の照射部分１０ａの位置が調整される。そして、レーザ光Ｌが先端部１２ａから出射される。その後、レーザ光Ｌは反射面１３ａによって反射され、配管７０の施工部分７０ａに照射される。

以下、本実施形態の効果について説明する。
図３は、比較例のレーザ加工装置を示す図である。
図３において、レーザ加工装置１００を用いて配管７０の施工部分７０ａにレーザ光Ｌを集光する形態が示されている。

本実施形態では、非球面の反射面１３ａを有する反射ミラー１３が設けられたレーザ加工装置１において、光ファイバ１２の先端部１２ａから反射面１３ａに伝送されるレーザ光Ｌと、反射面１３ａに反射して被加工物（配管７０）に伝送されるレーザ光Ｌと、が形成する角度θは、９０度以上である。また、このようなレーザ加工装置１を用いて被加工物にレーザ光Ｌを照射すると、加工点（施工部分７０ａ）は反射面１３ａより上に位置しない。

一方、図３の破線に示すように、レーザ加工装置１００において、光ファイバ１２の先端部１２ａから反射ミラー１３０の反射面１３０ａに伝送されるレーザ光Ｌと、反射面１３０ａに反射して施工部分７０ａに伝送されるレーザ光Ｌと、が形成する角度θｒは、９０度より小さい。この場合、施工部分７０ａは、反射面１３０ａより上に位置することになる。

角度θｒが９０度より小さいと、下方向にテーパの段差７０ｓに施工部分７０ａが位置する場合、反射面１３０ａからのレーザ光Ｌを段差７０ｓに照射し難い。これにより、配管７０の形状によっては、レーザ加工装置１００を用いてレーザピーニングを行うことが困難な場合がある。

また、施工部分７０ａが反射面１３０ａより上に位置すると、施工部分７０ａは、光ファイバ１２の先端部１２ａ、及び、反射ミラー１３０の反射面１３０ａの近くに位置することになる。これにより、光ファイバ１２及び反射ミラー１３０は、施工部分７０ａに発生するプラズマの衝撃波の影響を受け易い。そして、プラズマによって施工部分７０ａを音源とした超音波Ｕが誘起発生する。図３の破線に示すように、超音波Ｕは配管７０及びレーザ加工装置１００内を伝播し、光ファイバ１２及び反射ミラー１３０は、超音波Ｕの影響を受け易い。プラズマの衝撃波及び超音波によって、光ファイバ１２及び反射ミラー１３０が損傷し易くなる。

本実施形態のように、先端部１２ａから反射面１３ａに伝送されるレーザ光Ｌと、反射面１３ａに反射して施工部分７０ａに伝送されるレーザ光Ｌと、が形成する角度θは、９０度以上である。これにより、下方向にテーパの段差７０ｓに施工部分７０ａが位置する場合であっても、反射面１３ａから伝送されるレーザ光Ｌは、段差７０ｓに所定の角度で入射する。したがって、レーザ光Ｌが段差７０ｓに照射され易いので、配管７０の形状に依存せずにレーザ加工装置１を用いてレーザピーニングを行うことができる。

また、本実施形態では、施工部分７０ａが反射面１３ａより上に位置しない。したがって、図３で示したレーザ光Ｌを集光する形態と比較して、反射面１３ａは、プラズマの衝撃波の影響を受け難くなる。さらに、施工部分７０ａと、先端部１２ａとの間の距離を長くすることができるので、光ファイバ１２は、施工部分７０ａに発生するプラズマの衝撃波、及び、プラズマから発生した超音波の影響を受け難くなる。これにより、光ファイバ１２及び反射ミラー１３の損傷を抑制できる。

本実施形態によれば、光学素子の損傷を抑制して被加工物を加工し易いレーザ加工装置を提供する。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係るレーザ加工装置を示す模式図である。
なお、図４に示す領域は、図２に示す領域に相当する。
本実施形態のレーザ加工装置２は、レンズ２０を設ける点において、第１実施形態のレーザ加工装置１と異なる。その他の構成は第１実施形態と同じであるので詳細な説明は省略する。

図４に表すように、レーザ加工装置２の本体部１０には、筐体１１と、光ファイバ１２と、反射ミラー１３と、レンズ２０と、が設けられている。
レンズ２０は、光ファイバ１２の先端部１２ａと反射ミラー１３の反射面１３ａとの間に設けられている。レンズ２０は、例えば、コリメートレンズである。レンズ２０によって、光ファイバ１２の先端部１２ａから出射されたレーザ光Ｌは平行光Ｌｐになるように調整される。

本実施形態のレーザ加工装置２では、レーザ光Ｌが光ファイバ１２の先端部１２ａから出射される。そして、レーザ光Ｌは、レンズ２０を通った後、反射ミラー１３によって反射され、配管７０の施工部分７０ａに照射される。
レンズ２０から反射面１３ａに伝送されるレーザ光Ｌと、反射面１３ａに反射して施工部分７０ａに伝送されるレーザ光Ｌと、が形成する角度θは、９０度以上である。例えば、角度θは、９０度より大きく１８０度より小さい。

以下、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態では、光ファイバ１２及び反射ミラー１３の間にレンズ２０が設けられ、レンズ２０は、光ファイバ１２からのレーザ光Ｌを平行光Ｌｐに調整する。レンズ２０によってレーザ光Ｌを平行光Ｌｐに調整すると、図４に表すように、レンズ２０及び反射ミラー１３（反射面１３ａ）の間の距離を長くすることができる。これにより、筐体１１内の先端部１２ａ及び反射面１３ａ間に形成された流路Ｒの距離を十分に確保できるので、流路Ｒ内の液体が層流状態で流れ易くなる。

流路Ｒ内の液体が層流状態で流れることで、流路Ｒ内に泡が発生し難い。先端部１２ａ及び反射面１３ａ間でレーザ光Ｌが伝送する場合、泡によって発生するレーザ光Ｌによる光の散乱を抑制できる。
これ以外の効果は、第１実施形態の効果と同じである。

本実施形態によれば、光学素子の損傷を抑制して被加工物を加工し易いレーザ加工装置を提供する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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。

１、２、１００…レーザ加工装置、 １０…本体部、 １０ａ…照射部分、 １１…筐体、 １１ａ…開口、 １１ｂ…外壁面、 １２…光ファイバ、 １２ａ…先端部、 １２ｂ…連結部、 １３、１３０…反射ミラー、 １３ａ、１３０ａ…反射面、 １３ｔ１、１３ｔ２…端、 ２０…レンズ、 ５０…駆動部、 ５０ａ…連結部分、 ６０…送液部、 ６０ａ…供給管、 ７０…配管、 ７０ａ…施工部分、 ７０ｓ…段差、 θ、θ１、θｒ…角度、 Ｌ…レーザ光、 Ｌａ１、Ｌａ２…光軸、 Ｌｐ…平行光、 Ｒ…流路、 Ｕ…超音波

Claims (7)

1. 光源からのレーザ光を先端から出射する光照射部と、
   前記光照射部の先端に対向し、前記光照射部から出射された前記レーザ光を非球面の反射面で反射するミラーと、
   を備え、
   前記光照射部から前記ミラーに伝送される前記レーザ光と、前記ミラーで反射した前記レーザ光と、が形成する角度は、９０度以上であるレーザ加工装置。
2. 前記光照射部から前記ミラーに伝送される前記レーザ光の光軸と、前記ミラーで反射した前記レーザ光の光軸と、が形成する角度は、９０度以上である請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記角度は、９０度より大きく１８０度より小さい請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記反射面の形状は、放物面、双曲面または楕円面である請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
5. 前記反射面は、一端と、前記光照射部から前記ミラーに向かう第１方向における前記光照射部との距離が前記一端より近い他端と、を有し、
   前記第１方向において、前記反射面の一端は、前記反射面の他端と、前記ミラーで反射した前記レーザ光が集光する点と、の間に位置する請求項１〜４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
6. 前記光照射部の先端と、前記ミラーの反射面と、の間に設けられ、前記光照射部から伝送される前記レーザ光の広がり角を調整するレンズをさらに備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
7. 前記光照射部及び前記ミラーを内部に収納する筐体と、
   前記筐体に連結し、前記筐体の内部に液体を流す送液部と、
   をさらに備え、
   前記筐体内の前記光照射部の先端から前記ミラーの反射面の間に前記液体が流れる流路が形成され、
   前記流路内の液体の流れは、層流状態である請求項６記載のレーザ加工装置。

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