レーザ照射装置及びレーザ照射方法
【課題】被加工対象物内面との干渉可能性の増大を招くことなく、被加工対象部との距離を一定に保ちつつレーザ加工を実施することのできるレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供する。
【解決手段】レーザ光をレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射するレーザ光伝送機構と、レーザ光を集光する集光機構と、集光機構を内部に収容し保持するともにレーザ光を照射するための開口部を有する筒状の筐体と、流体を筐体内に供給し、開口部から噴出させる流体供給機構と、筺体に配設され、被加工物と当接されることによって集光機構と被加工物との距離を一定に保つ位置決め機構と、開口から噴出された流体が、筐体と被加工物との間を筐体の軸方向に沿って流れるようにガイドし、筐体と被加工物との間にエジェクター効果を発生させるための流体ガイド機構とを具備したレーザ照射装置。
【解決手段】レーザ光をレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射するレーザ光伝送機構と、レーザ光を集光する集光機構と、集光機構を内部に収容し保持するともにレーザ光を照射するための開口部を有する筒状の筐体と、流体を筐体内に供給し、開口部から噴出させる流体供給機構と、筺体に配設され、被加工物と当接されることによって集光機構と被加工物との距離を一定に保つ位置決め機構と、開口から噴出された流体が、筐体と被加工物との間を筐体の軸方向に沿って流れるようにガイドし、筐体と被加工物との間にエジェクター効果を発生させるための流体ガイド機構とを具備したレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射装置及びレーザ照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を配管形状の材料表面に照射して加工する技術については、例えば、レーザ光をパルスレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射する光ファイバを収納する光ファイバ収納筒と、この光ファイバ収納筒の先端部に設置され、内部に前記レーザ光出射部から所定の距離を隔てて配置した非球面形状の反射面を有する反射ミラーを収納し、かつ周面に反射レーザ光を照射点に照射するためのレーザ照射窓を設けたミラー収納筒とを有する照射装置と、レーザ光の照射点に清浄用液体を送る送液手段と、前記照射装置を軸線方向に移動させる移動装置を備えた装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この装置によれば、光ファイバから出射されたレーザ光を非球面反射ミラーによって反射し、集光して施工面に照射するので、レーザ光を集光するための集光レンズを照射装置に内蔵する必要がなく、その分照射装置の外径を細くすることができる。また、非球面ミラー収納筒と光ファイバ収納筒とを照射装置の同芯上に配置し、ミラー収納筒を回転駆動装置によりらせん状に回転させることで管内面にレーザ加工を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１３１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した装置において、らせん状に照射装置を移動させてレーザ加工を行うためには、被照射対象部位と非球面ミラーの位置を一定に保たなければならず、また、照射装置と被加工対象物とのクリアランスをレーザ光の焦点距離に応じたものにしなければ加工は成立しない。
【０００６】
上記のクリアランスを小さくすれば加工は行えるが、照射装置が被加工対象物内面と干渉して故障するリスクがある。一方、クリアランスが大きくすると回転時に振動等の影響により焦点裕度範囲外になってしまい加工ができない可能性がある。
【０００７】
本発明は上記従来の事情に対処してなされたもので、被加工対象物内面との干渉可能性の増大を招くことなく、被加工対象部との距離を一定に保ちつつレーザ加工を実施することのできるレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のレーザ照射装置の一態様は、レーザ光をレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射するレーザ光伝送機構と、前記レーザ光出射部から出射されたレーザ光を集光する集光機構と、前記集光機構を内部に収容し保持するともに、前記集光機構によって集光されたレーザ光を被加工物に照射するための開口部を有する筒状の筐体と、流体供給源からの流体を前記筐体内に供給し、前記開口部から噴出させる流体供給機構と、前記筺体に配設され、前記被加工物と当接されることによって前記集光機構と前記被加工物との距離を一定に保つ位置決め機構と、前記開口から噴出した流体が、前記筐体と前記被加工物との間を前記筐体の軸方向に沿って流れるようにガイドし、前記筐体と前記被加工物との間にエジェクター効果を発生させるための流体ガイド機構とを具備したことを特徴とする。
【０００９】
本発明のレーザ照射方法の一態様は、レーザ光をレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射するレーザ光伝送機構と、前記レーザ光出射部から出射されたレーザ光を集光する集光機構と、前記集光機構を内部に収容し保持するともに、前記集光機構によって集光されたレーザ光を被加工物に照射するための開口部を有する筒状の筐体と、流体供給源からの流体を前記筐体内に供給し、前記開口部から噴出させる流体供給機構と、前記筺体に配設され、前記被加工物と当接されることによって前記集光機構と前記被加工物との距離を一定に保つ位置決め機構と、前記開口から噴出した流体が、前記筐体と前記被加工物との間を前記筐体の軸方向に沿って流れるようにガイドする流体ガイド機構とを具備したレーザ照射装置を用い、前記流体供給機構から供給された流体を、前記筺体の開口部から噴出させ前記流体ガイド機構に沿った流体の流れを形成することによって前記筺体を前記被加工物にエジェクター効果によって吸着させ、吸着させた状態で前記被加工物にレーザ光を照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被加工対象物内面との干渉可能性の増大を招くことなく、被加工対象部との距離を一定に保ちつつレーザ加工を実施することのできるレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係るレーザ照射装置の構成を模式的に示す図。
【図２】レーザ光反射・集光機構の他の例の構成を示す図。
【図３】パイプ内面に対するレーザ照射の施工方法を説明するための図。
【図４】第２実施形態に係るレーザ照射装置の構成を模式的に示す図。
【図５】第３実施形態に係るレーザ照射装置の構成を模式的に示す図。
【図６】低圧タービン翼の構成を示す図。
【図７】低圧タービン翼のピン孔に対するレーザ照射の施工方法を説明するための図。
【図８】ＰＷＲの炉内計装筒に対するレーザ照射の施工方法を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明のレーザ照射装置及びレーザ照射方法の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るレーザ照射装置及びレーザ照射方法の実施形態の要部概略構成を模式的に示すものであり、図１（ａ）は側面側から見た構成を示し、図１（ｂ）は、下面側から見た構成を示している。
【００１４】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、図示しないレーザ発振器に接続されたレーザ光伝送機構としての光ファイバ１４の先端部は、筒状（本実施形態では円筒状）に形成された筺体１２に接続されている。また、筺体１２には、図示しない流体供給源に接続された管状の流体供給機構１３の先端が接続されている。筺体１２内には、レーザ光反射・集光機構としての非球面ミラー１１が収容され保持されている。
【００１５】
筺体１２の一方の面には、開口１８が形成されている。また、筺体１２の開口１８が形成された面の外側部分には、開口１８より先端側（図１中左側）に位置決め機構１９が配設され、開口１８より後端側（図１中右側）に流体ガイド機構１７が配設されている。
【００１６】
流体ガイド機構１７は、開口１８から噴出した流体１５（図中矢印で示す。）が、筐体１２と被加工物との間を筐体１２の軸方向に沿って流れるようにガイドし、筐体１２と被加工物との間にエジェクター効果を発生させるためのものである。本実施形態において、流体ガイド機構１７は、筺体１２の軸方向（長手方向）に沿って形成された溝によって構成されている。しかし、流体ガイド機構１７は、流体１５の流れをガイドしエジェクター効果を発生できるものであればよく、溝に限らず、例えば、筺体１２の軸方向に沿って平行するように形成された複数の堰などによって構成してもよい。
【００１７】
上記構成のレーザ照射装置において、図示しないレーザ発振器から照射されたレーザ光５１は、光ファイバ１４により伝送される。そして、光ファイバ１４の端部のレーザ光出射部から照射されたレーザ光５１は、非球面ミラー１１において反射、集光され、開口１８を通って被加工物１６の表面に照射される。
【００１８】
上記のように、レーザ光伝送機構としては、光ファイバ１４が一般的に用いられ、光ファイバ端部（レーザ光出射部）から照射されるレーザ光５１の広がり角は、用いる光ファイバ１４の種類によって規定される。例えば、材質が石英でコア径φ１．０ｍｍの光ファイバ１４を用いた場合、一般に開口数ＮＡ（Numerical Aperture）は０．２程度となる。この光ファイバ端面から照射されるレーザ光５１の開口数ＮＡに応じて、レーザ光反射・集光機構としての非球面ミラー１１の大きさ、光ファイバ端部（レーザ光出射部）から非球面ミラー１１までの距離、非球面ミラー１１から被加工物１６の被加工面までの距離が決定する。
【００１９】
レーザ光反射・集光機構としては、上記のように非球面ミラー１１を用いるのが好ましい。しかし、図２に示すように、レーザ光集光機構（レンズ等）４１とレーザ光反射機構（ミラー等）４２を組合せた構成のものでもよい。非球面ミラー１１を用いる場合、材質としては銅等の金属、石英、ＢＫ７等のガラス、等を用いるのが好ましく、非球面ミラー１１の表面に特定のレーザ光を反射するための反射膜を設けることによって、レーザ光による非球面ミラー１１へのダメージを軽減し、寿命を長期化することが可能となる。
【００２０】
また、レーザ光集光機構４１としては、石英、ＢＫ７等のガラス製の集光レンズを使用することができる。また、レーザ光反射機構４２としては、銅等の金属製の反射ミラー、石英やＢＫ７等のガラス製の反射ミラーを用いるのが好ましい。また、集光レンズには必要に応じて特定の波長のレーザ光を透過する反射防止膜を有するものを用いることで、反射光による光ファイバの損傷を防止することが可能となる。さらに、反射ミラーについては、特定の波長のレーザ光を反射するための反射膜を有するものを用いることで、ミラー本体へのダメージを軽減し、ミラーの寿命を長期化することが可能となる。
【００２１】
レーザ光反射・集光機構としての非球面ミラー１１は、筐体１２内に配設され、筐体１２により保持されている。また、レーザ光伝送機構としての光ファイバ１４は、管状の流体供給機構１３の内部に配設され保持されている。しかし、光ファイバ１４を筐体１２内部においても保持する構成としてもよい。筐体１２としては、円筒状の形状とすることが好ましいが、紡錘形状や多角形形状等としてもよい。また、筐体１２の大きさについては、被加工物１６がパイプ状でその内面に対して加工を行う場合は、パイプ内に入る大きさであればよい。
【００２２】
図１に示すように、開口１８からは、レーザ光５１だけでなく流体供給機構１３によって供給された流体１５が噴出される。流体１５は、流体供給機構１３の内部を、図１中右側から筐体１２に向けて流れ、非球面ミラー１１に衝突することによって図１（ａ）中下向きに流れの方向を変え、開口１８から噴出される。開口１８から噴出された流体１５は、筐体１２の外部に拡散していくが、流体１５の流れは流体ガイド機構１７によってガイドされ、筐体１２と被加工物１６との間を、筐体１２の長手方向（軸方向）に沿って流れる。
【００２３】
このように、流体１５が筐体１２と被加工物１６の間を流れることによって、筐体１２と被加工物１６との間と、周囲との間に圧力差を生じ、エジェクター効果により筐体１２が被加工物１６に引き付けられる。そして、筐体１２の先端側に配設された位置決め機構１９が被加工物１６に当接された状態となり、筐体１２と被加工物１６との距離、つまり、非球面ミラー１１と被加工物１６との距離が一定に保たれる。
【００２４】
なお、流体１５としては、レーザピーニングを行う場合には水等の液体を用いることが好ましく、レーザ溶接を行う場合にはＡｒ、Ｎ２等の不活性なガスを用いることが好ましく、レーザ切断を行う場合には酸素や空気等の支燃性ガスを用いることが好ましい。
【００２５】
エジェクター効果を用いて筐体１２を被加工物１６に引き付ける構成とした場合、筐体１２の動きに流体供給機構１３が追従するように、流体供給機構１３を、柔軟性を有する材料、例えば、ポリマー、エンジニアリングプラスチック、硬質ゴム、ガラス等によって構成し、屈曲可能とすることが好ましい。具体的には、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド(ナイロン)、ポリカーボネート、ポリアセタール、ＰＴＦＥ、ピーク材、エボナイト、フロートガラス、溶融石英などが挙げられるが、エジェクター効果による筐体１２の動きに追従可能な材質で、かつパイプ状に加工した際に内側に流体１５を流すことができるものであれば、この限りではない。
【００２６】
図３は、本実施形態のレーザ照射装置を用いて、パイプ状の部材からなる被加工物１６の内面に、レーザピーニングを施す例を示している。レーザピーニングの場合、図３に示すように、開口１８からレーザ光５１を照射するとともに、開口１８から流体１５として水を噴出する。
【００２７】
実施例として、パイプの内径がφ１０．０ｍｍに対して、筺体１２の外径がφ９．０ｍｍのレーザ照射装置を用いて実験を行った。この場合、筐体１２の開口１８から１．５〜１２．０ｌ/ｍｉｎの流量で水を噴出することにより、筐体１２等から構成されたレーザ照射装置を、エジェクター効果により被加工物１６の内面に引き付け、被加工物１６の内面と筐体１２（非球面ミラー１１）との距離を一定に保つことが可能であった。
【００２８】
また、パイプの内径がφ１５．０ｍｍ、筺体１２の外径がφ１４．５ｍｍの場合は、筐体１２の開口１８から４．５〜１６．０ｌ/ｍｉｎの流量で水を噴出することでエジェクター効果による吸着が可能であることを確認できた。このように、被施工対象物の形状、大きさに応じて、レーザ照射装置の筺体１２の形状と大きさ、及び、開口１８から噴出する流体１５の流量を変更することによって、エジェクター効果により、レーザ照射装置の筺体１２を位置決めすることが可能である。
【００２９】
筺体１２の開口１８から水流と同時にレーザ光５１を被加工物１６に照射した場合、レーザ光５１は光であり、反力を生じないため、エジェクター効果で筺体１２が被加工物１６に吸着する。これによって、重力の影響を受けずに上下左右いずれの姿勢においても被加工物１６と一定の距離を保ちながらレーザピーニング等の施工を行うことができる。なお、図３に示した例では、パイプ状の部材の内面に対してレーザ照射を行う場合について説明したが、被施工対象物はパイプ状のものに限らず、平板状のものでもよい。平板状の被施工対象物に対してレーザ照射を行う場合であっても、エジェクター効果による吸着が可能な位置関係にあれば筺体１２が被加工物１６に吸着され、筺体１２と被加工物１６との距離が一定に保たれる。
【００３０】
なお、上記の説明では、レーザピーニングを実施する場合について説明したが、光源としてＹＡＧレーザあるいはファイバレーザを用い、例えば、以下の条件で加工することにより、レーザ溶接に用いることができる。
レーザ発振器：ＹＡＧレーザ発振器またはファイバレーザ発振器
レーザ出力：２．０ｋＷ
スポット径：φ０．２ｍｍ
施工速度：１．０ｍ／ｍｉｎ
流体：窒素、アルゴン
流量：３０ｌ／ｍｉｎ
【００３１】
例えば、内径３０ｍｍ、板厚３ｍｍのステンレス製パイプの溶接を行う場合、レーザ照射を上記の条件で行い、流量３０ｌ/ｍｉｎでＡｒガスを流しながらレーザ照射装置を周方向に回転させながら溶接することで、パイプ内面からキーホール溶接を行うことができた。この場合、エジェクター効果を得るために必要な流体１５の流量となっているため、レーザ照射装置の筺体１２と被加工物１６との間の距離を一定に保つことができ、良好なレーザ溶接を行うことができた。
【００３２】
ここで、レーザ光伝送機構としての光ファイバ１４の端面の位置を、レーザ光反射・集光機構としての非球面ミラー１１から徐々に離していくと、キーホール溶接から熱伝導型の溶接ビード形状に変化する。このように、光ファイバ１４の端面の位置を移動させ、非球面ミラー１１からの距離を変更する機構を有することによって、必要な溶接ビード形状を得ることが可能となる。
【００３３】
また、上記のような溶接に用いるレーザ発振器を用い、例えば、以下のような条件で加工を実施することで、レーザ切断も行うことができる。
レーザ発振器：ＹＡＧレーザ発振器またはファイバレーザ発振器
レーザ出力：２．０ｋＷ
スポット径：φ０．３ｍｍ
施工速度：１．０ｍ／ｍｉｎ
流体：空気
流量：５０ｌ／ｍｉｎ
【００３４】
レーザ切断は、レーザ光を熱源として局部的に溶融させた金属を流体（アシストガス）により吹き飛ばすことにより達成される。上記のようにアシストガスとして圧縮空気を用いることにより、酸素で被施工物の溶融を加速し、その他の窒素等の圧力により溶融金属を吹き飛ばせば効果的な切断が可能となる。パイプ内面の切断においては、パイプの円周方向に移動させるようにすればエジェクター効果によりレーザ照射装置の筺体１２をパイプ内面に追従させながらパイプ切断を行うことが可能となる。また、流体として窒素を用いれば、切断面を酸化させずに切断することが可能となる。
【００３５】
また、窒素ガスを用いてレーザ溶接あるいはレーザ切断を行うことにより、レーザ照射により溶融した金属と窒素が反応し、窒化物を形成することが可能である。例えば、Ｔｉ合金の表面に熱伝導型の溶融池を形成するモードでレーザ溶接を行えば、冷却過程において表面にＴｉＮ層やＴｉＡｌＮ層が形成される。表面に窒化物層を形成することにより、表層の耐食性が向上し、適用する部材によっては寿命を延命化する効果が得られる。他にもＡｌ合金ではＡｌＮが形成される他、流体として酸素や空気を用いればＡｌ２Ｏ３層の形成も可能である。
【００３６】
次に、図４を参照して第２実施形態について説明する。なお、図１に示したレーザ照射装置と対応する部分には同一符号を付して重複した説明は省略する。第２実施形態に係るレーザ照射装置では、筺体１２の開口１８と対向する位置に、流体１５を外部に向けて噴出するための噴出口２０が配設されている。
【００３７】
このように構成された第２実施形態のレーザ照射装置では、レーザ照射ヘッドを構成する筺体１２が、パイプ状の被加工物１６内に配置され、その内面にレーザ照射を行う際に、流体供給機構１３から筐体１２に供給された流体１５は、開口１８から噴出されるとともに、噴出口２０からも噴出される。
【００３８】
開口１８から噴出された流体１５は、ガイド機構１７によってガイドされ、筐体１２と被加工物１６との間を、筐体１２の長手方向（軸方向）に沿って流れる。これによって、筐体１２と被加工物１６との間と、周囲との間に圧力差を生じ、エジェクター効果により筐体１２が被加工物１６に引き付けられる。そして、筐体１２の先端側に配設された位置決め機構１９が被加工物１６に当接された状態となる。
【００３９】
これに加えて、噴出口２０から被加工物１６の内壁に向けて噴出される流体１５によって、筺体１２を開口１８側（図４中下側）に押し付ける力が作用する。この押圧力と上記のエジェクター効果による吸引力とによって、筐体１２と被加工物１６との距離、つまり、非球面ミラー１１と被加工物１６との距離が、より安定的に一定に保たれる。なお、噴出口２０の大きさ、筐体１２と被加工物１６との距離、流体１５の流量を調整することによって、安定した位置決めを行うことができる。
【００４０】
次に、図５を参照して第３実施形態について説明する。なお、図１に示したレーザ照射装置と対応する部分には同一符号を付して重複した説明は省略する。図５に示すように、第３実施形態に係るレーザ照射装置では、流体供給機構１３が、第１流体供給機構３１と、第２流体供給機構３２と、これらを連結する連結機構３３とを具備する構成となっている。連結機構３３は、屈曲可能とされており、ベローズ構造又はゴムなどの伸縮性のある材質の管状部材から構成されている。
【００４１】
流体１５は、図中矢印で示すように流れるため、エジェクター効果により筐体１２と被加工物１６との間には引付力が発生するが、流体供給機構１３を構成する部材として、ステンレスパイプのように剛性のある材料を用いた場合には、筐体１２の動きが引付力に対して十分に追従しないことがあったり、また仮に引き付けられたとしても筐体１２が被加工物１６に対して平行にならずレーザ加工姿勢が取れなかったりと、必要な仕様が満たせない場合も考えられる。
【００４２】
そこで、第３実施形態では、流体供給機構１３を、第１流体供給機構３１と、第２流体供給機構３２と、これらを連結する屈曲可能な連結機構３３とを具備する構成とすることにより、仮に第１流体供給機構３１と、第２流体供給機構３２をステンレスパイプのように剛性の高い材料で構成した場合でも、連結機構３３が屈曲することによって、エジェクター効果で得られた引付力に応じて筐体１２が被加工物１６と水平になるように姿勢を保つことが可能となる。
【００４３】
次に、図６、７を参照して、フォーク型植込み部を有する低圧タービン翼及びディスクのピン孔内にレーザピーニングを施す場合について説明する。図６はフォーク型植込み部を有する低圧タービン翼の構成を示す図である。フォーク型植込み部を有する低圧タービン翼６１は、ディスク６２のフォークに挿入され、ピン６３で固定される構造となっている。
【００４４】
材質は、低圧タービン翼６１として例えば１２Ｃｒ鋼やチタン合金、ディスク６２の材料材として３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼、ピン６３の材料としては５ＣｒＭｏＶ鋼が挙げられる。ピン６３とピン孔の公差としては、ピン径に対して０．２〜０．６％が望ましいがその限りではない。
【００４５】
低圧タービン翼６１は、運転中に軸方向に遠心力を受けるため、応力集中が高い低圧タービン翼６１とディスク６２との結合部においては、起動停止に伴う低サイクル疲労、高い平均応力と腐食環境下での高サイクル疲労に対して十分な強度を有した構造でなければならない。
【００４６】
図７は、レーザ照射装置を用いて低圧タービン翼６１のピン孔表面にレーザピーニング施工を行う場合の構成を模式的に示す図である。レーザ発振器１０１から照射されたレーザ光５１は、レーザ光調整機構１０２において光ファイバに入射伝送可能な状態に調整され、集光レンズ１０３、反射ミラー１０４を介してレーザ光伝送機構としての光ファイバ１４に入射される。光ファイバ１４内に入射したレーザ光５１は、筺体１２内に固定されたレーザ光反射・集光機構としての非球面ミラー１１で反射され、集光されて低圧タービン翼６１のピン孔表面に照射される。レーザ発振器１０１としては、ジャイアントパルスＹＡＧレーザ発振器を好適に使用することができるが、パルスレーザを照射した際にプラズマが発生するようなエネルギーを発生することができるレーザ発振器であれば、他のレーザ発振器を用いてもよい。
【００４７】
内部に非球面ミラー１１が固定されるとともに開口１８を有する筐体１２は、流体供給機構１３を介して軸方向移動機構１１２と回転機構１１１に連結されている。また、流体供給機構１３には、送液機構１１０が接続されている。非球面ミラー１１からピン孔内面に照射されるレーザ光５１は、回転機構１１１及び軸方向移動機構１１２を用いて筺体１２を回転及び移動させることによって、ピン孔内面の所望の領域に照射できるようになっている。
【００４８】
上記レーザ照射の際、送液機構１１０から流体供給機構１３に供給され流体１５は、筐体１２の開口１８を介してピン孔内面に向けて噴出される。ピン孔内面に噴出された流体１５は、筐体１２に設けられた流体ガイド機構１７によってガイドされ筺体１２の長手方向（軸方向）に沿って流れる。この流体１５の流れによって、筐体１２はエジェクター効果を受け、ピン孔内面に引き付けられる。したがって、流体１５の流量を一定に保つことによって、筐体１２（非球面ミラー１１）とピン孔内面との距離を一定に保つことが可能となる。
【００４９】
レーザ光５１をピン孔内面に走査して照射する場合、例えば、軸方向移動機構１１２と回転機構１１１を同時に駆動することにより、スパイラル状の軌道を描くように、ピン孔内面にレーザ光５１を照射することができる。また、軸方向移動機構１１２、あるいは回転機構１１１のいずれか一方の駆動機構のみを駆動してレーザ光５１を照射し、必要な一定距離、例えばピン孔フォーク長さ分、あるいはピン孔一周分を施工した後に、他方の駆動機構を駆動して一定距離レーザ光５１の照射位置を移動させ、同様の動作を繰り返すことによって、ピン孔内面へのレーザ光５１の走査、照射を行うことができる。
【００５０】
送液機構１１０から送出する流体１５として水を用いることで、ピン孔内のレーザ光照射位置の近傍を清浄しながらレーザ光５１を照射することができる。また、送液機構１１０から送出する流体１５として、例えば、アルカリイオン水やアンモニア水といったアルカリ性の液体を用いることにより、タービン動翼６１やディスク６２に錆が発生することを防止することができる。
【００５１】
レーザ発振器１０１から射出されたレーザ光５１を反射して光ファイバ１４に入射させるための反射ミラー１０４として、表面にレーザ光を反射するコーティングを施したものを用いれば、レーザ発振器１０１から射出されたレーザ光５１のエネルギーの大部分を光ファイバ１４に入射することができる。しかし、コーティングの種類を変え、例えば、レーザ光５１を数％透過するコーティングを施したものを用いることによって、光ファイバ１４に入射するレーザ光５１のエネルギーを調整することができる。例えば、レーザ光５１の出力が１００ｍＪ／パルスの場合、９９％反射して１％透過するコーティングを施した反射ミラー１０４を用いれば、光ファイバ１４に９９ｍＪ／パルスが入射し、１ｍＪ／パルスが透過することになる。
【００５２】
光ファイバ１４内に入射したレーザ光５１は、光ファイバ１４内を伝播して出射端より出射されるが、実際には光ファイバ１４の入射端面で反射するため１００％は伝播されない。例えば、石英製の光ファイバ１４では端面で約３．５％反射されることが知られている。上記のように、反射ミラー１０４に意図的に数％のレーザ光が透過するようなコーティングを施した場合、光ファイバ１４の端面で反射したレーザ光５１の一部は反射ミラー１０４を透過して裏面へと抜けていく。
【００５３】
ここで、光ファイバ１４、反射ミラー１０４を抜けてきたレーザ光５１について、集光レンズ１１３を介して画像データ収集機構１１４に取り込む構成とすることで、光ファイバ１４端面から反射されたレーザ光の状態を観察することが可能となる。画像データ収集機構１１４としては、ＣＣＤカメラなど映像情報が得られるものを用いればよい。またゲートＩＣＣＤカメラを用いれば、時間分解機能によりレーザ光５１が光ファイバ１４内部を伝播する時間を加算した画像データを得ることで光ファイバ１４の出射端における状態も確認することが可能となる。このような機能を活用すれば、レーザ照射中の光ファイバ１４とレーザ光５１の状況に関する情報をリアルタイムに得ることができ、装置の健全性が確認することができる。
【００５４】
上述のように、レーザ照射装置を用いてフォーク型植込み部を有する低圧タービン翼ピン孔内面に対してレーザピーニングを行うことにより、表層から深さ方向に対して０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ程度の圧縮残留応力が付与された状態とすることができ、運転時にピン孔内面にかかる引張残留応力が抑えられ、応力腐食割れの発生を抑制することができる。
【００５５】
次に、図８を参照してレーザ照射装置によりＰＷＲプラントの炉内計装筒（ＢＭＩ：Bottom Mounted Instruments）の内面にレーザピーニングを施す場合について説明する。図８（ａ）は、配管形状を有し、ＰＷＲプラントの炉底部７２を貫通するように配設された炉内計装筒（ＢＭＩ：Bottom Mounted Instruments）７１の構成を模式的に示す図である。このような炉内計装筒７１の内面にレーザピーニングを施す場合には、図８（ｂ）に示すように、内部に非球面ミラー１１を収容した筺体（照射ヘッド）１２を炉内計装筒７１内に配置する。そして、光ファイバ１４によって伝送されたレーザ光を非球面ミラー１１で反射させ、集光して炉内計装筒７１の内面に照射する。
【００５６】
また、流体供給機構３１によって筺体１２内に供給された水等の流体１５を、筺体１２に配設された開口１８から噴出させる。筺体１２と炉内計装筒７１の内面との間に噴出した流体１５は、筺体１２に設けられた流体ガイド機構１７によってガイドされ筺体１２の長手方向（軸方向）に沿って流れる。この流体１５の流れによって、筺体１２はエジェクター効果を受け、炉内計装筒７１の内面に引き付けられる。したがって、流体１５の流量を一定に保つことによって、筺体１２（非球面ミラー１１）と炉内計装筒７１の内面との距離を一定に保つことが可能となる。
【００５７】
以上、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。
【符号の説明】
【００５８】
１１……非球面ミラー（レーザ光反射・集光機構）、１２……筺体、１３……流体供給機構、１４……光ファイバ（レーザ光伝送機構）、１５……流体、１６……被加工物、１７……流体ガイド機構、１８……開口、１９……位置決め機構、５１……レーザ光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射装置及びレーザ照射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を配管形状の材料表面に照射して加工する技術については、例えば、レーザ光をパルスレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射する光ファイバを収納する光ファイバ収納筒と、この光ファイバ収納筒の先端部に設置され、内部に前記レーザ光出射部から所定の距離を隔てて配置した非球面形状の反射面を有する反射ミラーを収納し、かつ周面に反射レーザ光を照射点に照射するためのレーザ照射窓を設けたミラー収納筒とを有する照射装置と、レーザ光の照射点に清浄用液体を送る送液手段と、前記照射装置を軸線方向に移動させる移動装置を備えた装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この装置によれば、光ファイバから出射されたレーザ光を非球面反射ミラーによって反射し、集光して施工面に照射するので、レーザ光を集光するための集光レンズを照射装置に内蔵する必要がなく、その分照射装置の外径を細くすることができる。また、非球面ミラー収納筒と光ファイバ収納筒とを照射装置の同芯上に配置し、ミラー収納筒を回転駆動装置によりらせん状に回転させることで管内面にレーザ加工を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１３１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した装置において、らせん状に照射装置を移動させてレーザ加工を行うためには、被照射対象部位と非球面ミラーの位置を一定に保たなければならず、また、照射装置と被加工対象物とのクリアランスをレーザ光の焦点距離に応じたものにしなければ加工は成立しない。
【０００６】
上記のクリアランスを小さくすれば加工は行えるが、照射装置が被加工対象物内面と干渉して故障するリスクがある。一方、クリアランスが大きくすると回転時に振動等の影響により焦点裕度範囲外になってしまい加工ができない可能性がある。
【０００７】
本発明は上記従来の事情に対処してなされたもので、被加工対象物内面との干渉可能性の増大を招くことなく、被加工対象部との距離を一定に保ちつつレーザ加工を実施することのできるレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のレーザ照射装置の一態様は、レーザ光をレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射するレーザ光伝送機構と、前記レーザ光出射部から出射されたレーザ光を集光する集光機構と、前記集光機構を内部に収容し保持するともに、前記集光機構によって集光されたレーザ光を被加工物に照射するための開口部を有する筒状の筐体と、流体供給源からの流体を前記筐体内に供給し、前記開口部から噴出させる流体供給機構と、前記筺体に配設され、前記被加工物と当接されることによって前記集光機構と前記被加工物との距離を一定に保つ位置決め機構と、前記開口から噴出した流体が、前記筐体と前記被加工物との間を前記筐体の軸方向に沿って流れるようにガイドし、前記筐体と前記被加工物との間にエジェクター効果を発生させるための流体ガイド機構とを具備したことを特徴とする。
【０００９】
本発明のレーザ照射方法の一態様は、レーザ光をレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射するレーザ光伝送機構と、前記レーザ光出射部から出射されたレーザ光を集光する集光機構と、前記集光機構を内部に収容し保持するともに、前記集光機構によって集光されたレーザ光を被加工物に照射するための開口部を有する筒状の筐体と、流体供給源からの流体を前記筐体内に供給し、前記開口部から噴出させる流体供給機構と、前記筺体に配設され、前記被加工物と当接されることによって前記集光機構と前記被加工物との距離を一定に保つ位置決め機構と、前記開口から噴出した流体が、前記筐体と前記被加工物との間を前記筐体の軸方向に沿って流れるようにガイドする流体ガイド機構とを具備したレーザ照射装置を用い、前記流体供給機構から供給された流体を、前記筺体の開口部から噴出させ前記流体ガイド機構に沿った流体の流れを形成することによって前記筺体を前記被加工物にエジェクター効果によって吸着させ、吸着させた状態で前記被加工物にレーザ光を照射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被加工対象物内面との干渉可能性の増大を招くことなく、被加工対象部との距離を一定に保ちつつレーザ加工を実施することのできるレーザ照射装置及びレーザ照射方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係るレーザ照射装置の構成を模式的に示す図。
【図２】レーザ光反射・集光機構の他の例の構成を示す図。
【図３】パイプ内面に対するレーザ照射の施工方法を説明するための図。
【図４】第２実施形態に係るレーザ照射装置の構成を模式的に示す図。
【図５】第３実施形態に係るレーザ照射装置の構成を模式的に示す図。
【図６】低圧タービン翼の構成を示す図。
【図７】低圧タービン翼のピン孔に対するレーザ照射の施工方法を説明するための図。
【図８】ＰＷＲの炉内計装筒に対するレーザ照射の施工方法を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明のレーザ照射装置及びレーザ照射方法の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るレーザ照射装置及びレーザ照射方法の実施形態の要部概略構成を模式的に示すものであり、図１（ａ）は側面側から見た構成を示し、図１（ｂ）は、下面側から見た構成を示している。
【００１４】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、図示しないレーザ発振器に接続されたレーザ光伝送機構としての光ファイバ１４の先端部は、筒状（本実施形態では円筒状）に形成された筺体１２に接続されている。また、筺体１２には、図示しない流体供給源に接続された管状の流体供給機構１３の先端が接続されている。筺体１２内には、レーザ光反射・集光機構としての非球面ミラー１１が収容され保持されている。
【００１５】
筺体１２の一方の面には、開口１８が形成されている。また、筺体１２の開口１８が形成された面の外側部分には、開口１８より先端側（図１中左側）に位置決め機構１９が配設され、開口１８より後端側（図１中右側）に流体ガイド機構１７が配設されている。
【００１６】
流体ガイド機構１７は、開口１８から噴出した流体１５（図中矢印で示す。）が、筐体１２と被加工物との間を筐体１２の軸方向に沿って流れるようにガイドし、筐体１２と被加工物との間にエジェクター効果を発生させるためのものである。本実施形態において、流体ガイド機構１７は、筺体１２の軸方向（長手方向）に沿って形成された溝によって構成されている。しかし、流体ガイド機構１７は、流体１５の流れをガイドしエジェクター効果を発生できるものであればよく、溝に限らず、例えば、筺体１２の軸方向に沿って平行するように形成された複数の堰などによって構成してもよい。
【００１７】
上記構成のレーザ照射装置において、図示しないレーザ発振器から照射されたレーザ光５１は、光ファイバ１４により伝送される。そして、光ファイバ１４の端部のレーザ光出射部から照射されたレーザ光５１は、非球面ミラー１１において反射、集光され、開口１８を通って被加工物１６の表面に照射される。
【００１８】
上記のように、レーザ光伝送機構としては、光ファイバ１４が一般的に用いられ、光ファイバ端部（レーザ光出射部）から照射されるレーザ光５１の広がり角は、用いる光ファイバ１４の種類によって規定される。例えば、材質が石英でコア径φ１．０ｍｍの光ファイバ１４を用いた場合、一般に開口数ＮＡ（Numerical Aperture）は０．２程度となる。この光ファイバ端面から照射されるレーザ光５１の開口数ＮＡに応じて、レーザ光反射・集光機構としての非球面ミラー１１の大きさ、光ファイバ端部（レーザ光出射部）から非球面ミラー１１までの距離、非球面ミラー１１から被加工物１６の被加工面までの距離が決定する。
【００１９】
レーザ光反射・集光機構としては、上記のように非球面ミラー１１を用いるのが好ましい。しかし、図２に示すように、レーザ光集光機構（レンズ等）４１とレーザ光反射機構（ミラー等）４２を組合せた構成のものでもよい。非球面ミラー１１を用いる場合、材質としては銅等の金属、石英、ＢＫ７等のガラス、等を用いるのが好ましく、非球面ミラー１１の表面に特定のレーザ光を反射するための反射膜を設けることによって、レーザ光による非球面ミラー１１へのダメージを軽減し、寿命を長期化することが可能となる。
【００２０】
また、レーザ光集光機構４１としては、石英、ＢＫ７等のガラス製の集光レンズを使用することができる。また、レーザ光反射機構４２としては、銅等の金属製の反射ミラー、石英やＢＫ７等のガラス製の反射ミラーを用いるのが好ましい。また、集光レンズには必要に応じて特定の波長のレーザ光を透過する反射防止膜を有するものを用いることで、反射光による光ファイバの損傷を防止することが可能となる。さらに、反射ミラーについては、特定の波長のレーザ光を反射するための反射膜を有するものを用いることで、ミラー本体へのダメージを軽減し、ミラーの寿命を長期化することが可能となる。
【００２１】
レーザ光反射・集光機構としての非球面ミラー１１は、筐体１２内に配設され、筐体１２により保持されている。また、レーザ光伝送機構としての光ファイバ１４は、管状の流体供給機構１３の内部に配設され保持されている。しかし、光ファイバ１４を筐体１２内部においても保持する構成としてもよい。筐体１２としては、円筒状の形状とすることが好ましいが、紡錘形状や多角形形状等としてもよい。また、筐体１２の大きさについては、被加工物１６がパイプ状でその内面に対して加工を行う場合は、パイプ内に入る大きさであればよい。
【００２２】
図１に示すように、開口１８からは、レーザ光５１だけでなく流体供給機構１３によって供給された流体１５が噴出される。流体１５は、流体供給機構１３の内部を、図１中右側から筐体１２に向けて流れ、非球面ミラー１１に衝突することによって図１（ａ）中下向きに流れの方向を変え、開口１８から噴出される。開口１８から噴出された流体１５は、筐体１２の外部に拡散していくが、流体１５の流れは流体ガイド機構１７によってガイドされ、筐体１２と被加工物１６との間を、筐体１２の長手方向（軸方向）に沿って流れる。
【００２３】
このように、流体１５が筐体１２と被加工物１６の間を流れることによって、筐体１２と被加工物１６との間と、周囲との間に圧力差を生じ、エジェクター効果により筐体１２が被加工物１６に引き付けられる。そして、筐体１２の先端側に配設された位置決め機構１９が被加工物１６に当接された状態となり、筐体１２と被加工物１６との距離、つまり、非球面ミラー１１と被加工物１６との距離が一定に保たれる。
【００２４】
なお、流体１５としては、レーザピーニングを行う場合には水等の液体を用いることが好ましく、レーザ溶接を行う場合にはＡｒ、Ｎ２等の不活性なガスを用いることが好ましく、レーザ切断を行う場合には酸素や空気等の支燃性ガスを用いることが好ましい。
【００２５】
エジェクター効果を用いて筐体１２を被加工物１６に引き付ける構成とした場合、筐体１２の動きに流体供給機構１３が追従するように、流体供給機構１３を、柔軟性を有する材料、例えば、ポリマー、エンジニアリングプラスチック、硬質ゴム、ガラス等によって構成し、屈曲可能とすることが好ましい。具体的には、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド(ナイロン)、ポリカーボネート、ポリアセタール、ＰＴＦＥ、ピーク材、エボナイト、フロートガラス、溶融石英などが挙げられるが、エジェクター効果による筐体１２の動きに追従可能な材質で、かつパイプ状に加工した際に内側に流体１５を流すことができるものであれば、この限りではない。
【００２６】
図３は、本実施形態のレーザ照射装置を用いて、パイプ状の部材からなる被加工物１６の内面に、レーザピーニングを施す例を示している。レーザピーニングの場合、図３に示すように、開口１８からレーザ光５１を照射するとともに、開口１８から流体１５として水を噴出する。
【００２７】
実施例として、パイプの内径がφ１０．０ｍｍに対して、筺体１２の外径がφ９．０ｍｍのレーザ照射装置を用いて実験を行った。この場合、筐体１２の開口１８から１．５〜１２．０ｌ/ｍｉｎの流量で水を噴出することにより、筐体１２等から構成されたレーザ照射装置を、エジェクター効果により被加工物１６の内面に引き付け、被加工物１６の内面と筐体１２（非球面ミラー１１）との距離を一定に保つことが可能であった。
【００２８】
また、パイプの内径がφ１５．０ｍｍ、筺体１２の外径がφ１４．５ｍｍの場合は、筐体１２の開口１８から４．５〜１６．０ｌ/ｍｉｎの流量で水を噴出することでエジェクター効果による吸着が可能であることを確認できた。このように、被施工対象物の形状、大きさに応じて、レーザ照射装置の筺体１２の形状と大きさ、及び、開口１８から噴出する流体１５の流量を変更することによって、エジェクター効果により、レーザ照射装置の筺体１２を位置決めすることが可能である。
【００２９】
筺体１２の開口１８から水流と同時にレーザ光５１を被加工物１６に照射した場合、レーザ光５１は光であり、反力を生じないため、エジェクター効果で筺体１２が被加工物１６に吸着する。これによって、重力の影響を受けずに上下左右いずれの姿勢においても被加工物１６と一定の距離を保ちながらレーザピーニング等の施工を行うことができる。なお、図３に示した例では、パイプ状の部材の内面に対してレーザ照射を行う場合について説明したが、被施工対象物はパイプ状のものに限らず、平板状のものでもよい。平板状の被施工対象物に対してレーザ照射を行う場合であっても、エジェクター効果による吸着が可能な位置関係にあれば筺体１２が被加工物１６に吸着され、筺体１２と被加工物１６との距離が一定に保たれる。
【００３０】
なお、上記の説明では、レーザピーニングを実施する場合について説明したが、光源としてＹＡＧレーザあるいはファイバレーザを用い、例えば、以下の条件で加工することにより、レーザ溶接に用いることができる。
レーザ発振器：ＹＡＧレーザ発振器またはファイバレーザ発振器
レーザ出力：２．０ｋＷ
スポット径：φ０．２ｍｍ
施工速度：１．０ｍ／ｍｉｎ
流体：窒素、アルゴン
流量：３０ｌ／ｍｉｎ
【００３１】
例えば、内径３０ｍｍ、板厚３ｍｍのステンレス製パイプの溶接を行う場合、レーザ照射を上記の条件で行い、流量３０ｌ/ｍｉｎでＡｒガスを流しながらレーザ照射装置を周方向に回転させながら溶接することで、パイプ内面からキーホール溶接を行うことができた。この場合、エジェクター効果を得るために必要な流体１５の流量となっているため、レーザ照射装置の筺体１２と被加工物１６との間の距離を一定に保つことができ、良好なレーザ溶接を行うことができた。
【００３２】
ここで、レーザ光伝送機構としての光ファイバ１４の端面の位置を、レーザ光反射・集光機構としての非球面ミラー１１から徐々に離していくと、キーホール溶接から熱伝導型の溶接ビード形状に変化する。このように、光ファイバ１４の端面の位置を移動させ、非球面ミラー１１からの距離を変更する機構を有することによって、必要な溶接ビード形状を得ることが可能となる。
【００３３】
また、上記のような溶接に用いるレーザ発振器を用い、例えば、以下のような条件で加工を実施することで、レーザ切断も行うことができる。
レーザ発振器：ＹＡＧレーザ発振器またはファイバレーザ発振器
レーザ出力：２．０ｋＷ
スポット径：φ０．３ｍｍ
施工速度：１．０ｍ／ｍｉｎ
流体：空気
流量：５０ｌ／ｍｉｎ
【００３４】
レーザ切断は、レーザ光を熱源として局部的に溶融させた金属を流体（アシストガス）により吹き飛ばすことにより達成される。上記のようにアシストガスとして圧縮空気を用いることにより、酸素で被施工物の溶融を加速し、その他の窒素等の圧力により溶融金属を吹き飛ばせば効果的な切断が可能となる。パイプ内面の切断においては、パイプの円周方向に移動させるようにすればエジェクター効果によりレーザ照射装置の筺体１２をパイプ内面に追従させながらパイプ切断を行うことが可能となる。また、流体として窒素を用いれば、切断面を酸化させずに切断することが可能となる。
【００３５】
また、窒素ガスを用いてレーザ溶接あるいはレーザ切断を行うことにより、レーザ照射により溶融した金属と窒素が反応し、窒化物を形成することが可能である。例えば、Ｔｉ合金の表面に熱伝導型の溶融池を形成するモードでレーザ溶接を行えば、冷却過程において表面にＴｉＮ層やＴｉＡｌＮ層が形成される。表面に窒化物層を形成することにより、表層の耐食性が向上し、適用する部材によっては寿命を延命化する効果が得られる。他にもＡｌ合金ではＡｌＮが形成される他、流体として酸素や空気を用いればＡｌ２Ｏ３層の形成も可能である。
【００３６】
次に、図４を参照して第２実施形態について説明する。なお、図１に示したレーザ照射装置と対応する部分には同一符号を付して重複した説明は省略する。第２実施形態に係るレーザ照射装置では、筺体１２の開口１８と対向する位置に、流体１５を外部に向けて噴出するための噴出口２０が配設されている。
【００３７】
このように構成された第２実施形態のレーザ照射装置では、レーザ照射ヘッドを構成する筺体１２が、パイプ状の被加工物１６内に配置され、その内面にレーザ照射を行う際に、流体供給機構１３から筐体１２に供給された流体１５は、開口１８から噴出されるとともに、噴出口２０からも噴出される。
【００３８】
開口１８から噴出された流体１５は、ガイド機構１７によってガイドされ、筐体１２と被加工物１６との間を、筐体１２の長手方向（軸方向）に沿って流れる。これによって、筐体１２と被加工物１６との間と、周囲との間に圧力差を生じ、エジェクター効果により筐体１２が被加工物１６に引き付けられる。そして、筐体１２の先端側に配設された位置決め機構１９が被加工物１６に当接された状態となる。
【００３９】
これに加えて、噴出口２０から被加工物１６の内壁に向けて噴出される流体１５によって、筺体１２を開口１８側（図４中下側）に押し付ける力が作用する。この押圧力と上記のエジェクター効果による吸引力とによって、筐体１２と被加工物１６との距離、つまり、非球面ミラー１１と被加工物１６との距離が、より安定的に一定に保たれる。なお、噴出口２０の大きさ、筐体１２と被加工物１６との距離、流体１５の流量を調整することによって、安定した位置決めを行うことができる。
【００４０】
次に、図５を参照して第３実施形態について説明する。なお、図１に示したレーザ照射装置と対応する部分には同一符号を付して重複した説明は省略する。図５に示すように、第３実施形態に係るレーザ照射装置では、流体供給機構１３が、第１流体供給機構３１と、第２流体供給機構３２と、これらを連結する連結機構３３とを具備する構成となっている。連結機構３３は、屈曲可能とされており、ベローズ構造又はゴムなどの伸縮性のある材質の管状部材から構成されている。
【００４１】
流体１５は、図中矢印で示すように流れるため、エジェクター効果により筐体１２と被加工物１６との間には引付力が発生するが、流体供給機構１３を構成する部材として、ステンレスパイプのように剛性のある材料を用いた場合には、筐体１２の動きが引付力に対して十分に追従しないことがあったり、また仮に引き付けられたとしても筐体１２が被加工物１６に対して平行にならずレーザ加工姿勢が取れなかったりと、必要な仕様が満たせない場合も考えられる。
【００４２】
そこで、第３実施形態では、流体供給機構１３を、第１流体供給機構３１と、第２流体供給機構３２と、これらを連結する屈曲可能な連結機構３３とを具備する構成とすることにより、仮に第１流体供給機構３１と、第２流体供給機構３２をステンレスパイプのように剛性の高い材料で構成した場合でも、連結機構３３が屈曲することによって、エジェクター効果で得られた引付力に応じて筐体１２が被加工物１６と水平になるように姿勢を保つことが可能となる。
【００４３】
次に、図６、７を参照して、フォーク型植込み部を有する低圧タービン翼及びディスクのピン孔内にレーザピーニングを施す場合について説明する。図６はフォーク型植込み部を有する低圧タービン翼の構成を示す図である。フォーク型植込み部を有する低圧タービン翼６１は、ディスク６２のフォークに挿入され、ピン６３で固定される構造となっている。
【００４４】
材質は、低圧タービン翼６１として例えば１２Ｃｒ鋼やチタン合金、ディスク６２の材料材として３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼、ピン６３の材料としては５ＣｒＭｏＶ鋼が挙げられる。ピン６３とピン孔の公差としては、ピン径に対して０．２〜０．６％が望ましいがその限りではない。
【００４５】
低圧タービン翼６１は、運転中に軸方向に遠心力を受けるため、応力集中が高い低圧タービン翼６１とディスク６２との結合部においては、起動停止に伴う低サイクル疲労、高い平均応力と腐食環境下での高サイクル疲労に対して十分な強度を有した構造でなければならない。
【００４６】
図７は、レーザ照射装置を用いて低圧タービン翼６１のピン孔表面にレーザピーニング施工を行う場合の構成を模式的に示す図である。レーザ発振器１０１から照射されたレーザ光５１は、レーザ光調整機構１０２において光ファイバに入射伝送可能な状態に調整され、集光レンズ１０３、反射ミラー１０４を介してレーザ光伝送機構としての光ファイバ１４に入射される。光ファイバ１４内に入射したレーザ光５１は、筺体１２内に固定されたレーザ光反射・集光機構としての非球面ミラー１１で反射され、集光されて低圧タービン翼６１のピン孔表面に照射される。レーザ発振器１０１としては、ジャイアントパルスＹＡＧレーザ発振器を好適に使用することができるが、パルスレーザを照射した際にプラズマが発生するようなエネルギーを発生することができるレーザ発振器であれば、他のレーザ発振器を用いてもよい。
【００４７】
内部に非球面ミラー１１が固定されるとともに開口１８を有する筐体１２は、流体供給機構１３を介して軸方向移動機構１１２と回転機構１１１に連結されている。また、流体供給機構１３には、送液機構１１０が接続されている。非球面ミラー１１からピン孔内面に照射されるレーザ光５１は、回転機構１１１及び軸方向移動機構１１２を用いて筺体１２を回転及び移動させることによって、ピン孔内面の所望の領域に照射できるようになっている。
【００４８】
上記レーザ照射の際、送液機構１１０から流体供給機構１３に供給され流体１５は、筐体１２の開口１８を介してピン孔内面に向けて噴出される。ピン孔内面に噴出された流体１５は、筐体１２に設けられた流体ガイド機構１７によってガイドされ筺体１２の長手方向（軸方向）に沿って流れる。この流体１５の流れによって、筐体１２はエジェクター効果を受け、ピン孔内面に引き付けられる。したがって、流体１５の流量を一定に保つことによって、筐体１２（非球面ミラー１１）とピン孔内面との距離を一定に保つことが可能となる。
【００４９】
レーザ光５１をピン孔内面に走査して照射する場合、例えば、軸方向移動機構１１２と回転機構１１１を同時に駆動することにより、スパイラル状の軌道を描くように、ピン孔内面にレーザ光５１を照射することができる。また、軸方向移動機構１１２、あるいは回転機構１１１のいずれか一方の駆動機構のみを駆動してレーザ光５１を照射し、必要な一定距離、例えばピン孔フォーク長さ分、あるいはピン孔一周分を施工した後に、他方の駆動機構を駆動して一定距離レーザ光５１の照射位置を移動させ、同様の動作を繰り返すことによって、ピン孔内面へのレーザ光５１の走査、照射を行うことができる。
【００５０】
送液機構１１０から送出する流体１５として水を用いることで、ピン孔内のレーザ光照射位置の近傍を清浄しながらレーザ光５１を照射することができる。また、送液機構１１０から送出する流体１５として、例えば、アルカリイオン水やアンモニア水といったアルカリ性の液体を用いることにより、タービン動翼６１やディスク６２に錆が発生することを防止することができる。
【００５１】
レーザ発振器１０１から射出されたレーザ光５１を反射して光ファイバ１４に入射させるための反射ミラー１０４として、表面にレーザ光を反射するコーティングを施したものを用いれば、レーザ発振器１０１から射出されたレーザ光５１のエネルギーの大部分を光ファイバ１４に入射することができる。しかし、コーティングの種類を変え、例えば、レーザ光５１を数％透過するコーティングを施したものを用いることによって、光ファイバ１４に入射するレーザ光５１のエネルギーを調整することができる。例えば、レーザ光５１の出力が１００ｍＪ／パルスの場合、９９％反射して１％透過するコーティングを施した反射ミラー１０４を用いれば、光ファイバ１４に９９ｍＪ／パルスが入射し、１ｍＪ／パルスが透過することになる。
【００５２】
光ファイバ１４内に入射したレーザ光５１は、光ファイバ１４内を伝播して出射端より出射されるが、実際には光ファイバ１４の入射端面で反射するため１００％は伝播されない。例えば、石英製の光ファイバ１４では端面で約３．５％反射されることが知られている。上記のように、反射ミラー１０４に意図的に数％のレーザ光が透過するようなコーティングを施した場合、光ファイバ１４の端面で反射したレーザ光５１の一部は反射ミラー１０４を透過して裏面へと抜けていく。
【００５３】
ここで、光ファイバ１４、反射ミラー１０４を抜けてきたレーザ光５１について、集光レンズ１１３を介して画像データ収集機構１１４に取り込む構成とすることで、光ファイバ１４端面から反射されたレーザ光の状態を観察することが可能となる。画像データ収集機構１１４としては、ＣＣＤカメラなど映像情報が得られるものを用いればよい。またゲートＩＣＣＤカメラを用いれば、時間分解機能によりレーザ光５１が光ファイバ１４内部を伝播する時間を加算した画像データを得ることで光ファイバ１４の出射端における状態も確認することが可能となる。このような機能を活用すれば、レーザ照射中の光ファイバ１４とレーザ光５１の状況に関する情報をリアルタイムに得ることができ、装置の健全性が確認することができる。
【００５４】
上述のように、レーザ照射装置を用いてフォーク型植込み部を有する低圧タービン翼ピン孔内面に対してレーザピーニングを行うことにより、表層から深さ方向に対して０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ程度の圧縮残留応力が付与された状態とすることができ、運転時にピン孔内面にかかる引張残留応力が抑えられ、応力腐食割れの発生を抑制することができる。
【００５５】
次に、図８を参照してレーザ照射装置によりＰＷＲプラントの炉内計装筒（ＢＭＩ：Bottom Mounted Instruments）の内面にレーザピーニングを施す場合について説明する。図８（ａ）は、配管形状を有し、ＰＷＲプラントの炉底部７２を貫通するように配設された炉内計装筒（ＢＭＩ：Bottom Mounted Instruments）７１の構成を模式的に示す図である。このような炉内計装筒７１の内面にレーザピーニングを施す場合には、図８（ｂ）に示すように、内部に非球面ミラー１１を収容した筺体（照射ヘッド）１２を炉内計装筒７１内に配置する。そして、光ファイバ１４によって伝送されたレーザ光を非球面ミラー１１で反射させ、集光して炉内計装筒７１の内面に照射する。
【００５６】
また、流体供給機構３１によって筺体１２内に供給された水等の流体１５を、筺体１２に配設された開口１８から噴出させる。筺体１２と炉内計装筒７１の内面との間に噴出した流体１５は、筺体１２に設けられた流体ガイド機構１７によってガイドされ筺体１２の長手方向（軸方向）に沿って流れる。この流体１５の流れによって、筺体１２はエジェクター効果を受け、炉内計装筒７１の内面に引き付けられる。したがって、流体１５の流量を一定に保つことによって、筺体１２（非球面ミラー１１）と炉内計装筒７１の内面との距離を一定に保つことが可能となる。
【００５７】
以上、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。
【符号の説明】
【００５８】
１１……非球面ミラー（レーザ光反射・集光機構）、１２……筺体、１３……流体供給機構、１４……光ファイバ（レーザ光伝送機構）、１５……流体、１６……被加工物、１７……流体ガイド機構、１８……開口、１９……位置決め機構、５１……レーザ光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光をレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射するレーザ光伝送機構と、
前記レーザ光出射部から出射されたレーザ光を集光する集光機構と、
前記集光機構を内部に収容し保持するともに、前記集光機構によって集光されたレーザ光を被加工物に照射するための開口部を有する筒状の筐体と、
流体供給源からの流体を前記筐体内に供給し、前記開口部から噴出させる流体供給機構と、
前記筺体に配設され、前記被加工物と当接されることによって前記集光機構と前記被加工物との距離を一定に保つ位置決め機構と、
前記開口から噴出した流体が、前記筐体と前記被加工物との間を前記筐体の軸方向に沿って流れるようにガイドし、前記筐体と前記被加工物との間にエジェクター効果を発生させるための流体ガイド機構と
を具備したことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ照射装置であって、
前記流体ガイド機構は、前記筺体に配設された溝、又は、前記筺体に間隔を設けて平行するように配設された複数の堰によって構成されたことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のレーザ照射装置であって、
前記筺体の前記開口部とは対向する側に、前記流体供給機構によって供給された流体を噴出するための噴出口が配設されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載のレーザ照射装置であって、
前記レーザ光伝送機構は、前記レーザ光出射部の前記集光機構に対する位置を変更可能とされていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載のレーザ照射装置であって、
前記流体供給機構が、屈曲可能な管状体を通じて流体を供給するよう構成されたことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載のレーザ照射装置であって、
前記流体供給機構が、内部に流体が流通される第1環状部材と、内部に流体が流通される第２環状部材と、前記第1環状部材と前記第２環状部材とを連結する連結機構とを有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項７】
請求項１〜６いずれか１項記載のレーザ照射装置であって、
前記レーザ光伝送機構の手前に配設され、前記レーザ光伝送機構を介して伝送される反射光をモニターするための機構を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項８】
レーザ光をレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射するレーザ光伝送機構と、
前記レーザ光出射部から出射されたレーザ光を集光する集光機構と、
前記集光機構を内部に収容し保持するともに、前記集光機構によって集光されたレーザ光を被加工物に照射するための開口部を有する筒状の筐体と、
流体供給源からの流体を前記筐体内に供給し、前記開口部から噴出させる流体供給機構と、
前記筺体に配設され、前記被加工物と当接されることによって前記集光機構と前記被加工物との距離を一定に保つ位置決め機構と、
前記開口から噴出した流体が、前記筐体と前記被加工物との間を前記筐体の軸方向に沿って流れるようにガイドする流体ガイド機構とを具備したレーザ照射装置を用い、
前記流体供給機構から供給された流体を、前記筺体の開口部から噴出させ前記流体ガイド機構に沿った流体の流れを形成することによって前記筺体を前記被加工物にエジェクター効果によって吸着させ、吸着させた状態で前記被加工物にレーザ光を照射する
ことを特徴とするレーザ照射方法。
【請求項１】
レーザ光をレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射するレーザ光伝送機構と、
前記レーザ光出射部から出射されたレーザ光を集光する集光機構と、
前記集光機構を内部に収容し保持するともに、前記集光機構によって集光されたレーザ光を被加工物に照射するための開口部を有する筒状の筐体と、
流体供給源からの流体を前記筐体内に供給し、前記開口部から噴出させる流体供給機構と、
前記筺体に配設され、前記被加工物と当接されることによって前記集光機構と前記被加工物との距離を一定に保つ位置決め機構と、
前記開口から噴出した流体が、前記筐体と前記被加工物との間を前記筐体の軸方向に沿って流れるようにガイドし、前記筐体と前記被加工物との間にエジェクター効果を発生させるための流体ガイド機構と
を具備したことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ照射装置であって、
前記流体ガイド機構は、前記筺体に配設された溝、又は、前記筺体に間隔を設けて平行するように配設された複数の堰によって構成されたことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のレーザ照射装置であって、
前記筺体の前記開口部とは対向する側に、前記流体供給機構によって供給された流体を噴出するための噴出口が配設されていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載のレーザ照射装置であって、
前記レーザ光伝送機構は、前記レーザ光出射部の前記集光機構に対する位置を変更可能とされていることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載のレーザ照射装置であって、
前記流体供給機構が、屈曲可能な管状体を通じて流体を供給するよう構成されたことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載のレーザ照射装置であって、
前記流体供給機構が、内部に流体が流通される第1環状部材と、内部に流体が流通される第２環状部材と、前記第1環状部材と前記第２環状部材とを連結する連結機構とを有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項７】
請求項１〜６いずれか１項記載のレーザ照射装置であって、
前記レーザ光伝送機構の手前に配設され、前記レーザ光伝送機構を介して伝送される反射光をモニターするための機構を有することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項８】
レーザ光をレーザ光源から導いてレーザ光出射部から出射するレーザ光伝送機構と、
前記レーザ光出射部から出射されたレーザ光を集光する集光機構と、
前記集光機構を内部に収容し保持するともに、前記集光機構によって集光されたレーザ光を被加工物に照射するための開口部を有する筒状の筐体と、
流体供給源からの流体を前記筐体内に供給し、前記開口部から噴出させる流体供給機構と、
前記筺体に配設され、前記被加工物と当接されることによって前記集光機構と前記被加工物との距離を一定に保つ位置決め機構と、
前記開口から噴出した流体が、前記筐体と前記被加工物との間を前記筐体の軸方向に沿って流れるようにガイドする流体ガイド機構とを具備したレーザ照射装置を用い、
前記流体供給機構から供給された流体を、前記筺体の開口部から噴出させ前記流体ガイド機構に沿った流体の流れを形成することによって前記筺体を前記被加工物にエジェクター効果によって吸着させ、吸着させた状態で前記被加工物にレーザ光を照射する
ことを特徴とするレーザ照射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−６１８２（Ｐ２０１３−６１８２Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８６０３（Ｐ２０１１−１３８６０３）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９００１４５６８）東芝プラントシステム株式会社 (273)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３９００１４５６８）東芝プラントシステム株式会社 (273)
【Ｆターム（参考）】
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