JP4270577B2 - レーザを用いた岩石の加工方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを用いた岩石加工方法及びその装置に関する。さらに詳しくは、レーザを用いて、岩石を加工する際にドロスを析出する岩石であっても、なんらトラブルを生ずることなく加工することができる技術に関する。

レーザを用いて岩石を穿孔、加工する研究がなされている（例えば、特許文献１参照。）。

岩石にレーザを連続照射すると、岩石が溶融してドロスを生じ、ドロスがレーザによる岩石穿孔を妨げるという問題がある。上記技術では、ドロスが滞留して穿孔加工の進展を妨げることを防止するために、レーザ照射部位に、アシストガスを吹きつけてドロスの流出を促進するようにしている。

また、岩石には、種類、成分、含水量その他によって、局部的に急速加熱したときに、破壊しやすい岩石と破壊しにくい岩石とがある（例えば、非特許文献１、２参照。）。

岩石の破壊特性を利用して、ドロスの析出を防止しながら、レーザを岩石に照射して穿孔等の加工をする技術もある（例えば、特許文献２参照。）。

この技術は、加工対象の岩石の局部急速加熱破壊特性を調査し、この調査に基いてレーザ強度及びレーザと岩石との相互作用時間を調整し、ドロスを析出しない照射条件でレーザを照射する。この技術ではドロスの流動性を増加させる添加剤を添加することやアシストガスを吹付けること等は不要である。従って、岩石の加工を遠方から行うことができる。しかし、レーザによる破壊特性が不適切な岩石、例えば二酸化珪素含有率の高い岩石に対しては、加工が困難となる。

また、レーザを用いて、液中の地下資源賦存層などを掘削する技術がある（例えば、特許文献３参照。）。

この技術は、第１のレーザの誘起力と気泡中を透過する第２のレーザの熱作用により、液中の地層を掘削するものである。第１のレーザの誘起力は、衝撃波、ジェット流、気泡流若しくは音波、又はこれらの２以上の現象の複合に基づく作用によって得られる。この第１のレーザとしては、パルスレーザ、又は断続的に照射された連続波レーザが用いられる。

また、レーザが液体に吸収される吸収率は、レーザの波長により異なり、波長ごとの吸収特性を有することも知られている（例えば、非特許文献３参照。）。長波長のレーザが液体への吸収率が大きい。

一方、長波長帯のレーザの伝送を可能とするファイバが出現している。

例えば、レーザの波長が２．０μｍ以上の波長帯では、赤外ファイバ（ＩＲ−ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｆｉｂｅｒ）が使用されている。赤外ファイバとは、石英系光ファイバの透過限界（約２μｍ）より長波長の赤外光を透過する光ファイバをいう。Ｈｏ−ＹＡＧレーザ（波長約２μｍ）の場合は、ＳｉＯ_２あるいはＧｅＯ_２をコア材料とするファイバが使用される。Ｅｒ−ＹＡＧレーザ（波長約３μｍ）の場合は、弗化ガラス（Ｆｌｕｏｒｉｄｅ ｇｌａｓｓ）をコア材料とするファイバが使用される。ＣＯレーザ（波長約５．３μｍ）やＣＯ_２レーザ（波長約１０μｍ）の場合はカルコゲン化物ガラス（Ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ ｇｌａｓｓ）をコア材料とするファイバが利用可能である（例えば、非特許文献４参照。）。また中空ファイバも使用されている（例えば、非特許文献５参照。）。
特開２００１−１７０９２５号公報（第２−３頁、図１） 特開２００６−３０５８０３（第３〜４頁、図１） 特許第３８５６８１１号広報（第４〜５頁、図１） ＳＰＥ７１４６６ ２００１年１０月発行、Ｂ．Ｃ．ＧＡＨＡＮ他 ＬＡＳＥＲ ＤＲＩＬＬＩＮＧ：ＤＥＴＥＲＭＩＮＡＴＩＯＮ ＯＦ ＥＮＥＲＧＹ ＲＥＱＵＩＲＥＤ ＴＯ ＲＥＭＯＶＥ ＲＯＣＫ 電気学会レーザブレーションとその産業応用調査委員会編：レーザブレーションとその応用：１９９９年１１月発行：コロナ ｐ１〜９、図１．１ レーザ熱加工研究会編：第３９回レーザ熱加工研究会論文集（１９９６、１１）、第８７−９１頁 社団法人レーザ学会編：レーザ研究 第２７巻 第３号（１９９９年３月１５日発行）第１６７−１７２頁 社団法人レーザ学会編：レーザ研究 第２７巻 第３号（１９９９年３月１５日発行）第１７３−１７７頁

岩石の多くは、その成分中に、石英ガラスや二酸化珪素を含んでいる。このような岩石にレーザを照射すると、レーザの熱量により、石英ガラスや二酸化珪素は溶融ドロスとして析出する。溶融ドロスが一旦析出すると、さらに溶融を促進させるためにレーザを照射しても、反射散乱により、岩石に吸収されるレーザの熱量が不十分となる。従って、穿孔を進行させることが困難となる。また、レーザ照射中に溶融しているドロスは、レーザ照射を停止すると、固化して、穿孔が埋まってしまう。

本発明は、レーザ照射により石英ガラスや二酸化珪素が溶融ドロスとなって析出するような岩石に対しても穿孔が可能な技術を提供する。また本発明は、第１，第２のレーザを用いることなく、単一のレーザで岩石を加工する。本発明の目的は溶融ドロスの生成により穿孔が出来なくなる問題を解決する手段を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するために創作されたもので、その技術手段は、レーザ照射により溶融ドロスを析出する岩石に穿孔を行うに当り、レーザ照射位置に液体を介在させ、該液体への吸収率が高い波長１．２μｍ以上のレーザを照射し、該レーザ照射により、岩石の表面に溶融ドロスを生成させると共に前記液体中に急速進行する微細な泡を発生させ、生成した溶融ドロスを前記泡の爆発作用により粉砕・除去して岩石を加工することを特徴とするレーザを用いた岩石の加工方法である。

本発明において岩石の加工とは、岩石のアブレーション（ａｂｌａｔｉｏｎ，削摩）を云い、岩石の破壊、粉砕、剥離、掘削、切取、削孔、穿孔、溝形成など岩石に部分的な破壊現象を生じさせることを云う。

上記本発明における、レーザとしては、介在させる液体への吸収率の高いレーザを用いる。液体への吸収率はレーザの波長に依存する。波長１．２μｍ未満のレーザは液体への吸収率が小さいので適切ではない。従って、本発明では使用するレーザの波長を１．２μｍ以上に限定した。さらに好ましくは波長２．０μｍ以上のレーザを用いるとよい。現行のレーザでは、最も波長の長い半導体レーザでは波長約２８．０μｍのものがある。本発明は短波長のレーザを波長変換によって長波長とすることを除外するものではない。また２以上の長波長のレーザをカスケード発振させて用いることもできる。

本発明に用いる液体は、透明であると否とを問わない。液体の種類も問わないが、水を用いるのが最も簡易で実用的である。

液体をレーザ照射位置に介在させる手段としては、
（ａ）岩石を液中に沈めておく
（ｂ）岩石と対面する面が開放した液体保持容器を岩石面上に貼着し、この容器内に液体を供給しこの液体中を通ってレーザビームを照射位置に照射する
（ｃ）レーザ照射位置に向って液体噴射ノズル等を設け、液体を供給する
（ｄ）レーザ伝送手段の先端に照射方向に開口したジャケット等を取付け、このジャケットに液体を連続的に供給する
などの手段を採ればよい。

前記レーザとしては、液体への吸収率の高いレーザであれば、ファイバレーザ（波長１．３〜１．５μｍ）、コイルレーザ（波長１．３μｍ）等でもよい。好ましくは、半導体レーザのうち波長の長いもの、ＣＯ_２レーザ、ＣＯレーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ及びＨｏ−ＹＡＧレーザからなる群から選ばれた何れかのレーザを用いるとよい。これらのレーザは波長が２．０μｍ以上であり、かつ大出力とすることが可能である。

本発明方法を好適に実施することができる本発明の岩石の加工装置は、レーザ照射により溶融ドロスを析出する岩石に穿孔を行う装置であって、レーザ照射位置に液体を存在させる液体供給手段と、該液体中を通って岩石に照射され岩石の表面に溶融ドロスを生成させると共に該溶融ドロスを粉砕除去する微細な泡を前記液体中に発生させる波長１．２μｍ以上のレーザ照射装置と、から成ることを特徴とする。

この場合、前記レーザ照射装置は伝送媒体がなくても差支えないが、波長２．０μｍ以上ではレーザ伝送媒体として弗化ガラスファイバ（Ｆｌｕｏｒｉｄｅ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ）又はカルコゲン化物ガラスファイバ（Ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ）を用いることが好ましい。なお、波長１．２〜２．０μｍまでは石英ファイバが利用可能である。

液体に吸収されたレーザにより液体中に微細な泡の急速な進行流が生ずる。この泡内には瞬間的に極めて高い圧力が生ずる。この圧力は、液体の吸収率の高い長波長帯のレーザで顕著になる。液体に吸収されたレーザにより発生するこの急速進行する泡の爆発作用により溶融ドロスが粉砕・除去される。短波長帯及び中波長帯のレーザは、液体の吸収率が低いため、溶融ドロスを粉砕・除去するに十分な泡内圧力が発生しない。

本発明の特徴は、液体への吸収率の高いレーザを用いることによって、岩石に生成される穿孔内で発生する溶融ドロスを排除して、穿孔内でのドロスの固化を防ぐことにある。

本発明方法によれば、レーザ照射位置に液体を介在させ、液体への吸収率の高いレーザを用いることによって、液体中に微細な泡を発生させ、レーザ照射により岩石から析出するドロスを効果的に排除し、岩石に穿孔したり岩石を切断することが容易に可能となった。

また、本発明装置を用いることによって、上記本発明方法を容易に実施をすることができる。

従来、石英ガラスや二酸化珪素の含有量の多い岩石はレーザによる加工が困難であった。本発明によれば、これらを容易に加工をすることができるようになった。なお、石英ガラスや二酸化珪素の少ない岩石、又はこれらを含まない岩石も、もちろん本発明方法によって容易に加工をすることができる。

本発明は、岩石加工産業、土木・建築産業、鉱物資源開発産業、企業および研究機関の岩石加工実験における岩石加工技術に利用することができる。

岩石加工産業においては、石英ガラスや二酸化珪素の含有量の多い岩石（花崗岩等）の加工に応用できる。液を介在させて岩石を加工するため、騒音が少ない。また、粉塵が発生しないので人体が保護される。

土木・建築産業、では、トンネル・岩盤掘削工事が、従来のさく岩機等に比べて低騒音で実施可能となる。

病院棟・デパート建物等の修理工事では、削岩機を使用してコンクリートや石材等の一部解体工事等を行うと、騒音のため、営業活動を停止せざるを得ない。本発明を用いることにより、低騒音の工事が可能となるため、営業活動を停止せずに修理工事が可能となる。

また、企業・大学等の研究窒においても、小出力のレーザを用いて岩石の穿孔・加工をすることが容易となり、研究活動をスムーズに行うことが可能となる。

鉱物資源開発産業では、金属製のビットを用いて、岩盤を掘削しているが、レーザを用いることにより非接触・無回転の掘削ができる。これにより金属製ビットの磨耗から生じる不経済性を改善することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１にレーザ照射による岩石のキーホールの生成原理を模式的に示した。

レーザ１０を岩石などの加工物１００に照射すると、加工物成分により溶融部１１０が形成され、図１に示すように、加工物１００にキーホール１３０が生成される。レーザ１０の熱量により加工物１００の成分が蒸発し、蒸気圧１１３が発生する。発生したキーホール１３０内では、キーホール１３０を押し潰そうとする溶融部１１０の表面張力１１１及び静圧１１２と、キーホール１３０を押し広げようとする蒸発反発力１１３がバランスすることによりキーホール１３０が維持される。なお図１中の１０ａはレーザの減衰やはね返り領域を示したものである。

簡単のため、キーホールのキャビティを図３に示すように直径Ｄの円筒とみなし重力ヘッドを無視すると、表面張力γによる圧力ＰＳは、ＰＳ＝２・γ／Ｄで表される。

岩石の蒸気圧ＰＶと、ドロスの表面張力による圧力ＰＳとが釣り合って安定なキーホールとなる。すなわち安定したキーホールではＰＳ＝ＰＶとなる。

レーザ１０の照射中に生成される溶融ドロス１１０は、レーザ１０の照射が停止されるとキーホール１３０内にせり出し冷却されてキーホール１３０を埋めて固まる。

本発明では岩石穿孔内の溶融ドロスが除去される。その現象を図面を参照しながら以下に述べる。

レーザ１０の液体への吸収特性は波長によって異なる。一般に、短波長域のレーザは、液体への吸収率が低い。これに対して中波長帯域から長波長域のレーザは液体によく吸収される。長波長帯域にあるレーザの例をあげると、半導体レーザ（波長最大２８．０μｍ）、ＣＯ_２レーザ（波長約１０．５μｍ）、ＣＯレーザ（波長約５．５μｍ）、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ（波長約２．９μｍ）及びＨｏ−ＹＡＧレーザ（波長約２．０μｍ）がある。

本発明は、レーザ波長毎に液体への吸収率が異なることに着眼してなされたもので、吸収率の高いレーザを用い液体を併用することによって溶融ドロスを効果的に除去することができる。

本発明では、レーザのエネルギーが液体に吸収されることにより発生する液体中の微細進行泡流内の高圧力を利用して溶融ドロスを飛散させる。

レーザ１０を液体を介して岩石１００に照射すると、吸収率の高いレーザ１０は液体の中に微細泡の進行流を発生し、この泡内に非常に高い圧力が発生し、その爆発的作用により溶融ドロス１１０を飛散させる。この作用によりキーホール１３０内部の圧力バランスが崩れ、溶融ドロス１１０は、図４に示すように、微細なビーズ１２０となって粉砕・除去される。その結果、レーザ照射停止時には、溶融ドロス１１０が排除されているのでドロスが固化することがない。従って、穿孔５０が閉塞されることを防ぐことができる。

岩石穿孔内に作用する液体の微細泡内の圧力をより高くするには、液体への吸収率の高いレーザを使用すればよい。液体への吸収率の高いレーザは、非常に短時間で高いエネルギーが液体に吸収される。従って、発生する泡内圧力が高くなる。

溶融石英ガラス等のドロス１１０が析出しても、レーザ１０が液体に吸収されて発生する泡内圧力の衝撃により溶融ドロス１１０が粉砕され、穿孔５０を生成する。

本発明方法の実施態様を模式的に図５〜図８に示した。

図５は、レーザ１０を用いて、岩石１００を穿孔する実施例で、容器内に液体を注入・排出を行いながら液体内を通ってレーザを照射する例である。岩石１００の上面に底のない液体保持容器３０を載置固定し、その中に液体３１を保持する。液体３１は供給口３２から供給され、排出口３３から排出され、容器３０内に液体３１を常時保持する。

レーザ発振装置２０から発振されたレーザビーム１０は、液体３１を通って岩石１００の照射点１２に照射される。レーザビーム１０は液体３１に到達すると液体３１に吸収される。液体３１中に微細泡の進行流１３が発生する。微細泡の進行流１３はレーザビーム１０により急激に発生し、レーザビーム１０により加速されて岩石１００に達する。ここで微細泡内に爆発的な高圧力を生じ、レーザビーム１０と共に岩石１００のレーザ照射部１２に到達する。レーザビーム１０は、岩石１００のレーザ照射部１２を溶融・蒸発させ、アブレーションを起こす。液中に生じた微細泡は爆発的衝撃圧を生じ、岩石から発生した溶融ドロスを粉砕し、飛散させる。飛散したドロスのビーズは液体３１中に拡散し、排出される。このようなプロセスにしたがって岩石を穿孔する。

図６は、岩石１００の垂直面１０２を穿孔する方法を示す。液体保持容器３０を岩石１００の垂直面１０２に設置する。容器３０内に液体３１を充填する。レーザ発振装置２０からレーザ伝送手段２１（ファイバまたは導波管）によりレーザビーム１０が、液体３１中で岩石１００の鉛直面１０２に向けて照射される。

図７は、複数の容器、複数のレーザを用いて、岩石１００に大口径の穴を開ける構成を示したものである。複数のレーザ発振装置２０から発したレーザビーム１０はレーザ伝送手段２１を経て液体保持容器３０を通って岩石１００の照射点１２に照射される。液体保持容器３０には液体３１が充填されている。図７はこのような容器とレーザとから成る複数ユニット使用した例である。

単一のユニットのレーザ発振装置２０から発射されたレーザビーム１０はレーザ伝送手段２１を経て液体３１中で照射される。液体３１内で照射されたレーザビーム１０は、微細泡進行流１３を発生する。レーザビーム１０と微細泡進行流１３が岩石１００の照射点１２に到達する。同様に、各ユニットで岩石１００の穿孔が行われため、図８に示すように各ユニットによる穿孔５０の集合が大口径の穴５１となる。このようにして大口径の穴５１を掘削することができ、例えば、トンネル掘削を行うことができる。

なお、波長の短いレーザを波長変換器によって波長の長いレーザに変換して本発明を実施することも可能である。

図９に本発明装置の一実施例の模式的縦断面図を示した。レーザ伝送手段２１としてカルコゲン化物ガラスファイバを用い、その先端に液体供給手段として水ジャケット３５を装着してある。水ジャケット３５は水供給管３６から連続的に水を供給され、ノズル３７から水を噴出するようになっている。レーザ伝送手段２１のレーザビーム１０は、このノズル３７を通って加工物１００に照射されるようになっている。レーザ伝送手段２１はマルチファイバでもよい。

稲田花崗岩のブロックにレーザ加工による穿孔を行った。対象花崗岩の特性は次の通りである。

熱伝導率：０．１３〜０．２（ｃａｌ／ｃｍ／ｓ／ｃｄｅｇ）
鉱物組成：
斜長石 ２２ｗｔ％
石英 ４２ｗｔ％
黒雲母 ４ｗｔ％
化学組成：
ＳｉＯ_２ ７７．６５ｗｔ％
ＴｉＯ_２ ０．１９ｗｔ％
Ａｌ_２Ｏ_３ １２．５５ｗｔ％
Ｆｅ_２Ｏ_３ ０．４６ｗｔ％
ＦｅＯ ０．９８ｗｔ％
ＭｎＯ ０．０８ｗｔ％
ＭｇＯ ０．１８ｗｔ％
ＣａＯ １．４４ｗｔ％
使用したレーザは次の通りである。

レーザ種類： ＣＯ_２レーザ
レーザ波長： １０．６μｍ
レーザスポット径： １０ｍｍφ
レーザ出力： ５ｋＷ
液体： 水、ベントナイト溶液４重量％（不透明）の２種類
レーザ照射方向：対象物の上面
図５に模式的に示す装置を用いて、レーザを２分照射した。照射後、粉砕したドロスの微粉が水中又はベントナイト溶液中に分散したことが認められた。照射後、花崗岩に直径約５ｍｍ、最大深さ約２５ｍｍの孔が穿孔された。さらに、この孔の周囲及び中心部に同様の孔を穿孔し、結局、直径約１５ｍｍ、最大深さ約５０ｍｍの孔が穿孔されたことを確認した。

比較例

上記実施例と同一条件で液体を介在させることなくレーザ照射を行ったところ、照射終了後、照射位置に溶融ドロスが固化した状態を呈し、穿孔することはできなかった。

キーホール現象の説明図である。 キーホールのドロスの表面張力と溶融物蒸気圧とのバランスを示すグラフである。 キーホールのドロスの表面張力と溶融物蒸気圧とのバランスを示す模式図である。 溶融ドロスの粉砕を示す説明図である。 本発明の実施形態を示す模式図である。 本発明の実施形態を示す模式図である。 本発明の実施形態を示す模式図である。 本発明の実施形態を示す模式図である。 本発明装置の模式的断面図である。

符号の説明

１０ レーザ
１２ 照射点
１３ 微細泡の進行流
２０ レーザ発振装置
２１ レーザ伝送手段
３０ 液体保持容器
３１ 液体
３２ 供給口
３３ 排出口
３５ 水ジャケット
３６ 水供給管
３７ ノズル
５０ 各ユニットによる穿孔
５１ 大口径の穴
１００ 岩石（加工物）
１０２ 垂直面
１１０ 溶融ドロス
１１１ 表面張力
１１２ 静圧
１１３ 蒸発反発力
１２０ ビーズ
１３０ キーホール

Claims (4)

1. レーザ照射により溶融ドロスを析出する岩石に穿孔を行うに当り、レーザ照射位置に液体を介在させ、該液体への吸収率が高い波長１．２μｍ以上のレーザを照射し、該レーザ照射により、岩石の表面に溶融ドロスを生成させると共に前記液体中に急速進行する微細な泡を発生させ、生成した溶融ドロスを前記泡の爆発作用により粉砕・除去して岩石を加工することを特徴とするレーザを用いた岩石の加工方法。
2. 前記レーザは、半導体レーザ、ＣＯ_２レーザ、ＣＯレーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ及びＨｏ−ＹＡＧレーザからなる群から選ばれた何れかのレーザであることを特徴とする請求項１記載のレーザを用いた岩石の加工方法。
3. レーザ照射により溶融ドロスを析出する岩石に穿孔を行う装置であって、レーザ照射位置に液体を存在させる液体供給手段と、該液体中を通って岩石に照射され岩石の表面に溶融ドロスを生成させると共に該溶融ドロスを粉砕除去する微細な泡を前記液体中に発生させる波長１．２μｍ以上のレーザ照射装置と、から成ることを特徴とするレーザを用いた岩石の加工装置。
4. 前記レーザ照射装置はレーザ伝送媒体として弗化ガラスファイバ又はカルコゲン化物ガラスファイバを用いることを特徴とする請求項３記載のレーザを用いた岩石の加工装置。

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