JP2022135805A - 下地処理方法および下地処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塗装、接着、ライニングなど被対象物にコーティング物（塗料やライニング材）や接着剤により対象物同士を付着・接着する処理工程に供給する鉄鋼素材の下地処理の品質の向上を図る。【解決手段】レーザー密度工程ＳＴ１では、パルス照射するレーザー光の１パルス当たりのレーザー密度を、レーザー照射距離に基づくパルスレーザー光のスポット径ｄｐと、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄmに基づいて、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）を除去するのに有効なレーザー密度に初期設定し、ケレン処理工程ＳＴ２において、初期設定されたレーザー密度のパルスレーザー光を照射して、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）を除去するケレン処理を行うことにより、レーザーケレン後の鋼板表面は、密着性の低いスラグ３Ｂが除去されて、密着性の高い密着性の高い酸化被膜（Ｆｅ３Ｏ４）３Ａのみとする。【選択図】図６

Description

本発明は、レーザー照射によって対象物の付着物を除去する下地処理方法および下地処理装置に関し、特に処理対象物である鋼材の表面に付着するヘマタイとマグネタイトの２層構造の酸化被膜の一部を除去する下地処理方法および下地処理装置に関する。

ここで、対象物の表面に付着している酸化被膜を除去する処理をケレン処理と称す。

従来、対象物表面の錆や塗膜を除去するにおいては、塗膜剥離剤やショトブラストによる剥離処理が行われていたが、作業環境及び作業効率が悪いばかりでなく、大量の除去物の回収・廃棄処理に問題があることから、レーザー照射による錆の除去や塗膜剥離処理が提案されている。

例えば、液体中に設置したターゲットに、パルスレーザー加工をレーザースポットがターゲットに一定間隔以上離れて、スキャンして照射する金属ナノコロイド生成方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、水面からターゲットまでの距離を一定に保ち、かつ水面とターゲット表面を平行とし、パルスレーザレーザ加工を等速で照射することが記載されている。

また、高い残留応力を持つ脆性材の切断加工においても亀裂など生じさせることなく加工可能なレーザー加工装置およびレーザー加工方法として、レーザー光をパルス発振して加工対象物に一定の繰り返し周波数で照射すると共に走査するレーザー光照射機構を備え、照射機構が、繰り返し周波数をＨ、レーザー光のビーム径をａ、レーザー光の同一加工線上への走査回数をｎ、パルスレーザー光の１照射あたりの移動距離Ｌをｎ／２×ａとしたとき、レーザー光の走査速度ＳをＬ／（１／Ｈ）とすると共に、走査回数１回目のレーザー光の照射開始位置をＬ１として、走査回数ｎ回目のレーザー光の照射開始位置Ｌｎを、Ｌ１＋（Ｌ／ｎ）×（ｎ－１）として走査毎に照射開始位置をずらして照射を行うことが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、薄板鋼板を製造する場合、加熱されたスラブが熱間圧延された鋼板は、自然冷却により、鋼板の表面に酸化膜（スケール）が生成されるので、酸洗工程において、酸洗槽に鋼板を通して酸化膜を除去するようにしている。

そして、酸洗工程において酸化膜を効率よく、且つ確実に除去するために、酸洗工程の前に、マグネタイトを含む酸化膜にレーザー光を照射して、マグネタイトを、そのマグネタイトと略同じ厚さのウスタイトに変態させてから、酸化膜にテラヘルツ波を照射し、照射したテラヘルツ波の反射波の信号を用いて、酸化膜の厚さを求めることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１８－４００３３号公報 特開２０１１－１７７７８１号公報 特開２００９－１８６３３３号公報

上述の如く、鋼材の塗装や溶接などにおいては、その作業の実施前に当該部位の表面にあるスケール(製造時に生成した鉄酸化物)を除去する必要がある。通常は、鋼材表面に微小な鉄球などをぶつけ、その運動エネルギーによりスケールを除去するショットブラストが用いられるが(小規模な場合はハンディグラインダ)、粉塵、騒音、振動などの環境面に加え、使用したショット球や除去後の廃棄物処分に大きなコストがかかるといった問題がある。

そこで、従来より、環境面、コストともに改善できる方法としてレーザーによる下地処理作業が行われている。

レーザー照射による塗膜剥離処理では、レーザーアブレーションにより、化学薬品を使用することなく、処理対象物の表面の塗装膜を除去することができる。

しかしながら、特許文献１の開示技術は、液体中に設置したターゲットに、パルスレーザーをレーザースポットがターゲットに一定間隔以上離れて、スキャンして照射する金属ナノコロイド生成方法において、パルス毎のレーザー照射ピッチをスポット径の１０倍以上離して照射するものであり、金属ナノコロイド生成分野固有のものであり、通常の場合においては、スポット径間の距離を大きく離すことにより、未照射部位が発生することは明確であり、この部分の処理ができないという問題がある。

また、特許文献２の開示技術は、レーザーによる熱影響を抑えることによる切断に関する方法であるが、パルス当たりの照射ピッチをスポット径の１．５倍にすることにより、重ね照射を回避し、発生した未照射部位は、次回および次々回の照射により埋めていくという方法である。本方法では、複数回の照射が必要になるため、作業効率が低下するという問題がある。

レーザーは、その集光特性からエネルギー密度を高めた加工が可能となるが、設備能力(コスト)と作業効率から最適な条件で使用する必要がある。当然ながら、レーザーの集光率を高くした(スポット径の小さい)レーザー密度の高い作業では、品質(下地処理作業ではスケールの除去性能)は優れているが、作業時間が長くなり作業能率が低下する。一方、レーザー集光率を低くした(スポット径の大きい)レーザー密度の低い作業では、品質は低下するが、照射時間が短くなる。したがって、作業における品質と作業能率から最適な条件を設定する必要がある。

上述の如く、部材を塗装、接着する際の部材の下地処理作業は、塗装、接着性能を向上させるために実施する。その下地処理作業の性能評価には、ＩＳＯ等による判定基準があるが、全て作業現場での施工者の目視による定性的な判定である。

レーザーを用いた下地処理（以下、レーザーケレンという。）は、新たな下地処理方法として開発されたものであり、上記のブラスト法を対象とした品質評価基準では、正しく評価できない場合がある。その対応として、ＪＩＳ Ｚ２３５８では、色彩計を用いてレーザー下地処理による処理品質を定量的に判定する方法が制定されている。この方法は、従来の定性的なブラスト法の評価基準に対し、レーザーケレン後の表面状態を、当該表面の色彩度を測定し(目視も可)、既存の色見本と比較することでレーザーケレン性能を評価するものである。しかしながら、この方法では、色彩度を測定するものの、その測定には、外部の光の当たり具合など外乱の影響を強く受け、正しく評価できないという問題がある。また、色見本との比較は目視であり、この場合は、定性的な評価となってしまう。

一方で、塗装や接着の重要な品質性能の一つとして部材との付着力があるが、既存材料とりわけ鉄鋼材料においては、表面の酸化スケールの除去程度が重要な要因の一つである。

特許文献３の開示技術は、熱延鋼板の表面スケールを除去する酸洗工程の効率化を図るべく、酸化膜厚を測定し該測定結果に基づき酸洗ラインの鋼板搬送速度を適正化するもので、酸化膜厚の測定において、表面からヘマタイとマグネタイトの２層構造の酸化膜にレーザー光を照射することにより最表面のヘマタイトを除去し、残存したマグネタイトをウスタイトに変態させた後、該ウスタイトの厚みを測定するものである。この特許文献３には、レーザー照射によりヘマタイトを除去することが記載されているが、その目的が酸化膜厚測定であり、塗装・接着などの前処理(下地処理)を改善するためのものではない。また、レーザー照射の送り速度に関する記載もない。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、鉄鋼材料の表面酸化スケールの除去に関する定性的に実施可能な下地処理方法および下地処理装置を提供することにある。

また、本発明の目的は、塗装、接着、ライニングなど被対象物にコーティング物（塗料やライニング材）や接着剤により対象物同士を付着・接着する処理工程に供給する鉄鋼素材の下地処理の品質の向上を図ることにある。

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本件発明者等は、レーザーケレン後の表面状態を詳細に観察した結果、鋼材表面の酸化スケールを構成する主要成分の一つであるヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去することで、下地処理性能が向上することを突き止めた。

本発明では、処理対象物である鋼材の表面に付着するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）とマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）の２層構造の酸化被膜の一部である表層側のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去する。

すなわち、本発明は、レーザー光のパルス照射によって処理対象物である鋼材の表面に付着する酸化被膜を除去する下地処理方法であって、上記酸化被膜を構成するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）とマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）の２層構造の上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）をレーザー光のパルス照射によって除去するケレン処理工程を有することを特徴とする。

本発明に係る地処理方法は、パルス照射するレーザー光の１パルス当たりのレーザー密度を、レーザー照射距離に基づくパルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_mに基づいて、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去するのに有効なレーザー密度に初期設定するレーザー密度設定工程を有し、上記ケレン処理工程では、レーザー密度設定工程において初期設定されたレーザー密度のパルスレーザー光を照射して、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去するものとすることができる。

ここで、レーザー照射距離とは、レーザー光を集光するレンズと被対象物表面との距離である。したがって、レーザー照射距離がレンズの焦点距離に等しい場合にスポット径は最小となる。

本発明に係る地処理方法では、上記ケレン処理工程において除去するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）の割合を、ケレン処理後の上記酸化被膜の表面における面積比で７８．５％以上とするものとすることができる。

また、本発明に係る下地処理方法では、上記ケレン処理工程において、上記１パルス当たりのパルスレーザー光の照射位置の移動距離ｄ_mがスポット径ｄ_ｐ×（１／２～１）の範囲内となる移動速度で移動させるものとすることができる。

さらに、本発明に係る地処理方法では、上記ケレン処理工程において、照射するパルスレーザー光をデフォーカスさせることによりスポット径ｄ_ｐを最適値に設定するものとすることができる。

ここで、デフォーカスとは、上記レーザー照射距離をレンズの焦点距離に対し長くするかあるいは短くすることを言う。該操作によりレーザー光のスポット径は、最小のスポット径より大きくなる。

本発明は、レーザー光のパルス照射によって処理対象物である鋼材の表面に付着するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）とマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）の２層構造の酸化被膜の一部を除去する下地処理装置であって、上記処理対象物である鋼材の処理対象領域にパルスレーザー光を照射するレーザー照射距離を可変設定する照射距離可変設定手段と、上記処理対象領域を含む作業領域内でパルスレーザー光の照射位置を移動させるスキャン手段を備え、上記処理対象物である鋼材の処理対象領域にパルスレーザー光を照射するパルスレーザー光照射装置と、上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御する制御装置を備え、上記制御装置は、上記パルスレーザー光照射装置により、パルス照射するレーザー光の１パルス当たりのレーザー密度を、レーザー照射距離に基づくパルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_mに基づいて、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去するのに有効なレーザー密度に初期設定し、上記処理対象領域を含む作業領域内でパルスレーザー光の照射位置を上記スキャン手段により移動させて、上記初期設定されたレーザー密度のパルスレーザー光を照射して、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去するケレン処理を行うように上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御することを特徴とする。

本発明に係る下地処理装置において、上記制御装置は、上記ケレン処理により除去するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）の割合を、ケレン処理後の上記酸化被膜の表面における面積比で７８．５％以上とするように、上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御するものとすることができる。

また、本発明に係る下地処理装置において、上記制御装置は、上記スキャン手段により上記１パルス当たりのパルスレーザー光の照射位置の移動距離ｄ_mがスポット径ｄ_ｐ×（１／２～１）の範囲内となる移動速度で移動させるように、上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御するものとすることができる。

さらに、本発明に係る下地処理装置において、上記制御装置は、上記照射距離可変設定手段により、上記処理対象物である鋼材の処理対象領域に照射するパルスレーザー光をデフォーカスさせることによりスポット径ｄ_ｐを最適値に設定するものとすることができる。

本発明では、パルス照射するレーザー光の１パルス当たりのレーザー密度を、レーザー照射距離に基づくパルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_mに基づいて、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去するのに有効なレーザー密度に初期設定し、初期設定されたレーザー密度のパルスレーザー光を照射して、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去することにより、レーザーケレン後の鋼板表面には、密着性の低いヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）が除去されて、密着性の高いマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）が大部分を占めることになり、塗料の付着力が向上する。

したがって、本発明によれば、塗装、接着、ライニングなど被対象物にコーティング物（塗料やライニング材）や接着剤により対象物同士を付着・接着する処理工程に供給する鉄鋼素材の下地処理の品質の向上を図ることができる。

また、本発明では、ケレン処理において除去するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）の割合を、ケレン処理後の上記酸化被膜の表面における面積比で７８．５％以上とするものとすることにより、鉄鋼材料の表面酸化スケールの除去に関する定性的に実施可能な下地処理方法および下地処理装置を提供することができる。

さらに、本発明では、ケレン処理を実行するに当たり、１パルス当たりのパルスレーザー光の照射位置の移動距離ｄ_mがスポット径ｄ_ｐ×（１／２～１）の範囲内となる移動速度で移動させるものとすることにより、鉄鋼材料の表面酸化スケールの除去に関する定性的に実施可能な下地処理方法および下地処理装置を提供することができる。

本発明に係る下地処理方法が実施される下地処理装置の構成例を示すブロック図である。 上記下地処理装置に備えられた２軸のガルバノミラー機構の構造を模式的に示す斜視図である。 上記下地処理装置におけるパルスレーザー光の照射位置の送り状態を示す模式図である。 上記２軸のガルバノミラー機構によるレーザースポットの移動軌跡を模式的に示す図であり、（Ａ）はレーザー照射の状況を示す模式図であり、（Ｂ）は折り返してレーザー照射する場合に、２列目以降を、前列の照射位置の中間位置に照射するレーザー照射の状況を示す模式図である。 上記下地処理装置による下地処理の処理対象物の断面構造を模式的に示す図であり、（Ａ）は下地処理前の処理対象物の模式的な断面図であり、（Ｂ）は下地処理後の処理対象物の模式的な断面図である。 上記下地処理装置により実施される本発明に係る下地処理方法を示す工程図である。 （Ａ）は１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ１をスポット径ｄ_ｐ分とした移動速度の場合を示し、（Ｂ）は１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ２をスポット径ｄ_ｐの（１／√２）倍とした移動速度の場合を示し、（Ｃ）は１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ３をスポット径ｄ_ｐの（１／２）倍とした移動速度の場合を示している。 レーザー強度（エネルギー密度）を変更したレーザーケレンの性能評価をするために、試験片に塗料を塗布し乾燥養生した後、引張試験（プルオフ試験）により付着力を確認した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明に係る下地処理方法は、例えば図１のブロック図に示すように、ロボットにより下地処理作業を行う下地処理装置１００により実施される。

この下地処理装置１００において、下地処理作業用のロボットは、多関節リンクから構成されるマニピュレータロボット、3軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から構成される３軸ロボット、あるいは移動台車による搬送装置なども含めたものであり、この下地処理装置１００では、マニピュレータ２０（ロボットアーム２１を含む）とロボット制御部３０からなるマニピュレータロボット４０が採用されている。

すなわち、この下地処理装置１００は、パルスレーザー光照射装置１０をマニピュレータロボット４０に持たせてレーザー光のパルス照射によって処理対象物１の付着物を除去する下地処理作業を行うもので、パルスレーザー光照射装置１０、マニピュレータロボット４０、統括制御装置５０などからなる。

パルスレーザー光照射装置１０は、レーザー発振部１１と、レーザー発振部１１からレーザー光を伝送する光ファイバー１２およびレーザー光を照射するレーザーヘッド部１３からなる。

このパルスレーザー光照射装置１０は、統括制御装置５０によりレーザー光照射条件が制御され、レーザー発振部１１によりパルスレーザー光Ｌpを発生し、レーザーヘッド部１３から出射して、処理対象物１に照射する。

このパルスレーザー光照射装置１０のレーザーヘッド部１３には、図２に示すように、２つのモータ１３１Ｘ、１３１Ｙと２つのミラー１３２Ｘ、１３２Ｙからなる２軸のガルバノミラー機構１３０が設けられている。

この２軸のガルバノミラー機構１３０は、レーザー発振部１１から光ファイバー１２を介して供給されるパルスレーザー光ＬpをＸ軸方向とＹ軸方向に独立してレーザーの反射角度を変更させて走査することができるようになっている。

２軸のガルバノミラー機構１３０は、処理対象物１の処理対象領域内でパルスレーザー光Ｌpの照射位置を移動させるスキャン手段として機能する。

すなわち、ミラー１３２Ｘは、モータ１３１ＸによりＺ軸周りに回転することにより、処理対象物１に照射するパルスレーザー光ＬpをＸ軸方向に走査する。

また、ミラー１３２Ｙは、モータ１３１ＹによりＸ軸周りに回転することにより、処理対象物１に照射するパルスレーザー光ＬpをＹ軸方向に走査する。

なお、上記２軸のガルバノミラー機構１３０における二つのミラー１３２Ｘ、１３２Ｙは、それぞれポリゴンミラーに置き換えることができる。

すなわち、パルスレーザー光照射装置１０のレーザーヘッド部１３の位置を固定した状態で、所定の範囲内を照射することができるようになっている。

なお、ガルバノミラーやポリゴンミラーによる走査では光軸が法線方向と一致するのは一点のみで、パルスレーザー光Ｌpの焦点位置は円弧状に位置することになるので、この２軸のガルバノミラー機構１３０は、テレセントリックｆ－θレンズ（あるいはテレセントリックｆ－θレンズと同等の光学特性を有するテレセントリック光学系）１３３を介してパルスレーザー光Ｌpを処理対象物１に照射するようになっている。すなわち、カルバノミラー走査によるレーザー照射では、処理対象物１まで焦点距離が変化するので、レーザー処理能力の低下幅が小さい範囲内でパルスレーザー光Ｌpの照射位置を走査するように、レーザー照射範囲を制約する必要がある。

また、マニピュレータロボット４０のマニピュレータ２０は、多関節のロボットアーム２１を備え、ロボットアーム２１の先端部２１Ａに上記パルスレーザー光照射装置１０のレーザーヘッド部１３が取り付けられている。

すなわち、上記ロボットアーム２１の先端部２１Ａに取り付けられた上記パルスレーザー光照射装置１０のレーザーヘッド部１３は、上記マニピュレータロボット４０の作業範囲内の任意の位置において、任意の方向に向けてパルスレーザー光Ｌpを照射することができるようになっている。

また、このマニピュレータロボット４０は、処理対象物１の処理対象領域にレーザーヘッド部１３からパルスレーザー光Ｌpを照射するレーザー照射距離を可変設定する照射距離可変設定手段として機能する。

統括制御装置５０は、上記ロボットアーム２１の先端部２１Ａに取り付けられたパルスレーザー光照射装置１０のレーザーヘッド部１３が予め設定したマニピュレータロボット４０による下地処理作業軌道を通過するように所定のロボット動作条件をロボット制御部３０に送信し、ロボット制御部３０はこれに基づいてロボットを制御するとともに、パルスレーザー光照射装置１０のレーザー照射条件をレーザー発振部１１に送信し、レーザー発振部１１はこれに基づきレーザー照射するとともにガルバノミラー機構１３０が動作することにより、この下地処理装置１００による一連の下地処理作業動作を自動制御する。

この下地処理装置１００におけるマニピュレータロボット４０の制御は、基本的には、ロボット制御部３０を用いて事前にティーチングにより動作軌道がプログラミングされる。

また、レーザー照射は、統括制御装置５０にて決定されたレーザー照射パターンをレーザー発振部１１に指令を出し、レーザー発振部１１は、統括制御装置５０からの指令に基づきレーザーヘッド部１３に組み込まれているガルバノミラー機構１３０を駆動することによりレーザー照射を所定の通り実施する。

統括制御装置５０は、ロボット制御部３０から、ロボットがレーザー照射すべき所定の位置に到着した信号を受け取り、レーザー発振部１１にレーザー照射開始の指令を送る。また、統括制御装置５０は、レーザー発振部１１から、レーザー照射完了の信号を受け取り、ロボット制御部３０に次の照射位置に移動する開始指令を送る。ここで、ロボット制御部３０とレーザー発振部１１間でのロボット移動完了信号並びにレーザー照射の完了信号のやり取りは、統括制御装置５０を介さず直接実施する方法にしても良い。この場合は、信号伝達の時間短縮は可能であるが、その間に追加の情報を送信したい場合は、上記の通り統括制御装置５０を介した方法となる。

統括制御装置５０は以上の制御動作をレーザー照射開始位置から終了位置まで繰り返すことにより、処理対象物１の処理対象領域全体の下地処理作業を実施する。

すなわち、図３に示すように、２軸のガルバノミラー機構１３０によるパルスレーザー光Ｌpの照射位置の走査範囲すなわちレーザー照射範囲の大きさを、例えば、５０ｍｍ×５０ｍｍとした四角の基本面積で、処理対象物１の全処理対象領域をＸ方向に（ｎ－１）分割し、Ｙ方向に（ｍ－１）分割し、左上端点を（１，１）とし、Ｘ軸方向に５０ｍｍ進んだ点を（１，２）とし、順次進めていき右方向の終端を（１，ｎ）とする。

次に、Ｙ方向下向きに５０ｍｍ進んだ点を（２，ｎ）とし、今度はＸ方向を左方向に５０ｍｍ進んだ点を（２，ｎ－１）とし、順次進めていき左方向の終点を（２，１）とする。

以降同様に、右下の最終点（ｍ，ｎ）まで、この操作を実施する。

マニピュレータ４０の移動方法としては、上記点に基づき、左上点（１，１）からスタートし、斜線で示す照射範囲ＡＲ_１１を２軸のガルバノミラー機構１３０により走査して下地処理作業を行った後、次の（１，２）点にレーザーヘッド部１３を移動させ、同様に点々で示す照射範囲ＡＲ_１２を２軸のガルバノミラー機構１３０により走査して下地処理作業を実施する。

なお、２軸のガルバノミラー機構１３０による走査では、図４の（Ａ）に示す照射軌跡ＲＴ_Ｓ１のように、ガルバノミラー１３２ＸによりＸ軸方向に往復送りしながらガルバノミラー１３２ＹによりＹ軸方向に送ることにより折り返してジグザグ状に照射したり、図４の（Ａ）に示す照射軌跡ＲＴ_Ｓ２のように、Ｘ軸方向の送りとＹ軸方向の送りを組み合わせて渦巻き状に照射するものとすることができる。

更には、図４の（Ｂ）に示す照射軌跡ＲＴ_Ｓ３のように、図４の（Ａ）の照射軌跡ＲＴ_Ｓ１のように折り返して照射する場合において、２列目以降は、前列の照射位置の中間位置に照射し、これを最終底辺まで実施することもできる。

ここで、この下地処理装置１００では、例えば、熱延鋼板等を処理対象としており、 処理対象物１である鋼材は、塗装、接着、ライニングなど被対象物にコーティング物（塗料やライニング材）や接着剤により対象物同士を付着・接着する処理工程に供給する鉄鋼素材である。

図５は、この下地処理装置１００により下地処理される処理対象物１である鋼材の断面構造を模式的に示す図であり、（Ａ）は下地処理前の鋼材の模式的な断面図、（Ｂ）は下地処理後の鋼材の模式的な断面図である。

処理対象物１である鋼材には、図５の（Ａ）に示すように、未処理の状態において、Ｆｅ基材１Ａの表面にマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）２Ａとヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂをそれぞれ主成分とする２層構造の厚さｔ１の酸化被膜２が付着している。上記下地処理装置１００では、 処理対象物１の最表面のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂを除去して、図５の（Ｂ）に示すように、Ｆｅ基材１Ａの表面に密着性の高いマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）を主体とする１層構造の厚さｔ２の酸化被膜２Ａのみの１層構造とする下地処理を行う。

すなわち、この下地処理装置１００により実施される下地処理方法は、レーザー光のパルス照射によって処理対象物１である鋼材の表面に付着する酸化被膜２を除去する下地処理方法であって、図６に示すように、上記酸化被膜２を構成するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂとマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）２Ａの２層構造の上記酸化被膜２の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）をレーザー光のパルス照射によって除去するケレン処理工程を有する。

具体的には、この下地処理装置１００により実施される下地処理方法は、図６に工程図を示すように、レーザー密度設定工程ＳＴ１と、ケレン処理工程ＳＴ２からなる。

すなわち、この下地処理装置１００では、上記統括制御装置５０により、レーザー密度設定工程ＳＴ１と、ケレン処理工程ＳＴ２でパルスレーザー光照射装置１０の動作を次のように制御する。

上記統括制御装置５０は、先ずレーザー密度設定工程ＳＴ１において、ケレン処理工程ＳＴ２において処理対象物１である鋼材にパルスレーザー光照射装置１０からパルス照射するレーザー光の１パルス当たりのレーザー密度を、レーザー照射距離に基づくパルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_mに基づいて、上記酸化被膜２の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂを除去するのに有効なレーザー密度に初期設定する。

レーザー密度設定工程ＳＴ１において、初期設定するレーザー密度は、対象物の処理前の表面性状および処理後の表面性状への要求性能に応じて決定され、ケレン処理工程ＳＴ２において照射するパルスレーザー光をデフォーカスさせることによりスポット径ｄ_ｐを最適値に設定することができる。

そして、上記統括制御装置５０は、ケレン処理工程ＳＴ２において、上記レーザー密度設定工程ＳＴ１においてレーザー照射距離に基づくパルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_mに基づいて初期設定されたレーザー密度のパルスレーザー光を照射して、上記酸化被膜２の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂを除去するように、上記パルスレーザー光照射装置１０の動作を制御する。

ここで、上記統括制御装置５０は、上記ケレン処理工程ＳＴ２における１パルス当たりのパルスレーザー光の照射位置の移動距離ｄ_mがスポット径ｄ_ｐ×（１／２～１）の範囲内となる移動速度で移動させるものとすることができる。

パルスレーザー光の強度を変化させて酸化スケールを除去することにより、レーザー照射後の残留スケールの状況が変化する。

図７は、この下地処理装置１００におけるパルスレーザー光のパルスレーザー光の照射エネルギーを変化させるために、パルスレーザー光の照射位置の移動速度すなわちレーザースポットＬＳのスキャン速度を変化させた時の照射状況を示す図であり、（Ａ）は１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ１をスポット径ｄ_ｐ分とした移動速度の場合を示し、（Ｂ）は１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ２をスポット径ｄ_ｐの（１／√２）倍とした移動速度の場合を示し、（Ｃ）は１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ３をスポット径ｄ_ｐの（１／２）倍とした移動速度の場合を示している。

ここで、レーザースポット径ｄ_ｐは、使用するパルスレーザー光照射装置１０の光学系により得られる焦点位置におけるレーザー光のスポット径であり、形状としては円形であるものとして以降説明する。

また、図７においては、Ｘ方向(水平方向)とＹ方向(垂直方向)における移動速度は同じ値にしているが、これに限定するものではなく、Ｘ方向(水平方向)とＹ方向(垂直方向)をそれぞれ個別に設定しても良い。

例えば、図７の（Ａ）に示すように、１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ１をスポット径ｄ_ｐ分とした移動速度で移動させてケレン処理を行った場合、レーザー光が照射されない未照射部分にはスケールが残留するので、ケレン処理工程ＳＴ２において除去するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂの割合は、ケレン処理後の酸化被膜の表面における面積比で７８．５％となる。

上記図６の（Ｂ）には酸化被膜２の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂを完全に除去した場合を示しているが、用途によっては必ずしも１００％ヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂを除去する必要がない場合がある。

図７の（Ｂ）に示すように、１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ２をスポット径ｄ_ｐの（１／√２）倍とした移動速度とすることにより、レーザースポットＬＳをオーバラップさせることで未照射部分を無くすことができる最も効率的な状態とすることができる。

図７の（Ｃ）に示すように、１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ３をスポット径ｄ_ｐの（１／２）倍とした移動速度の場合、未照射部分は無くなるが、レーザースポットＬＳのオーバラップ率が大きくなり、エネルギーの投入効率としては図７の（Ｂ）の場合より劣る。

これらの方法によれば、レーザー照射した部分の（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂは除去でき、レーザー光の未照射部分にヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂが残留する。

ヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）の除去率は、図７の（Ａ）では、（４個の円の面積）／（４個の円に外接する正方形の面積）＝π／４＝０．７８５（７８．５％）である。

図７の（Ｂ）、（Ｃ）では、レーザースポットＬＳがオーバラップするためヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）の除去率は１００％である。

ここで、レーザー強度（エネルギー密度）を変更したレーザーケレンの性能評価をするために、それぞれの試験片に塗料を塗布し乾燥養生した後、引張試験（プルオフ試験）により付着力を確認した結果を図８に示す。

図８において、（ｏ）はレーザー照射しない鋼板の素材表面のまま（黒皮表面）、（ａ）は上記図７の（Ａ）の照射方法でレーザー照射した場合、（ｃ）は上記図７の（Ｃ）の照射方法でレーザー照射した場合で、それぞれ試験片は２枚ずつ用意して試験した結果の平均値を、未処理の黒皮表面の場合を’１．０’として正規化した結果を示している。

この結果から、レーザーケレンすることで塗膜の付着力が向上し、下地処理としての性能が向上することが分かる。

また、レーザー光のスキャン速度を変更することによりレーザー強度が変化するが、上記図７の（Ａ）に示した１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ１をスポット径ｄ_ｐ分とした移動速度で移動させる場合を下限とし、上記図７の（Ｃ）に示したスポット径ｄ_ｐの（１／２）倍分の移動距離ｄ_ｍ３だけ移動する場合を上限として、要求される下地処理の品質性能と処理効率から適切なレーザー照射条件（スキャン速度）を設定する必要がある。

上記条件の中では、図７の（Ｂ）に示したスポット径ｄ_ｐの（１／√２）倍分の移動距離ｄ_ｍ２だけ移動させる方法は、レーザー光の未照射部分が無く、かつオーバラップ率も小さくできることから、性能と効率から望ましい方法と考えられる。

この試験結果から、ケレン処理工程ＳＴ２において除去するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂの割合は、ケレン処理後の酸化被膜の表面における面積比で７８．５％以上とすることで下地処理としての性能が得られることが分かった。

このように下地処理装置１００によりレーザー密度設定工程ＳＴ１とケレン処理工程ＳＴ２からなる下地処理方法を実施して、密着性の低いヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂを一定以上（７８．５％以上）除去することで、処理対象物１である鋼材のレーザーケレン後の表面は、密着性の高いマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）２Ａが大部分を占めることになり、塗料の付着力が向上する。

より高い付着力が要求される場合には、ヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）２Ｂの除去率が高いレーザー照射方法によりケレン作業を実施すればよい。

なお、レーザー照射は、ロボットを用いる方法以外に、人がレーザーヘッドを手で保持して照射する方法でも良いが、レーザー照射の均一性を確保する意味においては、ロボットなど機械装置を用いることが望ましい。

１ 処理対象物、１Ａ 基材（Ｆｅ）、２ 酸化被膜、２Ａ マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）、２Ｂ ヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）、１０ レーザー照射装置、１１ レーザー発振部、１２ 光ファイバー、１３ レーザーヘッド部、２０ マニピュレータ、２１ ロボットアーム、２１Ａ 先端部、３０ ロボット制御部、４０ マニピュレータロボット、５０ 統括制御装置、１００ 下地処理装置、１３０ ガルバノミラー機構、１３１Ｘ、１３１Ｙ モータ、１３２Ｘ、１３２Ｙ ミラー、１３３ テレセントリックｆ－θレンズ

Claims (9)

1. レーザー光のパルス照射によって処理対象物である鋼材の表面に付着する酸化被膜を除去する下地処理方法であって、
   上記酸化被膜を構成するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）とマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）の２層構造の上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）をレーザー光のパルス照射によって除去するケレン処理工程を有することを特徴とする下地処理方法。
2. パルス照射するレーザー光の１パルス当たりのレーザー密度を、レーザー照射距離に基づくパルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_mに基づいて、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去するのに有効なレーザー密度に初期設定するレーザー密度設定工程を有し、
   上記ケレン処理工程では、上記レーザー密度設定工程において初期設定されたレーザー密度のパルスレーザー光を照射して、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去することを特徴とする請求項１に記載の下地処理方法。
3. 上記ケレン処理工程において除去するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）の割合を、ケレン処理後の上記酸化被膜の表面における面積比で７８．５％以上とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の下地処理方法。
4. 上記ケレン処理工程において、上記１パルス当たりのパルスレーザー光の照射位置の移動距離ｄ_mがスポット径ｄ_ｐ×（１／２～１）の範囲内となる移動速度で移動させる
   ことを特徴とする請求項２に記載の下地処理方法。
5. 上記ケレン処理工程において、照射するパルスレーザー光をデフォーカスさせることによりスポット径ｄ_ｐを最適値に設定することを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか1項に記載の下地処理方法。
6. レーザー光のパルス照射によって処理対象物である鋼材の表面に付着するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）とマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）の２層構造の酸化被膜の一部を除去する下地処理装置であって、
   上記処理対象物である鋼材の処理対象領域にパルスレーザー光を照射するレーザー照射距離を可変設定する照射距離可変設定手段と、上記処理対象領域を含む作業領域内でパルスレーザー光の照射位置を移動させるスキャン手段を備え、上記処理対象物である鋼材の処理対象領域にパルスレーザー光を照射するパルスレーザー光照射装置と、
   上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御する制御装置と
   を備え、
   上記制御装置は、上記パルスレーザー光照射装置により、パルス照射するレーザー光の１パルス当たりのレーザー密度を、レーザー照射距離に基づくパルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_mに基づいて、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去するのに有効なレーザー密度に初期設定し、上記処理対象領域を含む作業領域内でパルスレーザー光の照射位置を上記スキャン手段により移動させて、上記初期設定されたレーザー密度のパルスレーザー光を照射して、上記酸化被膜の表層のヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）を除去するケレン処理を行うように上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御する
   ことを特徴とする下地処理装置。
7. 上記制御装置は、上記ケレン処理により除去するヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）の割合を、ケレン処理後の上記酸化被膜の表面における面積比で７８．５％以上とするように、上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御することを特徴とする請求項６に記載の下地処理装置。
8. 上記制御装置は、上記スキャン手段により上記１パルス当たりのパルスレーザー光の照射位置の移動距離ｄ_mがスポット径ｄ_ｐ×（１／２～１）の範囲内となる移動速度で移動させるように、上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御することを特徴とする請求項６に記載の下地処理装置。
9. 上記制御装置は、上記照射距離可変設定手段により、上記処理対象物である鋼材の処理対象領域に照射するパルスレーザー光をデフォーカスさせることによりスポット径ｄ_ｐを最適値に設定することを特徴とする請求項６乃至請求項８の何れか1項に記載の下地処理装置。

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