JP2022135806A - 下地処理方法および下地処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物等の下地処理作業におけるレーザー照射の条件を適正化した下地処理方法および下地処理装置を提供する。【解決手段】初期酸化被膜（スケール）として、基材（Ｆｅ）２の上層にヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）およびマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）を主成分とする酸化被膜３が表面に存在する処理対象物１に対して、前処理では、酸化被膜３を溶融させるのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記酸化被膜３を溶融させる。後処理では、上記前処理において上記酸化被膜３の溶融により発生されるスラグ３Ｂを冷却して凝固させ、上記酸化被膜３の最表層のスラグ３Ｂを除去するのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物の最表層のスラグを除去する後処理を行う。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のみとなる。【選択図】図６

Description

本発明は、レーザー照射によって処理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、塗装、ライニング、接着などの各種作業に供されるワークに最適な条件でのレーザーケレン作業が実施可能な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。

例えば、橋梁等の鋼構造物の表面には、用途や機能に応じて、塗装、舗装、ライニング、樹脂シート等、種々の被膜が形成される。かかる被膜は、風雨に晒されることが多く、時間の経過とともに、劣化したり酸化物や汚れ等が付着したりすることとなる。鉄部に付着している汚れや錆をしっかりと落とさずに、塗料を塗布してもしっかり塗料が付着しないので、すぐに剥がれてしまうなど、本来の耐久性を発揮することができない。その為、下地処理作業を行い、確実に汚れや錆を除去し密着性を向上させる必要がある。そこで、かかる被膜を有する構造物等では、定期的に洗浄や剥離（下地処理作業を含む）等の除去作業を行い、必要に応じて、被膜の塗り替えや張り替え等の処理を行っている。

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）。

さらに、鋼板表面の酸化被膜、塗膜などの付着物をレーザーにて除去する表面処理方法として、第１回目のレーザー照射により上記付着物を除去し、第１回目のレーザー照射により生じた熱影響部を第２回目のレーザー照射により除去するようにした表面処理方法が提案されている（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２０１９－７６９１５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。

さらに、特許文献３の開示技術は、第１回目のレーザー照射により上記付着物を除去するために、非常に大きなレーザーエネルギーが必要となり、その結果、過剰な熱が鋼板表面に投入されることで、熱影響部が生じ、当該熱影響部を除去するために第２のレーザー照射を行うものである。上記熱影響層は、ＦｅＯを主体とする酸化被膜であり、後の塗装による塗膜の耐候性、防錆性に悪影響を及ぼすものとされている。この方法では、鋼板表面に付着した酸化被膜をレーザーにて完全に除去するためには、大きなレーザーエネルギーが必要となり、レーザー装置も大型・高価なものとなる問題がある。

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。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、塗装、ライニング、接着などの各種作業に供されるワークに最適な条件でのレーザーケレン作業が実施可能で、しかも、装置を大型化せず、設備費も安価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、本発明の他の目的は、レーザー照射による下地処理作業を自動化して、作業環境を改善するとともに、作業者の安全と健康を確保することにある。

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、処理対象物の付着物についてレーザー照射による変化挙動を詳細観察し、熱間圧延のままの鋼材表面の酸化スケールは、密着性の高いマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）と密着性の低いヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）が混在する構造となっており、レーザー光のパルス照射によって溶融させることで、レーザー照射終了直後に当該部分が冷却・凝固され、新たに凝固した酸化被膜は密着性の高いマグネタイトから成り、かつ凝固した酸化被膜の上部には溶融により発生したスラグを浮揚・分離させることができることを確認した。

そこで、本発明では、処理対象物の付着物をレーザー光のパルス照射によって溶融させる前処理と、冷却・凝固させることで上記付着物の最表層に析出されるスラグをレーザー光のパルス照射によって除去する後処理を行う。

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付着物を除去する下地処理方法であって、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）とヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）が混在する構造となる上記付着物にレーザー光をパルス照射することより溶融させる前処理工程と、レーザー照射終了後に当該部分が冷却・凝固され、上記付着物の最表層に浮揚したスラグをレーザー光のパルス照射により除去する後処理を行う後処理工程とを有することを特徴とする。

本発明に係る下地処理方法において、上記前処理工程では、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、上記付着物を溶融させるのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物を溶融させる前処理を行い、上記後処理工程では、上記前処理工程において上記付着物を溶融させるレーザー照射を終了した後に、当該部分が冷却・凝固され上記付着物の最表層に浮揚したスラグを除去するにあたり、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、上記付着物の最表層のスラグを除去するのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物の最表層のスラグを除去する後処理を行う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。

本発明に係る下地処理方法では、上記前処理工程における１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m１に対し、上記後処理工程では、２倍以上の移動距離ｄ_m２となる移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させて、後処理を行う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において、上記前処理工程では、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m１が上記パルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐより小さくなる移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させて、前処理を行い、上記後処理工程では、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m２が上記パルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと等しい移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させて、後処理を行うものとすることができる。

本発明は、レーザー光のパルス照射によって処理対象物の付着物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、上記付着物を溶融させるのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物を溶融させるように、上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御する前処理制御と、
上記付着物の溶融後の冷却により発生するスラグを、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、上記付着物の最表層のスラグを除去するのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物の最表層のスラグを除去するように、上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御する後処理制御を行うことを特徴とする。

本発明に係る下地処理装置において、上記制御装置は、上記前処理制御における１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m１に対し、上記後処理制御では、２倍以上の移動距離ｄ_m２となる移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させ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、上記前処理制御では、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m１が上記パルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐより小さくなる移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させ、上記後処理制御では、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m２が上記パルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと等しい移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させ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、上記付着物を溶融させるのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物を溶融させる前処理を行い、上記前処理において上記付着物の溶融により発生されるスラグを冷却して凝固させ、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、上記付着物の最表層のスラグを除去するのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物の最表層のスラグを除去する後処理を行うことにより、レーザーケレン後の鋼板表面には、密着性の低いスラグが除去されて、密着性の高い酸化被膜のみとすることができる。

したがって、本発明によれば、塗装、ライニング、接着などの各種作業に供されるワークに最適な条件でのレーザーケレン作業を行うことができ、しかも、装置を大型化せず、設備費も安価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。

また、本発明によれば、従来の機械的な下地処理作業(ショットブラスト)を自動化することができ、これにより、作業者の環境面での改善や、複雑形状の対象材の下地処理作業も可能になる。

すなわち、本発明では、加工作業の品質と能率の両面から最適な条件を与えることができる。

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。 上記下地処理装置による下地処理の各工程における処理対象物の断面構造を模式的に示す図であり、（Ａ）は処理前の処理対象物の模式的な断面図であり、（Ｂ）は前処理後の処理対象物の模式的な断面図であり、（Ｃ）は後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おけるパルスレーザー光の照射位置の移動速度の説明に供する図であり、（Ａ）は１パルス当たりの移動距離ｄ_ｍ１をスポット径ｄ_ｐの（１／√２）倍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_ｍ１’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_ｍ２をスポット径ｄ_ｐ分とした移動速度の場合を示している。

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。

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により実施される下地処理方法は、図５に工程図を示すように、前処理工程ＳＴ１と後処理工程ＳＴ２を有する。

この下地処理方法は、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３を除去する下地処理方法であって、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）とヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）が混在する構造となる上記酸化被膜３にレーザー光をパルス照射することより溶融させる前処理工程ＳＴ１と、レーザー照射終了後に当該部分が冷却・凝固され、上記付着物の最表層に浮揚したスラグをレーザー光のパルス照射により除去する後処理を行う後処理工程ＳＴ２とを有する。

上記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などからなる下地処理装置１００において、上記統括制御装置５は、パルスレーザー光照射装置１０の動作を前処理工程ＳＴ１と後処理工程ＳＴ２で次のように制御する。

図６は、この下地処理装置１００による下地処理の各工程の前後における処理対象物１の断面構造を模式的に示す図であり、（Ａ）は処理前の処理対象物１の模式的な断面図であり、（Ｂ）は前処理後の処理対象物１の模式的な断面図であり、（Ｃ）は後処理後の処理対象物１の模式的な断面図である。

図６の（Ａ）に示すように、処理対象物１には、初期酸化被膜（スケール）として、基材（Ｆｅ）２の上層にヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）およびマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）を主成分とする厚さｔ１の酸化被膜３が存在する。レーザー照射前の処理対象物１の表面に付着物として付着している初期酸化被膜は、ヘマタイト、マグネタイトを主成分とするが、それ以外の不純物も含んでいる。

上記統括制御装置５０は、前処理工程ＳＴ１において、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３を溶融させるのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記酸化被膜３を溶融させるように、上記パルスレーザー光照射装置１０の動作を制御する前後処理制御を行う。

すなわち、前処理工程ＳＴ１では、１回目のレーザー照射ＬＳ１を実施して酸化被膜３を溶融させる。

前処理工程ＳＴ１において１回目のレーザー照射ＬＳ１における個々のスポット照射より溶融された酸化被膜３は、それぞれのレーザー照射ＬＳ１が終了すると自然冷却により非常に速い冷却速度で冷却され凝固する。これは、酸化被膜３自体が非常に薄いものであり(１０μm以下)、熱容量が小さいことによる。この様に急冷された酸化被膜３は、非常に密着性の高いマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）が主体の酸化被膜３Ａとなる。同時に、該酸化被膜３Ａの上層にはスラグ３Ｂが浮遊・付着するが、該スラグ３Ｂは密着性が非常に低いものである。

ここで、溶融後の冷却であるが、上記は雰囲気の大気による自然冷却であるが、これに限定するものではなく、更に速い冷却速度が必要な場合は、冷却媒体を使用した冷却を行っても良い。

すなわち、前処理後の処理対象物１の表面は、図６の（Ｂ）に示すように、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）が主体の酸化被膜３Ａと析出されたスラグ３Ｂとの２層構造の厚さｔ２の酸化被膜３’が付着した状態となる。

上記統括制御装置５０は、後処理工程ＳＴ２において、上記付着物の表層に溶融により発生したスラグ３Ｂを冷却して凝固させ、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、上記付着物の最表層のスラグ３Ｂを除去するのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記酸化被膜３’の最表層のスラグ３Ｂを除去するように、上記パルスレーザー光照射装置１０の動作を制御する後処理制御を行う。

ここで、スラグは、元の酸化被膜が含有する不純物により生成されたものであり、一般的には、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）より比重が軽く、溶融により表層部に浮揚するものである。

すなわち、後処理工程ＳＴ２では、２回目のレーザー照射ＬＳ２を実施して上記酸化被膜３’の最表層のスラグ３Ｂを除去する。

後処理後の処理対象物１の表面は、図６の（Ｃ）に示すように、非常に密着性の高いマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）が主体の酸化被膜３Ａのみとなる。

このように、この下地処理装置１００による下地処理では、初期酸化被膜（スケール）として、基材（Ｆｅ）２の上層にヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）およびマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）を主成分とする厚さｔ１の酸化被膜３が存在する処理対象物１に対して上記前処理工程（ＳＴ１）における１回目のレーザー照射ＬＳ１と、上記後処理工程（ＳＴ２）における２回目のレーザー照射ＬＳ２を行うことにより、処理対象物１の表面を密着性の高いマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）を主体とする酸化被膜３Ａとするとともに、最表面に発生する密着性の極めて低いスラグ３Ｂが除去できるので、その後の工程である塗装や接着における付着力を向上することができる。

上記統括制御装置５０は、上記前処理制御における１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m１に対し、上記後処理制御では、２倍以上の移動距離ｄ_m２となる移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させるものとすることができる。

ここで、前処理工程ＳＴ１における１回目のレーザー照射は、後処理工程ＳＴ２における２回目のレーザー照射によりスラグが十分に分離できればよく、テスト等で設定したスラグが十分に分離できる適切な回数でのレーザー照射をまとめて１回目のレーザー照射とすることができる。また、後処理工程ＳＴ２における２回目のレーザー照射のスキャン速度としては、前処理工程ＳＴ１における１回目のレーザー照射に比べ、２倍以上の速度にすることが望ましい。このようにして得られた後処理後の処理対象物１の表面は、密着性の高いマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）を主体とする酸化被膜３Ａとなる。

上記パルスレーザー光照射装置１０により処理対象物１に照射するパルスレーザー光におけるレーザースポットＬＳのスキャン速度を変化させた時の照射状況を図７に示す。

図７の（Ａ）は、照射するパルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐの(１／√２)倍の距離ｄ_m１だけ移動させる場合である。この場合は、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場合である。図７の（Ｂ）は、照射するパルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐの(１／２)倍の距離ｄ_m１’だけ移動させる場合であり、この場合も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（Ａ）の場合より劣る。図７の（Ｃ）は、スポット径ｄ_ｐに等しい距離ｄ_ｍ２だけ移動させるスキャン速度の場合である。

また、図７においては、Ｘ方向(水平方向)とＹ方向(垂直方向)におけるスキャン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)をそれぞれ異なる速度に設定しても良い。

ここで、上記照射するパルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐは、使用するレーザー装置の光学系により異なるが、レーザー光の照射距離(レーザーヘッド出射側のレンズから被対象物までの距離)が焦点距離である場合のスポット径ｄ_ｐが最小であり、レーザー照射距離を焦点距離に対して長くしたり、短くすることでスポット径ｄ_ｐを変化させる(レーザー光をデフォーカスする)ことが可能である。この場合のスポット径ｄ_ｐは焦点位置の場合のスポット径よりも大きくなり、レーザー照射のエネルギーも小さくなる。

上記統括制御装置５０は、上記前処理制御では、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m１が上記パルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐより小さくなる移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させ、上記後処理制御では、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m２が上記パルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと等しい移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させるものとすることができる。

すなわち、この下地処理装置１００における統括制御装置５０では、まず１回目のレーザー照射ＬＳ１を図７の（Ｂ）に示す方法によるスキャン速度(スポット径ｄ_ｐの(１／２)倍の距離ｄ_ｍ１’だけ移動させる場合)で酸化被膜３を溶融させると、レーザー照射終了後には、自然冷却により溶融した酸化被膜は凝固すると同時に、スラグ３Ｂが酸化被膜３Ａの上面に浮揚・分離する。そして、最表面に発生したスラグ３Ｂを図７の（Ｃ）に示す方法によるスキャン速度(スポット径ｄ_ｐに等しい距離ｄ_m２だけ移動させる場合)によるレーザー照射ＬＳ２により除去する。

この下地処理装置１００における統括制御装置５０では、それぞれのワークに対するレーザー照射の最適条件を決定すべく、処理対象物１毎の作業仕様(加工品質や作業能率など)に基づき、最適なスポット径ｄ_ｐ(レーザー密度)を実現するためのレーザー照射距離を関数プログラムとして内蔵されており、これに基づいて照射距離と１パルス当たりのレーザー移動距離が設定される。ここで、最適なスポット径ｄ_ｐは、事前のオフライン試験等の結果から、処理対象物１毎に所定の品質・能率が得られるように決められる。上記処理対象物１の処理対象領域に照射するパルスレーザー光Ｌpのスポット径ｄ_ｐをレーザー照射距離によって可変にすることができ、上記処理対象物１の処理対象領域に照射するパルスレーザー光Ｌp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。

スポット径ｄ_ｐは上記デフォーカスすることにより大きくすることが可能となり、スポット径ｄ_ｐが大きくなるとスキャン速度も速くすることができる。

また、溶融した酸化被膜の冷却に関しては、酸化被膜３が非常に薄い場合には、自然冷却(空冷)による冷却でもよいが、初期スケール厚が厚くなり、自然冷却では冷却速度が不足するような場合には、窒素ガスなどをレーザー照射部に噴射することで冷却速度を大きくすることが可能である。

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、２ 基材（Ｆｅ）、３，３’ 酸化被膜、３Ａ 酸化被膜（Ｆｅ_３Ｏ_４）、３Ｂ スラグ、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 (7)

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付着物を除去する下地処理方法であって、
   マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）とヘマタイト（Ｆｅ_２Ｏ_３）が混在する構造となる上記付着物にレーザー光をパルス照射することより溶融させる前処理工程と、
   レーザー照射終了後に当該部分が冷却・凝固され、上記付着物の最表層に浮揚したスラグをレーザー光のパルス照射により除去する後処理を行う後処理工程とを有することを特徴とする下地処理方法。
2. 上記前処理工程では、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、上記付着物を溶融させるのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物を溶融させる前処理を行い、
   上記後処理工程では、上記前処理工程において上記付着物を溶融させるレーザー照射を終了した後に、当該部分が冷却・凝固され上記付着物の最表層に浮揚したスラグを除去するにあたり、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、上記付着物の最表層のスラグを除去するのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物の最表層のスラグを除去する後処理を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の下地処理方法。
3. 上記前処理工程における１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m１に対し、上記後処理工程では、２倍以上の移動距離ｄ_m２となる移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させて、後処理を行うことを特徴とする請求項２に記載の下地処理方法。
4. 上記前処理工程では、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m１が上記パルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐより小さくなる移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させて、前処理を行い
   上記後処理工程では、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m２が上記パルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと等しい移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させて、後処理を行う
   ことを特徴とする請求項２に記載の下地処理方法。
5. レーザー光のパルス照射によって処理対象物の付着物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、上記付着物を溶融させるのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物を溶融させるように、上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御する前処理制御と、
   上記付着物の溶融後の冷却により発生するスラグを、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、上記付着物の最表層のスラグを除去するのに有効なレーザー密度に設定したパルスレーザー光を照射して、上記付着物の最表層のスラグを除去するように、上記パルスレーザー光照射装置の動作を制御する後処理制御を行うことを特徴とする下地処理装置。
6. 上記制御装置は、上記前処理制御における１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m１に対し、上記後処理制御では、２倍以上の移動距離ｄ_m２となる移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させることを特徴とする請求項５に記載の下地処理装置。
7. 上記制御装置は、上記前処理制御では、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m１が上記パルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐより小さくなる移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させ、
   上記後処理制御では、１パルス当たりの照射位置の移動距離ｄ_m２が上記パルスレーザー光のスポット径ｄ_ｐと等しい移動速度で上記パルスレーザー光の照射位置を移動させる
   ことを特徴とする請求項５に記載の下地処理装置。

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