JP2022154221A - 金属表面の粗面化方法及び粗面化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属表面にスパッタを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を形成することができる金属表面の粗面化方法及び粗面化装置を提供する。【解決手段】レーザ発振器２と、レーザ発振器２から供給されるレーザ光Ｌを鋼材Ｗの表面Ｗａに照射するレーザヘッド４と、レーザヘッド４からのレーザ光Ｌを鋼材Ｗの表面Ｗａ上で走査させる走査機構８と、レーザヘッド４及び走査機構８の動作をコントロールする制御部１０を備え、制御部１０は、鋼材Ｗの表面Ｗａにスパッタを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を形成するべく設定したレーザ条件でレーザヘッド４及び走査機構８を制御する。【選択図】図１
Description
本開示は、金属表面に塗装を施す際の素地調整に用いられる金属表面の粗面化方法及び粗面化装置に関するものである。
上記したように、金属表面に塗装を施す際には、塗料の密着力を大きくして塗装の耐久性向上を図るために、塗装前の金属表面を適切な粗さにする素地調整を行う必要がある。
従来において、金属表面に対して素地調整を行う粗面化方法としては、例えば、ブラスト処理がある。このブラスト処理は、エアブラスト機やショットブラスト機によって研磨材の粒を金属表面に打ち付けることで、金属表面の粗さを調整するようにしている。
ところが、このブラスト処理は、エアブラスト機やショットブラスト機といった大規模な設備が必要であり、加えて、研磨材の粒が金属の周囲に飛散することから、工場外での運用、例えば、橋梁や建築物等の既設構造物の塗り替え現場での運用が困難である。
このような工場外での運用が困難なブラスト処理に代わる金属表面の粗面化方法としては、例えば、特許文献１に記載された金属成形体の粗面化方法がある。
この金属成形体の粗面化方法は、金属成形体と樹脂成形体とを一体化して複合部品を製造する際に用いられる方法であり、この粗面化方法では、金属成形体と樹脂成形体との接合強度を高めるために、レーザ光を金属成形体に照射して金属成形体の表面に１００μｍを超える高低差の凹凸を形成するようにしている。
上記した１００μｍ超の高低差の凹凸を金属成形体の表面に形成する粗面化方法は、複合部品の金属成形体と樹脂成形体との接合強度を高めるためには十分有効である。
しかしながら、この金属成形体の粗面化方法は、塗料の密着力を大きくすることが求められる塗装前の金属表面の粗面化、すなわち、数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を金属表面に作り出すことが求められる金属表面の粗面化に適していない。
しかしながら、この金属成形体の粗面化方法は、塗料の密着力を大きくすることが求められる塗装前の金属表面の粗面化、すなわち、数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を金属表面に作り出すことが求められる金属表面の粗面化に適していない。
したがって、レーザ光の照射による金属表面の粗面化において、金属表面により細かい凹凸を作り出すことができるレーザ条件の構築が望まれており、これを解決することが従来の課題となっている。
本開示は、上記した従来の課題を解決するためになされたもので、塗装前の金属の表面にスパッタを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を形成することが可能であり、その結果、塗装の耐久性を向上させることができる金属表面の粗面化方法及び粗面化装置を提供することを目的としている。
本開示の第１の態様は、金属表面の素地調整を行う金属表面の粗面化方法であって、前記金属の表面にスパッタを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を形成するべく設定したレーザ条件で前記金属の表面に対してレーザ光を照射する構成としている。
また、本開示の第２の態様は、前記レーザ光としてパルスレーザ光を用いる構成としている。
さらに、本開示の第３の態様において、前記レーザ条件は、レーザ光の平均出力を繰り返し周波数で除して成るパルスエネルギが少なくとも０．７ｍＪであり、且つ、レーザ光のピーク出力が少なくとも７．０ｋＷである構成としている。
さらにまた、本開示の第４の態様は、前記レーザ条件において、パルスエネルギを少なくとも０．７ｍＪとし、且つ、レーザ光のピーク出力を少なくとも７．０ｋＷとするためのレーザ光のパルス幅（パルスの時間幅）が１００．０ｎｓ以下である構成としている。
一方、本開示の第５の態様は、金属表面の素地調整を行う金属表面の粗面化装置であって、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から供給されるレーザ光を前記金属の表面に照射するレーザヘッドと、前記レーザヘッドからのレーザ光を前記金属の表面上で走査させる走査機構と、前記レーザヘッド及び前記走査機構の動作をコントロールする制御部を備え、前記制御部は、前記金属の表面にスパッタを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を形成するべく設定したレーザ条件で前記レーザヘッド及び前記走査機構を制御する構成としている。
本開示に係る金属表面の粗面化方法及び粗面化装置において、レーザにはファイバーレーザや半導体レーザやＹＡＧレーザを用いるのが一般的であるが、これらのレーザに限定されない。
本開示に係る金属表面の粗面化方法及び粗面化装置によれば、塗装前の金属の表面にスパッタを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を形成することができ、したがって、塗装の耐久性を向上させることが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本開示の一実施形態に係る金属表面の粗面化方法に用いられる粗面化装置を示している。
図１は、本開示の一実施形態に係る金属表面の粗面化方法に用いられる粗面化装置を示している。
図１に概略的に示すように、この粗面化装置１は、例えば、橋梁を構成する鋼材（金属）Ｗの表面Ｗａの素地調整を行うためのものであって、レーザ発振器２と、レーザ発振器２から光ファイバ５を介して供給されるレーザ光Ｌを内蔵された光学系３により集光して鋼材Ｗの表面Ｗａに照射するレーザヘッド４と、レーザヘッド４を鋼材Ｗの長辺方向に沿って移動させるヘッド駆動機構６と、レーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌを反射して鋼材Ｗの表面Ｗａで往復移動させる走査機構８と、レーザヘッド４から照射されるレーザ光Ｌの出力等を後述するレーザ条件に基づいて制御する制御部１０を備えている。
この実施形態では、レーザ発振器２として加工精度が高く且つ熱影響の少ない粗面化処理を行い得るパルスレーザ発振器を採用している。
この実施形態では、レーザ発振器２として加工精度が高く且つ熱影響の少ない粗面化処理を行い得るパルスレーザ発振器を採用している。
ヘッド駆動機構６は、鋼材Ｗの長辺方向に沿って配置されるレール６ａと、このレール６ａ上を往復移動するスライダ６ｂを具備している。この場合、レーザヘッド４は、鋼材Ｗの表面Ｗａと平行で且つレール６ａと直交する方向にレーザ光照射方向を合わせるようにしてスライダ６ｂに固定されている。
また、走査機構８は、ヘッド駆動機構６のスライダ６ｂに支持台７を介して取り付けられたケース９に保持されており、レーザヘッド４からのレーザ光Ｌを反射するスキャナミラー８ａと、このスキャナミラー８ａを所定の範囲で小刻みに回動させるスキャナモータ８ｂとから構成されている。
つまり、この粗面化装置１では、ヘッド駆動機構６及び走査機構８の双方をそれぞれ動作させることで、鋼材Ｗの表面Ｗａ全体をカバーするようにレーザ光Ｌを移動させ、これによって生じるスパッタを含めた数μｍオーダーの高低差の微小凹凸を鋼材Ｗの表面Ｗａに形成するようになっている。
より詳述すれば、レーザ光Ｌを反射する走査機構８のスキャナミラー８ａを小刻みに回動させて、図１の拡大長円内に示すように、鋼材Ｗの表面Ｗａ上においてレーザスポットＳを鋼材Ｗの短辺方向に沿って１パルス毎に所定量ずつ（この実施形態ではレーザスポットＳの直径の１／４ずつ）移動させるようになっている。
一方、ヘッド駆動機構６は、鋼材Ｗの短辺方向に沿うレーザスポットＳの移動が終了する毎に作動して、レーザスポットＳを鋼材Ｗの長辺方向に沿って所定量（この実施形態ではレーザスポットＳの直径の１／４）移動させるようになっている。
なお、ヘッド駆動機構６及び走査機構８による１パルス毎のレーザスポットＳの移動量は、上記したレーザスポットＳの直径の１／４に限定されるものではないが、隣接するレーザスポットＳ間に隙間が空くのを回避するうえで、レーザスポットＳの直径の１／４～３／４の範囲で移動させることが望ましい。
この場合、制御部１０では、鋼材Ｗの表面Ｗａにスパッタを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を形成するべく設定したレーザ条件でレーザヘッド４，ヘッド駆動機構６及び走査機構８を制御するようになっている。
ここで、図２に粗面化装置１のレーザヘッド４から照射されるパルスレーザ出力の経時変化を示す。図２において、符号Ｐａ，Ｐｐはそれぞれ平均出力及びピーク出力を示し、符号Ｉｎ，ｗはそれぞれレーザ光Ｌのパルス間隔及びパルス幅（パルスの時間幅）を示す。また、図２において、符号ＰＥはパルスエネルギを示す。
上記レーザ条件を決めるにあたっては、まず、スポット径を６０μｍ程度に設定したうえで、レーザ光Ｌの平均出力Ｐａをパルス間隔Ｉｎの逆数で表される繰り返し周波数で除して成るパルスエネルギＰＥを少なくとも０．７ｍＪに設定し、且つ、レーザ光Ｌのピーク出力Ｐｐを少なくとも７．０ｋＷに設定する。
そして、上記のようにパルスエネルギＰＥを少なくとも０．７ｍＪとすると共に、レーザ光Ｌのピーク出力Ｐｐを少なくとも７．０ｋＷとするために、レーザ光Ｌのパルス幅ｗを１００．０ｎｓ以下に設定する。
このように、本実施形態において、制御部１０では、レーザ光Ｌの平均出力Ｐａをパルスの繰り返し周波数で除して成るパルスエネルギＰＥを少なくとも０．７ｍＪとすると共に、レーザ光Ｌのピーク出力Ｐｐを少なくとも７．０ｋＷとするために、レーザ光Ｌのパルス幅ｗが１００．０ｎｓ以下となるようにレーザヘッド４，ヘッド駆動機構６及び走査機構８を制御するようになっている。
そこで、表１に示す本実施形態における条件No.１と、比較例として設定した条件No.２のもとで、橋梁を構成する鋼材Ｗの表面Ｗａの粗面化処理を行った。なお、他の比較例として諸条件に関係なく表面Ｗａの微小な凹凸が消滅してしまうように設定した条件No.３を表１に併せて記載した。
※ 条件No.２の繰り返し周波数，パルス幅及びパルスエネルギは、上段が平均出力５０Ｗの時の値であり、下段が平均出力２５Ｗの時の値である。
条件No.１による粗面化処理では図３に示す結果が得られ、一方、条件No.２による粗面化処理では図４に示す結果が得られた。また、条件No.３による粗面化処理では図５に示す結果が得られた。
図３から判るように、条件No.１による粗面化処理では、鋼材Ｗの表面ＷａにスパッタＳｐを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸Ｇが形成されている。これに対して、図４から判るように、条件No.２による粗面化処理では、鋼材Ｗの表面Ｗａに大き目な凹凸が散見されるものの微小な凹凸は見当たらない。また、図５から判るように、条件No.３による粗面化処理では、鋼材Ｗの表面Ｗａに生じている凹凸は皆無である。
したがって、本実施形態係る金属表面の粗面化方法及び粗面化装置１によれば、鋼材Ｗの表面ＷａにスパッタＳｐを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸Ｇを形成し得ることが実証できた。
また、本実施形態係る金属表面の粗面化方法及び粗面化装置１では、鋼材Ｗの表面ＷａにスパッタＳｐを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸Ｇを形成し得るので、塗装の耐久性の向上を実現し得ることとなる。
さらに、本実施形態係る金属表面の粗面化方法及び粗面化装置１では、レーザ発振器２としてパルスレーザ発振器を採用しているので、熱影響を少なく抑えたうえで高精度の粗面化処理を行い得ることとなる。
さらに、本実施形態係る金属表面の粗面化方法及び粗面化装置１では、レーザ発振器２としてパルスレーザ発振器を採用しているので、熱影響を少なく抑えたうえで高精度の粗面化処理を行い得ることとなる。
上記した実施形態では、本開示に係る金属表面の粗面化方法及び粗面化装置により、橋梁を構成する鋼材（金属）Ｗの表面Ｗａを粗面化する場合を示したが、これに限定されるものではなく、本開示に係る金属表面の粗面化方法及び粗面化装置を、例えば、鉄塔を構成する鋼材Ｗの表面Ｗａの粗面化に適用することが当然可能である。
本開示に係る金属表面の粗面化方法及び粗面化装置の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、開示の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
１ 粗面化装置
２ レーザ発振器
４ レーザヘッド
８ 走査機構
８ａ スキャナミラー
８ｂ スキャナモータ
１０ 制御部
Ｇ 微小な凹凸
Ｉｎ パルス間隔
Ｌ レーザ光
ＰＥ パルスエネルギ
Ｐａ 平均出力
Ｐｐ ピーク出力
Ｓｐ スパッタ
Ｗ 鋼材（金属）
Ｗａ 鋼材の表面（金属表面）
ｗ パルスの時間幅
２ レーザ発振器
４ レーザヘッド
８ 走査機構
８ａ スキャナミラー
８ｂ スキャナモータ
１０ 制御部
Ｇ 微小な凹凸
Ｉｎ パルス間隔
Ｌ レーザ光
ＰＥ パルスエネルギ
Ｐａ 平均出力
Ｐｐ ピーク出力
Ｓｐ スパッタ
Ｗ 鋼材（金属）
Ｗａ 鋼材の表面（金属表面）
ｗ パルスの時間幅
Claims (5)
- 金属表面の素地調整を行う金属表面の粗面化方法であって、
前記金属の表面にスパッタを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を形成するべく設定したレーザ条件で前記金属の表面に対してレーザ光を照射する金属表面の粗面化方法。 - 前記レーザ光としてパルスレーザ光を用いる請求項１に記載の金属表面の粗面化方法。
- 前記レーザ条件は、レーザ光の平均出力を繰り返し周波数で除して成るパルスエネルギが少なくとも０．７ｍＪであり、且つ、レーザ光のピーク出力が少なくとも７．０ｋＷである請求項２に記載の金属表面の粗面化方法。
- 前記レーザ条件において、パルスエネルギを少なくとも０．７ｍＪとし、且つ、レーザ光のピーク出力を少なくとも７．０ｋＷとするためのレーザ光のパルス幅が１００．０ｎｓ以下である請求項３に記載の金属表面の粗面化方法。
- 金属表面の素地調整を行う金属表面の粗面化装置であって、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から供給されるレーザ光を前記金属の表面に照射するレーザヘッドと、
前記レーザヘッドからのレーザ光を前記金属の表面上で走査させる走査機構と、
前記レーザヘッド及び前記走査機構の動作をコントロールする制御部を備え、
前記制御部は、前記金属の表面にスパッタを含めて数μｍオーダーの高低差の微小な凹凸を形成するべく設定したレーザ条件で前記レーザヘッド及び前記走査機構を制御する金属表面の粗面化装置。
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|---|---|---|---|
| JP2021057139A JP2022154221A (ja) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | 金属表面の粗面化方法及び粗面化装置 |
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| JP2021057139A Pending JP2022154221A (ja) | 2021-03-30 | 2021-03-30 | 金属表面の粗面化方法及び粗面化装置 |
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