JP7207573B2 - クリーニング方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを用いたクリーニング方法および装置に関する。

一般的に、レーザクリーニングとは、レーザ源からの出力をファイバなどで伝搬し対象に照射し、クリーニング対象物の表面におけるレーザ吸収による熱やレーザエネルギーによって表面材料を揮発・蒸発させ表面を清浄な状態にする技術である。従来のレーザクリーニングシステムの構成を図８に示す。

このシステムでは、レーザ光源２０１からの出力を光ファイバ２０２やレーザヘッド２０３に伝搬し、レーザヘッド２０３が有するレンズ系で成形してビーム２０６とし、このビーム２０６を走査して対象となる鋼材１３１の表面１３２に照射する。この照射によって、鋼材１３１の表面１３２のクリーニングを実現している。

従来、レーザビームを集光してエネルギー密度を高めることや、レーザ出力を高めること、また、レーザビームを高速に走査することで、短時間に大面積のクリーニングができるようにレーザクリーニング装置の開発が進んできた。近年のレーザ装置の大出力化やレーザ技術の普及に伴う低価格化により、レーザ技術が様々な分野で利用されるようになっている。また、レーザビームの走査方法も改良が進み、これらの背景により、レーザクリーニング技術の研究開発や応用技術の開発が盛んに進められている（非特許文献１参照）。

上述したレーザクリーニングシステムは、例えば、凹凸の激しい対象物の表面処理に活用され、食品などの製造金型に付着した食品材料の除去、美術品に付着した埃や汚れの洗浄に利用されている。また、近年、インフラ設備や工場設備の老朽化が社会問題となっており、さらに労働者人口の急激な減少が進むこともあって、従来の設備メンテナンスにおいて実施されてきた「錆落とし」の効率化や新しいツール開発としてレーザクリーニング技術に期待が寄せられている。

従来の「錆落とし」では、ディスクサンダーなどの電動工具や金ブラシなどの手工具を用いて、錆が発生している部分に手工具を当てて削り落とすような作業が実施されていた。しかしながら、手工具を当てにくい凹凸部分や手工具が届かない狭隘部の錆落としが困難であることが問題となっており、レーザを使った非接触の錆落とし技術として期待が高まっている。

「ＣｏｏｌＬａｓｅｒが挑戦する社会課題」、株式会社トヨコー、［令和０１年１２月９日検索］、（https://www.toyokoh.com/images/data/coollaser_pamphlet_201807.pdf）。

レーザを利用したレーザクリーニングでは、装置や装置の一部が、クリーニング対象に物理的に接することなく非接触で、清浄状態にクリーニングできる。このため、レーザクリーニングは、手工具などが入らない狭隘部の処理や、対象物の表面の凹凸形状に因らない表面クリーニングが実現できるクリーニング方法として有用であると考えられる。しかしながら、特に屋外で利用されるようなインフラ設備では、鋼材表面の汚れや錆落としは、設備劣化を防ぐ塗装を施すための表面前処理としてレーザクリーニングが利用されるが、鋼材表面の清浄度とともに塗装との相性がよいことが必要となる点において課題がある。

レーザクリーニング装置から照射されるレーザによって鋼材表面に発生した錆を除去する場合、人の目で認識できるレベルでは、清浄な状態になったように見える。しかしながら、図９に示すように、走査しているレーザ光を吸収した際に発生する熱の影響で、鋼材の表面に、厚さ数ミクロン以下の非常に薄い酸化層が形成されることが知られている。レーザクリーニングによって形成された薄い酸化層の上に塗装を施すと、塗膜を透過した水分が鋼材表面に接した場合に腐食が生成しやすく、鋼材表面の塗装前処理にレーザクリーニングを用いることが望ましくないことが判明している。

このように、レーザクリーニングでは、鋼材表面の汚れや錆を除去することができるが、クリーニングによって酸化層が形成され、この上に塗装を施すと、腐食が発生するという問題がある。

インフラ設備など大型設備では、強度の確保とコストを抑えるために一般的に鋼材が利用される。鋼材を利用した装置や設備を長い期間、安全・安心に利用するためには、鋼材の劣化を抑制することが必要であり、この対策として塗装が施される。鋼材表面に塗装を施すにあたり、鋼材表面をクリーニングするが、前述したようにレーザクリーニングを行うと鋼材表面に酸化層が形成され、これが問題となる。形成された酸化層の上に塗装を施すと、前述したように塗膜と鋼材表面との間で錆が発生する場合がある。このように錆が発生すると、錆による体積の膨張によって塗膜に亀裂が生じ、また、塗膜が剥離しやすくなるなど、塗装機能が維持しにくいという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、鋼材の表面のレーザクリーニングにおける、鋼材表面における酸化層の形成の抑制を目的とする。

本発明に係るクリーニング方法は、鋼材の表面に向けて第１レーザ光を照射して、鋼材の表面を清浄化する第１工程と、第１工程の後で、鋼材の表面に向けて第２レーザ光を照射して、第１レーザ光の照射により鋼材の表面に形成された酸化層を除去する第２工程とを備え、第２工程では、前記第２レーザ光を照射する前に、酸素を含まない不活性ガスを前記鋼材の表面に吹き付けて冷却する。

また、本発明に係るクリーニング装置は、クリーニング対象の鋼材の表面の錆が除去可能なパワーの第１レーザ光を出力する第１レーザ源と、第１レーザ光より小さいパワーの第２レーザ光を出力する第２レーザ源と、第１レーザ光と、第２レーザ光とを切り替えて鋼材の表面に向けて出射し、出射するレーザ光を走査するレーザヘッドと、第１レーザ源より出射された第１レーザ光をレーザヘッドに導く第１光ファイバと、第２レーザ源より出射された第２レーザ光をレーザヘッドに導く第２光ファイバとを備え、鋼材の表面に気体または水を吹き付けて鋼材の表面を冷却する冷却機構をさらに備え、冷却機構は、第２レーザ光を照射する前に、酸素を含まない不活性ガスを鋼材の表面に吹き付け冷却する。

以上説明したように、本発明によれば、鋼材の表面に向けて第２レーザ光を照射して、第１レーザ光の照射により鋼材の表面に形成された酸化層を除去するので、鋼材の表面のレーザクリーニングにおける、鋼材表面における酸化層の形成が抑制できる。

図１は、本発明の実施の形態に係るクリーニング方法を説明するためのフローチャートである。 図２は、本発明の実施の形態に係るクリーニング装置の構成を示す構成図である。 図３Ａは、クリーニング前の鋼材の表面を実体顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図３Ｂは、クリーニング前の鋼材の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図４Ａは、第１工程により鋼材表面に形成された酸化層の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図４Ｂは、第１工程により表面に酸化層が形成された鋼材の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図５Ａは、第２工程の後の鋼材の表面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図５Ｂは、第２工程の後の鋼材の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図５Ｃは、第２工程の後の鋼材の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す写真である。 図６は、本発明の実施の形態に係る他のクリーニング装置の構成を示す構成図である。 図７Ａは、レーザビームの強度分布について説明する説明図である。 図７Ｂは、レーザビームの強度分布について説明する説明図である。 図８は、従来のレーザクリーニング装置の構成を示す構成図である。 図９は、レーザクリーニングの状態を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施の形態に係るクリーニング方法について図１を参照して説明する。このクリーニング方法は、まず、第１工程Ｓ１０１で、クリーニング対象の鋼材の表面に向けて第１レーザ光を照射して、鋼材の表面を清浄化する。例えば、レーザ源より出力されたパルスレーザ光（またはＣＷレーザ光）を、所定の光学系を用いてビームとした第１レーザ光を、クリーニング対象の鋼材の表面に向けて照射する。この処理により、鋼材表面の錆や汚れを除去する。この工程は、従来一般的に実施されているレーザクリーニングの処理と同様である。

第１工程では、簡単に除去することのできるような汚れに限らず、除去が容易ではない錆も除去できるような高いレーザ出力が必要となる。この、第１レーザ光のレーザ出力は、大きく設定することになる。このため、第１工程では、鋼材表面に酸化層が生成する。

次に、第２工程Ｓ１０２で、鋼材の表面に向けて第２レーザ光を照射して、第１レーザ光の照射により鋼材の表面に形成された酸化層を除去する。この工程では、鋼材の表面に新たな酸化層が形成されない範囲のパワーの第２レーザ光を照射して、鋼材の表面に形成された酸化層を除去する。例えば、レーザ源より出力されたパルスレーザ光（またはＣＷレーザ光）を、所定の光学系を用いてビームとした第２レーザ光を、第１工程の処理により酸化層が形成されている鋼材の表面に向けて照射する。

ここで、上述した第１工程において、鋼材の表面に気体または水を吹き付けて冷却した状態で、第１レーザ光の照射を実施することができる。クリーニング対象の鋼材表面を、冷却により所定の温度状態としておくことで、酸化層がより均一な厚さで形成される状態とすることができる。また、第２工程においても、鋼材の表面に気体または水を吹き付けて冷却した状態で、第２レーザ光の照射を実施することができる。特に、第２工程においては、新たな酸化層の形成を抑制することが重要であり、既に形成されている酸化層を迅速に除去するとともに、新たな酸化層の形成を抑制するために、上述した冷却は有用である。例えば、２３℃の窒素ガスを、鋼材の表面に吹き付けることで、鋼材表面を冷却することができる。

また、第１工程の後、設定されている時間が経過してから第２工程を実施することもできる。このように、第１工程の後、設定されている時間を空けて第２工程を実施することで、第１レーザ光の照射により加熱している鋼材の表面が冷却されてから、第２工程を実施できる。設定時間は、処理対象の鋼材の状態に適合させて適宜に決定する。

次に、本発明の実施の形態に係るクリーニング装置について、図３を参照して説明する。このクリーニング装置は、第１レーザ源１０１、第２レーザ源１０２、第１光ファイバ１０３、第２光ファイバ１０４、およびレーザヘッド１０５を備える。

第１レーザ源１０１は、クリーニング対象の鋼材１３１の表面１３２の錆や汚れが除去可能なパワーの第１レーザ光を出力する。第２レーザ源１０２は、第１レーザ光より小さいパワーの第２レーザ光を出力する。第２レーザ源１０２は、鋼材１３１の表面１３２に新たな酸化層が形成されない範囲のパワーの第２レーザ光を出力する。第１レーザ源１０１，第２レーザ源１０２は、例えば、よく知られたパルスレーザ装置から構成することができる。また、第１レーザ源１０１，第２レーザ源１０２は、ＣＷレーザ装置から構成することができる。

レーザヘッド１０５には、第１光ファイバ１０３により、第１レーザ源１０１より出射された第１レーザ光が導かれ、第２光ファイバ１０４により、第２レーザ源１０２より出射された第２レーザ光が導かれる。レーザヘッド１０５は、このように導かれた第１レーザ光と、第２レーザ光とを切り替えて、鋼材１３１の表面１３２に向けて出射することが可能とされている。また、レーザヘッド１０５は、出射するレーザビーム１０６を走査することができる。

また、このクリーニング装置は、鋼材１３１の表面１３２に気体または水を吹き付けて鋼材１３１の表面１３２を冷却する冷却機構１０７を備える。

インフラ設備など大型設備では、強度の確保とコストを抑えるために、一般的に鋼材が利用される。鋼材を利用した装置や設備を長い期間、安全・安心に利用するためには、鋼材の劣化を抑制することが必要であり、この対策として塗装が施される。前述したように鋼材に対してレーザクリーニングを行うと、鋼材の表面に酸化層が形成され、形成された酸化層の上に塗装を施して塗膜直下で錆が発生すると、錆による体積の膨張によって塗膜に亀裂が生じたり塗膜が剥離しやすくなったりし、塗装機能が維持しにくいという問題がある。

鋼材表面の錆や、錆の凹凸に付着したゴミや埃、砂などが付着して局所的な熱容量の違いや露出している材料の違い（表面材料の吸収特性の違い）によらず、レーザ光の吸収によって、錆や汚れなどが焼けたり蒸発したりすることによって、鋼材表面のクリーニングが実現されている。効率的な鋼材表面のクリーニングのために、レーザ光の出力を大きくしているため、クリーニング後の鋼材表面に酸化物の層が形成されることが判明している。また、形成される酸化層には、亀裂が発生していることも確認されている。

これは、レーザ光の照射によって高温となっている鋼材表面が、レーザ光の照射がなくなると急峻に冷却され、この時の鋼材と酸化層との線膨張係数の違いによって、各々の体積収縮率が異なることが、上述した亀裂の原因となっているものと推定される。このような亀裂の箇所は、塗装が入らず空隙となり、塗装後の塗膜を透過した水分が亀裂部分に滲入する状態となる。このように亀裂に水が滲入すると、酸化層と鋼材との界面に水が介在する状態となり、電池が形成され、鋼材が溶け出して腐食が発生することが懸念される。従って、酸化層の除去は、鋼材に塗膜を形成する上で重要である。

実施の形態の処理において、第１工程で鋼材表面の汚れや錆を除去した後、第２工程で鋼材表面の酸化層を除去することで、鋼材の表面に残存する酸化層がなくなれば、上述した酸化層の亀裂の問題は発生しない。また、酸化層の除去により鋼材の表面に残存する酸化層が、厚さ数名ｎｍ程度と極力薄くできれば、亀裂が入ったとしても、この亀裂は極めて浅いため、塗装を施せば塗膜の樹脂で充填される。この結果、亀裂の部分に空隙が形成されることがなく、上述した腐食の発生は起きない。

次に、実施の形態に係るクリーニング方法を実施した実験の結果について説明する。まず、図３Ａに、クリーニング前の鋼材の表面を実体顕微鏡で観察した結果を示す。また、図３ＡのＡＡ’線の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を、図３Ｂに示す。これらに示されているように、鋼材の表面に錆が発生し数１０μｍに及ぶ凹凸が生じている。

図４Ａは、第１工程により鋼材表面に形成された酸化層の表面を、走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す。また、図４ＡのＡＡ’線の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を、図４Ｂに示す。形成された酸化層の表面には、非常に激しく凹凸が発生している。レーザ照射により瞬間的に溶けた鋼材が、平滑な状態に落ち着く前に突起状のまま固化している様子がわかる。また、図４Ｂに示すように、比較的厚く酸化層が形成され、さらにところどころ亀裂が生成している様子が確かめられる。

図５Ａは、第１工程の後、第２工程により鋼材表面に形成された酸化層を除去した状態を、走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す。また、図５ＡのＡＡ’線の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を、図５Ｂに示す。酸化層が薄くなり、表面観察では、亀裂が確認されない。第２工程により、第１工程で形成された酸化層が除去できることが確認された。また、第２工程における第２レーザ光の出力を制御することで、図５Ｃに示すように、第１工程で形成された酸化層のみの除去が可能であることが確認された。図５Ｃは、鋼材の断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を示している。

また、上述した実験を実施する過程で、クリーニングにおいては、各工程におけるレーザ照射前の、クリーニング対象の鋼材表面の温度を制御することが重要であることが判明した。特に、第２工程において、第２レーザ光を照射する前に、Ｎ₂などの酸素を含まない不活性ガスを吹き付けて冷却することで、鋼材表面に新たな酸化層が形成されることが抑制できる。

次に、本発明の実施の形態に係る他のクリーニング装置について、図６を参照して説明する。このクリーニング装置は、レーザ光源１１１、分波器１１２、第１光ファイバ１０３、第２光ファイバ１０４、第１レーザヘッド１１５ａ、および第２レーザヘッド１１５ｂを備える。分波器１１２は、レーザ光源１１１から出力されたレーザ光を、透過する第１レーザ光と反射する第２レーザ光とに分波する。分波器１１２は、例えば、入射したレーザ光の８０％を透過し、２０％を反射する。従って、第１レーザ光に対し、第２レーザ光は、出力が４分の１となる。これらの割合は、適宜に設定する。分波器１１２は、例えば、偏光ビームスプリッタや、ミラーなどから構成することができる。

分波器１１２で分波した第１レーザ光は、第１光ファイバ１０３により第１レーザヘッド１１５ａに導かれる。分波器１１２で分波した第２レーザ光は、第２光ファイバ１０４により第２レーザヘッド１１５ｂに導かれる。第１レーザヘッド１１５ａ、第２レーザヘッド１１５ｂは、出射するレーザ光を走査することができる。

第１レーザヘッド１１５ａより第１レーザ光１１６ａを出射し、第２レーザヘッド１１５ｂより第２レーザ光１１６ｂを出射し、各レーザヘッドを走査して、各レーザ光が鋼材に照射される位置をずらし、各レーザ光（レーザビーム）の照射タイミングを変えながら実験を実施した。この結果、第１レーザ光１１６ａを照射した後、約２分後に第２レーザ光１１６ｂを照射することで、汚れや錆が除去できるとともに、酸化層がほとんど除去できた。このクリーニング装置は、１つのレーザ光源１１１で構成可能であり、装置の低コスト化に有利である。

ところで、レーザ光の照射位置の温度制御精度を高めるために、レーザビームのパターン制御を行うことが考えられる。通常のレーザビームは、ビーム径方向において、ビーム中心が最も強度が高く、ビームの外側にいくにしたがって強度が下がるようなガウシアン分布を示す（図７Ａ）。これに対し、光学系におけるレンズの組み合わせや回折素子を利用することによって、ビーム全体の強度分布を制御することで、ビーム径方向に強度がほぼ均一なトップハット型の分布とすることができる（図７Ｂ）。

レーザヘッドの光学系に、例えば、回折素子などを組み込み、レーザビームのパターンを、上述したようなトップハット型の分布とすることで、レーザビームが照射された鋼材表面の熱均一性を高め、レーザクリーニング後の表面平坦性を高めることが可能となる。なお、上述した実施の形態では、回折素子などを組み込んでレーザビームのパターンをトップハット型の分布とする例を示したが、これに限るものではない。例えば、ビーム端からの放熱によって温度が低下することを勘案し、ビーム端に強度分布の高い領域を作るなど、レーザビームのパターンは、任意の形状にすることもできる。

以上に説明したように、本発明によれば、鋼材の表面に向けて第２レーザ光を照射して、第１レーザ光の照射により鋼材の表面に形成された酸化層を除去するので、鋼材の表面のレーザクリーニングにおける、鋼材表面における酸化層の形成が抑制できる。

本発明によれば、従来のレーザクリーニングに比較し、鋼材表面の錆や汚れを単に落とせるだけでなく、レーザクリーニング時に発生する熱影響による鋼材表面の酸化層の最小化もしくは除去が実現でき、塗装との長期的な相性を持続させる特性を引き出すことができる。これは、従来の鋼材表面処理で利用されているようなブラストや電動手工具を利用したケレン作業と同様の鋼材表面処理である２種ケレン相当の表面処理に相当すると考えられる。その効果を検証するために、それぞれのサンプルを塗装し複合サイクル試験を実施したところ、試験実施前と複合サイクル２０００時間を実施した前後で、図５Ｂに示した状態としたクリーニング結果が、密着強度の劣化がほとんどないことを確認した。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…第１レーザ源、１０２…第２レーザ源、１０３…第１光ファイバ、１０４…第２光ファイバ、１０５…レーザヘッド、１０６…レーザビーム、１０７…冷却機構、１３１…鋼材、１３２…表面。

Claims (6)

1. 鋼材の表面に向けて第１レーザ光を照射して、前記鋼材の表面を清浄化する第１工程と、
   前記第１工程の後で、前記鋼材の表面に向けて第２レーザ光を照射して、前記第１レーザ光の照射により前記鋼材の表面に形成された酸化層を除去する第２工程と
   を備え、
   前記第２工程では、前記第２レーザ光を照射する前に、酸素を含まない不活性ガスを前記鋼材の表面に吹き付けて冷却するクリーニング方法。
2. 請求項１記載のクリーニング方法において、
   前記第１工程の後、設定されている時間が経過してから前記第２工程を実施することを特徴とするクリーニング方法。
3. 請求項１または２記載のクリーニング方法において、
   前記第１工程は、前記鋼材の表面に気体または水を吹き付けて冷却した状態で、前記第１レーザ光の照射を実施し、
   前記第２工程は、前記鋼材の表面に気体または水を吹き付けて冷却した状態で、前記第２レーザ光の照射を実施する
   ことを特徴とするクリーニング方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のクリーニング方法において、
   前記第２工程は、前記鋼材の表面に新たな酸化層が形成されない範囲のパワーの前記第２レーザ光を照射して、前記鋼材の表面に形成された酸化層を除去する
   ことを特徴とするクリーニング方法。
5. クリーニング対象の鋼材の表面の錆が除去可能なパワーの第１レーザ光を出力する第１レーザ源と、
   前記第１レーザ光より小さいパワーの第２レーザ光を出力する第２レーザ源と、
   前記第１レーザ光と、前記第２レーザ光とを切り替えて前記鋼材の表面に向けて出射し、出射するレーザ光を走査するレーザヘッドと、
   前記第１レーザ源より出射された前記第１レーザ光を前記レーザヘッドに導く第１光ファイバと、
   前記第２レーザ源より出射された前記第２レーザ光を前記レーザヘッドに導く第２光ファイバと
   を備え、
   前記鋼材の表面に気体または水を吹き付けて前記鋼材の表面を冷却する冷却機構をさらに備え、
   前記冷却機構は、前記第２レーザ光を照射する前に、酸素を含まない不活性ガスを前記鋼材の表面に吹き付け冷却す
   るクリーニング装置。
6. 請求項５記載のクリーニング装置において、
   前記第２レーザ源は、前記鋼材の表面に新たな酸化層が形成されない範囲のパワーの前記第２レーザ光を出力する
   ことを特徴とするクリーニング装置。

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