JP7464802B2 - 表層除去方法および表層除去装置 - Google Patents
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Description
図1は、実施形態の表層除去装置100の概略構成を示す図である。図1に示されるように、表層除去装置100は、発光装置110と、光学ヘッド120と、デリバリ光ファイバ130と、を備えている。
図3は、発光装置110の一例の概略構成図である。発光装置110は、複数の光源装置10と、複数の出力光ファイバ11と、光合波カプラ12と、を有している。
図4は、表面Wa上に形成されたスポットLsのパターンの一例を示す図である。図4に示されるように、表面Wa上には、レーザ光Lの複数のスポットLsが形成される。上述したように、レーザ光Lは、DOE125のようなビームシェイパによって分割された複数のビームを含んでいる。スポットLsは、それぞれ、レーザ光Lに含まれるビームに対応している。
図7は、本実施形態の表層除去装置100を用いて形成した四角形状の除去領域Abの一例を示す平面図(写真画像)である。図7の除去領域Abは、図6に示されるスポットパターンを、Y方向に位置をずらしながら複数回X方向に走査することにより、形成された。スポットパターンのY方向の全長(幅)は、2.6[mm]であり、除去領域Abは、30[mm]×30[mm]の長方形状の領域であった。また、レーザ光Lの出力は500[W]であり、走査速度は、0.5[m/s]であった。なお、上述した表層除去装置100によれば、図7の除去領域Abを、0.9[sec](所要時間)で形成することができた。
また、発明者らの実験的な研究により、対象物Wのボディ(母材)が金属材料であり、かつ表面が錆びている場合、スポットLsの強度は、25[J/cm2]以上であり、かつ3.8×104[J/cm2]未満であるのが好ましいことが判明した。図9~11は、それぞれ、一つのスポットLsが走査された表面Waの平面図(写真画像)である。図9は、強度が10[J/cm2]、すなわち25[J/cm2]よりも小さい場合、図10は、強度が6.4×102[J/cm2]、すなわち25[J/cm2]以上であり、かつ3.8×104[J/cm2]未満である場合、また、図11は、強度が3.8×104[J/cm2]、すなわち3.8×104[J/cm2]以上である場合、を示す。図9のように、スポットLsの強度が25[J/cm2]よりも小さい場合には、表層が除去されなかった。図10のように、スポットLsの強度が25[J/cm2]以上であり、かつ3.8×104[J/cm2]未満である場合には、好適に表層が除去された。また、図11のように、スポットLsの強度が3.8×104[J/cm2]以上である場合には、表面Waには材料が溶融した溶融痕Amが出現した。なお、図9~11の例において、対象物Wのボディ(母材)は、例えば、鋼板で作られている。また、錆の層の厚さは、例えば、400[μm]である。ただし、母材の材質や錆の層の厚さは、これらには限定されない。
(1)図15は、強度が5.3×102[J/cm2]である場合、また、図16は、強度が1.5×104[J/cm2]である場合を示す。図15では、スポットLsが照射された領域A1内において、第二層203が薄く除去されている。ただし、当該領域A1内には、局所的に汚れDが残存しており、クリーニングとしては不十分(強度不足)である。他方、図16では、スポットLsが照射された領域A1では第二層203が除去されてしまい、第一層202が露出している。これは、クリーニングとしては不適(強度過多)である。すなわち、表面の汚れを除去するクリーニングを行う場合、強度は、5.3×102[J/cm2]より大きく、かつ1.5×104[J/cm2]より小さいのが好ましい。
(2)図17は、強度が3.1×104[J/cm2]である場合、また、図18は、強度が1.3×105[J/cm2]である場合を示す。図17は、スポットLsが照射された領域A1内において、第二層203が除去され、母材201が露出した、良好な状態を示す。他方、図18では、図17と同様、スポットLsが照射された領域A1内において、第二層203が除去され、母材201が露出しているものの、強度が強すぎて、母材201が溶けてしまっている。すなわち、表層の塗膜を除去する場合、強度は、3.1×104[J/cm2]以上であり、かつ1.3×105[J/cm2]より小さいのが好ましい。
2…光ファイバ
3…光合波器
4…ファイバブラッググレーティング(FBG)
5…増幅用光ファイバ
6…半導体励起光源
7…FBG
8…光合波器
9…光ファイバ
10…光源装置
11…出力光ファイバ
12…光合波カプラ
100…表層除去装置
110…発光装置
120…光学ヘッド
121…コリメートレンズ
122…集光レンズ
123…ミラー
125…DOE(ビームシェイパ)
125a…回折格子
126…ガルバノスキャナ(走査機構)
126a,126b…ミラー
130…デリバリ光ファイバ
201…母材
202…第一層(塗膜)
203…第二層(塗膜)
A1…領域
Ab…除去領域
Ab1…輪郭
Abr…除去領域
Abr1…輪郭
Ag…ガラス化領域
Am…溶融痕
D…汚れ
Di…間隔(配置間隔)
Ds…直径(幅)
L…レーザ光
Ls…スポット
W…対象物(加工対象)
Wa…表面
wb…幅
X…方向(第二方向)
Y…方向(第一方向)
Z…方向
Claims (22)
- 加工対象に複数のビームを含むレーザ光を照射して当該加工対象の表層を除去する表層除去方法であって、
前記加工対象の表面において、複数のビームによって形成された複数のスポットを第一方向に並べた状態で当該第一方向と交差した第二方向に走査することにより、前記加工対象の表層を前記第一方向の所定幅で前記第二方向に延びた領域において全体的に除去し、
複数の前記スポットの前記第一方向における配置間隔は、当該スポットを単独で前記第二方向に走査した場合に前記表層が除去される除去領域の前記第一方向の幅以下であり、
前記スポットのそれぞれに対応した複数の前記除去領域が前記第二方向に延びるとともに前記配置間隔で前記第一方向に並び、
前記第一方向に隣接する二つの前記除去領域が互いに接するか、あるいは前記第一方向に隣接する二つの前記除去領域の端部同士が互いに部分的に重なり合う、表層除去方法。 - 前記第一方向に隣接する二つの前記スポットが、前記第二方向にずれて配置された、請求項1に記載の表層除去方法。
- 複数の前記スポットは、前記第一方向に延びて前記第二方向にずれた二つの列を形成するとともに、当該二つの列において互い違いに配置された、請求項2に記載の表層除去方法。
- 複数の前記スポットは、前記第一方向に延びた一つの列を形成するように配置された、請求項1に記載の表層除去方法。
- 前記加工対象の材料は、表面が錆びた金属であって、前記表層除去方法により前記表面の錆を除去し、
前記スポットの強度は、25[J/cm2]以上かつ3.8×10 4 [J/cm 2 ]未満である、請求項1、2、4のうちいずれか一つに記載の表層除去方法。 - 前記加工対象の材料は、コンクリートまたはモルタルであって、前記表層除去方法により前記コンクリートまたはモルタルの表層を除去し、
前記スポットの強度は、1.2×104[J/cm2]以上かつ5.7×10 5 [J/cm 2 ]未満である、請求項1、2、4のうちいずれか一つに記載の表層除去方法。 - 前記加工対象の材料は、表面が塗膜で覆われた金属であって、前記表層除去方法により前記塗膜を除去し、
前記スポットの強度は、5.3×102[J/cm2]より大きくかつ1.3×10 5 [J/cm 2 ]より小さい、請求項1、2、4のうちいずれか一つに記載の表層除去方法。 - 前記複数のスポットのうち強度が最小となるスポットの強度の、前記複数のスポットのうち強度が最大となるスポットの強度に対する比は、0.8以上である、請求項1、2、4のうちいずれか一つに記載の表層除去方法。
- 光源からのレーザ光をビームシェイパによって前記複数のスポットに分割する、請求項1、2、4のうちいずれか一つに記載の表層除去方法。
- 前記ビームシェイパは、回折光学素子である、請求項9に記載の表層除去方法。
- 加工対象に複数のビームを含むレーザ光を照射して当該加工対象の表層を除去する表層除去装置であって、
レーザ光を出力する発光装置と、
前記発光装置からのレーザ光を伝送するデリバリ光ファイバと、
前記デリバリ光ファイバからのレーザ光を前記加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、
前記加工対象の表面において、前記複数のビームによって形成された複数のスポットを走査する走査機構と、
を備え、
前記加工対象の表面において、前記複数のスポットを第一方向に並べた状態で当該第一方向と交差した第二方向に走査することにより、前記加工対象の表層を前記第一方向の所定幅で前記第二方向に延びた領域において全体的に除去し、
複数の前記スポットの前記第一方向における配置間隔は、当該スポットを単独で前記第二方向に走査した場合に前記表層が除去される除去領域の前記第一方向の幅以下であり、
前記スポットのそれぞれに対応した複数の前記除去領域が前記第二方向に延びるとともに前記配置間隔で前記第一方向に並び、
前記第一方向に隣接する二つの前記除去領域が互いに接するか、あるいは前記第一方向に隣接する二つの前記除去領域の端部同士が互いに部分的に重なり合う、表層除去装置。 - 前記第一方向に隣接する二つの前記スポットが、前記第二方向にずれて配置された、請求項11に記載の表層除去装置。
- 複数の前記スポットは、前記第一方向に延びて前記第二方向にずれた二つの列を形成するとともに、当該二つの列において互い違いに配置された、請求項12に記載の表層除去装置。
- 複数の前記スポットは、前記第一方向に延びた一つの列を形成するように配置された、請求項11に記載の表層除去装置。
- 前記発光装置は、光ファイバレーザを有した、請求項11、12、14のうちいずれか一つに記載の表層除去装置。
- 前記デリバリ光ファイバから出力されたレーザ光のM2ビーム品質は、10以下である、請求項11、12、14のうちいずれか一つに記載の表層除去装置。
- 前記デリバリ光ファイバは、コアと、当該コアを取り囲むクラッドとを有し、
前記コアの直径は、50[μm]以上である、請求項11、12、14のうちいずれか一つに記載の表層除去装置。 - 前記コアの直径は、80[μm]以上である、請求項17に記載の表層除去装置。
- 前記コアの直径は、100[μm]以上である、請求項18に記載の表層除去装置。
- 前記デリバリ光ファイバの長さは、5[m]以上である、請求項19に記載の表層除去装置。
- 光源からのレーザ光を前記複数のスポットに分割するビームシェイパを備えた、請求項11、12、14のうちいずれか一つに記載の表層除去装置。
- 前記ビームシェイパは、回折光学素子である、請求項21に記載の表層除去装置。
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