KR20220038715A

KR20220038715A - 레이저 삭마에 의해 금속 기재의 코팅을 제거하는 방법

Info

Publication number: KR20220038715A
Application number: KR1020227005566A
Authority: KR
Inventors: 하시브 무스타파; 데이비드 토마스 알란 매튜스; 게라르두스 리차르두스 베르나르두스 앙겔리나 로머; 더 아아 엘렌 반
Original assignee: 타타 스틸 네덜란드 테크날러지 베.뷔.
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2020-07-23
Publication date: 2022-03-29
Also published as: EP4003636A1; WO2021013939A1; EP4003636B1

Abstract

본 발명은 아연계 코팅이 제공된 금속 기재로부터 레이저 삭마에 의해 아연계 코팅을 제거하는 방법에 관한 것이며,
- 아연계 코팅을 가진 금속 기재를 제공하는 단계; - 아연계 코팅이 제거될 표면 영역을 정의하는 단계; - 아연계 코팅의 삭마를 위한 레이저 빔을 제공하기 위해 레이저 장치를 제어하는 단계로서, 여기서 레이저 장치는 680nm - 1500nm 범위의 파장과 1ps - 1900ps범위의 펄스 지속시간을 갖는 펄스 레이저 빔을 제공하는, 단계, - 상기 아연계 코팅층의 두께를 결정하는 단계, - 레이저 빔의 플루언스를 아연계 코팅층의 삭마를 위한 임계값 위의 값으로 설정하고, 전체 두께에 걸쳐 아연계 코팅의 삭마에 필요한 레이저 스폿 면적당 펄스 수를 결정하는 단계, - 레이저 장치와 금속 기재를 서로에 대해 위치 설정하고 이동시키며, 상기 정의된 표면 영역에 걸쳐 금속 기재로부터 아연계 코팅을 제거하는 단계를 포함한다.

Description

레이저 삭마에 의해 금속 기재의 코팅을 제거하는 방법

본 발명은 레이저 삭마(ablation)에 의해 금속 기재로부터 아연계 코팅을 제거하는 것에 관한 것이다.

금속 기재, 특히 강철 기재 상의 아연계 코팅의 존재는 상기 금속 기재가 사용되는 제품의 수명 동안 상기 기재의 우수한 부식 보호를 제공한다. 그러나 강철 기재 상에 아연계 코팅의 존재는 또한 강철 제품의 제조 동안 그리고 기재 스크랩 재료의 재활용 및 이러한 강철 제품의 재활용에 문제를 야기한다.

예를 들어 자동차 산업에서 수많은 하위 부품이 함께 용접되어 최종 부품을 형성한다. 아연계 코팅이 제공된 강철 부품을 용접할 때 심각한 건강 문제로 이어질 수 있는 유독 가스가 생성된다.

더욱이 아연계 코팅으로 덮인 부품을 용접하는 것은 종종 용접 부위의 강도 무결성이 액체 금속 취성(embrittlement)을 통해 손상되는 결과를 낳는다. 용접하는 동안 기재에 장력이 발생하고 아연 코팅의 일부가 액화되어 특히 아연이 기재의 균열에 침투할 때 액체 금속 취성을 일으킬 수 있다. 이것이 연신율의 감소를 야기하여 일반적으로 연성이 있는 금속 또는 합금의 불량 및 조기 파괴를 일으킬 것이다.

고로(BF: Blast Furnace)에서 발생하는 거친 먼지를 포함하는 Zn이 BF용 소결 재료에 포함되어 BF 공정에 재도입되거나 고철이 예를 들어 기본 산소로(BOF: Basic Oxygen Furnace) 또는 전기 아크로에서 재활용될 때 (너무 많은) 아연의 존재는 몇 가지 개별 문제를 일으킬 수 있다:

1) 건강 관련 - 용융 중 산화아연의 형성은 심각한 건강 문제 및/또는 BF 부착물을 초래할 수 있다.

2) 제품 품질 - 0.01% 이상의 미량 아연은 연속 주조 제품에 다공성을 생성할 수 있다. 강철이 응고됨에 따라, 배스(bath) 내의 용해된 아연이 갑자기 아연 증기로 방출되어, 단단한 강철에 가스 공동을 형성하는 경향이 있다.

본 발명의 목적은 아연계 코팅 제공된 금속 기재의 표면의 적어도 일부로부터 아연계 코팅을 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 금속 기재 표면의 적어도 일부로부터 아연계 코팅을 제거하는 방법을 제공하는 것이며, 여기서 금속 기재는 적용된 방법에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다.

본 발명의 또 다른 목적은 정밀하게 정의된 영역에 적용될 수 있는, 금속 기재 표면의 적어도 일부로부터 아연계 코팅을 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 비용 효과적인 방식으로 적용될 수 있는, 금속 기재 표면의 적어도 일부로부터 아연계 코팅을 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 청구범위에 정의된 방법에 관한 것이다. 본 발명의 하나 이상의 목적은 아연계 코팅이 제공된 금속 기재로부터 레이저 삭마에 의해 상기 아연계 코팅을 제거하는 방법을 제공함으로써 실현되며, 이 방법은 다음 단계를 포함한다:

- 아연계 코팅을 가진 금속 기재를 제공하는 단계,

- 아연계 코팅이 제거될 표면 영역을 정의하는 단계,

- 아연계 코팅의 삭마를 위한 레이저 빔을 제공하기 위해 레이저 장치를 제어하는 단계로서, 여기서 레이저 장치는 680nm - 1500nm 범위의 파장과 1ps - 1900ps범위의 펄스 지속시간을 갖는 펄스 레이저 빔을 제공하는, 단계,

- 상기 아연계 코팅층의 두께를 결정하는 단계,

- 레이저 빔의 플루언스를 아연계 코팅층의 삭마를 위한 임계값 위의 값으로 설정하고, 전체 두께에 걸쳐 아연계 코팅의 삭마에 필요한 레이저 스폿 면적당 펄스 수를 결정하는 단계,

- 레이저 장치와 금속 기재를 서로에 대해 위치 설정하고 이동시키며, 상기 정의된 표면 영역에 걸쳐 금속 기재로부터 아연계 코팅을 제거하는 단계.

아연계 코팅을 가진 강철 기재는 아연계 코팅층, 아연계 코팅층과 강철 기재 사이의 중간층, 및 강철 기재 자체로 구성된다. 아연계 코팅에는 순수한 아연 또는 거의 순수한 아연 코팅(Gl), 8-12 중량% Fe가 포함된 아연-철 합금(GA) 코팅, 약 5 중량% Al이 포함된 아연-알루미늄 합금 코팅(Galfan), 5 중량% 이하 Al 및 5 중량% 이하 Mg을 포함한 아연-알루미늄-마그네슘 합금 코팅을 포함한다..

680nm - 1500nm 범위의 파장에 대한 삭마 구덩이(crator)의 최대 깊이는 아연계 코팅과 강철 기재 사이의 경계면에 있는 주어진 깊이에서 포화되는 것으로 밝혀졌다. 680nm의 하한보다 낮은 파장의 경우, 상기 경계면을 따라 포화가 없으며 기재의 삭마는 선택된 플루언스, 펄스 수, 및 펄스 지속시간에 따라 발생할 것이다. 레이저 빔의 플루언스는 최소한 상기 임계값보다 높아야 하는데 그렇지 않으면 삭마가 전혀 발생하지 않기 때문이다. 이러한 아연계 코팅의 경우 상기 임계값은 0.2 J/cm² 정도인 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 파장은 750nm - 1300nm의 범위에 있다. 일반적으로 상기 파장은 1020nm - 1064nm 범위이다. 이러한 더 좁은 범위의 파장에 대해 아연계 코팅과 강철 기재 사이의 계면에서 삭마의 포화가 더 정확하게 실현될 수 있는 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면 상기 펄스 지속시간은 3ps - 100ps 범위이다. 짧은 펄스 지속시간으로 인해, 레이저 빔과 기재 및 코팅의 국부적 상호 작용 영역은, 펄스 지속시간, 에너지, 및 펄스 간 지연과, 레이저 빔의 반경 및 강도 프로파일과 같은 레이저 처리 매개변수를 조정함으로써, 단일 원자 층에서 수백 나노미터까지 제어될 수 있다. 펄스 지속시간을 늘리면 일반적으로 펄스 에너지가 높아진다. 주어진 레이저 스폿 반경에 대해, 펄스 에너지가 더 높기 때문에 더 긴(지속시간 측면에서) 펄스의 플루언스는 더 짧은 펄스의 플루언스보다 더 높을 것이다. 펄스 간 지연이 감소하거나 펄스 주파수가 증가하면, 짧은 레이저 펄스보다 상대적으로 높은 플루언스를 가진 긴 펄스에서 열 발생이 더 높아질 것이다. 일반적으로 펄스 지속시간은 5ps - 30ps 범위이다.

초단파 펄스 레이저 처리의 에너지 효율은 주어진 재료의 삭마 임계 에너지에 가까운 피크 파워로 처리할 때 증가한다. 에너지 효율적인 방식으로 중간 및 미소 규모 구조 및/또는 텍스처를 생성하려면 처리 매개변수가 동일한 지점에서 낮은 플루언스(단위 면적당 에너지)와 다수의 레이저 펄스를 둘 다 결합해야 한다. 다른 실시형태에 따르면, 펄스의 수는 1 - 100 펄스의 범위 내에서 유지된다. 일반적으로 펄스 수는 5 - 50 펄스 범위이다.

다른 실시형태에 따르면 펄스 반복률(repetition rate)은 1Hz - 1MHz의 범위에 있다. 더 높은 주파수도 가능하지만, 에너지 효율과 가능한 열 발생을 고려할 때 한계가 있다. 일반적으로 펄스 반복률은 1Hz - 400kHz 범위이다. 이 방법은 40Hz - 10kHz 범위의 펄스 반복률에서 성공적으로 적용되었다.

추가 실시형태에 따르면 레이저 빔의 플루언스는 0.1 - 100 J/cm²의 범위에 있다.

상기 정의된 표면 영역이 아연계 코팅을 제거해야 하는 금속 기재의 전체 표면 영역의 일부이고 용접 목적으로 코팅을 제거하는 경우와 같이 상대적으로 제한되는 경우라면, 단일 레이저 빔을 갖는 레이저 장치로 충분할 것이다. 그러나 더 넓은 면적의 경우, 예를 들어 스크랩 조각이나 형성된 부품의 전체 표면 영역에서 코팅을 제거해야 하는 경우, 정의된 영역에 걸쳐 금속 기재로부터 아연계 코팅을 제거하는 데 두 개 이상의 레이저 빔이 사용된다.

다른 실시형태에 따르면, 레이저 장치와 금속 기재의 서로에 대한 위치 설정 및 이동은 금속 기재에 대해 비스듬한 각도의 방향으로 레이저 장치를 이동시키는 것과 레이저 빔에 대해 비스듬한 각도의 평면에서 금속 기재를 이동시키는 것을 포함하는 것이 제공된다. 레이저 빔과 기재 사이의 각도는 일반적으로 90°이지만 10° 또는 심지어 20° 이상의 범위 내 편차는 실제로 삭마 방법을 방해하지 않는다.

다른 실시형태에 따르면, 평평한 형상이 아닌 다른 형상을 가진 금속 기재와 레이저 장치의 서로에 대한 위치 설정 및 이동은 레이저 장치의 이동 및 위치 설정을 위한 3-축 스테이지의 사용과 금속 기재의 이동 및 위치 설정을 위한 6 자유도를 가진 다축 시스템의 사용을 포함한다.

위의 두 구성 모두에서 레이저 장치와 기재의 이동은 반대 방향일 수도 있다. 그러나 광섬유를 갖는 사용한 레이저 장치의 더 복잡한 특성 때문에, 그 이동이 최소한의 간단한 움직임으로 유지되는 것이 바람직하다.

본 발명은 도면과 함께 추가로 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 1030nm의 레이저 파장에서 다양한 펄스 수에 대한 레이저 피크 플루언스의 함수로서 삭마된 깊이를 보여준다.
도 2는 피크 레이저 플루언스의 함수로서 3가지 다른 파장에 대해 공기 중 아연 도금 강철의 평균 삭마율을 보여준다.
도 3은 삭마된 구덩이들의 파장에 따른 단면을 보여준다.
도 4는 평평한 기재용 핸들링 장치 및 레이저 장치의 구성을 보여준다.
도 5는 평평하지 않은 기재용 핸들링 장치 및 레이저 장치의 구성을 보여준다.

도 1은 1030nm의 레이저 파장에서 다양한 펄스 수에 대해 레이저 피크 플루언스의 함수로서 삭마된 깊이를 보여준다. 코팅층은 코팅의 거칠기 뿐만 아니라 기재의 거칠기로 인해 변화하는 두께를 갖는다. 이 실험에서 코팅의 평균 두께는 약 8㎛이며, 이는 실제로 기재 및 코팅의 형태로 인해 최소 코팅층 두께가 약 4㎛이고 최대 두께가 일부 장소에서 8㎛를 초과할 수 있음을 의미한다. Zn 계열 코팅층과 기재 사이에는 코팅-기재 경계면까지 확장되는 Zn이 풍부한 중간층이 있다.

코팅과 기재의 표면 거칠기와는 별개로, 코팅-기재 경계면의 계면 층뿐만 아니라 표면에는 얇은 산화물층이 있다. 코팅 표면에 의한 입사 레이저 빔 에너지의 흡수는 이러한 표면 결함에 의해 영향을 받는다.

도 1, 2, 및 3에 표시된 결과는 99.7 중량% Zn 및 0.3 중량% Al에 의한 Gl 코팅에 대해 수행된 시험을 기초로 한다.

도면에서 파장이 1030nm인 펄스 수를 나타내는 선들이 플루언스 축에 대해 다소 평행하게 뻗어 있는 것으로 보인다. 도면에서 이것은 특히 약 5 J/cm² 초과의 플루언스 값에 적용된다. 이것은 플루언스가 아연계 코팅의 제거를 위한 특정 플루언스 임계값을 초과하는 한 플루언스가 더 증가하더라도 상관없다는 것을 의미한다. 그러면 결정 요인은 코팅 제거에 사용되는 펄스 수이며, 펄스 수에 따라 삭마 깊이가 증가한다.

도 2는 피크 레이저 플루언스의 함수로서 세 가지 다른 파장에 대해 공기 중 아연 도금 강철의 평균 삭마율(ablation rate)을 보여준다. 삭마율(L)은 도면에서 다른 선으로 표시되는, 각각 1030nm, 515nm 및 343nm의 세 가지 다른 파장에서 N≤10 및 N≥20의 경우 피크 플루언스에 대해 표시된다. 도 2는 세 부분으로 나뉘는데, 상부는 Zn의 직접 삭마에 해당하고, 좌측 하부는 Zn의 유도 삭마에 해당하며, 우측 하단은 성형 강(FS: forming steel) 삭마에 해당한다. N≤10에 대한 삭마율은 N≥20에 대한 삭마율과 다르다. 모든 파장에서, N≤10에 대한 삭마율(도 2 상부 참조)은 식 (2)를 따르며, 1030nm, 515nm, 및 343nm에 대해 각각 0.1㎛ ± 0.06㎛, 0.22㎛ ± 0.04㎛ 및 0.25㎛ ± 0.06㎛의 에너지 침투 깊이를 가진다. 그러나 1030nm에 대한 삭마율은 다른 파장들과 달리 플루언스가 > 5 J/cm²인 경우 약 0.3 ㎛/펄스에서 포화된다. 도 2의 좌측 하부(N≥20)에서, 삭마율은 세 파장 모두에 대해 플루언스 ≤10 J/cm²까지 기하급수적으로 감소한다. 기재 강철이 점점 입사 레이저 펄스에 대해 노출된 표면이 되기 때문에 펄스당 삭마된 깊이는 포화를 향해 감속된다. 피크 플루언스 값이 10 J/cm²를 초과함에 따라, 삭마율은 1030nm에서 거의 일정하게 유지되는 반면, 515nm 및 343nm에서는 선형적으로 증가한다.

이것은, 강철 기재가 입사 레이저 빔을 향해 더 많이 노출됨에 따라 레이저 빔 에너지의 흡수된 부분이 빔 전파 축을 따라 수직보다는 측면으로 삭마에 더 기여한다는 것을 나타낸다. 따라서 삭마된 부피뿐만 아니라 구덩이의 모양도 코팅-기재 경계면에서 유사한 경향 변화를 경험할 것이다.

도 3은 공초점 레이저 스캐닝 현미경 측정에서 얻은 삭마된 구덩이의 파장에 따른 단면을 보여준다. 삭마된 구덩이의 단면들은 아연 도금 강철의 레이저 삭마에 대한 파장 효과를 추가로 보여준다. 도 3에서, 주어진 플루언스(21 J/cm²)에 대한 구덩이 모양의 변화는 순수한 Zn 층, 중간층 및 강철 기재의 삭마에 대응하는 3가지 다른 펄스 수에 대해 표시된다.

구덩이 모양은 도 3(a)에서와 같이 순수한 Zn 층 내에 삭마가 제한될 때의 가우시안 곡선이다. 1030nm가 F0 = 21 J/cm²에서 더 "분지"와 같은 구덩이 형성을 보여주지만, 가우시안 모양의 구덩이는 F0 < 10 J/cm²에 대해서만 관찰된다. F0 > 10 J/cm² 에서 343nm 및 515nm의 경우 삭마율은 상당히 더 높다. 이 관찰은 도 3(a)에 반영되며, 여기서 구덩이는 343nm 및 515nm의 경우 중간층으로 확장되지만, 1030nm에서는 구덩이가 Zn 층 내에 머문다.

펄스의 수가 더 증가하면, 상이한 레이저 파장에서 처리된 구덩이들 간의 차이가 N = 20에 대한 도 3(b)에서와 같이 더 두드러진다. 1030nm에서 구덩이는 구덩이의 중심에 솟아오른 부분을 가지면서 분지와 같은 모양을 유지한다. 515nm의 경우, 구덩이는 도 3(b)에서 수평의 점선으로 표시된 코팅-기재 경계면을 따라 약간의 포화를 보여준다. 343nm에서 처리된 구덩이는 코팅-기재 경계면에서 삭마 재료의 변화에 영향을 받지 않은 것으로 보이고 가우시안 모양을 유지한다.

더 많은 수의 펄스의 경우(N = 40), 구덩이는 재료 내에서 더 깊어진다. 도 3(c)에서 보는 바와 같이, 구덩이의 깊이가 코팅층의 두께를 초과할 때 서로 다른 레이저 파장에서 성형 강의 삭마 거동 알 수 있다. 더 적은 수의 펄스에서 볼 수 있듯이, 1030nm에서 처리된 구덩이는 분지와 같은 모양을 유지하지만, 이번에는, 코팅--기재 경계면을 따른다.

515nm 및 343nm 모두 기재 강철 내로 구덩이가 확장되며 후자의 경우는 전자의 경우보다 삭마율이 더 높다.

이러한 분석으로부터, 용융(hot dipped) 아연 도금 강철은 선택한 레이저 파장에 매우 민감하다는 결론을 내릴 수 있다. 기재에 영향을 주지 않고 코팅된 강철 표면에서 아연계 코팅층을 제거하기 위해서는, 약 1030nm 범위의 파장이 매우 적합한 것으로 보인다. 이 범위의 파장을 사용하여 삭마된 구덩이의 최대 깊이는 코팅-기재 계면을 따라 포화되며 이때 구덩이의 모양은 더욱 원통형이 되는 것을 알았다.

도 4는 샘플(15)의 위와 아래에 2개의 다른 실시형태가 도시된, 평평한 기재용 핸들링 장치와 레이저 장치(1)에 대한 구성을 보여준다. 샘플(15)에는 양면에 아연계 코팅이 제공된다. 두 경우 모두, 광섬유(8)를 통해 안내된 레이저 빔이 레이저 헤드(9)에 부착된다. 레이저 헤드(9)는, 도면에서 수직축으로 도시된 선형 축(10)에 장착되어 샘플에 대한 레이저 빔의 초점을 유지하는 것을 돕는다. 이 전체 레이저 헤드(9) 구성은 넓은 표면 영역을 처리하기 위해 샘플 표면에 대해 평행하게 이동하도록 수평 스테이지(도면에는 도시되지 않음), 예를 들면 X,Y 선형 스테이지, 컨베이어 벨트 등에 장착된다. 대안으로서 샘플(15)은 X,Y 스테이지에 장착되고 레이저 헤드(9)는 Z-스테이지에만 장착될 수도 있다. 만일 상기 처리가 레이저 용접 전에 코팅 제거를 위한 것이라면, 산화를 줄이고 생산성을 높이기 위해 보조 가스를 사용할 수 있다. 또는 대안으로 아연 도금 강철의 재활용을 위해 삭마된 입자를 포착하기 위해 액체 층이 사용될 수도 있다.

상기 상부 구성에서, 입사 레이저 펄스 에너지는 파워 변조기(2)를 통해 제어되고, 이어서 빔 분할 유닛(6)이 입사 레이저 빔을 다수의 레이저 빔으로 분할한다. 이러한 다수의 빔들 각각은 빔 성형 유닛(4)을 적용하여 원하는 강도 프로파일(예를 들어, 정장 모자형(top-hat), 정사각형)로 성형될 수 있다. 빔 확대 유닛(3)은 f-세타 렌즈(5)를 통해 집속하기 전에 빔 크기를 확대하거나 축소한다.

상기 하부 구성에서, 레이저 빔은 상기 상부 구성과 유사한 방식으로 감쇠되고, 빔 확대 유닛(3)을 사용하여 확대/축소되고, 다수의 빔으로 분할된다. 이들 두 빔은 그 다음에 빔 편향 장치(7)(예: 갈보 스캐너, 다각형-휠 거울)를 통과하고 f-세타 렌즈(5)를 사용하여 집속된다.

도면에는 다음 항목이 표시된다:

- 레이저 장치(1): 이것은 근적외선 파장을 갖는 피코초(ps: picosecond) 레이저 공급원이다;

- 파워 변조기(2): 이것은 레이저 빔의 펄스 에너지를 변조하고 일반적으로 반파장판(half lambda plate)과 편광 빔 분할기로 구성된다;

- 빔 확대 유닛(3): 이것은 프리즘(예: 다중-프리즘 빔 확대기) 또는 망원경(예: 갈릴레오 굴절 빔 확대기)일 수 있는 빔 확대 요소를 가진다. 목적에 따라 가변 배율 빔 확대기와 반사 빔 확대기를 사용할 수 있다;

- 빔 성형 유닛(4): 이것은 일반적으로 회절 광학 요소(DOE: Diffractive Optical Element), 굴절 광학 요소(ROE: Refractive Optical Element), 공간 광변조기(Spatial Light Modulator), 동조형 MEMS 기반 광학 선형 디퓨저(Tunable MEMS-based Optical Linear(1D) Diffuser), 또는 레이저 강도 또는 플루언스 프로파일을 최적화하기 위해 레이저 다이오드와 결합된 다이오드 바를 통해 구현된다;

- F-세타 렌즈(5): 레이저 빔의 집속은 단일 광학 요소 또는 여러 요소의 어레이에 의해 달성될 수 있다. 이러한 광학 요소는 일반적으로 투과형(예: 렌즈)이지만, 반사형(예: 거울)일 수도 있다;;

- 빔 분할 유닛(6): 이것은 직접 레이저 간섭 패터닝(DLIP: Direct Laser Interference Patterning) 또는 다중 빔 분할기(MBS: Multi Beam Splitter)를 구현하기 위해 기본 광학 요소를 사용한다;

- 빔 편향 유닛(7): 이것은 일반적으로 갈보 스캐너, 다각형 스캐너, 공진 압전 스캐너, MEMS 스캐너, 또는 전자광학 편향기(EOD) 및 음향광 편향기(AOD)와 같은 광학 고체 상태 편향기를 포함하는 거울기반 기계적 편향기이다.

도 5는 평평하지 않은 기재(11)용 핸들링 장치와 레이저 장치(1)에 대한 구성을 보여준다. 도면에서 코팅의 일부 또는 전체 코팅이 제거되어야 하는 기재(11)는 굽은, 더 복잡한 모양의 샘플이다. 도시된 예는 일반적으로 용접을 위해 코팅의 일부만 제거되어야 하는 자동차 문(11)이다. 그러나 상기 구성은 평평하지 않은 기재에서 코팅을 완전히 제거하는 데에도 사용할 수 있다.

이 구성에서, 레이저 헤드(9)는 프로세스 시각화 유닛(13)(예를 들어, 카메라)과 함께 3축 스테이지(12)에 장착된다. 샘플(11)은 원하는 처리 영역이 항상 레이저 빔의 시선 아래에 있도록 6 자유도 로봇(14)에 장착된다. 삭마된 입자 및 파편은 배출 유닛(16)을 통해 수집된다.

레이저 빔은 일반적으로 기재에 대해 90°의 각도로 지향된다. 그러나 아연계 코팅이 제공된 금속 기재의 표면에 수직인 방향에 대해 0 - 10° 범위의 편차는 레이저 삭막 방법을 방해하지 않을 것이다.

Claims

아연계 코팅이 제공된 금속 기재로부터 레이저 삭마에 의해 상기 아연계 코팅을 제거하는 방법으로서,
- 아연계 코팅을 가진 금속 기재를 제공하는 단계,
- 상기 아연계 코팅이 제거될 표면 영역을 정의하는 단계,
- 상기 아연계 코팅의 삭마를 위한 레이저 빔을 제공하기 위해 레이저 장치를 제어하는 단계로서, 여기서 상기 레이저 장치는 680nm - 1500nm 범위의 파장과 1ps - 1900ps범위의 펄스 지속시간을 갖는 펄스 레이저 빔을 제공하는, 단계,
- 상기 아연계 코팅층의 두께를 결정하는 단계,
- 레이저 빔의 플루언스를 상기 아연계 코팅층의 삭마를 위한 임계값 위의 값으로 설정하고, 전체 두께에 걸쳐 상기 아연계 코팅의 삭마에 필요한 레이저 스폿 면적당 펄스 수를 결정하는 단계,
- 상기 레이저 장치와 상기 금속 기재를 서로에 대해 위치 설정하고 이동시키며, 상기 정의된 표면 영역에 걸쳐 상기 금속 기재로부터 상기 아연계 코팅을 제거하는 단계;
를 포함하는, 코팅 제거 방법.
제1항에 있어서,
상기 파장은 750nm 내지 1300nm 범위인, 코팅 제거 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 펄스 지속시간은 3ps - 100ps 범위인, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파장은 1020nm - 1064nm 범위인, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스 지속시간은 5ps 내지 30ps 범위인, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스의 수는 1-100 펄스의 범위, 바람직하게는 5-50 펄스의 범위인, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스의 반복률은 1Hz 내지 1MHz 범위인, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스의 반복률은 1Hz 내지 400kHz의 범위인, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플루언스는 0.1 내지 100 J/cm²의 범위인, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정의된 영역에 걸쳐 상기 금속 기재로부터 상기 아연계 코팅을 제거하기 위해 둘 이상의 레이저 빔이 사용되는, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정의된 표면 영역은 상기 금속 기재의 전체 표면 영역의 일부인, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 장치와 금속 기재를 서로에 대해 위치 설정하고 이동시키는 상기 단계는 상기 금속 기재에 대해 비스듬한 각도 방향으로 상기 레이저 장치를 이동시키는 것과 상기 레이저 빔과 상기 비스듬한 각도 평면에서 상기 금속 기재를 이동시키는 것을 포함하는, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 장치와 금속 기재를 서로에 대해 위치 설정하고 이동시키는 상기 단계(여기서, 상기 금속 기재는 평평한 형상이 아닌 형상을 가짐)는 상기 레이저 장치의 이동 및 위치 설정을 위한 3축 스테이지의 사용과, 및 상기 금속 기재의 이동 및 위치 설정을 위한 6 자유도의 다축 시스템의 사용을 포함하는, 코팅 제거 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 레이저 빔은 아연계 코팅이 제공된 금속 기재의 표면에 수직인 방향에 대해 0 내지 10°의 범위로 지향되는, 코팅 제거 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 기재는 강철 기재인, 코팅 제거 방법.