(57)【要約】【課題】被膜の厚さの多少にかかわらず、部材の表面にダメージを与えることなく簡単且つ確実に被膜を除去することが可能なレーザクリーニング装置を提供する。【解決手段】レーザ発振器２と、レーザ発振器２からのレーザ光Ｌを集光してアルミニウム板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の駆動部６と、制御部７と、データベース８を備え、データベース８には、良好と判定される場合の除去条件に対応する除去施工条件としてのレーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度などがデータとして蓄積され、アルミニウム板Ｗの酸化被膜を除去するにあたって除去条件が入力されることで、データベース８に蓄積した除去施工条件の中から、除去条件に対応する最適な除去施工条件としてのレーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度などを選定して制御部７に出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部材の表面の被膜を除去するレーザクリーニング装置であって、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器からパルス発振されるレーザ光を集光して前記部材の表面上の被膜に照射しつつ走査するレーザヘッドと、
前記レーザヘッドを前記部材の表面に沿って移動させる駆動部と、
前記レーザ発振器，前記レーザヘッド及び前記駆動部に接続されて、レーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度，レーザ光走査速度，レーザ光走査幅及びレーザ光スポット径をコントロールする制御部と、
前記部材の表面上の被膜を除去した後の良好と判定される場合の除去条件である前記部材の材質及び前記被膜の厚みと、この除去条件に対応する除去施工条件としてのレーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度，レーザ光走査速度，レーザ光走査幅及びレーザ光スポット径がデータとして蓄積されるデータベースを備え、
前記データベースは、前記部材の表面上の被膜を除去するにあたって前記除去条件が入力されることで、該データベースに蓄積した前記除去施工条件の中から、入力された前記除去条件に対応する最適な除去施工条件としてのレーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度，レーザ光走査速度，レーザ光走査幅及びレーザ光スポット径を選定して前記制御部に出力するレーザクリーニング装置。
【請求項２】
前記レーザ発振器がファイバーレーザ発振器であり、前記レーザヘッドがガルバノスキャナである請求項１に記載のレーザクリーニング装置。
【請求項３】
前記駆動部が多関節ロボットである請求項１又は２に記載のレーザクリーニング装置。
【請求項４】
前記部材の表面上の前記レーザ光が照射されたレーザ光照射部の温度計測を行う温度測定手段と、前記部材の表面上における被膜の蒸散状態をモニタする撮影手段を備え、前記温度測定手段で取得したレーザ光照射部の温度及び前記撮影手段で撮影した前記部材の表面上における被膜の蒸散状態は、前記データベースにフィードバックされて除去施工条件として蓄積される請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のレーザクリーニング装置。
【請求項５】
前記除去条件である前記部材の材質がアルミニウムであり、前記除去条件である前記部材の表面上における被膜の厚みが５〜２０μｍである場合、前記データベースでは、前記除去条件が入力されることで、前記除去施工条件として少なくとも１０〜５０Ｗのレーザ出力と、１０〜４０ｋＨｚのパルス周波数と、２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの被膜除去速度と、最大３００Ｈｚのレーザ光走査速度と、最大１００ｍｍのレーザ光走査幅を選定して前記制御部に出力する請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のレーザクリーニング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、部材表面を覆う酸化被膜や塗装膜やめっき層や錆び・汚れ等の被膜を除去するのに好適なレーザクリーニング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザクリーニングは、部材表面の被膜構成物質が高エネルギー密度のレーザ光を受けることで、部材表面から蒸散する現象（レーザアブレーション）を利用したものである。
【０００３】
このレーザクリーニングには、例えば、アルミニウム合金の表面を覆う酸化被膜（アルマイト）を溶接の前処理として除去する際に採用されているサンドブラストやグラインダーによる研削のような機械的除去手段と比べて、部材にほとんどダメージを与えずに被膜を除去することができる点や、粉じん対策を必要としない点等のメリットがある。
また、このレーザクリーニングには、上記酸化被膜を除去する際に用いられる薬剤による化学的除去手段と比べても、廃液処理を必要としないというメリットがある。
【０００４】
従来、このようなレーザクリーニングに用いられるレーザクリーニング装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。
このレーザクリーニング装置は、レーザ発振器と、このレーザ発振器からパルス発振されるレーザ光を集光して部材の表面上の被膜に照射しつつ走査するレーザヘッドと、このレーザヘッドを部材の表面に沿って移動させる駆動部と、部材の表面上における被膜の蒸散状態をモニタする撮影手段を備えており、このレーザクリーニング装置では、部材の表面上の被膜に対して、パルス発振されたレーザ光をレーザヘッドから照射しつつ一定の周波数で走査することで、部材の表面を覆う被膜、例えば、アルミニウム合金の表面を覆う酸化被膜を除去するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2011-245496号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したレーザクリーニング装置には、まず部材の表面に被膜を残さないことが要求される。したがって、上記したレーザクリーニング装置によって被膜を除去する場合には、部材の表面への入熱量を多目に設定したレーザ光照射が行われるが、被膜の厚さの多少によって、部材への入熱量が多すぎて部材の表面に少なからずダメージを与えてしまうことがある。
【０００７】
つまり、上記した従来のレーザクリーニング装置では、被膜を残さず且つ部材の表面にダメージを与えずに除去を行うことが容易ではないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっている。
【０００８】
本発明は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、被膜の厚さの多少にかかわらず、部材の表面にダメージを与えることなく簡単且つ確実に被膜を除去することが可能なレーザクリーニング装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的を達成するために成された本発明の第１の態様は、部材の表面の被膜を除去するレーザクリーニング装置であって、レーザ発振器と、前記レーザ発振器からパルス発振されるレーザ光を集光して前記部材の表面上の被膜に照射しつつ走査するレーザヘッドと、前記レーザヘッドを前記部材の表面に沿って移動させる駆動部と、前記レーザ発振器，前記レーザヘッド及び前記駆動部に接続されて、レーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度，レーザ光走査速度，レーザ光走査幅及びレーザ光スポット径をコントロールする制御部と、前記部材の表面上の被膜を除去した後の良好と判定される場合の除去条件である前記部材の材質及び前記被膜の厚みと、この除去条件に対応する除去施工条件としてのレーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度，レーザ光走査速度，レーザ光走査幅及びレーザ光スポット径がデータとして蓄積されるデータベースを備え、前記データベースは、前記部材の表面上の被膜を除去するにあたって前記除去条件が入力されることで、該データベースに蓄積した前記除去施工条件の中から、入力された前記除去条件に対応する最適な除去施工条件としてのレーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度，レーザ光走査速度，レーザ光走査幅及びレーザ光スポット径を選定して前記制御部に出力する構成としている。
【００１０】
また、本発明の第２の態様は、前記レーザ発振器がファイバーレーザ発振器であり、前記レーザヘッドがガルバノスキャナである構成としている。
【００１１】
さらに、本発明の請求項３に係るレーザクリーニング装置において、前記駆動部が多関節ロボットである構成としている。
【００１２】
さらにまた、本発明の請求項４に係るレーザクリーニング装置は、前記部材の表面上の前記レーザ光が照射されたレーザ光照射部の温度計測を行う温度測定手段と、前記部材の表面上における被膜の蒸散状態をモニタする撮影手段を備え、前記温度測定手段で取得したレーザ光照射部の温度及び前記撮影手段で撮影した前記部材の表面上における被膜の蒸散状態は、前記データベースにフィードバックされて除去施工条件として蓄積される構成としている。
【００１３】
さらにまた、本発明の請求項５に係るレーザクリーニング装置は、前記除去条件である前記部材の材質がアルミニウムであり、前記除去条件である前記部材の表面上における酸化被膜の厚みが５〜２０μｍである場合、前記データベースでは、前記除去条件が入力されることで、前記除去施工条件として少なくとも１０〜５０Ｗのレーザ出力と、１０〜４０ｋＨｚのパルス周波数と、２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの被膜除去速度と、最大３００Ｈｚのレーザ光走査速度と、最大１００ｍｍのレーザ光走査幅を選定して前記制御部に出力する構成としている。
【００１４】
本発明の第１の態様に係るレーザクリーニング装置では、部材の表面を覆っている被膜を除去するに際して、制御部に対して除去条件である部材の材質を入力すると共に、同じく除去条件である被膜の厚みを入力すると、この入力した除去条件に対応する最適な除去施工条件が、データベースに蓄積されている除去施工条件の中から選りすぐられて、制御部に出力される。
【００１５】
そして、最適な除去施工条件のレーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度，レーザ光走査速度，レーザ光走査幅及びレーザ光スポット径を満たすべく、駆動部，レーザ発振器及びレーザヘッドが制御部によりコントロールされてそれぞれ作動するので、被膜の厚さの多少にかかわらず、部材の表面にダメージを与えることなく、取り残しのない被膜除去が簡単且つ確実に成されることとなる。
【００１６】
また、本発明の第２の態様に係るレーザクリーニング装置では、レーザ発振器として高輝度のファイバーレーザ発振器を用いているので、部材が金属である場合には、その表面におけるレーザ光の反射を防ぐための前処理（黒染色）が不要となり、加えて、レーザヘッドとしてガルバノスキャナを用いているので、高速且つスムーズな被膜除去を行い得ることとなる。
【００１７】
さらに、本発明の第３の態様に係るレーザクリーニング装置では、駆動部として多関節ロボットを採用しているので、部材の表面が湾曲しているような場合であったとしても、柔軟に対応し得ることとなる。
【００１８】
さらにまた、本発明の第４の態様に係るレーザクリーニング装置では、温度測定手段で取得したレーザ光照射部の温度及び撮影手段で撮影した被膜の蒸散状態をデータベースにフィードバックして除去施工条件として蓄積するようにしているので、除去施工の品質の安定化が図られることとなる。
【００１９】
さらにまた、本発明の第５の態様に係るレーザクリーニング装置では、除去条件として部材の材質がアルミニウムであること、及び、酸化被膜の厚みが５〜２０μｍであることを制御部に入力すると、データベースでは、除去施工条件として少なくとも１０〜５０Ｗのレーザ出力と、１０〜４０ｋＨｚのパルス周波数と、２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの被膜除去速度と、最大３００Ｈｚのレーザ光走査速度と、最大１００ｍｍのレーザ光走査幅を選定して制御部に出力するので、これらの最適な除去施工条件を満たすべく、駆動部，レーザ発振器及びレーザヘッドが制御部によりコントロールされてそれぞれ作動することとなり、酸化被膜の厚さの多少にかかわらず、部材の表面にダメージを与えることなく、取り残しのない被膜除去が簡単且つ確実に成されることとなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るレーザクリーニング装置によれば、被膜の厚さの多少にかかわらず、部材の表面にダメージを与えることなく簡単且つ確実に被膜を除去することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザクリーニング装置を概略的に説明する模式図である。
【図２】図１のレーザクリーニング装置によって最適な除去施工条件で除去加工が成された試験片Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６の各表面外観写真（ａ）〜（ｃ）である。
【図３】図１のレーザクリーニング装置によって最適な除去施工条件で除去加工が成された試験片Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６の各断面形態の電子顕微鏡写真（ａ）〜（ｃ）である。
【図４】図１のレーザクリーニング装置によって最適な除去施工条件で除去加工が成された試験片Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６の各表面粗さを示すグラフ（ａ）〜（ｃ）である。
【図５】比較のために最適とは言えない除去施工条件で除去加工が成された試験片Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５の各表面外観写真（ａ）〜（ｃ）である。
【図６】比較のために最適とは言えない除去施工条件で除去加工が成された試験片Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５の各断面形態の電子顕微鏡写真（ａ）〜（ｃ）である。
【図７】比較のために最適とは言えない除去施工条件で除去加工が成された試験片Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５の各表面粗さを示すグラフ（ａ）〜（ｃ）である。
【図８】試験片Ｓ２の酸化被膜除去後の部材溶融深さを示す断面形態の電子顕微鏡写真である。
【図９】試験片Ｓ２の酸化被膜除去後のビッカース硬さを示すグラフである。
【図１０】被膜除去速度を３通りに設定して、試験片Ｓ２に対して酸化被膜の除去を行った際の表面外観写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザクリーニング装置を示しており、この実施形態では、本発明に係るレーザクリーニング装置により、アルミニウム板の表面を覆う酸化被膜を除去する場合を例に挙げて説明する。
【００２３】
図１に概略的に示すように、このレーザクリーニング装置１は、アルミニウム板（部材）Ｗの表面Ｗａを覆う酸化被膜を除去するものであって、ファイバーレーザ発振器２と、このファイバーレーザ発振器２からパルス発振されるレーザ光Ｌを集光してアルミニウム板Ｗの表面Ｗａ上の酸化被膜に照射しつつ走査するレーザヘッドとしてのガルバノスキャナ４と、ファイバーレーザ発振器２からのレーザ光Ｌをレーザヘッド４へ導く光ファイバ５と、レーザヘッド４をアルミニウム板Ｗの表面Ｗａに沿って移動させると共に表面Ｗａに接近離間させる多関節ロボット（駆動部）６と、ファイバーレーザ発振器２，ガルバノスキャナ４及び多関節ロボット６に接続されて、レーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度，レーザ光走査速度，レーザ光走査幅及びレーザ光スポット径をコントロールする制御部７を備えている。
【００２４】
また、このレーザクリーニング装置１において、アルミニウム板Ｗの表面Ｗａ上の酸化被膜を除去した後の良好と判定される場合の除去条件である部材の材質（アルミニウム）及び酸化被膜の厚みと、この除去条件に対応する除去施工条件としてのレーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度，レーザ光走査速度，レーザ光走査幅及びレーザ光スポット径がデータとして蓄積されるデータベース８を備えており、このデータベース８は、アルミニウム板Ｗの表面Ｗａ上の酸化被膜を除去するにあたって除去条件が入力されることで、データベース８に蓄積した除去施工条件の中から、入力された除去条件に対応する最適な除去施工条件としてのレーザ出力，パルス周波数，被膜除去速度，レーザ光走査速度，レーザ光走査幅及びレーザ光スポット径を選定して制御部７に出力するようになっている。
【００２５】
さらに、このレーザクリーニング装置１において、アルミニウム板Ｗの表面Ｗａ上のレーザ光Ｌが照射されたレーザ光照射部Ｐの温度計測を行う赤外線温度計（温度測定手段）９と、アルミニウム板Ｗの表面Ｗａ上における酸化被膜の蒸散状態をモニタする高速度カメラ（撮影手段）１０を備えており、このレーザクリーニング装置１では、赤外線温度計９で取得したレーザ光照射部Ｐの温度及び高速度カメラ１０で撮影したアルミニウム板Ｗの表面Ｗａ上における酸化被膜の蒸散状態をデータベース８にフィードバックして除去施工条件として蓄積するようにしている。
【００２６】
この実施形態のレーザクリーニング装置１では、アルミニウム板Ｗの表面Ｗａ上における酸化被膜を除去する場合、除去条件として部材の材質（アルミニウム）及び酸化被膜の厚み（５〜２０μｍ）を制御部７に入力すると、データベース８において、この入力した除去条件に対応する最適な除去施工条件、すなわち、除去施工条件として少なくとも１０〜５０Ｗのレーザ出力と、１０〜４０ｋＨｚのパルス周波数と、２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの被膜除去速度と、最大３００Ｈｚのレーザ光走査速度と、最大１００ｍｍのレーザ光走査幅を選定して制御部７に出力するようになっている。
【００２７】
この実施形態のレーザクリーニング装置１では、上記したように、データベース８から除去条件に対応する最適な除去施工条件が制御部７に出力されると、これらの最適な除去施工条件を満たすべく、ファイバーレーザ発振器２，ガルバノスキャナ４及び多関節ロボット６が制御部７によりコントロールされてそれぞれ作動するので、酸化被膜の厚さの多少にかかわらず、アルミニウム板Ｗの表面Ｗａにダメージを与えることなく、取り残しのない被膜除去が簡単且つ確実に成されることとなる。
【００２８】
また、このレーザクリーニング装置１では、レーザ発振器として高輝度のファイバーレーザ発振器２を用いているので、アルミニウム板Ｗの表面Ｗａにおけるレーザ光Ｌの反射を防ぐための前処理（黒染色）が不要となり、加えて、レーザヘッドとしてガルバノスキャナ４を用いているので、高速且つスムーズな被膜除去を行い得ることとなる。
【００２９】
さらに、このレーザクリーニング装置１では、駆動部として多関節ロボット６を採用しているので、部材の表面が湾曲しているような場合であったとしても、柔軟に対応し得ることとなる。
【００３０】
さらにまた、このレーザクリーニング装置１では、赤外線温度計９で取得したレーザ光照射部Ｐの温度及び高速度カメラ１０で撮影したアルミニウム板Ｗの表面Ｗａ上における酸化被膜の蒸散状態をデータベース８にフィードバックして除去施工条件として蓄積するようにしているので、除去施工の品質の安定化が図られることとなる。
【００３１】
そこで、材質がアルミニウム(Ａ６０６３押出材)であり、酸化被膜の厚みが２０μｍ，１０μｍ，５μｍの３通りの試験片Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６を用意し、これらの試験片Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６に対して、上記レーザクリーニング装置１により酸化被膜の除去を実施した。
【００３２】
すなわち、試験片Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６の材質及び酸化被膜の厚みを除去条件としてレーザクリーニング装置１の制御部７に入力したところ、データベース８において、５０Ｗのレーザ出力と、２００ｍｍ／ｍｉｎの被膜除去速度と、２０ｋＨｚのパルス周波数が選定されるのに加えて、１００Ｈｚの走査速度及び１０ｍｍの走査幅が選定されて制御部７に出力されて、酸化被膜の除去が行われた。
【００３３】
この際、比較のため、材質がアルミニウム(Ａ６０６３押出材)であり、酸化被膜の厚みが２０μｍ，１０μｍ，５μｍの３通りの試験片Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５を用意し、制御部７に５０Ｗのレーザ出力と、２００ｍｍ／ｍｉｎの被膜除去速度と、５０ｋＨｚのパルス周波数と、１００Ｈｚの走査速度と、１０ｍｍの走査幅を直接入力して、試験片Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５に対しても酸化被膜の除去を行った。
なお、この酸化被膜の除去加工における各試験片Ｓ１〜Ｓ６に対する除去施工条件を表１にまとめて示す。
【００３４】
【表１】
2016107299.tif 000003
【００３５】
この実施形態に係るレーザクリーニング装置１によって最適な除去施工条件で除去加工が成された試験片Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は、図２の表面外観写真，図３の断面形態の電子顕微鏡写真及び図４の表面粗さに示すように、酸化被膜が概ね良好に除去されていると共に、酸化被膜除去後の表面の凹凸が少なく、総合評価が○か△であることが判った。
【００３６】
一方、比較のために最適とは言えない除去施工条件で除去加工が成された試験片Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５は、図５の表面外観写真，図６の断面形態の電子顕微鏡写真及び図７の表面粗さに示すように、多くの酸化被膜が除去されずに残っていると共に、酸化被膜除去後の表面に大きい凹凸が多く、総合評価がいずれも×であることが判った。
【００３７】
また、試験片Ｓ２の酸化被膜除去後の部材溶融深さを測定したところ、図８の断面形態の電子顕微鏡写真に示すように、溶融境界が浅いことが判った。加えて、試験片Ｓ２の酸化被膜除去後のビッカース硬さを測定したところ、図９のグラフに示すように、レーザ光照射によるビッカース硬さへの影響がほとんどないことが判った。
【００３８】
次に、制御部７に５０Ｗのレーザ出力と、２０ｋＨｚのパルス周波数と、最大限である３００Ｈｚの走査速度と、１０ｍｍの走査幅を直接入力すると共に、被膜除去速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ，５００ｍｍ／ｍｉｎ及び１０００ｍｍ／ｍｉｎの３通りに設定して、試験片Ｓ２に対して酸化被膜の除去を行った。
【００３９】
図１０の表面外観写真に示すように、被膜除去速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ及び５００ｍｍ／ｍｉｎにそれぞれ設定して酸化被膜の除去を行った場合には、酸化被膜が良好に除去されているのに対して、被膜除去速度を１０００ｍｍ／ｍｉｎに設定して酸化被膜の除去を行った場合には、酸化被膜除去後の表面に縞模様が残っていることが判った。
【００４０】
２００ｍｍ／ｍｉｎ及び５００ｍｍ／ｍｉｎの被膜除去速度は、データベース８において、最適な除去施工条件として選定される被膜除去速度の範囲内なので、選択される除去施工条件の範囲内であれば、酸化被膜除去後の表面の状態から被膜除去速度が遅い場合により除去効果が高まることが判った。
【００４１】
したがって、この実施形態に係るレーザクリーニング装置１では、酸化被膜の厚さの多少にかかわらず、部材の表面にダメージを与えることなく、取り残しのない被膜除去を簡単且つ確実に行い得ることが実証できた。
【００４２】
本発明に係るレーザクリーニング装置の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１    レーザクリーニング装置
２    ファイバーレーザ発振器（レーザ発振器）
４    ガルバノスキャナ（レーザヘッド）
６    多関節ロボット（駆動部）
７    制御部
８    データベース
９    赤外線温度計（温度測定手段）
１０  高速度カメラ（撮影手段）
Ｌ    レーザ光
Ｐ    レーザ光照射部
Ｗ    アルミニウム板（部材）
Ｗａ  アルミニウム板の表面
【図１】
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【図４】
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【図７】
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【図９】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図１０】
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