JT 技報 Vol.1
母材に優しいレーザクリーニング技術

母材に優しいレーザクリーニング技術
市川 友博、野田 静枝、佐藤 結

レーザクリーニングとは、塗装・錆・ゴム・樹脂・油分等が付着した母材にレーザ光を照射し、母材の表面から付着物を剥離する技術であり、国内外で文化財等の彫刻品および製造ラインの金属部品の仕上げ、金型のクリーニング等に活用されている。特徴は、レーザ照射による母材へのダメージが小さく、作業により発生する廃棄物量が少ないクリーンな技術である。
当社はこの技術に着目し、六ヶ所再処理工場における使用済み部品等の再利用を目的としたレーザクリーニング技術開発に取組んできた。
その取組みの結果、各種母材、形状、付着物（錆、塗料、樹脂等）に対してクリーニングが可能であり、レーザ照射による母材への影響が極めて小さいことを確認した。
本稿では、レーザクリーニング技術に関する剥離能力評価および母材への影響確認試験について紹介する。
キーワード: レーザクリーニング、除染、付着物剥離、ワイドレーザ、WIDE LASERやコンパクトで移動可能なレーザクリーニング装置を導１．はじめに入し、開発を進めている。

六ヶ所再処理工場においては、今後の長期本格操業運転に対応して、保守等の作業により発生する放射性廃棄２．レーザクリーニング技術の概要

物発生量の低減や、現場作業者の被爆低減の目的で各種除染方法の適用検討が行われており、その重要性は竣工

レーザクリーニング技術は、レーザを金属等母材の表後にますます増大すると考えられる。[1]

面の付着物に照射し、付着物を昇華させると同時に照射

当社は除染方法の一つとして、機器母材への影響が少表面で急激に生成されたプラズマの衝撃圧により、母材なく、かつ二次廃棄物の発生量が少ないレーザクリーニの付着物を剥離させる技術である。レーザクリーニング

ング技術を選定し、各種母材について付着物の剥離およ技術の概要図を図１に示す。

び影響を試験により確認し、多くのサンプルで付着物の剥離に成功した。
また、レーザクリーニング技術を広く活用できるようにするために、放射線環境下での作業を考慮しレーザクリーニング装置に遠隔操作ロボットを組合せたシステム

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遠隔操作
集塵装置へ吸引回収

レーザ照射ノズル

遠隔操作
ロボット

光ファイバ 50m
レーザ発振器
集塵装置

レーザ光
フィルタ

付着物
母材

：剥離した付着物
レーザ照射ノズル

図１ レーザクリーニング技術概要

図２ 遠隔操作可能なレーザクリーニングシステム

剥離した付着物は、フィルタを備えた集塵装置等で、照射とともに吸引回収する。一般的な薬品等の液体を用いた洗浄方法と比較すると、レーザクリーニング技術は1.5kg

ドライプロセスであるため、廃液の処理が不要となるこ

レーザ照射ノズルとから二次廃棄物の抑制が可能である。
レーザ発振器

３．レーザクリーニングシステム※集塵装置は付着物により家庭用掃除機等簡易なものでも可能

車輪

当社は目的に応じて対応できるレーザ発振器およびレーザ照射ノズルを主としたレーザクリーニングシステム

集塵装置※

光ファイバ ３m

図３ コンパクトな可搬型レーザクリーニングシステム

を２基所有している。
図２に示す遠隔操作可能なシステムは、六ヶ所再処理

表１ レーザクリーニング装置能力

工場の人が作業できない汚染区域での使用を想定した構
レーザ出力
レーザ波長
レーザ照射幅レーザ焦点距離
パルス周波数寸法(D*W*H)
光ファイバ長電源
レーザ発振器重量
レーザ照射ノズル重量成で、遠隔操作可能なロボットアームにレーザ照射ノズルを取付け、光ファイバケーブルでレーザ発振器本体と接続し、３層構造のフィルタを搭載した集塵装置で付着物を剥離し回収する構成である。
図３に示すコンパクトな可搬型システムは、1.5 kg と軽量な照射ノズルを３m の光ファイバケーブルでレーザ発振器に接続し、手動で付着物を剥離する構成である。

遠隔モデル

コンパクトモデル

350 W

100 W
1060-1080 nm

60 mm

80 mm
135±5 mm

12～40 kHz
770×1,610×1,155
50 m
200 V
350 kg
4.0 kg199 Hz480×640×850
３m
100 V
49 kg(本体 28 kg)
1.5 kg

剥離した付着物は集塵装置もしくは家庭用掃除機で回収可能であり、どこでも作業できるような構成である。

４．各種母材に対する剥離能力評価

各システムのレーザ照射条件(エネルギ密度、幅等)お各種母材の付着物の剥離能力を評価するために、図２

よび集塵装置の構成（サイクロン、フィルタ等）は、目に示したレーザクリーニングシステムを用いて的に応じて調整、設定が可能である。

SUS304、SS400、コンクリートの試験片に対して剥離対象物質を付着させた試験片を用意し、レーザ照射による剥離状況を確認した[2]。各種試験片の剥離状況を表２に示す。
各試験片の付着物は照射幅 60mm、照射速度(５ mm/s)にて概ね母材の表面から剥離された。

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試験は、SUS304 のダンベル型試験片のくびれ部全面

表２ レーザクリーニング剥離状況
母材材質

照射前にレーザを 10 回照射し、万能試験機で引っ張り、引張照射後強度および伸び率についてレーザ未照射の試験片と比較評価した。また、JIS 規格の基準値を満たしているかを

SUS304100mm確認した。試験片外観を図４に示す。

照射幅 60mm

表４ 引張試験条件

SUS304 母材
アクリル塗料

試験規格
試験片
レーザ
照射条件

φ20 mm 赤錆付ボルト

項目－

ねじ山等凹凸にも対応可能

試験機

材質
規格
エネルギ密度
レーザ照射速度
照射回数－
比較基準

評価方法

SS400

比較対象
数値

内容
JIS Z 2241 金属材料引張試験方法
SUS304
13A 号試験片4.7 J/cm2５ mm/s
10 回
500 KN 万能試験機
JIS G 4305:冷間圧延ステンレス鋼
及び鋼帯と比較
レーザ未照射の試験片
引張強度、伸び率

照射幅 60mm
赤錆付着
炭素鋼板

SS400 母材
レーザ照射部

図４ ダンベル型試験片
コンク

照射幅 60mm

5.2 ビッカース硬さ試験

リート
エポキシ樹脂レーザ照射部の表面硬さを測定するために JIS 規格に母材コンクリート準拠してビッカース硬さ試験を実施した。ビッカース硬さ試験条件を表５に示す。
試験は、SUS304 の試験板にレーザを 10 回照射し、表５．母材への影響確認

面のビッカース硬さを測定しレーザ未照射の試験片と比較評価した。レーザ照射した試験片を図５に示す。

再利用を目的としてレーザクリーニングの適用を考え

表５ ビッカース硬さ試験条件

た場合、母材への影響が小さいことが重要なポイントとなる。そこで、腐食試験、引張試験、ビッカース硬さ試

試験規格
試験片

験を実施し、レーザ照射が母材へ及ぼす影響を JIS 規格
およびレーザ未照射の試験片と比較し確認した。試験の

レーザ
照射条件

実施内容および評価項目を表３に示す。

試験機

表３ 母材への影響確認試験内容および評価項目
No.
123

実施内容
引張試験
・JIS Z 2241 に準拠し実施
ビッカース硬さ試験
・JIS Z 2244 に準拠し実施
腐食試験（沸騰 65% HNO3 192h 浸漬）
・JIS G0573 に準拠し実施

項目－
材質
エネルギ密度
照射速度
照射回数－
比較基準

評価項目
・引張強度・伸び率

評価方法

比較対象
数値

内容
JIS Z 2244 ビッカース硬さ試験方法
SUS304
4.7 J/cm2５ mm/s
10 回AVK-C150
JIS G 4305:冷間圧延ステンレス鋼
及び鋼帯と比較
レーザ未照射の試験片
ビッカース硬さ

・表面硬さ
レーザ照射部・腐食度・表面観察

試験片寸法
・100×100×３ mm
材質・SUS304

5.1 引張試験
レーザ照射部の引張強度および伸び率を確認するために、JIS 規格に準拠して引張試験を実施した。引張試験

図５ ビッカース硬さ試験片

条件を表４に示す。

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5.3 引張試験およびビッカース硬さ試験結果
引張試験およびビッカース硬さ試験結果を図６、図７に示す。図６の棒グラフが引張強さ（左軸）、点が伸び率（右軸）を示す。また、図７の縦軸はビッカース硬さを示す。
各試験ともにレーザ照射の有無による測定値の差は非常に小さいことから、レーザ照射によって母材の引張強さおよび伸び率、硬さに与える影響は極めて小さいと考えられる。また、引張強さおよび伸び率は JIS 規格の基準値を満たしていることを確認した。[2][3]
図８ 腐食試験構成概要
JIS 規格（基準値以下であること）

引張強さ JIS 規格

伸び率
JIS 基準図６ 引張試験結果

図７ ビッカース硬さ試験結果

図９ 腐食試験実施様子(2) 試験結果－腐食度

5.4 腐食試験

腐食度の比較結果を図 10 に示す。グラフの縦軸に腐(1) 試験概要
レーザ照射により生じる熱等による影響を確認するた

食度、横軸に試験期間を示しており、レーザ照射前後にめに JIS 規格に準じて腐食試験を実施した。腐食試験条

おいて腐食度の差は非常に小さいことを確認した[2][3]。

件を表６に示す。
試験は、SUS304 の試験片の全面にレーザを 10 回照射し、その試験片を 14.4 mol/L の沸騰(約 123℃)硝酸へ 192時間浸漬させ、腐食度および腐食試験前後の表面状態についてレーザ未照射の試験片と比較評価した。腐食試験
装置概要を図８、試験実施様子を図９に示す。
表６ 腐食試験条件
項目
試験規格
試験液浸漬時間
試験片
レーザ照射条件
試験機
評価方法

材質
寸法
表面エネルギ密度レーザ照射速度
照射回数

内容
JIS G 0573 ステンレス鋼の 65%硝酸腐食試験方法
沸騰 14.4 mol/L-HNO3
192 h(48h ×４回)
SUS30415×30×２ mm
P600 湿式研磨
4.7 J/cm25 mm/s
10 回 全面照射
コールドフィンガ型浸漬装置
表面マクロ、ミクロ(SEM)状態
腐食度

図 10 腐食度の比較結果(3) 試験結果－マクロ・ミクロ観察
レーザ照射した試験片の外観および SEM-EDX によるミクロ観察結果を図 11 に示す。レーザ照射前後の腐食形態は全面腐食であり、鋭敏化時に見られるような結晶の脱粒等明らかな変化は確認されなかった[2][3]。

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参考文献[1] 野田 静枝、梅津 大輔、他 “六ヶ所再処理工場におけるワイドレーザー除染及び遠隔操作ロボットの適用への取組み”、日本保全学会 第 11 回学術講演
会 要旨集、2012、pp.431-438.
[2] 市川 友博、野田 静枝、他 “供用中除染へのワイドレーザー適用に向けた取組み（その 2）”、日本保全学会 東北・北海道支部第 2 回保全技術交流会、講演、2017[3] 佐藤 結、野田 静枝、他 “放射線環境下におけるワイドレーザー除染技術のご紹介”、ICMSTTohoku2018 企業展示発表、2018

図 11 腐食試験のマクロ・ミクロ観察結果

６．まとめ

市川 友博

㈱ジェイテック

剥離試験および強度試験ならびに腐食試験の結果よ

プラント保修部 技術統括センター

り、レーザクリーニングは、各種母材に対する付着物の剥離に対して有効であり、レーザ照射が母材へ及ぼす影

野田 静枝

響は極めて小さい技術であることが示された。

㈱ジェイテック
プラント保修部 技術統括センター

また、二次廃棄物は、ほとんど剥離した付着物であることから、一般的な薬品やブラストといったクリーニン

佐藤 結

グ方法と比較して少なく、工業用の集塵装置または家庭㈱ジェイテック用掃除機等で容易に回収可能である。

プラント保修部 技術統括センター

当社は、今後様々な場面で期待されるレーザクリーニング技術を、六ヶ所再処理施設における除染のみならず一般産業でのクリーニング適用に向け、更に開発を行っていく。

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