技術紹介

レーザクリーニング装置「レーザクリアシリーズ」の開発～ 応用分野拡大を目指して ～大脇桂 *1

Oowaki Katsura

藤田秀一

川口勲 *2

Kawaguchi Isao
*3

Fujita Shuichi

大阿見尚弥

海老名信一 *3
Ebina Shinichi*3

Ooami Naoya

牧聡美 *3Maki Satomi

レーザクリーニング技術とは、レーザ光を用いたドライプロセスの洗浄技術であり、飛散物以外の廃棄物が出ないことから、環境規制の厳しいヨーロッパを中心に適用が進んでいる。当社では、2013 年よりレーザクリーニング技術を用いた表面洗浄装置の開発を開始し、2015 年にレーザクリーニング装置「レーザクリア 50」の製造・販売を開始した。本稿では、はじめに、レーザクリーニング技術を簡単に紹介し、続いて、当社製品の仕様、本機を使用した適用例、表面層除去性能の評価技術例を紹介する。また、現在実施中の開発例として、① 可搬性向上を目指したバックパック型レーザクリア、② 除去効率向上を目指した大出力型レーザクリア、および③ 除去性能の均一性向上を目指したレーザ照射端部処理機構について紹介する。
キーワード：レーザクリーニング技術、レーザ加工、ファイバーレーザ

成物質が爆発的に昇華、蒸散されるレーザアブ

1. はじめにレーションと呼ばれる現象を利用している。近年、これまで、自動車や航空機をはじめとする工業数多くのタイプのレーザ発振器の開発が進んでお製品の洗浄技術として、有機溶剤や酸などの薬品り、パルスレーザに関しては瞬間的に高いエネルによる洗浄、水などを用いた高圧洗浄、サンドブギーを連続的に投入することが可能になった。

ラストによる洗浄などが広く用いられてきた。しレーザクリーニングは主にこの技術を応用して、かしながら、近年、環境規制が厳しくなったこと開発が進められている。

から、これらの洗浄方法で排出される二次廃棄物

本技術は、すでに、溶接の前後処理、塗装など処理の課題を解決するため、廃材がほとんど出なの表面層除去、金型や部品の錆取りや表面仕上げ

いレーザクリーニング技術に注目が集まっていなど、数多くの分野に適用、もしくは、検討、試る。

行がされており、今後も、さらなる応用分野の拡さび（1）（2）大が予想される

レーザクリーニングは、高いエネルギー密度の当社では、レーザクリーニングのメリットを最レーザ照射により固体あるいは液体の表面から構*1：機器装置事業部*2：機器装置事業部*3：機器装置事業部

レーザ技術グループ
レーザ技術グループ
レーザ技術グループ

。

次長
課長

—39—

IIC REVIEW/2016/10. No.56

大限に活かせるように研究開発を実施し、2013 ～2. レーザクリーニング技術の概要

2014 年 に か け て 最 大 平 均 レ ー ザ 出 力 が 20W の

2.1 レーザクリーニングの特徴

レーザクリーニング装置「レーザクリア 20」を（3）（4）。続いて、2015 年にレーザ出力を従来技術（洗浄工程）とレーザクリーニングの50W に増加させた「レーザクリア 50」の販売をメリット、デメリットを図 1、図 2 に示す 。レー

開始した。本機は、すでに自動車分野などに適用

ザクリーニングプロセスは溶剤や水などを用いなしていただいているとともに、さらなる応用分野いドライ環境でのクリーニングであり、二次廃棄の拡大を目指し開発を継続中である。本稿では、物の処理を必要とせず、機械的な切削とは異なりレーザクリーニング技術を簡単に紹介し、続いて、非接触加工であるため、処理条件を適正に選定す製品版「レーザクリア 50」の紹介とその適用例、ることにより母材自身を傷つけずにクリーニング除去性能の評価実施例を紹介する。また、現在進を行うことが可能である。

開発した

（1）

また、化学洗浄では、通常マスキングなどで非めている応用分野拡大を目指した技術開発例を紹施工部の保護を行うが、レーザクリーニングでは介する。

図1

従来の洗浄技術のメリット・デメリット

図2

レーザクリーニングのメリット—40—

マスキングを使用しなくても、非施工部に影響を与えることなく洗浄を行える利点があり、マスキング工程（材料の調製、塗布、剥離処理）の省略に伴い、大幅な生産性向上、コストダウンが可能である。
これらのメリットを活かし、溶接前の脱脂や塗装、酸化膜の除去処理、溶接後の溶接焼けのクリーニング、金型や部品表面の錆取り、清掃や仕上げ

図3処理、塗装膜やめっき層の除去、および原子力プ

レーザクリーニング技術の基本原理

ラントの除染など幅広く適用されはじめている。
係が成り立つ必要がある。
2.2 レーザクリーニング技術の基本原理

3. 「レーザクリア 50」を使用したレーザクリー
ニング技術

レーザクリーニングは、レーザアブレーション

3.1 「レーザクリア 50」の仕様と除去例と呼ばれるレーザ照射による物質の蒸散を利用する加工プロセスである。パルスレーザをスキャナ

当社では、レーザクリーニング技術のメリットで走査し、材料の最表面層に照射することで、表を活かし、2014 年にプロトタイプ機「レーザク面のコーティング層、あるいはコンタミ層（腐食層、リア 20」を開発し、「2014 国際ウエルディング汚染層など）を蒸発させる。同時に材料の表面にショー」にて展示した。その際に要望が多かったはマイクロプラズマが生成し、その衝撃波、熱膨除去性能の向上を図るため、レーザ出力を高出力張圧で目標物が破壊される。適正なレーザパラメー化 し た 製 品 版「 レ ー ザ ク リ ア 50」 を 開 発 し、タを選択することで母材に損傷を与えることなく2015 年に販売を開始した 。その主な仕様を表 1

安全にコンタミ層のみを除去することができる。に、装置外観および照射ヘッドの外観を図 4 に生成した飛散物はバキューム装置で吸引し、フィ示す。本機は、クラス 4 レーザの安全対策を適正ルターに吸着させることにより回収が可能である。に実施することにより 、ユーティリティとして母材に損傷を与えないためのレーザクリーニン

商用電源である AC100V を使用するだけで、効果（2）（4）

グの要件として、図 3 に示すように表面層がア的な洗浄技術を提供することが可能である。

ブレーションを起こすために必要なエネルギー密

この「レーザクリア 50」を使用した表面層除度を Ec、母材そのもののアブレーションが起き去の例として、図 5（a）チタンの溶接焼け、（b）るエネルギー密度を Es とした場合、Ec < Es の関塗装面、（c）錆、（d）アルミの酸化被膜の除去

表 1 「レーザクリア 50」の主な仕様—

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（a）装置部（本体）（b）照射ヘッド部

図 4 「レーザクリア 50」の外観（a）溶接焼け

（b）塗装

（c）錆

（d）酸化被膜

図5

レーザクリアによる表面層除去例

状況をそれぞれに示す。このように、レーザクリーける除去が簡便に行えること、空間的な選択的除ニング技術は、（a）～（c）に示すような各種の表去が容易に可能であることなど、生産技術として面層除去として適用範囲が広いだけでなく、（d）極めて有用である。に示すように機械的な除去が困難な狭あい部にお—42—

3.2 除去性能の解析例

層の残留物評価結果を提供している。図 6、図 7

レーザクリーニングによる表面層の除去状況

はそれぞれ、アルミの酸化被膜の除去状況の表面は、材料表面の外観から評価できる場合も少なくおよび断面マクロ観察、EPMA の面分析を実施しない。しかしながら、表面層の除去性能や母材変た例である。これらは、レーザ照射の 1 パルスの化の有無を厳密に評価することは容易ではない。

エネルギーにより除去性能が変化する場合の評価

当社では、除去した表面層の面積や除去物の重量結果を示している。表面層の残留物評価が必要ななどによる除去効率とともに、母材変化を評価す場合、これらの技術により除去状況を評価するこるため、詳細な材料表面の観察や断面マクロ観察、とが重要である。

EPMA（電子線マイクロアナライザ）による表面

図6

表面観察および断面観察による除去性能の評価（a）1mJ

図7（b）0.4mJ

パルスエネルギーを変化させた場合の EPMA による表面層の除去状況の評価例—

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に示す。現場作業における狭あい部の表面層除去

4. 応用分野拡大を目指した開発を想定し、小型化とともに、重量に関して 19.5kg

当社では、現在も、レーザクリーニング技術のと大幅な軽量化を達成した。本機を用いることに応用分野拡大を目指し、（1）～（3）に示す目的のより、大型装置の導入が困難な場所であっても、研究開発を継続している。以下にそれぞれの開発背負って持ち込むことが可能であり、商用電源を例を示す。

導入するだけでレーザクリーニングが可能となっ（1）装置軽量化・小型化による可搬性向上（2）レーザ出力の大出力化による除去性能向上（3）より均一な表面層除去性能の提供
4.1 バックパック型レーザクリアの試作
レーザクリーニング装置の可搬性向上が要求される現場作業のような箇所に対処するため、表 2に示すように、レーザクリア 50 と比較し、大幅な小型化・軽量化を達成した試作機を開発した。
この試作機の外観を図 8 に、使用状況を図 9（a）
表2

図8

バックパック型レーザクリアの開発内容（a）狭あい部の施工例

図9

バックパック型レーザクリア試作品の外観（b）モックアップ試験体

バックパック型レーザクリアの橋梁塗装剥離への適用検討例—

44—

た。合わせて、レーザ出力などのパラメータ選定を本体部から手元で操作できるように変更するな
ど、現場における作業性を考慮した設計とした。
現在、IHI グループでは、橋梁の狭あい部の塗装剥離への本機の適用を目指し、図 9（b）に示すモックアップ試験体を用意し、試験を進めている。
4.2 大出力型レーザクリーニング装置の開発
可搬性よりも除去効率の高い洗浄処理が求められる適用箇所に対する解決方法としてレーザ出力を増加させる方法が考えられる。当社では、各種のレーザ発振器を用い、高出力レーザを発生させ

図 11

大出力型レーザクリーニング装置の検討例ることにより、除去効率を増加させる試験を実施した。その結果を図 10 に示す。この結果と必要

クリアシリーズは図 12 に示すようなガルバノスな除去効率などの要求仕様から、レーザ発振器、キャナによりレーザ照射位置をスキャンニングし冷却システムなどを総合的に選定し、提案可能なてクリーニングを行っている。この方法の場合、体制を整えている。図 11 は、レーザ出力 500W

図 12 に示したレーザ照射端部において、図 13のレーザ発振器を使用した場合のレーザクリーニに示すように除去性能が不均一になる場合があング装置の検討例である。

る。このような不均一性の問題を解決するため、レーザ照射端部におけるレーザ出力を制御する方4.3 レーザ照射端部の除去性能の均一化法を使用したレーザ照射端部処理機構を開発しレーザクリーニング技術において、洗浄範囲をた。この結果、図 14 に示すように、レーザ照射面とするためにはいくつかの方法がある。レーザ端部においても均一に表面層を除去することが可

図 10

レーザ出力増加による除去能率の向上—

45—

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能になった。本技術は、わずかな母材の除去量や5. おわりに母材組織の変化が問題になる適用対象に対して不当社では、レーザクリーニング装置「レーザク可欠な技術である。

リアシリーズ」として各種の研究開発を行っており、本稿では以下の内容について紹介した。
（1）現在、販売中の「レーザクリア 50」の仕様とその適用例として溶接焼けの除去、塗装剥離、錆の除去、アルミの酸化被膜除去を紹介した。
（2）当社で実施しているレーザクリーニング技術の評価方法の一例として、アルミの酸化被膜除去の場合の断面観察や EPMA の結果を紹介した。
（3） 大 幅 に 軽 量 化・ 小 型 化 を 達 成 し た 試 作 機

図 12 ガルバノスキャナによるレーザクリーニング

図 13

レーザ照射端部において除去能力が不均一になる例（a）端部処理なし

図 14（b）端部処理あり

レーザ照射端部処理機構による除去性能の均一化—

46—

「バックパック型レーザクリア」の仕様とその外参考文献

観、および本機の橋梁塗装剥離への適用例を紹介した。

（1） 三瓶和久、社本英泰、本村孔作：レーザクリー（4）除去効率を向上させるために、大出力レーニング技術とシングルモードファイバーレー

ザを用いた場合の除去効率増加例を示した。それ

ザ加工例の紹介、レーザ加工学会誌、Vol.17、と同時に、大出力型レーザクリアの装置外観の検No.4、2010、pp.164-170

討例を紹介した。

（2） 大脇桂：レーザクリーニング装置の適用：レー（5）レーザ照射端部処理機構を用いることによザクリア紹介、溶接技術、第 62 巻、第 11 号、り、より表面層除去性能の均一化と母材の損傷低2014/11、pp.61-66減が可能になった。

（3） 大脇桂：レーザクリーニング装置「レーザクレーザクリーニング技術には、現在開発中の技

リア 20」、IIC REVIEW、No.52、2014/10、pp.88-

術を製品へ適用するだけではなく、自動化への適90用や、特殊環境への対応、安全性の向上など、幅（4） 金属のドライクリーニング：IHI 技報、第 54

広いニーズがあり、今後もこれらに対応した技術

巻、第 3 号、2014、pp.40-41開発を行っていく。

（5） レーザー光線による障害防止対策要綱：厚生労働省 労働基準情報、基発第 0325002 号 別紙、2005 年 3 月 25 日

機器装置事業部
レーザ技術グループ次長

機器装置事業部
レーザ技術グループ課長

大脇川口桂

勲

TEL. 045-759-2120
FAX. 045-759-2534

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聡美

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