サンドブラストや化学塗装剥離などの従来の塗装除去方法は多くの環境汚染を引き起こすため、レーザー洗浄および塗装除去の用途が近年大きな注目を集めています。緑色のペイント除去ソリューションを活用する時期が来ています。パルス幅、エネルギー密度、繰り返し率、ビームサイズなどのパラメータを適切に制御することにより、レーザーを使用して高品質の作業を実行し、コーティングを除去することができます [参考 1] レーザーによるペイント除去の利点は次のように要約できます。
● 消耗品の削減
●二次廃棄物が少ない
● 制御されたレーザーパラメータにより基板への機械的損傷なし
●表面粗さの低減により密着性が向上しました。
● 従来の方法よりも高速
● 従来の方法よりも効率的
レーザークリーニングを行うには 2 つの方法があります。 1 つ目はレーザー アブレーションです。高エネルギー パルスまたは強力な連続波ビームがコーティング内にプラズマを生成し、プラズマによって生成された衝撃波がコーティングを粒子に吹き飛ばします。 2 つ目は熱分解です。低エネルギーの連続波ビームまたは長いパルスによって表面が加熱され、最終的にコーティングが蒸発する可能性があります。これら 2 つのメカニズムを図 1 と 2 に示します。
図 1 レーザーアブレーションの手順
図 2 熱分解ステップ
どのようなメカニズムであっても、制御されていないレーザーパラメータは基板に損傷を与え、問題を引き起こす可能性があります。レーザー洗浄には連続レーザーとパルスレーザーの両方を使用できますが、これらのレーザーがさまざまな基板に与えるさまざまな効果を理解することが重要です。基板による連続レーザーの吸収はその波長に依存し、一般に波長が短いほど吸収が大きくなります。一方、古典的なパルスレーザーの場合、式 1 に示すように、基板への侵入深さ LT は波長には依存せず、代わりにレーザーのパルス幅 τp と基板の拡散率 D に依存します。
古典的なパルスレーザーの場合、パルス幅が増加するとアブレーション閾値が増加します。アブレーション閾値は、次の方程式に従って、材料の単位体積を除去するのに必要な最小エネルギーとして定義されます。
ここで、ρ は密度、Hv は蒸発熱 (材料の単位質量を蒸発させるのに必要な熱量、単位はグラムあたりのジュール) です。したがって、パルスが長くなるとアブレーション効率が低下します。古典的なパルスレーザーはパルス繰り返し率にも依存し、繰り返し率が増加するにつれてアブレーション効率も増加します。
1.07 μm ファイバーレーザーを使用したレーザーの CW およびパルス動作を調査する研究が実施されました [参考文献 2]。この研究では、同じ連続レーザーをオンまたはオフにして、幅の長いパルスを生成しました。この研究では、CW モードでは、スキャン速度とレーザー出力が増加すると、比エネルギー (ジュール単位で材料の単位体積 (mm3) を除去するのに必要なエネルギーとして定義され、アブレーション効率に反比例する) が減少することがわかりました。パルスモードの場合、アブレーション効率はデューティサイクル（2つのパルス間の時間間隔に対するパルス幅の比）に依存することが判明しました。デューティサイクルを増加させると、アブレーション効率が増加しました。これは、固定反復率でパルス幅 (したがってデューティ サイクル) を増加させるとアブレーション効率が低下する古典的なパルス レーザーとは対照的です。図 3 は、ステンレス鋼基板上の 1 kHz CW レーザーとパルスレーザー (つまり、CW レーザーのオンとオフ) の比エネルギー対パワーおよびスキャン速度を比較しています。
図 3: 左側のプロットは、CW レーザーの固有エネルギーとレーザー出力の関係を示し、右側のプロットは、1 kHz パルスの固有エネルギーとレーザーのデューティ サイクルを示しています。
パルスレーザー（つまり、オンとオフを切り替えるCWレーザー）のピークパワーは1800 Wで、その平均パワーはCWレーザーとほぼ同じですが、グラフからわかるように、比エネルギーはほぼ2です。倍低い。パルスモードとCWモードの比較。 CW モードは、レーザーパワーが常にピークにあるため、パルスモードと比較して損失が多いように見えます。
ただし、レーザー洗浄にパルスレーザー (つまり、オンとオフを切り替える連続波) と連続波レーザーのどちらを使用するかを決定する際に考慮すべき点は、レーザーの動作モードだけではありません。スキャン モードも考慮すべき重要な考慮事項です。レーザービームとコーティング間の相互作用時間が短いことが重要であり、その結果、
熱によるダメージは最小限に抑えられます。これは、ピーク強度の高い短パルスを使用するか、連続レーザーと高速スキャン速度を使用することによって実現できます。
一般に、連続レーザー出力はパルスレーザーよりも強力で、安価で、耐久性が高いことを考慮すると、レーザークリーニングには悪い選択ではありません。残念ながら、従来レーザークリーニングに使用されてきた検流計スキャナーは、数キロワットのレーザーを処理できません。高出力レーザーに使用されるガルバノスキャナも非常に重いため、高速スキャン速度で動作させることができません。そこで、ポリゴンという可動部分を 1 つだけ持つ、ポリゴン スキャナと呼ばれる新しいタイプのスキャナが提案されています [参照 3]。これらのポリゴン スキャナは、より高いレーザー出力を処理でき、検流計スキャナよりも 3 倍高速であることが実証されています。ポリゴン スキャナは、適度な回転速度を使用して、毎秒 50 メートルを超える表面スキャン速度を実現できます。この高い走査速度により、ビームと作業面との相互作用時間が短くなり、非常に高いレーザー出力を使用できるようになります。フィガイゴンスキャナー。
要約すると、レーザー洗浄に CW レーザーまたはパルスレーザー (つまり、オン/オフが切り替えられる CW または従来の短パルスレーザー) を使用する選択は、基材の種類、コーティングの吸収率、およびコーティングの吸収率などのいくつかの要因によって決まります。レーザーの費用。ポリゴン スキャナと連続レーザーを組み合わせると高速なスキャン速度が得られ、従来のパルス レーザーが利用できない場合に検討すべき有望なオプションとなります。
