JP7686190B2 - 表面処理方法、及び、構造物 - Google Patents

Description

本発明は、保護層が形成された金属材料の表面処理方法、及び、保護層が形成された金属材料を有する構造物に関する。

例えば、携帯電話等の無線通信網の地上設備として設けられる鉄塔等の構造体には、錆や腐食等の劣化を防止するため、表面部に例えば溶融亜鉛めっきによる保護層が形成された鋼などの鉄系材料が用いられる。
溶融亜鉛めっきは、高温で溶融させた亜鉛浴中に鋼材を浸し、表面に亜鉛皮膜を形成する技術である。
溶融亜鉛めっきにより形成した、主に亜鉛からなる保護層は、空気や水が鋼に接触することを防いで錆の発生を抑制する保護被膜作用、及び、亜鉛めっきに傷などが発生し、母材素地が露出した場合であっても、周囲の亜鉛が母材よりも先に溶け出して電気化学的に保護するため、鉄の腐食を抑制する犠牲防食作用を発揮する。

溶融亜鉛めっきで保護層を形成した鋼製構造物において、保護層の表面に例えば塩分などが付着すると、亜鉛酸化物を主成分とするいわゆる白錆等の劣化部が発生する場合がある。
さらに、保護層に腐食や傷などのダメージがある状況においては、母材である鋼の腐食により、いわゆる赤錆が発生することもある。
溶融亜鉛めっきによる保護層が形成された鋼製構造物のメインテナンスに関する従来技術として、例えば、特許文献１には、ディスクサンダー等の動力工具や、スクレーパ、ハンマ等の手工具とを併用し、劣化塗膜を除去して鉄鋼材料の表面をケレン処理し、清浄にした後、リン酸、ケイ素化合物、アルコール系溶剤とを含有した下地被膜処理液を用いて下地用の防錆被膜を形成し、その乾燥後に錆転換型の防錆塗料等を塗装することが記載されている。
また、鋼製構造物等のケレン処理に関する従来技術として、例えば、特許文献２には、レーザ光を照射対象物に照射する照射ヘッドに、レーザ光を所定の偏角だけ偏向させるウェッジプリズムを設け、このウェッジプリズムを回転させながらレーザ光を照射することによって、照射箇所が照射対象物の表面を旋回しながら走査し、照射対象物の表面に付着した旧塗膜や異物等が除去（クリーニング）されることが記載されている。

特開２００４－１４８１６３号公報 特許第５５７４３５４号

本発明の課題は、劣化部の除去処理を行った後の残存する保護層により母材保護性能を高めた表面処理方法及び構造物を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
本発明の第一は、保護層が形成された金属材料の表面処理方法であって、保護層の表面にレーザ光を照射しかつ照射箇所を前記表面に沿って移動させながら前記表面を走査し、前記保護層の前記金属材料側の層が残存した状態で、前記保護層の前記金属材料側とは反対側の層を前記レーザ光の照射によって除去することを特徴とする表面処理方法である。
これによれば、保護層を部分的にレーザ光の照射で除去し、部分的に金属材料側に残存させることによって、保護層の一部を金属材料側に処理前と同様の接合状態で残すことが可能となる。このため、劣化部の除去処理を行った後であっても、残存する保護層により母材保護性能を高めることができる。
なお、本発明において、保護層の金属材料側の層は、例えば、照射前に保護層が形成されていた領域の実質的に全面にわたって残存することが好ましいが、例えばレーザ光の照射によって保護層が除去され、金属材料が露出する箇所が一部に形成された場合であっても、それ以外の領域において母材保護性能を高めることができる。
このような保護層の一部を金属材料側に残存させることが可能なレーザ光の照射処理は、レーザ光が処理対象物に与えるエネルギ密度や、照射時間を、白錆等の劣化部の付着量や保護層の膜厚に応じて適切に設定することにより実現することができる。
また、工具が直接アクセス可能であることを前提とする機械的なケレン処理に対して、レーザ光の照射は比較的遠隔から行うことが可能であり、例えば凹部やボルトナット類の周辺部など、狭隘部における劣化部の除去処理を容易かつ確実に行うことができる。
さらに、表面にはレーザ光の照射による照射痕によって周期的な凹凸が形成され、表面粗度が粗くなることから、施工後の表面に再塗装を行う場合における塗膜の接合強度を確保することができる。
なお、本発明において処理の対象となる金属材料は、保護層が全面にわたって形成されていたものに限らず、例えば一部の領域で保護層が腐食、摩耗などによって失われているものや、保護層がもともと形成されていなかったものも含む。この場合であっても、保護層が形成された領域において、本発明を実施することが可能であり、当該領域について本発明の効果を得ることができる。

本発明の第二は、本発明の第一において、前記照射箇所が前記表面において所定のパターンに沿って周期的に移動する状態で前記走査を行うことを特徴とする表面処理方法である。
例えば、照射箇所が処理対象物の表面に沿って円弧状に旋回しながら走査する構成とすることができる。
これによれば、パターンのサイズ（例えば、円弧状の旋回照射における旋回円径）や照射箇所（ビームスポット）の移動周期（例えば、旋回照射における回転速度）により、処理対象物の表面の一点に着目した場合に、照射時間、照射周期を適切に制御することにより、施工品質を確保することができる。
また、所定のパターンに沿って走査を行うことにより、単位時間あたりの処理面積を拡大し、施工の高速化を図ることができる。

本発明の第三は、本発明の第一又は第二において、前記金属材料は鉄系金属であって、前記保護層は亜鉛を主成分とする被膜であることを特徴とする表面処理方法である。
これによれば、亜鉛からなる保護層と母材である鉄系金属との間での犠牲防食効果を維持した状態で劣化部の除去処理を行うことが可能であり、上述した効果を得ることができる。
このような被膜は、例えば、溶融亜鉛めっきによって形成することが可能である。溶融亜鉛めっきとした場合、主に鉄系金属からなる層と主に亜鉛からなる層との間に、鉄、亜鉛がそれぞれ濃度勾配を有する合金層が形成されるため、保護層の金属材料への接合強度が高い。本発明においては、保護層の一部をレーザ光の照射で除去した場合であっても、合金層は残存するため、表面処理後にも防食効果を維持することができる。

本発明の第四は、本発明の第一、第二又は第三において、前記表面に前記レーザ光を照射した後、前記表面を水を主成分とする液体により洗浄することを特徴とする表面処理方法である。
これによれば、レーザ照射による入熱が比較的少ない場合であっても、表面に残存した塩分を低減することができる。
このため、レーザ照射に要する電力等のエネルギや施工時間を抑制しつつ、残存塩分量が少ない良好な施工品質を得ることができる。
このような液体として、例えば、純水、水道水、地下水、川水などのほか、例えば界面活性剤を含む塩害腐食防止剤などを添加したものを用いることができる。

本発明の第五は、本発明の第一～四において、前記照射又は前記洗浄後における前記表面に付着した塩分量が５０ｍｇ／ｍ^２以下であることを特徴とする表面処理方法である。
これによれば、施工後における防食性などの耐久性を確保することができる。

本発明の第六は、金属材料の表面に保護層が形成された構造物であって、前記保護層の表面に、レーザ光による照射箇所が前記表面を走査した照射痕が形成されていることを特徴とする構造物である。
本発明の第七は、本発明の第六において、前記照射痕は、前記表面において前記照射箇所が周期的に移動した跡に沿って形成されることを特徴とする構造物である。
本発明の第八は、本発明の第六又は第七において、前記金属材料は鉄系金属であって、前記保護層は亜鉛を主成分とする被膜であることを特徴とする構造物である。
本発明の第九は、本発明の第六、第七又は第八において、前記表面に付着した塩分量が５０ｍｇ／ｍ^２以下であることを特徴とする構造物である。
これらの構造物に係る各発明においても、上述した表面処理方法に係る発明の効果と同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、劣化部の除去処理を行った後の残存する保護層により母材保護性能を高めた表面処理方法及び構造物を提供することができる。

本発明を適用した表面処理方法の実施形態において用いられる照射ヘッドの断面図である。 実施形態におけるビームスポットの軌跡の一例を示す図である。 従来技術に係る動力工具による表面処理方法の前後における処理対象物の表面の模式的断面を時系列で示す図である。 実施形態の表面処理方法の前後における処理対象物の表面の模式的断面図を時系列で示す図である。 本発明の実施例１、実施例２、及び、比較例における表面処理後の外観の写真である。

以下、本発明を適用した表面処理方法及び構造物の実施形態について説明する。
実施形態の表面処理方法は、例えば、鋼などの鉄系金属からなる母材に溶融亜鉛めっきによって保護層を形成した鉄塔（一例として、携帯電話等の無線通信網における地上設備として設けられる鉄塔）などの構造物において、亜鉛酸化物等のいわゆる白錆などの劣化部や、海水等に由来して付着した塩分等を除去するものである。
また、実施形態の構造物は、例えば、このような鉄塔などである。

実施形態の表面処理方法は、保護層の母材側の層が残存するように、保護層の表面に形成された亜鉛酸化物（いわゆる白錆）などの劣化層を、保護層の表層部の一部とともに、レーザ光を照射することで除去した後、水洗処理により塩分を低減したものである。
以下、構造物における表面処理の対象となる箇所を、処理対象物Ｏと称して説明する。
レーザ光の照射処理は、処理対象物Ｏの表面で照射箇所（ビームスポットＢＳ）を、例えば直径１０ｍｍ程度、あるいは、それ以上の比較的大径の円弧に沿って旋回させて走査し、処理対象物Ｏの表面部を構成する亜鉛酸化物（白錆）等の劣化層、塩分や汚れ等の付着物、保護層の表層部の一部を除去するものである。
また、処理対象物Ｏに塗装が施されている場合には、剥離対象となる旧塗膜も除去対象の付着物となる。
図１は、第１実施形態のレーザ照射装置における照射ヘッドの断面図である。

照射ヘッド１は、図示しないファイバを介し、図示しないレーザ発振器から伝達される連続波（ＣＷ）のレーザビームＬを、処理対象物Ｏに照射するものである。
照射ヘッド１は、例えば、作業者が手持ちして所定の照射パスをトレースするよう作業を行うことが可能なハンディタイプのものであるが、所定のパスに沿って照射ヘッド１を移動可能なロボットに取り付けて用いることも可能である。
また、照射ヘッド１を固定した状態で、処理対象物Ｏを照射ヘッドに対して相対変位させるようにしてもよい。

照射ヘッド１は、フォーカスレンズ１０、ウェッジプリズム２０、保護ガラス３０、回転筒４０、モータ５０、モータホルダ６０、保護ガラスホルダ７０、ハウジング８０、ダクト９０等を備えている。

フォーカスレンズ１０は、レーザ発振器からファイバを経由して照射ヘッド１に伝達されたレーザビームＬが、図示しないコリメートレンズを通過した後に入射される光学素子である。
コリメートレンズは、ファイバの端部から出射されたレーザ光を、実質的に平行なビームにする（コリメートする）光学素子である。
フォーカスレンズ１０は、コリメートレンズが出射するレーザビームＬを、所定の焦点位置において集光（合焦）させる光学素子である。
フォーカスレンズ１０として、例えば、正のパワーを有する凸レンズを用いることができる。

なお、レーザビームＬによる処理対象物Ｏの表面における照射箇所であるビームスポットＢＳは、この焦点位置と一致あるいは焦点深度内に含まれる近接状態において（フォーカス状態）、あるいは、焦点位置から離間して（デフォーカス状態）配置される。
焦点深度とは、ビーム径が所定の許容錯乱円の径以下となる光軸方向の範囲を意味する。

ウェッジプリズム２０は、フォーカスレンズ１０が出射するレーザビームＬを、所定の偏角θ（図１参照）だけ偏向させ、入射側と出射側の光軸角度を異ならせる光学素子である。
ウェッジプリズム２０は、入射側の光軸方向と直交する方向における一方の厚さが他方の厚さに対して大きくなるように、連続的に厚さが変化する板状に形成されている。
保護ガラス３０は、ウェッジプリズム２０に対して光軸方向に沿って焦点位置側（処理対象物Ｏ側、ビームスポットＢＳ側）に隣接して配置された平板ガラス等からなる光学素子である。

保護ガラス３０は、処理対象物Ｏ側から飛散する剥離物、粉塵等の異物が、ウェッジプリズム２０等の他の光学素子に付着することを防止する保護部材である。
保護ガラス３０は、照射ヘッド１が有する光学系のうち、光軸方向に沿って最も焦点位置側に配置された光学素子であり、後述する空間部Ａやダクト９０の内部を介して、処理対象物Ｏ側に露出することになる。
フォーカスレンズ１０、ウェッジプリズム２０、保護ガラス３０は、例えば光学ガラス等の透明な材料からなる部材の表面に、反射防止や表面保護等を目的としたコーティングを施して構成されている。

回転筒４０は、内径側にフォーカスレンズ１０及びウェッジプリズム２０を保持する円筒状の部材である。
回転筒４０は、フォーカスレンズ１０の光軸、及び、フォーカスレンズ１０に入射するレーザビームＬの光軸（コリメートレンズの光軸）と同心に形成されている。
回転筒４０は、図示しないベアリングにより、ハウジング８０に対して、フォーカスレンズ１０の光軸と一致する回転中心軸回りに回転可能に指示されている。
回転筒４０は、例えばアルミニウム系合金等の金属や、エンジニアリングプラスチック等により形成されている。

モータ５０は、回転筒４０をハウジング８０に対して回転中心軸回りに回転駆動する電動アクチュエータである。
モータ５０は、例えば、回転筒４０と同心に構成され、回転筒４０の外径側に設けられた円環型モータとして構成される。
モータ５０の図示しないステータは、後述するモータホルダ６０を介してハウジング８０に固定されている。
モータ５０の図示しないロータは、回転筒４０に固定されている。
モータ５０は、図示しないモータ駆動装置によって、回転筒４０の回転速度が所望の目標回転速度と実質的に一致するように制御される。

回転筒４０の回転中心軸が処理対象物Ｏの照射箇所付近の表面と直交するよう照射ヘッド１の姿勢を維持し、モータ５０が回転筒４０とともにウェッジプリズム２０を回転させることにより、ビームスポットＢＳは、処理対象物Ｏの表面に沿って、回転筒４０の回転中心軸回りに円弧状に旋回走査することになる。
この状態で照射ヘッド１を処理対象物Ｏの表面に沿って並進移動させると、ビームスポットＢＳは、円状（円弧状）に旋回しつつ処理対象物Ｏの表面を走査することになる。
これにより、処理対象物Ｏ上の任意の点に着目した場合には、短時間のみレーザビームＬが間欠的に入射し、短時間のうちに急速加熱、急速冷却が順次行われる。
このとき、処理対象物Ｏの表面部は、破砕されて飛散する。

モータホルダ６０は、ハウジング８０の内部において、モータ５０のステータを所定の位置に保持する支持部材である。
モータホルダ６０の本体部は、円筒状に形成され、ハウジング８０の内径側に挿入された状態でハウジング８０に固定されている。
モータホルダ６０の内周面は、モータ５０の外周面と対向して配置され、モータ５０のステータに固定されている。

モータホルダ６０の外周面と内周面との間隔の一部には、パージガスＰＧが通流されるパージガス流路６１が形成されている。
パージガスＰＧは、照射ヘッド１の使用時（照射時）に、後述するダクト９０の内筒９１の内部における保護ガラス３０の処理対象物Ｏ側の面部が接する空間部Ａから、処理対象物Ｏ側へ噴出される気体である。保護ガラス３０の処理対象物Ｏ側の面部は、この空間部Ａの内部に露出して配置されている。
パージガスＰＧは、処理対象物Ｏ側から飛散する塵埃や異物等のデブリが、ハウジング８０の内部に飛来して保護ガラス３０に付着することを防止する機能を有する。

パージガス流路６１は、モータホルダ６０の一部を、モータ５０の軸方向に貫通して形成された開口である。
パージガス流路６１から出たパージガスＰＧは、ハウジング８０内に設けられた流路を経由して、ダクト９０の内筒９１の内径側に導入される。

保護ガラスホルダ７０は、保護ガラス３０を保持した状態でハウジング８０の内径側に固定される部材である。
保護ガラスホルダ７０は、例えば、中央部に円形の開口が形成された円盤状に形成されている。
レーザビームＬは、開口を介してウェッジプリズム２０側から処理対象物Ｏ側へ通過する。
保護ガラスホルダ７０の処理対象物Ｏ側の面部には、保護ガラス３０がはめ込まれる凹部が形成されている。
保護ガラス３０は、この凹部にはめ込まれた状態で、ハウジング８０の内部において保持されている。

保護ガラス３０は、汚染や焼損が発生した場合には交換が可能なよう、保護ガラスホルダ７０に着脱可能に取り付けられている。
保護ガラスホルダ７０の処理対象物Ｏ側とは反対側の面部は、モータホルダ６０の処理対象物Ｏ側の端面と間隔を隔てて対向して配置されている。
この間隔は、モータホルダ６０のパージガス流路６１から導入されるパージガスＰＧを保護ガラス３０の処理対象物Ｏ側の空間部Ａに導入する流路の一部（流体供給部の一部）を構成する。

ハウジング８０は、照射ヘッド１の本体部の筐体を構成する円筒状の部材である。
ハウジング８０の内部には、上述したフォーカスレンズ１０、ウェッジプリズム２０、保護ガラス３０、回転筒４０、モータ５０、モータホルダ６０、保護ガラスホルダ７０等のほか、図示しないファイバの照射ヘッド１側の端部や、コリメートレンズ等が収容されている。

ダクト９０は、ハウジング８０の処理対象物Ｏ側の端部から突出して設けられた二重筒状の部材である。
ダクト９０は、内筒９１、外筒９２、集塵装置接続筒９３等を有する。
上述したモータホルダ６０、保護ガラスホルダ７０、ハウジング８０は、例えばアルミニウム系合金等の金属や、エンジニアリングプラスチック等により形成されている。

内筒９１は、円筒状に形成されている。
レーザビームＬは、内筒９１の内径側を通過して処理対象物Ｏ側に出射される。
内筒９１のハウジング８０側の端部には、他部に対して段状に小径に形成された小径部９１ａが形成されている。
小径部９１ａの内部の空間部Ａには、ハウジング８０の内部から、パージガスＰＧが導入される。

内筒９１の処理対象物Ｏ側の端部には、処理対象物Ｏ側が小径となるように先窄みとなったテーパ部９１ｂが形成されている。
テーパ部９１ｂは、レーザビームＬの通過を許容しつつ、パージガスＰＧの気流を絞って流速を増加させる機能を有する。

外筒９２は、内筒９１と同心に配置された円筒状の部材であって、内筒９１の外径側に設けられている。
外筒９２の内周面と外筒９１の外周面との間には、全周にわたって連続した隙間が形成されている。
外筒９２のハウジング８０側の端部には、他部に対して段状に小径に形成された小径部９２ａが形成されている。
小径部９２ａは、ハウジング８０の処理対象物Ｏ側の端部に嵌め込まれた状態で固定される。
外筒９２の処理対象物Ｏ側の端部９２ｂの縁は、回転筒４０の回転中心軸を水平として照射する際の通常使用時における上方が下方に対してハウジング８０側となるように、回転筒４０の回転中心軸に対して傾斜して形成されている。

集塵装置接続筒９３は、外筒９２から外径側に突出し、外筒９２の処理対象物Ｏ側の端部近傍において、外筒９２の内径側と連通した状態で接続された円筒状の筒体である。
集塵装置接続筒９３は、上述した通常使用時における外筒９２の下方に設けられている。
集塵装置接続筒９３は、処理対象物Ｏ側からハウジング８０側に近づくとともに、外筒９２から離間するように、外筒９２に対して傾斜して配置されている。
集塵装置接続筒９３の他方の端部は、図示しない集塵装置に接続され、内部が負圧となるように真空吸引されるようになっている。

実施形態においては、レーザビームＬを出射しながら、回転筒４０及びウェッジプリズム２０を回転させることにより、ビームスポットＢＳが処理対象物Ｏの表面に沿って所定の半径の円弧上に旋回する。
この状態で、照射ヘッド１を処理対象物Ｏの表面に沿って相対的に並進移動させることにより、走査パターン（第１実施形態の場合には円旋回）が所定の送り速度で表面上を移動する状態で、処理対象物Ｏの表面をビームスポットＢＳが走査する処理を行うことが可能である。
ビームスポットＢＳが通過する際に、処理対象物Ｏの表面は、瞬時に昇温しその後冷却されるスパイク状の熱履歴が与えられ、表層部における一部は、白錆等の劣化物とともに破砕あるいは溶融して周囲に飛散し、除去される。

図２は、実施形態におけるビームスポットＢＳの軌跡の一例を示す図である。
図２に示すように、ビームスポットＢＳは、ウェッジプリズム２０の回転に応じて回転するとともに、照射ヘッド１の処理対象物Ｏに対する送り方向に移動する。
その結果、ウェッジプリズム２０が一周（３６０°）回転したときに、従前に照射した経路Ｐ０（ビームスポットの軌跡）と今回照射する経路Ｐ１には、オフセットが生ずる。
そこで、本明細書、特許請求の範囲等においては、直前に照射した経路Ｐ０と最新の経路Ｐ１とが重複する幅ｗのビームスポットＢＳの直径ｄに対する比（ｗ／ｄ×１００（％））をラップ率として定義する。

ラップ率とは、ビームスポットＢＳが走査パターンにおける所定の箇所を繰り返し通過する際に、表面でビームスポットＢＳの通過経路が直前の照射におけるビームスポットＢＳの通過経路と重複する割合を示す値である。
ここで、本実施形態のように走査パターンが円旋回である場合は、幅ｗは、ウェッジプリズム２０が３６０°回転する期間（一周期中）の走査量（照射ヘッドの送り量）と定義することも可能である。
すなわち、ラップ率は、走査パターンの一周期における走査パターンの送り速度に対するビームスポットの直径の比であると定義することが可能であり、例えば図２における円旋回軌跡の左右の領域においては、この定義によるラップ率は上述した定義によるラップ率と実質的に一致する。

以下、本実施形態の表面処理方法の比較例、及び、実施例１、実施例２について説明する。
実施例１，２、比較例において、海水の飛散に起因する塩害などにより、白錆の発生などの劣化部が発生した鉄塔の部材を処理対象物Ｏとした。
処理対象物Ｏは、溶融亜鉛めっきにより保護層が形成された鋼材である。
なお、このような構造物においては、新造時の保護層の厚さや、その後の使用条件などに起因して、既に母材の鋼材が部分的に露出している場合もあり得るが、以下の説明においては、既存の溶融亜鉛めっき層を残存させることが有効であると考えられる、例えば４００μｍ以上の膜厚を有する箇所を供試材料としている。
主に亜鉛からなる保護層は、亜鉛と鋼との間に形成される合金層を介して接合されている。
＜比較例＞
比較例においては、動力工具であるカップワイヤによって、白錆及び溶融亜鉛めっきによる保護層を、機械的な入力によって削り落とすいわゆるケレン処理を行った。
比較例において、ケレン前の保護層の膜厚が４１２μｍであるのに対し、ケレン後の膜厚は２４５μｍであり、膜厚が１６７μｍ減少している。
ケレン後の表面粗度（凸部の突端からの凹部の底部の深さ）は２０．９μｍであり、目視による評価結果では、白錆の残存が確認された。

なお、動力工具によるケレンにおいては、処理対象物Ｏに対する工具の接触状態などにより、除去対象物の除去量にばらつきが生じることが多く、保護層が局所的に完全に除去されて鋼材が露出した場合には、例えばジンクリッチペイントなどによる防錆処理が別途必要になる。しかし、この場合に有機バインダで亜鉛を保持して形成される保護層は、溶融亜鉛めっきにより形成されるものと異なり、合金層を介して接合されたものではないため、防食、防錆性能としては溶融亜鉛めっきによる保護層よりも劣る。
また、処理対象物Ｏの表面におけるケレン前の塩分量は８８３．９ｍｇ／ｍ^２であり、ケレン後の塩分量は１４６．３ｍｇ／ｍ^２であった。
なお、塩分量の測定は、例えばＪＩＳ Ｚ０３１３に準拠し、公知の表面塩分計を用いて行うことができる。
また、比較例において、その後水洗いを行った場合には塩分量の低減が確認できたが、水洗い後の塩分量は５１．４ｍｇ／ｍ^２であり、今後鉄塔などの構造物を例えば１０乃至２０年程度継続使用する際の防食性を考慮すると、塩分量はより低減することが求められる。

＜実施例１＞
実施例１においては、以下の照射条件において、レーザビームＬを２パス（旋回円が２回通過する）照射した。
レーザビームＬの照射条件は、保護層の鋼材側とは反対側の層を白錆等の劣化部とともに除去可能であるとともに、保護層の鋼材側の層（及び、保護層と鋼材との間に形成される合金層が形成される場合には当該合金層）が、当該保護層（及び合金層が形成される場合には当該合金層）の形成された鋼材の表面を覆った状態で残存するよう設定される。
例えば、レーザビームＬの照射条件は、保護層及び合金層が、少なくとも処理対象物Ｏの広範囲（典型的には実質的に全面）にわたって除去されてしまい、鋼材が露出することがないよう設定される。なお、合金層も、保護層と同様に、母材である鋼材を保護する層として機能する。
レーザビームＬは、上述したラップ率が２０％となるように照射を行った。
実施例１において、照射前の保護層の膜厚が４５６μｍであるのに対し、２パス照射後の膜厚は１９７μｍであり、膜厚が２５９μｍ減少している。
ケレン後の表面粗度は６６．９μｍであり、目視による評価結果では、白錆が完全に除去され、全面にわたって光沢のある亜鉛が露出していた。また、母材である鋼材の露出は確認できなかった。

また、照射後の表面には、ビームスポットＢＳの旋回円に沿った円弧状の照射痕が確認された。このような照射痕は、例えば、施工後に再塗装が施された場合であっても、溶剤や化学的な剥離剤等により塗膜を剥離すれば確認することが可能である。
表面粗度が比較例に対して粗いのは、レーザビームＬの照射痕による影響が大きいと考えられるが、このことは処理後の表面に再塗装を施す場合には、塗膜との密着性の点で有利であると考えられる。
また、処理対象物Ｏの表面における照射前の塩分量は８８３．９ｍｇ／ｍ^２であり、２パス照射後の塩分量は１２．３ｍｇ／ｍ^２であった。実施例１においては、比較例に対して、除錆度及び残存塩分量が顕著に改善されている。

＜実施例２＞
実施例２においては、実施例１と同様の照射条件によるレーザビームＬの照射を１パスのみ行うとともに、照射後に水道水を用いた水洗いを行っている。
水洗いは、例えば、高圧洗浄機を用いて水道水を処理対象物Ｏに噴射することによって行っている。
実施例２において、照射前の保護層の膜厚が４９６μｍであるのに対し、１パス照射後の膜厚は２５３μｍであり、膜厚が２４３μｍ減少している。
ケレン後の表面粗度は４０．４μｍであり、目視による評価結果では、白錆が完全に除去され、全面にわたって光沢のある亜鉛が露出していた。また、母材である鋼材の露出は確認できなかった。

照射後の表面には、実施例１と同様に、ビームスポットＢＳの旋回円に沿った円弧状の照射痕が確認された。
また、処理対象物Ｏの表面における照射前の塩分量は８８３．９ｍｇ／ｍ^２であり、照射後の塩分量は６１．２ｍｇ／ｍ^２であった。
さらに、水洗いを行った後の塩分量は、１１．４ｍｇ／ｍ^２であった。
実施例２においては、実施例１に対して、除錆度及び残存塩分量がさらに改善されている。また、保護層の除去量も低減し、残存膜厚の減少を抑制することができる。
また、照射工程を１パスとすることで処理時間及び処理に要する電力等のエネルギを低減するとともに、水洗いを行うことにより、２パスの実施例１よりもさらに塩分量を低減することができる。

図３は、従来技術に係る動力工具による表面処理方法（比較例等）の前後における処理対象物の表面の模式的断面を時系列で示す図である。
図３（ａ）乃至図３（ｆ）は、同一箇所における処理対象物の表面部の模式的断面を、時系列で順次示したものである。（後述する図４において同じ）
図３（ａ）に示すように、処理対象物が新品である状態では、母材となる鋼材１１０の表面に、亜鉛を主成分とする保護層１２０が形成されている。
保護層１２０は、例えば４４０乃至４６０℃程度の溶融した液体亜鉛の中に鋼材１１０を浸漬する溶融亜鉛めっきにより形成されている。
保護層１２０は、溶融亜鉛浴と同様の組成を有するη層である。

鋼材１１０と保護層１２０との間には、溶融亜鉛めっき処理時に形成された合金層１３０が形成されている。
合金層１３０は、例えば、鉄含有量６％程度のζ層、鉄含有量７乃至１１％程度のδ１層などを有する、鉄濃度が濃度勾配を持って変化する亜鉛・鉄合金層である。
合金層１３０は、溶融亜鉛めっき処理を行う際に、鋼材１１０の表面が加熱されて原子の熱振動が激しくなり、鉄原子が鋼材１１０の表面から亜鉛層に拡散するとともに、亜鉛原子が鋼材１１０の内部に拡散することによって形成される。

処理対象物が、例えば通信施設用の鉄塔などの屋外に設置される構造物である場合、構造物の使用に伴い、図３（ｂ）に示すように、塩分を含む海水などの付着物１４０が保護層１２０の表面に付着する。
その後、付着物１４０により保護層１２０の一部が腐食することなどにより、保護層１２０の表面には、図３（ｃ）に示すように、白錆１５０が形成される。
白錆１５０は、保護層１２０の亜鉛が酸化されて生成された亜鉛酸化物を主成分とする。また、白錆１５０は、付着物１４０に由来する塩分を含有する。
白錆１５０は、保護層１２０の表面が水分で湿潤し、容易に乾燥しない環境にさらされた場合に発生しやすく、特に、塩分が付着すると発生が顕著となる。
白錆１５０を放置した場合、保護層１２０の腐食による膜厚低減が進行し、保護層１２０による鋼材１１０の防食効果が損なわれることが懸念される。

カップワイヤ等の動力工具を用いた表面処理では、例えば、図３（ｄ）に示すように、白錆１５０を完全に除去できず、白錆１５０の一部が保護層１２０の表面に残存する場合（上述した比較例に相当する）がある。
また、このような残存を防ぐため、過度に表面を研磨した場合、図３（ｅ）に示すように、保護層１２０の実質的に全部が剥離され、鉄分を含む合金層１３０が露出する場合がある。
このような場合に、図３（ｆ）に示すように、新たな塗装により下塗層１６０、上塗層１７０を形成した場合、腐食により下塗層１６０の密着性が損なわれ、下塗層１６０が下地から剥離する場合がある。
この場合、鋼材１１０の耐食性を十分に確保することは困難となる。

図４は、実施形態の表面処理方法の前後における処理対象物の表面の模式的断面図を時系列で示す図である。
図４（ａ）乃至図４（ｃ）は、上述した図３（ａ）乃至図３（ｃ）と同様である。
図４（ｄ）に示すレーザビームＬ照射時の状態では、白錆１５０の実質的に全部、及び、保護層１２０の鋼材１１０側とは反対側の一部の層が、レーザビームＬ照射時の入熱等によって、溶融、破砕されて除去される。
一方、保護層１２０における鋼材１１０及び合金層１３０側の一部の層は、これらに接合された状態で残存する。
残存した保護層１２０の表面には、ビームスポットＢＳの走査により形成された照射痕Ｔによる凹凸が形成される。
また、合金層１３０は、表面処理の前後を通じて維持されるため、鋼材１１０と保護層１２０との結合強度は、表面処理の前後にわたって実質的に同等に保たれる。
ただし、この時点では、保護層１２０の表面には、塩分が残存し、付着している場合がある。
そこで、実施形態（実施例２）においては、保護層１２０の表面を水洗いすることにより、塩分を低減している。
図４（ｅ）は、水洗後の状態を示している。
また、図４（ｆ）は、水洗後に下塗層１６０、上塗層１７０を順次塗装した後の状態を示している。

図４に示す実施形態においては、下塗層１６０の塗装前に、保護層１２０の表面上の少なくとも一部では、白錆１５０及び塩分の実質的に全部が除去されていることから、腐食による下塗層１６０の保護層１２０からの剥離を防止し、下塗層１６０の密着性、耐剥離性を向上することができる。
また、照射痕Ｔによる凹凸は、アンカー効果により下塗層１６０の保護層１２０への付着強度を高める効果を発揮することから、下塗層１６０の剥離はより確実に防止される。

図５は、本発明の実施例１、実施例２、及び、比較例における表面処理後の外観の写真である。
上段から順に、比較例、実施例１、実施例２を示している。
図５（ａ）に示す比較例においては、カップワイヤによるケレン処理で取り残した白錆が残存していることがわかる。このような状態は好ましくないが、一方でより大きな機械的力を与えてケレン処理を行った場合には、保護層１２０が合金層１３０とともに完全に剥離した領域が形成され、防食効果が著しく損なわれることが懸念される。
図５（ｂ）、図５（ｃ）に示す実施例１，２のように、レーザビームＬによる処理を行った場合には、ビームスポットＢＳが通過した経路に沿って、円弧状の照射痕が形成されていることが確認できる。
図５（ｂ）、図５（ｃ）においては、白錆１５０の残存は確認できず、亜鉛の金属地肌が実質的に全面にわたって露出していることが確認できる。

なお、本実施形態の表面処理方法を行う場合、処理後に例えば平均膜厚１μｍ程度であっても、照射対象物Ｏの表面に保護層１２０が残存していれば、犠牲防食による一定の防食効果を得ることができるが、好ましくは、例えば溶融亜鉛めっきに関するＪＩＳ Ｈ８６４１の１種Ａの規格に従い、２８μｍ以上の平均膜厚を有する構成としてもよい。
より好ましくは、厚さ５ｍｍ超の鋼材、鋼製品に要求されるＪＩＳ Ｈ８６４１の２種５０の規格に従い、６９μｍ以上の平均膜厚を有する構成としてもよい。
さらに、構造物が過酷な腐食環境下（海沿いなど）で使用される場合には、ＪＩＳ Ｈ８６４１の２種５５の規格に従い、７６μｍ以上の平均膜厚を有する構成としてもよい。

また、塩分量は、ＪＩＳ Ｚ０３１３に準拠した測定方法において、５０ｍｇ／ｍ^２以下であることが好ましい。
この値は、例えば、塩害腐食の影響を受ける鋼材の塗装前のケレン処理において許容される残留付着塩分量として一般的なものである。
塩分量を５０ｍｇ／ｍ^２以下とすることにより、構造物の使用時において実用上問題ない耐食性を確保できると考えられる。

なお、処理対象物Ｏにおいて、レーザビームＬの照射前に、一部の領域において保護層１２０が腐食、摩耗などによって失われ、白錆１５０を除去すると鋼材１１０が露出する場合もあり得るが、このような場合であっても、保護層１２０が照射前後を通じて残存している他の領域が存在する場合には、このような他の領域での鋼材１１０の耐食性を高める効果を得ることができる。
ただし、処理対象物Ｏが例えば鉄塔などの構造部材である場合には、レーザビームＬの照射前に保護層１２０が残っていない場合、断面欠損のおそれがあるため、部材交換が必要となる場合もある。
また、レーザビームＬの照射前に保護層１２０が存在していた領域においては、レーザビームＬの照射後に実質的に全域にわたって保護層１２０の鋼材１１０側の層が残存することが好ましいが、仮にレーザビームＬにより保護層１２０が除去され、鋼材１１０が露出した箇所が一部に存在する場合であっても、このような箇所を除く領域では、鋼材１１０が露出する場合に比して、鋼材１１０の耐食性を高める効果を得ることができる。

従来技術に係る表面処理方法において、例えば上述した特許文献１に記載された技術のように、ディスクサンダー等によって機械的に劣化塗膜等を除去する場合、既存の保護層への攻撃性が強いため、母材である鋼材等が露出することを前提としたプロセスとなる。
また、特許文献２に記載された技術は、溶融亜鉛めっきを前提としたものではないが、処理対象物表面の付着物を除去し、母材を露出させることを前提とした技術である。

これに対し、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）鋼材１１０側に保護層１２０が残存するように、保護層１２０の鋼材１１０とは反対側の層をレーザビームＬの照射で除去し、鋼材１１０側に残存させることによって、保護層１２０の一部を鋼材１１０側に、合金層１３０を介した処理前と同様の接合状態で残すことが可能となり、白錆１５０の除去処理を行った後であっても保護層１２０による鋼材１１０の耐食性能を確保することができる。
また、カップワイヤ等のツールが直接アクセス可能であることを前提とする機械的なケレン処理に対して、レーザビームＬの照射は、フォーカスレンズ１０の焦点距離の設定により、比較的遠隔から行うことが可能であり、例えば凹部やボルトナット類の周辺部など、狭隘部における白錆１５０の除去処理を容易かつ確実に行うことができる。
さらに、処理対象物Ｏの表面にはレーザビームＬの照射により照射痕Ｔが形成され、表面粗度が粗くなることから、施工後の表面に再塗装を行う場合における塗膜の接合強度を確保することができる。
特許文献１や特許文献２に記載された技術において、保護層が除去された後に、例えばジンクリッチペイント等を用いて有機バインダにより亜鉛を含有した保護層を新たに形成するような場合、構造体の新造時と対比して保護層と母材との接合強度の低下が懸念されるが、本実施形態において、保護層１２０が残存する領域については、このような懸念は考慮する必要がない。
（２）ビームスポットＢＳが円弧状に旋回しながら処理対象物Ｏの表面を走査する構成としたことにより、照射円径やウェッジプリズム２０の回転速度により、処理対象物Ｏの表面の一点に着目した場合に、照射時間、照射周期を適切に制御することが可能となり、施工品質を確保することができる。
また、このような旋回走査を行うことにより、単位時間あたりの処理面積を拡大し、施工の高速化を図ることができる。
（３）保護層１２０を溶融亜鉛めっきで形成することにより、亜鉛からなる保護層１２０と鋼材１１０の鉄系金属との間での犠牲防食効果を維持した状態で白錆１５０の除去処理を行うことが可能であり、上述した効果を得ることができる。
（４）レーザビームＬによる照射後に、処理対象物Ｏの表面を水道水で洗浄することにより、レーザ照射による入熱が比較的少ない場合であっても、表面に残存した塩分を低減することができる。
このため、レーザ照射に要する電力等のエネルギや施工時間を抑制しつつ、残存塩分量が少ない良好な施工品質を得ることができる。
（５）表面処理後における表面の残存塩分量を５０ｍｇ／ｍ^２以下としたことにより、施工後における防食性などの耐久性を確保することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）表面処理方法及び構造物の構成は、上述した実施形態に限定されず、適宜変更することができる。
例えば、実施形態におけるレーザ光の照射条件などは一例であって、処理対象物の状態に応じて適宜変更することができる。
（２）実施形態においては、処理対象物は一例として溶融亜鉛めっきにより保護層を形成した鋼材であったが、処理対象物の材質や製法はこれに限らず適宜変更することができる。
例えば、亜鉛を主成分とする保護層を、溶射など溶融めっき以外の製法により形成してもよい。また、例えばアルミニウム系など亜鉛以外を主成分とする保護層を形成してもよい。
（３）実施形態においては、回転するウェッジプリズムを利用して照射箇所（ビームスポット）が処理対象物の表面で円形に旋回するよう構成しているが、照射箇所をこれ以外のパターンに沿って周期的に移動（典型的には旋回）させるようにしてもよい。
例えば、レーザ光を偏向させてこのようなパターンを形成する手段として、ガルバノミラーやポリゴンミラーを用いてもよい。また、ウェッジプリズム、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等の光学素子を、複数組み合わせて用いる構成としてもよい。
（４）実施形態（実施例２）においては、レーザ照射後に水洗いを行っているが、水に限らず、水を主成分とする他の液体で洗浄する構成としてもよい。
例えば、界面活性剤などからなる塩害腐食防止剤や、他の物質の水溶液を用いて洗浄を行ってもよい。

１ 照射ヘッド １０ フォーカスレンズ
２０ ウェッジプリズム ３０ 保護ガラス
４０ 回転筒 ５０ モータ
６０ モータホルダ ６１ パージガス流路
７０ 保護ガラスホルダ ８０ ハウジング
９０ ダクト ９１ 内筒
９１ａ 小径部 ９１ｂ テーパ部
９２ 外筒 ９２ａ 小径部
９２ｂ 端部 ９３ 集塵装置接続筒
Ｌ レーザビーム ＢＳ ビームスポット
ＰＧ パージガス Ｏ 処理対象物
１１０ 鋼材 １２０ 保護層
１３０ 合金層 １４０ 付着物
１５０ 白錆 １６０ 下塗層
１７０ 上塗層 Ｔ 照射痕

Claims (8)

1. 亜鉛メッキからなる保護層が形成された鉄系金属材料の表面処理方法であって、
   前記保護層の表面にレーザ光を照射しかつ照射箇所を前記表面に沿って移動させながら前記表面を走査し、前記保護層の前記金属材料側の層が残存した状態で、前記保護層の前記金属材料側とは反対側の劣化部を含む層を、前記レーザ光の照射によって除去すること
   を特徴とする表面処理方法。
2. 前記鉄系金属材料と前記亜鉛メッキからなる保護層との間に鉄-亜鉛の合金層が形成されており、
   前記レーザ光を照射した後にも、前記保護層の一部を、前記鉄系金属材料と前記合金層を介した接合状態で残すことを特徴とする請求項１記載の表面処理方法。
3. 前記レーザ光が処理対象物に与えるエネルギ密度及び／又は前記レーザ光の照射時間を、前記劣化部の量及び／又は前記保護層の膜厚に応じて設定することを特徴とする請求項１又は２記載の表面処理方法。
4. 前記照射箇所が前記表面において所定のパターンに沿って周期的に移動する状態で前記走査を行うことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の表面処理方法。
5. 前記表面に前記レーザ光を照射した後、前記表面を水を主成分とする液体により洗浄することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の表面処理方法。
6. 前記照射又は前記洗浄後における前記表面に付着した塩分量が５０ｍｇ／ｍ２以下であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の表面処理方法。
7. 金属材料の表面に保護層が形成された構造物であって、
   前記保護層の表面に、レーザ光による照射箇所が前記表面を走査した照射痕が形成されており、
   請求項１～６いずれか1項記載の表面処理方法による表面処理が施されていること
   を特徴とする構造物。
8. 前記照射痕は、前記表面において前記照射箇所が周期的に移動した跡に沿って形成されること
   を特徴とする請求項７に記載の構造物。

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