선박용 강재의 도장면 제거를 위한 Q-스위칭 파이버 레이저 클리닝에 관한 기초 연구 = A Fundamental Study on Q-switching Fiber Laser Cleaning Process for Removing Paint Layer of Steel Surface for Shipbuilding

국문 초록 (Abstract)

현재 조선해양 산업 현장에서 도장 전처리 작업은 그라인딩 및 쇼트 방식을 채택하고 있으나 동력 공구에 의한 작업자의 위험성 및 분진 비산에 의한 환경오염과 작업자의 건강문제가 지속적으로 야기되고 있다. 또한 현재의 전처리 방법으로는 협소구역의 접근이 난해하고 모서리 등의 개소와 복잡한 형상에 대한 작업이 어려우며 모재의 손상을 유발하고 표면의 균일한 클리닝이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 반면, 레이저 열원을 이용한 표면 클리닝 기술은 공정 중 환경오염 물질의 배출이 거의 없는 친환경 기술이다. 레이저의 우수한 제어 특성으로 인하여 표면의 오염층만을 선택적으로 제거할 수 있으며 국부적인 표면 클리닝이 가능하기 때문에 작업 시간이 단축되고 모재의 손상을 최소화 할 수 있다. 또한 비 접촉식 공정으로 다양한 표면 형상에 적용이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인하여 문화재 복원사업은 물론이며 금형, 전기·전자 및 반도체 산업에서 레이저 클리닝 기술은 이미 실용화 단계에 접어들었다. 또한 최근에는 대면적의 표면 전처리 공정에 레이저 클리닝을 도입하고자 하는 수요가 증가하면서 조선해양 산업, 항공 우주 산업 및 자동차 산업 등에 실용화가 기대되고 있다. 특히 조선해양 산업에서 레이저를 이용한 클리닝 기술 수준은 초기 단계이며 기존의 클리닝 기술을 대체하고자 다양한 연구가 진행중이다. 따라서 국내 기술수요에 적극 대처하고 향후 작업효율과 작업환경의 개선을 통해서 조선해양 산업 도장 전처리의 패러다임을 변화하기 위해 레이저 클리닝 기술을 확보하는 것이 시급하다.
본 연구에서는 평균 출력 100W의 Q-스위칭 파이버 레이저를 이용하여 강재 표면의 도장면 및 산화층을 제거하기 위해 레이저 클리닝 실험을 진행하였다. 기초실험으로써 실제 조선해양 산업에 적용되는 에폭시 및 숍프라이머 도장면과 국부적인 발청 수준인 얇은 산화층에 대해 스캔횟수, 펄스 중첩률, 패스 중첩률 및 에너지 밀도에 따른 레이저 클리닝을 실시하였다. 이와 같이 다양한 변수에서 얻어진 클리닝부의 특성을 분석하였으며, 레이저 클리닝 효율을 계산하여 최적의 조건을 도출하였다. 결과적으로 모재의 손상 및 열영향부 없는 우수한 클리닝 부를 얻을 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• List of Tables ⅲ
• List of Figures ⅳ
• Abstract ⅸ
• 1. Introduction
• 1.1 Research background and purpose 1
• 1.2 Research contents 5
• 2. Theoretical Background
• 2.1 Paint types and coating characteristics 7
• 2.1.1 Composition of paint 7
• 2.1.2 Zinc dust paint 10
• 2.1.3 Paints used on ship 11
• 2.1.4 Ship coating system 13
• 2.2 Characteristics of laser cleaning process 16
• 2.2.1 Parameters of laser cleaning process 16
• 2.2.2 Laser cleaning mechanism 27
• 3. Experiment Method
• 3.1 Experimental materials and equipment 31
• 3.1.1 Experimental materials 31
• 3.1.2 Experimental equipment 33
• 3.2 Experimental and analysis method 35
• 3.2.1 Experimental method 35
• 3.2.2 Analysis method 37
• 4. Results and Discussion
• 4.1 Laser cleaning characteristics of epoxy painted steel 40
• 4.1.1 The effect of the number of scans and pulse overlap rate 40
• 4.1.2 The effect of the pass overlap rate 51
• 4.1.3 The effect of the energy density 61
• 4.2 Laser cleaning characteristics of shop primer painted steel 74
• 4.2.1 The effect of the laser beam overlap rate 74
• 4.2.2 The effect of the energy density 89
• 4.3 Comparison of laser cleaning characteristics by paint 101
• 4.3.1 Laser cleaning efficiency 101
• 4.3.2 Comparison of evaporation characteristics 108
• 4.3.3 Mechanical and microstructure characteristics
• of the laser cleaned area 109
• 5. Conclusion 114
• References 117