DE2943107C2

DE2943107C2 - Verfahren zum Entrosten

Info

Publication number: DE2943107C2
Application number: DE2943107A
Authority: DE
Inventors: Rasmus Dr. 6078 Neu-Isenburg Beck; Robert 6600 Saarbrücken Langen
Original assignee: Individual
Current assignee: LANGEN, ROBERT, 6600 SAARBRUECKEN, DE
Priority date: 1979-10-25
Filing date: 1979-10-25
Publication date: 1984-07-26
Also published as: JPS6125786B2; AT370781B; LU82871A1; FR2467656B1; FR2467656A1; BE885796A; JPS5665986A; DE2943107A1; GB2061164B; ATA467980A; US4368080A; GB2061164A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entrosten.

Entrostung ist in der Regel unerläßlich Vorbedingung für einen dauerhaften Korrosionsschutz. Im lockeren Gefüge des Rostes verbleibt beim Auftragen einer Schutzschicht Sauerstoff. Dieses bildet, auch wenn die Schutzschicht weiteren Sauerstoff fernhält, unter der Schutzschicht neuen Rost, der infolge seiner hohen Volumenbeanspruchung die Schutzschicht sprengt Praktisch muß man den Rost entfernen. Rostumwandlung gelingt bisher nicht mit genügender Sicherheit.

Die gebräuchlichen Verfahren zur Rostentfernung sind Sandstrahlen, das den Rost abträgt, Flammstrahlen, das ihn absprengt, Abbürsten von Hand und Beizen mit Säuren. Alle diese Verfahren sind wegen Entwicklung von Staub, Dämpfen, Ablaugen o. dgl. umweltbelastend und mühsam.

Für das Entfernen von Oxidbelägen, insbesondere Walzzunder, im Rahmen der Herstellung von Walzerzeugnissen od. dgl. sind auch Laserbestrahlungseinrichtungen bekannt.

So ist in der US-PS 40 63 063 ausgehend von dem bekannten Flämmputzen vorgeschlagen, insbesondere Bleche, Drähte, Stangen u. ähnl. in eng nebeneinanderliegenden Linien durch Laserbestrahlung zu erhitzen, um den Oxidbelag zu sprengen. Anschließend muß er noch mit anderen, zusätzlichen Mitteln ganz entfernt werden.

Nach der DE-AS 25 11 004 werden von, insbesondere warmgewalztem, Stranggut runden Querschnitts Oberflächenverunreinigungen abgetragen, indem durch Laserbestrahlung eine die Verunreinigungen aufweisende Oberflächenschicht des Stranggutes verdampft wird.

Die Dicke der verdampften Schicht wird mit der Energiedichte (Ws/cm²) gesteuert, zu der der Abtrag im wesentlichen proportional ist Um z. B. bei ungleichmäßigem Ausgangsquerschnitt des Stranggutes einen gleichmäßig-kreisförmigen Endquerschnitt mit einem be stimmten Radius zu erzielen, werden demgemäß an verschiedenen Stellen des Umfangs verschiedene Energiedichten aufgewendet, d. h. bei gleichbleibender Leistung der um das Siranggut rotierenden Lasergeräte müssen ίο die im Querschnitt weiter heraustretenden Stellen entsprechend öfter mit Laserbestrahlung überfahren werden. Das verdampfte Material wird aus dem als Vakuumkammer ausgebildeten Bearbeitungsraum abgesaugt und so wiedergewonnen.

Die Anwendung einer solchen Verfahrensweise, bei der bei jedem Oberfahren des Werkstückes mit dem Laserstrahl ein Materialabtrag erfolgt, wäre beim Entrosten problematisch und steuerungstechnisch kaum zu bewältigen, da es sich hier um die Behandlung schon

lange fertiger Endprodukte handelt, an denen gerade an den durch Verrostung geschwächten Stellen in der Regei nicht .überdies noch Metaii abgenommen werden darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver-

fahren zum Entrosten zu schaffen, das gegenüber den bekannten Verfahren die Arbeitsbedingungen verbessert und umweltfreundlich ist

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge-

löst

Das neue Verfahren belastet weder die Ausführenden noch die Umwelt Es ist weitgehend schmutzfrei; die Verdampfungsprodukte stören nicht können aber auch mit geringem Aufwand ziemlich vollständig abgesaugt

werden. Der Laserstrahl kann scharf gezielt und damit, ohne benachbarte Bauteile in Mitleidenschaft zu ziehen, angewandt werden.

Das Verfahren ist bei allen Entrostungsaufgaben anwendbar, insbesondere statt des bisher durchgeführten

Sandstrahlens. Diesem gegenüber hat ^ vor allem den Vorteil, keine unerwünschten mechanischen Kräfte auf die Oberflächen auszuüben.

Es läßt sich eine außerordentlich blanke Metalloberfläche erzielen, und dies ohne Schädigung des Metallge-

« füges und ohne merklichen Metallverlust

Letzteres ist ein wesentlicher Aspekt der Erfindung. Die Anwendung eines Laserstrahls begegnet zunächst dem Bedenken, daß die Hitze, die ausreicht, den Rost zu verdampfen, von dem Augenblick an, in dem der Rost

so entfernt ist, auch ausreicht, das Metall zu schmelzen oder zu verdampfen. Das wird jedoch bei geeigneter Bemessung der zugeführten Energie durch den extremen Unterschied zwischen den Wärmeleitfähigkeiten des Rostes und des Metalls verhindert Die gleiche Be strahlung, die den Rost bis auf seine Verdampfungstem peratur erhitzt, erzeugt in dem Metall nur eine viel niedrigere Temperatur, jedenfalls bei kurzzeitiger Anwendung, die, wie im Patentanspruch 1 angegeben, Gelegenheit für eine genügende Wärmeableitung ins Innere des Metalls läßt und dessen Wärmekapazität nicht ausschöpft. Hat eine Oxidschicht selbst eine so hohe Wärmeleitfähigkeit und sitzt sie so dicht an dem Metall, daß sie eine so hohe Wärmeübergangszahl zu diesem hat, daß sie sich ebenso wie das Metall infolge Wärmeablei tung in das Metallinnere bei der angewandten Energie nicht verdampfen läßt, dann ist diese Oxidschicht auch dicht und frei von chemisch ungebundenem Sauerstoff und kann mit von der Schutzschicht überdeckt werden.

Diese Erkenntnis schließt die Erfindung ein.

Die Erfindung unterscheidet sich damit von der Verfahrensweise nach der DE-PS 25 11 004 wesentlich dadurch, daß nach ihr nicht ein vorbestimmter Abtrag durch Aufbringung einer diesem etwa proportional entsprechenden Leistungsdichte gesteuert wird, sondern nach dem Entfernen des Rostes weitere Bestrahlung erst einmal überhaupt keinen weiteren Materialabtrag zur Folge hat. Es wirki sich elso nicht aus und schadet nicht, wenn das Lasergerät dann noch etwas langer an der betreffenden Stelle strahlend stehen bleibt oder öfter über die betreffende Stelle strahlend hinwegfährt. Diese Vereinfachung ist so entscheidend, daß sie in vielen Fällen den Einsatz von Laserstrahlung bei Entrostungsaufgaben überhaupt erst ermöglichen dürfte.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, die Bestrahlung in Impulsen durchzuführen. Das liegt im vorstehenden Sinne, erleichtert ferner die Abführung der Verdampfungsprodukte — zugleich mit Wärme — zwischen den Impulsen und ermöglicht eine erhöhte Leistung des Lasergeräts während der Impulsdauer im Vergleich zu Dauerstrahlung.

Die geeigneten Impulsdauern liegen zwischen 1 und 100 us und die geeignetsten Energieabgaben etwa zwischen 1 und 5 Ws pro Impuls bei Fokussierung auf einen vorzugsweise 0,3 bis 2,0 cm² großen Fleck und die geeigneten Impulsfrequenzen bei 1 bis 1000 Hz, vorzugsweise 100 bis 500 Hz.

Es empfiehlt sich, die Bestrahlung unter, vorzugsweise reduzierendem, Schutzgas durchzuführen. Neben der Oxydationsverhinderung kann man damit auch die Verdampfungs- und ggf. Umsetzungsprodukte wegblasen.

Ferner wurde gefunden, daß sich mit der Anwendung reduzierender Atmosphäre ein überraschender Effekt erzielen läßt, der vorteilhaft genutzt werden kann:

Es läßt sich bereits mit geringerem Energieaufwand eine blanke Oberfläche schaffen. Während sich in oxydierender Atmosphäre leicht eine festsitzende Magnetitschicht auf der Metalloberfläche bildet, die erst bei einer viel höheren Temperatur verdampft als Rost, entsteht unter reduzierenden Bedingungen ein lockerer Magnetit, der sich einfach abbürsten läßt

Die festsitzende, dünne Magnetitschicht kann jedoch, da sie keinen ungebundenen Sauerstoff enthält, auch belassen und überstrichen werden. Eine andere Möglichkeit wäre, sie, da sie nur sehr dünn ist, chemisch zu entfernen.

Durch die im Patentanspruch 6 angegebene weitere Ausgestaltung der Erfindung können die außerordentlich hohe Temperatur und gegebenenfalls andere Bedingungen, wie eine Plasma-Afnosphäre, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden, weiter nutzbar gemacht werden, gegebenenfalls auch zu Reaktionen, die unter anderen Bedingungen gar nicht stattfinden können. Es ist zum Beispiel bekannt, daß sich in einer Plasma-Atmosphäre freie Radikale bilden können, die besonders aktiv sind. Im ganzen sollte man jedoch die Plasmabildung nach Möglichkeit begrenzt halten, da bei höherer Dichte der freien Elektronen der Laserstrahl zu stark absorbiert wird.

Als Lasergerät empfiehlt es sich ein querangeregter Atmosphärendruckgäsläser. Er läßt sich kompakt bauen, kann in kurzen Impulsen strahlen und hat mit 10% einen vergleichsweise guten Wirkungsgrad.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Versuchsbeispielen weiter erläutert.

Für die Versuche wurde ein querangeregter Atmosphärendruck-CO₂-Laser vh einer Wellenlänge von 10,6 μπι herangezogen. Er wurde eingestellt auf Impulse von I us Dauer, die sich in eine Impulsspiize von 0,1 us Dauer und einen an diese anschließenden Ausläufer gliederten. Die Ausgangsenergie der Impulse betrug

3 Ws, die Leistung in der Impulsspitze lag bei 30 MW. Der Strahl wurde auf einen Fleck von 8 · 8 mm fokussiert Die Spitzenleistungsdichte betrug damit etwa 47 MW/cm² und die Energiedichte des Impulses bei etwa 5 Ws/cm². Die Fleckgröße 8 · 8 mm war unter den

ίο vorliegenden Bedingungen die optimale. Die Leistungsdichte sollte nicht zu hoch sein, damit nicht zu viel Energie durch die dann stark einsetzenden Ionisationsprozesse in der Luft verlorengeht Die Versuche wurden an Luft, unter Schutzgas (Argon) und unter Formiergas (80

bis 90% Argon, 10 bis 20% Wasserstoff) durchgeführt

Versuchsobjekte waren aus einem Altmetallager herausgegriffene typische Materialproben:

— blankes Vierkantrohr, Stahl leicht verrostet mit Resten von Rostschutzfarbe,

— mittelstark verrostetes Wasserro^¹- Stahl,

— stark verrostetes Gußstahlrohr,

— mittelstark verrostetes Stahlblech.

Von allen Proben konnte der Rost vollständig entfernt werden.

Die Rustabtragsrate — Anzahl der bis zum vollständigen Entrosten von 1 cm² Oberfläche notwendigen Zahl von Impulsen erwies sich als weitgehend unabhängig von der Art des Probematerials und war wesentlich bestimmt nur durch den Verrostungsgrad. Es wurden benötigt

bei leichter Verrostung
bei mittlerer Verrostung
bei starker Verrostung

1—3 Impulse 2—5 Impulse 10—20 Impulse

Eine metallkundliche Gefügeuntersuchung zeigte keine unerwünschten Veränderungen durch die Laser-Bestrahlung. Die untersuchte Probe zeigte lediglich eine leichte Entkohlung dicht unter der Oberfläche. Obereinstimrr.end mit dieser Erscheinung konnten röntogenographisch FeC-Verbindungen nachgewiesen werden.

Die Oberflächenbeschaffenheit der entrosieten Proben war unterschiedlich.

Die Oberfläche des genannten Vierkantrohres. war blank.

Die Oberfläche des genannten Wasserrohres war, ebenso wie die des genannten Stahlblechs, mit einer dünnen so Schicht aus festhaftendem Magnetit versehen. (Die Rostschicht, wohlgemerkt, war nach etwa 3 Impulsen vollständig entfernt). Die Magnetitschicht ließ sich in diesem Falle auch mit einer Erhöhung der Leistungsdichte durch Verkleinerung des Brennflecks nicht weiter abtragen. Sie müßte jedoch bei noch weiterer Leistungssteigerung entfernbar sein.

Die Röntgenbeugungsanalyse zeigte in der Magnetitschicht Reste von FeOOH (Rost) und geringe Spuren einer unstöchiometrischen Fe-C-Verbindung. Die vorstehenden Ergebnisse beziehen sich auf die Versuche an Luft.

Wurde das Probematerial, auf dem sich an der Luft die Magnetitschicht bildete, bei der Bestrahlung mit Formiergas angeblasen, so entstanden statt der festsitzenden Magnetitschicht einzelne Inseln von Magnetit, die nur ganz locker saU?n und einfach abgebürstet werden konnten.
Im ganzen lassen die Ergebnisse erkennen, daß man

für die praktische Anwendung des Verfahrens einen Laser mit einer mittleren Leistung von beispielsweise 1200 KW zugrundelegen sollte. Die Pulsenergie könnte

3 Ws betragen, die Pulsfolgefrequenz z. B. 400 Hz. Bei einem mittleren Verrostungsgrad würden dann etwa

4 Pulse pro cm² Oberfläche benötigt, so daß man eine Stundenleistung von 36 qm erreichen könnte.

Der Laser sollte mit einem Gaskühlsystem versehen sein, um die gewünschte Pulsfolgefrequenz sicherzustellen. Dazu kann beispielsweise an der Laserentladungskammer ein Querstromgebläse angebaut werden, mit dem das Lasergas mit dem geschlossenen Kreislauf über einen externen Gaskühler geführt werden kann. Für die Abmessungen des Lasers mit Gehäuse wären dann etwa 120-60-80 cm anzusetzen. Das Gewicht dürfte 250 kg nicht überschreiten.

Als Zubehör können für verschiedene Anwendungsfälle optimierte Strahlführungssysteme vorgesehen werden, auch spezielle Entrcstur.gshandstiickc. Der Laser könnte so für unterschiedliche Einsatzfälle umgerüstet werden.

Als Strahlführungssysteme kommen z. B. ein feststehendes Strahlrohr mit 90° Umlenkung in Betracht, wobei das Werkstück unter dem Laserfokus vorbeizubewegen wäre, oder ein bewegliches Strahlführungssystem mit hintereinandergeschalteten Umlenkspiegeln oder ein Abtastsystem mit Schwingspiegel zur schnellen Überdeckung ebener Flächen.

Als Strahlfokussierungssystem wären ein Handstück mit Fokussierungslinse (langbrennweitig) oder Facettenspiegel zu nennen oder spezielle Spiegel- oder Linsensysteme zur Kombination mit Laser-Abtastsystem. Als Gase müßten bereitgestellt werden Lasergas (N2, CO2, He gemischt) und Formiergas (Ar, H₂ gemischt).

Anhand der Zeichnung wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein bewegliches Strahlführungssystem und in F i g. 2 in größerem Maßstab ein Mundstück. Zur Bildung des Strahlführungssystems ist eine Reihe «ο von Winkelstücken 1, in denen Umlenkspiegel 2 angeordnet sind (nur einer gezeichnet), über Drehlagerungen 3 durch Rohre 4 verbunden. Mit dem einen Ende 5 wird das Strahlführungssystem am Strahlausgang eines Lasergeräts angeschlossen, am anderen Ende 6 wird ein Mundstück 7 angesetzt

Das Mundstück 7, dessen Kupplungsteile zum Ansetzen an das Ende 6 des Strahlführungssystems nicht dargestellt sind, weist ein Fokussierungssystem mit einer Linse 8 für den Laserstrahl 9 derart auf, daß der Laser- so strahl unmittelbar hini -x dem konischen Ausgang 10 des Mundstücks die gewünschte Brennfleckgröße auf der zu entrostenden Oberfläche 11, z. B. eines Bleches, hat. Eine Schutzgaszuleitung 12 und eine Absaugleitung 13 führen durch das Mundstück 7 hindurch. Die erstere mündet etwa bündig mit dem Mundstück innerhalb desselben. Der Eingang der letzteren liegt weiter zurück an der Außenseite des Mundstücks am hinteren Ende einer das Mundstück umgebenden, aus einem Balg bestehenden Haube 14. Die Haube 14 kann vorne durch Stege ^M gehalten werden, wie sie bei 15 angedeutet sind. Im konkreten Falle ist sie jedoch an stangenförmigen Abstandhaltern 16 befestigt die in starr am Mundstück 7 sitzenden Halterungen 17 verstellbar sind und durch Anlage mit ihren Enden an der zu entrostenden Oberflä- ^6S ehe 11 das Mundstück 7 einschließlich der Haube 14 im gewünschten Abstand von dieser halten und führen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Entrosten, dadurch gekennzeichnet, daß der Rost verdampft wird durch Laser-Bestrahlung von einer solchermaßen begrenzten Intensität und/oder über die Entrostung hinausgehenden Dauer, daß die Wärmeableitung in dem freigelegten Metall dessen Erhitzung im wesentlichen noch unter der Verdampfungstemperatur hält

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung in Impulsen erfolgt, vorzugsweise von 1 — 100 us Dauer.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit 1 —5 Ws Energieabgabe pro Impuls erfolgt, vorzugsweise fokussiert auf einen 03—2,0 cm² großen Fleck.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit einer Impulsfrequenz jroo 1 — 1000 Hz, vorzugsweise löö—5öö Hz, erfoigt

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung unter, vorzugsweise reduzierendem, Schutzgas erfolgt

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bestrahlung in Gegenwart eines Stoffes oder mehrerer Stoffe erfolgt, der bzw. die unter den durch die Bestrahlung erzeugten Bedingungen die entrostete Metalloberfläche passiviert bzw. passivieren und/oder mit einer Schutzschicht ü'_ erzieht bzw. überziehen.