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"Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen, insbesondere Rost,
von
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einer Metalloberfläche" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Entfernen von Verunreinigungen, insbesondere Oxidationsprodukten, insbesondere Rost,
von einer Metalloberfläche, insbesondere Eisen- oder Stahloberfläche, durch Verdampfen
der Verunreinigungen mittels Laserbestrahlung.
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Das Entrosten von Stahloberflächen durch Verdampfen des Rostes mittels
Laserbestrahlung ist, wie aus der DE-OS 29 43 107 bekannt, überraschenderweise grundsätzlich
selektiv möglich, d.h. ohne Verdampfen des Stahles oder auch nur Schädigung der
Stahloberfläche durch Gefügeveränderungen. Die Laserstrahlung wird, wenn der Rost
verdampft ist, an der Stahloberfläche zum Teil reflektiert. Zum anderen Teil wird
die durch die Laserstrahlung an der Stahloberfläche erzeugte Wärme im Stahl verhältnismäßig
schnell nach allen Seiten abgeleitet. Eine kurzzeitige hohe Energiezufuhr an einer
verhältnismäßig begrenzten Stelle führt daher noch zu keiner zu starken Erhitzung,
kann also in Kauf genommen werden. Die nach mechanischem Abtragen des lockeren Rostes
zum Verdampfen der verbleibenden Rostschicht benötigte Intensität und Dauer der
Laserbestrahlung läßt sich auch mit einem Überschuß so einstellen, daß der Stahl
geschont bleibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Entrosten von Stahl
wie
auch sonst das Reinigen von Metall durch Verdampfen der Verunreinigungen
mittels Laserbestrahlung zu beschleunigen und möglichst verlustarm und sicher zu
gestalten.
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Gemäß der Erfindung wird dieser Zweck dadurch erfüllt, daß die Laserbestrahlung
ausgehend von der Reflektion der Laserstrahlung an der freigelegten Metalloberfläche
gesteuert wird.
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Von besonderer Bedeutung sind die in diesem Rahmen mögliche selbsttätige
Steuerung des Vorschubs der Laserbestrahlung entlang der Metalloberfläche und selbsttätige
Steuerung der Intensität der Laserbestrahlung: Ist die Metalloberfläche auf dem
bestrahlten Fleck von z.B. 8 x 8 oder 10 x 10 mm vollständig freigelegt, so reflektiert
sie einen bestimmten Anteil der Strahlung, der von einem Strahlungsdetektor erfaßt
und in einer geeigneten Steuereinrichtung als Schwellwert für den Vorschub des Bestrahlungsflecks
auf das nächste Quadrat o.dgl. verarbeitet werden kann. Ein Überschuß an Energie,
der einerseits Verlust darstellt und andererseits das Metallgefüge gefährden könnte,
kann hier nur auf Teilen des Bestrahlungsflecks auftreten, solange andere Teile
noch mit Rost oder einer anderen Schmutzschicht bedeckt sind.
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Der Überschuß läßt sich noch vermindern durch eine Verkleinerung des
Bestrahlungsflecks, die die erfindungsgemäße Steuerung um so eher gestattet, als
sie einen verzögerungsfreien und damit im ganzen schnellen selbsttätigen Vorschub
ermöglicht; auch spart ein verkleinerter Bestrahlungsfleck Bestrahlungszeit insgesamt,
weil er seltener eine längere Bestrahlungszeit bedürfende Stelle berührt.
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Eine Steuerung der Intensität kommt, je nach den Verhältnissen, nach
unten wie nach oben in Betracht.
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Die Eigenschaftsunterschiede zwischen dem Metall und der Verschmutzung
können derart sein, daß es besser ist, einen Flächenabschnitt mit besonders hartnäckigem
Schmutz kurzzeitig stärker zu bestrahlen, oder, die Strahlungsintensität mit Rücksicht
auf das Metall herabzusetzen, obwohl dann die Bestrahlungsdauer noch länger wird.
So ist auch eine optimierende Einstellung der Strahlungsintensität auf verschiedene
Arten von Verunreinigung möglich. Verteilen sich beispielsweise verschiedene
Verunreinigungsmaterialien,
ggf. auch unter teilweiser Überdeckung, auf der zu reinigenden Fläche und läßt sich
die eine schneller abtragen als die andere, so kann man nach dem Abtragen der einen,
wenn die Metalloberfläche auf dem Bestrahlungsfleck eine bestimmte Reflektion zeigt,
umstellen von einer für das eine Material besser geeigneten auf eine für das andere
Material besser geeignete Strahlungsintensität.
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Eine ständige Steuerung der Intensität, auch bis herunter auf null
in Form zeitweiligen Abschaltens, kann im übrigen eine Vorschubsteuerung in der
Weise ersparen, daß bei gleichbleibendem Vorschub durch die Intensitätssteuerung
die Strahlungsmenge dem Erfordernis an der jeweils mit dem Strahl überstrichenen
Stelle angepaßt wird.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
weist nach dem vorstehenden eine Laserbestrahlungseinrichtung auf, die eine durch
die Reflektion der Laserstrahlung an der Metalloberfläche gesteuerte Vorschubeinrichtung
und/oder Intensitätssteuerung und/oder sonstige Einrichtung aufweist.
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Eine andere ausgehend von der Reflektion der Laserstrahlung an der
freigelegten Metalloberfläche gesteuerte Einrichtung als die Vorschubeinrichtung
und die Intensitätssteuerung könnte beispielsweise für die Behandlung kleiner Werkstücke
oder kleiner Oberflächenausschnitte, etwa von der Größenordnung des Bestrahlungsflecks
o.ä., eine bloße Vorrichtung zum endgültigen Abschalten sein. In Betracht käme auch
eine Einrichtung, die z. B. bei gleichmäßigem Vorschub des Bestrahlungsflecks verbliebene
Reste der Verunreinigungen registriert und speichert und in einem zweiten Durchgang
derselben oder einer weiteren Bestrahlungseinrichtung nur diejenigen Stellen bestrahlt,
an denen solche Reste stehengeblieben sind. Ferner ist an eine Bildauswertung der
reflektierten Strahlung derart zu denken, daß der Laserstrahl nach der Bestrahlung
einer Grundfläche, wie schon angedeutet z.B. eines Quadrats, stärker gebündelt wird
und nur noch einen vergleichsweise kleinen, z. B.
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runden, Bestrahlungsfleck liefert, der dann speziell auf die innerhalb
des ursprünglichen Bestrahlungsflecks verbliebenen Verunreinigungsreste gelenkt
wird.
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Es sind jedoch noch zahlreiche weitere Abwandlungen denkbar, die
Laserbestrahlung
anhand ihrer eigenen Reflektion zu steuern.
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Zur Erfassung der Reflektion können verschiedene Wege führen.
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So kann der Laserstrahl durch einen im Winkel, vorzugsweise von etwa
40 - 50°, zu ihm gestellten, für ihn mindestens weitgehend durchlässigen, Spiegel
für die reflektierte Strahlung geführt sein, in dessen Abstrahlungsrichtung ein
Laserstrahlungsdetektor angeordnet ist. Ein Spiegel in diesem Sinne ist alles, was
immerhin einen verwertbaren Anteil der an der Metalloberfläche reflektierten Strahlung
reflektiert, d.h.
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unabhängig davon, welcher übrige Anteil eventuell durchgelassen wird.
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Es kann auch ein, vorzugsweise schmaler, Spiegel für die reflektierte
Strahlung auf einer, vorzugsweise umlaufenden, Bahn bewegt sein, die durch den Laserstrahl
führt, wobei auch hier in der bzw. in einer Abstrahlungsrichtung des Spiegels ein
Laserstrahlungsdetektor angeordnet ist. Diese beiden Lösungen erlauben es, den Laserstrahl
senkrecht auf die Metalloberfläche zu richten.
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Man könnte jedoch auch den Laserstrahl schräg auf die Metalloberfläche
richten und in der Abstrahlungsrichtung der Metalloberfläche für den Laserstrahl
einen Laserstrahlungsdetektor anordnen.
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Auch Ablenkung der reflektierten Strahlung statt Reflektion wäre denkbar,
etwa durch einen Ultraschallgeber in derartiger Stellung zu dem auf die Metalloberfläche
gerichteten Laserstrahl und der reflektierenden Strahlung, daß er durch Dichteänderungen
in der Atmosphäre des Laserstrahlenganges einen Teil der reflektierten Strahlung
auf einen Laserstrahlungsdetektor lenkt.
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Um die Erfassung der an der Metalloberfläche reflektierten Laserstrahlung
in einer vorbeschriebenen oder einer anderen Weise mit genügender Genauigkeit sicherzustellen,
kann man eine Zuführung für ein inertes odcr reduzierendes Schutzgas zu dem Bestrahlungsfleck
zugleich als Spülvorrichtung einrichten.
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Die Zeichnung gibt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wieder, und
zwar eine Anlage zum Entrosten von Rohren.
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Die Zeichnung zeigt dazu in Fig. 1 ein Blockschaubild der Laserstrahlungseinrichtung
der Anlage, Fig. 2 die mechanische Einrichtung der Anlage in Sicht auf das Rohrende
und Fig. 3 in größerem Maßstab eine Einzelheit aus Fig. 2 (Mundstück) in axialem
Schnitt.
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Der von einem Lasergerät 1 erzeugte Laserstrahl wird in einem Arm
22 seitlich aus dem Lasergerät herausgeführt und nach unten umgewinkelt.
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Er tritt durch ein Mundstück 7 unmittelbar über der Oberfläche eines
zu entrostenden Rohres 24 von z.B. 20 cm Durchmesser aus. Das Rohr 24 liegt auf
einer Rollenbank 25, die es kontinuierlich derart dreht und vorschiebt, daß der
Brennfleck des Laserstrahls die Rohroberfläche auf einer schraubenlinienförmigen
Bahn lückenlos überstreicht. Der Brennfleck hat beispielsweise einen Durchmesser
von 5 mm, das Rohr also einen axialen Vorschub von 5 mm pro Umdrehung.
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Rollenbänke solcher Art sind an sich bekannt zur Prüfung von Rohren
mittels Ultraschall oder anderem.
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Sie bestehen aus einer Reihe von je zwei Tragrollen 26 und 27 aufweisenden
Böcken 28, die in Abständen miteinander fluchtend angeordnet sind. Das Rohr 24 liegt
darauf jeweils zwischen den Tragrollen 26 und 27. Wenigestens ein Teil der Böcke
28 weist außerdem eine Druckrolle 29 auf, die zwischen den Tragrollen 26 und 27
von oben an dem Rohr anliegt.
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Ein Teil der Trag- und/oder der Druckrollen 26,27 bzw. 29 ist mit
einem nicht gezeichneten Drehantrieb bekannter Art versehen. Mindestens diese angetriebenen
Rollen der Rollenbank sind zur Erzeugung des axialen Rohrvorschubs zur Rohrachse
schräg angestellt, d.h. die Rollenachse ist innerhalb der im Berührungspunkt an
das Rohr gelegten Tangentialebene 30 um einen kleinen Winkel verdreht. Die schräge
Anstellung ist in Fig. 2, in der die beiden Tragrollen 26 und 27 und
ggf.
auch die Druckrolle 29 angetrieben sein sollen, zur Veranschaulichung übertrieben
gezeichnet.
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Die angetriebenen Rollen können mit einem Belag von gegenüber der
Rohroberfläche großem Reibungskoeffizienten versehen sein, damit der Antrieb sicher
greift. Sofern nicht angetriebene Rollen zur Vereinfachung nicht oder in keinem
dem Vorschub genau entsprechenden Winkel angestellt sind, soll das Rohr auf diesen
dagegen in Axialrichtung etwas rutschen.
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Um das lückenlose Überstreichen der Rohroberfläche mit dem Brennfleck
sicherzustellen, kann man auch eine Zwangsführung einrichten, etwa so, daß der Axialvorschub
durch die angetriebenen Rollen etwas zu groß bemessen wird und eine mechanische
Halteeinrichtung an dem Rohr angreift, die in Synchronsteuerung mit der Umdrehung
den genau bemessenen Vorschub fortlaufend freigibt, und/oder so, daß eine Gewindespindel
einerseits fest axial in dem Rohr verklemmt wird und andererseits durch eine feststehende
Mutter läuft, wobei die Gewindesteigung gleich der vorgesehenen Steigung der schraubenlinienförmigen
Bahn des Brennfleckes auf der Rohroberfläche ist.
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Die insgesamt als Lasergerät 1 bezeichneten Einrichtungen sind in
Fig. 2 im einzelnen wiedergegeben. Der mit 31 bezeichnete Laser soll im vorliegenden
Beispiel ein Cm2 Laser mit einer Hochfrequenzanregung von 13,5 oder 27 MHZ und mit
einer Leistung von 25 KW sein. Er sendet einen Laserstrahl 9 von z.B. 50 mm Durchmesser
aus. Dieser wird (in dem Arm 22) durch einen Umlenkspiegel nach unten umgewinkelt
und in dem Mundstück 7 durch eine Linse 8 (Fig. 3), auf den bereits erwähnten Brennfleckdurchmesser
von 5 mm fokussiert. Damit ergibt sich an der zu entrostenden Oberfläche 11 des
Rohres 24 eine Strahlungsintensität von 107 Watt/cm2.
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Von der freigelegten Metalloberfläche zurückgeworfenes Laserlicht
wird durch einen rotierenden Reflektor 32 aus dem Querschnitt des Lasersirahis 9
abgezweigt und auf einen Detektor 33 gegeben.
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Der rotierende Reflektor 32 besteht beispielsweise aus einem z.B.
2 mm dicken Kupferstab, der auf einer den Laserstrahl 9 durchschneidenden
Kreisbahn
mit hoher Geschwindigkeit umläuft. Derartige Einrichtungen sind in verschiedensten
Ausführungen bekannt.
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Der Detektor 33 ist beispielsweise ein Pyro-Detektor der dem Fachmann
unter der Bezeichnung "Molectron P 3" bekannten Konstruktion.
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Sein Signal wird über einen Signalverstärker und -verarbeiter 34 in
ein Netzgerät 35 für die Anregung und Steuerung der Laserentladung gegeben.
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Die Organe 32 bis 35 sind so eingerichtet, daß der Laser 31 auf eine
niedrige Intensität zurückgeschaltet oder ganz abgeschaltet wird, sobald das reflektierte
Laserlicht diejenige Intensität erreicht hat, die die vollständig freigelegte Metalloberfläche
auf dem Brennfleck hervorbringt, und daß der Laser wieder auf volle, kontinuierliche
Leistung geschaltet wird, sobald die Intensität des reflektierten Laserlichts wieder
unter einen Schwellwert sinkt.
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Diese Intensitätssteuerung des Lasers vollzieht sich innerhalb weniger
Millisekunden. Im Vergleich dazu ist der Vorschub des Brennfleckes auf der Rohroberfläche
langsam. Die Umfangsgeschwindigkeit der Rohrdrehung mag im vorliegenden Beispiel
40 bis 50 m/min oder auch mehr betragen.
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Die Größe des Brennflecks mit 5 mm Durchmesser ist mit Rücksicht auf
die Roststruktur gewählt. Typisch sind Rostzentren von 1 bis 5 mm Durchmesser.
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Die gewählte Intensität von 107 Watt/cm2 erscheint im Hinblick auf
eine möglichst hohe Leistung der Auflage einerseits und Schonung des Materials andererseits
unter den übrigen Umständen des Beispiels besonders geeignet. Allgemeiner in Betracht
zu ziehen ist ein Bereich von 106 bis 108 Watt/cm2.
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Es versteht sich, daß die vorstehenden Angaben nicht für jede Entrostungs-
oder Reinigungsaufgabe gelten können. Sie geben Anhaltspunkte für übliche Versuche
zur Ermittlung jeweils geeigneter konkreter Maßnahmen.
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Der mechanische Aufbau der Einrichtung ist weiter im einzelnen in
Fig. 3 dargestellt, die das am Ende des Armes 22 angeordnete Mundstück 7, axial
aufgeschnitten, zeigt.
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Das Mundstück 7 weist die bereits erwähnte Linse 8 für die Fokussierung
des Laserstrahls auf, so daß der Laserstrahl unmittelbar hinter dem konischen Ausgang
10 des Mundstücks die gewünschte Brennfleckgröße auf der zu entrostenden Oberfläche
11 des Rohres 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 umgebenenden, aus einem Balg bestehenden Haube
14. Die Haube 14 kann vorne durch Stege gehalten werden, wie sie bei 15 angegedeutet
sind.
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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 Gleitfüßen 36 an der zu entrostenden Oberfläche 11 das Mundstück
7 einschließlich der Haube 14 im gewünschten Abstand von dieser halten.
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Durch Einsatz eines Schwingspiegels wäre es auch möglich, den Laserstrahl
derart hin- und herzuschwenken, daß der Brennfleck eine zickzackförmige oder eine
mäanderförmige Bahn auf der zu reinigenden Oberfläche beschreibt. Diese Lösung kommt
insbesondere für großflächiges Blech, wie an Schiffswänden, in Betracht.