DE69711652T2

DE69711652T2 - Entzundern von Metallen durch einen Laser mit sehr kurzer Pulsbreite und hoher Durchschnittsleistung

Info

Publication number: DE69711652T2
Application number: DE69711652T
Authority: DE
Inventors: Gary L Neiheisel
Original assignee: Armco Inc
Current assignee: Armco Inc
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1997-12-29
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2017-12-30
Also published as: ATE215417T1; ES2172740T3; AU4924997A; US5948172A; CN1224644A; US5736709A; BR9800348A; EP0927595A1; JPH11262449A; DE69711652D1; CA2225507A1; EP0927595B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Oxid von einem Metall unter Verwendung eines gepulsten Leitungselektronenlasers zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung mit einer kurzen Pulsweite, einer hohen Pulswiederholungsrate und einer hohen durchschnittlichen Leistung zum Entzundern des Metalls durch Verdampfen von molekularen Schichten des Oxids mit jedem Puls. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind in der US-A-4 720 621 offenbart.
Einer der die Umwelt stärker beeinflussenden Arbeitsschritte in der Metallherstellungsindustrie ist das Abbeizen eines Metalls, wie zum Beispiel eines Stahls, mit einer flüssigen Säure zur Entfernung von Oxid oder Zunder, das/ der während einer Warmbearbeitung wie zum Beispiel Schmieden, Walzen auf einem Warmbandwalzwerk oder Glühen gebildet werden. Die Verfahren zur Entfernung dieses Zunders haben sich seit dem Beginn des Jahrhunderts wenig verändert. Die meisten Stahlbänder mit geringem Kohlenstoffgehalt und Elektrostahlbänder werden bei Bandgeschwindigkeiten von ungefähr 250 m/min durch Eintauchen in Salzsäure abgebeizt. Rostfreier Stahl weist fester anhaftenden Zunder auf und kann ein mechanisches Entzundern oder ein Walzrichten zum Lösen oder Aufbrechen des Zunders vor dem Abbeizen mit Säure erfordern. Zusätzlich erfordert das Abbeizen von rostfreiem Stahl aggressivere Säuren, wie zum Beispiel Flusssäure, Schwefelsäure oder Salpetersäure und erfordert längere Eintauchzeiten, was zu Produktionsliniengeschwindigkeiten für ein Band von ungefähr 30-100 m/min führt. Eine Hauptmotivation zur Verbesserung oder Vermeidung dieser Art von Entzunderungsverfahren sind die Kapitalkosten und die Kosten für eine umweltgerechte Entsorgung der zum Abbeizen gehörenden Säuren. Die zu einer einzigen Produktionslinie gehörenden jährlichen Kosten können sich allein für die Entsorgung von gefährlicher Säure auf 8 Millionen Dollar belaufen. Ein wesentlicher Nachteil chemischer Entzunderungsverfahren sind die mit der Entsorgung der zum Abbeizen verwendeten Chemikalien zusammenhängenden Umweltprobleme.
Es ist bekannt, unter Verwendung eines Lasers den Zunder zu entfernen oder dessen Entfernung zu unterstützen. Zum Beispiel betrifft die US-A-4 063 063 ein Verfahren zum Entzundern von Metallprodukten durch Bestrahlen einer Metalloberfläche mit einem CO&sub2;- Laserstrahl, der eine ausreichende Intensität zur Erzeugung einer raschen und intensiven lokalen Erwärmung einer Oxidschicht aufweist. Der in diesem Patent beschriebene Laser kann eine Strahlleistung von bis zu 10 KW haben. Jedoch hat nachfolgende Arbeit gezeigt, das es nicht möglich ist, den Oxidzunder unter Verwendung von gepulsten oder kontinuierlichen CO&sub2;-Lasern bei Liniengeschwindigkeiten vollständig zu entfernen, die mit denjenigen vergleichbar sind, die beim Abbeizen mit Säure erreicht werden. Nur eine unvernünftig große und kostspielige Anzahl von Lasern könnte vergleichbare Entzunderungsraten erzielen.
Die JP-A-2 197 588 betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Zunder oder Rost von Stahl. Zunder oder Rost auf dem Stahl wird mit einem Laserstrahl in einem UV-Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums wie zum Beispiel einem Excimerlaserstrahl mit einer Wellenlänge von 100-400 nm für eine Pulsdauerzeit von ≤ 200 nsec bestrahlt, um feine Risse in dem Zunder oder dem Rost zu verursachen. Da die Leistung eines Excimerlasers auf ungefähr 300 Watt begrenzt ist und eine Pulswiederholungsrate geringer als 1 KHz ist, wäre zum Entzundern des Stahls bei wirtschaftlichen Liniengeschwindigkeiten ebenso das Vorhandensein einer unvernünftig großen und kostspieligen Anzahl von Excimerlasern erforderlich.
CO&sub2;,Nd:YAG und Excimerlaser stellen die gebräuchlichsten Industrielaser mit einer hohen durchschnittlichen Leistung über den Wellenlängenbereich vom fernen Infrarot (CO&sub2; bei 10,6 um) zum nahen Infrarot (Nd:YAG bei 1,064 um) bis zum ultravioletten Excimer (XeCl bei 0,308 um, KrF bei 0,248 um und ArF bei 0,193 um) dar. Zum Erreichen hoher Entzunderungsraten ist es erforderlich, Laser mit einer sehr hohen Leistung zu verwenden. Viele der kommerziell erhältlichen Laser mit einer hohen durchschnittlichen Leistung, zum Beispiel größer als 1 KW, arbeiten in einem kontinuierlichen (CW, continuous wave) Modus. Der CW-Betrieb ist für die Zunderentfernung aufgrund der Absorption des einfallenden Laserstrahls durch die durch die entfernten elementaren Komponenten erzeugte Plasmawolke problematisch. Dies wird durch die relativ langen, mit der CW- Laserbearbeitung verbundenen Verweilzeiten verursacht. Dies wurde durch die von Schluter et al. durchgeführte Arbeit bestätigt, die in einem Artikel mit dem Titel "Descaling of Austenitic Steels by Laser Radiation" in Proc. ICALEO 94, Orlando, Fla. Oct. 17-20, 1994 veröffentlicht ist. In dem gleichen Artikel werden Daten präsentiert, die zeigen, dass sogar gepulste CO&sub2;-Laser bei der Oxidentfernung unwirksam sind, da die Pulsdauer lang genug für eine Wechselwirkung des einfallenden Laserstrahls mit der erzeugten Plasmawolke ist, so dass ein Teil der einfallenden Laserenergie durch dieses Plasma absorbiert wird und dadurch kein zusätzliches Oxid entfernt. Das Nettoergebnis ist eine niedrige Entzunderungsrate. Wehner et al. offenbaren in einem Artikel mit dem Titel "Ablation of Oxide Layers on Metallic Surfaces by Excimer Laser Radiation", Proc. ECLAT 90, V2, pp. 917, dass kurze Pulse von zum Beispiel 10-250 Nanosekunden von einem Excimerlaser wirksamer beim Entfernen der Oxidschichten sind, aber diese Laser sind nur mit einer geringen durchschnittlichen Leistung, von zum Beispiel weniger als 250 W, und niedrigen Wiederholungsraten, d. h. niedriger als 1 KHz, erhältlich. Eine einfache "ball park"-Abschätzung durch den Anmelder, die auf der Überwindung der Verdampfungsenergie der Oxidschicht basiert, zeigt, dass zur Entfernung einer 5 um dicken Aluminiumoxidschicht von einer Seite einer 1 m breiten Aluminiumoberfläche, die sich mit 31 m/min bewegt, eine durchschnittliche Laserleistung von 100 KW erforderlich ist. Obwohl ein 45 KW CO&sub2;-Laser von Trans Tec/Convergent Energy kommerziell erhältlich ist, arbeitet er in einem CW-Modus. Somit würde die gewünschte Entzunderungsrate, sogar wenn zwei dieser 45 KW-Laser zur Abdeckung einer 1 m breiten Aluminiumoberfläche verwendet werden würden, aufgrund der oben erwähnten Plasmaabsorptionsprobleme, die mit CW-Lasern oder mit Lasern mit einer langen Pulsweite verbunden sind, nicht erreicht werden. Diese Art von Leistung von Excimerlasern mit einer kurzen Pulsweite zu erhalten ist nur durch Verwendung einer großen Anzahl von zum Beispiel 400 Lasern möglich, von denen jeder irgendeinen kleinen Bruchteil der gewünschten Gesamtbreite des Materials behandelt. Somit sind konventionelle Industrielaser für die wirtschaftliche Entfernung von Stahloxidschichten nicht geeignet.
Ein Hauptnachteil dieser aus dem Stand der Technik bekannten Laserentzunderungsverfahren besteht darin, dass eine vollständige Entfernung des Zunders von einem sich mit einer hohen Geschwindigkeit bewegenden Stahband nicht möglich war. Alternativ dazu besteht aufgrund der niedrigen Bandgeschwindigkeiten, die für eine vollständige Entfernung des Zunders durch konventionelle Lasertechnologie erforderlich sind, keine wirtschaftliche Rechtfertigung für den Einsatz dieser Art der Zunderentfernung.
Die US 4 720 621 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zu Entfernung von Oxid von einer Metalloberfläche, insbesondere von der Oberfläche eines Metallbandes unter Verwendung eines Lasers, zum Beispiel eines CO&sub2;-Lasers zur Erzeugung kohärenter Strahlung mit einer hohen Pulswiederholungsrate von 13,5 bis 27 MHz, einer hohen durchschnittlichen Leistung von 25 kW und einer Oberflächenleistungsdichte von 10 MW/cm² am Kontaktpunkt mit der Metalloberfläche.
Demgemäß verbleibt ein Bedarf für ein Metalloxid-Entzunderungsverfahren, bei dem die Verwendung einer Säure, die ein Problem bei der umweltgerechten Entsorgung verursacht, nicht erforderlich ist. Es verbleibt ein Bedarf für ein Entzunderungsverfahren, bei dem ein oxidiertes Metallband, welches sich mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt, keiner Vorbehandlung zum mechanischen Entzundern zum Lösen des Zunder unterzogen werden muss, um die vollständige Entfernung zu gewährleisten. Es wird ein Laserverfahren benötigt, das die Zunderschicht wirtschaftlich entfernen kann. Um dies zu erreichen, muss der Laser eine hohe durchschnittlichen Leistung haben, so dass er das Oxid bei Liniengeschwindigkeiten entfernen kann, die mit denjenigen vergleichbar sind, die mit dem konventionellen Abbeizen mit Säure erzielt werden, ohne dass die Verwendung einer Säure und/oder ein mechanisches Entzundern zur Unterstützung der Entfernung des Metalloxids von dem Metallband erforderlich ist. Weiterer Bedarf besteht für eine Effizienz des Lasers bei der Entfernung des Oxids, so dass eine minimale Anzahl von Laserphotonen benötigt wird. Um dies zu erreichen, muss der Laser eine sehr kurze Pulsweite aufweisen, eine hohe Wiederholungsrate haben und eine Wellenlänge aufweisen, die zur Erzielung der höchsten Zunderentfernungsrate ausgewählt werden kann. Weiterer Bedarf besteht für vernünftige Kapital- und die Betriebskosten des Lasers sind zur Sicherstellung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Verwendung von Laserstrahlung zur Entfernung des Oberflächenoxids eines Metalls mit einer minimalen zugeführten Energie pro Volumeneinheit das entfernten Oxids (Zunders).
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Entzunderungsverfahrens und einer Vorrichtung, die dazu in der Lage ist, eine Oxidschicht vollständig von einem Metall zu entfernen.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Entzunderungsverfahrens und einer Vorrichtung, die dazu in der Lage ist, eine Oxidschicht vollständig von einem Metallband zu entfernen, welches sich mit einer hohen Geschwindigkeitsrate (zum Beispiel größer als 30 m/min) bewegt.
Noch weitere Aufgaben der Erfindung umfassen die Bereitstellung eines Entzunderungsverfahrens und einer Vorrichtung, die die Notwendigkeit von Chemikalien beseitigt, die die Notwendigkeit einer Entsorgung der Chemikalien beseitigt, die die Notwendigkeit einer mechanischen Entfernung der Oxidschicht beseitigt und die die Notwendigkeit einer großen und kostspieligen Linie zum Abbeizen mit einer flüssigen Säure beseitigt.
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren (Ansprüche 1 und 10) und eine Vorrichtung (Anspruch 11) zur Verwendung von Laserstrahlung zur Entfernung von Oxidzunder von einem Metall. Das Verfahren umfasst die Verwendung von elektromagnetischer Strahlung mit einer sehr kurze Pulsweite von weniger als 1 ns, einer sehr hohen Pulswiederholungsrate von mindestens 1 kHz und einer sehr hohen durchschnittlichen Leistung von mindestens 1 kW. Die Laserstrahlung wird zum Fokussieren der Strahlung zu einem einfallenden Strahl mit einer Oberflächenleistungsdichte von mindestens ungefähr 5 MW/cm² am Kontaktpunkt mit der Metalloberfläche durch mindestens ein optisches Element geleitet. Der fokussierte Strahl erstreckt sich zur Entfernung des Oxids durch Verdampfen durch einen oder mehrere Laserpulse, um dadurch eine oxidfreie Oberfläche zu bilden, quer vollständig über die mit Oxid bedeckte Oberfläche des Metalls.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die oben erwähnte Laserstrahlung eine Photonenwellenlänge im ultravioletten Bereich aufweist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte optische Element eine Linse, ein Spiegel oder eine Kombination aus diesen ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte optische Element eine Kombination aus ausgerichteten Elementen ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte Element ein Mittel zur Teilung des Strahls in eine Mehrzahl von fokussierten Substrahlen umfasst, wobei jeder Substrahl eine Leistung hat, die kleiner ist als die des ursprünglichen, vom Laser ausgehenden Strahls.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte Element ein Mittel zur Homogenisierung eines jeden Substrahls zur Bereitstellung einer relativ gleichmäßigen räumlichen Leistungsverteilung über den fokussierten Strahl umfasst.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte Homogenisierungsmittel eine optische Kern-Mantel-Faser und eine Linse zum Fokussieren des Strahls in ein Ende der Faser umfasst.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte Homogenisierungsmittel eine lineare Zerstreuungslinse mit einem steilen Radius am Scheitelpunkt umfasst.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass der oben erwähnte Substrahl zu mindestens einer Linie fokussiert wird, die sich quer über die gesamte Breite der Metalloberfläche erstreckt, oder zu einem Punkt fokussiert wird, wobei der Punkt quer über die gesamte Breite der Metalloberfläche bewegt wird.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass der oben erwähnte Substrahl die Metalloberfläche in einem spitzen Winkel von 10-75º kontaktiert.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung umfasst den zusätzlichen Schritt, das zu einem Pulver verdampfte Oxid zu sammeln.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung umfasst den zusätzlichen Schritt, den Kontaktpunkt mit der Metalloberfläche und die oxidfreie Oberfläche mit einem nicht oxidierenden Gas zu schützen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die oben erwähnte Laserpulsweite kleiner als 100 Pikosekunden ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte Metall ein warmgewalztes oder geglühtes Band ist, das sich mit einer mit der Laserstrahl-Pulswiederholungsrate in Einklang stehenden Geschwindigkeit bewegt.
Ein weiteres Merkmal Erfindung ist, dass das oben erwähnte Metall ein Band ist, das sich mit einer Geschwindigkeit von mindestens 1 m/min bewegt.
Die Vorrichtung, wie sie im Anspruch 11 definiert ist, umfasst einen Laser, der dazu in der Lage ist, elektromagnetische Strahlung mit einer sehr kurzen Pulsweite, einer sehr hohen Pulswiederholungsrate und einer Oberflächenleistungsdichte des Strahls von mindestens ungefähr 5 MW / cm² zu erzeugen, mindestens ein optisches Element zum Fokussieren der Strahlung zu einem einfallenden Strahl und eine abgedichteten Wechselwirkungskammer zur Behandlung eines mit einem Oxid bedeckten, sich bewegenden Metallbandes, wobei die Kammer ein nicht oxidierendes Gas zur Entfernung von Oxidtrümmern und zum Schutz der so gereinigten Bandoberfläche enthält. Die Kammer umfasst ebenso einen geschlitzten Einlass zur Aufnahme des mit dem Oxid bedeckten Bandes, einen geschlitzten Auslass zur Durchführung eines gereinigten Bandes, mindestens ein langgestrecktes Fenster zur Aufnahme der Strahlung in der Kammer und ein Mittel zur Entfernung des verdampften Oxids aus der Kammer.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die oben erwähnte Laserstrahlung eine Photonenwellenlänge im ultravioletten Bereich aufweist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die oben erwähnte Kammer eine Abgasleitung zur Entfernung des nicht oxidierenden, mit verdampften Oxidtrümmern beladenen Gases aus der Kammer, einen Filter zur Entfernung der Trümmer als Pulver aus dem Gas und eine Rückführungsleitung zum Zurückführen des gereinigten Gases zu der Kammer umfasst.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die oben erwähnte Kammer ein Gebläse zum Zurückführen des gereinigten Gases durch die Rückführungsleitung umfasst.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die oben erwähnte Kammer eine Düse zum Leiten des Gases in die Kammer umfasst.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte optische Element mindestens eine Linse, einen Spiegel, oder eine Kombination aus diesen umfasst.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte optische Element eine Mehrzahl von ausgerichteten Elementen ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte optische Element ein Mittel zur Teilung des Strahls in eine Mehrzahl von fokussierten Substrahlen umfasst und die Kammer eine entsprechende Anzahl von Fenstern umfasst, wobei jedes Fenster zur Aufnahme eines der Substrahlen der Strahlung dient.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte optische Element Mittel zur Homogenisierung der Strahlung zur Bereitstellung einer relativ gleichmäßigen räumlichen Verteilung der Leistung über den fokussierten Strahl umfasst.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte optische Element Homogenisierungsmittel mit einer linearen Zerstreuungslinse mit einem steilen Radius an einem Scheitelpunkt umfasst.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass das oben erwähnte optische Element Homogenisierungsmittel mit einer Linse und einer optischen Kern-Mantel-Faser umfasst, wobei die Linse zur Fokussierung des Strahls in ein Ende der Faser dient.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass der oben erwähnte Strahl zu einer Linie fokussiert wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung umfasst die Vermeidung des Abbeizens mit einer flüssigen Säure zu Entfernung von Zunder von einem Metall. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, ein Entzunderungsverfahren bereitzustellen, das das Oxid verdampft, so dass die Oxidtrümmer zur Entsorgung auf einfache Art und Weise gesammelt werden können. Weitere Vorteile umfassen die Bereitstellung eines Laser-Zunderentfernungsverfahrens, das aufgrund der Kombination aus einer hohen durchschnittlichen Laserleistung, einer hohen Pulswiederholungsrate, einer sehr kurzen Pulsweite und der Fähigkeit, eine optimale Laserwellenlänge zu wählen, schneller ist als andere bekannte Laserentfernungsverfahren. All diese Lasereigenschaften können von einem Leitungselektronenlaser mit einer hohen durchschnittlichen Leistung erhalten werden.
Die oben erwähnten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei einer Berücksichtigung der detaillierten Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Systems zur Bereitstellung einer fokussierten Linie zum Entzundern eines Metallbandes gemäß der Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer generischen Strahlhomogenisierungseinrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer in der in der Fig. 2 dargestellten Strahlhomogenisierungseinrichtung verwendeten Kern- Mantel-Faser,
Fig. 4A zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Systems zum Fokussieren von Strahlung zu einer Linie mit einer gleichmäßigen Intensität,
Fig. 4B zeigt eine grafische Darstellung der Intensitätsverteilung der Strahlung in Fig. 4A entlang der Länge der projizierten Linie,
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und stellt ein Lasersystem zum Entzundern eines Metallbandes dar,
Fig. 6 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht einer Kammer zur Entfernung von verdampftem Zunder gemäß der Erfindung,
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht des Detailbereichs um die in der Fig. 6 dargestellte Strahlreaktionszone und stellt das Wegspülen verdampfter Zundertrümmer durch ein Inertgas dar,
Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht der in der Fig. 6 dargestellten Redaktionszone,
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und stellt ein optisches Spiegelsystem zum Fokussieren von Strahlung zu einer Linie zum Entzundern eines Metallbandes gemäß der Erfindung dar,
Fig. 10A zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines optischen Laser-Entzunderungssystems gemäß der Erfindung und stellt ein Refraktionsflachfeldlinsen- Rasterabtastsystem zum Fokussieren von Laserstrahlung zu einem Punkt zur Entfernung des Zunders von einem Metallband dar,
Fig. 10B zeigt eine perspektivische Ansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines optischen Laser-Entzunderungssystems gemäß der Erfindung und stellt ein telezentrisches Reflexionsspiegel- Rasterabtastsystem zum Fokussieren von Laserstrahlung zu einem Punkt zur Entfernung des Zunders von einem Metallband dar, Fig. 100 stellt den einfallenden, fokussierten, elliptischen, in der Fig. 10B gezeigten Punkt detailliert dar.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Verwendung eines Lasers zur Entfernung von Oxid, wie zum Beispiel Zunder von einem Metall, wie zum Beispiel einem Stahlband. Das Verfahren umfasst die Verwendung elektromagnetischer Strahlung mit einer sehr kurzen Pulsweite, einer sehr hohen Pulswiederholungsrate und einer hohen durchschnittlichen Leistung und das Leiten des Strahls durch eine Reihe von ausgerichteten optischen Elementen, wie zum Beispiel zylindrische Linsen, Spiegel oder eine Kombination aus diesen zum Fokussieren des Strahls zu einem. Punkt, der vollständig quer über ein sich bewegendes Metallband projiziert wird. Alternativ dazu kann die Strahlung zunächst durch ein Mittel zur Homogenisierung zur Bildung eines Strahls mit einer gleichmäßigen Intensität geleitet werden. Anschließend kann der homogenisierte Strahl dann durch die ausgerichteten optischen Elemente geleitet werden, um den Strahl zu einer geraden Linie zu fokussieren, die vollständig quer über ein sich bewegendes Metallband projiziert wird. Eine Oberflächenbereichsleistungsdichte am Einfallspunkt der Laserstrahlung mit der mit Oxid bedeckten Bandoberfläche beträgt mindestens 5 MW/cm². In Abhängigkeit der durchschnittlichen Leistung des Laserstrahls kann der Strahl in eine Reihe von Substrahlen mit einer geringeren Leistung geteilt werden, von denen jeder zu einer Linie oder zu einem Punkt fokussierten wird, deren/dessen Länge/Durchmesser geringer ist, als die volle Bandbreite. Jedoch wäre eine ausreichende Anzahl von Strahlteilern und zylindrischen Fokussierungsoptiken oder Punktabtastoptiken vorhanden, so dass die gesamte Bandbreite durch diese Reihe von quer benachbarten, fokussierten Substrahlen abgedeckt wäre, so dass die mit Oxid bedeckten Oberfläche entlang dieses Bandbreitenabschnitts vollständig entzundert wird, indem molekulare Schichten des Oxids während eines jeden Strahlungspulses verdampft werden. Jede Teilung eines Strahls in einen Substrahl verringert die Leistung des ursprünglichen Hauptstrahls um den Kehrwert der Anzahl der Substrahlen.
Eine abgedichtete Vorrichtung entfernt die verdampften Oxidtrümmer, so dass sich die Partikel nicht wieder auf der sauberen, entzunderten Oberfläche anlagern. Die Vorrichtung enthält ein nicht oxidierendes Schutzgas wie zum Beispiel Helium oder Argon, das zum Abtransportieren der verdampften Metalloxidpartikel über die Reaktionszone des fokussierten Strahls oder den Oberflächenkontakt des Strahls geblasen wird. Ebenso ist eine Vakuumabgasleitung aus der Entzunderungskammer vorhanden, die das die verdampften Trümmer transportierende Inertgas durch einen Filter abzieht, wo die Trümmer als Pulver für eine eventuelle Entfernung abgelagert werden. Das Inertgas kann dann in die Kammer zurückgeführt werden. Der Einfallswinkel des auftreffenden, fokussierten Laserstrahls ist vorzugsweise nicht senkrecht zur Bandoberfläche, sondern ist zur Verringerung der Wechselwirkung der einfallenden Laserstrahlung mit der durch die verdampften Trümmer erzeugten Strahlwolke und einer möglichen Absorption, ein spitzer Winkel.
Die Entfernung der gesamten Tiefe der Oxidschicht wird durch das Zuführen vieler Pulse der Laserstrahlung an der gleichen fokussierten Strahlposition erreicht. Jeder Puls verdampft eine molekulare Oxidschicht bis die Grundmetallschicht erreicht ist. Dies wird durch die Verweilzeit des Strahls an jeder Position gesteuert, wie sie durch die Pulswiederholungsrate und die Liniengeschwindigkeit der sich durch die Länge des fokussierten Laserstrahls bewegenden Bandoberfläche bestimmt wird. Die Tiefe des entfernten Oxids kann ebenso durch Einstellen der gesamten durchschnittlichen Laserleistung mittels veränderlicher Dämpfer und, für eine festgelegte Pulswiederholungsrate, die in jedem Puls zugeführten Energie gesteuert werden.
Der erfindungsgemäße Laser weist die einmaligen Eigenschaften auf, die Entfernung von Metalloxid (Zunder) mit einer wirtschaftlich attraktiven Rate mit einer minimalen Anzahl von Lasern zu ermöglichen. Der Laser erzeugt elektromagnetische Strahlung mit einer sehr kurzen Pulsweite, zum Beispiel geringer als 1 Nanosekunden, einer sehr hohen Pulswiederholungsrate, zum Beispiel größer als 1 Million Pulse pro Sekunde und einer frohen durchschnittlichen Leistung, zum Beispiel 1-1000 KW durchschnittliche Leistung. Ein Beispiel dieses Lasertyps ist ein Leitungselektronenlaser (FEL, free electron laser). Ein weiterer Vorteil des Leitungselektronenlasers besteht darin, dass er zum Betrieb innerhalb eines breiten Bereichs von Wellenlängen im nahen UV-, im sichtbaren und im nahen IR-Teil des Spektrums angepasst werden kann. Da angenommen wird, dass kürzere Wellenlängen, zum Beispiel im UV-Teil des Spektrums effizienter von der Zunderschicht adsorbiert werden und somit zu höheren Entzunderungsraten führen wird der erfindungsgemäße Leitungselektronenlaser so betrieben, dass die Strahlung eine Photonenwellenlängen im ultravioletten Bereich aufweist. Jedoch wird ebenso angenommen, dass der Laser bei Wellenlängen in den sichtbaren, in den nahen IR- und in den mittleren IR-Bereichen des elektromagnetischen Spektrums betrieben und ebenso eine effizienten Zunderentfernung erhalten werden kann.
Ein Leitungselektronenlaser erfordert den Betrieb eines Elektronenstrahlbeschleunigers. Elektronenbündel werden in den Beschleuniger injiziert. Ein akzeptiertes Verfahren ist die Verwendung eines Lasers mit einer geringen durchschnittlichen Leistung, wie er zum Beispiel von Benson et al. in einen Artikel mit dem Titel "Development of an Accelerator Ready Photo Cathode Drive Laser at CEBAF", Process Particle Accelerator Conference, 1995, Dallas, Texas offenbart ist, der hier durch Zitat eingeschlossen ist, um auf ein Targetmaterial einzuwirken und dadurch Elektronen freizusetzen. Dieses Photokathodenverfahren erzeugt Elektronenbündel, die dann durch verschiedene supraleitende RF-Module auf Geschwindigkeiten beschleunigt werden, die sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegen. Diese Elektronenbündel mit einer relativistischen Energie bewegen sich durch einen "Wackler"-Abschnitt; der aus abwechselnd ausgerichteten, festen Magnetfeldern besteht, von denen jedes eine Lorentzkraft senkrecht zur Bewegungsrichtung des Elektronenbündels ausübt. Das nächste in dem "Wackler" auftretende Magnetfeld übt ein Feld aus, das entgegengesetzt zu dem vorhergehenden gerichtet ist, so dass das Elektronenbündel nun eine Lorentzkraft senkrecht zur Bewegungsrichtung aber in einer Richtung von 180 Grad zu dem gerade aufgetretenen erfährt. Somit wird die Flugbahn des Elektronenbündels entlang seiner Hauptbewegungsrichtung durch den "Wackler" nach hinten und nach vorne "bewegt" ("wiggled"). Da das Elektron ein geladenes Teilchen ist, verursachen die Querbeschleunigungen, die die Elektronenbündel erfahren, wenn sie durch den Wackler geleitet werden, die Emission elektromagnetischer Strahlung. Diese Strahlung wird durch Spiegel verstärkt, die in geeigneter Art und Weise in der Bewegungsrichtung des Elektronenbündels angeordnet sind. Diese Strahlung verursacht den eigentlichen Laserstrahl, der durch die quer beschleunigten, sich frei bewegenden Bündel von Elektronen erzeugt wird. Für eine attraktive industrielle Einrichtung muss es möglich sein, dass eine kontinuierliche Erzeugung dieser Bündel erfolgt, so dass von dem Laser eine hohe durchschnittliche Leistung erzielt werden kann. Jedes Elektronenbündel, das sich durch jeden Magneten des "Wackler" bewegt, erzeugt einen Laserstrahlungspuls. Je mehr Elektronen in dem Bündel enthalten sind, desto höher ist die pro Laserpuls abgegebene Energie; und je mehr Bündel vorhanden sind, desto höher ist die Pulswiederholungsrate und somit die durchschnittliche Laserleistung. Somit ist ein hoher durchschnittlicher Elektronenstrahlstrom ein Schlüssel zu einem Laser mit einer hohen durchschnittlichen Leistung. Dies bedeutet, dass die Laser- Photokathode so viele Elektronen in jedem Bündel wie möglich mit einer Wiederholungsrate erzeugen sollte, die so hoch wie möglich ist. Wenn dies auf einer kontinuierlichen Basis erfolgt, dann ergibt sich ein Laser mit einer hohen durchschnittlichen Leistung bei einer hohen Pulswiederholungsrate. Obwohl mehrere Leitungselektronenlaser auf der Welt gebaut wurden, erzeugt keiner eine hohe durchschnittliche Leistung oder ist zu einem kontinuierlichen Langzeitbetrieb in der Läge. Ein kontinuierlich betriebener FEL mit durchschnittlich 100 KW erlaubt die Durchführung des Laserentzunderns mit wirtschaftlich attraktiven Raten.
Die Zunderschicht wird entfernt, indem mit jedem Puls molekulare Schichten das Oxids verdampft werden. Mit Verdampfung ist gemeint, dass der Laserpuls genügend Energie liefert, um die Temperatur des Oxids auf die Verdampfungstemperatur zu erhöhen, während die Bindungsenergie und anschließend die Verdampfungsenergie des Oxids überwunden wird. Es versteht sich ferner, dass die Verdampfungsentzunderung ebenso die Entfernung des Oxids durch eine explosive Schockwelle, eine Freisetzung des gebundenen Sauerstoffs in Gasform zum Blasen der Oxidschicht von dem Metallsubstrat und jeden anderen Mechanismus umfassen kann, der die sehr kurze Pulsweite und die von dieser Art von Laser erzeugte hohe Spitzenleistung nutzt. Ein potenzieller Vorteil der sehr kurzen Pulsweite und der hohen Spitzenleistung pro Puls besteht darin, dass ein Schockwellenmechanismus oder ein anderer Mechanismus, zum Beispiel die Freisetzung des in dem Oxid gebundenen Sauerstoffs in Gasform, eine höhere Entzunderungsrate ermöglichen kann, als durch einfache thermische Erwägungen allein vorhergesagt wird.
Ein FEL-Laser von dem in dieser Erfindung verwendeten Typ wird bei der Thomas Jefferson National Accelerator Facility (dem Jefferson LAB) gebaut. Der Laser ist in einem Bericht im Department of Energy Review mit dem Titel "Free Electron Lasers for Industry", Volume I, Mai, 1995 beschrieben, der hier durch Zitat eingeschlossen ist. Das Jefferson LAB befindet sich in Newport News, Virginia und wird von der Southeastern Universities Research Association (SURA) für die DOE betrieben. Zwei Schlüsselmerkmale dieses Lasers sind, im Gegensatz jedem anderen FEL, der kontinuierliche Betrieb und die hohe durchschnittliche Leistung. Diese Merkmale sind für die Nutzung eines derartigen Lasers für jeden kontinuierlichen industriellen Hochgeschwindigkeitsprozess, wie zum Beispiel das Laserentzundern wesentlich.
Für diese Erfindung versteht es sich, dass eine sehr kurze Pulsweite eine Zeitdauer von weniger als 1 Nanosekunde, vorzugsweise eine Pulsweite von weniger als 100 Pikosekunden, besonders bevorzugt von weniger als 10 Pikosekunden und insbesondere bevorzugt von weniger als 6 Pikosekunden bedeutet. Eine Pulsweite, die so kurz wie 1 Femtosekunde ist, kann möglich sein. Diese sehr kurze Pulsweite ist ein Schlüsselmerkmal, das für die effiziente Zunderentfernung erforderlich ist. Die Fähigkeit, jedes Material mit Laserstrahlung zu verdampfen, hängt von der Zuführung einer ausreichend hohen Oberflächenbereichsleistungsdichte von mehr als ungefähr 5 Millionen Watt/cm² (5 MW/cm²) ab. Die Leistung pro Puls wird berechnet, indem die Pulsenergie durch die Pulsweite dividiert wird. Die Oberflächenbereichsleistungsdichte pro Puls wird dann bestimmt, indem die Pulsenergie durch den Bereich des fokussierten Laserpunkts dividiert wird. Somit ist die Energie pro Puls, die zur Erzielung einer ausreichenden Oberflächenleistungsdichte zur Verursachung der Verdampfung erforderlich ist, umso niedriger, je kleiner die Pulsweite ist. Selbstverständlich wird die durch jeden Puls verdampfte Menge an Material durch die Gesamtenergie in jedem Laserpuls bestimmt. Wenn zum Beispiel in einem einzigen Puls von einem 1 KW FEL- Laser, der mit einer Wiederholungsrate von 30 Millionen Pulsen pro Sekunde (30 MHz) betrieben wird, nur 33,3 Mikrojoule Energie enthalten sind, können zur Entfernung einer 5 Mikrometer dicken Schicht aus Eisenoxid über einen Oberflächenbereich von 2 cm² einhunderttausend Pulse erforderlich sein. Jedoch wird dieser 2 cm²- Bereich bis zu der Tiefe von 5 Mikrometern in 1/30 einer Sekunde entzundert, da die Wiederholungsrate so hoch ist. Wenn die durchschnittliche Laserleistung größer wird, ist in jedem Puls mehr Energie enthalten, so dass jeder Puls nun ein größeres Oxidvolumen verdampfen kann, wodurch die Gesamtzunderentfernungsrate erhöht wird. Wenn die durchschnittliche Laserleistung auf 100 KW erhöht wird, sollte es möglich sein, einen Oberflächenbereich von 200 cm² in dem gleichen 1/30 einer Sekunde bis zu der gleichen Tiefe von 5 Mikrometern zu entzundern.
Ein weiterer, durch die sehr kurze Pulsweite realisierter Schlüsselvorteil ist die Fähigkeit, eine Oxidschicht mit der Energie von dem Puls effizient zu entfernen, bevor ausreichend Zeit für die Entwicklung einer Plasmawolke vorhanden ist, die einen bedeutenden Anteil des einfallenden Laserpulses absorbiert, und dadurch die Rate, mit der der Zunder von der Oberfläche entfernt werden kann, verringert. Die molekularen Schichten des Oxids werden in einem Zeitrahmen von einer Pikosekunde entfernt und anschließend von einem Inertgasspülstrom weggespült, bevor der nächste Laserpuls zur Entfernung der nächsten molekularen Oxidschichten eintrifft. Diese erlaubt es, die volle durchschnittliche Laserleistung ohne Energieverlust aufgrund der Wechselwirkung des Strahls mit dem Plasma zur Oxidentfernung zu nutzen. Dies ist ein Schlüsselvorteil im Vergleich zum Betrieb eines kontinuierlichen (CW, continuous wave)-Lasers. Die Pulsweite liegt in dem Bereich von 1 Femtosekunde bis 100 Pikosekunden.
Für diese Erfindung versteht es sich, dass mit einer sehr hohen Pulswiederholungsrate eine Rate von mindestens 1 KHz gemeint ist, wobei ungefähr 1 MHz (eine Million Pulse pro Sekunde) wünschenswert ist. Vorzugsweise wird eine Pulsfrequenz von mehr als 10 MHz empfohlen, da die Energie pro Puls durch die Anzahl der Elektronen in jedem Bündel, das sich durch den Wackler des Leitungselektronenlasers bewegt, begrenzt ist. Besonders bevorzugt beträgt die Pulswiederholungsrate mindestens 30 MHz und insbesondere bevorzugt mindestens 40 MHz und bis zu 1 GHz (1 Billion Pulse pro Sekunde) könnte möglicherweise eingesetzt werden. Eine hohe durchschnittliche Energie in dem Laserstrahl ist erwünscht, da dies die Entzunderungsrate bestimmt. Berechnungen zeigen, dass zur Entzunderung mit einer wirtschaftlichen Rate eine Laserstrahlleistung von ungefähr 100 KW erforderlich ist. Somit ist die Pulswiederholungsrate multipliziert mit der Energie pro Puls gleich der durchschnittlichen Leistung des Laserstrahl. Wenn die Energie pro Puls zum Beispiel 3,33 Millijoule (0,00333 Joule) beträgt, dann sollte die Pulswiederholungsrate 30 MHz betragen, so dass die Gesamtleistung des Strahls 100 KW beträgt. Wenn die Energie pro Puls durch Injektion einer viel größeren Anzahl von Elektronen in jedes Bündel, das in den Elektrodenbeschleuniger kreist, auf 3,33 Joule erhöht werden kann, dann kann die Pulswiederholungsrate auf 30 KHz gesenkt werden und immer noch eine durchschnittliche Gesamtleistung des Strahls von 100 KW erhalten werden.
Für diese Erfindung versteht es sich, das mit einer hohen Leistung eine durchschnittliche Leistung von mindestens 1 KW gemeint ist. Vorzugsweise ist die Leistung größer als 1 KW, besonders bevorzugt mindestens 10 KW und insbesondere bevorzugt mindestens 100 KW. Eine Leistung von 100 KW ist erwünscht, um die Laserentfernung der Oxidschicht zu einem attraktiven, wirtschaftlichen Prozess zu machen. Obwohl eine niedrigere durchschnittliche Laserleistung die Oxidschicht ebenso entfernt, führt dies zu einer langsamen Entfernungsrate, die eine große Anzahl von Lasern erfordert, um eine hohe Entfernungsrate zu erhalten.
Für diese Erfindung versteht es sich, dass mit Metall jedes Metall gemeint ist, das während der Warmbearbeitung, wie zum Beispiel Warmschmieden, Warmwalzen, Glühen und dergleichen oxidiert werden kann. Derartigen Metalle können auf Eisen basierende Werkstoffe, wie zum Beispiel Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt, Stahl mit einem mittleren und einem hohen Kohlenstoffgehalt, mit Nickel legierten Stahl, mit Chrom legierten Stahl, rostfreien Stahl, Elektrostahl sowie Nichteisenmetalle, wie zum Beispiel Nickel, Aluminium, Kupfer, Titan und Legierungen davon umfassen. Das Metall kann sich in einem gegossenen oder in einem bearbeiteten Zustand befinden, wie zum Beispiel als kontinuierliches Band, als Blech, als Folie, als Stab, als Klotz, als Flachgut, als Draht, als Gussteile und dergleichen. Für Eisenmetalle ist das Metalloxid oder der Zunder hauptsächlich Eisenoxid.
In der Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 20 eine gepulste elektromagnetische Strahlung, die auf ein optisches Element oder mehrere optische Elemente, wie zum Beispiel eine erste sphärische Zerstreuungslinse 22 fällt. Obwohl die gepulste Strahlung 20 mit einem quadratischen Querschnitt dargestellt ist, versteht es sich, dass dieser unfokussierte ursprüngliche Strahl andere Querschnittsformen, wie zum Beispiel ein Rechteck, einen Kreis, eine Ellipse und dergleichen aufweisen kann. Wie im folgenden detaillierter diskutiert werden wird, ist es wichtig, dass der Strahl 20 über die räumliche Erstreckung des Strahls eine gleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist. Ein divergierender Strahl 24 elektromagnetischer Strahlung wird dann durch eine erste zylindrische Linse 26 geleitet, um den Strahl 24 zu einem kollimierten Strahl 28 in einer vertikalen x-Richtung 48 zu kollimieren. Der vertikal kollimierte Strahl 28 wird dann zum Kollimieren des Strahls in einer horizontalen y-Richtung 50 zu einem Strahl 32 durch eine zweite zylindrische Linse 30 geleitet. Der Strahl 32 ist nun sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Richtung durch den anamorphen Hochkollimator, der durch die Kombinationen der Linsen 22, 26 und 30 erzeugt wird, kollimiert. Durch eine kluge Wahl der Brennweiten und der Abstände dieser drei Linsen ist es möglich, die horizontale Größe und den Grad der horizontalen Kollimation und die vertikal Größe und den Grad der vertikalen Kollimation des das Element 30 verlassenden Strahls 32 unabhängig einzustellen. Der Strahl 32 wird dann durch eine dritte zylindrische Linse 34 geleitet, um den Strahl 32 zu einem einfallenden Strahl 36 zu fokussieren, welcher als gerade Linie 38 fokussiert ist, die quer vollständig über eine schmutzige und mit einem Oxid bedeckte Oberfläche 44 eines Metallbandes 40 projiziert wird, welches eine durch einen Pfeil 42 angezeigte Bewegungsrichtung hat. Der einfallende Strahl 36 reinigt die Bandoberfläche 44 unter Bildung einer oxidfreien Oberfläche 46.
Die Länge der quer fokussierten Linie 38 kann jeden gewünschten Wert aufweisen, der durch die physikalische Länge der ausgerichteten optischen Elemente 30 und 34 in Querrichtung und die Wahl der Brennweiten und der Abstände der ausgerichteten optischen Elemente 22, 26 und 30 begrenzt wird. Vorzugsweise bewegt sich das Band 40 vertikal in Richtung der Schwerkraft.
Fig. 1 zeigt die Entfernung des Zunders von nur einer Seite des Bandes 40. Normalerweise weist ein Metallband auch auf der anderen Seite Zunder auf, wobei beide Seiten gereinigt werden müssen. Es versteht sich, dass eine Seite des Bandes durch ein laseroptisches System, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, gereinigt werden kann, das Band zu einer Rolle aufgewickelt werden kann und die Rolle dann zur Reinigung der anderen Seite des Bandes erneut durch das Reinigungssystem geleitet werden kann. Alternativ dazu können zwei laseroptische Systeme, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, zur gleichzeitigen Reinigung beider Seiten des Bandes angeordnet sein, wobei die Strahlung eines Systems auf eine Oberfläche des Bandes fällt und die Strahlung des anderen Systems auf die andere Oberfläche des Bandes fällt.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist, dass die Länge der fokussierten Laserlinie über ihre Länge eine gleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist. Dies stellt sicher, dass die gesamte Oxiddicke entlang der Länge der fokussierten Linie gleichmäßig entfernt wird. Zur Erzielung dieser gleichmäßigen Entfernung gibt es in Abhängigkeit davon, welcher Typ des optischen Systems verwendet wird, mehrere Verfahren, die eingesetzt werden können. Ein allgemeiner Strahlhomogenisierer ist in der Fig. 2 gezeigt. Ein Laserstrahl 56 mit voller Leistung kann eine Gauss-Verteilung 58 (TEM&sub0;&sub0;), einen Donut- Modus (TEM&sub0;&sub1;) oder eine räumliche Energieverteilung mit einem Modus höherer Ordnung aufweisen. Die Funktion eines Strahlhomogenisierers 60 besteht darin, einen Strahl 56 in einen Strahl 62 umzuwandeln, der eine gleichmäßige Energieintensitätsverteilung über die räumliche Ausdehnung des Strahls aufweist. Dies ist eine quadratische oder Hutverteilung 64. Eine Möglichkeit dies zu erzielen, besteht darin, den Strahl in eine optische Kern-Mantel-Faser zu fokussieren.
Fig. 3 zeigt einen kollimierten Ursprungsstrahl 56 von einem Laser 54, der durch eine Linse 66 in das Ende einer optischen Kern- Mantel-Faser 68 fokussiert wird. Die Mehrfachreflexionen im Inneren, die auftreten, wenn sich der Strahl entlang der Länge der Faser fortpflanzt, überlappen einander, was dazu führt, dass eine gleichmäßige räumliche Energieverteilung 70 aus der Faser austritt. Am Ausgang der Faser ist eine weitere Linse 72 zum Rekollimieren des Strahls angeordnet. Wenn ein Ursprungsstrahl 56 eines Leitungselektronenlasers durch Strahlteiler in Substrahlen mit einer vernünftigen Leistung von zum Beispiel jeweils nicht mehr als 10 KW geteilt wird, dann kann jeder Substrahl zur Erzielung der gleichmäßigen räumlichen Energieverteilung in eine Faser fokussierten werden. Jedoch kann der Leitungselektronenlaser über einen ziemlich großen Wellenlängenbereich eingestellt werden. Eine Faser mit einer geringen Dämpfung, die einen vernünftigen Preis hat, ist nur praktisch einsetzbar, wenn die Laserwellenlänge im nahen UV-, im sichtbaren und im nahen IR-Bereich des Spektrums liegt. Vorzugsweise hat die Strahlung eine Photonenwellenlänge im ultravioletten Bereich.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Homogenisierung eines Laserstrahls unter Verwendung einer Linienprojektion ist in Fig. 4A dargestellt. Dieses optische System verwendet eine speziell gestaltete lineare Zerstreuungslinse 74, die die Gestalt eines Prismas mit einem relativ scharfen Radius am Scheitelpunkt hat. Eine derartige Linse ist in dem US-Patent 4,826,299 offenbart. Sie dehnt den Laserstrahl 20 nur in einer Richtung aus, so dass ein Keil aus Laserstrahlung 76 gebildet wird, welcher eine gleichmäßige Intensitätsverteilung entlang seiner Quer- oder y-Richtung 50 aufweist. Die Linienlänge 86 steigt linear in der y-Richtung, wenn die Strahlung von der Linse weg in eine z-Richtung 52 divergiert. Eine Intensitätsverteilung 82 entlang der Linienlänge ist nicht perfekt gleichmäßig, sondern weist eine gewisse Variation 84 auf, wie in Fig. 4B gezeigt ist. Eine zusätzliche plankonvexe zylindrische Linse 78 wird durch die projizierte Laserlinie 80 bestrahlt, so dass der Laserstrahl scharf zu einer Linie 38 auf der Oberfläche der zu entfernenden Oxidschicht fokussiert wird. Die Gestaltung der Zerstreuungslinse 74 muss den Einfallsdurchmesser des Laserstrahl einschließen. Die Linienprojektorlinse muss auf der Basis der Wellenlänge der Laserstrahlung, die durch sie geleitet wird, aus einem geeigneten Material bestehen. Dies dient der Vermeidung einer Absorption der Laserstrahlung, wenn sie durch die Projektorlinse gebrochen wird. Wenn beispielsweise die Wellenlänge des Leitungselektronenlasers auf 1 Mikrometer im nahen Infrarotbereich des Spektrums eingestellt wird, dann kann zum Aufbau des Laserlinienprojektors Quarzglas oder BK7 verwendet werden. Dieses Material muss für die Laserwellenlänge auch anti-reflexionsbeschichtet ein. Wenn die Wellenlänge im Bereich von 2-7 Mikrometer im mittleren Infrarotbereich des Spektrums liegt, dann können Kalziumfluorid, Magnesiumfluorid, Zinksulfid oder Zinkselenid für die Laserlinienprojektorlinse verwendet werden. Die abschließende Fokussierungslinse 78 besteht ebenso aus dem gleichen Material und ist zur Minimierung von Laserverlusten durch Absorption bzw. Reflexion antireflexionsbeschichtet. Die Breite der fokussierten Laserlinie wird durch die Brennweite dieser abschließenden zylindrischen Linse 78 gesteuert. Die Länge der Laserlinie wird dadurch bestimmt, wie weit die Linienprojektorlinse 78 von der abschließenden oxidbedeckten Metalloberfläche entfernt ist. Die abschließende zylindrische Fokussierungslinse 78 kann durch eine Kombination aus einem langen, rechteckigen, flachen Spiegel 168 zum Umlenken der Linie aus Laserstrahlung und einem abschließenden zylindrischen, konkaven Fokussierungsspiegel 170 ersetzt werden, wie zum Beispiel in Fig. 10B gezeigt ist.
Durch das Brechungslinsen-Verfahren kann die volle Leistung, zum Beispiel 100 KW, eines Laserstrahls in eine Mehrzahl von Substrahlen geteilt werden. Fig. 5 zeigt ein Paar von Substrahlen, die die volle Breite eines Metallbandes 40 abdecken, wobei jeder Strahl eine Hälfte der Bandbreite abdeckt. Es versteht sich, dass dieses Konzept ausgedehnt werden kann, um jede Anzahl von Substrahlen zu umfassen. Wenn der Strahl zum Beispiel in zehn Substrahlen geteilt wird, würde jeder Substrahl ein Zehntel der Breite des Metallbandes entzundern. Die Ausführungsform in Fig. 5 umfasst eine abgedichtete Wechselwirkungskammer 90 mit einem abgedichteten Einlass zur Aufnahme des Bandes 40, einem abgedichteten Auslass 92 und einem Paar von abgedichteten Fenstern 93, die das Leiten von Strahlen 36 in die Kammer ermöglichen. Die Kammer 90 umfasst ebenso eine Abgasleitung 94 zum Leiten von entfernten Zundertrümmern zu einer Filtereinheit 96, eine Zufuhrleitung 98, ein Gebläse 100 zur Zirkulation eines nicht oxidierenden Gases durch eine Gasrückführungsleitung 102 in eine Rückführungsöffnung 104 in der Kammer 90. Das Gas wird der Aufnahme der in einem Filter abgelagerten Zundertrümmer durch das Gebläse 100 rezirkuliert und in die Kammer 90 zurückgeführt. Jeder Substrahl 20 wird durch einen der oben in Fig. 1 beschriebenen anamorphen Hochkollimatoren (Linsen 22, 26, 30) oder durch Spiegel, die im Detail in Fig. 9 beschrieben sind, geleitet und dann durch die zylindrische Linse 34 (oder einen konkaven Spiegel) fokussiert.
Die Fig. 6-8 zeigen detailliertere Ansichten einer Reaktionszone am und benachbart zum Einfallspunkt des Laserstrahl 36 und der Metalloberfläche 44 in der Kammer 90. Die Kammer 90 enthält ein nicht oxidierendes Gas 108, wie zum Beispiel Helium oder Argon, das von einem Reservoir 110 zugeführt wird. Dieses Inertgasmedium wird zum Schutz der Redaktionszone und zum Abtransport verdampfter Oxidpartikel 118 von der Wechselwirkungskammer weg verwendet. Der einfallende Strahl 36 ist als konvergierende, rechteckige Wellenfront dargestellt, die auf die sich bewegende Metallbandoberfläche 44 fokussiert ist. Vorzugsweise fällt der Strahl 36 nicht in einem rechten, d. h. in einem spitzen Winkel auf die Bandoberfläche 44. Es versteht sich, dass mit einem spitzen Winkel ein bevorzugter Winkel in dem Bereich von 10-75º, gemessen von der Normalen zur Metalloberfläche, gemeint ist. Ein besonders bevorzugter Bereich beträgt 25 -60º und ein insbesondere bevorzugter Winkel ist 30º. Es ist bekannt, dass eine von den verdampften Trümmern erzeugte Plasmawolke 112 ihre höchste Intensität in einer Richtung senkrecht zur Bandoberfläche aufweist. Es wird angenommen, dass durch eine Ausrichtung der Richtung der einfallenden fokussierten Strahlung weg von einer Richtung senkrecht zu Oberfläche eine geringere Absorption des einfallenden Strahls 36 durch das erzeugte Plasma 112 auftritt. Dies ergibt eine höhere Effizienz bei der Entfernung der Oxidschicht. Über der Wolke 112 und unmittelbar vor der fokussierenden rechteckigen Wellenfront des Strahls 36 ist eine lange, schlitzartige Gasdüse 114 zum Lenken von Inertgas 108 auf das erzeugte Plasma 112 angebracht. Ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung ist es, die aus Plasma erzeugte Wolke sowie die saubere Metalloberfläche 46 zur Vermeidung einer erneuten Oxidation der gereinigten Metalloberfläche 46 mit der nicht oxidierenden Atmosphäre zu umgeben. Durch Aufrechterhaltung eines ausreichenden Drucks des nicht oxidierenden Gases um die Wolke und die gereinigte Metalloberfläche und durch abgedichtet Halten der Kammer von der Umgebung, kann die Umgebungsatmosphäre, d. h. Sauerstoff von der Laserwechselwirkungszone unmittelbar benachbart zu der Plasmawolke ferngehalten werden. Die Düse 114 erstreckt sich über die volle Länge der fokussierten Linie 38. Eine Abgasöffnung 116 in der Leitung 94 ist auf der Seite der Kammer gegenüber vom Eintrittsort des einfallenden Strahls 36 angeordnet und entfernt das mit den Oxidtrümmerpartikeln 118 beladene Inertgas in die Abgasleitung 94. Die Leitung 94 und die Gasdüse 114 sind vorzugsweise auf der Einlassseite der Kammer, d. h. benachbart zu der verschmutzten Bandoberfläche 44 angebracht. Dies minimiert die Menge an Trümmern, die sich sonst zu erneuten Verschmutzung der frisch entzunderten Oberfläche 46 wieder auf dem gereinigten Metallband absetzen könnten. Statt dessen würden die Trümmerpartikel 118 auf die unbehandelte Oberfläche 44 fallen und zurück in den einfallenden Strahl 36 geleitet werden, wo sie erneut verdampft werden. Oxid(Zunder)- Trümmerpartikel 118 werden, wie durch die Richtung des Pfeils 180 angezeigt ist, in Richtung der Einlassseite der Kammer gesaugt, um in einem Filter 106 abgelagert zu werden, der in einer Filtereinheit 96 angeordnet ist, welche die Trümmerpartikel von Mikrometergröße entfernt. Dies wäre insbesondere so, wenn sich des Band 40 in einer vertikalen Richtung bewegt, so dass die Schwerkraft dazu neigen würde, zu verursachen, dass die Trümmerpartikel von dem Band weg in Richtung der Abgasöffnung 116 fallen. Die Filtereinheit 96 kann ebenso einen Vibrationsmechanismus umfassen, so dass die Trümmerpartikel in einem Sammelbehälter (nicht gezeigt) abgelagert werden können, der unter dem Filter positioniert ist. Das Inertgas 108 wird durch den Filter 106 gesaugt und durch das Gebläse 100 rezirkuliert und tritt durch die Düse 114 erneut in die Vakuumkammer 90 ein, um mehr Trümmer 118 aufzunehmen. Das Gasreservoir 110 injiziert zur Ergänzung von verloren gegangenem Gas periodisch frisches Inertgas 108 in die Rückführungsleitung 102. Ein Druckmessgerät 120 in der Düse überwacht den Gasdruck und wird zur Steuerung eines Solenoidventils 122 auf dem Gasreservoir verwendet. Es zeigt das Strömungsmuster des Inertgases 108 und der Trümmerpartikel 118, die von dieser Strömung aufgenommen werden und wie die Partikel zu der Abgasöffnung 116 transportiert werden. Das gleiche Düsen- und Abgassystem kann zusammen mit dem fokussierten Abtast-Punkt-System, wie es in den Fig. 10A und 103 beschrieben ist, verwendet werden. In diesem Fall ist die fokussierte Linie nun die Abtastfeldbreite, über die der fokussiert Punkt abtastend geführt wird.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist in der Fig. 8 gezeigt. Fig. 8 zeigt die Wichtigkeit, einen Eintritt der Umgebungsatmosphäre in die Kammer 90 zu vermeiden. Zusätzlich zur Aufrechterhaltung einer Schutzatmosphäre 108 in der Kammer 90 ist es ebenso wichtig, die Kammer in geeigneter Art und Weise abzudichten. Obwohl die zylindrische Linse 34 außerhalb oder innerhalb der Kammer 90 angeordnet sein kann, ist die Linse 34 zum Beispiel vorzugsweise in dem Fenster 93 angebracht und bildet dadurch eine Dichtung. Ein Einlass 91 (Fig. 6) zur Aufnahme des Bandes 40 und ein Auslass 92 sind beide vorzugsweise mit einem flexiblen Material 178, wie zum Beispiel Polypropylen abgedichtet. Durch Ausrichten der Gasdüse 114 in Richtung der Metalloberfläche 44 in einem Winkel mit einer Gasgeschwindigkeitskomponente in Richtung der Abgasöffnung 116 wird das mit Oxidtrümmerpartikeln 118 beladene Inertgas in Richtung der Abgasleitung 94 geleitet. Die Anordnung der Leitung 94 und der Gasdüse 114 auf der Einlassseite der Kammer über der schmutzigen Bandoberfläche 44 verhindert, dass Trümmer, die sich sonst wieder auf dem gereinigten Metallband absetzen würden, die frisch entzunderte Oberfläche 46 erneut verschmutzten.
Die Breite der fokussierten Linie 38 in der Bewegungsrichtung des Metalls 42 wird durch die Brennweite der abschließenden Fokussierungslinse 34, den erzielten Grad an Hochkollimation und durch die Streuung des auf die erste Linse 22 des anamorphen Hochkollimators einfallenden Strahls 20 bestimmt. Es wäre möglich, diese Breite der fokussierten Linie 38 über einen Bereich von ungefähr 0,1 mm bis zu vielen Zentimetern zu steuern. Der tatsächliche Wert hängt von der Länge der fokussierten. Linie und der Energie pro Puls ab. Wenn zum Beispiel ein 100 KW Ursprungsstrahl 14 von dem Laser von 54 in 10 Substrahlen von jeweils 10 KW geteilt wird und es erwünscht ist, ein 1 m breites Metallband zu entzundern, dann ist jede der 10 fokussierten Linien 10 cm lang und auf eine Breite von jeweils ungefähr 2 mm fokussiert. Wenn der Laser mit einer Wiederholungsrate von 30 MHz und einer Pulsweite von 2 Pikosekunden betrieben wird, hat jeder Puls in jedem der 10 KW Substrahlen eine Energie von 333 Mikrojoule und eine fokussierte Oberflächenleistungsdichte von ungefähr 83 MW/cm². Ein, wichtiges Merkmal dieser Erfindung besteht darin, dass die Oberflächenleistungsdichte (Watt/cm²) ausreichend hoch ist, um die Verdampfung des Oxids auf dem Metallband zu verursachen. Dieses Erfordernis ist wichtig für diese Erfindung bei der Bestimmung der Länge und der Breite der fokussierten Linie, so dass die über diese Linie zugeführte Laserenergie pro Zeiteinheit pro Puls dieses Kriterium, eine Oberflächenleistungsdichte von mindestens 5 MW/cm² zu erzeugen, erfüllt.
Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen kann die Länge der fokussierten Linie quer zur Bewegungsrichtung des Metalls 42 von 1 mm bis 2 mm betragen und die Breite der fokussierten Linie kann von 0,1 mm bis 10 cm betragen, solange die oben genannten Beschränkungen bezüglich der Oberflächenleistungsdichte eingehalten werden. Zum Beispiel würde die Länge der Laserlinie bei einem Laserstrahl mit einer durchschnittlichen Leistung von 100 KW bei einem Reflexionsmodus-System, wie es zum Beispiel in Fig. 9 gezeigt ist, 1 m betragen und sich vollständig über die gesamte Breite des Metallbandes erstrecken, wobei die Breite der fokussierten Linie 38 2 mm betragen würde. Mit einer Pulsenergie von 3,33 Millijoule und einer Pulsweite von 2 Pikosekunden ergibt dies die gleiche, oben erwähnte Oberflächeleistungsdichte pro Puls von 83 MW/cm², die für jeden der 10 cm langen Abschnitte erhalten wird, die durch ein Brechungslinsensystem fokussiert sind. Somit kann die gleiche Gesamtmetalloberflächenentzunderungsfähigkeit durch ein einziges optisches System, das die gesamten 100 KW fokussiert, oder durch 10 Subsysteme, die jeweils 10 KW fokussieren, oder sogar durch 100 Subsystemen, die jeweils 1 KW fokussieren, erhalten werden. Die Details, welches optisches System verwendet wird, hängen von anderen Aspekten ab, wie zum Beispiel dem Vergleich der Kosten und der Erhältlichkeit der optischen Komponenten.
Die Oxidschicht wird verdampft und von dem gesamten Oberflächenbereich des Metallbandes entfernt und es wird ohne weitere mechanische oder chemische Unterstützung eine saubere Metalloberfläche 46 gebildet, die im wesentlichen frei von Oxiden ist. Beispielsweise ist eine Vorbehandlung, wie zum Beispiel mechanisches Entzundern oder Walzrichten zum Aufbrechen oder zum Lösen des Zunders vor der Laserbehandlung nicht erforderlich und, falls überhaupt, ist nur eine geringe, oberflächliche Nachbehandlung, wie zum Beispiel ein Abbeizen durch Eintauchen in Säure zur Lösung verbleibender Mengen des Zunders nach der Laserbehandlung notwendig. Das Entzunderungsverfahren gemäß dieser Erfindung hat signifikante Umweltvorteile, da die Entsorgung giftiger Beizflüssigkeiten nicht länger erforderlich ist.
Die Metallbandoberfläche 44 bewegt sich unter der fokussierten Linie 38 mit einer Geschwindigkeitsrate, die auf die zur vollständigen Entfernung der Oxiddicke bis auf das Grundmetall erforderlichen Pulswiederholungsrate und Pulsenergie abgestimmt ist. Da sich das Metallband kontinuierlich in einer vertikalen Richtung mit Liniengeschwindigkeiten von mindestens 10 m/min. vorzugsweise mindestens 30 m/min und möglichst mit einigen hundert Metern pro Minute bewegt, bedeutet die hohe Pulswiederholungsrate, zum Beispiel 30 MHz, dass mehrere Pulse auf den gleichen Ort fallen. Dies ist erforderlich, da ein Puls allein nicht genügend Energie zur vollständigen Entfernung der Zunderschicht, enthält. Jeder Puls entfernt eine Anzahl von molekularen Schichten, so dass eine große Anzahl von Pulsen am gleichen Ort zur vollständigen Entfernung der Zunderschicht bis zum Grundmetall erforderlich ist.
Obwohl es möglich ist, die optische Linsen- (Spiegel-) Kombination groß genug zu gestalten, um die Breite des breitesten Metallbandes, das wahrscheinlich entzundert werden muss, von zum Beispiel ungefähr zwei Meter abzudecken, gibt es zusätzliche Überlegungen, die es nahelegen, dass Mehrfach-Kombinationen aus Linsen oder Spiegeln ein besseres Verfahren sein könnten. Mit einem optischen Spiegelsystem, ist es möglich, einen ungefähr 1 m breiten Abschnitt mit einem einzigen Spiegelsatz abzudecken. Ein optisches Spiegelelement ist typischerweise dazu in der Lage, eine höhere Leistungsdichte auf der reflektierenden Oberfläche aufzunehmen als ein Brechungselement. Brechungselemente weisen ein gewisses Maß an Strahlungsabsorption auf, was ein Aufheizen auf eine erhöhte Temperatur verursacht. Wenn die durchschnittliche Leistung 10 KW überschreitet, kann das Aufheizen des optischen Elements in Abhängigkeit des Strahldurchmessers einen wesentlichen Effekt darstellen. Brechungselemente mit großen Abmessungen sind ebenso teurer als ihre reflektierenden Gegenstücke, insbesondere wenn die ausgewählte Wellenlängen ein teureres Brechungsmaterial, wie zum Beispiel Zinkselenid erfordert. Es versteht sich, dass die Erfindung auch eine Kombination aus flachen, konvexen und konkaven Spiegeln zum Fokussieren der Laserstrahlung zu einer quer verlaufenden Linie verwenden kann.
Fig. 9 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar, bei der eine Kombination aus konvexen, flachen und konkaven Spiegeln zur Fokussierung der Laserstrahlung zu einer Linie verwendet wird. Ein einfallender Ursprungslaserstrahl 20 trifft auf die Oberfläche eines konvexen Spiegels 124 auf, der den Strahl sowohl in der x-Richtung 48 als auch in der y-Richtung 50 zu einem Streustrahl 24 streut. Der Streustrahl 24 wird dann von einem zylindrischen, konkaven Spiegel 126 aufgefangen, der zur Kollimation des Strahls in der x-Richtung zu einem kollimierten Strahl 28 dient. Der Strahl 28 setzt nun die Ausdehnung in der y-Richtung fort, bis er auf einen zylindrischen, konkaven Spiegel 128 auftrifft, der zur Kollimation des Strahls in der y-Richtung zu einem Strahl 32 dient. Der kollimierte Strahl 32 weist nun eine rechteckige Form auf, deren Querschnittsabmessungen durch die Brennweiten und die Abstände der Spiegel 124, 126 und 128 gesteuert werden. Die Länge dieses rechteckigen Querschnitts in der y-Richtung wird durch die gewünschte Breite des durch dieses optische System behandelten Metallbandes 40 bestimmt. Wenn mehrere optische Systeme zur Abdeckung der gesamten Breite der Bandoberfläche nötig sind, dann umfasst die Länge des optischen Systems nur einen Bruchteil der gesamten Breite. Der Strahl 32 wird dann von einem rechteckigen, flachen Spiegel 130 zu einem langen, abschließenden, zylindrischen, konkaven Fokussierungsspiegel 132 reflektiert, welcher die gleiche Länge wie die gewünschte, endgültige, fokussierte Linie 38 hat.
Ein optisches Abtastverfahren unter Zuführung eines fokussierten Punktstrahls kann ebenso zur Entfernung der Oxidschicht (Zunder) verwendet werden. Ein auf Brechung basierendes optisches System für diese Ausführungsform ist in Fig. 10A dargestellt. Ein Laserstrahl 56 mit einer Gesamtleistung kann in Substrahlen 57 mit einer geringeren, handhabbareren Leistung geteilt werden, wobei jeder Substrahl irgendeinen Bruchteil der gesamten Breite des Metallbandes abtastet. Ein Strahl 57 wird dann durch einen Hochkollimator 134 geleitet, der den Strahldurchmesser erhöht und die Strahlstreuung vermindert. (Wenn durch den Laser ein Strahl mit einem großen Durchmesser und mit einer geringen Streuung erzeugt wird, kann es erforderlich sein, den Strahl zur Verringerung des Strahldurchmessers auf eine handhabbarere Größe nach unten zu kollimieren. Ein Strahldurchmesser von einem 100 KW FEL-Laser kann einen Durchmesser von vielen Zentimetern mit einer beugungsbegrenzten Streuung aufweisen, so dass eine Kollimation nach unten erforderlich sein kann.) Der nach oben kollimierte (oder nach unten kollimierte) Strahl 136 wird durch ein Paar von Spiegeln 138 und 140 geleitet, die einen Strahl 142 im geeigneten Winkel in einen Abtastmechanismus 144 leiten, der ein rotierendes Polygon oder ein oszillierender Spiegel 146 sein kann. Ein Strahl 148 wird dann durch eine flache Feldfokussierungslinse 150 geleitet, die den kollimierten Strahl 148 zu einer gewünschten Punktgröße 154 auf die Oberfläche des zu entzundernden Metallbands 40 fokussiert. Ein Vorteil des fokussierten Punkt-Abtastsystems besteht darin, dass es nicht erfordert, dass die Intensitätsverteilung über den einfallenden Laserstrahl räumlich gleichmäßig ist. Das heißt, eine Homogenisierungseinrichtung 60 ist nicht erforderlich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es der Abtastmechanismus dem fokussierten Punkt erlaubt, die oxidbedeckte Oberfläche 44 quer abzutasten, so dass die anhaftende Zunderschicht durch einen oder mehrere Laserstrahlungspulse an jedem Punkt entlang der Abtastlinie 182 entfernt wird, wenn das Metallband 40 kontinuierlich durch den quer abtastenden fokussierten Laserpunkt geführt wird. Ein Nachteil gegenüber der projizierten und fokussierten, in Fig. 4A dargestellten Laserlinie besteht darin, dass es mehr optische Oberflächen für einen zusätzlichen Verlust von Laserenergie hinzufügt und dass es ein mechanisches, sich bewegendes Element aufweist.
Alternativ dazu kann die flache Feldfokussierungslinse 150 in Fig. 10A durch eine Vorabtast-Fokussierungslinse ersetzt werden, die vor dem oszillierenden Spiegel 146 angeordnet ist. Die Vorabtast- Fokussierungslinse würde sich vor und zurück in der Strahlausbreitungsrichtung, synchron zur Abtastgeschwindigkeit des Spiegels bewegen, um den Punkt auf der flachen Metalloberfläche fokussiert zu halten.
Fig. 10B zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung für ein optisches Abtast-Punktsystem, das zur Bereitstellung eines telezentrischen Abtastsystems Spiegel mit einer Fokussierungslinse einsetzt, um eine gleichmäßige Punktgröße über die Breite des Abtastfeldes aufrecht zu erhalten. Ein Laserstrahl 136 fällt auf eine Linse 156, die zur Umlenkung eines Strahls 158 vor einem rotierenden Abtastpolygon 146 angeordnet ist. Ein konvergierender Strahl 159 wird dann in Richtung eines langen, rechteckigen, flachen Spiegels 160 gerichtet, der sich über einen großen Abschnitt des gewünschten Abtastfeldes erstreckt. Der Spiegel 160 lenkt einen Abtaststrahl 162 zu einem gekrümmten Parabolspiegel 164 um, der sich über die gesamte Breite des Abtastfeldes erstreckt. Dieser gekrümmte Spiegel lenkt einen konvergierenden Strahl 166 so um, dass er ungeachtet dessen, wo über dem Abtastfeld der Strahl fokussiert wird, im gleichen Winkel auf die Oberfläche fällt. Der Strahl ist entlang der gesamten Länge des Abtastfeldes auf die gleiche Punktgröße fokussiert. Dieses System weist gegenüber dem in Fig. 10A dargestellten Brechungssystem den Vorteil auf, dass die meisten der optischen Elemente Spiegel sind, die nicht die Absorptionsverluste von Brechungselementen aufweisen. Dies ist aufgrund der hohen Leistungen, die für eine wirtschaftliche Gesamtherstellung des Laserentzunderungssystems erforderlich sind, vorteilhaft. Ein langer, flacher, rechteckiger Spiegel 168 kann zum Lenken der fokussierten Strahlung auf einen langen, zylindrischen, konkaven Fokussierungsspiegel 170 zum Zusammenführen der Strahlung zu einem konvergenten Strahl 172 hinzugefügt werden, um für eine zusätzliche Kompression des fokussierten Punkts in der Bewegungsrichtung des Bandes 42 zu sorgen. Eine konvergente, zylindrische, vollständig über die Breite reichende Linse 34 könnte an Stelle der Spiegel 168 und 170 zum Fokussieren des Strahls zu einer geringeren unteren Netzabmessung verwendet werden. Dies führt zu einem fokussierten, elliptischen Punkt 174 mit der langen Richtung des fokussierten Punkts in der Abtastrichtung 174, wie in Fig. 10C detaillierter dargestellt ist.

Beispiel

Ein Beispiel wird zur Demonstration der Ausführbarkeit der Erfindung gegeben. Die Energiemenge und die geplante Bandverarbeitungsgeschwindigkeit, die zur Verdampfung von 5 Mikrometer dickem Aluminiumoxid, das heißt Al&sub2;O&sub3;, auf einem Aluminiumband erforderlich sind, können abgeschätzt werden. Von der Oxidschicht wird angenommen, dass sie eine Dichte von 4 g/cm³, eine Schmelztemperatur von 2050ºC, eine Verdampfungstemperatur von 2980ºC, eine Bindungsenergie von 255 cal/g, eine Verdampfungsenergie von 1138 cal/g und eine Wärmekapazität von 0,32 cl/g/ºC aufweist. Die Quelle für diese Daten ist das "Laser Institute of America Handbook: Guide for Material Processing by Lasers", 2nd Edition, 1978, Seiten 9 -3, das hier durch Zitat eingeschlossen ist. Für dieses Beispiel wird angenommen, dass ein Laserlinienprojektionssystem wie das in der Fig. 4A gezeigte, zur Fokussierung der Laserstrahlung zu einer Linie verwendet wird. Ebenso wird angenommen, dass zur Entzunderung eines gesamten 1 m breiten Bandes zehn derartige Systeme nebeneinander ausgerichtet sind. Es wird ebenso angenommen, dass ein 100 KW FEL einen Strahl erzeugt, der in zehn Substahlen mit einer Laserstrahlung von jeweils 10 KW geteilt ist, und dass diese Substrahlen dann jeweils zu einer 10 cm langen und 2 mm breiten Linie fokussiert werden. Wenn angenommen wird, dass eine 5 Mikrometer dicke Zunderschicht und eine 10 cm lange und 2 mm breite fokussierte Linie vorhanden sind, beträgt das Volumen des Aluminiumoxids, das verdampft werden muss, V = (0,0005 cm)(10 cm)(0,2 cm) = 0,001 cm³. Die Energie, die zur Verdampfung dieses Volumens benötigt wird, ist E = (4 g/cm³)(0,001 cm³)[(0,32 cal/g/ºC)(2960ºC) + 255 cal/g + 1138 cal/g](4,184 J/cal.) = 39,21 Joule. Wenn jeder der zehn Substrahlen eine durchschnittliche Leistung von 10 KW liefert, beträgt die Energie pro Puls bei einer Pulswiederholungsrate von 30 MHz 333 Mikrojoule pro Puls. Somit beträgt die Anzahl der Pulse, die zur Zuführung dieser Energie von 39,2 Joule erforderlich ist, N = 39,2 J/(0,000333 J/Puls) = 117,720 Pulse. Somit beträgt die Verweilzeit des Strahls an diesem Punkt zur Zuführung von 117,720 Pulsen von dem 30 MHz Laserstrahl T = (117,720 Pulse)/(30,000,000 Pulse/sec) = 0,00392 sec. Zur Bestimmung der Liniengeschwindigkeit, die zur Entfernung dieser 5 Mikrometer dicken Schicht erforderlich ist, benötigt man ein Aluminiumband mit der Oxidschicht, das sich in der Zeit, die es dauert, die gesamten 117,720 Pulse zuzuführen, nur um die Breite der fokussierten Linie, das heißt um 2 mm bewegt. Somit beträgt die Liniengeschwindigkeit V = [0,002 m/0,00392 sec](60 sec/min) = 30,6 m/min. Wenn somit zehn derartige Strahlen von 10 KW jeweils zu einer Linie von 10 cm Querlänge fokussiert sind und alle in einer Weise nebeneinander über die Breite ausgerichtet sind, wie in Fig. 5 dargestellt ist, dann kann eine 5 Mikrometer dicke Oxidschicht von einer Seite eines insgesamt 1 m breiten Aluminiumbandes mit einer Rate von 30,6 m/min entfernt werden. Es sollte betont werden, dass die Oxidentfernungsrate aufgrund von anderen Mechanismen der Zunderentfernung, die durch die kurze Pulsweite und die hohe Oberflächenleistungsdichte wirksam sein können, höher sein kann. Jedoch würde durch diese Berechung, die einfach auf einem thermischen Verdampfungsmechanismus basiert, ein 200 KW FEL Laser zur Entzunderung beider Seiten dieses einen Meter breiten Aluminiumbandes mit 30,6/min erforderlich sein.
Es versteht sich, dass verschiedene Modifikationen der Erfindung durchgeführt werden können ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Entfernen von Oxid von einer Metalloberfläche mit den Schritten:

- Verwenden eines Leitungselektronen-Lasers zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (20) mit einer sehr kurzen Pulsweite von weniger als 1 ns, einer sehr hohen Pulswiederholungsrate von mindestens 1 kHz und einer sehr hohen durchschnittlichen Leistung von mindestens 1 kW,

- Fokussieren der Strahlung durch mindestens ein optisches Element (22, 74) zu einem einfallenden Strahl (36) mit einer Oberflächenleistungsdichte von mindestens ungefähr 5 MW/cm² an einem Kontaktpunkt (38) mit der Metalloberfläche (44) und

- Führen des fokussierten Strahls (36, 76) quer und vollständig über die mit dem Oxid bedeckte Metalloberfläche (44) zur Entfernung des Oxids durch Verdampfen durch die Wechselwirkung eines oder mehrerer Laserpulse, um dadurch eine oxidfreie Oberfläche (46) zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Oberfläche (44) der Oxidschicht zugeführte Oberflächenleistungsdichte pro Laserpuls mindestens 10 MW/cm² beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element eine Kombination aus mindestens einer Linse (156) und mindestens einem Spiegel (160) umfasst.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Mittel zur Teilung des Strahls (20) in eine Mehrzahl von fokussierten Substrahlen (20) umfasst, wobei jeder Substrahl eine Leistung hat, die kleiner ist als die des Strahls, welcher von dem Laser ausgeht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (20) zu mindestens einer Linie (38) mit einer gleichmäßigen Leistungsverteilung fokussiert wird, die sich quer über die gesamte Breite der Metalloberfläche (44) erstreckt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte: Schützen des Kontaktpunkts (38) und Wegspülen der Oxidtrümmer mit einem nicht oxidierenden Gas.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus einer Linse und einem Spiegel ein erstes optisches Element, das eine Kollimatorlinse (134) ist, ein zweites optisches Element, das einen Richtspiegel (138) zur Orientierung des ausgerichteten Strahls (136) und ein Mittel (144) zum Abtasten des gerichteten Strahls umfasst.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Element ferner eine Flachfeld-Abtastlinse (150) umfassen und das Abtastmittel (144) einen Drehspiegel (146) zum wiederholten Abtasten des gerichteten Strahls über eine Eintrittspupille der Flachfeldlinse (150) umfasst.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus einer Linse und einem Spiegel ein telezentrisches System ist mit einem Drehspiegel (146) zum Abtasten des Strahls (159), einem Parabolspiegel (164) zum Wiederausrichten des abgetasteten Strahls im gleichen Winkel zu der Oberfläche, ungeachtet dessen, wo der Strahl über das Abtastfeld auf die Oberfläche (44) fokussiert ist.

10. Verfahren zum Entfernen von Oxid von einer Oberfläche eines Metallbandes mit den Schritten:

- Verwenden eines Leitungselektronen-Lasers zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (20) mit einer Pulsweite von weniger als 1 ps, einer Pulswiederholungsrate von mindestens 10 MHz und einer durchschnittlichen Leistung, die größer ist als 10 kW,

- Fokussieren der Laserstrahlung durch mindestens ein optisches Element (22, 74) zu einem einfallenden Strahl (36, 76) mit einer Oberflächenleistungsdichte von mindestens ungefähr 10 MW/cm² an einem Kontaktpunkt (38) mit der Oberfläche des Bandes (44), wobei

- das optische Element (22, 74) ein Mittel zur Homogenisierung der Strahlung und mindestens eine lange zylindrische konvexe Linse oder einen langen zylindrischen konkaven Spiegel zum Fokussieren des Strahls zu mindestens einer geraden Linie umfasst,

- Führen des Bandes (40) durch die fokussierte Linie (38) der Strahlung quer und vollständig über die mit dem Oxid bedeckte Oberfläche (44) zur Entfernung des Oxids durch Verdampfen durch die Wechselwirkung eines oder mehrerer räumlich verlängerter Laserpulse, um dadurch eine oxidfreie Oberfläche (46) zu erzeugen.

11. Vorrichtung zum Entfernen von Oxid von einer Oberfläche eines Metallbandes (40) mit:

- einem Leitungselektronen-Lasers zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (20) mit einer sehr kurzen Pulsweite von weniger als 1 ns, einer sehr hohen Pulswiederholungsrate von mindestens 1 kHz und einer sehr hohen durchschnittlichen Leistung von mindestens 1 kW,

- mindestens einem optischen Element (22, 74) zum Fokussieren der Laserstrahlung zu einem einfallenden Strahl (36; 76) mit einer Oberflächenleistungsdichte von mindestens ungefähr 5 MW/cm² an einem Kontaktpunkt mit dem Metallband (40), und

- einer abgedichteten Wechselwirkungskammer (90) zum Entfernen des Oxids von dem Metallband (40), wobei

- diese Kammer (90) ein nicht oxidierendes Gas und einen geschlitzten Einlass zur Aufnahme eines sich bewegenden Metallbandes (40) mit einer mit einem Oxid bedeckten Oberfläche (44), einen geschlitzten Auslass zur Durchführung des Metallbandes (40), von dessen Oberfläche das Oxid entfernt wurde, und mindestens ein langgestrecktes Fenster (93) zur Aufnahme der Strahlung in der Kammer (90) umfasst, wodurch die Strahlung zur Entfernung des Oxids durch Verdampfen quer und vollständig über die mit dem Oxid bedeckte Oberfläche (44) geführt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (34) eine in dem Fenster (93) angeordnete Linse (34) ist.

13. Vorlichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (34) ein Mittel zur Teilung des Strahls (20) in eine Mehrzahl von fokussierten Substrahlen (20) umfasst und die Kammer (90) eine entsprechende Anzahl von Fenstern (93) umfasst, wobei jedes Fenster zur Aufnahme eines der Substrahlen dient.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie so aufgebaut ist, dass der einfallende Strahl (36, 76) an einem Kontaktpunkt mit dem Metallband (40) eine Oberflächenleistungsdichte von mindestens ungefähr 10 MW/cm² haben kann.