WO2006079336A1 - Verfahren und einrichtung zur bearbeitung von objektoberflächen mit einer durch ein hochfrequenzfeld gelösten oder bewegten elektrisch leitfähigen schmelze - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur bearbeitung von objektoberflächen mit einer durch ein hochfrequenzfeld gelösten oder bewegten elektrisch leitfähigen schmelze Download PDF

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Wolfgang Lippmann
Anne-Maria Reinecke
Regine Wolf
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Technische Universitaet Dresden
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    • B23K2103/52—Ceramics

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for processing object surfaces by means of a radiation, which is directed to the object surface to be processed, and there generates a melt in an area of action.
  • the method can be used for processing, in particular for the decontamination of objects with electrically conductive surfaces, for the decontamination of objects with non-electrically conductive surfaces, for the production of very pure material compositions and for the production of precisely defined material portions.
  • a generic device is described in the publication GB 2 264 887 A.
  • the device includes a laser whose laser beam is intended for processing material.
  • the machining refers to cutting and drilling materials. Due to the interaction of a permanent or pulsed magnetic field with a melt through which a current flows, a force-a Lorentz force-is generated which acts on the melt, whereby the melt can detach from the object surface and be displaced from the dissolution point to another location ,
  • the material must be electrically conductive so that a relatively high current can flow through the material in order to generate the Lorentz force with the current flowing through the material and the magnetic field perpendicular thereto. which can then move and transport the melt out of the surface area to be processed. Only by the use of electricity within the material, a shift in the surface melt can be achieved, but this represents a high energy consumption.
  • a method for processing a workpiece with a laser beam and an associated device are known in the printing DE 197 32 008 Al described.
  • a moving through the workpiece melt is generated by means of a focused laser beam. With a given relative movement between the laser beam and the workpiece, the melt gets into flow.
  • a magnet is provided which generates a magnetic field in the area of the melt. The magnetic field is directed to exert a force on the melt that acts toward the melt base. By an electric current, which is passed through the melt, the effect of the magnetic field can be amplified and modified.
  • One problem is that the use of the magnetic field is ultimately aligned with the fate of the melt in the region of the workpiece. Gaps in the workpiece with the melt produced are created and closed. Also, the entire workpiece is involved in the magnetic field.
  • Machining of the surface areas with removal of the melt away from the surface preferably for decontamination of surfaces with removal of the contaminated surface areas, is not provided for in the above two methods and devices.
  • a process for treating radionuclide contaminated surfaces of equipment is described in document RU 2 120 677.
  • the method includes coating the contaminated surface with a Final material, wherein the method is performed by treating the surface with an intense heat treatment using a laser radiation.
  • the sealing material is melted and a glass-hard coating is formed on top of the surface by the thermal radiation.
  • the radionuclides remain within the formed coating, concrete and metal surfaces can be treated by the process.
  • the process is carried out by means of the laser radiation on the surfaces treated with pulsed power, wherein an energy density is present on the processing object surface for evaporation of the refractable bonds of the material with removal of the evaporation products from the processing object surface by means of a gas flow.
  • a method and a device for cleaning metal surfaces by means of pulsed laser radiation having two different wavelengths is described in the document EP 1 340 556 A2.
  • a base frequency and a harmonic frequency of a: laser beam in the order of 1 to 40 ns in simultaneous or spatial superposition of pulse trains and different energy intensity variations is used.
  • the process can be used to remove radioactive residues.
  • the metal surface is heated to such an extent that the thermally induced tensions within the surface cause the surface to flake off.
  • the process should also be assigned to the mechanical removal process.
  • One problem is that even in this case difficult to control radioactive dusts arise.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for processing object surfaces which are designed so that a free Settlement of uncontrollable. Dust in particular radioactive substances is substantially reduced and a final disposal can be ensured inexpensively. In addition, holes, cracks, depressions or other defects in the object surfaces should be eliminated.
  • the melt on the object surface can be shaped by the high-frequency field surrounding and detecting the melt to at least one melt drop detachable from the object surface and / or movable on the object surface.
  • the melt and in particular the melt drops, can be transported, displaced or spun to designated locations for eliminating defects and / or for geometrically changing the object surfaces on the object surface.
  • the melt on the object surface can also be lifted by the high-frequency field surrounding and detecting the melt and formed into at least one melt droplet dissolving from the object surface, which can be moved.
  • D ⁇ e field strength and the frequency of the high frequency field in the form of an alternating electromagnetic field can be adapted to the size and volume of the melt to be transported and / or melt drops.
  • the high frequency coil can be assisted in moving, shifting, centrifuging the melt and the melting droplets of at least one switchable stationary electromagnetic field, wherein a guideway and a final position by the predetermined stationary electromagnetic field or other predetermined electromagnetic fields can be adjusted.
  • the alignment of the stationary electromagnetic field with the associated predetermined magnetic flux density can be adjusted when the melt drops are thrown to the object surface with a specific inclination to the given guide track, the melt drips.
  • the effective range of the radiation, the radio-frequency field and optionally the stationary electromagnetic field can be formed to form a stream of liquid droplets arranged in juxtaposition and moved as a unit relative to the object surface to be processed.
  • a removal of a surface layer, a smoothing of the surface and / or a removal of defects, on or in the object surface can be performed.
  • object surfaces the surfaces of pure metal, alloys, metals with ni ⁇ htmetallis ⁇ ben shares and metals with coatings and surface layers, the z .B. surfaces contaminated and associated with radioactive material, but also the surfaces of other objects and materials, eg. Concrete, glass or semiconductor structures, are determined, wherein the object surface to be machined associated melt is or is brought into a state of a predetermined range of the electrical conductivity or in a state of a predetermined electrical conductivity value.
  • the melt is electrically conductive and at least above the region of the melt a high-frequency coil surrounding the area of action of the radiation and detecting the melt, the radio-frequency coil having: a high-frequency field, which exerts a coalescing force on the melt, whereby the melt is detachable from the object surface and / or movable on the object surface.
  • the high-frequency field can have a dimensioning, in particular with respect to field strength and frequency, that at least one separate melting droplet detaching from the object surface is formed.
  • the radio-frequency coil can be surrounded by at least one electromagnetic coil to form a supporting stationary electromagnetic field, wherein the melt or the melt droplets are in detachable connection with the stationary electromagnetic field.
  • the energy radiation can be generated by means of a laser, wherein a laser beam is directed onto the object surface, on which absorption of the radiation generates the electrically conductive melt.
  • the laser may be an Nd: YAG laser or a CQ2 laser or a diode laser.
  • the high frequency field may have a frequency of the order of about 1.0 MHz.
  • the electromagnetic coil can be arranged laterally inclined, wherein the melt or the melt droplets can be thrown out of the area of action of the radiation guided individually or similar to a liquid jet and can be taken up and disposed of in assigned containers.
  • the invention opens up the possibility that a contact-free transport of the melt of. the solid object surface can be carried away or on the object surface, including surfaces of concrete and glass and semiconductor structures are included.
  • an electrically conductive melt is generated in one working step by high-energy radiation, which can then be moved without contact, displaced or removed from the starting point.
  • the invention also makes it possible for both a radioactive object surface to be able to be removed in a technological working method and for the waste product to be conditioned in such a way that it is largely suitable for disposal.
  • the local melting of the object surface may be effected by means of laser radiation or other energy input processes, e.g. by means of electron beams or inductive heating.
  • the removal and treatment of the melt from an object surface takes place in the following steps:
  • melt is thereby pulled together and can be moved or accelerated as melt droplets or similar to a liquid jet in a defined direction.
  • the defined direction may be assisted by the stationary electromagnetic field and may also refer to a different location on the object surface, for example to defects to be eliminated, or to a container or space remote from the object surface for disposal of the melt.
  • the surface of the object can be protected from oxidation by means of inert gas or inert gas or vacuum.
  • the other advantages of the invention are no dust, in particular of radi oaktive dusts, a high removal rate with low attenuation of radioactive substances, a final end product endowed and a good automation.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the inventive device by means of a radiation which is generated by a laser in the form of a laser beam, and by means of a high-frequency coil,
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the final ablation of a melting drop from the range of magnetic fields in the multiphase system-suction formation, drop formation, centrifuging-
  • FIG. 4 is a schematic representation of the melt suction through the high-frequency coil in the high-frequency field according to FIG. 3
  • FIG. Fig. 5 is a schematic representation of the outline of a
  • Fig. 6 is a schematic representation of the high frequency field with a superimposed stationary electromagetic field and a guided centrifuging of the melt drop by interaction of both magnetic fields.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device 1 for processing an object surface 5 in particular for decontamination of the object surface 5 by means of a radiation 4, which is directed to the ablated object surface 5 and there generates a melt 6 in the area of action of the radiation 4.
  • the melt 6 is electrically conductive and, as shown in FIGS. 2 to 5, above the region of the melt 6 at least one radio frequency coil 7 comprising the effective region of the radiation 4 is arranged, the high frequency coil 7 having a high frequency field 8 on the melt 6 exerts a melt suction 9 and at least one separate from the object 2 abläsenden melt drops IQ forms in the tear 13.
  • the high-frequency coil 7 may, as shown in Fig. 6, of. be surrounded at least one electromagnetic coil 11 to form a stationary electromagnetic field 12, wherein the S ⁇ hmelztropfen 10 with the stationary magnetic field 12 in detachable connection.
  • the radiation is generated by means of a laser 3, as shown in FIG. 1, a laser beam 4 being directed onto the object surface 5, and the heat generated on the object surface 5 producing the electrically conductive melt 6.
  • an Nd: YAG laser or a CO 2 laser or a diode laser may be provided.
  • the object surface 5 can be protected from oxidation by means of inert gas or inert gas or vacuum.
  • the high-frequency field 8 preferably has a frequency of approximately 1.0 MHz.
  • the electromagnetic coil 11 can be arranged laterally inclined, not shown in FIG. 6, whereby the melting drops 10 are ejected from the effective region of the radiation 4 individually or as a liquid jet in the repelling direction 14 and can be disposed of by means of an associated container 15.
  • the melt 6 becomes electrically conductive and is deposited on the object surface.
  • Surface 5 raised by a surrounding the melt 6 and detecting high frequency field 6 and formed to at least one of the object surface 5 itself dissolving melt droplets 10, which is lifted from the high frequency field 6 out.
  • the radio-frequency coil 7 can be assisted for guided movement or for ejection of the melt drops 10 from a switchable stationary electromagnetic field 12 in the form of a guideway.
  • the direction of the stationary electromagnetic field 12 with associated magnetic flux density is adjustable to the object surface 5 with a certain inclination to the predetermined discharge / removal of the melt 6 or the melt drops 10.
  • the area of action of the radiation 4, the high-frequency field 8 and the electromagnetic field 12 can be formed from melt drops 10 to form a liquid jet and can be displaced together in the form of a unit on the object surface 5.
  • object 2 pure metal, alloys, metals with non-metallic parts as well as metals with coatings and O- ber laketiken, for example, with radioactive constituents contaminated and connected metal surfaces, set.
  • object surfaces of objects made of concrete, reinforced concrete, glass and semiconductor structures can be processed by the method and the device 1 according to the invention, wherein the melt 6 in each case the state of a predetermined electrical conductivity or a predetermined NEN conductivity value has or transferred to an electrically conductive state.
  • the device 1 according to the invention can be designed as a device that can be used conveniently.
  • the method and the device according to the invention can be used in many areas and are by no means limited to decontamination.
  • Another application example is the production of very pure material compositions, wherein the entire process takes place without contact.
  • the method can serve for the production of precisely defined material portions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung (1) zur Bearbeitung von Objektoberflächen (5) mittels einer Strahlung (4), die auf die zu bearbeitende Objektoberfläche (5) gerichtet ist und dort in dem Wirkungsbereich der Strahlung (4) eine Schmelze (6) erzeugt. Die Aufgabe besteht darin, dass eine Freisetzung von unkontrollierbaren Stauben, insbesondere, radioaktiven Substanzen wesentlich verringert wird und eine finale Entsorgung kostengünstig sichergestellt werden kann. Außerdem sollen Löcher, Bisse, Vertiefungen oder andere Defekte in den Objektoberflächen (5) beseitigt werden. Die Lösung besteht darin, dass die Schmelze (S) elektrisch leitfähig und auf der Objektoberfläche (5) durch ein die Schmelze (6) umgebendes und erfassendes Hoshfrequenzfeld (8) von der Objektoberfläche (5) gelöst und/oder auf der Objektoberfläche (5) bewegt wird.

Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR BEARBEITUNG VON OBJEKTOBERFLACHEN MIT EINER DURCH EIN HOCHFREQUENZFELD GELÖSTEN ODER BEWEGTEN ELEKTRISCH LEITFÄHIGEN SCHMELZE
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bearbeitung von Objektoberflächen mittels einer Strahlung, die auf die zu bearbeitende Objektoberfläche gerichtet ist, und dort in einem Wirkungsbereich eine Schmelze erzeugt. Das Verfahren, kann zur Bearbeitung, insbesondere zur Dekontamination von Objekten mit elektrisch leitenden Oberflächen, zur Dekontamination von Objekten mit nicht elektrisch leitenden Oberflächen, zur Herstellung von sehr reinen Materialzu- sammensetzungen sowie zur Herstellung von genau definierten Materialportionen eingesetzt werden.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist in der Druckschrift GB 2 264 887 A beschrieben. Die Vorrichtung schließt einen Laser ein, dessen Laserstrahl für eine Bearbeitung von Material vorgesehen Ist. Die Bearbeitung bezieht, sich auf ein Schneiden und Bohren von Materialien. Dabei wird aufgrund der Wechselwirkung eines permanenten oder gepulsten Magnetfeldes mit einer von einem Strom durchflossenen Schmelze eine Kraft - eine Lorentzkraft - erzeugt , die auf die Schmelze wirkt, wodurch sich die Schmelze von der Objektoberfläche lösen und von der Lösungsstelle an eine andere Stelle verschoben werden kann.
Ein Problem besteht darin, dass bei der Bearbeitung des Mate- rials das Material elektrisch leitend sein muss, damit durch das Material ein relativ hoher Strom fließen kann, um mit dem materialdurchflossenen Strom und dem senkrecht dazu vorgegebenen Magnetfeld, die Lorentz-Kraft zu erzeugen, die dann die Schmelze aus dem zu bearbeitenden Oberflächenbereich heraus verschieben und transportieren kann. Nur durch den Einsatz von Strom innerhalb des Materials kann eine Verschiebung der Oberflächenschmelze erreicht werden, was aber einen hohen Energieaufwand darstellt.
Ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Läserstrahl sowie eine zugehörige Vorrichtung sind in der Druck- schrift DE 197 32 008 Al beschrieben. Dabei wird mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls eine sich durch das Werkstück bewegende Schmelze erzeugt. Bei einer vorgegebenen Relativbe- wegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück gerät die Schmelze in Strömung. Um die Strömung zu formen und zu stabilisieren, z.B. um ein Spritzen von Tröpfchen aus der Schmelze und bei Schweißvorgängen eine schlechte Oberflächenqualität zu verhindern und auch mit hoher Relativgeschwindigkeit fahren zu können, ist ein Magnet vorgesehen, der im Bereich der Schmelze ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld ist derart gerichtet, dass es auf die Schmelze eine Kraft ausübt, die in Richtung auf den Schmelzgrund wirkt. Durch einen elektrischen Strom, der durch die Schmelze geleitet wird, kann die Wirkung des Magnetfeldes verstärkt und modifiziert werden.
Ein Problem besteht darin, dass der Einsatz des Magnetfeldes letzten Endes auf den Verbleib der Schmelze im Bereich des Werkstückes ausgerichtet ist. Es werden Lücken im Werkstück mit der erzeugten Schmelze erzeugt und geschlossen. Auch ist das gesamte Werkstück in das Magnetfeld Involviert.
Eine Bearbeitung der Oberflächenbereiche mit einer Entfernung der Schmelze von der Oberfläche weggerichtet, vorzugsweise zur Dekontaminierung von Oberflächen mit einer Beseitigung der kontaminierten Oberflächenbereiche ist in den beiden vorgenannten Verfahren und Vorrichtungen nicht vorgesehen.
Es ist ein Verfahren zur Behandlung von mit Radionukliden kontaminierten Oberflächen von Ausrüstungen in der Druckschrift RU 2 120 677 beschrieben. Das Verfahren, schließt eine Über- zugsausbildung der kontaminierten Oberfläche mit einem Ver- Schlussmaterial ein, wobei das Verfahren durch Behandlung der Oberfläche mit einer intensiven Wärmebehandlung mit Hilfe einer Laserstrahlung durchgeführt wird.
Das Verschlussmaterial wird geschmolzen und es wird ein glas- harter Überzug oben auf der Oberfläche durch die Wärmestrahlung ausgebildet. Die Radionuklide verbleiben innerhalb des ausgebildeten Überzugs, Beton- und Metalloberflächen können mit dem Verfahren behandelt werden.
Des Weiteren ist ein Verfahren und eine zugehörige Einrichtung zur Dekontamination von Metallkörpern in der Druckschrift FR 2 673 389 beschrieben, in der die Metallobjekte in einem Gehäuse angeordnet sind, die eine energiearmere Laserstrahlenerzeugungseinrichtung - einen Laser - und eine Schale, die das La- serstrahlenbündel aufnimmt, enthalt. Verwendet wird das Verfahren zur Dekontamination von Nadeln und Skalpellen in Krankenhausern.
Auch ist ein Verfahren zur Reinigung von Metalloberflächen mittels einer Laserstrahlung in der Druckschrift RU 2 104 846 beschrieben. Mit der Laserstrahlung erfolgt eine radioaktive Dekontamination von Metallstrukturen und Rohren von Kernkraftwerken während des Betriebes.
Das Verfahren erfolgt mittels der Laserstrahlung auf den Ober- flächen, die mit gepulster Leistung behandelt werden, wobei eine Energiedichte auf der bearbeitenden Objektoberfläche für eine Verdampfung der schwer schmelzbaren Bindungen des Materials mit Abtragen der Verdampfungsprodükte von der bearbeitenden Objektoberfläche weg mittels eines Gasstroms vorhanden ist. Weiterhin, ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Reinigung von Metalloberflächen mittels gepulster Laserstrahlung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen in der Druckschrift EP 1 340 556 A2 beschrieben. Dabei wird eine Basisfrequenz und eine harmonische Frequenz eines :Laserstrahls in der Größenordnung von 1 bis 40 ns in gleichzeitiger oder räumlicher Überlagerung von Impulsserien und unterschiedlicher Energieintensitäts- Variationen genutzt. Das Verfahren kann zur Beseitigung von radioaktiven Rückstanden eingesetzt werden, Mittels der ge- pulsten Laserstrahlung wird die Metalloberfläche derart hoch aufgeheizt, dass durch die thermisch induzierten Spannungen innerhalb der Oberfläche die Oberfläche abplatzt. In diesem Sinne ist auch das Verfahren den mechanischen Abtragungsver- fahren zuzuordnen. Ein Problem besteht darin, dass auch hierbei schwer kontrollierbare radioaktive Stäube entstehen.
Bei den Verfahren, die im Wesentlichen mechanische Ahtragungs- verfahren darstellen, besteht das Problem, dass eine technolo- gisch bedingte Stauberzeugung vorhanden ist. Die entstandenen Stäube werden über spezielle Verfahrensschritte erst behandelt, d.h. konditioniert, ehe sie transportiert und gelagert werden können. Werden diese Stäube freigesetzt, sind wiederum, umfangreiche Dekontaminationsarbeiten erforderlich.
Ein Problem besteht darin, dass dadurch große Mengen radioaktiver Stäube entstehen, die schwer zu kontrollieren sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bearbeitung von Objektoberflächen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass eine Frei- Setzung von unkontrollierbaren. Stäuben insbesondere radioaktiven Substanzen wesentlich verringert wird und eine finale Entsorgung kostengünstig sichergestellt werden kann. Außerdem sollen Löcher, Risse, Vertiefungen oder andere Defekte in den Objektoberflächen beseitigt werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 15 gelöst. In dem Verfahren zur Bearbeitung von Objektoberflächen mittels einer Strahlung, die auf die zu bearbeitende Ob- jektoberfläche gerichtet ist und dort in dem Wirkun gsbereich der Strahlung eine Schmelze erzeugt, wird gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 die Schmelze elektrisch leitfähig und auf der Objektoberfläche durch ein die Schmelze umgebendes und erfassendes Hochfre- quenzfeld von der Objektoberfläche gelöst und/oder auf der Ob- jektoberfläche bewegt.
Dabei kann die Schmelze auf der Objektoberfläche durch das die Schmelze umgebende und erfassende Hochfrequenzfeld zu mindes- tens einem von der Objektoberfläche lösbaren, und/oder auf der Objektoberfläche bewegbaren Schmelztropfen geformt werden.
Die Schmelze und insbesondere der Schmelztropfen können zur Behebung von Defekten und/oder zur geometrischen Veränderung der Objektoberflächen auf der Objektoberfläche zu vorgesehenen Stellen transportiert, verschoben oder geschleudert werden.
Die Schmelze auf der Objektoberfläche kann auch durch das die Schmelze umgebende und erfassende Hochfrequenzfeld abgehoben und zu mindestens einem von der Objektoberfläche sich lösenden Schmelztropfen geformt werden, der geführt bewegt werden kann. Dάe Feldstärke und die Frequenz des Hochfrequenzfeldes in Form eines elektromagnetischen Wechselfeldes können dabei der Größe und dem Volumen der zu transportierenden Schmelze und/oder Schmelztropfen angepasst werden.
Die Hochfrequenzspule kann beim Bewegen, Verschieben, Abschleudern der Schmelze und der Schmelztropfen von mindestens einem zuschaltbaren stationären Elektromagnetfeld unterstützt werden, wobei eine Führungsbahn und eine finale Position durch das vorgegebene stationäre Elektromagnetfeld oder weitere vorgegebene Elektromagnetfelder eingestellt werden können.
Die Ausrichtung des stationären Elektromagnetfeldes mit zuge- höriger vorgegebener Magnetflussdichte kann beim Abschleudern der Schmelztropfen zur Objektoberfläche gerichtet mit einer bestimmten Neigung zur vorgegebenen Führungsbahn, der Schmelz- tropfen eingestellt werden.
Der Wirkungsbereich der Strahlung, das Hochfrequenzfeld und wahlweise das stationäre Elektromagnetfeld können zur Ausbildung eines aus aneinandergereihten Schmelztropfen bestehenden Flüssigkeitsstrahls ausgebildet und als eine Einheit relativ zu der zu bearbeitenden Objektoberfläche bewegt werden.
Als Bearbeitung der Objektoberflächen können unter anderem eine Abtragung einer Oberflächenschicht, eine Glättung der Oberfläche und/oder eine Beseitigung von Defekten, auf oder in der Objektoberfläche durchgeführt werden. Als Objektoberflächen können die Oberflächen von reinem Metall, Legierungen, Metallen mit niσhtmetallisσben Anteilen sowie von Metallen mit Überzügen und Oberflächenschichten, die z .B. mit radioaktiven Material kontaminierte und verbundene Oberflächen darstellen, aber auch die Oberflächen von anderen Objekten und Materialien, z..B. Beton, Glas oder Halbleiterstrukturen, festgelegt werden, wobei die der zu bearbeitenden Objektoberfläche zugeordnete Schmelze in einen Zustand eines vorgegebenen Bereiches der elektrischen Leitfähigkeit oder in einem Zustand eines vorgegebenen elektrischen Leitfahigkeits- wertes gebracht ist oder wird.
In der Einrichtung zur Bearbeitung von Objektόberflächen mittels einer Strahlung, die auf die zu bearbeitende Objektober- fläche gerichtet ist und dort in einem Wirkungsbereich der Strahlung eine Schmelze erzeugt, ist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 15 die Schmelze elektrisch leitfähig und oberhalb des Bereiches der Schmelze mindestens eine den Wirkungsbereich der Strahlung umgebende und die Schmelze erfas- sende Hochfrequenzspule angeordnet, wobei die Hochfrequenzspule: ein Hochfrequenzfeld aufweist, das auf die Schmelze eine zusammenballende Kraftwirkung ausübt, wodurch die Schmelze von der Objektoberfläche lösbar und/oder auf der Objektoberfläche bewegbar ist.
Dabei kann das Hochfrequenzfeld eine Dimensionierung insbesondere in Bezug auf Feldstärke und Frequenz aufweisen, dass sich mindestens ein separater, von der Objektoberfläche ablösender Schmelztropfen ausbildet. Die Hochfrequenzspule kann von mindestens einer Elektromagnet- spule zur Ausbildung eines unterstützenden stationären Elektromagnetfeldes umgeben sein, wobei die Schmelze oder die Schmelztropfen mit dem stationären Elektromagnetfeld in lösba- rer Verbindung stehen.
Die Energiestrahlung kann mithilfe eines Lasers erzeugt werden, wobei ein Laserstrahl auf die Objektoberfläche gerichtet ist, auf der eine Absorption der Strahlung die elektrisch lei- tende Schmelze erzeugt.
Als Laser kann ein Nd:YAG-Laser oder ein CQ2-Laser oder ein Diodenlaser vorgesehen sein.
Das Hochfrequenzfeld kann eine Frequenz in der Größenordnung von etwa 1,0 MHz aufweisen.
Die Elektromagnetspule kann seitlich geneigt angeordnet sein, wobei die Schmelze oder die Schmelztropfen aus dem Wirkungsbe- reich der Strahlung einzeln oder ähnlich eines Flüssigkeitsstrahles geführt abgeschleudert und in zugeordnete Behältnisse aufgenommen und entsorgt werden können.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass ein berührungslo- ser Transport der Schmelze von. der festen Objektoberfläche weg oder auf der Objektoberfläche durchgeführt werden kann, wobei auch Oberflächen von Beton und Glas sowie Halbleiterstrukturen einbezogen sind. Dabei wird in einem Arbeitsschritt durch eine energiereiche Strahlung eine elektrisch leitende Schmelze er- zeugt, die vom Ausgangsort aus dann berührungslos bewegt, verschoben, entfernt werden kann. Die Erfindung ermöglicht es auch, dass in einem technologischen Arbeitssσhritt sowohl eine radioaktive Objektoberfläche abgetragen werden kann als auch das Abprodukt so konditioniert wird, dass es weitestgehend endlagerfähig ist.
In dem vorliegenden Verfahren kann das lokale Schmelzen der Objektoberfläche mittels einer LaserStrahlung oder anderer E- nergieeintragungsprozesse, z.B. mittels Elektronenstrahlen o- der induktiven Aufheizens erfolgen.
Die Abtragung und Behandlung der Schmelze von einer Objektoberfläche erfolgt in folgenden Schritten:
- Aufbau eines elektromagnetischen Wechselfeldes - eines Hochfrequenzfeldes - im Bereich der Schmelze, - dadurch erfolgt eine Induktion eines Stromflusses in der Schmelze,
- was den Aufbau eines sekundären elektromagnetischen Feldes herbeiführt,
- durch die Wechselwirkung zwischen dem sekundären elektromag- netischen Feld und dem primären elektromagnetischen Wechsel- feld entsteht eine Kraftwirkung auf die Schmelze,
- die Schmelze wird dadurch zusammengezogen und kann als Schmelztropfen bzw. ähnlich einem Flüssigkeitsstrahl in eine definierte Richtung bewegt oder beschleunigt werden.
Die definierte Richtung kann durch das stationäre Elektromagnetfeld unterstützt werden und sich auch auf eine andere Lage auf der Objektoberfläche, z.B. auf zu beseitigende Defekte, oder auf einen von der Objektoberfläche entfernten Behälter oder Platz zur Entsorgung der Schmelze beziehen. Während der Bearbeitung kann die Objektoberfläche mit Hilfe von Schutzgas oder Inertgas oder Vakuum vor Oxidation geschützt werden.
Die weiteren Vorteile der Erfindung sind keine Staubentwicklung, insbesondere von radi oaktiven Stäuben, eine hohe Abtragungsrate bei geringem Abdämpfen von radioaktiven Substanzen, ein endlagerfähiges Endprodukt und eine gute Automatisierbarkeit.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfinderischen Einrichtung mittels einer Strahlung, die durch einen Laser in Form eines Laserstrahls erzeugt wird, und mittels einer Hochfrequenzspule,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des finalen Abschleu- derns eines Schmelztropfens aus dem Bereich von Magnetfeldern im Mehrphasensystem - Sogausbildung, Tropfenausbildung, Abschleudern -,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der oberhalb der Schmelze angeordneten Hochfrequenzspule ohne Laserstrahl,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des durch die Hochfre- quenzspule hindurch sich ausbildenden Schmelzsogs im Hochfrequenzfeld nach Fig. 3, Fig. 5 eine schematische Darstellung des Abrisses eines
Schmelztropfens aus dem Schmelzsog im Hochfrequenzfeld nach Fig. 4 und Ausbildung eines eigenständigen Schmelztropfens und
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Hochfrequenzfeldes mit einem überlagerten stationären Elektromaginetfeld und eines geführten Abschleuderns des Schmelztropfens durch Zusammenwirken beider Magnetfelder.
Dabei werden die Fig.l und Fig. 2 gemeinsam betrachtet. In Fig. 1 ist in einer schematischen Darstellung eine Einrichtung 1 zur Bearbeitung einer Objektoberfläche 5 insbesondere zur Dekontamination der Objektoberfläche 5 mittels einer Strahlung 4 , die auf die abzutragende Objektoberfläche 5 gerichtet ist und dort in dem Wirkungsbereich der Strahlung 4 eine Schmelze 6 erzeugt.
Erfindungsgemäß ist die Schmelze 6 elektrisch leitfähig und es ist, wie in den Fig. 2 bis 5 gezeigt ist, oberhalb des Bereiches der Schmelze 6 mindestens eine den Wirkungsbereich der Strahlung 4 umfassende Hochfrequenzspule 7 angeordnet, wobei die Hochfrequenzspule 7 ein Hochfrequenzfeld 8 aufweist, das auf die Schmelze 6 einen Schmelzsog 9 ausübt und mindestens einen vom Objekt 2 separaten sich abläsenden Schmelztropfen IQ in Abrissrichtung 13 ausbildet.
Die Hochfrequenzspule 7 kann., wie in Fig. 6 gezeigt ist, von. mindestens einer Elektromagnetspule 11 zur Ausbildung eines stationären Elektromagnetfeldes 12 umgeben sein, wobei die Sσhmelztropfen 10 mit dem stationären Elektrpmagnetfeld 12 in lösbarer Verbindung stehen.
Die Strahlung wird mithilfe eines Lasers 3, wie in Fig. 1 ge- zeigt ist, erzeugt, wobei ein Laserstrahl 4 auf die Objektoberfläche 5 gerichtet ist und wobei die auf der Objektober- fläche 5 entstehende Warme die elektrisch leitende Schmelze 6 erzeugt.
Als Laser 3 kann ein Nd:YAG-Laser oder ein C02-Laser oder ein Diodenlaser vorgesehen sein.
Während der Bearbeitung kann die Objektoberfläche 5 mit Hilfe von Schutzgas oder Inertgas oder Vakuum vor Oxidation ge- schützt werden.
Das Hochfrequenafeld 8 weist vorzugsweise eine Frequenz von etwa 1 ,0 MHz auf.
Die Elektromagnetspule 11 kann seitlich geneigt, in Fig. 6 nicht eingezeichnet, angeordnet sein, wobei die Schmelztropfen 10 aus dem Wirkungsbereich der Strahlung 4 einzeln oder als Flüssigkeitsstrahl in Abstoßrichtung 14 geführt abgeschleudert werden und mittels eines zugeordneten Behältnisses 15 entsorg- bar sind.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung von Objektoberflächen mittels einer Strahlung 4, die auf die zu bearbeitende, abzutragende Objektoberfläche 5 gerichtet ist und dort im Wirkungsbereich der Strahlung 4 eine Schmelze 6 erzeugt, wird die Schmelze 6 elektrisch leitfähig und auf der Objekt- Oberfläche 5 durch ein die Schmelze 6 umgebendes und erfassendes Hochfrequenzfeld 6 angehoben und zu mindestens einem von der Objektoberfläche 5 sich lösenden Schmelztropfen 10 geformt, der vom Hochfrequenzfeld 6 geführt abgehoben wird.
Die Hochfrequenzspule 7 kann zum geführten Bewegen oder zum Abschleudern der Schmelztropfen 10 von einem zuschaltbaren stationären Elektromagnetfeld 12 in Form der Ausbildung einer Führungsbahn unterstützt werden.
Die Richtung des stationären Elektromagnetfeldes 12 mit zugehöriger Magnetflussdichte ist zur Objektoberfläche 5 mit einer bestimmten Neigung zum vorgegebenen Austrag/Abtrag der Schmelze 6 oder der Schmelztropfen 10 einstellbar.
Der Wirkungsbereich der Strahlung 4, das Hochfrequenzfeld 8 und das Elektromagnetfeld 12 können zur Ausbildung eines FIüs- sigkeitsstrahls aus Schmelztropfen 10 ausgebildet und gemeinsam in Form einer Einheit auf der Objektoberfläche 5 verscho- ben werden.
Als Objekt 2 wird reines Metall, Legierungen, Metalle mit nichtmetallischen Anteilen sowie Metalle mit Überzügen und O- berflächenschichten, die z.B. mit radioaktiven Bestandteilen kontaminierte und verbundene Metalloberflächen darstellen, festgelegt. Aber auch die Objektoberflächen von Objekten aus Beton, Stahlbeton, Glas und Halbleiterstrukturen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Einrichtung 1 bearbeitet werden, wobei die Schmelze 6 jeweils den Zustand einer vorgegebenen elektrischen Leitfähigkeit oder einen vorgegebe- nen Leitfähigkeitswert aufweist oder in einen elektrisch leitfähigen Zustand überführt wird.
Die erfindungsgemäße Einrichtung 1 kann als ein Gerät ausge- bildet sein, das handlich einsetzbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung können in vielen Bereichen angewendet werden und sind durchaus nicht auf die Dekontamination beschränkt.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Herstellung von sehr reinen MaterialZusammensetzungen, wobei der gesamte Prozess berührungslos erfolgt. Ebenso kann das Verfahren zur Herstellung von genau definierten Materialportionen dienen.
Bezugszeichenliste
1 Einrichtung
2 Objekt 3 Laser
4 Strahlung
5 Objektoberfläche
6 Schmelze
7 Hochfrequenzspule 8 Hochfrequenzfeld
9 Schmelzsog
10 Schmelztropfen
11 Elektromagnetspule
12 stationäres Elektromagnetfeld 13 Abrissriσhtung des Schmelztropfens
14 Abstoßriσhtung des Schmelztropfens
15 Behältnis

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bearbeitung von Objektoberflächen mittels einer Strahlung, die auf die zu bearbeitende Objektoberfläche gerichtet ist und dort in dem Wirkungsbereich der Strahlung eine Schmelze erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze (6) elektrisch leitfähig und auf der Ob- jektoberfläche (5) durch ein die Schmelze (6) umgebendes und erfassen<ϊes Hochfrequenzfeld (8) von der Objektoberflä- che (5) gelöst und/oder auf der Objektoberfläche (5) bewegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze (6) auf der Objektoberfläche (5) durch das Hochfrequenzfeld (8) abgehoben und wahlweise geführt bewegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze (6) auf der Objektoberfläche (5) zu mindestens einem von der Objektoberfläche (5) lösbaren und/oder auf der Objektoberfläche (5) bewegbaren Schmelz- tropfen (10) geformt wird.
4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze (6) und der Schmelztropfen (10) zur Behebung von Defekten und/oder zur geometrischen Veränderung der Ofojektoberfläche (5) auf der Objektόberfläche (5) zu zugehörigen Stellen transportiert, verschoben oder ge- schleudert werden.
5. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke und die Frequenz des Hochfrequenzfeldes (8) der Größe usid/oder dem Volumen der zu transportierenden Schmelztropfen (10) angepasst werden.
6. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzspule (8) beim Bewegen, Verschieben, Abschleudern der Schmelze (6) und der Schmelztropfen (10) von mindestens einem zuschaltbaren stationären Elektromagnetfeld (12) unterstützt wird, wobei eine Führungsbahn und eine finale Position durch das stationäre Elektromagnetfeld (12) oder weitere vorgegebene Elektromagnetfelder eingestellt werden.
7. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung des stationären Elektromagnetfeldes
(12) mit zugehöriger Magnetflussdichte beim Abschleudern der Schmelztropfen. (10) zur Objektoberfläche (5) gerichtet mit einer bestimmten Neigung zur vorgegebenen Führungsbahn der Schmelztropfen (10) eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsbereich der Strahlung (4) , das Hochfre- quenzfeld (8) und wahlweise das Elektromagnetfeld (12) zur Ausbildung eines aus aneinandergereihten Schmelztropfen (10) bestehenden Flüssigkeitsstrahls ausgebildet und als eine Einheit relativ zur Objektoberfläche (5) bewegt werden.
9. Verfahren, nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Objektoberflächen (5) die Oberflächen von reinem Metall, Legierungen, Metallen mit nichtmetallischen Anteilen sowie von Metallen mit Überzügen und Oberflächenschich- ten, die auch mit radioaktiven Bestandteilen kontaminierte und verbundene Oberflächen darstellen, aber auch von anderen Objekten und Materialien aus Beton, Stahlbeton, Glas oder Halbleiterstrukturen festgelegt werden, wobei die jeweils entstehende Schmelze (5) elektrisch leitend wird.
10.Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlung (4) für das lokale Schmelzen der Objektoberfläche (5) eine Laserstrahlung oder andere Energieein- tragungsprozesse - mittels Elektronenstrahlen oder mittels induktiven Aufheizens - eingesetzt werden.
11.Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung der Schmelze (6) auf der Objektoberflä- che (5) in folgenden Schritten erfolgt: - Aufbau eines elektromagnetischen Wechselfeldes - eines Hochfrequenzfeldes (8) - im Bereich der Schmelze (6) ,
- Induktion eines Stromflusses in der Schmelze (6) ,
- Aufbau eines sekundären elektromagnetischen Feldes, - Wechselwirkung zwischen dem sekundären elektromagnetischen Feld und dem primären elektromagnetischen Wechselfeld (8) zur Entstehung einer Kraftwirkung auf die Schmelze (6) ,
- Zusammenballung der Schmelze (6) , - Bewegung der Schmelze (6) , des Schmelztropfens (10) oder des Flüssigkeitsstrahls in eine definierte Richtung (14) .
12.Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein berührungsloser Transport der Schmelze (6) von der festen Objektoberfläche (5) weg gerichtet oder auf der Objektoberfläche (5) durchgeführt wird, wobei auch Oberflächen von Beton, Glas oder Halbleiterstrukturen einbezogen sind und wobei in einem Arbeitsschritt durch energiereiche Strahlung eine elektrisch leitende Schmelze (6) erzeugt wird, die vom Ausgangsort der Objektoberfläche (5) aus dann berührungslos bewegt, verschoben, entfernt wird.
13.Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Richtung auf eine andere Lage auf der
Objektoberfläche (5) , auf zu beseitigende Defekte, und/oder auf einen von der Objektoberfläche (5) entfernten Behälter
(15) oder Platz zur Entsorgung der Schmelze (6) bezogen wird.
14.Verfahren nach vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung die Objektoberfläche (5) mit Hilfe von Schutzgas oder Inertgas oder Vakuum vor Oxidation geschützt wird.
15.Einrichtung zur Bearbeitung von Objektoberflächen mittels einer Strahlung, die auf die zu bearbeitende Objektoberfläche gerichtet ist und dort im Wirkungsbereich der Strahlung eine Schmelze erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze leitfähig ist und oberhalb des Bereiches der Schmelze (6) mindestens eine den Wirkungsbereich der Strahlung (4) umgebende und die Schmelze (6) erfassende Hochfrequenzspule (7) angeordnet ist, wobei die Hochfrequenzspule (7) ein Hochfrequenzfeld (8) aufweist, das auf die Schmelze (6) eine zusammenballende Kraftwirkung ausübt, wodurch die Schmelze (6) von der Objektoberfläche (5) lösbar und/oder auf der Objektoberfläche (5) bewegbar ist.
16.Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzfeld (8) eine Dimensionierung in Bezug auf Feldstärke und Frequenz aufweist, dass sich mindestens ein separater, von der Objektoberfläche (5) ablösender Schmelztropfen (10) ausbildet.
17.Einrichtung nach Anspruch 15 und/oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzspule (7) von mindestens einer Elek- tromagnetspule (11) zur Ausbildung eines unterstützenden stationären Elektromagnetfeldes (12) umgeben ist, wobei die Schmelze (6) oder die Schmelztropfen (10) mit dem stationären Elektromagnetfeld (12) in lösbarer Verbindung stehen.
18.Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung mithilfe eines Lasers (3) erzeugt wird, wobei ein Laserstrahl (4) auf die Objektoberfläche (5) gerichtet ist, auf der die entstehende Wärme eine elektrisch. leitende Schmelze (6) ausbildet.
19.Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Laser (3) ein Nd:YAG-Laser oder ein CO2-Laser oder ein Diodenlaser vorgesehen sind.
20.Einrichtung nach, einem vorhergehenden. Anspruch., dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzfeld (8) eine Frequenz in der Größen- Ordnung von etwa 1,0 MHz aufweist.
21.Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnetspule (11) seitlich, geneigt angeord- net ist, wobei die Schmelze (6) oder die Schmelztropfen (10) aus dem Wirkungsbereich der Strahlung (4) einzeln oder ähnlich in Form eines Flüssigkeitsstrahls geführt abgeschleudert und in zugeordnete Behältnisse (15) aufnehmbar und entsorgbar sind.
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