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