DE60306174T2

DE60306174T2 - Oberflächenbehandlung von beton

Info

Publication number: DE60306174T2
Application number: DE60306174T
Authority: DE
Inventors: Stephen C.N. British Nuclear Fuels P Risley BROWN; J.T. British Nuclear Fuels PLC. Risley SPENCER; A.W. British Nuclear Fuels PLC. Risley BENJAMIN; T.G. British Nuclear Fuels PLC. Risley THOMAS
Original assignee: BNFL IP Ltd
Current assignee: Nuclear Decommissioning Authority
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: AU2003267615A1; GB0222341D0; ATE329699T1; WO2004028712A1; EP1542813A1; US20060151431A1; US7521001B2; ES2266847T3; EP1542813B1; DE60306174D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Oberflächenabtrag anorganischer, nicht-metallischer Strukturen, insbesondere Betonstrukturen, vorwiegend, aber nicht ausschließlich zum Zweck der Beseitigung in Oberflächenschichten enthaltener radioaktiver Kontaminierung.
Erörterung des Standes der Technik
In der Kerntechnik können Oberflächen von Betonstrukturen mit Radionukliden kontaminiert werden. Übliche Kontaminanten umfassen Uranoxid, Plutoniumoxid, Strontium-90, Cäsium-137 und Kobalt-60. Diese Kontamination ist typischerweise nur in einer Oberflächenschicht des Betons vorhanden. Solche Schichten können eine Dicke von etwa 1 bis 4 mm oder mehr haben. Durch den Abtrag einer solchen Oberflächenschicht wird der Kontaminationsgrad einer Oberfläche sowie des gesamten Aufbaus deutlich verringert. Einfache mechanische Verfahren können jedoch zur Verwendung ungeeignet sein, wenn es ein Kontaminationspotential für einen Operateur wünschenswert macht, von der zu bearbeitenden Oberfläche Abstand zu halten.
Zum Oberflächenabtrag von Beton, Stein und ähnlichen Oberflächen sind verschiedene Verfahren bekannt. Ein solches Verfahren ist die Wärmebehandlung einer Oberfläche, um diese Oberfläche abzubauen und eine Oberflächenschicht abzulösen.
Die JP 3002595 beschreibt den Abtrag einer Betonoberflächenschicht mittels Zertrümmern durch Wärme, die mittels Mikrowellen zum Bestrahlen einer kontaminierten Oberflächenschicht erzeugt wird.
Die GB 2316528 beschreibt ein Verfahren zum Dekontaminieren einer Oberfläche mit einem gepulsten Laserstrahl. Gepulste Laserstrahlen geben sehr hohe Energie in sehr kurzen Impulsen ab. Das Dokument beschreibt Impulse mit einer Dauer von 28 ns und einer maximalen Wiederholfrequenz von 250 Hz (d.h. ein Impuls pro 4 ms), weshalb die Zeit zwischen den Impulsen etwa 140.000 mal länger als die Dauer jedes Impulses ist. Solche Hochenergie-Impulse haben häufig Spitzenleistungsdichten pro Impuls, die im Bereich von mehreren 10 MW/cm² liegen, aber nur für die Dauer des Impulses anhalten. Solche hohen Spitzenleistungsdichten führen zu ablativen Prozessen, wie Verdampfung, Sublimierung oder Plasmabildung, was den Abtrag einer sehr dünnen Oberflächenschicht bewirkt. Impulslaserverfahren sind insofern charakteristisch, als das Zeitintervall zwischen den sehr energiereichen, kurzen Impulsen mehrere Größenordnungen länger als die Dauer jedes Impulses ist. Dies ergibt während der kurzen Dauer jedes Impulses eine sehr hohe augenblickliche Energieintensität, aber eine geringere Leistungsdichte, wenn der Wert der abgegebenen Leistung kontinuierlich über die Zeit gemittelt wird.
Die EP-A-0653762 beschreibt ein als „Scabbling" bezeichnetes Verfahren zum Verändern von Beton durch Absprengen fester Oberflächenfragmente, Späne oder Flocken von Material signifikanter Größe (z.B. mehrere Gramm) und signifikantem Volumen, wodurch ein Oberflächenabtrag bewirkt wird. Bei dem beschriebenen Verfahren wird ein Laser verwendet, der in einem Raster-Scan über die Oberfläche geführt wird. Bei einem solchen Verfahren erwärmt die Energie des Laserlichtes die Oberfläche und bewirkt ein häufig gewaltsames Abbrechen oder Absprengen von Oberflächenfragmenten aufgrund der Erzeugung von Dampf oder Wärmespannungen unter der Oberfläche. Dieses letztere Phänomen des Absprengens fester Oberflächenfragmente, Späne oder Flocken von Material mittels Verwendung eines Lasers ist im Stand der Technik als Laser-Scabbling bekannt.
Wie jedoch festgestellt wurde, kann es bei manchen Oberflächen, einschließlich einiger Arten von Beton mit einem darin enthaltenen Bestandteil, sein, daß sie zwar bei einem ersten Abtasten der Oberfläche mit dem Laser erfolgreich „Laser-gescabbelt" werden, aber in Bereichen, die entweder innerhalb oder benachbart einer ersten Abtastbahn liegen, wenn sie bei einer nachfolgenden Wiederbehandlung des gleichen Bereiches oder einer benachbarten Abtastbahn Laserstrahlung ausgesetzt sind, nicht oder nur mit verminderter Wirksamkeit gescabbelt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der Behandlung einer anorganischen, nicht-metallischen Oberfläche zum Abtragen eines Oberflächenabschnittes mittels Scabbling bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 niedergelegt ist.
Die Stellen, an denen der Laser in der vorgenannten aufeinanderfolgenden Weise angewendet wird, können durch die Mittelpunkte der Lichtflecke des einfallenden Laserlichtes festgelegt sein. Die Stellen können einander überlappen. Die Geometrie jedes Laserlichtflecks am Anwendungspunkt auf der Oberfläche kann kreisförmig, oval, elliptisch, rechteckig oder quadratisch sein, was von der Form des emittierten Laserstrahls und jeder Modifikation desselben durch zwischengeschaltete optische Elemente abhängt.
Ein für das Laser-Scabbling verwendeter Laser gibt einen im wesentlichen kontinuierlichen Strahl ab, und keinen gepulsten, wenngleich der Laser gegebenenfalls während der Bewegungszeiträume des Laserstrahlaufbringsystems zwischen den Oberflächenstellen ausgeschaltet sein kann.
Die Laserlichtflecke haben am Anwendungspunkt auf der Oberfläche typischerweise einen Durchmesser von mehreren 10 mm, und jeder Lichtfleck wird über der zu behandelnden Stelle auf der Oberfläche über einen Zeitraum von mehreren Sekunden bis mehreren zehn Sekunden ortsfest gehalten, bevor der Laser zum nächsten Anwendungspunkt bewegt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren des Laser-Scabbling, das mit aufeinanderfolgenden Laserlichtflecken arbeitet, verringert die Bildung von mit dem Laserlicht behandelten Bereichen, die anschließend weitere Laser-Scabbling-Behandlungen aushalten, im Vergleich zu anderen bekannten Verfahren zum Aufbringen von Laserlicht mit im wesentlichen kontinuierlicher Leistung. Zudem führt das Verfahren zu einer flacheren gescabbelten Oberfläche als andere bekannte Laser-Scabbling-Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren des Laser-Scabbling unter Verwendung aufeinanderfolgender Laserlichtflecke erfordert eine mittlere Leistungsdichte an der Oberfläche am Anwendungspunkt eines Lichtflecks, d.h. pro Lichtfleck Laserlicht, über etwa 30 W/cm² und unter etwa 200 W/cm². Oberhalb einer mittleren Leistungsdichte von etwa 200 W/cm² kann der Beton einem schnellen Scabbling unterliegen, was jedoch üblicherweise zum Schmelzen der Betonmatrix führt und ein weiteres Scabbling verhindert. Unterhalb einer mittleren Leistungsdichte von etwa 30 W/cm² ist es unwahrscheinlich, daß die Energieintensitätsschwelle, die eine zum Bewirken des Scabbling ausreichende Erwärmungsrate ergibt, erreicht wird.
Ein bevorzugter mittlerer Leistungsdichtebereich für das Laser-Scabbling gemäß der Erfindung liegt bei 50 W/cm² bis 150 W/cm². Eine mittlere Leistungsdichte pro Laserlichtfleck, die, wie festgestellt wurde, zu optimalen Scabbling-Ergebnissen führte, liegt in der Größenordnung von 100 W/cm². Die genaue optimale mittlere Leistungsdichte, die eingesetzt wird, hängt von den Merkmalen der zu scabbelnden Oberfläche ab, wie z. B. von der Art des Betons, vom Reflexionsvermögen usw.
Der Begriff „mittlere Leistungsdichte" bezieht sich auf die über die Fläche eines Laserlichtflecks gemittelte Leistung, anders als bei einer über die Zeit gemittelten Leistungsdichte, die hier nicht gemeint ist.
Das Scabbling einer Betonoberfläche mit einem Laser von im wesentlichen kontinuierlicher Leistung kann verglichen werden mit der Behandlung einer Oberfläche mittels gepulstem Laser, wie er typischerweise bei ablativen Prozessen verwendet wird, wobei sich die sich ergebenden Wirkungen deutlich unterscheiden. Beim Scabbling mittels Beaufschlagung des zu behandelnden Oberflächenelementes mit dem kontinuierlichen Laserstrahl über einen Zeitraum von mehreren Sekunden oder mehreren zehn Sekunden, hat die Wärme ausreichend Zeit und daher Gelegenheit, sich unter der Oberfläche zu verteilen und Spannungen und/oder Dampf in einem beträchtlichen Materialvolumen aufzubauen, was zum Absprengen fester Fragmente, Späne oder Flocken von Material beträchtlicher Größe führt. Bei Verwendung eines gepulsten, ablativen Systems ist jedoch aufgrund der kurzen Dauer der Laserimpulse (Nanosekunden bis Millisekunden) im Vergleich zum Intervall zwischen den Impulsen und zur Zeit, welche die Wärme benötigt, um sich unter der Oberfläche des Betons zu verteilen, die Energiezufuhr der kurzen Impulse unzureichender Dauer, um den Beton unterhalb einer sehr dünnen Oberflächenschicht zu erwärmen. Somit können sich weder mechanische Spannungen noch Dampf in einem merklichen Materialvolumen unter der Oberflächenschicht aufbauen, und daher kann kein Scabbling mittels Absprengen fester Fragmente, Späne oder Flocken des Materials erfolgen.
Die Energie, die beim Laser-Scabbling, das einen Laserstrahl mit im wesentlichen konstanter Intensität verwendet, pro Lichtfleck des einfallenden Lichtes an eine Oberfläche abgegeben wird, liegt zwischen etwa 200 und 1.350 J/cm², verglichen mit etwa 0,7 J/cm² bei einem ablativen System mit gepulstem Laser. Der Zeitraum, über den beim Laser-Scabbling ein Lichtfleck mit Laserlichtenergie abgegeben wird, liegt bei der vorliegenden Erfindung in der Größenordnung von 1 bis 30 Sekunden. Der entsprechende Zeitraum bei ablativen Systemen, die mit einem gepulsten Laser arbeiten, liegt typischerweise in der Größenordnung von 20 ns.
Die Leistungsdichte eines typischen, für das Scabbling gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erforderlichen Laserlichtflecks, die mehrere zehn oder mehrere hundert W/cm² beträgt, ist einige Größenordnungen niedriger als die, die für ablative Verfahren benötigt wird, wie sie für die Impulslaserbehandlung typisch sind, welche in der Größenordnung von mehreren 10 MW/cm² liegt.
Die Verwendung von Impulslaser-Ablationsverfahren würde oft als nachteilig für das Entfernen radioaktiver Kontaminanten betrachtet, da entweder die Erzeugung von Plasmen oder das Verdampfen oder die Sublimation von Kontaminanten zu einer weiteren Ausbreitung der Kontamination über die Luft führen würde. Das Scabbling vermeidet diese Probleme, da relativ große (mm bis cm) und feste Oberflächenfragmente, Späne oder Flocken zwangsläufig von einer dem Scabbling unterzogenen Oberfläche abspringen und ohne weiteres mit herkömmlichen Feststoff-Sammelverfahren, wie Luftextraktion und Filtern, gesammelt werden können.
Im Stand der Technik traten jedoch Probleme beim Oberflächenabtrag mittels Laser-Scabbling auf, die mit einer ungleichförmigen Leistungsverteilung, z.B. einer quasi-Gauß'schen Verteilung, über einen Laserstrahllichtfleck und insbesondere mit dem Vorliegen von Bereichen niedrigerer Leistungsdichte eines einfallenden Laserlichtstrahls auf der zu behandelnden Oberfläche verbunden sind. Der Teil eines auf eine Oberfläche auftreffenden Laserlichtstrahls, der über einer kritischen Leistungsdichte oder Schwellen-Leistungsdichte liegt, die ein Scabbling bewirken kann, führt dazu, daß ein Scabbling der Oberfläche erfolgt. Jeder Bereich eines einfallenden Laserstrahls, üblicherweise ein Randbereich, der unter dem Leistungsdichte-Schwellwert liegt, d.h. ein Bereich, der einen Oberflächenabschnitt, auf den er einfällt, keiner Leistungsdichte oberhalb eines kritischen Wertes aussetzt, bewirkt keinen Oberflächenabtrag mittels Scabbling, aber das Element der von ihm behandelten Oberfläche wird dennoch erwärmt. Ein solches Erwärmen ohne Scabbling kann zum Auftreten einer Reihe von Prozessen in dem Material, wie Entspannung, Dehydrierung und chemische Veränderung, führen. Diese Prozesse können zur Folge haben, daß die mit Wärme beaufschlagte Oberfläche einem späteren Oberflächenabtrag mittels Laser-Scabbling nicht mehr zugänglich ist, auch wenn diese nachfolgende Behandlung oberhalb der Schwellen-Leistungsdichte zum Erreichen des Scabblings liegt, d.h. zumindest, wenn Laserlicht in einer Weise verwendet wird, in der ein Oberflächenabtrag sonst eher mittels Scabbling, d.h. Absprengen von Oberflächenspänen, als mittels Ablation erfolgen würde.
Ferner kann eine uneinheitliche Leistungsverteilung über einen auf eine Oberfläche einfallenden Laserstrahl zu einem unterschiedlichen Oberflächenabtrag mittels Scabbling zwischen Oberflächenabschnitten führen, in denen eine höchste und eine niedrigere Laser-Leistungsdichte einfallen, die beide oberhalb der Schwellenleistungsdichte liegen. Aus diesem Grund kann beim linearen Scannen oder Führen eines Laserstrahls mit einer konstanten Geschwindigkeit über eine Oberfläche, um diese zu scabbeln, eine Furche oder ein Kanal mit ansteigenden Flanken in einer Oberfläche gebildet werden, einen senkrecht zu einer Oberfläche auftreffenden, scannenden Laserstrahl. Ein nachfolgender Scabbling-Versuch benachbart dieser Bahn mit einem ähnlichen senkrechten Strahl kann dazu führen, daß Laserlicht auf den ansteigenden Oberflächenabschnitt auftrifft, was zu einer niedrigeren Einfallsleistungsdichte auf dem ansteigenden Oberflächenbereich führt. Die ansteigenden Flanken können daher dazu führen, daß eine ansonsten ausreichende Leistungsdichte entweder unzureichend wird, d.h. unter die Leistungsdichteschwelle abfällt, oder daß aufgrund einer verminderten Leistungsdichte und einer daher verminderten Scabbling-Effizienz weniger Oberflächenmaterial gescabbelt wird. Dies kann dazu führen, daß eine gesamte Oberfläche uneben ist, wenn sie dem Scabbling mit Laserlicht unterzogen wurde.
Zudem können Laser-Scabbling-Prozesse ein explosives Ablösen von Oberflächenfragmenten eines zu behandelnden Materials bewirken, wie dies beim Scabbling von Beton der Fall ist. Um eine mögliche Beschädigung des Lasers und der zugehörigen Optik durch Splitter zu verhindern, können Laserstrahlen durch eine, relativ gesehen, sehr kleine Öffnung fokussiert werden, bevor sie sich defokussieren, um den Lichtfleck zu bilden. Ebenso kann aus dieser Öffnung ein Hochgeschwindigkeits-Luftstrom unter Druck ausgestoßen werden, um ein Eindringen von Rückständen zu verhindern. Das Fokussieren und Defokussieren kann dazu dienen, die Divergenz eines Laserstrahls zu erhöhen, indem die zu behandelnde Oberfläche vom Fokus beabstandet ist und eine Verteilung der Leistungsdichte innerhalb eines Lichtflecks des einfallenden Laserlichts zu reduzieren oder zu erhöhen.
Wie festgestellt wurde, verringert die Verwendung aufeinanderfolgender Lichtflecke, insbesondere überlappender Lichtflecke, des Laserlichts zum Scabbling einer Oberfläche den Anteil der behandelten Oberfläche, der von Randbereichen eines Laserstrahls behandelt wird, d.h. in denen ein Scabbling dadurch unterbunden wird, daß die Leistungsdichte des Lasers die Schwelle zum Verursachen von Scabbling nicht für die entsprechende Dauer erreichte und daher einen weiteren Oberflächenabtrag unterbinden kann. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die Fläche, die einer niedrigeren Einfallslaserstrahl-Leistungsdichte, d.h. einer Leistungsdichte unterhalb einer kritischen Schwelle, ausgesetzt ist, im Vergleich zu einem linear gescannten Laserstrahl vergrößert ist, die Wirksamkeit des Oberflächenabtrags jedoch erhöht ist und eine ebenere gescabbelte Oberfläche erhalten wird.
Die mit aufeinanderfolgenden Laserlichtflecke bestrahlten Stellen an der Oberfläche können in einem geometrischen Muster angeordnet sein, das durch die jeweiligen Mittelpunkte der Einfalls-Laserlichtflecke festgelegt ist.
Ein Mittelpunkt eines Einfalls-Laserlichtflecks kann als geometrischer Mittelpunkt definiert sein, der auch der Bereich mit der höchsten Leistungsdichte eines Einfalls-Laserlichtflecks sein kann.
Das zuvor erwähnte geometrische Muster kann den Ecken einfacher geometrischer Figuren, wie Dreiecke, Rechtecke, Rauten, Fünfecke, Sechsecke und dergleichen, entsprechen. Die einfache geometrische Figur ist vorzugsweise ein gleichseitiges Dreieck. Die einfachen geometrischen Figuren können mosaikartig angeordnet sein, d.h. genau zusammenpassen, um eine Oberfläche ohne Zwischenräume zwischen den Figuren zu bedecken.
Der Grad der Überlappung überlappender Stellen, die mit Laserlichtflecken bestrahlt werden, kann dergestalt sein, daß bei einem vorgegebenen geometrischen Muster eine vollständige Abdeckung des Bereiches innerhalb des Musters während eines Behandlungszyklus erfolgt, d.h. es gibt zwischen den Stellen, an denen die Laserlichtflecke angewandt werden, keine Fläche, die nicht zu einem Zeitpunkt während der Anwendung des Verfahrens mit Laserlicht beaufschlagt wird.
Die Laserlichtflecke können oval sein. Auch können die Laserlichtflecke elliptisch, quadratisch oder rechteckig sein. Die Laserlichtflecke können auch kreisförmig sein, wobei die Breite eines Laserlichtflecks in diesem Fall sein Durchmesser ist. Diese Breite kann als der Durchmesser des Flecks definiert sein, der einen Leistungsdichte-Schwellwert für das Scabbling überschreitet. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung liegt der Abstand zwischen den Mittelpunkten der von Laserlichtflecken bestrahlten Stellen im Bereich von 4/7 bis 6/7, und vorzugsweise bei 5/7 (71 %) des Fleckdurchmessers, der als der Durchmesser des Flecks bestimmt ist, der einen Leistungsdichte-Schwellwert für das Scabbling überschreitet.
Ein Laserlichtfleck ist als eine Fläche von Laserlicht definiert, das auf eine Oberfläche auftrifft, wobei das Laserlicht oberhalb eines Leistungsdichte-Schwellwertes liegt, bei dem das Scabbling verursacht wird.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die mit einem YAG-Laser mit einer variablen Ausgangsleistung von bis zu 4 kW arbeitet, kann der Durchmesser eines Oberflächenbereichs, auf den das einfallende Laserlicht trifft, zwischen 20 mm und 250 mm und bevorzugter zwischen 30 mm und 130 mm liegen. Bei einer solchen Ausführungsform kann die Breite des Laserlichtflecks, der oberhalb des Leistungsdichte-Schwellwerts ist, bei dem Scabbling bewirkt wird, entsprechend bei 30 bis 80 mm oder im bevorzugten Bereich von 50 bis 75 mm liegen. Im allgemeinen sind größere Flecke bevorzugt, da sie zu besser reproduzierbaren Ergebnissen führen.
Das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Laserlichtflecken kann typischerweise zwischen 0,1 s und 2 s liegen. Das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgend aufgebrachten Laserlichtflecken kann im wesentlichen konstant sein.
Die Bestrahlungsdauer einer Oberflächenstelle kann bei einem bestimmten Laserlichtfleck typischerweise zwischen 1 s und 30 s liegen. Die Bestrahlungsdauer kann für aufeinanderfolgende aufgebrachte Laserlichtflecke im wesentlichen gleich sein.
Die Dauer der Bestrahlung einer Oberflächenstelle kann für einen bestimmten Fleck länger als das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Laserlichtflecken sein, vorzugsweise mehr als 5 mal länger und besonders bevorzugt 10 mal länger oder mehr.
Das Verhältnis der Fleckbehandlungsdauer zum Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Behandlungsflecken im Fall des Laser-Scabbling ist daher über 1.000.000 mal größer als es für einen Impulslaser typisch ist, wie er z.B. in der GB 2316528 beschrieben ist. Die Zeitverzögerung zwischen benachbarten Flecken bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorwiegend durch die Vorschubgeschwindigkeit der Laserstrahlaufbringvorrichtung, wie z.B. eines Roboterarms, vorgegeben. Gegebenenfalls kann der Laser während der Vorschubbewegung eingeschaltet bleiben. Dagegen ist es bei einem gepulsten Lasersystem erforderlich, daß die Verzögerung zwischen den Impulsen typischerweise bei weniger als 0,005 s liegt, damit der Laser „aufgeladen" und die Leistung auf das erforderliche Niveau aufgebaut werden kann.
Die mittlere Leistungsdichte, bei der festgestellt wurde, daß sie beim erfindungsgemäßen Verfahren optimale Scabbling-Ergebnisse für eine Oberfläche von Beton auf der Basis von Portland-Zement ergibt, liegt in der Größenordnung von 100 W/cm², ausgehend von aufeinanderfolgenden Laserlichtflecken unter Verwendung eines Flecks mit einem Durchmesser von 70 mm und einer Behandlungsdauer von 15-20 Sekunden pro Fleck mit einem 3 kW YAG-Laser. Die eingesetzte mittlere Leistungsdichte steigt bei Verwendung kleinerer Flecke und kann nahezu doppelt so groß sein, wenn ein Lichtfleck mit einem Durchmesser von 40 mm eines äquivalenten Lasers verwendet wird, wobei sich die Behandlungsdauer entsprechend auf etwa 3 Sekunden verringert. Die optimale mittlere Leistungsdichte und die Dauer, die für einen Laserlichtfleck gewählt werden, stellen einen Kompromiß zwischen dem Anteil der Fleckoberfläche, die über der Leistungsdichteschwelle für das Scabbling liegt, der gewünschten Abtragsrate und der gewünschten Abtragseffizienz (z.B. kein Schmelzen, oder keine Erzeugung benachbarter Flächen, die möglicherweise gegen Scabbling beständig sind) sowie weiteren Faktoren dar.
Jedes zum Erzeugen einzelner Laserlichtflecke geeignete Verfahren zur Laserbestrahlung kann angewendet werden. Ein kontinuierlicher Laserstrahl kann mit einer Blende unterbrochen oder der Strahl kann ein- und ausgeschaltet werden. Es können mehr als eine Laserquelle verwendet werden.
Zum Bewegen der einzelnen Laserlichtflecke relativ zum Material, das gescabbelt wird, kann jedes geeignete Verfahren angewendet werden, einschließlich des Bewegens des Lasers, des Bewegens des zu scabbelnden Objektes, des Bewegens eines Laserlichtleiters (wie eines Faseroptikkabels) oder des Einsatzes optischer Verfahren, wie Spiegel und dergleichen. Gegebenenfalls liegt es im Schutzbereich der Erfindung, einen Strahl zu bewegen, ohne ihn auszuschalten, und zwar mit einer solchen Geschwindigkeit, daß der Strahl eine vernachlässigbare Verweildauer zwischen einzelnen Laserlichtflecken im Verhältnis zur Behandlungsdauer für jeden Fleck aufweist, so daß einzelne, aufeinanderfolgende Einfalls-Laserlichtflecke wirksam erzeugt werden.
Die Flecke der Laserlichtbestrahlung zur Verwendung bei der Erfindung können eine ungleichmäßige Leistungsdichte im Bereich eines Flecks aufweisen.
Eine Laserlichtquelle zur Verwendung bei der Erfindung kann typischerweise eine Gesamtdauerleistung von 0,5 kW bis 4 kW aufweisen. Auch wenn sie gegebenenfalls während der Bewegung zwischen Flecken abgeschaltet wird, wird diese Leistung in im wesentlichen über die Zeit konstanter Weise bereitgestellt. Der Laser ist daher kein „gepulster Laser" im Sinne der Lasertechnologie.
Abhängig von der zu behandelnden Oberfläche kann eine Leistungsdichteschwelle für den Oberflächenabtrag bei Beton mittels Scabbling typischerweise im Bereich von 50 W/cm² bis 80 W/cm², z. B. bei einem Wert von etwa 70 W/cm² liegen.
Die Leistung des Lasers, die Größe des einfallenden Laserlichtflecks und die Verweildauer des Laserlichtflecks stehen in Beziehung zueinander und werden für eine bestimmte Oberfläche so optimiert, daß der wirksamste Oberflächenabtrag erreicht ist. Die Beziehungen der obigen Faktoren zueinander sind durch etablierte physikalische Gesetze bestimmt, die dem Fachmann bekannt sind.
Eine geeignete Laserquelle kann ein Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)-Laser, eine Diodenlaseranordnung oder ein Faserlaser sein. Die Strahlen von Laserlichtquellen zur Verwendung bei der Erfindung können im Querschnitt eine ungleichförmige Leistungsdichte haben.
Ein Bereich unterschiedlicher Abtragstiefen in einem einzigen Durchgang ist mit einer Gruppe von Laserstrahlflecken erhältlich. Ein einzelner Behandlungsfleck kann Material in einer Tiefe zwischen 1 mm und, an der tiefsten Stelle, 30 mm abtragen. Diese Tiefe wird jedoch meist nicht über jeden Behandlungsfleck hinweg gleichbleibend sein, der typischerweise, insbesondere bei tieferem Scrabbling, eine kraterartige Geometrie zeigt. Es wurde festgestellt, daß mit dem Verfahren der Erfindung Betonabtragstiefen von etwa 1 mm bis 30 mm erreicht werden können.
Mehrere Durchgänge, die jeweils ein Muster von Laserlichtflecken umfassen, können nacheinander auf eine Oberfläche angewandt werden, um eine größere Oberflächenabtragstiefe durch aufeinanderfolgendes Abtragen mehrerer Materialschichten zu erreichen. Das Muster der Laserlichtflecke für aufeinanderfolgende Bestrahlungen kann zu einem vorhergehenden Muster versetzt angeordnet sein, d.h. die bestrahlten Stellen können an den Rändern der Muster vorhergehender Stellen angeordnet sein.
Der Laserstrahl kann mittels eines Faseroptikkabels an einen Abgabekopf übertragen werden. Der Laserstrahl kann alternativ als Laserlicht oder Laserstrahlung beschrieben werden.
Ein Abgabekopf zum Projizieren eines Laserstrahls auf eine zu behandelnde Oberfläche kann eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Strahls in einem Brennpunkt umfassen. Die Optik kann Mittel zum rechtwinkligen Ändern der Richtung des Laserlichtes enthalten. Der Strahl und die jeweilige Optik können bis zum Brennpunkt abgeschirmt sein, wobei die Abschirmung kegelstumpfförmig ausgebildet sein kann. Nach dem Brennpunkt kann der Strahl vor dem Auftreffen auf eine zu behandelnde Oberfläche divergieren. Die zu behandelnde Oberfläche kann 270 mm vom Brennpunkt beabstandet sein, wenn eine Optik mit einer Brennweite von 120 mm verwendet wird, was einen Einfallslaserlichtfleck mit einem Durchmesser von etwa 70 mm auf der zu behandelnden Oberfläche ergibt.
Eine geeignete Laseranlage zur Durchführung der Erfindung wird von der TRUMPF GmbH & Co. KG, Stuttgart, Deutschland, geliefert. Der Laserabgabekopf kann mittels eines Roboterarms verfahren und geführt werden. Der Laserstrahl kann durch die Wirkungen einer plötzlichen Temperaturveränderung einen Oberflächenabtrag bewirken. Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt gegebenenfalls keinen oder nur einen vernachlässigbaren Oberflächenabtrag mittels Schmelzen oder Verdampfen der zu behandelnden Oberfläche.
Das Verfahren kann einen Schritt des Befeuchtens der zu behandelnden Oberfläche vor der Bestrahlung mit dem Laserstrahl umfassen.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Beschichtens der zu behandelnden Oberfläche vor Bestrahlung mit Laserlicht umfassen. Beispiele für geeignete Beschichtungen sind in der EP 0 653 762 A1 beschrieben.
Die Gegenwart von Radionukliden kann die Art des Scabbling-Verfahrens und die Adsorption oder Absorption der einfallenden Laserstrahlung beeinflussen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann typischerweise zur Dekontaminierung in Verbindung mit Entgasungs-, Staub- oder Feststoffsammel- und anderen ergänzenden Schutzverfahren angewandt werden, um die Ausbreitung jedweder Kontaminierung zu verhindern, insbesondere wenn es um Radioaktivität geht.
Die Oberfläche zur Behandlung gemäß dem Verfahren der Erfindung ist eine anorganische, nicht-metallische Oberfläche, wie z.B. ein Beton, d.h. ein Zement, z.B. eine Portland-Zementmatrix mit darin enthaltenem Zuschlag. Die Oberfläche kann alternativ einen Naturstein, wie z.B. Kalkstein, oder ein technisches Keramikmaterial, wie Ziegel, umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich zur Veranschaulichung Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Leistungsdichte über die Breite eines Laserstrahls;
2 eine schematische Darstellung eines Einfalls-Laserlichtflecks;
3 schematisch ein bekanntes Laser-Scabbling-Verfahren, bei dem ein Laserstrahl über eine zu scabbelnde Oberfläche geführt wird;
4 schematisch ein Beispiel für ein Muster von Laserlichtflecken zum Scabbling einer Oberfläche gemäß der Erfindung;
5 schematisch eine Einzelheit des in 4 gezeigten Beispiels eines Musters von Laserlichtstrahlung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in 4 gezeigt ist;
6 schematisch ein weiteres Beispiel für ein Muster der Laserlichtbestrahlung einer Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 schematisch ein zusätzliches Beispiel für ein Muster der Laserlichtbestrahlung einer Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung, und
8 eine schematische Darstellung eines Lasergerätes, das zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist.
In den beigefügten Zeichnungen sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Ein Laserlichtstrahl kann über eine Breite des Strahls eine ungleichförmige Leistungsdichte aufweisen. Eine schematische Darstellung der Leistungsdichte über einen Laserstrahl ist in 1 gezeigt. 1 zeigt eine Kurve 2 mit einer y-Achse für die Laser-Leistungsdichte (I) und einer x-Achse für den Abstand (d) über den Strahl. Die Kurve 4 beschreibt eine quasi Gauß'sche Leistungsverteilung, aus der ersichtlich ist, daß der Laserstrahl einen Mittelbereich 16 mit der höchsten Leistungsdichte aufweist. Die Kurve kann in zwei Abschnitte unterteilt werden, wobei die Grenze dazwischen durch einen Leistungsdichte-Schwellwert 18 festgelegt ist. Ein Abschnitt 6 der Kurve 4 oberhalb dieser Leistungsdichte-Schwelle stellt den Teil des Laserstrahls dar, der dazu befähigt ist, Scabbling einer Oberfläche zu bewirken, während der Abschnitt 8 darunter einen Bereich darstellt, der nicht in der Lage ist, das Scabbling einer solchen Oberfläche zu bewirken. Der Abschnitt 8 niedriger Leistungsdichte kann jedoch zu einer Oberflächenveränderung führen, welche die Oberfläche gegenüber einem Scabbling mittels nachfolgender Laserstrahl-Durchgänge beständig macht, auch wenn dieser nachfolgende Strahl eine Leistungsdichte oberhalb der Schwelle 18 aufweist.
2 zeigt eine Darstellung eines Laserstrahls mit ungleichmäßiger Leistungsdichte, wie er in 1 beschrieben ist, bei senkrechtem Auftreffen auf eine Oberfläche. Die Oberfläche, z.B. eine zu scabbelnde Oberfläche, ist hier und in anderen Diagrammen durch die Papierebene gegeben. Der Laserlichtfleck 20 umfaßt einen Mittelpunkt 12 mit der höchsten Leistungsdichte und einen unmittelbar umgebenden Bereich 16 hoher Leistungsdichte. Der Mittelpunkt 12 und der Bereich 16 gehören zu einem Bereich 24, in dem das Licht oberhalb einer Schwellen-Leistungsdichte 18 zum Scabbling liegt. Zum Rand des Laserlichtflecks hin kann das Scabbling weniger effektiv sein (d.h. weniger Material kann abgehoben werden), bis eine Grenze 14 erreicht ist, die der Leistungsdichteschwelle 18 zum Durchführen des Scabbling entspricht. Ein weiterer Bereich 26 niedriger einfallender Leistung besteht zwischen der ersten Grenze 14 und einer nominellen äußeren Grenze des Strahls und wird von einer Linie 28 beschrieben, jenseits welcher die einfallende Leistung sehr niedrig ist, was z.B. auf Streuung zurückzuführen sein kann.
Im Stand der Technik kann ein Einfalls-Laserlichtfleck dazu verwendet werden, eine Oberfläche zu scabbeln, indem er diese Oberfläche in einem bekannten Raster-Scan-Muster 32 überläuft. 3 zeigt schematisch Merkmale 30 eines solchen Verfahrens. Der einfallende Laserfleck 20 bewegt sich in einem Raster-Scan-Muster, dem der Mittelpunkt des Flecks 12 entlang einer Linie 32 folgt, über die Oberfläche. Die mit dem Bereich niedriger Leistungsdichte der Laserlicht-Fläche 26 beaufschlagte Oberfläche unterliegt keinem Scabbling, wird aber durch Effekte, wie Entspannung, Dehydrierung und chemische Veränderung in unterschiedlichem Maße modifiziert. Dies erfolgt, wenn der einfallende Strahl 20 eine erste Bahn 37 überquert, wobei die Fläche 38 des Flecks den Oberflächenbereich 36 modifiziert, aber ungescabbelt läßt. Ein anderer Oberflächenbereich, der vom Laserlicht-Bereich niedriger Leistungsdichte überquert wird, wird auch vom Bereich höherer Leistungsdichte überstrichen, weshalb dort ein Scabbling erfolgt. Anschließend überquert der Laserfleck eine zweite, benachbarte Bahn 39. Die mit dem Bereich 24' hoher Leistungsdichte des Flecks 20' beaufschlagte Oberfläche wird meist gescabbelt. Der Oberflächenbereich 36 widersteht jedoch im wesentlichen dem Scabbling, auch wenn er mit dem Bereich 24' hoher Leistungsdichte des einfallenden Laserlichts beaufschlagt wird. Dies ist ein deutlicher Nachteil der gängigen Laser-Scabbling-Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur Behandlung einer zu scabbelnden Oberfläche.
4 zeigt ein Muster 40 einer Lichtfleckbestrahlung beim Scabbling einer Oberfläche gemäß der Erfindung. Ein (nicht gezeigter) Laserstrahl wird dazu gebracht, kurzzeitig, für 15 s, als Lichtfleck 20 auf eine zu scabbelnde Betonoberfläche (die durch die Papierebene dargestellt ist) aufzutreffen. Dann wird der Strahl abgeschaltet, der Laser verschoben und ein nachfolgender Fleck 20'' über die gleiche Zeitdauer in einer benachbarten Position eingestrahlt. Anschließend wird der Strahl abgeschaltet und dann ein weiterer Fleck 20''', der die Flecke 20 und 20'' überlappt, eingestrahlt. Dann werden noch weitere Oberflächenstellen, wie sie mit anderen Kreisen dargestellt sind, mittels Laserlichtflecken bestrahlt. Daher wird, wie dargestellt, eine Anordnung von mit Laserlichtflecken bestrahlten Stellen gebildet. Dies kann mittels Kennzeichnung der Mittelpunkte der Flecke 12, 12'', 12''' visuell dargestellt werden. Die Verbindung der Mittelpunkte dieser Laserlichtflecke mit gedachten Linien 42 definiert eine geometrische Figur, in diesem Beispiel ein gleichseitiges Dreieck 44. Dies ist ein Beispiel für eine einfache geometrische Figur, wie sie oben erwähnt wurde.
Einzelheiten der Effekte des Scabbling, wie es in 4 dargestellt ist, sind in 5 gezeigt. Ein anfänglicher Laserlichtfleck 20 bewirkt ein Scabbling im Bereich 24. Der Bereich 26 mit einer Leistungsdichte unterhalb der Leistungsdichteschwelle für das Scabbling kann beginnen, so modifiziert zu werden, daß das Scabbling verhindert wird. Das einfallende Laserlicht wird dann an eine zweite Stelle 20'' verschoben, und weiteres Scabbling erfolgt im Bereich 24'. Der Bereich 24' umfaßt einen Bereich 52, und jedwede Schwierigkeit beim Scabbling aufgrund einer vorherigen Bestrahlung mit der Fläche 26 wird vom Bereich hoher Leistung des einfallenden Laserlichtes 24', die nahe dem Mittelpunkt 12'' höher ist, überwunden. Der relativ kleine Bereich, der mit 54 bezeichnet ist, wird weiter mit Laserlicht niedriger Leistungsdichte bestrahlt und Scabbling kann hier schwierig werden. Wenn der Einfalls-Laserlichtfleck jedoch zur Stelle 12''' verschoben wird, befindet sich der potentiell schwierig zu scabbelnde kleine Bereich 54 nahe dem Teil 16 des Laserflecks 20''' mit der höchsten Leistungsdichte und wird mit einer Einfalls-Leistungsdichte beaufschlagt, die höher als die Leistungsdichteschwelle für das Scabbling ist, welche entlang der Grenze 14''' vorliegt. Das Verfahren zum Bestrahlen einer Oberfläche für das Scabbling gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht daher, daß der Bereich mit der höchsten Leistungsdichte eines Einfalls-Laserstrahls auf den Teil einer zu scabbelnden Oberfläche auftrifft, der am wahrscheinlichsten dem Scabbling widerstehen wird.
Beim Scabbling der Oberfläche wird dabei systematisch mit jedem Fleck eine Oberflächenschicht des Betons abgelöst. Das abgelöste Material kann mit einiger Kraft abspringen oder mittels herkömmlicher Luftdruck-, Vakuum- oder anderer Verfahren entfernt und gesammelt werden.
Bei alternativen Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können alternative Permutationen von Lichtfleckbestrahlungssequenzen verwendet werden. Beispiele für solche Sequenzen sind in den 6 und 7 dargestellt. In 6 ist ein Muster einer Laserfleck-Bestrahlung 60 gezeigt. Das Verfahren umfaßt das Bestrahlen der Oberfläche mit aufeinanderfolgenden Lichtflecken 20, 20'' usw. in einer verlängerten linearen Bahn 62 zum Scabbeln einer Linie entlang der Oberfläche. Anschließend wird eine ähnliche parallele Reihe 63 von Laserlichtflecken, die um etwa einen Radius der Flecke in Längsrichtung gegenüber der ersten Reihe von Flecken versetzt sind, zum Scabbeln der Oberfläche verwendet. Dann werden weitere Reihen, wie die Reihe 64, hinzugefügt, um die Oberfläche zu scabbeln. Wenn die Mittelpunkte der Laserlichtflecke in einer weiteren Reihe 63 nahe den Einbuchtungen 66 in einer benachbarten Bahn 62 angeordnet werden, erfolgt ein gleichmäßiges Scabbling der Oberfläche, was eine relativ gleichmäßige Oberfläche ergibt und den wirksamsten Teil eines Laserflecks zum Scabbling in oder nahe Bereichen 66 (siehe kombinierte Bereiche 52 und 54) konzentriert, bei denen ein Scabbling am wenigsten wahrscheinlich ist.
Ein weiteres Muster der Bestrahlung einer Oberfläche mit Laserlichtflecken zum Durchführen des Scabbling ist in 7 gezeigt. Dabei werden aufeinanderfolgende Laserlichtflecke 20, 20'' und 20''' zum Bestrahlen der Oberfläche für das Scabbling verwendet. Die Sequenz der Flecke folgt der mit den Linien 70, 72, 74, 76 angegebenen Sequenz und beschreibt ein Fischgrätenmuster auf der zu scabbelnden Oberfläche. Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den Vorteil, daß zum Scabbling Bereiche 66 kurz nach ihrer Bearbeitung durch frühere Laserlichtflecke in der Sequenz (20, 20'', 20''' usw.) bestrahlt werden.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Lasergerätes, das zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist. Eine Laserlichtquelle 100 emittiert Laserlicht, das entlang einem Faseroptikkanal 102 zur Fokussieroptik 104 geleitet wird. Die Fokussieroptik kann Linsen zum Fokussieren des Laserlichtes in einem Fokus 106 umfassen. Das Laserlicht ist durch eine kegelstumpfförmige Abschirmung 108 abgeschirmt, deren eines Ende 110 den Brennpunkt des Laserlichtes umgibt. Die Abschirmung dient zum Schutz der Optik und anderer Bauteile und ist Teil einer das gesamte Gerät bedeckenden Schutzabschirmung (nicht gezeigt). Durch das Ende der Abschirmung 110 wird Druckluft mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen, um auch das Eindringen von Rückständen, wie Rauchgasen und Teilchen, aufzuhalten. Außerhalb des Gerätes divergiert 112 das Laserlicht und trifft auf eine zu behandelnde 114 Oberfläche.
Das Lasergerät kann an einem Roboterarm zum Verfahren über eine zu scabbelnde Oberfläche montiert sein. Alternativ dazu kann ein Roboterarm einen Laserkopf zum Emittieren von Laserlicht auf eine zu scabbelnde Oberfläche bewegen, wobei der Kopf über ein Faseroptikkabel mit einer ortsfesten Laserquelle verbunden ist. Andere Verfahren und Mittel sind ebenfalls denkbar.

Claims

Verfahren der Behandlung einer anorganischen, nicht-metallischen Oberfläche zum Entfernen eines Oberflächenabschnittes mittels Scabbling, mit der wiederholten Schrittfolge des Bestrahlens einer ersten einzelnen Stelle an der Oberfläche mit einem ortsfesten Laserlichtfleck, der eine mittlere Leistungsdichte von 30 W/cm² bis 200 W/cm² über einen Zeitraum von 1 s bis 30 s hat, und des anschließenden Verschiebens des Laserlichtflecks gegenüber der Oberfläche (oder umgekehrt), um eine zweite einzelne Stelle an der Oberfläche in gleicher Weise zu bestrahlen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Zeitintervall zwischen der Bestrahlung aufeinanderfolgender einzelner Stellen an der Oberfläche mit dem Laserlichtfleck zwischen 0,1 s und 2 s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Dauer der Bestrahlung jeder einzelnen Stelle an der Oberfläche mit dem Laserlichtfleck mehr als fünfmal länger als das Zeitintervall zwischen der Bestrahlung aufeinanderfolgender einzelner Stellen an der Oberfläche mit dem Laserlichtfleck ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem die Laserlichtquelle zwischen der Bestrahlung aufeinanderfolgender einzelner Stellen an der Oberfläche abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem der Laserlichtstrahl zwischen der Bestrahlung aufeinanderfolgender einzelner Stellen an der Oberfläche unterbrochen wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem sich die einzelnen Stellen an der Oberfläche, die mit den jeweiligen Laserlichtflecken bestrahlt werden, überlappen.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem aufeinanderfolgende einzelne Stellen an der Oberfläche, die mit dem Laserlichtfleck bestrahlt werden, in einem geometrischen Muster angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das geometrische Muster durch die Ecken einer Figur gebildet ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Dreiecken, Rechtecken, Rhomben, Fünfecken und Sechsecken besteht.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Grad der Überlappung der mit dem Laserlichtfleck bestrahlten einzelnen Stellen an der Oberfläche dergestalt ist, daß es zwischen diesen Stellen keinen Bereich gibt, der während der Anwendung des Verfahrens nicht einmal mit Laserlicht belichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 9, bei dem der Laserlichtfleck, der als Bereich von auf eine Oberfläche einfallendem Laserlicht definiert ist, welches oberhalb eines Leistungsdichte-Schwellwertes liegt, bei dem Scabbling erfolgt, kreisförmig ist und der Abstand zwischen den Mittelpunkten der mit dem Laserlichtfleck bestrahlten Stellen im Bereich von 4/7 bis 6/7 des Durchmessers des kreisförmigen Laserlichtflecks liegt.