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Dokumentenidentifikation DE60307866T2 15.03.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001542827
Titel SCHNEIDEN VON ZEMENTHALTIGEN MATERIALIEN
Anmelder BNFL (IP) Ltd., Warrington, Cheshire, GB
Erfinder Crouse, P. L. Umist Manufacturing Division, Manchester M60 1QD, GB;
Li, Lin Manufacturing Division, Manchester M60 1QD, GB;
Spencer, Julian Timothy British Nuclear Fuels, Warrington, WA3 6AS, GB
Vertreter GEYER, FEHNERS & PARTNER (G.b.R.), 80687 München
DE-Aktenzeichen 60307866
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 29.08.2003
EP-Aktenzeichen 037982345
WO-Anmeldetag 29.08.2003
PCT-Aktenzeichen PCT/GB03/03727
WO-Veröffentlichungsnummer 2004028735
WO-Veröffentlichungsdatum 08.04.2004
EP-Offenlegungsdatum 22.06.2005
EP date of grant 23.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.03.2007
IPC-Hauptklasse B23K 26/40(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B23K 26/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   E04G 23/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 zum Schneiden von Beton mit dickem Querschnitt, z. B. bis zu 1 m und tiefer, insbesondere, aber nicht ausschließlich, von Beton, in dessen unter der Oberfläche liegende Matrix kontaminierende Substanzen eingebettet sind, noch genauer, aber nicht ausschließlich, von Beton, der mit Radionukliden kontaminiert ist und bei dem jegliches Material, das beim Schneiden abgetragen wird, strikt abgeschlossen sein muß.

Kernreaktoren und nukleare Aufbereitungsanlagen haben meist eine Betriebsdauer von etwa 40 Jahren. Bei Stillegung muß der Reaktor demontiert und die als biologischer Schild dienende Betonwand, die mehr als 1 m dick sein kann, abgebrochen werden. Nach Abschalten des Reaktors enthält der Beton noch immer merkliche Mengen an Reststrahlung. Übliche radioaktive Kontaminanten sind Strontium-90, Caesium-137 und Kobalt-60. Beim Abbruch dürfen diese Radionuklide nicht in die Atmosphäre freigesetzt werden, und die Belastung von Personal vor Ort mit diesen Materialien muß unbedingt absolut minimal gehalten werden. Herkömmliche Techniken zum Schneiden von Beton, wie Diamantblatt- und Diamantdraht-Sägen, Diamantkernbohren, einschließlich Stichbohren, Wasserstrahlschneiden und Thermit-Lanzenschneiden, erzeugen alle beträchtliche Mengen an austretendem Material in Form von Abwasser, Staub und Dämpfen, die ebenfalls abgeschlossen gehalten werden müssen und gesammelt werden, da sie selbst Teil des Abfallvolumens sind, das behandelt und gelagert werden muß. Bei manchen dieser Verfahren nach dem Stand der Technik gibt es Zugangsschwierigkeiten, da sie einen Zugang von beiden Seiten der Betonstruktur erfordern, beispielsweise beim Diamantdraht-Sägen. Sie sind somit für diese besondere Anwendung nicht ideal geeignet.

Betonschneideverfahren auf Laserbasis nach dem Stand der Technik umfassen sowohl Techniken mit einem Durchlauf als auch solche mit mehreren Durchläufen. Der wichtigste Gesichtspunkt bei der Steuerung der Schnittiefe ist meist die Effektivität, mit der das geschmolzene Material entfernt werden kann. Bei Techniken mit einem Durchlauf wird typischerweise erst mechanisch ein Loch durch den Beton gebohrt, anschließend der Strahl über das zu schneidende Segment geführt und das geschmolzene Material durch den Druck eines Hilfsgases durch das gegenüberliegende Ende ausgestoßen. Die Verwendung eines Hilfsgases bringt jedoch insofern weitere Schwierigkeiten mit sich, als es eine Abkühlung des geschmolzenen Betons, der bereits sehr viskos und schwer zu entfernen ist, bewirkt, was das Problem verschlimmert. Es gibt auch Probleme hinsichtlich der Fokussierung eines Gasstrahls in Luft über tiefe Schnittlängen hinweg. Die Fokusebene des Laserstrahls kann je nach Präferenz der Bedienperson entweder an der Betonoberfläche oder darunter plaziert werden. Keine dieser Strategien ist jedoch ideal, wenn versucht werden soll, eine sehr große Dicke in einem Durchlauf zu schneiden.

Verfahren mit einem Durchlauf, die zur Effektivitätssteigerung vorgeschlagen werden, umfassen: Verwendung von Hochdruckgas zur Unterstützung der Freisetzung von geschmolzener Schlacke; Einbringen von Sprengpulver in den Schnittspalt, um das geschmolzene Material hinauszublasen; Schießen von Sprengkapseln in den Schnittspalt und Auslösen derselben durch vom Laserstrahl erzeugte Wärme; Verstärken der Laser-Leistungsdichte durch Fokussieren dreier Laserstrahlen zu einem einzigen Lichtfleck und Ausblasen der Schmelze zur Seite und nach unten; Einbringen von Eutektika, um die Schmelztemperatur des Betons zu vermindern; und Einspritzen von Hochdruckwasser zum Kühlen und Zerkleinern des geschmolzenen Betons. Auch bei Leistungspegeln von bis zu 15 kW müssen diese Techniken erst noch zeigen, daß sie tiefer als 180 mm eindringen können, und sie sind an sich nicht zum Schneiden dicker Querschnitte geeignet.

Bei Strategien mit mehreren Durchläufen wird der Strahl normalerweise auf die Schnittfläche fokussiert und das geschmolzene Material entweder mittels Hilfsgas zum einfallenden Laserstrahl hin ausgeworfen oder vitrifiziert und anschließend entfernt. In der JP-A-63157778, die ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 beschreibt, wird der Laserstrahl auf die zu schneidende Fläche fokussiert und die maximale Schnittiefe, von typischerweise größer 45 mm oder mehr, unter Verwendung eines Lasers mit einer Leistung von etwa 5kW oder mehr angestrebt. Nach dem Erstarren wird der geschmolzene Beton mit verschiedenen mechanischen oder chemischen Techniken entfernt und das Verfahren durch erneutes Fokussieren des Laserstrahls auf die neue Fläche an der Basis der zuvor behandelten Bahn wiederholt. Wenn das erstarrte Material zu dick wird, können Probleme entstehen, da es im wesentlichen glasartig ist und mittels Drehbürsten, Messern und dergleichen schwierig in festen, dicken Stücken zu entfernen sein kann. Im Falle von Schneidmessern gibt es eine praktische Grenze der Tiefe, bis zu der sie eingesetzt werden können.

Die JP-A-62181898 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung in mehreren Durchläufen durch direktes Einschießen von Sprengkapseln in die Schmelze, um den geschmolzenen Beton auszuwerten sowie eine lokale Fragmentierung des umgebenden festen Betons hervorzurufen. Dieses Verfahren ist eindeutig gefährlich und hat auch die zusätzlichen Nachteile, daß es den Abfallstrom vermehrt und das kontaminierte Material potentiell über einen großen Bereich verteilt, was dessen einfaches Zurückhalten und Sammeln behindert.

Mit diesen Verfahren gemäß dem Stand der Technik können zwar prinzipiell deutlich größere Schnittiefen erreicht werden, doch es gibt bestimmte Grenzen der mit Drehwerkzeugen erreichbaren Tiefe und der erreichbaren geometrischen Komplexität. Allgemein ist zudem die Freisetzung von radioaktivem Abfall in die Atmosphäre schwer steuerbar, und die bestehenden Technologien sind eigentlich nicht ideal zum Schneiden von kontaminiertem Material geeignet.

Ein weiterer Nachteil der Verfahren nach dem Stand der Technik, die meist versuchen, eine möglichst große Schnittiefe zu erzeugen, besteht darin, daß aufgrund des deutlich größeren Wärmeeintrags und der deutlich größeren erreichten Temperaturen die Erzeugung von überschüssigem Dampf, der relativ große Mengen radioaktiver Verbindungen enthalten kann, entsprechend hoch und für Menschen und Umwelt potentiell gefährlich ist. Dieser Dampf ist nicht leicht zurückzuhalten.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung eines tiefgehenden Schneidens bei einfachem und bei armiertem kontaminierten Beton durchzuführen, mit denen eine einfache Handhabung des erzeugten Abfalls möglich ist.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 1 bereitgestellt.

Unter einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung nach Anspruch 11 bereitgestellt.

In dieser Beschreibung sind unter dem Begriff „dicke Querschnitte" Tiefen in der Größenordnung von 1 m oder mehr bei Beton oder chemisch ähnlichen oder analogen Materialien zu verstehen. Es ist jedoch zu bedenken, daß ein Verfahren, mit dem solche Dicken geschnitten werden können, auch in der Lage sein muß, deutlich dünnere Querschnitte zu schneiden. Daher ist dieser Begriff nicht als einschränkend zu verstehen.

In dieser Beschreibung soll der Begriff „auf Zementbasis" alle üblichen Baustoffe, einschließlich z. B. Portland-Zement, Beton mit einer zweiten stofflichen Phase eines Zuschlagsstoffes (der Zuschlagsstoff kann jede Art von Sand oder Stein sein) und eine Zementmatrix sowie Natursteinmaterialien, umfassen.

Die vorliegende Erfindung wurde zwar zum Schneiden von kontaminiertem Beton entwickelt; sie ist aber allgemeiner auf unkontaminierten Beton im Bauingenieurwesen und im bautechnischen Wesen anwendbar.

Im Gegensatz zu den Verfahren auf Laserbasis gemäß dem Stand der Technik wird dies unter Verwendung relativ niedriger Laser-Leistungsdichten erreicht. Die geringe Schnittiefe pro Durchlauf bedeutet, daß der Grad des Wärmeeintrags insgesamt entsprechend niedriger und die Menge an erzeugtem Dampf kleiner als im Stand der Technik ist. Ferner wird das Material relativ schnell geschmolzen, und da das Verhältnis von geschmolzenem Material zum Volumen des umgebenden ungeschmolzenen Materials relativ niedrig ist, erstarrt das geschmolzene Material relativ schnell und ist allgemein von schwacher und poröser Natur, so daß es sich leicht aufbrechen und entfernen läßt.

Der Laserstrahl kann entweder defokussiert optisch parallelisiert sein, oder vorzugsweise kann ein direkter (defokussierter, paralleler) Laserstrahl verwendet werden. Insbesondere kann der Laserstrahl defokussiert und parallel, und zudem von im wesentlichen rechteckiger Querschnittsform sein. Die im Stand der Technik verwendeten, fokussierten Laserstrahlen ergeben zwar an der Auftreffstelle auf der Oberfläche hohe Leistungsdichten; sie sind jedoch aufgrund der Kegelform des Strahls und der damit einhergehenden, sich verjüngenden Form des Schnittkanals, den sie bilden, nicht in der Lage, besonders tief zu schneiden. Parallele Strahlen können dagegen deutlich tiefer schneiden. Dennoch unterliegen parallele Strahlen mit kreisförmigem Querschnitt insofern ebenfalls klaren Einschränkungen, als sie meist ebenfalls einen sich verjüngenden Schnittkanal bilden, auch wenn der Anstieg der Seiten jedoch deutlich kleiner als bei fokussierten Strahlen ist. Der mit kreisförmigen Strahlen erzeugte, sich verjüngende Schnitt ist dadurch bedingt, daß die Leistungsdichte im Strahlfleck pseudo-Gaußsche Eigenschaften hat, so daß in Bewegungsrichtung die Leistungsdichte an den Rändern des Lichtflecks niedriger als zur Strahlmittellinie hin ist. Beim Überstreichen einer Oberfläche mit einem kreisförmigen Laserstrahl wird das Material an den Seitenrändern des Strahlflecks ferner über einen kürzeren Zeitraum einer merklich niedrigeren Leistungsdichte ausgesetzt als das Material innerhalb der Strahlränder zur Mitte hin. Wenngleich sich die Schnittspaltbreite zunächst relativ rasch verjüngt, scheint sie eine Breite zu erreichen, die bei zunehmender Schnittiefe konstant bleibt.

Ein Laserstrahl mit rechteckigem Querschnitt, wie z. B. ein quadratischer Laserstrahl, überwindet diesen Nachteil dadurch, daß beim Überstreichen der Oberfläche mit dem Strahl das gesamte Material, das unter den Lichtfleck fällt, zumindest gleich lang behandelt wird, da der Strahlfleck eine sich vorwärtsbewegende, flächige Front auf dem Material bildet, und die Strahlbreite in der Vorschubrichtung ebenfalls konstant ist.

Das verfestigte Material innerhalb des Schnittspaltes (wobei der Begriff „Schnittspalt" für das im Schnitt oder in der Schnittöffnung entfernte Material steht) kann mittels Stoß- und/oder Druckbehandlung, wie z. B. mittels Hämmern und/oder Abschleifen, aufgebrochen werden.

Die maximale Tiefe des geschmolzenen Materials beträgt 10 mm pro Durchlauf.

Die Dicke des pro Durchlauf geschmolzenen Materials kann vorzugsweise jedoch im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 5 mm pro Durchlauf liegen. Insbesondere kann die Dicke etwa 1 bis 4 mm pro Durchlauf betragen. Besonders bevorzugt kann die Schmelzdicke etwa 1 bis 2 mm pro Durchlauf betragen.

Die Dicke des geschmolzenen Materials wird bevorzugt typischerweise bei nur wenigen mm pro Durchlauf gehalten, wobei in diesem Zustand eine minimale Kraft erforderlich ist, um das behandelte Material zu entfernen und beispielsweise unter Verwendung einer vibrierenden mechanischen Vorrichtung zu Stücken zu zerkleinern, die klein genug sind, um mühelos abgesaugt und mittels pneumatischem Transport an ein Filtersytem übergeben zu werden. Da nur wenige Millimeter Material pro Durchlauf geschmolzen werden, ist der Wärmeeintrag minimal, und das geschmolzene Material erstarrt sehr schnell wieder in einen sehr porösen und zerbrechlichen Zustand, der teilweise durch Ausgasen relativ flüchtiger Bestandteile, wie beispielsweise Kristallisationswasser, bedingt ist. Wenn die geschmolzene Schicht zu dick ist, ist die Menge des Wärmeeintrags deutlich erhöht, und die Wiedererstarrungszeit des geschmolzenen Materials nimmt damit ebenfalls zu, was dazu führt, daß das erstarrte Material homogener, inhärent deutlich fester und folglich schwerer aufzubrechen ist. Der Schnittspalt kann durch eine vibrierende mechanische Vorrichtung aufgebrochen werden, dem auch eine Leitung zugeordnet sein kann, so daß die Bruchteilchen abgesaugt werden können. Es wurde festgestellt, daß mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung der Großteil des zerkleinerten Materials eine Teilchengröße von weniger als 2 mm aufweist und daher mit Saugmitteln mühelos entfernt werden kann.

Die Zerkleinerungs- und Abzugsvorrichtung kann in den Schnittspalt eingesetzt werden und der Bewegung des Laserstrahls in einem Abstand folgen, der ausreicht, um ein Erstarren zu ermöglichen, bevor es zum Kontakt kommt.

Der Druck, der auf das erstarrte Material aufgebracht wird, um eine Zerkleinerung zu bewirken, beträgt maximal etwa 100 MPa, was das Verfahren erleichtert.

Ein mechanischer Rüttelapparat, der eine rohrförmige Zerkleinerungsvorrichtung antreibt und dessen Höhe entsprechend einstellbar ist, kann verwendet werden. Typischerweise ist die Spitze der Zerkleinerungsvorrichtung eine rohrförmige, gehärtete Werkzeugspitze mit entsprechender Form, um den Druck zu maximieren, z. B. durch Vorsehen von Zähnen an seinem Stoß- oder Schneideende. Die Zerkleinerungsvorrichtung kann axial schwingen oder sich drehen oder beide dieser Bewegungen ausführen. Der Durchmesser der Zerkleinerungsvorrichtung sollte kleiner als der Durchmesser des Laserstrahls, d.h. kleiner als die Schnittspaltbreite, sein.

Die Betonmatrix kann allgemein aus Portland-Zement und einem Zuschlagsstoff zusammengesetzt sein. Der Zuschlagsstoff ist typischerweise Sand (~80% SiO2), Kalk (CaCO3), Basalt, Granit oder Andesit mit Teilchendurchmessern im Bereich von weniger als 1 mm bis über 10 mm. Trockener Portland-Zement besteht wiederum vorwiegend aus fein verteiltem SiO2 und CaO mit kleineren Mengen an Fe2O3, Al2O3 und MgO. Bei Hydratation bildet er eine komplexe, gelartige Struktur, die in den verschiedenen vorhandenen Kristallphasen gebundenes Wasser ebenso enthält wie freies Wasser, das in der komplexen Porenstruktur des Materials aufgenommen ist. Unterhalb einer Energiedichteschwelle von etwa 100 W·cm-2 bis 200 W·cm-2 bewirken eine unterschiedliche Wärmeausdehnung und/oder dehydrierter Wasserdampf eine Ablösung von Oberflächenschichten, ohne daß ein Schmelzen erfolgt. Dieser Vorgang ist als „Scabbling" bekannt. Oberhalb dieser Schwelle findet Schmelzen statt. Die genauen Werte der zum Schmelzen erforderlichen Energiedichte und der Fusionstemperatur hängen von der Qualität und Zusammensetzung des Betons ab, liegen aber im allgemeinen in der Größenordnung von 300 W·cm-2 bzw. 1000°C. Brauchbare Laserleistungsdichten liegen, wie festgestellt wurde, zwischen etwa 300 und etwa 12000 W·cm-2.

Bei zunehmender Tiefe des Schnittspaltes und geringfügiger Verengung seiner Breite können ausgleichende Veränderungen vorgenommen werden, indem die Leistungsdichte erhöht wird, so daß die Breite des Schnittspaltes weiterhin für den Zugang von Mitteln zum Entfernen von Schlacke ausreicht.

Der Außendurchmesser eines kreisförmigen Laserstrahls am Punkt der Wechselwirkung mit dem Beton kann im Bereich von 8 bis 30 mm liegen. Rechteckige oder andere Strahlformen sind ebenfalls praktikabel. Temperaturen um 1000°C, knapp oberhalb des Schmelzpunktes von Beton, können eingesetzt werden. Der gesamte Temperaturbereich bis zum Siedepunkt von 2400°C ist anwendbar, sofern die entsprechenden Rauchabzugsanlagen leistungsfähig genug sind. Die Beton-Temperatur und die Vorschubgeschwindigkeit bestimmen das Verhältnis Dampf zu Schmelze. Der Arbeitsbereich für dieses Verhältnis liegt zwischen 0,05 und 3. Um die Erzeugung von Rauchgas und Dampf zu minimieren, ist es jedoch wünschenswert, am unteren Ende des Bereiches, also näher am Schmelzpunkt des Betons, zu arbeiten.

Die wichtigsten Verfahrensparameter beim Schneiden sind die Strahlvorschubgeschwindigkeit, die Laserenergie und der Strahlfleckdurchmesser oder die Strahlfleckfläche (wobei die Leistungsdichte sich aus den beiden letzteren Werten ergibt). Für dieses Verfahren ist die Gasströmungsgeschwindigkeit weniger wichtig, wenn Beton geschnitten wird, da das Gas im wesentlichen nur dazu dient, die Reinheit der optischen Bauteile sicherzustellen, indem es verhindert, daß sie von Rauch und Schutt erreicht werden. Während der Behandlung finden sowohl ein Schmelzen als auch ein Verdampfen statt. Im allgemeinen nehmen sowohl das Verhältnis Dampf zu Schmelze als auch die Schnittiefe pro Durchlauf mit abfallender Leistungsdichte und zunehmender Vorschubgeschwindigkeit ab. Der gewählte Bereich ist somit ein Kompromiß zwischen der Dampfmenge, die der Benutzer in Kauf nimmt, und der gewünschten Mindestschneidgeschwindigkeit. Je größer der Strahlfleck ist, desto größer ist die Energie-Effektivität. Ein Strahldurchmesser oder eine Strahlbreite von mindestens etwa 8 bis 10 mm an der Arbeitsoberfläche ist vorzugsweise erforderlich, um eine Schnittspaltbreite sicherzustellen, die breit genug für die optimale Einführung von Werkzeug zum Zerkleinern mittels Zerstoßen und zum Absaugen ist. Der Strahlfleck ist von einer wärmebeeinflußten Zone (WBZ) umgeben, deren Fläche und Zerkleinerungsfähigkeit von den eingesetzten Betriebsparametern abhängen. Aufgrund des Vorliegens einer WBZ und der Bewegung der Zerkleinerungsvorrichtung ist die Schnittspaltbreite allgemein etwas breiter als der Laserstrahldurchmesser.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Laserstrahl mit einer Vorschubgeschwindigkeit von zwischen 3 cm·min-1 und 40 cm·min-1 über die Arbeitsfläche bewegt werden.

Die Materialabtragsraten variieren je nach Art des Lasers, d.h. bei einem Diodenlaser kann eine Masseabtragsrate in der Größenordnung von 150 cm-3·kWh-1 erreicht werden, während sie bei einem CO2-Laser bei etwa 100 cm-3·kWh-1 liegt.

Der Strahl kann durch ein Sauggefäß laufen, das mit einem HEPA-Filtrier- und -Abzugssystem gekoppelt ist. Die Mündung des Sauggefäßes kann möglichst nahe am oberen Ende des Schnittspaltes angeordnet werden, um während des Verfahrens gebildeten Dampf abzuziehen. Das Gefäß kann an einer robotergesteuerten Anordnung montiert sein, die entweder den Laseroszillator selbst oder die zum Fokussieren der Laserstrahlung am Ausgang eines Faseroptikkabels oder einer anderen Strahlabgabeeinheit erforderlichen Bauteile aufnimmt. Typischerweise kann der Strahl eines CO2- oder Diodenlasers direkt verwendet werden. Auch ein Nd:YAG-Laser, ein Faserlaser oder ein chemischer Sauerstoff-Iod-Laser (COIL) kann verwendet werden.

Gegebenenfalls kann das Lasersytem einen Strahlkollimator, wie z. B. ein Zwei-Linsen-System zur Manipulation der Leistungsdichte, als Teil des Systems zur Steuerung der Leistungsdichte umfassen. Damit kann der Durchmesser auf eine gewünschte Größe eingestellt werden, und gleichzeitig noch die Parallelität des Strahls beibehalten werden.

Ein Diodenlaser ist klein und kompakt, und der Laseroszillator kann Teil eines mobilen Gerätes sein. Dies ist besonders bedeutsam, da die rechteckige Form des Laserstrahls beibehalten werden kann, die sonst verloren ginge, wenn der Laserstrahl mittels Faseroptikkabel übertragen würde.

Betonstrukturen sind häufig mit Metallstäben, wie Stahlstäben, die durch den Beton laufen, armiert. Wenn diese Betonstrukturen aufgebrochen werden, müssen auch die Stahlstäbe durchgeschnitten werden. Dabei ist es vorteilhaft, eine Laservorrichtung einzusetzen, die für die höhere Energiedichte, die zum Schneiden des Metalls aufgrund dessen höherer Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist, gegenüber der Leistung, die zum Schneiden von Beton gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung benötigt wird, eine Leistungsreserve hat. In den Schnittspalt kann eine faseroptische Überwachungsvorrichtung eingesetzt werden, um das Vorliegen von Stahlstäben zu detektieren und das Verfahren zu überwachen. Wünschenswerterweise sollte eine Sauerstoffversorgung vorhanden sein, die in der Lage ist, eine überstöchiometrische Sauerstoffatmosphäre bereitzustellen, um die Reaktionsenthalpie voll für die Stahloxidation zu nutzen. Der dabei erzeugte Metallabfall kann als relativ fein verteilte(s) Eisenoxidpulver oder Teilchen einer wieder erstarrten Stahlschmelze vorliegen. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung sollte wünschenswerterweise eine Leitung zur Zufuhr von Sauerstoff mit einem Auslaß umfassen, der möglichst nahe dem Auftreffbereich des Laserstrahls positionierbar ist. Die zuvor erwähnte Mindestbreite des Schnittspaltes macht dies ohne weiteres möglich. Wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit von Stahl ist eine höhere Energiedichte erforderlich, um die Sauerstoff-Stahl-Reaktion oberhalb ihrer Zündtemperatur zu halten. Dieser Wert liegt bei einem Stahlstab mit einem Außendurchmesser von 15 mm je nach Vorschubgeschwindigkeit typischerweise bei über 1500 W·cm-2. Bei Verwendung eines Lasers niedrigerer Leistung kann dies einfach durch Einstellen der Lage der Fokusebene erreicht werden. Wenn armierter Beton mit einem direkten Laserstrahl geschnitten werden soll, muß die Energiedichte des Strahls diesen Wert oder einen an den Durchmesser der betreffenden Stahlstäbe angepaßten Wert übersteigen. Eine Alternative zum Laserschneiden der Stahlstäbe ist die Verwendung einer Flamme, z. B. einer Oxy-Acetylen-Flamme, und die Verwendung des Sauerstoffzufuhrsystems zu diesem Zweck.

Der Laserstrahl kann durch eine hohle Saugkammer oder durch ein Sauggefäß auf den Beton gerichtet werden, durch die/das während des Verfahrens erzeugte Rauchgase abgezogen werden können und durch die/das ein Sauerstoffzuführrohr laufen kann, um einen Sauerstoffstrahl auf den Strahlfleck zu richten, wenn die Armierungsstahlstäbe geschnitten werden. Ein Stoß- und Abzugsrohr kann mit einer Stützstruktur, welche die Laservorrichtung hält, mechanisch gekoppelt und in geringem Abstand hinter dem Strahlfleck zum Entfernen von erstarrter Schlacke angeordnet sein. Beide Abzugsströme können durch ein Absolutfiltersystem fließen, in dem radioaktive Kontaminanten je nach Anwenderbedarf enthalten sein können.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich zu Veranschaulichungszwecken Beispiele anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine graphische Darstellung der Eindringtiefe pro Durchlauf als Funktion der Durchlaufzahl für einen CO2-Laser und einen Diodenlaser;

2A und 2B Photographien von Betonplatten, die mit einem CO2-Laser bzw. mit einem Diodenlaser geschnitten wurden;

3 eine graphische Darstellung der Schnittspaltbreite als Funktion der Schnittspalttiefe für einen CO2-Laser und einen Diodenlaser;

4 eine graphische Darstellung des abgetragenen Betonvolumens als Funktion der Zeit für einen CO2-Laser;

5 eine Darstellung einer geschnittenen Betonplatte unter anderen Bedingungen als die geschnittenen Platten, die in 2 gezeigt sind;

6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, und

7 ein Histogramm der Teilchengrößenverteilung im zerkleinerten Schnittmaterial nach Verarbeitung durch die in 6 schematisch gezeigte Vorrichtung.

Versuche wurden mit einem 1,2 kW Rofin-Sinar RS-1000 (Handelsbezeichnung), einem CO2-Laser mit schnellem axialem Fluß, und mit einem Laserline LDL-160-1500 (Handelsbezeichnung), einem 1,5 kW Hochleistungsdiodenlaser, durchgeführt. Zum Vergleich ergab der CO2-Laser beim Betrieb im TEM01-Modus einen kreisförmigen Strahl und war mit einem Objektiv einer Brennweite von 125 mm versehen. Der Diodenlaser liefert bei 808 und 940 nm einen Mehrfachmoden-Strahl mit rechteckigem Querschnitt und war mit einem Objektiv einer Brennweite von 300 mm versehen. Die Laserstrahlen wurden gegenüber den Betonplatten mit einer Geschwindigkeit von 2 mm·s-1 vorgeschoben. In beiden Fällen war der Strahl defokussiert, so daß sich eine Leistungsdichte von 1000-1100 W·cm-2 ergab. Der Abstand zwischen dem Objektiv und der Betonwechselwirkungsfläche wurde konstant gehalten. So wurde für den Diodenstrahl konstant ein rechteckiger Querschnitt mit den Abmessungen 12 mm × 8 mm (wobei die 12 mm-Kante die Vorschubkante bildete) und für den CO2-Laserstrahl ein Durchmesser von 11 mm (am Boden des Schnittspaltes gemessen) beibehalten. Die Gasströmungsgeschwindigkeiten wurden minimal gehalten, um eine Abkühlung der geschmolzenen Schlacke zu vermeiden und das Objektiv vor Beschlagen zu schützen.

1 zeigt eine graphische Darstellung der Schnittspalttiefe als Funktion der Durchlaufnummer. Eine Schnittspalttiefe von 120 mm war mit dem Diodenlaser nach 74 Durchläufen und mit dem CO2-Laser nach 94 Durchläufen erreicht. Pro Durchlauf wurde eine mittlere Eindringtiefe von 1,6 bzw. 1,3 mm erreicht. Aus 1 ist ersichtlich, daß die Schnittspalttiefe pro Durchlauf im wesentlichen konstant ist und der größte Einfluß auf die Schnittiefe pro Durchlauf die Zusammensetzung des Betons in der betreffenden Tiefe, und ob man auf ein Kalkaggregat trifft oder nicht, ist.

Die 2A und 2B zeigen Querschnitte von Beton, der mit dem CO2- und dem Diodenlaser jeweils unter den im vorhergehenden Absatz angegebenen Bedingungen geschnitten wurde. Es ist ersichtlich, daß der mit dem Diodenlaser in 2B geschnittene Schnittspalt eine einheitlichere Form als der mit dem CO2-Laser geschnittene aufweist. Dieser Unterschied in der Querschnittsform, d.h. der stärkeren Verjüngung mit der Tiefe als mit dem Dioden-Schnittspalt, ist durch die Veränderung der Leistungsdichte über die Vorschubbreite des Laserstrahls bedingt, wie dies zuvor erläutert wurde.

3 zeigt eine graphische Darstellung, welche die Veränderung der Schnittspaltbreite mit zunehmender Tiefe darstellt und erneut die einheitlichere Schnittspaltbreite bei zunehmender Tiefe für den Diodenlaser zeigt. Diese verbesserte Einheitlichkeit der Schnittspaltbreite ist jedoch ein Merkmal, das eher mit der rechteckigen Querschnittsform und der parallelen Form des Laserstrahls zusammenhängt, als mit der Tatsache, daß es sich um einen Diodenlaser handelt.

4 zeigt Ergebnisse, die mit einfachem Beton und dem unbehandelten Strahl eines CO2-Lasers erhalten wurden. Die Leistungsdichte wurde in diesem Beispiel konstant bei 550 W·cm-2 gehalten, wobei eine Vorschubgeschwindigkeit von 120 mm·min-1 verwendet wurde. Die Eindringrate ist linear, während die Abtragsrate sich jedoch aufgrund eines schmaler werdenden Schnittspaltes leicht verjüngt. Der schmaler werdende Schnittspalt ist durch Wandverluste und durch die unterschiedliche Energiedichte über den kreisförmigen Laserstrahl bedingt, wie dies zuvor erläutert wurde, was jedoch durch entsprechende Anpassung der Leistungsdichte einfach auszugleichen ist. Die in 5 gezeigte Schnittiefe beträgt bei Verwendung eines 1 kW-Lasers 300 mm.

Ein zusätzliches Merkmal, das beim Schneiden einer Betonstruktur, wie z. B. eines vorwiegend innen kontaminierten Kernreaktorgehäuses während der Stillegung, ausgenutzt werden kann, besteht darin, daß der Zugang von außen möglich ist und der Laserstrahl die Struktur nicht vollständig durchdringen muß, was unerwünschte Schäden an Objekten auf und jenseits der Innenfläche verursachen würde. Die Wärmespannungen, die während des Verfahrens auftreten, verursachen auf den letzten paar Zentimetern stets Risse, was eine Laserbehandlung dort überflüssig macht. Dieses Phänomen ist aus den 2 und 5 ersichtlich, in denen am Boden des Schnittes eindeutig ein Riß vorliegt, der durch die Restdicke läuft.

6 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein teilweise geschnittenes Werkstück 12 (nur teilweise dargestellt) ist statisch und Teil eines (nicht gezeigten) größeren Aufbaus, der demontiert wird. Die Vorrichtung umfaßt ein Gehäuse 14 (das mit einer gestrichelten Linie als Einfassung dargestellt ist), welches verschiedene Geräteteile, die über die Oberfläche 16 des zu schneidenden Werkstücks geführt werden, hält und betätigbar trägt. Der Aufsatz 14 wird bei dieser Ausführungsform in bekannter Weise von einem (nicht gezeigten) mehrachsigen Roboterarm gehalten. Die vom Gehäuse 14 gehaltenen und getragenen Geräteteile umfassen: eine Quelle 18 für Laserlicht 20; eine Abzugshaube 22 in Form einer Hülle, die den Teil der Schnittfläche bedeckt, in dem sich der Auftreffpunkt 24 des Laserstrahls befindet; eine Sauerstoffleitung 26 und ein vibrierendes Stoßwerkzeug 28, das von einer steuerbaren Rüttel/Positioniervorrichtung 30 angetrieben wird. Ein Extraktions- und Filtersytem 32 ist mit der Haube 22 und dem Stoßwerkzeug 28 verbunden, wobei das Abzugssystem einen Zyklon 34 zum Entfernen gröberer Teilchen, einen Feinstfilter 36 zum Entfernen feiner Teilchen, und ein Absauggebläse 38 aufweist.

Bei Verwendung eines kompakten CO2- oder Hochleistungsdiodenlasers ist ein Laseroszillator 18 zusammen mit den vorgenannten Bauteilen montiert und bewegt. Wird jedoch ein Nd:YAG-, ein Dioden-, ein Faser- oder ein COIL-Laser verwendet, kann der Strahl 20 alternativ über ein Faseroptikkabel zugeführt werden, und das Bezugszeichen 18 steht für eine entsprechende Optik.

Eine Strahlzufuhr über ein entsprechendes (nicht gezeigtes) Spiegelsystem ist auch möglich.

Im Betrieb wird das Gehäuse 14 vom (nicht gezeigten) Roboterarm in Richtung des Pfeils 11 über die Oberfläche 16 geführt, und der Auftreffpunkt 24 des Laserstrahls bewirkt, daß der Beton dort schmilzt und eine flache Bahn 40 geschmolzenen Materials zurückläßt, das bei 42 wieder erstarrt. Das Stoßwerkzeug 28 in Form eines Rohrs 44, das an der Spitze mit einem verschleißfesten Material 46 versehen ist, folgt hinter dem Auftreffpunkt des Laserstrahls in einem Abstand, bei dem das geschmolzene Material bei 42 wieder erstarrt ist, und bricht das erstarrte Material durch Hin- und Herbewegen allgemein in Richtung der Rohrachse und/oder durch Drehung um die Rohrachse, gesteuert von der Einheit 30, auf. Das Zerkleinerungsrohr ist mit einer Spitze versehen, die zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit aus einem harten Material, wie z. B. Wolframcarbid oder mit Wolframcarbid beschichtetem Titannitrid, gefertigt und so geformt ist, daß der Druck an den Kontaktpunkten zwischen der Spitze und der Betonschlacke maximal ist. Das erstarrte Material läßt sich aufgrund der geringen Schichtdicke von weniger als 5 mm und wegen des sehr schnellen Schmelzens des Materials sehr leicht aufbrechen, wobei Feuchtigkeit und flüchtige Bestandteile aus dem geschmolzenen Material selbst und aus dem darunterliegenden Beton austreten, was eine beträchtliche Porosität im schnell wieder erstarrten Material verursacht, das folglich eine niedrige Festigkeit aufweist. Bei dieser Ausführungsform dient die Zerkleinerungsvorrichtung auch einem zweiten Zweck des Abzugs des zerkleinerten Materials durch die Bohrung im Rohr 44 und der Abgabe des Schutts an das Filtersystem 32 mittels Absaugung, die vom Absauggebläse 38 bereitgestellt wird. Die Abzugshaube 22 ist mittels Dichtungen, die biegsame Gummistreifen oder Bürsten 48 aufweisen, gegenüber der Oberfläche 16 abgedichtet, um ein Austreten von Rauch und Schutt zu verhindern.

Das Verfahren wird so gesteuert, daß die Dicke der geschmolzenen Zone 40 unterhalb weniger mm gehalten wird, um sicherzustellen, daß ein minimaler Druck erforderlich ist, um die Schlacke zu zerkleinern, und daß dies in steuerbarer Weise ohne übermäßig aufwallende Verdampfung während der Schmelzphase des Verfahrens erreicht werden kann.

7 ist ein Histogramm, das die Teilchengrößenverteilung von zerkleinertem Schnittmaterial zeigt, das vom Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung herrührt, wie dies anhand der Proben geschnittener Betonplatten dargestellt ist, die in den 2 und 5 gezeigt sind. Es ist ersichtlich, daß der größte Anteil Teilchen mit einer Größe von 1-2 mm umfaßt, wobei der Großteil des zerkleinerten Materials unter dieser Zahl liegt. Nur etwa 10% des zerkleinerten Materials bestehen aus Teilchen im Bereich von 2-4 mm, während 1-2% eine Teilchengröße von über 4 mm aufweisen. Somit kann nahezu das gesamte zerkleinerte Material mit der in 6 gezeigten Vorrichtung entfernt werden.

Die Schnittspaltbreite wird ausreichend breit gehalten, um ein einfaches Einführen des Stoß-Abzugsrohrs zu ermöglichen, und sie ermöglicht Schnittiefen von 1-2 m.

Beton ist häufig mit (nicht gezeigten) Stahlstäben armiert, die durchgeschnitten werden müssen, wenn die größere Struktur demontiert werden soll. Ein Sauerstoffzuführrohr 26 ist vorgesehen, um eine überstöchiometrische Sauerstoffmenge bereitzustellen und das Schneiden solcher Armierungsstäbe mittels eines verstärkten Oxidationspotentials zu unterstützen. Das Ausrichten der Spitze 50 des Rohrs 26 wird mit einer mechanischen Positioniervorrichtung 52 erreicht, wie in 6 gezeigt ist.

Obwohl die erstarrte Schlackenschicht bei der oben beschriebenen Ausführungsform durch das kombinierte Zerkleinerungs- und Saugrohr 28 aufgebrochen und entfernt wird, können diese Teile auch unabhängig voneinander vorgesehen sein, wie z. B. mittels eines zweckbestimmten Zerkleinerungsteils und eines getrennten Saugrohrs, das dem Zerkleinerungsteil nachgeordnet ist. Ferner kann mehr als ein Zerkleinerungsrohr/eine Saugvorrichtung vorgesehen sein, um sich die verbleibenden Teilchen vorzunehmen, die zu groß sind, als daß sie mit der ersten derartigen Vorrichtung entfernt werden könnten.


Anspruch[de]
Verfahren mit mehreren Durchläufen zum Schneiden dicker Abschnitte von Materialien auf Zementbasis, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Überstreichen einer zu schneidenden Oberfläche mit einem Laserstrahl durch Relativbewegung zwischen den beiden, Erstarrenlassen des geschmolzenen Materials, Aufbrechen des erstarrten Materials zu Teilchen und Entfernen der Teilchen mit Saugmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneiden mit einem defokussierten Laserstrahl bei einer solchen Leistungsdichte erfolgt, daß bei jedem Durchlauf das Material maximal 10 mm tief geschmolzen wird. Verfahren nach Anspruch 1, das mehrere Durchläufe entlang im wesentlichen derselben Schneidbahn umfaßt. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Laserstrahl defokussiert ist. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem nach jedem Durchlauf das wieder erstarrte geschmolzene Material unmittelbar nach dem Erstarren entfernt wird. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Material bei jedem Durchlauf im Bereich von 0,5 bis 5 mm tief geschmolzen ist. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der zum Brechen des wieder erstarrten Materials erforderliche Druck weniger als 100 MPa beträgt. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Laserleistungsdichte im Bereich von 300 W cm-2 bis 12 000 W cm-2 liegt. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Strahldurchlaufgeschwindigkeit zwischen 3 cm min-1 und 40 cm min-1 liegt. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Materialabtragsrate im Bereich von 150 cm-3 kWh-1 bei einem Diodenlaser bis 100 cm-3 kWh-1 bei einem CO2-Laser liegt. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Laserstrahl von einem mobilen Strahlabgabesystem abgegeben wird, das ein System reflektierender Spiegel umfaßt. Vorrichtung zum Schneiden dicker Abschnitte von Materialien auf Zementbasis durch das in einem vorhergehenden Anspruch beanspruchte Verfahren, wobei die Vorrichtung Mittel zum Überstreichen einer zu schneidenden Oberfläche mit einem Laserstrahl durch Relativbewegung zwischen den beiden, Mittel zum Aufbrechen von geschmolzenem und wieder erstarrtem Material zu Teilchen und Mittel zum Entfernen der Teilchen mit Saugmitteln umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl ein defokussierter Laserstrahl mit einer Leistungsdichte ist, die ausreicht, um bei jedem Durchlauf maximal 10 mm tief geschmolzenes Material zu erzeugen. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Mittel zum Aufbrechen von wieder erstarrtem Material ein Stoßteil zum Brechen des Materials umfassen. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Stoßteil hohl ist und aufgebrochenes Material mit Saugmitteln durch das Teil hindurch entfernt wird. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei der Laserstrahl ein im wesentlichen paralleler Strahl ist.






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