Abtrag und Analyse verzunderter Stahlproben mit Laserstrahlung

Vrenegor, Jens; Poprawe, Reinhart

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-43220

Abtrag und Analyse verzunderter Stahlproben mit Laserstrahlung = Ablation and analysis of scaled steel samples with laser radiation

Vrenegor, Jens (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jens Vrenegor

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang134 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache.

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-11-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43220
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82758/files/4322.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laserinduzierte Breakdown-Spektroskopie (Genormte SW) ; Naturwissenschaften (frei) ; Laser-Emissionsspektroskopie (frei) ; Materialabtrag (frei) ; LIBS (frei) ; material ablation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500

Kurzfassung
Laserstrahlung hat aufgrund ihrer Eigenschaft als berührungslos einsetzbares Werkzeug Einzug in viele industrielle Anwendungen im Bereich der Lasermaterialbearbeitung wie Bohren oder Schneiden von Werkstoffen erhalten. Im Bereich der chemischen Analyse mit Laser-Emissionsspektroskopie (LIBS) werden Laseranlagen z. B. für die Verwechslungsprüfung von Rohrkomponenten routinemäßig eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Brücke geschlagen zwischen definiertem Materialabtrag und chemischer Analyse mit LIBS. Zeitlich und räumlich modulierte Nd:YAG-Laserstrahlung wird eingesetzt, um an verzunderten, niedriglegierten Stahlproben Oberflächenmaterial effektiv abzutragen und gleichzeitig zu analysieren. Mit sogenannten Dreifachpulsbursts konnte der Tiefenabtrag im Vergleich zu Einfachbursts um einen Faktor 6 bei gleicher Gesamtenergie gesteigert werden. Für mehrere Elemente wurden die erforderlichen Abtragstiefen für eine repräsentative Analyse an der verzunderten Seite der Prozessproben ermittelt. Während einige Elemente in den oberen Probenbereichen analysiert werden können, muss für die Analyse von Kohlenstoff mindestens 200 µm abgetragen werden. Durch den Einsatz von Doppelpulsen konnte die relative Verfahrensstandardabweichung der C-Kalibrierung an der verzunderten Seite der Prozessproben von 55,2 rel.-% ohne vorhergehenden Materialabtrag auf einen Wert von 2,8 rel.-% nach einem etwa 300 µm tiefen Materialabtrag reduziert werden. Erstmals in der Laser-Emissionsspektroskopie werden mit einem 3D-Laserscanner und optimierten Scanstrategien maßgeschneiderte Kratergeometrien erzeugt, die zu geringeren Krateraufwürfen im Vergleich zu örtlich fester Laserbestrahlung führen. Bei der Analyse in der Mitte des erzeugten Kraters werden dadurch Plasma-Kraterrandwechselwirkungen und damit einhergehende verfälschte Plasma-Zusammensetzungen mit Zundermaterial verringert. Für eine adäquate Analyse in einem lasergenerierten Krater sind Aspektverhältnisse kleiner als eins anzustreben. Bei Kalibriermessungen wurde gezeigt, dass die Nachweisgrenzen für viele Elemente bis zu einer Analysetiefe von 300 µm weniger als 10 µg/g betragen. Mit zunehmender Anzahl ausgewerteter Laserplasmen von bis zu 3000 Laserpulsen pro Probenstelle werden die Nachweisgrenzen signifikant verbessert, für das Element Ti z.B. auf 1 µg/g. Mit Hilfe der sogenannten Curve-of-Growth-Theorie können Rückschlüsse auf das Absorptionsverhalten von Emissionslinien gezogen werden. Anhand der doppeltlogarithmischen Auftragung von Kalibrierfunktionen kann der lineare vom nichtlinearen Bereich mit Selbstabsorption getrennt werden. Durch eine abschnittsweise Kalibrierung kann die analytische Leistungsfähigkeit um einen Faktor von bis zu 3 verbessert werden. Für die Analyse verzunderter Stahlproben wurde eine Kalibriermethode entwickelt, bei der Doppelpulse im ersten Schritt für einen effektiven Zunderabtrag und zur gleichzeitigen Analyse der in der oberen Zunderschicht bereits repräsentativen Elemente verwendet werden. Die im zweiten Schritt auf ein und derselben Probenstelle eingesetzten Einzelpulse führen im Vergleich zu Doppelpulsen zu kleineren Plasmen und damit geringerer Selbstabsorption. Auf diese Weise kann auf den Einsatz mehrerer Elementlinien für die Abdeckung größerer Konzentrationsbereiche verzichtet werden. Zur Erprobung der Ergebnisse im industriellen Betrieb wurden Vor-Ort-Messungen in einem Stahlwerk und in einem Warmbandwalzwerk durchgeführt. Für die siebenwöchige Erprobung im Stahlwerk wurde eine Laseranlage für den kombinierten Abtrag und die Analyse von verzunderten, niedriglegierten Stahlproben aufgebaut, mit der die Proben automatisch an mehreren Stellen analysiert werden können. Dabei wird die Kalibriermethode gewählt, bei der zunächst mit Doppelpulsen und anschließend mit Einzelpulsen abgetragen und analysiert wird. Während der Testphase wurden die optischen Elemente im Laserstrahlengang nicht gereinigt. Anhand von Referenzierungen und regelmäßiger Rekalibrierungen wurde z.B. für das Element Mn eine relative Verfahrensstandardabweichung von 2,3 rel.-% erreicht. Ein Driftverhalten der Intensitäten kann durch die Verwendung von Referenzlinien, die sich in einem ähnlichen Wellenlängenbereich wie die Analytlinie befinden, deutlich reduziert werden. Dabei erweist sich die Umgebungsgas-Emissionslinie Ar 415,85 nm als am besten geeignet für die Analytlinie Al 394,4 nm. Bei den Vor-Ort-Untersuchungen im Warmbandwalzwerk wurden hinsichtlich einer Verwechslungsprüfung LIBS-Analysen von bis 520°C warmen Stahlcoils durchgeführt. Mit einem speziell für die Analyse an warmen Coils angepassten wassergekühlten Messkopf erfolgten Messungen an sieben verschiedenen Coils. Mit dem Messsystem werden für die Analyse von warmen Coils ähnliche Richtigkeiten wie an erkalteten verzunderten Proben erreicht. Die Messanordnung inkl. des über 5 m langen Lichtwellenleiters wurde für eine hohe UV-Licht-Transmission im Wellenlängenbereich von ca. 190 nm ausgelegt.

Laser radiation has maintained entry in his capacity as a contactless working tool into many industrial applications in the field of laser material processing like drilling or cutting of material. In the field of chemical analysis by laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) laser setups are used routinely e.g. for testing for mixed-up components of pipes. This work bridges the two fields of defined material ablation and chemical analysis by LIBS. Time and spatially modulated Nd:YAG laser radiation is used to ablate effectively scaled low-alloy steel surfaces and to analyse simultaneously. By using triple pulse bursts the depth penetration can be enhanced by a factor of up to 6 in comparison to single laser pulses taking the same total laser burst energy. For several elements the necessary ablation depths are estimated for a representative analysis at the scale side of the production control samples. Some elements can be analysed in the upper surface layer whereas e.g. for the element carbon a depth of at least 200 µm has to be removed. By using double pulse bursts the value of 55.2 rel.-% for the relative standard deviation of the procedure of carbon calibration at the scale side without prior material ablation can be reduced to a value of 2.8 rel.-% after removing a surface layer with a thickness of approx. 300 µm. The first time in the field of LIBS tailored crater geometries were generated by a 3D laser scanner and optimised scan strategies which lead to smaller crater debris in comparison to locally fixed laser radiation. Interactions between plasma and crater walls and with it falsified plasma compositions by scale material are reduced analysing in the middle of the produced crater. For an adequate analysis in a laser generated crater aspect ratios of smaller than 1 are to be aspired. Calibration measurements showed that the LOD values for many elements are lower than 10 µg/g up to an analysis depth of about 300 µm. With increasing number of evaluated laser pulses of up to 3000 on each sample position the LOD values are significantly improved, e.g. for Ti to 1 µg/g. Using the curve-of-growth theory conclusions can be made concerning the self-absorption of emission lines. By means of a double logarithmic plot of calibration functions the linear section can be separated from the non-linear one showing self-absorption. With calibrations in sections the analytical performance can be improved by a factor of up to 3. For the analysis of scaled steel samples a calibration method is developed using in a first step double pulse bursts. Double pulse bursts lead to an effective scale ablation and simultaneously to an analysis of elements which are already contained representatively in the upper scale layer. In the second step single laser pulses are focused onto the same sample position leading to smaller plasmas and therefore smaller self-absorption. In this way the use of several analyte lines for covering bigger concentration ranges of one element can be disclaimed. On-site measurements in a steel mill and in a hot strip rolling mill were carried out for testing the results in the industrial practice. For the test in the steel mill a laser system was built up for the combination of ablation and analysis of scaled low alloy steel samples analysing automatically the samples at different sample positions. Two methods are used for calibration. In a first step double pulse bursts and in the second step single laser pulses are taken for ablation and analysis. During the test phase the optical elements in the laser trace were not cleaned. By means of referencing and periodical recalibrations a relative standard deviation of the procedure of 2.3 rel.-% is achieved for the element Mn. The drift behaviour of the intensities can be reduced by using reference lines which lie in a similar wavelength range as the analyte line. Thereby the ambient gas emission line Ar 415.85 nm is proved to be most suitable for the analyte line Al 394.4 nm. For the on-site measurements in the hot strip rolling mill LIBS analysis at up to 520°C warm steel coils were carried out concerning the testing for mixed-up components. Seven different coils were measured by a water-cooled measuring head constructed especially for the analysis of warm coils. The setup including a 5 m long fibre optics was optimised for a high transmission of UV light in the wavelength range of about 190 nm. With this setup the accuracies of warm coils lie in a comparable range as for chilled scaled samples.

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