DE102004042155B4 - Method for monitoring the layer thickness and the depth profile of the chemical composition of a coating of moving workpieces - Google Patents
Method for monitoring the layer thickness and the depth profile of the chemical composition of a coating of moving workpieces Download PDFInfo
- Publication number
- DE102004042155B4 DE102004042155B4 DE102004042155A DE102004042155A DE102004042155B4 DE 102004042155 B4 DE102004042155 B4 DE 102004042155B4 DE 102004042155 A DE102004042155 A DE 102004042155A DE 102004042155 A DE102004042155 A DE 102004042155A DE 102004042155 B4 DE102004042155 B4 DE 102004042155B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- coating
- laser
- burst
- layer thickness
- depth
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 79
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 79
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims description 24
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims description 23
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 claims abstract description 32
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000001533 laser emission spectroscopy Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 22
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims 4
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 19
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 15
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 12
- 238000002536 laser-induced breakdown spectroscopy Methods 0.000 description 11
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 8
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 7
- 229910001335 Galvanized steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000008397 galvanized steel Substances 0.000 description 6
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 4
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 4
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052756 noble gas Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 3
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000005246 galvanizing Methods 0.000 description 2
- 238000000892 gravimetry Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000004876 x-ray fluorescence Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000001636 atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000009675 coating thickness measurement Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 1
- 238000004993 emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012854 evaluation process Methods 0.000 description 1
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 238000013386 optimize process Methods 0.000 description 1
- 239000013502 plastic waste Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 210000002023 somite Anatomy 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
- C23C2/14—Removing excess of molten coatings; Controlling or regulating the coating thickness
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
- C23C2/50—Controlling or regulating the coating processes
- C23C2/52—Controlling or regulating the coating processes with means for measuring or sensing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
- G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
- G01B11/0658—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of emissivity or reradiation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
- G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
- G01B11/0683—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating measurement during deposition or removal of the layer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/443—Emission spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
- G01N21/718—Laser microanalysis, i.e. with formation of sample plasma
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Verfahren zur Überwachung der Schichtdicke einer Beschichtung (3a) von sich bewegenden Werkstücken (3) mittels Laser-Emissionsspektrometrie, bei dem – eine Folge von Laser-Bursts auf eine Oberfläche der Beschichtung (3a) gerichtet wird, mit denen an unterschiedlichen Stellen an der Oberfläche der Beschichtung (3a) unter Laserablation ein Plasma (3b) erzeugt wird, – wobei Burst-Parameter für jeden Laser-Burst der Folge so eingestellt werden, dass jeder Laser-Burst einen Krater einer Tiefe in der Beschichtung (3a) erzeugt, die die Schichtdicke überschreitet, – eine optische Emission der Plasmen (3b) erfasst und zur Ermittlung eines Verhältnisses ein oder mehrerer Spektrallinien von Elementen und/oder Elementverbindungen des von Elementen und/oder Elementverbindungen der Beschichtung (3a) spektral ausgewertet wird, – um bei einer Änderung des Verhältnisses gegenüber einem Vergleichswert eine Änderung der Schichtdicke der Beschichtung zu detektieren.Method for monitoring the layer thickness of a coating (3a) of moving workpieces (3) by means of laser emission spectrometry, in which - a sequence of laser bursts is directed onto a surface of the coating (3a) with which at different points on the surface a plasma (3b) is generated in the coating (3a) with laser ablation, burst parameters being set for each laser burst of the sequence so that each laser burst generates a crater of a depth in the coating (3a) that corresponds to the Layer thickness exceeds, - an optical emission of the plasmas (3b) is detected and to determine a ratio of one or more spectral lines of elements and / or element compounds of the elements and / or element compounds of the coating (3a) is spectrally evaluated Ratio compared to a comparison value to detect a change in the layer thickness of the coating.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Schichtdicke und/oder des Tiefenprofils der chemischen Zusammensetzung einer Beschichtung von sich bewegenden Werkstücken mittels Laser-Emissionsspektrometrie, das sich insbesondere zur Online-Überwachung an bewegten Bandmaterialien eignet.The present invention relates to a method for monitoring the layer thickness and / or the depth profile of the chemical composition of a coating of moving workpieces by means of laser emission spectrometry, which is particularly suitable for on-line monitoring of moving strip materials.
Die Online-Überwachung der Schichtdicke und der Elementzusammensetzung einer Beschichtung spielt vor allem bei der Qualitätskontrolle in Bandbeschichtungsanlagen eine wichtige Rolle. Ein Beispiel stellt der Prozess der Feuerverzinkung von Stahlblechen dar, bei dem sowohl die Einhaltung einer vorgegebenen Schichtdicke der erzeugten Zinkschicht als auch die Einhaltung eines bestimmten Aluminium-Gehaltes an der Oberfläche der Zinkschicht sowie im Übergangsbereich zum Stahlblech eine wichtige Rolle für die Funktion und somit die Qualität des verzinkten Stahlbleches spielen. Die mit einem Online-Überwachungsverfahren gewonnenen Ergebnisse können für eine optimierte Prozessführung in der Beschichtungsanlage genutzt werden, um die erforderlichen Qualitätskriterien einzuhalten.The online monitoring of the layer thickness and the elemental composition of a coating plays an important role, especially in the quality control in coil coating systems. An example is the process of hot-dip galvanizing steel sheets, in which both the maintenance of a given layer thickness of the zinc layer produced and the maintenance of a certain aluminum content on the surface of the zinc layer and in the transition region to the steel sheet an important role for the function and thus the Play quality of galvanized steel sheet. The results obtained with an online monitoring procedure can be used for optimized process control in the coating plant in order to meet the required quality criteria.
Stand der TechnikState of the art
Im Bereich der Schichtdickenmessung und Tiefenprofilanalyse sind zahlreiche unterschiedliche Messmethoden bekannt, die sich in zerstörungsfreie und zerstörende Verfahren einteilen lassen.In the field of coating thickness measurement and depth profile analysis, numerous different measuring methods are known, which can be divided into non-destructive and destructive methods.
Zur Charakterisierung optisch transparenter Beschichtungen können zerstörungsfreie optische Verfahren eingesetzt werden, die auf Beugung, Interferenz oder Ellipsometrie beruhen. Eine Dickenbestimmung ist mit diesen Verfahren an Einfach- und Vielfachbeschichtungen mit Auflösungen im Sub-Mikrometer-Bereich möglich. Über Brechungsindexschwankungen oder in Kombination mit optischer Spektrometrie kann in gewissen Grenzen auch die chemische Zusammensetzung einer transparenten Beschichtung bestimmt werden.Non-destructive optical methods based on diffraction, interference or ellipsometry can be used to characterize optically transparent coatings. Thickness determination is possible with these methods on single and multiple coatings with resolutions in the sub-micron range. By refractive index fluctuations or in combination with optical spectrometry, the chemical composition of a transparent coating can be determined within certain limits.
Für die Schichtdickenmessung und Tiefenprofilanalyse von nicht transparenten Schichten, beispielsweise von metallischen Schichten, werden vor allem Techniken der Röntgenfluoreszenz und Röntgenbeugung eingesetzt. Die Röntgenfluoreszenztechnik ist allerdings auf Materialien mit hoher Kernladungszahl beschränkt. Ein Tiefenprofil der Beschichtung kann mit dieser Technik nicht bestimmt werden. Die Röntgenbeugungstechnik nutzt die Beugung der Röntgenstrahlen an den Kristallebenen der Beschichtung und des Werkstücks. Durch Fokussierung der Röntgenstrahlung auf unterschiedliche Tiefenbereiche kann damit auch eine Tiefenauflösung bei der Bestimmung der Elementkonzentrationen erreicht werden.For layer thickness measurement and depth profile analysis of non-transparent layers, for example of metallic layers, techniques of X-ray fluorescence and X-ray diffraction are used in particular. However, the X-ray fluorescence technique is limited to high atomic number materials. A depth profile of the coating can not be determined with this technique. The X-ray diffraction technique makes use of X-ray diffraction at the crystal planes of the coating and the workpiece. By focusing the X-ray radiation on different depth ranges, it is thus also possible to achieve a depth resolution in the determination of the element concentrations.
Neben diesen zerstörungsfreien Techniken sind auch destruktive Verfahren, wie beispielsweise die Gravimetrie, die auf einer Glimmentladung basierende optische Emissionsspektrometrie (GDOES: Glow Discharge Optical Emission Spectrometry) oder die Laser-Emissionsspektrometrie (LIES: Laser Induced Breakdown Spectrometry) bekannt.In addition to these non-destructive techniques, destructive methods such as gravimetry, glow discharge-based optical emission spectrometry (GDOES) or laser emission spectrometry (LIES: Laser Induced Breakdown Spectrometry) are also known.
Bei dem Verfahren der Gravimetrie wird das beschichtete Werkstück in ein flüssiges Lösungsmittel gegeben, das die Schicht auflöst, das Werkstück aber nicht angreift. Anschließend wird die Flüssigkeit gewogen. Ein Vergleich der Masse vor und nach dem Auflösen erlaubt es bei bekannter Größe des Werkstücks und Dichte des Beschichtungsmaterials, die mittlere Dicke zu ermitteln. Zudem kann die mittlere chemische Zusammensetzung der Beschichtung bestimmt werden. Das Verfahren ist allerdings nur im Labormaßstab einsetzbar und sehr zeitaufwendig.In the method of gravimetry, the coated workpiece is placed in a liquid solvent which dissolves the layer but does not attack the workpiece. Then the liquid is weighed. A comparison of the mass before and after the dissolution allows for a known size of the workpiece and density of the coating material to determine the average thickness. In addition, the average chemical composition of the coating can be determined. However, the method can only be used on a laboratory scale and is very time-consuming.
Die Glimmentladungs-Emissionsspektrometrie nutzt elektrische Gasentladungen unter vermindertem Druck in einer Edelgasatmosphäre. Zur Erzeugung der Glimmentladung wird zwischen einer hohlen zylindrischen Elektrode als Anode und der zu analysierenden Probe als Kathode eine Hochspannung angelegt. Elektronen, die durch die Hochspannung von der Probenoberfläche ausgelöst und in Richtung der Anode beschleunigt werden, kollidieren mit den Edelgasatomen und ionisieren diese. Die Edelgasionen treffen auf die Probenoberfläche und sputtern die Oberfläche der Probe ab. Die abgetragenen Atome bzw. Ionen sind durch diesen Abtragungsprozess angeregt und können durch ihre Element-spezifische Linienstrahlung spektroskopisch nachgewiesen werden. Bei bekannter Abtragsrate können sowohl ein chemisches Tiefenprofil als auch die Schichtdicke ermittelt werden. Bisher ist diese Technik jedoch ebenfalls nur im Labor einsetzbar.Glow-discharge emission spectrometry uses electrical gas discharges under reduced pressure in a noble gas atmosphere. To generate the glow discharge, a high voltage is applied between a hollow cylindrical electrode as the anode and the sample to be analyzed as the cathode. Electrons, which are triggered by the high voltage from the sample surface and accelerated in the direction of the anode, collide with the noble gas atoms and ionize them. The noble gas ions hit the sample surface and sputter off the surface of the sample. The ablated atoms or ions are excited by this ablation process and can be detected spectroscopically by their element-specific line radiation. With a known removal rate, both a chemical depth profile and the layer thickness can be determined. So far, however, this technique can also be used only in the laboratory.
Die Laser-Emissionsspektrometrie stellt ein weiteres Verfahren für die Bestimmung der Schichtdicke sowie die Tiefenprofilanalyse von beschichteten Werkstücken dar. Bei dieser Technik wird die Beschichtung mit Hilfe von Laserpulsen lokal abgetragen und die optische Emission des dabei an der Oberfläche der Beschichtung erzeugten Plasmas erfasst und ausgewertet. In der Regel wird die Element-spezifische Linienstrahlung des Plasmas für jeden einzelnen Puls einzeln detektiert. Da der Laser mit jedem Puls eine kleine Menge Material abträgt, dringt der Laser immer tiefer in das Material ein, so dass ein chemisches Tiefenprofil der Beschichtung gewonnen werden kann. Über die Höhe der Pulsenergie und die Größe des Fokusdurchmessers lässt sich die Ablationsrate pro Puls einstellen, die in der Größenordnung von 1 nm bis 100 nm liegt. Bei Schichtdicken von mehreren Mikrometern werden typischerweise mehrere 100 Pulse eines gepulsten Lasers auf eine Probenstelle appliziert. Diese Verfahrensführung ist daher nur auf statische Proben beschränkt, da eine Nachführung des Laserstrahls bei bewegten Proben, insbesondere in Bandbeschichtungsanlagen mit Bandgeschwindigkeiten von einigen m/s, technisch nicht mit der erforderlichen Genauigkeit realisierbar ist. Die Fokus- und Detektionsoptik müssten dabei über mehrere Meter mit Mikrometergenauigkeit mitgeführt werden. Laser emission spectrometry represents another method for determining the layer thickness and the depth profile analysis of coated workpieces. In this technique, the coating is locally removed with the aid of laser pulses and the optical emission of the plasma generated on the surface of the coating is recorded and evaluated. As a rule, the element-specific line radiation of the plasma is detected individually for each individual pulse. Since the laser removes a small amount of material with each pulse, the laser penetrates ever deeper into the material, so that a chemical depth profile of the coating can be obtained. The amount of pulse energy and the size of the focus diameter can be used to set the ablation rate per pulse, which is on the order of 1 nm to 100 nm. At layer thicknesses of several micrometers, typically several 100 pulses of a pulsed laser are applied to a sample site. This procedure is therefore limited only to static samples, since a tracking of the laser beam with moving samples, especially in belt coating systems with belt speeds of a few m / s, technically can not be realized with the required accuracy. The focus and detection optics would have to be carried over several meters with micrometer accuracy.
Aus R. Sattmann et al. „Laser-Induced Breakdown Spectroscopy of Steel Samples Using Multiple Q-Switch Nd:YAG-Laser Pulses” J. Phys. D: Appl. Phys. 28 (1995), 2181–2187, ist eine Technik der Laser-Emissionsspektrometrie bekannt, bei der Laser-Bursts anstelle von Einzelpulsen auf eine zu untersuchende Probe gerichtet werden, um das Plasma zu erzeugen. Mit dieser Technik wird ein erhöhter Materialabtrag gegenüber dem Einsatz von Einzelpulsen erreicht.From R. Sattmann et al. "Laser-Induced Breakdown Spectroscopy of Steel Samples Using Multiple Q-Switch Nd: YAG Laser Pulses" J. Phys. D: Appl. Phys. 28 (1995), 2181-2187, a technique of laser emission spectrometry is known in which laser bursts are directed instead of single pulses on a sample to be examined to produce the plasma. With this technique, an increased material removal compared to the use of single pulses is achieved.
Die
Aus N. Stepputat et al., „Online-Detection of Heavy Metals and Brominated Flame Retardants in Technical Polymers with Laser-Induced Breakdown Spectrometry”, Appl. Optics 42, No. 30 (2003), 6210–6220, ist eine Anwendung der Laser-Emissionsspektrometrie zur Sortierung von Kunststoffabfall oder Metallschrott bekannt. Hierbei geht es weder um die Bestimmung einer Schichtdicke noch um die Erfassung eines Tiefenprofils der chemischen Zusammensetzung sondern lediglich um den Nachweis bestimmter Elemente in einem Objekt. Der Laser wird über ein Autofokussystem auf die Oberfläche der sich auf einem Förderband bewegenden Objekte gerichtet, wobei der Abstand für die korrekte Laserfokussierung mit Hilfe einer Laser-Triangulationseinrichtung bestimmt wird.From Stepputat et al., "Online Detection of Heavy Metals and Brominated Flame Retardants in Technical Polymers with Laser-Induced Breakdown Spectrometry", Appl. Optics 42, no. 30 (2003), 6210-6220, an application of laser emission spectrometry for the sorting of plastic waste or metal scrap is known. This is neither a determination of a layer thickness nor the detection of a depth profile of the chemical composition but only the detection of certain elements in an object. The laser is directed via an autofocus system onto the surface of the objects moving on a conveyor belt, the distance for the correct laser focusing being determined by means of a laser triangulation device.
Die
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die Überwachung der Schichtdicke und/oder des Tiefenprofils der chemischen Zusammensetzung einer Beschichtung von sich bewegenden Werkstücken anzugeben, dass auch die Überwachung dickerer Beschichtungen ohne signifikante Ablationsschäden ermöglicht. The object of the present invention is to provide a method for monitoring the layer thickness and / or the depth profile of the chemical composition of a coating of moving workpieces, which also allows the monitoring of thicker coatings without significant ablation damage.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit den Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved by the method according to
Bei dem Verfahren zur Überwachung der Schichtdicke einer Beschichtung von sich bewegenden Werkstücken mittels Laser-Emissionsspektrometrie wird eine Folge von Laser-Bursts auf eine Oberfläche der Beschichtung gerichtet, mit denen an unterschiedlichen Stellen an der Oberfläche der Beschichtung unter Laserablation ein Plasma erzeugt wird. Die unterschiedlichen Stellen ergeben sich aufgrund der Bewegung der Werkstücke relativ zum Laserstrahl. Bei dem Verfahren werden die Burst-Parameter für jeden Laser-Burst der Folge so eingestellt, dass jeder Laser-Burst einen Krater einer Tiefe in der Beschichtung erzeugt, die in jedem Falle größer als die Dicke der Beschichtung ist. Die optische Emission der durch die unterschiedlichen Laser-Bursts erzeugten Plasmen wird erfasst und zur Ermittlung eines Verhältnisses ein oder mehrerer Spektrallinien von Elementen und/oder Elementverbindungen des Werkstücks zu ein oder mehreren Spektrallinien von Elementen und/oder Elementverbindungen der Beschichtung spektral ausgewertet, um bei einer Änderung dieses Verhältnisses gegenüber einem Vergleichswert eine Änderung der Schichtdicke der Beschichtung zu detektieren.In the method for monitoring the layer thickness of a coating of moving workpieces by means of laser emission spectrometry, a sequence of laser bursts is directed onto a surface of the coating with which a plasma is produced at different points on the surface of the coating by laser ablation. The different locations arise due to the movement of the workpieces relative to the laser beam. In the method, the burst parameters for each laser burst of the sequence are adjusted so that each laser burst produces a crater of depth in the coating, which in each case is greater than the thickness of the coating. The optical emission of the plasmas generated by the different laser bursts is detected and evaluated spectrally to determine a ratio of one or more spectral lines of elements and / or element compounds of the workpiece to one or more spectral lines of elements and / or element compounds of the coating Change of this ratio compared to a comparison value to detect a change in the layer thickness of the coating.
Der Vergleichswert kann hierbei ein vorab mit identischen Burst-Parametern an einem Referenzwerkstück ermittelter Wert oder der mit einem zeitlich in der Folge vorangehenden Laser-Burst mit identischen Burst-Parametern bestimmte Wert sein.In this case, the comparison value may be a value determined in advance with identical burst parameters at a reference workpiece or the value determined with a laser burst having identical burst parameters with identical burst parameters in chronological order.
Vorzugsweise werden die Burst-Parameter für alle Laser-Bursts der Folge für die Schichtdickenüberwachung identisch gewählt. In diesem Fall kann auch ohne einen vorab an einem Referenzwerkstück bestimmten Vergleichswert eine Änderung der Schichtdicke während des Verfahrens detektiert werden. Für eine quantitative Bestimmung der Schichtdicke sind allerdings Vergleichswerte erforderlich, die mit den gewählten Burst-Parametern bei unterschiedlichen bekannten Schichtdicken des Referenzwerkstücks vorab experimentell ermittelt werden müssen.Preferably, the burst parameters for all laser bursts of the sequence for the layer thickness monitoring are selected to be identical. In this case, even without a comparison value determined in advance on a reference workpiece, a change in the layer thickness during the method can be detected. For a quantitative determination of the layer thickness, however, comparative values are required, which must be determined in advance experimentally with the selected burst parameters at different known layer thicknesses of the reference workpiece.
In einer weiteren Ausgestaltung dieses Verfahrens können in der Folge auch für zumindest einige der Laser-Bursts unterschiedliche Burst-Parameter eingestellt werden. In diesem Fall sind für jede Einstellung der Burst-Parameter entsprechende Vergleichswerte eines Referenzwerkstücks mit der Soll-Schichtdicke erforderlich, um eine Änderung der Schichtdicke während des Prozesses durch Abweichung vom jeweiligen Vergleichswert detektieren zu können. Das Gleiche gilt für die vorgenannte Ausführungsform identischer Burst-Parameter, falls auch dort die Abweichung von einer Soll-Schichtdicke erfasst werden soll.In a further embodiment of this method, different burst parameters can also be set as a consequence for at least some of the laser bursts. In this case, for each adjustment of the burst parameters corresponding reference values of a reference workpiece with the desired layer thickness are required in order to be able to detect a change in the layer thickness during the process by deviation from the respective comparison value. The same applies to the aforementioned embodiment of identical burst parameters, if the deviation from a desired layer thickness should also be detected there.
Bei dem vorliegenden Verfahren zur Überwachung der Schichtdicke und/oder, wie in einem der nachfolgenden Abschnitte dargelegt, zur Überwachung des Tiefenprofils der chemischen Zusammensetzung einer Beschichtung von sich bewegenden Werkstücken erfolgt die Überwachung bzw. Analyse mittels einer Folge von einzelnen Laser-Bursts, die auf unterschiedliche Stellen der Beschichtung appliziert werden. Als Laser-Burst wird in der vorliegenden Patentanmeldung eine Sequenz von n kurz aufeinander folgenden Einzelpulsen bezeichnet, wobei n ≥ 2, die eine zeitliche Gesamtlänge von 1 ms nicht überschreitet. Die Burstenergie EB ist auf die n Einzelpulse mit Pulsdauern zwischen 1 fs und 100 μs verteilt. Der Abstand der einzelnen Laserpulse innerhalb eines Laser-Burst ist dabei derart gewählt, dass der vom Plasma erzeugte gasdynamische Zustand von Laserpuls zu Laserpuls innerhalb des Laser-Bursts fortbesteht. Derartige Laser-Bursts lassen sich vor allem mit gütegeschalteten, gepulsten Lasern erzeugen, bei denen die Laser-Bursts mit der Repetitionsrate des Lasers emittiert werden.In the present method for monitoring the layer thickness and / or, as set forth in any of the following sections, for monitoring the depth profile of the chemical composition of a coating of moving workpieces, the monitoring or analysis by means of a series of individual laser bursts, the on different locations of the coating are applied. In the present patent application, a laser burst is a sequence of n short consecutive individual pulses, where n ≥ 2, which does not exceed an overall time length of 1 ms. The burst energy E B is distributed over the n individual pulses with pulse durations between 1 fs and 100 μs. The distance between the individual laser pulses within a laser burst is selected such that the gas-dynamic state generated by the plasma from laser pulse to laser pulse persists within the laser burst. Such laser bursts can be generated in particular with Q-switched, pulsed lasers in which the laser bursts are emitted at the repetition rate of the laser.
Durch eine Optimierung der Burst-Parameter, insbesondere der Anzahl der Pulse eines Laser-Bursts, der Fokussierung und der Burstenergie, ist die Tiefe der mit einem Laser-Burst erzeugten Krater in der Beschichtung einstellbar. Durch die Einstellung der Tiefe ist somit auch der Analysebereich, insbesondere bei der Überwachung des Tiefenprofils der chemischen Zusammensetzung, wählbar. Während eines eine Folge von Laser-Bursts umfassenden Messzyklus werden die Burst-Parameter je nach Anwendung entweder quasikontinuierlich verändert oder konstant gehalten oder es werden unterschiedliche konstante Burst-Parameter gewählt.By optimizing the burst parameters, in particular the number of pulses of a laser burst, the focusing and the burst energy, the depth of the laser burst generated crater in the coating is adjustable. By adjusting the depth, the analysis range, in particular when monitoring the depth profile of the chemical composition, can thus also be selected. During a measurement cycle comprising a sequence of laser bursts, the burst parameters become either, depending on the application quasi-continuously changed or kept constant or different constant burst parameters are selected.
So werden für eine Überwachung der Schichtdicke einer Beschichtung von sich bewegenden Werkstücken, insbesondere von bewegtem Bandmaterial einer Bandbeschichtungsanlage, Einzelbursts einer festen Energie oder eines Satzes diskreter Burstenergien eingesetzt. Die Burst-Parameter werden an das jeweilige Beschichtungsmaterial so angepasst, dass die durch einen Einzelburst erzeugte Kratertiefe mindestens eine Stelle aufweist, die größer als der maximal zu messende Schichtdickenwert ist. Auf diese Weise enthält das mit dem Burst erzeugte Plasma immer einen Anteil von Spektrallinien der Elemente und/oder Elementverbindungen des Werkstücks und einen Anteil von Spektrallinien der Elemente und/oder Elementverbindungen der Beschichtung. Bleibt die Schichtdicke von Laser-Burst zu Laser-Burst konstant, so ändert sich das Intensitätsverhältnis der Spektrallinien der Beschichtung und des Werkstücks bei gleichen Burst-Parametern nicht. Ändert sich jedoch die Schichtdicke, so macht sich dies durch eine Erhöhung oder Erniedrigung der Intensität der Spektrallinien von Elementen und/oder Elementverbindungen des Werkstücks gegenüber denen der Beschichtung bemerkbar. Durch Überwachung dieses Verhältnisses lässt sich somit eine Änderung der Schichtdicke der Beschichtung sofort detektieren.Thus, for monitoring the layer thickness of a coating of moving workpieces, in particular of moving strip material of a strip coater, individual bursts of a fixed energy or of a set of discrete burst energies are used. The burst parameters are adapted to the respective coating material so that the crater depth created by a single burst has at least one location which is greater than the maximum layer thickness value to be measured. In this way, the plasma generated by the burst always contains a proportion of spectral lines of the elements and / or element compounds of the workpiece and a proportion of spectral lines of the elements and / or element compounds of the coating. If the layer thickness remains constant from laser burst to laser burst, the intensity ratio of the spectral lines of the coating and of the workpiece does not change with the same burst parameters. However, if the layer thickness changes, this is manifested by an increase or decrease in the intensity of the spectral lines of elements and / or element connections of the workpiece compared to those of the coating. By monitoring this ratio, a change in the layer thickness of the coating can thus be detected immediately.
Die Detektion einer Änderung der Schichtdicke kann selbstverständlich auch durch Vergleich der Intensitäten ein oder mehrerer Spektrallinien und/oder ein oder mehrerer Verhältnisse von Spektrallinien mit Vergleichs- bzw. Kalibrierdaten erfolgen, die vorab anhand eines beschichteten Referenzwerkstücks ermittelt wurden.The detection of a change in the layer thickness can of course also be done by comparing the intensities of one or more spectral lines and / or one or more ratios of spectral lines with comparison or calibration data, which were determined in advance on the basis of a coated reference workpiece.
Bei der Verfahrensvariante zur Überwachung des Tiefenprofils der chemischen Zusammensetzung einer Beschichtung der sich bewegenden Werkstücke mittels Laser-Emissionsspektrometrie wird in gleicher Weise eine Folge von Laser-Bursts auf die Oberfläche der Beschichtung gerichtet, um mit diesen unter Laserablation ein Plasma an der Oberfläche der Beschichtung zu erzeugen. Die Burst-Parameter der Laser-Bursts werden dabei so eingestellt, dass zumindest einige der Laser-Bursts der Folge Krater unterschiedlicher Tiefe in der Beschichtung erzeugen. Auch hier wird die optische Emission der Plasmen erfasst und diesmal zur Ermittlung ein oder mehrerer Anteile von Elementen und/oder Elementverbindungen in unterschiedlichen Tiefen der Beschichtung spektral ausgewertet, die durch die unterschiedliche Tiefe der jeweiligen Krater und somit die unterschiedlichen Burst-Parameter festgelegt werden.In the method variant for monitoring the depth profile of the chemical composition of a coating of the moving workpieces by means of laser emission spectrometry, a series of laser bursts is likewise directed onto the surface of the coating in order to apply plasma to the surface of the coating under laser ablation produce. The burst parameters of the laser bursts are adjusted so that at least some of the laser bursts of the sequence produce craters of different depths in the coating. Again, the optical emission of the plasmas is detected and evaluated spectrally this time to determine one or more portions of elements and / or element compounds in different depths of the coating, which are determined by the different depth of the respective craters and thus the different burst parameters.
Bei dieser Verfahrensvariante werden durch Laser-Bursts mit unterschiedlichen Burst-Parametern unterschiedlich tiefe Krater erzeugt, so dass die daraus jeweils erhaltenen Messwerte unterschiedliche Tiefeninformation über die darin enthaltenen Elemente bzw. Elementverbindungen liefern. Durch eine quasikontinuierliche Erhöhung oder Erniedrigung der Kratertiefe über die Folge von Laser-Bursts durch entsprechende Einstellung der Burst-Parameter kann somit ein vollständiges Tiefenprofil der chemischen Zusammensetzung erhalten werden. Das Verfahren ermöglicht es auch, nicht ein vollständiges Tiefenprofil sondern lediglich die Elementzusammensetzung in bestimmten Tiefen durch einen Vergleich mit entsprechenden Vergleichswerten während des Prozesses zu überwachen.In this process variant, differently deep craters are produced by laser bursts with different burst parameters, so that the measured values obtained from each deliver different depth information about the elements or element connections contained therein. By a quasi-continuous increase or decrease of the crater depth over the sequence of laser bursts by appropriate adjustment of the burst parameters, a complete depth profile of the chemical composition can thus be obtained. The method also makes it possible to monitor not a complete depth profile but only the elemental composition at particular depths by comparison with corresponding comparison values during the process.
Auch hier werden vorzugsweise Vergleichs- bzw. Kalibrierdaten eingesetzt, aus denen die Kratertiefe bei vorgegebenen Burst-Parametern sowie gegebenenfalls Elementzusammensetzungen abgeleitet werden können.Here, too, comparison or calibration data are preferably used, from which the crater depth can be derived for predetermined burst parameters and optionally element compositions.
Durch den Einsatz von Laser-Bursts anstelle von Einzelpulsen wird ein hohes Aspektverhältnis der Krater bei einer hohen Kratertiefe erreicht. Auf diese Weise lassen sich mit den vorliegenden Verfahren bei kleineren Kraterdurchmessern größere Schichtdicken analysieren bzw. überwachen als bei der in der Beschreibungseinleitung angeführten Einzelpulstechnik.By using laser bursts instead of single pulses, a high aspect ratio of the craters is achieved at a high crater depth. In this way, larger layer thicknesses can be analyzed or monitored with the present methods for smaller crater diameters than in the case of the single-pulse technique cited in the introduction to the description.
Die beiden Verfahrensvarianten des vorliegenden Verfahrens lassen sich auch in vorteilhafter Weise miteinander kombinieren, so dass eine simultane Bestimmung von Abweichungen in chemischen Tiefenprofilen und in der Schichtdicke zur Online-Überwachung von Beschichtungsanlagen erreicht wird. In diesem Fall können beispielsweise alternierend Laser-Bursts zur Erzielung einer ausreichenden Kratertiefe für die Überwachung der Schichtdicke und Laser-Bursts für geringere Kratertiefen zur Überwachung des Tiefenprofils auf die Oberfläche der Beschichtung gerichtet werden.The two process variants of the present method can also be advantageously combined with each other, so that a simultaneous determination of deviations in chemical depth profiles and in the layer thickness for on-line monitoring of coating systems is achieved. In this case, for example, laser bursts may be alternately directed to achieve sufficient depth of crater for layer thickness monitoring and laser bursts for lower crater depths to monitor the depth profile on the surface of the coating.
Das vorliegende Verfahren eignet sich vor allem für die Online-Kontrolle der Schichtdicke und der Elementzusammensetzung in einer Bandbeschichtungsanlage, insbesondere für nichttransparente Schichten. Dabei können vor allem Beschichtungen untersucht werden, bei denen die durch das Verfahren bedingten, mikroskopischen Veränderungen, d. h. die erzeugten Krater, die Funktion der Beschichtung bzw. des beschichteten Werkstücks nicht oder nur geringfügig beeinflussen. Ein Beispiel hierfür ist die Zinkschicht auf verzinkten Stahlblechen, bei der mikroskopische Schäden aufgrund der kathodischen Fernwirkung zu keiner Beeinträchtigung des Korrosionsschutzes führen. Eine Qualitätsminderung kann auch dadurch vermieden werden, dass die Messung in Bereichen durchgeführt wird, die bei einer späteren Weiterverarbeitung des Materials nicht einbezogen werden. Die Online gewonnenen Ergebnisse können vorteilhaft zur Regelung des Beschichtungsprozesses in der Beschichtungsanlage genutzt werden, um definierte, gleichmäßige Schichtdicken und ein definiertes chemisches Tiefenprofil der Schichten zu gewährleisten.The present method is particularly suitable for the on-line control of the layer thickness and the elemental composition in a coil coating plant, in particular for nontransparent layers. In particular, coatings in which the process-related microscopic changes, ie the generated craters, the function of the coating or the coated workpiece or only slightly influence. An example of this is the zinc layer on galvanized steel sheets, in which microscopic damage due to the cathodic action at a distance does not lead to any impairment of the corrosion protection. A reduction in quality can also be avoided by carrying out the measurement in areas which are not included in any subsequent processing of the material. The results obtained online can be advantageously used to control the coating process in the coating system in order to ensure defined, uniform layer thicknesses and a defined chemical depth profile of the layers.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche definierten Schutzbereichs nochmals beispielhaft erläutert. Hierbei zeigen:The present method will be explained again by way of example with reference to embodiments in conjunction with the drawings without limiting the scope defined by the claims. Hereby show:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Im Folgenden wird das vorliegende Verfahren zur Online-Schichtdickenmessung und Online-Tiefenprofilanalyse von beschichtetem Bandmaterial anhand der industriell bedeutenden Anwendung der Herstellung feuerverzinkter Stahlbleche nochmals näher erläutert.
Die Burst-Parameter werden zur Überwachung der Schichtdicke so gewählt, dass die Ablationstiefe je Laser-Burst größer als die Dicke der zu überwachenden Schicht ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die Plasmaemission, im Folgenden auch als LIBS-Signal bezeichnet, neben Linienemissionen der Schichtelemente Zink und Aluminium auch Eisenemissionen aus dem Stahlsubstrat enthält. Unter den Burst-Parametern sind hierbei beispielsweise die Pulszahl des Bursts, die Burstenergie, die Energieverteilung innerhalb des Bursts oder die Fokussierung zu verstehen. Ändert sich bei konstant gehaltenen Burst-Parametern die Schichtdicke, wie in der
Bei der Einstellung der Burst-Parameter ist zu beachten, wie sich das Volumen des ablatierten Schichtmaterials V1 zum Volumen des ablatierten Substratmaterials V2 verhält. V2 muss größer 0 sein, so dass das LIBS-Signal in jedem Fall Linienemissionen des Substrats enthält. V2 darf aber auch nicht zu klein gewählt werden, da sonst bei größerer Zunahme der Schichtdicke eventuell nur noch Signale aus der Schicht gemessen werden. Andererseits darf V2 auch nicht zu groß gewählt werden, um kleinere Schwankungen in der Schichtdicke auflösen zu können. Beispiele für unterschiedliche Verhältnisse zwischen V1 und V2 sind in der
Zusätzlich sollten im Hinblick auf mögliche Beeinträchtigungen der Schicht die Burst-Parameter so optimiert werden, dass sich möglichst kleine Kraterdurchmesser 2R bei gleichzeitig ausreichendem Messsignal ergeben. R bezeichnet dabei den Radius des Kraters an der Schichtoberfläche. Um diese Kriterien zu erfüllen, sollte V2 etwa im Bereich 0 < V2 ≤ V1 und die Tiefe des Kraters h im Bereich ds < h ≤ 2 ds gewählt werden.In addition, the burst parameters should be optimized so that the smallest possible crater diameters 2R and at the same time sufficient measurement signal are obtained with regard to possible impairments of the layer. R denotes the radius of the crater on the layer surface. In order to fulfill these criteria, V 2 should be chosen approximately in the
Durch Mittelung über mehrere Messungen und Einbeziehung mehrerer Elementlinien können statistische Schwankungen im Messprozess reduziert werden. Bei Verwendung mehrerer Elementlinien kann beispielsweise die Summe mehrerer Linienintensitäten des Substrats ISubs,i auf die Summe mehrerer Linienintensitäten der Beschichtung ISchicht,j referenziert werden. Durch Einführen von Gewichtsfaktoren oder Potenzieren bestimmter Linienintensitäten kann eine unterschiedliche Gewichtung einzelner Elementlinien erreicht werden, so dass das referenzierte Substratsignal F im allgemeinen Fall ein Verhältnis zweier Funktionen ist:
Gleichzeitig lässt sich über die Zahl und den Abstand der Messpunkte einstellen, auf welcher Längenskala gemittelt wird. Zur Bestimmung der absoluten Schichtdicke ist eine vorherige Kalibrierung von F mit Referenzproben unterschiedlicher Schichtdicken notwendig, d. h. die Abhängigkeit des referenzierten Substratsignals von der Schichtdicke muss mit den festgelegten Burst-Parametern vorher bestimmt werden. Diese Kalibrierkurve wird in das Auswerteverfahren integriert, so dass aus dem Online gemessenen Linienverhältnis unmittelbar die Schichtdicke bestimmt werden kann. Der qualitative Verlauf einer solchen Kalibrierkurve ist in
Weiterhin besteht die Möglichkeit, mehrere Sätze diskreter Burst-Parameter zu verwenden, wodurch entweder aus einer Schar einzelner Kalibrierkurven die Schichtdicke bestimmt werden kann oder unter Verwendung multivariater Methoden mehrere Parametersätze gleichzeitig ins Kalibriermodell einbezogen werden.Furthermore, it is possible to use several sets of discrete burst parameters, which can be used either to determine the layer thickness from a set of individual calibration curves or to include several parameter sets simultaneously in the calibration model using multivariate methods.
Beim kontinuierlichen Beschichten von Bandmaterialien ist neben der Überwachung der Schichtdicke auch die Kontrolle der chemischen Zusammensetzung bzw. des Tiefenprofils der Schicht von großem Interesse. Im Fall von feuerverzinktem Stahlblech bestimmt beispielsweise der Aluminium-Gehalt die Schweißbarkeit des Blechs und die Dicke der Al2Fe5-Schicht die Haftung der Beschichtung. Mit dem vorliegenden Verfahren können Änderungen im Tiefenprofil und in der chemischen Zusammensetzung erkannt werden. Hierbei wird durch geeignete Änderung der Burst-Parameter die Ablationstiefe während eines Messzyklus quasikontinuierlich geändert, wie dies anhand der Darstellung der
Der Zusammenhang zwischen dem Tiefenprofil und dem LIBS-Signal wird im Folgenden näher erläutert. Zunächst soll dargestellt werden, welche Tiefeninformation die in Abhängigkeit von der Burstenergie gemessene Linienintensität IElement,i(EB) einer Atomsorte i beinhaltet. Dabei werden folgende Annahmen gemacht:
- – IElement,i (EB) ist näherungsweise proportional zu der im ablatierten Kratervolumen V(EB) vorhandenen Zahl der Atome des Elementes i NElement,i(EB). Um Änderungen der Plasmaparameter, wie z. B. die Größe des Plasmas oder die Plasmatemperatur, in Abhängigkeit der Burstenergie mit zu berücksichtigen, wird eine energieabhängige Korrekturfunktion fKorr(EB) anstelle einer Konstanten eingeführt, die IElement,i(EB) mit NElement,i(EB) verknüpft:
IElement,i(EB) = fKorr(EB)·NElement,i(EB) (2) - – Die Abhängigkeit der Querschnittsfläche A(EB, z) des Kraters parallel zur Schichtoberfläche von der Burstenergie und der Tiefe z sind bekannt oder werden vor oder nach der LIBS-Messung beispielsweise mit einem Weißlichtinterferometer an einer Referenzprobe experimentell bestimmt. Insbesondere sind dadurch der Verlauf der Kratertiefe h(EB) und des Radius R(EB) des Kraters an der Schichtoberfläche als Funktion von EB ebenfalls bekannt.
- – Die Teilchendichte des Elements i hängt nur von der Tiefe z ab und nicht von der x- oder y-Koordinate. Somit lässt sich die Teilchendichte ni des Elements i schreiben als: ni = ni(z)
- - I element, i (E B) is approximately proportional to the volume V in the ablated crater (E B) existing number of atoms of element i N element i (E B). To change the plasma parameters, such. As the size of the plasma or the plasma temperature to be considered in dependence of the burst energy, an energy-dependent correction function f Korr (E B ) is introduced instead of a constant, the I element, i (E B ) with N element, i (E B ) connected:
I element, i (E B ) = f corr (E B ) · N element, i (E B ) (2) - The dependence of the cross-sectional area A (E B , z) of the crater parallel to the layer surface of the burst energy and the depth z are known or are determined experimentally before or after the LIBS measurement, for example with a white light interferometer on a reference sample. In particular, the course of the crater depth h (E B ) and of the radius R (E B ) of the crater on the layer surface are also known as a function of E B.
- - The particle density of the element i depends only on the depth z and not on the x- or y-coordinate. Thus, the particle density n i of the element i can be written as: n i = n i (z)
Unter diesen Annahmen lässt sich die Zahl der Atome eines Elements im ablatierten Kratervolumen in Abhängigkeit von der Burstenergie schreiben als: Im Integral steht das Produkt aus der Funktion A(EB, z), die der Querschnittsfläche des Kraters an der Stelle z entspricht, mit dem Tiefenprofil n1(z) des Elements i. Under these assumptions, the number of atoms of an element in the ablated crater volume can be written as a function of the burst energy as: In the integral represents the product of the function A (E B, z) corresponding to the cross-sectional area of the crater at the point z, with the depth profile n 1 (z) of the element i.
Für den Fall, dass das Kratervolumen V(EB) näherungsweise kegelförmig (vgl.
In
Die Linienintensität IElement,i(EB) ist über Gleichung (2) mit der Teilchenzahl NElement,i(EB) verknüpft. Einsetzen von (3) in (2) liefert: The line intensity I element, i (E B ) is linked via equation (2) with the particle number N element, i (E B ). Substituting (3) in (2) provides:
Im gemessenen Verlauf von IElement,i(EB) ist also das chemische Tiefenprofil ni(z) des Elements i enthalten. Der an einer Referenzprobe mit bekanntem Tiefenprofil nSoll,i bestimmte Verlauf von IElement,i(EB) wird im nachfolgenden als Sollkurve ISoll,i(EB) bezeichnet. Aus nSoll,i(z), das z. B. mit Hilfe von GDOES-Messungen bestimmt werden kann, und A(EB, z), lässt sich mit (3) NSoll,i(EB) für jedes EB berechnen und mit Hilfe von (2) die Korrekturfunktion fKorr(EB) bestimmen.The measured profile of I element, i (E B ) thus contains the chemical depth profile n i (z) of the element i. The profile of I element, i (E B ) determined on a reference sample having a known depth profile n setpoint, i is referred to below as setpoint curve I setpoint, i (E B ). From n Soll, i (z), the z. As can be determined by means of GDOES-measurement, and A (E B, z), can be combined with (3) N reference, i (E B) Calculate B for each E and with the help of (2) the correction function f Determine corr (E B ).
Das Ziel der Online-Kontrolle besteht darin Abweichungen im Tiefenprofil nIst,i(z) zu erkennen. Ändert sich die chemische Zusammensetzung, d. h. nIst,i(z), so ändert sich auch der Verlauf von IIst,i(EB).The aim of the online control is to detect deviations in the depth profile n actual, i (z). If the chemical composition changes, ie n ist, i (z), the course of I ist, i (E B ) also changes.
Unter der Annahme, dass sich das Ablationsverhalten durch die veränderte chemische Zusammensetzung der Schicht nicht ändert, kann das Tiefenprofil von nIst,i(z) bestimmt werden, indem man bildet und diese Integralgleichung numerisch nach nIst , i(z) auflöst.Assuming that the ablation behavior does not change due to the changed chemical composition of the layer, the depth profile of n Ist, i (z) can be determined by and this integral equation numerically resolves to n Ist , i (z).
Um qualitative Änderungen im Tiefenprofil erkennen zu können, genügt es jedoch, den Quotienten IIst,i(EB)/ISoll,i(EB) als Funktion von EB zu betrachten. So ist es im Fall von feuerverzinkten Blechen oft ausreichend zu entscheiden, ob die Al2Fe5-Schicht vorhanden ist oder nicht.
Bei der Durchführung der Messung bietet es sich an, eine Burstfolge wie in
Schwankungen im Messprozess können durch geeignetes Referenzieren reduziert werden. So bietet es sich in dem hier vorgestellten Beispiel an, IIst,Al auf eine Zn-Linie des Hauptelementes der Schicht zu referenzieren. Werden neben den Linienintensitäten der Schichtelemente parallel auch die des Substrats gemessen, so kann simultan, wie bereits vorher beschrieben, die Schichtdicke bestimmt werden.Variations in the measuring process can be reduced by suitable referencing. Thus, in the example presented here, it is appropriate to refer I to Al on a Zn line of the main element of the layer. If, in addition to the line intensities of the layer elements, those of the substrate are also measured in parallel, the layer thickness can be determined simultaneously, as already described above.
Während der LIBS-Messung wird nun laufend der Abstand vom Objektiv zum Band gemessen und der Wert an einen PC
Zusätzliche Schwankungen im LIBS-Signal können durch Schwankungen in der Laser-Burst-Energie entstehen. Um diese Schwankungen zu erkennen und bei zu starker Abweichung von einem Sollwert nicht in die Analyse bzw. Messung einfließen zu lassen, kann eine Überwachung der Einzelburst-Energie erfolgen. Dafür bietet sich beispielsweise eine Photodiode
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fokussieroptikfocusing optics
- 22
- Laserstrahllaser beam
- 33
- Werkstückworkpiece
- 3a3a
- Beschichtungcoating
- 3b3b
- Plasmaplasma
- 4, 4a4, 4a
- dichroitischer Spiegeldichroic mirror
- 44
- Abbildungsoptikimaging optics
- 55
- Lichtwellenleiteroptical fiber
- 66
- Spektrometerspectrometer
- 77
- Laserlaser
- 88th
- EnergieabschwächerEnergieabschwächer
- 99
- Lasertriangulationssensorlaser triangulation sensor
- 1010
- Teleskoptelescope
- 1111
- PCPC
- 1212
- Photodiodephotodiode
- 1313
- Laserstrahl des LasertriangulationssensorsLaser beam of the laser triangulation sensor
- Pi P i
- Pulse eines Laser-BurstsPulse of a laser burst
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102004042155A DE102004042155B4 (en) | 2004-08-31 | 2004-08-31 | Method for monitoring the layer thickness and the depth profile of the chemical composition of a coating of moving workpieces |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102004042155A DE102004042155B4 (en) | 2004-08-31 | 2004-08-31 | Method for monitoring the layer thickness and the depth profile of the chemical composition of a coating of moving workpieces |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102004042155A1 DE102004042155A1 (en) | 2006-03-16 |
DE102004042155B4 true DE102004042155B4 (en) | 2012-03-01 |
Family
ID=35853511
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102004042155A Expired - Fee Related DE102004042155B4 (en) | 2004-08-31 | 2004-08-31 | Method for monitoring the layer thickness and the depth profile of the chemical composition of a coating of moving workpieces |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102004042155B4 (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008037421A1 (en) | 2008-10-08 | 2010-07-15 | Thyssenkrupp Steel Europe Ag | Moving metal product coating detecting method, involves analyzing optical emission of plasma, measuring intensities of spectral lines, and analyzing optical emission of plasma, where plasma is produced on each sides of metal product |
US9316491B2 (en) * | 2009-05-26 | 2016-04-19 | Wolf Industrial Innovation | Methods and instruments to measure the volume solids of a paint sample |
US8772671B2 (en) * | 2010-06-30 | 2014-07-08 | Resonetics, LLC | Precision laser ablation |
CN101893426B (en) * | 2010-07-02 | 2011-11-16 | 西安交通大学 | Method for detecting and controlling laser metal forming height on line |
CN108801195B (en) * | 2018-06-26 | 2020-08-18 | 华中科技大学 | Object characterization detection method and device based on plasma |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4138157A1 (en) * | 1991-11-21 | 1993-05-27 | Krupp Ag | Measuring thickness of coating, e.g. of zinc@ on steel, - counting repeatedly applied laser pulses until spectral lines in plasma generated changes |
US6532068B2 (en) * | 2001-07-17 | 2003-03-11 | National Research Council Of Canada | Method and apparatus for depth profile analysis by laser induced plasma spectros copy |
US20030095266A1 (en) * | 2001-11-16 | 2003-05-22 | Vincent Detalle | Method and apparatus for three-dimensional compositional mapping of heterogeneous materials |
-
2004
- 2004-08-31 DE DE102004042155A patent/DE102004042155B4/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4138157A1 (en) * | 1991-11-21 | 1993-05-27 | Krupp Ag | Measuring thickness of coating, e.g. of zinc@ on steel, - counting repeatedly applied laser pulses until spectral lines in plasma generated changes |
US6532068B2 (en) * | 2001-07-17 | 2003-03-11 | National Research Council Of Canada | Method and apparatus for depth profile analysis by laser induced plasma spectros copy |
US20030095266A1 (en) * | 2001-11-16 | 2003-05-22 | Vincent Detalle | Method and apparatus for three-dimensional compositional mapping of heterogeneous materials |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102004042155A1 (en) | 2006-03-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102016005021B4 (en) | Method and device for measuring the depth of the vapor capillary during a machining process with a high-energy beam | |
EP3049755B1 (en) | Method for measuring the depth of penetration of a laser beam into a workpiece, and laser machining device | |
DE102012219196B3 (en) | Method and machine for grooving, drilling or cutting metal workpieces | |
EP3525975B1 (en) | Method and device for determining and regulating a focal position of a machining beam | |
DE4320408C2 (en) | Process control and regulation process for the surface processing of workpieces with pulsed laser radiation | |
Balzer et al. | Online coating thickness measurement and depth profiling of zinc coated sheet steel by laser-induced breakdown spectroscopy | |
DE19739321A1 (en) | Measuring uncertainty evaluation method for X-ray fluorescence thickness measurements | |
DE102015221697B3 (en) | Arrangement for determining the surface quality of component surfaces | |
EP2394774A2 (en) | Method and device for producing nanostructured surfaces | |
EP1342510A2 (en) | Process for stripping of engine elements and device for process execution | |
DE102008006625B4 (en) | Method and device for monitoring the laser beam welding of coated boards | |
DE102016200324A1 (en) | Method for determining a concentration of at least one material in a powder for an additive manufacturing process | |
DE4138157A1 (en) | Measuring thickness of coating, e.g. of zinc@ on steel, - counting repeatedly applied laser pulses until spectral lines in plasma generated changes | |
DE102004042155B4 (en) | Method for monitoring the layer thickness and the depth profile of the chemical composition of a coating of moving workpieces | |
DE102008060115B4 (en) | Method for automatically predetermining the structure of final painted component surfaces | |
DE102018105592A1 (en) | Method of piercing a metallic workpiece using a laser beam and apparatus therefor | |
DE102005027260B4 (en) | Method and device for determining the quality of a weld or a thermal sprayed layer and use | |
DE60105386T2 (en) | Apparatus and method for real time determination of a solid state composition as a function of sample depth | |
DE102008032532B4 (en) | Method and device for preparatory laser material removal | |
DE102014117613B4 (en) | Laser arrangement and method for examining an object | |
DE102018110931B3 (en) | Method and system for detecting the surface coverage of a coating on a surface of a tape-shaped test piece | |
EP1520165A2 (en) | Method and device for carrying out emission spectrometry | |
DE10255497B4 (en) | Method and device for controlling laser energy parameters in laser beam spot welding | |
DE102008048342B4 (en) | SERS substrate, method for its preparation and method for detecting an analyte using SERS | |
DE102004051310B4 (en) | Apparatus and method for performing emission spectrometry |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: , |
|
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20120602 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |