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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 PDF

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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 DE 41 38 157 A1 beschreibt zwei Verfahrensvarianten zum Bestimmen der Dicke einer Beschichtung mittels Laser-Emissionsspektrometrie. Bei der ersten Verfahrensvariante werden Laserpulse jeweils gleicher Energie auf dieselbe Stelle der Beschichtung gerichtet. Dabei vertieft jeder Laserpuls die durch Ablation entstehende Ausnehmung an der Messstelle. Bei Detektion einer signifikanten Änderung des Emissionsspektrums wird aus der Anzahl der bisher eingestrahlten Laserpulse und deren Energie die Dicke der Beschichtung berechnet. Dies entspricht einer Vorgehensweise, wie sie bereits im vorletzten Abschnitt erläutert wurde. Bei einer anderen Verfahrensvariante, insbesondere bei sich bewegenden Werkstücken, werden aufeinander folgende Laserpulse, deren Pulsenergie mit der Zeit zu- oder abnimmt, auf unterschiedliche Stellen der sich bewegenden Beschichtung gerichtet. Bei Detektion einer signifikanten Änderung des Emissionsspektrums wird die Energie desjenigen Laserpulses erfasst, bei dem diese Änderung detektiert wurde. Aus dieser Energie kann die Dicke der Beschichtung durch Vergleichswerte ermittelt werden. Bei größeren Schichtdicken führt diese Technik jedoch aufgrund der erforderlichen hohen Pulsenergien zu einem sehr großen Durchmesser des Ablationskraters, der für viele Anwendungen nicht mehr tolerierbar ist.The DE 41 38 157 A1 describes two variants of the method for determining the thickness of a coating by means of laser emission spectrometry. In the first variant of the method, laser pulses of the same energy are directed to the same point of the coating. Each laser pulse deepens the recess created by ablation at the measuring point. Upon detection of a significant change in the emission spectrum, the thickness of the coating is calculated from the number of previously irradiated laser pulses and their energy. This corresponds to a procedure as already explained in the penultimate section. In another variant of the method, in particular in moving workpieces, successive laser pulses whose pulse energy increases or decreases over time, are directed to different locations of the moving coating. Upon detection of a significant change in the emission spectrum, the energy of the laser pulse at which this change was detected is detected. From this energy, the thickness of the coating can be determined by comparison values. For larger layer thicknesses, however, this technique leads to a very large diameter of Ablationskraters due to the high pulse energies required, which is no longer tolerable for many applications.

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 US 2003/0095266 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke sowie zur Erfassung des Tiefenprofils der chemischen Zusammensetzung einer Beschichtung eines heterogenen Materials mittels Laser-Emissionsspektroskopie. Bei diesem Verfahren wird zur Ermittlung eines Tiefenprofils an einer Stelle des Werkstücks eine Folge von Laserpulsen auf diese Stelle appliziert und jeweils optische Emissionen des dabei entstandenen Plasmas spektrographisch analysiert. Durch Aufnahme derartiger Tiefenprofile an mehreren Stellen der Oberfläche des Werkstücks ist eine dreidimensionale Erfassung der Elementverteilung im oberflächennahen Bereich des Werkstücks möglich.The US 2003/0095266 A1 discloses a method for determining the layer thickness and for detecting the depth profile of the chemical composition of a coating of a heterogeneous material by means of laser emission spectroscopy. In this method, a sequence of laser pulses is applied to this site to determine a depth profile at a location of the workpiece and each optical emissions of the resulting plasma spectrographically analyzed. By recording such depth profiles at several points of the surface of the workpiece, a three-dimensional detection of the element distribution in the near-surface region of the workpiece is possible.

Die US 6,532,068 B2 zeigt ein Verfahren zur Erfassung des Tiefenprofils der chemischen Zusammensetzung einer Beschichtung von Werkstücken mittels Laser-Emissionsspektroskopie. Bei dem Verfahren wird zunächst mit einem ersten Laserpuls oder Laser-Burst ein Krater im Werkstück erzeugt. Anschließend wird mit einem zweiten Laserpuls oder Laser-Burst mit geringerem Durchmesser unter Laserablation des Kraterbodens ein Plasma erzeugt, dessen optische Emissionen erfasst und analysiert werden. Zur Erfassung eines Tiefenprofils der chemischen Zusammensetzung einer Beschichtung wird diese Vorgehensweise entsprechend oft an der selben Stelle der Beschichtung wiederholt.The US 6,532,068 B2 shows a method for detecting the depth profile of the chemical composition of a coating of workpieces by means of laser emission spectroscopy. In the method, a crater is first produced in the workpiece with a first laser pulse or laser burst. Subsequently, a plasma is generated with a second laser pulse or laser burst of smaller diameter by laser ablation of the crater floor, whose optical emissions are detected and analyzed. To detect a depth profile of the chemical composition of a coating, this procedure is repeated often at the same point of the coating.

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 claims 1 and 2. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

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:

1 ein Beispiel für eine Aufbau zur Durchführung der Laser-Emissionsspektrometrie; 1 an example of a structure for performing the laser emission spectrometry;

2 ein Intensitäts-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung eines Laserbursts gemäß der vorliegenden Erfindung; 2 an intensity-time diagram for illustrating a laser burst according to the present invention;

3 ein Beispiel für den Schichtaufbau eines feuerverzinkten Stahlblechs; 3 an example of the layer structure of a hot-dip galvanized steel sheet;

4 ein Beispiel für ein Tiefenprofil eines feuerverzinkten Stahlblechs; 4 an example of a depth profile of a hot-dip galvanized steel sheet;

5 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Überwachung der Schichtdicke gemäß dem vorliegenden Verfahren; 5 a representation for illustrating the monitoring of the layer thickness according to the present method;

6 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Wahl der Ablationstiefe; 6 a representation to illustrate the choice of Ablationstiefe;

7 ein Beispiel für eine Kalibrierungskurve zur Schichtdickenkalibrierung; 7 an example of a calibration curve for layer thickness calibration;

8 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Tiefenprofilanalyse gemäß dem vorliegenden Verfahren; 8th a representation for illustrating the depth profile analysis according to the present method;

9 eine beispielhafte Darstellung des Integrals N (EB); 9 an exemplary representation of the integral N (E B );

10 ein Beispiel für mögliche Al-Tiefenprofile in der Zinkschicht eines feuerverzinkten Blechs; 10 an example of possible Al depth profiles in the zinc layer of a hot dip galvanized sheet;

11 ein Beispiel für den qualitativen Verlauf des Verhältnisses IIst,Al/ISoll,Al als Funktion der Burstenergie EB; und 11 an example of the qualitative behavior of the ratio I Ist, Al / I Soll, Al as a function of the burst energy E B ; and

12 eine beispielhafte Darstellung einer Messvorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. 12 an exemplary representation of a measuring device for carrying out the present method.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

1 zeigt ein Beispiel für einen typischen Aufbau zur Durchführung der Laser-Emissionsspektrometrie an einem Werkstück 3. Bei der Messung wird der Laserstrahl 2 eines gepulsten Lasers 8, beispielsweise eines gütegeschalteten Nd:YAG-Lasers, über einen dichroitischen Spiegel 4 (hoch reflektiv für die Laserwellenlänge, transparent für die Element-spezifische Linienstrahlung) mit der Fokussieroptik 1 auf die Oberfläche der Beschichtung 3a des Werkstücks 3 fokussiert. Bei geeigneter Wahl des Fokusdurchmessers sowie der Energie der Laserpulse wird an der Oberfläche der Beschichtung 3a ein Plasma 3b generiert. Die Element-spezifische Linienstrahlung des Plasmas passiert den dichroitischen Spiegel 4 und wird mit einer Abbildungsoptik 5 auf einen Wellenleiter 6 abgebildet, der das Plasmalicht zum Eintrittsspalt des Spektrometers 7 weiterleitet. Auf diese Weise kann für jeden Laserpuls oder Laserburst die Plasmaemission mit dem Spektrometer 7 ausgewertet werden. Durch unterschiedliche Pulsenergien lassen sich unterschiedliche Kratertiefen des mit dem Laser an der Oberfläche der Beschichtung 3a bzw. des Werkstücks 3 erzeugten Kraters erzeugen, so dass bei unterschiedlichen Tiefen gegebenenfalls unterschiedliche Materialzusammensetzungen zum Linienspektrum beitragen. 1 shows an example of a typical structure for performing the laser emission spectrometry on a workpiece 3 , In the measurement, the laser beam 2 a pulsed laser 8th For example, a Q-switched Nd: YAG laser, via a dichroic mirror 4 (highly reflective for the laser wavelength, transparent for the element-specific line radiation) with the focusing optics 1 on the surface of the coating 3a of the workpiece 3 focused. With a suitable choice of the focus diameter and the energy of the laser pulses is on the surface of the coating 3a a plasma 3b generated. The element-specific line radiation of the plasma passes through the dichroic mirror 4 and comes with an imaging optics 5 on a waveguide 6 imaged the plasma light to the entrance slit of the spectrometer 7 forwards. In this way, for each laser pulse or laser burst plasma emission with the spectrometer 7 be evaluated. Different pulse energies make it possible to achieve different crater depths of the laser at the surface of the coating 3a or the workpiece 3 produce generated craters, so that at different depths optionally different material compositions contribute to the line spectrum.

2 zeigt ein Beispiel für einen Laserburst, wie er beim vorliegenden Verfahren eingesetzt wird. Unter diesem Laser-Burst wird eine Folge von aufeinander folgenden, eng beieinander liegenden Laserpulsen P1 ... Pn verstanden, die einen Abstand von ≤ 1 ms zueinander und eine Pulsdauer von jeweils 1 fs bis 100 μs aufweisen. Die Gesamtdauer des Laser-Burst überschreitet dabei 1 ms nicht. Hierbei kann es sich somit um eine Impulsfolge von zahlreichen Laserpulsen oder auch nur um einen Doppelpuls handeln. Die einzelnen Laserpulse eines Laser-Bursts sind in der Figur durch P1 bis Pn angedeutet. Sie können innerhalb des Laser-Bursts unterschiedliche Intensitäten und Impulsdauern aufweisen. Ein derartiger Laser-Burst kann beispielsweise durch einen Blitzlampen-gepumpten Nd:YAG-Laser erzeugt werden, wobei bei jedem Pumpvorgang durch die Blitzlampe ein derartiger Laser-Burst emittiert wird. Eine besondere Eigenschaft der beim vorliegenden Verfahren eingesetzten Laser-Bursts besteht darin, dass das durch den zeitlich ersten Puls P1 des Laser-Bursts erzeugte Plasma einen gasdynamischen Zustand generiert, der zwischen den einzelnen Pulsen des Laser-Bursts fortbesteht, so dass das Plasma während der Gesamtdauer des Laser-Bursts aufrechterhalten wird. 2 shows an example of a laser burst, as used in the present method. This laser burst is understood to mean a sequence of successive, closely spaced laser pulses P 1 ... P n , which have a distance of ≦ 1 ms from each other and a pulse duration of 1 fs to 100 μs each. The total duration of the laser burst does not exceed 1 ms. This can thus be a pulse train of numerous laser pulses or just a double pulse. The individual laser pulses of a laser burst are indicated in the figure by P 1 to P n . They can have different intensities and pulse durations within the laser burst. Such a laser burst can be generated, for example, by a flash-lamp-pumped Nd: YAG laser, wherein such a laser burst is emitted by the flash lamp during each pumping operation. A particular characteristic of the laser bursts used in the present method is that the plasma generated by the temporally first pulse P 1 of the laser burst generates a gas-dynamic state that persists between the individual pulses of the laser burst, so that the plasma during the total duration of the laser burst is maintained.

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. 3 zeigt hierzu den schematischen Aufbau der Zinkschicht eines feuerverzinkten Stahlblechs 3. Beim Feuerverzinken wird neben dem Hauptelement Zink auch Aluminium in geringer Konzentration (< 1%) in das Zinkbad gegeben. Dadurch bildet sich zwischen dem Stahlsubstrat 3 und der Zinkschicht eine etwa 100 nm starke Zwischenschicht aus Al2Fe5, die die Diffusion von Eisen in die Zinkschicht verhindert und für die Haftung der Zinkschicht sorgt. Gleichzeitig bildet sich auf der Oberfläche der Zinkschicht eine dünne Al2O3-Schicht, wie dies in der 3 zu erkennen ist.In the following, the present method for on-line layer thickness measurement and online depth profile analysis of coated strip material will be explained in more detail on the basis of the industrially significant application of the production of hot-dip galvanized steel sheets. 3 shows the schematic structure of the zinc layer of a hot-dip galvanized steel sheet 3 , In hot-dip galvanizing, in addition to the main element zinc, low-concentration aluminum (<1%) is also added to the zinc bath. This forms between the steel substrate 3 and the zinc layer, an approximately 100 nm thick intermediate layer of Al 2 Fe 5 , which prevents the diffusion of iron into the zinc layer and ensures the adhesion of the zinc layer. At the same time, a thin Al 2 O 3 layer forms on the surface of the zinc layer, as shown in the 3 can be seen.

4 zeigt schematisch ein Tiefenprofil dieses Schichtsystems, wie es auch mit dem vorliegenden Verfahren gewonnen werden kann. Zu erkennen ist die erhöhte Al-Konzentration an der Oberfläche und im Übergangsbereich zwischen Schicht und Substrat. Als Schichtdicke ds wird der Punkt bezeichnet, bei dem die Zinkkonzentration auf 50% des Ausgangswertes abgefallen ist bzw. die Eisenkonzentration 50% ihres Endwertes erreicht hat. Die Schichtdicke ds liegt bei industriell gefertigten Blechen typischerweise im Bereich von 5 bis 15 μm. 4 schematically shows a depth profile of this layer system, as it can be obtained with the present method. Evident is the increased Al concentration at the surface and in the transition region between layer and substrate. The layer thickness d s is the point at which the zinc concentration has fallen to 50% of the initial value or the iron concentration has reached 50% of its final value. The layer thickness d s is typically in the range of 5 to 15 microns for industrially manufactured sheets.

5 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Verfahrensvariante des vorliegenden Verfahrens zur Online-Überwachung der Schichtdicke der Zinkschicht eines feuerverzinkten Bleches. Durch Variation der Burst-Parameter, beispielsweise der Burstenergie, der durch den Laser 8 emittierten Laser-Bursts lassen sich der Durchmesser und die Tiefe der in der Beschichtung erzeugten Krater in weiten Bereichen einstellen. Dadurch ist es möglich, Krater mit einem hohen Aspektverhältnis, d. h. einem kleinen Durchmesser bei großer Tiefe, zu erzeugen. Gegenüber Einzelpulsen ist damit eine Steigerung der Tiefe um mehr als einen Faktor 10 bei gleichzeitiger Reduktion des Kraterdurchmessers möglich. Gegenüber einer Verfahrensführung, bei der die Laserablation und Plasmaerzeugung durch zeitlich weit voneinander beabstandete Einzelpulse erfolgt, zwischen denen das Plasma jeweils erlischt, wird beim vorliegenden Verfahren durch den Einsatz der Laser-Bursts der auf dem Bandmaterial entstehende Schaden stark reduziert. Der Einsatz der Laser-Bursts ermöglicht damit erst Messungen an Beschichtungen von mehreren Mikrometern Dicke. 5 shows a representation for illustrating a process variant of the present method for on-line monitoring of the layer thickness of the zinc layer of a hot-dip galvanized sheet. By varying the burst parameters, such as the burst energy generated by the laser 8th emitted laser bursts, the diameter and depth of the craters produced in the coating can be set in a wide range. This makes it possible to produce craters with a high aspect ratio, ie a small diameter at great depth. Compared to single pulses, it is thus possible to increase the depth by more than a factor of 10 while reducing the crater diameter. Compared to a process procedure in which the laser ablation and plasma generation takes place by individual pulses spaced far apart from one another, between which the plasma extinguishes, the use of the laser bursts greatly reduces the damage occurring on the strip material in the present process. The use of laser bursts thus enables measurements on coatings of several micrometers thick.

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 5 angedeutet, so ändert sich auch die Intensität der Elementlinien des Schicht- bzw. Substratmaterials. Bei größerer Schichtdicke ergibt sich eine kleinere Intensität der Substrat- und eine größere Intensität der Schichtelementlinien. Bei kleinerer Schichtdicke ergibt sich der umgekehrte Zusammenhang. Das Verhältnis aus zumindest einer Substratlinienintensität ISubs zu einer Linienintensität ISchicht der Beschichtung ist damit ein Maß für die Schichtdicke ds.The burst parameters are selected to monitor the layer thickness so that the ablation depth per laser burst is greater than the thickness of the layer to be monitored. This ensures that the plasma emission, hereinafter also referred to as LIBS signal, in addition to line emissions of the layer elements zinc and aluminum and iron emissions from the steel substrate contains. The burst parameters here are, for example, the pulse number of the burst, the burst energy, the energy distribution within the burst or the focusing. If the burst parameters are kept constant, the layer thickness changes, as in the 5 indicated, so also the intensity of the element lines of the layer or substrate material changes. With a larger layer thickness results in a smaller intensity of the substrate and a greater intensity of the laminar element lines. With smaller layer thickness results in the reverse relationship. The ratio of at least one substrate line intensity I Subs to a line intensity I layer of the coating is therefore a measure for the layer thickness d s.

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 6 veranschaulicht.When setting the burst parameters, it should be noted how the volume of the ablated layer material V 1 relates to the volume of the ablated substrate material V 2 . V 2 must be greater than 0 so that the LIBS signal always contains line emissions from the substrate. However, V 2 must not be chosen too small, since otherwise, with a larger increase in the layer thickness, only signals from the layer may be measured. On the other hand, V 2 must not be too large to be smaller variations in the Be able to dissolve layer thickness. Examples of different ratios between V 1 and V 2 are in the 6 illustrated.

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 range 0 <V 2 ≦ V 1 and the depth of the crater h in the range d s <h ≦ 2 d s .

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: F = fSubs(ISubs,l ... ISubs,n)/fSchicht(ISchicht,l ... ISchicht,m) (1) By averaging over several measurements and involving several element lines, statistical fluctuations in the measuring process can be reduced. When using a plurality of element lines, for example, the sum of a plurality of line intensities of the substrate I subs, i can be referenced to the sum of a plurality of line intensities of the coating I layer, j . By introducing weighting factors or exponentiating certain line intensities, a different weighting of individual element lines can be achieved so that the referenced substrate signal F is, in the general case, a ratio of two functions: F = f Subs (I Subs, I ... I Subs, n ) / f Layer (I Layer, l ... I Layer, m ) (1)

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 7 dargestellt. Es ergibt sich mit zunehmender Schichtdicke eine monoton abfallende Kurve.At the same time, it is possible to set the number and the distance of the measuring points on which length scale is averaged. To determine the absolute layer thickness, a prior calibration of F with reference samples of different layer thicknesses is necessary, ie the dependence of the referenced substrate signal on the layer thickness must be determined beforehand with the specified burst parameters. This calibration curve is integrated into the evaluation process so that the layer thickness can be determined directly from the line ratio measured online. The qualitative course of such a calibration curve is in 7 shown. The result is a monotone decreasing curve with increasing layer thickness.

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 8 mit Doppelpulsen veranschaulicht ist. Wird beispielsweise die Burstenergie von Laser-Burst zu Laser-Burst erhöht, so erhält das LIBS-Signal zunehmend mehr Beiträge aus größerer Tiefe. Durch Vergleich der in Abhängigkeit von der Burstenergie gemessenen Linienintensitäten mit denen einer Soll-Kurve, die an einer Referenzprobe vorab bestimmt wurde, können Abweichungen in der Zusammensetzung sofort erkannt werden.In the continuous coating of strip materials, in addition to monitoring the layer thickness, it is also of great interest to control the chemical composition or the depth profile of the layer. For example, in the case of hot-dip galvanized sheet steel, the aluminum content determines the weldability of the sheet and the thickness of the Al 2 Fe 5 layer determines the adhesion of the coating. With the present method changes in the depth profile and in the chemical composition can be detected. In this case, the ablation depth is changed quasi-continuously during a measurement cycle by suitably changing the burst parameters, as is shown by the illustration of FIG 8th is illustrated with double pulses. If, for example, the burst energy is increased from laser burst to laser burst, the LIBS signal increasingly receives more contributions from greater depth. By comparing the line intensities measured as a function of the burst energy with those of a desired curve, which was determined in advance on a reference sample, deviations in the composition can be recognized immediately.

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)
The relationship between the depth profile and the LIBS signal is explained in more detail below. First of all, it shall be shown which depth information contains the line intensity I element, i (E B ) of an atomic species i measured as a function of the burst energy. The following assumptions are made:
  • - 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:

Figure 00230001
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:
Figure 00230001
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. 6) ist, was bei Verwendung von Lasern mit gaußförmigen Strahlprofil angenommen werden kann, ergibt sich A(EB, z) zu:

Figure 00240001
In the event that the Kratervolumen V (E B ) is approximately conical (see. 6 ), which can be assumed when using lasers with Gaussian beam profile, A (E B , z) results in:
Figure 00240001

In 9 ist beispielhaft das Tiefenprofil nAl(z) von Al in einem feuerverzinkten Blech und der Verlauf von A(EB, z) für zwei verschieden große Burstenergien bei kegelförmiger Kratergeometrie dargestellt. Es ist ersichtlich, dass NElement,Al(EB) mit größer werdendem EB monoton anwächst, weil zum einen der Kraterdurchmesser 2R(EB) zunimmt und zum anderen bei höheren Burstenergien auch das Al der Al2Fe5-Schicht beiträgt.In 9 By way of example, the depth profile n Al (z) of Al in a hot-dip galvanized sheet and the course of A (E B , z) for two different sized burst energies in conical crater geometry are shown. It can be seen that N element, Al (E B ) increases monotonically with increasing E B , because on the one hand the crater diameter 2R (E B ) increases and on the other hand the Al of the Al 2 Fe 5 layer also contributes to higher burst energies.

Die Linienintensität IElement,i(EB) ist über Gleichung (2) mit der Teilchenzahl NElement,i(EB) verknüpft. Einsetzen von (3) in (2) liefert:

Figure 00240002
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:
Figure 00240002

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

Figure 00250001
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
Figure 00250001
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. 10 zeigt qualitativ drei mögliche Verläufe von nAl(z). Die durchgezogene Linie zeigt den Sollverlauf von nAl(z), die gestrichelte Linie den Fall, dass die Dicke der Al2Fe5-Schicht zunimmt und die gepunktete Linie den Fall, dass sich die Al2Fe5-Schicht nicht ausgebildet hat. Eine dickere Al2Fe5-Schicht führt dazu, dass das Verhältnis IIst,i(EB)/ISoll,i(EB) mit zunehmender Burstenergie EB bei Erreichen der Schicht nach oben abknickt, während bei nicht vorhandener Al2Fe5-Schicht die Kurve nach unten abknickt, siehe 11.In order to be able to recognize qualitative changes in the depth profile, however, it suffices to consider the quotients I actual, i (E B ) / I nominal, i (E B ) as a function of E B. Thus, in the case of hot-dip galvanized sheets, it is often sufficient to decide whether the Al 2 Fe 5 layer is present or not. 10 shows qualitatively three possible courses of n Al (z). The solid line shows the target profile of n Al (z), the dotted line the case that the thickness of the Al 2 Fe 5 layer increases, and the dotted line the case that the Al 2 Fe 5 layer did not form. A thicker Al 2 Fe 5 layer causes the ratio I actual, i (E B ) / I target, i (E B ) to bend upward as the layer energy E B increases , while if Al 2 does not exist Fe 5- layer bend down the curve, see 11 ,

Bei der Durchführung der Messung bietet es sich an, eine Burstfolge wie in 8 dargestellt zu verwenden, d. h. jeweils einen Satz Einzelmessungen mit gleicher Burstenergie an unterschiedlichen Positionen durchzuführen und einen Mittelwert für diese Burstenergie zu bestimmen. Dies ist in 8, links unten für die Zeiten t11 bis t1i dargestellt. Die Einstellung der Burstenergie kann über einen externen Energieabschwächer (9) erfolgen, der z. B. aus einer Kombination einer Pockelszelle mit einem Polarisator besteht. Der Mittelungsbereich, d. h. die Strecke, die das Bandmaterial während eines Messzyklus zurücklegt, wird durch die Bandgeschwindigkeit, die Repetitionsrate des Lasers und die Zahl der Messbursts bestimmt. Durch Anpassen der Repetitionsrate und der Zahl der Messbursts lässt sich der Mittelungsbereich je nach Messaufgabe variabel einstellen.When performing the measurement, it is advisable to use a burst sequence as in 8th to use shown, ie each perform a set of individual measurements with the same burst energy at different positions and to determine an average value for this burst energy. This is in 8th , shown lower left for times t 11 to t 1i . The setting of the burst energy can be via an external energy attenuator ( 9 ), the z. B. consists of a combination of a Pockels cell with a polarizer. The averaging range, ie the distance that the tape material travels during a measurement cycle, is determined by the tape speed, the laser's repetition rate, and the number of measurement bursts. By adjusting the repetition rate and the number of measurement bursts, the averaging range can be set variably depending on the measurement task.

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.

12 zeigt schließlich ein Beispiel für eine Ausgestaltung einer Messapparatur zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Bandmaterialien werden in industriellen Fertigungsprozessen in der Regel über verschiedene Umlenkrollen bewegt, wodurch das Band Vibrationsbewegungen ausführt. Bei einer statischen Auslegung der Fokussieroptik 1 gemäß 1 unterliegt die Fokuslage damit relativ zur Bandoberfläche statistischen Schwankungen. Um diese Schwankungen zu kompensieren, wird bei der vorliegenden Messapparatur gemäß 12 ein Autofokussystem integriert. Die Messanordnung besteht aus einem LIBS-Aufbau mit einem Autofokussystem, das auf Basis einer Abstandsmessung mittels eines Lasertriangulationssensors 10 und einer Nachfokussierung mittels eines Teleskops 11 mit variierbarem Linsenabstand arbeitet. Der Laserstrahl 14 des Triangulationssensors 10 wird durch die beiden dichroitischen Spiegel 4, 4a justiert, so dass er zentral und senkrecht durch die kurzbrennweitige Fokussieroptik 1 verläuft. Auf der Schichtoberfläche entsteht ein Streufleck mit gaussförmiger Intensitätsverteilung, der auf den CCD-Chip des Triangulationssensors 10 abgebildet wird. Aus der Lage des Bildes wird mittels Triangulation der Abstand des Bandes zum Triangulationssensor 10 bestimmt. Die zweite Komponente des Autofokussystems besteht aus dem Teleskop 11, dessen Zerstreuungslinse motorisiert verstellt werden kann, wodurch die Strahldivergenz und damit die Fokuslage nachgeregelt werden können. 12 finally shows an example of an embodiment of a measuring apparatus for carrying out the present method. Belt materials are usually moved in industrial manufacturing processes on different pulleys, whereby the belt performs vibration movements. For a static design of the focusing optics 1 according to 1 the focus position is subject to statistical fluctuations relative to the band surface. In order to compensate for these fluctuations, in the present measuring apparatus according to 12 an autofocus system integrated. The measuring arrangement consists of a LIBS structure with an autofocus system based on a distance measurement by means of a laser triangulation sensor 10 and a refocusing by means of a telescope 11 works with variable lens spacing. The laser beam 14 the triangulation sensor 10 is through the two dichroic mirrors 4 . 4a adjusted so that it is central and vertical by the short focal length focusing optics 1 runs. On the surface of the layer, a scattered leak with a Gaussian intensity distribution is created on the CCD chip of the triangulation sensor 10 is shown. From the position of the image by triangulation of the distance of the belt to the triangulation sensor 10 certainly. The second component of the autofocus system consists of the telescope 11 , whose diverging lens can be adjusted motorized, whereby the beam divergence and thus the focus position can be readjusted.

Während der LIBS-Messung wird nun laufend der Abstand vom Objektiv zum Band gemessen und der Wert an einen PC 12 übertragen. Eine Steuerungssoftware berechnet mit Hilfe einer vorher durchgeführten Abstandskalibrierung inwieweit die Zerstreuungslinse des Teleskops 11 verfahren werden muss, um die Fokuslage relativ zur Schichtoberfläche konstant zu halten.During the LIBS measurement, the distance from the lens to the tape is continuously measured and the value to a PC 12 transfer. A control software calculates the extent to which the diverging lens of the telescope is calculated by means of a previously performed distance calibration 11 has to be moved in order to keep the focal position constant relative to the layer surface.

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 13 an, die hinter einem teildurchlässigen Spiegel im Strahlengang des Lasers 8 platziert wird.Additional fluctuations in the LIBS signal may result from variations in the laser burst energy. In order to detect these fluctuations and not to be included in the analysis or measurement too strong deviation from a target value, a monitoring of the single-burst energy can take place. For example, a photodiode is available for this purpose 13 behind a semitransparent mirror in the beam path of the laser 8th is placed.

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)

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 Werkstücks (3) zu ein oder mehreren Spektrallinien 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 on a surface of the coating ( 3a ) with which at different points on the surface of the coating ( 3a ) under laser ablation a plasma ( 3b ) - where burst parameters are set for each laser burst of the sequence so that each laser burst will have a crater of a depth in the coating ( 3a ), which exceeds the layer thickness, - an optical emission of the plasmas ( 3b ) and for determining a ratio of one or more spectral lines of elements and / or element connections of the workpiece ( 3 ) to one or more spectral lines of elements and / or element compounds of the coating ( 3a ) is spectrally evaluated, - in order to detect a change in the coating layer thickness when the ratio changes compared to a comparison value. Verfahren zur Überwachung des Tiefenprofils der chemischen Zusammensetzung 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 der Laser-Bursts so eingestellt werden, dass zumindest einige der Laser-Bursts der Folge Krater unterschiedlicher Tiefe in der Beschichtung (3a) erzeugen, und – eine optische Emission der Plasmen (3b) erfasst und zur Ermittlung ein oder mehrerer Anteile von Elementen und/oder Elementverbindungen der Beschichtung (3a) in unterschiedlichen durch die Tiefe der jeweiligen Krater festgelegten Tiefen der Beschichtung (3a) spektral ausgewertet wird.Method for monitoring the depth profile of the chemical composition of a coating ( 3a ) of moving workpieces ( 3 ) by means of laser emission spectrometry, in which - a sequence of laser bursts on a surface of the coating ( 3a ) with which at different points on the surface of the coating ( 3a ) under laser ablation a plasma ( 3b ) - where burst parameters of the laser bursts are adjusted so that at least some of the laser bursts of the sequence have craters of different depths in the coating ( 3a ), and - an optical emission of the plasmas ( 3b ) and for determining one or more fractions of elements and / or element compounds of the coating ( 3a ) in different depths of the coating determined by the depth of the respective craters ( 3a ) is spectrally evaluated. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Burst-Parameter der Laser-Bursts so eingestellt werden, dass zumindest einige der Laser-Bursts der Folge Krater einer Tiefe in der Beschichtung (3a) erzeugen, die die Schichtdicke überschreitet, wobei die optische Emission der Plasmen (3b) auch zur Ermittlung eines Verhältnisses ein oder mehrerer Spektrallinien von Elementen und/oder Elementverbindungen des Werkstücks (3) zu ein oder mehreren Spektrallinien 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.A method according to claim 2, characterized in that the burst parameters of the laser bursts are adjusted so that at least some of the laser bursts of the sequence have craters of a depth in the coating ( 3a ), which exceeds the layer thickness, whereby the optical emission of the plasmas ( 3b ) also for determining a ratio of one or more spectral lines of elements and / or element connections of the workpiece ( 3 ) to one or more spectral lines of elements and / or element compounds of the coating ( 3a ) is spectrally evaluated in order to detect a change in the layer thickness of the coating when the ratio changes compared with a comparison value. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung des Tiefenprofils Abweichungen von Vergleichswerten detektiert werden, die aus Kalibriermessungen an Referenzwerkstücken erhalten werden.A method according to claim 2 or 3, characterized in that for monitoring the depth profile deviations from comparison values are detected, which are obtained from calibration measurements on reference workpieces. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung des Tiefenprofils Abweichungen von Vergleichswerten detektiert werden, die von Ergebnissen vorausgegangener Laser-Bursts mit identischen Burst-Parametern erhalten werden.A method according to claim 2 or 3, characterized in that to monitor the depth profile deviations from comparison values are detected, which are obtained from results of previous laser bursts with identical burst parameters. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert aus einer Kalibriermessung an einem Referenzwerkstück erhalten wird.A method according to claim 1, characterized in that the comparison value is obtained from a calibration measurement on a reference workpiece. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert aus Ergebnissen vorausgegangener Laser-Bursts mit identischen Burst-Parametern erhalten wird.Method according to Claim 1, characterized in that the comparison value is obtained from the results of previous laser bursts having identical burst parameters. Verfahren nach Anspruch 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Burst-Parameter für jeden Laser-Burst identisch eingestellt werden.A method according to claim 1, 6 or 7, characterized in that the burst parameters are set identically for each laser burst.
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