DE4426490A1 - Aufbau zur Anwendung der Laserfunkenspektroskopie zur Materialerkennung verschmutzter bewegter Metallteile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, mit Laserlicht.

Vorrichtungen der obengenannten Gattung basieren in bekannter Weise auf der Methode der laserinduzierten Funkenspektroskopie (laser induced breakdown spectros­ copy, LIBS). Hierbei wird der Lichtimpuls eines Hoch­ leistungslasers auf die Materialoberfläche fokussiert, wodurch eine geringe Materialmenge verdampft und in ein Plasma überführt wird. Das Plasma strahlt beim Abkühlen innerhalb der ersten Mikrosekunden nach dem Laserschuß die charakteristische Atomemission ab, aus deren Spek­ trum nach den Methoden der klassischen Atomemissions­ spektroskopie auf die Materialzusammensetzung ge­ schlossen werden kann.

Da das LIBS-Verfahren eine Oberflächenanalyse vornimmt, besteht eine der wesentlichen technologischen Problem­ stellungen darin, Fehlanalysen durch Oberflächenver­ schmutzungen oder -beschichtungen zu vermeiden.

Beim derzeitigen Stand der Technik wird zur Vorreini­ gung der Oberfläche vor der Analyse ein zweiter Laser eingesetzt. Die Strahlen zweier Excimerlaser werden übereinandergelegt und auf dieselbe Stelle gerichtet. Die Auslösezeitpunkte liegen nur einige 100 Mikro­ sekunden auseinander, so daß die Bewegung des Teiles durch das Band zwischen den beiden Laserschüssen vernachlässigbar ist und daher beide denselben Oberflächenpunkt treffen. Der Schuß des eines Lasers dient zur Reinigung der Oberfläche mittels Laser­ ablation, der Schuß des zweiten Lasers zur Analyse nach LIBS. Der Einsatz zweier Laser erhöht allerdings die Anschaffungs- und Betriebskosten pro analysiertem Teil erheblich. Sollte für hartnäckige Oberflächen­ schichten mehr als ein Reinigungsschuß notwendig werden, so ist dies - wenn überhaupt mit mehreren Lasern möglich - mit einem erheblichen weiteren Kostenaufwand verbunden.

Zu diesem Thema existiert das Patent EP 293 983 der Metallgesellschaft AB, das die gesamte Schrottsor­ tierung umfaßt und die LIBS-Analyse auf diesem Stand einschließt.

Des weiteren geht aus der DE-OS 40 04 627 ein Verfahren zur Bestimmung von Materialeigenschaften polymerer Werkstoffe und eine diesbezügliche Vorrichtung hervor, die mit Hilfe eines Laserstrahls, der in aufgefächerter Weise über den zu untersuchenden Werkstoff geführt wird und stichprobenartig Oberflächenplasmen erzeugt und aufgrund dessen mit Hilfe üblicher spektroskopischer Untersuchungsmethoden auf Element- Molekülkonzentrationen schließen läßt. Die Auswahl der einzelnen auf der Werkstückoberfläche vorgenommenen Meßpunkte erfolgt dabei im wesentlichen statistisch, so daß mit einer sehr hohen Laserpulsrepititionsrate gearbeitet werden muß, um aussagekräftige Ergebnisse über die Zusammensetzung der Werkstoffe zu erhalten.

Eine weitere Möglichkeit das Grundmaterial in dem vorstehend geschilderten Fall spektroskopisch zu er­ fassen ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 41 38 157 zu entnehmen, aus der ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke einer Beschichtung hervorgeht. Hierzu wird ein Laserstrahl in gepulster Form auf eine zu untersuchende Werkstückoberflächenstelle gerichtet, der mögliche Beschichtungs- bzw. Verschmutzungsschichten solange mit Strahlungsenergie beaufschlagt, bis sich das Reflexionsverhalten der auf die Werkstückoberfläche auftreffende Laserstrahlung charakteristisch ändert. Hierzu ist es erforderlich, den Laserstrahl möglichst lange auf ein und die gleiche Stelle zu fokussieren, um vorhandene oberflächliche Ablagerungen zu verbrennen.

Schließlich gibt die DE-OS 29 32 660 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Fehlern an, die in einem bahnförmig laufendem Flächengebilde enthalten sind. Das bekannte Verfahren kann als Mustererkennungs­ verfahren eingestuft werden, das in Abhängigkeit der Reflexionseigenschaften eines bestrahlten Flächen­ gebildes näher spezifiziert wird. Mit Hilfe der bekannten Technik ist es möglich Materialfehler in beispielsweise Stoffbahnen zu erkennen.

Im vorliegenden Fall besteht jedoch die Schwierigkeit, einen an sich inhomogenen Materialstrom, der in unter­ schiedlichster Weise verschmutzt ist, zu untersuchen. So ist durch den Abrieb in der Aufbereitung beim Trans­ port die Verschmutzung der zu untersuchenden Teile im allgemeinen inhomogen, d. h. es gibt Stellen, an denen glänzende Metalloberfläche durchaus gut sichtbar sind und daher die Verschmutzung gering ist. In Anbetracht dieser Tatsache muß die Frage gestellt werden, weshalb mit dem hohen Kostenaufwand zweier oder evtl. mehrerer Laserschüsse eine willkürlich gewählte Stelle der Oberfläche durch Laserablation gereinigt werden muß, wenn an anderer Stelle nur wenig oder gar keine Ver­ schmutzung vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, mit Laserlicht derart auszubilden, daß unter Vermeidung von auf­ wendigen Laserstrahlsystemen die Analysesicherheit erhöht wird, und daß der zur Materialerkennung ver­ wendete Laserstrahl möglichst ausschließlich auf weniger verschmutzte Materialteile gelenkt werden soll.

Die Lösung der vorgenannten Erfindung ist dem Patentanspruch 1 zu entnehmen. Eine weiterführende Lösung ist im Anspruch 2 dargestellt. Eine vorteil­ hafte Weiterbildung geht aus Anspruch 3 hervor. Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Anspruch 4 ent­ halten.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, mit Laserlicht derart gekennzeichnet, daß eine Bildaufnahmeeinheit jedes Teil aufnimmt, daß eine Auswerteeinheit erkennt, ob das Teil eine metallisch blanke Stelle aufweist, und daß ein Ab­ bildungssystem den Laserstrahl auf die metallisch blanke Stelle ausrichtet.

Des weiteren ist erfinderisch erkannt worden, daß die Analysesicherheit dadurch erhöht werden kann, indem die Information bezüglich der Form- und Farbbeschaffenheit des zu analysierenden Teils zusätzlich in die Unter­ suchungskriterien mit einfließen, da dem Analysesystem vermittels der Kameraaufnahme ohnehin ein Bild von jedem Teil vorliegt, kann dieses Bild zusätzlich im Hinblick auf Farbe und Form der einzelnen Teile untersucht werden. Zum Beispiel lassen sich die Buntmetalle Kupfer und Messing aufgrund ihrer roten bzw. gelben Farbe von den weißen Metallen Zink, Aluminium, Magnesium etc., unter­ scheiden. So zeichnen sich Oberflächenverchromungen aufgrund ihrer hohen Reflektivität aus. Zudem gibt eine zusätzliche Forminformation Auskunft über die Be­ schaffenheit des Teils als Guß- oder als Walzteil.

Gußteile weisen, bspw. Aluminiumguß oder Zinkguß, nach einem Schredderprozeß scharfe Bruchkanten auf, wohinge­ gen Walzteile bzw. Knetlegierungen runde Quetschkanten besitzen.

Die erfindungsgemäße Zusammenführung der Analysedaten aus der LIBS-Untersuchung mittels Laserstrahl mit den Bildinformationen ermöglicht eine Steigerung der Ana­ lysesicherheit.

In vorteilhafter Weise ergibt sich aufgrund der Ganzheitsbildserfassung der zu untersuchenden Teile mittels des Aufnahmensystems die Möglichkeit, daß die Abfolge der Teilchen nicht linear hintereinander er­ folgen muß, sondern je nach örtlichen Gegebenheiten bspw. auf einem Fließband auch unsortiert nebeneinan­ der. Das Auswertesystem, das die Teile nach ihrer hellsten Stelle oder nach ihrer Form erfaßt, kann somit in der Bandebene bei jedem Teil die Zielkoordinaten der hellsten Stelle oder einer anders gewählten Stelle angeben.

Hierzu muß jedoch der Laserstrahlengang entsprechend ablenkbar sein, so daß er die statistisch angeordneten Teile treffen kann. In an sich bekannter Weise können hierzu Scannerspiegel verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungs­ beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird und deren einzige

Fig. 1 eine schematische Übersicht aufeinander folgender Prozeßschritte.

Gemäß Fig. 1 gelangt das zu analysierende Teil zu­ nächst an eine Triggervorrichtung, die den Zeitnullpunkt für die nachfolgenden Analyseschritte setzt und diese steuert. Dies ist möglich, da sich das Transportband mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.

In Pos. 1, also bevor das Teil unter die Analyseoptik (Pos. 2) gelangt, wird das Teil zu einem festen Zeit­ punkt mit einer hellen kontinuierlichen oder einer Blitzlampe beleuchtet. Eine CCD-Kamera nimmt das Bild auf und ein nachfolgend geschalteter Computer ermittelt aus den Datenpunkten die Koordinaten der hellsten Stel­ le. Im allgemeinen wird dies eine Stelle hoher Re­ flektivität sein, an der die blanke Metalloberfläche hervortritt. Ferner werden die Informationen über Teilchenform und -farbe erfaßt.

Die Analyseoptik ist wie folgt aufgebaut: Der Laser­ strahl gelangt über den dichroitischen Spiegel S1 (durchlässig für das Laserlicht) und die Fokussierlinse L1 auf den ersten drehbaren Spiegel S2, der eine Aus­ lenkung des Laserfokus in Y-Richtung bewirkt. Ein zwei­ ter drehbaren Spiegel S3 sorgt für die Z-Auslenkung. Mit den Koordinaten der hellsten Stelle und dem Zeit­ punkt des Durchlaufens des Triggerpunktes kann die Stellung der Spiegel S2 und S3 derart berechnet und eingestellt werden, daß beim Auslösen des Laserschusses der Fokus exakt auf der gewünschten Stelle geringer Verschmutzung liegt. Das Licht des örtlich in X-, Y-und Z-Richtung nicht fest definierten Plasmafunkens gelangt rückwärts über die Spiegel S3 und S2 auf den Spiegel S1. Dort wird es reflektiert und mit Linse L2 in eine Lichtleitfaser eingekoppelt. Dadurch, daß Laser und Plasmalicht über dieselben beweglichen Spiegel S2 und S3 geführt werden, bleibt die Anordnung unabhängig von der Position des Plasmafunkens justiert. Die Lichtleit­ faser leitet die Atomemission an ein Spektrometer weiter, an dem das Spektrum detektiert und abschließend weiterverarbeitet wird. Die Weiterverarbeitung erfolgt bevorzugt unter Berücksichtigung der Form- und Farbinformationen über das Teil, so daß die Ana­ lysesicherheit erheblich gesteigert ist.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, mit La­ serlicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bildaufnahmeeinheit jedes Teil aufnimmt, daß eine Auswerteeinheit erkennt, ob das Teil ein metallisch blanke Stelle aufweist, und daß ein Abbildungssystem den Laserstrahl auf die metal­ lisch blanke Stelle ausrichtet.

2. Vorrichtung zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, mit Laserlicht, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - eine Bildaufnahmeeinheit nimmt jedes Teil auf,
• - eine Auswerteeinheit erkennt, ob das Teil eine metallisch blanke Stelle aufweist und erfaßt die Teile nach Form und Farbe
• - ein Abbildungssystem richtet den Laserstrahl auf die metallisch blanke Stelle aus und ermöglicht eine materialspezifische spektroskopische Untersuchung und
• - eine Analyseeinheit verwendet zur Untersuchung des Teils zusätzlich die erfaßten Informationen über Form und Farbe.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildaufrahmeeinheit eine CCD-Kamera ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Teile auf der Transporteinheit statistisch erfolgt, so daß die Teileanordnung flächig auf der Transporteinheit ist.

5. Verfahren zur Analyse von metallischen Teilen, die von einer Transporteinheit bewegt werden, mit Laserlicht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• - das zu analysierende metallische Teil durchfährt eine Triggervorrichtung, die den Zeitnullpunkt für die nachfolgenden Analyseschritte setzt,
• - Beleuchtung des zu untersuchenden metallischen Teiles mit einer hellen kontinuierlich emittierenden Licht­ quelle oder einer Blitzlampe und Aufnahme des Bildes mit Hilfe einer CCD-Kamera,
• - Auswertung der Datenpunkte und Berechnung der Koordi­ naten der hellsten Stelle des aufgenommenen Bildes mit Hilfe einer Auswerteeinheit und Erfassung von Form und Farbe des Teils,
• - Laseraktivierung und Laserstrahlausrichtung mit einer Spiegeloptik auf die hellste Stelle des zu untersuchenden Teils und
• - eine Analyseeinheit ermittelt die stofflichen Eigenschaf­ ten des Teils mit Mitteln der Laserspektroskopie und den Informationen über Form und Farbe des Teils.