insituLIPS – in situ Untersuchung der Phasenverteilung und Schmelzbaderstarrung von modernen Stählen mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIPS)

Projekt

Laserstrahlquelle und laserinduziertes Plasma auf der Oberfläche einer WIG-geschweißten Edelstahlprobe

Projektlaufzeit
01.12.2020 - 30.11.2023
Projektart
Projektstatus
Geschlossen

Kurzbeschreibung

Ziel des Projekts ist es die Vorhersagegenauigkeit des Schweiß-Gefüges von modernen Stählen zu erhöhen. Weiterhin soll das Abbrandverhalten von Legierungselementen hochfester Stähle in situ überwacht werden.

Ort

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Unter den Eichen 87
12205 Berlin

Gegenstand

Projektbearbeiter Lukas Quackatz bei der Messvorbereitung

Edelstähle zeigen Gefügeveränderungen beim Schweißen, die zu ungleichmäßigen Phasenverhältnissen und Änderungen der chemischen Zusammensetzung führen. Gefügeveränderungen können zu Erstarrungsrissen, Erhöhung der Korrosionsanfälligkeit, geringerer Duktilität und kritischen Festigkeitswerten führen. Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ermöglicht eine zeit- und ortsaufgelöste in situ Messung sowohl der Temperatur als auch der chemischen Zusammensetzung während des Schweißens.

Ziel

© BAM

Ziel ist es, die Genauigkeit der Vorhersage des Schweißgefüges von modernen Stählen zu erhöhen. Insb. bei modernen Windenergieanlagen ist es nötig, die Schweißprozesse mit hoher Präzision zu überwachen. Dafür werden Messungen der chemischen Zusammensetzung sowie Elektronentemperaturberechnungen mittels LIPS realisiert. Mit Elektronentemperaturdaten ist es erstmals möglich, die Abkühlrate ohne zusätzliche Messvorichtung zu berechnen und die Abkühlkurven des Schweißgutes im Schmelzbad zu analysieren.

Methodik

© BAM

LIPS ist ein spektroskopisches Verfahren, mit dem Elementzusammensetzungen ermittelt werden können. Kurze, hochenergetische Laserpulse ablatieren ein geringes Volumen (< 0.1 mm³) des beschossenen Materials und ionisieren es zu einem Plasma. Das zerfallene Plasma emittiert elementspezifisches Licht. Der simple Versuchsaufbau und das schnelle, zerstörungsfreie Analyseverfahren zeichnen die LIPS-Analyse aus. Elementanalysen können berührungslos und ohne Vorbehandlung der Proben durchgeführt werden.

Partner + Förderer

© BAM

Das Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert, Projektnummer 442001176.

insituLIPS – in situ Untersuchung der Phasenverteilung und Schmelzbaderstarrung von modernen Stählen mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIPS)

Schweißnaht-Überwachung

Die laserinduziere Plasmaspektroskopie (LIPS) bietet eine vielversprechende Möglichkeit der in situ Schweißnaht-Überwachung. Bei der LIPS-Analyse erzeugt ein hochenergetischer, gepulster Laser ein Plasma auf der Materialoberfläche. Die Expansion des Plasmas bewirkt eine elektromagnetische Strahlung. Diese Strahlung ist elementspezifisch und kann nach einer Referenzanalyse zur chemischen Charakterisierung des geprüften Werkstoffs verwendet werden. Die Erstarrungsfolge des Materials korreliert direkt mit der Temperatur im Schmelzbad. Daher ist es nötig, diese Temperatur im Schweißprozess zu überwachen, um unmittelbar Parameteranpassungen durchführen zu können. Mithilfe der Kalkulation von Elektronentemperaturen im Laserplasma kann, ohne zusätzliche Messausrüstung, die Temperatur zeit- und ortsaufgelöst bestimmt werden. Im Anschluss an dem Messvorgang werden Spektren für jeden einzelnen Messpunkt generiert und ausgewertet. Nach der Subtraktion der Untergrundstrahlung können die Intensitäten der Elemente, die von Interesse sind, herausgefiltert werden..