In situ measurements of chemical compositions during TIG-Welding by laser-induced breakdown spectroscopy

Abstract

In this work, the use of Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) for hot crack detection during welding by in-situ measurement of the chemical composition in the molten pool was investigated. The aim was to explore welding process control using LIBS to avoid metallurgically induced welding defects. Welding metallurgy is a complex field where the final microstructure, and thus the mechanical properties of welds, can be influenced by various metallurgical aspects. These can lead to changes in the local chemical composition of the molten pool and consequently, to changes in solidification conditions. This determines the overall weldability of the material and hence the end quality of the product. The final microstructure and thus the mechanical properties of the solidified weld are determined by parameters such as the partition coefficients of the main alloying elements in the melt, temperature gradients in the molten pool, and local solidification conditions. Hot cracks that may occur during the solidification process are the most common welding defects. To avoid hot cracks, in-situ measurement of the chemical composition of the molten pool during the welding process can be utilized if it allows for a change in local solidification conditions through the variation of welding parameters. An appropriate method for in-situ monitoring of the molten pool composition is LIBS. Short laser pulses are used to generate a plasma on the surface of the melt. A spectrometer then analyzes the emitted radiation to determine the element-specific composition. The advantages of LIBS are simultaneous multi-element detection, non-contact measurement from a safe distance, and rapid analysis. This makes LIBS a promising method for measuring or monitoring chemical element concentrations in metal melts with high spatial and temporal resolution. Overall, this work emphasizes the importance of hot crack detection during welding and thus the potential of in-situ monitoring methods for improving the quality of welds. By online measurement of element contents, changes in the molten weld pool composition can be detected and countermeasures initiated before welding defects occur. This reduces rework and associated costs and times, leading to improved efficiency and profitability in the metal and manufacturing industry. This work investigated the use of LIBS for monitoring the welding process of stainless steel grades with tungsten inert gas welding (TIG welding). The study showed that the spatial resolution of LIBS measurement can be achieved with approximately 200 μm and at least 1 mm away from the weld pool. The study also found that the flow rate of the shielding gas Ar during welding has no influence on the detected LIBS signal. However, the most important result is that LIBS can be used to measure chemical elements during welding and that changes in chemical composition can be measured with high temporal and spatial resolution. The investigation focused on understanding the hot crack behavior of high-alloyed stainless steels, with particular emphasis on the chemical composition of the weld metal. To deepen the understanding, a model was developed based on the online available chemical composition of the main alloying elements to calculate the partition coefficient of solid and liquid phases in the mushy zone. In addition, an offline inspection of the fully welded joints was performed to enable a comparison of the chemical composition distribution between the liquid and solid states. Austenitic solidification is the main reason for the hot crack behavior of the investigated stainless steels, with the austenite-promoting element nickel having approximately up to 4wt% higher values than the measured reference values of the selected stainless steels.

In dieser Arbeit wurde der Einsatz der Laser-induzierten Breakdown-Spektroskopie (LIBS) zur Heißriss-Detektion während des Schweißens mittels in situ Messung der chemischen Zusammensetzung im Schmelzbad untersucht. Das Ziel war, eine Schweißprozesskontrolle mittels LIBS zur Vermeidung von metallurgisch bedingten Schweißfehlern zu eruieren. Die Schweißmetallurgie ist ein komplexes Feld, in dem die endgültige Mikrostruktur, und damit die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte, durch verschiedene metallurgische Aspekte beeinflusst werden können. Diese können zu Änderungen der lokalen chemischen Zusammensetzung des Schmelzbades und daraus resultierend, zu Änderungen der Erstarrungsbedingungen führen. Dies bestimmt die Schweißbarkeit des Materials insgesamt und damit auch die Qualität des Produkts. Die endgültige Mikrostruktur und damit die mechanischen Eigenschaften der erstarrten Schweißnaht, werden von Parametern wie den Partitionskoeffizienten der Hauptlegierungselemente in der Schmelze, Temperaturgradienten im Schmelzbad und den lokalen Erstarrungsbedingungen bestimmt. Heißrisse, die während des Erstarrungsprozesses auftreten können, sind die am häufigsten auftretenden Schweißfehler. Zur Vermeidung von Heißrissen kann prinzipiell die in situ-Messung der chemischen Zusammensetzung des Schmelzbads während des Schweißprozesses genutzt werden, wenn dadurch eine Änderung der lokalen Erstarrungsbedingungen über die Variation der Schweißparameter möglich ist. Eine geeignete Messmethode zur in situ-Überwachung der Schmelzbadzusammensetzung ist LIBS. Dazu werden kurze Laserpulse verwendet, um ein Plasma auf der Oberfläche der Schmelze zu erzeugen. Ein Spektrometer analysiert dann die emittierte Strahlung zur Bestimmung der elementspezifischen Zusammensetzung. Die Vorteile von LIBS sind die simultane Mehrfachelementerkennung, die berührungslose Messung aus sicherer Entfernung und die Schnelligkeit der Analyse. Dies macht LIBS zu einer vielversprechenden Methode für die Messung bzw. Überwachung chemischer Elementkonzentrationen in Metallschmelzen mit hoher Orts- und Zeitauflösung. Insgesamt hebt diese Arbeit die Bedeutung der Heißrissdetektion während des Schweißens und damit das Potenzial von in situ-Überwachungsmethoden für die Qualitätsverbesserung von Schweißungen hervor. Durch die online-Messung der Elementgehalte können somit Änderungen der Schmelzbadzusammensetzung detektiert werden und vor dem Auftreten von Schweißfehlern Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dadurch werden Nacharbeiten reduziert und damit verbundene Kosten und Zeiten minimiert, was zu einer verbesserten Effizienz und Rentabilität in der Metall- und Fertigungsindustrie führt. Diese Arbeit untersuchte die Verwendung von LIBS zur Überwachung des Schweißprozesses von Edelstahlsorten mit Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen). Die Studie zeigte, dass die räumliche Auflösung der LIBS-Messung mit ca. 200 μm und mindestens 1 mm von dem Schweißbad entfernt realisiert werden kann. Die Studie stellte auch fest, dass der Durchfluss des Schutzgases Ar beim Schweißen keinen Einfluss auf das detektierte LIBS-Signal hat. Das wichtigste Ergebnis ist aber, das LIBS für die Messung chemischer Elemente beim Schweißen zu verwenden ist und dass Änderungen in der chemischen Zusammensetzung mit hoher Zeit- und Ortsauflösung gemessen werden können. Die Untersuchung konzentrierte sich darauf, das Heißrissverhalten von hochlegierten Edelstählen zu verstehen, wobei insbesondere die chemische Zusammensetzung des Schweißguts untersucht wurde. Um das Verständnis zu vertiefen, wurde ein Modell entwickelt, das auf der online verfügbaren chemischen Zusammensetzung der Hauptlegierungselemente basiert, um den Partitionskoeffizienten der festen und flüssigen Phasen in der Mushy-Zone zu berechnen. Darüber hinaus wurde eine Offline-Inspektion der fertig geschweißten Nähte durchgeführt, um einen Vergleich der chemischen Zusammensetzungsverteilung zwischen dem flüssigen und festen Zustand zu ermöglichen. Die austenitische Erstarrung ist der Hauptgrund für das Heißrissverhalten der untersuchten Edelstähle, wobei das austenitfördernden Element Nickel, ca. bis 4wt% höhere Werte aufweist als die gemessene Referenzwerte der ausgewählten Edelstähle.