選購指南|LIBS(雷射光譜儀)與SPARK-OES(火花分析儀)優劣比較

金屬PMI成分分析的重要性

合金中的元素成分會影響合金性能與價格,因此成分的確認就變得非常重要。以市面上常見的白鐵做舉例,304與316因所含元素(鉻、鎳、鉬)比例不同,因此抗腐蝕能力也不同,以號稱醫用級不鏽鋼316較佳,當然價格也較高。

除了金屬元素的影響外,非鐵元素如碳、氮、矽、磷、硫也會影響金屬性能。常見的304不鏽鋼,可根據含碳量細分為304L與316H,因含碳量與碳當量等會影響焊接性能,各元素成分的數值都非常重要。

表1 常見白鐵牌號成分表

金屬成分分析,可做牌號辨識,避免金屬低料高用產生客訴問題或是高料低用的成本虛耗;也可針對元素成分做精確分析,確保金屬品質與性能符合使用者需求。

LIBS與SPARK差異比較

市面上有多種分析方式,其中LIBS雷射誘導擊穿光譜儀與SPARK-OES火花金屬分光儀的原理較為相似,都是利用高能量將表面元素激發,蒐集其發光訊號進行分析。由於激發能量與設備大小限制分析能力,手持式LIBS雷射光譜儀的可分析元素、檢測精度與數據穩定性相較於SPARK-OES火花金屬分光儀顯得略遜一籌。

目前在產業上的應用,手持式LIBS雷射光譜儀設備因分析能力相對較差,主要應用在侷限在牌號的快篩分析,且須避免相近牌號,例如白鐵303與304,兩者差異在磷(P)、硫(S)與鉻(Cr)的成分比例,因LIBS雷射光譜儀無法辨識磷(P)和硫(S),只能依據鉻(Cr)做分辨,當數據跳動時,可能產生牌號的誤判。

SPARK-OES火花分光儀可獲得精確且穩定的數據,不論是在牌號辨別或是精準的成分分析,都是SPARK的應用範圍。

表2 LIBS與SPARK比較表

註1:市面上號稱能測碳元素的LIBS,但數據極不穩定,將在下一個段落做討論

註2:難熔元素,指本身耐熱不易熔化的元素,要將這些元素激發使其發光也需要較高的能量,對手持式的雷射光譜儀是一大挑戰。

圖1 難熔元素(耐高溫元素)

註3:金屬樣品要做到完全均質非常困難,因此取樣面積越小越容易受到均質差異的影響,且取樣面積小,獲得的訊號量也相對小;通常會以多次取樣的方式修正其影響。

圖2 難熔元素(耐高溫元素)

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碳元素分析,LIBS能否做到?

目前市面上有廠商號稱LIBS可以做碳元素的量測,究竟是商業噱頭還是真有其事?從LIBS雷射光譜儀的檢測原理來看,原子發光光譜,碳元素的特徵光波長191nm屬於UV光波段,容易被氧氣吸收;意味著測試的分析碳元素需要具備幾個條件:

  1. 足夠強的激發能量,短波長的UV光元素需要較強的能量才會被激發產生光。當碳含量高時,需要更強的能量來做激發。
  2. 需要提供氬氣環境,因UV光會被空氣中氧氣吸收,因此會將測試環境甚至是分光系統中充填氬氣,避免UV光元素受到干擾。
  3. 優良的分光系統,從樣品獲得的訊號會是各種元素混合的光,必須透過分光系統將鉻元素特徵光分開來進行分析,大型設備具有更多空間可以做到較佳的分光。
  4. CCD檢測器位置正確,經過分光後檢測器必須在正確的位置上才能接收到目標元素的訊號。為了要測試全元素(波長),CCD必須涵蓋所有元素的位置,因此設備需要有一定空間置入CCD。

從激發能量的角度來看,手持式LIBS使用的雷射能量遠低於SPARK火花分光儀,測試高碳或高矽時,火花分光儀會安裝火花加強器來達到良好的激發條件。手持式LIBS雷射光譜儀的激發能量已經弱於SPARK,因此含碳量高的樣品測試數據將很不穩定。LIBS激發能量不足的問題同樣反應在難熔元素的表現上。

為了讓測試環境完整充填氬氣來排除空氣的干擾,測試槍口與樣品必須緊密貼合避免空氣接觸的可能性。手持式的設計難免因為操作者使用時有漏氣的可能性。低碳含量時,空氣對準確性的影響更不容忽視。

以SPARK的設計,使用多個CCD檢測器並搭配帕邢-龍格結構雙層路設計,為求可以完整收集到所有元素的特徵光。為了提供良好的分光環境以及安裝多個CCD檢測器,無法濃縮成手持式設備的大小。

綜合以上幾點,手持式LIBS雷射分光儀在分析碳元素時,低碳測試數據容易被空氣影響,高碳樣品又因能量不足難以激發在;手持式設備大小限制了分光效果,產出的數據穩定性不佳,碳元素的應用高不成低不就,分析數據的準確性又是個未知數,用手持式LIBS分析碳元素,目前技術上還有許多不足的地方,實際應用在產業上可能會延伸許多問題。

應用實例

LIBS應用實例

LIBS雷射分析儀因激發能量、設備大小限制分光能力,元素分析能力較差,目前應用侷限在金屬牌號的快篩,且需要避開相鄰牌號的檢測。

有些白鐵加工廠用料單純,僅有304與316兩種類型。因兩種牌號無法從外觀判斷偶爾會發生取錯料或是混料的問題。此時可應用LIBS雷射分光儀快速確認牌號的特性,取料加工前做確認,避免低料高用產生的客訴、賠款、商譽信用問題。

待關機模式與各產品的IM關係

金屬牌號的規範中元素濃度會有一定的範圍,生產成本的考量,許多元素或落在規範的邊緣,以常見的白鐵為例:因鎳的價格較高,因此會控制在下限。此時的檢測設備若精度與準確性不足,則有可能跳出牌號規範外,造成誤判牌號。

為避免誤判牌號的問題,SPARK火花分光儀,可提供穩定的數據,在適當的操作條件下,數據跳動RSD可小於1%。且強大的檢測能力,可分析至小數點下三或四位,精密的分析,並呈現具有再現性的數據,提出具有說服力的分析報告。

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