Anwendung von laserangeregtem Ultraschall zur Heißwanddickenmessung in Rohrwalzwerken

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1 Anwendung von laserangeregtem Ultraschall zur Heißwanddickenmessung in Rohrwalzwerken G.-J. Deppe, Mannesmann Forschungsinstitut GmbH, Duisburg Zusammenfassung Für eine sichere Prozeßführung bei der Herstellung warmgewalzter Stahlrohre sind Meßsysteme von Interesse, die bereits zu einem frühen Zeitpunkt, d. h. während des Walzens, verläßliche Wanddickenwerte bzw. profile der Rohre liefern können, um so die Möglichkeit einer Prozeßsteuerung zu geben. Als Lösung wird ein walzwerkstaugliches Meßsystem vorgestellt, bei dem die Wanddickenbestimmung - wie von konventionellen Ultraschallsystemen bekannt - über eine Laufzeitmessung erfolgt, allerdings vollständig berührungslos. Dazu erzeugt ein Impulslaser einen Ultraschallimpuls, der nach Durchlaufen der Rohrwand mit Hilfe eines zweiten Lasers und eines Interferometers optisch detektiert wird. Der vorliegende Beitrag ist das Ergebnis einer gemeinsamen Entwicklung dreier Partner, eines Rohrherstellers (V&M), eines Lieferanten von Nahtlosrohranlagen (SMS Meer) und eines Forschungsinstituts (MFI), das auch Meßsysteme baut. In einer vorgeschalteten Testphase wurden Versuche zusammen mit dem IzfP Saarbrücken durchgeführt. Zielsetzung Bei der Warmfertigung nahtloser Stahlrohre ist die frühzeitige Kontrolle des Walzprozesses von großem Interesse. Am heißen Rohr gemessene Wanddickenwerte können für eine Optimierung und für eine Steuerung bzw. Regelung der einzelnen Walzaggregate herangezogen werden. Die Wanddickenmessung liefert natürlich auch einen wesentlichen Beitrag zur Qualitätssicherung und Qualitätsverbesserung der Rohre. Im einzelnen können folgende Ziele erreicht werden: eine Verbesserung des Ausbringens durch eine optimierte Ausnutzung der Toleranzbereiche eine Steigerung der Produktqualität durch die schnelle Erfassung und Analyse von Rohrwanddickenprofilen, sowie eine Kontrolle von Einstellung und Zustand der Walzaggregate. 35

2 Beschreibung des Meßverfahrens Bei den hohen Rohrwalztemperaturen in der Größenordnung von 1000 C ist generell eine berührungslose Messung erforderlich, es sollte sogar ein deutlicher Abstand zwischen einem Meßkopf und dem Rohr bestehen. Bei teilweise vorhandenem Innenwerkzeug (Stange) ist darüber hinaus eine Einwand-Messung nötig. Als Lösung für die Heißwanddickenmessung bietet sich so eine Messung mit laserangeregtem Ultraschall an, die den genannten Forderungen gerecht wird. Hierbei wird das bewährte Verfahren der Ultraschall-Laufzeitmessung angewandt, bei dem sich die Wanddicke aus der gemessenen Durchlaufzeit durch die Rohrwand und der Schallgeschwindigkeit des Rohrwerkstoffs ergibt. Anregung und Detektion der Ultraschallimpulse erfolgen berührungslos optisch: Ein kurzer, energiereicher Laserimpuls (Pulsdauer < 10 ns) wird in einem kleinen Meßfleck auf der Rohroberfläche absorbiert, bewirkt dort eine leichte Materialablation (im Bereich von Nanometern der Wanddicke), die wiederum aufgrund der Impulserhaltung einen Ultraschallimpuls senkrecht zur Rohroberfläche in die Rohrwand einlaufen läßt. Dieser Ultraschallimpuls wird an der Rohrinnenoberfläche reflektiert und erzeugt nach Wanddurchlauf im Meßfleck eine leichte Auslenkung der Eintrittsoberfläche. Letztere wird mit Hilfe eines frequenzstabilen Dauerstrichlasers unter Ausnutzung des Doppler-Effektes detektiert. Ein Interferometer setzt die auftretende Frequenzänderung in eine Intensitätsänderung um. Ein Meßsignal dieser Art, eine zeitliche Folge von Ultraschallechos, kann in Analogie zu einer Messung nach konventionellem Ultraschallverfahren weiterverarbeitet und ausgewertet werden. Beschreibung des Meßsystems Das für den Einsatz im automatischen Walzwerksbetrieb konzipierte Wanddicken- Meßsystem ist im wesentlichen aus kommerziell verfügbaren Laser- und Optik- Komponenten sowie einem eigenentwickelten Auswerte- und Steuersystem aufgebaut. Bei der technischen Umsetzung wurde in Hinblick auf den Einsatz in einem Rohrwalzwerk auf Robustheit, Kompaktheit und Modularität geachtet. Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau des Meßsystems in der Einkanalversion sowie die wesentlichen Daten der Systemkomponenten. Der im oberen Bildbereich dargestellte Meßkopf, der auf einen einzuhaltenen Abstand zur Rohroberfläche positioniert werden kann, nimmt beide Laser auf, zur Ultraschallanregung einen blitzlampengepumpten Nd:YAG-Impulslaser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und zur Detektion einen diodengepumpten, frequenzverdoppelten Nd:YAG-Dauerstrichlaser mit 532 nm. Das vom Rohr rückgestreute Nutzsignal wird innerhalb des Meßkopfes auf den Eintritt eines Lichtwellenleiters abgebildet, der die Verbindung zum Fabry-Pérot- Interferometer herstellt, das in mechanisch und thermisch sicherem Umfeld einer Meßkabine steht. In dieser Meßkabine befinden sich auch das zentrale Steuerungssystem mit der Interferometer-Stabilisierung und die Ultraschall-Elektronik. Letztere baut auf der bereits vielfach in Rohrwalzwerken eingesetzten MESUS- Elektronik (des MFI) für konventionelle Ultraschalltechnik auf. 36

3 In der sogenannten Vorort-Elektronik, in räumlicher Nähe zum Meßkopf aufgestellt, befindet sich im wesentlichen eine Versorgungseinheit für den Impulslaser. Die Meßwiederholraterate wird durch den blitzlampengepumpten Nd:YAG-Impulslaser bestimmt. Bei den bisher gebauten Systemen beträgt diese 50 Hz, was zu Energien des Anregungspulses von ca. 250 mj führt. Es stehen aber auch Systeme mit anderen Wiederholraten und Pulsenergien zur Verfügung. Abb. 2 zeigt rechts den einkanaligen Meßkopf in der Prototypversion, installiert im Auslauf des Streckreduzierwalzwerkes der Rohrkontistraße von V & M in Mülheim / Ruhr. Im Hintergrund ist das im Längstransport von links nach rechts durchlaufende heiße Rohr zu erkennen. Abb. 3 zeigt eine andere Meßkopfvariante mit Hitzeschutz, eingebaut zwischen zwei Gerüsten eines Maßwalzwerkes. Für eine gute Anstellung an das Rohr und eine ggfs. gewünschte Schwenkbewegung des Meßkopfes sieht man in Abb. 4 den Meßkopf in eine Roboterhand gesetzt. Die Steuerung und Auswertung des Meßsystems ist zentral in einem Geräteschrank mit Monitor und Bedienelementen untergebracht. Abb. 5 stellt einen Teil davon dar. Der automatische Meßbetrieb im Walzwerk wird über eine Reihe von Betriebskontakten gesteuert, wie z. B. die Synchronisation mit dem Rohrdurchlauf. Weiterhin können über eine optionale Kopplung mit einem übergeordneten Rechnersystem Einstell- und Ergebnisdatensätze ausgetauscht werden. Meßergebnisse Das Meßsystem war zunächst über ein Jahr lang an dem in Abb. 2 gezeigten Ort hinter dem Streckreduzierwalzwerk installiert. Beim Längsdurchlauf eines Rohres wurde jeweils ein Wanddickenprofil über die Rohrlänge aufgenommen. Ein typisches Beispiel für ein solches Längsprofil zeigt Abb. 6. Mit dem System wurden basierend auf dem Rohrwalzprogramm - Wanddicken bis ca. 25 mm gemessen, eine Erhöhung um ca. 20 % erscheint nach den gemachten Erfahrungen möglich. Darüberhinaus müßten, wie oben schon angesprochen, Anregungslaser mit höheren Pulsenergien eingesetzt werden was aber bei dem modularen Systemkonzept keine prinzipiellen Schwierigkeiten bedeutet. Häufig wird die naheliegende Frage nach der Genauigkeit der Ultraschall- Wanddickenmessung gestellt. Durch die prinzipielle Art der Messung ergibt sich sowohl für den laserangeregten wie auch für den piezoangeregten Ultraschall bei der Meßunsicherheit je ein Anteil der Laufzeit und der Schallgeschwindigkeit, d. h. grundsätzlich sind die Meßunsicherheiten bei den beiden Verfahrensvarianten vergleichbar. Allerdings wirkt sich bei der Heißmessung noch die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit aus, womit die Kenntnis von Rohrtemperatur und zugehöriger Schallgeschwindigkeit unbedingt erforderlich wird. Das Auswertesystem sieht eine Berücksichtigung der aktuellen Rohrtemperatur vor. Als Richtwert kann für die Meßunsicherheit ein Wert von 0.1 mm angegeben werden. 37

4 Fazit Mit dem vorgestellten Laser-Ultraschall-Wanddickenmeßsystem steht ein effektives Werkzeug der Prozeß- und Qualitätskontrolle zur Verfügung. Eine wirtschaftliche Anwendbarkeit ergibt sich vor allem im Heißbereich, auch an Produkten anderer Geometrien. Darüber hinaus kann ein Einsatz an komplexen, schlecht zugänglichen Oberflächen sinnvoll sein. Aufgrund der relativ kompakten Bauform des Meßkopfes ist eine Erweiterung auf mehrere Kanäle möglich. Mit der parallel verlaufenden Weiterentwicklung von Systemkomponenten, insbesondere der Laserkomponenten, wird sich das Anwendungspotential noch vergrößern. Diese Entwicklungen zielen in Richtung Wiederholrate, Pulsenergie sowie weitere Steigerung der Robustheit des Systems. 38

5 Abb. 1: Schematischer Aufbau des Meßsystems Abb. 2: Installation des Meßkopfes im Walzwerk 39

6 Abb. 3: Meßkopf zwischen zwei Walzgerüsten Abb. 4: Meßkopf in einer Roboterhand 40

7 Abb. 5: Bedieneinheit (Ausschnitt) Rohrdaten: 115,0 x 6,4; P40MnCrV6/3 8,0 7,5 7,0 Wanddicke / mm 6,5 6,0 5,5 5, Rohrlänge / m Abb. 6: Im Walzwerk gemessenes Rohrprofil 41