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초음파 탐상에 대한 이해
개 요
초음파 탐상검사란 재료의 표면 또는 내부에 존재하는 불연속부를 검출하기 위해,초음파를 재료에 전달시켜 검사하는 비파괴검사의 일종입니다. 음파를 이용한 검사는 옛부터 사용되었던 검사법으로,종(鍾)이나 그릇 등의 깨짐 여부를 알기 위해 두드려 본다거나,의사가 타진하여 보는 방법등이 있으며 지금도 이러한 음파의 특성을 이용하는 검사법이 여러분야에서 종종 사용되고 있습니다. 또한 우리의 귀로써 들을수 없는 고주파음(高周波音) 도 레이다의 개발등 과학의 발달에 따라 여러 분야에서 이용이 가능하게 되었고,이것을 음향기술의 발달에 따라 브라운관에서 도 관측이 가능하게 되었습니다.
대체로 음향에 의한 검사는 다음의 세가지 방법으로 시도되고 있습니다.
1) 공진법
2) 투과법
3) 펄스반사법
이중 최근에 와서는 에코(echo) 에 의한 검사법 즉, 펄스반사법( pulse 反射法) 이 초음파 탐상검사에 많이 이용되고 있습니다. 펄스 반사법은 제 1차 세계대전시 잠수함을 발견하는 병기에 이용되기 시작한 방법으로, 전파에 의해 해저 통신을 할 수 있는 레이다가 발명되었고, 이 레이다 기술과 초음파 탐상 과의 결합으로 초음파탐상법이 개발되었습니다.
비파괴 검사의 최종적인 목적은 재료 또는 부품등이 사용중에 파괴되는가 안되는가의 여 부를 판단하기 위해 결함의 유무,결함의 크기 및 형태를 정확히 파악하는데 있듯이 초음파 탐상검사도 주로 결함의 검출에 사용됩니다.
초음파탐상검사가 적용되는 분야도 상당히 넓어 철,비철류의 소재로부터 선박,교량,압력용 기 등의 제품 및 항공기,자동차,철도차량의 부품, 기계류의 부품 등에 이르기까지 많은 분야 의 제품들이 검사의 대상이 되며, 탐상 가능한 결함으로는 균열,개재물, 라미네이숀 (Lamination) 등의 소재 고유의 불연속으로부터, 가공중 불연속 및 피로 균열과 같은 사용 중 불연속까지 대부분의 결함검출에 적용되고 있습니다.또한 초음파 탐상을 이용한 재료의 두께측정에도 사용되어, 화학,정유처리시설 의 보수검사 등에 종종 적용되고 있습니다. 다른 모든 비파괴검사 방법에서도 요구되는 사항이지만 ,특히 초음파 탐상검사에서는 적 절한 검사를 수행하기 위하여 기술자의 자격인정,교육훈련 및 충분한 경력을 갖추고 있어야 합니다.왜냐하면 초음파 탐상 검사는 타 비파괴검사와 비교하여 상기의 조건이 갖추어지지 않으면 중대한 판독 오류를 범할수 있는 가능성이 특히 높기 때문입니다.
그러한 판독 오류의 가능성을 최소한 으로 줄이고 고속으로 초정밀의 초음파 탐상 기법을 구현 위하여 컴퓨터가 사용되기 시작하였고 C-SCAN 은 그러한 목적에 의하여 고안된 초 음파 검사 자동장치입니다.
초음파 탐상의 기본 원리
음(音)은 입자의 진동이고 일정한 주파수의 범위를 가지며, 귀로 들을수 있는 진동수는 20 ∼20,000 회/초( 회/초를 Hz라 하며 가청주파수라고 한다)입니다. 이 이상의 진동수를 갖는 음파를 초음파(超音波)라 하고 보통 500KHz∼20MHz가 초음파 탐상에 실용화 되고 있습니다.
따라서 파장이 가청 음보다 아주 짧기 때문에 광(光)의 직진성과 같은 성질이 있고, 작은 결함으로부터 나타나는 반사도 크게 보기 쉬운 성질이 있습니다. 초음파는 빛보다 파장이 길지만 ,보통의 전파보다는 파장이 짧습니다. 그러나 전파는 금속내부에 전해지지 않지만, 초음파는 X-선 보다도 물질내부에 전하기가 쉽습니다.
가청음은 종이 등의 진동판을 전자의 힘으로 움직여 발생시키지만, 초음파의 발생은 압전 (壓電)이라 하는 물리현상을 가진 재료를 사용하고 있습니다. 그러한 재료중에 하나가 수정 판이며, 이 수정판에 전압을 가하면 전압의 (+)(-)에따라 수정 두께방향으로 신축적으로 두 께의 변동이 일어납니다.
만약 반대로 수정판을 일정한 주파수로 기계적 진동을 가하면 신축되어 전극간에 전압이 발생합니다. 이러한 효과를 압전효과(Piezoelectric effect)라 합니다. 즉 압전효과는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변형시키고,전기적 에너지를 기계적 에너지로 변형시키는 현상을 말합니다. 초음파 탐상 시험은 탐촉자(Probe)가 검사대상물에 음파의 에너지를 주사(走査:Scan)하고 피검물은 반응하여 음파를 반사(Echo)한다는 사실에 기초한 것입니다.
C-SCAN
특징과 구현배경
C-SCAN 이란 초음파 탐상을 컴퓨터를 이용하여 무인자동화 시킨 첨단검사장치입니다. 컴퓨터를 이용한 자동검사는 다음과 같은 장점이 있습니다.
- 초음파기기를 사용하기위한 전문인력보유가 필요하지 않음
- 반복되는 패턴분석에 의한 판단오류 방지
- 무한반복되는 초음파 파형에 변화경향(Trend)을 시각적으로 도시
- 전수검사가 요구되는 초정밀생산라인에 24시간 적용
- 검사결과를 생산공정라인으로 FEED BACK 시켜 무인자동화 구현
- 사람이 접근하기 어려운 고공,고열,고압 등의 설비현장에 투입가능,
나열하자면 이루 다 말할수 없지만, 먼저 이를 구현하기위하여는 신뢰할수 있는 다각도의 기술력이 선행되어야 할것입니다. 즉, 초음파 검사 자동화를 실무에 적용하기 위하여 다음과 같은 엔지니어링 기술이 필요 합 니다.
- 탐상기상에 수신된 초음파 펄스를 컴퓨터에 전송하여 디지털 정보화
( RF Transient Wave를 Analog To Digital Conversion
Conversion Rate: 8 bit ,100∼500 Mhz/sec)
- 디지털화된 펄스의 패턴에 특징을 검출
(Gated Peak Detect, Time Of Flight Detect)
- 피검물의 자유곡면을 따라 탐촉자의 위치 이동 제어
( 3 Axes Motion Control & Motor Pulse Encoding, Tilting)
- 피검물의 결함 크기,위치에 따른 시각적 도시 ( Image Processing & 3D Mapping)
특히 '1)항'은 C-SCAN 설비구현의 성패에 화두가 되는 것으로써 예를들어, 10MHz의 탐 촉자로 SCAN하여 수신된 파형을 의미있는 데이터로 판독하기위하여는 최소한 100MHz의 A/D 변환이 필요한데, 이는 흔히 쓰는 1.2기가 하드디스크를 단 1분안에 채울수 있는 양입 니다. 또한 STEEL 계열의 피검물에 초음파 전달속도가 5.9 x 1000000 mm/초임을 감안한다면 100MHz A/D란 1 mm내외의 해독능력에 불과함을 알수 있습니다.
C-SCAN 이란 용어에 대하여
C-SCAN 용어 자체는 초음파탐상(UT) 에서 어려운 기술용어를 관습적으로 명시하여 통 용한 표현에 불과합니다.이와 관련된 몇가지 용어를 정리하면 다음과 같습니다.
| A/B/C -SCAN 개요
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- A-SCAN : 탐상기상에 수신된 RF 파형을 정류(RECTIFY)한 다음 절대값으로
OVERLAP한 파형(가공되기전의 순수 파형은 'RF-파형' 이라고 불리움)
- B-SCAN : A-SCAN 의 시간 축을 기준으로하여 임의의 게이트를 설정한 다음
Threshold를 넘어선 Peak까지의 시간으로써 TOF 라고도 불리움 (TOF: Time Of Flight)
- C-SCAN : A-SCAN 의 시간 축을 기준으로하여 임의의 게이트를 설정한다음
Threshold를 넘어선 Peak 의 LEVEL값으로써 GPD(Gated Peak Detect)라 고도 불리움.
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B-SCAN 과 C-SCAN 은 상호 조화되어 결함의 정보를 가리키고 있음을 이해 할수 있읍 니다. 즉 탐촉자의 SCAN위치내에 게재 되어있는 결함의 깊이(B-SCAN)와 크기(C-SCAN) 를 의미하는 것입니다.
이제 탐촉자를 상하좌우로 움직이며(SCAN) 각각의 위치정보와 그때의 B 또는 C-SCAN 수치를 조합하여 해당되는 위치에 고유색상으로 점을 찍어 나간다면 매우 직관적인 측정맵 이 만들어 질것입니다. 여기서 고유칼라라 함은 각수치별로 매겨진 칼라조견표 라고 말할수 있는것으로써 예를들 어 높은수치부터 적색->녹색->백색 등의 일관성있는 칼라값의 묶음입니다.
이 측정맵은 과연 무엇을 의미합니까? 검사대상물의 내부에 게재되어 있는 불연속부의 분포도 입니다. 이 그림이 우리가 얻으려고 하는 최종결과입니다.바꾸어 말하자면 바닷속에 숨어 다니는 잠수함의 크기와,깊이정보라고나 할까요? 아니면 산모 (측정대상물)안에 자라고 있는 태아 (결함?)의 모습입니다. 이제 임의의 측정물 안에 있는 결함의 가로,세로 및 깊이 정보를 알게 되었습니다. 사용자 가 적절한 3차원 시물레이션을 위한 소프트웨어 패키지가 있다면 결함은 손바닥 위에 있 듯 여기저기 굴려보거나 쪼개 볼수 있는것입니다.
물론 위의 경우는 연구실내에서나 가능한 응용의 대표적 예에 불과 합니다. 연구실에서 검사 매소드로써의 타당성이 검증된 이후 생산현장내에 도입됐을때 C-SCAN은 더욱 복잡 하고 구조적인 형태로 변형되어 이른바 '쟁이의 도구' 로써 자리잡게 됩니다.
C-SCAN 검사장치 구성
- 초음파 탐상 유니트 (PULSER/RECEIVER)
- A/D 변환보드(10 ~ 500 MHZ 중 사양선택)
- MOTOR CONTROL BOARD (3축 위치제어)
- PULSE ENCODER BOARD (위치 검출)
- MOTOR DRIVER (샤프트 구동)
- MANIPULATOR (3축 SHAFT FRAME)
- IMMERSION TANK ( 수침탐상용)
- UT TRANSDUCER(사양선택)
- IBM 호환 COMPUTER
- SOFTWARE PACKAGE
- MOTION CONTROL
- UT DATA ACQUISITION
- IMAGE PROCESSING
- 3D SIMULATION
- DBMS
- REPORT
- 기타 (맞춤사양)
- SQUIRTTER SYSTEM (물분사 시스템)
- PLC RELAY I/O SYSTEM
- POSITION DETECT SYSTEM (LIMIT S/W..)
- TCP/IP COMMUNICATION SYSTEM
ULTRASONIC INSPECTION
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