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문제 정의
- 본 연구에서는 인장 소성 변형된 알루미늄 합금의 손상 정도를 평가하기 위하여 협대역 레이저 여기 표면파를 이용한 음향 비선형성 측정 기법을 제안하였다. 마스크 슬릿을 이용한 선배열형태의 레이저 빔을 이용하여 협대역의 주파수성분을 가지는 표면파를 발생시킬 수 있었으며, 이때 발생된 레이저 여기 표면파의 주파수 특성을 유한요소해석을 통하여 예측하였다.
제안 방법
- 선배열 레이저 빔에 의해 발생되는 레이저 여기 표면파의 주파수특성을 정확히 예측하기 위하여 유한요소해석(FEA)을 수행하였다. FEA 시뮬레이션 소프트웨어로, COMSOL Multiphysics를 이용하여 빔폭 w를 가지는 레이저빔 입사에 의하여 표면파를 발생시키고 이의 면외 변위를 측정하여 주파수 분석하는 일련의 과정을 수행하였다. 시뮬레이션 조건으로 레이저 빔의 공간적인 세기분포는 실제와 유사한 사각 펄스 빔모델로 하였으며, 시간적인 세기분포는 가우시안모델을 이용하였다.
- 항복강도를 넘어서 변형율이 증가함에 따라 응력이 증가하는 가공경화현상이 크게 나타났다. 각각의 변형율에 따른 경도측정은 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 측정하였다. 경도값도 변형율이 증가함에 따라서 증가하였다.
- 금속물리학적으로 금속은 소성변형되면 재료내 전위의 증가와슬립이 발달하게 된다. 따라서 인장변형을 통하여 재료에 마이크로 단위의 미세손상을 가하였으며, 인장 변형율을 달리한 서로 다른 손상의 정도를 가지는 시험편을 제작하였다. 시험편 Al6061-T6의 소재로 350 × 25 × 10 mm 의 크기의 열처리된 판상규격의 인장시험편을 이용하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 비접촉식 기법으로써 인장 소성변형된 알루미늄 합금의 손상정도를 평가하기 위하여 Nd:YAG 펄스 레이저와 슬릿 마스크를 이용한 레이저 여기 표면파를 이용 하였다. 또한 이론적 모델을 이용하여 마스크 슬릿을 설계함으로써 협대역의 주파수 성분을 가지는 표면파를 가진 시켰다.
- 따라서, 본 연구에서는 비접촉식 기법으로써 인장 소성변형된 알루미늄 합금의 손상정도를 평가하기 위하여 Nd:YAG 펄스 레이저와 슬릿 마스크를 이용한 레이저 여기 표면파를 이용 하였다. 또한 이론적 모델을 이용하여 마스크 슬릿을 설계함으로써 협대역의 주파수 성분을 가지는 표면파를 가진 시켰다. 시험편은 스트로크 제어에 의한 인장 시험을 통하여 단계별 손상정도를 가지는 시험편을 제작하였다.
- 이를 통하여 본질적으로 존재하는 2배주파수 성분을 최소화 할 수 있는 슬릿 열림 폭의 값을 구하였다. 또한 인장 소성 변형된 알루미늄 합금의 시험편에 대한 상대적인 비선형 파라미터를 구하였다. 그 결과 상대적인 비선형 파라미터 값이 인장변형률이 증가함에 따라 증가하였으며, 이는 경도측정 결과와 EBSD 측정결과와 비교해 볼 때 미시 구조적 손상 정도와 밀접한 관계가 있었다.
- 본 연구에서는 인장 소성 변형된 알루미늄 합금의 손상 정도를 평가하기 위하여 협대역 레이저 여기 표면파를 이용한 음향 비선형성 측정 기법을 제안하였다. 마스크 슬릿을 이용한 선배열형태의 레이저 빔을 이용하여 협대역의 주파수성분을 가지는 표면파를 발생시킬 수 있었으며, 이때 발생된 레이저 여기 표면파의 주파수 특성을 유한요소해석을 통하여 예측하였다. 이를 통하여 본질적으로 존재하는 2배주파수 성분을 최소화 할 수 있는 슬릿 열림 폭의 값을 구하였다.
- 본 연구에서 주파수와 전파거리는 일정하게 유지하고 변위는 실험에서 계측되어진 기본파와 2차고조파의 진폭 크기로 간주하여 다음과 같은 상대적인 비선형 파라미터 β′을 계산하였다.
- 그러나 슬릿 열림폭 값 w를 달리하면H(f)의 패턴이 달라지고 2차 고조파 성분의 발생을 피할 수 없게 된다. 본 연구에서는 이와 같은 주파수분석을 통하여 레이저 표면파에서 나타나는 초기 2차 고조파 성분을 최소화할 수 있는 슬릿 열림폭을 결정하였다[16].
- 5는 소성변형률에 따른 상대적 비선형 파라미터를 구한 결과이다. 비선형 파라미터 값은 인장 변형되지 않은 시편에서의 값을 1로 하여 상대적인 값을 비교하였다. 10회 측정한 결과로부터, 비선형 파라미터 값은 변형율 18.
- 선배열 레이저 빔에 의해 발생되는 레이저 여기 표면파의 주파수특성을 정확히 예측하기 위하여 유한요소해석(FEA)을 수행하였다. FEA 시뮬레이션 소프트웨어로, COMSOL Multiphysics를 이용하여 빔폭 w를 가지는 레이저빔 입사에 의하여 표면파를 발생시키고 이의 면외 변위를 측정하여 주파수 분석하는 일련의 과정을 수행하였다.
- 6 MHz)을 가지는 공진형 압전 트랜스듀서를 사용하였으며, 표면파를 수신하기 위하여 웻지를 장착한 공진형 압전 소자를 이용하였다. 수신 신호는 펄서/리시버 (Panametrics PR500)를 이용해 증폭시킨 후, 디지털 오실로 스코프 (Lecroy WS452)에서 A/D 변환되고 컴퓨터에서 주파수 분석하였다. 주파수 분석에서는 고속 퓨리에 변환을 이용하여 기본파 성분의 진폭과 2차 고조파 성분의 진폭으로부터 식 (6)을 이용하여 비선형 파라미터를 계산하였다.
- 시험편은 스트로크 제어에 의한 인장 시험을 통하여 단계별 손상정도를 가지는 시험편을 제작하였다. 실험 결과는 각 시험편에 대하여 상대적인 비선형 파라미터 값으로 얻어졌으며, 이 결과는 마이크로 비커스 경도계를 이용한 경도측정 결과와 전자후방산란을 이용하여 소성변형으로 발달한 미시구조를 분석하고 이를 경도와 음향비선형의 변화와 관련하여 분석하였다.
- 따라서 본질적으로 포함되어 있는 2차 고조파 성분을 제거할 수 있는 적절한 슬릿 열림폭과 열림간격을 가지는 마스크 슬릿을 이용하여야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 레이저에 의해 발생된 표면파의 주파수특성을 먼저 분석하였다. 그 모델로 Fig.
- 마스크 슬릿을 이용한 선배열형태의 레이저 빔을 이용하여 협대역의 주파수성분을 가지는 표면파를 발생시킬 수 있었으며, 이때 발생된 레이저 여기 표면파의 주파수 특성을 유한요소해석을 통하여 예측하였다. 이를 통하여 본질적으로 존재하는 2배주파수 성분을 최소화 할 수 있는 슬릿 열림 폭의 값을 구하였다. 또한 인장 소성 변형된 알루미늄 합금의 시험편에 대한 상대적인 비선형 파라미터를 구하였다.
- 인장변형에 의한 전위의 증가를 미시적인 관점에서 분석하기 위해 전자후방산란회절 (Electron BackScatter diffraction; EBSD)를 이용하였다. Fig.
대상 데이터
- 이를 위해 본 연구에서는 레이저에 의해 발생된 표면파의 주파수특성을 먼저 분석하였다. 그 모델로 Fig. 1 과 같은 레이저와 선배열 슬릿 마스크에 의한 모델을 이용하였다. 여기서 d는 각 슬릿의 간격, w는 슬릿의 열림 폭, λ는 발생 표면파의 파장이다.
- 레이저 여기 표면파를 이용한 알루미늄합금의 소성변형을 위한 시험편으로 인장단계별 변형율을 달리한 시험편을 이용하였다. 금속물리학적으로 금속은 소성변형되면 재료내 전위의 증가와슬립이 발달하게 된다.
- 시뮬레이션 조건으로 레이저 빔의 공간적인 세기분포는 실제와 유사한 사각 펄스 빔모델로 하였으며, 시간적인 세기분포는 가우시안모델을 이용하였다. 사용된 대상재료로는 알루미늄 6061-T6를 적용하였고, 밀도, 열전도도, 열용량, 열팽창계수 등의 물성치는 온도에 의존하는 값으로 설정하였다.
- 선배열 레이저 소스를 이용한 협대역의 주파수를 가지는 레이저 여기 표면파를 발생시키기위하여 Fig. 3과 같이 Nd:YAG 펄스 레이저 (파장 1064 nm, 펄스폭 5 ns), 빔 익스팬더, 슬릿마스크를 이용하였다. 슬릿 마스크는 레이저의 회절효과를 억제하기 위하여 시편 표면에 부착시켰다.
- 슬릿 마스크는 레이저의 회절효과를 억제하기 위하여 시편 표면에 부착시켰다. 수신 탐촉자로는 2차고조파 성분의 수신감도를 높이기 위하여 5 MHz의 중심주파수와 밴드폭 (2.4 MHz ~ 8.6 MHz)을 가지는 공진형 압전 트랜스듀서를 사용하였으며, 표면파를 수신하기 위하여 웻지를 장착한 공진형 압전 소자를 이용하였다. 수신 신호는 펄서/리시버 (Panametrics PR500)를 이용해 증폭시킨 후, 디지털 오실로 스코프 (Lecroy WS452)에서 A/D 변환되고 컴퓨터에서 주파수 분석하였다.
- 시험편 Al6061-T6의 소재로 350 × 25 × 10 mm 의 크기의 열처리된 판상규격의 인장시험편을 이용하였다.
- 또한 이론적 모델을 이용하여 마스크 슬릿을 설계함으로써 협대역의 주파수 성분을 가지는 표면파를 가진 시켰다. 시험편은 스트로크 제어에 의한 인장 시험을 통하여 단계별 손상정도를 가지는 시험편을 제작하였다. 실험 결과는 각 시험편에 대하여 상대적인 비선형 파라미터 값으로 얻어졌으며, 이 결과는 마이크로 비커스 경도계를 이용한 경도측정 결과와 전자후방산란을 이용하여 소성변형으로 발달한 미시구조를 분석하고 이를 경도와 음향비선형의 변화와 관련하여 분석하였다.
- 열처리 조건으로는 530 ℃ 에서 120 분 유지 후 상온의 물에 급냉처리하였다. 인장시험의 조건으로는 스트로크 제어를 통하여 표점거리 220 mm 의 시험편을 2 mm/min 의 속도로 인장하여 각각 0 %, 0.91 %, 2.73 %, 5.45 %, 9.09 %, 13.64 %, 18.18 % 의 변형률을 가지는 시험편을 제작 하였다. 이때 파단연신율은 22 %인 것으로 나타났다.
이론/모형
- FEA 시뮬레이션 소프트웨어로, COMSOL Multiphysics를 이용하여 빔폭 w를 가지는 레이저빔 입사에 의하여 표면파를 발생시키고 이의 면외 변위를 측정하여 주파수 분석하는 일련의 과정을 수행하였다. 시뮬레이션 조건으로 레이저 빔의 공간적인 세기분포는 실제와 유사한 사각 펄스 빔모델로 하였으며, 시간적인 세기분포는 가우시안모델을 이용하였다. 사용된 대상재료로는 알루미늄 6061-T6를 적용하였고, 밀도, 열전도도, 열용량, 열팽창계수 등의 물성치는 온도에 의존하는 값으로 설정하였다.
성능/효과
- 비선형 파라미터 값은 인장 변형되지 않은 시편에서의 값을 1로 하여 상대적인 값을 비교하였다. 10회 측정한 결과로부터, 비선형 파라미터 값은 변형율 18.18 %에서 인장되지 않은 초기 시편에 비해 약 34 % 증가하는 결과를 보였으며, 인장변형률이 커짐에 따라서 비선형 파라미터 또한 증가하는 경향을 보였다.
- 이상의 변화로 인해 초음파가 소성변형된 재료를 전파할 때 재료비선형의 영향으로 초음파의 왜곡이 발생하고 2차 고조파를 발생시키게 된다. 결과적으로 본 연구에서 인장소성변형으로 발달한 전위가 레이저 여기 표면파의 음향비선형성을 증가시킨 것으로 판단된다.
- 또한 인장 소성 변형된 알루미늄 합금의 시험편에 대한 상대적인 비선형 파라미터를 구하였다. 그 결과 상대적인 비선형 파라미터 값이 인장변형률이 증가함에 따라 증가하였으며, 이는 경도측정 결과와 EBSD 측정결과와 비교해 볼 때 미시 구조적 손상 정도와 밀접한 관계가 있었다. 이와 같은 결과로 볼 때, 레이저 여기 표면파의 음향 비선형 특성의 계측을 통한 소성변형에 의한 미소손상 진단이 가능할 것으로 판단된다.
- 이는 소성변형으로 인해 재료내부에 전위가 생성되고 밀도가 증가하기 때문이다. 따라서 재료는 소성변형 구간 이후 경도가 급격히 증가하여 파단 전 초기상태보다 약 40% 증가하는 결과를 보였다. 또한 이는 Fig.
- 일반적으로 금속재료의 경우 재결정온도 이하의 낮은 온도에서 압연, 단조 등과 같은 소성변형이 일어나면 변형량에 의존하여 재료내부에는 전위가 생성되고 증가하여 기계적 물성이 향상되는 현상이 나타난다. 본 연구에서도 인장변형율이 증가함에 따라 가공경화현상이 나타났고 경도값이 증가하였다. 이는 소성변형으로 인해 재료내부에 전위가 생성되고 밀도가 증가하기 때문이다.
- 선배열 레이저 빔에 의한 표면파의 주파수 스펙트럼 G(f)와 FEA 시뮬레이션을 통한 단일레이저빔의 주파수 특성 H(f), 그리고 선배열 특성 S(f)를 나타내었다. 이 결과는 본질적으로 포함되어 있는 2차 고조파 성분 (5 MHz)을 최소화하여 기본 주파수 (2.5 MHz) 성분만 가지는 레이저 여기 표면파를 발생시킬 수 있음을 나타내며 따라서 재료만에 의한 초음파 비선형 파라미터 측정이 가능하다. 그러나 슬릿 열림폭 값 w를 달리하면H(f)의 패턴이 달라지고 2차 고조파 성분의 발생을 피할 수 없게 된다.
- 6에 나타내었다. 항복강도를 넘어서 변형율이 증가함에 따라 응력이 증가하는 가공경화현상이 크게 나타났다. 각각의 변형율에 따른 경도측정은 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 측정하였다.
후속연구
- 그 결과 상대적인 비선형 파라미터 값이 인장변형률이 증가함에 따라 증가하였으며, 이는 경도측정 결과와 EBSD 측정결과와 비교해 볼 때 미시 구조적 손상 정도와 밀접한 관계가 있었다. 이와 같은 결과로 볼 때, 레이저 여기 표면파의 음향 비선형 특성의 계측을 통한 소성변형에 의한 미소손상 진단이 가능할 것으로 판단된다.
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