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문제 정의
- TOFD법온 음파의 회절현상을 이용한 초음파 탐상검사의 한 방법으로서 기존의 Pulseecho법에 비해 검사수행 속도가 10배 이상 빠르며, 보다 알기 쉽게 결함을 검출, 표시하고 검사표면의 상태와 결함의 방향에 의한 검사 결과가 기존의 방법에 비해 안정적인 특징을 갖고 있는 것으로 알려져 있다8). 따라서, 본 연구에서는 TOFD법을 이용하여 스테인리스강을 재료로 한 용접부에 존재하는 결함을 검출해내고 선형 및 체적결함 여부를 정확히 경가함으로서, 이들 결함을 비교분석 하고자 한다. Fig.
제안 방법
- 9에 나타내었다. TOFD용 Scanner는 두 개의 초음파 탐촉자를 사용하며 굴절각 45°, 60°의사각종파를 사용하여 검사체에 초음파를 입사시켰다. 굴절각의 결정은 시험체의 두께에 따라 결정하는 것이 일반적이며, 본 연구에서는 시험체의 두께가 9.
- 검사용 Scanner는 두 개의 초음파 탐촉자를 사용하여 굴절각 45°와 60°의 사각종파를 사용하여 검사체에 초음파를 입사시켜 시험하였으며, 본 연구에서는 두께가 9 ~ 16mm의 시험편을 사용하였고, 공칭 주파수 5MHz, 직경 12.7mm의 탐촉자를 사용하였으며 시험체에 사각 종파의 입사를 위해 별도의 아크럴 Wedge를 제작하여 검사를 하였다. TOFD를 이용한 STS 304 스테인리스 강의 용접부에 존재하는 결함에 대한 연구결과와 일반적인 Pulseecho법에 의한 연구결과를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- TOFD용 Scanner는 두 개의 초음파 탐촉자를 사용하며 굴절각 45°, 60°의사각종파를 사용하여 검사체에 초음파를 입사시켰다. 굴절각의 결정은 시험체의 두께에 따라 결정하는 것이 일반적이며, 본 연구에서는 시험체의 두께가 9.5mm, 16mm의 시험편을 사용하였다. 탐촉자의 제원온 Panametrics 사의 공칭 주파수 5MHz, 직경 12.
- 또한, Pulseecho법과 TOFD법을 통한 비교시험을 위하여 모두 3개의 시험편을 사용하였으며, 각 시험편에 대한 도면들을 Fig. 3, Fig. 6, Fig. 9에 나타내었다. TOFD용 Scanner는 두 개의 초음파 탐촉자를 사용하며 굴절각 45°, 60°의사각종파를 사용하여 검사체에 초음파를 입사시켰다.
- 본 연구에서 사용한 실험 장치는 2개의 탐촉자를 사용한 TOFD 용 Scanner 장치 및 Ultrasonic pluse/receiver board, 고속 A/D Convertor Board를 내장한 Pemium PC로 Photo 1 과 같이 구성된다.
- 본 연구에서 사용한 실험재료는 스테인리스 강 중 가장 많이 사용되는 STS304(USN S30400, ASTM A276)로서 화학적 조성과 성분온 Table 1과 같다.
- 5mm, 16mm의 시험편을 사용하였다. 탐촉자의 제원온 Panametrics 사의 공칭 주파수 5MHz, 직경 12.7mm 탐촉자를 사용하였고, 시험체에 사각 종파입사를 위해 별도의 아크럴 Wedge를 제작하였다. 시험편온 Flaw Tech사의 Ultrasonic examination flawed specimen kits를 이용하였다.
성능/효과
- 1. Incomplete Penetration의 경우에 있어서 다른 결함의 형상에 비하여 결함이 차지하는 체적이 커서 Pulseecho법에 의한 결함 파형 또한 확연하게 나타남을 알 수 있었으며, TOFD 를 이용한 탐상신호에 있어서도 비교적 얇은 시험편의 두께에도 불구하고 결함모양이 선명하게 나타남을 알 수 있었다.
- 2. 기존의 초음파 탐상검사가 횡파를 사용하여 검사를 하는 것과는 달리 TOFD법에서는 종파를 사용하기 때문에 초음파 파장의 길이가 길어 결함의 경계가 명확히 나타나지 않는 결과를 나타냈으며, Fig. 6의 Toe-crack에서 보여 지는 바와 같이 결함이 시험체의 표면에 근접하게 되면 표면의 바로 밑에 있는 결함들은 표면을 따라 흐르는 Lateral wave 의 영향으로 탐촉자의 분해능이 저하되어 검출이 불가능한 현상을 나타내었다.
- 3. 기존의 초음파 탐상검사에 있어서 결함의 크기를 측정하고자 할 때에는 탐촉자를 좌우로 움직이거나, 상하로 움직여서 결함에코가 나타났다가 사라지는 모양을 보고 결함의 크기를 판별할 수가 있었으나, TOFD법에서는 CRT상에 결함의 크기가 2차원적으로 나타나므로 결함에 대한 크기판별이 쉬워졌다는 것을 알 수 있었다.
- 9mm에서 결함이 검출되었고, 다른 결함의 형상에 비하여 결함이 차지하는 체적이 커서 결함 파형 또한 뚜렷하게 나타남을 알 수 있었으며, 결함 파형 끝의 모양이 뾰족하지 않온 것으로 보아, 결함의 모양 또한 어떤 일정한 체적을 가진 결함임을 확인할 수가 있었다. Fig. 4는 Incomplete Penetration에 대한 TOFD법을 이용한 탐상신호이 고 그림 의 중앙부분에 나타나 있는 검고 굵온 선모양이 Incomplete Penetration의 결함모양을 나타낸 것이고 이 선모양의 굵기가 결함의 크기를 나타낸 것이며, 결함 또한 용접부의 밑부분에 일정한 체적을 가지고 넓게 위치해 있어서 얇은 시험편의 두께에도 불구하고 비교적 결함모양이 선명하게 잘 나타나 있는 것을 관찰할 수 있었다.
- Incomplete Penetration에 대한 실험결과에서 알 수 있듯이 결함이 일정한 체적을 가지고 넓게위치해 있을 경우에는 초음파 탐상시험을 통하여 결함을 검출한 것과 TOFD법을 통하여 결함을 검출한 것 모두가 결함모양을 확연하게 판별할 수가 있음을 알 수 있었다. Fig.
- 3mm에서 결함이 검출되었으나, 그림에서 보는 바와 같이 결함의 모양이 초음파의 경로에 수직이 아닌 비스듬하게 경사져 있어서 실제의 결함의 크기보다 파형의 크기가 작게 나타난 것으로 생각되며, 결함의 모양이 선형이므로 파형 또한 끝이 뾰족한 모양으로 나타나 있음을 알 수 있었다. 결함이 용접부와 모재의 경계 지역인 표면에 거의 근접해서 밭생하여 Fig. 7의 오른쪽에 있는 결함 모양에서 보는 바와 같이 거의 구별하기가 힘들 정도로 나타나 있는 것을 볼 수 있는데, 이것은 시험체의 표면을 따라 전파되어진 낮온 주파수의 Lateral wave의 영향으로 볼 수 있으며, 결함의 상단부 신호는 이 Lateral wave와의 중첩으로 인해 구별이 되지 않고 결함의 하단부 신호만이 나타나게 됨을 관찰할 수 있었다.
- 여기에서는 45°의 사각탐촉자를 사용하였으며, 시험편의 두께가 9.5mm, 결함까지의 직선거리가 15mm이고 빔의 경로가 약 21.21mm인데, 결함이 시험편의 윗쪽에 위치해 있어서 직접적으로 결함을 검출할 수가 없으므로 1Skip법으로 결함을 검출하여 빔 경로의 두배인 42.3mm에서 결함이 검출되었으나, 그림에서 보는 바와 같이 결함의 모양이 초음파의 경로에 수직이 아닌 비스듬하게 경사져 있어서 실제의 결함의 크기보다 파형의 크기가 작게 나타난 것으로 생각되며, 결함의 모양이 선형이므로 파형 또한 끝이 뾰족한 모양으로 나타나 있음을 알 수 있었다. 결함이 용접부와 모재의 경계 지역인 표면에 거의 근접해서 밭생하여 Fig.
- 8의 오른쪽 밑부분에 있는 Porosity에 대한 결함파형을 나타낸 그림이다. 여기에서는 결함입자들이 미세하게 분포되어 있어파가 분산되어 결함에코가 크게 나타나지 않으므로 계인을 7dB 높여 결함에 대한 초음파 탐상시험을 하였으며, 60°의 탐촉자를 사용하여 두께가 16mm, 결함까지의 직선거리가 16.69mm, 빔 경로가 18mm이고, 결함이 용접부의 중앙에 홀어져 있어서 빔 경로의 두배보다 적온 29.6mnr게서 결함이 검출됨을 알 수 있었다. Fig.
- 여기에서는 용접비드로 인해 바로 초음파를 주사할 수가 없기 때문에 빔 경로의 3배인 1.5Skip 법을 사용하였으며, 시험결과에서 알 수 있듯이 36.9mm에서 결함이 검출되었고, 다른 결함의 형상에 비하여 결함이 차지하는 체적이 커서 결함 파형 또한 뚜렷하게 나타남을 알 수 있었으며, 결함 파형 끝의 모양이 뾰족하지 않온 것으로 보아, 결함의 모양 또한 어떤 일정한 체적을 가진 결함임을 확인할 수가 있었다. Fig.
- 위의 실험결과에서 볼 수 있는 것처럼 Porosity 의 경우에 있어서도 Pulseecho법에 의한 결함 파형이나 TOFD법에 의한 결함파형 모두 결함의 모양과 크기를 구별하기가 힘들다는 것을 알 수 있었다.
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