[논문]이종 접합부재의 두께 변화에 따른 초음파 산란 보정에 의한 계면균열 길이의 측정

정남용

[국내논문] 이종 접합부재의 두께 변화에 따른 초음파 산란 보정에 의한 계면균열 길이의 측정
Measurement of Interfacial Crack Length by Ultrasonic Scattering Compensation Depending on Thickness Variations of Bonded Dissimilar Components 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.14 no.2, 2006년, pp.67 - 75

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In this paper, the compensation of ultrasonic scattering on interface crack depending on thickness variations of A1/Epoxy bonded dissimilar components was applied to improve measuring accuracy by using ultrasonic attenuation coefficient. The optimum conditions of theoretical value and experimental measuring accuracy by the ultrasonic method in A1/Epoxy bonded dissimilar components have been investigated. From the experimental results, the measurement method of interfacial crack lengths by using ultrasonic attenuation coefficient was proposed and discussed. After the ultrasonic scattering compensation depending on thickness variations of bonded dissimilar components was carried out, the measuring accuracy of interfacial crack length was improved by 5%.

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문제 정의

또한, 유도된 음압통과율 식과 이종 접합부재의 두께 변화에 따른 계면균열에 대한 초음파 산란·보정을 검토한 후, 음압 감소에 따른 초음파 탐상에 의한 산란 보정 방법과 계면균열의 측정방법을 제시하고자 한다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 알루미늄 합금(Al5052)과 에폭시 수지(Epoxy resin)를 몰딩 접합(Al/Epoxy)시킨 이종 접합부재의 DCB(double-cantilever beam) 시험편을 제작하였다. 접촉매질, 접합체와 접착층으로 조합된 4 개 층에 대한 음압 통과율 식을 유도하여 계면균열에 대한 초음파 산란의 영향 인자를 도출한다. 또한, 유도된 음압통과율 식과 이종 접합부재의 두께 변화에 따른 계면균열에 대한 초음파 산란·보정을 검토한 후, 음압 감소에 따른 초음파 탐상에 의한 산란 보정 방법과 계면균열의 측정방법을 제시하고자 한다.
이종 접합부재의 두께 변화에 따른 초음파 산란보정에 의한 계면균열 길이를 측정하기 위하여 Fig. 1과 같은 형상 및 치수로 시험편을 제작하였다. 접합체는 균질재로 알루미늄 합금(Al5052)과 에폭시 수지(Cemedine 1500)를 사용하고, 균열의 길이 a=10 ~ 90 mm 범위에서 임의의 길이로 변화시키고, 전체 길이 L=135 mm로 하였다.
알루미늄 판재를 소정의 치수로 밀링가공하고, 접합 부위를 #220의 샌드페이퍼로 연마한 후 아세톤으로 세척하였다. 에폭시 수지는 노 내의 온도가 158℃에서 주제인 아랄다이트(Araldite : Ciba사)를 별도로 용해하여 주제와 경화제를 10:3의 중량비로 혼합한 후 알루미늄 합금의 접합체와 몰딩하여 이종 접합부재의 시험편을 제작하였다.
05 mm/min으로 하였다. 하중-하중점 변위선 도는 X-Y 레코더로 기록하였고, 하중점의 변위는 클립 게이지를 사용하여 측정하였다. 각 시험편의 계면균열 길이에 대한 초음파 에코를 측정하여 감쇠계수를 구하였다.
하중-하중점 변위선 도는 X-Y 레코더로 기록하였고, 하중점의 변위는 클립 게이지를 사용하여 측정하였다. 각 시험편의 계면균열 길이에 대한 초음파 에코를 측정하여 감쇠계수를 구하였다. 초음파 탐상기(Sitescan 240)와 탐촉자는 진동자의 지름이 각각 5 mm와 10 mm이고, 주파수는 4 MHz인 수직탐촉자를 사용하였다.
탐상감도는 BS(British Standard) 블록 A4 대비시험편을 사용하여 감도를 80%로맞추고, 접촉매질은 글리세린을사용하였다. 이때 수직탐상에 의해 접합체 및 계면균열에서 발생하는 초음파 산란은 초기음압 즉, 대비시험편에서의 음압과 탐상에서 발생하는 음압의 차를 계산하고, 각각의 계면균열에서 발생하는 초음파 산란 및 보정을 비교하였다.
이종 접합부재에 대한 음압통과율의 식을 유도하고, 계면균열의 초음파 탐상에 대한 특성을 검토한 후, 이종 접합체의 두께 변화에 따른 초음파 산란 보정 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 이종 접합부재의 계면에 대한 초음파 탐상 특성에 영향을 미치는 인자로는 음향 임피던스, 접합체의 종류, 주파수 등이 있고, 이들을 토대로 음향 임피던스 비의 변화에 따른 음압통과율 및 주파수의 상호관계를 파악하였다.

대상 데이터

따라서 본 연구에서는 알루미늄 합금(Al5052)과 에폭시 수지(Epoxy resin)를 몰딩 접합(Al/Epoxy)시킨 이종 접합부재의 DCB(double-cantilever beam) 시험편을 제작하였다. 접촉매질, 접합체와 접착층으로 조합된 4 개 층에 대한 음압 통과율 식을 유도하여 계면균열에 대한 초음파 산란의 영향 인자를 도출한다.
1과 같은 형상 및 치수로 시험편을 제작하였다. 접합체는 균질재로 알루미늄 합금(Al5052)과 에폭시 수지(Cemedine 1500)를 사용하고, 균열의 길이 a=10 ~ 90 mm 범위에서 임의의 길이로 변화시키고, 전체 길이 L=135 mm로 하였다. 시험편 재료의 물성치 및 초음파 특성은 각각 Table 1과 Table 2에 나타내었다.
각 시험편의 계면균열 길이에 대한 초음파 에코를 측정하여 감쇠계수를 구하였다. 초음파 탐상기(Sitescan 240)와 탐촉자는 진동자의 지름이 각각 5 mm와 10 mm이고, 주파수는 4 MHz인 수직탐촉자를 사용하였다. 탐촉자의 이동은 1/1000 mm까지 측정이 가능한 이동식 현미경을 사용하였다.
초음파 탐상기(Sitescan 240)와 탐촉자는 진동자의 지름이 각각 5 mm와 10 mm이고, 주파수는 4 MHz인 수직탐촉자를 사용하였다. 탐촉자의 이동은 1/1000 mm까지 측정이 가능한 이동식 현미경을 사용하였다. 탐상감도는 BS(British Standard) 블록 A4 대비시험편을 사용하여 감도를 80%로맞추고, 접촉매질은 글리세린을사용하였다.
탐촉자의 이동은 1/1000 mm까지 측정이 가능한 이동식 현미경을 사용하였다. 탐상감도는 BS(British Standard) 블록 A4 대비시험편을 사용하여 감도를 80%로맞추고, 접촉매질은 글리세린을사용하였다. 이때 수직탐상에 의해 접합체 및 계면균열에서 발생하는 초음파 산란은 초기음압 즉, 대비시험편에서의 음압과 탐상에서 발생하는 음압의 차를 계산하고, 각각의 계면균열에서 발생하는 초음파 산란 및 보정을 비교하였다.

성능/효과

8) 접합체의 비가 h2/h3 1 인 경우 접합체 두께의 영향으로 h2/h3 = 1 을 기준으로 좌우의 초음파 감쇠계수와 에너지 방출률 G는 감소한다.
초음파 산란을 보정하기 전에는 CCD 카메라에 의해 측정된 실제균열의 길이보다 과소평가되었고, 보정후에는 실제 균열길이와 5% 이내의 정밀도로 잘 일치하였다. 따라서 이종 접합부재에 대한 초음파 산란을 보정을 한 후 계면균열의 길이를 측정한 결과는 보정하기 전보다 탐상 정밀도가 5% 향상되었다.
2) 이종 접합부재는 음향 임피던스의 차로 인해 높은 주파수 범위에서는 산란이 크기 때문에 주파수 영역을 2～4 MHz로 설정하는 것이 초음파 탐상의 산란을 보정하는 최적 조건으로 된다.
3) 이종 접합부재의 두께 비에 따른 산란계수는 접합체의 두께 비 h₂/h₃ = 1 를 기준으로 좌우로 증가, 또는 감소하고, 이러한 현상을 이용하여 접합체의 두께 비에 따른 초음파 산란 보정 방법을 제시하였다.
4) 이종 접합부재의 두께 변화에 따른 초음파 산란보정 값을 초음파 탐상에 적용하면 분해능이 향상되고, 보정후의 측정 정밀도는 보정 전보다 5% 향상된다.
5) 이종 접합부재에 대한 초음파 감쇠계수의 측정이 가능하다면, 이것에 상응하는 계면균열 길이를 예측할 수있는 방법을 제시하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이종재료의 접합계면은 어떤 영향을 미치는가?	신소재의 개발과 함께 재료를 특수한 목적에 사용하기 위하여 세라믹/금속 접합을 비롯하여 수지/금속 접합, 반도체 패키지, 브레이징, 마찰용접, 납땜, 그리고 코팅 등과 같이 이종재료를 접합한 이종 접합부재의사용이각종산업분야에서활용되고있어 이들 제품의 안전성을 확보하기 위한 비파괴검사의 필요성이 대두되고 있다. 특히 이종재료의 접합계면은 재료의 성질 및 형상의 특이성으로 인하여 응력 집중이 발생하여 강도저하는 물론, 계면균열이 발생하여 파단에 이르게 된다.
	접합계면의 미시적 구조의 복잡성과 계면 특성으로 인하여 이종 접합부재에 대한 계면균열을 정밀도 높게 측정하기 위해 중요한 것은 무엇인가?	이러한 접합계면의 미시적 구조의 복잡성과 계면 특성으로 인하여 이종 접합부재에 대한 계면균열을 정밀도 높게 측정하기 위해서는 접합계면의 초음파 산란보정은 매우 중요하다.1-8)
	이종 접합부재에 대한 음압통과율의 식을 유도하고, 계면균열의 초음파 탐상에 대한 특성을 검토한 후, 이종 접합체의 두께 변화에 따른 초음파 산란 보정 실험을 하였다, 이를 통해 얻은 결론은 무엇인가?	1) 이종 접합부재의 계면에 대한 초음파 탐상 특성에 영향을 미치는 인자로는 음향 임피던스, 접합체의 종류, 주파수 등이 있고, 이들을 토대로 음향 임피던스 비의 변화에 따른 음압통과율 및 주파수의 상호관계를 파악하였다. 2) 이종 접합부재는 음향 임피던스의 차로 인해 높은 주파수 범위에서는 산란이 크기 때문에 주파수 영역을 2～4 MHz로 설정하는 것이 초음파 탐상의 산란을 보정하는 최적 조건으로 된다. 3) 이종 접합부재의 두께 비에 따른 산란계수는 접합체의 두께 비 h2/h3 = 1 를 기준으로 좌우로 증가, 또는 감소하고, 이러한 현상을 이용하여 접합체의 두께 비에 따른 초음파 산란 보정 방법을 제시하였다. 4) 이종 접합부재의 두께 변화에 따른 초음파 산란보정 값을 초음파 탐상에 적용하면 분해능이 향상되고, 보정후의 측정 정밀도는 보정 전보다 5% 향상된다. 5) 이종 접합부재에 대한 초음파 감쇠계수의 측정이 가능하다면, 이것에 상응하는 계면균열 길이를 예측할 수있는 방법을 제시하였다.

참고문헌 (10)

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Z. Derouiche, C. Dlebarre, 'Ultrasonic Characterization of Heterogeneous Materials Using a Stochastic Approach,' J. Acoust. Soc. Am., Vol.97, No.4, pp.2304-2315, 1995

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N. Y. Chung and S. I. Park, 'Measurement of Interfacial Crack Length by Ultrasonic Attenuation Coefficients on Adhesively Bonded Components,' Transactions of KSAE, Vol. 12, No.1, pp.130-137, 2004
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S. J. Song, J. U. Choe and H. J. Kim, 'A Study on Elastic Wave Propagation for Nondestructive Evaluation of Composite Structures- An Experimental Approach,' Trans. of KSME, Vol.22, No.6, pp.978-989, 1998
N. Y. Chung and S. I. Park, 'Detection of Interfacial Crack Length by Using Ultrasonic Attenuation Coefficients on Adhesively Bonded Joints,' Int. J. Automotive Technology, Vol.5, No.4, pp.303-309, 2004

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N. N. Kishore, I. Sridhar and N. G. R. Iyengar, 'Finite Element Modelling of the Scattering of Ultrasonic Waves Isolated Flaws,' NDT&E International, Vol.33, No.5, pp.297-305, 2000

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P. Wilcox, M. Lowd and P. Cawley, 'The Effect of Dispersion on Long range Inspection Using Ultrasonic Guided Waves,' NDT&E Int., Vol.34, pp.1-9, 2001

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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