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문제 정의
- 본 연구진은 선행연구에서 표면파의 음향비선형성 발생 메커니즘과 그 특성에 대해 규명한 바 있으며, 전파거리에 따른 감쇠의 영향을 극복하기 위한 방법을 제시하고 타당성을 검증한 바 있다[2]. 이 논문에서는 표면파 비선형 특성을 재료 표면 열화에 대한 비파괴평가의 수단으로 활용하기 위해 선행연구로부터 도출된 비선형 파라미터를 정량적 평가 수단으로 도입하였으며, 이를 측정하기 위한 측정 시스템을 접촉식 탐촉자를 이용하여 구축하였다.
- 이 연구에서는 표면파의 비선형특성을 이용하여 3점 굽힘 피로시험에 의해 표면에 피로열화를 가한 알루미늄 T6 시편의 표면 열화를 평가하는 연구를 수행하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 다음으로 앞 절에서 확인한 비선형 파라미터의 변화 추세와 표면 열화도의 상관 관계를 재확인하기 위해 동일 재질과 크기의 피로를 가하지 않은 시편에 대해서도 같은 실험을 진행하였다. 실험은 2회 반복하였으며, 그 평균값을 구하여 두 시편에서의 결과를 비교하였다.
- 실험에 앞서 수치해석을 통해 피로시험으로 인해 발생한 표면 피로 손상분포를 예측하였으며, 측정된 비선형 파라미터의 분포와 비교하였다. 또한, 초기 상태와의 비교를 위해 동일한 재질과 크기의 피로를 가하지 않은 시편에 대해서도 비선형 파라미터의 분포를 측정하여 비교하였다.
- 3에 나타내었다. 송신 파형은 핸닝 윈도(hanning window)로 변조한 1.5 MHz 톤버스트 신호를 이용하였고, 버스트의 길이는 10주기로 하였다.
- 신호발생기로부터 발생된 신호를 게이트 증폭기(gate amplifier-Ritec GA2500)를 이용하여 증폭시켜 발신 탐촉자로 송신한다. 수신신호는 펄서/리시버(pulser/receiver-Panametrics 500PR)를 이용해 증폭시킨 후 디지털 오실로스코프 (Lecroy WS452)에서 A/D 변환되고 컴퓨터에서 주파수 분석되었다.
- 2와 같이 구성하였다. 신호발생기로부터 발생된 신호를 게이트 증폭기(gate amplifier-Ritec GA2500)를 이용하여 증폭시켜 발신 탐촉자로 송신한다. 수신신호는 펄서/리시버(pulser/receiver-Panametrics 500PR)를 이용해 증폭시킨 후 디지털 오실로스코프 (Lecroy WS452)에서 A/D 변환되고 컴퓨터에서 주파수 분석되었다.
- 시편으로는 알루미늄 6061 T6 합금 블록을 사용하였으며, 3점 굽힘 피로시험을 이용하여 표면에 집중적인 피로손상을 가하였다. 실험에 앞서 수치해석을 통해 피로시험으로 인해 발생한 표면 피로 손상분포를 예측하였으며, 측정된 비선형 파라미터의 분포와 비교하였다. 또한, 초기 상태와의 비교를 위해 동일한 재질과 크기의 피로를 가하지 않은 시편에 대해서도 비선형 파라미터의 분포를 측정하여 비교하였다.
- 한편 탐촉자 간격을 작게 하면 앞 절에서 언급한 바와 같이 건전부위와 열화손상 부위가 과다하게 중첩 평균화되는 것을 억제할 수 있어 보다 세밀한 비선형 파라미터의 변화를 관측할 수 있을 것으로 기대된다. 여기서는 이를 검증하기 위하여 탐촉자 간 간격을 50 mm와 20 mm의 두 경우로 한 실험을 실시하여 그 결과를 함께 비교하였다. Fig.
- 주파수 분석에서는 퓨리에 변환(FFT)을 이용하여 기본파 성분의 진폭과 2차 고조파 성분의 진폭을 측정하여 비선형 파라미터 β’을 계산하였다.
- 5와 같은 3점 굽힘 피로시험을 시행하였다. 피로시험에서는 두 개의 롤러로 지지된 시편의 반대쪽에서 반복적으로 하중을 가하여 표면 중앙부에 집중적인 피로를 발생시켰으며, 13 kN의 하중을 응력비 0.1로 1000만회 반복 인가하였다. 여기서 1000만회의 피로는 동일한 조건의 다른 시편에 대한 시험결과 시편에 외형적 변형이 시작되기 직전에 해당하는 것으로 나타났다.
- 한편 하중을 가하는 면은 롤러와의 접촉으로 인해 표면이 손상되어 비선형 파라미터 검출 실험에 사용할 수 없었고, 따라서 인장력이 발생하는 아랫면에 대해서만 비선형 파라미터 측정 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 시편으로는 330 mm×30 mm×20 mm의 알루미늄 6061 T6 블록을 사용하였다.
- 시편으로는 알루미늄 6061 T6 합금 블록을 사용하였으며, 3점 굽힘 피로시험을 이용하여 표면에 집중적인 피로손상을 가하였다. 실험에 앞서 수치해석을 통해 피로시험으로 인해 발생한 표면 피로 손상분포를 예측하였으며, 측정된 비선형 파라미터의 분포와 비교하였다.
- 탐촉자는 웨지결합형 원형 탐촉자를 사용 하였으며, 발신에 1.5 MHz, 수신에 3.5 MHz 의 탐촉자를 사용하였다. 탐촉자와 웨지의 결합 및 입사 임계각을 Fig.
데이터처리
- 다음으로 앞 절에서 확인한 비선형 파라미터의 변화 추세와 표면 열화도의 상관 관계를 재확인하기 위해 동일 재질과 크기의 피로를 가하지 않은 시편에 대해서도 같은 실험을 진행하였다. 실험은 2회 반복하였으며, 그 평균값을 구하여 두 시편에서의 결과를 비교하였다. 그 결과를 Fig.
성능/효과
- 이 때 탐촉자의 간격은 50 mm로 고정되었다. 기본 주파수 성분인 1.5 MHz와 2차 고조파 성분인 3 MHz가 잘 검출되고 있음을 확인할 수 있다.
- 수치해석을 통해 3점 굽힘 피로시험이 시편 표면 중앙부에 응력 집중 및 피로손상의 집중을 발생시킬 것을 예상하였으며, 이 부근의 비선형 파라미터의 변화를 측정한 결과 중앙부에서 크게 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또 피로를 가하기 전의 시편에서는 위치에 무관하게 균일한 값의 비선형 파라미터가 측정되었으나 피로를 가한 시편에서는 손상이 집중된 중앙부에 가까워질수록 비선형 파라미터가 증가하였으며 이는 수치해석에서 예상한 손상의 분포경향과 일치하였다.
- 반면 피로를 가한 시편과 가하지 않은 시편에서의 결과를 비교하면, 피로손상이 집중된 중앙부에서 비선형 파라미터의 뚜렷한 차이를 볼 수 있으며, 이로써 측정된 비선형 파라미터가 표면열화 손상과 강한 상관성이 있음을 재확인할 수 있다.
- 수치해석을 통해 3점 굽힘 피로시험이 시편 표면 중앙부에 응력 집중 및 피로손상의 집중을 발생시킬 것을 예상하였으며, 이 부근의 비선형 파라미터의 변화를 측정한 결과 중앙부에서 크게 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또 피로를 가하기 전의 시편에서는 위치에 무관하게 균일한 값의 비선형 파라미터가 측정되었으나 피로를 가한 시편에서는 손상이 집중된 중앙부에 가까워질수록 비선형 파라미터가 증가하였으며 이는 수치해석에서 예상한 손상의 분포경향과 일치하였다.
- 1로 1000만회 반복 인가하였다. 여기서 1000만회의 피로는 동일한 조건의 다른 시편에 대한 시험결과 시편에 외형적 변형이 시작되기 직전에 해당하는 것으로 나타났다.
- 이상의 결과로부터 표면파의 음향비선형 특성을 이용한 재료 표면의 피로열화평가의 가능성을 검증할 수 있었다.
- 9(b)의 피로를 가한 시편에 대한 결과를 비교하면 송, 수신 간격을 좁게 하여 측정 구간을 세분화한 경우에 있어 열화 부위와 건전 부위에 대해 보다 확연한 차이를 관찰할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 탐촉자 간격을 20 mm로 한 경우 손상이 집중된 중앙부에서 비선형 파라미터의 크기가 더 크게 나타났으며, 시편의 중앙부에 가까워질수록 비선형 파라미터가 점진적으로 증가하는 경향도 뚜렷하다.
후속연구
- 기존의 탄성파의 비선형 특성은 초음파 중에서도 벌크파(bulk wave)를 이용한 기법에서 주로 사용되어져 왔다. 그러나 구조재의 열화가 대부분 재질 표면에서부터 발생된다는 점을 감안하였을 때, 표면파의 비선형 특성과 재료 표면의 열화 정도의 상관관계에 대해 규명하고 현장 적용을 위한 평가기법을 개발하는 연구가 필수적이라 할 수 있다.
- 만일 매우 국부적인 열화손상을 평가하고자 한다면 표면파의 전파거리를 짧게 해야 된다. 다만, 표면파의 비선형성에 의해 발생하는 고조파의 크기는 전파거리에 비례하므로 전파거리가 너무 짧아질 경우 발생하는 고조파의 크기가 작아지게 되고, 따라서 이를 정밀하게 검출하기 위한 고감도 측정기법이 요구될 것이다.
- 한편 탐촉자 간격을 작게 하면 앞 절에서 언급한 바와 같이 건전부위와 열화손상 부위가 과다하게 중첩 평균화되는 것을 억제할 수 있어 보다 세밀한 비선형 파라미터의 변화를 관측할 수 있을 것으로 기대된다.
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