[논문]비선형 초음파공명 특성을 이용한 미세균열 탐지

정용무; 이덕현

doi:10.7779/jksnt.2012.32.4.369

[국내논문] 비선형 초음파공명 특성을 이용한 미세균열 탐지
Detection of Micro-Crack Using a Nonlinear Ultrasonic Resonance Parameters 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.32 no.4 = no.132, 2012년, pp.369 - 375

정용무 (한국원자력연구원 원자력재료개발부) , 이덕현 (한국원자력연구원 원자력재료개발부)

초록
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기존 비파괴평가 기술의 결함 탐지 한계를 극복하기 위하여 비선형 초음파공명 특성을 이용한 미세 균열 진단 기술을 개발하였다. 가진 전압에 따른 초음파공명 주파수의 천이현상과 정규화 공명 진폭 감소 현상을 비선형 초음파공명 특성 파라미터로 제안하였으며 이를 실험적으로 확인하였다. CT 시편에 피로시험을 통하여 미세한 자연 균열을 생성하였으며 피로 사이클 단계마다 초음파공명주파수와 정규화 공명진폭의 변화를 측정하였다. 무결함 또는 10 ${\mu}m$ 정도의 매우 미세한 균열이 존재하는 시편에서는 초음파공명 주파수 천이현상이나 정규화 공명 진폭의 변화가 나타나지 않는 반면에 30 ${\mu}m$급 이상의 미세 균열 시편에서는 균열 크기가 증가함에 따라 초음파공명주파수의 천이 현상이나 정규화 공명 진폭의 감소량이 증가함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to overcome the detection limit by the current nondestructive evaluation technology, a nonlinear resonant ultrasound spectroscopy(NRUS) technique was applied for detection of micro-scale cracks in a material. A down-shift of the resonance frequency and a variation of normalized amplitude of the resonance pattern were suggested as the nonlinear parameter for detection of micro-scale cracks in a materials. A natural-like crack were produced in a standard compact tension(CT) specimen by a low cycle fatigue test and the resonance patterns were acquired in each fatigue step. As the exciting voltage increases, a down-shift of resonance frequency were increases as well as the normalized amplitude decrease. This nonlinear effects were significant and even greater in the cracked specimen, but not observed in a intact specimen.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

여기서 건전한 시편은 대체로 선형적 특성을 나타내기 때문에 결함을 수동적 산란체로 간주하는데 반해 비선형 초음파 방법에서는 결함을 능동적인 파형 발생 원인으로 간주하여 결함에 민감한 장치가 가능하며 비선형 특성을 측정하여 미세결함 여부를 탐지할 수 있다[8]. 본 논문에서는 균열에 의해 유발되는 비선형 특성을 공명 주파수 패턴 분석을 통해 미세균열에 민감한 비선형 파라미터를 추출하고 이를 통한 결함 탐지 한계를 측정하고자 하였다. 1/2 CT(compact tension) 시편을 준비하여 인장시험기에서 피로균열을 생성하였으며 피로균열의 크기와 비선형 특성 파라미터를 연관지음으로써 전통적인 초음파탐상검사법보다 우수한 결함 탐지 능력을 확인할 수 있었다.
본 실험 결과에 따라 결함을 함유한 시편에서 초음파공명 패턴은 가진 전압을 증가시킴에 따라 공명주파수가 낮아지고 정규화 공명신호 진폭이 감소하는 현상을 확인하였으며 이를 미세결함 탐지를 위한 비선형 특성 파라미터로 제안하고자 한다.

제안 방법

2~3 참조). 가진 전압을 2 V 부터 140 V까지 변화시키면서 공명 스펙트럼을 수집하였으며 전압 변화에 따른 변화를 비교하기 위해 수집된 스펙트럼은 가진 전압 1 V를 기준으로 정한 정규화 신호 패턴을 작성하여 한 화면에 표시하였다.
각 피로시험 단계마다 생성된 균열 크기를 측정하기 위해 heat tinting 방법을 적용하여 파면 색깔을 변화시켰으며 최종적으로 피로 사이클 120,000번 가한 후 파면을 관찰하기 위해 파괴하였다. 파면의 주사현미경 사진을 Fig.
또한 실험 도중에 영향을 주는 외부 진동, 온도 변화, 심지어 실험자의 호흡에 따른 공기 흐름도 차단하기 위해 시편을 이중 챔버 안에 설치하고 치과용 실로 매달아서 초음파공명 스펙트럼을 수집하였다. 챔버 내에 일정한 온도를 유지하기 위해 온도는 dummy 시편에 부착된 thermo-couple로 측정하여 온도 변화가 ±0.
미세균열에 대한 비선형초음파 파라미터를 추출하기 위해 자연균열에 가까운 시편을 제작하였다. 실제 원자로 재료로 사용되는 SA 508 - Gr.
요구되는 초음파를 가진하기 위한 파워앰프와 주파수 주사 기능을 갖춘 디지털화 초음파공명분광시스템을 사용하여 다양한 가진진폭에 따른 공명스펙트럼을 수집, 분석하였다(Figs. 2~3 참조). 가진 전압을 2 V 부터 140 V까지 변화시키면서 공명 스펙트럼을 수집하였으며 전압 변화에 따른 변화를 비교하기 위해 수집된 스펙트럼은 가진 전압 1 V를 기준으로 정한 정규화 신호 패턴을 작성하여 한 화면에 표시하였다.
자연적인 닫힌 균열을 생성시키기 위해서 인스트론 만능시험기에서 저주파 피로시험을 수행하였으며 피로 사이클은 각각 10 Hz 주기로 N =20,000, 40,000, 60,000 및 120,000번 실시하여 각 단계마다 초음파 공명분광스펙트럼을 측정하였다. 피로 시험 파라미터는 Table 2에 보인 바와 같다.
챔버 내에 일정한 온도를 유지하기 위해 온도는 dummy 시편에 부착된 thermo-couple로 측정하여 온도 변화가 ±0.1℃ 이내를 유지하도록 하였다.
비선형초음파공명분광법을 적용하여 미세균열을 진단코자 하였다. 특정한 비선형 파라미터, 즉 가진 진폭이 변화함에 따른 초음파공명주파수의 천이와 정규화 공명 패턴의 변화가 미세균열 탐지에 민감함을 발견하여 이를 통한 미세균열의 탐지계를 확인코자 자연균열을 함유한 CT 시편에 대한 실험을 수행하였다.

대상 데이터

3 재료를 사용하여 표준 1/2T-1T CT(compact tension) 표준시험편(63.5 mm × 61 mm × 12.72 mm)을 Fig. 1과 같이 제작하였다.

이론/모형

비선형초음파공명분광법을 적용하여 미세균열을 진단코자 하였다. 특정한 비선형 파라미터, 즉 가진 진폭이 변화함에 따른 초음파공명주파수의 천이와 정규화 공명 패턴의 변화가 미세균열 탐지에 민감함을 발견하여 이를 통한 미세균열의 탐지계를 확인코자 자연균열을 함유한 CT 시편에 대한 실험을 수행하였다.

성능/효과

본 논문에서는 균열에 의해 유발되는 비선형 특성을 공명 주파수 패턴 분석을 통해 미세균열에 민감한 비선형 파라미터를 추출하고 이를 통한 결함 탐지 한계를 측정하고자 하였다. 1/2 CT(compact tension) 시편을 준비하여 인장시험기에서 피로균열을 생성하였으며 피로균열의 크기와 비선형 특성 파라미터를 연관지음으로써 전통적인 초음파탐상검사법보다 우수한 결함 탐지 능력을 확인할 수 있었다.
15 μm 정도의 미세 균열이 존재하는 CT 시편의 경우 초음파공명주파수의 천이현상이 거의 나타나지 않았고, 즉 선형 특성만이 나타났으나 30 μm 이상의 미세균열 상태에서도 초음파공명주파수의 천이 현상이 나타나기 시작하여 균열 길이가 증가할수록 이러한 현상은 증가하였다.
이러한 음향 비선형성을 초래하는 원인으로는 1) 시편 내부에 존재하는 뷸균일성, 즉 균열, 박리 등의 결함, 2) 입계 접촉의 불완전성, 3) 결정 격자 구조의 불균일성 또는 원자포텐셜의 비대칭성, 4) 원자 단위에서의 불균일성, 즉 전위, 석출물 등에 의한 미세 응력 분포의 불균일성 등이 있다. 재료의 열화나 손상에 의해 가장 먼저 나타나는 미세균열은 시편의 초음파공명 스펙트럼에 영향을 주기는 하나 그 크기가 매우 작아서 기본 스펙트럼 속에 묻혀버리기 때문에 표준화된 선형 초음파 공명분광법으로는 구분하기 어렵다.
또한 본 실험 결과에서 보듯이 비선형초음파공명 특성을 이용하면 수십 μm급의 미세 균열 탐지가 가능함을 확인하였으며 이는 일반적인 초음파 검사법에 의한 균열 탐지 한계 0.1 ∼ 1.0 mm를 능가하는 미세 균열 탐지 방법으로 볼 수 있다.
이후 균열 길이가 증가하여 100 μm ∼ 1 mm급으로 성장함에 따라 초음파공명 패턴은 확연한 초음파공명 주파수 천이 현상과 정규화 초음파공명 진폭의 감소 현상을 뚜렷이 확인할 수 있었다(Fig.

후속연구

가진 전압을 증가시킴에 따라 초음파공명주파수가 변화하는 공명주파수 천이현상과 정규화 초음파 진폭이 감소하는 현상을 새로운 비선형 초음파 파라미터로 제안하였으며 앞으로 추가 연구를 통하여 이러한 비선형 초음파 파라미터와 균열 크기와의 관계를 정량화하여 현재 비파괴검사 기술의 결함 탐지 한계를 극복하고 닫힌 균열을 탐지하는 비파괴특성평가기술로 개발할 예정이다.
여기서 미세손상 정도 또는 균열 크기가 클수록 비선형성이 커지므로 이러한 현상을 미세균열 진단에 활용할 수 있다[10]. 반면에 미세손상이나 미세균열이 없는 건전한 재료에 대해서는 이러한 비선 형성이 나타나지 않고 오직 선형적인 관계가 나타나므로 이러한 특성을 이용하면 미세 손상 또는 균열의 존재 여부를 판단할 수 있을 것이다.
앞으로 보다 다양한 결함 시편에 대한 정량적인 연구를 통하여 공명주파수 천이현상과 미세균열 크기를 정량화할 필요가 있으며 주파수 천이 크기와 정규화 공명 신호 진폭을 연계하여 미세균열 탐지 한계를 대폭 낮추고 이를 통한 열화손상의 조기진단 기술 개발에 기여하고자 한다.
따라서 이러한 문제점을 개선하기 위한 방법의 하나로 재료 내에 초음파 비선형 특성을 이용하여 미세균열 또는 결함을 탐지/진단하는 비파괴검사 기술이 개발되고 있다[1-6]. 종래의 비파괴검사에서의 결함 탐지 한계보다 작은 결함을 탐지하는 조기진단 기술이 가능하다면 구조물의 안전성 향상은 물론 수명 연장에도 도움을 줄 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미세균열을 비파괴적으로 조기에 탐지하는 것이 매우 중요한 이유는?	구조물의 수명 연장과 신뢰도 향상을 위해 미세균열을 비파괴적으로 조기에 탐지하는 것은 매우 중요하다. 그러나 현존하는 비파괴평가기술인 초음파탐상기술, 방사선투과검사기술, 또는 와전류탐상기술로 탐지할 수 있는 최소 결함 크기는 대체로 0.
	현존하는 비파괴평가기술들의 문제점을 개선하기 위한 시도는?	1 ~ 1 mm 정도로 이러한 탐지 한계로 인하여 대부분의 구조물은 그 수명이 절반 이상 지난 후에 발견되는 것이 일반적이다. 따라서 이러한 문제점을 개선하기 위한 방법의 하나로 재료 내에 초음파 비선형 특성을 이용하여 미세균열 또는 결함을 탐지/진단하는 비파괴검사 기술이 개발되고 있다[1-6]. 종래의 비파괴검사에서의 결함 탐지 한계보다 작은 결함을 탐지하는 조기진단 기술이 가능하다면 구조물의 안전성 향상은 물론 수명 연장에도 도움을 줄 것이다.
	전통적인 초음파검사법에서 결함을 탐지하는 방법은?	전통적인 초음파검사법에서는 단일 주파수 초음파를 가진하여 결함에서 산란, 반사 및 굴절되는 신호의 진폭과 위상의 변화를 이용하여 결함을 탐지한다. 이러한 방식은 초음파의 선형 특성에 기초한 결함 탐지 방법으로써 고전적 관점에서 결함의 크기가 λ/2 (λ = 초음파 파장) 이상이라야 탐지 가능하다는 한계를 가질 수밖에 없다.

참고문헌 (10)

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K. E.-A. Van den Abeele, J. Carmeliet, J. A. Tencate and P. A. Johnson, "Nonlinear elastic wave spectroscopy(NEWS) techniques to discern material damage, part II: single-mode nonlinear resonance acoustic spectroscopy," Research Nondestructive Evaluation, Vol. 12, pp. 31-42 (2000)

상세보기
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Yong-Moo Cheong and M. K. Alam, "Feasibility of nonlinear resonant ultrasound spectroscopy(NRUS) for diagnosis of microcrakcs," Trans. Korean Nuclear Soc. Spring Meeting, Jeju Korea (2009)

저자의 다른 논문 :

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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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