본 연구에서는 고출력 레이저를 재료 표면에 조사하였을 때 나타나는 어블레이션 현상에 의한 레이저 초음파의 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 분석하였다. 레이저 초음파 기법은 비파괴검사 분야에서 기존의 접촉식 초음파 기법을 적용하기 어려운 환경요인(고온 등)을 극복할 수 있는 장점들을 가지고 있다. 특히, 어블레이션 영역에서는 종파의 신호 세기 및 직진성이 강하므로, 투과 및 반사 신호를 통한 내부결함 검사법으로 활용하기 적합하다. 본 논문에서는 유한요소해석을 통해 어블레이션 영역에서의 레이저 초음파의 발생 및 전파를 해석하였다. 그리고 개발된 유한요소해석 모델을 활용해 결함모사시편을 대상으로 B-Scan을 수행한 결과, 실험 결과와 동일하게 나타나는 것을 확인하였고, 이로부터 개발된 해석모델의 타당성을 검증할 수 있었다.
본 연구에서는 고출력 레이저를 재료 표면에 조사하였을 때 나타나는 어블레이션 현상에 의한 레이저 초음파의 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 분석하였다. 레이저 초음파 기법은 비파괴검사 분야에서 기존의 접촉식 초음파 기법을 적용하기 어려운 환경요인(고온 등)을 극복할 수 있는 장점들을 가지고 있다. 특히, 어블레이션 영역에서는 종파의 신호 세기 및 직진성이 강하므로, 투과 및 반사 신호를 통한 내부결함 검사법으로 활용하기 적합하다. 본 논문에서는 유한요소해석을 통해 어블레이션 영역에서의 레이저 초음파의 발생 및 전파를 해석하였다. 그리고 개발된 유한요소해석 모델을 활용해 결함모사시편을 대상으로 B-Scan을 수행한 결과, 실험 결과와 동일하게 나타나는 것을 확인하였고, 이로부터 개발된 해석모델의 타당성을 검증할 수 있었다.
In the present study, the characteristics of laser ultrasound in the ablation regime are investigated using simulations and experiments. The laser ultrasonic technique has been recognized as a noncontact method in the field of nondestructive tests (NDTs). In hostile environments (such as hot tempera...
In the present study, the characteristics of laser ultrasound in the ablation regime are investigated using simulations and experiments. The laser ultrasonic technique has been recognized as a noncontact method in the field of nondestructive tests (NDTs). In hostile environments (such as hot temperatures), this method has various advantages over the conventional contact ultrasonic method. In particular, in the ablation regime, the laser ultrasonic technique is suitable for inspecting internal defects because of the high amplitude and directivity of the longitudinal wave. In this paper, a simulation model for laser ultrasound in the ablation regime was developed. This model was subsequently applied to a defective specimen using the B-scan method to locate defects. Finally, we performed an experimental test to verify the simulation results. Consequently, the simulation demonstrated good agreement with the experimental test.
In the present study, the characteristics of laser ultrasound in the ablation regime are investigated using simulations and experiments. The laser ultrasonic technique has been recognized as a noncontact method in the field of nondestructive tests (NDTs). In hostile environments (such as hot temperatures), this method has various advantages over the conventional contact ultrasonic method. In particular, in the ablation regime, the laser ultrasonic technique is suitable for inspecting internal defects because of the high amplitude and directivity of the longitudinal wave. In this paper, a simulation model for laser ultrasound in the ablation regime was developed. This model was subsequently applied to a defective specimen using the B-scan method to locate defects. Finally, we performed an experimental test to verify the simulation results. Consequently, the simulation demonstrated good agreement with the experimental test.
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문제 정의
본 연구에서는 어블레이션 영역 레이저 초음파 발생 및 전파 해석을 위한 해석 모델을 개발하였으며 해석 결과를 이론적 그리고 실험적 분석 결과와 비교함으로써 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 먼저, 해석 모델을 이용하여 어블레이션 영역 레이저 초음파(종파, 횡파, 표면파, 헤드파)의 전파 및 지향성에 대해 해석을 수행하였으며, 그 결과는 이론적 분석 결과와 일치하였다.
본 연구에서는 어블레이션 영역에서의 레이저 초음파 발생 및 전파 해석을 위한 유한요소해석 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 해석 결과를 이론적 분석 결과와 비교함으로써 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 또한, 비파괴검사 목적으로 내부결함 검출에의 활용 가능성을 평가하기 위해 내부결함 모사시편을 대상으로 B-scan을 수행하였으며, 실험결과와 비교 분석하였다.
제안 방법
먼저, 해석 모델을 이용하여 어블레이션 영역 레이저 초음파(종파, 횡파, 표면파, 헤드파)의 전파 및 지향성에 대해 해석을 수행하였으며, 그 결과는 이론적 분석 결과와 일치하였다. 또한, 비파괴검사 목적으로 내부결함 검출에의 활용 가능성을 평가하기 위해 내부결함 모사시편을 대상으로 B-scan을 수행하였으며, 해석 모델로부터 얻어진 B-scan 이미지에서 각기 다른 깊이의 내부결함과 저면의 위치를 명확히 판별할 수 있었다.
해석에 사용된 재료는 스텐레스강으로 크기는 100 mm × 50 mm이고, 해석에 사용된 재료 물성치 및 해석 조건은 Table 1에 나타내었다. 매쉬는 삼각매쉬를 이용하였고, 매쉬의 크기는 레이저 초음파 파장의 1/10 이하의 크기를 갖도록 하였고, 실험으로부터 얻어진 레이저 초음파의 메인 주파수 성분이 약 1 MHz, Steel에서 초음파의 속도는 일반적으로 5900 m/s 임을 고려하였을 때 파장은 약 5 mm가 되고 1/10의 크기는 0.5 mm가 된다. Fig.
본 연구에서는 어블레이션 영역 레이저 초음파 발생 및 전파 해석을 위한 해석 모델을 개발하였으며 해석 결과를 이론적 그리고 실험적 분석 결과와 비교함으로써 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 먼저, 해석 모델을 이용하여 어블레이션 영역 레이저 초음파(종파, 횡파, 표면파, 헤드파)의 전파 및 지향성에 대해 해석을 수행하였으며, 그 결과는 이론적 분석 결과와 일치하였다. 또한, 비파괴검사 목적으로 내부결함 검출에의 활용 가능성을 평가하기 위해 내부결함 모사시편을 대상으로 B-scan을 수행하였으며, 해석 모델로부터 얻어진 B-scan 이미지에서 각기 다른 깊이의 내부결함과 저면의 위치를 명확히 판별할 수 있었다.
본 연구에서 개발된 어블레이션 영역 레이저 초음파 해석 모델의 내부결함 검출에의 적용 가능성을 평가하기 위해 내부결함 모사시편을 대상으로 B-scan을 수행하였으며 해석 모델은 Fig. 5와 같다.
실험에서는 Nd:YAG 펄스 레이저를 이용하여 레이저 초음파를 가진시키고 TWM 방식의 레이저 초음파 수신기를 이용하여 레이저 초음파를 수신하였다. 그러나 실험으로부터 얻어진 내부결함시편에 대한 B-scan 이미지 상에서는 신호 초기 부분의 표면파 및 노이즈 성분에 의해 결함 및 저면의 위치가 명확히 판별되지는 않았다.
이러한 표면파 및 노이즈 성분을 제거하기 위해 본 연구에서는 표면파의 주파수 대역이1 MHz 이하인 것을 고려하여, 수신된 초음파 신호에 대역 통과 필터(1.5 MHz ~ 10 MHz)를 적용하였으며, 필터링된 B-scan 이미지 및 20 mm 의 스캐닝 위치에서의 레이저 초음파 파형은 Fig. 9와 같다. 대역 통과 필터를 적용함에 따라 초기 부분의 표면파 및 노이즈 성분이 확연히 제거된 것을 확인할 수 있으며, 각기 다른 깊이의 내부결함과 저면의 위치를 명확히 판별할 수 있다.
대상 데이터
내부결함은 1 mm × 5 mm 크기의 슬릿형 직사각형이고 결함의 깊이 방향으로의 위치는 각각 12 mm, 14 mm, 16 mm, 18 mm 이다.
대상 재료는 스텐레스강이고 시험편의 크기는 20 mm × 70 mm이다.
7(a)와 같다. 초음파 발생을 위한 가진 레이저는 Nd:YAG 펄스 레이저로 파장은 1064 nm, 펄스폭은 5 ns, 빔 지름은 5 mm, 빔 에너지는 140 mJ이다. 레이저 빔은 볼록렌즈로 입사하고 볼록렌즈에 의해 빔 지름이 1 mm로 1/5배 감소하도록 집속시켰다.
해석에 사용된 재료는 스텐레스강으로 크기는 100 mm × 50 mm이고, 해석에 사용된 재료 물성치 및 해석 조건은 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
본 연구에서는 어블레이션 영역에서의 레이저 초음파 발생 및 전파 해석을 위한 유한요소해석 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 해석 결과를 이론적 분석 결과와 비교함으로써 해석 모델의 타당성을 검증하였다. 또한, 비파괴검사 목적으로 내부결함 검출에의 활용 가능성을 평가하기 위해 내부결함 모사시편을 대상으로 B-scan을 수행하였으며, 실험결과와 비교 분석하였다.
어블레이션 영역 레이저 초음파 발생 및 전파를 유한요소해석 프로그램(COMSOL Multiphysics)를 이용하여 2차원 모델로 해석하였으며 해석 모델은 Fig. 2와 같다. 해석에 사용된 재료는 스텐레스강으로 크기는 100 mm × 50 mm이고, 해석에 사용된 재료 물성치 및 해석 조건은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
레이저 빔은 볼록렌즈로 입사하고 볼록렌즈에 의해 빔 지름이 1 mm로 1/5배 감소하도록 집속시켰다. 또한, 레이저 초음파를 비접촉으로 수신하기 위하여 TWM(two-wave mixing) 방식[15]의 레이저 초음파 수신기(TWM, TECNAR)를 이용하였다. 여기서 가진 레이저와 수신기는 동일한 파장을 사용하는 관계로 상호 간섭을 피하기 위해 부득이 가진점과 수신점을 10 mm 분리시켰으며, 가진 레이저는 θ의 각도로 입사된다.
성능/효과
9와 같다. 대역 통과 필터를 적용함에 따라 초기 부분의 표면파 및 노이즈 성분이 확연히 제거된 것을 확인할 수 있으며, 각기 다른 깊이의 내부결함과 저면의 위치를 명확히 판별할 수 있다. 또한, 이를 가진점과 수신점 사이의 이격 거리에 따른 시간지연을 감안하여 해석 결과와 비교해보면 결함 및 저면에서 반사된 신호의 위치가 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 수신된 레이저 초음파 파형에 대역 통과 필터를 적용하였으며, 그 결과, 각기 다른 깊이의 내부결함 및 저면의 위치가 명확히 판별되었다. 또한 실험적으로 얻어진 B-scan 이미지 결과는 해석 결과와 잘 일치하였다. 이로써 본 연구에서 개발된 어블레이션 영역 레이저 초음파 발생 및 전파 모델의 유효성을 검증할 수 있었다.
대역 통과 필터를 적용함에 따라 초기 부분의 표면파 및 노이즈 성분이 확연히 제거된 것을 확인할 수 있으며, 각기 다른 깊이의 내부결함과 저면의 위치를 명확히 판별할 수 있다. 또한, 이를 가진점과 수신점 사이의 이격 거리에 따른 시간지연을 감안하여 해석 결과와 비교해보면 결함 및 저면에서 반사된 신호의 위치가 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.
8(b)는 20 mm의 스캐닝 위치에서의 레이저 초음파 파형이다. 본 실험에서는 레이저 초음파 가진점과 수신점의 위치가 일치하지 않아 수신되는 초음파 신호의 초기 부분에 강한 표면파가 측정된 것을 확인할 수 있다. 이러한 초기 부분의 강한 표면파 성분으로 인해 재료 표면에 인접한 결함의 검출이 어려우며, 또한, 실험 환경적 요인에 의한 노이즈 성분에 의해 정확한 결함 검출이 어려웠다.
그러나 실험으로부터 얻어진 내부결함시편에 대한 B-scan 이미지 상에서는 신호 초기 부분의 표면파 및 노이즈 성분에 의해 결함 및 저면의 위치가 명확히 판별되지는 않았다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 수신된 레이저 초음파 파형에 대역 통과 필터를 적용하였으며, 그 결과, 각기 다른 깊이의 내부결함 및 저면의 위치가 명확히 판별되었다. 또한 실험적으로 얻어진 B-scan 이미지 결과는 해석 결과와 잘 일치하였다.
종파의 경우에는 재료 표면의 수직한 방향으로 주 전파 방향성을 가지는 반면, 횡파의 경우에는 일정 경사각을 가지며 전파하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 지향성에 대한 해석 결과는 이론적 모델[1]로부터 얻어진 결과와 일치하는 결과로 해석 모델의 타당성을 확인하였다.
또한 실험적으로 얻어진 B-scan 이미지 결과는 해석 결과와 잘 일치하였다. 이로써 본 연구에서 개발된 어블레이션 영역 레이저 초음파 발생 및 전파 모델의 유효성을 검증할 수 있었다.
4는 레이저 초음파의 종파 및 횡파의 지향성에 대한 해석 결과이다. 종파의 경우에는 재료 표면의 수직한 방향으로 주 전파 방향성을 가지는 반면, 횡파의 경우에는 일정 경사각을 가지며 전파하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 지향성에 대한 해석 결과는 이론적 모델[1]로부터 얻어진 결과와 일치하는 결과로 해석 모델의 타당성을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비접촉식 레이저 초음파의 발생 기구는 어떻게 분류할 수 있는가?
비접촉식 레이저 초음파의 발생 기구는 입사되는 레이저의 강도에 따라 크게 열탄성 영역과 어 블레이션 영역으로 분류할 수 있다[2]. 그런데 열탄성 영역에서의 레이저 초음파 발생기구에 대해서는 해석적 및 실험적 연구가 다수 수행된 반면[3-6], 어블레이션 영역에서는 재료 표면에서 수 μm정도의 표면 손상을 동반하기 때문에 비파괴검사 측면에서의 연구는 상대적으로 미비하다.
레이저 초음파 기법은 어떻게 활용되고 있는가?
레이저 초음파 기법은 비파괴검사 분야에서 비접촉식 초음파 가진 및 수신 기법으로 활용되고 있으며, 이러한 비접촉식 초음파 기법은 피검사체로부터 일정 거리 이격된 상태에서도 초음파 가진 및 수신이 가능한 특징을 가지고 있다. 따라서 기존의 접촉식 초음파기법의 한계인 고온 환경 및 피검사체의 복잡한 형상 등 환경적 요인에 의한 접근제한성을 극복할 수 있는 장점이 있다[1].
레이저 초음파 기법의 장점은?
레이저 초음파 기법은 비파괴검사 분야에서 비접촉식 초음파 가진 및 수신 기법으로 활용되고 있으며, 이러한 비접촉식 초음파 기법은 피검사체로부터 일정 거리 이격된 상태에서도 초음파 가진 및 수신이 가능한 특징을 가지고 있다. 따라서 기존의 접촉식 초음파기법의 한계인 고온 환경 및 피검사체의 복잡한 형상 등 환경적 요인에 의한 접근제한성을 극복할 수 있는 장점이 있다[1].
참고문헌 (15)
D. W. Blodgett and K. C. Baldwin, "Laserbased ultrasonics: applications at APL," Johns Hopkins APL Technical Digest, Vol. 26, No. 1, pp. 36-45 (2005)
C. B. Scruby and L. E. Drain, "Laser ultrasonics: Techniques and Applications," Taylor & Francis Group, New York, USA, pp. 242-302 (1990)
M. K. Song and K. Y. Jhang, "Crack detection in single-crystalline silicon wafer using laser generated Lamb wave," Advances in Materials Science and Engineering, Vol. 2013, No. 950791, pp. 1-6 (2013)
I. Arias and J. D. Achenbach, "Thermoelastic generation of ultrasound by line-focused laser irradiation," International Journal of Solids and Structures, Vol. 40, pp. 6917-6935 (2003)
D. H. Hurley, "Laser-generated thermoelastic acoustic sourses in anisotropic materials," Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 115, No. 5, pp. 2054-2058 (2004)
H. Jeong, C. Kim, T. Kim, D. Park and K. Kim, "Thermoelastic finite element analysis of laser generation ultrasound," 2006 Spring Conference of the KSME, pp. 74-79 (2006)
R. E. Green, "Non-contact ultrasonic techniques," Ultrasonics, Vol. 42, pp. 9-16 (2004)
J. M. S. Sakamoto, B. R. Tittmann, A. Baba and G. M. Pacheco, "Directivity measurements in aluminum using a laser ultrasonics system," Journal of Physics: Conference Series, Vol. 278, No. 012032, pp. 1-4 (2011)
S. N. Hopko and I. C. Ume, "Laser generated ultrasound by material ablation using fiber optic delivery," Ultrasonics, Vol. 37, pp. 1-7 (1999)
B. Mi and I. C. Ume, "Prametric studies of laser generated ultrasonic signals in ablative regime: time and frequency domains," Journal of Nondestructive Evaluation, Vol. 21, No. 1, pp. 23-33 (2002)
J. Ready, "Effects of High Power Laser Radiation," Academic, New York, USA (1971)
S. Choi, C. Kim, K. Y. Jhang and W. S. Shin, "Analysis of variation in the surface morphology of aluminum alloy," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 14, No. 5, pp. 897-903 (2011)
Andrei Marchidan, Tarah N. Sullivan and Joseph L. Palladino, "Load cell design using COMSOL multiphysics," Excerpt from the Proceedings of the 2012 COMSOL Conference in Boston (2012)
J.-P. Monchalin, R. Heon, J. Bussiere and B. Farahbakhsh, "Nondestructive Characterization of Materials II," Plenum Press, New York, USA, pp. 717-723 (1987)
J.-P. Monchalin, "Non contact generation and detection of ultrasound with lasers," Proceedings of the 16th World Conference on Nondestructive Testing, pp. 1-9 (2004)
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