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어블레이션 영역 레이저 초음파의 시뮬레이션과 내부결함 검사
Simulations for Internal Defect Inspection Using Laser Generated Ultrasonic Wave in Ablation Regime 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.34 no.3, 2014년, pp.226 - 232  

김진겸 (한양대학교 융합기계공학과) ,  최성호 (한양대학교 융합기계공학과) ,  장경영 (한양대학교 기계공학부)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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].
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참고문헌 (15)

  1. 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) 

  2. C. B. Scruby and L. E. Drain, "Laser ultrasonics: Techniques and Applications," Taylor & Francis Group, New York, USA, pp. 242-302 (1990) 

  3. 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) 

  4. 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) 

  5. 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) 

  6. 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) 

  7. R. E. Green, "Non-contact ultrasonic techniques," Ultrasonics, Vol. 42, pp. 9-16 (2004) 

  8. 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) 

  9. S. N. Hopko and I. C. Ume, "Laser generated ultrasound by material ablation using fiber optic delivery," Ultrasonics, Vol. 37, pp. 1-7 (1999) 

  10. 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) 

  11. J. Ready, "Effects of High Power Laser Radiation," Academic, New York, USA (1971) 

  12. 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) 

  13. 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) 

  14. J.-P. Monchalin, R. Heon, J. Bussiere and B. Farahbakhsh, "Nondestructive Characterization of Materials II," Plenum Press, New York, USA, pp. 717-723 (1987) 

  15. 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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