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문제 정의
- 본 연구에서 투과실험은 자동차 생산공정에서 많이 사용하는 스폿용접부와 연료효율을 고려 차제충량감소에 많이 사용하는 CFRP복합재료의 내부 결함 있어 비접촉식 초음파 탐상기법 적용 및 실용화를 여부를 확인해 보았다. spot 용접은 용접 대상에 전류를 통해 발생되는 전기저항열로 용융상태를 만들고 외력을 가해 두 개의 전극 사이에 2,3장 이상의 금속판을 겹쳐놓고 가압하는 전기저항 용접법으로 자동차 생산라인에서 가장 기본이 되는 접합 공정이다.
제안 방법
-
[Fig. 13] The inspection result of CFRP specimen (a) CFRP specimen A (b) CFRP specimen B (c) CFRP specimen C
CFRP 시험편C는 A,B 시험편과는 다르게 두께가 48㎜로 매우 두껍기 때문에 탐상할 때 사용하였던 점집속 탐촉자를 평면 탐촉자로 교체하고 감도를 상향조정한 후 탐상을 수행하였다
. A,B 시험편의 화상결과와는 다르게 평면 탐촉자를 사용한 결과 좀더 거친 화상이 취득되었다. - NAUT 기법이 CFRP 시험편에도 적용이 이루어지는지 그 여부를 확인하기 위한 탐상을 수행했다. 탐상 결과를 검증시켜줄 CFRP 시험편 3개를 Fig.
- 따라서 이에 대응하여 기존에는 적용이 곤란했던 고온 및 저온재료의 부식 검사, 곡면을 이용한 항공기·자동차용 탄소섬유 복합재료의 박리검사 등을 물 등의 접촉매질을 이용하지 않는 등 제약을 거의 받지 않고 비접촉 기법으로 탐상이 가능한 NAUT를 응용한 비파괴평가 시스템을 본 연구에 적용하였다.
- 9에 나타내었다. 스폿 용접 시험편을 스폿 용접부를 중심으로 두꺼운 부분, 두겹인 부분, 스폿 용접부, 얇은 부분으로 나누어 각 부분에 대한 탐상을 수행하기 위해 조건에 맞추어 마스킹지에 부착하였다.
- 스폿용접부 및 CFRP 시험편의 비접촉 초음파 탐상 검사 결과의 신뢰성 확보 및 NAUT 검사장비의 재현성 검증을 위하여 표준 시험편의 기초실험을 수행하였다. 표준 시험편의 소재는 SM45C이고, 60mm×150mm×3t 크기의 4개의 표준시험편을 제작하였다.
- 시뮬레이션의 경계조건으로 초음파 프로브는 0.2K25 × 25N, 0.4K14 × 20N, 0.8K14 × 20N의 3 종류로, 진동자 재질은 압전세라믹스 재질이며, 주파수는 공칭 주파수 200KHz, 400KHz 및 800KHz 별로 구분하여 음장해석을 진행하였다.
- 실험에 사용될 송신 초음파 탐촉자와 수신 초음파 탐촉자의 집속점 위치 0∼20㎜까지 이동하고, 2개의 탐촉자간의 집속거리 13㎜, 18㎜, 38 ㎜, 43㎜으로 음압분석 진행하였다.
- 또한 NAUT는 기존의 CFRP 탐상에 적용했던 수침법과 같이 물과 같은 매질 없이도 비파괴 검사가 가능하기 때문에 제조공정에 도입하는데 용이할 뿐만 아니라 실시간으로 결함 확인이 가능하므로 시간과 비용의 절감효과가 크다. 이를 통해 스폿 용접부와 CFRP 탐상에 NAUT의 적용이 가능한지 그 실현여부와 실용화를 확인하였다.
- 자동 scan 화상장치를 통해 취득화상의 색의 변화를 보고 그 부분의 두께와 위치를 파악했다. 초음파의 투과율이 높을수록 적색, 낮을수록 청색으로 보였으며, spot 용접부는 적색이나 황색으로 나와 쉽게 용접부임을 알 수 있다.
- 장치의 전원을 켜고 화상 S/W를 실행하여 탐촉자를 기준위치로 이동 후 Pulser Receiver 설정 화면에서 송신 전압, 주파수, 파수, gain 등을 조정하고 측정 범위를 Table 1, 2의 실험조건으로 scan을 실행하여 취득한 화상을 파악하였다. 화상에서 나타나는 컬러는 투과율에 따라 다르게 나타나는데 투과율이 높은 부분은 적색, 낮은 부분은 청색으로 보인다.
- 집속형 초음파 프로브의 음장 발생형태와 음압 및 감쇠특성을 FEM 해석기법을 이용하여 전자기장 해석을 수행하여 초음파 프로브 선정사항에 따라 집속전파 음장 해석을 분석하였다. 초음파 집속전파 음장해석을 위해 FEM 상용 코드인 ANSYS v12.
- 초음파 프로브 인가전압은 300V, Frequency 400kHz, Dumping 100ohm, Wave Number 5, Sensor Type Twin-T, 초음파 집속거리 80㎜±2㎜ 로 설정하여 실험을 진행하였다.
- NAUT 기법이 CFRP 시험편에도 적용이 이루어지는지 그 여부를 확인하기 위한 탐상을 수행했다. 탐상 결과를 검증시켜줄 CFRP 시험편 3개를 Fig. 12와 같이 A,B,C로 지정하여 각 시험편에 대한 탐상을 시도했다. A, B 시험편은 폭 100㎜, 길이 150㎜이고 두께는 각각 3㎜, 4㎜이다.
대상 데이터
- 따라서 이에 대응하여 기존에는 적용이 곤란했던 고온 및 저온재료의 부식 검사, 곡면을 이용한 항공기·자동차용 탄소섬유 복합재료의 박리검사 등을 물 등의 접촉매질을 이용하지 않는 등 제약을 거의 받지 않고 비접촉 기법으로 탐상이 가능한 NAUT를 응용한 비파괴평가 시스템을 본 연구에 적용하였다. 본 시스템은 Fig. 1과 같이 고감도의 air probe(0.4K20NR38, 0.4K14☓20N). 초음파 Pulser Receiver(JPR-300B, PRE-AMP(JPR-60A) 및 고속 디지타이저(NI PXI-1033, PXI-5114, PXI-6602) 등으로 구성되어 있어 고속 대용량의 디지털 데이터 처리가 가능하며, 구형 Burst 파를 사용하여 고감도의 송신 프로브와 수신 프로브를 통해 측정된 고체와 공기간의 음향임피던스 차이를 Labview 기반의 DLL소스 코딩된 측정 프로그램에서 디지털 신호 처리된 초음파 투과율로 재료의 내부 결함의 크기 및 위치 등을 검출 할 수 있다.
- 표준 시험편의 소재는 SM45C이고, 60mm×150mm×3t 크기의 4개의 표준시험편을 제작하였다.
데이터처리
- 집속형 초음파 프로브의 음장 발생형태와 음압 및 감쇠특성을 FEM 해석기법을 이용하여 전자기장 해석을 수행하여 초음파 프로브 선정사항에 따라 집속전파 음장 해석을 분석하였다. 초음파 집속전파 음장해석을 위해 FEM 상용 코드인 ANSYS v12.0(Multiphysics)을 이용하여 해석을 수행하였으며, 초음파 프로브 내의 초음파 진동자(음향매질)와 공기층(전달매질)간의 FSI 고려한 음장해석이 가능하다. 시뮬레이션의 경계조건으로 초음파 프로브는 0.
성능/효과
- 초음파 프로브 인가전압은 300V, Frequency 400kHz, Dumping 100ohm, Wave Number 5, Sensor Type Twin-T, 초음파 집속거리 80㎜±2㎜ 로 설정하여 실험을 진행하였다.(12번 코멘트) 실험결과에서 볼 수 있듯이 초음파 탐상 방향에 따라 초음파 진폭의 변화가 있음을 확인 할 수 있었다.
- 그리고 천천히 스캔을 진행할수록 화상이 더 선명하게 되며 측정 속도를 결정하는 중요요소인 PRF(Pulse Repeatation Frequency;송신펄스주기)에 따라 다른 화상이 취득되었다. CFRP 시험편 또한 화상장치를 통해 취득된 각 화상 결과를 보고 내부 결함의 모양, 크기, 위치 등의 파악이 단시간에 가능하였으며, NAUT 기법과 화상화가 동시에 이루어짐을 확인하였다. NAUT 화상탐상을 수행할 경우 분해능이 좋은 점집속 탐촉자를 사용할 경우 고해상도의 화상 취득이 가능해지므로 더 정밀한 검사 수행이 가능하다.
- 실험에 사용될 송신 초음파 탐촉자와 수신 초음파 탐촉자의 집속점 위치 0∼20㎜까지 이동하고, 2개의 탐촉자간의 집속거리 13㎜, 18㎜, 38 ㎜, 43㎜으로 음압분석 진행하였다. 시뮬레이션 분석결과 집속거리 38㎜ , 집속점 근방에서 가장 큰 음압분포를 보이고 있음 확인할 수 있었다. 또한, 레일리 적분에 따라 진동자의 미소요소로부터 원통파면이 출력되고 있어 음압을 모두 계산할 수 있다.
- 3에 나타내었으며, 집점 근방의 음압이 높고 빔이 잘 집속되고 있음을 알 수 있다. 점집속탐촉자는 축대칭을 위한 편측의 정도를 보이고 있으며, 근거리에서는 빔 직경이 크고 집속근방에서는 빔 직경은 약 2mm정도로 분석되었다.
- 자동 scan 화상장치를 통해 취득화상의 색의 변화를 보고 그 부분의 두께와 위치를 파악했다. 초음파의 투과율이 높을수록 적색, 낮을수록 청색으로 보였으며, spot 용접부는 적색이나 황색으로 나와 쉽게 용접부임을 알 수 있다. 그리고 천천히 스캔을 진행할수록 화상이 더 선명하게 되며 측정 속도를 결정하는 중요요소인 PRF(Pulse Repeatation Frequency;송신펄스주기)에 따라 다른 화상이 취득되었다.
후속연구
- NAUT는 수침법에 비해 자동화공정에 적용하는 것이 용이하므로 자동차의 제조공정에 적용하여 비용절감과 품질향상에 기여할 수 있다. 게다가 앞으로 친환경자동차 부품소재인 CFRP의 사용비중이 커질 것을 고려하면 비접촉초음파탐상기술의 가치는 높아지게 될 것이다.
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