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문제 정의
- 지금까지는 단일 주파수를 갖는 피에조 압전소재 형태의 고정 가진 방법을 사용하여 왔으나, 재질의 형상, 재질의 음향임피던스, 재질의 고정 방법, 결함의 형상 및 위치 등 다양한 변수를 충족시키기에는 어려움이 따랐다. 이와 같은 이유로 본 연구에서는 고유주파수를 변화할 수 있는 터패놀-D 소재의 가변 초음파 가진 검사 방법을 이용하여 결함 검출의 적용 가능성을 연구하였다.
제안 방법
- 시험편의 재질은 Table. 2와 같은 SA106 Gr.b 재질의 배관을 절취하여 평판으로 제작 후 STS304 평판을 용접하여 이종용접 결함시험편을 제작하였다.
- 실제 적외선열화상을 이용한 위상 잠금 기술의[6] 경우 구형파보다는 정현파로 진행하는 경우가 대부분이나 초음파적외선의 경우 정현파보다 구형파를 이용하여 모든 출력이 100% on, off 되는 형태로 진행하는 경우 결과 값이 양호하게 나타는 경우가 많으며, 본 연구에서는 이와 같은 구형파를 이용하여 결함을 검출 하였다. 가진주파수의 선정은 가장 많이 사용하는 20 kHz 이하의 주파수에서 1 kHz의 범위로 실험을 한 후 미세주파수 조절을 통하여 최적 주파수를 선정하였다. Fig.
- 본 연구에 사용된 방법은 능동적 방법 중 위상 잠금 (Phase lock-in) 방법으로 특정 자극원을 조화함수로 하여 대상체에 전달하여 대상체의 응답 신호를 처리하여 결함의 크기를 산출하는 방법이다. 본 연구에서는 결함을 효과적으로 검출하기 위해 초음파가진 주기와 동기화된 신호를 사용하여 위상 잠금 기술을 적용하여 실험하였다[2-4].
- 본 연구에서는 기존에 초음파가진을 발생시키는 피에조 소재의 진동이 아닌 터패놀-D 자왜 소재를 이용하여 가변가진을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 실제 적외선열화상을 이용한 위상 잠금 기술의[6] 경우 구형파보다는 정현파로 진행하는 경우가 대부분이나 초음파적외선의 경우 정현파보다 구형파를 이용하여 모든 출력이 100% on, off 되는 형태로 진행하는 경우 결과 값이 양호하게 나타는 경우가 많으며, 본 연구에서는 이와 같은 구형파를 이용하여 결함을 검출 하였다. 가진주파수의 선정은 가장 많이 사용하는 20 kHz 이하의 주파수에서 1 kHz의 범위로 실험을 한 후 미세주파수 조절을 통하여 최적 주파수를 선정하였다.
- 실험에 사용한 시험편 제작의 기본이 되는 규격은 Fig. 1 KS B ISO 과 같은 방법으로 용접 후 12106:2004(금속재료의 피로시험-축방향 변형제어 방법)을 기본으로 half size로 제작하였다. 이종 용접을 진행한 후 용접부에 미세한 결함을 갖게된 시험편으로 크게 깊은 결함시험편과 얕은 결함시험편으로 제작하였다.
- 앞선 결함시험편에서와 같이 결함의 깊이와 특성에 따라 가장 최적의 결함이 검출되는 주파수를 이용하여 결함 검출을 진행하였다.
- 이러한 문제를 해결 하기 위하여 용접을 진행할 때 뒷면 비드 쪽으로 발생하는 침투깊이를 조절하여 온전한 비드를 억제하여 시험편의 상부에서는 용접이 제대로 이뤄지고, 하부에서는 10μm 이하의 폭으로 맞대어진 상태의 균열과 같은 형태의 결함시험편을 Fig. 1과 같이 제작하였다.
- 1 KS B ISO 과 같은 방법으로 용접 후 12106:2004(금속재료의 피로시험-축방향 변형제어 방법)을 기본으로 half size로 제작하였다. 이종 용접을 진행한 후 용접부에 미세한 결함을 갖게된 시험편으로 크게 깊은 결함시험편과 얕은 결함시험편으로 제작하였다. 시험편의 재질은 Table.
- 초음파 가진장치는 1~20 kHz의 터패놀-D 소재의[5] 가진기를 사용하였으며, 적외선 카메라는 프랑스 Cedip의 Silver 480 m 모델을 사용하였다. 적외선열화상의 검출 감도를 위하여 시험편 표면은 흑체와 흡사한 조건을 만족시키기 위하여 검정색 무광 페인트로 도포하여 방사율을 0.95 이상으로 조절하였다.
대상 데이터
- 1과 같이 제작하였다. GMAW 용접시험편의 경우 (gas metal arc welding) CO2 인 MIG 용접을 자동으로 수행하여 시험편을 제작하였으며, 용가재의 경우 탄소강이 포함된 용접의 경우 ML-309를 사용하였다. Table 1은 시험편의 용접 조건을 나타내고 있다.
- 적외선 열화상검사 장치는 가변초음파 가진장치와 적외선열화상 카메라로 구성되며, 시험 중 시험편과 외부 열원과의 열 교환을 최소화하기 위해 Fig. 3과 같이 단열챔버 내부에 실험장치를 구성하였다.
- 초음파 가진장치는 1~20 kHz의 터패놀-D 소재의[5] 가진기를 사용하였으며, 적외선 카메라는 프랑스 Cedip의 Silver 480 m 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 자왜소재인 터패놀-D를 이용하여 가변하여 가진하였을 때 미세결함의 검출이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 2) 동일한 형상의 시험편에 존재하는 결함폭이 다를 경우 동일한 가진주파수를 가하였을 때에도 결함의 검출유무가 달라짐을 확인하였다.
- 3) 실제 8.63 kHz의 주파수로 가진하였을 때 18.00 kHz에서보다 검출이 용이함을 나타냈으며 즉 주파수가 높을수록 결함이 잘 검출되는 것이 아닌 최적의 가진조건에서 결함이 검출됨을 확인하였다.
- 9의 (a), (b)는 기존에 수행하는 주파수(가진 시간)의 변화를 이용하여 결함을 검출을 수행하는 방법으로 동일한 시험편에 주파수(가진 시간) 시간 만을 달리하여 검사한 결과를나타냈다. 가진 시간 주파수만을 달리했을 때 시간이 길어짐에 따라 발열에 의한 결함폭이 일정한 정도 늘어나지만 노이즈도 같이 늘어남을 확인하였다.
- 즉, 주파수가 높을수록 결함이 잘 검출되는 것이 아닌 최적의 가진 조건에서 결함이 검출됨을 확인할 수 있다. 피에조 압전소재의 경우 고정 가진 주파수를 이용하여 가진하게 되며 주파수 특성의 선정은 변위값을 기준으로 선정하여 활용 하게 된다.
후속연구
- 향후 가변초음파의 가진시 대상체와 가진주파수와의 상관관계에 관한 실험을 통하여 최적의 실험 조건을 찾는 연구가 수행되어야 하리라 판단된다.
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