KR100422259B1 - 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함탐상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지그에 연결된 다수개의 탐촉자가 초음파를 주사하여 피검물의 표면을 탐상하는 다채널 디지털 탐상단계와; 상기 다수개의 탐촉자로부터 주사된 초음파가 피검물 내부의 결함으로부터 반사되어 온 여러개의 초음파 시그널이 동시에 다채널 초음파 확장기로 전송되는 다채널 초음파 확장단계와; 초음파 시그널이 컴퓨터로 전송되어 피검물안의 결함 깊이, 크기, 위치를 분석한 후 3차원 입체스크립을 생성하는 초음파 시그널 분석단계와; 3차원 입체스크립을 토대로 모니터에 피검물의 형상을 나타내는 3D 시뮬레이션단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법에 관한 것이다. 그리고, 상기 3D 시뮬레이션단계는 피검물의 형상이 3D 회전 및/또는 확대,축소되는 것이 특징이다. 또한, 상기 3D 시뮬레이션단계는 피검물의 형상을 깊이, 높이에 따라 슬라이스 컷팅하여 결함을 검사하는 것을 특징으로 한다.

Description

디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법{A Method The Defect Defection With Using Digital Ultrasonic Testing }

본 발명은 디지털 초음파 탐상에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디지털 초음파 탐상 방법을 이용하여 굴곡진 피검물의 내부결함을 3D형상으로 시뮬레이션 할 수 있는 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법에 관한 것이다.

산업사회의 발달과 더불어 자동차산업은 발전하고, 이와 함께 자동차 관련산업은 고급화, 다양화의 추세를 따라가고 있다. 특히, 알루미늄 휠은 앞으로도 디자인의 다양화와 고급화가 진행될것이며 이에 따른 새로운 소재 개발 및 가공방법 등이 병행 발전하고 있다.

자동차용 알루미늄 휠은 자동차 차체의 하중을 지탱하여 줄 뿐만 아니라 주행저항을 적게 하고, 차량의 안전운행을 확보하는 중요한 역할을 하고 있다. 이러한 알루미늄 휠의 생산은 주조(Casting)방식을 채택하고 있으며, 수직력 이외에 측면에 작용하는 횡압력과 길이방향의 수평력이 동적으로 작용하고 있다. 따라서 고인성 및 고강도등이 강조되는 자동차 부품중에서도 중요한 부분을 차지하고 있다.

따라서 알루미늄 휠 내부에 존재하는 주물결함 또는 가공결함은 자동차의 안전성에 매우 심각한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 알루미늄 휠의 결함은 자동차의 사고와도 직결되는 아주 중요한 부분으로서, 알루미늄 휠을 생산하는 업체에서는 주물결함 또는 가공결함을 찾아내는 노력이 이루어지고 있다.

이상과 같은 자동차용 알루미늄 휠은 굴곡진 피검물의 대표적인 예라 할 수 있으며 안전을 위하여 결함을 찾아내고자 하는 노력이 있어 왔다.

종래에는 알루미늄 휠과 같은 굴곡진 피검물의 내부결함탐상을 대부분 X-선에 의한 방사선 탐상법을 채택하고 있다. 이러한 방사선 투과검사는 가장 널리 적용되는 비파괴 검사법으로서 시험체 내부에 존재하는 불연속을 검출하는 방법이다.

도 1a은 종래의 X-선의 발생원리를 나타내는 개념도이고, 도 1b는 종래의 X-선 방사선 탐상법에서 X-선 투과 검사의 원리를 나타내는 개념도이다.

도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, X-선의 발생원리는 진공튜브(500)내의 필라멘트(510)에서 발생한 열전자가 광전압에 의해 가속되어 빠르게 이동시켜 양극쪽의 표적(520)에 충돌하여 X-선를 발생시킨다. 이러한 X-선가 피검물(530)을 통과하여 필름(540) 또는 화상처리하여 화상의 흑화도 차를 식별하여 소재 내부의 결함을 평가한다. 상기 X-선를 이용한 방사선 탐상법은 피검물(530)의 결함에 대한 즉시 해석이 용이하다. 그러나 평면상에 존재하는 결함의 위치 및 크기를 평면상으로 측정하는 것은 용이하지만 2차원 모니터링으로 결함의 깊이 파악은 불가능하며 라미네이션(Lamination)이나 방사선 조사방향에 대해 기울어져 있는 균열등은 검출되지않는다.

그러나 방사선 탐상에 의한 검출시스템은 금속, 비금속 및 그 화합물의 거의 모든 피검물의 검사가 가능하지만 결함판정을 검사자의 목측에 의존해야 한다. 따라서 검사자의 기술수준 및 주관성에 따라 불량을 판정하는 모순을 갖고 있다.

아울러, 초음파 탐상검사는 피검물의 표면 또는 내부에 존재하는 불연속부를 검출하기 위해, 초음파를 피검물에 전달시켜 검사하는 비파괴검사의 일종이다. 음파를 이용한 검사는 옛부터 사용되었던 검사법으로, 종(鍾)이나 그릇 등의 깨짐 여부를 알기 위해 두드려 본다거나, 의사가 타진하여 보는 방법등이 있으며 지금도 이러한 음파의 특성을 이용하는 검사법이 여러분야에서 종종 사용되고 있다. 또한 우리의 귀로써 들을 수 없는 고주파음(高周波音)도 레이다의 개발등 과학의 발달에 따라 여러 분야에서 이용이 가능하게 되었고, 이것을 음향기술의 발달에 따라 브라운관에서도 관측이 가능하게 되었다.

대체로 음향에 의한 검사는 공진법, 투과법, 펄스반사법등과 같은 세가지 방법으로 시도되고 있으며, 이중 최근에 와서는 에코(echo) 에 의한 검사법 즉, 펄스반사법( Pulse 反射法)이 초음파 탐상검사에 많이 이용되고 있다. 펄스반사법은 제 1차 세계대전시 잠수함을 발견하는 병기에 이용되기 시작한 방법으로, 전파에 의해 해저 통신을 할 수 있는 레이다가 발명되었고, 이 레이다 기술과 초음파 탐상과의 결합으로 초음파 탐상법이 개발되었다.

비파괴 검사의 최종적인 목적은 재료 또는 부품등이 사용중에 파괴되는가 안되는가의 여부를 판단하기 위해 결함의 유무, 결함의 크기 및 형태를 정확히 파악하는데 있듯이 초음파 탐상검사도 주로 결함의 검출에 사용된다.

초음파 탐상검사가 적용되는 분야도 상당히 넓어 철,비철류의 소재로부터 선박,교량,압력용기등의 제품 및 항공기,자동차,철도차량의 부품, 기계류의 부품 등에 이르기까지 많은 분야의 제품들이 검사의 대상이 되며, 탐상 가능한 결함으로는 균열, 개재물, 라미네이숀(Lamination) 등의 소재 고유의 불연속으로부터, 가공중 불연속 및 피로 균열과 같은 사용중 불연속까지 대부분의 결함검출에 적용되고 있다.

도 2는 종래의 초음파 탐상법을 나타내는 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 탐상법은 투과력이 우수한 초음파를 피검물(530) 내부에 조사하여 표면 및 내부의 결함(535)을 검출하는 비파괴 검사이다. 이러한 초음파 탐상법은 탐촉자(600)가 피검물(530) 표면에서 초음파를 주사하고, 반사된 초음파를 검출, 분석하여 결함(535)의 존재 및 위치를 파악하는 검사방식이다.

그러나 이러한 단일 탐촉자(600)를 이용하는 초음파 탐상법은 결함(535)의 유무와 위치는 파악할 수 있으나 결함(535)의 형상이나 크기를 정확히 알 수가 없다. 또한 자동차용 알루미늄 휠과 같은 피검물(530)의 굴곡진 형상은 탐상이 어려운 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1목적은 지그로 연결된 다수개의 탐촉자와 디지털 초음파 탐상방법을 이용하여 컴퓨터로 초음파 시그널을 분석함으로서 굴곡진 피검물의 내부결함의 깊이, 크기, 위치를 3D형상으로 시뮬레이션 할 수 있는 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법을 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명의 제 2목적은 굴곡진 피검물 안에 형성된 결함의 깊이, 크기, 위치를 분석하여 3차원 입체스크립을 생성하여 3D 시뮬레이션함으로서, 깊이, 높이별로 슬라이스 컷을 표시하고 스케일 조정 및 3축 회전시켜 검사할 수 있는 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 제 3목적은 굴곡진 피검물의 내부결함을 3D형상으로 시뮬레이션하여 초보자라도 판정 오류없이 고속으로 초정밀의 초음파 탐상을 할 수 있는 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법을 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적들은, 지그에 연결된 다수개의 탐촉자가 초음파를 주사하여 피검물의 표면을 탐상하는 다채널 디지털 탐상단계와;

상기 다수개의 탐촉자로부터 주사된 초음파가 피검물 내부의 결함으로부터 반사되어 온 여러개의 초음파 시그널이 동시에 다채널 초음파 확장기로 전송되는 다채널 초음파 확장단계와;

초음파 시그널이 컴퓨터로 전송되어 피검물안의 결함 깊이, 크기, 위치를 분석한 후 3차원 입체스크립을 생성하는 초음파 시그널 분석단계와;

3차원 입체스크립을 토대로 모니터에 피검물의 형상을 나타내는 3D 시뮬레이션단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법에 의하여 달성된다.

그리고, 상기 3D 시뮬레이션단계는 피검물의 형상이 3D 회전 및/또는 확대,축소되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 3D 시뮬레이션단계는 피검물의 형상을 깊이, 높이에 따라 슬라이스 컷팅하여 결함을 검사하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1a은 종래의 X-선의 발생원리를 나타내는 개념도,

도 1b는 종래의 X-선 방사선 탐상법에서 X-선 투과 검사의 원리를 나타내는 개념도,

도 2는 종래의 초음파 탐상법을 나타내는 개념도,

도 3은 본 발명에 따른 초음파 탐상 장치의 개략적인 블록도,

도 4는 본 발명에 따른 지그에 장착된 탐촉자의 평면도,

도 5는 본 발명에 따른 다수개의 탐촉자를 사용하는 초음파 탐상의 예시도,

도 6은 본 발명에 따른 다수개의 탐촉자를 이용한 초음파 탐상 과정을 나타내는 흐름도,

도 7은 본 발명에 따른 해석용 소프트웨어에 의하여 나타나는 3D 시뮬레이션의 예시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 3축 매뉴퓰레이터 20 : 모터 드라이버

30 : 초음파 발생 장치 40 : 컴퓨터 제어 장치

50 : 지그 60 : 탐촉자

70 : 피검물 75 : 결함

80 : 다채널 초음파 확장기 90 : 컴퓨터

100 : 모니터 S200: 다채널 디지털 탐상단계

S210 : 다채널 초음파 확장단계 S220 : 초음파 시그널 분석단계

S230 : 3D 시뮬레이션단계

초음파 탐상의 기본 원리를 설명하면, 음(音)은 입자의 진동이고 일정한 주파수의 범위를 가지며, 귀로 들을수 있는 진동수는 20 ∼ 20,000 회/초( 회/초를 Hz라 하며 가청주파수라고 한다)이다. 이 이상의 진동수를 갖는 음파를 초음파(超音波)라 하고 보통 500KHz∼20MHz가 초음파 탐상에 실용화 되고 있다.

따라서 파장이 가청음보다 아주 짧기 때문에 광(光)의 직진성과 같은 성질이 있고, 작은 결함으로부터 나타나는 반사도 크게 보기 쉬운 성질이 있다. 초음파는 빛보다 파장이 길지만, 보통의 전파보다는 파장이 짧다. 그러나 전파는 금속내부에 전해지지 않지만 초음파는 물질내부에 전하기가 쉽다.

가청음은 종이등의 진동판을 전자의 힘으로 움직여 발생시키지만, 초음파의 발생은 압전(壓電)이라 하는 물리현상을 가진 재료를 사용하고 있다. 그러한 재료중에 하나가 수정판이며, 이 수정판에 전압을 가하면 전압의 (+)(-)에따라 수정 두께방향으로 신축적으로 두께의 변동이 일어난다.

만약 반대로 수정판을 일정한 주파수로 기계적 진동을 가하면 신축되어 전극간에 전압이 발생한다. 이러한 효과를 압전효과(Piezoelectric effect)라 한다. 즉, 압전효과는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변형시키고, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변형시키는 현상을 말한다. 초음파 탐상 시험은 탐촉자(Probe)가 검사대상물에 음파의 에너지를 주사(走査:Scan)하고 피검물은 반응하여 음파를 반사(Echo)한다는 사실에 기초한 것이다.

이와같은 초음파 탐상의 특성을 이용하여 이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 초음파 탐상 장치의 개략적인 블록도이고, 도 4는 본 발명에 따른 지그에 장착된 탐촉자의 평면도이다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 초음파 탐상 장치는 3축 매뉴퓰레이터(10) (Manipulator)에 X, Y, Z 축으로 구동시키도록 모터드라이버(20)가 구성되고 초음파 발생 장치(30) 및 컴퓨터 제어 장치(40)가 구성되어 있다.

상기 3축 매뉴퓰레이터(10)에 구비되는 탐촉자(60)는 도 4에 도시된 바와 같이 체인형상의 지그(50)에 다수개가 장착되어 굴곡진 피검물(70)의 형상에 따라 유연성 있게 변화될 수 있는 것이 특징이다.

다수개의 탐촉자(60)를 한 개의 지그(50)에 장착하여 한번에 많은 면적을 탐상할 수 있으며, 피검물(70)의 형상에 따라 유연성 있게 변형되므로 피검물(70)의표면과 탐촉자(60)가 보다 용이하게 수직관계를 유지할 수 있다. 그리고 상기 탐촉자(60)에서 주사하는 초음파 주파수는 피검물(70)의 성분과 조직에 따라 다르게 선택될 수 있으나 15MHz ~ 25MHz 정도가 바람직하다.

또한 탐상속도를 빠르게 하기 위하여 피검물(70)을 수조안에 장입하고 탐상하는 이멀션탱크(미도시)를 이용한 수침법을 사용하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명에 따른 다수개의 탐촉자를 사용하는 초음파 탐상의 예시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 다수개의 탐촉자를 이용한 초음파 탐상 과정을 나타내는 흐름도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 다채널 디지털 탐상단계(S200)에서 다수개의 탐촉자(60)를 굴곡진 피검물(70)의 표면을 탐상하면 반사되는 초음파 시그널이 다채널 초음파 확장기(80)로 전송된다. 즉, 각각의 탐촉자(60)로부터 주사된 초음파가 피검물(70) 내부의 결함(75)으로부터 반사되어 온 여러개의 초음파 시그널이 상기 다채널 초음파 확장기(80)로 전송된다.

상기 다채널 확장기(80)에서 다채널 초음파 확장단계(S210)를 거치고 초음파 시그널이 컴퓨터(90)로 전송되면 피검물(70)안의 결함 깊이, 크기, 위치를 분석한 후 3차원 입체스크립을 생성하는 초음파 시그널 분석 단계(S220)를 거친다. 그리고 생성된 3차원 입체스크립을 토대로 모니터(100)에 피검물(70)의 형상을 3D로 시뮬레이션(S230)하게 된다.

여기서 상기 초음파 시그널 분석 단계(S220)와 3D 시뮬레이션단계(S230)는 컴퓨터(90)에 내장된 해석용 소프트웨어가 처리하게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 해석용 소프트웨어에 의하여 나타나는 3D 시뮬레이션의 예시도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 피검물(70)의 형상이 디지털화되어 내부결함(75)의 위치, 크기 및 형상이 3D형상으로 나타나므로 직접 화면을 보면서 결함(75)을 찾아낼 수 있는 특징이 있다. 그리고 보고자하는 방향에 따라 3D 회전하여 검사할 수가 있으며 피검물(70)의 형상을 확대하거나 축소시켜 자세히 검사하거나 축소시켜 전체를 검사할 수 있다.

또한 디지털화 한 영상이므로 데이타를 저장하여 기록을 보존할 수 있는 특징이 있다. 그리고 피가공물의 가공과정 및 열처리, 후처리등에서 발생될 수 있는 결함(75)을 서로 비교 분석하여 결함 발생 추이 해석이 가능하다.

그리고 피검물(70)의 형상이 3D 시뮬레이션이므로 각 깊이, 높이에 따라 슬라이스 컷팅하여 결함(75)을 검사할 수 있는 특징이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법에 의하면, 지그(50)로 연결된 다수개의 탐촉자(60)와 디지털 초음파 탐상 방법을 이용하여 컴퓨터(90)로 초음파 시그널을 분석함으로서 굴곡진 피검물(70)의 내부결함의 깊이, 크기, 위치를 3D형상으로 시뮬레이션 할 수 있게 되었다.

그리고, 굴곡진 피검물(70) 안에 형성된 결함의 깊이, 크기, 위치를 분석하여 3차원 입체스크립을 생성하여 3D 시뮬레이션함으로서, 깊이, 높이별로 슬라이스컷을 표시하고 스케일 조정 및 3D 회전시켜 검사할 수 있게 되었다.

또한, 굴곡진 피검물(70)의 내부결함(75)을 3D형상으로 시뮬레이션하여 초보자라도 판정 오류없이 고속으로 초정밀의 초음파 탐상을 할 수 있게 되었다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (3)

1. 지그(50)에 연결된 다수개의 탐촉자(60)가 초음파를 주사하여 피검물(70)의 표면을 탐상하는 다채널 디지털 탐상단계(S200);

   상기 다수개의 탐촉자(60)로부터 주사된 초음파가 피검물(70) 내부의 결함(75)으로부터 반사되어 온 여러개의 초음파 시그널이 동시에 다채널 초음파 확장기(80)로 전송되는 다채널 초음파 확장단계(S210);

   초음파 시그널이 컴퓨터(90)로 전송되어 피검물(70)안의 결함 깊이, 크기, 위치를 분석한 후 3차원 입체스크립을 생성하는 초음파 시그널 분석단계(S220); 및

   3차원 입체스크립을 토대로 모니터(100)에 피검물(70)의 형상을 나타내는 3D 시뮬레이션단계(S230);를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 3D 시뮬레이션단계(S230)는 피검물(70)의 형상이 3D 회전 및/또는 확대,축소되는 것을 특징으로 하는 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 3D 시뮬레이션단계(S230)는 피검물(70)의 형상을 깊이, 높이에 따라 슬라이스 컷팅하여 결함(75)을 검사하는 것을 특징으로 하는 디지털 초음파 탐상을 이용한 굴곡진 피검물의 내부결함 탐상 방법.