KR100679082B1 - 레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출 장치 - Google Patents

레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연주에서 생산되는 빌렛 내부결함을 레이저 초음파를 이용하여 검출하는 장치에 관한 것으로, 상세하게는 레이저 발생수단, 렌즈, 마이크로폰, 오실로스코프, 신호처리수단을 구비하여, 레이저 광을 렌즈를 통해 내부결함을 검사하고자 하는 빌렛의 표면에 조사하여 초음파를 발생시키고, 발생된 초음파가 빌렛 내부를 진행하면서 내부의 슬래그(slag) 덩어리, 공동, 이물질 등과 같은 결함정보를 가지고 외부에 설치된 마이크로폰에서 감지되면, 이는 전기신호로 변화되어 오실로스코프를 통해 측정되고, 또 신호처리수단에서 오실로스코프를 통해 입력되는 신호와 저장된 정보를 이용하여 내부결함의 종류, 크기 및 위치가 판단되어 측정자가 인식할 수 있도록 표시되는 것이다. 본 발명은 기존의 접촉식의 내부결함 검출방식과는 달리 비접촉식으로 빌렛의 내부결함을 검출하기 때문에 온 라인에서 내부결함을 검출할 수 있다.

Description

레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출 장치 {Apparatus for inner defect detection using laser-ultrasonic}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출장치의 구성도
도 2는 내부에 결함이 없을 경우의 신호형태를 나타낸 도
도 3은 내부에 공동이 있을 경우의 신호형태를 나타낸 도
도 4는 내부에 슬래그덩어리가 있을 경우의 신호형태를 나타낸 도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출장치의 구성도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : Nd:YAG 레이저 2 : 레이저 광
3 : 빌렛(billet) 4 : 초음파
5 : 마이크로폰 6 : 오실로스코프
7 : 초음파 신호 8 : 신호처리장치
9 : 렌즈 10 : 내부결함
11 : 폴리곤 미러 12 : 트리거 신호
본 발명은 연주에서 생산되는 빌렛의 내부결함을 레이저 초음파를 이용하여 검출하는 장치에 관한 것으로, 상세하게는 기존의 접촉식 내부결함 검출방식과는 달리 레이저 광을 내부결함을 검사하고자 하는 빌렛의 표면에 조사하고, 조사된 레이저 광에 의해 발생되는 초음파가 내부를 통과하면서 내부결함에 대한 정보를 갖게 되면 이를 이용하여 내부결함을 검출하도록 하는 비접촉식 내부결함 검출 장치에 관한 것이다.
선재(wire rod)공장에서 와이어(wire)를 생산하기 위해서는 빌렛을 압연하여 생산한다. 여기서, 빌렛은 가로, 세로가 12㎝*12㎝이고, 일정한 길이(L)를 갖는 철제품을 말한다. 그런데 연주 빌렛의 내부에 슬래그(slag) 덩어리, 공동(cavity), 이 물질등과 같은 결함을 가지고 있을 시에는 생산된 와이어의 품질에 악 영향을 끼치게 된다. 그 예로 슬래그 덩어리와 같은 결함을 가진 빌렛을 압연하여 와이어로 만든 경우는 알루미나나 그 밖의 산화물들로 이루어져 있는 슬래그의 성분이 와이어가 연신될 때 끊어지는 원인으로 작용하여 타이어 코드(tire code)나 강선을 제작할 때 치명적인 결함으로 이어져 완성 제품을 버리게 되는 원인이 된다.
또한 빌렛의 내부에 공동이 있을 경우에는 압연 후 와이어의 길이방향으로 긴 절개부분으로 연결된 제품으로 나타나기 때문에 와이어의 품질이 급격히 떨어지는 원인이 된다. 때문에 완제품의 품질을 높이고 압연에 소요되는 경비를 줄이기 위하여는 상기한 빌렛의 내부결함을 사전에 측정하여 압연을 방지하는 것이 필수적이다.
빌렛의 내부결함을 측정하는 기존의 방법으로는 초음파 탐상법이 있는데, 이 방법은 접촉식으로 빌렛의 표면에 초음파 탐촉자를 부착시킨 뒤 초음파를 발생시켜 되돌아 오는 초음파 신호를 검출하여 빌렛의 내부결함을 탐상하는 방법이다. 그러나 이 방법은 주로 오프 라인에서 사용할 수 있는 것으로, 온 라인에서는 빌렛이 라인을 따라 흘러가므로 빌렛의 표면이 매끈하지 못하고, 이 때문에 탐촉자의 끝 부분이 망가지는 현상이 계속 발생되어 사용할 수 없는 실정이다.
따라서, 온 라인에서 빌렛의 내부결함을 측정하기 위해서는 비접촉식 방법이 필요하다.
본 발명은 기존에 접촉식으로 빌렛의 내부결함을 측정하는 경우에 온 라인에서 사용할 수 없는 문제점을 해결한 것으로, 온 라인에서 빌렛의 내부결함을 측정할 수 있는 비접촉식의 레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 레이저 발생수단을 이용하여 레이저 광을 렌즈를 통해 내부결함을 검사하고자 하는 빌렛의 표면에 조사하여 초음파를 발생시키고, 발생된 초음파가 빌렛 내부를 진행하면서 빌렛 내부의 슬래그 덩어리, 공동, 이물질 등과 같은 결함정보를 가지고 외부에 설치된 마이크로폰에서 감지되면, 이는 전기신호로 변화되어 오실로스코프를 통해 측정되고, 또 신호처리수단에서 오실로스코프를 통해 입력되는 신호와 저장된 정보를 이용하여 내부결함의 종류, 크기 및 위치가 판단되어 측정자가 인식할 수 있도록 표시되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출 장치의 개략 구성을 나타낸 것이다.
그 구성을 살펴보면, 레이저 광(2)을 발생시키는 한편 구비된 Q 스위치(Q-s)에서 트리거 신호를 발생시키는 Nd:YAG 레이저(1), Nd:YAG 레이저(1)에서 발사된 레이저 광(2)을 집광하여 내부결함을 검사하고자 하는 빌렛(3)에 조사하는 렌즈(9), 빌렛(3)에 조사된 레이저 광(2)에 의해 발생되는 초음파(4)를 감지하여 전기적신호로 출력하는 마이크로폰(5), Nd:YAG 레이저(1)의 레이저 광이 발사되는 시점에 Q 스위치(Q-s)에서 제공되는 트리거 신호에 상기 마이크로폰(5)이 감지한 전기신호로 변화된 초음파신호(7)를 동기시켜 디스플레이하는 오실로스코프(6) 및 상기 오실로스코프(6)에서 출력되는 신호와 내부에 저장된 정보를 이용하여 빌렛 내부결함의 종류, 크기 및 위치를 판단하여 측정자가 인식할 수 있도록 표시하는 신호처리장치(8)로 이루어진다.
이와 같은 구성을 갖는 본 실시예에서 Nd:YAG 레이저(1)는 펄스형 레이저로서, 펄스 지속기간(duration)이 6 나노(10-9) 초로써 아주 짧은 펄스로 주어지며, 펄스 주기는 10 Hz 또는 20 Hz로서 그 반복주기를 빌렛 시편(3)의 이동속도와 동기시켜 발생시킬 수 있다.
Nd:YAG 레이저(1)에서 발생된 레이저 광(2)은 펄스 형태로 진행하게 되고 렌즈(9)에 의하여 빌렛(3)의 표면에서 집광되게 된다.
이때 Nd:YAG 레이저(1)의 출력과 렌즈(9)의 집광정도에 따라 빌렛(3)의 표면에서 나타나는 현상이 다르게 된다. 빌렛(3)의 표면에서 나타나는 레이저 광(2)의 출력 밀도(power density)가 수 GW/cm2 이상이 되면 빌렛(3)의 표면에서는 플라즈마가 발생되면서 초음파가 발생하게 되는데 이때는 빌렛(3)의 표면에 레이저 광의 흔적이 남게 된다. 또한 이때는 빌렛(3)의 표면에서 발생되는 강한 자외선영역의 빛이 발생되고, 굉음이 발생되므로 인체에 해가 된다.
그러나 빌렛(3)의 표면에서 나타나는 레이저 광(2)의 출력 밀도가 수 십 MW/cm2 정도이면 빌렛(3)의 표면에서 생성되는 플라즈마도 미미하고 초음파의 세기 도 정상적인 상태로 나타나게 된다. 따라서, 레이저 광(2)의 전력 밀도는 수 십 MW/cm2 정도가 바람직하다.
이렇게 레이저에 의하여 초음파가 생성되는 원리는 레이저 광(2)이 순간적으로 빌렛(3)의 표면에서 흡수되어 국부적인 열팽창이나 융발(ablation)에 의한 반발력이 초음파원이 되고, 이렇게 생성된 초음파(4)는 빌렛(3) 내부를 진행하여 레이저 광(2)이 발사된 맞은편 반대 방향으로 이동되게 된다. 그리고 빌렛(3) 내부를 다 통과한 뒤 공기를 진동시키고 마이크로폰(5)에 초음파(4)가 전달되면, 마이크로폰(5)은 초음파 신호를 전기신호로 바꾸어 주고, 그 전기신호는 오실로스코프(6)에 전달된다.
이때 초음파 신호(7)를 정확하게 측정하기 위해서는 Nd:YAG 레이저(1)에서 레이저 광(2)이 발사되는 시점에서 Nd:YAG 레이저(1)의 Q 스위치에서 트리거 신호를 오실로스코프(6)에 전달해주고 그 시점에서 마이크로폰(5)에서 보내주는 전기신호와 동기시켜 측정하면 된다.
신호처리장치(8)는 나타내지는 않았지만 오실로스코프에서 들어오는 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 A/D 컨버터가 있으며, 연산 및 제어수단, 데이터 저장수단, 디스플레이 수단, 외부 입출력수단을 구비하고 있다. 데이터 저장수단에는 결함이 없는 표준시편에 대한 트리거 신호 발생시점으로부터 첫 번째 초음파 신호가 입력되기까지의 제1 지연시간, 첫 번째 초음파 신호입력 후 두 번째 초음파 신호가 입력되기까지의 제2 지연시간, 초음파 신호의 세기 및 형태와, 결함 의 종류·크기 및 위치에 따른 제1, 2 지연시간, 초음파 신호의 세기, 형태 등에 대한 정보가 데이터 베이스화 되어 있다.
이 신호처리장치(8)는 오실로스코프(6)에서 입력되는 신호와 내부에 저장되어 있는 정보를 이용하여, 빌렛(3)에 존재하는 내부결함의 종류, 크기 및 위치를 판단하여 측정자가 인식할 수 있도록 표시한다.
이하, 본 실시예에서 빌렛에 존재하는 내부결함의 유무, 종류, 크기 및 위치를 검출하는 방법을 설명한다.
Nd:YAG 레이저(1)에서 발사된 레이저 광(2)이 렌즈(9)를 통해 빌렛(3)에 조사되어 초음파(4)를 발생시키고, 발생된 초음파(4)는 빌렛(3)의 내부를 진행하게 된다. 이 초음파(4)는 고체를 통과할 때는 약 5000 m/sec의 속도로 통과하고, 기체를 통과할 때는 약 300 m/sec로 통과한다. 때문에 오실로스코프(6)에 가장 먼저 도달하는 초음파 신호(7)는 빌렛(3) 내부를 직선으로 통과한 신호가 마이크로폰(5)에서 검출된 것이다.
마이크로폰(5)에 검출된 신호는 전기적 신호로 변환되어 Nd:YAG 레이저(1)의 Q 스위치(Q-s)에서 발생된 트리거 신호(12)에 동기되어 오실로스코프(6)에 디스플레이 된다.
빌렛(3) 내부에 결함이 없으면 도 2에서와 같이 오실로스코프(6)에는 트리거 신호(12)가 발생되고 T1의 시간 지연후에 초음파 신호(7)가 발생된다. 그리고, 초음파 신호(7a)의 세기도 표준시편에 대한 것과 동일하다.
그러나 빌렛(3)에 내부결함(10)이 존재하는 경우에는 도 3 및 도 4와 같은 초음파 신호 형태를 나타낸다.
내부결함(10)이 공동인 경우에는 도 3과 같이 트리거 신호(12)가 발생되고 T1보다 시간이 늦은 T2 의 시간 지연후에 초음파 신호(7b)가 발생되고 초음파신호의 세기도 약하게 나타나게 된다.
내부결함(10)이 슬래그 덩어리인 경우에는 도4와 같이 트리거 신호(12)가 발생되고 T3의 시간 지연후에 초음파 신호(7c)가 발생되나, 발생된 초음파가 슬래그 덩어리를 지나면서 후방산란의 영향으로 상당한 간섭이 발생되어 복잡한 형태의 초음파 신호로 나타난다.
이와 같이 오실로스코프(6)에서 측정된 신호는 신호처리장치(8)에 입력된다.
그러면 신호처리장치(8)는 입력되는 신호에서 제1, 2 지연시간, 신호의 세기, 신호의 형태를 연산한 다음, 저장되어 있는 표준시편, 각종 결함에 대한 정보를 이용하여 결함의 유무, 종류, 크기 및 위치를 판단하여 표시하게 된다.
빌렛(3) 내부의 결함의 유무는 트리거 신호 발생시점으로부터 첫 번째 초음파 신호가 입력되기까지의 시간, 즉 제1 지연시간이 T1 보다 길면 결함이 존재하는 것으로, T1과 동일하면 결함이 없는 것으로 판단한다.
그리고, 결함의 크기는 초음파 신호의 세기와 제1 지연시간으로 판단하는데, 결함이 클수록 초음파 신호의 세기는 많이 약화되고, 지연시간은 길어진다.
결함의 종류인 공동은 초음파신호의 세기약화로, 슬래그 덩어리는 후방산란 에 의한 복잡한 형태의 초음파 신호로 나타나는지 여부로서 판단한다.
그리고, 결함의 위치는 다음과 같이 판단한다.
도 2에서 제1 지연시간 T1에서 검출된 신호는 초음파가 발생된 후 마이크로폰(5)에 직접 전달된 신호이지만, 제2 지연시간 T1'에서 검출된 신호는 다시 초음파가 생성된 지점으로 반사되었다가 돌아온 신호이다. 결함이 없는 경우에는 T1'이 T1보다 두배 정도 긴 시간이다.
빌렛(3)의 정중앙부에 공동이 위치할 경우 도 3에서와 같이 제1 지연시간 T2에서 초음파가 검출되고, 빌렛(3)의 오른편 지점에서 반사된 초음파가 다시 공동의 계면에서 반사되어 마이크로폰(5)에서 감지가 되므로 제1 지연시간 T2와 제2 지연시간 T2'은 같은 값을 가진다. 이는 비슷한 거리를 초음파가 이동했기 때문이다.
따라서, 제2 지연시간 T2'의 값에 의하여 빌렛의 내부 결함의 위치를 측정할 수 있게 된다. 예를 들면 T2가 T2'보다 큰 값을 가지면 시료 내부의 존재하는 공동의 위치는 시편 정중앙에서 오른편에 위치하고, T2가 T2'보다 작은 값을 가지면 시료 내부의 존재하는 공동의 위치는 시편 정중앙에서 왼편에 위치하게 된다.
내부에 슬래그 덩어리가 존재할 때에도 그 위치 판단은 위와 동일하다.
이상에서 설명한 본 실시예는 빌렛의 특정부분에 대한 내부결함을 검출할 수 있는 것이다. 따라서, 빌렛의 전면에 대하여 내부결함을 검출하기 위해서는 레이저 광을 빌렛의 전면에 조사할 수 있는 수단과, 레이저 광에 의해 발생되는 각 부분의 초음파를 감지하기 위한 다수의 마이크로폰이 필요하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부결함 검출 장치의 구성도로서, 빌렛의 전면에 대한 결함 검출이 가능하도록 구성한 것이다.
본 실시예는 Nd:YAG 레이저(1), 렌즈(9), 마이크로폰(5), 오실로스코프(6), 신호처리장치(8)로 구성된 앞서 설명한 실시예의 구성을 모두 포함하여 구성하되, 상기 렌즈(9)와 검사 대상의 빌렛(3) 사이에 구비되고, 또 Nd:YAG 레이저(1)에서 발생되는 레이저 광과 동기되어 회전하여 렌즈(9)를 통과한 레이저 광이 빌렛(3)의 위에서부터 아래로 차례대로 조사되도록 하는 폴리곤 미러(11)을 더 포함하고, 레이저 광이 빌렛(3)의 위에서 아래로 한번 스캐닝되는 동안에 조사되는 수만큼의 마이크로폰(5)을 구비하여 구성된다.
또한 상기 Nd:YAG 레이저(1), 렌즈(9), 폴리곤 미러(11) 및 마이크로폰(5)은 빌렛(3)의 전면을 스캐닝 할 수 있도록 하기 위하여 소정거리씩 이동이 가능하다.
이와 같은 구성의 내부결함 검출 장치의 작용을 설명한다.
Nd:YAG 레이저(1)에서 레이저 광(2)과 트리거 신호(12)가 발생되고, 발생된 트리거 신호(12)는 오실로스코프(6)에 제공된다.
한편, 레이저 광(2)과 동기되어 폴리곤 미러(11)는 회전된다. 그러면 렌즈(9)를 통과한 레이저 광(2)은 폴리곤 미러(11)에 반사된 다음 이전에 조사되었는 곳과는 다른 곳의 빌렛(3)에 조사된다.
즉, 폴리곤 미러(11)가 회전함에 따라 폴리곤 미러(11)에 입사되는 레이저 광(2)의 입사각이 달라지게 된다. 이에 따라 빌렛(3)에서의 레이저 광(2)의 조사 위치가 위에서부터 아래로 차례대로 변화하게 된다. 폴리곤 미러(11)의 회전각과 한번의 스캐닝에 조사되는 레이저 광의 수는 한번의 레이저 광 조사로 내부결함 검출이 가능한 빌렛의 면적에 따라 결정된다.
빌렛(3)에 순차적으로 조사된 레이저 광(2)에 의해 발생된 초음파는 한번의 스캐닝에 조사되는 레이저 광의 수만큼 구비된 마이크로폰(5)에 감지되어 전기적 신호로 변환된다. 본 실시예에서는 레이저 광(2)이 5번 조사되는 것을 예로 들었으므로 마이크로폰(5)도 5개 구비된다.
마이크로폰(5)에서 감지된 초음파 신호는 오실로스코프(6)에서 측정되어 디스플레이 되고, 신호처리장치(8)에 입력된다.
신호처리장치(8)는 앞서 설명한 실시예와 같은 방법으로 빌렛(3)의 내부결함 유무, 종류, 크기 및 위치를 판단하고 표시한다.
한번의 스캐닝이 끝나면 Nd:YAG 레이저(1), 렌즈(9), 폴리곤 미러(11) 및 마이크로폰(5)을 소정거리씩 이동하여, 상술한 과정을 빌렛(3)의 전면에 대해 검사가 완료될 때까지 반복한다.
상술한 바와 같이 레이저 광이 빌렛의 표면에서 초음파를 발생시키고 발생된 초음파가 빌렛 내부를 진행하면서 빌렛 내부의 결함정보를 가지고 외부에 설치된 마이크로폰에서 감지됨으로써 내부결함 검출하는 본 발명은 기존에 접촉식 방식과는 달리 온 라인에서 빌렛의 내부결함 유무, 종류, 크기 및 위치를 측정할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

  1. 비접촉식으로 빌렛의 내부결함을 검출하는 장치에 있어서,
    레이저 광(2)을 발생시키는 한편 구비된 Q 스위치(Q-s)에서 트리거 신호를 발생시키는 Nd:YAG 레이저(1)와;
    상기 Nd:YAG 레이저(1)에서 발사된 레이저 광(2)을 집광하여 내부결함을 검사하고자 하는 빌렛(3)에 조사하는 렌즈(9)와;
    상기 빌렛(3)에 조사된 레이저 광(2)에 의해 발생되는 초음파(4)를 감지하여 전기적신호로 출력하는 마이크로폰(5)과;
    상기 렌즈(9)와 상기 빌렛(3) 사이에 구비되고, 상기 Nd:YAG 레이저(1)에서 발생되는 레이저 광(2)과 동기되어 회전하여 렌즈(9)를 통과한 레이저 광이 빌렛(3)의 위에서부터 아래로 차례대로 조사되도록 하는 폴리곤 미러와;
    상기 Nd:YAG 레이저(1)의 레이저 광(2)이 발사되는 시점에 Q 스위치(Q-s)에서 제공되는 트리거 신호에 상기 마이크로폰(5)이 감지한 전기신호로 변화된 초음파신호(7)를 동기시켜 디스플레이하는 오실로스코프(6)와;
    상기 오실로스코프(6)에서 출력되는 신호와 내부에 저장된 정보를 이용하여 빌렛 내부결함의 종류, 크기 및 위치를 판단하여 측정자가 인식할 수 있도록 표시하는 신호처리장치(8)를 포함하고,
    상기 Nd:YAG 레이저(1), 렌즈(9), 폴리곤 미러(11) 및 마이크로폰(5)은 빌렛(3)의 전면을 스캐닝할 수 있도록 소정거리씩 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 빌렛(3)의 위에서 아래로 한번 스캐닝되는 동안 조사된 레이저 광(2)의 수만큼의 마이크로폰을 포함한 것을 특징으로 하는 레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 신호처리장치(8)는 입력되는 신호에서 트리거 신호 발생시점으로부터 첫 번째 초음파 신호가 검출되기까지의 제1 지연시간, 첫 번째 초음파 신호 검출 후 두 번째 초음파 신호가 검출되기까지의 제2 지연시간, 초음파 신호의 세기 및 형태를 연산하여, 데이터 베이스화 되어있는 표준시편 및 각 결함의 종류, 크기 및 위치에 대한 정보와 비교함으로써 빌렛(3)의 내부결함의 유무, 종류, 크기 및 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출 장치.
KR1019990038202A 1999-09-08 1999-09-08 레이저 초음파를 이용한 내부결함 검출 장치 KR100679082B1 (ko)

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