KR101008172B1 - 레이저 펄스 빔의 열탄성 효과를 이용한 레이저 초음파 검사 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 피검사체 표면에 손상이 발생하지 않는 열탄성 효과를 이용하면서도 높은 초음파 신호 강도로 초음파를 측정할 수 있는 레이저 초음파 검사 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 피검사체에 초음파를 발진시키기 위해 레이저 펄스 빔을 이용한 레이저 초음파 검사 방법에 있어서, 정다각형이나 원형으로 배열된 다수의 레이저 펄스 스폿 또는 링형의 레이저 펄스 스폿을 상기 피검사체 표면에 조사하여 열탄성 효과에 의해 상기 피검사체에 초음파를 발생시키고, 상기 정다각형, 원형 또는 링형의 중앙에서 상기 초음파를 측정하여 측정지점에서의 초음파 중첩을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법을 제공한다.

초음파, 레이저

Description

레이저 펄스 빔의 열탄성 효과를 이용한 레이저 초음파 검사 방법{Laser ultrasonic inspecting method using thermoelastic effect of laser pulse}

본 발명은 펄스형 레이저 빔을 이용한 초음파 검사 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강판 등의 측정 대상물(피검사체)에 레이저 펄스 빔을 조사하여 그 대상물에 초음파를 발생시키고 대상물 내부를 전파한 초음파를 측정하여 대상물의 미세조직 등 재질 물성을 측정함에 있어서, 초음파 발생(발진)을 위해 대상물의 표면 손상이 발생하지 않는 열탄성 효과(thermoelastic effect)를 이용하면서도 높은 초음파 신호 강도로 초음파를 측정할 수 있는 방법에 관한 것이다.

제철소에서 생산되는 각종 강판의 열간 또는 냉간 압연 공정에서, 효율적인 압연 또는 냉각 작업을 위해 강판의 미세조직 등 재질 물성 정보를 실시간으로 측정할 필요가 있다. 금속이나 복합 재료 등의 기계적 특성이나 미세조직을 측정하기 위해, 레이저-초음파를 이용한 초음파 검사 방법(이하, "레이저 초음파 검사" 방법이라 함)을 이용할 수 있다. 이러한 초음파 검사는 측정 대상물 내에서의 초음파의 전파 특성을 이용하여 기계적 특성이나 미세조직을 파악하며, 기본적으로 비파괴적 인 검사 방법이기 때문에 다양한 분야에서 매우 광범위하게 사용된다.

초음파 검사는 통상 압전변환기(piezoelectric transducer)나 EMAT(electro-magnetic acoustic transducer)를 이용하여 왔다. 이 중에서 압전변환기는 측정 대상물과 변환기 사이에 초음파 전달 매질이 필요하며, 고온 하에서 그 기능이 저하되는 단점이 있다. EMAT는 통상 수 mm 정도까지 측정 대상물에 근접하여 사용되어야 하는 단점이 있다. 이와 같은 단점들로 인해 압전 변환기나 EMAT를 이용하는 종래의 초음파 검사는 고속 이송 중인 대상물에 대한 적용 또는 고온의 생산라인과 같은 열악한 환경 하에서의 온라인 적용이 거의 불가능하였다. 이에 반하여, 레이저-초음파 방법은 펄스형 레이저 빔을 이용하여 초음파를 발생시키고 측정 대상물(피검사체) 내부를 전파한 초음파를 레이저 간섭계를 이용하여 측정하는 방법인데, 기본적으로 비접촉식 방법이기 때문에 고온인 측정 대상물의 초음파 탐상이 가능하고 생산라인에서의 온라인 적용이 용이한 장점을 가지고 있다. 이러한 초음파 검사에서는 측정 대상물 내부를 전파한 초음파를 측정하여 초음파의 속도와 감쇠계수(attenuation coefficient)를 계산하고 이 속도와 감쇠계수를 이요하여 강판 등 대상물의 미세조직을 측정한다.

레이저 펄스 빔을 이용하여 초음파를 발진시키는 경우, 레이저 펄스 빔에 의한 측정 대상물(피검사체) 표면에서의 열탄성 효과(thermoelastic effect) 또는 융발(ablation)에 의해 초음파를 발생시킬 수 있다(참고문헌: Scruby, C.B. et al., "Laser-Ultrasonics : Techniques and Applications", Adam Hilger, Bristol, UK, 1990). 열탄성 효과와 융발 중에서 융발은 레이저 펄스 빔의 세기가 큰 경우에 발생한다. 융발의 경우, 표면 물질이 이온화(ionization) 및 기화(vaporization)되어 시편 표면에 대해 수직인 방향으로 전파하며, 이에 따라 피검사체 표면에 반동력(recoil force)이 작용하고 이 반동력에 의해 초음파가 발생한다. 이와 같이 융발에 의해 발생한 초음파는 일반적으로 그 세기가 열탄성 효과에 의한 초음파에 비해 크며, 레이저 펄스가 입사한 피검사체 표면에 수직방향으로 전파하는 초음파(종파)를 효율적으로 발생시킨다.

그러나 융발에 의해 초음파를 발생시키는 경우, 레이저 펄스의 입사지점에 표면 손상이 발생하는 단점이 있다. 특히, 제철소에서 생산하는 강판 중 냉연강판이나 열연강판은 최종제품으로 출하되기 때문에 표면손상을 방지하여야 한다. 따라서, 레이저 펄스를 이용하여 초음파를 발생시키는 경우 표면손상이 발생하지 않는 열탄성 효과를 이용하여야 한다. 그러나 열탄성 효과에 의해 발생하는 초음파는 강도가 낮기 때문에 온라인 초음파 탐상에의 적용이 어려운 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상술한 종래 기술의 단점을 극복하여, 표면손상이 생기지 않는 열탄성 효과를 이용하여 초음파를 발생시키면서도 측정지점에서 초음파 신호 강도를 증대함으로써 최적의 효율로 초음파를 측정할 수 있게 하는 레이저 초음파 검사 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 피검사체에 초음파를 발진시키기 위해 레이저 펄스 빔을 이용한 레이저 초음파 검사 방법에 있어서, 정다각형이나 원형으로 배열된 다수의 레이저 펄스 스폿 또는 링형의 레이저 펄스 스폿을 상기 피검사체 표면에 조사하여 열탄성 효과에 의해 상기 피검사체에 초음파를 발생시키고, 상기 정다각형, 원형 또는 링형의 중앙에서 상기 초음파를 측정하여 측정지점에서의 초음파 중첩을 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 상기 피검사체에 초음파를 발생시키기 위해, 상기 피검사체 표면에 다수의 레이저 펄스 스폿이 정다각형 또는 원형으로 배열되도록 레이저 펄스 빔을 상기 피검사체 표면에 조사한다. 개개의 상기 레이저 펄스 스폿은 원형 스폿일 수 있다. 상기 레이저 펄스 스폿과 측정지점(정다각형 또는 원형의 중앙) 간의 거리(L)는 초음파 모드와 피검사체의 두께에 의해 결정될 수 있 다. 상기 거리(L)는 L=2ㆍTㆍtan(θ)로 결정될 수 있다. 여기서, T는 피검사체의 두께이고, θ는 측정하고자 하는 초음파 모드의 주 진행 방향각이다.

본 발명의 다른 실시형태에서는, 상기 피검사체에 초음파를 발생시키기 위해, 상기 피검사체 표면에 링형의 레이저 펄스 스폿을 조사한다. 상기 링형 스폿의 반지름(L)은 초음파 모드와 피검사체의 두께에 의해 결정 될 수 있다. 상기 반지름(L)은 L=2ㆍTㆍtan(θ)로 결정될 수 있다. 여기서, T는 피검사체의 두께이고, θ는 측정하고자 하는 초음파 모드의 주 진행 방향각이다.

본 발명에 따르면, 피검사체에 표면손상이 발생하지 않는 열탄성 효과를 이용하여 초음파를 발진시키면서도 초음파의 효과적인 중첩 효과에 의해 높은 초음파 신호 감도로 초음파를 측정할 수 있다. 이에 따라, 강판과 같은 피검사체에 손상이 발생하는 것을 가능한 한 억제하면서도 향상된 측정 정도로 피검사체의 재질 물성을 온라인으로 측정할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 1은 원형 레이저 펄스 빔(laser pulse beam)의 입사에 의해 형성된 원판형 급속 가열부분의 단열팽창을 나타낸 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원형의 레이저 펄스 빔(2)이 피검사체(1)에 입사되어 원형의 스폿을 형성하면, 이 가열된 부분(1a)은 단열팽창하게 된다. 이러한 순간적인 단열팽창은 도 2에 도시된 바와 같이 열탄성 효과에 의한 초음파 발생 패턴을 나타낸다. 도 2는 초음파의 진행방향에 따른 강도 분포를 나타낸 것으로서, 도 2(a)에 도시된 바와 같이 종파(longitudinal wave)의 초음파 모드는 표면에 수직인 방향(0°)을 기준으로 하여 60°방향으로 주로 진행하며(주 진행방향각이 60°임), 도 2(b)에 도시된 바와 같이 횡파(shear wave)의 초음파 모드는 30°방향으로 주로 진행하게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 초음파 검사에 사용되는 다수의 레이저 펄스 스폿의 정다각형 또는 원형 배열을 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따르면, 초음파 발진을 위해 다수의 레이저 펄스 스폿(3)을 강판 등의 피검사체에 조사하되, 다수의 레이저 펄스 스폿(3)이 정다각형(본 실시형태에서는 정8각형) 또는 원형으로 배열되도록 조사하여, 열탄성 효과에 의해 상기 스폿(3)에서 초음파를 발진시킨다. 이 경우, 레이저 펄스에 의해 발생된 초음파의 측정은 초음파가 발생된 피검사체면과 동일면에서 이루어지며, 특히 초음 파 측정지점은, 다수의 레이저 펄스 스폿(3)의 배열체가 형성하는 정다각형 또는 원형의 중심(중앙)과 일치되도록 한다. 본 실시형태에서는, 피검사체 표면에 8개의 원형 레이저 펄스 스폿(개개의 레이저 스폿 자체가 원형임)을 죄우 및 상하 대칭으로 배치하여 8개의 스폿들은 전체적으로 정8각형 또는 원형의 배열체(circular array)를 형성하고 있고, 그 중심이 초음파 측정지점이 된다.

상술한 바와 같이, 다수의 레이저 펄스 스폿을 정다각형 또는 원형의 배열체로 배열하고, 그 배열체 중심에 측정지점으로 정함으로써, 각 스폿으로부터 발생된 열탄성 효과에 의한 초음파들이 상기 배열체 중심(측정지점)에서 중첩되고, 그 중첩효과에 의해 측정지점에서 높은 신호강도(레벨)의 초음파 신호를 확보할 수 있게 된다. 결국, 열탄성 효과에 의한 초음파를 이용하여 피검사체 표면 손상을 억제하면서도, 측정지점에서 보다 향상된 측정 신호강도를 얻을 수 있게 된다.

또한, 후술하는 바와 같이, 레이저 펄스 스폿(3)과 측정지점 간의 최적 거리(L)는 측정하고자 하는 초음파 모드와 피검사체의 두께에 의해 결정된다. 이러한 최적 거리(L)로 정다각형 또는 원형 배열체의 크기(스폿과 중심 간의 거리)를 정함으로써, 열탄성 효과에 의한 초음파 발생면과 동일한 표면에서 최대의 초음파 신호강도로 초음파를 측정할 수 있고, 강판 등의 피검사체의 재질 특성을 보다 높은 정확도로 검사할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 레이저 초음파 검사에 사용되는 링형(ring type) 레이저 펄스 스폿을 나타낸 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 링형의 레이저 펄스 스폿(4)을 피검사체에 조사하되, 그 스폿에 의해 발생된 열탄성 효과에 의한 초음파의 측정지점은 링형의 중심과 일치되도록 한다. 이러한 링형 레이저 펄스 스폿(4)은 상술한 정다각형 또는 원형 배열체(도 3 참조)를 형성하는 다수 레이저 스폿의 갯수를 무한대로 극대화시킨 것과 같은 효과를 나타내며, 링형 스폿 발생을 위한 광학계의 구성 또한 상대적으로 간단하다. 링형의 스폿 내의 각 지점으로부터 전파된 초음파 성분들이 측정지점(링형의 중심)에서 중첩되고, 결국 초음파 신호강도의 증대 효과를 가져온다. 이 경우, 초음파 발생지점(스폿)과 측정지점(중심)간의 평균 거리, 즉 링형 스폿의 반지름(L)은, 측정하고자 하는 초음파 모드와 피검사체의 두께에 의해 결정된다.

도 5는 하나의 지점에 조사된 레이저 펄스 빔(1개의 레이저 펄스 스폿)의 열탄성 효과에 의해 발생된 초음파의 측정을 위한 최적의 측정거리 또는 측정위치를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 피검사체에 조사된 레이저 펄스 빔의 열탄성 효과에 의해 발생된 초음파를 측정하기 위한 최적의 측정지점(측정지점이 초음파 발생지점과 동일 평면일 경우)은, 각 모드의 초음파가 진행하는 방향을 고려하여 선택할 수 있다. 즉, 측정하고자 하는 특정 모드의 초음파의 주 진행방향각이 θ인 경우, (초음파 발진을 위한) 레이저 펄스 스폿과 측정지점 간의 최적 거리(L)은 피검사체의 두께가 T일 때 다음과 같다.

L=2ㆍTㆍtan(θ)

도 6은 2개의 레이저 펄스 스폿(A, B)에 의해 생성된 초음파 측정을 위한 최적 측정거리를 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 피검사체(1) 표면 상의 2군데에 레이저 펄스 스폿(A, B)를 조사하여 발생된 열탄성 효과에 의한 초음파를 측정하고자 할 경우, 2개의 스폿(A, B) 사이에서 각 스폿(A, B)으로부터 상술한 거리(L=2ㆍTㆍtan(θ))만큼 떨어지 위치를 측정지점으로 정한다. 이에 따라 측정지점에서 각 스폿(A, B)으로부터 최적의 측정거리(L)가 얻어질 뿐만 아니라, 각 스폿(A, B)에서 발생된 초음파 성분들이 측정지점에서 중첩되는 효과를 얻게 된다.

따라서, 도 3 및 4의 실시형태에서, 초음파 발생지점과 측정지점(정다각형 또는 원형 배열체의 중심, 링형의 중심) 간의 거리(L)를 상술한 바와 같이, L=2ㆍTㆍtan(θ)로 결정함으로써 측정지점에서 초음파 중첩효과를 얻으면서도 최적의 위치에서 최대의 초음파 신호강도를 얻을 수 있다(T는 피검사체의두께, θ는 측정하고자 하는 초음파 모드의 주 진행방향각). 예를 들어, 도 3 또는 4의 실시예에서, 두께 T인 강판에 대해 종파 모드의 초음파를 측정할 경우 레이저 스폿(3)과 측정지점 간의 거리(L) 또는 링형 레이저 펄스 스폿(4)의 반지름(L)을 L=2ㆍTㆍtan(60 °)=

로 설정할 수 있다.

도 7은 단일의 원형 레이저 펄스 스폿(도 7(a))을 사용하여 얻은 초음파 신호의 그래프(도 7(b))를 보여준다. 이에 반하여, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 다수의 원형 레이저 펄스 스폿의 배열체(도 8(a) 참조)를 사용하여 얻은 초음파 신호의 그래프(도 8(b))를 보여주고, 도 9는 다른 실시예에 따라 링형의 레이저 펄스 스폿(도 9(a))를 사용하여 얻은 초음파 신호의 그래프(도 9(b))를 보여준다.

도 7 내지 9에 나타난 바와 같이, 단일의 원형 레이저 펄스 스폿(2)을 사용한 초음파 신호에서는 종파 및 횡파 에코를 확인하기 어렵지만, 본 발명의 실시예들에 따라 정다각형 또는 원형으로 배열된 다수의 레이저 펄스 스폿(3)이나 링형 레이저 스폿(4)을 사용한 경우에는 종파 및 횡파 에코의 확인이 가능하다. 이것은 상술한 바와 같이 정다각형 또는 원형 배열체를 이루는 다수의 레이저 펄스 스폿(3) 혹은 링형의 레이저 스폿(4)을 사용하여 초음파를 측정하면, 초음파 에너지의 중첩이 측정지점에서 이루어지고 이에 따라 높은 신호 레벨의 초음파 신호를 확보하게 된다는 것을 보여주는 것이다. 특히, 링형 레어저 펄스 스폿의 경우에는, 열탄성 영역에서 다수의 종파 및 횡파 에코열(echo train)이 확인되는 바(도 9), 피검사체 재질 특성의 정확한 측정에 유용하게 이용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 1은 원형 레이저 펄스 빔의 입사에 의해 형성된 원판형 급속 가열부분의 단열팽창을 나타낸 개략도이다.

도 2는 레이저 펄스 빔의 열탄성 효과에 의해 발생된 초음파의 진행방향에 따른 초음파 강도 분포(Directivity pattern)을 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 레이저 초음파 검사에 사용되는 다수의 레이저 펄스 스폿의 정다각형 또는 원형 배열을 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 레이저 초음파 검사에 사용되는 링형 레이저 펄스 스폿을 나타낸 것이다

도 5는 1개의 레이저 펄스 스폿의 열탄성 효과에 의해 발생된 초음파의 측정을 위한 최적의 측정거리를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 2개의 레이저 펄스 스폿에 의해 생성된 초음파 측정을 위한 최적 측정거리를 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 단일의 원형 레이저 펄스 스폿을 사용하여 얻은 초음파 신호의 그래프를 나타내고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 다수의 원형 레이저 펄스 스폿의 배열체를 사용하여 얻은 초음파 신호의 그래프를 나타내고, 도 9는 다른 실시예에 따라 링형의 레이저 펄스 스폿를 사용하여 얻은 초음파 신호의 그래프를 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 측정 대상물(피검사체) 2: 레이저 펄스 빔

3: 원형 레이저 펄스 스폿 4: 링형 레이저 펄스 스폿

Claims (9)

1. 피검사체에 초음파를 발진시키기 위해 레이저 펄스 빔을 이용한 레이저 초음파 검사 방법에 있어서,

   정다각형이나 원형으로 배열된 다수의 레이저 펄스 스폿 또는 링형의 레이저 펄스 스폿을 상기 피검사체 표면에 조사하여 열탄성 효과에 의해 상기 피검사체에 초음파를 발생시키고, 상기 정다각형, 원형 또는 링형의 중앙에서 상기 초음파를 측정하여 측정지점에서의 초음파 중첩을 이용하는 것을 특징으로 하며,

   상기 레이저 펄스 스폿과 측정지점 간의 거리(L)는 초음파 모드와 피검사체의 두께에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 피검사체에 초음파를 발생시키기 위해, 상기 피검사체 표면에 다수의 레이저 펄스 스폿이 정다각형 또는 원형으로 배열되도록 레이저 펄스 빔을 상기 피검사체 표면에 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법.
3. 제2항에 있어서,

   각각의 상기 레이저 펄스 스폿은 원형 스폿인 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 거리(L)는 L=2ㆍTㆍtan(θ)로 결정되고, T는 피검사체의 두께이고, θ는 측정하고자 하는 초음파 모드의 주 진행 방향각인 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 피검사체에 초음파를 발생시키기 위해, 상기 피검사체 표면에 링형의 레이저 펄스 스폿을 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 링형 레이저 펄스 스폿의 반지름(L)은 초음파 모드와 피검사체의 두께에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 반지름(L)은 L=2ㆍTㆍtan(θ)로 결정되고, T는 피검사체의 두께이고, θ는 측정하고자 하는 초음파 모드의 주 진행 방향각인 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법.
9. 제5항 또는 제8항에 있어서,

   상기 측정지점에서 종파 초음파를 측정하고, 상기 거리 또는 반지름(L)은

   

   로 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 검사 방법.

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