KR101610608B1 - 금속재의 특성 측정 장치 - Google Patents

금속재의 특성 측정 장치 Download PDF

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Abstract

펄스 레이저광을 출사하는 레이저 발진기와, 펄스 레이저광의 광축과 수직한 면에 매트릭스형상으로 깔려진 복수의 동일 형상의 소 렌즈를 가지며, 복수의 소 렌즈의 각각에 펄스 레이저광을 빔 단면에 관해 분할한 일부분이 입사하도록 배치된 렌즈 어레이와, 렌즈 어레이의 복수의 소 렌즈로부터의 출사광을 측정 대상의 금속재의 표면의 동일 영역에 겹쳐서 집광시키는 집광 렌즈와, 집광 렌즈에 의해 집광된 펄스 레이저광에 의해 여기 되어 금속재의 내부를 전파하는 펄스 초음파를 전기 신호로서 검출하는 레이저 간섭계와, 전기 신호를 처리하는 신호 처리 장치를 구비한다.

Description

금속재의 특성 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING CHARACTERISTICS OF METAL MATERIAL}
본 발명은, 레이저광을 이용한 금속재의 특성 측정 장치에 관한 것이다.
근래, 금속재의 강도, 성형성 등 특성의 향상은 현저하다. 이에 수반하여, 제조 공정 및 검사 공정에서 금속재의 특성 및 금속재의 특성과 깊은 상관 관계를 갖는 여러 특성을 측정하는 것의 필요성이 높아지고 있다.
예를 들면, 금속재의 강도와 결정입경(結晶粒徑)의 사이에는 강한 상관 관계가 있고, 결정입경을 수십㎛로 부터 1㎛ 정도까지 작게 하면, 강도가 높을 뿐만 아니라, 성형 가공성, 리사이클성에도 우수한 고성능의 금속재를 얻을 수 있는 것이 알려져 있다. 이와 같은 금속재의 품질 관리는, 파괴 시험에 의해 행하는 일이 많다. 예를 들면, 압연 후의 제품 코일로부터 시험편을 잘라내어 인장 시험 등에 의해 강도를 확인한다. 그러나, 이와 같은 방법에서는 측정치를 얻기까지의 리드 타임이 수시간 내지 수일로 길고, 그 사이에 불량품이 연속해서 발생하는 것을 방지할 수가 없다.
이에 대해, 레이저 초음파법에 의한 금속재의 특성 측정이 시도되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조.). 레이저 초음파법은, 금속재의 표면에 펄스 레이저광을 조사하고, 그 때에 발생하는 고주파의 펄스상의 초음파(이하, 「펄스 초음파」라고 한다)의 금속재에서의 전파 거동을 해석하여, 금속재의 결정입경 등의 특성을 비접촉으로 측정하는 방법이다. 이 방법에 의하면, 신속하게 측정 결과를 얻을 수 있다.
펄스 초음파의 전파 거동을 이용하여 검출된 금속재의 특성은, 예를 들면, 결정입경, 탄성율, 성형성(r값), 탄성파속도 등 다양하다. 또한, 금속재의 결정입경과, 인장강도, 항복강도 및 항복신장과의 사이에는 강한 상관 관계가 있는 것이 알려져 있고, 금속재의 결정입경의 측정 방법과 동일한 측정 방법에 의해, 이들의 특성치를 얻을 수도 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개2008-116209호 공보
레이저 초음파법을 이용한 금속재의 특성 측정에서, 펄스 초음파가 금속재 내부를 전파하는 동안에, 금속재의 특성 측정에 이용하는 「(i) 결정립계에서의 산란에 의한 펄스 초음파의 감쇠」뿐만 아니라, 「(ⅱ) 펄스 초음파의 직진 방향 이외로의 확산」에 의해서도, 펄스 초음파의 진폭이 감소한다. 펄스 초음파의 진폭이 감소하면, 신호대(對) 노이즈비가 악화하고, 특성 측정 장치의 측정 정밀도가 저하된다.
따라서 결정립계로의 산란에 의한 펄스 초음파의 감쇠를 보다 명확하게 검출하기 위해, 펄스 초음파의 확산을 억제할 필요가 있다. 펄스 초음파의 확산을 억제하기 위해서는, 펄스 레이저광의 스폿 사이즈를 크게 하는 방법이 있다. 즉, 스폿의 외주부에서는, 주위의 금속재에 의해 진동이 구속되기 때문에, 펄스 초음파의 진행 방향이 변화하여 확산이 생기지만, 스폿 사이즈를 크게 하면, 외주부에 의한 영향을 상대적으로 작게 할 수가 있어서, 펄스 초음파의 직진 방향 이외로의 확산을 억제할 수 있다.
그렇지만, 일반적인 레이저 발진기로부터 출사되는 펄스 레이저광을 단지 확대하여 조사하는 것만으로는, 충분한 효과를 얻을 수가 없다는 문제가 있다. 즉, 레이저 발진기로부터 출사되는 펄스 레이저광의 빔 단면 내의 광량 분포(빔 프로파일)는 균일하지가 않고, 빔 중심 부근의 광량이 주변보다도 큰 것이 일반적이다. 이 때문에, 펄스 레이저광을 단지 확대하여 스폿 사이즈를 크게 하는 경우에는, 금속재의 스폿 중앙부에서 여기(勵起)되는 펄스 초음파의 진폭은 크고, 스폿 주변부에서 여기 되는 펄스 초음파의 진폭은 작다.
이 펄스 초음파의 진폭차에 의해, 펄스 초음파의 전파 방향이 펄스 레이저광의 조사면에 수직한 방향으로 정돈되지 않고, 마치 스폿 사이즈가 작은 경우와 같이 펄스 초음파가 주변으로 확산한다. 이 때문에, 전파 거리에 대해 펄스 초음파의 진폭이 현저하게 감소하고, 검출하는 펄스 초음파의 파형의 신호대 노이즈비가 악화한다. 그 결과, 측정 정밀도가 저하된다는 문제가 있다.
상기 문제점을 감안하여, 본 발명은, 측정 정밀도의 저하가 억제된, 펄스 레이저광을 이용한 금속재의 특성 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 실시형태에 의하면, (ㄱ) 펄스 레이저광을 출사하는 레이저 발진기와, (ㄴ) 펄스 레이저광의 광축과 수직한 면에 매트릭스형상으로 깔려진 복수의 동일 형상의 소 렌즈를 가지며, 복수의 소 렌즈의 각각에 펄스 레이저광을 빔 단면에 관해 분할한 일부분이 입사하도록 배치된 렌즈 어레이와, (ㄷ) 렌즈 어레이의 복수의 소 렌즈로부터의 출사광을 측정 대상의 금속재의 표면의 동일 영역에 겹쳐서 집광시키는 집광 렌즈와, (ㄹ) 집광 렌즈에 의해 집광된 펄스 레이저광에 의해 여기 되어 금속재의 내부를 전파하는 펄스 초음파를 전기 신호로서 검출하는 레이저 간섭계와, (ㅁ) 전기 신호를 처리하는 신호 처리 장치를 구비한 금속재의 특성 측정 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 측정 정밀도의 저하가 억제된, 펄스 레이저광을 이용한 금속재의 특성 측정 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 2는 본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치가 갖는 렌즈 어레이의 구성예를 도시하는 모식도이고, 도 2(a)는 평면도, 도 2(b)는 도 2(a)의 Ⅱb-Ⅱb 방향에 따른 단면도, 도 2(c)는 도 2(a)의 Ⅱc-Ⅱc 방향에 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치에 의한 집광 스폿 형상의 예를 도시하는 사진.
도 4는 측정 대상의 금속재 내부에 여기 되는 펄스 초음파의 검출 파형의 예를 도시하는 그래프.
도 5는 피스톤 음원으로부터 송신된 펄스 초음파가 확산하는 양상을 도시하는 모식도.
도 6은 펄스 레이저광의 광량 분포의 예를 도시하는 그래프이고, 도 6(a)는 가우스 분포를 나타내고, 도 6(b)는 균일 분포를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치에 의한 파형 해석 방법의 예를 설명하기 위한 플로 차트.
도 8은 본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치에 의해 검출된 펄스 초음파의 검출 파형의 예를 도시하는 그래프.
도 9는 본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치의 다른 구성을 도시하는 모식도.
도 10은 본 발명의 제2의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 11은 펄스 레이저광의 빔 프로파일의 경시변화를 도시하는 사진이고, 도 11(a)는 경시변화 전의 빔 프로파일을 도시하는 사진이고, 도 11(b)는 경시변화 후의 빔 프로파일을 도시하는 사진.
다음에, 도면을 참조하여, 본 발명의 제1 및 제2의 실시 형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 붙이고 있다. 이하에 나타내는 제1 및 제2의 실시 형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것으로서, 본 발명의 실시 형태는, 구성 부품의 구조, 배치 등을 하기한 것으로 특정하는 것이 아니다. 본 발명의 실시 형태는, 청구의 범위에서 여러 가지의 변경을 가할 수 있다.
(제1의 실시 형태)
본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치(1)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 펄스 레이저광(Lp)을 출사하는 레이저 발진기(10)와, 펄스 레이저광(Lp)의 광축과 수직한 면에 매트릭스형상으로 깔려진 복수의 동일 형상의 소 렌즈(Ls)를 갖는 렌즈 어레이(20)와, 복수의 소 렌즈(Ls)로부터의 출사광(Ld)을 측정 대상의 금속재(100)의 표면(101)의 동일 영역에 겹쳐서 집광시키는 집광 렌즈(30)와, 출사광(Ld)이 조사되고 금속재(100)의 내부를 전파하는 펄스 초음파(SW)를 해석하는 해석 장치(40)을 구비한다. 렌즈 어레이(20)의 복수의 소 렌즈(Ls)에는, 펄스 레이저광(Lp)의 광축에 수직한 빔 단면에 관해 분할한 일부가 각각 입사되고, 복수의 소 렌즈(Ls)는 광축에 수직한 빔 단면의 형상이 서로 동일한 출사광(Ld)을 각각 출사한다
도 1에 도시한 특성 측정 장치(1)에서는, 금속재(100)의 표면(101)에 펄스 레이저광(Lp)을 조사하여 소규모의 폭발을 일으켜, 금속재(100)에 펄스 초음파(SW)를 여기 시킨다. 이 펄스 초음파(SW)는 금속재(100) 내를 전파하면서 감쇠하고, 펄스 레이저광(Lp)이 조사된 표면(101)에 대향하는 금속재(100)의 이면(102)의 미소한 진동으로서 나타난다.
해석 장치(40)의 검출 장치가, 이 미소한 진동을 전기 신호로서 검출한다. 도 1은, 검출 장치로서 레이저 간섭계(41)를 채용한 예이다. 레이저 간섭계(41)는, 집광 렌즈(30)에 의해 집광된 펄스 레이저광(Lp)에 의해 여기 되어 금속재(100)의 내부를 전파하는 펄스 초음파를 전기 신호로서 검출한다. 구체적으로는, 레이저 간섭계(41)는 금속재(100)의 이면(102)에 미약한 검출용 레이저광(Lf)을 조사하고, 검출용 레이저광(Lf)의 금속재(100)로 부터의 반사광(Lr)과 기준광을 간섭시킴에 의해, 금속재(100)의 이면(102)에 나타난 미소 진동을 전압의 변화로서 검출한다. 레이저 간섭계(41)에 의해 검출된 전기 신호를 해석 장치(40)의 신호 처리 장치(42)가 처리하고, 금속재(100)의 특성이 측정된다. 예를 들면, 검출된 전기 신호를 디지털 오실로스코프(421)를 통하여 신호 처리 컴퓨터(422)에 받아들이고, 파형 해석에 의해 금속재(100)의 특성이 판정된다.
이하에, 도 1에 도시한 특성 측정 장치(1)의 상세한 구성에 관해 설명한다.
레이저 발진기(10)에는, 예를 들면, 대출력이며 특성이 안정되어 있는 Q스위치 고체 펄스 레이저를 채용 가능하다. 특히 발진용 고체 매질에 네오디뮴 도프 : 이트륨·알루미늄·가넷(Nd : YAG)을 이용한 펄스 폭 수ns 내지 수십ns 정도의 Q스위치 고체 펄스 레이저는, 산업용도에 널리 이용되고 있고, 레이저 발진기(10)에 바람직하다.
레이저 발진기(10)로부터 방출된 펄스 레이저광(Lp)은, 일반적으로 근소한 확산각을 갖는다. 이 때문에, 오목렌즈(111)와 볼록렌즈(112)를 조합시킨 확대계(11)를 이용하여 거의 평행광으로 된 펄스 레이저광(Lp)이, 렌즈 어레이(20)에 입사한다.
렌즈 어레이(20)의 구성예를 도 2(a) 내지 도 2(c)에 도시한다. 렌즈 어레이(20)는, 입사되는 펄스 레이저광(Lp)의 광축과 수직한 면에 동일 형상의 다수의 소 렌즈(Ls)가 깔려진 구조를 가지며, 도 2는 n개의 정방형의 소 렌즈(Ls1 내지 Lsn)가 매트릭스형상으로 배치된 예를 나타내고 있다. 도 2(a)로 해칭을 그은 영역이 펄스 레이저광(Lp)의 빔이 조사되는 영역이고, 펄스 레이저광(Lp)의 빔 지름이 Db이다.
정방형 외에, 장방형, 육각형, 및, 원형 등 어느 형상도 소 렌즈(Ls)에 채용 가능하다. 단, 소 렌즈(Ls) 사이에 틈이 있으면 집광 효율이 내려가기 때문에, 렌즈 어레이(20)에 소 렌즈(Ls)가 틈 없이 배치되어 있는 것이 바람직하다. 도 2(c)에 도시한 소 렌즈(Ls)의 간격(w)는, 입사된 펄스 레이저광(Lp)의 빔 단면 내에, 후술하는 바와 같이 충분한 수의 소 렌즈(Ls)가 포함되도록 정한다. 여기서, 「소 렌즈(Ls)의 간격」이란, 인접한 소 렌즈(Ls)의 중심 사이의 거리이다.
렌즈 어레이(20)에 펄스 레이저광(Lp)을 입사시키면, 펄스 레이저광의 빔 단면 내에 포함되도록 배치된 렌즈 어레이(20)를 구성한 각각의 소 렌즈(Ls)에, 빔 단면에 관해 분할한 펄스 레이저광(Lp)의 일부가 각각 입사되고, 소 렌즈(Ls)의 각각은 소 렌즈(Ls)의 형상(예를 들면 정방형)의 상을 결상한다. 렌즈 어레이(20)에 입사한 펄스 레이저광(Lp)의 빔 단면 내의 광량 분포(빔 프로파일)가 어떠한 분포라 하여도, 펄스 레이저광(Lp)의 극히 일부분으로 만들어낸 각 소 렌즈(Ls)의 출사광(Ld)은 균일한 광량 분포를 갖는다.
렌즈 어레이(20)로부터 출사된 각 출사광(Ld)은, 볼록렌즈인 집광 렌즈(30)에 의해 금속재(100)의 표면(101)에 집광된다. 또한, 집광 렌즈(30)의 초점 거리는, 스탠드 오프 거리(SD)(집광 렌즈(30)와 금속재(100)의 표면(101)과의 간격)와 거의 동등하다.
그리고, 복수의 소 렌즈(Ls)에 의한 각 상은, 집광 렌즈(30)의 초점 위치, 즉, 금속재(100)의 표면(101)상의 1점에 중합되어 투영된다. 이와 같이 하여, 소 렌즈(Ls)와 같은 형상(예를 들면 정방형)으로 균일한 광량 분포의 복수의 펄스 레이저광이 조사되는 집광 스폿(SP)을 금속재(100)의 표면(101)에 형성하도록, 펄스 레이저광(Lp)은 정형(整形)된다. 집광 스폿(SP)의 형상은 소 렌즈(Ls)의 형상과 동일하고, 크기는 집광 렌즈(30)의 초점 거리에 의해 정해진다.
이 집광 스폿(SP) 내에서는 복수의 소 렌즈(Ls)에 의해 투영되는 상이 중합되어 있기 때문에, 간섭 줄무늬에 의한 명암이 생긴다. 단, 중합되는 상의 수를 충분히 많게 하면, 이 간섭 줄무늬의 간격을 극히 작게 할 수 있고, 집광 스폿(SP) 내에서 거의 균일한 광량 분포를 얻을 수 있다. 중합된 양의 수가 15개를 밑돌면, 금속재(100) 내부를 전파하는 펄스 초음파(SW)의 파형에 간섭 줄무늬가 미치는 영향을 무시할 수가 없는 경우가 있고, 또한, 광량 균일화의 효과가 불충분하게 되는 경우가 있다. 따라서 입사되는 펄스 레이저광(Lp)의 빔 단면 내에 15 이상의 소 렌즈(Ls)가 포함되도록, 렌즈 어레이(20)에서의 소 렌즈(Ls)의 간격이 설정된다.
렌즈 어레이(20)의 초점 거리는, 금속재(100)의 표면(101)에 형성되는 집광 스폿(SP)의 크기가 소망하는 값이 되도록, 실험 또는 광선 추적 시뮬레이션 계산에 의해 결정된다. 실용적으로는, 렌즈 어레이(20)의 초점 거리는, 스탠드 오프 거리(SD)와 같은 정도로부터, 스탠드 오프 거리(SD)의 10분의1 정도의 범위이다. 렌즈 어레이(20)의 제조에는 여러 가지의 제약이 있기 때문에, 소망하는 초점 거리의 소 렌즈(Ls)가 얻어지지 않는 경우가 있다. 이 경우는, 복수의 렌즈 어레이(20)를 조합시켜서 배치하여도 좋다.
펄스 레이저광(Lp)은 광량 밀도의 첨두치(尖頭値)가 높기 때문에, 렌즈 어레이(20)의 소재에 관해서는, 예를 들면, 석영유리 등의 손상 임계치가 높은 유리제의 것이 알맞다. 단, 금속재(100)의 특성 측정에 필요한 파장, 출력에 따라서는 플라스틱제의 렌즈 어레이(20) 등도 채용 가능하다.
금속재(100)의 표면(101)에서의 집광 스폿(SP)의 형상을 번-페이퍼에 구워붙여서 기록한 예를 도 3에 도시한다. 도 3은, 소 렌즈(Ls)를 1.1㎜ 간격으로 18행 18열의 매트릭스형상으로 배치한 렌즈 어레이(20)에, 빔 지름(Db)이 14㎜의 펄스 레이저광(Lp)을 입사하여 형성된 집광 스폿(SP)의 형상이다. 따라서 도 3은 약 127개의 소 렌즈(Ls)의 상이 겹쳐진 예이다. 집광 스폿(SP)의 형상은, 렌즈 어레이(20)의 소 렌즈(Ls)의 형상과 같은 정방형이고, 소 렌즈(Ls)의 형상이 잘 중합하여 투영되어 있음을 알 수 있다. 도 3에 도시한 예에서는, 집광 스폿(SP)의 사이즈(Ds)는 4.5㎜이다.
집광 스폿(SP)에의 펄스 레이저광(Lp)의 조사에 의해 금속재(100)에 펄스 초음파(SW)가 여기 되고, 이 펄스 초음파(SW)가 금속재(100) 내를 전파한다. 도 4에 예시하는 바와 같이, 금속재(100)에 여기 되는 펄스 초음파(SW)는 다양한 진동 모드의 성분을 갖는다. 예를 들면 금속재(100)의 결정입경의 측정에는, 종파(縱波) 성분의 반복 반사 에코(도 4에서 화살표로 나타낸, 파형의 뾰족한 부분)를 이용한다. 도 4에서, 파형(E1, E2, E3)이 각각 종파의 제1 에코, 제2 에코, 제3 에코이다.
또한, 도 4에서, 종축은 상대적인 진폭(단위 a.u. : Arbitrary Unit)을 나타내고 있다. 횡축은 펄스 레이저광(Lp)이 출사되고 나서의 경과 시간이다. 펄스 레이저광(Lp)이 출사된 후에, 최초에 금속재(100)의 이면(102)에 펄스 초음파(SW)가 도달하는 시각에 제1 에코가 검출된다. 그리고, 이면(102)에서 반사된 후, 다시 표면(101)에서 반사된 펄스 초음파(SW)가 이면(102)에 도달한 시각에, 제2 에코 이후의 반사 에코가 검출된다. 따라서 제1 에코가 검출되기까지의 시간은 금속재(100)의 두께에 대응하고, 그 후의 각 에코가 검출되는 간격은 금속재(100)의 두께의 2배에 대응한다.
여기서, 금속재(100)의 내부를 전파하는 펄스 초음파(SW)를, 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는, 평판형상의 피스톤 음원(500)으로부터 송신된 펄스 초음파(SW)가 확산하는 양상을 도시하는 모식도이다.
펄스 초음파(SW)가 피스톤 음원(500)으로부터 송신된 경우, 평면파(Wp)로서 직진하는 영역을 근거리 음장(fresnel zone)이라고 하고, 펄스 초음파(SW)가 직진하는 거리(근거리 음장 한계 거리(x))는, 이하의 식(1)으로 표시된다 :
x=d2/(4λ) … (1)
식(1)에서, d는 피스톤 음원(500)의 직경이고, 금속재(100)에 조사된 펄스 레이저광(Lp)의 스폿 사이즈에 상당한다. λ는 펄스 초음파(SW)의 파장(㎜)이다.
한편, 근거리 음장 한계 거리(x)보다 먼 영역을 원거리 음장이라고 하고, 펄스 초음파(SW)는 구면파(Ws)로서 확산한다. 원거리 음장에서는, 결정입경 등의 재질 특성과는 관계없이, 펄스 초음파(SW)의 진폭이 전파 거리의 제곱에 비예하여 급속하게 감소한다. 따라서 파형 해석에 이용하는 펄스 초음파(SW)를 명료하게 검출할려면, 스폿 사이즈를 크게 하여, 근거리 음장 한계 거리(x)를 보다 길게 하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 두께 2㎜의 강재의 입경을 측정함에 있어서, 반복 반사의 제1 내지 제5 에코의 파형을 강재의 이면에서 검출하는 경우, 제5 에코의 전파 거리는 이하의 식(2)으로 표시된다 :
2(㎜)×(1+4×2(왕복))=18(㎜) … (2)
강재의 종파 초음파의 전파 속도(v)는 약 5900m/s이기 때문에, 30MHz의 종파 초음파의 파장(λ)=v/f는, 0.197㎜이다. 따라서 식(1)에 의하면, 파형 해석에 30MHz 이상의 주파수 성분을 이용하는 경우, 스폿 사이즈의 직경을 4㎜ 정도 이상으로 하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
상기한 수치는 설계상의 기준이고, 실제로는, 측정 목적에 응하여, 어느 정도의 노이즈대 신호비의 열화를 허용할 수 있는지에 의해, 보다 작은 스폿 사이즈로서도 문제없는 경우도 있다. 또한, 확산에 의한 진폭의 감소를 나타내는 공지의 식(式) 등을 이용하여 초음파 파형을 보정함에 의해, 보다 작은 스폿 사이즈의 경우에도, 초음파 에코를 명료하게 검출할 수 있는 경우도 있다.
한편, 펄스 초음파(SW)의 확산의 억제에 관해서는 스폿 사이즈의 상한에 관한 제약은 특히 존재하지 않는다. 단, 레이저 발진기(10)의 출력에 응하여, 금속재(100)의 표면(101)에서 어브레이션(ablation)을 일으키는데 필요한 광량 밀도를 확보할 수 있는 스폿 사이즈의 상한치는 존재하기 때문에, 그 이하라면 좋다. 따라서 금속재(100)의 두께 등에 응하여 스폿 사이즈의 상한을 조정하는 것은 특히 필요하지 않다.
상기한 펄스 초음파(SW)의 확산에 관한 검토는, 평판형상의 피스톤 음원(500)을 전제로 한다. 그러나, 레이저 발진기(10)로부터 출사되는 펄스 레이저광(Lp)의 빔 단면 내의 광량 분포(빔 프로파일)는, 반드시 균일하지가 않다. 특히, 산업용도로 널리 이용되고 있는 레이저 발진기의 펄스 레이저광의 광량 분포는, 빔 중심 부근의 광량이 크고, 볼록렌즈에 의한 집광성이 양호한 「가우스 분포(정규 분포)」가, 그에 가까운 분포이다. 도 6(a)에 도시하는 바와 같이 빔 프로파일이 가우스 분포인 경우에는, 도 6(b)에 도시한 빔 프로파일이 균일한 경우와 비교하여, 빔 중심 부근의 광량과 주변의 광량과의 차가 크다. 또한, 도 6(a), 도 6(b)의 종축은 광량, 횡축은 집광 스폿 내의 위치를 나타낸다.
가우스 분포를 갖는 펄스 레이저광을, 상술한 바와 같이 충분한 크기의 스폿 사이즈로 금속재(100)의 표면(101)에 집광하는 경우, 몇 장의 렌즈에 의한 축소 광학계를 통하는 것이 일반적이다. 이 경우, 집광 스폿 내의 광량 분포는, 레이저 발진기로부터 출사되는 펄스 레이저광의 광량 분포가 그대로 투영된다. 이 때문에, 집광 스폿 중앙부에서는 여기 되는 초음파 에코의 진폭이 크고, 역으로, 집광 스폿 주변부에서는 여기 되는 초음파 에코의 진폭이 작다. 이미 기술한 바와 같이, 이 진폭차에 의해, 스폿 사이즈가 작은 경우와 같이 펄스 초음파가 주변으로 확산한다. 그 결과, 레이저 간섭계에서 검출하는 초음파 파형의 신호대 노이즈비가 악화하여, 측정 정밀도가 저하된다.
그렇지만, 도 1에 도시한 특성 측정 장치(1)에 의하면, 렌즈 어레이(20)를 구성하는 복수의 소 렌즈(Ls)가, 균일한 광량 분포를 갖는 상을 집광 렌즈(30)의 초점 위치에 중합시켜서 투영한다. 이 때문에, 펄스 레이저광(Lp)은, 금속재(100)의 표면(101)에서의 소 렌즈(LS)와 같은 형상으로 균일한 광량 분포를 가지며, 도 6(b)에 도시하는 바와 같은 광량 분포의 집광 스폿을 형성하도록 정형된다.
따라서 펄스 레이저광(Lp)에 의해 금속재(100)에 여기 되는 펄스 초음파(SW)의 확산을 작게 억제할 수 있다. 이 결과, 전파 거리에 대해 펄스 초음파(SW)의 진폭은 감소되기 어렵다.
펄스 레이저광(Lp)에 의해 여기된 펄스 초음파(SW)가 금속재(100) 내를 전파하고, 금속재(100)의 이면(102)에 나타나는 미소 진동이 레이저 간섭계(41)에 의해 전기 신호로서 검출된다. 상기한 바와 같이 펄스 초음파(SW)의 진폭의 감소가 억제되어 있기 때문에, 레이저 간섭계(41)에서 검출하는 초음파 파형의 신호대 노이즈비가 향상하고, 양호한 측정 정밀도를 얻는 것이 가능하다.
레이저 간섭계(41)에는, 금속재(100)의 표면(101)이 조면(粗面)이라도 고주파수의 진동을 측정할 수 있는 포토 리플렉티브 간섭계를 채용 가능하다. 또는, 파브리 페로(fabry perot) 간섭계도 조면에서 고주파수의 진동을 측정할 수 있기 때문에, 마찬가지로 채용 가능하다. 또한, 금속재(100)의 표면(101)이 경면이라면, 마이켈슨(michelson) 간섭계 등도 채용 가능하다.
레이저 간섭계(41)에서 검출한 전압 파형을, 예를 들면 디지털 오실로스코프(421)에 수록하고, 신호 처리 컴퓨터(422)로 해석함으로써, 금속재(100)의 특성 측정을 행할 수가 있다.
금속재(100) 내를 전파하는 종파 초음파의 결정립에서의 산란에 의한 감쇠율은, 종파 초음파의 주파수, 및, 금속재(100)의 결정입경에 따라 다르나. 예를 들면, 레일리(reyleigh) 산란, 스토캐스틱(stochastic) 산란 등이 알려져 있다.
산란 감쇠에 의거한 파형 해석 방법의 예를 도 7에 도시하는 플로 차트를 참조하여 이하에 설명한다.
도 7의 스텝 S1에서 판독된 파형 데이터를, 스텝 S2에서, 푸리에 변환 등에 의해 각 주파수 성분으로 분해한다. 다음에, 스텝 S3에서, 각각의 주파수 성분에서 각 종파 에코를 추출한다. 스텝 S4에서, 추출된 종파 에코의 진폭의 변화를 대수(對數) 함수로 근사하여, 각 주파수 성분의 감쇠율(α(f))을 계산한다.
감쇠율(α), 주파수(f), 및 결정입경(D)에는, 이하의 식(3)의 상관관계가 있다 :
α=K×Dn -1×fn … (3)
식(3)에서, α는 감쇠율(dB/㎜), D는 결정입경(㎜), f는 주파수(MHz), K 및 n은 계수이다.
식(3)을 변형하면 이하의 식(4)을 얻을 수 있다 :
D={α/(K×fn)}1 /(n-1) … (4)
스텝 S5에서, 어느 하나의 주파수(f)의 감쇠율(α(f))에 의거하여, 식(4)을 이용하여 결정입경을 판정하다. 또한, 계수(K, n)의 값은, 결정입경이 이미 알고 있는 시험재를 측정하는 실험에 의해 미리 같게 정의된다. 계수(n)의 값은, 이론적으로는 결정입경(D)과 파장(λ)의 비(D/λ)에 응하여 정하여진다. 즉, 레일리 산란역(散亂域)(0.03≤D/λ≤0.3)에서 n=4, 스토캐스틱 산란역(0.3≤D/λ1)에서 n=3이다.
도 8은, 제1의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치(1)에서 검출된 초음파의 파형의 한 예이다. 도 8에서, 종축은 상대적인 진폭(단위 a.u. : Arbitrary Unit)을 나타내고 있다. 횡축은 펄스 레이저광(Lp)이 출사되고 나서의 경과 시간이다. 측정 대상의 금속재(100)는, 판두께 1.35㎜의 강판이고, 결정입경은 약 4㎛이다. 레이저 간섭계(41)에서 검출한 초음파 파형이, 종파의 제1 에코(파형(E1))로부터 제13 에코(파형(E13))까지 명료하게 검출되어 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치(1)에 의하면, 측정 대상의 금속재(100)에 조사되는 펄스 레이저광의 빔 단면 내의 광량 분포를 균일하게 할 수 있다. 이 때문에, 금속재(100)에 여기 되는 펄스 초음파(SW)의 확산이 억제된다. 그 결과, 측정 정밀도의 저하가 억제된, 펄스 레이저광을 이용한 금속재의 특성 측정 장치(1)가 제공된다.
또한, 집광 렌즈(30)와 렌즈 어레이(20)의 위치 관계는 도 1에 도시한 예와 전후 반대라도 무방하다. 즉, 레이저 발진기(10)와 집광 렌즈(30)의 사이에 렌즈 어레이(20)가 배치되어 있어도 좋고, 또는, 레이저 발진기(10)와 렌즈 어레이(20)의 사이에 집광 렌즈(30)가 배치되어 있어도 좋다.
도 9에, 레이저 발진기(10)와 렌즈 어레이(20)의 사이에 집광 렌즈(30)가 배치된 예를 도시한다. 도 9에 도시한 특성 측정 장치(1)에 의해서도, 렌즈 어레이(20)의 복수의 소 렌즈(Ls)가 각각 출력하는 출사광(Ld)을, 집광 렌즈(30)에 의해 측정 대상의 금속재(100)의 표면(101)의 동일 영역에 집광시킬 수 있다.
또한, 도 1, 도 9에 도시하는 바와 같이, 렌즈 어레이(20) 및 집광 렌즈(30)와 금속재(100)와의 사이에는 창판(aperture plate;51)이 설치된다. 창판(51)은, 레이저 발진기(10), 렌즈 어레이(20), 및 집광 렌즈(30)가 격납된 몸체(50)로부터 외부에 펄스 레이저광(Lp)을 출사하기 위해, 몸체(50)에 설치되어 있다.
레이저 발진기를 위시하여, 렌즈, 반사경 등의 광학 기기는, 그 광학적인 효율을 높이기 위해, 특수한 소재이거나, 특수한 코팅이 시행되어 있는 것이 많고, 먼지 등이 부착하면 용이하게 손상되거나, 광학적인 효율이 저하된다. 그래서, 기기 전체를 밀폐도가 높은 몸체에 넣고, 창판을 통하여 레이저광을 취출하는 것이 일반적이다.
그러나, 실제의 생산 라인에 창판을 설치한 경우에는, 이 창판에 액체나 분말 등이 부착하는 경우가 있다. 이 경우, 창판의 당해 부분의 투과율이 저하된다. 투과율이 저하된 부분에 레이저광이 닿으면, 레이저광의 에너지를 흡수하여 발열하고, 창판의 당해 부분이 손상된다. 그리고, 레이저광의 조사를 계속하면, 손상이 진전, 확대된다. 이와 같은 손상이 발생하면, 종래의 집광계에서는, 손상부분이 말하자면 차광 마스크와 같이 작용하여, 집광 스폿의 형상 내의 광량 분포는 불균일하게 되어 버린다.
이에 대해, 도 1, 도 9에 도시한 특성 측정 장치(1)에서는, 금속재(100)의 표면(101)의 집광 스폿(SP)에서의 펄스 레이저광의 광량 분포를 균일하게 할 수 있다. 즉, 창판(51)의 액체나 분말 등이 부착한 부분의 손상에 의해 창판(51)을 통과하는 펄스 레이저광(Lp)의 빔 프로파일이 열화되어도, 금속재(100)에 여기 되는 펄스 초음파(SW)의 확산이 작게 억제된다. 그 결과, 전파 거리에 대해 펄스 초음파(SW)의 진폭이 감소하기 어렵고, 레이저 간섭계(41)에서 검출하는 초음파 파형의 신호대 노이즈비는 거의 변화하지 않는다. 즉, 창판(51)이 손상된 경우에도, 양호한 측정 정밀도를 유지하는 것이 가능하다. 따라서 창판(51)이 손상되어도, 즉석에서 교환할 필요가 없고, 생산 스케줄상의 휴지 기간에 맞추어서 창판(51)의 교환을 행하면 좋다. 이 때문에, 특성 측정 장치(1)의 가동율의 저하를 회피하는 것이 가능하다.
(제2의 실시 형태)
본 발명의 제2의 실시 형태에 관한 금속재의 특성 측정 장치(1)는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 레이저 발진기(10)로부터 출사된 펄스 레이저광(Lp)의 파장을 변환하는 파장 변환 결정(60)을 또한 구비하는 것이, 도 1에 도시한 제1의 실시 형태와 다른 점이다. 그 밖의 구성에 관해서는, 제1의 실시 형태와 마찬가지이다.
금속재(100)가 연마한 표면(101)에서의 레이저광의 흡수율은, 파장이 짧을수록 크다. 따라서 레이저 발진기(10)로부터 출사된 펄스 레이저광(Lp)을 파장 변환 결정(60)에 의해 짧은 파장으로 변환하고 나서 금속재(100)에 조사함에 의해, 연삭면 등의 반사율이 높은 금속재에 있어서, 동일한 펄스 레이저광 출력에 대해 보다 큰 진폭의 펄스 초음파(SW)를 여기할 수 있다.
도 10에 도시한 특성 측정 장치(1)에 의하면, 레이저 발진기(10)로부터 출사되는 펄스 레이저광(Lp)이 파장 변환 결정(60)에 의해 보다 짧은 파장으로 변환하고 나서 금속재(100)에 조사된다. 파장이 짧을부록 금속재(100)의 표면(101)에서의 펄스 레이저광의 흡수율이 크기 때문에, 연삭면 등에서 동일한 펄스 레이저광 출력에 대해 진폭보다 큰 펄스 초음파(SW)를 여기할 수 있다. 예를 들면, 파장 1064㎚의 Nd : YAG 레이저로부터의 펄스 레이저광(Lp)을, LBO(LiB3O5) 또는 KTP(KTiOPO4) 등의 파장 변환 결정(60)에 의해, 파장 532㎚, 또는 파장 355㎚의 펄스 레이저광(Lp)으로 변환하여, 금속재(100)의 표면(101)에 조사한다.
통상, 파장 변환 결정(60)의 손상을 막기 위해, 파장 변환 결정(60)에 입사하는 펄스 레이저광(Lp)의 광량 밀도를 손상 임계치 이하로 한다. 따라서 사용하는 펄스 레이저광(Lp)의 출력이 크면, 사이즈가 큰 파장 변환 결정(60)을 이용하고, 입사하는 펄스 레이저광(Lp)의 빔 지름을 크게 할 필요가 있다.
그런데, 사이즈가 큰 파장 변환 결정(60)을 이용하면, 결정 내의 온도 얼룩이나 경시변화에 의해, 파장 변환 결정(60)으로부터 출사되는 레이저광의 빔 프로파일이 열화된다는 문제가 있다. 예를 들면, 도 11(a) 및 도 11(b)는 YAG 레이저광의 파장을 532㎚로 변환한 경우의 빔 프로파일의 경시변화의 예를 도시한다. 도 11(a)는 사용 시작 직후, 도 11(b)는 10개월 경과 후의 빔 프로파일이다.
도 11(b)에서는 광량이 큰 영역(D1)과 광량이 작은 영역(D2)이 혼재하고 있는 등, 도 11(a)와 도 11(b)을 비교하면, 빔 프로파일이 크게 경시변화하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 빔 프로파일의 열화는, 금속재(100)에 여기 되는 펄스 초음파(SW)의 확산 상황에 무시할 수 없는 영향을 미친다. 즉, 전파 거리에 대해 초음파 진폭이 현저하게 감소하고, 레이저 간섭계(41)에서 검출하는 초음파 파형의 신호대 노이즈비가 악화된다. 그 결과, 측정 정밀도가 저하된다는 문제가 있다.
이에 대해, 도 10에 도시한 특성 측정 장치(1)에 의하면, 파장 변환 결정(60)의 경년 변화나 온도 얼룩 등에 의해 빔 프로파일의 열화가 생겨도, 금속재(100)의 표면(101)의 집광 스폿(SP)에서의 펄스 레이저광의 광량 분포를 균일하게 할 수 있다. 이 때문에, 금속재(100)에서 여기 되는 펄스 초음파(SW)의 확산을 작게 억제할 수 있다. 이 결과, 전파 거리에 대해 펄스 초음파(SW)의 진폭이 감소하기 어려워지고, 레이저 간섭계(41)에서 검출하는 초음파 파형의 신호대 노이즈비가 향상하고, 양호한 측정 정밀도를 얻는 것이 가능하다.
그 외는, 제1의 실시 형태와 실질적으로 마찬가지여서, 중복된 기재를 생략한다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 제1 및 제2의 실시 형태에 의해 기재하였지만, 이 개시된 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것이라고 이해하여서는 안된다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시 형태, 실시예 및 운용 기술이 분명해질 것이다. 즉, 본 발명은 여기서는 기재하지 않은 다양한 실시 형태 등을 포함함은 물론이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 상기한 설명으로부터 타당한 청구의 범위에 관한 발명 특정 사항에 의해서만 정해지는 것이다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 금속재의 특성 측정 장치는, 금속재의 특성을 비접촉으로 측정하는 제조업에 이용 가능하다.
1 : 특성 측정 장치 10 : 레이저 발진기
11 : 확대계 20 : 렌즈 어레이
30 : 집광 렌즈 40 : 해석 장치
41 : 레이저 간섭계 42 : 신호 처리 장치
50 : 몸체 51 : 창판
60 : 파장 변환 결정 100 : 금속재
101 : 표면 102 : 이면
111 : 오목렌즈 112 : 볼록렌즈
421 : 디지털 오실로스코프 422 : 신호 처리 컴퓨터

Claims (4)

  1. 펄스 레이저광을 출사하는 레이저 발진기와,
    상기 펄스 레이저광의 광축과 수직한 면에 매트릭스형상으로 깔려진 복수의 동일 형상의 소 렌즈를 가지며, 상기 복수의 소 렌즈의 각각에 상기 펄스 레이저광을 빔 단면에 관해 분할한 일부분이 입사하도록 배치된 렌즈 어레이와,
    상기 렌즈 어레이의 상기 복수의 소 렌즈로부터의 출사광을 측정 대상의 금속재의 표면의 동일 영역에, 적어도 집광 스폿에서 어브레이션을 여기하기 위해 필요한 광량 밀도를 확보 할 수 있는 스폿 사이즈로 겹쳐서 집광시키는 집광 렌즈와,
    상기 집광 렌즈에 의해 집광된 상기 펄스 레이저광에 의해 여기된 상기 어브레이션에 의해 여기되어 상기 금속재의 내부를 전파한 펄스 초음파를 전기 신호로서 검출하는 레이저 간섭계와,
    상기 전기 신호를 처리하는 신호 처리 장치를 구비하고,
    상기 복수의 소 렌즈로부터의 상기 출사광을 조사하여 상기 금속재의 상기 표면에서 폭발을 일으켜, 상기 금속재에 펄스 초음파를 여기 시키고,
    상기 집광 스폿의 상기 스폿 사이즈가 상기 펄스 초음파의 직진 방향 이외로의 확산을 억제하는 하한치 이상이며, 또한, 상기 집광 스폿에서의 광량 분포가 균일하도록 상기 렌즈 어레이의 상기 소 렌즈의 초점 거리 및 사이즈가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 금속재의 특성 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 발진기와 상기 렌즈 어레이의 사이에 상기 레이저 발진기로부터 출사된 상기 펄스 레이저광의 파장을 변환하는 파장 변환 결정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속재의 특성 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 간섭계가, 상기 펄스 초음파의 종파 성분의 반복 반사 에코를 검출하는 것을 특징으로 하는 금속재의 특성 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈 어레이 및 상기 집광 렌즈와 상기 금속재와의 사이에 설치되고, 상기 집광 스폿에서 집광되기 전에 상기 소 렌즈로부터의 상기 출사광이 각각 통과하는 창판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 금속재의 특성 측정 장치.
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