KR101804484B1 - 센서 장치 및 상기 장치를 사용한 잔류 응력 검측 시스템 - Google Patents

센서 장치 및 상기 장치를 사용한 잔류 응력 검측 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 센서 장치에 관한 것으로서, 두 개의 대칭으로 설치된 초음파 투과 웨지(5)와 상기 두 개의 초음파 투과 웨지(5)를 고정 및 연결하는 데 사용하는 연결부를 포함하고, 상기 초음파 투과 웨지(5)의 상표면에 경사면이 설치되어 있고, 상기 경사면에는 안착홀이 있고, 상기 안착홀에는 각각 하나의 변환기(3)가 안착되어 있고, 여기에서 하나의 변환기(3)는 초음파를 발생시키는 데에 사용하고, 다른 하나의 변환기(3)는 상기 변환기(3)에서 발생한 초음파를 수신하는 데에 사용한다. 본 발명은 또한 잔류 응력 검측 시스템에 관한 것으로서, 상기 기술방안에서 설명한 센서 장치와 초음파 발신 카드, 데이터 획득 카드를 포함한다.

Description

센서 장치 및 상기 장치를 사용한 잔류 응력 검측 시스템 {SENSOR DEVICE AND RESIDUAL STRESS DETECTION SYSTEM EMPLOYING SAME}
본 발명은 센서 장치 및 상기 장치를 사용한 잔류 응력 검측 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 초음파 종파를 사용하여 금속 재료 표면의 일정한 깊이의 잔류 응력에 대하여 검측을 진행할 수 있다.
종래의 잔류 응력 측정 기술에는 주로 홀 드릴링법(hole-drilling method)과 X선 회절법(X-ray diffraction method)이 있다. 홀 드릴링법은 측정 정밀도가 비교적 높으나 재료의 표면 상태를 훼손시키는 단점이 있다. 상기 방법은 테스트 전에 표면에 대하여 마모 처리를 해야 하는데 이것은 잔류 응력을 발생시킬 수 있고, 스트레인 게이지 부착이 번거로워 실시간 테스트를 진행하기가 어렵다. X선 회절법은 주로 비파괴 시험에 활용되는데, 상기 방법은 이미 상용화되어 있기는 하나 인체에 전자파를 방출할 수 있고 테스트 시간이 길어 실제 현장에서 사용하기 어렵다.
초음파를 사용한 응력 검측에 관하여 이미 많은 연구가 진행되고 있기는 하나, 구조 설계가 불합리하고 간섭요인이 많으며 반복성이 떨어져 현장 테스트 조건을 만족시키지 못하고 있다. 임계굴절 종파는 시험편 표면을 따라 전파되는데, 표면 조도에 민감하지 않기 때문에 표면에 특수처리를 진행할 필요가 없고 측정 원리가 간단하여 표면 깊이 한 파장 가량의 평균 응력값을 측정할 수 있다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 상기 문제를 해결하기 위하여 표면 조도에 민감하지 않아 표면에 특수처리를 진행할 필요가 없는 센서 장치와 잔류 응력 검측 시스템을 제안하는 것이다.
본 발명은 센서 장치에 관한 것으로서, 두 개의 대칭으로 설치된 초음파 투과 웨지와 상기 두 개의 초음파 투과 웨지를 고정 및 연결하는 데 사용하는 연결부를 포함하고, 상기 초음파 투과 웨지의 상표면에 경사면이 설치되어 있고, 상기 경사면에는 안착홀이 있고, 상기 안착홀에는 각각 하나의 변환기가 안착되어 있고, 여기에서 상기 하나의 변환기는 초음파를 발생시키는 데에 사용하고, 상기 다른 하나의 변환기는 상기 변환기에서 발생한 초음파를 수신하는 데에 사용한다.
본 발명은 신속하고 정확하게 잔류 응력값을 측정하는 기능을 구현할 수 있으며, 조작이 간편하고 신뢰할 만하다.
바람직하게는 유기유리 웨지의 바닥면에 아래를 향하여 돌출된 원형 돌출대가 형성되어 있다.
이것은 초음파 빔 에너지에 영향을 미치지 않는다는 전제 하에서 웨지와 판재 접촉면적을 감소시킬 수 있고, 판재 변형으로 인한 오차를 줄일 수 있다.
바람직하게는 상기 원형 돌출대 하부 표면의 곡률은 측정하려는 금속 재료 표면의 곡률과 동일하다.
따라서 본 발명은 곡면, 특히 파이프 안팎 표면에 대하여 잔류 응력 검측을 진행하는 데에 사용할 수 있다.
바람직하게는 상기 안착홀의 홀벽과 상기 변환기 사이에는 캐비티(cavity)가 형성되어 있으며, 접촉 매질로 밀봉되어 있다.
상기 접촉 매질 밀봉을 통하여 검측의 정밀도를 향상시킨다.
바람직하게는 상기 유기유리 웨지의 측벽에는 상기 캐비티 내 오일을 주입하는 데에 사용하는 작은 홀이 설치되어 있다.
오일량이 부족할 경우, 주입기를 통하여 상기 작은 홀에서 상기 캐비티 내로 오일을 주입하면 되므로 센서를 해체할 필요가 없다.
본 발명은 또한 잔류 응력 검측 시스템에 관한 것으로서, 상기 기술방안에서 설명한 센서 장치와 초음파 발신 카드, 데이터 획득 카드를 포함하고, 상기 초음파 발신 카드에서 발생시키는 초음파는 센서 장치를 경유한 후 데이터 획득 카드에 의하여 수집된다.
응력으로 인한 소리 시간 변화량은 나노초(nanosecond)급이고, 획득 주파수는 1GHz의 고주파 데이터 획득 카드이다. 상기 초음파 발신 카드와 데이터 획득 카드를 통합하여 시스템 통합화 정도가 상당히 우수하고 성능을 신뢰할 수 있으며, 산업용 컴퓨터(IPC)의 외형 사이즈가 대폭 줄어들어 휴대하기 더욱 편리하다.
바람직하게는 실시간으로 외부 온도를 획득하는 데에 사용하는 온도 획득 카드도 포함하며, 외부 온도 변화로 인한 응력 측정 오차를 해소시켜 준다.
상기 시스템은 복잡한 환경 조건에서의 테스트에 사용할 수 있어 사용범위가 상당히 광범위하다.
도 1은 검측 장치 하드웨어 구성 설명도;
도 2는 금속 재료 표면 근처 잔류 응력 검측 시스템 구조 설명도;
도 3은 자석형 경사입사 초음파 센서 장치 구조 설명도;
도 4는 유기유리 웨지 입체 설명도;
도 5는 강력 자석 베이스 구조 원리도;
도 6은 관 외표면 응력 검측 장치 구조 설명도;
도 7은 관 내표면 응력 검측 장치 구조 설명도;
도 8은 접촉식 초음파 비파괴 검측 직선 자동 스캐닝 장치 구조 설명도;
도 9는 플렉시블 압축 봉의 국부적 구조 설명도.
아래 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 아래 실시예에서는 동일한 기호는 그에 상응하는 부품을 말한다. 그러나 도식화된 도면이기 때문에 동일한 부품이라 하더라도 각기 다른 실시예에서의 형상, 구조 등을 완벽한 비율로 제도하지 않았으므로 어느 정도 편차가 있을 수 있다. 특별한 설명이 없는 경우 첨부한 도면에서 도시하는 구조는 모두 본 발명의 실시예에 적용된다. 또한 뒤에 설명하는 실시예의 구조가 먼저 설명한 실시예의 구조와 동일한 경우에는 이에 대한 설명을 생략하였다.
초음파 종파가 제1 임계각 입사 시, 시험편 표면에서 임계굴절 종파가 발생할 수 있으며 임계굴절 종파 음속의 변화량과 응력의 변화량은 음탄성 공식을 만족시킨다. 음속 변화량의 정확한 측정을 통하여 테스트 구역 응력값의 크기와 방향을 반영해 낼 수 있다.
실시예 1
금속 재질 표면 근처 잔류 응력 검측 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어의 두 가지 주요 부분 및 보조 장치를 포함한다. 도 1에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 장치는 컴퓨터를 플랫폼으로 삼으며, 유도 및 수신 탐침, 초음파 발신 카드, 데이터 획득 카드, 컴퓨터 시스템, 전송 케이블 등 몇 가지 부분을 주로 포함한다. 온도차가 비교적 큰 경우 유기 유리 웨지(5)(초음파 투과 웨지) 및 단부 고정판에 열팽창 열수축 변형이 일어날 수 있다. 온도 획득 카드를 추가로 안착시키면 소프트웨어에서 실시간으로 외부 온도를 획득하여(도 1에서 속이 빈 화살표가 도시하는 바와 같음) 온도 변화가 시스템 기계부에 미칠 수 있는 변형 및 음속에 대한 영향을 제거함으로써 복잡한 환경 조건에서도 시스템을 통한 테스트가 가능하기 때문에 활용 범위가 더욱 광범위하다. 응력으로 인한 소리 시간 변화량은 나노초(nanosecond)급이고, 획득 주파수는 1GHz의 고주파 데이터 획득 카드이다. 또한 초음파 발신 카드와 데이터 획득 카드를 통합하여 시스템 통합화 정도가 상당히 우수하고 성능을 신뢰할 수 있으며, 산업용 컴퓨터(IPC)의 외형 사이즈가 대폭 줄어들어 휴대하기 더욱 편리하다.
도 1에 있어서, 초음파 발신 카드에서 센서 장치를 경유하여 데이터 획득 카드에 도달하는 화살표는 초음파의 전송 경로를 도시한 것이다. 도 2는 잔류 응력 검측 시스템의 센서(초음파의 발신과 수신에 사용)에 대하여 도시한 것으로서, 실제 측정 시 초음파 소리 묶음 전송 방향에서 유기유리 웨지(5) 바닥부에 하나의 원형 돌출대(28)를 가공하고, 돌출대 면적은 소리 묶음이 바닥면에 투영하는 면적보다 약간 커야하고, 이는 초음파 소리 묶음 에너지에 영향을 미치지 않는다는 전제 하에서 웨지와 판재 접촉면적을 감소시키고 판재 변형으로 인한 오차를 줄일 수 있다. 원형 돌출대(28)의 축선은 바람직하게는 변환기(3)(초음파 수신, 발신에 사용)의 축선과 서로 교차한다. 원형 돌출대(28)는 기타 돌출대 형상으로 대체할 수도 있다.
도 2에서 도시하는 바와 같이, 변환기(3)는 나사산에 의하여 고정판(4)과 연결되고, 고정판(4)은 수나사를 통하여 유기유리 웨지(5)에 고정되고, 유기유리 웨지(5)의 경사면에 안착홀이 형성되고, 상기 안착홀에는 상기 경사면에 수직으로 변환기(3)가 안착되어 있고, 두 개의 변환기(3) 중 하나는 초음파(T)를 발생시키는 데에, 다른 하나는 초음파(R)를 수신하는 데에 사용한다. 변환기(3) 밑단과 유기유리 웨지(5) 사이는 접촉 매질을 통하여 접촉시킨다. 접촉 매질이라 함은 센서 장치와 워크피스 표면 사이에 첨가하는 한 층의 초음파 투과 매질을 말하며, 예를 들어 글리세린이 있다. 접촉 매질은 주로 센서 장치와 워크피스 표면 사이의 공기에 공기가 진입하지 못하도록 함으로써 초음파가 효과적으로 워크피스로 전달되도록 하는 역할을 함으로써, 탐측 측면에서 충분한 음 강도 투과율을 보장하여 검측의 목적을 달성할 수 있도록 한다. 또한 일정한 유동성을 가진 접촉 매질은 마찰을 감소시켜 직접접촉법을 이용한 검측 시 센서 장치가 워크피스에서 원활하게 이동할 수 있도록 하는 작용도 한다.
또한, 도 3에서 도시하는 바와 같이, 유기유리 웨지(5)의 경사면에 나사산을 가공하여 초음파 변환기(3)가 나사산에 의하여 유기유리 웨지(5)에 고정되도록 한다. 유기유리 웨지(5)는 웨지 형상으로 이루어져 있으며, 도 4에서 도시하는 바와 같이 평행하는 꼭대기면과 바닥면을 가지고 있고, 꼭대기면과 바닥면 사이의 연결면은 꼭대기면과 바닥면에 수직인 세 개의 수직면과 하나의 경사면으로 이루어져 있다. 도 2 및 도 3에서 도시하는 바와 같이, 웨지 양측(경사명과 이웃하는 측면)에는 각각 하나의 단부 고정판(1)이 있고, 두 개의 유기유리 웨지(5)는 꼭대기부 고정판(2)에 의하여 연결되고, 두 개의 경사면은 반대 방향으로 설치되고, 전체 장치는 상기 세 개의 고정판에 의존하여 일정한 간격으로 고정되어 있다.
휴대용 IPC에서 초음파 발신 카드를 제어하여 전기 펄스를 발사하며, 초음파 유도 발신 변환기에서 초음파 종파를 발사하고 시험편 표면에서 임계굴절 종파를 굴절시키고, 수신 변환기에서 수신한 초음파 신호는 데이터 획득 카드를 경유하여 수신되고, 휴대용 IPC는 데이터 획득 카드에서 온 분산 신호 및 온도 획득 카드가 획득한 외부온도 정보를 종합 분석하여 신뢰도가 높은 응력 분석 결과를 도출한다.
VC++ 프로그래밍 보드의 운영 프로그램, 보간(interpolating) 프로그램 및 상호 알고리즘 등에 의하여, 금속 재질 표면 근처 잔류 응력 검측 시스템에 대한 소프트웨어 부분을 성공적으로 개발하여 교정 장치에 설치하였으며, 곡면 표면의 잔류 응력 검측 시 교정 장치는 3차원 소프트웨어를 이용하여 곡면에 대한 시뮬레이션을 진행한 후 초음파 입사각에 대하여 교정을 진행함으로써, 유도 발사한 임계굴절 종파의 파형을 가장 강하게 만들어 준다. 소프트웨어는 초음파 신호의 유도와 수신을 제어하여 신호를 처리, 분석 및 저장한다. 따라서 잔류 응력값을 신속하고 정확하게 판단할 수 있으며, 조작이 편리하고 신뢰성이 높다.
본 발명은 주로 초음파 신호의 유도와 수신, 신호의 처리, 분석 및 저장을 제어하는 VC++ 프로그래밍 소프트웨어를 사용하기 때문에, 사용자 인터페이스 조작이간단하고 직관적이며, 테스트 전에 표면에 마모 처리를 할 필요가 없어 현장에서 신속하게 응력값을 비파괴 검측할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 초음파 종파를 이용함으로써 금속 재질 표면 일정 깊이의 잔류 응력에 대하여 검측을 진행할 수 있다. 변환기 주파수(단위: MHz)를 변화시켜 상기 일정 깊이(단위: mm)를 변경할 수 있으며 이는 다음과 같다.
주파수: 1MHz, 2.5MHz, 5MHz, 7.5MHz, 10MHz, 15MHz
재료가 강철인 경우, 상기 주파수에 대응하는 깊이는 각각 5.90mm, 2.36mm, 1.20mm, 0.79mm, 0.39mm, 0.59mm이고, 재료가 알루미늄인 경우, 대응하는 깊이는 각각 6.40mm, 2.56mm, 1.28mm, 0.85mm, 0.64mm, 0.43mm이고, 재료가 구리인 경우 대응하는 깊이는 각각 4.70mm, 1.88mm, 0.94mm, 0.63mm, 0.47mm, 0.31mm이다.
실시예 2
센서 장치(23)는 기타 구조를 채택할 수도 있다. 예를 들어 국내외에서는 초음파 경사입사 센서 구조를 설계할 때 다수가 수나사 또는 특별 제작한 조임 기구를 통하여 초음파 변환기를 유기유리 웨지에 고정하나, 상기 구조는 변환기과 웨지를 접촉시킬 때 매번 변환기를 꺼내어 접촉 매질을 도포한 후 다시 안착시켜야 하므로 비교적 번거롭다.
본 실시예에서는 도 3에서 도시하는 바와 같이, 센서 장치가 유기유리 웨지(5), 자석 베이스(7), 및 고정판(4)을 포함한다. 유기유리 웨지(5)의 경사면에 나사산을 가공하고, 초음파 변환기(3)는 나사산을 통하여 유기유리 웨지(5)와 고정한다. 유기유리 웨지(5) 내부에 하나의 원주형 캐비티(9)를 가공하고, 캐비티(9) 직경은 변환기(3) 원형 웨이퍼 직경보다 예를 들어 4mm 정도로 약간 크기 때문에 충분한 양의 오일을 주입할 수 있으며, 어느 정도의 기포가 존재한다 하더라도 초음파 입사에 영향을 미치지 않는다. 웨지 측벽에는 측벽 주유홀(8)을 가공하며 오일량이 부족할 때 주입기를 통하여 캐비티 내에 오일을 주입할 수 있어 센서를 해체할 필요가 없다. 실시예 1과 마찬가지로 유기유리 웨지(5)와 검측하려는 워크피스의 접촉 면적을 줄이기 위하여, 소리 묶음 입사 방향에 원형 돌출대(28)를 가공한다.
유기유리 웨지(5)의 경사각 설계를 얼마나 정확하게 하느냐는 임계굴절 종파를 유발할 수 있는지 여부에 있어서 상당히 중요하다. 경사각 설계 방법은 아래와 같다.
(1) 먼저 20mm 두께의 원주형 유기유리 웨지 샘플을 정확하게 가공하고, 펄스 에코 방법을 이용하여 바닥면 에코의 시차를 정확하게 계산함으로써 유기유리 음속을 산출해 낸다.
(2) 이후 스넬(Snell) 법칙에 따른다. 즉,
(1) 여기에서 입사 종파는 임계면 법선 방향을 따라가는 협각이고, 굴절각은 임계면 법선 방향을 따라가는 협각이고, 종파는 유기유리 중의 음속이고, 종파는 검측하는 금속 내의 음속이다. 임계굴절 종파를 유도하기 위하여 입사 협각의 계산은 간소화할 수 있다.
(2) 입사 협각은 유기유리 웨지(5)의 설계 경사각이며, 계산을 통하여 획득한 검측하는 재료에 필요한 경사각 범위는 아래 표와 같다.
검측하는 재료가 강철, 알루미늄 또는 구리인 경우, 대응하는 경사각 범위는 각각 24° 내지 27°, 22° 내지 25°, 31° 내지 34°이다.
도 5는 자석 베이스 구조 설명도를 도시한 것으로서, 자석 베이스(7), 자석강 블록(11), 알루미늄 블록(10), 및 자석(12)을 포함한다. 외형 사이즈가 35mm x 30mm x 35mm인 자석 베이스(7)를 선택하고, 자석강 블록(11)을 기계로 가공하여 자석(12)(7mm 두께의 강력 자석)과 자석 베이스 외부 케이스(7) 내에 안착되도록 한다. 자석 베이스 스위치(10)를 이용하여 자석(12)을 회전시켜 수평 위치에 놓으면 자력선이 전도되고, 자석 베이스(7)가 외부에 자력을 제공하고, 자석 베이스 스위치(10)를 회전시켜 자석(12)을 수직 위치에 놓으면(도 5에서 도시하는 바와 같음) 알루미늄 재료의 자력차단 작용으로 인하여 자력선이 전도되지 않고 자석 베이스(7)가 외부에 자력을 제공하지 않기 때문에, 유기유리 웨지(5)를 쉽게 꺼낼 수 있다. 자석 베이스(7)의 바닥부는 유기유리 웨지(5)의 원형 돌출대(28)의 바닥부보다 예를 들어 0.5mm 정도로 약간 높은 일정한 간격이 필요하며, 이를 통하여 유기유리 웨지(5)의 원형 돌출대(28)와 측정하려는 시험판이 잘 접촉되도록 보장한다.
만약 자석 베이스(7)의 폭이 유기유리 웨지(5)의 폭과 일치하지 않을 경우 사용 시 자력 좌우 불균형이 초래되어 웨지가 전복될 수 있다. 따라서 자석 베이스(7)에서 발생하는 자력이 균일하게 유기유리 웨지(5)와 검측하려는 재질 접촉면에 가해지도록 보장하기 위하여, 자석 베이스(7)에서 남는 폭 부분에서 예를 들어 2mm 정도의 일정한 두께를 깎아낼 수 있다.
유기유리 웨지(5), 자석 베이스(7) 및 단부 고정판(1)은 나사산에 의하여 연결되고, 유기유리 웨지(5) 양측에 고정판(4)이 설치된다. 유기유리 웨지(5)의 상표면과 자석 베이스(7)는 꼭대기부 고정판(2)에 의하여 연결되고, 꼭대기부 고정판(2)은 예를 들어 3mm 두께의 스테인리스강으로 가공하여 구조의 강성을 보장한다.
사용 시 유기유리 웨지(5)의 바닥부에 접촉 매질을 도포해야 하며, 센서 장치(23)를 측정하는 워크시트 표면에 위치시키고, 자석 베이스 스위치(10)를 회전시켜 자석 베이스(7)로 하여금 강한 자력을 발생하도록 하고 장치를 워크시트에 단단하게 부착한다. 다른 지점을 검측해야 할 경우, 자석 베이스 스위치(10)를 90°로 회전시키면 센서 장치(23)를 쉽게 꺼내어 다른 지점으로 이동시켜 측정을 진행할 수 있다.
실시예 3
종래에는 초음파를 이용한 잔류 응력 검측이 주로 평판 물질에 대해 진행되어 왔으나, 파이프와 같이 일상생활 속에서 쉽게 접할 수 있는 재료에 대한 검측도 필요하다. 파이프의 내표면 또는 외표면에 존재하는 잔류 응력이 과도하게 큰 경우 심각한 사고를 일으킬 수 있다. 따라서 파이프의 응력 검측은 갈수록 중요해 지고 있다. 파이프 등과 같은 곡면 표면의 잔류 응력을 검측할 때에는 검측 시스템의 구조를 적절하게 조정하여야 한다.
파이프 외표면 또는 내표면에 대하여 응력 검측을 진행할 때, 유기유리 웨지(5) 바닥면에 대하여 기계 가공을 진행하는데 가공 후의 곡률은 파이프의 곡률과 일치하도록 한다. 또는 유기유리 웨지(5) 바닥면에 파이프와 동일한 곡률을 가진 바닥면 접촉 부품을 안착시킨다. 또한, 두 개의 유기유리 웨지(5) 사이에 자석 베이스(7)를 안착시키고, 자석 베이스(7)는 비교적 큰 자력을 제공하여 웨지(5)와 파이프를 접촉시킬 수 있다.
측정 시, 검측 시스템 위치를 조정하여 두 개 센서의 대응지점의 연결선이 파이프 모선과 평행이 되도록 한다.
도 6은 파이프 외표면 잔류 응력 테스트 시스템을 도시한 것으로서, 유기유리 웨지(5), 초음파 변환기(3), 단부 고정판(1), 자석 베이스(7)를 포함한다.
도 7은 파이프 내표면 잔류 응력 테스트 시스템을 도시한 것이다. 파이프 내표면 잔류 응력 검측은 외표면보다 복잡하며, 특히 파이프 내경 곡률이 비교적 큰 경우 임계곡률 종파를 파이프 내벽에서 유발하기가 상당히 어렵다. 일반적인 35mm x 30mm x 335mm형 자석 베이스의 부피가 비교적 크기 때문에, 자석 베이스에 대하여 기계 가공을 진행하여 단부 고정판(1)과 웨지(5)의 외벽이 파이프 내경과 간섭을 일으키지 않도록 보장해야만 측정 결과를 신뢰할 수 있다.
판 유형의 부품에 대한 잔류 응력을 검측할 경우, 법선 방향은 판면 방향에 수직이고, 전체 웨이퍼가 발사하는 소리 묶음 입사각도는 일치한다. 이론 입사각으로 웨지를 가공할 경우, 임계굴절 종파를 굴절시키기 편리하다. 그러나 파이프의 법선은 수직 파이프 표면이 원 중심을 지향하며, 웨이퍼에서 유발하는 소리 묶음이 웨지와 파이프의 결합면을 향하여 발사될 때 소리 묶음의 위치에 따라 입사각이 달라진다. 파이프 표면 응력 검측용 웨지를 설계할 때, 임계굴절 종파의 유발 각도 범위가 비교적 작기 때문에, 일반적으로 3차원 소프트웨어를 통하여 이론 입사각도에 대하여 수정을 진행해야 하고, 가장 바람직하게는 초음파 변환기 가장자리에서 가장 가까운 곳에서 유발하는 소리 묶음의 입사각 사이에 있도록 하여야만 곡면 임계굴절 종파를 유발할 수 있다.
실시예 4
국내외에서는 잔류 응력과 표면 결함 초음파 비파괴 검측을 진행할 때 주로 수동 테스트 방식을 사용하나, 본 실시예 4의 검측 장치는 자동화 스캐닝을 구현할 수 있다.
도 8에서 도시하는 바와 같이, 접촉식 초음파 비파괴 검측 직선 자동 스캐닝 장치는 주로 자석 베이스(7), 스테핑 모터(광전 엔코더 포함)(16), 슬라이드 블록(19), 직선 가이드 레일(20), 플렉시블 압축 봉(21), 센서 장치(23) 등 몇 가지의 주요 부분으로 구성된다.
자석 베이스(7)의 자기 흡인력은 충분히 크고 회전 손잡이를 통하여 온오프를 제어할 수 있으며, 자석 베이스(7)의 바닥면은 검측하는 워크피스의 표면 곡률에 의거하여 동일한 곡률의 곡면 형상으로 가공할 수 있기 때문에, 자석 베이스(7)가 검측하는 워크피스와 긴밀하게 접합되도록 할 수 있어 검측 시스템이 더욱 안정적이고 견고해진다. 스테핑 모터(16)는 구동 장치이며, 직선 가이드 레일(20)의 슬라이드 블록(19)을 구동시켜 센서 장치(23)가 자동으로 스캐닝을 하도록 만든다. 스캐닝한 위치 정보는 광전 엔코더에서 기록 및 피드백을 준다. 플렉시블 압축 봉(21)은 검측 센서에 고정된 압력을 제공하여 센서 장치(23)와 검측하는 워크피스 표면 사이가 우수하게 접촉되도록 만들기 때문에, 검측 결과의 신뢰성과 정확성을 보장해 준다.
도 9에서 도시하는 바와 같이, 플렉시블 압축봉(21)은 주로 슬리브(25), 스프링(26), 배플(27) 및 지지부(29)의 몇 가지 부분으로 구성되고, 스프링(26)은 플렉시블 압축봉(21)에 압력을 가함으로써, 센서 장치(23)가 검측하는 워크피스 표면에 긴밀하게 접합되도록 하며, 검측 과정에서 울퉁불퉁한 표면이 나타나더라도 센서 장치(23)는 압력 작용 하에서 우수하게 검측하려는 표면과 접촉할 수 있다.
스테핑 모터(16)는 구동 부분이며, 스테핑 모터(16)의 운행 속도를 조절하여 스캐닝 속도를 제어하고, 스캐닝의 위치 정보는 광전 엔코더에서 기록 및 피드백을 하여 위치 트리거를 구현하고 스캐닝의 정밀도를 향상시키며, 그레이팅 룰러(grating ruler)의 정밀도는 최소 0.1mm이다. 검측 장치(23)의 질량을 경감시키기 위하여, 직선 가이드 레일(20) 재질은 알루미늄 합금으로 선택하고, 가이드 레일의 사이즈는 약 40mm x 20mm x 500mm이다. 슬라이드 블록(19)은 플렉시블 압축 봉(21)을 통하여 센서 장치(23)와 연결된다. 센서 장치(23)는 피치-캐치(Pitch-catch) 모드이며, 잔류 응력 검측 센서일 수도, 표면 결함 검측 센서일 수도, TOFD 검측 센서일 수도 있다.
검측 수요에 의거하여 적합한 센서 장치(23)를 선택하여 플렉시블 압축 봉(21)에 장착한다. 직접 용접을 이용하여 잔류 응력 검측과 표면 결함 검측을 용접할 경우, 센서 장치(23)는 직선 용접 장치에 평행하다. 스캐닝 과정에 있어서, 자석 베이스(7)를 직선 용접(22) 위치에 부착하고, 자석 베이스(7)의 회전 손잡이를 온(on) 상태로 만들어 센서 장치(23)가 검측하려는 구역에 단단하게 부착되도록 하고, 직선 가이드 레일(20)이 직선 용접(22)과 평행을 유지하도록 한다. 직선 용접 내부 결함 검측을 진행할 때, 센서 장치(23)는 직선 용접(22)에 수직으로 위치시키고, 발사 및 수신하는 센서를 각각 직선 용접의 양측에 위치시킨다. 소프트웨어를 통하여 스테핑 모터의 운행 속도와 운행 거리를 제어하고, 스캐닝 간격을 설정하고, 센서 장치(23)가 설정 위치에 도달할 경우 그레이팅 룰러에서 트리거 신호를 내보내 트리거 획득 시스템이 현재 위치의 초음파 신호를 획득하고 상응하는 데이터 처리를 진행하도록 함으로써 자동화 스캐닝을 구현한다.
직선 용접 자동 스캐닝 장치는 스캐닝 과정의 자동화를 구현할 수 있고, 스캐닝의 속도는 조절할 수 있기 때문에 균일한 속도의 스캐닝을 보장할 수 있다. 스캐닝의 정확한 위치 정보는 그레이팅 룰러에서 기록하여 결함의 위치를 정확하게 평가해 낼 수 있다. 자기 흡인 기술의 응용은 센서 장치(23)를 편리하게 검측하려는 구역에 흡착시킬 수 있으며, 자석 베이스(7)의 온오프를 인위적으로 제어할 수 있다. 각기 다른 센서 장치를 장착하여 판 유형과 곡면 용접 부품에 대한 용점 잔류 응력의 검측, 표면 결함 검측 및 용접 내부 결함 검측을 각각 구현할 수 있으므로 활용성이 비교적 우수하다.
상기 실시예의 구조는 본 발명의 보호범위를 제한하지 않으며, 하나의 실시예에서 설명한 구조는 그 작용에 영향을 미치지 않는 상황 하에서 기타 실시예에 동일하게 적용할 수 있다. 예를 들어 실시예 1에 있어서 유기유리 웨지(5)의 경사면에 나사산을 가공하고, 초음파 변환기(3)는 나사산을 통하여 유기유리 웨지(5)와 고정시킬 수도 있으며, 즉 실시예 2의 연결 방식을 채택할 수 있으며 반대의 상황에서도 그러할 수 있다. 초음파 투과 웨지 역시 유기유리 외의 기타 재료를 채택할 수 있다.
상기 도면에 있어서,
1: 단부 고정판 2: 꼭대기부 고정판
3: 변환기 4: 고정판
5: 유리 웨지(초음파 투과 웨지) 6: 자석 베이스 스위치
7: 자석 베이스 8: 측벽 주유홀
9: 원주형 캐비티(cavity) 10: 알루미늄 블록
11: 자석강 블록 12: 자석
14: 기둥 15: 고정 블록
16: 스테핑 모터 17: 용접강판
18: 고정 장치 19: 슬라이드 블록
20: 직선 가이드 레일 21: 플렉시블 압축 봉
22: 직선 용접 23: 센서 장치
24: 연결 블록 25: 슬리브
26: 스프링 27: 배플
28: 원형 돌출대 29: 지지부

Claims (11)

  1. 센서 장치에 있어서,
    두 개의 대칭으로 설치된 초음파 투과 웨지(5)와 상기 두 개의 초음파 투과 웨지(5)를 고정하는 데에 사용하는 연결부를 포함하고, 상기 초음파 투과 웨지(5)의 상표면에 경사면이 설치되어 있고, 상기 경사면에 안착홀이 형성되어 있고, 상기 안착홀에 각각 하나의 변환기(3)가 안착되어 있고, 여기에서 상기 하나의 변환기(3)는 초음파를 발생시키는 데에 사용하고, 상기 다른 하나의 변환기(3)는 상기 하나의 변환기(3)에서 발생시키는 초음파를 수신하는 데에 사용하며;
    상기 안착홀의 홀벽과 상기 변환기(3) 사이에는 캐비티(cavity)(9)가 형성되어 있고, 여기에서 접촉 매질로 밀봉되며;
    상기 초음파 투과 웨지(5)의 측벽에 상기 캐비티(9) 내부를 향하여 주유하는 데에 사용하는 작은 홀이 개설되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초음파 웨지(5)의 바닥면에 아래를 향하여 돌출된 원형 돌출대(28)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 원형 돌출대(28)의 아래 표면의 곡률이 측정하려는 금속 재질 표면의 곡률과 동일한 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 안착홀에는 나사산 홀이 중심에 형성된 고정판(4)으로 덮여있고, 상기 고정판(4)은 상기 초음파 투과 웨지(5)에 고정되고, 상기 변환기(3)의 나사산은 상기 고정판(4)에 연결되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 두 개의 초음파 투과 웨지(5) 사이에 센서 장치를 측정하려는 금속 재질 표면에 고정시키는 데에 사용하는 자석 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 잔류 응력 검측 시스템에 있어서,
    상기 제 1항의 센서 장치와 초음파 발신 카드 및 데이터 획득 카드를 포함하고, 상기 초음파 발신 카드에서 발생하는 초음파는 상기 센서 장치를 경유한 후 상기 데이터 획득 카드에 의하여 수집되며;
    실시간으로 외부 온도를 획득하여 외부 온도 변화로 인한 응력 측정 오차를 해소시키는 데에 사용하는 온도 획득 카드도 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류 응력 검측 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 8항에 있어서,
    곡면 표면의 잔류 응력 측정 시 3차원 소프트웨어에 의하여 곡면을 시뮬레이션한 후 초음파 입사각을 교정함으로써 유발된 임계굴절 종파 파형을 가장 강력하게 만드는 교정 장치도 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류 응력 검측 시스템.
  11. 제 8항에 있어서,
    스테핑 모터, 직선 가이드 레일, 슬라이드 블록, 플렉시블 압축 봉도 포함하고, 상기 센서 장치는 상기 플렉시블 압축 봉에 의하여 상기 슬라이드 블록과 연결되고, 상기 슬라이드 블록은 상기 스테핑 모터에서 구동하여 상기 직선 가이드 레일을 따라 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 잔류 응력 검측 시스템.
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