KR101845882B1 - 비접촉식 접합 불량 검출 방법 - Google Patents

비접촉식 접합 불량 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 형태는 두 개의 부재가 접합된 접합 부재의 표면에 초음파를 송신 초음파로서 송신하는 초음파 송신 과정; 상기 접합 부재를 통과하여 투과되는 초음파를 수신 초음파로서 수신하는 초음파 수신 과정; 및 상기 수신 초음파가 도달하는 시간이, 접합 부재의 접합 불량이 없는 경우 수신 초음파가 도달하는 시간을 초과하는 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 발생하였음을 알람 출력하는 비접촉식 접합 불량 판정 과정;을 포함할 수 있다.

Description

비접촉식 접합 불량 검출 방법{Method for contactless detecting bad bonding}
본 발명은 비접촉식 접합 불량 검출 방법으로서, 두 개의 접합 부재간의 접합 불량을 비접촉으로 검출해내는 비접촉식 접합 불량 검출 방법에 관한 것이다.
최근 차량의 연비 개선을 위해 저중량의 소재를 이용하면서 강철 대신 알루미늄이 활용되는 비중이 매우 높아지고 있다.
그러나 알루미늄 부재의 경우 용접이 어렵기 때문에 용접 대신 접착제를 활용하여 부재들을 연결하는 경우가 늘어나고 있다. 또한 기존에는 볼트를 이용해 연결했던 부위들도 연결부의 진동과 소음 문제를 피하기 위해 접착제를 활용하는 경우가 많다.
즉, 도 1에 도시한 바와 같이 금속 부재를 접착제를 이용하여 접합할 경우, 도 2(a)에 도시한 바와 같이 접합이 성공적으로 이루어질 수 있지만, 반면에 도 2(b)에 도시한 바와 같이 일부 구간에 접합이 제대로 되지 않을 수 있다.
따라서 금속 부재의 정상적인 접합 여부를 검출할 수 있는 수단이 필요하지만, 실제로 금속 부재간의 접착 상태를 평가할 수 있는 효과적인 검사 기술은 부재한 상황이기 때문에 이에 대한 수요가 큰 상황이다. 특히, 비접촉식으로 금속 부재의 접착 상태를 검출할 수 있는 수단의 필요성이 증대되고 있다.
한국등록특허 10-1581132
본 발명의 기술적 과제는 접합 부재간의 접합 불량 위치를 비접촉으로 검출해낼 수 있는 수단을 제공하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 초음파의 송수신을 통한 효과적인 접합 불량 검출이 이루어지도록 하는 수단을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 형태는 두 개의 부재가 접합된 접합 부재의 표면에 초음파를 송신 초음파로서 송신하는 초음파 송신 과정; 상기 접합 부재를 통과하여 투과되는 초음파를 수신 초음파로서 수신하는 초음파 수신 과정; 및 상기 수신 초음파가 도달하는 시간이, 접합 부재의 접합 불량이 없는 경우 수신 초음파가 도달하는 시간을 초과하는 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 발생하였음을 알람 출력하는 비접촉식 접합 불량 판정 과정;을 포함할 수 있다.
상기 비접촉식 접합 불량 판정 과정은, 접합 부재의 접합 불량이 없는 경우 수신 초음파가 도달하는 시점인 정상 도달 시점이 설정되는 정상 도달 시점 설정 과정; 상기 송신 초음파의 송신 시점부터 상기 정상 도달 시점까지 수신되는 신호의 에너지 범위인 기준 에너지 범위를 측정하는 기준 에너지 범위 측정 과정; 상기 정상 도달 시점에 수신되는 신호의 에너지 세기인 수신 에너지 세기를 측정하는 수신 에너지 세기 측정 과정; 및 상기 정상 도달 시점의 수신 에너지 세기가 상기 기준 에너지 범위 이내인 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 검출되었음을 알람 출력하는 접합 불량 알람 과정;를 포함할 수 있다.
상기 정상 도달 시점은, 상기 접합 부재의 재질에 따라서 다르게 설정됨을 특징으로 할 수 있다.
상기 기준 에너지 범위 측정 과정은, 상기 송신 초음파의 송신 시점부터 상기 정상 도달 시점까지 수신되는 신호에서 잡음 성분만을 추출하는 과정; 상기 송신 초음파의 송신 시점부터 상기 정상 도달 시점까지의 잡음 성분의 상하 임계치 범위를 추출하는 과정; 및 상기 상하 임계치 범위를 상기 기준 에너지 범위로 결정하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 잡음 성분의 상하 임계치 범위를 추출하는 것은, 확률 분포를 적용하여 상하 임계치 범위를 추출함을 특징으로 할 수 있다.
상기 접합 불량 알람 과정은, 상기 정상 도달 시점의 수신 에너지 세기가 상기 상하 임계치 범위 이내인 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 검출되었음을 알람 출력할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 접합 부재를 투과하는 초음파의 도달 시간의 차이를 이용하여, 접합 부재의 접합 불량 위치를 효율적으로 검출할 수 있다.
도 1은 접착제에 의해 접합된 금속 부재를 도시한 그림.
도 2는 접착제에 의해 접합된 금속 부재의 접합 상태를 도시한 그림.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 접합 불량 검출 장치의 구성 블록도.
도 4는 금속 부재의 접합 상태 예시를 도시한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 접합 불량 검출 과정들을 도시한 플로차트.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수신 초음파의 그래프를 도시한 그림.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 RMS 에너지 해석 기반 손상 감지의 한계 예시를 도시한 그림.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 잡음 이상치 해석을 통한 접합 불량을 감지하는 그래프를 도시한 그림.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 접합 부재를 스캐닝하며 초음파를 송신하여 접합 불량 영역을 검출하는 예시 그림.
이하, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 접합 불량 검출 장치의 구성 블록도이며, 도 4는 금속 부재의 접합 상태 예시를 도시한 사진이다.
본 발명은 접합 부재를 접촉하지 않은 비접촉 상태에서 접합 불량을 검출할 수 있도록 한다. 이를 위하여 본 발명의 비접촉식 접합 불량 검출 장치는, 초음파 송신기(100), 초음파 수신기(200), 및 접합 불량 판정기(300)를 포함할 수 있다.
초음파 송신기(100)는, 두 개의 부재가 접합된 접합 부재의 표면에 초음파를 송신 초음파로서 송신하는 기기이다. 초음파(ultrasonics wave)는, 가청주파수 20kHz(킬로헤르츠)보다 커서 인간이 청각을 이용해 들을 수 없는 음파로서, 20kHz를 넘는 음파 중에서 일정 대역의 초음파를 송신한다.
초음파 수신기(200)는, 접합 부재를 통과하여 투과되는 초음파를 수신 초음파로서 수신하는 기기이다. 초음파 송신기(100)와 초음파 수신기(200) 사이에 두 개의 금속이 접합된 접합 부재를 설치하고 원하는 주파수의 초음파를 가진하면 해당 주파수의 초음파가 시편을 투과하여 반대편의 초음파 수신기(200)에서 측정된다.
접합 불량 판정기(300)는, 수신 초음파가 도달하는 시간이, 접합 부재의 접합 불량이 없는 경우 수신 초음파가 도달하는 시간을 초과하는 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 발생하였음을 알람 출력한다.
초음파 신호를 측정할 때 접착이 잘된 시편과 달리 내부에 접착제가 없는 경우에는 공기층이 생기기 때문에 초음파의 도달 시간에 변화가 발생하게 되는데, 도 3(a)에 도시한 바와 같이 접착이 잘 된 정상 영역을 투과하는 초음파와, 도 3(b)에 도시한 바와 같이 접착이 잘 되지 않은 접착손상 영역을 투과하는 초음파의 경우 도달 시간에 차이가 발생하게 된다.
따라서 본 발명은 이러한 초음파의 도달 시간을 파악하여 접합 부재의 접합 불량 지점을 파악할 수 있다.
예를 들어, 차량 도어의 금속 부재가 도 4(a)와 같이 가로선을 기준으로 한쪽은 접착제가 꽉 차 있지 않는 경우, 도 4(b)와 같이 눈으로도 확인할 수 있듯이 접착제가 밖으로 나와 있는 경우, 도 4(c)와 같이 접착제가 알맞게 들어가 있는 경우, 각각의 금속 부재에 초음파를 송신하게 되면 초음파 도달 시간이 각각의 지점에서 달라지게 되어, 이러한 특징을 이용하여 접합 불량을 검출할 수 있게 된다.
즉, 도 4와 같이 구부러진 판에 다른 판을 끼워 넣는 형태로 되어 있을 경우, 끼워 넣어진 판을 고정하기 위해 그림의 파란 부분처럼 접착제가 들어가 있다. 접착제가 부족하게 발라져 있는 경우 곡선 부근 끝까지 접착제가 들어가지 않아 판 두개가 잘 붙지 않을 수 있다. 접착제가 너무 많이 발라져 있는 경우에는 판을 끼워 넣을 때 접착제가 밖으로 튀어나와 문제가 될 수 있다. 판과 판이 만나는 부분의 접착 상태는 완전히 육안으로 볼 수 없는 부분이기 때문에 검사하기 어렵다. 따라서 이런 접착제 과다 혹은 부족으로 인한 손상을 초음파의 도달 시간을 이용하여 판정하는 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비접촉식 접합 불량 검출 과정들을 도시한 플로차트이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수신 초음파의 그래프를 도시한 그림이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 RMS 에너지 해석 기반 손상 감지의 한계 예시를 도시한 그림이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 잡음 이상치 해석을 통한 접합 불량을 감지하는 그래프를 도시한 그림이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 접합 부재를 스캐닝하며 초음파를 송신하여 접합 불량 영역을 검출하는 예시 그림이다.
본 발명의 비접촉식 접합 불량 검출 방법은, 도 5에 도시한 바와 같이 초음파 송신 과정(S510), 초음파 수신 과정(S520), 및 비접촉식 접합 불량 판정 과정(S530)을 포함할 수 있다.
초음파 송신 과정(S510)은, 두 개의 부재가 접합된 접합 부재의 표면에 초음파를 송신 초음파로서 송신하는 과정이다. 접합 부재는 두 개의 금속 부재가 접착재에 의해 접합된 부재를 말하는 것으로서, 금속 부재뿐만 아니라 다른 다양한 재질의 부재가 접합된 경우라면 모두 해당될 수 있을 것이다.
초음파 수신 과정(S520)은, 접합 부재를 통과하여 투과되는 초음파를 수신 초음파로서 수신하는 과정이다. 이러한 초음파 수신의 도달 시간은, 접합 부재의 접합 상태에 따라서 달라진다. 초음파 신호를 측정할 때 접착이 잘된 시편과 달리 내부에 접착제가 없는 경우에는 공기층이 생기기 때문에 초음파의 도달 시간에 변화가 발생하게 되는데, 도 6에 도시한 바와 같이 접착이 잘 된 정상 영역을 투과하는 초음파와 접착이 잘 되지 않은 접착손상 영역을 투과하는 초음파의 경우 도달 시간에 차이가 발생하게 된다.
비접촉식 접합 불량 판정 과정(S530)은, 수신 초음파가 도달하는 시간이, 접합 부재의 접합 불량이 없는 경우 수신 초음파가 도달하는 시간을 초과하는 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 발생하였음을 알람 출력하는 과정이다. 접착제가 존재할 위치에 접착제가 존재하지 않는 접합 불량의 경우, 수신 초음파의 도달 시간이 정상 범위가 아니라 정상 범위를 벗어나기 때문에 이러한 특징을 이용하여 접합 불량 여부를 판정하는 것이다. 참고로, 정상 영역에서의 초음파 도달 시간은 재료 특성으로부터 예측 가능하다.
이와 같이, 접착이 잘 된 정상 영역을 투과하는 초음파와 접착이 잘 되지 않은 접착손상 영역을 투과하는 초음파의 경우 도달 시간에 차이가 발생함을 이용하여 접합 불량을 판정함에 있어서, 실제로 도달 시간을 비교하는 것은 어렵기 때문에, 정상 도달 시점의 초음파의 세기를 비교하여 판정한다.
즉, 예측되는 정상 도달 시간에 실제로 측정된 초음파의 RMS 에너지를 비교함으로써 접착손상 영역을 확인한다. 여기서, RMS(Root Mean Square) 에너지는, 실효 출력을 나타내는 말로서, 지속적인 신호의 출력이 가능한 평균 출력의 기준이 된다. RMS 에너지를 비교하면, 정상 영역에서는 높은 초음파 에너지, 접착손상 영역에서는 낮은 초음파 에너지가 확인될 것이다. 그러나 이러한 접근 방식의 경우 초음파 에너지를 비교할 대상이 있어야 하기 때문에 손상 여부의 자동 판단에는 한계가 있다. 예컨대, 도 7에 도시한 바와 같이 음파 에너지를 비교할 대상이 없기 때문에 RMS 에너지 해석 기반으로는 접합 불량을 감지하는데 한계가 있는데, 이를 해결하기 위하여 본 발명은, 신호만을 활용하여 접합 불량 여부를 자동으로 판단할 수 있는 접합 불량 판정 알고리즘을 제안한다.
이를 위하여 본 발명의 비접촉식 접합 불량 판정 과정(S530)은, 접합 부재의 접합 불량이 없는 경우 수신 초음파가 도달하는 시점인 정상 도달 시점이 설정되는 정상 도달 시점 설정 과정(S531)과, 송신 초음파의 송신 시점부터 정상 도달 시점까지 수신되는 신호의 에너지 범위인 기준 에너지 범위를 측정하는 기준 에너지 범위 측정 과정(S532)과, 정상 도달 시점에 수신되는 신호의 에너지 세기인 수신 에너지 세기를 측정하는 수신 에너지 세기 측정 과정(S533)과, 정상 도달 시점의 수신 에너지 세기가 상기 기준 에너지 범위를 벗어날 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 검출되었음을 알람 출력하는 접합 불량 알람 과정(S534)을 포함할 수 있다. 이하 상술하기로 한다.
정상 도달 시점 설정 과정(S531)은, 접합 부재의 접합 불량이 없는 경우 수신 초음파가 도달하는 시점인 정상 도달 시점이 설정되는 과정이다. 정상 도달 시점은, 접합 부재의 재질에 따라서 다르게 설정된다. 즉, 정상 도달 시점은, 접합 부재의 재료 특성으로 예측 가능하기 때문에, 사용자에 의해 설정될 수 있다.
기준 에너지 범위 측정 과정(S532)은, 송신 초음파의 송신 시점부터 상기 정상 도달 시점까지 수신되는 신호의 에너지 범위인 기준 에너지 범위를 측정하는 과정이다. 이러한 기준 에너지 범위 측정 과정(S532)은 잡음 이상치 해석을 통해 이루어지는데, 이를 위해, 송신 초음파의 송신 시점부터 상기 정상 도달 시점까지 수신되는 신호에서 잡음 성분만을 추출하는 과정(S5321)과, 송신 초음파의 송신 시점부터 상기 정상 도달 시점까지의 잡음 성분의 상하 임계치 범위를 추출하는 과정(S5322)과, 상하 임계치 범위를 기준 에너지 범위로 결정하는 과정(S5323)을 가질 수 있다. 잡음 성분의 상하 임계치 범위를 추출(S5322)함에 있어서, 도 8에 도시한 바와 같이, 확률 분포를 적용하여 상하 임계치 범위를 추출한다.
도 8을 참고하여 상술하면, 먼저 측정한 신호에서 잡음 성분만을 추출해 낸다. 정상 영역에서의 초음파 도달 시간은 예측 가능하기에, 초음파가 도달하지 않은 시간에서 측정된 신호들을 활용해 잡음 성분을 얻을 수 있고 이로부터 잡음의 확률 분포를 얻을 수 있다. 두 번째 단계로, 잡음의 확률 분포로부터 잡음 성분의 상하 임계치 범위를 설정한다. 예를 들어, 잡음이 임계치 이하일 확률이 99.99%가 되도록 하는 잡음 성분의 상하 임계치 범위를 설정할 수 있다.
수신 에너지 세기 측정 과정(S533)은, 정상 도달 시점에 수신되는 신호의 에너지 세기인 수신 에너지 세기를 측정하는 과정이다.
접합 불량 알람 과정(S534)은, 정상 도달 시점의 수신 에너지 세기가 기준 에너지 범위 이내인 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 검출되었음을 알람 출력하는 과정이다. 즉, 정상 도달 시점의 수신 에너지 세기가 상하 임계치 범위 이내인 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 검출되었음을 알람 출력하게 된다. 정상의 경우라면 초음파 신호가 도달해 잡음의 상하 임계치 범위를 벗어난 값이 측정되겠지만, 접착 손상이 있는 경우에는 초음파 신호가 도달하지 않고 잡음 신호가 측정되기 때문에 상하 임계치 범위보다 낮을 것이다. 따라서 이를 활용해 측정 신호만을 활용하여 검사 지점의 접착 손상 여부를 확인할 수 있게 된다.
결국, 도 9(a)에 도시한 바와 같이, 접합 부재를 일정 경로를 따라서 스캐닝하며 초음파를 일정 주기로 송신한 후 투과되는 초음파를 수신하여, 수신되는 초음파의 에너지 세기를 파악함으로써, 도 9(b)에 도시한 바와 같이 접착 손상 영역을 자동적으로 검출할 수 있게 된다.
상술한 본 발명의 설명에서의 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것으로, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 변경 및 균등한 타의 실시예가 가능한 것이다.
S510:초음파 송신 과정
S520:초음파 수신 과정
S530:비접촉식 접합 불량 판정 과정

Claims (5)

  1. 두 개의 부재가 접합된 접합 부재의 표면에 초음파를 송신 초음파로서 송신하는 초음파 송신 과정;
    상기 접합 부재를 통과하여 투과되는 초음파를 수신 초음파로서 수신하는 초음파 수신 과정; 및
    상기 수신 초음파가 도달하는 시간이, 접합 부재의 접합 불량이 없는 경우 수신 초음파가 도달하는 시간을 초과하는 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 발생하였음을 알람 출력하는 비접촉식 접합 불량 판정 과정;을 포함하며,
    상기 비접촉식 접합 불량 판정 과정은,
    접합 부재의 접합 불량이 없는 경우 수신 초음파가 도달하는 시점인 정상 도달 시점이 설정되는 정상 도달 시점 설정 과정; 상기 송신 초음파의 송신 시점부터 상기 정상 도달 시점까지 수신되는 신호의 에너지 범위인 기준 에너지 범위를 측정하는 기준 에너지 범위 측정 과정; 상기 정상 도달 시점에 수신되는 신호의 에너지 세기인 수신 에너지 세기를 측정하는 수신 에너지 세기 측정 과정; 및 상기 정상 도달 시점의 수신 에너지 세기가 상기 기준 에너지 범위 이내인 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 검출되었음을 알람 출력하는 접합 불량 알람 과정;를 포함하며,
    상기 기준 에너지 범위 측정 과정은,
    상기 송신 초음파의 송신 시점부터 상기 정상 도달 시점까지 수신되는 신호에서 잡음 성분만을 추출하는 과정; 상기 송신 초음파의 송신 시점부터 상기 정상 도달 시점까지의 잡음 성분의 상하 임계치 범위를 추출하는 과정; 및 상기 상하 임계치 범위를 상기 기준 에너지 범위로 결정하는 과정;을 포함하며,
    상기 접합 불량 알람 과정은 상기 정상 도달 시점의 수신 에너지 세기가 상기 상하 임계치 범위 이내인 경우, 초음파가 조사된 접합 부재의 영역에서 접합 불량이 검출되었음을 알람 출력하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 접합 불량 검출 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 정상 도달 시점은,
    상기 접합 부재의 재질에 따라서 다르게 설정됨을 특징으로 하는 비접촉식 접합 불량 검출 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 잡음 성분의 상하 임계치 범위를 추출하는 것은,
    확률 분포를 적용하여 상하 임계치 범위를 추출함을 특징으로 하는 비접촉식 접합 불량 검출 방법.
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