KR101858226B1 - 초음파를 이용하여 벽부의 균열 성장을 억제하는 균열보수 방법 - Google Patents

초음파를 이용하여 벽부의 균열 성장을 억제하는 균열보수 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법은 균열에 작업유체를 주입하는 주입단계; 상기 균열의 입구에서 상기 균열의 내측을 향하는 방향으로 상기 작업유체를 가진시키는 가진단계; 및 상기 균열 내의 작업유체에 기공을 발생시킴으로써 상기 균열의 내측 단부에 압축 잔류 응력을 발생시키기 위한 변형단계를 포함한다.

Description

초음파를 이용하여 벽부의 균열 성장을 억제하는 균열보수 방법 {CRACK REPAIRING METHOD FOR DETERRING GROWTH OF SURFACE CRACKS ON THE WALL USING ULTRASOUND}
본 발명은 초음파를 이용하여 벽부의 균열의 성장을 억제하는 균열보수 방법에 대한 발명이다.
항공기, 원자로 압력 용기 등 가혹한 환경에 놓여지는 대상물체의 금속 벽부의 표면에 균열이 발생한 경우, 균열의 안쪽 단부에 응력이 집중되어, 균열이 성장하게 된다. 이러한 표면 균열 발생시에 균열이 점차적으로 성장하는 것을 방지하기 위하여, 종래에는 균열 내부에 에폭시와 같은 접착제를 도포하는 방식이 사용되었다. 이처럼, 에폭시를 사용하여 균열부를 채우는 경우, 에폭시와 균열부 간의 추가적인 접합이 요구된다.
그러나, 균열부는 항공기의 터빈 블레이드나 원자로 압력 용기와 같은 가혹한 조건 하에서 높은 수준의 열응력을 받게 되고, 균열 부식이 발생하게 된다. 따라서, 이러한 조건 하에서는 균열부와 접착제 간의 접합이 안정적으로 유지되기 어렵다는 문제가 있다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 종래의 문제점에 착안하여 발명된 것으로서, 가혹한 조건 하에서도 균열의 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 대상물체의 벽부 표면에 형성된 균열 내부에 작업유체를 주입하는 주입단계; 상기 균열의 입구에서 상기 균열의 내측을 향하는 방향으로 상기 작업유체를 가진시키는 가진단계; 및 가진에 의해 상기 균열 내의 작업유체에 기공이 발생하여 상기 균열의 내측 단부에 압축 잔류 응력이 생성되는 변형단계를 포함하는 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 가진단계에서, 상기 진동은 초음파를 통하여 가해지고, 상기 초음파의 파장은 상기 입구의 폭보다 10배 이상 100배 이하인 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 가진단계는, 상기 입구 측에 고정튜브를 설치하는 튜브 설치 단계; 및 초음파를 발생시키는 가진장치에 구비된 팁을 상기 고정튜브에 통과시켜서 상기 균열에 고정시키는 가진장치 고정단계를 포함하고, 상기 가진장치의 상기 팁을 통하여 가진하는 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 가진장치의 팁은 병렬작업을 수행하기 위해 복수 개로 제공되고, 복수 개의 상기 가진장치의 팁 간의 간격은, 상기 가진장치에 의해 가해지는 진동 파장의 1/100이상 1/5이하인 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 가혹한 조건 하에서도 균열의 성장을 효과적으로 억제할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 대상물체의 표면에 발생한 균열을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 가진되는 것을 도 1의 A-A에서 바라본 측단면도이다.
도 3은 도 2의 B에 따라 균열의 내측 단부를 나타낸 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 진동을 가하는 가진장치의 개념도이다.
도 5는 도 4의 가진장치의 측단면도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따라 균열 성장을 억제하는 과정을 나타내는 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 명세서에서 내측, 외측 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며, 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 벽부의 균열의 성장을 억제하는 방법에 대하여 설명한다. 도 1은 대상물체의 표면에 발생한 균열을 나타내는 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 균열에 가진되는 것을 나타내는 측단면도이며, 도 3은 도 2의 B에 따라 균열의 내측 단부를 나타낸 확대도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 진동을 가하는 가진장치의 개념도이며, 도 5는 도 4의 가진장치의 단면도이고, 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따라 균열 성장을 억제하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벽부의 균열의 성장을 억제하는 방법은 표면에 생성된 균열에 적용될 수 있다. 이러한 균열(30)은 항공기나 원자로 압력 용기 등의 대상물체(10)의 표면에 생성된 것일 수 있으며, 대상물체(10)는 금속부재일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 균열(30)은 다양한 형상과 각도로 형성될 수 있다. 예를 들어, 대상물체(10)의 표면에서의 균열(30)의 폭(w)은 5mm 이하일 수 있다. 여기서 균열의 폭(w)은, 대상물체(10)의 표면 상에서, 균열이 연장되는 방향과 어긋나는 방향으로의 틈으로 정의된다. 또한, 균열(30)의 폭(w)은 대상물체(10)의 표면측에서부터 내측으로 갈수록 좁아질 수 있다. 또한, 균열(30)은 대상물체(10)의 표면으로부터 내측으로 연장되면서 대략 3°의 각도를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 균열 성장을 억제하는 균열보수 방법을 수행하기 위해, 작업유체(40)가 균열(30)에 주입될 수 있다(S10). 이러한 작업유체(40)는 소정의 표면장력을 가지는 액체일 수 있고, 일예로 물일 수 있다. 균열(30)로 주입된 작업유체(40)는 표면장력에 의해 유지될 수 있고, 균열(30)로부터 빠져나오지 않는다. 이후, 균열(30)의 내측 단부(32)를 향하여 진동이 가해질 수 있다(S20). 가진단계(S20)에서의 진동은 일 예로, 초음파일 수 있고, 팁을 구비하는 초음파 발생기가 가진장치(20)로 사용될 수 있다. 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 가진장치(20)를 설명한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 가진장치(20)는 진동자(201), 이러한 진동자(201)가 고정되는 지지판(202), 부스터(203), 이러한 팁이 고정되는 플런저(204), 공압 실린더(205), 진동 액추에이터(206) 및 팁(208)을 포함할 수 있다. 진동자(201)는 발진기와 연결될 수 있으며, 가진장치(200)가 초음파 발생기인 경우 진동자(201)가 연결되는 발진기는 초음파 발진기일 수 있다. 진동자(201)의 전면에 초음파 진동자의 진동 출력을 증강하는 원형의 부스터(203)가 밀착되며, 팁(208)과 연결된 플런저(204)가 부스터(203)의 전면에 밀착되며, 공압 실린더(205)가 이러한 장치를 커버하면서 하우징으로 기능할 수 있다.
지지판(202)과 부스터(203)는 진동 액추에이터(206)를 구성하며, 이러한 진동 액추에이터(206)는 공압 실린더(205)의 내부에 설치될 수 있다. 이러한 공압 실린더(205)의 후판에는 콤프레서(미도시)와 연결된 공기도관이 구비되고, 공기도관으로부터 유입된 공기는 공기 유입구(205a)를 통해 공압 실린더(205) 내로 공급될 수 있다. 한편, 공압 실린더(205)의 전판에는 플런저(204)가 구비되며, 이러한 플런저(204)는 공압 실린더(205)의 전판을 관통하여 외부로 돌출되어 있다.
진동 액추에이터(206)의 중간 위치의 공압 실린더(205)의 일측에 구비된 공기 유입구(205a)에 냉각기구인 보텍스 튜브(207)가 연결된다. 보텍스 튜브(207)는 예를 들어, 하단부의 파이프를 통하여 공압 실린더(205)와 연결되어 찬공기를 외부로 배출하고, 중간부의 파이프를 통하여 콤프레서와 연결되며, 상단부의 파이프를 통하여 공기 공급기와 연결되어 고온의 공기를 공급받도록 구성될 수 있다. 보텍스 튜브(207)로 공급되는 고온의 공기는 팁(208)을 통해 대상물체(10)에 분사됨으로써, 대상물체(10)가 승온될 수 있다. 또한, 이러한 공압 실린더(5)의 타 측에는 상기 진동자(201)의 냉각공기의 열교환작용에 의해 더워진 공기가 배출되는 배출구(209)가 마련될 수 있다.
진동 액추에이터(206)를 구성하고 있는 지지판(202)의 외주면에는 실링홈이 형성되어 실링(202a)이 구비되고, 부스터(203)의 원주면에도 실링홈이 형성되어 실링이 구비될 수 있다. 지지판(202)과 공압 실린더(205)의 내주면 간의 기밀성과 부스터(203)와 공압 실린더(205)의 내주면 간에 기밀성이 유지될 수 있다.
이러한 가진장치(20)에 의한 작업유체의 가진을 위해, 가진장치(20)가 균열(30)에 설치될 수 있다. 다시 말해, 가진단계(S20)는 튜브 설치 단계(S21) 및 가진장치 고정단계(S22)를 포함할 수 있다. 튜브 설치 단계(S21)에서는, 작업유체의 가진에 앞서 가진장치의 팁(208)이 균열(30)의 입구(31)에 대상물체(10)의 표면과 대략 수직하도록 배치될 수 있다. 이러한 팁(208)은 고정튜브(210)와 함께 설치될 수 있다. 다시 말해, 균열(30)에 진동을 가하기 위해, 먼저 고정튜브(210)를 입구(31)측에 설치할 수 있다. 이러한 튜브 설치 단계(S21) 이후, 가진장치 고정단계(S22)에서는 팁(208)을 고정튜브(210)에 통과시켜 가진장치(20)의 팁(208)을 균열(30)의 입구(31)에 고정시킬 수 있다. 이러한 가진장치 고정단계(S22)에서 이러한 팁(208)은 고정튜브(210)를 통과하여 균열(30)에 삽입될 수 있다. 다시 말해, 팁(208) 중에서 고정튜브(210)를 통과하여 균열(30)을 향하여 돌출된 부분이 균열(30) 내에 삽입되거나, 균열 입구 부위에 인접하게 설치될 수 있다. 가진장치(20)의 고정이 완료되면, 가진장치(20)의 팁(208)이 작업유체를 가진시킨다. 팁(208)이 고정튜브(210)를 통하여 입구(31)에 배치됨으로써, 팁(208)에서 발생하는 진동이 보다 안정적이며 효과적으로 균열(30)에 가해질 수 있다.
가진장치에 의해 가해지는 진동의 파장은 균열(30)의 입구의 폭(w)의 대략 10배이상 100배 이하일 수 있다. 예를 들어, 균열의 폭이 대략 4~5mm인 경우, 진동의 파장은 대략 7.5cm일 수 있다.
한편, 균열이 큰 경우에는 복수 회의 가진을 통하여 압축잔류 응력을 발생시키는 병렬작업이 수행될 필요가 있고, 이를 위해, 가진장치는 복수 개의 팁(208)을 구비할 수 있다. 또한, 이러한 복수 개의 팁(208)은 진동 파장의 1/100이상 1/5이하의 간격으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 진동의 파장이 대략 5cm인 경우, 가진장치의 팁(208) 간의 간격은 대략 1cm이하일 수 있다. 팁 간의 간격이 작으면 작을수록 균일하게 응력이 집중된다는 효과가 있다. 한편, 가진장치에 의해 발생되는 진동의 진동수는 대략 20kHz이상 40kHz이하일 수 있으며, 이러한 진동수에서 압축응력 발생이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다. 다만, 상기와 같은 진동수는 예시에 불과하며, 본 발명의 사상이 이러한 진동의 진동수에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 작업유체(40)로 진동이 가해짐으로써, 균열의 내측 단부(32)에 압축 잔류 응력이 발생될 수 있다(S30).
이하에서는 상술한 바와 같은 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법의 효과에 대하여 설명한다.
작업유체(40)로 진동이 가해짐으로써, 균열의 내측 단부(32)에 압축 잔류 응력이 발생될 수 있다. 다시 말해, 가진장치에 의해 가해지는 진동의 진폭은 균열(30)의 내측 단부(32)에서 최대가 된다. 진동의 진폭이 최대가 되는 균열의 내측 단부(32) 측 작업유체(40)에서 기공(cavity, 40)이 발생하게 되며, 이러한 기공(41)이 붕괴(Implosion)하여 충격파를 발생시키고 균열(30)의 내측 단부(32)에 소성변형부(33)가 형성된다. 내측 단부(32)에는 충격파에 의한 압축 응력이 잔류하게 된다(압축 잔류응력). 이러한 압축 잔류응력은 균열(30)의 내측 단부(32)에 집중적으로 발생하는 인장력을 상쇄시켜 균열의 성장을 억제할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10: 대상물체 20: 가진장치
201: 진동자 202: 지지판
202a: 실링 203: 부스터
204: 플런저 205: 공압 실린더
205a: 공기 유입구 206: 진동 액추에이터
207: 보텍스 튜브 208: 팁
209: 배출구 210: 고정튜브
30: 균열 31: 균열의 입구
32: 균열의 내측단부 33: 소성변형부
40: 기공

Claims (4)

  1. 대상물체의 벽부 표면에 형성된 균열 내부에 작업유체를 주입하는 주입단계;
    상기 균열의 입구에서 진동을 발생시키고, 상기 진동이 상기 균열 내부를 향하는 방향으로 전달됨으로써 상기 균열 내부에 주입된 상기 작업유체를 가진시키는 가진단계; 및
    상기 가진으로 상기 균열 내부의 작업유체에 기공을 발생시키고, 상기 기공이 붕괴하여 발생하는 충격파가 상기 균열의 내측 단부에 압축 잔류 응력을 생성시키는 변형단계를 포함하는 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가진단계에서 발생한 상기 진동은 초음파를 통하여 가해지고, 상기 초음파의 파장은 상기 입구의 폭보다 10배 이상 100배 이하인 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가진단계는,
    상기 입구 측에 고정튜브를 설치하는 튜브 설치 단계; 및
    초음파를 발생시키는 가진장치에 구비된 팁을 상기 고정튜브에 통과시켜서 상기 균열에 고정시키는 가진장치 고정단계를 포함하고,
    상기 가진장치의 상기 팁을 통하여 가진하는 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가진장치의 팁은 병렬작업을 수행하기 위해 복수 개로 제공되고,
    복수 개의 상기 가진장치의 팁 간의 간격은, 상기 가진장치에 의해 가해지는 진동 파장의 1/100이상 1/5이하인 벽부의 균열 성장을 억제하는 방법.
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