KR102037692B1 - 위상배열 초음파 탐촉자 및 웨지를 이용한 초음파 검사 방법 - Google Patents

위상배열 초음파 탐촉자 및 웨지를 이용한 초음파 검사 방법 Download PDF

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KR102037692B1 KR1020180060121A KR20180060121A KR102037692B1 KR 102037692 B1 KR102037692 B1 KR 102037692B1 KR 1020180060121 A KR1020180060121 A KR 1020180060121A KR 20180060121 A KR20180060121 A KR 20180060121A KR 102037692 B1 KR102037692 B1 KR 102037692B1
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최원재
김기복
서무경
김건우
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 초음파 비파괴 검사에 있어서, 쐐기를 사용하여, 검사 대상체 종파의 임계각보다 높은 굴절각의 탐상은 횡파를 이용하여 실시하며, 종파의 임계각보다 낮은 굴절각의 탐상은 종파를 사용하여 탐상함으로써 빠른 시간안에 넓은 범위를 한번에 검사할 수 있는 수단을 제공한다.

Description

위상배열 초음파 탐촉자 및 웨지를 이용한 초음파 검사 방법{The ultrasonic testing method using phased-array ultrasonic transducers and wedges}
본 발명은 위상배열 초음파 탐촉자를 이용하여 구조물의 내부결함 및 파손을 비파괴적으로 탐상하는 기술에 관한 것이다.
본 발명이전의 선행 기술로는 공개특허공보 10-2012-0117207호에 피검사물에 밀착되도록 형상이 가변되며 복수의 초음파 센서가 배열된 어레이 트랜스듀서; 상기 피검사물 또는 상기 어레이 트랜스듀서에 관한 사전 정보를 모르는 상태에서, 상기 피검사물에 대한 상기 초음파의 전파 시간을 토대로 상기 피검사물의 결함을 검출하는 제어부; 를 포함하는 자동 빔 집속 장치 및 이를 이용한 비파괴 검사 방법이 있다.
또 다른 선행 기술로는 공개특허공보 10-2015-0131011호에 프로브를 하나 더 포함하는 초음파 배열 장치를 제공하는 단계, 복수의 검사 위치들 상에서 데이터를 수집하는 단계, 각각이 위치들에서 수집된 데이터를 반영하는 복수의 데이터 행렬들을 생성하는 단계, 및 초기에, 검사 위치들 각각에서의 재구성을 위해 필요한 분량의 데이터의 부분집합을 수집하는 단계를 포함하는 전체 행렬 초음파 데이터 포착을 효율적으로 달성하는 방법에 관한 발명이 개시되어 있다.
또 다른 선행기술로는 공개특허공보 제 10-2018-0011418호에 다중 채널에서 수신된 신호를 각 채널별로 해석하고 채널 간 수신된 신호의 통합 분석을 통해 탐촉자로부터 결함의 거리와 결함의 원주방향 위치까지 해석하는 다중 채널 초음파를 이용한 장거리 배관 진단 방법에 관한 것으로, 피검사체의 정보를 입력하는 단계, 상기 피검사체의 정보에 따라 검사 주파수, 가진 펄스 수, 및 검사 거리 입력하는 단계, 상기 피검사체의 외주면에 위치시킨 상기 탐촉자들을 통해 피검사체의 반사신호를 채널별로 수집하는 단계, 및 상기 채널별로 수집된 반사신호 분석을 통해 결함 유무, 결함 위치, 결함 거리, 및 결함 크기 중 어느 하나 이상을 진단하는 선행기술이 개시되어 있다.
공개특허공보 제10-2012-0117207호 공개실용신안공보 제10-2015-0131011호 공개특허공보 제10-2018-0011418호
본 발명은 위상배열초음파 탐촉자 및 쐐기를 이용하여 횡파 및 종파를 발생하고, 이를 이용하여 초음파 검사를 실시하는 방법에 관한 것이다.
도1 처럼 다수의 압전소자를 사용하는 초음파 위상배열을 이용한 비파괴 검사에서, 각각의 소자에 입력되는 신호의 시간지연을 조절하면, 도2에 도시된 초음파 빔의 주사각
Figure 112018051799835-pat00001
을 조절하며 초음파 빔을 조향할 수 있다. 원하는 주사각이 작을 경우, 도2처럼 직접 접촉을 통하여 종파를 이용하여 검사한다. 하지만, 주사각이 커질수록 종파 응답이 약해지며 신호가 왜곡돼는 현상이 발생하여 탐상의 해석에 어려움이 발생한다.
이를 해결하기 위하여, 도3 처럼 쐐기를 이용하면 주사각
Figure 112018051799835-pat00002
은 작게 유지하면서 굴절각
Figure 112018051799835-pat00003
을 높일 수 있다. 이 경우 종파가 아닌 횡파만 대상체로 입력되어 검사가 용이해져, 쐐기를 이용한 횡파를 사용하는 검측을 실시한다. 하지만, 다시 작은 굴절각
Figure 112018051799835-pat00004
의 탐상을 필요로 할 때에는 쐐기분리 후 다시 직접 접촉을 실시하거나 별개의 탐촉자를 이용하여 따로 검사해야하는 번거로움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 쐐기를 이용하여 횡파뿐만 아니라 종파를 독립적으로 발생시켜, 굴절각이 큰 경우는 횡파를 이용하여 탐상하고, 굴절각이 작은 경우는 종파를 이용하여 탐상하여, 넓은 각도를 신뢰성 높게 탐상 가능한 방법을 창안하였다.
이를 위하여, 본 발명에서는 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 초음파 비파괴 검사에 있어서, 쐐기를 사용하여, 측정 대상물체 내 임계각보다 높은 굴절각 범위의 비파괴 초음파 탐상은 횡파를 이용하여 실시하며, 상기 임계각보다 낮은 굴절각 범위의 비파괴 초음파 탐상은 종파를 사용하여 탐상하는 것을 특징으로 하는 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 비파괴 검사방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 각도
Figure 112018051799835-pat00005
의 쐐기와 함께 사용하는 위상배열 초음파 탐촉자의 주사각
Figure 112018051799835-pat00006
을, 상기 측정 대상 물체의 종파탐상을 위하여
Figure 112018051799835-pat00007
범위 내에서 선정하고, 상기 측정 대상 물체의 횡파탐상을 위해서는
Figure 112018051799835-pat00008
또는
Figure 112018051799835-pat00009
의 범위로 선정하는 탐촉자 주사각 주사각
Figure 112018051799835-pat00010
를 선정하는 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 비파괴 검사방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 측정 대상 물체 내의 종파 및 횡파 탐상범위에 대한 입력각
Figure 112018051799835-pat00011
가
Figure 112018051799835-pat00012
일 때, 쐐기각도는
Figure 112018051799835-pat00013
로 설정하는 쐐기 각도 선정 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 비파괴 검사방법을 제공한다.
또한, 종파와 횡파를 이용한 검사를 한 번에 처리하고 표시하는 방법을 제공한다.
초음파 위상배열 탐촉 검사 장치를 이용한 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 비파괴 검사방법에 있어서,
종파 검사와 횡파검사를 복합으로 하는 복합모드 선택 및 종파측정 결과와 횡파측정 결과를 하나의 화면에 표시하기 위하여 디스플레이화면을 횡으로 2분할하는 복합모드설정단계(S1); 및
종파 검사를 위하여 측정모드를 종파로 설정하는 종파설정단계(S2); 및
검사 대상 물체로의 초음파 탐촉자의 주사각
Figure 112018051799835-pat00014
를
Figure 112018051799835-pat00015
범위로 설정하여 종파신호를 측정하는 종파측정단계(S3); 및
상기 측정결과를 상기 디스플레이의 종파측정 결과에 표시하는 단계(S4); 및
횡파 검사를 위하여 측정모드를 횡파로 설정하는 횡파설정단계(S5); 및
검사 대상 물체로의 초음파 탐촉자의 주사각
Figure 112018051799835-pat00016
를
Figure 112018051799835-pat00017
또는
Figure 112018051799835-pat00018
의 범위로 설정하여 횡파신호를 측정하는 횡파측정단계(S6); 및
상기 측정결과를 상기 디스플레이의 횡파측정 결과에 표시하는 단계(S7);를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 비파괴 검사방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 검사 대상 물체 내의 종파 및 횡파 탐상범위에 대한 입력각
Figure 112018051799835-pat00019
가
Figure 112018051799835-pat00020
일 때, 쐐기각도
Figure 112018051799835-pat00021
로 쐐기 각도를 선정하는 방법을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 비파괴 검사방법을 제공한다.
본 발명은 초음파 위상배열 탐촉자를 이용한 모든 비파괴검사에 적용할 수 있는 검사방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 초음파위상배열 탐촉자 및 쐐기를 이용하여 횡파뿐만 아니라 종파를 독립적으로 발생시켜, 종래의 직접접촉방식으로만 가능했던 검사범위를, 쐐기를 이용한 검사법으로도 가능하게 하며, 검사위치의 변경 없이 넓은 범위를 높은 정확도로 검사할 수 있게 된다. 이는 쐐기를 이용한 초음파위상배열검사 범위를 안정적으로 확장 시켜, 검사 방법의 효율을 높이며, 검사결과의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
도 1 본 발명에 사용된 위상배열 초음파 탐촉자
도 2 본 발명의 위상배열 초음파를 쐐기 없이 측정한 예
도 3 본 발명의 위상배열 초음파와 쐐기를 이용한 측정예
도 4 본 발명의 횡파 탐상의 각도 예
도 5 본 발명의 종파 탐상의 각도 예
도 6 본 발명의 쐐기를 사용한 경우의 횡파와 종파 탐상영역의 예
도 7 본 발명의 이용한 실제 측정 예
도 8 본 발명의 도 7의 실체 측정 화면
도 9 본 발명을 복잡한 구조의 측정 대상체에 적용한 예
본 발명에 사용된 위상배열 초음파 탐촉자의 주요 특징은 도1처럼 여러 개의 압전소자에서 발생된 초음파를 집속 및 조향 할 수 있다는 것이다. 즉, 압전소자에서 발생된 초음파의 집속과 조향은 개별 압전소자의 구동 시간차, 집속 깊이, 중심 주파수, 초음파 입사각, 결함의 크기, 압전소자의 형상 값 등을 바꾸는 것으로 가능하다. 이러한 기법은 종래의 단일 탐촉자를 이용한 검사법을 대체하고 있으며, 또한 가시화의 장점으로 인하여 x-ray 등의 대체 검사 방법으로도 각광받고 있다.
본 발명에 사용된 초음파 위상배열 탐촉 검사장치는 종파와 횡파를 각각 발생하고, 각각의 반사파를 측정하여 신호를 분석하여 이를 2차원의 이미지로 생성하는 기능을 하는 본체부와 상기 본체부에 결합되어 종파와 횡파를 변환하여 발생하는 모드 변환부, 이미지 디스플레이부, 검측 가능한 최대의 범위를 검측하기 위하여 상기 모드 변환부를 수동 또는 자동으로 변환하는 모드 변환 조절부 등을 포함하여 구성된다.
이러한 위상배열초음파 탐촉자를 이용한 비파괴 검사에서, 각각의 압전소자에 입력되는 신호의 시간지연을 조절하여 도2에 제시된 초음파 빔의 주사각
Figure 112019074011221-pat00022
을 조절하며 조향할 수 있다. 대상체에 입력되는 주사각이 작아야 하는 경우, 일반적으로 도2 처럼 탐촉자를 대상체에 직접 접촉하여 종파를 발생시켜 검사한다. 주사각이 커질수록 신호가 왜곡돼는 현상이 발생하여 탐상의 해석에 어려움이 발생한다. 이를 해결하기 위하여, 큰 주사각이 필요할 경우에, 종래에는 도3 처럼 쐐기를 이용하여 적은 주사각
Figure 112019074011221-pat00023
을 유지하면서 높은 굴절각
Figure 112019074011221-pat00024
의 횡파를 발생시켜 검사를 실시한다. 이 경우 도4처럼 종파는 임계각을 넘어 측정 대상 물체 내로 진입하지 못하고, 횡파만 대상체로 입력되어 검사가 용이하다. 하지만, 작은 굴절각을 필요로 할 때에는 쐐기를 분리한 후 다시 직접 접촉을 실시하거나 별개의 탐촉자를 이용하여 따로 검사해야하기 때문에, 쐐기에 맞게 설정되어있던 장비 세팅을 새로 설정하거나 별개의 탐촉자 및 장비에 대한 추가구매 비용이 발생하는 등의 번거로움이 있다.
본 발명에서는 위상배열 초음파 탐상기 및 쐐기의 특성을 이용하여, 높은 굴절각의 탐상 시 횡파를 이용하여 탐상하고, 낮은 굴절각의 탐상 시 종파를 이용하여 탐상하는 방법을 창안하였다.
본 발명은 기본적으로 위상배열 초음파 탐상기 및 횡파용 쐐기의 모양과 관계없이 적용 가능하다. 쐐기는 물질 1로 이루어져있고 종파 속도는
Figure 112019074011221-pat00025
이며, 검사 대상체는 물질 2로 이루어져있고 종파 및 횡파 속도가
Figure 112019074011221-pat00026
과
Figure 112019074011221-pat00027
일 때, 우선 검사 대상체의 재질에 따라 종파의 임계각
Figure 112019074011221-pat00028
을 선정한다. 종파의 임계각
Figure 112019074011221-pat00029
은 Snell’s law를 이용하여 계산할 수 있으며, 대상체의 종파속도
Figure 112019074011221-pat00030
및 대상체의 횡파속도
Figure 112019074011221-pat00031
를 이용하여, 식 (1)로 구할 수 있다.
Figure 112018051799835-pat00032
(1)
대상체내 횡파의 굴절각이 임계각
Figure 112018051799835-pat00033
과 같을 때, 도 4의 쐐기 내 종파 입력각
Figure 112018051799835-pat00034
을 식 (2)로 구할 수 있다.
Figure 112018051799835-pat00035
(2)
입력각이
Figure 112018051799835-pat00036
보다 크면 (
Figure 112018051799835-pat00037
) 횡파만 대상체 내로 전달되며,
Figure 112018051799835-pat00038
보다 적으면 (
Figure 112018051799835-pat00039
) 종파 및 횡파 모두 전달된다. 도 5처럼, 종파의 굴절각이 임계각
Figure 112018051799835-pat00040
과 같을 경우의 쐐기 내 종파 입력각
Figure 112018051799835-pat00041
도 식 (3) 으로 구할 수 있다.
Figure 112018051799835-pat00042
(3)
상기한 각도 파라메터를 기반으로, 종파 및 횡파를 이용한 탐상구간을 선정할 수 있다.
도 3에서 쐐기의 각도
Figure 112018051799835-pat00043
는 위상배열 탐촉자, 쐐기 재질 및 측정 대상 물체 재질 등을 고려하여 선정할 수 있고, 이를 고려하여 위상배열에서 주사각
Figure 112018051799835-pat00044
로 초음파 빔을 방사하면, 쐐기에서 입사각
Figure 112018051799835-pat00045
로 입사하며, 최종적으로 대상체 내에서는 굴절각
Figure 112018051799835-pat00046
로 입사하게 된다. 따라서 주사각
Figure 112018051799835-pat00047
을 조절하면, 대상체 내에서 원하는 굴절각을 얻을 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 우선
Figure 112018051799835-pat00048
구간 중, 탐상 굴절각도가 임계각 이하인
Figure 112018051799835-pat00049
구간은, 입사각을
Figure 112018051799835-pat00050
로 제한하기 위하여 위상배열 탐촉자 주사각 범위는
Figure 112018051799835-pat00051
로 선정하고, 대상체 내부는 종파로 탐상을 실시하게 된다. 탐상 굴절각도가 임계각 이상인
Figure 112018051799835-pat00052
구간은 입사각을
Figure 112018051799835-pat00053
로 제한하기 위하여 위상배열 탐촉자 주사각 범위는
Figure 112018051799835-pat00054
로 선정하고, 대상체 내부는 횡파로 탐상을 실시하게 된다.
Figure 112018051799835-pat00055
구간 중, 탐상 굴절각도가 임계각 이하인
Figure 112018051799835-pat00056
구간은, 입사각을
Figure 112018051799835-pat00057
로 제한하기 위하여 위상배열 탐촉자 주사각 범위는
Figure 112018051799835-pat00058
로 선정하고, 대상체 내부는 종파로 탐상을 실시하게 된다. 탐상 굴절각도가 임계각 이하인
Figure 112018051799835-pat00059
구간은 입사각을
Figure 112018051799835-pat00060
로 제한하기 위하여 위상배열 탐촉자 주사각 범위는
Figure 112018051799835-pat00061
로 선정하고, 대상체 내부는 횡파로 탐상을 실시하게 된다. 종파 및 횡파의 탐상영역은 위상배열 탐촉자, 웨지 및 대상체의 조건에 맞추어, 상기된 구간 내에서 선정할 수 있다.
본 방법을 이용한, 대상체 내의 종파 및 횡파 탐상범위에 대한 입력각
Figure 112018051799835-pat00062
가
Figure 112018051799835-pat00063
일 때는, 쐐기의 각도
Figure 112018051799835-pat00064
를
Figure 112018051799835-pat00065
로 선정할 때 최적의 주사각 범위를 갖게 된다.
도 7 및 도 8은 실제 위상배열 탐촉자와 웨지를 사용한 실험예시 및 결과를 보여주고 있다. 쐐기 물질1 의 속도는
Figure 112018051799835-pat00066
=2730 m/s 이며, 검사 대상체 물질 2의 종파 및 횡파 속도가
Figure 112018051799835-pat00067
=5900 m/s 과
Figure 112018051799835-pat00068
=3230 m/s 이다. 이때 식(1)에 의하여 임계각
Figure 112018051799835-pat00069
을 구할 수 있다.
본 실험에서 탐촉자는 32개의 압전소자로 구성되어 있으며, 웨지의 각도는 28도이다. 본 실험은 종파 및 횡파 검측 영역을 각각 약
Figure 112018051799835-pat00070
및
Figure 112018051799835-pat00071
로 선정 한 결과이다. 도 7에서 위상배열 탐촉자는 1mm Sided Drilled Hole (SDH)이 제작된 시험편을 측정하고 있으며, 도 8에 종파와 횡파의 스캔으로 탐촉자의 이동 없이, 거리가 떨어져 있는 두 개의 SDH(측면드릴구멍)이 하나의 측정화면에서 검측되는 것을 볼 수 있다.
본 발명의 실시예를 도 8의 이미지를 획득하는 방법을 사용하여 설명하면 하기와 같다.
초음파 위상배열 탐촉 검사장치를 이용한 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 비파괴 검사방법에 있어서,
종파 검사와 횡파검사를 복합으로 하는 복합모드 선택 및 종파측정 결과와 횡파측정 결과를 하나의 화면에 표시하기 위하여 디스플레이화면을 횡으로 2분할하는 복합모드설정단계(S1); 및
종파 검사를 위하여 측정모드를 종파로 설정하는 종파설정단계(S2); 및
검사 대상 물체로의 초음파 탐촉자의 주사각
Figure 112018051799835-pat00072
를
Figure 112018051799835-pat00073
범위로 설정하여 종파신호를 측정하는 종파측정단계(S3); 및
상기 측정결과를 상기 디스플레이의 종파측정 결과에 표시하는 단계(S4); 및
횡파 검사를 위하여 측정모드를 횡파로 설정하는 횡파설정단계(S5); 및
검사 대상 물체로의 초음파 탐촉자의 주사각
Figure 112018051799835-pat00074
를
Figure 112018051799835-pat00075
또는
Figure 112018051799835-pat00076
의 범위로 설정하여 횡파신호를 측정하는 횡파측정단계(S6); 및
상기 측정결과를 상기 디스플레이의 횡파측정 결과에 표시하는 단계(S7);를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 비파괴 검사방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 검사 대상 물체 내의 종파 및 횡파 탐상범위에 대한 입력각
Figure 112018051799835-pat00077
가
Figure 112018051799835-pat00078
일 때, 쐐기각도
Figure 112018051799835-pat00079
로 쐐기 각도를 선정하는 방법을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 비파괴 검사방법을 제공한다.
도 9는 상기 위상배열 탐촉자와 측정 대상 물체 사이에 직사각형 형태의 쐐기를 만들고, 측정 대상 물체는 복잡한 곡관 형태 또는 T관에 이어진 금속 각체를 사용하였다. 상기 측정에는 웨지각도를 28도로 제작하여 종파 및 횡파를 이용하여 각기둥 형태가 아니 측정 대상 물체 돌출부위의 모서리 부분을 측정하는 실험을 하였다. 도 9에서 알 수 있듯이, 종파만으로 측정하는 경우 측정부위를 이용하는 경우에도 탐촉자가 위치한 부위의 좌우 측면에 사각지대가 많이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 여기에 횡파를 더 부가하여 측정하면 탐촉자가 위치한 부위의 우측으로 측정 불가능한 측정 사각지대가 현저히 줄어드는 것을 볼 수 있다.
도 9에서는 예를 들어 보여주고 있는 것일 뿐 상기 28도로 제작된 쐐기의 높이를 조절함으로써, 상기 측정 불가능한 사각지대를 없애거나, 대상 물체의 측정하는 모서리 부분의 깊이를 조절할 수 있음은 물론이다.
1 : 쐐기
2 : 검사 대상체
600 : 위상배열 초음파 탐촉자

Claims (3)

  1. 쐐기를 사용한 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 위상배열 초음파 비파괴 검사 방법에 있어서, 검사 대상체 내 임계각보다 높은 굴절각의 탐상은 횡파를 이용하여 실시하며, 임계각보다 낮은 굴절각의 탐상은 종파를 사용하고,
    상기 검사 대상체 내의 종파 및 횡파 탐상범위에 대한 입력각
    Figure 112019503463465-pat00097
    가
    Figure 112019503463465-pat00098
    일 때, 상기 쐐기각도는
    Figure 112019503463465-pat00099
    식으로 결정하는 것을 특징으로 하는 위상배열 초음파 탐촉자 및 웨지를 이용한 초음파 검사 방법.
  2. 쐐기를 사용한 위상배열 초음파 탐촉자를 이용한 위상배열 초음파 비파괴 검사 방법에 있어서, 검사 대상체 내 임계각보다 높은 굴절각의 탐상은 횡파를 이용하여 실시하며, 임계각보다 낮은 굴절각의 탐상은 종파를 사용하고,
    상기 쐐기의 각도를
    Figure 112019503463465-pat00080
    로 정의할때 상기 위상배열 초음파 탐촉자의 주사각
    Figure 112019503463465-pat00081
    을, 상기 검사 대상체 내의 종파탐상을 위하여
    Figure 112019503463465-pat00082
    범위 내에서 선정하고, 횡파탐상을 위하여서는
    Figure 112019503463465-pat00083
    또는
    Figure 112019503463465-pat00084
    의 범위 내에서 선정하는 탐상 주사각 선정 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 위상배열 초음파 탐촉자 및 웨지를 이용한 초음파 검사 방법.
  3. 삭제
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