KR102072189B1 - 강재 용접부위 손상 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량 등과 같이 강구조물을 이루는 강재들의 용접부위 손상을 홀센서(Hall Sensor)를 이용하여 비파괴 검사하는 검출장치에 관한 것으로, 원통 형상의 하우징(11)과, 상기 하우징(11) 내측에 삽입 고정된 베어링(12)과, 상기 하우징(11) 측면에서 하부로 돌출되어 강재 표면과 접촉되는 한 쌍의 접촉돌기(13)와, 상기 접촉돌기(13) 사이에 고정 결합되어 직각방향의 자기장을 감지하는 홀센서(14)가 구비된 센싱부재(10); 중심에 관통공(22)이 형성된 평판 형상의 플레이트(21)와, 상기 플레이트(21) 양측 하단에 결합되는 마그네트(23)와, 상기 센싱부재(10)를 복수로 수납하되 한 쌍의 접촉돌기(13)가 관통 노출되도록 작동공(25)이 형성된 수납플레이트(24)가 상기 플레이트(21) 아래에 일체 결합된 케이스(20); 상기 수납플레이트(24) 표면에 하단이 고정되고 상기 베어링(12)을 관통하여 설치된 승강축(30); 상기 케이스(20) 위에 설치되고 센싱부재(10)에 전원을 공급하는 제어기판(40); 내부에 상기 케이스(20)와 제어기판(40)이 설치되고 하부에 복수의 회전하는 휠(51)이 구성된 이동대차(50)를 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 금속재질의 대상물을 마그네트를 이용하여 자화시킨 후 강구조물의 강재나 용접부위의 결함에 따른 자속의 누설을 탐지함으로써 시각화된 이미지를 이용한 디스플레이 표시와 손상 발생 때 알람을 발생하여 상황인지가 즉각적으로 이루어지므로, 점검자의 신속한 판단 및 대응으로 강구조물의 강재와 용접부의 손상에 따른 유지관리의 효율성 향상과, 휴대용으로 설계되어 국부적인 조사가 아닌 전체적인 강구조물의 비파괴조사가 가능하고, 보다 객관적인 데이터의 축적 및 시간과 비용절감 효과를 기대할 수 있다.

Description

강재 용접부위 손상 검출장치{Apparatus for Detection Damage of Structural Steel Welding Region}

본 발명은 강재 용접부위의 손상을 검출하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교량 등과 같이 강구조물을 이루는 강재들의 용접부위 손상을 홀센서(Hall Sensor)를 이용하여 비파괴 검사하는 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로 '시설물 안전관리에 관한 특별법' 으로 현재 강구조물의 교량은 정기적으로 정기점검, 정밀점검, 정밀안전진단 수행 대상으로 관리하고 있다. 더욱이 강구조물의 교량은 안전 점검을 위하여 불량, 균열, 누락 등을 포함하는 용접불량, 부식발생 및 비파괴검사 등이 포함돼 있고, 특히, 전문성을 요하기 때문에 따로 집중관리하고 있다. 더욱이 강구조물에서는 반복하중 등에 의한 피로균열이 발생하는데 피로균열의 경우에 대부분 응력이 집중하는 부분에서 발생하고, 이 균열은 아주 미세하여 초기 발견이 어렵다.

현재 강구조물의 교량의 유지관리 체계로, 용접부의 결함을 검사하기 위하여 사용되는 비파괴검사 방법으로는 육안 검사(VT), 침투탐상검사(PT), 초음파 탐상검사(UT), 방사선 투과검사(RT), 자분탐상검사(MT) 등에 의한 방법이 있다.

또한, 강구조물에 대한 정밀점검 시에 재료시험 항목에서 강재 용접부 결함조사는 자분탐상 및 초음파 탐상법을 50m 당 최소 1개소를 기준으로 선택 과업으로 실시하도록 하고 있어, 크고 넓은 교량 거더에서 1~2개소에 대한 검사만으로 거더 전체에 대한 안전성을 확인하고 있다.

또한, 정밀안전진단 시에도 강재 용접부 자분탐상시험 및 방사선 투과시험은 균열의심부 및 맞대기 용접부에 대해서 50m에 대해 최소 1개소 이상, 초음파 탐상시험은 플레이트 거더교 경간별 거더 당 1개소, 박스 거더교는 2개소로 조사 및 수량을 결정하여야 한다.

또한, 기존 비파괴검사는 강재 표면의 도장을 제거하고 표면을 매끄럽게 하거나, 구조물을 외부와 차단하고 방사선을 투과하거나, 손상된 표면에 자분을 뿌리고 자력을 이용해 균열을 확인하는 등 비파괴검사가 복잡하고 시간이 오래 걸리는 단점이 있어 교량 거더 전체의 신뢰성 있는 안전성을 확인하기에는 물리적인 한계가 있었다.

따라서 강구조물의 안전점검에 따른 다음의 문제점이 노출되었다. 즉, 강구조물에 대한 검사는 육안검사(VT)를 위주로 하고 균열의심부 등에 대해서는 비파괴검사를 수행하도록 하고 있는데, 강박스 거더는 내부가 어두워 잘 보이지 않는 데 이곳에서 약간의 조명으로 균열을 육안으로 확인하고 있다. 또한, 강박스 거더 내부에서 조사자가 육안검사로 피로균열 같은 미세한 균열을 확인하는 것은 어려운 실정이며, 정밀점검 및 정밀안전진단 세부지침에 따라 일부분에 대한 비파괴검사를 근거로 전체 구조물의 안전성을 판단하는 것은 상당한 오류가 발생하였다. 또한, 현재 시행하고 있는 비파괴검사 장비 및 인력만으로 강구조물의 전체를 안전 점검하는 것은 시간 및 공간적으로 불가능한 실정이었다.

본 발명과 관련된 선행기술로서, 특허문헌 1은 제1용접대상물과, 제2용접대상물의 용접부를 따라 이동되는 이동체와, 이동체의 일측부에 결합되고, 제1용접대상물과 접한 상태로 용접부를 검사하는 제1센서와, 이동체의 타측부에 결합되고, 제2용접대상물과 접한 상태로 용접부를 검사하는 제2센서와, 이동체를 자력에 의해 제1용접대상물과 제2용접대상물에 부착시키는 자력부착체를 포함하는 용접부 검사용 센서 이송장치가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2는 바퀴를 구동시키는 구동부가 구비되는 본체와, 상기 본체에 구비되어 용접 대상물에 형성된 용접선을 감지하는 감지수단과, 상기 감지수단에서 감지된 정보를 분석하여 상기 본체가 상기 용접선을 따라 이동하도록 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 자기 탐상법을 이용한 용접선 추종장치가 개시되어 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0135613호(2016.11.28. 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-1069790호(2011.10.05. 공고)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 강구조물을 이루는 강재들의 용접부위를 육안으로 검사하듯이 용이하게 점검하면서 강구조물의 안전에 대한 신뢰성을 확보할 수 있도록 강구조물을 전체적으로 간편하고 신속하게 정밀 조사할 수 있기 위한 것이 목적이다.

또한, 강재들의 용접부위에서 발생하는 균열을 주기적으로 점검하여 피로균열 등에 의한 미세한 균열을 초기에 확인하고, 균열이 확대되기 전에 보강할 수 있도록 함으로써, 취성파괴와 같은 예측 불가능한 사고를 미연에 방지하고 큰 손상을 보강함에 따른 유지관리 비용 증가를 방지하기 위한 것이 다른 목적이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 원통 형상의 하우징과, 상기 하우징 내측에 삽입 고정된 베어링과, 상기 하우징 측면에서 하부로 돌출되어 강재 표면과 접촉되는 한 쌍의 접촉돌기와, 상기 접촉돌기 사이에 고정 결합되어 직각방향의 자기장을 감지하는 홀센서가 구비된 센싱부재; 중심에 관통공이 형성된 평판 형상의 플레이트와, 상기 플레이트 양측 하단에 결합되는 마그네트와, 상기 센싱부재를 복수로 수납하되 한 쌍의 접촉돌기가 관통 노출되도록 작동공이 형성된 수납플레이트가 상기 플레이트 아래에 일체 결합된 케이스; 상기 수납플레이트 표면에 하단이 고정되고 상기 베어링을 관통하여 설치된 승강축; 상기 케이스 위에 설치되고 센싱부재에 전원을 공급하는 제어기판; 내부에 상기 케이스와 제어기판이 설치되고 하부에 복수의 회전하는 휠이 구성된 이동대차를 포함하여 이루어진 강재 용접부위 손상 검출장치를 제공한 것이 특징이다.

또한, 본 발명에서, 상기 센싱부재는 서로 일정의 각도로 인접하여 연속 설치되되, 접촉돌기가 번갈아 설치되고, 각 센싱부재의 홀센서는 이동대차의 진행방향과 직각방향으로 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에서, 상기 홀센서로부터 접촉돌기 저면 사이는 일정 간격을 두고 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 금속재질의 대상물을 마그네트를 이용하여 자화시킨 후 강구조물의 강재나 용접부위의 결함에 따른 자속의 누설을 탐지함으로써 시각화된 이미지를 이용한 디스플레이 표시와 손상 발생 때 알람을 발생하여 상황인지가 즉각적으로 이루어지므로, 점검자의 신속한 판단 및 대응으로 강구조물의 강재와 용접부의 손상에 따른 유지관리의 효율성 향상과, 휴대용으로 설계되어 국부적인 조사가 아닌 전체적인 강구조물의 비파괴조사가 가능하고, 보다 객관적인 데이터의 축적 및 시간과 비용절감 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, 강재 용접부위 손상 검출장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 강재 용접부위 손상 검출장치를 나타낸 분리사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 강재 용접부위 손상 검출장치에서 센싱부재를 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 강재 용접부위 손상 검출장치에서 센싱부재를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 강재 용접부위 손상 검출장치에서 센싱부재의 홀센서를 이용하여 강재의 용접부위 손상을 검출하는 원리를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 강재 용접부위 손상 검출장치에서 센싱부재의 작동을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 강재 용접부위 손상 검출장치에 관한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에서, 센싱부재(10)는 내부가 관통된 원통 형상의 하우징(11)으로 이루어지고, 하우징(11) 내측에는 베어링(12)이 삽입 고정된다. 베어링(12)은 내측에 복수의 볼 베어링이 노출된다. 접촉돌기(13)는 하우징(11) 측면에서 하부로 돌출되어 용접부위를 검출할 때에 강재 및 용접부위 표면과 접촉되는 것으로, 한 쌍으로 이루어진다. 홀센서(14)는 한 쌍의 접촉돌기(13) 사이에 고정 결합되어 직각방향의 자기장을 감지한다. 더욱이 홀센서(14)는 마그네트(Magnet) 기반의 자화 요크가 일체 결합된다. 홀센서(14)와 강재나 용접부위 표면과 접촉되는 접촉돌기(13) 저면 사이에는 일정 간격, 예컨대, 2mm 내외인 것이 좋다.

케이스(20)는 중심에 관통공(22)이 형성된 평판 형상의 플레이트(21)와 수납플레이트(24)가 상하로 일체 결합된다. 플레이트(21)는 측면에서 볼 때 대략 디귿자(ㄷ) 형상이고, 관통공(22)으로는 전원케이블과 데이터케이블이 관통 설치된다. 더욱이 수납플레이트(24)는 복수의 센싱부재(10)를 수납하는 것으로, 센싱부재(10)에 돌출 구성된 한 쌍의 접촉돌기(13)가 관통 노출되도록 작동공(25)이 형성된다. 수납플레이트(24) 바닥면에는 일정 간격으로 승강축(30) 저면이 고정 결합된다. 승강축(30)은 센싱부재(10) 내에 설치된 베어링(12)에 관통 설치되어 센싱부재(10)의 승강을 가이드한다. 따라서 승강축(30)은 접촉돌기(13)의 저면이 강재 표면이나 용접부위 표면에 접촉되어 센싱부재(10)가 상하로 슬라이딩되면서 승강되는 것을 지지한다.

마그네트(23)는 플레이트(21) 양측 하단에 결합된다. 마그네트(23)는 강자성체인 네오디뮴(Neodymium) 재질의 영구자석이 적용되는 것이 좋다. 더욱이 마그네트(23)는 인가되는 전기에너지로 자화되는 전자석이 적용될 수도 있다.

제어기판(40)은 케이스(20) 위에 설치되고 센싱부재(10)에 전원을 공급하는 것이다. 제어기판(40)에는 외부에서 인가된 교류전원(AC)을 직류전원(DC)으로 변환하는 컨버터와 직류전원을 정류하는 정류기 등이 포함되고, 센싱부재(10)의 신호를 처리하는 회로가 설계될 수 있다.

이동대차(50)는 내부에 케이스(20)와 제어기판(40)이 설치된다. 이동대차(50) 하부 전방과 후방에 각각 한 쌍의 휠(51)이 이동대차(50)를 관통하는 회전축에 축 결합된다. 이동대차(50)는 등속 이동이 가능한 구조로 강재의 용접부위 결함을 검출하는 정확도를 향상시킬 수 있는 구조인 것이 좋다.

한편, 센싱부재(10)는 서로 일정의 각도로 인접하여 연속 설치되되, 접촉돌기(13)가 번갈아 설치되고, 각 센싱부재(10)의 홀센서(14)는 이동대차(50)의 진행방향과 직각방향으로 설치된다. 홀센서(14)가 설치된 센싱부재(10)는 대략 10개가 적용되어 10채널(channel)의 홀센서 어레이로 구성되지만, 감지범위나 진단부위 등에 따라 가감될 수 있을 것이다.

또한, 이동대차(50)에는 홀센서(14)에서 수집된 데이터를 저장하는 데이터로거와, 이동대차(50) 일측에 홀센서(14)의 감지신호를 가시적으로 표시하는 디스플레이가 장착될 수 있고, 이동대차(50) 위에는 점검자가 이동대차(50)를 잡고 이동시킬 수 있는 손잡이가 구성될 수 있다. 또, 이동대차(50)에 설치된 구성요소들의 작동에 필요한 전원을 공급하기 위한 배터리가 포함될 수 있다. 배터리는 2차 전지가 적용되는 것이 좋지만, 건전지와 같이 1회용 전지가 적용될 수 있다.

또한, 이동대차(50)에 전동모터가 설치되고 원격에서 무선으로 이동대차(50)를 조종하는 컨트롤러를 포함할 수 있다. 즉, 이동대차(50)를 원격에서 컨트롤러로 조종하여 전동모터의 구동으로 휠(51)이 정회전 또는 역회전하거나 방향전환 등이 가능하도록 한다. 또한, 이동대차(50)에 카메라가 설치되어 원격에서 이동대차(50)의 이동방향에 대한 영상을 송수신할 수 있도록 할 수 있을 것이다.

이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 강재 용접부위 손상 검출장치에 관한 작용을 설명한다.

먼저, 도 6에서, 센싱부재(10)의 플레이트(21)로부터 돌출 형성된 접촉돌기(13) 사이에 설치된 홀센서(14)를 이용하여 강재(100)의 용접부(101)에서 손상을 검출한다. 즉, 마그네틱 센싱 기반의 안전장비는 금속재질의 대상물을 마그네트(23)를 이용하여 자화시키면 마그네트(23) 사이에 자기장이 형성되는데, 이때, 시편의 결함 부분에서 자속이 누설된다. 이러한 누설을 홀센서(14)가 계측하여 결함을 탐지한다. 누설되는 자속의 세기는 홀센서(14)로 계측할 수 있고, 홀센서(14)는 자기장에 위치했을 때, 자기장과 전류의 수직하는 방향으로 홀 전압이 발생하며, 이 계측된 전압 값을 통해 손상 위치와 크기를 추정할 수 있다. 마그네틱 기반의 시각화된 이미지를 이용하여 PC(60)의 모니터를 통해 표시하고, 손상 발생 때 알람 등을 발생하여 상황인지가 즉각적으로 이루어지므로, 이를 통해 점검자의 신속한 판단 및 대응이 이루어지도록 함으로써 강재의 용접부에 대한 손상을 유지 관리하는 효율성의 향상이 기대된다.

도 7a에서, 이동대차(50)로 용접 처리된 강재(100)의 용접부(101) 손상을 검출한다. 즉, 점검자는 강재(100) 위에 이동대차(50)를 올려놓고 손잡이 등을 잡고 강재(100) 표면을 일정한 속도로 움직이는 동안 강재(100)의 손상부(102)를 복수의 어레이로 설계된 센싱부재(10)의 홀센서(14)가 자속을 탐지한다. 더욱이 도 7b에서, 이동대차(50)를 강재(100)의 용접부(101) 표면을 따라 이동시키는 동안 검출장치(1) 내에 설치된 센싱부재(10)의 접촉돌기(13)는 강재(100)의 용접부(101) 표면을 따라 이동하는 동안 센싱부재(10)는 승강축(30)을 승강한다. 이는 용접부(101) 표면이 균일하지 않으므로 접촉돌기(13)가 접촉되는 부분에서 용접부(101) 표면의 미세한 굴곡을 따라 승강하게 된다. 따라서 이동대차(50)로 강재와 강재가 맞이음으로 용접된 용접부(101)의 손상을 탐지한다. 이때, 점검자는 강재(100) 사이의 용접부(101) 위로 이동대차(50)를 일정한 속도로 움직이는 동안 용접부(101)의 결함을 복수의 어레이로 설계된 센싱부재(10)의 홀센서(14)가 자속을 탐지한다. 이동대차(50)가 용접부(101) 표면을 따라 이동하는 동안 홀센서(14)에서 탐지된 감지신호는 제어기판을 거쳐 PC(60)로 입력된다. 이때, PC(60)는 입력된 감지신호를 설치된 알고리즘의 수행으로 영상신호로 변환 및 처리한다. PC(60)에서 처리된 신호는 모니터를 통해 표시된다. 그리고 PC(60)에서 처리된 신호는 저장장치에 저장된다. 또한, PC(60)는 강재(100)의 용접부(101) 진단을 위한 최적화된 구성과 더불어 특성 및 손상유형을 분석할 수 있는 최적화된 알고리즘이 설치되어야 할 것이다.

한편, 용접부(101)의 결함은 주로 용접부와 수평의 형태로, 수평 방향으로 일정 이상의 길이를 결함이 발생된다. 따라서 용접부와 수직한 방향으로 좁은 결함은 발생 가능성이 낮다.

이와 같이 본 발명의 강재 용접부위 손상 검출장치(1)는 점검자가 쉽게 휴대할 수 있는 안전 진단장치로 국부적인 조사가 아닌 전체적인 강재의 비파괴조사가 가능하고, 보다 객관적인 데이터의 축적 및 시간과 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

1: 검출장치 10: 센싱부재 11: 하우징 12: 베어링 13: 접촉돌기 14: 홀센서 20: 케이스 21: 플레이트 22: 관통공 23: 마그네트 24: 수납플레이트 25: 작동공 30: 승강축 40: 제어기판 50: 이동대차 51: 휠 60: PC 100: 강재 101: 용접부 102: 손상부

Claims (3)

1. 원통 형상의 하우징(11)과, 상기 하우징(11) 내측에 삽입 고정된 베어링(12)과, 상기 하우징(11) 측면에서 하부로 돌출되어 강재 표면과 접촉되는 한 쌍의 접촉돌기(13)와, 상기 접촉돌기(13) 사이에 고정 결합되어 직각방향의 자기장을 감지하는 홀센서(14)가 구비된 센싱부재(10);
   중심에 관통공(22)이 형성된 평판 형상의 플레이트(21)와, 상기 플레이트(21) 양측 하단에 결합되는 마그네트(23)와, 상기 센싱부재(10)를 복수로 수납하되 한 쌍의 접촉돌기(13)가 관통 노출되도록 작동공(25)이 형성된 수납플레이트(24)가 상기 플레이트(21) 아래에 일체 결합된 케이스(20);
   상기 수납플레이트(24) 표면에 하단이 고정되고 상기 베어링(12)을 관통하여 설치된 승강축(30);
   상기 케이스(20) 위에 설치되고 센싱부재(10)에 전원을 공급하는 제어기판(40);
   내부에 상기 케이스(20)와 제어기판(40)이 설치되고 하부에 복수의 회전하는 휠(51)이 구성된 이동대차(50)를 포함하여 이루어진, 강재 용접부위 손상 검출장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 센싱부재(10)는 서로 일정의 각도로 인접하여 연속 설치되되, 접촉돌기(13)가 번갈아 설치되고, 각 센싱부재(10)의 홀센서(14)는 이동대차(50)의 진행방향과 직각방향으로 설치되는, 강재 용접부위 손상 검출장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 홀센서(14)로부터 접촉돌기(13) 저면 사이는 일정 간격을 두고 설치되는, 강재 용접부위 손상 검출장치.
   

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