KR102447666B1 - 물분사 방식의 위상배열 초음파검사시스템용 노즐장치 - Google Patents

물분사 방식의 위상배열 초음파검사시스템용 노즐장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물분사 방식의 위상배열 초음파검사시스템용 노즐장치에 관한 것이다. 그 구성은, 로봇의 아암 선단에 고정되는 것으로서 초음파센서를 설치하는 동시에 외부에서 공급되는 물이 저장되는 축압공간을 제공하는 노즐케이싱; 상기 노즐케이싱의 선단에 결합되는 것으로서 축압공간 내의 물이 분출되는 게이트인 분사공을 제공하는 노즐헤드; 상기 노즐케이싱의 축압공간에 설치되는 층류유도구;를 포함하되; 상기 층류유도구는 중심부에 상기 초음파센서가 끼워지는 센서안착홈이 마련되어 있는 원통 형태로 되어 있으며, 상기 층류유도구에는 원주방향을 따라 일정한 간격으로 복수 개의 분배유홀이 타공되어 있으며; 공급되는 물은 상기 분배유도홀을 통과하도록 구성되어 있는 물분사 방식의 초음파검사시스템용 노즐에 있어서; 상기 분사공은 슬릿(slit) 형태로 되어 있고, 상기 초음파센서에는 복수 개의 진동자가 상기 분사공의 연장방향과 동일한 방향을 따라 직선적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

물분사 방식의 위상배열 초음파검사시스템용 노즐장치{Squirter for Phased Array Ultrasonic Testing System}
본 발명은 물분사 방식의 초음파검사 노즐에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 위상배열 초음파검사장치를 이용하여 검사범위을 넓힘으로써 작업 속도를 크게 개선시킨, 물분사 방식의 위상배열 초음파검사시스템용 노즐장치에 관한 것이다.
근래 여러 산업분야에서 널리 적용되고 있는 탄소복합재료와 같은 경우에 있어서, 박리(Delamination), 기공(Void) 등의 결함 여부의 검사는 제품 신뢰도의 판단에 긴요하다.
재료를 검사하는 방법 중 비파괴 검사법이 있다. 특히 비파괴 검사법은 재료를 손상시키지 않고 검사하는 방법이며, 초음파검사법은 그 방법 중 하나이다. 초음파검사법은 초음파가 전달되도록 하는 전달매체를 필요로 한다. 그리고 이 전달매체로는 물이 널리 사용된다.
초음파검사법은 검사하고자 하는 제품(이하, '검사체'라 한다)을 수조에 담가 검사를 하는 수침법(Immersion Method)이 일반적이지만, 검사체를 수조에 침지시킬 수 없는 상황에서는 검사체에 물을 분사하는 물분사(Water-Jet) 방식이 사용된다.
물분사 방식은 검사체의 양쪽에서 각각 동일한 지점에 물을 분사하고, 한쪽에는 초음파 발신센서를 설치하고 반대쪽에는 초음파 수신센서를 설치하여 초음파의 전달 상태에 관한 데이터를 이용하는 방식이다.
물분사 방식의 초음파검사법은 침지법에 비하여 초음파를 전달시키기에 열악한 부분이 있지만, 대형 복합재료의 효율적 검사를 수행하기 위해서는 필수적이다.
물분사 방식의 초음파검사법에서 있어서, 분사되는 물에 포함된 이물질, 기포, 물펌프의 펄스, 물의 플로우(Flow) 상태 등이 검사 신뢰도를 높이는데 있어서 매우 중요하다.
이 요소 가운데 콘트롤 가능한 가장 중요한 부분이 분사되는 물의 흐름 상태(flow state)일 것이다. 이와 관련하여 물을 완전한 층류(Laminar Flow) 형태로 분사할 수 있다면 검사의 신뢰도를 크게 높일 수 있을 것으로 이해된다.
물줄기를 균일하게 분사하기 위해서 가장 중요시되는 구성요소는 당연히 노즐(Squirter, 또는 분사장치)일 것이다. 기존에 균일한 분사 플로우를 형성하기 위한 노력이 있었지만 만족스럽지는 못하였다.
이러한 문제에 대하여 본 출원인은 대한민국 등록특허 제10-2319851에서와 같은 노즐을 개발하여 문제를 해결하였다. 그러나 이는 초음파 장치는 단일진동자인 일반 초음파 센서를 이용하고 있는데, 이에 의하면 센서의 직경이 0.75인치이고 직경이 3mm 인 구멍을 통해 물줄기를 분사하는 시스템이어서 작은 부품의 검사에는 문제가 없으나 항공기나 자동차 분야의 대형 피검사체를 검사하는 데는 너무 많은 작업시간이 소요되는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-2319851호 대한민국 등록특허 제10-2011778호 대한민국 공개특허 제10-2020-0100650호
위와 같은 문제에 대하여 본 발명의 목적은 물분사 방식의 초음파검사장치를 제공하는 것으로서, 특히 노즐 내부에서 층류가 형성되게 함으로써 노즐 내부에서 송출되는 초음파를 효과적으로 반대편으로 전달하도록 하는 물분사 방식의 초음파검사장치용 노즐을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히 노즐의 검사면적을 대폭 증대시킴으로써 대형 피검사체를 검사하는데 소요되는 시간을 극적으로 개선시키는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적은, 로봇의 아암 선단에 고정되는 것으로서 초음파센서를 설치하는 동시에 외부에서 공급되는 물이 저장되는 축압공간을 제공하는 노즐케이싱;
상기 노즐케이싱의 선단에 결합되는 것으로서 축압공간 내의 물이 분출되는 게이트인 분사공을 제공하는 노즐헤드; 상기 노즐케이싱의 축압공간에 설치되는 층류유도구;를 포함하되;
상기 층류유도구는 중심부에 상기 초음파센서가 끼워지는 센서안착홈이 마련되어 있는 원통 형태로 되어 있으며,
상기 층류유도구에는 원주방향을 따라 일정한 간격으로 복수 개의 분배유도홀이 타공되어 있으며;
공급되는 물은 상기 분배유도홀을 통과하도록 구성되어 있는 물분사 방식의 초음파검사시스템용 노즐에 있어서;
상기 분사공은 슬릿(slit) 형태로 되어 있고, 상기 초음파센서에는 복수 개의 진동자가 상기 분사공의 연장방향과 동일한 방향을 따라 직선적으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 물분사 방식의 위상배열 초음파검사시스템용 노즐장치에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 초음파센서의 주사범위는 15 ~ 100mm일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 축압공간과 층류유도구 사이에는 물통과홈(41)이 타공되어 있는 완충판(40)이 고정 설치될 수 있다.
상기 완충판(40)에는 상기 유입구와 어긋나는 방향으로 설치되어 유입되는 물줄기의 속도를 낮출 수 있다.
본 발명에 따르면, 공급되는 물이 층류유도구의 분배유도홀을 통과하는 과정에서 난류적 요소가 사라져 층류화되고, 이렇게 층류화된 물이 노즐의 분사공을 통해 분출되므로 검사체에 분사되는 물의 흐름이 일정하게 유지되게 하는 물분사 방식의 초음파검사시스템용 노즐이 제공된다. 이에 의하면 와류 내지 그에 의해 생성되는 기포에 의해 영향을 적게 받음으로써 초음파의 전달효율을 높일 수 있는 물분사 방식의 초음파검사시스템이 제공된다. 또한 초음파센서의 주사범위가 기존의 점(dot) 형태에서 길이가 15 ~ 100mm인 직선(line) 형태가 됨으로써 검사 속도를 극적으로 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 물분사 방식의 초음파검사시스템용 노즐장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 물분사 방식의 초음파검사시스템용 노즐장치의 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A 선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 물분사 방식의 초음파검사시스템용 노즐장치의 절개사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 물분사 방식의 초음파검사시스템용 노즐의 층류유도구의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 물분사 방식의 초음파검사시스템의 사용상태의 측부 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 물분사 방식의 초음파검사시스템의 사용상태의 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다. 도 1 내지 도 5를 기본적으로 참조하되 나머지 도면은 필요한 곳에서 인용하기로 한다.
이하의 설명 중에 선단이라 함은 물의 흐름 방향에 대하여 상류측을, 후단이라 함은 물의 흐름 방향에 대하여 하류측을 지시하는 것으로 약속한다.
본 발명에 의한 물분사 방식의 초음파검사시스템용 노즐(1. 이하에서는 단지 '노즐'이라 한다)은 도 6에 도시된 바와 같이 로봇(100)의 아암 선단(101)에 고정 설치된다. 전술한 바와 같이 물(W)을 검사체(P)의 표면에 수직으로 분사하기 위한 노즐(1)은 검사체(P)의 전방에 인접되게 설치된다.
이들 노즐(1)은 검사를 진행하는 동안 로봇(100)에 의해 도 7에서 화살표(K)로 표시된 정해진 루트를 따라 움직이게 된다. 노즐(1)에는 초음파(U)를 주사하기 위한 초음파센서(60)가 설치된다.
초음파센서(60)는 수신부과 송신부가 동시에 설치되어 있다. 초음파센서(60)의 송출창(61)으로부터 초음파(U)가 송출되는 동시에 수신된다.
본 발명에 의하면 초음파센서(60)은 복수 개의 진동자(62)로 구성되어 있으되, 복수 개의 진동자(62)가 도 5에 도시된 것처럼 직선형으로 배열되어 있다. 이러한 방식의 초음파검사시스템을 위상배열 초음파검사시스템(PAUT, Phased Array Ultrasonic Testing System)이라 한다. 진동자의 개수는 예를 들어 30 ~40개가 될 수 있다. 진동자(62)는 직선형으로 배열되지만 1열 또는 2열로 배열될 수도 있다.
그 결과 본 발명의 노즐장치의 초음파 주사범위(M, 또는 폭)가 15 ~ 100mm가 될 수 있다. 이러한 특성에 의하여 노즐장치(1)가 한번 기동할 때마다 넓은 폭으로 검사가 진행되어 작업속도가 크게 증가될 수 있는 것이다.
외부에서 공급되는 물(W)은 도 6에 도시된 바와 같이 노즐장치(1)를 통하여 그의 전방에 설치되는 검사체(P)의 표면에 분사된다.
노즐장치(1)는 노즐케이싱(10), 노즐헤드(20), 초음파센서(60) 및 층류유도구(30)를 포함한다.
노즐케이싱(10)은 초음파센서(60)와 층류유도구(30)를 설치하는 동시에 외부에서 공급되는 물이 저장되는 축압공간(15)을 제공한다. 노즐케이싱(10)은 원통형 본체(12)와, 로봇(100)에 고정시키기 위하여 일측에 설치되는 플랜지(13)를 포함한다. 물(W)이 유입되는 유입구(11)가 본체(12)의 후방에 측방향으로 마련된다.
노즐헤드(20)는 노즐케이싱(10)의 출구측(14)에 결합된다. 이들의 결합방식은 나사식이 무난하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 노즐헤드(20)는 축압공간(15) 내의 물이 분출되는 게이트인 분사공(21)을 제공한다. 분사공(21)은 슬릿(slit) 형태로 되어 있다. 노즐케이싱(10) 내부의 원통형 공간과 분사공(21) 사이의 공간이 점진적으로 작아지도록 노즐헤드(20)의 내벽(22)은 깔때기 형태로 되어 있다. 노즐헤드(20)는 커플링(50)에 의해 노즐케이싱(10)의 출구측에 결합 고정된다.
노즐케이싱(10)의 내부에는 층류유도구(30)가 설치되어 있다. 층류유도구(30)는 노즐케이싱(10)의 내부 구간 중 그의 일부 구간에 설치된다. 층류유도구(30)는 노즐케이싱(10) 내부에 고정될 수 있다. 필요에 따라 수밀유지를 위한 패킹 등이 설치될 수 있다.
층류유도구(30)는 와류(Turbulent Flow) 상태로 유입되는 물(W)이 층류(Laminar Flow 또는 Constant Flow)로 변환되도록 유도하는 것이다. 층류유도구(30)는 길이방향을 따라 복수 개의 분배유도홀(31)을 제공한다. 분배유도홀(31)은 고르게 분포되어 있다. 층류유도구(30)의 높이(H)는 상황에 따라 조금씩 다르겠지만 5 ~ 30mm가 될 수 있다.
층류유도구(30)의 중심부에는 분사공(21) 내지 피검사체(P)를 향한 방향으로 초음파센서(60)가 끼워지는 센서안착홈(32)이 마련되어 있다.
유입구(11)를 통해 노즐케이싱(10)에 유입되는 물(W)은 전량 분배유도홀(31)을 통과하도록 구성되어 있다. 즉 유입되는 물(W)은 각각의 분배유도홀(31)로 균등 배분된다. 물(W)의 흐름은 분배유도홀(31)을 통과하는 과정에서 층류화된다.
본 발명의 실시예에 의하면 축압공간(15)과 층류유도구(30) 사이에는 완충판(40)이 고정 설치된다. 완충판(40)에는 대칭 형태로 물통과홈(41)이 타공되어 있다. 이 물통과홈(41)은 유(U)자 형태로 되어 있으며, 이를 통해 물이 통과된다. 물통과홈(41)은 유입구(11)와 어긋나는 방향으로 설치된다. 유입구(11)로 유입되는 물줄기의 속도를 낮추기 위한 것이다. 층류유도구(30)로 유입되기 전에 1차적으로 물의 속도를 줄이기 위하여 완충판(40)이 설치된다.
완충판(40)과 층류유도구(30) 사이에는 스토퍼(42)가 개입되어 있다. 스토퍼(42)는 층류유도구(30)와 완충판(40) 사이의 상대적 위치관계를 일정하게 유지시키기 위한 것이다.
위와 같은 구성에 의하면 초음파의 주사범위(M)가 기존에는 직경 3mm 정도의 점 형태로 되어 있었지만, 본 발명에 의하면 폭이 15 ~ 100mm까지 확대되게 되므로 검사속도를 크게 증대시킬 수 있는 토대가 제공된다.
노즐장치(1)는 도 7에 도시된 바와 같이 로봇(100)에 의해 지그재그 형태로 피검사체의 전방에서 화살표(K) 방향을 따라 기동한다. 수직방향(M')으로 위치 이동하는 과정에서 노즐장치(1)는 화살표(R) 방향을 따라 90°의 각도로 회전하면서 이동할 수 있다.
위에 도시 및 설명된 구성은 본 발명의 기술적 사상에 근거한 바람직한 실시예에 지나지 아니한다. 위에 언급된 수치는 하나의 예시일 뿐이며 본 발명의 권리범위를 제한하는 용도로 사용되어서는 아니 된다.
당업자는 통상의 기술적 상식을 바탕으로 다양한 변경실시를 할 수 있을 것이지만 이는 본 발명의 보호범위에 포함될 수 있음을 주지해야 할 것이다. 위에 개시된 실시예는 다양한 조합이 가능할 것이며, 가능한 모든 조합은 본 발명의 권리범위 내에 있는 것이 된다.
1 : 노즐장치 10 : 노즐케이싱
11 : (노즐케이싱)본체 12 : 유입구
13 : 플랜지 15 : 축압공간
20 : 노즐헤드 21 : 분사공
30 : 층류유도구 31 : 분배유도홀
32 : 센서안착홈 40 : 완충판
41 : 물통과홈 50 : 커플링
100 : 로봇
M : 주사 범위 P : 피검사체
W : 물 U : 초음파

Claims (4)

  1. 로봇(100)의 아암 선단에 고정되는 것으로서 초음파센서(60)를 설치하는 동시에 외부에서 공급되는 물이 저장되는 축압공간(15)을 제공하는 노즐케이싱(10),
    상기 노즐케이싱(10)의 선단에 결합되는 것으로서 축압공간(15) 내의 물이 분출되는 게이트인 분사공(21)을 제공하는 노즐헤드(20),
    상기 노즐케이싱(10)의 축압공간(15)에 설치되는 것으로서 원주방향을 따라 물이 통과되는 복수 개의 분배유도홀(31)이 일정한 간격으로 타공되어 형성된 원통 형태의 층류유도구(30),를 포함하되;
    상기 분사공(21)은 슬릿(slit) 형태로 되어 있고, 상기 초음파센서(60)에는 복수 개의 진동자(62)가 상기 분사공(21)의 연장방향과 동일한 방향을 따라 직선적으로 배열되어 있으며, 상기 축압공간(15)과 층류유도구(30) 사이에는 물통과홈(41)이 타공되어 있는 완충판(40)이 고정 설치되어 구성된 물분사 방식의 초음파검사시스템용 노즐에 있어서;
    상기 층류유도구(30)의 중심부에 상기 초음파센서(60)가 끼워져 고정되도록 하는 센서안착홈(32)이 상기 분사공(21)을 향한 방향으로 개구되도록 마련되어 구성된 것을 특징으로 하는 물분사 방식의 위상배열 초음파검사시스템용 노즐장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파센서(60)의 주사범위는 15 ~ 100mm인 것을 특징으로 하는 물분사 방식의 위상배열 초음파검사시스템용 노즐장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐케이싱(10) 내부의 원통형 공간과 상기 분사공(21) 사이의 공간이 점진적으로 작아지도록 상기 노즐헤드(20)의 내벽(22)은 깔때기 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 물분사 방식의 위상배열 초음파검사시스템용 노즐장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동자(62)의 개수는 30 ~ 40개인 것을 특징으로 하는 물분사 방식의 위상배열 초음파검사시스템용 노즐장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008541112A (ja) * 2005-05-18 2008-11-20 ジーイー インスペクション テクノロジーズ ゲーエムベーハー 超音波プローブ装置
KR102011778B1 (ko) 2018-12-21 2019-08-19 케이티이 주식회사 압력용기 노즐 부위에 대한 위상 배열 초음파 검사용 탐촉자 밀착 장치
KR20200100650A (ko) 2017-12-04 2020-08-26 닛폰세이테츠 가부시키가이샤 표면 추종 노즐, 이동 물체 표면의 관찰 장치 및 이동 물체 표면의 관찰 방법
KR102319851B1 (ko) 2021-05-24 2021-10-29 임재생 물분사 방식의 초음파검사장치용 노즐

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