KR20020011662A - Method of Detecting Internal Cracks of Steel Products using Laser-Ultrasonic - Google Patents

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KR20020011662A
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Abstract

PURPOSE: A method for measuring faulty of metal by using laser inducing ultrasonic waves is provided to improve quality of a product by reducing faulty through exactly detecting the faulty of the metal and to reduce a producing cost. CONSTITUTION: A laser is injected to a test sample of metal and then is reflected to a mirror slantingly mounted in the middle of the test sample. Then the test sample is crashed to the laser to generate ablation effect melting the metal by crashing the laser. Then, ultrasonic waves are generated in the test sample by repulsive force of the ablation effect. An ultrasonic transducer is installed on a rear portion of the test sample without contacting to the test sample with a specific interval. Am amplifier amplifies the ultrasonic detected from the ultrasonic transducer to exactly analyze the ultrasonic wave. The amplified ultrasonic is transferred to an oscilloscope to output corrugation. A low laser generates the ultrasonic by thermo elastic effect. A high laser generates strong ultrasonic on a surface of material by the ablation effect.

Description

레이저 유도 초음파를 이용하여 금속재의 내부 결함을 측정하는 방법{Method of Detecting Internal Cracks of Steel Products using Laser-Ultrasonic}Method of Detecting Internal Cracks of Steel Products using Laser-Ultrasonic}

본 발명은 레이저 유도 초음파를 이용하여 금속재(金屬材)의 내부 결함을 측정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring an internal defect of a metal material using laser guided ultrasonic waves.

금속재는 일반적으로 고온의 열처리과정을 통하여 생산된 후에 각종의 가공과정을 거쳐서 최종제품으로 된다. 그런데, 금속재의 내부에 결함(예컨대 기포, 이물질 등)이 존재할 경우에는 이를 최종 제품으로 가공할 수 없을 뿐만 아니라 설령 가공이 되었다고 할지라도 그 제품의 물성이 크게 저하된다. 따라서, 일차적으로 생산된 금속재의 내부 결함을 측정하는 것은 매우 중요한 의미를 갖지만, 지금까지 금속재를 생산하는 현장에서는 그 생산공정에서의 고온때문에 금속재 내부의 결함을 측정하는 것이 가능하지 않았고, 따라서 금속재의 완제품을 냉각시킨 후에 결함의 측정을 행할 수밖에 없었다.Metal materials are generally produced through high temperature heat treatment and then processed into various final products. However, when a defect (for example, bubbles, foreign matters, etc.) exist inside the metal material, not only can it be processed into the final product, but even if the processing is performed, the physical properties of the product are greatly reduced. Therefore, it is very important to measure the internal defects of the firstly produced metal material, but until now, in the field of producing the metal material, it was not possible to measure the internal defects of the metal material due to the high temperature in the production process. After cooling the finished product, measurement of defects was inevitably performed.

이러한 측정을 거쳐서 내부에 결함이 있는 것으로 판명된 불량품은 파괴 및 재용융 공정을 거쳐서 처음 공정으로 되돌아가게 되지만, 금속재가 연속적으로 생산되는 공정의 도중에 내부 결함을 용이하게 측정해낼 수 있다면 이와 같은 불량품을 현장에서 즉시 제거함으로써 금속재의 불량률을 감소시킴과 동시에 제조원가를 절감할 수 있을 것이다.Defects that are found to be defective internally through these measurements are returned to the initial process through the destruction and remelting process.However, if the internal defects can be easily measured during the continuous production process of the metal material, such defects can be detected. Immediate removal on site will reduce metal scrap and reduce manufacturing costs.

본 발명은 이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 연속적인 공정으로 생산되는 금속재에 존재하는 결함을 공정 현장에서 비파괴적으로 즉시 검출하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a method for non-destructively and immediately detecting defects present in a metal material produced in a continuous process.

본 발명에 의하면, 피측정 금속재에 레이저를 투사하여 금속재의 내부에 초음파를 발생시키고, 금속재가 레이저와 부딪히는 면과 반대쪽 면에서 일정 거리를 두고 비접촉 초음파 탐촉자를 설치하고, 금속재를 통과한 초음파를 상술한 비접촉 초음파 탐촉자에 의해 수신하고, 상기 비접촉 초음파 탐촉자에 의해 수신된 상기 초음파를 분석하는 것으로 구성되는, 레이저 유도 초음파를 이용하여 금속재의 내부 결함을 측정하는 방법이 제공된다.According to the present invention, a laser is projected on a metal to be measured to generate ultrasonic waves inside the metal material, a non-contact ultrasonic probe is installed at a distance from the surface on which the metal material collides with the laser, and the ultrasonic wave passing through the metal material is described in detail. A method is provided for measuring internal defects in a metal material using laser guided ultrasound, which consists of receiving by one non-contact ultrasonic transducer and analyzing the ultrasonic wave received by the non-contact ultrasonic transducer.

이때, 비접촉 초음파 탐촉자에 의해 수신된 초음파를 분석하는 단계는, 비접촉 초음파 탐촉자에 의해 수신된 초음파를 증폭기에 의해 증폭시키고. 증폭된 초음파를 오실로스코프에 전송하여 파형을 출력하고, 오실로스코프에 의해 출력된 초음파의 파형을 컴퓨터에 전송함으로써 초음파의 특성을 컴퓨터에 의해 평가하는 것으로 구성된다.In this case, analyzing the ultrasonic waves received by the non-contact ultrasonic transducer, amplify the ultrasonic waves received by the non-contact ultrasonic transducer by an amplifier. The amplified ultrasonic waves are transmitted to the oscilloscope to output a waveform, and the waveforms of the ultrasonic waves output by the oscilloscope are transmitted to a computer to evaluate the characteristics of the ultrasonic waves by a computer.

본 발명에서 사용되는 비접촉 초음파 탐촉자는, 음향 마이크로폰(acoustic microphone), 에어 탐촉자(air transducer), 또는 전자기 음향 탐촉자 (electromagnetic acoustic transducer) 중의 어느 하나일 수 있다.The non-contact ultrasonic transducer used in the present invention may be any one of an acoustic microphone, an air transducer, or an electromagnetic acoustic transducer.

도 1은 본 발명의 방법을 이용하여 금속재 내부의 결함을 측정하기 위한 시스템을 개략적으로 나타내는 블럭 다이어그램.1 is a block diagram schematically illustrating a system for measuring defects inside a metal material using the method of the present invention.

도 2a는 본 발명의 실시예 2에서 광대역 초음파 탐촉자에 의해서 시간영역으로 측정된 레이저-초음파 신호의 파형을 도시한 그래프도.Figure 2a is a graph showing the waveform of the laser-ultrasonic signal measured in the time domain by the broadband ultrasonic transducer in Example 2 of the present invention.

도 2b는 도 2a에서 측정된 레이저-초음파 신호의 파형에 대한 주파수 스펙트럼.FIG. 2B is a frequency spectrum of the waveform of the laser-ultrasonic signal measured in FIG. 2A. FIG.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예 2에서 각각 0.5 MHz, 1.0 MHz, 2.25 MHz, 5 MHz의 공진주파수를 갖는 접촉식 종파용 초음파 탐촉자에 의해 수신된 신호들을 나타내는 그래프도.3A to 3D are graphs showing signals received by a contact longitudinal ultrasonic transducer having resonant frequencies of 0.5 MHz, 1.0 MHz, 2.25 MHz, and 5 MHz, respectively, in Embodiment 2 of the present invention.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예 4에서 초음파 탐촉자로서 에어 탐촉자를 사용하여 실험을 행하였을 때에 수신된 초음파의 주파수 특성을 도시한 그래프도.4A to 4D are graphs showing frequency characteristics of ultrasonic waves received when an experiment is performed using an air probe as an ultrasonic probe in Example 4 of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예 6에서 초점 렌즈(focusing lens)를 사용하여 시험편의 표면에 레이저를 104번 주사시킨 결과의 평균과 200번 주사시킨 결과의 평균을 도시한 그래프도.FIG. 5 is a graph showing an average of results obtained by scanning a laser 104 times on a surface of a test piece and an average of 200 times by using a focusing lens in Example 6 of the present invention. FIG.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예 7에서 전자기 음향 탐촉자를 시험편의 양쪽에 두고 송수신한 횡파를 도시한 그래프도.6A to 6C are graphs showing transverse waves transmitted and received with electromagnetic transducers on both sides of a test specimen in Example 7 of the present invention;

도 7은 송수신된 신호의 속도 측정 및 결함으로 반사된 신호의 분석을 위하여 도 6c의 신호를 확대한 결과를 도시한 그래프도이다.FIG. 7 is a graph illustrating an enlarged result of the signal of FIG. 6C for measuring the speed of a transmitted / received signal and analyzing a signal reflected by a defect.

이하, 본 발명의 구성을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration of the present invention in more detail as follows.

도 1은 본 발명의 전체 시스템을 개략적으로 도시한 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 금속재의 시험편에 레이저를 투사하면, 레이저는 레이저와 시험편의 중간에 경사지게 위치한 거울에 반사되어 금속재 시험편의 한쪽 면(도시된 예에 있어서는 저면)에 투사되며, 레이저와 부딪히는 시험편 부분에는 어블레이션 (ablation, 즉 레이저와 부딪히는 부분의 금속표면이 녹으며 증발되는 것) 현상이 발생한다. 이때 어블레이션 현상의 반발력에 의해서 시험편의 내부에는 초음파가 발생된다.1 is a schematic view of the entire system of the present invention. When the laser is projected onto a metal specimen as shown in FIG. 1, the laser is reflected on a mirror positioned obliquely between the laser and the specimen, so that one side of the metallic specimen (Bottom in the example shown), the ablation (ie, melting and evaporation of the metal surface of the part hitting the laser) occurs on the part of the test piece which hits the laser. At this time, ultrasonic waves are generated inside the test piece due to the repulsive force of the ablation phenomenon.

레이저와 부딪히는 시험편 면의 반대쪽 면에서 일정 거리를 두고 초음파 탐촉자를 시험편과 비접촉으로 설치하면, 시험편의 내부에서 발생한 초음파가 시험편을 통과하여 초음파 탐촉자에 의해서 수신된다.If the ultrasonic transducer is placed in contact with the test specimen at a distance from the opposite side of the test specimen face to the laser, the ultrasonic wave generated inside the test specimen passes through the test specimen and is received by the ultrasonic probe.

이와 같이 수신된 초음파는 매우 약하기 때문에 이를 더욱 확실하게 분석하기 위하여 초음파 탐촉자에 수신된 미약한 초음파를 증폭기에 전달하여 초음파를 증폭시키고, 증폭된 초음파를 오실로스코프에 전송하여 파형을 출력한다. 그리고, 오실로스코프에 의해 출력된 초음파의 독특한 파형을 컴퓨터에 전송함으로써 그 초음파의 특성을 평가하여 금속재의 내부에 결함이 있는가를 측정하게 되는 것이다.Since the received ultrasonic waves are very weak, in order to analyze them more reliably, the weak ultrasonic waves received by the ultrasonic transducer are delivered to the amplifier to amplify the ultrasonic waves, and the amplified ultrasonic waves are transmitted to the oscilloscope to output the waveform. Then, by transmitting the unique waveform of the ultrasonic wave output by the oscilloscope to the computer, the characteristic of the ultrasonic wave is evaluated to determine whether there is a defect inside the metal material.

본 발명에서 시험편의 표면에 초음파를 발생시키기 위해서는 고출력 레이저 펄스를 이용하게 된다. 일반적으로 강한 레이저 펄스를 물질의 표면에 조사(照射)하면 대략 두 가지 메커니즘에 의해 물질 표면에서 초음파가 발생하게 된다. 낮은레이저 출력에서는 열탄성 효과(thermoelastic effect)에 의해 초음파가 발생하게 되며, 높은 레이저 출력에서는 어블레이션 효과(ablation effect)에 의해 물질표면에 강한 초음파가 발생한다.In the present invention, in order to generate ultrasonic waves on the surface of the test piece, a high power laser pulse is used. In general, when a strong laser pulse is irradiated onto the surface of the material, ultrasonic waves are generated on the surface of the material by approximately two mechanisms. At low laser power, ultrasonic waves are generated by the thermoelastic effect, and at high laser power, strong ultrasonic waves are generated on the material surface by the ablation effect.

레이저 비임이 고출력일 경우, 저출력의 경우와는 다르게 매질 표면의 일부가 용해되어 증발되는 현상이 일어나며, 레이저 유도 플라즈마(가시광선 영역의 파란 불꽃)도 발생된다.When the laser beam has a high power, unlike the low power, a part of the surface of the medium dissolves and evaporates, and a laser induced plasma (blue flame in the visible region) is generated.

이러한 레이저에 의한 어블레이션 영역에서는 모든 모드의 초음파가 발생되는데 그 중에서도 종파가 가장 크게 발생하는 것으로 알려져 있다. 이는 표면의 물질이 플라즈마 불꽃을 내면서 매질로부터 증발되어 날아갈 때 반발력이 매질 표면에 수직방향으로 가장 크게 작용하기 때문이다.Ultrasonic waves in all modes are generated in the ablation region by the laser. Among them, the longitudinal wave is known to be the largest. This is because the repulsive force acts most perpendicularly to the surface of the medium when the material on the surface evaporates and flows out of the medium while generating a plasma flame.

따라서 본 발명에서 레이저 유도 초음파를 이용하여 시험편 내부의 결함을 검출할 때에, 레이저에 의해 발생한 초음파가 진행하는 경로 상에 결함이 있는 경우에는 그 결함에 의해 초음파의 진행이 방해되어 처음의 진행속도보다 감쇠되므로 수신된 초음파의 크기로부터 결함 유무 여부를 판단할 수 있는 것이다. 그러므로 레이저에 의해 발생한 초음파의 진행 경로를 알고 있으면 수신 위치 및 검사 가능 영역을 결정할 수 있다.Therefore, when detecting a defect in the test piece by using the laser-guided ultrasonic wave in the present invention, when there is a defect in the path of the ultrasonic wave generated by the laser, the progress of the ultrasonic wave is interrupted by the defect, and the Since it is attenuated, it is possible to determine whether there is a defect from the size of the received ultrasonic wave. Therefore, if the path of the ultrasonic wave generated by the laser is known, it is possible to determine the reception position and the inspectable area.

고출력 레이저에 의해 어블레이션 영역에서 발생하는 초음파의 종파(Ur) 및 횡파(U θ)에 대한 원거리장(far-field) 전파 방향 특성(beam directivity)에 관한 유도식은 다음의 수학식 1과 수학식 2와 같이 된다.Induction equations for the far-field beam directivity of longitudinal waves Ur and transverse waves U θ generated in the ablation region by a high power laser are shown in Equations 1 and 1 below. It becomes like 2.

여기서는 매질의 열 확산 계수(diffusivity)를 나타낸다.here Represents the heat diffusivity of the medium.

이하, 본 발명의 방법을 이용하여 금속재의 생산현장에서 금속재 내부의 결함을 측정한 실시예에 관하여 기술하기로 한다.Hereinafter, an embodiment in which a defect in a metal material is measured at a production site of the metal material using the method of the present invention will be described.

<실시예 1><Example 1>

지름이 280mm인 반원형 강 블록을 시험편으로 사용하고, 도 1에 도시된 것과 같은 시스템을 이용하여, 레이저에 의해 발생하는 초음파의 전파 방향 특성을 측정하였다. 종파의 빔 방향 특성을 측정하기 위해서 초음파 탐촉자 부분에는 광대역 초음파 탐촉자 및 2.25 MHz 접촉식 압전형 초음파 탐촉자를 사용하였으며, 횡파의 빔 방향 특성을 측정하기 위하여는 2 MHz 접촉식 압전형 횡파용 초음파 탐촉자를 사용하였다. 그리고 상술한 각 탐촉자는 시험편의 중심축을 기준으로 하여 10°간격으로 일정하게 이동하면서 초음파의 전파 방향 특성을 측정하였다.A semicircular steel block having a diameter of 280 mm was used as a test piece, and the propagation direction characteristic of the ultrasonic wave generated by the laser was measured using a system such as that shown in FIG. A wideband ultrasonic transducer and a 2.25 MHz contact piezoelectric ultrasonic transducer were used to measure the beam direction characteristics of the longitudinal wave, and a 2 MHz contact piezoelectric ultrasonic wave transducer was used to measure the beam direction characteristic of the shear wave. Used. Each probe described above measured the propagation direction characteristics of the ultrasonic wave while constantly moving at intervals of 10 ° based on the central axis of the test piece.

이론적 계산에 의한 전파 방향 특성과 실제 측정한 전파 방향 특성을 비교하여 볼 때 대략적인 양상이 일치함을 알 수 있었다. 그러나, 주파수 특성이 다른 두 개의 탐촉자를 사용하여 측정한 종파의 경우, 전파 방향 특성이 다소 다른 양상을 보였다. 이 결과를 볼 때 초음파의 전파 방향 특성이 발생한 초음파의 주파수에 따라 영향을 받는 것으로 추측되었다.Comparing the propagation direction characteristics by theoretical calculations with the actual propagation direction characteristics, it was found that the approximate pattern is consistent. However, the longitudinal direction measured using two transducers with different frequency characteristics showed a slightly different propagation direction. From these results, it was assumed that the propagation direction characteristics of the ultrasonic wave were affected by the frequency of the generated ultrasonic wave.

어블레이션 영역에서 레이저에 의해 발생하는 종파 초음파는 발생원 (epicenter)에서 가장 큰 초음파 신호를 검출할 수 있으며, 이를 중심으로 어느 정도의 전파 폭을 갖는 것으로 볼 수 있다. 그러나 32mm 강 블록을 사용하여 실제 검사가 가능한 영역을 측정하여 본 결과, 수신 초음파 탐촉자가 발생원에서 벗어남에 따라 매우 심한 감쇠를 보였다.The longitudinal wave ultrasonic waves generated by the laser in the ablation region can detect the largest ultrasonic signal at the epicenter and can be considered to have a certain propagation width. However, using a 32mm steel block to measure the area that can be inspected, the results show that the receiving ultrasonic transducer is very attenuated as it leaves the source.

이는 레이저에 의해 발생한 초음파의 빔 방향 특성보다는 초음파 빔의 진행 방향과 수신 초음파 탐촉자의 수신 방향이 서로 달라서 이에 따른 영향이 크게 작용한 것으로 추측되었다. 그러므로 초음파 탐촉자와 같이 수신 방향이 중요한 초음파 감지 센서로 레이저 유도 초음파를 검출하는 경우, 발생원으로의 정렬이 매우 중요한 것임을 알게 되었다.It is assumed that the influence of the ultrasonic beam is different from that of the ultrasonic beam. Therefore, when detecting the laser-guided ultrasonic waves by the ultrasonic sensor, such as the ultrasonic probe, it is found that the alignment to the source is very important.

<실시예 2><Example 2>

도 1과 동일한 시스템을 사용하고, 시험편은 32mm의 두께로 제작된 것을 사용하여 실험을 행하였다. 레이저로 발생시킨 초음파를 수신하기 위한 초음파 탐촉자로는 광대역 초음파 탐촉자를 사용하였고, 접촉식 압전형 초음파 탐촉자를 또한 사용하여 펄스-에코(pulse-echo)로 받은 신호와 레이저로 초음파를 발생시키고 접촉식 압전형 초음파 탐촉자를 수신용으로 사용하여 받은 신호를 비교하였다.Using the same system as FIG. 1, the test piece was experimented using what was produced by the thickness of 32 mm. A wideband ultrasonic transducer was used as an ultrasonic transducer for receiving ultrasonic waves generated by a laser, and a contact piezoelectric ultrasonic transducer was also used to generate ultrasonic waves with a signal received by a pulse-echo and a laser, The signals received using piezoelectric ultrasonic transducers for reception were compared.

레이저는 6ns의 펄스 폭을 갖는 레이저 장치를 이용하였으며, 초음파 발생은 650 mJ의 레이저 펄스 단사(single shot)로 이루어졌다.The laser used a laser device having a pulse width of 6 ns, and the ultrasonic generation was made with a laser pulse single shot of 650 mJ.

도 2a는 본 실시예에 있어서 광대역 초음파 탐촉자에 의해 시간영역으로 측정된 레이저-초음파 신호의 파형을 도시한 것이고, 도 2b는 도 2a를 토대로 주파수스펙트럼을 행한 결과이다. 이 결과로부터 전술한 시스템으로부터 발생한 초음파의 최대 주파수 성분이 0.78 MHz임을 알 수 있다.FIG. 2A shows the waveform of the laser-ultrasound signal measured in the time domain by the broadband ultrasonic transducer in this embodiment, and FIG. 2B shows the results of frequency spectrum based on FIG. 2A. From this result, it can be seen that the maximum frequency component of the ultrasonic waves generated from the system described above is 0.78 MHz.

다음으로는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 접촉식 종파용 초음파 탐촉자들을 사용하여 주파수 특성을 조사하였다. 이를 위하여 일반 초음파 탐상기의 펄스-에코 방법으로 수신한 초음파 신호와 본 발명의 레이저-초음파 방법으로 수신한 초음파 신호를 비교하였다.Next, frequency characteristics were investigated using contact longitudinal ultrasonic transducers with different resonant frequencies. To this end, the ultrasonic signals received by the pulse-echo method of the general ultrasonic flaw detector and the ultrasonic signals received by the laser-ultrasound method of the present invention were compared.

도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d에는 각각 0.5 MHz, 1.0 MHz, 2.25 MHz, 5 MHz의 공진 주파수를 갖는 접촉식 종파용 초음파 탐촉자에 의해 수신된 신호가 도시되어 있으며, 각 도면의 윗쪽에 도시된 주파수 그래프는 본 발명의 레이저-초음파 방법으로 수신한 초음파 신호이고, 아랫쪽에 도시된 주파수 그래프는 종래의 펄스-에코 방법으로 수신한 초음파 신호이다.3A, 3B, 3C, and 3D show signals received by a contact longitudinal ultrasonic transducer with resonant frequencies of 0.5 MHz, 1.0 MHz, 2.25 MHz, and 5 MHz, respectively, and at the top of each figure. The frequency graph shown is an ultrasonic signal received by the laser-ultrasound method of the present invention, and the frequency graph shown below is an ultrasonic signal received by the conventional pulse-echo method.

상술한 실험에 의하면 각 주파수의 초음파 탐촉자에 대한 감도가 서로 상이하기 때문에 이들 측정값을 상호 비교하는 것은 의미가 없다. 그러나 각 주파수에서의 두 신호에 대한 비교는 공히 같은 탐촉자를 수신 탐촉자로 하고 발생원만 틀리므로 의미를 가질 수 있다.According to the experiments described above, since the sensitivity of the ultrasonic transducers at each frequency is different from each other, it is not meaningful to compare these measured values with each other. However, the comparison of two signals at each frequency can be meaningful because the same transducer is the receiving transducer and only the source is different.

각 주파수에서의 신호를 비교할 때, 1 MHz 초음파 탐촉자의 경우에 있어서만, 일반 초음파 탐상기의 펄스-에코 방법으로 수신한 신호보다 레이저를 발생원으로 하였을 때에 수신한 신호가 크게 나타났다. 이 결과는 광대역 초음파 탐촉자를 사용하여 측정한 최대 주파수 성분 0.78 MHz의 신빙성을 뒷받침한다.When comparing signals at each frequency, only the case of the 1 MHz ultrasonic probe showed a larger signal when the laser was used as the source than the signal received by the pulse-echo method of the general ultrasonic flaw detector. This result supports the reliability of the maximum frequency component 0.78 MHz, measured using a broadband ultrasonic transducer.

<실시예 3><Example 3>

레이저를 초음파 발생원으로 하고, 음향 마이크로폰(Acoustic Microphone)을 수신 탐촉자로 사용하였으며, 32mm 강 블록을 시험편으로 하여 실험을 행하였다.A laser was used as an ultrasonic generator, an acoustic microphone was used as a receiving probe, and an experiment was performed using a 32 mm steel block as a test piece.

약 100번 이상 조사한 후 결과를 평균하였더니, 에어 갭(air gap, 즉 시험편과 음향마이크로폰 사이의 거리)이 20mm일 경우에도 시험편을 통과하여 발생한 신호를 잡을 수 있었다. 이 신호는 초음파가 시험편을 진행하는데 걸리는 시간, 그리고 초음파가 시험편으로부터 음향 마이크로폰까지의 공기층을 진행한 시간이 지난 후에 형성되었다. 따라서 첫 번째 신호의 주위에 시간 게이트(time gate)를 잡아 그 신호의 세기를 측정함으로써 시험편 내부의 이상 상태를 파악할 수 있었다. 그러나, 이 방법에 의하면 파이프와 같은 큰 결함이 존재할 경우에는 그 결함을 측정하는 것이 가능하지만, 수 mm 크기의 결함이 존재할 경우에는 사용할 수 없는 것으로 판단되었다.When the results were averaged more than about 100 times, even when the air gap (ie, the distance between the specimen and the acoustic microphone) was 20 mm, the signal generated through the specimen could be captured. This signal was formed after the time it took for the ultrasonic wave to progress through the specimen and after the ultrasonic wave had traveled through the air layer from the specimen to the acoustic microphone. Therefore, by holding a time gate around the first signal and measuring the strength of the signal, it was possible to identify an abnormal state inside the specimen. However, according to this method, when a large defect such as a pipe exists, it is possible to measure the defect, but it was judged that it cannot be used when a defect of a few mm size exists.

<실시예 4><Example 4>

도 1과 동일한 시스템을 이용하고, 에어 탐촉자(air transducer, 비접촉 초음파 탐촉자의 일종)를 초음파 탐촉자로 사용하였다.Using the same system as in Figure 1, an air transducer (a kind of non-contact ultrasonic transducer) was used as the ultrasonic transducer.

공기중에서의 초음파 전파는 감쇠가 매우 심하므로 일반적으로 초음파 탐촉자는 공기층 없이 대상 시험편에 물리적으로 부착되어야 한다. 이로 인하여 산업현장에 초음파를 적용하는데는 많은 제약이 있었다. 따라서 비접촉 초음파 시험 방법의 개발은 산업현장 적용에 많은 유리한 점이 있다. 예를 들면 경화(硬化, curing)가 되지 않은 플라스틱, 그린 세라믹(green ceramic), 또는 분말야금제품등의 초기 제조상태인 다공성(多孔性, porous) 물질을 평가하거나 플라스틱, 고무, 종이 등과 같이 연속적으로 압연되는 물질을 평가하는데 있어서는 비접촉 초음파 시험 방법이 매우 유용하다.Ultrasonic propagation in air is very attenuated and, in general, ultrasonic transducers should be physically attached to the specimen without air layers. Because of this, there are many limitations in applying ultrasonic waves to industrial sites. Therefore, the development of non-contact ultrasonic test method has many advantages for industrial applications. For example, it is possible to evaluate porous materials in the initial manufacturing state of uncured plastics, green ceramics, or powder metallurgy products, or continuously, such as plastics, rubber, and paper. The non-contact ultrasonic test method is very useful for evaluating the material to be rolled with a.

이 실시예에서는 레이저를 초음파 발생원으로 하고, 에어 탐촉자 (-6dB 에서의 주파수대역 0.7 MHz, 중앙 주파수 1.8 MHz, 활동영역 12.5mm)를 초음파 탐촉자로 하여 실시예 2에서 사용된 시험편을 시험체로 하여 실험하였으며, 그 결과는 도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d에 도시되어 있다.In this example, the laser was used as the ultrasonic generator, and the air probe (0.7 MHz at -6 dB, center frequency 1.8 MHz, active area 12.5 mm) was used as the ultrasonic probe. The results are shown in Figures 4a, 4b, 4c, 4d.

각 도면의 윗쪽 도면은 레이저를 한번 조사시켰을 때의 결과이고, 아랫쪽 도면은 레이저를 약 20번 조사시킨 후에 평균하여 얻은 결과이다. 에어 갭이 약 4cm 정도일 때에 레이저를 한번 조사시켰을 경우 시험편 뒷면에서 한번 반사되어 오는 신호를 관측할 수 있었으며, 20번 조사시킨 것을 평균한 경우 시험편 뒷면에서 4번 반복하여 돌아오는 신호를 별 어려움 없이 관측할 수 있었다.The upper figure of each figure is the result when a laser was irradiated once, and the lower figure is the result obtained averaged after irradiating a laser about 20 times. When the laser was irradiated once when the air gap was about 4cm, the signal reflected from the back of the specimen could be observed.If the average of 20 irradiations was averaged, the signal returned from the back of the specimen four times was observed without any difficulty. Could.

<실시예 5>Example 5

내부 결함(지름 1mm 정도의 드릴 홈)을 포함하고 있는 인공 시험편(16cm ×16cm×50cm)을 제작하여 사용하였다.An artificial test piece (16 cm x 16 cm x 50 cm) containing an internal defect (a drill groove having a diameter of about 1 mm) was produced and used.

레이저로 초음파를 발생시키고, 그 발생된 초음파가 인공 균열을 가진 시험편을 통과하면, 초음파 탐촉자인 에어 탐촉자로 수신하여 비접촉에 의한 결함 탐지 가능 여부를 조사하였다.When the ultrasonic wave was generated by the laser and the generated ultrasonic wave passed through the test piece having artificial cracks, the ultrasonic wave was received by the air probe, which is an ultrasonic probe, to investigate whether or not defects could be detected by non-contact.

이를 위하여 먼저 시험편에 대한 일반 초음파 탐상을 수행하였으며, 접촉식 초음파 탐촉자로 수신한 위치와 비접촉 초음파 탐촉자로 수신한 내부 결함(드릴홈)의 위치가 유사하게 나타났다.For this purpose, general ultrasonic flaw detection was first performed on the specimen, and the position received by the contact ultrasonic probe and the position of the internal defect (drill groove) received by the non-contact ultrasonic probe were similar.

또한, 1mm의 드릴 홈을 갖는 15cm의 시험편에 대하여 레이저로 초음파를 발생시키고, 에어 탐촉자를 초음파 탐촉자로 사용하여 탐상하였다. 에어 갭을 늘려가면서 측정한 결과, 에어 갭이 약 26mm인 상태에서도 저면 반사파의 신호(back wall echo) 및 1mm 지름을 가진 드릴 홈을 탐지할 수 있었다.In addition, ultrasonic waves were generated by a laser on a test piece of 15 cm having a drill groove of 1 mm, and the air probe was inspected using an ultrasonic probe. As the air gap was measured, it was possible to detect a back wall echo and a drill groove having a diameter of 1 mm even when the air gap was about 26 mm.

<실시예 6><Example 6>

레이저를 이용한 초음파 발생의 가장 큰 장점은 금속재에 접촉 없이, 또 접촉매질 없이 초음파를 발생시킬 수 있다는 점이다. 그러나 불가피하게 어떤 형태로든 금속재의 표면이 구속을 받은 상태에서 레이저를 조사할 경우가 있다. 따라서, 이와 같은 경우에 있어서 레이저에 의한 초음파 발생에 관하여 검토해 볼 필요가 있다.The biggest advantage of the ultrasonic generation using a laser is that the ultrasonic wave can be generated without contact with a metal material and without a contact medium. Inevitably, however, there is a case where the laser is irradiated with the metal surface constrained in some form. Therefore, in such a case, it is necessary to consider the ultrasonic generation by a laser.

표면이 변화되었거나 페인트, 오일 등으로 덮혀있을 때의 효과는 매우 복잡하다. 즉 광학적 흡수, 초음파 에너지로의 변환, 초음파 전파가 모두 표면 변화에 의하여 영향을 받는다. 이 실시예에 있어서는 페인트, 녹 또는 표면 거칠기 등과 같은 얇은 고체층으로 표면이 코팅되었을 경우와 투명한 액체 층으로 표면이 덮어 씌어졌을 경우를 살펴보기로 하였다.The effect when the surface is changed or covered with paint, oil, etc. is very complicated. That is, optical absorption, conversion to ultrasonic energy, and ultrasonic propagation are all affected by surface changes. In this example, the case where the surface is coated with a thin solid layer such as paint, rust or surface roughness, and the case where the surface is covered with a transparent liquid layer will be described.

페인트나 녹과 같은 표면층은 표면에서의 반사율을 변화시킨다. 최대의 반사(최소의 흡수)는 광택이 나는 표면 상태일 경우이다. 페인트나 녹은 홉수 에너지를 증가시킨다. 따라서 낮은 출력(power)에서도 국부온도가 올라가며 이에 따라 열탄성 응력도 증가하고 초음파 강도가 커진다. 표면 거칠기 증가도 비슷한 효과를 가져온다. 검은 페인트로 코팅하면 흡수율이 거의 100%나 증가한다. 이와 같이 흡수율 변화로써 강도를 증가시킬 뿐만 아니라 강도 및 발생 원리를 변화시키는 메커니즘이 있다.Surface layers, such as paint and rust, change the reflectance on the surface. Maximum reflection (minimum absorption) is when the surface is polished. Increase paint or melt hop energy. Therefore, even at low power, the local temperature rises, thereby increasing thermoelastic stress and increasing ultrasonic intensity. Increasing surface roughness has a similar effect. Coating with black paint increases the absorption by almost 100%. As such, there is a mechanism that not only increases the strength by changing the absorption, but also changes the strength and the principle of generation.

예를 들어 검은 페인트로 코팅되었을 때에는 높은 흡수율로 인하여 페인트를 증발시키게 되며 어블레이션 메커니즘과 같이 표면에 수직하는 응력을 발생하게 된다. 계속되는 레이저 펄스(laser pulse)는 페인트가 벗겨진 표면에 다시 조사하게 되므로 위와 같은 효과는 처음 몇 개의 펄스에 한정된다. 어블레이션 영역에서는 블로우-오프(blow-off) 힘이 이미 존재하므로 페인트 효과가 많이 감소된다. 하지만 페인트, 녹 또는 때 같은 것 등이 표면에 존재할 때 처음 몇 번 조사시 확실히 강도를 증가시킨다. 물이나 기름 같은 액체가 시험편 표면을 덮고 있을 때 역시 시험편 표면에 수직되는 방향으로 2극성 응력을 집중시킨다. 높은 레이저 힘 (laser power, 어블레이션 영역)에서 액체층이 존재할 때 낮은 레이저 힘에서 액체층은 증발하여 시험편 표면에 강한 힘을 일으키는 것이다.For example, when coated with black paint, the high absorption rate causes the paint to evaporate and create stresses perpendicular to the surface, such as the ablation mechanism. Subsequent laser pulses are irradiated back to the surface where the paint is peeled off, so the effect is limited to the first few pulses. In the ablation area, the blow-off force already exists, so the paint effect is greatly reduced. But when paint, rust or something like that is present on the surface, it will definitely increase the strength in the first few irradiations. When a liquid such as water or oil covers the specimen surface, also concentrate the bipolar stress in a direction perpendicular to the specimen surface. When the liquid layer is present at high laser power (ablation area), the liquid layer evaporates at low laser power to produce a strong force on the specimen surface.

이 실시예에 있어서는 초음파 접촉매질로 사용하는 기름을 시험편의 표면 위에 바르고 비접촉 초음파 탐촉자를 시험편으로부터 26mm 떨어뜨려 수신하였다. 이때, 레이저를 1회 주사시켰는데도 불구하고 첫 번째 반사신호를 관측할 수가 있었다. 이 결과를 기름을 바르지 않았을 때의 결과와 비교하여 본다면 초음파 발생효율이 엄청나게 증대된 것임을 알 수 있었다. 그러나, 시험편 표면 위에 기름을 바른 후에 많은 수의 레이저 펄스를 주사하여 평균하여도 신호의 s/n 비는 좋아지지 않았다. 이 같은 결과는 처음 한 번의 레이저 주사로 기름이 완전히 날아가 버리기 때문이다.In this example, the oil used as the ultrasonic contact medium was applied onto the surface of the test piece, and the non-contact ultrasonic probe was received 26 mm from the test piece. At this time, even though the laser was scanned once, the first reflected signal could be observed. Comparing this result with the result without oil, it was found that the ultrasonic generation efficiency was greatly increased. However, even after lubricating a large number of laser pulses after lubricating the surface of the specimen, the s / n ratio of the signal did not improve. The result is that the oil is blown away by the first laser shot.

도 5는 초점 렌즈(focusing lens)를 사용하여 빌레트(billet)의 표면에 레이저를 104번 주사시킨 결과의 평균과 200번 주사시킨 결과의 평균을 도시한 것으로서. 도시된 바와 같이 많이 주사할수록 s/n 비가 향상되는 것이 아니라 오히려 나빠졌다. 이것은 레이저 펄스가 시험편 표면에 조사될수록 시험편 표면이 점점 거울면과 같이 되기 때문이었다.FIG. 5 shows the average of the results of 104 injections of the laser on the surface of the billet using the focusing lens and the average of the results of 200 injections. As shown, more injections did not improve the s / n ratio but rather worsened. This was because as the laser pulses were irradiated onto the surface of the specimen, the surface of the specimen gradually became mirror.

<실시예 7><Example 7>

이 실시예에서는 초음파 발생원으로서 레이저를 사용하는 대신, 비접촉으로 초음파의 송수신이 가능한 전자기 음향 탐촉자(EMAT; electro-magnetic acoustic transducer)를 이용하여 실험하였다.In this embodiment, instead of using a laser as an ultrasonic generator, an experiment was performed using an electro-magnetic acoustic transducer (EMAT) capable of transmitting and receiving ultrasonic waves in a non-contact manner.

측정에 사용한 전자기 음향 탐촉자는 횡파용이며 주파수는 1.3MHz를 사용하였다.The electromagnetic acoustic transducer used for the measurement was for shear waves and the frequency was 1.3 MHz.

도 6a, 도 6b 및 도 6c는 두 개의 전자기 음향 탐촉자를 시험편의 양쪽에 두고 송수신한 결과이다. 도 6a는 신호평균하지 않은 결과를 도시한 것으로서 비교적 높은 s/n를 보여주며, 도 6b는 신호를 20번 평균한 그림으로 s/n 비가 매우 높음을 볼 수 있다. 레이저로 발생시킨 초음파를 전자기 음향 탐촉자로 송신한 경우보다 s/n 비가 높은 이유는 송수신용 전자기 음향 탐촉자가 동일주파수에 튜닝(tunning)되어 있고, 횡파의 진동방향이 일치하기 때문이라고 판단되었다. 도 6c는 가공한 결함부위에서의 측정결과로서, 시험편 표면사이를 반복하는 신호 사이에 결함으로부터의 신호가 검출됨을 볼 수 있다.6A, 6B and 6C show the results of transmitting and receiving two electromagnetic acoustic transducers on both sides of the test piece. FIG. 6A shows a result of no signal averaging, which shows a relatively high s / n, and FIG. 6B shows a signal averaged 20 times, indicating that the s / n ratio is very high. The reason why the s / n ratio is higher than when the ultrasonic wave generated by the laser is transmitted to the electromagnetic acoustic transducer is determined that the transmitting and receiving electromagnetic acoustic transducer is tuned to the same frequency and the vibration directions of the transverse waves coincide. Fig. 6C shows the measurement result at the processed defect site, and it can be seen that the signal from the defect is detected between the signals repeated between the surface of the test piece.

도 7은 송수신된 신호의 속도 측정 및 결함으로 반사된 신호의 분석을 위하여 도 6c의 신호를 확대한 결과를 도시한 것으로서, 도 7에서 두께 10cm의 시험편 표면으로부터 반사된 신호 사이의 시간 간격이 약 100μs이므로 속도를 계산하면 약 3200 m/s이다. 그리고 인공으로 가공된 결함의 직경이 1mm로 매우 작지만 아래 확대된 그림을 보면 결함으로부터 반사된 신호가 비교적 높은 s/n 비로 검출되었음을 확인할 수 있었다.FIG. 7 illustrates the result of enlarging the signal of FIG. 6C for measuring the velocity of a transmitted and received signal and analyzing a signal reflected by a defect. In FIG. 100 μs, so the speed is about 3200 m / s. And although the diameter of the artificially processed defect is very small (1 mm), the enlarged picture shows that the signal reflected from the defect is detected at a relatively high s / n ratio.

이상의 결과는 실험실에서 상온에 대하여 전자기 음향 탐촉자와 시험편 사이의 리프트-오프가 0인 상태에서 측정하여 얻은 결과이므로 최적의 조건에서의 결과이다. 실제 빌레트(billet) 생산현장에서는 빌레트의 표면이 본 실시예에서 사용한 시험편보다 거칠 것이고, 리프트-오프도 유지해야 하며, 빌레트 온도도 높을 것이기 때문에, 본 실시예에서와 결과가 차이날 수 있다.The above results are obtained under optimum conditions because the results obtained by measuring the lift-off between the electromagnetic acoustic transducer and the test specimen at room temperature in the laboratory at zero. In the actual billet production site, the surface of the billet will be rougher than the test piece used in this example, the lift-off must be maintained, and the billet temperature will be high, so the result may be different from the present embodiment.

또한 고온에서의 사용을 위해서는 전자기 음향 탐촉자를 설계할 때에 탐촉자의 냉각(cooling)이 고려되어야 한다. 그렇지만 본 발명의 방법을 이용하면 고온의 빌레트 생산라인에서의 초음파 검사가 충분히 가능할 것으로 결론지을 수 있었다.In addition, the cooling of the transducer should be considered when designing the electromagnetic acoustic transducer for use at high temperatures. Nevertheless, it could be concluded that the method of the present invention would be sufficient for ultrasound examination at high temperature billet production lines.

상술한 바와 같이, 각 실시예에서의 초음파 발생은 레이저를 이용하고, 초음파 탐촉자에는 다양한 장치 즉, 음향 마이크로폰, 전자기 음향 탐촉자, 비접촉 초음파 탐촉자를 이용하여 수신하였다. 그 결과 음향 마이크로폰을 이용할 경우 100번 정도 레이저를 조사한 결과를 평균하면 에어 갭 20mm 를 두고서 시험편(32mm 강재)을 통과한 초음파 신호를 잡을 수 있었지만, 미세한 결함을 탐상하는 데는 적용하는 것이 곤란하였다.As described above, the ultrasonic generation in each embodiment was received using a laser, and the ultrasonic transducer was received using various devices, that is, an acoustic microphone, an electromagnetic acoustic transducer, and a non-contact ultrasonic transducer. As a result, in the case of using an acoustic microphone, when the average of the results of laser irradiation about 100 times was obtained, it was possible to catch an ultrasonic signal passing through the test piece (32 mm steel) with an air gap of 20 mm, but it was difficult to apply to detect a fine defect.

전자기 음향 탐촉자(근본적인 리프트-오프의 한계는 존재) 및 에어 탐촉자 (air coupled transducer)의 경우 15cm 강철 시험편에 존재하는 약 1mm 정도의 결함을 충분히 탐지할 수 있었다.Electromagnetic acoustic transducers (there is a limit of the fundamental lift-off) and air coupled transducers were able to detect approximately 1 mm of defects in 15 cm steel specimens.

이와 같이 본 발명에 의하면, 고온의 금속재에 대해 비접촉으로 초음파를 발생시키고 수신하도록 하여 종래의 고온의 금속재에서의 내부 결함을 측정할 수 없었던 문제를 해결하였으므로, 본 발명의 방법을 산업 현장에 적용할 경우 고온으로 연속 생산되는 금속재에 존재하는 내부 결함을 정확하게 측정할 수 있기 때문에 제품 불량률의 감소를 유도하여 품질관리를 향상시킬 수 있으며, 불량품에서 발생하는 비용을 감소시킬 수 있어 제품 생산비용이 감소되는 등의 우수한 효과가 있는 것이다.As described above, the present invention solves the problem that internal defects in the conventional high temperature metal material cannot be measured by generating and receiving ultrasonic waves in a non-contact manner with respect to the high temperature metal material. Therefore, the method of the present invention can be applied to industrial sites. In this case, since internal defects existing in metal materials continuously produced at high temperature can be accurately measured, quality control can be improved by inducing a decrease in product defect rate, and the cost incurred from defective products can be reduced, thereby reducing product cost. This is an excellent effect.

Claims (3)

피측정 금속재에 레이저를 투사하여 상기 금속재의 내부에 초음파를 발생시키고,By projecting a laser onto the metal to be measured, ultrasonic waves are generated inside the metal, 상기 금속재가 상기 레이저와 부딪히는 면과 반대쪽 면에서 일정 거리를 두고 비접촉 초음파 탐촉자를 설치하고,Install a non-contact ultrasonic transducer at a distance from a surface opposite to the surface where the metal material collides with the laser, 상기 금속재를 통과한 상기 초음파를 상기 비접촉 초음파 탐촉자에 의해 수신하고,The ultrasonic wave passing through the metal material is received by the non-contact ultrasonic probe, 상기 비접촉 초음파 탐촉자에 의해 수신된 상기 초음파를 분석하는Analyzing the ultrasonic waves received by the non-contact ultrasonic transducer 것으로 구성되는, 레이저 유도 초음파를 이용하여 금속재의 내부 결함을 측정하는 방법.A method for measuring an internal defect of a metal material using laser guided ultrasonic waves, the method comprising: 제1항에 있어서, 상기 비접촉 초음파 탐촉자에 의해 수신된 상기 초음파를 분석하는 단계가,The method of claim 1, wherein analyzing the ultrasonic waves received by the non-contact ultrasonic transducer, 상기 비접촉 초음파 탐촉자에 의해 수신된 상기 초음파를 증폭기에 의해 증폭시키고.Amplifying the ultrasonic waves received by the non-contact ultrasonic transducer by an amplifier. 상기 증폭된 초음파를 오실로스코프에 전송하여 파형을 출력하고,Transmitting the amplified ultrasound to an oscilloscope to output a waveform, 상기 오실로스코프에 의해 출력된 상기 초음파의 파형을 컴퓨터에 전송하고,Transmit the waveform of the ultrasonic wave output by the oscilloscope to a computer, 상기 초음파의 특성을 상기 컴퓨터에 의해 평가하는To evaluate the characteristics of the ultrasonic waves by the computer 것으로 구성되는, 레이저 유도 초음파를 이용하여 금속재의 내부 결함을 측정하는 방법.A method for measuring an internal defect of a metal material using laser guided ultrasonic waves, the method comprising: 제1항에 있어서, 상기 비접촉 초음파 탐촉자가 음향 마이크로폰(acoustic microphone), 에어 탐촉자(air transducer), 또는 전자기 음향 탐촉자 (electromagnetic acoustic transducer) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 레이저 유도 초음파를 이용하여 금속재의 내부 결함을 측정하는 방법.The metal material using laser induced ultrasonic waves according to claim 1, wherein the non-contact ultrasonic transducer is any one of an acoustic microphone, an air transducer, and an electromagnetic acoustic transducer. How to measure internal defects
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