KR20040056574A - 센서를 이용한 재료의 균열위치 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 검출방법은 3개 또는 4개의 음향방출센서를 시험편에 설치하고, 상기 음향방출센서에 연결되어 상기 음향방출센서에서 전달된 신호를 분석하며, 상기 시험편의 균열시 동일한 시간동안 상기 음향방출센서에 도달하는 음향을 연산하여 거리를 연산함으로써 균열 위치를 파악하는 것이다.

Description

센서를 이용한 재료의 균열위치 검출방법{METHOD FOR DETECTING CRACK POSITION OF MATERIAL WITH SENSOR}

본 발명은 재료의 이상유무를 검출하는 검출방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 구조재로 사용되는 금속 또는 비금속재료에 발생되는 균열을 정확히 예측할 수 있는 센서를 이용한 균열위치 검출방법에 관한 것이다.

교량이나 토목 건축용 재료 또는 산업용 구조재료 및 원자로 등은 사용함에 따라서 재료가 열화 되거나 충격을 받게 되면 내부에 균열이 생기고 이것이 진전하여 파괴에 이르게 된다.

교량과 같은 경우는 균열발생에 의하여 교량이 부서지게 되면 돌발적인 사고로 인하여 대규모의 인명 피해를 입게된다. 원자로의 경우에는 열 교환기에서 열화에 의해 균열이 발생하게 되면 시간이 지남에 따라서 균열이 진전하고 결국은 어느시점에서 예기치 않은 파괴사고를 유발하여 많은 인명과 재산의 피해를 입게 된다.

지금까지는 이와 같은 사고를 방지하기 위하여 교량의 경우 교각에 스트레인게이지를 부착하여 교량의 휘어짐을 감지하거나, 센서 등을 부착하여 교량의 이상유무를 감지하고 있다. 또한 원자로의 경우에도 구조재의 표면에 스트레인게이지나 음향센서 등을 부착하여 사용 중에 변형이 임계 이상으로 발생하거나, 균열이 발생하게 되면 센서로 감지하여 변형이나 균열이 발생하는 것을 감지 할 수 있다.

그러나 이것들은 단지 구조재가 사용 중에 시간이 지남에 따라 변형이나 균열이 발생됨을 알려 주는 수동적인 것에 불과하며 어느 위치에 균열이 발생 할 것인지는 알 수가 없는 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 구조재의 내부 다시 말해서 산업용 기계 구조물을 구성하고 있는 기계류 부품이나, 프레임 등의 내부에 균열이 발생할 때 발생되는 미세한 음향을 감지하여 신호로서 분석함으로써 균열발생의 위치와 안전조치를 사전에 실시할 수 있도록 한 센서를 이용한 균열위치 검출방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 검출방법을 설명하기 위한 시험편을 도시한 평면도.

도 2a 내지 도 2c는 시험편에 설치된 센서의 위치와 균열 발생의 과정을 설명하기 위한 그래프.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 검출방법은 3개 또는 4개의 음향방출센서를 시험편에 설치하고, 상기 음향방출센서에 연결되어 상기 음향방출센서에서 전달된 신호를 분석하며, 상기 시험편의 균열시 동일한 시간동안 상기 음향방출센서에 도달하는 음향을 연산하여 거리를 연산함으로써 균열 위치를 파악하는것이다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 검출방법을 설명하기 위한 시험편을 도시한 평면도이고, 도 2a 내지 도 2c는 시험편에 설치된 센서의 위치와 균열 발생의 과정을 설명하기 위한 그래프이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 시험편(S)에 4개(또는 3개)의 음향방출센서(①,②,③,④)를 설치하고, 이 음향방출센서들은 연산이 가능한 컴퓨터(C)에 연결된다.

이에 따라 재료 내부에서 발생하는 균열을 음향방출 센서가 감지하고, 이 신호를 증폭하여 모니터(M)에 디스플레이한다.

그리고, 컴퓨터(C)는 4개의 음향방출센서에서 오는 신호를 분석하여 연산을 통해 균열 발생 위치를 파악하게 된다. 이렇게 균열발생 위치를 예측함으로서, 파괴에 이르기 전에 조치를 취함으로써 대형사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

보다 상세하게 설명하면, 재료가 외부로부터 하중을 받아 변형을 일으킬 때나 재료 내에 균열이 발생, 성장할 때 원자의 재배열이 일어나며 이때 물체는 급속한 에너지 해방에 의해 탄성파를 방출한다. 이 탄성파 방출을 음향방출(Acoustic Emission, AE)이라고 부르며 이는 재료 내부의 균열발생 및 성장 등의 동적 거동을 상시상태에서 모니터링 하는데 매우 유익한 수단이다.

따라서 AE는 하중의 증가에 따라 재료 내부에 발생, 성장하는 미소균열 또는 재료 내부의 기공 등 불균질상으로부터 신호가 다수 발생하며 이들 AE 신호들의 각인자들인 사상수(event), 에너지(energy), 지속시간(duration time), 상승시간(rise time), 진폭(amplitude) 등을 분석함으로써 재료의 물리적 특성뿐만 아니라 재료 내부 손상 및 특징을 유추할 수 있다.

균열발생 위치 동정의 원리는 다음과 같다.

비파괴 시험에서 재료내부의 결함위치를 측정하기 위하여 초음파(Ultrasonic wave)를 사용하는 경우가 많이 있지만 이러한 방법은 재료의 국소적인 부분만 탐지할 수 있다. 그러나 AE시험에 있어서는 이미 알고 있는 각 시험체 재료의 탄성파 전파속도를 토대로 재료내부의 AE 발생원에서 발생한 신호가 시험체 표면에 부착된 각각의 AE 센서에 도달하는 시간차를 이용하여 시험체 내부의AE 발생원의 위치를 측정할 수 있다.

한편 2차원 AE발생원 위치 추정은 센서의 위치선정에 따라 1차원적인 선형적(linear)방법 및 2차원적인 삼각법(triangle), 사각법(rectangle)등의 여러 가지 방법들이 제안되고 있지만 본 발명에서는 사각법을 이용한 위치추정(source location)실험을 실시하였다.

사각법은 거리가 (X,0), (-X,0), (0,Y), (0,-Y)인 위치에 센서를 부착한 다음 각 X, Y방향의 두 개의 센서가 감지한 두 개의 시간차 Δt를 측정하여 음향발생원의 위치를 추정하는 방법이다. 발생원의 위치는 다음과 같다.

여기서, a=(1/2)Δt_xV, A=(1/2)Δt_yV, b=(X²-a²)^1/2, B=(Y²-A²)^1/2, V=음향전파속도(acoustic wave velocity)이고, 이들 식에서 Δt는 탄성파가 센서에 도달하는 데 걸리는 시간차이고, X, Y는 센서의 좌표이다.

본 발명에서는 이와 같은 음향방출센서를 구조재 표면에 적어도 3개 이상 부착하여 파괴에 이르기 전에 재료 내부에서 발생하는 균열을 감지하여 균열의 위치를 확인 할 수 있기 때문에 균열발생에 의한 대형사고를 미연에 방지 할 수 있게 된다.

< 실시예 >

본 발명에서는 TiNi/Al6061형상기억합금 시험편(S)을 제조하기 위한 기지재료로써 고압 하에서 내응력 및 내산화 부식성이 우수한 Al6061과 직경 500㎛의 TiNi(Ti-50 at.%)와이어를 사용하였으며 최고 1000℃까지 온도 유지가 가능한 250톤 용량의 고온 프레스(hot press)를 제작하여 도 2에 도시한 바와 같은 시험편(S)을 제조하였다.

프레스의 온도조건은 833K, 압력을 60MPa로 조정하고 유지시간을 30분으로 하였다.

또한 Al6061 표면은 공기중에서 쉽게 산화되므로 아르곤 분위기에서 시험편(S)을 제조하였으며 기지재인 Al6061의 강도를 증가시키기 위해 가장 높은 경도값이 나오도록 열처리를 실시하였다.

복합재료에 대하여는 공기중에서 793K와 813K로 1시간동안 용체화 처리 후냉각수에 담금질을 실시하였으며, 시험편(S)의 기계적 특성을 증가시키기 위하여 공기 중에서 448K로 시효처리를 실시하였다.

그리고 인공노치를 주지 않고 가운데 부분에서 단면적을 줄여 파단이 일어나도록 가공을 하였고 이러한 방법에 의해 제작된 시험편(S)에 인장시험을 실시하였다. 시험편(S)에는 4개의 센서(①,②,③,④)를 부착하였다.

도 2a에서 도시한 바와 같이, 초기 하중에 의한 시험편(S) 내에 존재하는 불연속부 등의 결함으로 인한 응력의 집중으로 미소 균열, 기지재 Al과 강화재 TiNi간의 계면분리와 층간분리로 발생하는 일부 AE 음원이 시험편(S)의 ㉢영역에서 발생하고 있다.

한편 도 2b에 도시한 바와 같이, 하중이 점차로 증가하여 시험편(S) 내에 발생한 다수의 미소균열들이 성장, 합체하여 주균열로 급격히 성장하여 시험편 ㉡영역으로 전파되고 그중에 강화재의 파단과 시험편 ㉠영역에서 새로운 균열의 시작이 발생하여 다수의 AE 발생원이 균열 진전 방향을 따라 발생한다.

그리고 마지막으로 도 2c에 도시한 바와 같이, 최종파단에 도달할 때 발생되는 AE 신호들로써 이들은 앞서 전파된 균열의 성장과 합체로 인해 시험편 ㉡영역에서 다수의 AE 발생원이 검출되고 있다. 이는 AE 신호들과 실제 파단선과의 오차 측정 결과 ±0.5, 이는 TiNi/Al6061 시험편(S)의 균열 발생 및 성장 거동을 모니터링 하는데 2차원 AE 발생원 위치 추정이 유효함을 보여주고 있다.

결국, TiNi/Al6061 형상기억복합재료의 AE 발생원 위치동정에서 초기하중 단계에서는 단면적이 가장 적은 중앙부분의 가장자리에서 최초균열이 발생하며 소수의 AE 사상수가 나타나고 점차 하중이 증가할수록 균열이 중앙부분으로 전파하여 최대하중에서는 다수의 AE 사상수가 발생하고 파단에 이른다.

그리고, 도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같이, AE 위치동정 결과와 실제 시험편의 파단선과의 오차 범위는 ±0.5cm 이내로 비교적 정확한 위치를 추정하였다. 따라서 사각법을 이용한 TiNi/Al6061형상기억 복합재료의 AE 발생원 위치동정기법은 아주 적합함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 구조재 내부에서 발생하는 균열을 음향방출센서를 이용하여 감지하고, 균열 발생의 위치를 추정함으로써, 균열 발생 및 균열의 진전에 의해 파괴에 이르기 전에 미리 능동적으로 균열이 진전되지 않도록 대처하여 대형사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 3개 또는 4개의 음향방출센서를 시험편에 설치하고,

   상기 음향방출센서에 연결되어 상기 음향방출센서에서 전달된 신호를 분석하며,

   상기 시험편의 균열시 동일한 시간동안 상기 음향방출센서에 도달하는 음향을 연산하여 거리를 연산함으로써 균열 위치를 파악하는 센서를 이용한 균열위치 검출방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연산은,

   단, a=(1/2)Δt_xV, A=(1/2)Δt_yV, b=(X₂-a₂)/2, B=(Y₂-A₂)/2, V=음향전파속도

   로서, 좌표 X, Y를 파악하는 센서를 이용한 균열위치 검출방법.