KR20080046845A - 금속과 고무의 미접착 결함을 평가하기 위한 위상반전 시편제조 및 시험 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속과 고무의 미접착 결함을 평가하기 위한 위상반전 시편 제작 및 시험 방법에 관한 것으로서, 상기 위상반전 정량 시편을 제조하기 위한 시편 제작 치구에 넣어진 금속 평판 및 고체 상태의 고무를 프레스와 전열기로 고온 고압 상태를 유지하는 제1 단계와, 상기 금속과 고무를 완전히 접착시킨 후 엔드밀로 각각 크기가 다른 평저공을 금속 평판에 가공하는 제2 단계를 포함하여, 금속과 고무의 접착계면에 대한 미접착 결함을 평가할 수 있는 위상반전 정량 시편을 제작할 수 있으므로 이를 이용하여 건전성 및 안전성을 평가할 수 있으며 초음파 시험의 신뢰성을 높일 수 있을 뿐 아니라, 이러한 정량화 평가 방법을 통해 공정 개선 및 품질보증의 수단으로 크게 기여할 수 있는 효과가 있다.

초음파, 위상반전, 접착계면, 미접착, 정량시편

Description

금속과 고무의 미접착 결함을 평가하기 위한 위상반전 시편 제조 및 시험 방법{THE MANUFACTURING AND TESTING METHOD OF THE PHASE REVERSAL TEST BLOCK TO EVALUATE THE DEBONDING INTERFACE BETWEEN THE METAL AND THE REBBER}

도1은 본 발명에 따른 시편 제작 치구에 금속 평판과 고체 상태의 고무를 넣고 프레스로 열과 압력을 가하는 방법을 나타내는 측면도,

도2는 본 발명에 따른 시편 제작 치구에서 금속 평판과 고무가 완전하게 접착된 시편을 분리하고 이 시편에 미접착을 모사하기 위한 평저공을 가공하는 과정을 나타내는 측면도,

도3은 본 발명에 따른 위상반전 정량 시편에서 평저공의 중심축과 탐촉자의 중심축을 일치시키고 탐촉자에서 초음파를 송수신하는 시험방법을 나타낸 측면도,

도4는 본 발명에 따른 크기가 다른 평저공을 가진 위상반전 정량 시편의 초음파 신호 및 미접착 결함을 평가하는 방법을 나타낸 도이다.

본 발명은 금속과 고무의 접착계면에 대한 미접착 결합을 신속하고 정확하게 평가할 수 있는 위상반전 정량 시편의 제작 및 그 시험방법을 제안한다.

금속과 고무 사이의 미접착을 검출하기 위해서 접선 X-ray 촬영법을 이용할 수도 있으나 접선 X-ray 촬영법은 미접착을 검출하는 감도가 낮아 비교적 큰 미접착 만을 검출 할 수 있다. 그러므로 미접착을 검출하기 위하여 미접착 결함 감도가 높은 초음파 시험이 바람직하다.

일반적으로 접착계면을 검사하기 위하여 범용적으로 사용하는 초음파 시험은 펄스에코법을 적용하고 있다. 펄스에코법은 접착계면에서 반사 및 투과가 되는 초음파의 량을 이용하여 신호의 크기로 접착유무를 판단하는 시험기법이지만, 탐촉자와 입사면과의 접촉압력에 따라 신호의 크기가 변하며 기하학적으로 형상이 복잡하거나 입사면에서 접착계면의 거리가 변하는 경우에는 신호의 크기로 접착의 유무를 판단하기에는 상당히 어려운 문제점을 가지고 있다. 또한 입사면에서 초음파가 전달될 때 전달되는 재질의 감쇄계수가 예를 들어 고무와 같이 일정하지 않는 경우에도 신호의 변화를 초래하므로 신뢰성있는 검사를 하기 어려운 점이 있다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 선진국에서는 자동화 기법인 C-Scan을 사용하고 있는 현실이며, 초음파의 입사면이 음향임피던스가 낮은 경우에는 제한적으로 위상반전법을 사용하고 있다.

1989년 Frank J. Cichanski에 의해 미국특허(US 4866986)로 등록된 “Mehood and system for dual phase scanning acoustic microscopy”에서는 검사하려는 재료의 주변보다 강도가 높은 이물질을 ‘Hard discontinuities’라고 명하고 재료의 주변보다 강도가 낮은 스폰지 형태의 가스 포집체 및 기공 등을 ‘Soft discontinuities’라고 명하고 있으며 두 개의 위상을 하나의 C-Scan 영상에 나타낼 수 있는 SAM(Scanning Acoustic Microscope) 장비를 개발하였다. 그러나 기하학적으로 복잡하고 수침법을 적용하기 곤란한 경우 C-Scan을 적용하기 힘든 단점이 있다.

1994년 Eric I. Madaras에 의해 미국특허(US 5280722)로 등록된 “Method and Apparatus for indicating in joint regions”에서는 고체추진기관내의 스틸 및 고무 접착계면의 기하학적 형상이 복잡하고 고무의 두께가 일정하지 않아 투과된 초음파가 탐촉자에서 수신되기 힘든 접착계면에 초음파가 원활히 진행할 수 있도록 고무와 음향임피던스가 유사한 폼을 제작하였다. 제작된 폼을 이용하여 기하학적 형상이 복잡한 스틸 및 고무 접착계면의 미접착을 위상반전을 이용하여 검출하였지만 결함의 정량적 크기를 구하지는 못하였다.

본 발명은 C-Scan을 사용하지 않으면서도 미접착의 크기를 정량적으로 평가할 수 있는 문제를 해결하기 위한 것으로, 금속과 고무의 접착계면에 대한 건전성 및 안전성을 평가하는 초음파 시험법의 신뢰성을 높이기 위한 위상반전 정량 시편 제작 및 결함을 정량적으로 평가하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 금속과 고무의 미접착 결함을 평가하기 위한 위상반전 시편 제조 및 시험 방법으로서, 금속과 고무의 접착계면에 대한 미접착 결함을 신속하고 정확하게 평가할 수 있는 위상반전 정량 시편의 제작 및 그 시험방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 구성을 살펴보면, 초음파 탐촉자를 이용하여 금속과 고무의 접착계면에서의 미접착 결함을 정량적으로 평가하기 위한 위상반전 정량 시편을 제조하는 방법은, 상기 위상반전 정량 시편을 제조하기 위한 시편 제작 치구에 넣어진 금속 평판 및 고체 상태의 고무를 프레스와 전열기로 고온 고압 상태를 유지하는 제1 단계와, 상기 금속과 고무를 완전히 접착시킨 후 엔드밀로 각각 크기가 다른 평저공을 금속 평판에 가공하는 제2 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1 단계는, 상기 금속과 고무가 완전하게 접착된 시편을 시편 제작 치구에서 수월하게 분리하기 위해 원통형 구멍을 가공하여 주는 단계를 더 포함하여 구성되고, 상기 제2 단계는, 시편 제작 치구에서 위상반전 정량 시편을 분리하여주는 단계를 더 포함하여 구성되는 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예로서, 금속과 고무의 접착계면에 대한 미접착 결함을 정량적으로 평가하기 위한 위상반전 시편 시험 방법은, 고무면에 초음파 탐촉자의 중심축과 평저공의 중심축을 일치하여 접촉시키는 제3 단계와, 상기 평저공으로부터의 초음파 신호의 위상 및 신호의 크기를 측정하는 제4 단계와, 상기 평저공에서의 초음파 신호와 금속과 고무의 미접착 결함에서의 초음파 신호를 비교하여 정량적인 결함의 크기를 평가하는 제5 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 방법은, 탐촉자의 크기보다 작은 미접착 결함에 대하여 평저공에서 반사된 초음파 신호의 크기와 위상을 이용하여 금속과 고무의 접착계면에서 미접착 크기를 정량적으로 평가하게 된다.

또한, 상기 방법은, 탐촉자의 크기보다 작은 미접착 결함에 대하여 위상반전이 일어날 수 있는 최소 결함 크기를 측정하는 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명의 위상반전 정량 시편 제작 방법 및 결함의 정량적 평가 방법을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.

우선, 본 발명은 금속/고무 접착계면에 대한 미접착 결함 평가 방법에 관한 것으로 기하학적으로 형상이 복잡하여 C-Scan 적용이 어려운 경우, 초음파의 입사면과 접착계면이 수직을 이루지 않아 펄스에코법이 불가능한 경우 및 입사면의 재질이 감쇄계수가 불균일한 경우에도 미접착 결함을 간단하고 정량적으로 검출할 수 있는 결함 평가 방법에 관한 것이다.

본 발명은 초음파 탐촉자를 이용하여 결함을 탐지하는 방법으로 상기 초음파 탐촉자를 이용하여 접착 재료의 음향임피던스가 낮은 영역을 입사면으로 설정하여 초음파를 투과시키고 접착계면에서 반사되어 나오는 초음파의 위상 변화를 이용하여 정상접착과 미접착 결함을 분류하고, 또한 금속과 고무의 접착계면에 대한 미접착 결함을 정량적 평가하는 방법이다.

그러나, 접착 재료에서 금속과 같이 음향임피던스가 높은 영역을 입사면으로 설정하여 초음파가 투과할 때는 미접착이나 정상 접착의 위상이 같으므로 위상반전 법을 적용할 수 없는 단점이 있다. 그러므로 위상반전법을 사용하기 위해서는 음향임피던스가 낮은 영역을 입사면으로 반드시 설정해야 한다.

예를 들어 금속 재질에 고무가 정상적으로 접착되어 있는 경우, 초음파의 입사면을 고무로 설정하고 금속 쪽으로 투과할 때 초음파의 반사계수는 양수가 되어 위상이 반전되지 않게 된다. 반면, 금속 재질에 고무가 미접착 되어 있는 경우, 초음파의 입사면을 고무로 설정하고 금속 쪽으로 투과할 때 초음파의 반사계수는 음수가 되고 위상이 반전하게 된다.

이러한 원리로 신호의 위상 반전을 이용하여 금속과 고무의 접착계면에 대한 접착 상태를 판별하나, 탐촉자보다 작은 미접착 결함은 미접착 결함에서 위상이 반전된 신호와 정상접착에서 위상이 반전되지 않은 신호가 동시에 수신되므로 초음파 신호는 두 신호의 합으로 나타난다. 그러므로 단순하게 위상반전 여부만으로는 미접착의 크기를 정량적으로 판단할 수 없게 된다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 위상반전 정량 시편을 제작하여 줌으로서, 자체적으로 제작한 시편 제작 치구 안에 고체상태의 고무와 평판형 금속 시편을 넣고 프레스와 전열기를 이용하여 고온 상태로 가압하여 고체 상태의 고무가 액체 상태의 고무로 변하는 동시에 압력으로 인하여 고무가 금속에 완전하게 접착된다.

또한, 금속 시편과 고무가 완전하게 접착시킨 후 각각 크기가 다른 평저공을 금속 표면에서 금속/고무의 접착계면까지 가공하여 위상반전 정량 시편을 제작하여줌으로서, 위상반전 정량 시편의 평저공에서 반사되는 초음파 신호는 탐촉자보다 작은 미접착에서 반사되는 초음파 신호와 등가이므로 위상반전 정량 시편의 평저공 크기를 측정하면 미접착 결함의 크기를 정량적으로 평가할 수 있다. 이러한 위상반전 정량 시편을 개발하여 금속과 고무의 미접착 결함을 신속하고 정량적으로 판단할 수 있게 된다.

구체적으로 본 발명의 위상반전 정량 시편 제작 방법을 설명하자면, 위상반전 정량 시편을 제작하기 위한 시편 제작 치구를 준비하는 단계, 위상반전 정량 시편을 형성하기 위한 금속 평판과 고체의 고무를 준비하는 단계, 시편 제작 치구에 금속 평판 및 고체의 고무를 넣고 프레스와 전열기로 고온상태에서 가압하는 단계, 금속 평판과 고체의 고무를 완전하게 접착시키는 단계, 시편 제작 치구에서 위상반전 정량 시편을 분리하는 단계를 구비하여 이루어진다.

또한, 본 발명에서 금속 평판과 고무가 완전하게 접착된 경우 실제 미접착 결함을 모사하기 위한 각각 크기가 다른 평저공을 금속 평판에 가공하는 단계가 더 구비하게 된다.

그리고, 본 발명의 결함을 정량적으로 평가하는 방법은 음향임피던스가 낮은 고무 면에 초음파 탐촉자의 중심축과 평저공의 중심축을 일치하여 접촉시키는 단계, 평저공으로부터 얻은 초음파 신호의 위상 및 신호의 크기를 측정하는 단계, 평저공에서의 초음파 신호와 금속과 고무의 미접착 결함에서 초음파 신호를 비교 분석하여 정량적인 결함의 크기를 평가하는 단계를 구비하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 도면을 참조로 하여 설명하자면, 우선 도1은 본 발명에 따른 시편 제작 치구에 금속 평판과 고체 상태의 고무를 넣고 프레스로 열과 압력을 가하는 방법을 나타내는 측면도이고, 도2는 본 발명에 따른 시편 제작 치구에서 금속 평판과 고무가 완전하게 접착된 시편을 분리하고 이 시편에 미접착을 모사하기 위한 평저공을 가공하는 과정을 나타내는 측면도이며, 도3은 본 발명에 따른 위상반전 정량 시편에서 평저공의 중심축과 탐촉자의 중심축을 일치시키고 탐촉자에서 초음파를 송수신하는 시험방법을 나타낸 측면도이고, 도4는 본 발명에 따른 크기가 다른 평저공을 가진 위상반전 정량 시편의 초음파 신호 및 미접착 결함을 평가하는 방법을 나타낸 도이다.

여기서, 도1은 시편 제작 치구(11)에 금속 평판(14)과 고체 상태의 고무(15)를 넣고 프레스(16)로 열과 압력을 가하는 방법을 나타내는 측면도로서, 시편 제작 치구의 홈(12)에 우선 금속 시편(14)을 넣고 적절량의 고체 상태의 고무(15)를 넣은 후에 프레스(16)로 11톤의 압력을 가하면서 동시에 전열기(17)로 150℃의 온도를 30분 간 유지하면 고체상태의 고무는 액체상태의 고무로 변하며 동시에 금속과 고무는 완전하게 접착한다.

한편, 상기 시편 제작 치구(11)는 이런 액체 상태의 고무가 프레스 밖으로 흐르지 않게 하며 금속 시편과 고무에 일정한 압력을 유지하는 역할을 한다.

그리고, 도2는 시편 제작 치구(11)에서 금속 평판(22)과 고무(23)가 완전하게 접착된 시편을 분리하고 이 시편에 미접착을 모사하기 위한 평저공(24)을 가공하는 과정을 나타내는 측면도로서, 금속과 고무가 완전하게 접착된 시편을 시편 제작 치구(11)에서 수월하게 분리하기 위해 가공한 원통형 구멍(13)에 일정한 응력(21)을 가하면 금속과 고무의 접착 계면의 손상 없이 쉽게 시편 제작 치구에서 분리할 수 있게 된다.

그리고, 금속과 고무가 완전하게 접착된 시편에 엔드밀(14)로 평저공(24)을 가공하면 미접착의 크기를 정량적으로 측정할 수 있는 위상반전 정량 시편(25)을 제작할 수 있게 된다.

또한, 도3은 위상반전 정량 시편(25)에서 평저공(24)의 중심축과 탐촉자(38)의 중심축을 일치시키고 탐촉자에서 초음파를 송수신하는 시험방법을 나타낸 측면도이고, 초음파를 음향 임피던스가 낮은 고무(31)에서 음향 임피던스가 높은 금속(32)으로 투과시켰다.

그리고, 초음파 탐촉자는 평저공의 중심 축에 맞추고 초음파 신호를 송신(35)하면 평저공에서는 금속과 고무가 접착되지 않았으므로 위상이 반전된 초음파 신호(36)가 발생되고 평저공의 주변에서는 금속과 고무가 접착(33)되었으므로 위상이 반전되지 않은 초음파 신호(37)가 발생한다.

그리고, 도4는 크기가 다른 평저공을 가진 위상반전 정량 시편의 초음파 신호 및 미접착 결함을 평가하는 방법을 나타낸 도이고, 금속과 고무가 완전하게 접착된 경우의 초음파 신호(42)는 위상이 반전되지 않지만 금속과 고무의 미접착이 탐촉자의 면적보다 크게 발생한 경우의 초음파 신호(43)는 위상이 반전하게 된다.

그러나, 금속과 탐촉자의 면적보다 작게 미접착이 발생하게 되면 미접착에서는 위상이 반전하나 미접착 주위의 정상접착에서는 위상이 반전되지 않으므로 수신된 초음파 신호는 두 신호의 합으로 나타난다.

탐촉자의 면적보다 작은 미접착의 크기는 위상반전 정량 시편의 평저공에서 반사되는 초음파 신호와 상호 비교하여 평가할 수 있다.

그리고, 상기 평저공의 지름이 6mm에서의 초음파 신호(43)는 평저공의 크기가 위상반전을 발생하지 못할 정도로 작아서 위상 반전이 발생하지 않게 된다.

또한, 상기 평저공의 지름이 8mm에서의 초음파 신호(44)는 평저공에서의 초음파 신호의 크기와 평저공 주위의 정상 접착일 때의 초음파 신호가 같아지는 지점으로 탐촉자의 크기보다 작은 미접착 결함에 대하여 위상반전이 일어날 수 있는 최소 결함 크기이다.

그리고, 평저공의 지름이 9mm에서의 초음파 신호(45)는 평저공에서 위상 반전된 초음파 신호의 크기가 평저공 주위에서 위상반전되지 않은 초음파 신호보다 크므로 위상 반전이 발생하게 된다.

여기서, 상기 평저공에서 반사된 초음파 신호의 크기와 위상은 금속과 고무의 접착계면에서 반사되는 초음파 신호의 크기와 위상이 동일하므로 평저공의 크기는 접착계면에서 미접착의 크기와 등가이다.

그러므로 평저공에서 수신된 초음파 신호의 크기 및 위상과 금속과 고무의 접착계면에서 수신된 초음파 신호의 크기 및 위상을 상호비교하면 미접착 결함의 크기를 정량적으로 구할 수 있게 된다.

따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명은 접착계면에 대한 미접착 검출 및 정량화에 필요한 기술로써 미접착 결함과 정상 접착의 파형 구분, 미접착 결함과 정상접착이 혼재한 경우에 대한 파형의 변화를 이용한 결함의 크기를 구하고, 이는 금속과 고무의 접착계면에 대하여 미접착을 검출하는 최신 시험기법이며 기존의 펄스에코법으로 미접착을 검출하는 방법보다 간단하고 정확하게 결함을 판단할 수 있게 하는 장점이 있다.

즉, 본 발명은 위상반전 정량 시편을 제작하기 위한 위상반전 정량 시편을 제작하고, 시편 제작 치구에서 금속과 고무가 완전히 접착된 시편을 시편 제작 치구에서 수월하게 분리할 수 있게 하며, 탐촉자의 크기보다 작은 미접착 결함을 정량적으로 평가할 수 있는 것으로서, 기존의 펄스에코법과 비교해서 검사시간과 결함검출능력을 월등히 향상시킬 수 있고, 금속과 고무의 접착재료에 대하여 비파괴적으로 미접착 결함을 검출하므로 금속과 고무의 접착계면에 대한 품질을 개선시킬 수 있으며 품질보증의 수단으로도 활용할 수 있게 된다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

본 발명에 따르면 금속과 고무의 접착계면에 대한 미접착 결함을 평가할 수 있는 위상반전 정량 시편을 제작할 수 있으므로 이를 이용하여 건전성 및 안전성을 평가할 수 있으며 초음파 시험의 신뢰성을 높일 수 있을 뿐 아니라, 이러한 정량화 평가 방법을 통해 공정 개선 및 품질보증의 수단으로 크게 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 초음파 탐촉자를 이용하여 금속과 고무의 접착계면에서의 미접착 결함을 정량적으로 평가하기 위한 위상반전 정량 시편을 제조하는 방법에 있어서,

   상기 방법은,

   상기 위상반전 정량 시편을 제조하기 위한 시편 제작 치구에 넣어진 금속 평판 및 고체 상태의 고무를 프레스와 전열기로 고온 고압 상태를 유지하는 제1 단계; 및

   상기 금속과 고무를 완전히 접착시킨 후 엔드밀로 각각 크기가 다른 평저공을 금속 평판에 가공하는 제2 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속과 고무의 미접착 결함을 평가하기 위한 위상반전 시편 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 단계는, 상기 금속과 고무가 완전하게 접착된 시편을 시편 제작 치구에서 수월하게 분리하기 위해 원통형 구멍을 가공하여 주는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속과 고무의 미접착 결함을 평가하기 위한 위상반전 시편 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 단계는, 시편 제작 치구에서 위상반전 정량 시편을 분리하여주는 단계를 더 포함하여 구성되는 특징으로 하는 금속과 고무의 미접착 결함을 평가하기 위한 위상반전 시편 제조 방법.
4. 금속과 고무의 접착계면에 대한 미접착 결함을 정량적으로 평가하기 위한 위상반전 시편 시험 방법에 있어서,

   상기 방법은,

   고무면에 초음파 탐촉자의 중심축과 평저공의 중심축을 일치하여 접촉시키는 제3 단계;

   상기 평저공으로부터의 초음파 신호의 위상 및 신호의 크기를 측정하는 제4 단계; 및

   상기 평저공에서의 초음파 신호와 금속과 고무의 미접착 결함에서의 초음파 신호를 비교하여 정량적인 결함의 크기를 평가하는 제5 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속과 고무의 접착계면에 대한 미접착 결함을 정량적으로 평가하기 위한 위상반전 시편 시험 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 방법은, 탐촉자의 크기보다 작은 미접착 결함에 대하여 평저공에서 반사된 초음파 신호의 크기와 위상을 이용하여 금속과 고무의 접착계면에서 미접착 크기를 정량적으로 평가하는 것을 특징으로 하는 미접착 결함을 정량적으로 평가하기 위한 위상반전 시편 시험 방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 방법은, 탐촉자의 크기보다 작은 미접착 결함에 대하여 위상반전이 일어날 수 있는 최소 결함 크기를 측정하는 것을 특징으로 하는 미접착 결함을 정량적으로 평가하기 위한 위상반전 시편 시험 방법.

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