KR20090046393A - 초음파 공구혼 및 이를 이용한 적외선 열화상 비파괴검사시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파의 확산 영역을 증진시켜 결함 검출능력을 향상시키고, 시험체의 접촉면에 표면손상을 일으키지 않으며, 소형으로 구현이 가능토록 한 초음파 공구혼 및 이를 이용한 적외선 열화상 비파괴 검사시스템을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면, 초음파 발진자와 결합되는 초음파 공구혼에 있어서, 공구혼 몸체의 내부에 초음파 발진자의 일부와 접하고 유체가 저장되는 일정 체적의 유체실을 구비하고, 공구혼 몸체의 일단에 유체실과 접촉되어 있는 유연한 재질의 진동막이 설치되어 구성된 것을 특징으로 한다.

초음파, 발진, 비파괴검사, 열화상, 공구혼, 발진자

Description

초음파 공구혼 및 이를 이용한 적외선 열화상 비파괴 검사시스템{Ultrasonic waves tool horn and nondestructive infrared thermography system using thereof}

본 발명은 초음파 공구혼 및 이를 이용한 적외선 열화상 비파괴 검사시스템에 관한 것으로, 특히 초음파의 확산 영역을 증진시켜 검출 능력을 향상시키고 시험체의 접촉면에 표면손상을 일으키지 않도록 한 초음파 공구혼 및 이를 이용한 적외선 열화상 비파괴 검사시스템에 관한 것이다.

초음파가진 적외선 열화상기술은 결함을 갖는 시험체에 20~40kHz 영역의 초음파를 입사하고, 입사된 초음파의 탄성에너지의 일부가 결합부에서 열탄성효과로 인하여 열에너지로 변환하게 되고, 이때 적외선 열화상 카메라를 발진된 초음파에 동기화시켜 시험체의 온도분포를 측정함으로써 결함을 검출하게 된다.

초음파 발진자에서 발생된 초음파는 공구혼에 의해 공구혼 끝단에 초음파가 집속되고 시험체와 공구혼의 접촉으로 시험체에 초음파를 전달하게 된다. 현재 초음파가진 적회선 열화상기술에서 사용되고 있는 공구혼은 기존 초음파 용접기에서 사용되고 있는 금속 공구혼을 그대로 사용하게 되므로 접촉면에서 초음파가 최대한 집속하도록 설계되어 있다.

그러나, 초음파가진 적외선 열화상 기술에서는 실험체에 존재하는 결합을 검출하는데 있어서 입사된 초음파는 접촉면에서 집속되기 보다는 시험체 전역에 확산되는 것이 바람직하다. 또한 현재 사용되고 있는 공구혼 끝단의 고출력 초음파는 시험체의 접촉면에서 표면손상을 일으키는 문제가 있다.

또한, 금속 공구혼의 설계에 있어서 공구혼의 길이는 물리적으로 발진초음파의 파장의 1/2로 설계되어야 하며, 이는 초음파 가진장치의 크기가 커진다는 문제가 있다.

한편, 선행 기술로서 미국특허 제6759659호로서 결함 검출용 열화상시스템이 개시되어 있으나 이는 시험체의 표면(공구혼과 접촉하는 면)에 손상을 막기 위하여 시험체와 공구혼 사이에 별도의 커플러(coupler)를 사용하여야 한다. 또한 발진된 초음파는 공구혼과 시험체가 접촉되면 그 접촉면에 집속되어 결함 검출 가능성이 낮다. 또한 금속 공구혼을 사용함으로써 초음파 가진 장치가 커지는 문제를 가지고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 창출된 것으로, 초음파의 확산 영역을 증진시켜 결함 검출능력을 향상시키고, 시험체의 접촉면에 표면손상을 일으키지 않으며, 소형으로 구현이 가능토록 한 초음파 공구혼 및 이를 이용한 적외선 열화상 비파괴 검사시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

초음파 발진자와 결합되는 초음파 공구혼에 있어서,

공구혼 몸체의 내부에 초음파 발진자의 일부와 접하고 유체가 저장되는 일정 체적의 유체실을 구비하고, 공구홈 몸체의 일단에 유체실과 접촉되어 있는 유연한 재질의 진동막이 설치되어 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 유체실에는 유체와 함께 기체가 더 장입되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 유체가 상기 기체보다 더 많은 체적으로 유체실에 장입되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 유체는 물인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 기체는 공기인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 공구혼 몸체는 원통 형태로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 진동막은 내열성 실리콘 필름으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 진동막은 내열성 테프론 필름으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 공구혼 몸체는 인코넬로 제작된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 공구혼 몸체는 구리로 제작된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 적외선 열화상 비파괴 검사시스템은,

초음파 공구혼과;

초음파 공구혼에 결합된 초음파 발진자와;

초음파 발진자에 초음파 신호를 송출하는 증폭기와;

시험체에 나타난 온도분포를 촬상하여 결함을 검출해내는 적외선 열화상 카메라와;

증폭기 및 적외선 열화상 카메라를 제어하기 위한 제어장치와;

제어장치에 연결되어 비파괴 검사 프로그램을 실행시키는 컴퓨터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 초음파 공구혼에 따르면, 초음파에 의한 유체 유동을 매우 복잡하게 일어나도록 하여 시험체에 전달함으로서 초음파의 확산 영역이 증진되고 이로 인해 결함 검출능력이 향상된다.

또한 본 발명의 초음파 공구혼에 따르면, 시험체에 접촉되는 공구혼의 접촉면에는 금속이 아닌 유연한 재질의 필름이 구성되어 시험체의 접촉면에 표면손상을 일으키지 않는다.

또한 본 발명의 초음파 공구혼에 따르면, 파장의 길이를 짧게 가져갈 수 있어 소형으로 구성이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 공구혼(10)의 부분 절취된 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 초음파 공구혼(10)과 초음파 발진자(20)의 결합상태도이다.

본 발명의 공구혼(10)은 도 1 및 도 2에서와 같이 공구혼 몸체(11)의 내부에 일정 체적의 유체실(12)이 구비되어 있다. 공구혼 몸체(11)는 유체에 대해 반사율이 높은 재질이 바람직하다. 예로, 반사율이 0.91인 인코넬(inconel) 또는 반사율이 0.86인 구리 재질로 공구혼 몸체(11)를 제작할 수 있다.

공구혼 몸체(11)는 원통형으로 구성되어 유체실(12)의 단면은 원형을 이룬다. 이때 공구혼 몸체(11)의 길이(L)는 nλ/2로 결정된다. 여기에서 n=1,3,5,7,...이며, λ는 파장이다.

예로, 초음파 발진자(20)의 주파수가 30kHz 일때, 파장 (

)은 49.1 mm이고, 길이(L)는 용도에 따라 24.5mm, 73.7mm, 122.8mm 중 하나가 선택될 수 있다.

공구혼 몸체(11)의 일측면(13)에는 암나사로 이루어진 접속구(13a)가 형성되어 있고, 접속구(13a)에 초음파 발진자(20)가 나사 결합되어 누수가 없도록 실링 처리되어 있다. 따라서 초음파 발진자(20)는 유체실(12)내의 유체(1) 또는 공기(2)와 직접 접촉하는 부분을 갖게 된다.

공구혼 몸체(11)의 타측면은 시험체(100)의 표면에 손상을 주지 않기 위해 유연한 재질의 진동막(14)이 설치된다. 진동막(14)은 반사율이 작고 열에 강한 예로, 내열성 필름 또는 테프론 필름이 바람직하다.

여기서 유체실(12)에는 물(1) 등의 유체가 가득히 채워지도록 구성할 수 있다. 이때 유체는 정적인 상태로 초음파 발진자(20)에서 발생된 초음파를 전달하여 진동막(14)에서는 도 3과 같이 단일한 파장과 단일한 방향으로만 초음파 발진이 일어난다.

또한 유체실(12)에는 유체와 함께 공기(2)나 가스 등의 기체를 함께 채워넣어 구성할 수 있다. 이렇게 되면 초음파 발진자(20)에서 발생된 초음파로 기체(2)가 액체(1)를 동적상태로 만들고, 이로 인해 액체가 매우 복잡한 유동을 하게 되어 진동막(14)에서는 도 4와 같이 종방향 뿐만 아니라 다양한 파장과 다양한 방향으로 초음파 발진이 일어난다.

이같이 유체실(12)에 도 2와 같이 물(1)로만 가득 채우지 않고 소량의 공기(2)를 채우는 이유는 초음파에 의한 유체의 유동이 매우 복잡하게 일어나도록 하기 위함이다. 즉 도 4에서와 같이 유체실(12)내에서 유체와 기체의 혼합에 의해 다양한 파장을 유도하기 위함이다.

이와 같이 구성된 공구혼(10)은 도 2와 같이 초음파 발진기(20)와 결합되어 도 5와 같이 비파괴 검사시스템을 구현하게 된다.

도 5에서와 같이 초음파 발진기(20)는 증폭기(30)를 매개로 제어장치(40)에 연결되고, 제어장치(40)에는 시험체(100)에 나타나는 열화상을 촬상하여 결함을 검출해내는 적외선 열화상 카메라(50)가 연결되고, 제어장치(40)는 컴퓨터(60)에 의해 조작되게 되어 있다.

따라서 컴퓨터(60)의 프로그램에 의해 비파괴 검사 실행이 이루어지면 제어장치(40)를 통해 증폭기(30)에서 주파수 신호가 발생 증폭되고, 증폭기(30)에서 증폭된 초음파 신호는 초음파 발진자(20)를 통하여 초음파 발진을 하게 된다.

이때 공구혼(10)내의 유체실(12)에 물(1)과 공기(2)가 함께 채워져 있을 경우 공기층에 의해 물이 매우 복잡한 유동을 하게 되어 다양한 파장이 형성되며 종 방향 뿐만 아니라 임의의 다양한 방향으로 발진을 하게 된다. 이로써 초음파가 시험체(100)의 보다 넓은 영역으로 확산되어 결함 검출 능력이 향상된다.

이 과정에서 시험체(100)의 넓은 영역으로 확산된 초음파에서 얻어진 탄성에너지의 일부가 그 결함부에서 열탄성효과로 인하여 열에너지로 변환하게 되고, 이때 적외선 열화상 카메라(50)가 그 발진된 초음파에 동기화시켜 시험체(100)의 전체 온도 분포를 측정하고, 이 측정값은 제어장치(40)를 통해 컴퓨터(60)로 입력되어 결함부를 검출하게 된다.

한편, 공구혼(10)의 유체에 입사된 초음파의 파장은 금속에 비하여 짧기 때문에 공구혼(10)의 길이(L)를 작게 할 수 있다.

다른 한편, 진동막(14)에 접촉된 시험체(100)는 진동막(14)의 유연한 재질 때문에 초음파 발진시에 시험체(100)의 표면에 손상을 주지 않고 비파괴 검사를 수행할 수 있는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 공구혼의 부분 절취된 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 초음파 공구혼과 초음파 발진자의 결합상태도.

도 3은 본 발명에 따른 초음파 공구혼에 물을 가득 채우고 초음파의 파장을 관찰한 상태도.

도 4는 본 발명에 따른 초음파 공구혼에 물과 공기를 혼합하여 채워넣고 초음파의 파장을 관찰한 상태도.

도 5는 본 발명에 따른 초음파 공구혼을 이용한 적외선 열화상 비파괴 검사시스템의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 초음파 공구혼

11: 공구혼 몸체

12: 유체실

13a: 접속구

14: 진동막

Claims (18)

1. 초음파 발진자(20)와 결합되는 초음파 공구혼(10)에 있어서,

   공구혼 몸체(11)의 내부에 상기 초음파 발진자(20)의 일부와 접하고 유체가 저장되는 일정 체적의 유체실(12)을 구비하고, 상기 공구홈 몸체(11)의 일단에 상기 유체실(12)과 접촉되어 있는 유연한 재질의 진동막(14)이 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유체실(12)에는 액체와 함께 기체가 더 장입되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 액체가 상기 기체보다 더 많은 체적으로 유체실(12)에 장입되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 액체는 물인 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
5. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 기체는 공기인 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 공구혼 몸체(11)는 원통 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 진동막(14)은 내열성 실리콘 필름 또는 내열성 테프론 필름 중 어느 하나로 택일되어 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 공구혼 몸체(11)는 인코넬 또는 구리 중 어느 하나의 재질로 택일되어 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
9. 초음파 발진자(20)와 결합되는 초음파 공구혼에 있어서,

   일단에 상기 초음파 발진자(20)와 결합되는 접속구(13a)를 갖고, 내부로 접속구(13a)와 연통된 유체실(12)을 갖는 공구혼 몸체(11)와;

   상기 공구혼 몸체(11)의 일측면에 상기 유체실(12)과 접하여 설치된 유연한 재질의 진동막(14)이 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 유체실(12)에는 액체가 가득 채워져 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
11. 제 9항에 있어서,

    상기 유체실(12)에는 액체와 기체가 함께 채워져 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 액체는 물이고, 상기 기체는 공기로 선택된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
13. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공구혼 몸체(11)는 인코넬 또는 구리 중 어느 하나의 재질로 선택되어 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
14. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 진동막(14)은 내열성 실리콘 필름 또는 내열성 테프론 필름 중 어느 하나의 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
15. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 공구혼 몸체(11)는 원통형으로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
16. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 진동막(14)과 접속구(13a)는 서로 마주보는 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
17. 초음파 발진자(20)와 결합되는 초음파 공구혼(10)에 있어서,

    일단에 상기 초음파 발진자(20)와 결합되는 접속구(13a)를 갖고, 내부로 접속구(13a)와 연통된 유체실(12)을 갖고, 인코넬 또는 구리 중 어느 하나의 재질로 제작된 공구혼 몸체(11)와;

    상기 공구혼 몸체(11)의 타단에 상기 유체실(12)과 접하여 설치되고, 내열성 실리콘 필름 또는 테프론 필름 재질로 이루어진 진동막(14)을 포함하고;

    상기 유체실(12)의 내부에 물과 공기가 함께 장입되어 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼.
18. 시험체(100)의 결함을 검출하기 위한 시스템에 있어서,

    상기 청구항 제1항 내지 제17항 중 어느 하나로 택일된 초음파 공구혼(10)과;

    상기 초음파 공구혼(10)에 결합된 초음파 발진자(20)와;

    상기 초음파 발진자(20)에 초음파 신호를 송출하는 증폭기(30)와;

    상기 시험체(100)에 나타난 온도분포를 촬상하여 결함을 검출해내는 적외선 열화상 카메라(50)와;

    상기 증폭기(30) 및 적외선 열화상 카메라(50)를 제어하기 위한 제어장치(40)와;

    상기 제어장치(40)에 연결되어 비파괴 검사 프로그램을 실행시키는 컴퓨터(60)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 공구혼을 이용한 적외선 열화상 비파괴 검사시스템.

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