KR20150023434A - 강재의 품질 평가 방법 및 품질 평가 장치 - Google Patents

Abstract

강재의 품질 평가 장치는, 표층부를 포함하는 강재(1)의 흑피면 S1에 대향하는 주사면 S2를 향하여 초음파 신호를 주사하고, 초음파 신호의 주사에 수반하여 발생하는 강재(1)로부터의 에코 신호를 수신하는 탐상자 제어부(11)와, 에코 신호의 파형 데이터를 이용하여 흑피면 S1로부터의 에코 신호의 전파 노정(路程)을 산출하고, 산출된 전파 노정으로부터 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 흑피면 S1의 형상 프로파일을 산출하는 흑피면 형상 프로파일 계산부(14)와, 흑피면 S1의 형상 프로파일에 기초하여 강재(1) 내의 결함에 유래하는 에코 신호의 검출 범위를 탐상 게이트로서 설정하고, 설정한 탐상 게이트 내의 에코 신호의 최대값을 맵핑한 결함 지시 화상을 생성, 출력하는 결함 지시 화상화부(15) 및 결함 지시 출력부(16)를 구비하고 있다.

Description

강재의 품질 평가 방법 및 품질 평가 장치{STEEL MATERIAL QUALITY EVALUATION METHOD AND QUALITY EVALUATION DEVICE}

본 발명은, 초음파를 이용하여 강재를 탐상(flaw detection)하고, 탐상 결과에 기초하여 강재의 품질을 평가하는 강재의 품질 평가 방법 및 품질 평가 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 박판 강재는, 연속 주조, 열연, 산세정, 냉연 및, 아연 도금과 같은 복수의 공정을 거쳐 제조된다. 이러한 박판 강재의 최종 제품에 있어서 문제가 되는 결함은, 외관상의 문제가 되는 표면 결함이나 프레스 처리에 의해 현재화(顯在化)되는 표층(표면으로부터 깊이 50㎛∼10㎜ 정도의 범위) 바로 아래의 결함이다. 이들 결함은, 전술한 각 공정에서 발생할 가능성이 있다. 예를 들면, 연속 주조 공정에 있어서 발생하는 결함으로서는, 알루미나성 개재물이나 파우더성 개재물이 있다. 또한, 열연 공정에 있어서의 스케일 오프 처리시, 강재의 표층하의 기포가 표면에 나타나, 기포 중에 스케일이 쌓이는 것도, 표면 결함의 원인 중 하나라고 말해지고 있다. 이러한 개재물이나 기포는, 통상, 연속 주조된 강편의 표층 바로 아래에 많이 존재하기 때문에, 연속 주조기의 주형 내에서의 전자(電磁) 교반이나 브레이크 기술 등에 의해, 가능한 한 강편의 표층 바로 아래에 결함을 발생시키지 않는 바와 같은 작업이 실시되고 있다.

연속 주조 공정의 주조 조건이 적절한지 아닌지를 판단하기 위해 강편의 품질을 평가하는 방법 중 하나로서, 강편으로부터 절출된 피검사재의 표면을 수 밀리 정도 연삭한 후, 초음파 탐상법을 이용하여 피검사재를 탐상함으로써, 피검사재 내부의 개재물이나 기포의 분포 상태를 통계적으로 조사하는 방법이 있다. 초음파 탐상법은, 철강 제품 내부의 결함의 탐상에 널리 사용되고 있는 검사 방법이다. 일반적으로 알려져 있는 초음파 탐상법은, 탐상면에 대하여 수직으로 초음파 신호를 입사시키는 수직 펄스 에코법으로 피검사재를 탐상하는 방법이며, 초음파 탐촉자와 피검사재를 기름이나 물로 음향 결합하고, 초음파 탐촉자로 에코 신호를 수신한다. 그러나, 이 초음파 탐상법에 의하면, 피검사재의 두께의 중앙부는 충분히 탐상할 수 있지만, 표면하 수 밀리의 극표층부는, 초음파 신호나 에코 신호가 탐상 불가능한 불감대 영역에 들어가기 때문에, 탐상할 수 없다.

이러한 배경으로부터, 피검사재의 극표층부(표면으로부터 깊이 50㎛∼2㎜ 정도의 범위)의 결함을 탐상하는 방법으로서, 초음파 신호의 주파수를 예를 들면 50㎒ 정도로 고주파화하는 방법이 제안되고 있다. 구체적으로는, 특허문헌 1에는, 물을 통하여 수직 펄스 에코법으로 피검사재를 탐상하는 방법에 있어서, 초음파 신호의 주파수를 고주파화함으로써 수신되는 표면 에코 신호의 시간폭을 짧게 하여, 표층부에 존재하는 결함에 의해 발생하는 다중 반사 에코 신호를 검출하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법에 의하면, 종래는 불감대 영역에 들어가 검출할 수 없었던 결함 에코 신호를 검출할 수 있게 되기 때문에, 극표층부의 결함을 탐상할 수 있다.

일본공개특허공보 평01-237449호 일본공개특허공보 평09-257762호

그러나, 특허문헌 1 기재의 초음파 탐상 방법에는 이하에 나타내는 바와 같은 문제점이 있다. 이하, 도 11 및 도 12를 참조하여, 특허문헌 1 기재의 초음파 탐상 방법의 문제점에 대해서 설명한다.

도 11 및 도 12는 각각, 특허문헌 1 기재의 초음파 탐상 방법을 이용하여 표면이 거친 피검사재의 표층부(표면으로부터 수 mm∼10㎜ 정도의 범위)를 탐상했을 때의 초음파 신호의 반사 경로 및 에코 신호의 파형을 나타내는 도면이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 피검사재의 표면 S가 거친 경우, 초음파 탐상자(100)로부터 송출되어, 피검사재 내부의 결함 D에서 반사된 초음파 신호는, 표면 S의 산의 부분에서는 반사 경로 R1, 표면 S의 골짜기의 부분에서는 반사 경로 R2를 전파한다. 이 때문에, 표면 S가 거친 피검사재를 탐상하는 경우, 표면 S의 요철에 의해 초음파 신호의 전파 시간에 차이가 발생한다. 한편, 도 12(c)에 나타내는 바와 같이, 초음파 탐상자(100)가 수신하는 에코 신호는, 도 12(a)에 나타내는 반사 경로 R1(도 11 참조)을 전파한 표면 에코 신호 ES1 및 결함 에코 신호 EF1을 포함하는 에코 신호와 도 12(b)에 나타내는 반사 경로 R2(도 11 참조)를 전파한 표면 에코 신호 ES2 및 결함 에코 신호 EF2를 포함하는 에코 신호와의 합이다.

이상의 이유로부터, 반사 경로 R1을 전파한 표면 에코 신호 ES1과 반사 경로 R2를 전파한 표면 에코 신호 ES2와의 사이에는 시간차가 발생한다. 구체적으로는, 피검사재가 강이며, 가령 표면에 1㎜의 오목 부분이 있는 부분을 탐상했다고 하면, 강의 음속은 약 5900m/s, 수중의 음속은 약 1490m/s이기 때문에, 반사 경로 R1을 전파한 표면 에코 신호 ES1에 대하여 표면하 약 4㎜에 상당하는 위치에 반사 경로 R2를 전파한 표면 에코 신호 ES2가 나타난다. 이 때문에, 도 12(c), 도 12(d)에 나타내는 바와 같이, 초음파 탐상자(100)가 수신하는 에코 신호에 포함되는 표면 에코 신호 ES의 시간폭은 길어져, 표면 에코 신호 ES가 결함을 검출하기 위해 설정된 탐상 게이트 내에 파고들어가 노이즈가 되고, S/N이 저하되어, 결과적으로 표층부의 결함을 정밀도 높게 검출할 수 없게 된다.

또한, 이러한 문제를 해결하기 위해, 특허문헌 2에는, 강재 표면을 연삭한 후에 초음파 탐상법을 이용하여 강재를 탐상함으로써, 표면의 요철에 기인하는 노이즈의 발생을 억제하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 특허문헌 2 기재의 기술에 의하면, 연삭된 표층 부분의 결함을 탐상할 수 없게 된다.

피검사재는 표면이 평탄한 것뿐만 아니라, 평탄부의 평균 표면 거칠기에 비해, 그 표면이 거칠고, 큰 요철을 갖는 비(非)평탄부를 갖는 것이 많다. 예를 들면 후판이나 이음매 없는 관 등에서는, 압연 등의 공정에 있어서 표면에 스케일 등이 압입됨으로써 오목 부분이 발생하거나, 부분적으로 손질을 행한 부위에 오목 부분이 존재하거나 하는 경우가 있다. 또한, 연속 주조된 강편의 표면에는, 오실레이션 마크라고 불리는 오목 부분이 존재한다. 이 때문에, 요철을 갖는 표층부의 결함을 정밀도 높게 검출 가능한 기술의 제공이 기대되고 있었다.

본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 요철을 갖는 표층부의 결함을 정밀도 높게 탐상 가능한 강재의 품질 평가 방법 및 품질 평가 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 강재의 품질 평가 방법은, 표층부를 포함하는 강재의 표면에 대향하는 면을 향하여 초음파 신호를 주사하고, 당해 초음파 신호의 주사에 수반하여 발생하는 강재로부터의 에코 신호를 수신하는 스텝과, 상기 에코 신호의 파형 데이터를 이용하여 상기 표면으로부터의 에코 신호의 전파 노정(路程)을 산출하고, 산출된 전파 노정으로부터 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 상기 표면의 형상 프로파일을 산출하는 스텝과, 상기 표면의 형상 프로파일에 기초하여 강재 내의 결함에 유래하는 에코 신호의 검출 범위를 탐상 게이트로서 설정하고, 설정한 탐상 게이트 내의 에코 신호의 최대값을 맵핑한 결함 지시 화상을 생성, 출력하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 강재의 품질 평가 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 형상 프로파일을 산출하는 스텝은, 상기 표면으로부터의 에코 신호의 파형에 대한 포락선 파형을 산출하고, 당해 포락선 파형으로부터 상기 전파 노정을 산출하고, 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 전파 노정의 프로파일에 대하여 평활화 처리를 행함으로써, 초음파 신호에 주사 방향에 있어서의 상기 표면의 형상 프로파일을 산출하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 강재의 품질 평가 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 평활화 처리는, 이동 평균 처리를 이용한 평활화 처리인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 강재의 품질 평가 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 에코 신호를 수신하는 스텝을, 물을 통하여 라인 포커스 형상의 초음파 신호를 송신하는 제1 압전형 진동자와, 라인 포커스 형상의 수신 신호 시야를 갖고, 상기 에코 신호를 수신하는 제2 압전형 진동자를 구비하고, 제1 압전형 진동자와 제2 압전형 진동자가, 제1 압전형 진동자가 송신하는 초음파 신호와 상기 수신 신호 시야의 중심축과의 교차 위치가 강재 중의 소정의 깊이 범위 내에 위치하도록 음향 격리판을 개재하여 대향 배치되어 있는 탐상 수단을 이용하여 행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 강재의 품질 평가 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2 압전형 진동자는, 제1 압전형 진동자와 제2 압전형 진동자가 대향하는 면에 대하여 수직 및 평행한 방향에서는 각각 송신 또는 수신하는 신호가 확산 및 집속하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 강재의 품질 평가 장치는, 표층부를 포함하는 강재의 표면에 대향하는 면을 향하여 초음파 신호를 주사하고, 당해 초음파 신호의 주사에 수반하여 발생하는 강재로부터의 에코 신호를 수신하는 탐상 수단과, 상기 에코 신호의 파형 데이터를 이용하여 상기 표면으로부터의 에코 신호의 전파 노정을 산출하고, 산출된 전파 노정으로부터 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 상기 표면의 형상 프로파일을 산출하는 산출 수단과, 상기 표면의 형상 프로파일에 기초하여 강재 내의 결함에 유래하는 에코 신호의 검출 범위를 탐상 게이트로서 설정하고, 설정한 탐상 게이트 내의 에코 신호의 최대값을 맵핑한 결함 지시 화상을 생성, 출력하는 화상 생성 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 강재의 품질 평가 방법 및 품질 평가 장치에 의하면, 요철을 갖는 표층부의 결함을 정밀도 높게 탐상할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태인 강재의 품질 평가 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태인 강재의 품질 평가 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 3은 초음파 신호의 주사에 수반하여 발생하는 에코 신호를 나타내는 개략도이다.
도 4는 B 에코의 전파 노정의 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 B 스코프상의 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 B 스코프상의 평활화 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 결함 지시 화상의 생성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 C 스코프상 및 B 스코프상의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9a는 초음파 탐촉자의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 9b는 초음파 탐촉자의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 10은 압전형 진동자의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.
도 11은 표면이 거친 피검사재의 표층부를 탐상했을 때의 초음파 신호의 반사 경로를 나타내는 도면이다.
도 12는 표면이 거친 피검사재의 표층부를 탐상했을 때의 에코 신호 및 게이트 신호의 파형을 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태인 강재의 품질 평가 장치 및 품질 평가 방법에 대해서 설명한다.

[품질 평가 장치의 구성]

우선, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태인 강재의 품질 평가 장치의 구성에 대해서 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태인 강재의 품질 평가 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태인 강재의 품질 평가 장치는, 초음파 탐상자(10), 탐상자 제어부(11), A/D 변환부(12), 파형 메모리(13), 흑피면 형상 프로파일 계산부(14), 결함 지시 화상화부(15) 및, 결함 지시 출력부(16)를 주된 구성 요소로서 구비하고 있다.

초음파 탐상자(10)는, 강재(1)를 향하여 초음파 신호를 송출하고, 강재(1)로부터의 초음파 신호의 반사 신호를 에코 신호로서 수신하는 것이다.

탐상자 제어부(11)는, 초음파 탐상자(10)의 구동을 제어함과 함께, 초음파 탐상자(10)가 수신한 에코 신호를 A/D 변환부(12)에 출력하는 것이다.

A/D 변환부(12)는, 탐상자 제어부(11)로부터 출력된 아날로그 형태의 에코 신호의 파형 데이터를 디지털 형태의 에코 신호의 파형 데이터로 변환하고, 디지털 형태로 변환된 에코 신호의 파형 데이터를 파형 메모리(13) 내에 격납하는 것이다.

흑피면 형상 프로파일 계산부(14), 결함 지시 화상화부(15) 및, 결함 지시 출력부(16)는, 마이크로 프로세서 등의 정보 처리 장치가 컴퓨터 프로그램을 실행함으로써 실현된다.

흑피면 형상 프로파일 계산부(14)는, 파형 메모리(13) 내에 격납되어 있는 에코 신호의 파형 데이터를 이용하여 강재(1)의 흑피면 S1의 형상 프로파일을 산출한다.

결함 지시 화상화부(15)는, 흑피면 형상 프로파일 계산부(14)에 의해 산출된 강재(1)의 흑피면 S1의 형상 프로파일에 기초하여 강재(1)의 표층부에 존재하는 결함의 화상을 결함 지시 화상으로서 생성한다.

결함 지시 출력부(16)는, 결함 지시 화상화부(15)가 생성한 결함 지시 화상을 출력한다.

[품질 평가 처리]

이러한 구성을 갖는 강재의 품질 평가 장치는, 이하에 나타내는 품질 평가 처리를 실행함으로써, 요철을 갖는 표층부의 결함을 탐상한다. 이하, 도 2에 나타내는 플로우 차트를 참조하여, 품질 평가 처리를 실행할 때의 강재의 품질 평가 장치의 동작에 대해서 설명한다.

도 2는, 본 발명의 일 실시 형태인 품질 평가 처리의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다. 도 2에 나타내는 플로우 차트는, 오퍼레이터가, 연속 주조된 강편으로부터 절출된 판 형상의 강재(1)의 흑피면 S1에 대향하는 표면 S2(이하, 주사면 S2라고 표기)가 초음파 탐상자(10)에 대향하도록 강재(1)를 세팅하고(도 1 참조), 품질 평가 장치에 대하여 품질 평가 처리의 실행을 지시한 타이밍에서 개시가 되어, 품질 평가 처리는 스텝 S1의 처리로 진행된다.

스텝 S1의 처리에서는, 탐상자 제어부(11)가, 강재(1)의 길이 방향 위치를 지정하는 프로그램 카운터 p의 값을 1로 설정한다. 이에 따라, 스텝 S1의 처리는 완료되고, 품질 평가 처리는 스텝 S2의 처리로 진행된다.

스텝 S2의 처리에서는, 탐상자 제어부(11)가, 프로그램 카운터 p의 값에 대응하는 폭방향 주사 데이터 Data(p)를 판독한다. 이에 따라, 스텝 S2의 처리는 완료되고, 품질 평가 처리는 스텝 S3의 처리로 진행된다.

스텝 S3의 처리에서는, 탐상자 제어부(11)가, 강재(1)와 초음파 탐상자(10)를 상대적으로 이동시킴으로써 프로그램 카운터 p에 대응하는 강재(1)의 길이 방향 위치에 초음파 탐상자(10)를 이동한다. 탐상자 제어부(11)는, 스텝 S2의 처리에 의해 판독된 폭방향 주사 데이터 Data(p)에 따라, 강재(1)와 초음파 탐상자(10)를 강재(1)의 폭방향을 따라 상대적으로 이동시키면서 초음파 탐상자(10)로부터 초음파 신호를 송신함으로써 주사면 S2를 향하여 초음파 신호를 주사한다. 탐상자 제어부(11)는, 초음파 탐상자(10)가 수신한 에코 신호를 A/D 변환부(12)에 출력한다. 그리고, A/D 변환부(12)는, 탐상자 제어부(11)로부터 출력된 아날로그 형태의 에코 신호의 파형 데이터를 디지털 형태의 에코 신호의 파형 데이터로 변환하고, 디지털 형태로 변환된 에코 신호의 파형 데이터를 파형 메모리(13) 내에 격납한다. 이에 따라, 스텝 S3의 처리는 완료되고, 품질 평가 처리는 스텝 S4의 처리로 진행된다.

스텝 S4의 처리에서는, 흑피면 형상 프로파일 계산부(14)가, 파형 메모리(13) 내에 격납되어 있는 에코 신호의 파형 데이터로부터 흑피면 S1로부터의 에코 신호(이하, B 에코라고 표기)를 추출하고, 추출된 B 에코를 이용하여 흑피면 S1의 형상 프로파일(B 스코프상, 저면(底面) 위치 정보)을 산출한다. 여기에서, 도 3∼도 5를 참조하여, 흑피면 S1의 형상 프로파일의 산출 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 초음파 탐상자(10)로부터 초음파 신호를 송출함으로써, 강재(1)의 흑피면 S1로부터의 B 에코 EB, 강재(1) 중의 결함 D로부터의 에코 신호(이하, F 에코로 표기) EF 및, 주사면 S2로부터의 에코 신호 ES가 발생한다.

흑피면 S1의 형상 프로파일을 산출할 때, 흑피면 형상 프로파일 계산부(14)는, B 에코의 전반(傳搬) 노정(전파 시간 또는 깊이 위치)을 산출한다. 구체적으로는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 흑피면 형상 프로파일 계산부(14)는, B 에코 게이트를 이용하여 파형 메모리(13) 내에 격납되어 있는 에코 신호의 파형 데이터로부터 B 에코의 파형 데이터를 추출하고, B 에코 게이트 내에 있어서의 B 에코의 파형 BL의 상승 시점으로부터 전파 노정 ΔT를 산출한다. B 에코의 전파 노정 ΔT를 산출할 때에는, B 에코의 파형 BL의 절대값에 로우패스 필터 처리나 이동 평균 처리 등의 처리를 행함으로써 포락선 파형(검파 파형) L1을 산출하고, 포락선 파형 L1의 진폭이 문턱값 Tb 이상이 되는 전파 시간을 전파 노정 ΔT로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 도 5(a), 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 흑피면 형상 프로파일 계산부(14)는, B 에코의 전파 노정 ΔT에 기초하여, 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 B 에코 EB의 전파 노정 ΔT의 프로파일을 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 흑피면 S1의 형상 프로파일로서 생성한다. 이에 따라, 스텝 S4의 처리는 완료되고, 품질 평가 처리는 스텝 S5의 처리로 진행된다.

스텝 S5의 처리에서는, 흑피면 형상 프로파일 계산부(14)가, 스텝 S4의 처리에 의해 생성된 흑피면 S1의 형상 프로파일에 대하여 평활화 처리를 행한다. 스텝 S4의 처리에서는, 흑피면 S1의 바로 아래에 있는 F 에코도 포함하여 흑피면 S1의 형상 프로파일로서 인식해 버린다. 이 때문에, 흑피면 형상 프로파일 계산부(14)는, 도 6에 나타내는 바와 같이 흑피면 S1의 형상 프로파일에 대하여 평활화 처리를 행함으로써, 참된 흑피면 S1의 형상을 산출한다. 평활화 처리는, 이동 평균 처리 또는 디지털 IIR 필터나 FIR 필터 등을 이용한 로우패스 필터 처리를 행함으로써 행할 수 있다. 이에 따라, 스텝 S5의 처리는 완료되고, 품질 평가 처리는 스텝 S6의 처리로 진행된다.

스텝 S6의 처리에서는, 결함 지시 화상화부(15)가, 스텝 S5의 처리에 의해 평활화된 흑피면 S1의 형상 프로파일에 기초하여 F 에코의 검출 범위를 탐상 게이트로서 설정한다. 구체적으로는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 결함 지시 화상화부(15)는, 흑피면 S1의 형상 프로파일을 기준으로 한 소정 진폭의 범위 내를 탐상 게이트로서 설정한다. 그리고, 결함 지시 화상화부(15)는, 탐상 게이트를 이용하여 흑피면 S1을 기준으로 한 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 F 에코의 프로파일(F 스코프상)을 생성하고, F 에코의 진폭의 최대값(최대 에코 높이) 및 그 위치 좌표를 산출한다. 흑피면 S1의 형상 프로파일에 기초하여 탐상 게이트를 설정함으로써, 흑피면 S1의 요철에 추종하도록 탐상 게이트를 설정할 수 있기 때문에, 요철을 갖는 표층부의 결함을 정밀도 높게 탐상할 수 있다. 이에 따라, 스텝 S6의 처리는 완료되고, 품질 평가 처리는 스텝 S7의 처리로 진행된다.

스텝 S7의 처리에서는, 결함 지시 화상화부(15)가, 스텝 S6의 처리에 의해 산출된 최대 에코 높이 및 그 위치 좌표를 도시하지 않는 일시 기억 메모리에 출력한다. 이에 따라, 스텝 S7의 처리는 완료되고, 품질 평가 처리는 스텝 S8의 처리로 진행된다.

스텝 S8의 처리에서는, 탐상자 제어부(11)가, 미처리의 폭방향 주사 데이터 Data(p)가 있는지 아닌지를 판별한다. 판별의 결과, 미처리의 폭방향 주사 데이터 Data(p)가 있는 경우, 탐상자 제어부(11)는 품질 평가 처리를 스텝 S9의 처리로 진행한다. 한편, 미처리의 폭방향 주사 데이터 Data(p)가 없는 경우에는, 탐상자 제어부(11)는 품질 평가 처리를 스텝 S10의 처리로 진행한다.

스텝 S9의 처리에서는, 탐상자 제어부(11)가, 프로그램 카운터 p의 값을 1 증수한다. 이에 따라, 스텝 S9의 처리는 완료되고, 품질 평가 처리는 스텝 S2의 처리로 되돌아온다.

스텝 S10의 처리에서는, 결함 지시 화상화부(15)가, 도시하지 않는 일시 기억 메모리에 출력된 각 폭방향 주사 데이터 Data(p)의 최대 에코 높이 및 그 위치 좌표를 강재(1)의 길이 방향으로 맵핑함으로써 결함 지시 화상을 생성한다. 그리고, 결함 지시 출력부(16)는, 결함 지시 화상화부(15)가 생성한 결함 지시 화상을 출력한다. 이에 따라, 스텝 S10의 처리는 완료되고, 일련의 품질 평가 처리는 종료된다.

또한, 스텝 S10의 처리에 있어서, 결함 지시 화상화부(15)는, 미리 설정한 문턱값 이상의 최대 에코 높이를 갖는 위치 좌표에 라벨링 처리를 행하고, 라벨링 처리 결과에 기초하여 결함 개수, 결함 지름, 결함 깊이 등을 산출, 출력해도 좋다.

이상의 설명으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태인 강재의 품질 평가 장치에 의하면, 탐상자 제어부(11)가, 표층부를 포함하는 강재(1)의 흑피면 S1에 대향하는 주사면 S2를 향하여 초음파 신호를 주사하고, 초음파 신호의 주사에 수반하여 발생하는 강재(1)로부터의 에코 신호를 수신하고, 흑피면 형상 프로파일 계산부(14)가, 에코 신호의 파형 데이터를 이용하여 흑피면 S1로부터의 에코 신호의 전파 노정을 산출하고, 산출된 전파 노정으로부터 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 흑피면 S1의 형상 프로파일을 산출하고, 결함 지시 화상화부(15)및 결함 지시 출력부(16)가, 흑피면 S1의 형상 프로파일에 기초하여 강재(1) 내의 결함에 유래하는 에코 신호의 검출 범위를 탐상 게이트로서 설정하고, 설정한 탐상 게이트 내의 에코 신호의 최대값을 맵핑한 결함 지시 화상을 생성, 출력한다. 이러한 구성에 의하면, 흑피면 S1의 형상 프로파일에 기초하여 탐상 게이트를 설정함으로써, 흑피면 S1의 요철에 추종하도록 탐상 게이트를 설정할 수 있기 때문에, 요철을 갖는 표층부의 결함을 정밀도 높게 탐상할 수 있다.

[실시예 1]

본 실시예에서는, 연속 주조된 강편으로부터 폭(C방향) 300mm×길이(L방향) 300mm×두께 5㎜의 강재를 가공하고, 흑피면을 초음파 탐촉자로부터 초음파를 주사하는 면과 반대면이 되도록 강재를 설치하고, 초음파 탐촉자를 기계 주사하면서, 강재 내부로부터의 반사 신호를 수신했다. 이때, 초음파 탐촉자는 주파수 5㎒, 진동자 지름 φ12.8㎜, 초점 거리 60㎜의 단일 프로브를 이용하여, 폭 300mm×길이 300㎜의 강재에 대하여 강재의 중앙 폭방향 280㎜, 길이 방향 200㎜의 범위를, 탐상 피치를 강재의 C방향, L방향 모두 0.5㎜ 피치로 하여 초음파의 송수신을 행했다. 또한, 초음파 탐촉자의 기계 주사 방향은 폭방향(C방향)으로 하고, 길이 방향으로 0.5㎜씩 어긋나게 하면서 400회 탐상을 행했다. 또한, 한 번의 주사마다 수신 파형은 파형 메모리에 격납하고, n회째의 C방향의 수신 파형을 Data(n)으로서 서로 연결시켜 파형 메모리에 격납했다. 그리고, 강재 전체 면을 초음파 탐상하고 수신 파형을 측정한 후, 흑피면 아래의 탐상을 행했다.

B 에코의 전파 노정은, 수신 파형의 절대값에 50점(전파 시간으로 0.1μsec 상당)의 이동 평균 처리를 행하여, 포락선 파형을 산출하고, 포락선 파형의 진폭이 문턱값 Tb 이상이 되는 위치를 판독함으로써 산출했다. B 에코의 전파 노정을 산출할 때의 문턱값 Tb는 가능한 한 작은 것이 바람직한 점에서, 사전에 결함이 없는 강재를 탐상하고, 그 탐상 파형의 노이즈 레벨의 최대값＋0.5dB로서 설정했다. 흑피면의 형상 프로파일에 대한 평활 필터 처리에서는, 10점의 이동 평균 처리를 행하여, 평활화 처리를 실시했다. 도 8은, 본 실시예에 의한 흑피면 바로 아래의 결함(깊이 방향 0.1㎜∼2.0㎜)을 탐상하여 얻어진 2차원 화상(C 스코프상 및 B 스코프상)을 나타낸다. 본 실시예에 의해, 종래 초음파 탐상법에서는 곤란했던 깊이 0.1㎜에 있는 φ0.8㎜ 정도의 기포 결함을 검출할 수 있었다. 이상으로부터, 본 실시예에 의하면, 요철을 갖는 표층부의 결함을 정밀도 높게 탐상할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

[실시예 2]

실시예 1에서는, 초음파 탐촉자로서, 주파수 5㎒, 진동자 지름 φ12.8㎜, 초점 거리 60㎜의 단일 프로브를 이용했다. 그러나, 초음파 탐촉자로서 단일 프로브를 이용한 경우, 강재 표면으로부터의 반사파의 영향에 의해 불감대가 발생하기 때문에, 초음파 신호가 입사하는 강재 표면 아래로부터 3㎜ 정도의 범위 내를 탐상할 수 없다. 그래서, 본 실시예에서는, 도 9a, 도 9b에 나타내는 바와 같은 초음파 탐촉자를 이용하여 초음파 탐상을 행했다.

도 9a, 도 9b는 각각, 초음파 탐촉자의 구성을 나타내는 측면도 및 평면도이다. 도 9a, 도 9b에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 있어서 이용한 초음파 탐촉자는, 압전형 진동자(51)와, 압전형 진동자(52)를 구비하고, 압전형 진동자(51)와 압전형 진동자(52)는 음향 격리판(53)을 개재하여 대향 배치되어 있다.

압전형 진동자(51, 52)는, 라인 포커스 형상으로 초음파 신호를 송수신 가능한 형상을 갖고 있다. 구체적으로는, 압전형 진동자(51, 52)의 형상이 직사각형 형상인 경우, 도 10에 나타내는 바와 같이, 압전형 진동자(51, 52)는, 장변 LS측에는 초음파 신호가 집속하도록 곡률을 부여하고, 단변 SS측은 초음파 신호가 확산하도록 평탄한 그대로로 함으로써 형성되어 있다. 또한, 라인 포커스 형상으로 초음파 신호를 송수신 가능한 바와 같이 평탄한 압전형 진동자에 음향 렌즈를 부착함으로써 압전형 진동자(51, 52)를 형성해도 좋다.

본 실시 형태에서는, 압전형 진동자(51)는, 음향 결합 방법을 수침법으로 하고, 즉 물을 통하여 라인 포커스 형상의 초음파 신호 UB를 송신한다. 압전형 진동자(52)는, 라인 포커스 형상의 수신 신호 시야 RS를 갖고, 압전형 진동자(51)가 송신한 초음파 신호 UB에 수반하여 발생하는 에코 신호를 수신한다. 또한, 압전형 진동자(51, 52)는, 압전형 진동자(51)와 압전형 진동자(52)가 대향하는 면에 대하여 수직 및 평행한 방향에서는 각각 송신 또는 수신하는 신호가 확산 및 집속하도록 형성되어 있다.

또한, 압전형 진동자(51)와 압전형 진동자(52)는, 강재 표면 S1의 법선에 대한 중심축의 각도 φ1, φ2를 조정함으로써, 압전형 진동자(51)가 송신하는 초음파 신호 UB의 중심축 L1과 수신 신호 시야 RS의 중심축 L2와의 교차 위치 P가 강재 중의 소정의 깊이 범위 Dc 내에 위치하도록 배치되어 있다. 또한, 압전형 진동자(51)와 압전형 진동자(52)는, 강 중의 초점 깊이 F가 강재 중의 소정의 깊이 범위 Dc 내에 위치하도록 배치되어 있다.

이러한 구성을 갖는 초음파 탐촉자에 의하면, 압전형 진동자(51)와 압전형 진동자(52)는 정반사 방향과는 상이한 방향으로 향하게 된다. 이 때문에, 압전형 진동자(51)로부터 송신되어, 강재의 표면에서 반사된 신호는, 압전형 진동자(52)에서 수신되기 어려워져, 표면 반사파(S 에코)의 진폭이 작아진다. 또한, 음향 격리판(53)이, 강재의 표면에서 반사되어, 압전형 진동자(52)에 새어나오는 산란파를 차단하기 때문에, 표면 반사파의 진폭이 더욱 작아져, 불감대를 한없이 저감시킬 수 있다.

또한, 후판의 탐상 등에 이용되고 있는 2분할형 탐촉자는, 언뜻 보기에, 본 실시예에서 이용한 초음파 탐촉자와 동일한 구성을 갖고 있다. 그러나, 2분할형 탐촉자에서는, 쐐기를 수지계 소재로 하고, 음향 결합법을 물 박막법(갭법)으로 하고 있다. 이 때문에, 2분할형 탐촉자와 강재와의 사이의 갭(거리)이 조금이라도 열린 방향으로 변동하면, 쐐기 저면 부분과 강재 표면과의 사이에서 다중 반사가 일어나, 노이즈가 발생한다. 이에 대하여, 본 실시예에서 이용한 초음파 탐촉자에서는, 쐐기를 이용하고 있지 않기 때문에, 거리 변동에 수반하는 노이즈는 발생하지 않는다.

또한, 종래의 기술에서는, S 에코의 불감 대역을 좁히기 위해 초음파 신호를 고주파화하고, 또한, 결함으로부터의 반사파를 S/N비 좋게 수신할 수 있도록 하기 위해 초음파 신호를 집속시키고 있다. 그러나, 초음파 신호를 고주파화하고, 또한, 집속시킨 경우, 탐상 가능한 강재의 깊이 범위가 좁아진다. 이에 대하여, 본 실시예에서 이용한 초음파 탐촉자는, 라인 포커스 형상의 초음파 신호가 확산되는 측이 강재의 깊이 방향에 대하여 교차하도록 배치되어 있기 때문에, 교차 범위, 즉 도 9a에 나타내는 측정 깊이 범위 Dc 내에 존재하는 결함으로부터의 반사파를 수신할 수 있다. 이에 따라, 초음파 신호를 고주파화하지 않아도 불감 대역을 좁히고, 또한, 강재의 넓은 깊이 범위를 탐상할 수 있다.

이상, 본 발명자들에 의해 이루어진 발명을 적용한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에 의한 본 발명의 개시된 일부를 이루는 기술 및 도면에 의해 본 발명은 한정되는 일은 없다. 즉, 본 실시 형태에 기초하여 당업자 등에 의해 이루어지는 다른 실시 형태, 실시예 및 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.

본 발명에 의하면, 요철을 갖는 표층부의 결함을 정밀도 높게 탐상 가능한 강재의 품질 평가 방법 및 품질 평가 장치를 제공할 수 있다.

1 : 강재
10, 100 : 초음파 탐상자
11 : 탐상자 제어부
12 : A/D 변환부
13 : 파형 메모리
14 : 흑피면 형상 프로파일 계산부
15 : 결함 지시 화상화부
16 : 결함 지시 출력부
51, 52 : 압전형 진동자
53 : 음향 격리판
D : 결함
S1 : 흑피면
S2 : 주사면

Claims (6)

1. 표층부를 포함하는 강재의 표면에 대향하는 면을 향하여 초음파 신호를 주사하고, 당해 초음파 신호의 주사에 수반하여 발생하는 강재로부터의 에코 신호를 수신하는 스텝과,
   상기 에코 신호의 파형 데이터를 이용하여 상기 표면으로부터의 에코 신호의 전파 노정(propagation path length)을 산출하고, 산출된 전파 노정으로부터 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 상기 표면의 형상 프로파일을 산출하는 스텝과,
   상기 표면의 형상 프로파일에 기초하여 강재 내의 결함에 유래하는 에코 신호의 검출 범위를 탐상 게이트로서 설정하고, 설정한 탐상 게이트 내의 에코 신호의 최대값을 맵핑한 결함 지시 화상을 생성, 출력하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 품질 평가 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 형상 프로파일을 산출하는 스텝은, 상기 표면으로부터의 에코 신호의 파형에 대한 포락선 파형을 산출하고, 당해 포락선 파형으로부터 상기 전파 노정을 산출하고, 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 전파 노정의 프로파일에 대하여 평활화 처리를 행함으로써, 초음파 신호에 주사 방향에 있어서의 상기 표면의 형상 프로파일을 산출하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 품질 평가 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 평활화 처리는, 이동 평균 처리를 이용한 평활화 처리인 것을 특징으로 하는 강재의 품질 평가 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 에코 신호를 수신하는 스텝을, 물을 통하여 라인 포커스 형상의 초음파 신호를 송신하는 제1 압전형 진동자와, 라인 포커스 형상의 수신 신호 시야를 갖고, 상기 에코 신호를 수신하는 제2 압전형 진동자를 구비하고, 제1 압전형 진동자와 제2 압전형 진동자가, 제1 압전형 진동자가 송신하는 초음파 신호와 상기 수신 신호 시야의 중심축과의 교차 위치가 강재 중의 소정의 깊이 범위 내에 위치하도록 음향 격리판을 개재하여 대향 배치되어 있는 탐상 수단을 이용하여 행하는 것을 특징으로 하는 강재의 품질 평가 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 압전형 진동자는, 제1 압전형 진동자와 제2 압전형 진동자가 대향하는 면에 대하여 수직 및 평행한 방향에서는 각각 송신 또는 수신하는 신호가 확산 및 집속하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 강재의 품질 평가 방법.
6. 표층부를 포함하는 강재의 표면에 대향하는 면을 향하여 초음파 신호를 주사하고, 당해 초음파 신호의 주사에 수반하여 발생하는 강재로부터의 에코 신호를 수신하는 탐상 수단과,
   상기 에코 신호의 파형 데이터를 이용하여 상기 표면으로부터의 에코 신호의 전파 노정을 산출하고, 산출된 전파 노정으로부터 초음파 신호의 주사 방향에 있어서의 상기 표면의 형상 프로파일을 산출하는 산출 수단과,
   상기 표면의 형상 프로파일에 기초하여 강재 내의 결함에 유래하는 에코 신호의 검출 범위를 탐상 게이트로서 설정하고, 설정한 탐상 게이트 내의 에코 신호의 최대값을 맵핑한 결함 지시 화상을 생성, 출력하는 화상 생성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 강재의 품질 평가 장치.

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