KR20180060543A - 전자기유도 초음파를 이용한 자동차 엔진밸브 마찰용접부 검사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단면이 U형이고, 영구자석(20)과 원형회로(30)와 엔진밸브(30)를 수납할 수 있고, 삽입된 엔진밸브(30)를 직립상태로 유지할 수 있는 크기와 형상을 갖는 가이드(10); 가이드(10)의 내부 바닥에 배치되는 영구자석(20); 영구자석(20)의 윗면에 배치되는 원형회로(30); 원형회로(30)에 연결되어 양쪽의 임피던스 차이를 줄여주는 기능을 하는 임피던스 매칭회로(I); 및 임피던스 매칭회로(I)에 연결되어, 교류 펄스신호를 생성하는 펄스발생기(P);를 포함하는 전자기유도 초음파를 이용한 자동차 엔진밸브 마찰용접부 검사장치에 관한 것이다.

Description

전자기유도 초음파를 이용한 자동차 엔진밸브 마찰용접부 검사장치{Apparatus for Friction weldment Inspection of Engine valves for Automobile Using Electromagnetic Ultrasound}

본 발명은 자동차 엔진밸브 검사용 초음파 발생장치에 관한 것으로, 구체적으로는 자동차 엔진밸브의 마찰용접부의 불량검사를 위한 전자기 기반의 이중 초음파 발생장치에 관한 것이다.

자동차 엔진밸브는 고온고압의 실린더 내부에서 폭발가스를 배출하고 흡입가스가 유입되는 통로에 위치하기 때문에, 극심한 온도차와 압력을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 따라서, 엔진 내부에 있는 밸브헤드부는 고온과 고압에 견딜 수 있는 우수한 재료로 성형되어야 하고, 엔진 크랭크축과 연동되어 슬라이딩 운동을 하는 밸브샤프트는 비교적 인성이 강한 재료로 성형되어야 한다. 이 때문에 통상 자동차 엔진밸브는 밸브헤드부와 샤프트 부분의 재료가 다르고, 각각 성형된 뒤에 헤드부와 샤프트부가 마찰용접에 의해 접합되는 것이 보통이다.

도 1은 자동차 엔진밸브의 단면도로서, 밸브 헤드부와 샤프트부를 구분하여 보여주고 있다. 헤드부는 austenitic steel과 같은 고강도강으로 성형되고, 샤프트부는 인성이 우수한 martensitic steel 등으로 성형되는 것이 보통이다.

자동차의 엔진밸브는 자동차의 성능과 수명에 아주 중요한 부품인 관계로 품질관리의 수준이 매우 높아야 하고, 이때문에 엔진밸브의 마찰용접부는 생산현장에서 100% 전수검사를 받아야 한다. 현재의 검사방법은 초음파 펄스-에코 방법을 이용하는데, 도 2는 이 방법을 보여주고 있다.

도 2에서 알 수 있듯이, 밸브샤프트 단부면에 그리스와 같은 커플런트(couplant)를 도포한 뒤, 접촉식 초음파 탐촉자를 접촉하여, 밸브 단부에서 초음파가 헤드부를 향해 전파되어 헤드부와 샤프트부의 마찰용접부를 통과하도록 한다. 이때 마찰용접부과 완벽하게 용접된 경우 2개의 이종 금속이 완전하게 용융되어 접합된 것이므로, 물리적으로 마찰용접면의 경계면이 없는 것으로 되어 반사파가 생기지 않지만, 마찰용접부가 불량하여 크랙이나 기공 등이 있는 경우에는 판사파가 생겨 샤프트 단부로 초음파가 반사되어 돌아온다. 샤프트 단부에 연결된 초음파센서가 이런 반사파의 유무를 감지하여 디스플레이에 디스플레이 함으로써 용접부의 불량여부를 판정한다.

그러나, 이런 검사방법은 몇가지 문제가 있다. 가장 큰 문제는 접촉식 검사방법이기 때문에 작업자가 도 3과 같이 손으로 초음파센서를 쥐고 접촉상태를 유지해야만 한다. 접촉상태를 잘 유지할 경우에는 문제가 없지만, 수백만개 정도의 대량의 밸브를 생산하는 공장에서 이와 같은 수동식 밸브검사를 지속적으로 할 경우 작업자의 숙련도나 피로도에 따라 불량품을 우량품으로 오판할 수 있는 확률이 매우 높다. 또, 접촉식 초음파센서는 접촉마모냐 장기간 사용으로 인한 열화 등으로 주기적으로 보정과 교체가 이루어져야 하므로, 비용과 시간이 소요된다.

이때문에 일부 불량품이 엔진에 장착될 경우, 자동차 품질은 물론 대형 사고를 유발할 수 있는 위험이 매우 크다.

본 발명은 종래의 접촉식 초음파 센서를 비접촉 방식으로 개선한 검사장치에 관한 것으로, 그 핵심은 종래 초음파 발생에 사용되었던 압전식 발생 메커니즘을 전자기 방식의 발생소자로 대체하는데 있다. 이에 따라 종래에 초음파센서를 작업자가 손으로 밸브샤프트에 정확히 접촉시킨 후 수초동안 지지하고 있어야 하는 불편함과 부정확성을 개선하여, 엔진밸브 판정의 불량률을 획기적으로 개선하는데 있다. 부가적으로는 현재는 한 종류의 초음파(종파)를 발생시켜 마찰용접부의 용접불량을 검사하였으나 본 발명에서는 종파와 횡파 두 종류의 초음파를 동시에 발생시켜 두 파동의 반사파를 획득할 수 있기 때문에 한 번의 검사에서 두 번의 검사를 시행하는 효과를 거둘 수 있어 검사의 신뢰성을 크게 향상시키는데 있다.

이런 목적 달성을 위해, 본 발명은,

단면이 U형이고, 영구자석(20)과 원형회로(30)와 엔진밸브(30)를 수납할 수 있고, 삽입된 엔진밸브(30)를 직립상태로 유지할 수 있는 크기와 형상을 갖는 가이드(10);

상기 가이드(10)의 내부 바닥에 배치되는 영구자석(20);

상기 영구자석(20)의 윗면에 배치되는 원형회로(30);

상기 원형회로(30)에 연결되어 양쪽의 임피던스 차이를 줄여주는 기능을 하는 임피던스 매칭회로(I); 및

상기 임피던스 매칭회로(I)에 연결되어, 교류 펄스신호를 생성하는 펄스발생기(P);를 포함하고,

상기 원형회로(30) 윗면에 엔진밸브의 단부면을 밀착시킨 상태로 엔진밸브의 헤드가 윗쪽을 향하게 가이드(10)에 엔진밸브를 직립시킬 수 있고, 상기 펄스발생기(P)에서 생성된 펄스신호가 임피던스 매칭회로(I)를 통해 원형회로(30)로 전달되면, 원형회로(30)는 동자기장을 엔진밸브의 축방향으로 발생시키고 영구자석(20)에서 생긴 정자기장과 결합하여 로렌츠힘을 엔진밸브의 축방향으로 발생시켜, 종파와 횡파의 2종류의 펄스 형태의 초음파를 엔진밸브의 축방향으로 진행시키는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 자동차 엔진밸브 마찰용접부 검사장치를 제공한다.

이와 같이 구성된 본 발명은 종래와 달리 커플런트나 접촉매질이 불필요해 접촉불량에서 발생하는 오류가 없으며, 접촉을 유지하기 위해 작업자가 일일이 일정한 힘으로 누르지 않아도 되므로, 작업자의 접촉압력의 차이로 인해 발생하는 통계적 불량이나 오류 판정을 방지할 수 있다.

또, 영구자석이 시험체와 초음파 발생장치를 자력으로 끌어당겨 지지하는 구조이기 때문에 균일한 초음파 발생환경이 조성되어 일정한 초음파 신호를 만들게 되어 불량판정의 오차를 대폭 개선할 수 있다.

또, 서로 다른 2가지 성질의 초음파인 종파와 횡파를 동시에 사용하기 때문에 한번의 검사로 두번의 검사를 수행하는 것과 같은 효과를 낼 수 있어, 검사결과의 신뢰도와 정확도가 대폭적으로 개선된다.

작업자는 단순히 초음파 발생장치의 가이드 구멍에 엔진밸브를 삽입하기만 하면 측정이 완수되므로, 측정 작업시간이 대폭 감소되어 생산성이 개선되고 비용이 절감됨은 물론, 불량률이 대폭 줄어들 수 있다.

더우기, 본 발명의 장치를 다수 배열하면 한번에 100개 또는 그 이상의 엔진밸브를 동시에 검사할 수도 있으므로, 검사 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것이다.

도 1은 자동차 엔진밸브의 단면도;
도 2는 종래의 검사장치의 블록도;
도 3은 작업자가 손으로 초음파센서를 쥐고 있는 상태를 보여주는 사진;
도 4는 로렌츠 힘의 발생원리를 도식적으로 보여주는 도면;
도 5는 전자기 유도에 의한 정자기장/동자기장 생성과 로렌츠힘의 관계를 보여주는 도식도;
도 6은 전자기에 의한 초음파 발생장치의 구성도;
도 7은 본 발명의 검사장치의 구성도.

전자기에 의한 초음파 발생 메커니즘

본 발명의 기본원리는 로렌츠 힘을 이용하는 것으로서, 전자물리학에서 전하를 띤 입자가 전자기장/자기장 안에서 힘을 받게 되는 원리이다.

도 4는 로렌츠 힘의 발생원리를 도식적으로 보여주는 도면이다.

로렌츠 힘이란 전햐량 q를 갖는 입자가 전기장(E) 안에서 속도 v로 움직이면, 이 입자는 qE의 힘을 받고, 자기장(B) 안에서 속도 v로 움직일 때는 qv x B의 힘을 받는다는 원리인데, 이것을 도 4에서 도식적으로 보여주고 있다. 로렌츠 힘의 지배 방정식은 자기장과 전기장의 영향을 결합한 것으로서, 자기장과 전기장을 외부에서 인위적으로 펄스 형태로 제어/생성할 경우 압전효과와 비슷하게 탄성체에 순간적인 힘을 가해 파동을 생성할 수 있다는 것이다.

이런 로렌츠 힘을 이용한 본 발명의 장치는 시험체인 밸브샤프트의 단부의 표면 부근에 와전류를 발생시키기 위한 전자기코일과, 정자기장(static magnetic field)을 인가하기 위해 네오디뮴(Neodymium)으로 이루어진 영구자석으로 이루어진다.

도 5는 전자기 유도에 의한 정자기장/동자기장 생성과 로렌츠힘의 관계를 보여주는 도식도이다.

도 5와 같이 시험체의 표면 근처에 배치된 코일에 교류전류를 가하면 동자기장(dynamic magnetic field)이 형성되며, 동자기장 안에 있는 전기전도체인 엔진밸브 샤프트의 시험체 내에는 전자기유도에 의하여 와전류(eddy current) J가 형성된다. 이 상태에서 영구자석에 의한 정자기장 B를 동시에 가하면 시험체 표면에 있는 입자들은 아리 식 (1)의 로렌츠힘을 받게 된다.

F = J X B ......................(1)

식 (1)에서 J는 와전류 밀도, B는 정자기장의 자속밀도, F는 로렌츠힘이다. 위의 식에서 힘 F의 방향은 J와 B의 상대적인 방향에 의해서 결정된다. 즉, J와 B의 방향이 모두 시험체의 표면에 평행하도록 코일과 영구자석을 배열하면, 입자의 운동방향과 파동 진행방향이 평행인 종파초음파가 발생하고 J를 시험체 표면에 평행하게 설계하고 정자기장 B는 시험체 표면에 수직하도록 배열하면 입자의 운동방향과 파동진행방향이 직교하는 횡파초음파가 발생한다.

본 발명에서는 이런 2가지 초음파를 동시에 발생시켜, 2개의 초음파로 엔진밸브의 마찰용접부에서 2개의 초음파 반사신호를 얻어 검사의 신뢰도를 대폭 향상시킨다. 즉, 앞에서 설명한 초음파 발생기구를 기초로 도 5와 같이 영구자석에 대한 코일의 상대적인 크기와 위치를 결정하면, 로렌츠힘의 발생기구가 크게 2가지 형태로 만들어진다. 도 5를 보면, 영구자석의 자력선의 방향이 코일의 와전류 방향과 이루는 각도가 크게 2가지로 나타나는 것을 알 수 있다. 우선 코일의 중심부에서는 영구자석으로부터의 자력선의 방향이 재료의 표면방향(도면에서 좌우방향)을 향하기 때문에 와전류의 방향과의 관계(식 1)로부터 만들어지는 로렌츠힘은 도 5에서 파단선 화살표(F)로 표시된 것처럼 코일의 중심선을 기준으로 서로 반대방향으로 형성되어 순간적으로 횡파의 가진력이 발생한다. 반면에 영구자석의 반경보다 큰 코일의 외부쪽에서는 자력선의 방향이 코일의 반경방향을 향하기 때문에 로렌츠힘은 시험체의 깊이 방향인 실선 화살표(F) 방향으로 형성되어 종파의 가진력이 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 코일 구조를 나선형이나 타원형으로 하고 영구자석의 높이와 크기를 적절히 배치함으로써, 시험체 표면에 종파와 횡파를 동시에 발생시킬 수 있도록 한다.

본 발명은 마찰용접부에서 흔히 문제가 되는 크랙이나 용접불량에 민감한 횡파와 종파를 동시에 발생시키는 것을 특징으로 한다. 횡파와 종파를 동시에 발생시키기 때문에, 시험체인 엔진밸브의 샤프트 축방향으로 성질이 다른 2가지 초음파가 진행하게 되고, 각각의 초음파의 반사신호를 용접부에서 측정하기 때문에 정확도와 신뢰도가 대폭 향상된다. 특히, 횡파는 크랙과 같은 얇은 결함에 민감하기 때문에 종래의 종파 초음파보다 미세한 결함을 훨씬 더 잘 탐지할 수 있다. 또, 이 원리를 역으로 적용하면, 탄성변형원인 초음파가 입사될 때 전기자기장의 크기가 변하고, 이런 변화를 측정해 초음파의 크기를 감지하는 센서로도 사용이 가능하므로, 초음파 발생과 수신장치로 동시에 사용도 가능하다.

도 6은 전자기에 의한 초음파 발생장치의 구성도이다.

도 6에서 보듯이, 본 발명의 초음파 발생장치는 시험체인 밸브샤프트를 세워서 장착할 수 있도록 하는 가이드, 시험체인 밸브샤프트 단부 표면에 배치되는 원형코일, 및 원형코일 위에 배치되는 영구자석을 포함한다. 이런 초음파 발생장치에 전원과 교류신호를 공급하고 송신하는 전기회로부인 펄스발생기와 임피던스 매칭회로를 더하면 본 발명의 전체 검사장비를 구성할 수 있는데, 이런 전체 장치의 구성도가 도 7에 도시되어 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 전술한 도 6의 초음파 발생장치에 임피던스 매칭회로(I)와 펄스발생기(P)를 연결하여 이루어진다.

단면이 U형인 가이드(10)의 바닥에 영구자석(20)을 설치하고, 영구자석(20)의 표면에 원형코일(30)을 설치한다. 이어서, 원형코일(30) 표면에 엔진밸브(40)를 세워서 배치한다. 가이드(10)의 크기와 형상은 영구자석(20)과 원형코일(30)을 수용하고, 원형코일 위에 엔진밸브(40)를 세워 지지할 수 있을 정도로 하면 된다. 가이드 내부의 원형코일(30) 위에 엔진밸브(40)를 세우면 영구자석(20)의 자력이 밸브를 잡아당겨 지지하기 때문에, 초음파가 효과적으로 엔진밸브의 밸브샤프트 내부로 전파될 수 있다.

원형코일(30)에 임피던스 매칭회로(I)를 연결하고, 임피던스 매칭회로(I)에 펄스발생기(P)를 연결한다.

임피던스 매칭회로는 초음파 발생장치, 구체적으로는 초음파발생장치의 원형코일(30)과 펄스발생기(P) 사이의 임피던스 차이를 줄이는 기능을 한다. 즉, 초음파 발생장치에 제공되는 펄스신호를 생성하는 펄스발생기에서 생기는 신호형태와 에너지가 정확하게 초음파발생장치에 전달될 수 있도록 하는 기능을 한다.

초음파의 진행과 반사거리를 쉽게 측정할 수 있고, 여러가지 결함으로부터 반사파를 쉽게 구별해 그 위치와 크기를 알 수 있도록 펄스형태의 초음파를 사용하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 발명에서는 펄스발생기(P)를 임피던스 매칭회로(I)에 연결하여, 도 7의 좌측의 초음파 발생부에 펄스신호를 공급한다.

도 7과 같이 시험체인 엔진밸브(40)를 가이드(10) 내부로 원형코일(30) 위에 커플런트 없이 삽입하면, 하부의 영구자석(20)에 의해 밸브샤프트가 자력에 의해 원형코일(30)에 밀착된다. 이런 구조에서, 초음파가 효과적이고 일정하게 엔진밸브(40)의 축방향으로 전파될 수 있는데, 이를 위해 펄스발생기(P)가 펄스형태의 교류신호를 임피던스매칭회로(I)를 통해 원형회로(30)에 인가하면 원형코일은 자기장을 엔진밸브(40)의 축방향으로 생성하고, 영구자석에서 생긴 정자기장과 결합하여 로렌츠힘을 엔진밸브의 축방향으로 발생시키게 된다. 이때문에, 화살표로 표시된 것처럼 짧은 시간동안 펄스형태의 초음파가 생성되어 엔진밸브(40)의 축방향으로 진행한다. 전술한 바와 같이, 이때 종파와 횡파의 2종류이 초음파가 생성되고, 이들 초음파의 파동은 속도가 약 2배의 차이가 나기 때문에, 쉽게 구별하여 계측할 수 있다. 이렇게 축방향으로 진행하는 2가지 초음파 펄스는 엔진밸브(40)의 상단부 헤드부까지 도달한 후 다시 초음파 발생장치로 되돌아가는데, 축 중간의 마찰용접부에 결함(크랙이나 용접불량)이 있으면 이런 결함부에서 반사파가 발생하게 되고, 이런 반사파를 감지하여 용접의 불량유무를 판정할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 단면이 U형이고, 영구자석(20)과 원형회로(30)와 엔진밸브(30)를 수납할 수 있고, 삽입된 엔진밸브(30)를 직립상태로 유지할 수 있는 크기와 형상을 갖는 가이드(10);
   상기 가이드(10)의 내부 바닥에 배치되는 영구자석(20);
   상기 영구자석(20)의 윗면에 배치되는 원형회로(30);
   상기 원형회로(30)에 연결되어 양쪽의 임피던스 차이를 줄여주는 기능을 하는 임피던스 매칭회로(I); 및
   상기 임피던스 매칭회로(I)에 연결되어, 교류 펄스신호를 생성하는 펄스발생기(P);를 포함하고,
   상기 원형회로(30) 윗면에 엔진밸브의 단부면을 밀착시킨 상태로 엔진밸브의 헤드가 윗쪽을 향하게 가이드(10)에 엔진밸브를 직립시킬 수 있고, 상기 펄스발생기(P)에서 생성된 펄스신호가 임피던스 매칭회로(I)를 통해 원형회로(30)로 전달되면, 원형회로(30)는 동자기장을 엔진밸브의 축방향으로 발생시키고 영구자석(20)에서 생긴 정자기장과 결합하여 로렌츠힘을 엔진밸브의 축방향으로 발생시켜, 종파와 횡파의 2종류의 펄스 형태의 초음파를 엔진밸브의 축방향으로 진행시키는 것을 특징으로 하는, 전자기유도 초음파를 이용한 자동차 엔진밸브 마찰용접부 검사장치.

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