KR950010392B1 - 표면 열진동을 이용한 초소성 성형 제품의 내부 기공 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

표면 열진동을 이용한 초소성 성형 제품의 내부 기공 측정 장치 및 방법

제1도는 본 발명의 내부 기공 측정 장치의 일실시예의 개략 배치도.

제2도는 본 발명에 따라 측정한 초소성 성형 시편의 내부 기공 체적비.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 발생기 2, 4, 8, 14 : 레이저광

3 : 열원 단속기 5 : 제어 컴퓨터

6 : 신호 처리기 9 : 스폿 크기 조절기

10 : 시편 이송기 11 : 시편

12 : 온도 감지기 13 : 신호 증폭기

본 발명은 초소성 성형 제품의 내부 기공을 정밀하게 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 설명하자면 초소성 재료를 사용하여 기계 부품이나 구조물 등을 성형할때 성형 공정이나 후공정에서 제품 내부에 생기는 기공을 표면 열진동을 이용하여 비파괴적으로 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 우주 항공 산업, 자동차 산업, 전자 산업 등의 분야에서 초소성 가공이 폭넓게 이용되고 있으나, 초소성 변형에 따라 내부에 기공들이 발생, 성장하여 제품의 품질 및 신뢰성을 떨어 뜨리는 것이 문제점으로 지적되어 왔다.

이러한 초소성 제품의 내부 기공을 측정하는 종래의 방법으로서는, 시편을 절단하여 광학적으로 측정하거나, 절단한 부위의 밀도를 측정하여 내부 기공의 함량을 예측하는 방법 등이 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 측정 방법은 제조 공정에는 적용할 수가 없으며, 측정된 제품은 파괴되어 사용할 수가 없을 뿐만 아니라, 시편 준비 과정에서 기 공의 상태 및 분포가 변화되기 쉬우므로, 측정 및 평가의 오차가 상당히 크다.

한편, 비파괴적으로 금속 재료의 내부 결함을 측정하는 방법으로서는, 초음파 탐상법, 자기 탐상법 등 여러가지가 공지되어 있으나, 이러한 방법들은 복잡한 형상의 초소성 가공 제품에는 적용이 난해하다.

예컨대, 험프리스와 리들레이에 의하면, 마이크로듀플렉스 강(microduplex steel)에 초소성 인장 응력을 가하는 도중에 생기는 내부 기공을 밀도 측정 및 정량 광학 금속 조직법(quantitative optical metallography)으로 관찰한 결과를 얻은바 있으나, 이 방법은 반복 재현성이 부족한 결점을 안고 있다[C. W. Humphries and N. Ridley, "Cavitation in Alloy Steels during Superplastic Deformation, "Journal of Materials Science 9(1974) 1429-1435].

또한, 1985년 5월 17일자 프랑스국 특허 공개 제2,554,762호에는 유체 혼합물을 발열 반응하에 팽창시켜 얻은 플라스틱 발포체의 균질도를 검사하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법은 발포체의 형성 과정에서 팽창에 따른 열방출의 불균일성을 측정함으로써 내부 기공들의 분포 정도를 알 수 있고 따라서 그 발포체의 절연 재료로서의 적합성을 검사하기 위한 것이다. 그러나, 이 방법 그대로는 금속, 세라믹 등의 초소성 재료에는 응용이 불가능하다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 함에 그 목적이 있다.

특히, 본 발명의 목적은 표면 열진동을 이용하여 초소성 성형제품의 내부 기공을 비파괴적으로 측정하는 장치와 방법을 제공하고자 함에 있다.

본 발명은 또한, 초소성 성형 제품을 전부위에 걸쳐 전량 검사를 할 수 있는 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 목적들은 열원과 반사경 사이에 열원 단속기를 일직선상에 위치시키고, 상기 반사경에 의한 반사광의 통로상의 일정 위치에 시편 이송기를 위치시키고, 시편 이송기 상에는 온도 감지기를 설치하고 온도 감지기는 신호 증폭기와 신호 처리기를 거쳐 제어 컴퓨터에 연결하여 이루어진 것이 특징인 본 발명의 측정 장치에 의하여 달성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 열원 단속기에는 제어 컴퓨터와 연동되는 신호 처리기가 결합되고, 반사경과 시편 이송기 사이에는 반사광의 스폿(spot) 크기 조절기가 놓일 수 있다. 또한, 시편 이송기에는 시편의 표면 온도를 감지할 수 있는 온도 감지기가 결합되어 있다.

본 발명에 사용되는 열원으로서는 전기, 레이저, 기체 등의 여러가지를 사용할 수 있다. 예컨대, 가격이 저렴하고 열집중도가 높은 헬륨-네온 레이저를 열원으로 사용할 수 있다.

열원 단속 주파수는 시편의 열전도도에 따라서 결정되며 약 1Hz 내지 100KHz 정도가 사용되는데, 일반적으로 금속 시편의 경우에는 100Hz 내지 100KHz 정도, 세라믹 등의 비금속 시편의 경우에는 1Hz 내지 1KHz 정도가 좋다.

레이저에서 발진한 레이저광은 시편의 열전도도에 따라서 기계적 또는 전기 광학적 열원 단속기에 의해 적절한 주기로 차단되고 광학계에 의해 조절된 스폿 크기로 시편에 도달되어 시편을 주기적으로 가열한다.

열원 단속기는 제어 컴퓨터에 의해 신호 처리기로부터 전달되는 단속기 제어신호(V_ref)에 의해 제어된다.

시편 이송기 상에서 가열되는 시편의 표면 온도 변화는 온도 감지기에 의해 감지되고 그 신호는 신호 증폭기에 의해서 증폭된다. 예컨대, 가열된 시편의 표면 온도의 변화는 동작점이 시편의 평균 온도 근처가 되는 적외선 센서로 측정될 수도 있고, 또는 시편이 밀폐된 시험실내에 있는 경우에는 마이크로폰을 사용하여 측정될 수도 있다. 이와 같이 측정된 온도 신호는 증폭기에 의해 적절한 크기로 증폭 시킨 후 신호 처리기에서 열원을 차단한 신호 V_ref와 상관시켜 그 결과를 크기와 위상으로 구분하여 컴퓨터에 기억시킨다.

제어 컴퓨터는 시편의 각 부위에서 측정된 온도 변화 데이터로부터 후술하는 원리에 따라 기공의 체적비를 계산해냄으로써 시편의 각 부위별 기공 분포를 출력한다.

시편의 온도 변화 데이터로부터 기공의 체적비를 계산하는 원리는 다음과 같다.

주기적으로 시편을 국부적으로 가열하면 시편의 표면에서는 공기 경계층과 시편 내부로의 열흐름이 발생한다. 이때, 시편 표면에서의 온도의 미세한 변화는 주로 열전달 특성이 공기층보다 우수한 시편의 열특성에 의해서 결정되는데, 시편 내부의 기공 함량이 많을수록 시편의 열특성, 즉 열전도도가 낮아진다. 즉, 기공을 포함하고 있는 금속의 평균 열전도도는 통상 아래의 수식으로 표현된다.

여기서, k는 시편의 평균 열전도도이고, k_s는 금속의 열전도도이며, V_g는 기공의 체적비이다.

한편, 주기적으로 가열된 시편의 표면 온도(t)는, 시편의 표면으로부터 가열될 경우에는, 시편의 평균 열전도도의 제곱근에 반비례한다. 즉,

tA k^-1/2………………………………………………………………(B)

이 식은 시편의 각 부위에서의 표면 온도는 내부 기공 함량이 많은 부위에서는 표면으로부터 입사한 열진동(또는, 열파)이 기공에서 반사하여 평균 열전도도가 낮아지므로, 그 부위의 표면 온도가 상승하고, 반대로 내부 기공 함량이 적은 부위에서는 표면으로부터 입사한 열진동이 기공에서 반사되는 것이 상대적으로 적으므로, 평균 열전도도가 높아지고 그 부위의 온도는 낮아지는 것을 의미한다.

이러한 원리에 기초하여, 본 발명의 발명자들은 시편의 각 부위에서 측정되는 온도와 그 부위의 내부 기공의 체적비에는 다음의 관계식이 성립한다는 사실을 발견하였다. 즉,

여기서, T는 기준점(초소성 변형이 없는 점)에서는 온도 t(x₀)에 대한 측정점에서의 온도 t(x)의 비, 즉 T=t(x)/t(x₀)이다.

지금까지는 본 발명의 장치와 관련하여 설명하였지만, 본 발명은 또한 표면 열진동을 이용하여 초소성 성형 제품의 내부 기공을 비파괴적으로 측정하는 방법의 모습으로 구성될 수도 있다.

본 발명의 내부 기공 측정 방법은 시편 이송기상에 시편을 고정하고, 열원을 작동시켜 시편에 단속적으로 그리고 집중적으로 열을 공급하여 열진동을 유기하고, 열진동에 의한 시편의 표면 온도 변화를 감지하여 그 신호를 증폭시켜 온도 데이타로서 처리하고, 그 처리된 온도 신호로부터 기공의 체적비를 계산하는 제공정으로 구성되는 것이 특징이다. 본 발명의 방법에 의하면 시편의 일정부위의 측정을 끝낸 다음 다시 시편을 이송하여 다른 부위에 대해 상기 공정들을 반복 시행함으로써 시편 각 부위별 기공들의 체적비, 즉 기공 분포를 알 수 있다. 시편 이송기의 이송은 제어 컴퓨터의 명령에 의해 미리 정해진 크기 및 방향으로 자동적으로 행할 수 있다.

상기 열을 시편에 공급하는 공정은 열원에서 열을 발생시키는 단계와 발생된 열을 열원 단속기로 주기적으로 차단하여 단속적 열선으로 변화시키는 단계로써 구성되며, 단속적 열선을 적절한 스폿 크기로 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 온도 신호를 처리하는 공정에서는 증폭된 온도 신호를 열원으로 차단한 신호와 상관시켜 그 결과를 크기와 위상으로 구분한다.

상기 계산 공정에서는 앞에서 설명한 원리에 의하여 시편 각 부위의 표면 온도 변화 데이타로부터 시편 내부의 기공의 체적비와 분포를 계산한다.

이하, 본 발명을 첨부 도면에 따라 상세히 설명한다.

제1도에 있어서, He-Ne 레이저 등의 열원 발생기(1)로부터 발진한 레이저 광(2)는 열원 단속기(3)에 의해 적절한 주기로 차단되어 단속적인 레이저광(4)로 된다. 열원 단속기(3)의 단속 주기는 시편의 열전도도에 따라서 마이크로컴퓨터(5)가 결정한다. 마이크로컴퓨터(5)가 신호 처리기(6)으로 명령을 보내면 신호 처리기(6)은 다시 열원 단속기(3)으로 단속기 제어 신호(V_ref)를 보낸다.

열원 단속기(3)에 의해 단속적으로 변한 레이저광(4)는 반사경(7)에 의하여 반사되어 반사광(8)의 통로를 통하여 아래로 향하게 되고 스폿 크기 조절기(9)를 통과하면서 적절한 스폿 크기의 레이저광(14)로 되어 시편 이송기(10)위에 고정된 시편(11)의 표면에 충돌한다.

시편(11)이 고정되어 있는 시편 이송기(10)으로서는, 필요에 따라 1축, 2축 또는 다축 이송기를 사용할 수 있다. 시편 이송기(10)은 도시되지 않은 구동 장치에 의하여 구동될 수 있다.

레이저광(14)에 의하여 국부적으로 가열된 시편 (11)의 표면 온도는 온도 감지기(12)에 의해 감지되고, 그 신호는 신호 증폭기(13)에서 증폭되어 신호 처리기(6)으로 전달된다. 신호 처리기(6)은 증폭된 신호를 열원 차단 신호, 즉 열원 단속기 제어 신호 V_ref의 상관시켜 그 결과를 크기와 위상으로 구분하여 마이크로컴퓨터(5)에 기억시킨다.

마이크로컴퓨터(5)는 입력된 시편의 표면 온도 신호(데이타)로부터 전술한 관계식(C)에 따라 시편의 각 부위별 기공 체적비를 계산하여 시편의 기공 분포도를 출력한다.

[시험예]

본 발명의 장치와 방법에 따라, 선발된 2종의 초소성 성형 금속 시편의 내부기공 분포도를 측정하였다.

시편 Ⅰ은 Cu 6.0 중량%, Zr 0.5 중량% 및 잔량이 Al인 합금으로서, 723。K의 온도에서 약 400%의 초소성 성형을 행하여 제작하였다. 시편 Ⅱ는 Li 2.3 중량%, Cu 1.3 중량%, Mg 0.8 중량%, Zr 0.1 중량% 및 잔량이 Al 합금으로서, 733。K의 온도에서 약 300%의 초소성 성형을 행하여 제작하였다. 각 시편의 크기는 1.5mm×1mm×20mm로하고, 검사 정밀도 1×20(1축 방향으로 20개 부위를 측정)으로 하였다.

각 시편을 원점과 다축 이송기의 원점이 일치하도록 시편 이송기 상에 올려 놓아 고정한 다음 전원을 켜서 열원 출력 안정화 시간(본 시험에서는 약 5분)이 경과한 후에 제어 컴퓨터의 제어 프로그램을 실행시켰다. 열원은 He-Ne 레이저를 사용하고, 열원 단속 주파수는 1KHz로 하였다.

내부 기공 분포 측정 결과를 제2도에 나타내었는데, 가로축은 시편상의 측정위치를 표시하며, 세로축은 측정된 기공의 체적비를 나타낸다.

실선은 시편 Ⅰ에 대한 측정 결과이고, 점선은 시편 Ⅱ에 대한 결과이다.

제2도로부터 알 수 있는 바와같이, 시편 Ⅰ 및 시편 Ⅱ의 내부 기공 함유량(체적비)은 시편의 파단면에 가까울수록 증가하며, 파단면 근처에서 약 15% 정도로서, 이는 다시 이 시편들에 대해 종전의 파괴적 방법으로 측정한 결과와 잘 일치되었다.

본 발명에 의하면, 종래 기술에서는 달성할 수 없었던 초소성 성형 제품의 내부 기공의 비파괴적 측정을 가능하게 하는 수단이 제공된다. 또한, 본 발명에 의하면, 시편 각 부위별 기공들의 분포도를 시편을 손상시키지 않으면서 정량적으로 정확하게 측정할 수 있고 그 재현성이 종전법에 비하면 대단히 높다.

따라서, 본 발명의 결과, 초소성 재료의 성형 공정을 간단히 단시간 내에 감시하고 최적화시킬 수 있으며, 또한 초소성 성형 제품의 전부위에 대한 내부 결합등의 측정이 용이할 뿐만 아니라, 정량적 검사를 간단히 행할 수가 있음로 제품의 품질 및 신뢰성이 향상된다.

그리고, 초소성 가공의 응용 범위가 넓어지게 되고 산업화가 촉진되며 에너지 소비를 절감하는 효과도 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 발명 사상과 그 범위 내에서 본 발명에 한정이나 부가 등을 가하여 본 발명을 여러가지 다른 모습으로도 구체화할 수도 있다는 것은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 쉽게 알 수 있다.

Claims (14)

1. 열원(1)과 반사경(7) 사이에 열원 단속기(3)을 일직선 상에 위치시키고, 상기 반사경(7)에 의한 반사광(8)의 통로상의 일정 위치에 시편 이송기(10)을 장치하고, 시편 이송기 상에는 시편 표면의 온도 변화를 감지하기 위한 온도 감지기(12)를 설치하고, 온도 감지기(12)는 온도 증폭기(13)과 신호 처리기(6)을 거쳐, 시편 표면 온도 데이타로부터 시편의 내부 기공 체적비를 계산하는 제어 컴퓨터(5)로 연결하는 것을 특징으로 하는 표면 열진동을 이용한 초소성 성형 제품의 내부 기공 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 열원(1)의 전기, 레이저 또는 기체인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제2항에 있어서, 열원(1)이 He-Ne 레이저인 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항에 있어서, 스폿 크기 조절기(9)가 반사경(7) 및 시편 이송기(10) 사이의 반사광(8)의 통로에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항에 있어서, 시편 이송기(10)이 1축, 2축 또는 다축 이송기인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제5항에 있어서, 시편 이송기(10)이 제어 컴퓨터(5)에 의해서 제어되는 구동장치에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항에 있어서, 열원 단속기(3)이 신호 처리기(6)에서 발생되는 신호(V_ref)에 의해 주기적으로 열원을 차단하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 열원 단속기(3)의 단속 주기가 시편의 열전도도에 따라서 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제1항 내지 제8항의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 시편 표면 온도 데이타로부터 시편의 내부 기공 체적비를 계산하는 데에 다음 관계식,

   (여기서, V_g는 기공의 체적비이고, T는 기준점에서는 온도 t(x₀)에 대한 측정점에서의 온도 t(x)의 비, 즉 T=t(x)/t(x₀)이다.)을 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 시편을 시편 이송장치에 고정하고, 시편의 단속적으로 열을 공급하여 열진동을 유기하고, 이 열진동에 의한 시편의 표면 온도 변화를 감지하고, 감지된 온도 신호를 증폭시키고, 증폭된 온도 신호를 온도 데이타로서 처리하고, 처리된 온도 신호로부터 기공의 체적비를 계산하는 공정의 결합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 열진동을 이용한 초소성 성형 제품의 내부 기공 분포 측정 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 시편에 단속적으로 열을 공급하는 공정에는 시편의 열 전도도에 따라서 열원을 주기적으로 차단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 증폭된 온도 신호를 처리하는 공정에서 증폭된 온도 신호를 열원을 차단하는 신호(V_ref)와 상관시켜 크기 데이타와 위상 데이타로 구분하여 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 시편에 단속적으로 열을 공급하는 공정에는 열원으로부터 나오는 열을 주기적으로 차단하는 단계와, 주기적으로 차단되어 단속적으로된 열선을 적절한 스폿 크기로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제10항 내지 제13항의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 온도 데이타로부터 시편의 내부 기공 체적비를 계산하는 데에는 다음 관계식,

    (여기서, V_g는 기공의 체적비이고, T는 기준점에서는 온도 t(x₀)에 대한 측정점에서의 온도 t(x)의 비, 즉 T=t(x)/t(x₀)이다.)을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.