초음파를 이용한 비파괴 검사의 원리

목차

목 차

1. 음향검사와 초음파 탐상

2. 초음파 탐상검사의 응용과 장단점

3. 초음파 탐상검사의 원리

4. 초음파의 발생

5. 음장의 특성

6. 음파의 진행특성

7. 초음파 탐상 검사방법

8. 초음파 탐상절차

9. 탐상과 관련된 주요기술

초음파를 이용한 비파괴 검사방법은 용접 구조물, 기계부품, 전자부품

신소재 등의 연구개발 및 품질보증, 수입검사, 불량분석 등의 검사

방법으로서 기업에서 아주 활용도가 많은 방법입니다.

본 자료에서는 초음파 검사의 원리를 간단하게 소개하고자 합니다.

본문내용

경우는 다음과 같은 식으로 나타난다.
X0 = (D²- λ²) / 4λ
위 식에서 볼 때 초음파의 파장(λ)는 진동자의 크기(D)에 비해 무시할 수 있을 정도로 적으므로 이를 근사식으로 나타내면 다음과 같다.
X0 = D²/ 4λ = A / πλ
이때 A는 진동자의 면적이다.
5.2 원거리 음장
근거리 음장을 벗어난 영역을 원거리 음장이라 하며 더 이상 파의 간섭효과는 일어나지 않는다. 원형 진동자의 경우 원거리 음장에서의 거리가 진동면으로부터 3Xo 이내에서는 구형파로 형성되어 퍼져나가는데, 직사각 진동자의 경우 3 Xo를 초과하는 음장에서는 직사각의 긴쪽 방향과 평행한 축으로 원통형파를 형성하여 퍼져 나간다.
5.3 빔의 분산
원거리 음장에서는 초음파의 진행거리가 증가함에 따라 초음파의 강도가 지수 함수적으로 감소하는데, 그 이유는 초음파 진행에 따른 감쇠(Attenuation) 및 빔의 분산(Beam Spreading)때문이다. 초음파 빔의 분산은 진동자의 크기, 주파수에 따라 달라지는데 일반적으로 빔의 분산각은 빔 중심의 최대강도로부터 0%(-∞ dB)로 낮아지는 부분을 빔의 가장자리로 하여 정한다. 원형진동자의 경우 빔의 분산각은 다음식에 의해서 구해진다.
sin ψ = 1.22 λ = 1.22 V D ν·D
여기서 ψ : 빔의 분산각, λ : 파장, D = 진도자 직경, V : 초음파속도, ν : 주파수
따라서 빔의 분산각을 적게 하기 위해서는 진동자의 직경이 큰 것을 사용하고 고주파수(짧은 파장)를 사용해야 한다.
5.4 빔의 감쇠
초음파가 발생하여 재질을 통해 진행되면 필연적으로 에너지 손실이 발생된다. 초음파 빔의 감쇠는 크게 나누어 초음파의 진행에 따른 감쇠는 산란(Scattering), 흡수(Absorption) 및 경계 면에서의 두 재질의 음향 임피던스차이로 발생하고, 간섭에 의한 영향은 회절(Diffraction) 및 기타요인 등으로 인해 파의 줄무늬(Wave Fringe), 위상변이(Phase shift), 주파수 변이(Frequency Shift) 등이 나타난다. 또한 빔의 분산으로 인해 평면파가 구형파 또는 원통형파로 형성되어 퍼져나가기도 한다. 이와 같은 빔의 감쇠를 총제적으로 보면 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
P = P0e-αd
여기서, P0는 d = 0인 지점에서의 음압(초기음압)
P는 거리 d지점에서의 음압
α는 감쇠계수
d는 재질 내에서 초음파의 진행거리
이 때 감쇠계수 α는 재질의 종류와 초음파의 주파수에 따라 달라지는데 주파수가 높아지면 감쇠계 수가 커지므로 거리에 따른 초음파의 감쇠율이 매우 높아진다.
6. 음파의 진행특성
음파가 벽에 부딪혀 반사한다던가 또는 소리가 산에 부딪혀 되돌아오는 것과 같이 공기 또는 물 등의 경계면에서 반사와 굴절이 일어난다. 이것은 각 재질의 음향 임피던스의 차이에 따라 반사와 투과되는 음파의 강도가 달라지는 것이다. 또한 속도가 다른 두 재질 사이의 경계면에 음파를 경사지게 입사시키면 투과파는 입사 방향에 대해 그 방향을 바꾸어 굴절(Refraction)되는 현상이 나타나고, 입사각에 따라 부분적으로 또는 전체적으로 파의 형태가 변하는 파형 변환 현상이 일어난다.
7. 초음파 탐상 검사방법
7.1 검사방법의 종류 및 특성
7.1.1 초음파의 진행원리에 의한 분류
초음파가 시험체내에서 진행할 때 불 연속부와 같은 경계면에서는 투과 및 굴절 또는 반사를 한다. 이때 불 연속부에서 반사하는 초음파를 분석하여 검사하는 방법을 펄스반사법, 투과한 초음파를 분석하여 검사하는 방법을 투과법, 펄스반사법과 유사하지만 공진 현상을 이용한 공진법이 있다.
7.1.2 탐촉자 접촉 방법에 의한 분류
탐촉자에서 발생시킨 초음파를 시험체에 전달하는 방식에 따라 분류하는 방법으로서, 탐촉자를 시험체에 직접 접촉시켜 초음파를 전달하는 방법을 직접 접촉법이라하고, 시험체를 물과 같은 액체 접촉 매질 속에 넣고 초음파의 진동을 액체를 통해 시험체에 전달하는 방법을 수침법이라 한다.
7.1.3 파의 종류에 의한 분류
펄스 반사식 접촉법에 의한 파의 적용방식을 표현하면, 수직법, 사각법, 표면파법, 판파법 등으로 분류할 수 있다.
7.1.4 표시 방법에 의한 분류
초음파 탐상검사에서 반사파에 대한 정보를 CRT화면 또는 다른 기록장치에 나타내는 표시방법에 따라 A-Scan, B-Scan, C-Scan, M-Scan, 도플러 등으로 분류한다.
B-Scan A-Scan C-Scan
7.1.5 탐촉자수에 의한 분류
사용하는 탐촉자의 수에 따라 분리하는 방식으로 탐촉자를 1개 사용하여 검사하는 1탐촉자법, 2개를 사용하는 2탐촉자법, 또한 여러개를 동시에 사용하는 다탐촉자법등이 있다.
8.0 초음파 탐상절차
8.1 탐상에서 요구되어지는 적용규격과 범위목적을 인지한다.
8.2 탐상장비 및 필요한 기자재의 선정
규격 및 절차서에서 요구되는 탐상장비, 탐촉자, 시험편 접촉 매질을 선정한다.
8.3 장비 점검 및 보정
초음파 탐상장비는 시간축 직선성(Screen Height Linearity)과 증폭직선성(Amplitude Control Linearity)을 탐촉자에 대해서는 입사점 및 굴절각 등을 적용규격에서 요구하는 절차에 따라 측정 및 보정을 한다.
8.4 탐상표면준비
탐촉자를 접촉 시킬면에 탐상에 지장이 생기지 않도록 손질한다.
8.5 시스템 보정
탐상전 탐상에 적합한 시간축 설정 및 거리증폭특성곡선에 의한 탐상 감도등의 설정을 한 다.
8.6 보정의 확인
보정된 시스템에 대한 시간축 및 DAC를 확인하여 보정을 교정한다.
8.7 탐상
규격에 따라 요구되어지는 탐상방법 및 기법, 주사속도, 탐상범위에 알맞게 탐상한다.
8.8 평가
결함의 위치 및 규격에서 요구하는 방법으로 결함의 길이등을 측정하여 합부판정을 한다.
9.0 탐상과 관련된 주요기술
(1) 감쇠계수 측정
(2) 거리진폭 교정곡선 방법
(3) 시간축 설정방법
(4) AVG 도표 이용방법
(5) 전달손실 측정방법
(6) 불연속부의 위치 측정
(7) 적산효과
(8) 불연속부의 길이측정
(9) 초음파의 속도 측정법
(10) 재질의 탄성측정

키워드

초음파,   비파괴검사,   초음파 탐상검사