KR102817203B1 - 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 예는 비파괴검사의 일종인 초음파검사에 있어서, 두께 8mm 이하의 이종금속을 주조, 브레이징, 확산접합 등의 공정으로 접합한 중공형 제품에 대한 결함 검출기법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법은, 외측부와 외측부의 내부에 인입되어 접합되는 내측부 및 외측부와 내측부 사이의 접합층을 구비하고 스캔 시작점과 스캔 종료점이 형성된 시험체를 준비시키는 제1단계; 시험체의 내부 공간에 초음파를 발생시키는 탐촉자를 위치시키며, 시험체를 회전시키고, 탐촉자를 이동시키면서 접합층과 내측부 간 접합계면에 대한 스캔이 시작되는 제2단계; 탐촉자에 의해 스캔 시작점과 스캔 종료점의 신호가 측정되고, 스캔 시작점과 스캔 종료점의 측정 신호를 이용하여 기준이 되는 시험체의 회전 속도인 기준 회전 속도가 결정되는 제3단계; 시험체로부터 탐촉자를 분리시키는 제4단계; 및 외관부와 외관부의 내부에 인입되어 접합되는 내관부 및 외관부와 내관부 사이의 접합레이어를 구비하는 검사체의 내부 공간에 탐촉자를 위치시키고, 기준 회전 속도로 검사체를 회전시키면서 검사체의 길이 방향을 따라 탐촉자를 이동시켜 접합레이어와 내관부 간 접합계면에 대한 결함이 검출되는 제5단계를 포함한다.

Description

중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법 {A method for detecting defects on the junction interface of objects formed in a hollow shape and formed of dissimilar metals}

본 발명은 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 비파괴검사의 일종인 초음파검사에 있어서, 두께 8mm 이하의 이종금속을 주조, 브레이징, 확산접합 등의 공정으로 접합한 중공형 제품에 대한 결함 검출기법에 관한 것이다.

접합부에 대한 결함 검사, 특히 진공 파이프에 대하여 결함 검사를 실시하는 기술 등은 잘 알려져 있다. 파이프가 상대적으로 매우 높은 고압환경(예를 들어, 선박이나 가스 파이프라인, 원자력 및 화학 플랜트 시설 등)에서 사용될 경우에, 사용 시 누출, 파이프 고장 등을 일으킬지도 모르는 결함 유무에 대하여 검사하는 것은 필수적이다. 그러한 누출 또는 고장은 안전과 환경적 관점에서 재앙과 같은 결과를 초래할 수도 있다.

이음매가 있는 용접 파이프 혹은 브레이징과 같은 열처리 공정을 통하여 접합되는 제품들의 검사는 흔히 초음파 검사 방법을 이용하는 것으로 공지되어 있다. 이러한 접합공정에서의 결함은 접합부의 계면과 용접 열영향부에서 발생된다.

초음파 검사는 일반적으로 파이프 근방에 배치되는 초음파 탐침을 이용하는데, 파이프가 그 탐침 옆으로 지나서 이동된다. 초음파 탐촉자(Probe)는 전기적으로 구동되어 진동함으로써 초음파를 제공하고, 탐촉자와 파이프 사이에는 결합 매개체가 제공되며 초음파가 일정 각도로 파이프 벽으로 들어가게 되어 파이프 벽의 내부 직경과 내부 직경 사이에서 반발력을 갖고 반사하게 된다.

이러한 초음파는 관의 원주 주위에서 반발하도록 인도될 수도 있고 또는 그 파이프를 통해서 길이를 따라 이동할 수 있다. 초음파가 어떤 결함과 맞물릴 때 그것은 반사하게 됨으로써 변환기에 의해 수신되는 방식이다. 따라서, 변환기는 초음파 발생기와 반사 초음파 수신기 양자로서 동작이 가능하지만, 또는 별개의 수신기로 제공된다.

초음파 검사는 접합공정의 연결 부위나 그 주위에서 결함 유무를 검사하기 위해 활용되는데 제품의 형상의 제약으로 제품의 내측에서만 검사가 가능한 경우가 발생한다. 이러한 경우, 수침형 탐촉자 혹은 촉매 분사형 탐촉자를 사용하여 제품 내측에서 탐촉자가 회전하는 방식 혹은 시험체가 회전하는 방식의 반 자동화 설비를 할용하여 원주형 검사와 파이프의 길이방향으로 움직이며 축방향 검사를 동시에 진행한다.

이 때, 파이프의 전 구간을 측정하기 위하여 제품을 회전시키는 타입을 구사하고, 이를 통하여 외부 탐침 및 분석이 어려운 본 제품의 접합성 검사를 진행한다. 하지만, Figure 1과 같이 평평하지 못한 구간의 검사의 초음파는 난반사와 지연신호는 8mm 두께 이하의 얇은 소재와의 접합구간 스캔 정밀도의 중요 변수로 작용하며, 또한 균일하지 못한 1차 단면을 갖는 제품의 경우 자중이 회전장치의 중심과 일치하기 어려워 검사와 신호분석에 난항이 있다.

첨단산업 분야에 관련된 배관에 경우, 사용조건에 따라 다른 소재들과 접합하여 균일한 1차단면 형상을 갖지 못하는 제품들이 다분하다. 이러한 문제점들은 제품의 무게 및 형상에 따라 여러 형태의 탐촉자(Probe)들로 진행이 되고 있지만, 상위의 문제점들 인한 설비 파손 및 검사의 재현성과 정밀도 문제가 발생한다.

대한민국 등록특허 제10-2427684호(발명의 명칭: 배관 내면 결함 검사 장치 및 배관 내면 검사 방법)에서는, 검사 대상이 되는 배관의 소재 및 두께에 대한 정보를 이용하여, 상기 배관의 두께 방향 공진 주파수를 산출하고, 산출된 상기 공진 주파수에 대응하는 공진 신호를 생성하도록 이루어지는 신호 생성부; 상기 배관의 외측에 배치되고, 상기 신호 생성부로부터 상기 공진 신호를 전달받아 상기 공진 신호를 초음파 형태로 변환하며, 변환된 초음파 형태의 상기 공진 신호를 상기 배관의 두께를 형성하는 상기 배관의 반경 방향으로 발생시킨 다음 반사되어 돌아오는 초음파 형태의 상기 공진 신호를 수신하도록 이루어지는 공진 신호 송수신부; 및 상기 공진 신호 송수신부로 수신되는 초음파 형태의 상기 공진 신호를 이용하여 상기 배관의 내면상에 존재하는 크랙(crack)에 관한 결함을 분석하도록 이루어지는 결함 분석부를 포함하는 배관 내면 결함 검사 장치가 개시되어 있다.

대한민국 등록특허 제10-2427684호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 비파괴검사의 일종인 초음파검사에 관한 것으로, 두께 8mm 이하의 이종금속을 주조, 브레이징, 확산접합 등의 공정으로 접합한 중공형 제품에 대한 결함 검출기법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 두께가 최소 8mm 이하(최소 1mm)의 이종금속 소재와 접합된 중공형상 접합품의 접합 건전성 평가에서 정량화된 검출기법의 개발로 이종접합품의 결함분석 기술을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 이종접합 중공형제품에 대하여 초음파검사가 이루어지도록 하여 탐촉자에 의한 검출능력을 확인하여 검사의 신뢰도를 향상시키는 것이다.

그리고, 본 발명의 목적은, 탐촉자의 검교정을 위한 목적으로도 활용하면서 중공축 모형에 미리 형성한 인공결함에 의하여 검출기법의 개발에도 활용이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 외측부와 상기 외측부의 내부에 인입되어 접합되는 내측부 및 상기 외측부와 상기 내측부 사이의 접합층을 구비하고 스캔 시작점과 스캔 종료점이 형성된 시험체를 준비시키는 제1단계; 상기 시험체의 내부 공간에 초음파를 발생시키는 탐촉자를 위치시키며, 상기 시험체를 회전시키고, 상기 탐촉자를 이동시키면서 상기 접합층과 상기 내측부 간 접합계면에 대한 스캔이 시작되는 제2단계; 상기 탐촉자에 의해 상기 스캔 시작점과 상기 스캔 종료점의 신호가 측정되고, 상기 스캔 시작점과 상기 스캔 종료점의 측정 신호를 이용하여 기준이 되는 상기 시험체의 회전 속도인 기준 회전 속도가 결정되는 제3단계; 상기 시험체로부터 상기 탐촉자를 분리시키는 제4단계; 및 외관부와 상기 외관부의 내부에 인입되어 접합되는 내관부 및 상기 외관부와 상기 내관부 사이의 접합레이어를 구비하는 검사체의 내부 공간에 상기 탐촉자를 위치시키고, 상기 기준 회전 속도로 상기 검사체를 회전시키면서 상기 검사체의 길이 방향을 따라 상기 탐촉자를 이동시켜 상기 접합레이어와 상기 내관부 간 접합계면에 대한 결함이 검출되는 제5단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 외측부와 상기 내측부 각각은 관 형상을 구비하고, 상기 외측부의 내측면과 상기 내측부의 외측면이 접합될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 외관부와 상기 내관부 각각은 관 형상을 구비하고, 상기 외관부의 내측면과 상기 내관부의 외측면이 접합될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 스캔 시작점과 상기 스캔 종료점 각각은 사전에 마련된 결함일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 스캔 시작점과 상기 스캔 종료점 각각은 상기 내측부의 외측면에 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제2단계에서는, 상기 탐촉자의 말단으로부터 상기 탐촉자의 집속거리(F) 만큼 이격된 지점이 소정의 거리 구간인 집속구간(Fz) 내 위치하도록 상기 탐촉자의 위치가 제어될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 집속형인 상기 탐촉자의 곡률 반경을 제어하여 상기 집속거리를 제어할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제2단계에서는, 상기 접합층과 상기 내측부 간 접합계면에 대한 상기 탐촉자의 측정 신호 값인 인터페이스 신호 값이 결정될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계에서, 상기 스캔 시작점과 상기 스캔 종료점 각각에서의 측정 신호 값이 상기 인터페이스 신호 값에 대해 70~90%의 비율이 되도록 상기 기준 회전 속도가 결정될 수 있다.

상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 초음파의 집속이 가능한 압전소자 및 형상을 갖는 탐촉자(Focus Probe)를 활용하며, 초음파 집속 거리에 따른 검사체와의 거리를 정량화하여 결함 검출 검사를 수행할 수 있다는 것이다.

또한, 본 발명의 효과는, 시험체 또는 검사체의 길이 방향을 따라 수행되는 축 방향 검사와, 시험체 또는 검사체를 회전시키며 수행되는 원주형 검사가 동시에 수행됨으로써, 결함 검출 검사 효율을 증대시킬 수 있다는 것이다.

그리고, 본 발명의 효과는, 사전에 마련된 결함을 이용하여 준비 단계 수행 후 검사를 수행함으로써, 이종접합소재의 주조, 힙, 브레이징 공정을 통한 8mm이하의 얇은 두께의 소재의 접합구간을 스캔하여 결함을 검출하는데 정밀도를 향상시킬 수 있다는 것이다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 결함 검출장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 결함 검출장치의 작동에 대한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 결함 검출장치의 단면에 대한 개략도이다.
도 4는 탐촉자에 대한 개략도이다.
도 5와 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시험체의 단면에 대한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자의 위치에 대한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스캔 시작점과 스캔 종료점에서의 신호에 대한 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시험체 및 검사체 각각에 대한 결함 검출 이미지이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 결함 검출장치에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 결함 검출장치의 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 결함 검출장치의 작동에 대한 모식도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 결함 검출장치의 단면에 대한 개략도이다. 그리고, 도 4는 탐촉자(210)에 대한 개략도이다.

도 1 내지 도 4에서 보는 바와 같이, 시험체(100)는 외측부(120)와 외측부(120)의 내부에 인입되어 접합되는 내측부(110)를 구비할 수 있다. 그리고, 외측부(120)와 내측부(110) 각각은 관 형상을 구비하고, 외측부(120)의 내측면과 내측부(110)의 외측면이 접합층(130)에 의해 접합될 수 있다.

구체적으로, 관 형상인 외측부(120)의 내부에 관 형상인 내측부(110)가 인입되어 형성되고, 내측부(110)의 외측면과 외측부(120)의 내측면이 서로 용접으로 접합되어 외측부(120)와 내측부(110)가 결합되어 외측부(120)와 내측부(110) 사이에 접합층(130)이 형성됨으로써, 접합계면이 형성될 수 있다.

접합계면은 접합층(130)의 내측면과 내측부(110)의 외측면 간 접합에 의한 접합면을 의미할 수 있다. 이하, 동일하다.

여기서, 외측부(120)와 내측부(110) 각각은 서로 다른 금속, 즉, 이종금속으로 형성될 수 있으며, 본 발명의 결함 검출장치는 이와 같은 이종금속의 용접 결합 시 접합계면에 대한 결함을 검출하기에 용이하다.

초음파 탐상을 위한 외측부(120)와 내측부(110) 사이 용접에 의한 접합층(130)은 1 내지 8밀리미터(mm)의 두께를 구비할 수 있다.

본 발명의 결함 검출장치는, 시험체(100)의 내부 공간에 위치하고 초음파를 발생시키는 탐촉자(210); 탐촉자(210)와 결합하고 탐촉자(210)를 시험체(100)의 길이 방향을 따라 이동시키는 캐리어(230); 및 시험체(100)의 외측면과 접촉하여 시험체(100)를 지지하고 시험체(100)를 회전시키는 회전구동부(300)를 포함할 수 있다.

도 4의 (a)는 비집속형(Unfocused)인 탐촉자(210)에 대한 개략도이고, 도 4의 (b)는 집속형(Focused)인 탐촉자(210)에 대한 개략도이다. 도 4의 (b)에서 보는 바와 같이, 집속형 탐촉자(210)의 말단은 곡면으로 형성될 수 있고, 시험체(100)의 소정의 위치에서 초음파를 집속시켜 측정 신호를 검출할 수 있으며, 본 발명의 탐촉자(210)는 이와 같은 집속형 탐촉자(210)로 형성될 수 있다.

캐리어(230)는 바(Bar) 형상을 구비할 수 있고, 캐리어(230)의 말단에는 탐촉자(210)와 결합된 케이스(220)가 결합될 수 있으며, 캐리어(230)가 시험체(100)의 내부 공간에서 시험체(100)의 길이 방향을 따라 이동함으로써, 탐촉자(210)가 시험체(100)의 내부 공간에서 시험체(100)의 길이 방향을 따라 이동할 수 있다.

탐촉자(210)는 케이스(220)에 의해 둘러싸여 형성될 수 있으며, 이와 같은 케이스(220)가 캐리어(230)의 말단에 결합되어 탐촉자(210)가 고정될 수 있다. 탐촉자(210)는 상기와 같이 집속형(Focused)로 형성되며 10Mhz 이상의 주파수를 구비하는 수직발진형 압전소자로 이루어질 수 있다.

본 발명의 결함 검출장치는, 캐리어(230)와 결합하여 캐리어(230)를 상기와 같이 이동시키는 탐촉구동부를 더 포함할 수 있으며, 탐촉구동부의 작동에 의해 캐리어(230)가 이동되면서, 탐촉자(210)가 이동될 수 있다.

상기와 같이 이동하는 탐촉자(210)는 내측부(110)의 내측면을 향해 초음파를 발사할 수 있으며, 이에 따라, 접합계면에 형성된 결함 검출을 수행할 수 있다.

도 2의 (a)와 (b) 각각은 회전하는 시험체(100)에 대한 것을 나타내고, 도 2와 도 3에서 보는 바와 같이, 시험체(100)를 회전시키는 회전구동부(300)는 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.

여기서, 회전구동부(300)는, 외측부(120)의 외측면과 접촉하고 회전을 수행하여 시험체(100)를 회전시키는 롤러(320); 및 롤러(320)와 결합하고 롤러(320)를 회전시키는 모터(310)를 구비할 수 있다.

복수 개의 회전구동부(300)가 시험체(100)의 주위에 배치되어 시험체(100)를 지지할 수 있으며, 복수 개의 롤러(320) 각각의 회전에 의해 시험체(100)(또는 검사체)가 소정의 회전 속도로 회전을 수행할 수 있다.

그리고, 시험체(100)의 회전 중심축을 지면과 수직한 z축으로 하는 경우, 복수 개의 회전구동부(300)가 이동하여 시험체(100)를 x축 또는 y축 방향으로 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 탐촉자(210)는 z축 방향을 따라 이동하고, 시험체(100)가 x축 또는 y축 방향으로 이동함으로써, 탐촉자(210)는 시험체(100)에 대해 상대적으로 3차원 운동을 수행할 수 있다.

본 발명의 결함 검출장치는, 탐촉자(210)로부터 초음파 측정 신호를 전달받고 상기된 탐촉구동부 또는 회전구동부(300)로 제어 신호를 전달하여 탐촉자(210)의 위치 또는 시험체(100)의 회전을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 결함 검출방법에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 제1단계에서, 외측부(120)와 외측부(120)의 내부에 인입되어 접합되는 내측부(110) 및 상기 외측부(120)와 상기 내측부(110) 사이의 접합층(130)을 구비하고 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)이 형성된 시험체(100)를 준비시킬 수 있다.

여기서, 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102) 각각은 사전에 마련된 결함일 수 있다. 그리고, 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102) 각각은 내측부(110)의 외측면에 형성될 수 있다.

구체적으로, 탐촉자(210)에 의해 스캔이 시작되는 스캔 시작점(101)은 홈의 형상으로 사전에 미리 형성될 수 있으며, 이와 같은 스캔 시작점(101)인 홈 형상의 결함이 내측부(110)의 외측면에 형성될 수 있고, 외부로부터 시험체(100)의 내부 공간으로 탐촉자(210)가 인입되는 시험체(100)의 일단에 인접한 위치에 스캔 시작점(101)이 형성될 수 있다.

탐촉자(210)에 의해 스캔이 종료되는 스캔 종료점(102)은 홈의 형상으로 사전에 미리 형성될 수 있으며, 이와 같은 스캔 종료점(102)인 홈 형상의 결함이 내측부(110)의 외측면에 형성될 수 있고, 시험체(100)의 타단에 인접한 위치에 스캔 종료점(102)이 형성될 수 있다.

상기와 같은 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102) 각각은 검사체에 요구되는 결함의 사이즈(하나의 지점에서 다른 지점까지의 거리 중 가장 큰 값)와 유사한 직경을 구비하는 반구 또는 대각선 길이를 구비하는 다면체 형상의 홈으로 이루어질 수 있다. 다만, 홈의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기된 제1단계 수행 후 제2단계에서, 시험체(100)의 내부 공간에 초음파를 발생시키는 탐촉자(210)를 위치시키며, 시험체(100)를 회전시키고, 탐촉자(210)를 이동시키면서 접합층(130)과 내측부(110) 간 접합계면에 대한 스캔이 시작될 수 있다.

도 5와 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시험체(100)의 단면에 대한 모식도이다.

여기서, 도 6의 (a)는 시험체(100)의 일 부위에 탐촉자(210)가 초음파를 발사하는 사항에 대한 것이고, 도 6의 (b)는 시험체(100)에 내부 공간에서 내측부(110)의 내측면을 향해 탐촉자(210)가 초음파를 발사하는 것에 대한 것이다.

도 5와 도 6에서, 접합층(130)은 생략되어 있다.

도 5와 도 6에서 보는 바와 같이, 탐촉자(210)에 의한 측정이 수행될 수 있으며, 이 때, 탐촉자(210)의 설계는 집속(Focus) 거리를 계산하여 난반사와 지연신호를 최소화하는 측정거리인 집속거리(F)를 선정할 수 있다.

구체적으로, 집속형 탐촉자(210)는 초음파를 발사하는 말단에 곡면을 구비할 수 있으며, 이와 같은 집속형인 탐촉자(210)의 곡면의 곡률 반경을 제어하여 집속거리를 제어할 수 있다.

상기와 같이 난반사와 지연신호를 최소화시킴으로써, 인터페이스(interface) 신호에 난반사와 지연신호로 인하여 발생되는 노이즈(noise)에 의하여 외측부(120)와 내측부(110) 간 접합계면에서 발생하는 신호상쇄를 방지할 수 있다. 여기서, 인터페이스(interface) 신호는 접합층(130)과 내측부(110) 간 접합계면에 대한 탐촉자(210)의 측정 신호 값으로써 하기에 상세히 설명하기로 한다.

상기와 같은 신호상쇄를 최소화시키기 위하여, 탐촉자(210)의 말단으로부터 탐촉자(210)의 집속거리(F) 만큼 이격된 지점이 소정의 거리 구간인 집속구간(Fz) 내 위치하도록 탐촉자(210)의 위치가 제어될 수 있다.

여기서, 탐촉자(210)의 말단으로부터 탐촉자(210)의 집속거리(F) 만큼 이격된 지점을 집속지점이라고 할 수 있다. 이하 동일하다.

그리고, 집속구간(Fz)은 탐촉자(210)에 의해 초음파가 시험체(100)의 내측면, 즉, 내측부(110)의 내측면에 집속되는 경우, 상기와 같은 노이즈 발생을 최소화시키기 위하여 초음파가 발사되는 시험체(100)의 내측면에 수직인 탐촉자(210)의 중심축 상 집속지점이 위치하는 소정의 구간일 수 있다.

상기와 같이 탐촉자(210)가 x-y 평면 상 소정의 위치에 고정된 후 z축을 따라 이동하고, 시험체(100)(또는 하기의 검사체)가 회전하는 경우, 탐촉자(210)의 집속지점이 집속구간(Fz)에 위치하면서도 탐촉자(210)에 의해 시험체(100)(또는 검사체)의 접합계면 전체에 대한 측정이 수행될 수 있다. 이 때, 캐리어(230)의 길이 방향 중심축과 시험체(100)(또는 검사체)의 회전축은 일치하거나 또는 일치하지 않을 수 있다.

여기서, 집속구간(Fz)은 아래의 [수학식 1]에 의해 연산될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, Fz는 집속구간이고, F는 탐촉자(210)의 집속거리이며, N은 초음파 근거리 영역 거리이다.

집속형인 탐촉자(210)의 곡면의 곡률 반경을 제어하여 집속거리(F)를 제어할 수 있으며, 탐촉자(210)의 곡률 반경을 변경시키기 위하여, 탐촉자(210)의 종류를 변경시켜 기 설치된 탐촉자(210)를 다른 탐촉자(210)로 교체시킬 수 있다.

상기된 [수학식 1]의 연산을 위한 초음파 근거리 영역 거리(N)는 아래의 [수학식 2]에 의해 연산될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, N은 초음파 근거리 영역 거리이고, D는 탐촉자(210)의 직경이며, f는 탐촉자(210)에 의한 초음파의 주파수이고, c는 매질에서의 음속이다.

상기와 같은 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용한 연산은 제어부에서 수행될 수 있으며, 제어부는 회전구동부(300)로 제어 신호를 전달하고, 제어 신호에 따라 회전구동부(300)가 시험체(100)를 x축 또는 y축 방향으로 이동시킬 수 있다.

그리고, 이에 따라, 탐촉자(210)의 말단으로부터 탐촉자(210)의 집속거리(F) 만큼 이격된 지점인 집속지점이 집속구간(Fz) 내 위치할 수 있다. 이에 따라, 상기와 같이 난반사와 지연신호를 최소화시켜 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)에 대한 신호 측정 전, 제2단계에서는, 접합층(130)과 내측부(110) 간 접합계면에 대한 탐촉자(210)의 측정 신호 값인 인터페이스(interface) 신호 값이 결정될 수 있다.

상기와 같이 집속구간(Fz) 값이 도출되면, 제어부는 상기와 같이 집속지점이 집속구간 내 위치하면서 스캔이 시작되도록 할 수 있으며, 이 때, 시험체(100)가 회전하지 않고 고정된 상태에서, 스캔 시작점(101) 및 스캔 종료점(102)이 아닌 다른 부위를 측정할 수 있다.

바람직하게는, 측정 시간의 최소화를 위해 스캔 시작점(101)에 인접한 부위에서 시험체(100)의 접합계면에 대한 측정을 수행하고, 이에 따라, 인터페이스 신호(400) 값을 획득할 수 있다.

그리고, 인터페이스 신호(400) 값을 획득한 후, 시험체(100)가 회전하는 상태에서, 탐촉자(210)를 시험체(100)의 일단으로부터 타단으로 이동시키면서, 접합층(130)과 내측부(110) 간 형성된 접합계면에 대한 스캔이 시작될 수 있다.

상기된 제2단계 수행 후 제3단계에서, 탐촉자(210)에 의해 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)의 신호가 측정되고, 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)의 측정 신호를 이용하여 기준이 되는 시험체(100)의 회전 속도인 기준 회전 속도가 결정될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자(210)의 위치에 대한 개략도이다. 그리고, 도 7의 (a)는 스캔 시작점(101)에 탐촉자(210)가 위치한 사항에 대한 것이고, 도 7의 (b)는 스캔 종료점(102)에 탐촉자(210)가 위치한 사항에 대한 것이다. 여기서, 접합층(130)은 생략되어 있다.

그리고, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)에서의 신호에 대한 이미지이다. 도 8의 (a)는 인터페이스 신호(400) 값의 80% 신호 값으로 스캔 시작점(101)이 측정된 것에 대한 그래프이고, 도 8의 (b)는 인터페이스 신호(400) 값의 87% 신호 값으로 스캔 시작점(101)이 측정된 것에 대한 그래프이다.

도 7의 (a)와 (b)에서 보는 바와 같이, 시험체(100)의 회전 시 시험체(100)의 관성 모멘트의 영향 등으로 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102) 각각에서 탐촉자(210)의 말단과 내측부(110)의 내측면 간 거리가 상이할 수 있다.

다만, 이와 같은 경우에, 도 8의 (a)와 (b)에서 보는 바와 같이, 상기와 같은 제2단계에서 획득된 인터페이스 신호(400) 값을 기준으로 하여, 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102) 각각에서의 측정 신호 값이 인터페이스 신호(400) 값에 대해 70~90%의 비율이 되도록 기준 회전 속도가 결정될 수 있다.

탐촉자(210)는, 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)을 통과하도록 시험체(100)의 일단으로부터 말단까지 이동하면서 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)에 대한 신호를 측정할 수 있다.

이와 같은 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)에 대한 신호 측정은 복수 회 수행될 수 있으며, 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)에 대한 신호 측정이 수행될 때마다 시험체(100)의 회전 속도가 변화될 수 있다.

제어부는, 회전구동부(300)로부터 롤러(320)의 회전에 따른 시험체(100)의 회전 속도에 대한 정보를 전달받고, 탐촉자(210)로부터 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)에 대한 신호 측정 정보를 전달받을 수 있다.

다음으로, 제어부는, 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102) 각각에서의 측정 신호 값이 인터페이스 신호(400) 값에 대해 70~90%의 비율이 되는 시험체(100)의 회전 속도 범위를 도출하고, 이와 같은 시험체(100)의 회전 속도 범위에서 중간 값을 기준 회전 속도로 결정할 수 있다.

상기와 같이, 시험체(100)의 관성 모멘트에 따라 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102)의 신호 값 평행도를 인터페이스 신호(400) 값 기준으로 70~90%의 비율로 유지시켜 재현성을 확보할 수 있는 시험체(100)의 회전 각속도인 기준 회전 속도를 선정할 수 있다.

상기와 같은 기준 회전 속도의 결정에 의하여, 시험체(100)의 관성 모멘트의 영향 등으로 스캔 시작점(101)과 스캔 종료점(102) 각각에서 탐촉자(210)의 말단과 내측부(110)의 내측면 간 거리가 상이하더라도, 탐촉자(210)에 의한 측정 정밀도가 유지되도록 하여, 검사체에 대한 결함 검출에 있어서도 정밀한 측정의 재현성을 확보할 수 있다.

상기된 제3단계 수행 후 제4단계에서, 시험체(100)로부터 상기 탐촉자(210)를 분리시킬 수 있다. 상기와 같이 제1단계 내지 제4단계에 의해, 탐촉자(210)를 이용하여 결함 검출을 위한 준비 단계가 수행될 수 있다.

상기와 같은 준비 단계(제1단계 내지 제4단계)의 수행 후, 복수 개의 회전구동부(300)와 탐촉자(210)를 시험체(100)로부터 분리시키고 해당 위치에서 시험체(100)를 제거할 수 있다.

구체적으로, 복수 개의 회전구동부(300)를 시험체(100)로부터 이격시키고 시험체(100)의 내부 공간에 있던 탐촉자(210)를 시험체(100)의 외부로 이동시킨 후, 시험체(100)를 본 발명의 결함 검출장치의 외부로 이동시킬 수 있다.

상기된 제4단계 수행 후 제5단계에서, 외관부와 외관부의 내부에 인입되어 접합되는 내관부 및 외관부와 내관부 사이의 접합레이어를 구비하는 검사체의 내부 공간에 탐촉자(210)를 위치시키고, 기준 회전 속도로 검사체를 회전시키면서 검사체의 길이 방향을 따라 탐촉자(210)를 이동시켜 접합레이어와 내관부 간 접합계면에 대한 결함이 검출될 수 있다.

여기서, 외관부와 내관부 각각은 관 형상을 구비하고, 외관부의 내측면과 내관부의 외측면이 접합될 수 있다. 시험체(100)와 검사체는 동일한 형상을 구비할 수 있으며, 검사체의 외관부는 시험체(100)의 외측부(120)에 대응되고, 검사체의 내관부는 시험체(100)의 내측부(110)에 대응될 수 있다.

상기와 같이, 시험체(100)를 이용하여 본 발명의 결함 검출방법의 준비 단계를 수행한 다음, 시험체(100)가 있던 위치에 검사체를 위치시키고, 탐촉자(210)와 회전구동부(300) 및 제어부를 이용하여, 검사체의 접합계면에 대한 결함을 검출할 수 있다.

구체적으로, 검사체를 기준 회전 속도로 회전시키고 탐촉자(210)가 검사체의 일단으로부터 타단 방향으로 이동시키며, 제어부가 탐촉자(210)의 신호 정보를 전달받고, 탐촉자(210)에 의한 각각의 피크(peak) 신호를 분석하여 검사체의 접합계면에 대한 결함이 검출될 수 있다.

여기서, 탐촉자(210)는 상기된 z축을 따라 캐리어(230)에 의해 하강 또는 상승하며 검사체의 길이 방향을 따라 이동하고 회전구동부(300)에 의해 검사체가 회전하면서, 검사체의 전체 접합계면에 대한 결함 검출이 수행될 수 있다.

이 때, 캐리어(230)의 이동 속도는 0.1~0.2mm/s일 수 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시험체(100) 및 검사체 각각에 대한 결함 검출 이미지이다. 도 9에서, Reference는 시험체(100)를 나타내는 것이다. 그리고, #VN-001, #VN-002, #VN-003, #VN-004 및 #VN-005 각각은 검사체의 종류를 나타내는 것이다.

여기서, C-Scan이란 본 발명의 탐촉자(210)에서 발생되는 신호의 투과 및 흡수 차이를 컴퓨터로 재구성하여 단면영상을 얻는 기법이며, 탐촉자(210)의 주파수는 20Mhz임을 나타낸다.

도 9에서 보는 바와 같이, 시험체(100)를 이용하여 준비 단계(제1단계 내지 제4단계)를 수행한 후, 각각의 검사체에 대한 결함 검출을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 정밀도가 향상된 결함 검출을 수행할 수 있다.

상기와 같이, 초음파의 집속이 가능한 압전소자 및 형상을 갖는 탐촉자(210)(Focus Probe)를 활용하며, 초음파 집속 거리에 따른 검사체와의 거리를 정량화하여 결함 검출 검사를 수행할 수 있다.

또한, 시험체(100) 또는 검사체의 길이 방향을 따라 수행되는 축 방향 검사와, 시험체(100) 또는 검사체를 회전시키며 수행되는 원주형 검사가 동시에 수행됨으로써, 결함 검출 검사 효율을 증대시킬 수 있다.

그리고, 사전에 마련된 결함을 이용하여 준비 단계 수행 후 검사를 수행함으로써, 이종접합소재의 주조, 힙, 브레이징 공정을 통한 8mm이하의 얇은 두께의 소재의 접합층(130)을 스캔하여 결함을 검출하는데 정밀도를 향상시킬 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 시험체 101 : 스캔 시작점
102 : 스캔 종료점 110 : 내측부
120 : 외측부 130 : 접합층
210 : 탐촉자 220 : 케이스
230 : 캐리어 300 : 회전구동부
310 : 모터 320 : 롤러
400 : 인터페이스 신호

Claims (11)

1. 외측부와 상기 외측부의 내부에 인입되어 접합되는 내측부 및 상기 외측부와 상기 내측부 사이의 접합층을 구비하고 스캔 시작점과 스캔 종료점이 형성된 시험체를 준비시키는 제1단계;
   상기 시험체의 내부 공간에 초음파를 발생시키는 탐촉자를 위치시키며, 상기 시험체를 회전시키고, 상기 탐촉자를 이동시키면서 상기 접합층과 상기 내측부 간 접합계면에 대한 스캔이 시작되는 제2단계;
   상기 탐촉자에 의해 상기 스캔 시작점과 상기 스캔 종료점의 신호가 측정되고, 상기 스캔 시작점과 상기 스캔 종료점의 측정 신호를 이용하여 기준이 되는 상기 시험체의 회전 속도인 기준 회전 속도가 결정되는 제3단계;
   상기 시험체로부터 상기 탐촉자를 분리시키는 제4단계; 및
   외관부와 상기 외관부의 내부에 인입되어 접합되는 내관부 및 상기 외관부와 상기 내관부 사이의 접합레이어를 구비하는 검사체의 내부 공간에 상기 탐촉자를 위치시키고, 상기 기준 회전 속도로 상기 검사체를 회전시키면서 상기 검사체의 길이 방향을 따라 상기 탐촉자를 이동시켜 상기 접합레이어와 상기 내관부 간 접합계면에 대한 결함이 검출되는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 외측부와 상기 내측부 각각은 관 형상을 구비하고, 상기 외측부의 내측면과 상기 내측부의 외측면이 접합되는 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 외관부와 상기 내관부 각각은 관 형상을 구비하고, 상기 외관부의 내측면과 상기 내관부의 외측면이 접합되는 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 스캔 시작점과 상기 스캔 종료점 각각은 사전에 마련된 결함인 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 스캔 시작점과 상기 스캔 종료점 각각은 상기 내측부의 외측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2단계에서는, 상기 탐촉자의 말단으로부터 상기 탐촉자의 집속거리(F) 만큼 이격된 지점이 소정의 거리 구간인 집속구간(Fz) 내 위치하도록 상기 탐촉자의 위치가 제어되는 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 집속구간(Fz)은 아래의 식에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.
   
   여기서, Fz는 집속구간이고, F는 상기 탐촉자의 집속거리이며, N은 초음파 근거리 영역 거리이다.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 초음파 근거리 영역 거리(N)는 아래의 식에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.
   
   여기서, N은 초음파 근거리 영역 거리이고, D는 상기 탐촉자의 직경이며, f는 상기 탐촉자에 의한 초음파의 주파수이고, c는 매질에서의 음속이다.
   
9. 청구항 7에 있어서,
   집속형인 상기 탐촉자의 곡률 반경을 제어하여 상기 집속거리를 제어하는 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2단계에서는, 상기 접합층과 상기 내측부 간 접합계면에 대한 상기 탐촉자의 측정 신호 값인 인터페이스 신호 값이 결정되는 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 스캔 시작점과 상기 스캔 종료점 각각에서의 측정 신호 값이 상기 인터페이스 신호 값에 대해 70~90%의 비율이 되도록 상기 기준 회전 속도가 결정되는 것을 특징으로 하는 중공형 이종금속 접합계면 결함 검출방법.