Nondestructive Material Testing with Ultrasonics

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1 Nondestructive Material Testing with Ultrasonics

2 비파괴검사[Non Destructive Testing]란?
Radiography Testing (RT) Ultrasonic Testing (UT) Visual Testing (VT) Penetrant Testing (PT) Magnetic Testing (MT) Eddy Current Testing (ECT) Hydraulic Testing (HT) 검사하고자 하는 대상물에 물리적인 변형을 가하지 않고, 비파괴적인 방법을 이용하여 검사대상의 내부에 존재하는 기공(氣孔)이나 균열 등의 결함, 용접부의 내부 결함 등을 검출하는 검사방법 표면결함 표면직하결함 내부결함 표면결함 MT, ET 쉽게 적용 가능 표면직하결함 내부결함 UT, RT RT(↓), UT(↑) : 필름고가, 안전성

3 초음파 시험의 장단점 1. 장점 2. 단점 -균열 등 면상결함의 검출능력이 RT보다 탁월하다.
☞고장력강 등 강한 재료일수록 균열에 민감하고,균열에의한 감도저하가 현저하다. -투과능력이 탁월하다. -내부결함의 위치,크기,방향을 어느 정도 정확히 측정할 수있다. -검사결과를 브라운관을 통해 즉시 알 수 있다. -검사자 또는 주변인에 대해 장해가 없다. -이동성이 양호하다. 2. 단점 -결함종류의 식별이 극히 곤란하다. ☞결함의 발생위치와 각종 주사방법을 이용한 경우의 에코높이 및 그 형태의 변화와 경험(절단시험이나 가우징에의한 결함의 확인)의 축적에 의해 결함종류의 식별이 가능한 경우도 적지않지만,그것으로도 식별확률은 불충분하다. -수동검사 시 검사자의 경험을 필요로 한다. -시험체의 표면 거칠기,형상,두께,내부조직상태에 따라서 검사가 불가능한 경우도 있다. 결함과 초음파빔의 방향에 따른 영향이 크다. 초음파의 효과적 전달을 위해 접촉매질이 필요하다.

4 초음파(Ultrasonic)란? Ultrasonic (ultrasound) : 주파수를 기준으로 음파보다 높은 주파수의 음파를 초음파 'Ultrasonic' or 'Ultrasound'라 함. 100 101 102 103 104 105 106 107 108 진동 음파 AE(음향방출) 초음파 (Hz) 1, 2.25 , 5(4) , 10 , 15 (MHz) The ultrasonic principle is based on the face that solid materials are good conductors of sound waves.

5 초음파 기본이론 ↓ 검출거리(↓) ↑ ↓ ↑ (작은결함검출) ↑ 검출거리(↑) ↓ (작은결함불리)
감쇠 (attenuation) : 초음파가 재질을 통해 진행할 때 일어나는 에너지 손실 산란(scattering)과 흡수(absorption) 가 주 원인으로 작용. 분해능 (resolution) : 근접한 두개의 결함을 감지 할 수 있는 능력. 고 주파수 사용 시 분해능이 좋아짐. 전파력 : 고 주파수를 사용할 경우 전파력이 낮아짐. 파장 (⋋) 감쇠 전파력 분해능 High frequency ↓ 검출거리(↓) ↑ ↓ ↑ (작은결함검출) Low frequency ↑ 검출거리(↑) ↓ (작은결함불리)

6 초음파의 종류 판파(lamb wave) : 얇은 판 전체가 진동하면서 전파 guided wave. 대칭형, 비대칭형이 존재.
종파(longitudinal wave) : 에너지의 전파방향과 입자의 진동방향이 동일한 파. 압축파, 소밀파 라고도 함. 초음파중 속도가 가장 빠르고 에너지가 높음. 고체와 액체에서 전파. 횡파(transverse wave) : 에너지의 전파방향과 입자의 진동방향이 수직한 파. shear wave. 종파속도의 50% 정도의 속도로 전파. 고체에서만 전파되고 액체와 기체에서 전파되지 않음. 표면파(surface wave) : 재질의 표면을 따라 전파하는 파. Rayleigh wave. 횡파속도의 90% 정도의 속도로 전파. 고체와 공기층 사이에서 존재. 판파(lamb wave) : 얇은 판 전체가 진동하면서 전파 guided wave. 대칭형, 비대칭형이 존재. Wave mode sample

7 표면파(surface wave)

8 측정 준비물 초 음 파 = 소리 = 진동 = 주파수 (Hz) 소리 진동발생 20KHZ 이상이면 초음파 전기 기계
초음파장비에서는 Probe에서 전기적 진동을 기계적 진동으로 변환시켜 준다 검사기 (USN 60) 탐촉자 (Probe) 접촉매질 (Couplant) 검사대상 (Tank) 압전효과 [수신] 역압전효과[송신]

9 초음파의 송수신 원리 C = f · [km/s] = [MHz] · [mm] 파장 : 검출 가능한 결함의 크기
Display (오실로스코프) 송신부 (전기Pulse 발생) 수신부 C = f · [km/s] = [MHz] · [mm] 음속(Sound Velocity) : 소재의 고유한 특성 Steel : 5900 mm/s Water : 1420 mm/s Al : 6000 mm/s 파장 : 검출 가능한 결함의 크기 1 2 전기적 신호(압전정효과) 3 4 5 6 전기적 Pulse 진동자(압전체) = Piezo-electric effect “Press” 반사파 (기계적 진동) 기계적 진동 (압전역효과) 예] Steel 측정물, 5MHz 센서로 측정하면 파장은 ? =Reflector = Discontinuity = Flaw

10 The principle of time of flight measurement
Ultrasonic test 원리 1. 검사하고자 하는 소재 내부에 초음파를 송신하여 2. 수신 시까지 걸린 시간을 측정 3. 초음파가 진행속도는 소재의 고유한 값을 가지므로 4. 시간측정을 통해서 초음파의 진행거리를 계산할 수 있다. S = sound path [mm] c = sound velocity [km/s] t = transit time [㎛] Block diagram : Pulse Echo method The principle of time of flight measurement

11 근거리음장

12 TOF : time of flight (초음파 날라가서 결함맞고 돌아오는 시간)
Backwall Echo 두께측정 결함위치 목적 : 결함의 크기와 위치 % [전압] 결함크기 Initial Pulse Flaw Echo Flaw Echo t [거리] 결함위치 검사범위 Initial Pulse(Noise) 때문에 신호가 안보일 수 도 있다. S/N Ratio (신호대 잡음비) 3:1 ( 권장) 2:1 (최소 확보) Delay층 : Calibration에서 보상 해 줘야 한다 실제 출발은 진동자에서 출발한다

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14 at the 8th scale graduation at the 8th scale graduation
Ultrasonic test 원리 Initial pulse : start After 10 μs Beam spot at the 8th scale graduation Backwall echo at the 8th scale graduation 초음파 탐상원리

15 Discontinuities Echo Test object with discontinuity, display with flaw echo Discontinuity in front of the backwall Discontinuity near the surface

16 초음파검사의 원리 표면직하에 결함이 존재하는 경우, 초기송신펄스의 영향으로 결함판독이 모호해지는데
결함의 형상과 위치에 따른 대표적케이스는 아래와 같다.

17 초음파검사의 원리 에코 높이 ∝ 반사원의 면적 가로축이 내부의 게재물 등의 반사원의 위치정보를 제공한다면
수직축은 수신된 신호의 세기에 대한 정보를 제공하는데, 수신되는 신호의 크기는 그것의 크기에 비례하며 반사면이 평활하고 초음파와 반사원이 정확히 수직하다면, 에코 높이 ∝ 반사원의 면적

18 초음파검사의 원리 에코높이 ∝ 1/ (거리) 소재 내부를 진행하는 초음파는 진행거리가 길어지면
길어질수록 되돌아오는 반사원의 세기가 점점 줄어드는데 이는 재질이 가진 결정구조에 따라서 차이가 발생 2 에코높이 ∝ 1/ (거리)

19 Probe delay straight beam probe - initial pulse delay
Angle beam probe - initial pulse delay

20 Dead zone A non-detectable near-to surface discontinuity
Echo sequence of a near to surface discontinuity Shadowing of the backwall echo by a larger near to surface reflector

21 Transducer straight beam probe angle beam probe
Evaluation: one echo - two possible reflector locations

22 초음파의 진행방향 및 파동방식에 의한 분류 탐상 방법 파동양식 주요용도 수직탐상법 종 파
주단조재,압연재 등의 내부결함검출 및 두께측정 사각탐상법 횡 파 용접부,관재 등의 내부 결함의 검출 표면파탐상법 표면파 표면결함의 검출과 치수측정 종파(L) 종파(L) L L Mode 변환 ( L ) T L L [횡파] 사용 [사각탐상] [수직탐사] Steel 종파 음속 (C1) 5920 mm/s 횡파 음속 (C2) 3250 mm/s

23 사각 탐상 a Initial Pulse b s a = s sinβ d = s cosβ t [거리] S 결함위치
2 leg = 1 skip 외면 Crack : 반사를 시켜야 된다. 정수배 skip [2, 3, 4, …] 1 leg 2 leg 내면 Crack : Direct로 된다. 0.5 skip [1.5, 2.5, 3.5, …]

24 사각 탐상

25 사각 탐상

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27 초음파의 성질 1)스넬의 법칙 Ex1)매질1이 물이고, 매질2가 강(steel)일 때 횡파의 굴절각이 90˚가 되도록 하려한다.입사각을 얼마로 조정해야 하는가?

28 2. 파형변환[Mode conversion]
실제는 종파와 횡파가 소재영역에 공존 ☞정확한 결함의 평가가 어렵다. 1차 임계각 2차 임계각 종파의 굴절각이 90˚일 때의 입사각 ∴steel에는 횡파만 존재 ;횡파의 굴절각이 90˚일 때의 입사각 ∴steel표면에 표면파가 형성된다.

29 사용 가능한 입사각 제1임계각 제2임계각

30 TR probe on the test object: CRT with backwall echo
TR probe (dual probe) : 거친 소재의 표면 직하 부분을 정밀히 검사할 때 사용 : Initial Pulse를 배제 할 수 있다. TR probe: section TR probe on the test object: CRT with backwall echo Thickness measurement : TR probe

31 c t S = 2 Calibration of the instrument : Straight beam probe
S = sound path [mm] c = sound velocity [km/s] t = transit time [㎛] Echo No Sound path si[mm] Scale factor k [mm/scale grad] Scale position Ti[scale grad] 1 25 10 2.5 2 50 5.0 3 75 7.5 4 100 10.0 1st Echo = d 2st Echo = 2d 3st Echo = 3d, etc.

32 Calibration of the instrument : Angle beam probe
입사점 X-value Sound path in the V1 block without angle reflection Path of a sound wave in a V2 block, radius 25mm And 100mm Calibration

33 Angle beam test Tandem testing - upper zone Angle beam test
Surface crack test (angle beam probe) Tandem testing - center zone Plane vertical reflector near the surface Tandem testing - lower zone

34 Calibration (시간축 교정) 직각 탐상자 Calibration Basic Menu P-Delay Probe Delay
Velocity 음속 직각 탐상자 Calibration 원래 8t인데 8.3t가 나오네 ? Why ? 1. 소재의 정확한 Velocity를 넣었는가 ? 2. Probe Delay 보상 했는가 ? Initial Pulse Backwall Echo 검사범위 t [거리] 결함위치 SA A gate B gate SBA 8t 8.3 t SBA B-A = 8 1. Velocity를 조절해서 SBA를 8로 맞춘다 SA 8 2. Probe Delay를 조절해서 SA를 8로 맞춘다

35 Calibration (시간축 교정) 사각 탐상자 Calibration Basic Menu P-Delay Probe Delay
Velocity 음속 입사점 X-value 사각 탐상자 Calibration 1. 입사점 확인 2. 굴절각 확인

36 1. 입사점을 찾아라 : 12 mm = 입사점 = x-value
Initial Pulse Peak에서 값을 읽는다 움직이다가 12 mm 1. 입사점을 찾아라 : 12 mm = 입사점 = x-value 2. 굴절각을 찾아라 : 탐촉자를 Block위 Angle값 위에서 움직이면서 Peak에서 Angle이 굴절각이다. (=센서 굴절각) 3. SA, SAB : sa=100, sab=200으로 바꿔라 (수직탐상과 동일) 4. 실제 측정하면서 Result에서 Setting 주고 측정한다. 움직이면서 Peak를 읽는다. 5. PA (Pass A ) : 결함의 수평거리 RA (Reduced A) : Probe 전단으로 부터 거리 DA (Depth A) : 결함깊이 = 표면결함인지 내면 결함인지 판단 할 수 있다 DB (Depth B) : 결함깊이

37 Locating reflectors with an angle-beam probe
입사점 1skip점 0.5skip점 Y0.5s Y1s W1s W0.5s 두께 t θ W0.5s = t / cos θ W1s = 2 X W0.5s = 2t / cos θ Y0.5s = t X tan θ = W0.5s X sin θ Y1s = 2 X Y0.5s = 2t X tan θ = W1s X sin θ

38 Locating reflectors with an angle-beam probe
Reduced surface distances and X-value The apparent depth The flaw triangle The real reflector depth after sound reflection

39 Evaluation of large discontinuities
Straight beam probe on the reflector boundary A large reflector in the sound beam Top view with reflector for extension

40 Evaluation of small discontinuities
The echo heights are proportional to their area or The echo heights are proportional to the square of their diameter Reflectors with different areas and their echoes Reflectors at different depths and their echoes

41 DAC(거리증폭보상곡선) DAC(Distance Amplitude Correction Curve)
같은 크기의 결함이 거리에 따라 신호의 높이가 달라지므로 거리에 관계없이 같은 크기의 결함은 동일한 크기로 평가할 수 있도록 하기 위해 작성되어지는 기준곡선 DAC곡선 작성시 Gain값을 기준으로 결함에 의한 echo높이를 gain 을 조절하여 DAC곡선과 일치시킨 후 조절한 gain 값(dB)으로 평가.

42 초음파 TEST SCAN Detection of Reflectors 결함의 검출 Location of Reflectors
결함의 위치 정보 Calibration 절차 필요 Evaluation of Reflectors 결함의 크기 평가 Diagonosis of Reflectors 결함의 진단 SCAN 산업용 A-SCAN 점탐사 B-SCAN 선탐사 C-SCAN 2차면 탐사 병원용 D-SCAN 3차원 탐사 E-SCAN 동영상

43 데시벨(dB) 0 dB = 20 log10 A -------- A = 1배
V(dB) = 20 log10 A (A:배율 , V: A에 대응하는 dB값) dB값을 배율로 환산 0 dB = 20 log10 A A = 1배 1 dB = 20 log10 A log10 A = A = = 1.12 배 2 dB = 20 log10 A log10 A = A = = 1.26 배 6 dB = 20 log10 A log10 A = A = = 배 14 dB = 20 log10 A log10 A = A = = 5 배 20 dB = 20 log10 A log10 A = A = 101 = 배 40 dB = 20 log10 A log10 A = A = 102 = 배