Nondestructive Material Testing

with Ultrasonics

비파괴검사 [Non Destructive Testing] 란 ?

표면결함

표면직하결함

내부결함

표면결함MT, ET 쉽게 적용 가능

표면직하결함

내부결함 UT, RTRT(↓), UT(↑) : 필름고가 , 안전성

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

1. 장점

- 균열 등 면상결함의 검출능력이 RT 보다 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 .

- 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 .

2. 단점

초음파 시험의 장단점

The ultrasonic principle is based on the face that solid materials are good conductors of sound waves.

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)

초음파 (Ultrasonic) 란 ?

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 )

초음파 기본이론

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

초음파의 종류

표면파 (surface wave)

검사기 (USN 60)

탐촉자 (Probe)

접촉매질 (Couplant)

검사대상 (Tank)

소리

진동발생 20KHZ 이상이면 초음파전기

기계

초음파장비에서는 Probe 에서

전기적 진동을 기계적 진동으로 변환시켜 준다

초 음 파 = 소리 = 진동 = 주파수 (Hz)

압전효과 [ 수신 ] 역압전효과 [ 송신 ]

측정 준비물

1

2

3

4

5

6

전기적 Pulse

진동자 ( 압전체 ) = Piezo-electric effect“Press”

기계적 진동 ( 압전역효

과 )

반사파 ( 기계적 진동 )

전기

적 신

호(압

전정

효과

)

Display ( 오실로스코프 )

송신부 ( 전기 Pulse 발생 )

수신부

초음파의 송수신 원리

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

예 ] Steel 측정물 , 5MHz 센서로 측정하면 파장은 ?=Reflector = Discontinuity = Flaw

Block diagram : Pulse Echo method

The principle of time of flight measurement

S = sound path [mm]c = sound velocity [km/s]t = transit time [ ㎛ ]

Ultrasonic test 원리1. 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 .

근거리음장

TOF : time of flight ( 초음파 날라가서 결함맞고 돌아오는 시간 )

두께측정

결함위치

목적 : 결함의 크기와 위치

Initial Pulse Flaw

Echo

Flaw Echo

Backwall Echo

검사범위t [ 거리 ]

결함위치

% [ 전압 ]

결함크기

실제 출발은 진동자에서 출발한다

Delay 층 : Calibration 에서 보상 해 줘야 한다

Initial Pulse(Noise) 때문에 신호가

안보일 수 도 있다 .

S/N Ratio ( 신호대 잡음비 )

3:1 ( 권장 )

2:1 ( 최소 확보 )

Ultrasonic test Ultrasonic test 원리원리

Beam spot at the 8th scale

graduation

Backwall echoat the 8th scale graduation

초음파 탐상원리

Initial pulse : start

After 10 μs

Test object with discontinuity, display with

flaw echo

Discontinuity in front of the backwall

Discontinuity near the surface

Discontinuities Echo

표면직하에 결함이 존재하는 경우 ,

초기송신펄스의 영향으로 결함판독이 모호해지는데

결함의 형상과 위치에 따른 대표적케이스는 아래와 같다 .

초음파검사의 원리

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

초음파검사의 원리

소재 내부를 진행하는 초음파는 진행거리가 길어지면

길어질수록 되돌아오는 반사원의 세기가 점점 줄어드는데

이는 재질이 가진 결정구조에 따라서 차이가 발생

2

에코높이 ∝ 1/ ( 거리 )

초음파검사의 원리

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

Probe delayProbe delay

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 refle

ctor

Dead zoneDead zone

straight beam probe

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

TransducerTransducer

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)

[ 수직탐사 ]

LL

L

[사각탐상 ]

종파 (L)

Mode 변환 ( L )L

T

[횡파 ]

사용

Steel종파 음속 (C1) 5920 mm/s

횡파 음속 (C2) 3250 mm/s

사각 탐상

Initial Pulse

t [ 거리 ]

결함위치S

a

bs

a = s sinβ

d = s cosβ

1 leg 2 leg

내면 Crack : Direct 로 된다 . 0.5 skip [1.5, 2.5, 3.5, …]

외면 Crack : 반사를 시켜야 된다 . 정수배 skip [2, 3, 4, …]

2 leg = 1 skip

사각 탐상

사각 탐상

초음파의 성질

1) 스넬의 법칙

Ex1) 매질 1 이 물이고 , 매질 2 가 강 (steel) 일 때 횡파의 굴절각이 90˚ 가 되도록 하려한다 . 입사각을 얼마로 조정해야 하는가 ?

2. 파형변환 [Mode conversion]

실제는 종파와 횡파가 소재영역에 공존

☞ 정확한 결함의 평가가 어렵다 .

1 차 임계각

종파의 굴절각이 90˚ 일 때의 입사각

∴steel 에는 횡파만 존재

2 차 임계각

; 횡파의 굴절각이 90˚ 일 때의 입사각

∴steel 표면에 표면파가 형성된다 .

사용 가능한 입사각

제 1 임계각

제 2 임계각

TR probe: section

TR probe on the test object: CRT with backwall echo

TR probe (dual probe)TR probe (dual probe)

Thickness measurement : TR probe

: 거친 소재의 표면 직하 부분을 정밀히 검사할 때 사용

: Initial Pulse 를 배제 할 수 있다 .

S = 2

c t

S = sound path [mm]

c = sound velocity [km/s]

t = transit time [ ㎛ ]

1st Echo = d

2st Echo = 2d3st Echo = 3d, etc.

Echo NoSound path

si[mm]

Scale factor k [mm/scale

grad]

Scale position Ti[scale grad]

1 25 10 2.5

2 50 10 5.0

3 75 10 7.5

4 100 10 10.0

Calibration of the instrument : Straight beam probeCalibration of the instrument : Straight beam probe

Sound path in the V1 block without angle reflection

Path of a sound wave in a V2 block, radius 25mmAnd 100mm Calibration

Calibration of the instrument : Angle beam probeCalibration of the instrument : Angle beam probe

입사점X-value

Tandem testing - upper zone

Tandem testing - center zone

Tandem testing - lower zone

Angle beam test

Surface crack test (angle beam

probe)

Plane vertical reflector near the surface

Angle beam testAngle beam test

Calibration ( 시간축 교정 )

Basic Menu

P-DelayProbe Delay Calibration 할 때 사용

Velocity 음속직각 탐상자 Calibration

8t

8.3 t

원래 8t 인데 8.3t 가 나오네 ? Why ?

1. 소재의 정확한 Velocity 를 넣었는가 ?

2. Probe Delay 보상 했는가 ?

Initial Pulse

Backwall Echo

검사범위

t [ 거리 ]

결함위치SA

A gate B gate

SBA

SBA B-A = 8 1. Velocity 를 조절해서 SBA 를 8 로 맞춘다

SA 8 2. Probe Delay 를 조절해서 SA 를 8 로 맞춘다

Calibration ( 시간축 교정 )

Basic Menu

P-DelayProbe Delay Calibration 할 때 사용

Velocity 음속

사각 탐상자 Calibration 입사점X-value

1. 입사점 확인

2. 굴절각 확인

움직이다가 Initial Pulse

Peak 에서 값을 읽는다

1. 입사점을 찾아라 : 12 mm = 입사점 = x-value

12 mm

2. 굴절각을 찾아라 : 탐촉자를 Block 위 Angle값 위에서 움직이면서 Peak 에서 Angle 이 굴절각이다 . (= 센서 굴절각 )

3. SA, SAB : sa=100, sab=200 으로 바꿔라 ( 수직탐상과 동일 )

4. 실제 측정하면서 Result 에서 Setting 주고 측정한다 . 움직이면서 Peak 를 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

Locating reflectors with an angle-beam probeLocating reflectors with an angle-beam probe

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

입사점 1skip 점

0.5skip 점

Y0.5s

Y1s

W1s

W0.5s 두께 t

θ

Locating reflectors with an angle-beam probeLocating reflectors with an angle-beam probe

Reduced surface distances and X-value The apparent depth

The real reflector depth after sound reflectionThe flaw triangle

Evaluation of large discontinuitiesEvaluation of large discontinuities

A large reflector in the sound beam

Straight beam probe on the reflector boundary

Top view with reflector for extension

Reflectors with different areas and their echoes

Reflectors at different depths and their echoes

Evaluation of small discontinuitiesEvaluation of small discontinuities

The echo heights are proportional to their area

or The echo heights are proportional to

the square of their diameter

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 기준곡선DAC곡선 작성시 Gain값을 기준으로 결함에 의한 echo 높이를 gain 을 조절하여 DAC곡선과 일치시킨 후 조절한 gain 값 (dB) 으로 평가 .

초음파 TEST

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 2 차면 탐사

병원용D-SCAN 3 차원 탐사

E-SCAN 동영상

데시벨 (dB)

V(dB) = 20 log10 A (A: 배율 , V: A 에 대응하는 dB 값 )

dB 값을 배율로 환산

0 dB = 20 log10 A -------- A = 1 배

1 dB = 20 log10 A -------- log10 A = 0.05 -------- A = 100.05 = 1.12 배

2 dB = 20 log10 A -------- log10 A = 0.1 -------- A = 100.1 = 1.26 배

6 dB = 20 log10 A -------- log10 A = 0.3 -------- A = 100.3 = 2 배

14 dB = 20 log10 A -------- log10 A = 0.7 -------- A = 100.7 = 5 배

20 dB = 20 log10 A -------- log10 A = 1 -------- A = 101 = 10 배

40 dB = 20 log10 A -------- log10 A = 2 -------- A = 102 = 100 배