초음파탐상시험 (Ultrasonic Testing : UT)

초음파 탐상시험 (Ultrasonic Testing : UT)

초음파탐상시험 (Ultrasonic Test :UT)은 초음파가 물체의 내부를 직진하며 반사, 굴절하는 현상을 이용하여 대상의 내부에 존재하는 불연속을 탐지하는 기법이다. 방사선투과검사와는 내부결함의 탐지가가능한 점과 대부분 종류의 재질에 적용이 가능한 점에서는 유사하지만 방향성이 다른 특징이 있다.

예제1예제2

초음파 탐상시험 원리

(1) 초음파의 특성 및 발생장치

우리 인간이 들을 수 있는 주파수는 16-16000Hz정도이며 이것을 인간의 가청주파수라 한다. 20000Hz 이상을 초음파라 하며 우리가 초음파탐상에 이용하는 주파수는 보통 0.2-25MHz정도이다. 초음파는 빛보다는 파장이 길지만 보통의 전파보다는 파장이 짧다. 그리고 전파는 금속 내부에는 전해지지 않지만 초음파는 금속 내부로 전파되므로 우리가 초음파 탐상을 할 수 있다. 우리가 적용할 수 있는 초음파 탐상은 일반적으로 철강, 알미늄, 티타늄 등의 금속재표시험 압력용기, 선박, 교량, 발전소 건설 등 폭 넓게 사용되고 있다. 입자의 구조측정, 잔류응력측정 등 미시적인 분야에까지 널리 적0용되고 있으며 나아가서 의학에까지 널리 이용되고 있다. 

① 초음파의 발생

우리가 철판을 망치로 두드리면 그 철판에는 진동이 생기게 된다. 그 원리는 입자에서 입자로 계속 에너지를 전달하기 때문에 전체적으로 진동이 발생하는 것 이다. 그와 같이 초음파에서는 진동할 수 있는 진동자에 전압을 걸어 전기적인 에너 지를 가하게 되면 진동자가 진동하여 매질내에서 기계적 에너지로 변환되어 전파하게 된다. 

② 초음파의 종류 및 특성

초음파를 발생시키는 초음파 탐촉자는 크게 나누어 수직탐촉자와 경사각 탐촉자로 구분되는데 수직탐촉자는 초음파가 시험체의 표면과 수직으로 입사되며 경 사각 탐촉자는 탐상체의 표면에 일정한 각도로 경사되게 입사된다. 상용의 표준형 경 사각 탐촉자의 입사각도는 45 °, 60°, 70°등이다.

③ 진동자의 종류 및 특성 

1) 수정 (Quartz) 

Quartz 의 특성으로서는 전기적, 화학적, 온도적으로 안정성이 있으며액체에 불용성이고 노쇄하지 않으며 균질성을 가지고 있다. 그러나 음향 에너지의 효과적인 발진이 안되며, Mode Conversion 간섭을 일으키고 저주파수 사용할 때는 높은 전압을 필요로 한다.  

2) 압전 세라믹 (Polarized Ceramics) 

압전 세라믹의 특성으로서는 송신 효율이 가장 좋으며 낮은 주파수에 서 작동이 되고 습기에 잘 견디며 300℃정도까지 사용가능하다. 단점으로서는 기계적 인 강도가 낮고, Mode Conversion 장해를 받으며 노쇄해지는 결점이 있다. 

3) 황산리듐 (Lithum Sulphate) 

황산리듐은 초음파 에너지의 가장 효과적인 수신기이며 발진효율은 중 간정도이다. 또한 노쇄하지 않으며 Mode Conversion 장해가 적으나 부서 지기 쉽고 물에 녹으며 165 ℉(74℃) 이하 온도에서만 사용 가능하다.

(2) 초음파 탐상법 

① 초음파 탐상법의 구분 

초음파 탐상은 초음파의 발생이나 수신 방법에 따라 펄스 반사법과 투과 법, 공진법으로 구분되며 초음파의 입사각도에 따라 수직탐상법과 경사각탐상법으로 분류하고, 초음파의 전달방법에 따라 접촉법(contact methode)과 수침법(immersion methode)으로 분류하며, 신호의 display나 기록방법에 따라서는 A-scan, B-scan, C-scan법으로 분류한다. 용접물의 초음파 탐상에는 주로 접촉법에 의한 펄스반사법을, display 방법은 주로 A-scan법이 채택된다. 

② 탐상장치의 보정 

초음파 탐상시험을 수행하기 위해서는 우선 표준시험편을 이용하여 시간 축과 탐상감도를 조정하여야 한다. 시간축을 조정함으로써 결함의 위치를 판단할 수 있으며 탐상감도를 조정함으로써 결함크기에 대한 추정을 가능하게 한다. 현재 적용되고있는 결함크기의 평가법은 다음 원리에 바탕을 두고 있다. 

③ 수직 탐상법 

수직 탐촉자를 접촉매질이 도포된 탐상면에 접촉시키면 시험체 속에 종파 의 초음파를 전파시킨다. 결함이 있으면 그곳에서 반사하여 결함 echo가 되어 탐촉 자로 되돌아온다. 또 결함에 부딪히지 않는 초음파는 시험체의 저면에 반사되어 저면 echo로서 탐촉자에 되돌아온다. 

④ 경사각 탐상법 

경사각 탐촉자를 검사체의 표면에 접촉시키면 일반적으로 횡파의 초음파 가 탐상면에 경사져서 전파한다. 초음파가 경사져서 저면에 부딪히므로 탐상면과 저 면이 평행하여도 수직 탐상법과 같이 저면 echo는 나타나지 않는다. 그러므로 결함 의 위치를 정확히 구하기 위해서는 표준시험편을 사용하여 측정범위를 바로 조정해야 한다. 경사각 탐상은 주로 용접부의 탐상에 널리 이용되고 있다. 경사각 탐촉자는 용접부의 가까운 모재상에 접촉시켜서 직사법 또는 1회 반사법 에 의해 내부의 결함을 검출한다. 

(3) 초음파 탐상시험의 장단점 

- 장점 

◦ 표면 및 내부결함의 탐상에 적용할 수 있다. 

◦ 펄스 반사법을 이용할 경우 한쪽면에서 탐상이 가능하다. 

◦ 결함위치의 측정과 크기의 추정이 가능하다.

 ◦ RT에 비해 대형의 대상에 적용 가능하다. 

- 단점 

◦ 결정이 조대한 재질은 탐상이 어렵다. 

◦ 다른 비파괴시험법에 비하여 검사자의 많은 경험과 능력을 요한다. 

◦ 초음파의 주사를 면밀히 하지 않으면 탐상이 안되는 부분이 생길 수 있다. 

◦ 탐상면이 양호해야 한다.

https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/cc_ut_index.htm