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Laser Based Ultrasonic Inspection in Ablation Regime

Title
Laser Based Ultrasonic Inspection in Ablation Regime
Other Titles
어블레이션 영역의 레이저 기반 초음파 검사 기법 개발
Author
김진겸
Alternative Author(s)
김진겸
Advisor(s)
장경영
Issue Date
2015-02
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
The laser-based ultrasonic technique (LBUT) that uses a short-pulsed laser to excite ultrasound and the other laser coupled to an interferometer to detect the ultrasonic wave has been developed for a noncontact nondestructive test (NDT) technique. LBUT can be classified into the thermoelastic regime and the ablation regime according to the laser power illuminated on the surface of the material being tested. In the thermoelastic regime, the low-power laser induces thermoelastic expansion to excite ultrasonic waves, while in the ablation regime the higher-power laser induces material removal that contributes to stronger excitation of ultrasonic waves than that occurs with the thermoelastic regime. In general, LBUT generates both longitudinal and shear waves simultaneously, regardless of the regime. However, the propagation characteristics of the generated ultrasonic waves, such as amplitude and directivity, are different for the two regimes. In particular, the longitudinal wave is stronger in the ablation regime than in the thermoelastic regime and its propagation direction is normal to the material’s surface, which is suitable for the inspection of internal defects. However, most of research related with LBUT for NDT has been focused in the thermoelastic regime. In this thesis, I present my study of the ablation regime of LBUT with respect to both effective excitation and detection of ultrasound. First, the optimal beam intensity needed to maximize the amplitude of the ultrasound was determined; as the beam intensity increases, the ultrasound amplitude does not always increase because of the plasma shielding effect. Next, the variation in the sensitivity of laser interferometer to detect the ultrasound according to the condition of the material’s surface was compensated. Finally, these two methods were used to inspect the internal defects that were artificially fabricated in a steel specimen. Results of the experiments showed that determination of the size and location of the defect improved with the use of the proposed method. This method can be applied effectively for NDT of high-temperature material and of curved complicated structures that usually are inaccessible in conventional contact ultrasound techniques. |레이저 초음파 기법은 펄스 간격이 짧은 레이저 빔을 재료 표면에 조사하여 초음파를 가진하고 레이저 간섭계를 이용하여 초음파를 수신하는 비파괴검사기법이다. 가진 조건은 크게 열탄성 영역과 어블레이션 영역으로 나뉘며 재료 표면에 조사되는 레이저 세기에 따라 분류된다. 열탄성 영역에서는 낮은 출력의 빔 에너지가 조사되어 열팽창 현상에 의해 초음파가 발생되는 반면, 어블레이션 영역에서는 고출력의 빔 에너지에 의해 재료가 일부 소실되며 열탄성 영역에 비해서 상대적으로 강한 초음파가 발생한다. 레이저 초음파는 종파와 횡파가 동시에 발생하고, 위의 두 영역에서는 진폭과 지향성의 특성이 각기 다르게 나타난다. 특히, 어블레이션 영역에서는 표면 직하 방향으로 강한 종파가 발생하고, 이는 검사체 내부의 결함을 검사하는데 적합하다. 하지만, 지금까지의 레이저 초음파 관련 연구는 대부분 열탄성 영역에서 수행되었다. 열탄성 영역에서는 어블레이션 영역과 달리 재료 표면에 미소 손상이 유발되지 않고, 플라즈마 생성 및 재료 소실에 대한 고려 없이, 열팽창 현상만을 고려하여 해석이 가능하기 때문이다. 본 논문에서는 어블레이션 영역에서 레이저 초음파의 가진부와 수신부의 효율성 개선 연구가 수행되었다. 가진부에서 빔 강도의 증가에 따라 발생 초음파의 진폭이 반드시 증가하는 것은 아님을 확인하였다. 이러한 현상의 원인으로 플라즈마 쉴드에 의한 빔 에너지의 흡수가 발생함을 검증하고, 최대 진폭의 초음파를 발생시키기 위한 최적 빔 강도를 선정하였다. 수신부에서는 표면에 따라 변화하는 레이저 간섭계의 감도가 보상 되었고, 이러한 개선 기법을 실제 결함 시편에 적용함으로써 결함의 위치와 크기에 따른 검출능력이 향상되었다. 본 연구에서 개선된 레이저 초음파 검사 기법은 기존의 접촉식 초음파 검사를 수행하기가 어려운 고온 및 복잡한 형상의 구조물에 효과적으로 활용될 것으로 기대된다.; as the beam intensity increases, the ultrasound amplitude does not always increase because of the plasma shielding effect. Next, the variation in the sensitivity of laser interferometer to detect the ultrasound according to the condition of the material’s surface was compensated. Finally, these two methods were used to inspect the internal defects that were artificially fabricated in a steel specimen. Results of the experiments showed that determination of the size and location of the defect improved with the use of the proposed method. This method can be applied effectively for NDT of high-temperature material and of curved complicated structures that usually are inaccessible in conventional contact ultrasound techniques.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/128929http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000425805
Appears in Collections:
GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > MECHANICAL CONVERGENCE ENGINEERING(융합기계공학과) > Theses (Master)
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