재료 내부 결함의 비파괴 평가를 위한 Ablation 영역 레이저 여기 초음파 기술

Abstract

주조에서는 주입온도의 조절, 인발속도 및 냉각수량의 조절, 주형의 원형 보존 등에 유의하여야 한다. 이러한 부분들의 조절이 잘 이루어 지지 않으면 제품, 즉 주강의 표면이나 내부에 결함이 생기게 된다. 그리고 이러한 결함들이 내포된 주강이 제품으로 가공되고 최종 기계제품으로 생산될 때 많은 문제점을 유발할 가능성이 크다. 따라서 제품의 질적 향상과 신뢰성을 보장하기 위해서 주조 후 내부결함에 대한 평가가 절실하다. 기존의 산업에서는 방사선투과검사법과 접촉식 초음파검사법이 활용되고 있으나, 방사선투과검사법의 경우 피폭의 위험요소가 있고, 접촉식 초음파검사법은 접촉매질을 필요로 하기 때문에 검사의 자동화가 어려울 뿐만 아니라, 고온환경이나 접촉이 불가한 굴곡부등에 적용이 어렵다. 본 연구에서는 고출력 Nd:YAG 펄스레이저를 이용해서 Ablation 영역에서 초음파를 발생시키고 비접촉으로 초음파 파형을 측정할 수 있는 TWM(Two-Wave Mixing)으로 초음파를 수신하는 비접촉식 초음파검사 시스템을 구현하였다. 이를 위해 Ablation 영역에서 레이저 초음파의 발생 원리를 분석 하였으며, 구현된 시스템을 활용하여 주강에서의 레이저 초음파 기본특성, 즉 재료 표면상태에 따른 신호 특성, 조사각 및 수신각의 영향, 조사 레이저의 최적 빔 폭, 검사 가능한 시편의 두께 등을 조사하였다. 또한 Ablation 모드 레이저 초음파 시뮬레이션 모델을 개발하였고, 실제 결함 시편과의 실험적 비교를 통해 검증하였다. 이를 통해 제안하는 기법의 다양한 측정조건 및 내부결함 유형에 대한 적용 가능성을 예측 평가하였다.