자동차부품용 스틸 플레이트의 초음파 방사음장각에 따른 NDE 표면결함평가에 관한 연구 = On NDE Surface Defect Evaluation of Steel Plates Based on Ultrasonic Radiation Angles for a Use of Automotive Parts

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, artificial defects are machined onto the surface of steel plates used in automotive components. Since the defect size is very small, nondestructive testing （NDT） methods are required. Among these, ultrasonic testing （UT） is the most widely applied technique. In particular, experimental parameters are established for evaluating surface defects in steel plates, and ultrasonic techniques are employed to implement an optimized UT method.
Furthermore, this research analyzes the influence of radiated ultrasonic fields from multiple angles on the evaluation of surface defects in steel plates used for automotive components. Comparative analysis is conducted through both experimental measurements and simulation techniques to validate the effectiveness of the proposed approach. For the experimental testing, steel flat plates and piston rods containing artificial defects of varying depths （0 μm, 300 μm, 600 μm, and 900 μm） were employed. The experimental procedures involved the generation, propagation, and reception of Rayleigh waves, followed by a detailed analysis of the acquired signals, as outlined below.
1） The CIVA simulation results confirmed that the ultrasonic radiation angle exerts a significant influence on both the propagation behavior of ultrasonic waves and the response of surface defects. Under varying radiation angles, the ultrasonic waves exhibited distinct propagation paths, acoustic field distributions, and scattering characteristics in the vicinity of the defect region. Furthermore, the simulations of ultrasonic testing using both the pulse–echo and pitch–catch techniques were successfully performed, thereby demonstrating their applicability to practical ultrasonic inspection scenarios.
2） The CIVA simulation is useful for visualizing the interaction between ultrasonic waves and surface defects before experimental testing. It also provides theoretical support for selecting suitable inspection angles and optimizing experimental conditions.
3） In the pitch–catch ultrasonic testing, four cases were examined: non-defect, vertical defect, 45° defect, and horizontal defect. In the non-defect case, the peak-to-peak amplitude was observed to be the highest. In contrast, the amplitudes decreased sequentially in the order of vertical defect, 45° defect, and horizontal defect. These results indicate that both the presence of surface defects and the orientation of the cracks exert a significant influence on the measured peak-to-peak amplitude.
4） Especially, when the transmitting ultrasonic transducer was fixed and the receiving ultrasonic transducer was scanned in the directions of 0°, 45°, and 90° relative to the surface wave, the peak-to-peak amplitude was compared. It was observed that the amplitude increased significantly from the 0° direction to the 90° direction. This result indicates that the radiation field of the surface ultrasonic wave was strongly influenced by the main ray.
5） Future research should aim to enhance the quantitative evaluation framework by expanding the range of defect sizes investigated, incorporating a broader selection of steel grades and surface conditions, and integrating advanced approaches such as signal processing techniques or machine learning algorithms to enable automated defect characterization.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 자동차 부품에 사용되는 강판 표면에 인공 결함을 가공하였다. 결함의 크기가 매우 작기 때문에 비파괴검사（NDT） 방법이 요구된다. 여러 비파괴검사 방법 중 초음파 검사（UT）는 가장 널리 적용되는 기술 중 하나이다. 본 연구에서는 강판 표면 결함을 평가하기 위한 실험 조건을 설정하고, 초음파 기술을 이용하여 최적화된 초음파 검사 방법을 구현하였다.
또한 본 연구는 여러 각도에서 방사되는 초음파 음장이 자동차 부품용 강판의 표면 결함 평가에 미치는 영향을 분석하였다. 제안된 방법의 유효성을 검증하기 위해 실험 측정과 시뮬레이션 기법을 이용한 비교 분석을 수행하였다. 실험 시험에는 0 μm, 300 μm, 600 μm 및 900 μm의 다양한 깊이를 갖는 인공 결함이 포함된 강판 시편과 피스톤 로드가 사용되었다. 실험 절차는 레일리파의 발생, 전파 및 수신으로 구성되었으며, 획득된 신호를 상세히 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
1）CIVA 시뮬레이션 결과, 초음파 방사각은 초음파의 전파 거동과 표면 결함의 응답 모두에 유의한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 서로 다른 방사각 조건에서 초음파는 상이한 전파 경로, 음장 분포 및 결함 부근의 산란 특성을 나타냈다. 또한 펄스-에코법과 송수신 분리형 피치-캐치법을 이용한 초음파 탐상 시뮬레이션을 성공적으로 수행함으로써, 두 기법이 실제 초음파 검사에 적용될 수 있음을 확인하였다.
2）CIVA 시뮬레이션은 실제 실험을 수행하기 전에 초음파와 표면 결함 간의 상호작용을 시각적으로 확인하는 데 유용하다. 또한 적절한 검사각을 선정하고 실험 조건을 최적화가 가능 하였다.
3）피치-캐치 초음파 검사에서는 무결함, 수직 결함, 45° 결함 및 수평 결함의 네 가지 조건을 분석하였다. 무결함 시험편에서 피크-투-피크 진폭이 가장 크게 나타났으며, 결함 시험편에서는 수직 결함, 45° 결함, 수평 결함의 순으로 진폭이 감소하였다. 이러한 결과는 표면 결함의 존재뿐만 아니라 균열의 방향도 측정된 피크-투-피크 진폭에 유의한 영향이 미쳤다.
4）특히 송신 초음파 변환기를 고정한 상태에서 수신 초음파 변환기를 표면파에 대해 0°, 45° 및 90° 방향으로 주사하고 피크-투-피크 진폭을 비교하였다. 그 결과, 진폭은 0° 방향에서 90° 방향으로 갈수록 뚜렷하게 증가하였다. 이는 표면 초음파의 방사 음장이 주음선 방향의 영향을 미쳤다.
5）향후 연구에서는 다양한 결함 크기를 추가로 조사하고, 더 폭넓은 강종과 표면 상태를 포함하며, 고급 신호처리 기법이나 머신러닝 알고리즘을 적용함으로써 정량적 평가 체계를 더욱 향상시킬 필요가 있다. 이를 통해 결함의 자동 식별 및 특성화를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.1 Background of the Study 1
• 1.2 Research Objectives 8
• II. Fundamentals of Ultrasonic Waves 10
• 2.1 Basic Concepts of Ultrasonic Waves 10
• 2.2 Basic Parameters of Ultrasonic Waves 11
• III. Specimens 15
• IV. Ultrasonic Simulation 19
• V. Experimental Methods 29
• 5.1 Contact Ultrasonic Testing 29
• VI. Results and Discussion 40
• 6.1 CIVA Simulation Results and Analysis 40
• 6.2 Amplitude Comparison under Different Radiation Angles 44
• 6.3 Discussion of CIVA Simulation Results 45
• 6.4 Contact Ultrasonic Testing and Analysis 47
• 6.4.1 Original A-scan Images for Peak-to-Peak Amplitude Measurement 47
• 6.4.2 Original A-scan Images for TOF Measurement 60
• 6.4.3 Peak-to-Peak Amplitude and TOF Curves 73
• 6.4.4 Discussion of Contact Ultrasonic Testing Results 90
• VII. Conclusions 92
• References 95
• 국문요약 97