A Study on Evaluation Method for Micro Defects on Surface based on Leaky Rayleigh Wave

염윤택,김학준,송성진,ziqiao tang,권성덕,강성식 한국물리학회 2019 THE JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY Vol.74 No.5

Among the various non-destructive test techniques, one of the ultrasonic techniques, ultrasonic testing using leaky Rayleigh wave, are very useful for measuring micro-defects that occur on surfaces. However, it is difficult to determine the depth of the actual flaw, because the amplitudes of the collected signals vary depending on the location of the signal acquisition due to the characteristics of the leaky Rayleigh wave occurring at liquid-solid interface. Therefore, in this study, the phenomenon and characteristics of leaky Rayleigh wave were analyzed through FEM simulation. In addition, transmissions factors that depend only on the size of the defect and leaky factors that depend only on the collection distance were distinguished. Then, a defect calculation algorithm has been developed that can quantitatively assess the depth of defects regardless of its acquisition location.

누설 레일리파를 이용한 표면 미세결함 검출기법 연구

염윤택,김학준,송성진,강성식,권성덕 한국물리학회 2015 새물리 Vol.65 No.2

Rayleigh surface waves can be applied to detect defects on the surface of a material. Leaky Rayleigh waves propagate along the surface of a liquid-solid interface, generating directional leaky longitudinal waves. In this study, to measure the defects by using the Rayleigh waves, we devised a surface acoustic wave (SAW) measurement system that could generate and measure leaky Rayleigh waves. SM45C specimens with artificial micro-surface defects were prepared. The incidence angle of the ultrasonic beam was fixed at the Rayleigh angle. Signals reflected by surface defects were measured by using the pulse-echo technique, and transmitted signals were measured by using the pitch-catch technique. We evaluated the size and the depth of a micro-surface defect by using the reflection from the defects and the transmission through the defects of surface waves. The correlation between the surface defects and reflected and transmitted signals showed the usefulness of leaky Rayleigh waves. 재료의 표면지역의 균열 결함을 검출하기 위하여 레일리 (Rayleigh) 표면파를 이용한 기술이 적용되고 있으며, 액체-고체의 표면에서 액체로 방향성을 갖고 누설 종파를 발생 시키며 진행하는 표면파를 누설 (leaky) 레일리파라고 한다. 본 연구에서는 누설 레일리파를 이용하여 결함 평가를 수행하였으며, 누설 레일리파를 발생 및 측정을 위한 측정 시스템을 제작하였으며, 0.5 mm의 탐촉자의 수평이동 정밀도에 0.1˚의 각도 정밀도를 갖추었다. 일반 재질인 SM45C의 재료 표면에 깊이와 크기가 서로 다른 표면 미세 결함을 가진 인공 표면결함 시편을 제작하였으며, 초음파 입사빔의 각도는 누설 레일리파가 발생하는 시험편의 레일리 각으로 고정하였다. 결함이전 지역에 대해 초음파의 입사점을 스캔하며 표면파가 결함에 의해서 반사된 신호를 Pulse-Echo기법을 통해서 측정하였고, 결함 경계를 투과한 표면파의 신호는 수신각을 레일리각으로 고정하고 결함이후 지역을 스캔하는 Pitch-Catch기법으로 측정하였다. 표면 미세 결함의 깊이와 크기에 따른 누설 레일리파의 반사 및 투과 신호를 통해서 표면 미세 결함이 누설 레일리파에 미치는 영향을 평가하여, 시편 표면의 결함과 표면파의 반사 및 투과 신호와의 상관관계를 정립하였다.

레일리 파를 이용한 축 표면 미세결함 측정 기법 연구

염윤택,김학준,송성진,권성덕 한국물리학회 2017 New Physics: Sae Mulli Vol.67 No.10

Wind power systems have higher technology and are more competitive than other alternative sources of electric energy, and the demand for such systems is continuously increasing. On the other hand, in shafts for moving the direction of wind energy, the axis is twisted due to the excessive load, and micro-cracks, which may lead to structural damage in wind turbines, often occur on the surfaces of those shafts. Therefore, evaluating the micro-cracks on the surface of a shaft is essential. In this study, a defect measurement technique for evaluating the micro-cracks on a shaft's surface by using Rayleigh waves was developed. For this purpose, the Rayleigh surface waves in the ultrasonic wedge and the surface area of ​​the rotating shaft were investigated by using finite-element simulations, and the optimal design parameters of the ultrasonic wedge were determined. For axial specimens with artificial defects on the surface, the Rayleigh wave signals reflected by the defects was measured in both air and water environments, and the correlation among the angle of the defect, the amplitude of the defect signal, and the defect size was analyzed. 풍력발전기는 다른 대체 에너지에 비해 높은 기술력과 경쟁력을 갖고 있으며, 그 수요는 증가하는 추세이다. 하지만 풍력에너지를 이동시키는 축에서는 과도한 부하로 인한 축의 비틀림에 의해 축 표면에 표면 미세결함이 발생되며 이는 풍력 발전기의 구조 파손으로 이어지게 된다. 따라서 축 표면에 발생하는 표면 미세결함의 평가는 매우 중요하다. 본 연구에서는 레일리(Rayleigh) 파를 이용하여 축 표면의 미세결함을 평가 할 수 있는 측정 기법을 개발하였다. 먼저 유한요소해석을 수행하여, 표면파 발생을 위한 초음파 쐐기(wedge)와 회전축 표면지역에서의 레일리 표면파의 거동과 초음파 쐐기의 최적 설계조건을 도출하였다. 인위적인 표면 결함을 가진 축 시편에 대해 레일리 파가 결함에서 반사되는 신호를 공기 및 물의 두 가지 실험환경에서 측정하였으며, 결함이 위치한 각도, 결함 신호의 진폭 그리고 결함 크기와의 상관관계를 분석하였다.

CFRP 복합재의 적층 방향에 따른 초음파의 투과 음압 분석 연구

염윤택,김학준,송성진,임광희,권성덕 한국물리학회 2022 새물리 Vol.72 No.3

CFRP 복합재는 첨단 복합재료의 대표적인 재료로써 기존 금속 재료보다 내화학성, 진동 감쇠, 경량성, 치수 안전성 등이 우수하여, 다양한 산업 분야에서 주목하고 있는 재료이다. CFRP 복합재는 원하는 적층순서 및 방향에 따라 제작되며 일 방향성(0/0◦ ), 직교 이방성(0/90◦ ), 의사 등방성(0/+45/90/-45◦ ) 등크게 3가지 형태로 나뉠 수 있다. 적층 순서와 방향에 따라 재료의 강도는 높아지지만, 적층 플라이의계면 신호 (반사, 투과, 회절 등)와 재료의 감쇠로 인하여 초음파 신호가 복잡하게 나타나게 된다. 따라서, 본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 CFRP 복합재의 적층 순서 및 방향에 따른 초음파의 거동을가시화하였고, 초음파 투과법을 이용하여 주파수와 적층 방향에 따른 투과된 초음파 음압의 패턴을분석하였다.

균열성 결함에 대한 누설 Rayleigh파의 거동 특성 연구

염윤택,이호걸,김학준,송성진,권성덕 한국물리학회 2016 새물리 Vol.66 No.2

Leaky Rayleigh waves of the ultrasonic method are typically used to evaluate the cracking defects that occur on the surface of a material in a non-destructive method. Leaky Rayleigh waves propagate along the surface of a liquid-solid interface, generating directional leaky longitudinal waves. But research on the pattern of the ultrasonic signal and defect evaluation for crack–like defects is lacking. In this study, we analyzed the propagation behavior of leaky Rayleigh waves by using a finite- element simulation of a crack–like defect on the surface of a material. The signal reflected by a surface defect was measured by using the pulse-echo method. Also, we measured the response of a defect and analyzed the signal reflected from the defect. 재료 표면에 발생하는 균열성 결함을 비파괴 기법으로 평가하는 방법은 주로 초음파 기법의 누설 (leaky) Rayleigh 파 기법이 있으며, 액체-고체의 표면에서 액체로 방향성을 갖고 종파를 누설시키며 진행하는 표면파를 말하며 이때, 결함의 크기에 따른 누설 Rayleigh 파의 거동 특성이 다양하게 나타난다. 하지만 신호의 패턴이나 결함 평가에 대한 연구는 미비한 수준이다. 따라서 본 연구에서는 재료 표면에 임의로 가공한 균열성 결함 (폭이 넓은 결함, 결함이 2가지 이상 겹쳐져 있는 군집형 결함)에 대하여 시뮬레이션을 통한 누설 Rayleigh 파의 거동을 가시화 하였으며, Pulse-echo 기법을 이용한 실험을 통하여 표면 결함에 대한 누설 Rayleigh 파의 반사 신호를 분석하여, 결함의 폭과 깊이 평가에 대한 활용성 및 표면 결함 탐상의 우수성을 이용하여 누설 Rayleigh 파를 이용한 결함 평가에 대한 신뢰성을 증명하였다.

초음파 기법을 이용한 CFRP 복합재의 적층 방향에 따른 신호 특성 평가

염윤택,김학준,송성진,임광희,권성덕 한국물리학회 2021 New Physics: Sae Mulli Vol.71 No.4

CFRP (carbon fiber reinforced plastic) composites have superior chemical resistance, vibrationdamping properties, electrical insulation, dimensional safety, etc. than conventional metal materials. Also, applications of these composites are gradually being attempted in various fields, such as the automobile, shipbuilding, medical equipment, and aerospace and aviation industries, and the scope of applications is expanding. CFRP composites have properties such as imbalance and anisotropy because they are manufactured with a desired stacking order and fiber arrangement angle by using a one-way prepreg sheet. In the additive process, defects such as pores, uneven thickness, resin distribution, and micro-cracks can occur due to sliding or stacking defects and can cause the destruction of the fibers and parent materials, interfacial separation, and fracture, Thus, the characteristics for the shape of CFRP Composite lamination must be evaluate, so In this study, an evaluating of the characteristics was performed by analyzing the ultrasonic A-scan (Amplitude-scan) signal and C-scan (Contrast-scan) image for CFRP composite lamination CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) 복합재는 기존 금속 재료보다 내 화학성, 진동 감쇠, 전기 절연성, 치수 안전성 등이 우수하여 차세대 대체 물질로 주목받고 있으며, 자동차, 조선, 의료기기산업을 포함하여 항공 · 우주 분야 등 다양한 분야에서 점차 적용 범위가 확대되고 있다. CFRP 복합재는 원하는 적층 순서와 탄소 배열 방향에 따라 제작되기 때문에 불균형, 이방성의 특징이있으며, 이는 적층 과정에서 발생하는 기공, 불균질성, 슬라이딩 등을 유발하며, 이로 인해 섬유 및모재의 파괴, 이종 분리, 파단 등 다양한 결함을 가져올 수 있으며, CFRP 복합재의 탄소 배열 방향(적층 방향) 에 따른 형상 특성 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 초음파 탐상 기법을 이용하여CFRP 복합재의 탄소 배열 방향에 따른 형상 특성 연구를 수행하였으며, FEM(Finite Element Method) 시뮬레이션을 이용하여 복합재 내의 초음파 거동을 가시화하였고, 수집된 초음파 신호 및 초음파 C-스캔(Contrast-스캔) 이미지 분석을 통해서 CFRP 복합재의 초음파 신호 특성 평가를 수행하였다.

최소반사율 현상을 이용한 경도 평가 기법 연구

염윤택,이택규,김학준,송성진,이형호,권성덕 한국물리학회 2020 New Physics: Sae Mulli Vol.70 No.3

Contact-type methods that are widely uses to evaluate the surface hardness of materials include the indentation press and the rebound and scratch hardness methods and can be used to measured quantitatively the hardness of a materials surface. However, these contact hardness measurements are limited by specimen damage due to indentation and by the shape (curved shape) of the material. A disadvantage is that various measurement loads and methods are needed depending on the hardness of the material. When ultrasonic waves are incident at a specific angle (Rayleigh angle) on a liquid-solid interface, Rayleigh surface waves are generated, and a rapid decrease in reflectance, called the minimum reflection, occurs at the interface. The hardness of a material mainly depends on the change in the hardness of surface region, which can be evaluated from the propagation characteristics of a surface wave by using the minimum reflection phenomenon of ultrasonic waves. In these study, the propagation characteristics of a Rayleigh surface waves for hard specimens were evaluated by using the minimum reflection and the hard surface region was analyzed using modified perturbation theory. A non-contact hardness measurement method using the minimum reflection was proposed and the reliability of the proposed in this study, method was demonstrated by applications to standard hardness specimens. 재료의 표면 경도를 평가하는 방법으로는 압입 경도, 반발 경도, 긋기 경도 등 접촉식 경도 측정법이널리 사용되고 있으며, 재료 표면의 경도를 정량적으로 측정 할 수 있다. 하지만 이러한 접촉식 경도측정법은 측정 압흔으로 인한 시험편 훼손 및 재료의 형상 (굴곡진 형상)에 따른 제약이 발생하고 있으며, 재료의 경도에 따라서 측정 하중 및 기법이 변화하는 단점을 갖고 있다. 재료의 경도는 주로 표면에서발생하며, 초음파의 최소반사율 현상을 이용한 표면 물성의 평가를 통해서 경도의 변화를 분석할 수 있다. 초음파가 액체-고체 경계면에서 특정 각(레일리 각)으로 입사될 때, 레일리 표면파가 발생하고, 경계면에서반사율이 급격히 감소하는 현상을 최소반사율 현상 (Minimum reflection)이라고 한다. 본 연구에서는최소반사율 현상을 이용하여 재료 표면에서의 표면파 전파 특성을 측정하고 수정 섭동 이론을 이용하여경화된 영역도 분석하였다. 이를 통해 최소반사율 현상을 이용한 비접촉식 경도 측정방법을 제시하였고, 표준경도 시험편에 적용하여 기법의 신뢰성을 확인하였다

집속초음파를 이용한 다중 경계면의 두께 변화 분석 연구

염윤택,박진현,최영원,김학준,송성진,류승우,권성덕 한국물리학회 2020 새물리 Vol.70 No.3

재료의 표면 처리는 도금, 코팅 및 접합 등 다양한 형태로 이루어지며, 보통은 얇은 층을 이용하여 재료를보호하고 있다. 하지만 수 mm의 두께를 갖는 철판을 접합하는 경우도 있으며, 이는 원자력 발전소에서 사용되는 격납 원전 건물이며 6 mm의 철판과 900 – 1200 mm의 콘크리트로 구성되어 있다. 이때 철판과 콘크리트의 접합면에서는 콘크리트에 대한 영향으로 철판의 부식 결함을 판단하기 어려움을 갖고있다. 따라서, 본 연구에서는 FEM (Finite Element Method : 유한요소법) 시뮬레이션을 이용하여 CLP (Containment Liner Plate : 격납 원전 건물 라이너 플레이트) 내 부식 결함을 탐상하기 위한 초음파시뮬레이션을 수행하였으며, 평면, 집속 및 위상배열 초음파의 거동 및 신호 특성을 비교분석하여 최적검사 기법을 선정하였다. Surface treatment of a material can be done using a variety of ways, such as plating, coating, and bonding, and the surface usually has a thin layer of a protective material. However, in some cases where a steel sheet having a thickness of several mm is joined with concrete, as in a containment liner plate used in a nuclear power plants which consists of a 6-mm steel plate and 900 to 1200 mm of concrete, determining the corrosion of the steel plate due to the influence of the concrete at the joint between the steel plate and the concrete is difficult. In the study, FEM (finite element method) ultrasonic simulation was performed to detect corrosion defects in a CLP (containment liner plate), and the optimal inspection method was selected by comparing and analyzing the behavior and signal characteristics of plane, focused, and phased array ultrasound.

기어이 절손 결함에 대한 음향방출 기법 연구

염윤택(Y. T. Yeom),김학준(H. J. Kim),송성진(S. J. Song),김기복(K. B. Kim),김홍성(H. S. Kim) 한국정밀공학회 2016 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2016 No.5월

비파괴 검사 기법에 따른 CFRP 복합재의 초음파 신호 특성 분석 연구

염윤택(Yun-Taek Yeom),김학준(Hak-Joon Kim),송성진(Sung-Jin Song),권성덕(Sung-Duk Kwon),임광희(Kwang-Hee Im),김훈희(Hun-Hee Kim) 한국비파괴검사학회 2022 한국비파괴검사학회 춘계학술대회 초록집 Vol.2022 No.5