KR20120139216A

KR20120139216A - 초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR20120139216A
Application number: KR1020110058890A
Authority: KR
Inventors: 조윤호; 이재선; 현승호
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-12-27

Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속재료의 종류 및 열처리법의 종류를 입력하는 입력부, 톤버스트(TONE BURST) 웨이브 형태의 초음파를 발생시켜, 금속재료의 표면에 전파시키는 초음파 송신부, 상기 금속재료의 표면에 전파된 표면파 신호를 수신하는 표면파 수신부, 및 상기 표면파 수신부를 통해 수신한 표면파 신호와 초음파 주파수를 이용하여 비선형 파라미터 값을 계산하고, 계산된 비선형 파리미터 값이 메모리에 저장된 금속재료와 열처리법에 해당되는 비선형 파라미터 값의 범위에 포함되는지를 판단하는 프로세서를 포함하는 초음파를 이용한 열처리 상태 측정 및 방법에 관한 것이다.

Description

초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치 및 방법{MEASUREMENT DEVICE AND METHOD OF HEAT TREATMENT STATUS BY USING ULTRASONIC}

본 발명은 열처리된 금속의 열처리 상태를 측정하는 초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

열처리란 재료에 가열 ?냉각 등의 조작을 적당한 속도로 하여 그 재료의 특성을 개량하는 조작으로 온도에 의해서 존재하는 상(相)의 종류나 배합을 변화시키는 것으로, 금속의 잔류응력을 감소하거나 내부 조직을 변화시켜 필요한 기계적인 성질을 얻는 것을 말하며 동일 재료도 열처리에 따라 그 적응성은 광범위하게 변할 수 있다.

열처리법은 강을 적당한 온도로 가열하여 오스테나이트 조직에 이르게 한 뒤, 마르텐사이트 조직으로 변화시키기 위해 급냉시키는 열처리 방법인 담금질(Quenching), 담금질한 조직을 안정한 조직으로 변화시키고 잔류응력을 감소시켜, 필요로하는 성질과 상태를 얻기 위한 뜨임(Tempering), 재료를 일정 온도까지 일정 시간 가열을 유지한 후 서서히 냉각시키면, 변태로 인해 최초의 결정 입자가 붕괴되고 새롭게 미세한 결정입자가 조성되어 내부 응력이 제거될 뿐만 아니라 재료를 연화되도록 하는 풀림(Annealing), 및 결정 조직을 미세화하고 냉간 가공이나 단조등으로 인한 내부 응력을 제거하며 결정 조직이나 기계적 성질과 물리적 성질을 표준화시키는 불림(Normalizing)등이 있다.

상기와 같은 열처리를 통하여 모든 상업기계, 구조물, 모든 소성가공, 성형가동, 형상물 등에 적용하여 그 성질에 적합하도록 변화시킬 수 있게 된다.

열처리의 목적은 경도나 항장력을 확대, 조직 연화 및 기계가동에 적합한 재료 제작, 조직 미세화로 방향성을 작게 하고 편석이 작고 균일한 상태로 변환, 중간 풀림 열처리를 통하여 냉간가공 영향 제거, 변형방지 및 응력제거, 조직의 안정화, 내식성 개선, 자성의 향상, 표면 경화를 통하여 기계적 성질을 향상시키는 것이다.

그러나, 열처리 과정을 동일하게 한 금속일지라도 다양한 변수들로 인하여 금속의 기계적 상태 및 물리적 성질이 변할 수 있으므로, 금속재료를 사용하기 전에는 기계적 상태 및 물리적 성질이 적합한지를 측정할 필요가 있다.

현재에는 열처리 상태를 측정하는 방법으로는 샘플링 파괴검사가 있으나, 이는 금속재료를 손상시키는 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 비선형 초음파 기법을 사용하여 금속재료의 종류와 열처리법의 종류에 따른 금속재료의 열처리 상태를 측정하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 특징에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치는 금속재료의 종류 및 열처리법의 종류를 입력하는 입력부; 톤버스트(TONE BURST) 웨이브 형태의 초음파를 발생시켜, 금속재료의 표면에 전파시키는 초음파 송신부; 상기 금속재료의 표면에 전파된 표면파 신호를 수신하는 표면파 수신부; 및 상기 표면파 수신부를 통해 수신한 표면파 신호와 초음파 주파수를 이용하여 비선형 파라미터 값을 계산하고, 계산된 비선형 파리미터 값이 메모리에 저장된 금속재료와 열처리법에 해당되는 비선형 파라미터 값의 범위에 포함되는지를 판단하는 프로세서;를 포함한다.

상기 메모리에는, 상기 금속재료 종류와 열처리법에 해당하는 비선형 파리미터 값의 범위가 미리 매핑되어 저장된다.

또한, 상기 표면파 수신부는 초음파 송신부의 중심 주파수의 배수가 되는 중심 주파수를 갖는다.

본 발명의 다른 특징에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 측정방법은 금속재료의 종류 및 열처리법의 종류를 입력하는 단계; 톤버스트 웨이브 형태의 초음파를 발생시켜, 금속재료의 표면에 전파시키는 단계; 상기 금속재료의 표면에 전파된 표면파 신호를 수신하는 단계; 상기 표면파 신호 초음파 주파수를 이용하여 비선형 파라미터 값을 계산하는 단계; 및 입력된 금속재료와 열처리법에 해당되는 비선형 파라미터 값 범위에, 상기에서 얻은 비선형 파라미터 값이 포함되는지를 판단하여 표시하는 단계;를 포함한다.

상기 비선형 파라미터 값을 얻는 단계는, 상기 표면파 신호의 데이터를 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역의 데이터로 변환하는 단계; 및 상기 주파수 영역의 데이터 중 상기 초음파 주파수(f)의 진폭(A₁)과 고조파(2f)의 진폭(A₂)으로 비선형 파라미터 값을 구하는 단계;를 포함한다.

이러한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 금속재료의 기계적 성질을 파악하는 다양한 샘플링을 거치지 않고 초음파를 이용하여 열처리된 금속재료의 열처리 상태를 간단하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 측정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 측정방법에서 표면파 신호를 FFT한 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치를 나타낸 블럭도로써, 열처리 상태 측정장치는 입력부(10), 초음파 송신부(20), 표면파 수신부(30), 프로세서(40), 메모리(50) 및 표시부(60)를 포함한다.

입력부(10)는 측정하고자 하는 금속재료의 종류와 금속재료를 열처리한 열처리법을 입력한다.

초음파 송신부(20)는 톤버스트(TONE BURST) 웨이브 형태의 초음파를 발생시켜 고온 열화된 금속재료의 표면(1)에 전파시킨다. 이때, 초음파 송신부(20)는 가변 트랜스듀서인 것이 바람직하다.

표면파 수신부(30)는 초음파 송신부(20)가 발생시킨 톤버스트 웨이브 형태의 초음파가 고온 열화된 금속재료의 표면(1)에 전파되어 전달된 표면파 신호를 수신한다. 이때, 표면파 수신부(30)는 고주파 성분을 민감하게 검출하기 위하여 초음파 송신부(20)의 중심 주파수의 배수 정도의 중심 주파수를 갖는 센서를 채택하는 것이 바람직하다.

예컨대, 초음파 송신부(20)의 중심 주파수가 1MHz일 때, 초음파 발생장치에서 주파수를 1MHz로 설정한다. 그리고 표면파 수신부(30)가 수신된 표면파 신호를 고속 퓨리에 변환(FFT)하게 되면 1MHz의 배수가 되는 주파수인 1MHz, 2MHz, 및 3MHz 등의 주파수에서 신호의 크기가 크게 나타난다.

따라서, 표면파 수신부(30)의 중심 주파수를 2MHz를 사용하게 되면 2MHz에서 나타나는 신호의 수신이 용이하다.

또한, 초음파 송신부(20)의 송신각과 표면파 수신부(30)의 수신각은 스넬의 법칙에 의해 가변이 가능하다.

예컨대, 금속재료가 인코넬의 경우, 초음파 송신부(20)의 송신각과 표면파 수신부(30)의 수신각은 약 70°가 된다.

메모리(50)는 상기 금속재료 종류와 열처리법에 해당하는 비선형 파리미터 값의 범위를 미리 매핑하여 저장한다. 이때, 메모리(50)는 동일 종류의 금속재료를 수차례 동일한 열처리법을 통해 얻어진 비선형 파라미터 값의 범위를 누적하여 저장한다.

프로세서(40)는 상기 표면파 수신부를 통해 수신한 표면파 신호와 초음파 주파수를 이용하여 비선형 파라미터 값(β)을 계산하고, 계산된 비선형 파리미터 값이 메모리(50)에 저장된 금속재료와 열처리법에 해당되는 비선형 파라미터 값의 범위에 포함되는지를 판단한다.

또한, 프로세서(40)는 입력부(10)를 통해 입력한 금속재료 및 열처리법에 해당하는 비선형 파라미터 값의 범위에 얻어진 비선형 파라미터 값이 포함되는지의 여부를 판단하여 표시부(60)에 전달한다.

표시부(60)는 프로세서(40)로부터 비선형 파라미터 값이 금속재료와 열처리법에 해당하는 비선형 파라미터 범위에 포함되면 열처리 상태 적합을 표시하고, 비선형 파라미터 값 범위에 포함되지 않으면 열처리 상태 부적합을 표시하여, 열처리 상태가 적합한 다른 금속재료를 찾는다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열처리 상태 측정방법을 나타낸 흐름도로써, 먼저, 입력부(10)를 통해 금속재료의 종류와 열처리법의 종류를 입력하여 프로세서(40)에 전달한다(S11).

이어서, 초음파 송신부(20)는 초음파 주파수를 프로세서(40)에 입력한다(S12).

이어서, 톤버스트(TONE BURST) 웨이브 형태의 초음파를 발생시켜, 금속재료의 표면(1)에 전파시킨다(S13). 이때, 톤버스트 웨이브 형태의 초음파가 금속재료의 표면(1)에 전파 할 때 재료 내의 결함 등에 의해서 기본 주파수 성분 이외에 2차 또는 그 이상의 고조파 성분이 발생된다.

이어서, 금속재료의 표면(1)에 전파된 표면파 신호를 표면파 수신부(30)로 수신한다(S14). 이때, 표면파 수신부(30)에 수신된 표면파 신호는 AD 컨버터(미도시)를 통해 AD 변환되고, 프로세서(40)에 저장된다.

이어서, 프로세서(40)에 저장된 디지털 데이터로 변환된 표면파 신호의 데이터를 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform)를 이용하여 주파수 영역의 데이터로 변환한다(S15).

이어서, 주파수 영역 데이터 중 초음파 주파수(f)의 진폭(A₁)과 고조파(2f)의 진폭(A₂)을 구한다(S16).

여기서, 도 3에 도시한 바와 같이, 수신된 표면파 신호를 고속 퓨리에 변환(FFT)한 결과로 초음파 주파수(f)가 1MHz인 지점에서의 진폭을 A₁이라 하고, 주파수가 2MHz인 고조파(2f)에서의 진폭을 A₂라고 한다. 이때, 두 진폭을 나타낸 도 3의 그래프는 수신된 표면파 신호에 따라 상이해짐은 자명한 사실이며 진폭을 나타내기 위한 예시이다.

이어서, 초음파 주파수와 상기 금속재료의 표면(1)에 전파된 표면파 신호를 이용하여 비선형 파라미터 값(β)을 얻는다(S17). 이때, 상기 초음파 주파수는 톤버스트 웨이브 형태의 초음파를 발생하는 초음파 송신부(20)의 주파수와 같은 것이 바람직하다.

상기와 같은 순서에 의해 얻어지는 비선형 파라미터 값(β)은 다음과 같은 수학식으로 도출할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, x는 초음파 전파거리, k는 파수(wave number)를 나타낸다.

마지막으로, 프로세서에 입력된 금속재료와 열처리법에 따른 비선형 파라미터 값(β)이 메모리(50)에 저장된 금속재료와 열처리법에 따른 비선형 파라미터 값 범위에 포함되어 열처리 상태가 적합한지 아닌지를 판단하고(S18), 판단된 열처리 상태를 표시부(60)를 통해 표시한다(S19).

즉, 각 금속재료 및 열처리법마다 비선형 파라미터 값(β)은 일정한 범위를 가지고 있으며, 열처리를 한 금속재료가 원하는 조건안의 비선형 파라미터 값(β)의 범위에 포함할 때, 그 금속재료에 요구하는 기계적 물성치를 가진 재료인지 아닌지를 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 금속재료의 기계적 성질을 파악하는 다양한 샘플링을 거치지 않고 초음파를 이용하여 열처리된 금속재료의 열처리 상태를 간단하게 측정할 수 있다.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 금속재료의 표면 10 : 입력부
20 : 초음파 송신부 30 : 표면파 수신부
40 : 프로세서 50 : 메모리
60 : 표시부

Claims

금속재료의 종류 및 열처리법의 종류를 입력하는 입력부;
톤버스트(TONE BURST) 웨이브 형태의 초음파를 발생시켜, 금속재료의 표면에 전파시키는 초음파 송신부;
상기 금속재료의 표면에 전파된 표면파 신호를 수신하는 표면파 수신부; 및
상기 표면파 수신부를 통해 수신한 표면파 신호와 초음파 주파수를 이용하여 비선형 파라미터 값을 계산하고, 계산된 비선형 파리미터 값이 메모리에 저장된 금속재료와 열처리법에 해당되는 비선형 파라미터 값의 범위에 포함되는지를 판단하는 프로세서;를 포함하는, 초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 메모리에는, 상기 금속재료 종류와 열처리법에 해당하는 비선형 파리미터 값의 범위가 미리 매핑되어 저장된, 초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 표면파 수신부는 초음파 송신부의 중심 주파수의 배수가 되는 중심 주파수를 갖는, 초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치.
금속재료의 종류 및 열처리법의 종류를 입력하는 단계;
톤버스트 웨이브 형태의 초음파를 발생시켜, 금속재료의 표면에 전파시키는 단계;
상기 금속재료의 표면에 전파된 표면파 신호를 수신하는 단계;
상기 표면파 신호와 초음파 주파수를 이용하여 비선형 파라미터 값을 계산하는 단계; 및
입력된 금속재료와 열처리법에 해당되는 비선형 파라미터 값 범위에, 상기에서 얻은 비선형 파라미터 값이 포함되는지를 판단하여 표시하는 단계;를 포함하는 초음파를 이용한 열처리 상태 측정방법.
청구항 4에 있어서,
상기 비선형 파라미터 값을 얻는 단계는,
상기 표면파 신호의 데이터를 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역의 데이터로 변환하는 단계; 및 상기 주파수 영역의 데이터 중 상기 초음파 주파수(f)의 진폭(A₁)과 고조파(2f)의 진폭(A₂)으로 비선형 파라미터 값을 구하는 단계;를 포함한, 초음파를 이용한 열처리 상태 측정방법.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 비선형 파라미터 값은 아래 수학식에 의해 계산되는, 초음파를 이용한 열처리 상태 측정방법.
수학식

여기서, A1은 초음파 주파수의 진폭, A2는 고조파의 진폭, x는 초음파 전파거리, k는 파수(wave number)를 나타냄.