지난 포스팅에서는 초음파 비파괴 검사가 무엇인지, 어떻게 사용되고 있는지를 알아보았습니다.
오늘 포스팅에서는 탐촉자의 종류와 선택 방법을 알아볼까요?
탐촉자의 선택
어떠한 불연속을 검출하기 위한 것이든 적합한 탐촉자를 선택하는 것이 매우 중요합니다. 산업용 검사에서는 수직형 탐촉자, 딜레이 라인형, 수침용, 경사각 분할형, 등 여러 가지 탐촉자가 있습니다. 이들 탐촉자를 주파수 크기, 접촉 방식, 사용 온도 등 여러 요소에 따라 분류되며 수천 가지에 이르기 때문에 사용자는 검사 방법과 검사물에 따라 적절한 탐촉자를 선택하는 것이 필수적입니다. 부적합한 탐촉자를 선택할 경우 신호자 잡히지 않거나, 정확한 데이터를 얻기 어려울 수 있으며, 심지어는 탐촉자가 손상될 수 있습니다.
i. 수직형 일반 탐촉자
초음파 탐상에서 가장 일반적으로 사용되는 수직형 탐촉자는 용도에 따라 세 가지로 나눌 수 있습니다.
- 일반용(General Purpose): 가장 많이 사용되는 타입으로, 적절한 감도와 분해능을 갖추고 있어 다양한 검사에 활용됩니다. 환경에 맞는 주파수와 진동자 크기를 고려해야 하며, 손잡이 유무, 접촉면 형태 등도 중요한 결정 요소입니다.
- 고분해능(High Resolution): 높은 분해능을 필요로 하는 검사에 적합하며, 주로 표면 근처나 얇은 소재에서의 결함을 검사하는 데 사용됩니다. 다만, 감도를 어느 정도 희생한 구조이기 때문에 두껍거나 감쇄가 심한 재질에는 적합하지 않습니다.
- 고침투용(High Penetration): 감도를 높여 제작된 탐촉자로, 두꺼운 검사물이나 주물, 스테인리스와 같이 감쇠가 심한 재질을 검사할 때 사용됩니다. 다만, 분해능이 다소 떨어질 수 있다는 점을 고려해야 합니다.
사용 주파수
일반적인 초음파 검사에서는 1~10MHz의 주파수가 주로 사용됩니다.
주파수가 낮을수록 침투성은 좋아지지만, 분해능은 떨어지며, 반대로 주파수가 높을수록 분해능은 향상되지만, 침투력은 약해지는 특성이 있습니다.
따라서 검사 목적과 대상 재질에 따라 적절한 주파수의 선택이 필수입니다.
특히, 수침법에서는 일반적으로 5MHz 이상에서 100 MHz까지 사용되며, 초음파 현미경과 같이 매우 특수한 경우에는 최대 1 GHz의 고주파도 사용됩니다. 이 경우 검사 가능한 두께는 매우 얇아집니다.
결국, 원하는 에코(반사파)를 정확하게 확인할 수 있는 주파수를 사용하는 탐촉자가 가장 적절하다고 할 수 있습니다.
진동자 사이즈
보통 직경 0.125인치(약 3.2mm)부터 1.125인치(약 28.6mm)의 진동자가 사용됩니다.
- 진동자가 작으면 높은 분해능을 제공하고 좁은 부위의 정밀한 검사가 가능하지만,
검사 시간이 오래 걸리고 에너지가 약해지는 단점이 있습니다.
그러나 제한된 부위를 집중적으로 검사할 때는 오히려 더 강한 반사 신호를 얻을 수 있습니다.
- 큰 진동자는 넓은 영역을 빠르게 검사할 수 있는 장점이 있지만,
분해능이 낮아 미세한 결함을 탐지하기에는 어려움이 있습니다.
따라서 검사 부위의 넓이, 정밀도, 검사 속도 등을 종합적으로 고려해 적절한 진동자 크기를 선택해야 합니다.
ii. 경사각 탐촉자
경사각 탐촉자는 용접부 결함 탐지, 파이프 검사, TOFD(시간차 결함 검출) 등에서 주로 사용되며, 초음파를 검사물에 정해진 각도로 입사시켜 내부 결함을 탐지하는 방식입니다.
보통 45도, 60도, 70도의 입사각이 자주 사용되며, 이는 재료 내부에서 반사되는 초음파 경로를 최적화하여 결함 탐지를 용이하게 합니다.
또한, 39도 이하의 경사각을 사용할 경우, 초음파는 굴절 현상에 의해 **표면파(Surface Wave)**로 변환되어 재료 표면 부근의 결함을 탐지하는 데 유용합니다.
경사각 탐촉자를 사용할 때는, 초음파가 서로 다른 두 재료를 통과할 때 발생하는 임피던스 차이로 인해 입사각과 굴절각이 변형될 수 있습니다. 이 경우, 각도 변화는 스넬의 법칙을 이용해 계산할 수 있습니다:
여기서 θ1은 입사각, θ2는 굴절각, V1,는 각각의 매질에서의 초음파 속도입니다.
또한, 정확한 입사각을 제공할 수 있는 다양한 구조의 경사각 탐촉자가 존재하므로, 검사 목적과 재질 특성에 맞는 모델을 신중히 선택해야 합니다.
iii. 수침형 탐촉자
수침형 탐촉자는 수중 환경에서 초음파 신호를 취득하고 분석하는 데 사용되는 탐촉자로,
주로 고정밀 비파괴검사나 자동화 검사 시스템에 활용됩니다.
수침법을 사용할때는 탐촉자와 검사물 사이의 거리가 매우 중요하며, 이에 따라 적절한 주파수, 진동자 크기, 초점 방식을 결정해야합니다. 초음파 탐촉자와 검사물 사이의 거리가 중요하므로 탐촉자의 주파수와 진동자 크기 뿐만 아니라 초점거리와 초점방식을 결정해야 합니다.
초점거리는 일반적으로 사용 주파수, 진동자 직경, 그리고 근거리 음장(Near Field)을 기반으로 산정되며, 최소 초점거리와 최대 초점 거리의 범위가 존재합니다. 따라서 탐촉자 선택 전에 제조사의 데이터시트를 반드시 검토하여 검사 목적에 적합한 모델을 선정해야합니다.
예를 들어, 10MHz, 0.5인치 진동자 크기의 경우,
최소 초점 거리는 1인치이고 최대 초점거리는 8인치입니다.
따라서 검사대상이 이 범위 내에 위치한다면, 해당 범위에 맞는 집중형 탐촉자를 선택하거나, 초점이 없는 (flat focus)탐촉자를 선택할 수도 있습니다. 필요에 따라 특수제작된 탐촉자를 제작할 경우 이 범위를 벗어나는 초점 거리도 구현이 가능합니다.
수침형 탐촉자의 경우 근거리 음장과 원거리 음장을 계산하는 것이 중요합니다. 관련된 공식이나 이론은 초음파 검사 전문 서적에서 자세히 다루고 있으므로, 필요한 경우 참고하는 것이 좋습니다.
iv. 지연재 탐촉자(Delay Line Transducer)
지연재 탐촉자는 탐촉자 발진부에 "루사이트(Lucite)"나 아크릴 등의 재질로 만든 지연재(Delay line)을 부착하여 제작된 탐촉자입니다. 이는 초음파 검사 시 발생하는 데드 존(초기 신호간섭으로 인해 검사할 수 없는 영역)을 줄이고 표면 근처의 분해능을 향상시키는데 목적이 있습니다. 지연재 탐촉자는 크게 다음 두가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
- 분할형 탐촉자(Split Type)
- 경사각 탐촉자(Angle Beam Type)
이러한 지연재 탐촉자는 정밀 두께 측정, 고온재료 측정, 좁은 공간 또는 국부부위의 두께 측정과 같은 용도로 사용됩니다.
특히 두깨 측정용으로 사용되는 수직형 지연재 탐촉자는, 일반적으로 지연재 길이에서의 초음파 전달 시간보다 짧은 두께의 검사물에서만 적합합니다. 이는 초음파가 검사물에 도달하고 되돌아오는 시간과 지연재 내부에서 반사되는 신호를 구분할 수 있어야하기 때문입니다.
v. 분할형 탐촉자
분할형 탐촉자는 송신용 진동자와 수신용 진동자가 분리되어 있는 구조로 하나의 탐촉자 내에서 초음파를 송신하고 반사된 신호를 별도의 수신부에서 받아들이는 방식으로 작동합니다.
구동 및 수신회로가 간단하여 장비구성이 효율적이며, 송수신 소자간의 배열을 조정하여 약간의 추점을 형성할 수 있으므로, 얇은 재질이나 국수 부위의 정밀한 두께 측정이 유리하다는 장점이 있습니다.
베관, 탱크, 압력 용기 등의 분야애서 많이 사용됩니다. 특히, 이러한 구조에서 발생할 수 있는 부식이나 두께 감소를 정밀하게 측정할 떄 유용합니다. 또한 송신과 수신이 물리적으로 분리되어 있어 데드 존이 줄어들고, 표면 근처의 결함이나 두께 변화를 정확하게 탐지할 수 있습니다.
다소 어려운 내용입니다. 다음 시간에는 초음파 탐상기의 선택에 대해 알아보겠습니다!