초음파는 거의 1세기 동안 산업 분야의 비파괴 검사(NDT)에 사용되어 왔습니다. 단일 소자 트랜스듀서를 사용했던 초기 초음파 검사(UT)는 상대적으로 단순한 기술로, 오늘날까지 사용되고 있으며 여러 응용 분야에 적합합니다.
시간이 흐르면서 기술도 발전했습니다. 검사 성능과 효율성이 개선되고, 다중 소자 프로브와 더욱 강력해진 전자제품 및 소프트웨어의 사용을 통한 진보가 이루어진 것입니다. 이는 위상 배열 초음파 검사(PAUT)의 탄생으로 이어졌으며, 즉시 실행하려면 기존 UT에 비해 더 많은 교육이 필요함에도 불구하고 현재 널리 채택되어 적용되는 기법으로 자리 잡았습니다.
총 집속 방법(TFM)은 복잡성 측면에서 또 다른 도약입니다. 총 집속 방법은 다중 소자 프로브 기술을 활용하지만, TFM에 필요한 데이터는 전체 매트릭스 캡처(FMC) 방법을 사용하여 획득됩니다. FMC는 보다 포괄적인 빔 발사 및 수신 전략으로, 인상적인 양의 데이터를 획득할 수 있게 합니다.
여기 짧은 비디오에서 FMC와 TFM의 기본 원리 자세히 알아보기
TFM 이미징은 이 대량의 FMC 데이터 처리에 의존함으로써 점진적 기법, 유일하게 실용적인 보조 수단, 더욱 표적화된 검증이라는 명성을 얻게 되었습니다. 한동안 TFM을 사용해 실험한 경험을 토대로, 저는 비교적 새로운 이 NDT 방법에 대한 일부 가정을 배제할 수 있기를 바라면서 몇 가지 권장 및 금지되는 사항을 알려드리고자 합니다.
1. 어느 한 모드가 모든 경우에 다 맞는다는 가정은 금물
저처럼 PAUT 상황에서 TFM을 사용하는 분이라면, 아마 펄스 에코(P/E) 기법에 대해 아주 잘 아실 겁니다. 빔 경로가 펄스 에코를 이해하는 데 상당히 쉽게 되어 있습니다. P/E 퍼스트 레그 검사에서 프로브의 사운드 빔 펄스는 결함으로 이동하여 결함에서 반사된 다음 다시 프로브로 돌아옵니다. 세컨드 레그 검사에서는 뒷벽에 추가로 반향이 발생합니다.
TFM에서 빔 경로의 개념은 그렇게 단순하지 않습니다. TFM 이미지를 생성하려면, 빔 경로가 FMC 데이터를 사용하는 획득 기구에 의해 합성되어 재생성되어야 합니다. 이 기구는 다양한 파형 유형(종파 및 횡파)과 해당 파형 경로의 다양한 레그를 조합하여 TFM 모드에 최대 10개 정도의 옵션(파형 세트로도 알려짐)을 제공합니다. 옵션의 예로 TTT, TLT, TTTT가 있습니다.
이러한 TFM 파형 세트를 판독하기 위해서는 각 문자가 해당 이동의 레그 및 그 레그의 전파 모드를 나타낸다는 것을 알아야 합니다. 즉, T는 횡파, L은 종파를 뜻합니다. TFM 파형 세트에는 위상 배열 펄스 에코를 통해 볼 수 없었던 추가 반향이 있을 수 있습니다. OmniScan X3 결함 탐상기와 같은 일부 기구의 경우 심지어 5T 파형 세트(TT-TTT)에 대한 옵션이 1개입니다.
이런 옵션이 모두 있다면, 해당 검사에 적합한 파형 세트(들)를 어떻게 고르시겠습니까? 다음은 고려해야 할 몇 가지 중요한 요소입니다.
- 결함 유형
- 결함 위치
- 곡률 또는 부분 형상
이러한 특성은 표적화된 결함과 검사된 부분 모두에 해당하는 것으로, 각 파형 세트의 탐상 능력에 영향을 미칩니다.
이를 증명하기 위해, 저는 용접부의 ID 균열을 보여주는 여러 개의 TFM 이미지 예를 제시했습니다.
첫 번째 예를 보면, 펄스 에코 모드에서 TTTT 파형 세트를 사용할 때 OmniScan X3 디스플레이에 신호 응답이 나타난 것을 알 수 있습니다(PAUT 세컨드 레그 검사와 유사).
탐상된 것이 있긴 하지만, 신호가 최적 상태가 아니어서 이 표시를 못보고 지나칠 가능성이 있습니다. 이때, 같은 ID 균열에 대해 셀프 텐덤 모드에서 TTT 파형 세트로 전환하면 갑자기 디스플레이에 “펑하고 터지는” 표시가 나타납니다!
이 사례에서, ID 균열 반사기에 부딪히기 전 뒷벽에서 반향된 음파는 결함에 대해 훨씬 더 큰 수직을 이루므로, 아주 적합한 TTT 파형 세트 이미지가 획득된 것입니다! (최대한 90°에 가까운 반사를 얻고자 하는 건 기존 UT에서도 마찬가지죠.)
이 두 가지 다른 TFM 모드는 ID 균열에 대해 철저히 다른 탐상 결과를 제공했습니다. 이는 다른 깊이와 다른 방향의 다른 반사기에도 동일하게 적용됩니다. 한 모드가 모든 상황을 아우르기에 충분하지 않은 경우는 흔히 있습니다.
보너스 팁: 속도와 두께 매개 변수가 정확한지 확인할 것
다시 PAUT 상황으로 돌아와 보면, 습관적으로 재료의 음속을 추정하는 분들이 있을 겁니다. 표준 0.2320in./µsec 또는 5,890m/sec를 입력하려 하다가 그만 두는 경우가 있었을 거예요. 하지만, TFM을 사용할 때, 특히 추가 반향이 있는 셀프 텐덤 모드를 사용할 때는 추측할 여유가 없습니다.
진짜인지 확인하기 위해, TTT 파형 세트를 사용하여 ID 균열을 탐상할 때 단 2.5%의 변동이 어떤 차이를 불러오는지 살펴보겠습니다.
1/2 스킵(TTT)에 대한 속도 값이 5%만 차이가 나도 수직 노치 신호가 완전히 유실됩니다. 정확도에 대한 이러한 요구는 부분 두께와 형상에도 적용됩니다. 입력 두께와 형상 값이 부정확할 경우 신호가 더 이상 예상 위치에서 반향하지 않으며, 결국 계산도 부정확하게 됩니다.
2. TFM 영역에서 집속하기 적합한 프로브를 갖출 것
총 집속 방법(TFM) 이미징은 또한 전체 TFM 영역에 걸쳐 균일한 집속을 제공하는 것으로 명성이 높습니다. 하지만 꼭 그런 것은 아닙니다. TFM은 위상 배열 및 기존 UT와 동일한 물리 법칙의 적용을 받습니다. 예를 들면, 기구의 TFM 이미징 성능은 위상 배열 프로브의 성능에 따라 달라집니다.
PA 및 UT에서와 마찬가지로, 소자 크기 및 주파수와 같은 프로브의 물리적 특성은 빔 특성(즉, 근거리장 길이, 빔 직경, 빔 퍼짐 각 등)에서 일정 역할을 담당합니다. 또한 TFM 영역에서의 집속에 영향을 줍니다. 아래에서 세 가지 다른 프로브를 사용해 획득된 스택 측면 드릴 구멍(SDH)의 TFM 이미지를 보십시오.
블로그 게시물 "나의 총 집속 방법 검사에 적합한 위상 배열 프로브는?”에서 브로브 선택이 TFM에 미치는 영향에 대해 자세히 알아보기
3. 진폭 충실도의 중요성을 과소평가하지 말 것
진폭 충실도란 무엇이며, 이 용어가 TFM에 자주 사용되는 이유는 무엇일까요?
진폭 충실도(AF)는 TFM 그리드 해상도로 인해 발생하는 표시의 최대 진폭 변동을 측정한 수치(dB 단위)입니다. 쉽게 말하면, 이 값은 결함을 분명하게 확인할 수 없을 정도로 이미지 품질이 너무 픽셀화되기 전의 그리도 조도를 결정합니다. 여러분은 AF를 조절하여 픽셀의 크기가 파장의 크기에 맞는지 확인하려 할 것입니다. 픽셀의 크기 비와 초음파 빔의 파장 비교는 중요합니다. 디지타이징 주파수가 PAUT에서 너무 낮을 때처럼, TFM에서 신호의 최고점을 유실할 수 있으며 픽셀이 너무 크면 표시의 최고 진폭이 보이지 않을 수 있습니다.
진폭 충실도에 영향을 주는 인자는 여러 가지가 있습니다. 프로브 주파수 및 대역폭, 재료 속도, 그리드 해상도, 적용 엔벨로프 등을 들 수 있습니다. TFM에 적용되는 검사 규약(예: ASME)에서는 일반적으로 2dB를 넘지 않는 진폭 충실도를 권장합니다.
그러면 AF가 최적의 수준을 초과했는지 어떻게 알 수 있을까요? 간단합니다. OmniScan X3 결함 탐상기와 같은 기구가 계산한 AF 판독값을 확인하기만 하면 되니까요. 또한, OmniScan X3 유닛의 TFM 엔벨로프 기능을 이용하면 최적의 진폭 충실도(AF) 설정을 유지하는 동시에 일반 진동 FM 렌더링보다 더 빠른 획득 속도를 실현할 수 있으므로, 다음번에 적합한 AF를 얻기가 힘들 경우 엔벨로프를 사용해 보십시오!
이 백서 “엔벨로프 특성이 있는 TFM(Total Focusing Method) 사용”에서 당사의 혁신적인 TFM 엔벨로프에 대한 모든 것을 알아보십시오.
4. 파형 경로 시뮬레이터 및 모델링 도구를 최대한 활용할 것
TFM 검사 결과를 예측할 때는 원하는 모든 소프트웨어 도구를 사용하십시오.
TFM 검사를 시작하기 전에, 음향 영향도(AIM) 모델링 도구와 같은 시뮬레이터를 사용하여 주어진 프로브, 웨지, 파형 세트 조합에 대해 도달 가능한 범위 및 민감도를 검증합니다. AIM 도구는 또한 표적화된 결함 유형과 프로브의 각도 오프셋을 고려합니다. 이 도구를 사용하여 모든 파형 세트를 검사하고 최상의 세트를 찾을 때까지 다양한 반사기에서 각 세트를 테스트하십시오.
AIM 진폭 맵의 색상은 관심 영역(ROI)에서 TFM 파형 세트가 제공하는 범위를 명확하게 나타냅니다.
빨간색 영역은 초음파 반응이 매우 양호하고 최대 진폭에 대해 0dB~-3dB로 변동한다는 것을 의미합니다. 주황색 영역에서는 최대 진폭이 3dB~−6dB로 달라지고 노란색 영역에서는 −6dB~−9dB로 달라지는 식입니다.
이 웨비나: 음향 영향도(AIM)—TFM 검사를 위한 모델링 도구를 시청하여 AIM 사용에 대해 자세히 알아보십시오.
5. 범위를 최적화하기 위해 다양한 모드를 사용할 것
마지막으로 강조할 점은 일부 기구의 경우 동시에 여러 모드를 사용할 수 있다는 것입니다! 예를 들면, OmniScan X3 화면에서는 동시에 최대 4개의 TFM 모드를 실행하고 결과를 표시할 수 있습니다. 현재 사용하는 기능에 이 기구를 접목하면 예상치 못한 결함을 놓치는 그런 일은 없을 겁니다!
더 많은 내용을 알고 싶다면 TFM에 대해 자주 묻는 질문들 페이지를 확인해 보십시오.
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어플리케이션 노트: TFM(Total Focusing Method)을 사용하여 위상 배열 초음파 이미징 개선
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