사용자 지정 위상 배열 링 프로브를 사용한 볼트 검사

볼트 검사 응용 분야의 개요

볼트는 설치 중이나 서비스 중 또는 제조 중에 발생할 수 있는 다양한 결함에 취약합니다. 볼트의 결함을 감지하여 기계 및 장비의 안전성을 개선하고 이러한 부품의 서비스 수명을 늘릴 수 있습니다.

사용자 지정 위상 배열 링 프로브 기술을 사용한 솔루션

검사원은 위상 배열 초음파 검사(PAUT) 기술을 사용하여 프로브를 이동할 필요 없이 고속 전자 스캐닝을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 빔 특성을 제어해 검사 성능을 개선할 수 있습니다. 단일 전자 제어 위상 배열 프로브는 다각도에서 검사를 수행할 수 있으며 복잡한 기하학적 프로파일이 있는 부품 검사도 할 수 있는 유연성을 제공합니다.

이 애플리케이션 노트에서는 OmniScan™ X3 결함 탐상기와 사용자 지정 링 배열(5D26-12-64) 프로브를 사용해 수행한 몇 가지 검사를 설명하여 볼트 및 유사한 형태의 부품의 결함을 감지할 수 있는 이 장비의 효율성을 입증하려 합니다.

사용자 지정 링 배열 프로브 사양

위상 배열 링 프로브를 사용한 다양한 점화 순서 성능 검사

PA 프로브의 8개 구성 요소 동시 점화

다음 화면은 링 배열 프로브의 8개 구성 요소가 점화될 때 OmniScan X3 결함 탐상기 디스플레이에 표시된 세 가지 결함에 대한 검사 결과를 보여주는 장면(그림4~6)을 담고 있습니다. 선형 스캐닝 기법이 사용됐으며 프로브는 볼트 머리의 고정 위치에 부착되어 있습니다.

점화 순서: 1~8, 2~9, 3~10,…57~64

그림 4. 상단 표면에서 20mm 떨어진 곳(볼트 머리가 나사와 만나는 지점)에 위치한 결함(홈)의 경우, 감지된 깊이는 21.89mm입니다.

그림 5. 상단 표면에서 80mm 떨어진 곳에 위치한 결함(홈)의 경우, 감지된 깊이는 78.89mm입니다.

그림 6. 상단 표면에서 140mm 떨어진 곳에 위치한 결함(홈)의 경우, 감지된 깊이는 138.17mm입니다.

PA 프로브의 4개 구성 요소 동시 점화

4개 구성 요소만 동시에 점화했으며, 그 외 모든 조건은 변하지 않았습니다. 검사 결과는 그림 7에 나와 있습니다.

점화 순서: 1~4, 2~5, 3~6,…61~64

그림 7. 상단 표면에서 20mm 및 80mm 떨어진 곳에 위치한 얕은 결함(홈)에 대한 신호는 강력하며 그 표시도 뚜렷하지만, 140mm 떨어진 곳에 위치한 결함(홈)에 대한 신호는 약했습니다.

PA 프로브의 2개 구성 요소 동시 점화

2개 구성 요소만 동시에 점화될 때, 볼트 머리 상단 표면에서 140mm 떨어진 결함에 대한 신호는 거의 감지가 불가능했습니다(그림 8 참조).

점화 순서: 1~2, 2~3, 23~4,…63~64

그림 8: 상단 표면에서 140mm 떨어진 결함에 대한 신호는 구성 요소를 두 개 사용해서는 거의 감지가 불가능했습니다.

PA 프로브의 16개 구성 요소 동시 점화

반대로, 16개 구성 요소가 동시에 점화될 때, 볼트 머리 상단 표면에서 140mm 떨어진 결함에 대한 신호는 더 분명하게 표시됐습니다. 그러나 16개 구성 요소가 순환 배열로 위치해 있어 거대한 호가 만들어지기 때문에 효과적으로 초점을 잡지 못하고 그 결과 신호가 늘어지고 증폭됐습니다. 이것은 선형 배열 프로브가 사용될 때 보통 발생하는 현상과 반대입니다.

점화 순서: 1~16, 2~17, 3~18,…49~64

그림 9: 16개 구성 요소가 동시에 점화될 때 얻은 검사 결과.

PA 프로브의 32개 구성 요소 동시 점화

이후 32개 구성 요소를 동시에 점화하려 했습니다. 즉, 모든 구성 요소의 절반이 반원을 형성하는 구성을 사용했습니다. 이 32개의 구성 요소는 수평면을 따라 직선이 아닌 반원호를 그리며 배열됐기 때문에 음향 빔이 초점을 맞출 수 없어 그 결과 심하게 왜곡된 신호를 발생시켜 볼트 머리 상단 표면에서 140mm 떨어진 위치의 결함 신호를 찾는 것의 거의 불가능했습니다(그림 10 참조).

점화 순서: 1~32, 2~33, 3~34,…33~64

그림 10: 32개 구성 요소가 동시에 점화될 때 얻은 검사 결과.

위상 배열 링 프로브로 얻은 결과와 관련한 결론

위에서 설명한 실험 결과를 기반으로, 다음과 같은 결론을 내렸습니다.

1. 볼트 검사를 위해 8개 구성 요소를 동시에 점화할 때 비교적 우수한 검사 결과를 얻을 수 있습니다.
2. 8개 미만의 구성 요소를 동시 점화할 경우, 음향 빔의 침투력이 약해져 깊이 위치한 결함에 대한 감지 성능이 저하됩니다.
3. 반대로, 8개 이상의 구성 요소를 동시 점화할 경우, 이들이 직선으로 배열되어 있지 않기 때문에 초점을 맞추는 능력이 줄어들어 신호가 늘어지고 증폭됩니다.

선형 배열 프로브를 사용하여 수행된 위상 배열 원뿔형 스캐닝 비교

이 검사는 일반적인 선형 위상 배열 프로브의 성능과 링 배열 프로브의 성능을 비교하기 위해 수행되었습니다(그림 11참조).

그림 11. OmniScan X3 결함 탐상기의 선형 배열 프로브의 빔 도식

선형 배열 프로브와 원뿔형 스캐닝 기법을 사용해 볼트의 모든 결함을 감지했습니다. 그러나 이 과정은 추가적인 단계가 필요했습니다. 볼트 머리 상단 표면에서 20mm 떨어진 위치의 결함을 감지하려면 빔의 입사각을 높이기 위해 웨지를 사용해야 했습니다. 또한, 이 결함 신호와 볼트 머리의 바닥 표면 가장자리의 신호가 너무 가까워서 구분하기 어려웠습니다(그림 12).

그림 12. 볼트 머리 상단 표면에서 20mm 떨어진 위치의 결함 스캔 결과.

볼트 머리 상단 표면에서 80mm 및 140mm 떨어진 위치의 결함을 감지하기 위해서 웨지 고유의 에코가 검사 결과에 부정적인 영향을 주는 것을 방지하기 위해 웨지 없이 프로브를 사용해야 했습니다. 그림 13은 볼트 머리 상단 표면에서 80mm와 140mm 떨어진 곳의 결함에 대한 스캔 이미지입니다. 그러나 첫 번째 결함을 감지한 후 다른 결함을 감지하기 위해 프로브를 회전시켜야 했습니다.

그림 13. 볼트 머리 상단 표면에서 80mm(왼쪽)와 140mm(오른쪽) 떨어진 곳에 위치한 결함에 대한 결과.

사용자 지정 PA 링 배열 프로브의 장점

이 실험에 따르면 링 배열 프로브는 선형 배열 프로브에 비해 다음과 같은 특별한 장점이 있습니다.

1. 링 배열 프로브는 회전시키지 않고도 모든 각도에 위치한 결함을 감지할 수 있는 반면, 선형 프로브는 최소 180도 회전시켜야 모든 각도에 위치한 결함을 감지할 수 있습니다.
2. 링 배열 프로브는 웨지를 사용하지 않고도 볼트 머리와 나사가 만나는 근접 표면 결함을 감지할 수 있지만, 선형 링 배열 프로브는 해당 부분의 근접 표면 결합을 감지하려면 편향각을 높이기 위해 웨지를 사용해야 합니다.

또한 검사 결과를 통해, 링 배열 프로브는 중간에 구멍이 있는 볼트에서도 제대로 작동하지만 선형 배열 프로브의 빔은 이 같은 특징으로 방해를 받아 결함 감지가 불가능할 수 있다고 추측합니다. 이 같은 유형의 볼트에 대한 링 배열 프로브의 장점을 확인하기 위해 중간 구멍이 있는 실제 볼트를 사용해 후속 실험을 수행할 계획입니다.