비파괴검사 기술사 2023년도 129회 문제 1교시 8~13번문제

8. KS B 0845(강 용접 이음부의 방사선투과검사) 부속서 D에 따른 투과사진에서 결함의 분류방법에 대하여 설명하시오.

 

KS B 0845(강 용접 이음부의 방사선투과검사) 부속서 D에서는 용접부의 결함을 방사선 투과검사(RT)로 확인할 때 결함의 유형을 체계적으로 분류하는 기준을 제시합니다. 이는 결함의 성격과 원인을 명확히 파악하여 품질 관리를 효율적으로 수행하는 데 중요한 역할을 합니다. 다음은 부속서 D에서 정의한 결함 분류 방법의 주요 내용입니다.

 

1) 결함의 주요 분류

부속서 D는 방사선 투과검사 결과를 바탕으로 용접부 결함을 크게 다음과 같이 분류합니다:

 

(1)금속 간극 결함(Porosity & Inclusions)

-기공(Porosity):

단일 기공: 단일한 원형 또는 불규칙한 공극.

군집 기공(Clustered porosity): 기공이 국부적으로 밀집된 형태.

연속 기공(Line porosity): 용접 이음선에 따라 이어진 기공.

-슬래그 포괄물(Slag inclusions):

용접 금속 내부에 남아있는 슬래그 또는 이물질.

-텅스텐 포괄물(Tungsten inclusions):

텅스텐 전극에서 기인한 고밀도 물질.

 

(2)불완전 융합 및 용입(Incomplete fusion & penetration)

-불완전 융합:용접부 금속이 용융되지 않아 접합이 이루어지지 않은 상태.

측면 융합 불량(Sidewall fusion): 모재와의 융합 부족.

패스 간 융합 불량(Inter-run fusion): 용접 패스 간 융합 부족.

-불완전 용입:용접부 중심선에서 용융이 충분히 이루어지지 않은 상태.

 

(3)균열(Cracks)

방사선 사진에서 매우 날카로운 선 또는 선열로 나타남.

종류:

-세로균열(Longitudinal cracks): 용접선과 평행.

-가로균열(Transverse cracks): 용접선에 직각.

-열균열(Hot cracks) 및 냉균열(Cold cracks).

 

(4)기타 결함

-언더컷(Undercut):모재 표면이 깎인 형태로 나타남.

-오버랩(Overlap):용접 금속이 모재 위로 과도하게 올라간 상태.

-용락(Lack of fill):용접 금속이 부족하여 패스의 일부가 움푹 파인 상태.

 

9. 경사각탐촉자와 집속탐촉자에 요구되는 특유한 성능을 설명하시오.

 

경사각탐촉자와 집속탐촉자는 초음파 탐상검사에서 사용되는 탐촉자로, 각기 다른 목적과 검사 조건에 맞춰 설계됩니다. 이들 탐촉자에는 검사 목적에 부합하는 특정 성능이 요구됩니다.

 

1) 경사각탐촉자

경사각탐촉자는 초음파를 특정 각도로 송출하여 용접부와 같이 접근하기 어려운 결함을 검사할 때 사용됩니다. 주로 비파괴검사에서 용접부 검사와 같은 비정형 구조물에 적합합니다.

 

요구되는 특유한 성능

(1)정확한 굴절각 유지

특정한 굴절각에서 초음파가 정확히 송출되도록 설계되어야 합니다.

굴절각은 Snell의 법칙에 따라 결정되며, 검사 대상 물질의 음향 특성(종파와 횡파의 속도 비율)에 맞춰야 합니다.

(2)다양한 굴절각 구현 가능

45°, 60°, 70° 등의 다양한 경사각으로 제작되어야 합니다.

대상 결함의 위치 및 형태에 따라 적합한 굴절각을 선택할 수 있어야 합니다.

(3)빔의 방향성과 정확도

빔이 일정한 각도로 송출되고 정확히 유지될 수 있어야 합니다.

빔의 방향이 불규칙하거나 왜곡되면 결함의 위치와 크기 판별에 오차가 생깁니다.

(4)기계적 내구성

접촉 면이 마모나 충격에 강해야 하며, 윤활제 사용 시에도 물리적 특성이 유지되어야 합니다.

(5)신호 감도

초음파 신호의 감도가 높아 미세한 결함도 검출할 수 있어야 합니다.

감도 저하를 방지하기 위해 크리스탈의 품질과 일관성이 유지되어야 합니다.

 

2) 집속탐촉자

집속탐촉자는 초음파 빔을 특정 지점에 집중시켜 국부적인 영역을 정밀하게 검사할 때 사용됩니다. 주로 결함의 정밀 위치 확인 및 크기 측정에 적합합니다.

 

요구되는 특유한 성능

(1)정확한 초음파 집속

초음파 빔이 지정된 집속점(Focal point)에 정확히 모여야 합니다.

집속거리는 검사 대상의 두께와 형태에 맞게 조정되어야 합니다.

(2)높은 해상도

초음파 빔이 좁게 모이므로 검사 영역 내의 작은 결함도 분리하여 탐지할 수 있는 해상도를 가져야 합니다.

(3)최적의 빔 패턴

집속점 전후로 초음파 에너지가 고르게 분포되어야 하며, 집속점에서 최대 에너지를 나타내야 합니다.

초음파 빔의 퍼짐을 최소화하여 정확한 결함 검출을 가능하게 해야 합니다.

(4)소음 최소화

빔의 집중도가 높아 비집속 탐촉자에 비해 신호 대 잡음비(S/N 비)가 높아야 합니다.

비집속 영역에서의 신호 손실과 산란 소음을 최소화해야 합니다.

(5)다양한 설계 옵션

구면 집속, 원통형 집속 등 다양한 형태로 제작 가능하며 검사 조건에 맞게 조정 가능해야 합니다.

검사 조건(재료의 곡률, 두께 등)에 맞춘 설계 유연성이 요구됩니다.

(6)재료 및 표면 적응성

표면 곡률이 있는 검사 대상에서도 집속점이 정확히 유지될 수 있어야 합니다.

렌즈 재질과 형태가 검사 물질에 적합해야 합니다.

3)비교 요약

성능 요구 사항	경사각탐촉자	집속탐촉자
초음파 빔 특성	특정 굴절각 유지, 방향성 정확	초음파 빔 집속, 고해상도 빔 패턴
주요 목적	용접부 검사, 내부 결함 탐지	결함 정밀 위치 확인, 크기 측정
설계 유연성	다양한 각도로 제작 가능	다양한 집속 방식(구면, 원통형 등)
신호 감도 및 S/N 비	감도 중시	고 S/N 비 및 노이즈 최소화
적용성	얇거나 비정형 구조물 검사	두꺼운 재료 및 국부 정밀 검사

 

10. 음향방출검사에서 페리서티효과와 바우싱거 효과에 따른 AE peak 거동을 설명하시오.

 

음향방출(AE, Acoustic Emission) 검사에서 관찰되는 AE 신호의 피크(peak) 거동은 검사 대상 재료의 물리적, 기계적 특성 변화에 영향을 받습니다. 페리서티 효과와 바우싱거 효과는 재료 내부의 변형 거동과 연계된 AE 신호의 특성에 중요한 영향을 미치는 두 가지 현상입니다.

 

1) 페리서티 효과 (Kaiser Effect)

-정의

페리서티 효과는 재료가 이전에 받은 최대 하중 이하의 하중을 받을 때 음향방출(AE)이 거의 발생하지 않는 현상을 의미합니다. 이는 재료의 변형이 과거의 최대 하중에 의한 잔류 변형과 밀접하게 관련되어 있음을 나타냅니다.

 

-AE 피크 거동

하중 증가 시:

재료가 이전에 받은 최대 하중을 초과할 때, AE 활동이 다시 발생하며 AE 피크가 뚜렷하게 관찰됩니다. 이는 새로운 결함(예: 미세 균열) 발생이나 기존 결함의 진전이 주요 원인입니다.

하중 감소 및 반복 시:

최대 하중 이하에서는 AE 활동이 거의 없거나 미미하여 AE 피크가 나타나지 않습니다.

 

-원인

페리서티 효과는 결함이나 변형의 비가역적 특성에 기인하며, 새로운 변형이 이전의 최대 하중 이상에서만 발생하기 때문입니다.

 

2) 바우싱거 효과 (Bauschinger Effect)

-정의

바우싱거 효과는 금속 재료에서 한 방향으로 소성 변형된 후 하중 방향을 반대로 바꿀 경우 항복 강도가 감소하는 현상입니다. 이는 재료 내부의 변형 조직 및 잔류 응력 재배열로 인해 발생합니다.

 

-AE 피크 거동

하중 방향 전환 시:

AE 신호는 하중 방향을 반대로 전환할 때 급격히 증가할 수 있습니다. 이는 잔류 응력 해소, 전위 이동 및 미세 균열 발생으로 인해 AE 활동이 활발히 일어나기 때문입니다.

AE 활동 초기화:

하중 방향을 변경하면 이전 소성 변형으로 인해 이미 형성된 결함이 다시 활성화되어 AE 피크가 나타납니다. 특히 새로운 변형의 초기 단계에서 피크 강도가 높게 나타날 가능성이 있습니다.

 

-원인

바우싱거 효과는 변형 과정에서 전위의 재배열 및 내부 결함 재활성화로 인한 것입니다.

내부 응력 분포의 불균형이 AE 신호를 활성화시키는 주요 기전으로 작용합니다.

 

3)AE 피크 거동 비교

효과	주요 현상	AE 피크 발생 조건	AE 신호 특성
페리서티 효과	이전 최대 하중 이하에서는 AE 활동 없음	최대 하중 초과 시 AE 활동 재개	하중 임계점을 초과할 때 AE 피크 발생
바우싱거 효과	하중 방향 전환 시 잔류 응력 및 결함 활성화	하중 반전 초기 단계에서 AE 신호 급증	하중 반전 시 초기 AE 피크가 높음

 

4)요약

페리서티 효과는 이전 최대 하중이 AE 활동의 임계점 역할을 하며, 이를 초과할 때 AE 피크가 나타납니다.

바우싱거 효과는 하중 방향 전환으로 인한 내부 응력 재배열과 잔류 결함 활성화로 AE 피크가 발생하며, 특히 초기 단계에서 두드러집니다.

이러한 효과들은 AE 신호를 분석하여 재료의 손상 상태 및 과거 하중 이력을 평가하는 데 중요한 정보를 제공합니다.

 

11. 델타페라이트가 오스테나이트계 스테인리스강에서 용접 균열을 방지할 수 있는 이유에 대하여 설명하시오.

 

오스테나이트계 스테인리스강에서 **델타 페라이트(δ-ferrite)**는 용접 균열 방지에 중요한 역할을 합니다. 이는 주로 용접 중 고온 균열(열 균열)을 억제하는 데 효과적이며, 이러한 현상은 재료의 미세조직 변화 및 물리적 성질과 밀접한 관련이 있습니다. 그 이유를 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

 

1) 고온 균열(열 균열)의 주요 원인

-오스테나이트계 스테인리스강의 특성:

용융 상태에서 응고 시 완전히 오스테나이트(γ)로 변태하면 응고 과정에서 미세 균열이 발생하기 쉽습니다. 이는 응고 중 응고 취성 영역에서 낮은 강도와 연성, 그리고 응고계면에서 잔류 응력의 집중으로 인해 열 균열이 발생하기 때문입니다.

-결정립계 액상 필름:

순수한 오스테나이트 구조에서는 응고가 완료되기 전, 결정립계에 미량의 액상이 잔류하면서 균열을 촉진합니다.

 

2) 델타 페라이트의 역할

델타 페라이트가 함유된 미세조직은 열 균열 저항성을 향상시키는 여러 가지 이유를 제공합니다.

(1) 응고 미세조직 변화

델타 페라이트는 용접 금속이 응고할 때 오스테나이트(γ) 대신 **델타 페라이트(δ)**가 먼저 형성되도록 유도합니다.

델타 페라이트는 용접 금속의 초기 응고 조직으로 남아 결정립계 액상 필름의 형성을 억제하고, 균열 발생 가능성을 줄입니다.

(2) 응고 취성 영역 축소

델타 페라이트는 응고 취성 영역의 온도 범위를 줄이는 효과가 있습니다.

이는 응고 과정에서의 잔류 응력 및 균열 발생 가능성을 감소시킵니다.

(3) 잔류 응력 완화

델타 페라이트는 높은 온도에서의 강도와 연성을 제공하여 용접 후 냉각 시 발생하는 잔류 응력을 완화합니다.

잔류 응력이 완화되면 열 균열 발생 가능성이 낮아집니다.

(4) 불순물의 확산 및 제거

델타 페라이트는 용접 중 응고 과정에서 S(황), P(인) 등 불순물이 결정립계에 농축되는 것을 방지합니다.

불순물 농축은 균열의 주요 원인이므로 이를 억제함으로써 균열 저항성이 증가합니다.

(5) 균열 전파 억제

델타 페라이트는 미세 균열이 발생하더라도 균열의 전파를 막아주는 역할을 합니다.

이는 델타 페라이트가 높은 연성 및 강도를 가지기 때문입니다.

 

3) 적정 델타 페라이트 함량

일반적으로 용접부에서 델타 페라이트 함량은 3~10% 정도가 적정한 것으로 알려져 있습니다.

너무 적으면 열 균열 방지 효과가 약화되고, 너무 많으면 저온 연성 감소와 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

 

4. 결론

델타 페라이트는 오스테나이트계 스테인리스강의 용접 균열, 특히 열 균열을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. 이는 응고 미세조직을 안정화하고, 응고 취성 영역을 축소하며, 잔류 응력 완화 및 불순물 제거를 통해 이루어집니다. 델타 페라이트 함량을 적정 범위로 유지하면 용접부의 균열 저항성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

 

12. 자분탐상검사에서 탐상 유효 범위를 정하는 방법을 설명하시오.

 

자분탐상검사(Magnetic Particle Testing, MPT)에서 탐상 유효 범위는 자화를 통해 결함을 효과적으로 탐지할 수 있는 범위를 말합니다. 이는 검사 대상 물체의 크기, 형상, 자화 방법, 그리고 사용된 장비의 특성에 따라 결정됩니다. 다음은 자분탐상검사의 탐상 유효 범위를 설정하는 방법에 대한 설명입니다.

 

1) 자화 방식에 따른 탐상 유효 범위

자분탐상검사의 유효 범위는 자화를 수행하는 방식(직류 또는 교류 자화, 직접 또는 간접 자화 등)에 따라 달라집니다.

 

(1) 직접 자화

전류를 직접 검사체에 흘려 자기장을 형성하는 방식입니다.

유효 범위는 전류의 세기와 검사체의 길이에 따라 결정됩니다.

전류 세기가 너무 약하면 검사 범위가 제한되고, 결함 검출 민감도가 떨어집니다.

검사체 길이가 길어질수록 유효 범위는 감소합니다.

기준: 일반적으로 검사체 양단에서 자화 전류의 흐름이 약화되는 지점을 유효 범위의 경계로 봅니다.

(2) 간접 자화

자화 전극(예: 요크)을 사용하여 자기장을 형성하는 방식입니다.

유효 범위는 요크의 극 간격(leg spacing)과 자기장 강도에 의해 결정됩니다.

극 간격이 클수록 자화가 약해져 유효 범위가 줄어듭니다.

기준: 자화 전극(요크)의 중심으로부터 약 1~3배의 극 간격까지 유효한 자화가 이루어진다고 간주합니다.

(3) 원형 자화

원형 전류를 흘려 검사체의 둘레 방향으로 자화하는 방식입니다.

유효 범위는 전류의 세기, 검사체의 직경, 및 전류 밀도에 따라 결정됩니다.

기준: 표준에 따라 일정 전류 밀도(통상 100~300 A/cm)를 유지하며, 자기장이 검사체 전체에 균일하게 분포하는 영역을 유효 범위로 판단합니다.

(4) 종축 자화

코일을 통해 검사체의 축 방향으로 자화하는 방식입니다.

유효 범위는 코일 중심에서 양방향으로 자장이 균일하게 형성되는 범위로 결정됩니다.

기준: 코일의 길이 및 자기장의 균일 분포 여부를 확인하여 유효 범위를 설정합니다.

 

2) 자화 강도와 자화 시간

자화 강도가 적절해야 결함이 명확히 검출됩니다. 자화 강도는 검사 대상 물질의 자성 특성과 크랙 방향에 따라 조정됩니다.

자화 시간이 충분히 유지되어야 자장이 안정적으로 형성되고, 자분이 결함에 충분히 반응할 수 있습니다.

 

3) 결함 방향에 따른 영향

자분탐상검사는 결함 방향이 자기장의 방향에 대해 수직일 때 가장 민감도가 높습니다.

탐상 유효 범위는 검사 대상에서 자기장의 방향과 결함의 방향이 적절히 교차하는 영역으로 정의됩니다.

 

4) 자기장 강도 측정

탐상 유효 범위를 설정하려면 자기장 강도를 측정하여 기준에 부합하는지 확인합니다.

일반적으로 ASTM E709 또는 KS D 8107 등 표준에 따라 자기장의 강도가 특정 수준 이상(예: 24~40 A/m 이상)이어야 합니다.

게이지 사용: 홀데이지(Hall Effect Gauge) 또는 가우스미터를 사용해 자기장 강도를 측정하여 유효 범위를 판단합니다.

 

5) 검사체 형상 및 크기

검사체가 복잡한 형상을 가지거나 크기가 클 경우, 유효 범위는 자화를 반복적으로 적용하여 확인합니다.

각 자화 적용 시, 자분의 응집 상태를 관찰하여 자화가 충분히 이루어진 영역을 설정합니다.

 

6) 실험적 확인

검교정 블록 사용:ASTM E1444 또는 KS 규격에서 정의된 검교정 블록을 사용하여 자화 강도 및 유효 범위를 확인합니다.

반복 검사:자분 응집 및 자기장 분포를 확인하면서 유효 범위를 실험적으로 설정합니다.

 

7)결론

자분탐상검사의 유효 범위는 검사체의 형상, 자화 방식, 자기장 강도, 그리고 결함 방향에 따라 달라집니다. 이를 설정하기 위해 자기장 강도를 측정하고, 자화 조건을 최적화하며, 결함 민감도를 평가하는 과정을 수행합니다. ANSI, ASTM, KS 등의 표준에 따라 유효 범위를 검증하여 신뢰성 있는 검사를 보장합니다.

 

13. 와전류탐상검사에서 의사지시의 발생 원인과 재검사를 해야 할 경우를 각각 설명하시오.

 

와전류탐상검사에서 의사지시의 발생 원인

의사지시(False Indication)는 결함이 아닌데도 와전류 신호에 의해 결함으로 오인되는 신호를 말합니다. 이는 검사 과정에서 다양한 요인에 의해 발생할 수 있습니다.

 

1) 검사 대상 물체의 요인

(1)재료의 불균일성

재료의 성분 변화, 미세조직의 불균일성 또는 열처리 상태의 변화로 인해 신호가 달라질 수 있습니다.

(2)표면 상태

검사 표면의 거칠기, 스케일, 산화층, 또는 도장 등의 코팅이 신호 왜곡을 유발할 수 있습니다.

미세한 표면 긁힘이나 오염물도 의사지시를 발생시킬 수 있습니다.

(3)형상적 요인

검사체의 곡률, 모서리, 구멍, 또는 두께 변화로 인해 와전류 분포가 비정상적으로 형성되어 의사지시가 나타날 수 있습니다.

 

2) 장비 및 설정 요인

(1)주파수 및 게인 설정 오류

주파수가 부적절하게 설정되면 특정 결함 신호가 감지되지 않거나, 비결함 신호가 증폭되어 나타날 수 있습니다.

(2)프로브의 위치 및 접촉 상태

프로브가 검사 표면에 불안정하게 접촉하거나 기울어져 있으면 신호가 왜곡됩니다.

(3)장비의 감도 과잉 또는 부족

감도가 과도하게 높으면 미세한 표면 상태 변화도 결함 신호로 오인될 수 있습니다.

반대로 감도가 낮으면 결함이 누락되거나 의사지시를 초래할 수 있습니다.

(4)전자적 잡음(Noise)

장비 주변 환경의 전자기 간섭(EMI) 또는 장비 자체의 내부 노이즈로 인해 의사지시가 나타날 수 있습니다.

 

3) 환경적 요인

(1)온도 변화

재료 온도의 변화가 와전류 신호에 영향을 미쳐 신호 왜곡을 유발할 수 있습니다.

(2)진동 및 외부 간섭

검사 중 기계적 진동이나 외부 간섭이 프로브와 검사체의 상대적 위치를 변화시켜 의사지시를 발생시킬 수 있습니다.

 

4)재검사가 필요한 경우

(1)의사지시로 판단된 경우

의사지시의 원인을 확인하기 어려울 때 재검사가 필요합니다.

다른 검사 기법(초음파 탐상검사, 방사선 검사 등)을 활용하거나, 와전류탐상검사의 조건을 변경하여 반복 검사해야 합니다.

(2)장비 설정의 문제

초기 장비 설정(주파수, 게인 등)이 적절하지 않은 경우.

프로브의 교정이 제대로 이루어지지 않았거나 결함 민감도가 적절히 조정되지 않은 경우.

(3)검사 표면 상태 문제

검사 표면의 오염물, 스케일, 또는 도장이 신호 왜곡을 유발하는 경우, 이를 제거한 후 재검사가 필요합니다.

표면이 거칠거나 검사체 형상이 복잡하여 신호가 왜곡된 경우, 검사 방법을 수정하거나 보완해야 합니다.

(4) 신호 판독의 불확실성

결함 신호와 의사지시 신호를 명확히 구별할 수 없는 경우.

결함 가능성이 높은 위치에서 신호가 애매하게 나타날 때.

(5) 프로브 문제

프로브 손상 또는 접촉 불량이 확인된 경우.

프로브 교체 후 또는 위치 조정을 통해 재검사를 수행해야 합니다.

(6) 기타 요인

검사 환경의 외부 간섭(예: 전자기 간섭)이 검사에 영향을 미쳤을 경우, 간섭을 최소화한 조건에서 재검사합니다.

 

5)결론

의사지시의 발생 원인: 재료, 장비 설정, 환경, 표면 상태 등에서 비롯됩니다.

재검사가 필요한 경우: 의사지시가 명확히 해결되지 않거나, 검사 조건 및 신호 판독에 불확실성이 존재할 때 수행합니다.

재검사를 통해 신호의 원인을 명확히 하고, 필요 시 보조 검사를 활용해 결함 여부를 최종 판단해야 합니다.