항공기 구조에서 복합재 사용이 증가하면서 복합재의 층간 분리(delamination)와 재료 간 접착 분리(disbond)와 같은 결함이 빈번하게 발생하며, 결함 탐지의 방법으로 신뢰성이 높은 초음파 탐상 기법을 사용하고 있다. 대표적인 검사기법으로 침수 및 물분사식 C-scan과 휴대용 A-scan 초음파 탐상 기법이 있지만, 수 센티미터 또는 접촉 방식의 검사 거리 제한과 전달 매질이 필요하다는 단점이 있다. 특히, 침수 및 물분사 식 C-scan의 경우 대형 하수시설이 필요하여 현장 적용에 어려움이 있으며, A-scan 기법의 경우 휴대성이 높아 현장 비파괴검사에 주로 활용되지만 결함 검출 정확도가 상대적으로 낮다. 본 논문1에서는 Mobile Pulse-Echo Ultrasonic Propagation Imager (Mobile PE UPI)를 활용하여 T-50 고등훈련기의 수평 안정판 현장 비파괴 평가를 수행하고, 현장비파괴검사 시 일반적으로 사용되는 A-scan 초음파 탐상 기법과 비교하여 검증하였다.

 

(본 기고문은 저자의 동의를 얻어 Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 39, No. 5 261-268, (2019), “모바일 펄스-에코 초음파 전파 영상화 장치를 사용한 T-50 고등훈련기 수평 안정판 현장 비파괴 평가”에서 발췌 요약됨(저자 및 사진 제공: 홍승찬, 이정률, 박종운 ㈜스페이스엔디티 대표이사, 한국과학기술원 항공우주공학과 정교수, 공군 군수사령부 항공기술연구소 서기관)

 

 

Mobile PE UPI 개요

 

레이저 초음파를 활용한 비접촉식 비파괴 검사 장비로, 구조 표면에 고밀도 레이저 빔 펄스를 조사하여 초음파를 생성하고 반사 신호를 측정하여 결함을 탐지한다. 기존 대형 레이저 초음파 검사 장비(LUCIE, LaserUT®)는 이동성이 제한되지만, MobilePEUPI 는 소형화되어 현장 적용이 가능하다.

 

그림1 (a) Pulse-echo ultrasonic propagation imager(㈜스페이스엔디티)와 (b)Scanning mechanism

 

 

(b)와 같이 mobile PE UPI는 가진 레이저 빔 펄스가 시편 표면에 조사됨과 동시에 급격한 열팽창과 함께 열탄성파 (thermoelastic wave)를 발생시키고 두께 방향으로 전파되는 벌크파를 센싱 레이저빔을 통해 도플러 효과 원리 기반 표면 속도의 변화를 측정하여 벌크파의 입사와 반사를 신호로 출력한다.

 

결함 가시화 원리

 

그림 2와 같이 mobile PE UPI를 통해 2차원 스캔 영역의 모든 스캔 포인트에서 펄스-에코 모드 초음파 신호가 실시간으로 수집된다. 수집되는 신호는 실시간으로 필터링 되고 즉시 메모리에 구축된 3차원 배열에 재배열된다. 펄스-에코 초음파 전파 영상화(Pulse-echo ultrasonic wave propagation imaging, PE UWPI) 기법은 이미지 처리된 3차원 배열 데이터를 실시간으로 시간 축으로 재생하면서 시간에 따라 스캔 영역에서의 전 영역 초음파 전파 과정을 가시화한다.

 

 

 

 

그림3은 PE UWPI의 후처리 프로세스인 가변 시간 창 진폭 가시화 맵(variable time window amplitude map, VTWAM) 기법을 나타낸다. VTWAM은 PE UWPI 영상의 모든 프레임 중에서 결함 및 손상이 가시화되는 수 개 프레임의 특정 구간을 다수 선택한 후 선택된 여러 특정 구간들 의 모든 프레임을 하나의 이미지로 합산한 진폭 매핑 기법으로써 선택된 각 프레임의 노이즈 레 벨은 합산의 결과로 낮아지고 결함의 진폭은 합 산의 결과로 높아져 결함 진폭 대 잡음 비 및 가 시성이 향상된 결함 가시화 능력을 나타낸다.

 

 

그림3 Variable time window amplitude map algorithm

 

실험 대상 및 과정

 

실험 대상은 한국 공군에서 운용 중인 T-50 고등훈련기의 수평 안정판의 리벳 주변부의 복합재 스킨으로, 수평 안정판은 복합재 스킨 및 금속 스파 구조로 구성되며 수평꼬리날개의 역할로써 상승과 하강의 안정성을 유지시킨다. T-50 수평안정판은 복합재 스킨과 금속재 스파가 접착 및 리벳 체결되어 있으며 리벳 체결 부위는 복합재 스킨 층간 분리와 복합재 스킨 및 스파 간 접착 분리가 운용 중에 발생할 수 있으며 본 손상은 눈에 보이지 않는 손상으로써 유지 검사가 필수적이다.

검사 방법은 A-scan 초음파 탐상 (A-scan UT)과 Mobile PE UPI 기반 VTWAM(Variable Time Window Amplitude Map) 분석방법 두가지는 비교 분석하였다.

 

 

그림4. 한국 공군에서 운용 중인 T-50 고등훈련기의 수평 안정판의 리벳 주변부의 복합재 스킨 검사영역

 

Mobile PE UPI 검사 과정

레이저 빔을 조사하여 열탄성파(Thermoelastic Wave) 발생 시킨 후 반사된 신호를 도플러 효과를 이용하여 측정, 2D 스캔 후 PE UWPI(Pulse-Echo Ultrasonic Wave Propagation Imaging) 기법을 통해 결함을 가시화 하였다.

 

그림5. 스캔영역1 검사 결과: (a)기존 A-scan UT 기법을 사용한 A-scan결과 (b) VTWAM (1.720 ~ 1.770 μs) 결과 (c) A-scan 결과와 VTWAM 이미지 비교 (d) VTWAM (2.400 ~ 2.483 μs) 결과

 

 

scan area 1은 하부 스킨이 14 plies의 두께 약 2.1 mm의 영역이다. 그림5(a)는 scan area 1 내 리벳 주변부 A-scan 결과 D1-6을 나타내며 그림5 (b)-(d)는 mobile PE UPI 검사 결과 VTWAM을 나타낸다. 그림5 (b), (c)는 A-scan 결과 리벳 주변부 층간 분리 D1~D6을 정확히 가시화하는 것을 보여준다. 그림5 (b), (c)는 A_D1~4의 추가 손상 가시화를 나타내며 이는 A-scan에서 검출되지 않은 손상이다.

 

기존 A-scan UT 기법과 Mobile PE UPI의 비교

A-scan UT에서는 검사자의 숙련도에 따라 결함 탐지 정확도가 달라질 수 있으며, 일부 손상이 탐지되지 않았다. 반면에Mobile PE UPI의 VTWAM 결과, A-scan에서 탐지되지 않은 추가적인 층간 분리와 접착 분리가 시각적으로 명확하게 가시화되었다. 특히, 리벳 주변부의 복합재 스킨 층간 분리 및 스킨-스파(Spar) 접착 분리를 보다 정확하게 검출하였다

 

결론

Mobile PE UPI는 비접촉 레이저 기반 초음파 탐상 기술을 활용하여 T-50 고등훈련기의 수평 안정판에 발생한 결함을 효과적으로 평가할 수 있음을 입증하였다. 기존 A-scan UT 기법보다 더 정확하고 직관적인 결함 검출이 가능하였고 본 연구 결과를 바탕으로 Mobile PE UPI가 항공기 구조물의 현장 비파괴 검사 장비로서 실용성이 높음을 확인하였다

향후 Mobile PE UPI는 대형 초음파 검사 장비 없이도 현장에서 비접촉식으로 비파괴 검사를 수행할 수 있는 이동형 장비로, 향후 현장에서 다양한 항공기 구조물 평가에 활용 가능하고 높은 결함 검출 정확도를 통해 결함 평가가 가능함을 시사했다.

 

# 레이저 초음파(Laser Ultrasonic)#현장 비파괴 평가(In-situ Nondestructive Evaluation) #펄스-에코 초음파 전파 영상화(Pulse-Echo Ultrasonic Propagation Imaging) #복합재 손상(Composite Damage)

 

기사제공: 서보스타