이중상 스틸 용접부의 초음파 검사: 페라이트-오스테나이트 균형과 잠재적 결함 식별

이중상 스틸 용접부의 초음파 검사: 페라이트-오스테나이트 균형과 잠재적 결함 식별

이중상 스테인리스강은 뛰어난 강도와 내식성으로 인해 현대 산업의 핵심 소재입니다. 그러나 오스테나이트와 페라이트로 구성된 복잡한 이중상 미세구조는 비파괴 검사(NDT)에 고유한 과제를 제시합니다. 초음파 검사(UT)는 이중상 스테인리스강 용접부의 무결성을 보장하기 위한 핵심 도구이지만, 재료 특성이 검사에 어떤 영향을 미치는지에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 본 가이드는 이중상 스테인리스강의 용접 품질과 미세구조 평가를 위해 초음파 검사를 활용하는 실용적인 프레임워크를 제공합니다.

왜 이중상 용접부 검사에 초음파검사가 중요한가?

이중상 스테인리스강의 용접은 섬세한 균형 유지가 필요한 작업입니다. 이 공정은 다음 두 가지 주요 목표를 달성해야 합니다.

1. 결함 없는 용접: 균열, 융합 부족, 기공, 불순물 포함 등의 결함이 없어야 합니다.

2. 균형 잡힌 미세조직: 기계적 특성과 부식 저항성을 유지하기 위해 오스테나이트와 페라이트가 약 50%씩 균형을 이루는 조직을 유지해야 합니다.

UT는 첫 번째 목적을 검증하는 주요 방법입니다. 그러나 두 번째 목적은 UT 검사 자체에 직접적인 영향을 미칩니다. 균일하지 않은 미세조직은 결함을 가릴 수도 있고, 잘못된 지시를 생성할 수도 있기 때문에 둘 모두에 대한 충분한 이해가 필수적입니다.

과제: 이중상 조직에서의 음향 이방성

이중상 스테인리스강 검사 시 주요 과제는 음향 이방성 입니다. 이는 음파의 속도가 재료의 결정 구조를 통과하는 방향에 따라 달라진다는 것을 의미합니다.

• 등방성 재료의 경우 (표준 오스테나이트계 또는 페라이트계 강철과 같이) 음파는 모든 방향에서 동일한 속도로 진행하므로 해석이 용이합니다.

• 이방성 재료의 경우 (이중상 강철 및 용접부와 같이) 음파 빔이 산란, 왜곡 또는 분할될 수 있으며, 이로 인해 다음 현상이 발생할 수 있습니다.

  • 빔 굴절: 음파 빔이 직선으로 진행하지 않을 수 있어 결함의 위치를 정확하게 파악하기 어려울 수 있습니다.

  • 감쇠: 신호 세기 감소로 인해 투과율과 작은 결함 또는 깊은 결함을 탐지할 능력이 저하됩니다.

  • 고잡음 수준: 복잡한 결정립 구조로 인해 배경 잡음 또는 '잔디(Grass)' 수준이 높아져 실제 결함을 식별하는 데 방해가 될 수 있습니다.

이 이방성은 특히 주로 용접 금속 자체에서 두드러지며, 여기에서는 정향 응고 구조로 인해 결정립이 굵고, 페라이트-오스테나이트 균형과 직접적으로 관련이 있습니다.

초음파 검사 절차: 이중상 스테인리스강을 위한 주요 고려사항

이러한 문제들을 극복하기 위해 초음파 검사 절차는 면밀하게 설계되고 적격화되어야 합니다.

1. 장비 및 송수신자 선택:

• 기술:  비행시간 분사 (TOFD) 빔 스큐잉 현상에 덜 민감하고 평면 결함의 크기 측정 능력이 뛰어나므로 이중 금속 용접부 검사에 매우 효과적입니다. 위상 배열 초음파 검사(PAUT)는 다중 빔 각도를 생성하고 용접부 전체의 상세한 시각적 맵을 제공하기 때문에 기존 초음파 검사 대비 우수한 성능을 발휘합니다.

• 각: 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 낮은 굴절 각도(예: 45°)를 사용하십시오. 표준 60° 또는 70° 프로브는 빔 왜곡이 더 심할 수 있습니다.

• 빈도: 낮은 주파수(예: 2MHz)는 투과력은 우수하지만 분해능은 낮습니다. 높은 주파수(예: 4-5MHz)는 분해능이 우수하지만 감쇠가 심할 수 있습니다. 재료 두께에 따라 적절한 균형점을 찾아야 합니다.

2. 교정 및 기준 블록:

• 필수 실천 사항: 교정은 검사 대상 부품과 동일한 이중 금속 등급 및 제품 형태의 기준 블록에서 수행해야 합니다(예: 파이프, 판재).

• 왜 중요한가: 탄소강 기준 블록을 사용할 경우 음향 속도가 다르기 때문에 상당한 오차가 발생합니다. 더플렉스 블록은 이방성 물질에서의 실제 음속과 감쇠를 고려합니다.

3. 스캔 및 데이터 해석:

• 다음 사항을 구분할 수 있도록 운영자에게 교육을 실시해야 합니다:

  • 기하학적 지시: 용접 루트(root), 캡(cap), 카운터보어(counterbore)에서 반사된 신호.

  • 미세구조 잡음: 입자 구조로 인해 발생하는 일관된 스펙클 형태의 배경 패턴.

  • 실제 결함: 잡음 기준선 위로 명확하게 나타나며, 다양한 프로브 각도에서 추적할 수 있는 선명하고 뚜렷한 지시 신호.

초음파 검사를 통한 미세구조 불균형 식별

양적 상평형 측정에는 금속조직 실험실 기술(예: 점 센서 분석)이 필요하지만, 초음파 검사는 문제에 대한 강력한 정성적 지표를 제공할 수 있습니다:

중요한 안내: 초음파 검사(UT)가 미세조직 이상을 시사하는 경우, 파괴 검사(예: 금속조직 분석을 위한 시험편 절단)를 통해 반드시 확인해야 합니다. 초음파 검사는 미세조직을 위한 선별 도구이지 결정적인 측정 방법이 아닙니다.

이중상 스테인리스강에서의 일반적인 용접 결함과 그에 따른 초음파 검사 신호

신뢰성 있는 검사의 모범 사례

1. 공정 적격성 검증: 실제 대표 결함(예: 톱니 컷, EDM 노치) 및 미세구조 불균형이 확인된 영역을 포함하는 모형을 사용하여 초음파 검사 절차 적격성 검증을 수행하십시오.

2. 교육을 받은 인력: 이방성 재료(이중상 스테인리스 강 및 용접부 등) 검사 경험을 갖춘 Level II 및 Level III 초음파 검사 기술자만 사용하십시오.

3. 데이터 기록: 모든 A스캔과 PAUT/TOFD의 경우 전체 세터 스캔을 기록하십시오. 이를 통해 과거 자료를 분석하거나 해석이 어려운 지시에 대해 제2의견을 제시할 수 있습니다.

4. 기타 비파괴 검사와의 상관 관계: 의심스러운 경우, 초음파 검사(UT) 결과를 다른 방법과 상호 비교하십시오. 액체 침투 검사(PT)는 표면 균열 결함 검출에 탁월하며, 방사선 검사(RT)는 체적 결함에 대한 다른 관점을 제공할 수 있습니다.

결론

이중상 스테인리스강 용접부의 초음파 검사는 표준 절차에서 벗어나야 합니다. 성공은 이 재료의 미세조직이 측정해야 할 단순한 특성 이상이며 검사 자체에 영향을 주는 근본적인 변수라는 점을 인식하는 데 달려 있습니다. PAUT 및 TOFD와 같은 고급 기법을 사용하고, 대표적인 기준 블록을 기준으로 교정하며, 결함과 미세조직 이상의 음향 신호를 이해함으로써 검사자는 핵심적인 이중상 스테인리스강 부품의 완전성과 성능을 신뢰성 있게 보장할 수 있습니다.