[초음파비파괴검사기사 필기] 18년 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

방사선투과시험과 초음파탐상의 탐상 능력을 비교하면, 초음파탐상이 면상 결함(층상 결함, 박리, 균열 등)에 더 민감하고 우수하다. 방사선투과시험은 밀도 차이에 기반하므로 면상 결함 탐상 능력이 제한적이며, 특히 두께 방향으로 열린 미세 결함은 탐지하기 어렵다. 반면 표면 결함 검출(자분, 침투, 와전류시험), 방사선투과시험의 투과 원리, 초음파의 반사법 원리는 모두 비파괴검사의 일반적인 특성과 일치하므로 정답은 1번이 틀렸다.

염색침투검사법은 가시광선 아래에서 적색 염료로 표지된 결함을 육안으로 직접 관찰하는 방식으로, 별도의 자외선 조사 장비나 암실이 필요 없어 현장에서 간편하게 적용할 수 있다. 반면 형광침투검사법은 자외선 광원과 암실 환경이 필수이므로 현장 이용성이 떨어진다. 염색침투검사법은 오히려 형광침투검사법보다 검출감도가 낮고, 검은색 시험체에는 부적합하며, 어두운 곳에서도 정확한 관찰이 어려운 단점이 있다.

인발가공을 "괴상의 소재를 고온에서 가압하여 판재로 성형"한다고 한 설명은 인발가공의 정의와 맞지 않는다. 인발가공(drawing)은 금속선이나 봉을 다이 구멍을 통해 당겨서 단면을 축소하는 방식이며, 해당 설명은 압연가공(rolling) 또는 단조의 설명에 해당한다.
압연가공: 회전하는 롤 사이에 소재를 통과시키는 설명이 정확하다.
프레스가공: 펀치와 다이로 압축하는 설명이 맞다.
압출가공: 다이를 통해 금속을 밀어내는 설명이 올바르다.

마텐자이트 변태 과정에서는 격자의 전단변형으로 인해 오히려 표면에 요철(기복)이 나타나는 것이 특징이므로, 표면기복이 없어진다는 설명은 마텐자이트의 일반적 특징이 아니다.
무확산 변태: 마텐자이트 변태는 원자의 확산 없이 격자 전단변형으로 일어나는 무확산 변태이므로 일반적 특징이다.
고용체의 단일상: 오스테나이트(고용체 단일상)에서 직접 마텐자이트로 변태하는 것이 마텐자이트 변태의 정의이다.
경도 상승: 변태 시 원자배열이 조밀해지고 내부응력이 발생하여 경도가 급격히 상승하는 것이 특징이다.

분말야금법은 용융점 이하의 온도에서 가압 소결하므로 용융점까지의 고온이 필요하지 않으며, 오히려 이것이 장점이고, 제품의 정밀도는 오히려 좋은 편이다(최종형상 가공).
분말야금법은 금속 분말을 압축·소결하여 제품을 만드는 공정으로, 나머지 보기는 옳은 설명이다.
기공 존재: 소결 과정에서 완전히 치밀화되지 않아 기공이 남아있는 특성이 있다.
편석·결정립 조대화 문제 적음: 분말을 압축·소결하므로 용해법의 편석, 결정립 조대화 문제가 적다는 것이 분말야금의 장점이다.
절삭가공 생략: 최종 형상 근처로 성형할 수 있어 절삭가공 최소화가 가능하다(Near Net Shape).

면심입방격자(FCC) 합금은 일반적으로 온도 변화에 관계없이 연성파괴를 나타내며 취성-연성 전이를 보이지 않으므로, 샤르피 충격시험에서 연성파괴 양식을 보인다.
샤르피 충격시험은 금속의 충격저항성과 연성-취성 전이를 평가하는 시험법이다.
충격흡수에너지의 간단한 측정: 충격흡수에너지를 측정하는 비교적 간단하고 신뢰성 있는 방법이므로 정확하다.
체심입방격자 합금의 연성-취성 전이: 체심입방격자(BCC) 합금은 온도 저하에 따라 연성에서 취성으로 급격히 전이되는 연성-취성 전이(ductile-brittle transition) 현상을 보이므로 맞다.
충격흡수에너지와 인성의 관계: 충격흡수에너지는 재료가 충격에 견디며 흡수할 수 있는 에너지로, 인장시험의 응력-변형률 곡선 아래 면적인 인성(toughness)과 밀접한 관계를 가지므로 정확하다.

연신율은 늘어난 길이를 표점거리로 나눈 비율로 정의되므로, 연신율(%) = (늘어난 길이 ÷ 표점거리) × 100이다. 주어진 값을 대입하면 30 = (늘어난 길이 ÷ 100) × 100이고, 이를 정리하면 늘어난 길이 = (30 ÷ 100) × 100 = 30mm이다.

용접용 지그의 주요 목적은 작업 위치 고정, 동일성 확보, 능률 향상이다. 보기 2, 3, 4는 모두 지그 사용의 직접적인 장점이다. 반면 잔류응력 방지는 지그의 기능이 아니라 열처리(어닐링), 응력제거 열처리 등 별도의 공정을 통해 달성되는 것으로, 지그 사용만으로는 이미 발생한 잔류응력을 제거할 수 없다.

허용사용률은 정격 2차 전류와 실제 사용 전류 비의 제곱에 정격사용률을 곱해 구한다.
$\text{허용사용률} = \left(\dfrac{400}{225}\right)^2 \times 40 = 3.16 \times 40 \approx 126.4\%$
따라서 약 126.4%이다.

판파(plate wave)의 속도는 재질의 물리적 성질과 파의 특성에 의해 결정된다. 진동자의 크기는 판파 속도에 영향을 주지 않으며, 진동자의 크기가 아니라 진동 주파수가 속도에 영향을 미친다. 판의 두께와 주파수의 곱(두께-주파수 곱)은 판파의 분산 특성을 결정하여 속도를 좌우하고, 입사각도는 파의 전파 방향을 결정하여 속도 성분에 영향을 준다. 따라서 진동자의 크기는 판파 속도를 결정하는 요소가 아니다.

액체 내에 존재하는 파는 종파이다. 종파는 매질의 입자가 파의 진행 방향과 평행하게 진동하는 파로, 액체와 기체 같은 유체에서는 전단력(shear force)을 전달할 수 없기 때문에 횡파가 전파될 수 없다. 반면 종파는 압축과 팽창을 통해 전파되므로 액체 내부에서 자유롭게 진행할 수 있다. 표면파(3번)는 액체 표면에서만 발생하고, 판파(4번)는 판 모양 구조에서의 파동이므로 액체 내 파의 진동 형태로는 적절하지 않다.

음향 공진에서 판 두께의 공진 주파수는 $f = \frac{v}{2d}$ 공식으로 구한다. 여기서 $v$는 종파속도, $d$는 두께이다.
주어진 값을 대입하면
$f = \frac{5900 \text{ m/s}}{2 \times 5 \times 10^{-3} \text{ m}} = \frac{5900}{0.01} = 590000 \text{ Hz}$이다.
이를 MHz 단위로 변환하면
$590000 \text{ Hz} = 0.59 \text{ MHz}$이므로 0.59MHz가 정답이다.

음파가 음속이 느린 매질에서 빠른 매질로 입사할 때 임계각은 Snell의 법칙에서 굴절각이 90°가 되는 조건으로 구한다.
임계각 θc는
$\sin\theta_c = \frac{v_1}{v_2}$ (v₁: 입사매질 음속, v₂: 투과매질 음속)이므로, 아크릴에서 철강으로의 임계각은
$\sin\theta_c = \frac{2300}{6000} = 0.3833$이다.
$\theta_c = \arcsin(0.3833) = 22.5°$로, 이 각도 이상에서는 전반사가 발생하여 음파가 철강으로 투과되지 않는다.

오스테나이트계 스테인리스강 용접부에서 감쇠가 큰 것은 결정립 조대화, 탄화물 석출, 마이크로 균열 등에서 초음파가 산란되기 때문이다. 페라이트 증가는 감쇠 원인에 해당하지 않는다.

송신 펄스 직후 나타나는 첫 번째 에코는 반드시 저면에코가 아니며, 표면 근처의 결함이나 표면 자체의 조건에 따라 그보다 앞서 결함 에코가 나타날 수 있다.
초음파 탐상에서 탐상도형의 에코 해석은 신호 순서와 특성을 정확히 구분해야 한다.
저면과 표면의 다중반사: 정확한데, 저면과 표면 사이에서의 다중반사는 등간격 에코를 생성하는 특징적 현상이다.
라미네이션 결함의 다중반사: 맞으며, 라미네이션(층상 박리) 결함은 평행한 층 구조로 인해 다중반사를 유발하고 주기적인 에코 배열을 만든다.
표면에코와 저면에코 사이의 에코: 타당하여, 표면 에코와 저면 에코 사이의 중간 위치 에코는 내부 결함(비금속 개재물, 기공, 균열 등)을 시사하는 진단 근거가 된다.

RB-4는 초음파 용접부 탐상에서 수직탐상(직각탐상)용 대비시험편으로, 탐상감도 교정과 성능특성 측정에 사용된다. 1번과 2번은 RB-4의 표준 용도이며, 4번 사각탐상 감도 교정도 각도 조절을 통해 가능하다. 반면 3번 측정범위 교정은 시험편의 물리적 형상과 반사면 위치로는 교정할 수 없는 기능으로, 탐상기 설정의 거리표시 및 음향경로 거리 검증 용도가 아니기 때문에 RB-4의 주요 용도가 아니다.

초음파 탐상 시험에서 결함 에코의 상대 크기는 바닥면 반사파(BF)를 기준(100%)으로 비교하여 산출한다. 그림에서 결함 에코(F)의 높이는 약 80%이고 바닥면 에코(BF)의 높이는 약 50%이므로, 결함 에코의 크기는 $\dfrac{80}{50} \times 100\% = 160\%$로 계산된다.

초음파 탐촉자의 압전 재료 선택에서 주어진 조건들을 검토하면, 큐리점 약 567℃는 수정(석영)의 특성이다. 수정은 기계적·전기적으로 매우 안정하고 화학적으로 불용성이며, 높은 큐리점으로 인해 고온 환경에서 사용 가능한 유일한 천연 압전체다. 황산리튬(큐리점 약 75℃), 티탄산바륨(큐리점 약 120℃), 지르콘산납(큐리점 약 365℃)은 모두 수정보다 훨씬 낮은 큐리점을 가지고 있어 고온 안정성이 떨어진다.

STB-A1의 100R면에서는 빔 路程 100mm 위치에 에코가 나타납니다. 따라서 100mm 이상의 측정범위를 조정할 때 쓰며, 50mm 측정범위는 STB-A3 등의 50R면을 반사원으로 조정합니다. 입사점과 굴절각 측정에 STB-A3를 쓰고 DAC 곡선 작성에 RB-4를 쓰는 것은 옳은 설명입니다.

초음파탐상검사에서 게인 변화에 따른 에코 진폭 변화는 20log(V₂/V₁) = ΔdB 공식으로 계산된다. 현재 에코 진폭이 스크린높이의 32%이고, 이를 90%로 올려야 하므로 진폭비는 V₂/V₁ = 90/32 = 2.8125이다. 따라서 필요한 게인 상승값은 20log(2.8125) = 20 × 0.449 ≈ 8.98dB ≈ 9dB이다.

평판 맞대기 용접부의 초음파 탐상에서 판 두께 20mm 이하의 얇은 판에 대해서는 70°의 높은 굴절각을 사용하는 것이 가장 적절하다. 판이 얇을수록 음파의 전파 경로가 짧아지므로, 높은 각도의 굴절각을 적용하여 음파가 용접부를 충분히 횡단하면서도 반사파를 효과적으로 얻을 수 있다.
30°, 45°: 낮은 각도는 두꺼운 판이나 깊은 결함 탐지에 사용되며, 얇은 판에서는 음파 경로가 과도하게 길어져 감쇠가 커져 탐상 효율이 떨어진다.
60°: 중간 정도 판 두께에 사용되므로 20mm 이하의 경우 70°가 최적이다.