KR101016451B1 - 영상처리기법을 이용한 디더블류티티 시험의 연성 및 취성정량화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영상처리기법을 이용한 DWTT 시편의 연성 및 취성 정량화 방법에 관한 것으로서,

DWTT 시험의 연성 및 취성 정량화 방법에 있어서, A 채널 조명(11)에 전원을 인가하여 ON으로 하여 시편(14)의 영상을 촬영하여 영상데이터를 파일(FILE A)로 저장하는 단계와; B 채널 조명(12)에 전원을 인가하여 ON으로 하여 시편(14)의 영상을 촬영하여 영상데이터를 파일(FILE B)로 저장하는 단계와; 두 개의 영상의 차영상을 구하고 데이터 파일을 처리하여 합성 영상 데이터 파일(FILE C)을 생성하여 합성 영상 데이터 파일(FILE C)에서 연성면 및 취성면의 면적을 산출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하며,

작업자의 주관적 판단에 의존하던 DWTT 시험의 결과를 자동화하고 이를 정량화 하는 것을 가능하게 하여, 시험과정 및 결과의 신뢰성을 향상시키고 충분한 재현성을 제공하여 하나의 효과적인 시험방법을 제공하며 이를 통한 고청정강 제품의 생산과정, 인증과정 및 판매과정에서 보다 유효한 시험분석결과를 나타내는 효과를 제공한다.

정량화 방법, DWTT, 연성, 취성, 영상처리

Description

영상처리기법을 이용한 디더블류티티 시험의 연성 및 취성 정량화 방법{Calculation method of DWTT test between ductility and brittleness by image analysis}

도 1은 DWTT 시험법에서 사용되는 시편의 형상을 나타내는 개략도.

도 2a는 DWTT 시험법에 의한 시편의 파단면을 나타내는 사진.

도 2b는 종래의 수작업에 의해 시편의 파단면을 분석한 결과를 나타내는 분석도.

도 3a는 본 발명에 적용되는 연성면 및 취성면 판단장치의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도.

도 3b는 본 발명의 일실시예에 의한 연성면 판단의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도.

도 3c는 본 발명의 일실시예에 의한 취성면 판단의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 DWTT 시편의 연성 및 취성 정량화 방법을 나타내는 순서도.

도 5는 본 발명에 적용되는 연성 및 취성 파괴면 판단장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도.

도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 연성 파괴면에 대한 정량화 방법의 일예를 나타내는 사진.

도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 취성 파괴면에 대한 정량화 방법의 일예를 나타내는 사진.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : A 채널 조명 12 : B 채널 조명

12 : CCD카메라 14 : DWTT 시편

20 : 시편 받침대 21 : 비젼프로세스부

22 : 광 제어유닛 및 전원공급부 23 : A/D 입출력부

24 : 제어컴퓨터

본 발명은 영상처리기법을 이용한 DWTT 시편의 연성 및 취성 정량화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열연공정으로 생산되는 강판의 품질시험을 위하여 사용되는 DWTT(Drop Weight Tear Test) 시험용 시편의 파단면의 수동검사를 대체하고 정성적 시험결과의 판단을 정량화하기 위한 방법에 관한 것이다.

최근 원유, 천연가스 등을 이송하는 파이프라인의 사용이 증가하고 있으며 이때 사용되는 강재의 경우 기존의 강재에 비하여 매우 높은 품질관리 기준이 적용 된다.

일반적으로 사용되는 강재의 경우 내부에 포함된 게재물(inclusion)및 조성의 연속성 결함으로 인한 파괴현상이 발생할 빈도가 높으며 이는 수송용 파이프라인에서 파이프 누출 등의 심각한 문제를 일으킨다. 실제로 가스 및 원유의 수송과정에서는 고압을 이용한 이송이 이루어지므로 미세한 구멍(pin hole)이나 균열면의 발생은 대형사고 및 환경오염을 유발할 수 있는 원인이 된다.

이러한 목적에 사용되는 강재로는 고청정강(API강, American Petroleum Institute steel)이 사용되는데 이러한 고청정강은 철강산업의 미래 핵심분야로 주목을 받고 있다.

이상과 같은 고청정강은 연성파괴 및 취성파괴 두 가지의 특성을 주요하게 다루고 있다. 이는 앞서 언급한 DWTT 시험은 이러한 연성파괴 및 취성파괴 현상을 규명하여 제조된 강제품이 외부 충격요인에 대하여 얼마나 저항력을 나타낼 것인가를 판단하는 기본적인 자료로 사용되며 이러한 시험결과는 고청정강의 품질을 그대로 나타내게 된다.

DWTT 시험의 기본적인 방법은 시험대상이 되는 YP84.4㎏f/㎜²(12000㎰i)이하의 탄소 또는 저 합금 강관용 강에 대한 취성파괴(Cleavage 또는 Flat)에서 연성파괴(Shear 또는 Oblique)로 변화하는 온도범위를 초과하는 온도에서의 파괴진전 형상을 측정하기 위한 것으로서 시험과정에서 충격을 가하여 한번에 시편을 완전하게 파단낼 수 있어야 한다. 이때 사용되는 파단용 충격 햄머의 속도는 ASTM(E436) 조 건에 의거하여 4.88 m/s 이상이어야 한다.

API 고청정강의 경우 5∼9 m/s 이내의 속도를 지닌다. 또한 파단을 효과적으로 이루기 위하여 사용되는 파단 진행의 시초가 되는 노치(notch)가공은 햄머의 중심선에서 1.59㎜ 이내에 위치해야 하며 시험높이는 시편두께 1㎜ 당 약 1000 Joule로 설정한다(해머중량800kg 기준). 이때의 계산식은 아래의 수학식 1과 같으며, 여기서 E(joule)는 파단용 충격에너지이고, W(㎏f)는 해머의 중량이고, h(m)는 시험높이이다.

이상과 같은 시험법에서 사용되는 시편(1)의 형상 및 시험과정을 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이 시험대상 재료의 경우 먼저 파단진행이 일어날 노치(4)를 가공하고 노치면의 반대 부분에서 햄머(3)로 충격을 인가하여 노치(4)쪽이 지지대(2)를 통하여 힘이 인가되도록 하여 파단을 진행시켜 시편(1)을 파괴한다. 이러한 방법으로 파단면이 나타난 시편 및 그 결과분석을 도 2a 및 도 2b에 나타내었다.

이와 같이 파단이 일어난 시편에 있어서 연성파괴의 경우 인장되어 끊어진 형상을 지니므로 파단면이 산처럼 많이 늘어나서 파괴되는 것을 알 수 있으며, 취성파괴의 경우에는 이러한 인장과정 없이 부러지는 형상을 나타내므로 늘어난 산모양의 파단면이 아니라 편평하고 균일한 파단면을 발생시킨다.

이렇게 얻어진 시편에서 산처럼 늘어진 연성파괴면의 면적과 부러져 나타나는 편평한 취성파괴면의 면적에 대한 검사를 육안으로 실시하고 각각의 면적을 작업자에 의하여 실측하고 스케치하여 연성파괴면 및 취성파괴면의 면적대비로 취성파괴율을 표시하였다.

도 2a 및 도 2b에 나타나 있는 바와 같이 이러한 연성 및 취성의 판단과정은 다분히 작업자의 주관적인 부분이며 특히 작업자간의 판단기준이 매우 모호하여 시험방법으로서의 신뢰성 및 재현성을 확보하는 것이 어려우며 체계적인 정량화가 불가능하다는 문제점을 지니고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 DWTT 시험에 의해 파단이 일어난 시편의 파단면의 관측을 CCD카메라 및 조명장치를 이용한 비젼(vision)처리기법을 통하여 분석하고, 산 모양으로 나타나는 연성파괴 부분 및 편평한 면으로 나타나는 취성 파괴부분의 영상을 분리하여 각각의 면적을 계산하여 취성파괴율을 정량화 하는 정량화 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, DWTT 시험의 연성 및 취성 정량화 방법에 있어서, A 채널 조명(11)에 전원을 인가하여 ON으로 하여 시편(14)의 영상을 촬영하여 영상데이터를 파일(FILE A)로 저장하는 단계와; B 채널 조명(12)에 전원을 인가하여 ON으로 하여 시편(14)의 영상을 촬영하여 영상데이터를 파일(FILE B)로 저장하는 단계와; 두 개의 영상의 차영상을 구하고 데이터 파일을 처리하여 합성 영상 데이터 파일(FILE C)을 생성하여 합성 영상 데이터 파일(FILE C)에서 연성면 및 취성면의 면적을 산출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하게, 상기 A 채널 조명(11)과 B 채널 조명(12)은 각 조명(11, 12)의 경사각(15, 16)이 시편(14)의 중심에 대하여 실질적으로 30∼40°범위로 기울여 조명광을 시편(14)에 입사시킨다.

보다 바람직하게, 상기 A 채널 조명(11)과 B 채널 조명(12)의 조명광은 적색 단색광원을 지니며 난 반사를 억제하기 위하여 확산 처리된 확산광원을 사용한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 더욱 상세히 설명한다.

도 3a는 본 발명에 적용되는 연성면 및 취성면 판단장치의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 3b는 본 발명의 일실시예에 의한 연성면 판단의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 3c는 본 발명의 일실시예에 의한 취성면 판단의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 DWTT 시편의 연성 및 취성 정량화 방법을 나타내는 순서도이고, 도 5는 본 발명에 적용되는 연성 및 취성 파괴면 판단장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 연성 파괴면에 대한 정량화 방법의 일예를 나타내는 사진이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 취성 파괴면에 대한 정 량화 방법의 일예를 나타내는 사진이다.

도 3a에 표시된 바와 같이 파단이 일어난 시편(14)을 수직으로 세워 수직 상방에 설치된 CCD카메라(13)를 통하여 파단면의 영상을 관측한다. 이때 일반적인 조명에서 얻어지는 파단면의 영상은 산 부분과 편평한 부분의 구분이 어려우며 3차원의 형상이 2차원의 화면으로 얻어지게 되어 다양한 특성을 지니는 파단면의 형상조건을 파악하기에 어려움이 있었다.

본 실시예에서는 이러한 연성파괴면 및 취성파괴면의 특성에서 나타나는 인장형상의 변화를 검출하게 위하여 시편(14)의 파단면에 사선광을 입사시키는 방법이 사용된다. 먼저 시편(14)의 파단면의 긴쪽 변을 따라 경사를 지니고 좌우에 설치된 조명장치를 각각 A, B 채널로 구분한 후 먼저 A 채널의 조명(11)을 비추고 B 채널의 조명(12)은 소등한다.

이런 경우 취성파괴로 나타나는 평면의 시편은 균일한 조명이 인가되지만 연성파괴로 인하여 산처럼 늘어진 면에는 한쪽은 밝고 다른 한쪽은 그림자로 인하여 어두운 면을 나타내어 수직상방에서 얻어지는 영상은 한쪽 면만 밝게 나타나는 양상을 보인다. 다음으로 앞서와 반대로 A 채널 조명(11)을 소등하고 B 채널 조명(12)을 점등하면 이와 반대의 영상이 얻어지는데 연성파괴면의 경우 좌우의 경사 조명에 의하여 그림자와 밝은 면의 차이가 심해지며 취성파괴의 경우 좌우 조명의 변화에 관계없이 일정한 반사를 일으킨다.

이렇게 얻어진 A 채널과 B 채널의 영상의 차영상을 구하면, 도 3b에 나타난 바와 같이 영상이 완전하게 일치하는 취성파괴면의 경우 영상의 픽셀(pixel)이 완 전하게 감산되며, 도 3c에 나타난 바와 같이 두 영상의 차이를 지니는 연성파괴면의 경우 합성된 영상이 나타나게 된다. 이러한 영상분리를 통하여 2차원으로 나타나는 영상결과에서 연성과 취성에 의한 파단면의 차이를 인식해 낼 수 있다. 이때 사용되는 각각의 조명(11, 12)은 적색 단색광원을 지니며 난 반사를 억제하기 위하여 확산 처리된 확산광원을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 이때 사용되는 각 조명(11, 12)의 경사각(15, 16)은 시편(14)의 중심에 대하여 실질적으로 30∼40°범위에서 조명광을 기울여 입사시키는 것이 바람직하다. 조명의 경사각(15, 16)이 30°보다 작으면 시편(14)의 파단면에 밝은 부분이 많아져서 일반조명과 같이 연성면과 취성면의 구분이 어려워져 오차가 발생하고, 조명의 경사각(15, 16)이 40°보다 크면 시편(14)의 파단면이 산 모양일 경우 어두운 부분이 많아져서 오차가 급격히 증가하므로 영상분석이 적절하게 이루어지지 않는다.

이러한 일련의 처리과정의 순서도를 도 4에 나타나 있으며 전체 장치의 구성을 도 5에 나타나 있다.

도 4를 참조하여 본 실시예에 의한 시편의 연성 및 취성 정량화 방법에 대해 설명한다. 우선 제어컴퓨터(24)에 영상처리에 대한 문턱값(threshold value)을 설정한다(S11). A 채널 조명(11)에 전원을 인가하여 ON으로 하고, B 채널 조명(12)에 전원을 차단하여 OFF로 한다(S12). 다음에 CCD카메라(13)로 시편(14)의 영상을 촬영하여 영상데이터를 파일(FILE A)로 저장한다(S13). A 채널 조명(11)에 전원을 차단하여 OFF로 하고, B 채널 조명(12)에 전원을 인가하여 ON으로 한다(S14). 다음에 CCD카메라(13)로 시편(14)의 영상을 촬영하여 영상데이터를 파일(FILE B)로 저장한다(S15). 상기 두 영상 데이터 파일(FILE A, FILE B)을 합성한다(S16). 합성된 파일이 서로 일치하도록 정렬되어 있는지를 판단하여 일치하도록 정렬되어 있으면 다음 단계로 진행하고, 일치하지 않으면 다시 문턱값을 재 설정하여 영상데이터를 다시 얻는다(S17).

합성된 두개의 영상 데이터 파일이 일치하도록 정렬되어 있으면, 두 개의 영상의 차영상을 구하고 데이터 파일을 처리하여 합성 영상 데이터 파일(FILE C)을 생성한다(S18). 따라서 합성 영상 데이터 파일(FILE C)에서 연성면 및 취성면의 면적을 산출한다(S19). 시험결과로서 영상 데이터 파일(FILE C)과 시편(14)의 연성면 및 취성면의 면적값을 표시부에 표시하고 영상 데이터 파일과 계산값 데이터를 저장한다(S20).

도 5에 표시된 바와 같이, 본 실시예의 측정장치에서는 시편 받침대(20)에 파단된 시편(14)을 설치한다. 예를 들면, 상기 시편 받침대(20)는 자석을 사용하거나 클램프수단을 사용하여 시편(14)이 촬영 중에 이동하지 않도록 고정하는 것이 바람직하다. 시편(14)의 중심부 상면에는 영상을 촬영하기 위한 CCD카메라(13)가 설치되어 있고, 시편(14)의 중심부와 경사를 이루면서 양쪽 측면의 상부에는 조명장치로 A 채널 조명(11)과 B 채널 조명(12)이 설치되어 있다. 조명장치는 화상을 입력받기 위한 중요한 변수로서 검사하고자 하는 부분의 화상을 선명하게 얻기 위하여 검사부분이 명확히 들어 날 수 있는 조건의 조명을 만들어 주어야 한다. 예를 들면 조명장치로는 형광등 조명, 할로겐 조명, LED조명, 등이 있으며, 투사위치에 따라서 전위조명, 백라이트(Back light), 동축조명 등이 있다.

상기 측정장치의 제어부는 비젼프로세스부(21), 광 제어유닛 및 전원공급부(22), A/D(Analog/Digital) 입출력부(23) 및 제어컴퓨터(24)로 구성되어 있다. 제어컴퓨터(24)는 비젼처리장치의 기본이 되는 시스템으로서 영상처리용 소프트웨어, 표시부, 정보처리부 등을 구비하고 있어, 소프트웨어를 제어하고 A/D 입출력부(23)의 제어 등 전체 시스템을 총괄 제어한다. 이때 작업환경 및 동작조건에 따라 일반 PC 및 산업용 PC 등을 선택적으로 사용할 수 있으며 시스템의 성능에 따라서 처리속도에 영향을 줄 수 있으므로 적절한 제어 컴퓨터를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 비젼프로세스부(21)는 CCD카메라(13)로 부터 받은 영상신호를 컴퓨터가 인식할 수 있는 신호로 변환하여 주는 기능을 수행한다. 상기 광 제어유닛 및 전원공급부(22)는 시편(14)의 영상을 촬영하는 단계에 따라서 A 채널 조명(11) 및 B 채널 조명(12)의 ON/OFF제어를 수행하기 위해 전원의 공급을 제어한다. A/D 입출력부(23)는 제어 컴퓨터(24)의 외부 입출력을 연결하여 주는 보드(Board)로서 동기신호, 기구부 제어신호, 조명 조절신호, 불량유무 제어신호, 상기 비젼프로세스부(21)에 의한 영상신호 등의 외부 입출력을 인터페이스(Interface)하는 역할을 한다.

도 6에서는 상기한 장치를 이용하여 연성파괴면에 대한 영상 및 처리결과를 나타내고 있으며, 분석결과로는 연성파단면이 77%, 취성파단면이 23%로 나타나 있다. 도 7에서는 취성파괴면에 대한 영상 및 처리결과를 나타내고 있으며, 분석결과 로는 연성파단면이 62%, 취성파단면이 38%로 나타나 있다.

이 과정에서 얻어진 결과와 같이 기존의 일반조명으로 판단이 어려운 연성파괴면 및 취성파괴면이 적절하게 영상으로 처리됨을 알 수 있으며, 특히 도 6의 연성파괴 처리결과와 같이 산 모양 부분의 영상처리가 이루어져 취성과 분리됨을 알 수 있다. 이러한 일실시예를 통하여 기존의 작업자에 의한 주관적 판단과정의 자동화 및 정량화가 가능한 장점을 제시하고 있으며 다양한 형상의 연성 및 취성 파괴면에 대한 효과적인 분석방법을 제시하고 있다.

본 실시예는 기존의 작업자의 육안검사 및 면적계산과정의 문제점을 보완하기 위하여 영상처리장치 및 정량화 방법을 이용하여 자동으로 파단면의 연성 파괴면 및 취성 파괴면을 계산하도록 하는 방법에 관한 것이므로 원유, 천연가스 등의 수송용 파이프라인에 사용되는 고청정강에서 발생하는 취성 파괴 정도를 정량화 함으로써 제철공정에서 생산되는 고청정강의 물리적 파괴정도를 정량화 할 수 있는 장점을 지니고 있다.

상기 방법으로 파단면 분석용 비젼처리장치와 이를 유효하게 이용하여 정량화 할 수 있는 알고리즘을 사용하고 있으며 이상의 방법은 현재 정량화 방법이 확립되지 않은 DWTT 시험결과의 정량화를 위한 효과적인 시험방법을 제시한 것이다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 파단시편 및 충격시편과 이와 유사한 부정형의 표면에 대한 정량분석이 효과적으로 가능한 방법으로 매우 많은 응용 분야에서 다양한 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

이와 같은 본 발명은, 기존의 작업자의 주관적 판단에 의존하던 DWTT 시험의 결과를 자동화하고 이를 정량화 하는 것을 가능하게 하여, 시험과정 및 결과의 신뢰성을 향상시키고 충분한 재현성을 제공하여 하나의 효과적인 시험방법을 제공하며 이를 통한 고청정강 제품의 생산과정, 인증과정 및 판매과정에서 보다 유효한 시험분석결과를 나타내는 효과를 제공한다.

Claims (3)

1. DWTT 시험의 연성 및 취성 정량화 방법에 있어서,

   A 채널 조명(11)에 전원을 인가하여 ON으로 하여 시편(14)의 영상을 촬영하여 영상데이터를 파일(FILE A)로 저장하는 단계와;

   B 채널 조명(12)에 전원을 인가하여 ON으로 하여 시편(14)의 영상을 촬영하여 영상데이터를 파일(FILE B)로 저장하는 단계와;

   두 개의 영상의 차영상을 구하고 데이터 파일을 처리하여 합성 영상 데이터 파일(FILE C)을 생성하여 합성 영상 데이터 파일(FILE C)에서 연성면 및 취성면의 면적을 산출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 영상처리기법을 이용한 DWTT 시험의 연성 및 취성 정량화 방법.
2. 제 1 항에 있어서.

   상기 A 채널 조명(11)과 B 채널 조명(12)은 각 조명(11, 12)의 경사각(15, 16)이 시편(14)의 중심에 대하여 실질적으로 30∼40°범위로 기울여 조명광을 시편(14)에 입사시키는 것을 특징으로 하는 영상처리기법을 이용한 DWTT 시험의 연성 및 취성 정량화 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 A 채널 조명(11)과 B 채널 조명(12)의 조명광은 적색 단색광원을 지니 며 난 반사를 억제하기 위하여 확산 처리된 확산광원을 사용하는 것을 특징으로 하는 영상처리기법을 이용한 DWTT 시험의 연성 및 취성 정량화 방법.

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