20kHz 초음파 피로 시험: 항저우 항차오 기술 유한공사가 중국과학원 역학연구소와 협력하여 금속 수명 한계에 대한 새로운 기록을 세움

실험실을 산업 현장으로 이전하다 최근 중국과학원 역학연구소의 판샹난 교수 연구팀은 항저우 항차오 테크놀로지 유한회사를 방문하여 초음파 및 초고주기 금속 피로 시험을 진행했습니다. 거창한 계약 체결식 없이, 펼쳐진 시험대와 시료가 담긴 알루미늄 상자만이 놓여 있었을 뿐, 이는 "실험실을 생산 라인으로 직접 이전"하는 것을 목표로 하는 이번 협력의 시작을 알리는 것이었습니다.

02 시험대 위의 "트리오": 진동 굽힘, 3점 굽힘, 인장 시험

판 샹난 교수의 지도 하에 기술자들은 먼저 시료에서 '춤추는' 움직임을 유도하였다: 고주파 초음파가 시료 내부에서 왕복 반사되면서 기계적 공진파가 정확히 증폭되었고, 이로 인해 응력 진폭이 순간적으로 증가하여 피로 균열의 발생 및 전파가 크게 가속화되었다.

이후 '삼점 굽힘' 단계가 시작되었다. 에어컨 압축기 밸브 플레이트의 실제 작동 조건을 재현하기 위해 연구팀은 시료를 두 개의 롤러와 압입 헤드 사이에 배치하고, 파손이 발생할 때까지 반복적인 삼점 굽힘 주기를 가하였다. 판 교수는 이 치명적인 굽힘 주기 수를 정확히 포착하기 위해 하중 파형을 세심하게 조정하였다.

마지막으로 인발 시험이 수행되었다. 공기 압축기가 지속적으로 냉각 공기를 공급하는 가운데, 시험편은 전용 고정장치에 고정된 후 왕복 인발 하중을 받았다. 각 '줄다리기' 운동마다 표면에서 균열이 점차 발생함에 따라 선명한 초음파 울림이 동반되었으며, 데이터 화면의 S-N 곡선도 이에 따라 상승하였다.

이 고밀도 실험의 성공적 완료는 당사가 자체 개발한 3세대 다기능 초음파 피로 시험기에 의해 가능해졌다.

이 장비의 핵심 특징은 다음 세 가지이다:

1) 20 kHz의 초고주파—기존 피로 시험기의 1 Hz 범위를 훨씬 상회하여 균열 전파 주기를 밀리초 수준으로 단축시킴;

2) 넓은 대역폭, 높은 출력 및 높은 정밀도—동일한 장치로 축 방향 인장/압축, 3점 굽힘, 진동 굽힘 등 다양한 하중 모드 간 전환이 가능함;

3) 시편 크기, 클램핑 방식, 공진 주파수를 한 번의 클릭으로 매칭할 수 있는 보조 최적화 설계 모듈로, 반복 시도에 따른 비용을 크게 절감합니다. 운영 중 판 샹난(판샹난)은 '더 빠르게 할 수 있나요?', '파형을 더 날카롭게 만들 수 있나요?' 등 구체적인 요구 사항을 반복적으로 제기했습니다. 자이젠(Jiazhen) 기술 팀은 당일 밤 파라미터를 조정하여 다음 날 이른 아침까지 최적화를 완료함으로써, 실험 일정이 장비 제약으로 인해 지연되지 않도록 보장했습니다.

국산 장비는 전문가들의 찬사를 받았다. 실험이 마무리 단계에 접어들자 판샹난은 "동일 가격대의 수입 장비에 비해 기능성과 확장성이 월등히 뛰어나다"며 이례적으로 "최고의 찬사"를 전했다. 그는 후속 프로젝트에서 국산 초음파 피로 시험기 구매를 우선시하기로 즉시 결정하고, 가전 연구팀이 해당 장비를 기계공학연구소로 가져와 추가적인 학술적 검증을 받도록 권고했다. "협력 범위를 즉시 확대하겠다"는 그의 발언은 모두의 마음을 따뜻하게 했다. 기술 구현이 더 이상 연구 논문에 묘사된 이상적인 목표에 그치지 않고 생산 라인에서 구체적으로 실현되기 시작한 것이다.

균열 확대를 수명 데이터로 전환: 최종 시료 세트에 대한 파손 시험을 완료한 후, 판 샹난은 파손 면 사진을 USB 드라이브에 저장하여 자이젠에게 초안 실험 보고서를 제출하였다. 이 보고서에는 화려한 표현은 전혀 없었고, 오직 명확한 S-N 곡선과 간략한 메모만 포함되어 있었다. 메모의 내용은 다음과 같았다. "균열의 발생에서부터 관통에 이르기까지의 전파에 소요된 주기는 단지 3.2×10⁵회로, 업계 평균보다 28% 낮다." 이러한 수치들은 이번 기관 간 협업을 입증하는 가장 강력한 근거였다.