[논문]전자기 음향 공진을 이용한 강선의 표면 미세 결함 탐상 타당성 연구

허태훈; 조승현; 안봉영; 임종수

doi:10.7779/jksnt.2013.33.1.7

전자기 음향 공진을 이용한 강선의 표면 미세 결함 탐상 타당성 연구
Feasibility Study on Surface Microcrack Detection of the Steel Wire Rods Using Electromagnetic Acoustic Resonance 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.33 no.1, 2013년, pp.7 - 13

허태훈 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 조승현 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 안봉영 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 임종수 (포항산업과학연구원 EPT연구팀)

초록
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철강 생산 제품 중 강선 (steel wire rod)은 제조 과정 중 종방향으로 미세한 표면 결함이 매우 빈번하게 발생하는데 이중 깊이가 수 십 마이크로미터 이상인 결함들은 최종 생산품의 불량을 유발하는 심각한 원인이 되고 있다. 이와 같은 이유로 강선의 제조 단계에서 표면의 미세 결함의 깊이를 평가하는 방법의 개발이 절실히 요구된다. 표면 미세 결함을 평가할 수 있는 여러 가지 방법 중에서, 본 연구에서는, 전자기 음향공진법의 적용 가능성을 고찰하고자 한다. 전자기 음향 공진 (electromagnetic acoustic resonance, EMAR)은 전자기 음향 트랜스듀서 (electromagnetic acoustic transducer, EMAT)을 이용하여 시편의 공진 특성을 측정하는 방법으로서, 대상의 작은 변화에도 민감하게 반응하고 비접촉 측정이 가능하여 현장 적용에 용이하다는 장점이 있다. 전자기 음향 공진 실험을 통하여 표면 미세결함과 잔향특성의 변화를 관찰하여 깊이 약 100 마이크로미터 내외의 결함은 탐상 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The surface microcrack over a few tens of micrometers is one of severe problems of a steel wire rod to lead to the failure of the final products, so the method to evaluate crack depth has been required to develop. This work investigates the feasibility of electromagnetic acoustic resonance (EMAR) for this problem. EMAR is the method for measurement of resonant features using electromagnetic acoustic transducer (EMAT). Generally, EMAR is sensitive to small variation of the structures and easy to apply it to the industrial field because of the feature of noncontact measurement. Through several EMAR experiments, the change of the resonant frequencies and attenuation in reverberation has been observed. The results confirms that the surface cracks of around 100 micrometer depth can be detected successfully with the present method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 강선의 표면 미세 결함 탐상을 위해 전자기 음향 공진 (EMAR)을 적용하고자 하였다. 이는 전자기적인 방법으로 측정 대상에 공진을 발생시키고, 그 공진 특성을 관찰하여 대상을 평가하는 방법이다.
본 연구에서는 비접촉 방식의 전자기 음향 공진 기법을 이용하여 강선의 표면 미세 결함 탐상에 적용하였고, 결함과 공진 특성 사이의 관계를 확인하여 전자기 음향 공진을 이용한 강선 표면 미세 결함의 진단 가능성을 확인하였다. 시편과 그 시편 상의 표면 미세 결함을 좀 더 정교하게 가공하고, 시편의 표면 상태 개선 및 지그의 개발을 통하여 최적의 신호를 측정할 수 있는 시스템이 필요성을 파악하였다.
표면 결함에 의한 시편의 형상 변화는 공진주파수와 감쇠계수의 변화를 유발한다. 본 연구에서는 이를 측정하기 위해서 수십 사이클의 정현파를 가진한 후에 시편에 남아있는 잔향을 측정한다. 일정 주파수 대역에서 주파수를 변화시켜 가면서 잔향을 관찰하여 공진주파수를 측정하고 공진주파수에서 잔향이 감쇠하는 비율을 링다운 감쇠 비율 (ringdown decay rate)이라고 한다 [7].
본 연구에서는 비접촉 방식의 전자기 음향 공진 기법을 이용하여 강선의 표면 미세 결함 탐상에 적용하였고, 결함과 공진 특성 사이의 관계를 확인하여 전자기 음향 공진을 이용한 강선 표면 미세 결함의 진단 가능성을 확인하였다. 시편과 그 시편 상의 표면 미세 결함을 좀 더 정교하게 가공하고, 시편의 표면 상태 개선 및 지그의 개발을 통하여 최적의 신호를 측정할 수 있는 시스템이 필요성을 파악하였다. 이를 기반으로 하여 결함 신호의 정량화를 연구가 더 필요할 것으로 사료된다.
k는 파수 (wavenumber)이다. 위의 주파수 관계식을 풀면 평면 내 진동의 공진 모드들을 구할 수 있고, 본 연구에서는 표면 미세 결함의 탐상을 목적으로 하므로 표면에 가장 에너지가 집중된 모드를 선택하여 가진 및 수신을 할 수 있도록 실험 장치를 구성하여 실험하였다.
전자기 음향 공진을 이용한 연구는 주로 일본 오사카 대학의 Hirao 등에 의해 다양하게 진행되어왔다 [1-7]. 전자기 음향 공진을 이용하여 주로 재료의 잔류 응력이나 탄성계수를 측정하거나, 피로나 크리프 손상에 의한 재료의 재질 열화 및 내부 구조 변화를 파악하고자 하였다. 하지만, 본 연구에서 다루고자하는 강선의 표면 미세결함에 대한 연구는 아직까지 보고된 바가 없다.

제안 방법

1-D 스캔 측정을 위해 시편 길이방향으로 미엔더 라인 코일과 지그를 1 mm씩 이동해가면서 실험하였다. 각각 40 μm, 80 μm, 100 μm 깊이의 인공 결함 시편에 대하여 시편마다 총 160여개의 지점에서 받은 신호를 정리하여 Fig.
각각 40 μm, 80 μm, 100 μm 깊이의 인공 결함 시편에 대하여 Fig. 10과 같이 비결함부 (Position 1) 와 결함부 (Position 2)를 각각 5회 반복 측정하여 실험을 진행하였다.
강선 시편에 공진을 발생시키기 위해서 시편의 원주 방향으로 횡파를 발생시켰으며, 이를 위해서 코일과 자석 및 시편 거치를 위한 고정틀을 제작하였다. 일정 시간동안 수십 사이클 이상의 정현파를 가진한 후에 잔향 신호를 측정하고, 이를 일정 대역에서 주파수를 변화시켜가면서 반복하였다.
그러나 이런 유의미한 영향이 시편 결함의 깊이에 따라 일관적으로 나타나지는 않았고, 정량적 평가의 가능성은 이 실험 결과로는 판단할 수 없었다. 따라서 비 결함부와 결함부의 차이를 더 쉽게 구분하고, 좀 더 의미 있는 결과를 얻기 위해 시편의 길이방향을 따라 1-D 스캔을 실시하였다.
실험을 통해서 강선의 단면에서 원주방향 횡파로 인한 전자기 음향 공진 특성이 잘 측정됨을 확인하였다. 또한, 결함 시편에 적용하여 결함 부위에서 공진 특성의 변화를 관찰하였다. 축방향 스캔 시험을 통해서 깊이 80 μm 이상의 결함의 탐상이 가능함을 보였다.
8은 위와 같이 측정된 주파수 스펙트럼 (frequency spectrum)을 나타내는 그래프이다. 먼저 넓은 범위에 대하여 주파수 스캔을 한 후, 에너지가 가장 높은 공진점을 확대하여 공진주파수의 미세변화를 감지하였다.
먼저 실험의 신뢰도를 알아보기 위하여 측정 재현성 시험 (gauge R&R test)을 수행하였다.
본 연구에서는 표면 미세 결함의 영향을 극대화하기 위해 표면에 가장 에너지가 집중되는 반경 방향 (radial direction)으로는 기본 모드이면서 원주 방향 (circumferential direction)으로 가능한 한 고차 모드를 선택하여 실험하였다. Fig.
시편에 자기장을 형성시키기 위해 솔레노이드 코일 대신 영구자석 (permanent magnet)과 자기 회로 (magnetic circuit)를 형성시키기 위해 요크 (yoke)를 두어 실험 장치를 구성하였다.
일정 시간동안 수십 사이클 이상의 정현파를 가진한 후에 잔향 신호를 측정하고, 이를 일정 대역에서 주파수를 변화시켜가면서 반복하였다. 이렇게 각 주파수에서 측정된 잔향신호를 분석하여 공진 주파수와 감쇠계수를 추출하였다.
9는 초음파 공진의 잔향이 감쇠하는 것을 나타내는 링다운 커브 (ringdown curve) 그래프이다. 이를 구하기 위해서 공진 주파수에서 측정된 잔향 신호를 단시간 푸리에 변환 (STFT, short time Fourier transform)한 후 공진 주파수에서의 스펙트로그램 (spectrogram)의 크기를 추출한다. 이렇게 구한 값을 지수 감쇠 모델로 커브 피팅 (curve fitting)하면 잔향의 감쇠 계수 (attenuation coefficient)을 구할 수 있다.
강선 시편에 공진을 발생시키기 위해서 시편의 원주 방향으로 횡파를 발생시켰으며, 이를 위해서 코일과 자석 및 시편 거치를 위한 고정틀을 제작하였다. 일정 시간동안 수십 사이클 이상의 정현파를 가진한 후에 잔향 신호를 측정하고, 이를 일정 대역에서 주파수를 변화시켜가면서 반복하였다. 이렇게 각 주파수에서 측정된 잔향신호를 분석하여 공진 주파수와 감쇠계수를 추출하였다.
전자기 음향 공진 시험은 원통형 시편에 원주 방향으로 초음파를 발생시키고 표면 미세 결함에 유무에 따른 잔향의 공진주파수의 변화나 감쇠율의 변화를 관찰하는 방법으로 이루어졌다. 시험을 위해 코일, 자석, 초음파 신호 발생 장치, 신호증폭기, 오실로스코프 (oscilloscope), 시편 거치용 지그 (jig) 등이 사용되었다.
10과 같이 비결함부 (Position 1) 와 결함부 (Position 2)를 각각 5회 반복 측정하여 실험을 진행하였다. 측정은 완전히 시편을 분리한 후 장착하는 방식으로 이루어졌고, 최대한 같은 위치를 측정하고자 하였다.

대상 데이터

미엔더 라인 코일은 100 μm 정도 두께의 얇은 연성 인쇄 회로 기판 (FPCB, flexible printed circuit board)에 각각 100 μm, 15 μm, 200 μm의 선폭으로 선로를 인쇄하여 제작하였다.
6은 실험에 사용된 시편이다. 시편은 탄소강 계열의 재료를 사용하였고, 지름 9 mm와 길이 20.5 mm의 치수로 가공되었다. Fig.
전자기 음향 공진 시험은 원통형 시편에 원주 방향으로 초음파를 발생시키고 표면 미세 결함에 유무에 따른 잔향의 공진주파수의 변화나 감쇠율의 변화를 관찰하는 방법으로 이루어졌다. 시험을 위해 코일, 자석, 초음파 신호 발생 장치, 신호증폭기, 오실로스코프 (oscilloscope), 시편 거치용 지그 (jig) 등이 사용되었다. 먼저 Fig.
현장에서 실제로 제작되는 강선은 감아서 보관하므로 약간의 곡률을 가지지만, 본 연구에서는 형상의 영향을 최대한 배제하고 표면 미세 결함만의 영향만을 보기 위해 직선 형태의 곧은 강선(straight steel wire rod)을 실험을 위한 시편으로 사용하였다. 그리고 시편의 표면에 축방향으로 길이 10 mm, 폭 20 μm의 인공 결함을 가공하였다.

데이터처리

Table 1은 위의 실험 결과를 표로 나타낸 것이다. 공진주파수와 감쇠계수의 평균값과 표준편차를 각각 표시하였다. 측정 결과를 살펴보면, 먼저 표준 편차가 비교적 작아 측정 신뢰도가 높음을 알 수 있었다.

이론/모형

본 연구의 대상인 강선은 원통 형상을 지니고 있으므로 음향 공진 현상을 발생시키기 위해서 원주방향으로 횡파를 발생시켜 단면에서 공진을 유발하는 circumferential shear EMAR 방법을 적용하였다. Fig.

성능/효과

실험을 통해서 강선의 단면에서 원주방향 횡파로 인한 전자기 음향 공진 특성이 잘 측정됨을 확인하였다. 또한, 결함 시편에 적용하여 결함 부위에서 공진 특성의 변화를 관찰하였다.
이러한 실험적인 오류에도 불구하고 제안한 방법으로 결함의 위치를 비교적 명확하게 관찰할 수 있었다. 추후 실험 장치가 정교화되고 측정의 불확도 요인에 대한 분석이 추가로 이루어진다면 결함의 정량적 평가 능력도 개선될 것으로 생각된다.
축방향 스캔 시험을 통해서 깊이 80 μm 이상의 결함의 탐상이 가능함을 보였다.
측정 결과 값을 살펴보면, 전반적으로 공진 주파수와 감쇠 계수가 결함의 유무에 따라 어느 정도 차이를 보임을 알 수 있다. 그러나 이런 유의미한 영향이 시편 결함의 깊이에 따라 일관적으로 나타나지는 않았고, 정량적 평가의 가능성은 이 실험 결과로는 판단할 수 없었다.

후속연구

시편과 그 시편 상의 표면 미세 결함을 좀 더 정교하게 가공하고, 시편의 표면 상태 개선 및 지그의 개발을 통하여 최적의 신호를 측정할 수 있는 시스템이 필요성을 파악하였다. 이를 기반으로 하여 결함 신호의 정량화를 연구가 더 필요할 것으로 사료된다.
이러한 실험적인 오류에도 불구하고 제안한 방법으로 결함의 위치를 비교적 명확하게 관찰할 수 있었다. 추후 실험 장치가 정교화되고 측정의 불확도 요인에 대한 분석이 추가로 이루어진다면 결함의 정량적 평가 능력도 개선될 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강선의 표면 미세 결함이 유발하는 것은?	다양한 산업용 부품의 원재료로 활용되는 강선(steel wire rod)은 생산 과정 중에 미세한 표면 결함이 강선의 길이방향을 따라 매우 빈번하게 발생한다. 이러한 강선의 표면 미세 결함은 2차 제품의 제조 단계에서 대부분 제거되지만 상대적으로 깊이가 큰 결함은 2차 제작품에 그대로 남아 최종 생산품의 심각한 불량을 유발하고 있다. 이를 방지하기 위해서는 강선을 생산할 때 표면 결함의 깊이를 평가하여 불량품을 미리 선별하는 것이 요구된다.
	강선의 미세한 표면 결함은 어떻게 발생하는가?	다양한 산업용 부품의 원재료로 활용되는 강선(steel wire rod)은 생산 과정 중에 미세한 표면 결함이 강선의 길이방향을 따라 매우 빈번하게 발생한다. 이러한 강선의 표면 미세 결함은 2차 제품의 제조 단계에서 대부분 제거되지만 상대적으로 깊이가 큰 결함은 2차 제작품에 그대로 남아 최종 생산품의 심각한 불량을 유발하고 있다.
	강선의 표면 미세 결함을 방지하기 위해 요구되는 것은?	이러한 강선의 표면 미세 결함은 2차 제품의 제조 단계에서 대부분 제거되지만 상대적으로 깊이가 큰 결함은 2차 제작품에 그대로 남아 최종 생산품의 심각한 불량을 유발하고 있다. 이를 방지하기 위해서는 강선을 생산할 때 표면 결함의 깊이를 평가하여 불량품을 미리 선별하는 것이 요구된다. 현재, 생산업체에서는 강선의 일부를 무작위로 선택한 후 일부분을 절취한 원기둥 형태의 시편을 축방향으로 압축한 후에 단면의 변형을 육안으로 검사하는 방법을 적용하고 있다.

참고문헌 (8)

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G. L. Petersen, B. B. Chick, C. M. Fortunko and M. Hirao, "Resonance techniques and apparatus for elastic-wave velocity determination in thin metal plates," Review of Scientific Instruments, Vol. 66 (l), pp. 192-198 (1994)
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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