[논문]접촉 열저항 효과를 이용한 피로균열의 적외선검사

양승용; 김노유

doi:10.7779/jksnt.2013.33.2.187

접촉 열저항 효과를 이용한 피로균열의 적외선검사
Thermographic Inspection of Fatigue Crack by Using Contact Thermal Resistance 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.33 no.2, 2013년, pp.187 - 192

양승용 (한국기술교육대학교 기계공학부) , 김노유 (한국기술교육대학교 메카트로닉스공학부)

초록
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크랙 계면에서의 접촉 열저항에 의해 만들어지는 온도 강하 특성을 적외선을 이용하여 측정함으로써 피로균열을 검사하였다. 크랙과 같은 불연속면을 지나는 열 유동은 연속체에서와는 달리 접촉경계면에서 급격한 온도구배를 나타내는데 이 변화를 표면에서의 적외선 방사량으로 측정하여 피로균열의 위치를 탐지하였다. 표준 피로균열 시편의 중앙부에 노치를 생성한 후 저주기 피로균열을 노치 끝단으로부터 발생시킨 다음, 이 시편의 한쪽 끝단에 할로겐램프를 이용하여 일정한 열을 가함으로서 시편의 길이 방향으로 열 유동이 일어나도록 하면서 시편의 표면온도 분포를 적외선 실험장치로 계측하였다. 열 유동이 크랙을 지나면서 온도구배가 크게 변화하는 것을 적외선 열화상 이미지로부터 알 수 있었으며 균열 면에서의 적외선 온도 데이터로부터 크랙의 위치와 크기를 평가할 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fatigue crack was detected from a temperature change around surface crack using the thermographic technique. Thermal gradient across the crack decreased very much due to thermal resistance of contact surface in the crack. Heat diffusion flow passing through the discontinuity was visualized in temperature by infrared camera to find and locate the crack. A fatigue crack specimen(SM-45C), which was prepared according to KS specification and notched in its center to initiate fatigue crack from the notch tip, was heated by halogen lamp at the end of one side to generate a heat diffusion flow in lateral direction. A abrupt jump in temperature across the fatigue crack was observed in thermographic image, by which the crack could be located and sized from temperature distribution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 특별한 별개의 가진원을 조화함수나 펄스함수로 제어하지 않으면서 대상체내에 한 방향으로 동적인 열 유동을 생성함으로서 표면에 만들어진 크랙을 효과적으로 검사하는 적외선검사 방법을 제시하고자 한다. 종전의 능동형 가진에서 사용되는 열원과는 달리 특별한 제어장치가 없이 운전되며 일정한 에너지의 할로겐램프를 대상체의 일부분에 일정하게 조사하고 적외선 카메라와도 연동되어 움직이지 않는다.

가설 설정

그런데 Fig. 9(b)에서 열에너지가 이동하는 중에 크랙을 만나면 급격한 열확산계수의 변화로 인해 크랙이 없는 부분보다 온도구배가 상대적으로 매우 크다. 이 특징은 Fig.

제안 방법

개발된 적외선 열화상 기법의 성능을 확인하기 위하여 피로시편의 왼쪽 끝단에만 할로겐램프를 일정한 에너지로 조사하면서 열의 흐름과 온도 분포를 적외선 카메라로 측정하였다. 열이 가해지기 전 실온(17도)에서의 시편 온도는 균일하여 Fig.
종전의 능동형 가진에서 사용되는 열원과는 달리 특별한 제어장치가 없이 운전되며 일정한 에너지의 할로겐램프를 대상체의 일부분에 일정하게 조사하고 적외선 카메라와도 연동되어 움직이지 않는다. 기술적 이론 배경을 제시하고 이를 검증하기 위해 표준 시편에 저주기 피로균열을 만든 후 이를 검사하여 그 성능을 검증하였다.
첫째는 적외선 열화상 카메라(FLIR사의 Thermovi- sion A20M)이며 둘째는 대상체에 열을 가하는 할로겐램프와 할로겐램프의 에너지를 제어하는 SCR 사이리스터, 세 번째는 할로겐램프와 카메라를 제어하고 데이터를 수집하는 인터페이스 및 열화상 이미지를 생성하고 이로부터 시편의 결함을 검출해주는 소프트웨어로 나누어진다. 이 세 부분은 전체적으로 LabVIEW에서 통제되고 운영되는데 IEEE- 1394를 통하여 할로겐램프의 열에너지와 시간을 조절함과 동시에 적외선 카메라로 부터 대상체의 적외선 신호를 수집함으로써 표면 분포 변화를 측정하였다.
이미지는 8-bit 칼라로서 60 Hz의 실시간 이미지 획득이 가능하고 이미지 전송은 firewire/ ethernet으로 이루어졌다. 그리고 카메라를 연결한 전체 시스템을 Fig.
제안된 방법을 이용하여 균열 검사를 수행하기 위해 저주기 피로균열 시편을 제작하였다. 시편의 상세는 KS규격에 따라 판형 표준 피로균열 시편(KS B0801-13A)을 제작하였는데 가공된 후의 시편의 모습을 Fig.
평판형 피로시험편 내에 단방향의 열 유동을 만들어서 피로균열을 탐지하는 능동형 적외선 열화상 기술을 제시하였다. 피로균열의 열 저항으로 인해 크랙 주변에 발생하는 급격한 온도 변화를 적외선으로 영상화함으로써 크랙을 검사할 수 있음을 확인하였으며 이를 구체적인 온도 변화 데이터로 검증하였다.
평판형 피로시험편 내에 단방향의 열 유동을 만들어서 피로균열을 탐지하는 능동형 적외선 열화상 기술을 제시하였다. 피로균열의 열 저항으로 인해 크랙 주변에 발생하는 급격한 온도 변화를 적외선으로 영상화함으로써 크랙을 검사할 수 있음을 확인하였으며 이를 구체적인 온도 변화 데이터로 검증하였다. 이 방법은 가진열원의 제어가 단순하고 용이하며 특별한 영상처리 기술이 필요치 않은 간단한 장점이 있다.

대상 데이터

제안된 방법을 이용하여 균열 검사를 수행하기 위해 저주기 피로균열 시편을 제작하였다. 시편의 상세는 KS규격에 따라 판형 표준 피로균열 시편(KS B0801-13A)을 제작하였는데 가공된 후의 시편의 모습을 Fig. 7에서 보여주고 있다(두께는 2 mm). 이 시편의 중앙부에 V형 노치를 방전가공으로 생성하였는데, 이는 피로균열의 시작이 노치 끝단에서부터 만들어지게 하기 위해서이다.

후속연구

하지만 본 논문에서 조사한 표준시편의 피로균열은 두께가 얇은 판재의 두께 방향으로 균열이 관통하여 발생한 경우를 대상으로 하였기 때문에 판의 두께가 증가하고 결함 깊이가 작은 경우에는 그 효과가 상대적으로 작아질 것으로 예상된다. 또한 크랙의 위치나 크기를 정확히 영상화하기 위해서는 불필요한 온도구배를 제거하는 열전달 모델과 이미지 프로세스 기술이 더 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외선 열화상 기술의 특징은?	적외선 열화상 기술(infrared thermography)은 검사 대상체의 복사에너지로부터 물체 표면의 열 패턴을 2차원 이미지로 손쉽게 생성할 수 있으며 이를 해석하여 원하는 결함부의 형상이나 위치를 영상으로 만들어 낼 수 있어서 대면적 실시간 검사가 가능하다.
	초음파-적외선 방법의 장점은?	이러한 융합형 기술들은 기본적으로 가진시스템을 별도로 장착하여야 하고 초음파나 전자기 유도, 레이져 열원과 크랙과의 반응 메카니즘을 규명해야 하기 때문에 검사 시스템이나 해석 방법이 비교적 복잡하다. 초음파-적외선 방법에서는 초음파 가진이 용이하고 영상화도 단순한 장점이 있으나 이 역시 고에너지 초음파 가진이 필요하고 이에 따라 대상 시편의 형상이 복잡할 경우 사용하는데 한계가 있다. 또한 발열 메카니즘이 크랙 면의 마찰에 의존하는 관계로 닫혀 있는 크랙의 검사는 매우 효과가 있으나 열린 크랙의 경우에는 그 효과를 기대하기 어렵다.
	접촉 열저항에 의해 만들어지는 온도 강하 특성을 적외선검사 연구에 사용된 실험 장치는?	5에 나타난 것과 같이 크게 세 부분으로 나뉜다[5,6]. 첫째는 적외선 열화상 카메라(FLIR사의 Thermovi- sion A20M)이며 둘째는 대상체에 열을 가하는 할로겐램프와 할로겐램프의 에너지를 제어하는 SCR 사이리스터, 세 번째는 할로겐램프와 카메라를 제어하고 데이터를 수집하는 인터페이스 및 열화상 이미지를 생성하고 이로부터 시편의 결함을 검출해주는 소프트웨어로 나누어진다. 이 세 부분은 전체적으로 LabVIEW에서 통제되고 운영되는데 IEEE- 1394를 통하여 할로겐램프의 열에너지와 시간을 조절함과 동시에 적외선 카메라로 부터 대상체의 적외선 신호를 수집함으로써 표면 분포 변화를 측정하였다.

참고문헌 (6)

O. Breitenstein and M. Langenkamp, "Lock-in Thermography: Basics and Use for Functional Diagnostics of Electric Components," Springer, ISBN 3-540-43439-9, pp. 18-23 (2003)
S. Huth, O. Breitenstein, A. Huber, D. Dantz, U. Lambert and F. Altmann, "Lock-in IRhermography - A novel tool for material and device characterization," Solid State Phenomena, Vol. 82-84, pp. 741-746 (2002)

상세보기
M. Y. Choi, K. S. Kang, J. H. Park, W. T. Kim and K. S. Kim "Lock-in infrared thermography, defect sizing, defect location, shearing phase technique," JKSNT, Vol. 27, No. 4, pp. 322-327 (2007)
M. Y. Choi, H. S. Park, J. H. Park and K. S. Kang, "Defects evaluation at lap joint friction stir welding by lock-in ultrasound infrared thermography," JKSNT, Vol. 30, No. 2, pp. 104-109 (2010)
T. H. Min, H. C. Na and N. Kim, "Development of LabVIEW program for lock-in infrared thermography," JKSNT, Vol. 31, No. 2, pp. 127-133 (2011)
T. J. Lee, S. H. Kim, T. H. Min and N. Kim, "Thermographic detection of fatigue crack," Proceedings of 2011 Annual Fall Conference of KSNT, pp. 241-246 (2011)

저자의 다른 논문 :

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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