[논문]광원 펄스와 위상잠금 적외선 열화상을 이용한 점용접부의 건전성 평가 연구

박희상; 최만용; 권구안; 박정학; 김원태; 이보영

doi:10.7779/jksnt.2013.33.4.349

광원 펄스와 위상잠금 적외선 열화상을 이용한 점용접부의 건전성 평가 연구
A Study on the Health Evaluation in Spot Welded Zone by Using Optical Pulse and Lock-in Phase Infrared Thermography 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.33 no.4 = no.138, 2013년, pp.349 - 354

박희상 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 최만용 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 권구안 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 박정학 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 김원태 (공주대학교 기계자동차공학부) , 이보영 (한국항공대학교 항공우주기계공학과)

초록
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적외선 열화상을 이용한 비파괴검사는 다양한 산업분야로 활용도가 확장중이다. 또한, 적외선 열화상을 이용한 용접부의 비파괴검사도 다양하게 진행중이다. 현재는 전기저항 점용접부의 비파괴검사는 방사선 검사를 주로 진행하고 있다. 본 연구는 광 적외선 열화상 비파괴검사를 이용하여 전기저항 점용접부의 용융부(너깃)의 영역을 측정하였다. 실험결과 펄스 적외선 열화상검사 방법을 활용할 경우 짧은 시간안에 명확한 용융부의 검출이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The non-destructive testing using infrared thermography is extended to a variety of industries and non-destructive testing of welds using infrared thermography is also in progress in various ways. Currently, a non-destructive testing of electrical resistance spot welds which is mainly used is Radiography Testing. This study detected area of spot welds nugget using optical-infrared thermography. In the results, it is possible for detecting defects of nugget in a short period of time using pulse-infrared thermography.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 점용접의 경우 로드 용접 전극 위, 아래에 모재를 사이에 두고 통전되는 순간에 발생하는 저항열로 인하여 모재가 부분적으로 용용 접합되는 기술로 전기 저항값을 형성하는 전압, 전류, 통전시간, 압력값 등에 따라 점용접의 용융 부인 너깃의 형성이 달라지며 이러한 너깃의 상태에 따라 용접강도 또한 다르게 된다. 본 연구는 비파괴검사 기술 중 광원 침투깊이가 깊고 신속한 펄스 방법[1,2]과 열화상 이미지의 감도가 높은 위상 잠금 방법을 이용한 적외선 열화상 검사 장치로 아연도금 박판을 이용한 점용접부의 건전성 평가를 진행하여 향후 자동차 산업 등에 활용 가능한 기술의 가능성을 연구하였다.

제안 방법

5 m로 설치하였다. 광원의 위치를 점용접부의 전면과 후면에 위치하여 투과법과 반사법을 이용하여 장치를 구성하였다.
본 연구에서는 현재 산업 현장에서 활용하고 있는 아연도금 강판의 전기저항 점용접의 용접부 검사에 주로 사용되고 있는 적외선 열화상 검사 방법 중 펄스법과 위상 잠금법을 이용하여 검사를 진행하였다. 광원의 조사 방법 또한 반사법과투과법으로 나누어 비교 실험을 진행하였다. 실험 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 현재 산업 현장에서 활용하고 있는 아연도금 강판의 전기저항 점용접의 용접부 검사에 주로 사용되고 있는 적외선 열화상 검사 방법 중 펄스법과 위상 잠금법을 이용하여 검사를 진행하였다. 광원의 조사 방법 또한 반사법과투과법으로 나누어 비교 실험을 진행하였다.
6~9의 (a), (b)와 같다. 제논 램프의 순간적인 플레쉬를 가하고 0.5초에 해당하는 영상프레임에서 촬영된 이미지를 선정하여 그 결과값을 이용하여 결함 검출에 이용하였다. 각각의 이미지에서 전류가 높을수록 압흔이 넓게 분포함을 확인 할 수 있었다.

대상 데이터

Pulse 열화상은 순간적인 광원 가진 후 1.0 mm 두께일 때는 10프레임(1초=60프레임), 1.4 mm 두께일 때는 15프레임일 때의 이미지를 획득하였으며, 위상잠금 열화상 이미지는 100 mHZ의 시간이 한 주기를 완성한 후의 이미지를 획득하였다. 적외선 카메라는 프랑스 Cedip의 silver 480 m 모델(NEDT: 25 mK)을 사용하였다.
결함 검출을 위하여 점용접 모재의 재질은 고강도 아연도금 강판(EZFFC590)을 사용하였다. 아연도금 강판의 경우 자동차 부품으로 차체 패널에 주로 사용하는 재질이다.
3은 실제 적외선 열화상 검사의 장치 구성을 나타내고 있다. 본 연구에 사용된 펄스 광원 시스템은 Balcar light system Nexus A6400 시스템으로 6.4 kJ의 출력을 내는 제논램프 장치로 구성되었으며, 정밀한 적외선 열화상 검출 방법중 가장 널리 사용되는 위상 잠금 방법에 사용된 할로겐 광원 램프는 시험편 좌우 하나씩 출력 1 kW, 거리 1.5 m로 설치하였다. 광원의 위치를 점용접부의 전면과 후면에 위치하여 투과법과 반사법을 이용하여 장치를 구성하였다.
아연도금 강판의 경우 자동차 부품으로 차체 패널에 주로 사용하는 재질이다. 시험편은 두께에 따라 2가지로 분류하였고 1.0 mm 두께의 시험편 크기는 길이 100 mm, 너비 30 mm의 시험편을 겹쳐 점용접하였고, 1.4 mm의 두께의 시험편의 길이는 125 mm, 너비 40 mm의 크기로 위 아래로 겹쳐 점용접하였다. 용접부는 시험편 당 한개로 제한하였다.
실험에 사용된 용접기는 SCR-AC 저항 점용접기 이고, 용접봉은 Fig. 1와 같은 형상으로 크롬과 구리로 코팅된 D-type 전극봉으로 길이는 23 mm이고 직경은 16 mm이다. 용접 조건은 Table 3과 같다.
4 mm 두께일 때는 15프레임일 때의 이미지를 획득하였으며, 위상잠금 열화상 이미지는 100 mHZ의 시간이 한 주기를 완성한 후의 이미지를 획득하였다. 적외선 카메라는 프랑스 Cedip의 silver 480 m 모델(NEDT: 25 mK)을 사용하였다. Fig.

성능/효과

(1) 열화상 이미지상의 너깃과 열화상 직경의 최대 오차는 1.0 mm 두께에 6 kA로 용접된 시험편에서 검출된 오차인 12.5%로 확인되었다.
(2) 펄스와 위상잠금을 이용한 적외선 열화상 이미지 검사 결과 반사법에 비해 투과법에서 압흔의 형태와 겹침부가 선명하게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
(3) 펄스 열화상 방법이 위상잠금법에 비해 겹침부의 경계선과 압흔이 뚜렷하게 관찰되었다.
5초에 해당하는 영상프레임에서 촬영된 이미지를 선정하여 그 결과값을 이용하여 결함 검출에 이용하였다. 각각의 이미지에서 전류가 높을수록 압흔이 넓게 분포함을 확인 할 수 있었다. 각각의 이미지 (a)와 (b)에서 용접 너깃의 크기가 전류의 세기에 따라 확연이 달라짐을 확인할 수 있었다.
점용접의 경우 위쪽에 위치한 모재의 여유량만을 확인할 수 있는 경우가 대부분이지만 고출력의 플레쉬 램프를 이용하여 적외선 열화상 검사를 진행할 경우 위, 아래의 모재의 겹침 부분까지 파악할 수 있음을 확인하였다. 또한 광원 조사 방법을 반사법과 투과법으로 나누어 측정한 결과 이미지 모두에서 투과법의 압흔과 모재의 겹침 부분이 반사법 측정 결과보다 명확하게 측정되었다.
펄스법과 위상 잠금법을 이용한 적외선 열화상 검사 결과 이미지를 비교한 결과 두 방법 모두 반사법보다는 투과법에서 보다 더 선명하고 뚜렷한 압흔을 확인할 수 있었다. 또한 위상잠금법에 비해 펄스법에서 좀 더 뚜렷하고 선명한 이미지 결과를 얻을 수 있었다.
시편의 너깃 직경과 열화상 이미지상의 너깃과 열화상 직경의 최대 오차는 1.0 mm 두께에 6 kA로 용접된 시험편에서 검출된 오차인 12.5%로 확인되었다. 이와 같은 이유는 두께가 두꺼운 1.
펄스법과 위상 잠금법을 이용한 적외선 열화상 검사 결과 이미지를 비교한 결과 두 방법 모두 반사법보다는 투과법에서 보다 더 선명하고 뚜렷한 압흔을 확인할 수 있었다. 또한 위상잠금법에 비해 펄스법에서 좀 더 뚜렷하고 선명한 이미지 결과를 얻을 수 있었다.
10~13의 (a), (b)와 같다. 펄스법에 의한 적외선 열화상 이미지 결과와 마찬가지로 높은 전류에서의 용접 압흔이 상대적으로 크게 검출되었으며, 반사법보다는 투과법에서 보다 더 선명한 압흔을 확인할 수 있었다.

후속연구

향후 용접부 내부의 결함 및 최적의 플레쉬 가진 조건을 추출하여 방사선을 이용한 점용접의 검사와 비교하여 연구를 진행할 경우 산업 현장에 바로 적용이 가능한 기술이 되리라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기계적 접합방법이란 무엇인가?	용접의 경우 두 가지의 재료가 용융하여 하나의 구조물로 접합되는 방법으로 특히 금속의 접합에 주로 사용되고 있다. 앞서 말한 바와 같이 모재가 용융하여 하나의 구조물로 생성되는 방법을 야금학적 접합이라고 한다면 구조물을 리벳, 볼트 등으로 결합하는 방법으로는 활용하는 기계적 접합방법이 있다. 그중 다양한 박판의 접합에 주로 사용하는 리베팅의 경우 항공, 철도, 자동차 등 다양한 분야에 적용되어 활용되어 왔지만 현재는 점용접 등으로 대체 가능한 분야에 한하여 다른 기술로 대체되고 있다.
	야금학적 접합이란 무엇인가?	용접의 경우 두 가지의 재료가 용융하여 하나의 구조물로 접합되는 방법으로 특히 금속의 접합에 주로 사용되고 있다. 앞서 말한 바와 같이 모재가 용융하여 하나의 구조물로 생성되는 방법을 야금학적 접합이라고 한다면 구조물을 리벳, 볼트 등으로 결합하는 방법으로는 활용하는 기계적 접합방법이 있다. 그중 다양한 박판의 접합에 주로 사용하는 리베팅의 경우 항공, 철도, 자동차 등 다양한 분야에 적용되어 활용되어 왔지만 현재는 점용접 등으로 대체 가능한 분야에 한하여 다른 기술로 대체되고 있다.
	펄스법과 위상 잠금법을 이용한 점용접부의 건전성 평가 연구의 결과는?	(1) 열화상 이미지상의 너깃과 열화상 직경의 최대 오차는 1.0 mm 두께에 6 kA로 용접된 시험편에서 검출된 오차인 12.5%로 확인되었다. (2) 펄스와 위상잠금을 이용한 적외선 열화상 이미지 검사 결과 반사법에 비해 투과법에서 압흔의 형태와 겹침부가 선명하게 나타난 것을 확인할 수 있었다. (3) 펄스 열화상 방법이 위상잠금법에 비해 겹침부의 경계선과 압흔이 뚜렷하게 관찰되었다.

참고문헌 (5)

J. M. Milne and W. N. Reynolds, "The non-destructive evaluation of composites and other materials by thermal pulse video thermography," Proceedings of Thermosense VII, SPIE, pp. 119-122 (1984)
B. Brown and E. Bangs, "The measurement and monitoring of resistance spot welds using infrared thermography," Proc. SPIE, Vol. 0581, Thermosense VIII: Thermal Infrared Sensing for Diagnostics and Control, pp. 57-69 (1986)
V. Vavilov, "Nondestructive Testing Handbook," Vol. 5, Book 1: Thermal/Infrared Testing, Moscow-Specktr Publishing House (2009)
W. T. Kim, "Remarks on of Optimizations of Time-Resolved Pulse Thermography for Nondestructive Testing Evaluations," Journal of Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 33, No. 2, pp. 226-231 (2013)
G. Busse, D. Wu and W. Karpen, "Thermal wave imaging with phase sensitive modulated thermography," J Appl. Phys., Vol. 71, No. 8, pp. 3962-3965 (1992)

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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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