[논문]음향방출센서를 이용한 선조질강(ESW90)의 압축실험에서의 표면 균열 발생 검출

이정음; 이진명; 주호선; 서영호; 김지훈; 김상우

doi:10.5228/kstp.2020.29.1.20

[국내논문] 음향방출센서를 이용한 선조질강(ESW90)의 압축실험에서의 표면 균열 발생 검출
Surface Crack Detection in Compression of Pre Heat-Treated Steel (ESW90) Using an Acoustic Emission Sensor 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.29 no.1, 2020년, pp.20 - 26

이정음 (재료연구소) , 이진명 (재료연구소) , 주호선 (포스코) , 서영호 (한국생산기술연구원) , 김지훈 (부산대학교) , 김상우 (재료연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In the design of the metal forming processes, various types of ductile fracture criteria are used to predict crack initiation and to fabricate metallic products without any defects. However, the quantitative measurement method for determination of crack initiation is insufficient. It is very difficult to detect crack initiation in ductile metals with excellent deformability because no significant load drop is observed due to crack generation. In this study, the applicability of acoustic emission sensors, which are commonly used in facility diagnostics, to measure crack initiation during the metal forming process was analyzed. Cylindrical notch specimens were designed using the finite element method to induce a premature crack on the surface of pre heat-treated steel (ESW90) material. In addition, specimens with various notch angles and heights were prepared and compression tests were carried out. During the compression tests, acoustic emission signal on the dies and images of the surface of the notch specimen were recorded using an optical camera in real time. The experimental results revealed that the acoustic emission sensor can be used to detect crack initiation in ductile metals due to severe plastic deformation.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Principle of acoustic emission (AE)
그림 Fig. 2 Structure of AE sensor: (a) Narrow band resonant sensor, (b) Wide band sensor
그림 Fig. 3 Parameters of AE signal
그림 Fig. 4 Representative types of AE signal waveform: (a) Continuous signal, (b) Bust signal
그림 Fig. 5 Flow stress curve and notched specimen: (a) flow stress, (b) notched specimen, (c) compression of notch section
그림 Fig. 6 Designed specimens: (a) V-notch cylinder, (b) R-notch cylinder, (c) V-notch ring, (d) V-notch cylinder and grooved die
그림 Fig. 8 Notched specimens: (a) H15 A60, (b) H15 A75, (c) H15 A90, (d) H14 A90, (e) H16 A90
그림 Fig. 7 Damage values for various types of notch specimens
표 Table 1 Design parameters of specimen
그림 Fig. 9 Equipment for compression test
그림 Fig. 10 Compressed specimens: (a) H15 A60, (b) H15 A75, (c) H15 A90, (d) H14 A90, (e) H16 A90
그림 Fig. 11 Microstructure of cracked specimen
그림 Fig. 12 AE amplitude graph and image: (a) H15 A60, (b) H15 A75, (c) H15A90, (d) H14 A90, (e) H16 A90
그림 Fig. 13 Signal analysis of H15 A90: (a) AE amplitude, (b) Signal estimated to be crack initiation, (c) random selected signal

AI 본문요약
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문제 정의

4는 음향방출신호의 대표적 유형의 신호인 (a)연속형 신호와 (b)돌발형 신호의 파형이다[11]. 본 연구에서는 금속소재의 표면 혹은 내부에서 발생하는 균열을 검출하기 위해 돌발형 파형과 음향방출신호의 최대 진폭을 중점적으로 분석하였다.
본 연구에서는 냉간성형성이 우수하여 균열의 발생을 특정하기 힘든 선조질강(pre heat-treated steel)의 일종인 ESW90에 대하여 소재 내부의 변화를 실시간 측정이 가능한 음향방출센서를 사용한 압축 시험을 통해 선조질강의 소성가공 공정 중 미세 균열 발생 시점의 정량적 검출 가능성을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 음향방출센서를 이용하여 성형 공정 중 발생하는 선조질강 ESW90 소재의 미세 균열 생성 시점에 대한 정량적 검출 가능성을 확인하기 위해 노치 시편의 압축 시험을 진행하였다. 실험 결과 하중, 음향방출신호, 이미지의 비교 및 분석을 통해 다음과 같은 결과를 확인하였다.
6와 같이 직경 10 mm, 높이 15 mm인 실린더형 시편을 기준으로 V-노치 실린더, U-노치 실린더 및 V-노치 링의 세 가지 시편 형상과 압축 시 노치가 새겨진 시편의 중간높이에서 원주방향으로의 변형을 최대화하기 위해 홈이 가공된 압축금형을 설계하였다. 이상의 세가지 노치시편에 대한 유한요소해석을 통해 최대 손상값이 발생하는 노치 형상을 결정하고자 하였다.

가설 설정

Fig. 4는 음향방출신호의 대표적 유형의 신호인 (a)연속형 신호와 (b)돌발형 신호의 파형이다[11]. 본 연구에서는 금속소재의 표면 혹은 내부에서 발생하는 균열을 검출하기 위해 돌발형 파형과 음향방출신호의 최대 진폭을 중점적으로 분석하였다.

제안 방법

선조질강은 저탄소강의 고주파유도가열 퀜칭-템퍼링(QT) 열처리를 통해 미세조직을 제어함으로써 높은 강도와 우수한 냉간성형성을 가진 소재이다[7]. ESW90의 우수한 냉간성형성으로 인하여 압축 시험에서의 인위적인 조기 균열 발생을 유도하기 위해 유한요소해석 및 연성 파괴모델을 이용하여 시편의 노치(notch) 형상을 설계하였으며, 다양한 형태의 노치 시편을 제작하여 압축 시험을 수행하였다. 소재의 압축변형 중 발생하는 하중 변화 및 음향방출신호를 측정함과 동시에 광학카메라를 이용해 노치 부위의 균열 거동을 측정하였고, 각 방법에 따른 균열발생시점을 상호 비교함으로써 음향방출센서를 이용한 균열 검출 가능성을 확인하였다.
2 MN를 사용하였으며, 리니어 게이지는 Magnescale사의 DK-25PR5 제품을 사용하였다. ESW90의 조기균열을 발생시키기 위해 금형의 상부와 하부에 각각에 직경 10 mm, 깊이 0.5 mm로 홈을 가공하였다.
균열 발생의 시각적 관측을 위한 이미지와 음향 방출신호 측정 결과의 비교를 통해 음향방출센서를 이용한 균열 발생 시점의 정량적 검출을 확인하기 위해 균열 발생 시점이라 판단되는 최대 진폭 신호의 파형을 분석하였다.
음향방출센서는 MISTRAS사의 150kHz 공진형 센서 R15α와 광대역형 센서 WSα를 사용하였으며, 하부금형의 측면에는 공진형, 상부면에는 광대역형 센서를 부착하였다. 두 센서 모두 20/40/60 dB의 가변 전치 증폭기를 40 dB로 사용하였으며, 2채널 AE시스템 데이터 보드인 PCI-2에 4채널 외부 신호 입력장치를 추가해 하중과 변위의 신호 수집하도록 하였다.
따라서, 본 연구에서는 시편의 제작 용의성과 압축 시 손상값을 고려해 V-노치 실린더와 홈 가공된 금형으로 결정하였다. 또한, 음향방출센서가 다양한 시편형상에서 발생하는 균열 측정 가능성에 대한 검토를 위해 Table 1과 같이 노치의 각도 및 시편의 높이가 다른 다양한 형태의 시편을 설계하였다.
또한, 균열 생성 시 발생하는 음향방출을 측정하기 위해 음향방출센서를 하부 금형의 상부면 및 측면에 장착하였으며, 노치부의 균열 발생을 시각적으로 관측하기 위한 광학 카메라를 피로시험기 앞에 설치하였다. 또한 실험 중 하중, 변위, 음향방출신호, 광학이미지를 변위를 기준으로 동기화함으로써 압축률을 기준으로 광학이미지와 음향방출신호의 변화를 상호 비교할 수 있도록 하였다.
9과 같이 유압 피로시험기에 압 축금형을 설치하고, 상부 금형에 접촉식 리니어 게이지(linear gauge)를 장착하여 압축 시험 시 변위를 정밀 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 균열 생성 시 발생하는 음향방출을 측정하기 위해 음향방출센서를 하부 금형의 상부면 및 측면에 장착하였으며, 노치부의 균열 발생을 시각적으로 관측하기 위한 광학 카메라를 피로시험기 앞에 설치하였다. 또한 실험 중 하중, 변위, 음향방출신호, 광학이미지를 변위를 기준으로 동기화함으로써 압축률을 기준으로 광학이미지와 음향방출신호의 변화를 상호 비교할 수 있도록 하였다.
따라서, 본 연구에서는 시편의 제작 용의성과 압축 시 손상값을 고려해 V-노치 실린더와 홈 가공된 금형으로 결정하였다. 또한, 음향방출센서가 다양한 시편형상에서 발생하는 균열 측정 가능성에 대한 검토를 위해 Table 1과 같이 노치의 각도 및 시편의 높이가 다른 다양한 형태의 시편을 설계하였다.
본 연구에서 냉간 가공성이 우수한 선조질강 ESW90 소재의 압축 시험에 있어 표면 균열 발생을 유도하기 위해 시편의 길이방향으로 노치 형상을 부여하고자 균열 발생에 유리한 노치 형상을 결정하기 위해 Fig. 6와 같이 직경 10 mm, 높이 15 mm인 실린더형 시편을 기준으로 V-노치 실린더, U-노치 실린더 및 V-노치 링의 세 가지 시편 형상과 압축 시 노치가 새겨진 시편의 중간높이에서 원주방향으로의 변형을 최대화하기 위해 홈이 가공된 압축금형을 설계하였다. 이상의 세가지 노치시편에 대한 유한요소해석을 통해 최대 손상값이 발생하는 노치 형상을 결정하고자 하였다.
ESW90의 우수한 냉간성형성으로 인하여 압축 시험에서의 인위적인 조기 균열 발생을 유도하기 위해 유한요소해석 및 연성 파괴모델을 이용하여 시편의 노치(notch) 형상을 설계하였으며, 다양한 형태의 노치 시편을 제작하여 압축 시험을 수행하였다. 소재의 압축변형 중 발생하는 하중 변화 및 음향방출신호를 측정함과 동시에 광학카메라를 이용해 노치 부위의 균열 거동을 측정하였고, 각 방법에 따른 균열발생시점을 상호 비교함으로써 음향방출센서를 이용한 균열 검출 가능성을 확인하였다.
압축 시험은 Fig. 9과 같이 유압 피로시험기에 압 축금형을 설치하고, 상부 금형에 접촉식 리니어 게이지(linear gauge)를 장착하여 압축 시험 시 변위를 정밀 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 균열 생성 시 발생하는 음향방출을 측정하기 위해 음향방출센서를 하부 금형의 상부면 및 측면에 장착하였으며, 노치부의 균열 발생을 시각적으로 관측하기 위한 광학 카메라를 피로시험기 앞에 설치하였다.
1 mm/s의 속도로 진행되고 하중이 40톤에 도달하였을 때 정지되도록 설정하였다. 카메라의 촬영은 ARAMIS 프로그램을 이용하여 10 FPS 로 이미지 획득과 동시에 변위의 데이터를 각 이미지에 저장되도록 설정하였다.

대상 데이터

모든 시편은 직경 10 mm, 노치 깊이 1 mm로 고정하였으며, Table 1과 같이 시편 높이의 영향을 분석하기 위하여 노치 각도가 90°, 높이가 각 14 mm, 15 mm, 16 mm인 3종의 시편을 제작하였으며, 시편각도의 영향을 분석하기 위하여 시편 높이는 15 mm, 노치 각도가 60°, 75°, 90°인 3종의 시편으로 총 5종의 시편을 제작하였다.
유압 피로시험기는 MTS SYSTEM사의 MTS High-Force Servohydraulic Test Systems 311.32 1.2 MN를 사용하였으며, 리니어 게이지는 Magnescale사의 DK-25PR5 제품을 사용하였다. ESW90의 조기균열을 발생시키기 위해 금형의 상부와 하부에 각각에 직경 10 mm, 깊이 0.
음향방출센서는 MISTRAS사의 150kHz 공진형 센서 R15α와 광대역형 센서 WSα를 사용하였으며, 하부금형의 측면에는 공진형, 상부면에는 광대역형 센서를 부착하였다.

이론/모형

유한요소해석은 DEFORM-3D를 사용하였으며, 소재는 강소성체, 금형은 강체로 모델링하였다. 시편 형상별 동일한 압축률에서의 누적 손상값의 상대 비교를 위해 Normalized Cockcroft and Latham의 연성 파괴 기준인 식(2)를 사용하였다.
유한요소해석은 DEFORM-3D를 사용하였으며, 소재는 강소성체, 금형은 강체로 모델링하였다. 시편 형상별 동일한 압축률에서의 누적 손상값의 상대 비교를 위해 Normalized Cockcroft and Latham의 연성 파괴 기준인 식(2)를 사용하였다.
최대 진폭은 한 히트에서 음향방출신호의 최대 전압이며, ISO 규정 21716:2001(en)에 따라 음향방출 의 최대 진폭의 단위로 dB_AE를 사용한다. dB_AE는 1 μV 기준으로 최대 진폭의 로그 측정값으로 무차원 단위이며 식(1)에 따라 계산된다.

성능/효과

(1) 육안으로 구분되는 균열 관측 시점 직전에 최대 진폭의 음향방출신호가 검출되었으며, 연속적인 이미지 분석을 통해 균열 생성에 의한 음향방출신호로 추정 가능하다.
(2) 균열 발생 시점으로 판단된 음향방출신호의 파형 분석 결과 균열 발생에 의한 파형인 돌발형 신호의 파형과 일치한다.
누적된 손상값은 (d) V-노치 실린더와 홈 금형, (c) V-노치 링, (a) V-노치 실린더, (b) R-노치 실린더 순으로 크게 나타났다. 동일한 깊이의 R-노치보다 V-노치가, 실린더 형상보다 링 형상이, 평평한 금형보다 홈 가공된 금형이 노치부위의 국부적인 인장변형을 유도함으로써 손상값이 크게 나타나는 경향을 보였다.
(b)는 앞서 언급한 균열 발생에 의한 돌발 신호 형태의 파형을 띄고, (c)는 소성변형에 의한 연속 신 호 형태의 파형을 띄고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 음향방출신호의 진폭 및 파형 분석을 통해 음향방출센서를 통한 균열 발생 시점 측정이 가능한 것으로 판단된다.
본 연구에서 사용된 선조질강은 냉간가공성이 매우 우수한 소재로 표면에서 다발성 미세 균열이 발생함으로써 육안 상 균열발생시점을 특정하기 어려우나, 음향방출센서를 통해 측정된 최대 진폭의 음향신호가 육안으로 확인 가능한 가시적인 균열 발생 직전에 발생하고, 시편의 크기 및 노치부 형상에 따른 차이에도 불구하고 동일한 경향성을 가짐으로써 음향방출센서를 통해 미세한 균열발생신호가 측정된 결과로 판단된다.
설계된 총 5종의 시편 모두 Fig. 10과 같이 압축변형이 진행됨에 따라 노치부의 원주방향 변형률이 증가함으로써 노치 표면에 과도한 인장 변형으로 인한 균열이 발생하였다.
압축하중은 변위에 따라 연속적으로 증가하며, 균열 발생에 의한 하중 변화는 관측되지 않았다. 음향 방출신호는 초기 큰 진폭이 항복점 부근에서 발생한 후, 소성변형영역에서 일정한 진폭의 신호가 지속적으로 감지되었으며, 압축률 0.5 이상에서 추가 적인 최대 진폭이 관찰되었다. 최대 진폭의 음향방출신호가 발생하는 시점(t₁)에서의 광학 이미지를 보면 육안으로 뚜렷한 균열의 생성이 발견되지 않았으나, 일정 변형 이후 시점(t₂)에서의 광학 이미지에서는 비교적 분산된 영역에서 발생한 균열을 육안으로 확인할 수 있었다.
5 이상에서 추가 적인 최대 진폭이 관찰되었다. 최대 진폭의 음향방출신호가 발생하는 시점(t₁)에서의 광학 이미지를 보면 육안으로 뚜렷한 균열의 생성이 발견되지 않았으나, 일정 변형 이후 시점(t₂)에서의 광학 이미지에서는 비교적 분산된 영역에서 발생한 균열을 육안으로 확인할 수 있었다.

후속연구

일례로 가공성이 용이한 연성 금속재료의 경우, 표면 균열 생성에 의한 하중 변화가 미미하고, 미세 균열의 발생시점에 대한 시각적 판별이 모호하므로 정확한 균열 발생 시점을 특정하기 어렵다. 공정 중 발생 가능한 균열 생성을 예측하고, 제품 불량을 방지하기 위해서는 예측정밀도가 우수한 연성파괴모델의 개발에 앞서 균열 생성 시점을 정량적으로 판단할 수 있는 측정방법의 개발이 우선적으로 요구된다.
따라서, 본 연구에서는 음향방출센서를 이용한 균열 발생 시점의 정량적 검출이 가능함을 확인하였으며, 추가적으로 다양한 소재에 대한 연구가 필요하다.

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B. A. Behrens, A. Santangelo, C. Buse, 2013, Acoustic Emission Technique for Online Monitoring during Cold Forging of Steel Components: a Promising Approach for Online Crack Detection in Metal Forming Processes, Prod. Eng., Vol 7, No. 4, pp. 423-432.

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RECTUSON Co., Ltd. , 2016, Acoustic Emission, http://www.rectuson.com/en/library/acoustic_emission_1.jsp
M. Wevers, M. Surgeon, 2000, Comprehensive composite materials, Vol. 5, Elsevier, Amsterdam, pp. 345-357.

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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