와전류 센서 디자인 및 적용
Application and Design of Eddy Current based on FEM for NDE Inspection of Surface Cracks with Micro Class in Vehicular Parts
임광희1,, 이슬기2, 김학준2, 송성진2, 우용득1, 나승우3, 황우채3, 이형호4 Kwang-Hee Im1,, Seul-Ki Lee2, Hak-Joon Kim2, Sing-Jin Song2, Yong-Deuk Woo1, Sung-Woo Na3, Woo-Chae Hwang3, and Hyung-Ho Lee4
1 우석대학교 기계자동차공학과 (Department of Mechanical and Automotive Engineering, Woosuk University) 2 성균관대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University) 3 ㈜서울금속 기술연구소 (Technology Research Center, Seoul Metal Co., Ltd.) 4 태산 ENG 연구소 (Research Center, Daesan ENG Co.)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-63-290-1473 Manuscript received: 2015.5.15. / Revised: 2015.5.21. / Accepted: 2015.5.26.
A defect could be generated in bolts for a use of oil filters for the manufacturing process and then may affect to the safety and quality in bolts. Also, fine defects may be imbedded in oil filter system. So it is very important that such defects be investigated and screened during the multiple manufacturing processes. Therefore, in order effectively to evaluate the fine defects, the FEM simulations were performed to make characterization in the crack detection of the bolts and the parameters such as number of turns of the coil, the coil size, applied frequency were calculated based on the simulation results. Simulations were carried out for the defect signal of eddy current probe. Exciter and receiver were utilized. In this paper, the FEM simulations were performed in both bobbin-type and pancake-type probe, both probes were optimized under Eddy current FEM simulations and the results of calculation were discussed.
KEYWORDS: Eddy current testing ( 와전류 탐상), Bobbin ECT sensor (보빈형 와전류 센서), Pan cake ECT sensor (펜케 이크 와전류 센서), Vehicular parts (자동차 부품)
1. 서론
자동차 부품중에 하나인 오일 필터는 엔진의 고온과 냉각을 반복하는 가동환경 특성상 오일 필 터용 볼트 내부에 결함뿐만 아니라 형상 변화와
같은 내부 손실이 발생할 가능성이 매우 높다. 또 한 볼트 내부에 Fig. 1과 같이 발생한 결함을 육안 으로 확인하는 것이 불가능하다. 이러한 결함은 엔진 가동 시 엔진 효율을 떨어뜨리며 초기 마모 를 조기에 발견하고 더 큰 손상으로 진전되는 것 __________
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을 미연에 방지하지 못하면 윤활유 속에는 다량의 마모 입자들이 존재하게 됨으로써 엔진 부품의 마 모 및 손상을 가속화시킨다. 이는 차량 엔진의 수 명과 효율에 영향을 미치게 되며 경제적인 문제로 이어진다. 따라서 볼트 내부에 발생한 수백 µm 표 면 결함 등을 검출하기 위하여 적용 가능한 비파 괴평가방법들 중 와전류탐상시험이 볼트 표면에 발생한 미세 결함을 검출하는데 가장 적합하다.
1오일 필터용 볼트는 윤활측면에서 마모가 발생 할 가능성이 크다. 마모의 형태는 응착, 마멸, 소 착 등으로 엔진의 고온, 냉각 및 고속 주행으로 인하여 충분하지 못한 오일의 유동과 외부의 이물 질과 윤활유 내 존재하는 입자들에 의해 마모가 발생할 수 있다.
2볼트 표면에 발생하는 볼트의 결 함으로 원주크랙, 축방향 크랙 및 경사 크랙으로 구분하였으며 본 연구에서는 원주크랙, 축방향 크 랙 및 경사 크랙을 탐상할 수 있는 보빈(Bobbin) 및 펜케이크(Pancake) 타입(Type)을 개발하는데 주 안을 두었다.
본 논문에서는 로드(Rod) 형태의 표준 시험편 을 제작하여 시험편 표면의 원주방향 크랙(Fully circumferential cracks) 을 검출할 수 있는 차동형 보 빈 및 펜케이크 와전류 센서를 설계하였다. 설계 한 센서로 표준 시험편에 대하여 실험을 수행하였 으며 이를 각 실험 결과와 비교하여 개발한 차동 형 보빈과 펜케이크 와전류 센서가 볼트의 결함을 검출하는데 있어 적절함을 확인하였다 .
3-72. 기초 이론 2.1 와전류 시험
교류전류가 흐르는 코일을 도체 시험편에 가까 이 가져가면 코일에 흐르는 전류에 의해 발생한 1 차 자기장이 도체에 2차 자기장을 유도한다. 이 때 코일을 움직이면 도체의 2차 자기장이 변하고 이로 인해 코일의 1차 자기장의 세기가 변하면서 코일 속에 흐르는 전류가 달라지게 된다. 다시 말
해 유도기전력은 렌츠의 법칙에 따라 1차 자기장 을 방해하는 전류가 흐르게 되는데 이 전류를 와 전류(Eddy current)라 한다. 이때 전도체의 결함상태, 위치, 재질 등의 변화로 와전류가 변화하여 2차 자기장을 변화를 가져오고 2차 자기장의 변화는 1 차 자기장의 변화를 가져온다. 이것은 식(1), (2), (3) 과 같이 코일의 임피던스(Z)의 변화로 시험시시 회로의 전압(V)과 위상(θ)의 변화를 가져와 회로값 의 변화가 증폭되어 신호모양을 판독할 수 있는 형태로 출력이 되는 것이다. 여기서 코일의 임피 던스는 저항(R), 리액턴스(L) 및 전류(I)에 의해 결 정된다. 임피던스 변화는 전압의 크기로 나타나는 데 전압의 크기에 따라 결함의 크기를 정량적으로 평가 할 수 하게 된다.
7V
T=V
R+V
L=I(R+jwL) (1)
Z
2=R
2+X
L2(2)
θ=tan
-1(X
L/R) (3)
2.2 표준침투깊이 계산
자동차 부품인 볼트은 자성체이므로 와전류에 의한 침투깊이는 사용하는 와전류 주파수(f), 재료 의 투자율(µ), 전도도(σ)의 함수로 결정되는데 실제 검사에서는 재료의 물성은 정해져 있으므로 침투 깊이는 주파수에 의해 조절된다. 또한 와전류 밀 도는 표면 근처에서 최대가 되고, 내부로 들어갈 수록 지수함수적으로 감소하는데 이것을 표피효과 (Skin effect) 라 한다. 표면에서 와전류밀도가 1/e
δ
2=1/(πfµσ) (4) Fig. 1 Samples with micro cracks
Fig. 2 Standard depth of penetration
스템은 기본 신호와 연관된 값인 임피던스 Z를 전 기적으로 평형 상태를 맞춘다. 시스템이 실험 설 정의 큰 임피던스로 평형 상태를 맞추기 때문에 측정 시스템은 변수(결함, 두께 변화, 전기전도도 등)에서 작은 편차와 관련된 신호의 작은 변화를 검출하는 것이 필요하다. Fig. 3에서 보인 바와 같 이 휘스톤 브릿지를 실험에 이용하였다. 평형 상 태의 식은 다음과 같다.
Z
1/Z
2=Z
3/Z
4(5) 식(5)에서와 같은 조건이 되면 시스템이 평형 상태 즉, 전압계가 0이 된다. 시스템이 평형 상태 로 맞춰지면 정밀한 전압계로 프로브가 결함 위 등을 지날 때 평형 상태가 깨지며 발생하는 임피 던스의 작은 변화를 즉시 프로브를 통하여 측정할 수 있다. 따라서 휘스톤 브릿지를 이용하여 Phase value 와 amplitude 값을 측정한다.
53. 와전류 센서 개발 3.1 와전류 설계 및 제작
본 연구에서 최종적으로 검출하고자 하는 오일 필터용 볼트의 내부에 발생하는 표면 결함은 내삽 형 와전류 센서로 검출 가능하다. 내삽형 와전류 센서는 Fig. 4의 모사 시험편의 외부 표면 결함을 검출하기 위한 외삽형 와전류 센서와 기구적으로 동일하다. 따라서, 설계 및 제작이 용이한 외삽형 와전류 센서를 우선 개발한 후 이를 볼트에 사용 할 내삽형 와전류 센서 개발에 적용하도록 한다.
와전류 센서를 설계하는데 필요한 설계 변수에 는 Fig. 4에서 보인 바와 같이 coil wire diameter, coil gap, coil width, height, coil turns, lift-off, frequency 등 을 고려할 수 있다. 본 논문에서는 coil gap, coil width, frequency 를 설계 변수로 지정하였다. Lift-off 는 와전류 센서 설계 시 고려해야 하는 중요한 설 계 변수 중 하나이다. Lift-off가 작을수록 시험편에 유도되는 자기장의 세기가 커지는 반면 lift-off 값 이 0이 되어 시험편에 밀착되어 움직일 경우 마찰 이 발생하는 것은 피하여야 한다. 또한 bobbin 가
공 시 사용한 재질인 PC의 특성 상 가공 가능한 최소 가공 두께가 0.5mm인 점을 함께 고려하여 lift-off 를 0.5mm로 설정하였다.
따라서, coil 폭 및 coil gap을 변화시키기 위하 여 Fig. 5에서 보인 바와 같이 coil 폭이 1mm, 2mm 인 bobbin을 제작하여 각각 100턴씩 권선하였다.
바빈의 양 턱의 두께를 1.5mm, 2mm로 각각 다르 게 하여 coil gap 실험 시 두 개의 coil을 겹쳤을 때 다른 coil 간격이 나오게 끔 설계하였다.
Fig. 3 Wheatstone bridge
(a) Bobbin type
(b) Pancake type
Fig. 4 ECT probe design and parameter
(a) Bobbin type
(b) Pancake type
Fig. 5 Manufactured bobbin and pancake ECT sensors
제작한 바빈 와전류 센서를 이용하여 시험편을 axial 방향으로 이동하면서 시험편의 fully circumferential cracks 의 결함 신호를 검출하였다. 실 험은 시험 주파수의 변화, coil 폭 및 coil gap의 변 화에 대한 실험을 수행하였다.
3.2 표준시험편제작
오일 볼트용 내경 25mm를 Fig. 2에서 보인 바 와 같이 모사하여 외부 표면 결함검사를 위한 외 경 25mm, 길이 231mm인 봉 모양의 표준 시험편 을 제작하였다. 외부에서 발생 가능한 결함 종류 중 Bobbin으로 검사 가능한 circumferential cracks를 시험편에 폭 0.5mm이며 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1mm 깊이인 fully circumferential cracks를 EDM 노치로 가공하여 제작하였다. 표준 시험편의 재질은 AISI 1045 Steel 를 사용하였다.
3.3 ECT 시힘 시스템
시험편 결함검출이 가능한 차동형 바빈 와전류 센서의 신호특성을 평가하기 위하여 와전류 시스 템을 Fig. 3과 같이 휘스톤 브릿지를 적용하여 개 발하였다 Bobbin 와전류 센서가 fully circumferential
cracks 이 있는 시험편의 결함검출 특성을 평가하기 위하여 주파수 발생 장치는 주파수 대역이 100MHz 인 Tektronix사의 함수발생기를 사용하였다.
이 함수발생기를 이용하여 코일에 주파수를 적용 하였으며 모든 실험에서 동일하게 5V로 코일에 가 진하였다. 그리고 와전류 센서가 시험편의 결함 위를 지날 때 결함신호 특성을 획득하고 각 결함 과 사용주파수에 따른 신호 특성을 비교 분석하기 위하여 SRS사의 Lock-in amplifier와 Lecroy사의 Oscilloscope 를 사용하였다. Lock-in amplifier와 오실 로스코프를 통하여 각 결함에서 amplitude값의 변 화 즉, 임피던스 크기 변화와 phase value의 변화를 얻었다. 센서 설계 및 성능평가에 따른 평가용 소 프트웨어는 Fig. 6과 같다.
4. ECT 시험결과
4.1 주파수변화에 따른 특성
본 논문에서 실험에 적용한 주파수에 대하여 Fig. 7 에서 보인 바와 같이 lock-in amplifier를 통하 여 오실로스코프로 실험 결과를 amplitude와 phase value 값에 대하여 구하였다. 실험은 주파수 10, 20, 30, 50, 100kHz 에 대하여 진행하였으며 amplitude와 phase value 값을 아래의 Fig. 7(a)와 (b)에 나타내었 다. 이 때 시험편의 결함 깊이가 깊어질수록 amplitude 와 phase value가 변하는 정도가 점점 커지 는 것을 확인할 수 있다. 실험에서 사용한 주파수 들을 Fig. 6(a)와 (b)에서 보인 바와 같이 중첩하여 나타내었다. Fig. 6(a)에서 20kHz와 30kHz가 비슷한 크기의 신호로 다른 주파수에 비하여 큰 것으로 Fig. 6 Home-made ECT software for operating an ECT
system
확인하였다. 따라서, 본 연구에서 최소 검출 결함 깊이는 0.2mm로 최종적으로 적용할 주파수는 20kHz 와 30kHz로 선정하였다.
본 논문에서 실험에 적용한 주파수는 10, 20, 30, 50, 100kHz 로 적용하였으며 이는 식(5)와 Table 1을 통하여 결정한 주파수 범위이다. 주파수를 변화시 키며 시험편의 표면 결함 신호를 취득하였다.
Fig. 7 에서 보인 바와 같이 결함 깊이가 변함에 따른 amplitude 차이와 phase value 차이를 확인하였 다. 실험 결과, 50, 100kHz의 주파수가 결함을 검출 하는 신호의 민감도가 나머지 3개의 주파수 10, 20,
30kHz 에 비하여 떨어지는 것을 알 수 있다. Fig.
7(a) 에서 20kHz와 30kHz가 거의 비슷한 변화 정도 를 보였으며 Fig. 7(b)에서 phase value는 10, 20, 30, 50, 100kHz 순으로 변화가 작아졌다. 10kHz가 phase value 변화가 가장 컸으나 본 연구의 최종 목표 검 출 결함 깊이인 0.2mm를 검출하는데 적합하지 않 으므로 이후의 실험에서 제외하였다.
4.2 Coil gap 따른 특성평가
20, 30kHz 시험 주파수와 coil 폭 1mm, 2mm인 각각의 코일에대하여 coil gap을 변화시키며 실험하 (a) Comparisons in ECT amplitude
(b) Comparisons in ECT phase value
Fig. 7 Comparisons with ECT amplitude and phase value for the ranges of 10, 20, 30, 50 and 100 kHz on rods
(a) Crack depth-amplitude
(b) Crack depth-phase value
Fig. 8 Comparisons both amplitude and phase value
difference of bobbin ECT sensor for the
variations of frequency
였다. Coil gap은 0.5mm, 1.0mm, 2.0mm 단위로 변화 시키면서 3가지의 coil gap에 대하여 결함 신호의 특성 변화를 Fig. 8에서 보인 바와 같이 얻을 수 있었으며 이에 대하여 분석하였다.
Fig. 9 에서 보인 바와 같이 시험 주파수 20kHz 를 기준으로 비교하였을 때 coil width 1mm와 2mm 각각에 대하여 coil gap의 ∆Phase value 값이 coil gap 이 3.5mm일 때 가장 크며 마찬가지로 coil width 가 1mm일 때 ∆Phase value 값이 더 큰 것을 알 수 있다. Coil Gap에 대한 주파수 변화에 따른 ECT 특성평가로써 Coil width가 1mm, coil gap이
0.5mm 가 앞 절에서 우수한 성능을 보였으므로 Fig.
10 의 그래프를 얻을 때 분석한 값을 기준으로 하 였다. 주파수 20kHz와 30kHz 중 어떤 주파수가 더 큰 phase value 변화를 보이는지를 확인하기 위하여 Fig. 10 과 같은 그래프를 얻었다. Fig. 10으로부터 주 파수 20kHz가 30kHz 보다 더 큰 phase value 변화 를 보였다.
4.3 펜케이크 구성에 따른 따른 특성평가
축방향 및 경사방향의 크랙을 탐상하기 위해서 는 보빈 타입과같이 윗 결과와 같이 코일 폭, gap 및 운용 주파수를 선정하였다. 이 선정한 파라미 터들을 토대로 최종적으로 펜케이크 프로브를 Fig.
11 에서 보인 바와 같이 설계 및 해석을 하였다.
이렇게 설계한 프로브를 이용하여 위의 실험에서 진행하였던 것과 동일한 시뮬레이션 및 실험 조건 에서 설계한 와전류 센서의 성능을 검증하였다.
펜케이크 와전류 센서 스펙은 Fig. 11과 같다.
여기에서 1개의 발진기와 2개의 리시버를 적용을 하였다. 크랙을 탐상을 하는데 최적의 감도신호를 얻기 위하여 크랙을 Fig. 11에서 보는 바와 같이 Pancake 센서를 접근을 시켰다. 시뮬레이션결과인 Fig. 12 를 보면 크랙에 -2.75mm 보다 -0.25mm 전압 의 변화가 크게 나타남을 알 수 있었다. 그리고 Fig. 9 Comparisons of phase values of the coil width of
1 mm and 2 mm and the gap of 0.5 mm under 20 kHz
Fig. 10 Comparisons of phase values of the coil width of 1 mm and the gap of 2.0 mm under the range of 20 and 30 kHz
Fig. 11 Pancake configuration and scan direction ( ) with two receivers and one exciter
(a) -2.75mm (b) -0.25mm Fig. 12 Flux density distributions in two receivers at the
exciter
Fig. 12 를 보면 수직 크랙을 두고 -2.75mm 에서 2.75mm 까지 접근을 해보면 위상각의 변화가 크 게 변화 됨을 알 수 있었다. 이는 임의의 위치에 있는 크랙을 충분히 탐상이 가능할 뿐 만 아니라 보빈 프로브의 성능을 보강할 수 있으리라 판단된 다. 따라서 펜케이크 ECT 센서를 이용해 표준시험 편에 적용한 결과를 Fig. 14에 나타냈다.
보는 바와 같이 ㅌ는 resistance, y축은 reactance 로 하여 그리면 impedance plane을 얻을 수 있었다.
따라서, 위와 같은 설계 파라미터 선정과정을 거 쳐 제작한 와전류 센서가 시험편의 µm급 표면 결 함을 검사할 수 있음을 확인하였다.
5. 결론
본 연구는 시험편 표면 결함을 검출하기 위한 원형형태의 보빈 및 펜케이크 ECT 센서를 실험을
(2) 펜케이크 및 보빈 와전류 센서에 적용할 적절 한 주파수 대역을 좀 더 좁히기 위하여 lock-in amplifier 를 이용하여 amplitude와 phase value를 얻었다. 그 결과 주파수 20-30kHz가 가장 적절 하였다.
(3) 펜케이크 ECT 센서에 있어서 가공 크랙을 두 고 -2.75mm 에서 2.75mm 까지 접근을 해보면 위상각의 변화가 크게 변화 됨을 알 수 있었으 며 이는 임의의 위치에 있는 크랙을 충분히 탐 상이 가능할 뿐 만 아니라 크랙크기에 따라 임 피던스값의 변화가 심함을 알 수 있었다.
(4) 자동차부품인 오일 필터용 볼트의 검사를 위한 내삽형 및 펜케이크 와전류 프로브 설계 시 본 파라메터가 적용 가능하리라 판단된다.
후 기
본 결과물은 중소기업청에서 지원하는 2014년 도 글로벌 기술혁신개발사업(No. S2175645)의 연구 수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.
REFERENCES
