Principle and Applications of Induction Infrared Thermography

ISSN 1225-7842 / eISSN 2287-402X http://dx.doi.org/10.7779/JKSNT.2017.37.1.44

1. 서 론

유도 열화상 또는 펄스 와전류 열화상 기법은 전기 전도성 재료에 와전류를 발생시키기 위하여 전자기 펄스를 이용하는 방법이다. 저항 손실에 의하여 와전류는 열을 발생 및 방출시키며, 적외 선 카메라에 의해 열이 감지된다. 표면결함 또는 표면 가까이에 숨겨진 결함은 전류 밀도의 국부 적인 변화를 일으키며, 열화상 이미지에서 확인 할 수 있다. 처음으로 철강 산업에서의 응용 사 례는 이동하는 철근에 연속적인 유도 가열을 이 용하여 종 방향 결함을 탐지나 코팅 접착력의 특 성 규명을 위한 주기적인 가열 및 위상 검출, 터 빈 블레이드의 결함 검출을 위하여 펄스 자극을 이용하였다[2,3]. 새로운 활용분야는 강재 부품과 탄소섬유폴리머 검사에서 균열에 의한 신호 분석 및 수치해석 모델링, 전류 흐름의 역할에 대하여 연구가 수행되었다[4]. 최근의 활용분야는 접착 본드 시험과 탄소 섬유 라미네이트 시험[5,6]에 적용되었다.

본고에서는 특징적인 전기 및 열량에 대하여 서술하였으며, 유도 열화상 측정 기법의 다양한 응용 분야 사례에 대하여 소개하였다. 매우 낮은 주파수와 매우 높은 주파수로의 주파수 범위를 확장하는 것이 주요 포인트이며, 마지막으로 유 도 열화상 기법의 표준화를 위한 현재 상황에 대 하여 최종적인 서술을 하였다.

2. 재료 및 특성 길이

유도 열화상 기법은 와전류 시험과는 달리 전 자기와 열적 특성을 모두 가지고 있다[10]. 유도 열화상에 의한 재료 검출능을 평가하기 위해서는 유도 전류 흐름 깊이를 나타내는 전자기장 표피 (electromagnetic skin) 깊이를 고려해야하며, 다음 과 같이 정의된다.

_



 (1)

여기에서, _은 전기 전도도, 는 투자율, 은 전자기 주파수이다. Joule의 가열 법칙에 따르면 유도 가열의 특성 길이는 전자기장 표피 깊이의 절반이다. 다른 특징적인 길이는 열 침투 깊이

_이다. 열 침투 깊이는 각각 펄스 실험에서의 관측시간 _ 도는 변조 주파수 _mod에 의하여 다음과 같이 정의된다.

_ 



_



 (3)

식(3)은 열확산 길이라고 하며, 은 열 확산 계수이다. Table 1은 유도 주파수 f = 100 kHz 의 시간 _ = 100 ms에서 몇 가지 재료와 일반 적인 파라미터 값을 보여준다.

유도 적외선 열화상 기법의 원리와 적용

Principle and Applications of Induction Infrared Thermography

김원태(공주대학교 기계자동차공학부) Wontae Kim (E-mail: [email protected])

요 약 본고에서는 열유도 적외선 열화상 기법의 원리와 응용에 있어 기초적인 개념, 특정 상태량 및 실험

적 기법에 대하여 소개하도록 한다. 유도 열화상 기법에 적용되는 유도 주파수의 범위는 1500 Hz ~ 52 MHz 이며 강자성 강재 단조 부품의 표면결함 검출에 사용되어진다. 균열 검출 감도는 자분탐상기법과 유사하나 필요한 경우 유도 주파수를 낮춤으로서 강재에 숨겨진 결함을 검출할 수 있다. 탄소섬유강화폴리머(CFRP)에 서는 섬유 결함을 검출하며, 실리콘 태양 전지에서는 양호한 열적 콘트라스트와 함께 균열을 검출한다. 유도 열화상 기법의 향 후 대표적인 활용분야로는 레일 및 휠과 같은 철도 구성요소에서의 결함 탐상이 있다[1].

ⓒ 2017, Korean Society for Nondestructive Testing

Table 1로부터 높은 투자율로 인한 강자성 금 속인 group I은 열 침투에 비하여 매우 작은 전 자기장 표피 깊이를 갖으며, 단지 얇은 표면층만 열을 발생시킨다. 비자성 금속인 group II은 양호 한 전기 전도체이지만 투자율은 1에 가깝다. 또 한 전자기장 표피 깊이는 여전히 1보다 낮다.

Group III에서 인코넬이나 스테인리스 스틸은 상 대적으로 나쁜 전기적 성질과 열 전도성을 가진 금속이다. 마지막으로 group IV의 재료는 열 침 투보다 훨씬 큰 전자기장 표피 깊이를 갖는다.

전자기장 표피 깊이보다 더 깊게 위치한 크랙 은 재료 깊이에 열 흐름을 방해하는 장애물이 있 는 경우 대상체 표면에서 발생하는 열과 열적으 로 상호 작용할 수 있다. 전자기장 표피 깊이의 크랙은 유도 전류와 상호 작용하지 않아도 열과 상호 작용할 수 있으며, 전체적으로 _와 _ 보 다 작은 깊이에서 큰 결함군이 검출된다.

3. 실험 방법

일반적인 장치구성은 Fig. 1에 도시하였다. 대상 체 부근의 고주파 유도 코일은 일반적으로 50 ~ 500 ms 길이의 펄스로 와전류를 발생시킨다. 적외 선 카메라는 대상체가 가열된 후 표면에서 발생되 는 방사선을 기록한다. 이용 가능한 최대 유도 전

력이 낮을 때, 낮은 변조 주파수 _mod에서 고주파 신호 진폭이 변조된다. 그런 다음 진폭 및 위상 이미지를 계산하기 위하여 기록된 이미지에 lock-in 알고리즘이 적용된다[4]. 카메라, 유도 코일 및 대상체는 상대적으로 움직일 수 있다. 시간에 따른 열 흐름을 유도하는 것은 충분한 상대 속도 로 영구 자석을 시험 대상체로 이동시키는 와전류 (eddy-current brake의 원리) 유도로 열이 발생된다.

유도 코일은 유도 경화 작업 또는 다른 산업의 가열 작업에 사용되는 유도 코일과 유사할 수 있 으며, 수냉의 유무에 따라 공기 코일이 될 수 있 다. Helmgoltzs 코일은 전자기 여기장을 균질화하

Fig. 1 Scheme of a set-up for induction thermography Table 1 Materials parameters and characteristic length

는 장점과 적외선 카메라 구성 요소 표면에 대한 완전한 광학적 접근을 허용한다. 또한 코일의 자 속은 높은 침투성을 갖는 재료로 만들어진 이음 쇠를 사용하여 집중시킬 수 있으며, 두꺼운 절연 체로 코일의 금속을 감아주면 시간에 따른 열방 사를 줄이는데 도움이 된다.

4. 활용 사례

4.1. 단조 및 경화 부품 진단

페라이트 강으로 만들어진 부품을 시험하기 위 한 기본 NDT 기술은 자분탐상(MT) 기법이다. 일 반적으로 부품이 대량으로 생산되는 자동차 분야 에서는 물체 표면에 액체와 화학 약품의 도포 없 이 빠르고 자동화된 비파괴검사 기법에 대하여 관심이 많다.

이전의 연구에서는 단조 부품에서 발생하는 일 반적인 균열이 유도 적외선 기법에 의해 잘 검출 될 수 있음을 보여줬으며, 여러 종류의 표면 크 랙 검출 제약조건이 정립되었다. 또한 유도 열화 상 기법의 검출률에 대한 신뢰성 연구가 있었다.

또 다른 연구에서는 주로 고주파 펄스 버스트가 사용되었으며, 시험 시간이 짧은 경우에 좋은 방 법이다[6]. 주기적으로 변조된 고주파 신호와 lock-in 프로세싱을 통하여 약 10 W 이하의 훨씬 낮은 전력에서 크랙 검출 실험이 가능하다[4].

Fig. 2는 약 20 W 유도 전력의 3.5s 에서 측정 한 열화상 이미지를 보여준다. 2개의 반경으로 배향 된 크랙이 진폭 및 위상 이미지에서 우수한 콘트라스트로 검출되는 것을 보여준다.

페라이트 단조 부품 표면의 작은 균열의 경우

신호 콘트라스트는 크랙 길이와 깊이에 따라 변 하며, 매우 길고 깊은 크랙 쪽에서 다소 많이 발 생됨을 알 수 있다. 경사가 있는 크랙은 표면에 수직인 크랙보다 검출이 유리하다. 또 다른 응용 분야는 대형 기어 톱니에서 경화 크랙 검출에 적 용된다(Fig. 3).

4.2. 숨겨진 결함 탐상

표면하의 숨겨진 균열이 표피 깊이보다 깊게 위치해도 균열과 열의 상호 작용이 충분하다면 열파에 의해 감지가 가능하다. 표면에 수직한 숨 겨진 균열의 경우 위의 조건이 충족되지 않아 검 출이 어렵다. 유도 열화상에 의한 균열을 탐지하 기 위한 유일한 방법은 균열 깊이가 적어도 균열 범위의 절반은 되어야 한다. Fig. 4은 표면으로부 터 140 에 위치한 자연적으로 생성된 숨겨진 균열의 열화상 이미지를 보여준다. 100 kHz 유도 주파수에서는 약한 콘트라스트만 발생하지만, 유

(a) (b) (c) (d)

Fig. 2 Marked crack locations; (a) photo of the forged part, (b) passive infrared image, (c) thermographic amplitude image at 4.5 Hz, (d) thermographic phase image at 4.5 Hz

Fig. 3 Scheme of a set-up for induction thermography

도 주파수가 1500 Hz로 감소하면 균열과 충분한 전자기 상호 작용으로 인하며 강한 콘트라스트가 얻어진다.

4.3. 탄소섬유강화폴리 머 (CFRP) 박리 검사

CFEP은 Table 1에 따르면 일반적인 유도 주파 수에서 표피 깊이는 약 몇 센티미터이다. 따라서 균일하게 가열되지 않는 경우가 많다. 일반적으 로 가열 효율이 좋아도 열화 손상을 검출하기 위 하여 플래시 열화상 기법을 적용한다. Fig. 5는

CFRP를 플래시 열화상 기법에 의한 열화상 이미 지를 보여주며, 충격 손상이 명확하게 보이는 것 을 알 수 있다. 유도 주파수는 약 250 kHz 이며, 얻어진 진폭 및 위상 콘트라스트는 주로 섬유 손 상을 검출하고 내부 박리는 덜 검출되는 것을 알 수 있다.

유도 열화상 기법에 의한 CFRP의 박리 및 부 피 결함을 검출하기 위해서는 가능한 한 표피 깊 이를 줄이는 것이 중요하다. 약 10 MHz의 주파 수 범위에서 표피 깊이는 1 mm 정도로 줄여야 한다. 52 MHz 주파수에서 안테나 코일을 사용하

(a) (b) (c)

Fig. 4 (a) detection of a natural hidden crack in ferritic steel by induction thermography at 1500 Hz excitation frequency, (b) the same area imaged by induction thermography at 100 kHz, (c) metallographic cross-section along the arrow

(a) (b) (c)

Fig. 5 (a) detection of an impact damage in CPRP by flash excited thermography. (b) the same area was imaged by induction thermography with lock-in excitation, (c) amplitude image. Right: phase image

(a) (b) (c) (d)

Fig. 6 (a) photo of the CFRP plate sample with induction coil, (b) thermographic amplitude image, (c) thermographic phase image. d) flash excited thermography

는 유도 시스템이 개발되었으며, Fig. 6에 결과를 나타내었다. 위상 이미지에서 표면하의 숨겨진 구멍으로부터 매우 약한 콘트라스트가 검출된 것 을 알 수 있다.

4.4. 태양전지 균열 검출

실리콘은 전기 도체이기 때문에 태양전지 시험 에도 유도 열화상 기법이 적용될 수 있으며, CFRP와는 반대로 강한 열 도체이다. 생산 공정 에서 실리콘의 균열을 검출하는 것은 주요 과제 중 하나이다. 일반적인 유도 주파수에서 전자기 장 표피 깊이는 수 cm 정도이다. 따라서 전류는 일반적으로 셀의 전체 부피 내에서 생성된다. 실

리콘은 열 적외선에서 매우 투명하기 때문에 검 출된 방사선은 일반적으로 뒷면 금속으로부터 생 성된다. Fig. 7의 측정을 위해 180 kHz 주파수에 서 70 ms의 긴 파장 버스트 펄스를 적용하였다.

열화상 이미지는 열 콘트라스트와 함께 균열을 보여주며, 균열 선단 주위에 집중되었다.\

4.5. 레일 표면 결함 모 니터링

레일 테스트의 경우, 초음파 및 와전류 장비가 장착된 첨단기술의 차량이 적용되었다. 자연 균 열과 같은 표면결함에 대한 열화상 정보는 Fig.

8에 도시되었으며, 차량은 2 km/h 속도로 움직이 며 측정하였다. 균열로부터 발생한 열 콘트라스 트가 명확하게 보였으며, 균열 콘트라스트는 열 차 속도에 따라 감소되었지만 15 km/h 이상의 속 도에서는 검출이 잘 되었다.

5. 맺음말

유도 적외선 열화상 기법은 약간의 전기 전도 성을 갖는 재료에 광범위하게 적용될 수 있다.

이 기법은 방사율이 낮고, 고반사율을 갖는 알루 미늄 합금 같은 재료에는 적용하기 어려운 점이 있으나, 표면 균열과 자성체 표면에 가까운 숨겨 진 균열을 모두 검출할 수 있는 매력적인 기술이 며, 특히 페라이트 강재 검사에 적합하다. 자분 탐 상검사와 비교하여 유도 열화상 기법의 장점은 입 자 및 화학 물질이 필요없는 비접촉 방식으로서 관련 활용분야는 점차 확장될 것으로 사료된다.

References

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2, pp. 170-181 (2016)

[2] R. Gernot, T. Zweschper and G. Busse, "Lockin thermography with eddy current excitation,"

Quantitative Infrared Thermography Journal,

(a)

(b)

Fig. 7 (a) thermographic image of a solar cell with (marked) crack, (b) back side photo of the solar cell

(a) (b)

Fig. 8 (a) thermographic image of a rail surface defect obtained at a speed of 2 km/h, (b) photo of the defect area

[3] B. Oswald-Tranta, "Thermoinductive investiga- tions of magnetic materials for surface cracks,"

Quantitative Infrared Thermography Journal,

[4] G. Walle and U. Netzelmann, "Thermographic crack detection in ferritic steel components using inductive heating," Proceedings of the

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World Conference on Nondestructive Testing,

Shanghai, China, pp. 25-28 (2008)