금속 박판은 제품을 생산하는 산업계에서 광범위하게 쓰이고 있다. 대부분의 생산 라인에서는 용접 기술이 필수적이며, 보다 빠른 용접성과 구조적 강도가 우수한 접합 기술의 수요가 나날이 증가하고 있다. 최근 고출력 레이저가 출현함에 따라, 이와 관련된 산업이 빠른 속도로 성장하고 있으며, 접합 기술 분야에서도 레이저의 적용이 확대되고 있다. 레이저 빔 용접(laser beam welding; LBW)은 용가제를 사용하지 않고 모재를 용융시켜 접합이 가능하며, 고출력 고밀도 에너지로 빠르고 깊은 용접으로 상대적으로 용접폭이 좁고, 열 영향부(heat affected zone; HAZ) 또한 좁게 형성되어 변형량과 수축량이 적다는 장점으로 인해 자동화가 요구되는 제조 과정에서 폭 넓게 적용되고 있다[1,2].
레이저 용접은 소재의 유형과 두께에 따라 용접 속도가 결정되기 때문에, 특히 약 3 mm 이하의 박판을 이용하는 공정 라인에서는 용접 속도가 빠르고 고품질의 접합 특성을 갖는 레이저 용접 기술이 효과적으로 사용되고 있다[3,4]. 하지만 기화점이 낮은 합금 원소에 의한 기공의 발생, 불완전 용입, 열수축 등으로 인한 용접부 손상이 발생할 가능성이 크다. 따라서 고품질의 생산품의 손상을 사전에 방지하기 위해 용접 공정의 개선 뿐만 아니라, 비파괴적인 평가가 수반되어야 한다.
용접부의 비파괴 평가는 아직까지도 큰 이슈로 남아있다. 하지만 용접부는 용접 결함의 다양성 때문에 정확히 검사하기 어렵고, 특히 두께가 얇은 판재에 대해서는 검사 대안이 없는 실정이다. 용접부의 검사는 초음파 검사가 기본 검사로 행해지고 있으나, 웨지의 사용, 탐촉자의 접촉 문제, 고/저온 특성 등, 접촉식 초음파 검사기법의 한계로 인해 전자기와 레이저를 이용한 비접촉식 초음파 검사 기법[5,6]의 적용이 확대되고 있다. 이러한 기법은 기존의 압전 소자로 구성되는 접촉식 초음파 탐촉자의 적용이 어려운 환경에서 유연하게 대처할 수 있는 대안으로 활용될 수 있지만, 압전소자에 비해 초음파 변환 성능이 낮고 고출력 송신기를 사용해야하는 이유로 상대적으로 적용성이 낮았다.
용접부 비파괴 검사를 위한 초음파 탐상은 표면파를 이용하는 표면 검사와 체적 초음파 검사를 병행하여 수행하고 있으나, 두께 3 mm 이하의 얇은 판재에서는 기존의 검사 기법의 한계가 있다. 박판에서는 초음파의 비행거리가 매우 짧기 때문에 비행 시간에 따른 반사파의 구분이 어렵고, 초음파가 매질 내를 전파할 때 각 초음파 모드에 따른 임계각이 존재하므로 박판의 체적 초음파 검사가 어렵다. 이러한 문제를 극복하기 위한 대안으로 유도초음파를 이용한 진단 기법이 제안되었으나, 판재 두께 전체를 검사할 수 있음에도 불구하고 접촉과 효율성의 문제로 크게 각광 받지 못하였다. 따라서 박판의 용접부와 같은 국부영역의 결함 진단을 위해서는 비접촉식 비파괴 진단에 기반하여 측정 효율이 높은 진단 기법과 트랜스듀서의 개발이 요구된다.
비접촉식 초음파 기술중의 하나인 전자기 음향 트랜스듀서(electromagnetic acoustic transducer; EMAT) [7-10]는 다양한 초음파 모드(표면파, 체적파, 유도초음파)의 발생이 용이할 뿐만 아니라, 비접촉식으로 재료의 표면에 직접적으로 초음파를 발생시킬 수 있기 때문에 탐촉자와 시편의 접 촉 조건에 따른 신호 왜곡 없이 초음파를 송/수신 할 수 있다. 또한 센서의 구성이 간단하고 웨지와 같은 별도의 악세사리를 필요로 하지 않기 때문에 센서의 설치가 용이하다. 이러한 EMAT의 장점에도 불구하고 낮은 초음파 변환 성능으로 인한 적용성의 한계를 극복하기 위해서, 본 연구에서는 EMAT을 이용한 유도초음파 집속 기술을 제안하였다.
일반적인 미앤더 코일(meander coil)을 이용하는 유도초음파는 넓은 빔 프로파일을 형성하여 주파수와 결함의 크기에 따라 적용이 제한적인 반면, 집속 유도초음파 코일은 그 형태에 따라 국부 영역에 초음파 빔을 집속시킴으로써 특정 영역에서 상대적으로 높은 에너지 변환 성능을 가질 수 있다. 또한 작은 결함에 대한 검출능을 개선시킬 수 있으며, 박판의 용접부와 같은 국부영역 진단에 효율적으로 적용할 수 있다.
본 연구에서는, 박판의 레이저 용접부를 진단하기 위해서, 빔 집속을 위한 EMAT 코일을 설계/제작하고, 두께 2.3 mm의 스틸 판재 내에서 전파하는 유도초음파의 음장을 측정함으로써 유도초음파 집속 효과를 확인하였다. 또한 레이저 맞대기 용접부에 초음파 빔을 집속 시키고, 레이져 용접 결함을 검출함으로써 제안된 집속 유도초음파 EMAT의 성능을 검증하였다.
유도초음파는 체적초음파에 비해 얇은 판재에서 비파괴 진단을 위한 적용 가능성이 크다. 판재의 경계면을 따라 전파하는 유도초음파는 두께와 주파수에 따라 무한대의 초음파 모드가 존재하므로, 이를 이용한 판 구조물 진단을 위해서는 음장조건에 따른 적절한 초음파 모드와 주파수 선정이 매우 중요하다.
일반적으로 동자기장(dynamic magnetic field) 발생을 위한 코일과, 정자기장 발생을 위한(static magnetic field) 자석군으로 구성되는 EMAT은 그 형태에 따라 초음파의 음장이 결정된다. 코일은 공간상에서 초음파의 파장을 결정하고, 소스의 형태와 패턴에 따라 방향성을 가진다. 따라서 유도초음파 집속 기술은 코일의 형태와 패턴에 기인한다고 할 수 있다. 판재에서는 코일과 정자기장의 방향에 따라 판파(Lamb wave), SH파(shear horizontal wave)를 발생시킬 수 있다[11].
본 연구에서는 유도초음파 집속을 위해서 동심원을 갖는 부채꼴 형태의 미앤더 라인을 이용하였다. 코일로부터 발생되는 초음파는 판 구조물의 경계를 따라 전파하다가, 곡선인 몇 개의 라인 소스에 의해 파가 집중된다. 이는 각 포인트 소스(point sources)의 보강 간섭 효과에 의해 곡률 반경 위치에 집속 된다. EMAT를 이용한 집속 기술은 라인-포커싱(line-focusing) 이론에 근거하고 있다[12]. 결과적으로 집속위치에서 에너지 반사가 다른 영역보다 상대적으로 크기 때문에, 국부 손상에 대한 민감도 및 검출능 향상을 기대할 수 있다. EMAT을 이용한 초음파 집속에 관한 선행 연구로, 표면파 집속[13]과 전단파를 이용한 점 집속 EMAT[14]에 관한 연구가 있다. Fig. 1은 EMAT을 이용한 유도초음파 전파 원리와 집속 효과를 개략도로 나타낸 것이다.
판재에서 유도초음파를 발생시키기 위해서 로렌츠 힘(Lorentz force)을 이용한 EMAT을 이용하였다. Fig. 2와 같이, 두께 2.3 mm의 스틸 판에서 전파하는 Lamb파의 분산 특성을 고려하면 주파수 500 kHz의 A0 모드를 이용하는 것이 유리하다. 이 주파수에서는 대상의 두께가 변해도 분산 특성 변화가 적고 다른 모드와의 중첩이 없는 구간으로, Lamb파 모드는 두께에 따라 A0 모드의 주파수를 선정하는 것이 바람직하다.
집속 유도초음파의 음장 조건을 구현하기 위해서, 설계 변수에 따른 코일의 형태와 패턴을 설계하였다. 운용주파수 500 kHz에서 A0 발생을 위한 코일의 주기(선 간격)는 3.25 mm 이고 파장은 6.5 mm 이며, 라인 소스의 패턴은 파장의 3배이다. 이때 주파수(f)-파장(λ)-코일 선 간격(d)은 식 1과 같은 관계가 있다[15]. 여기서 c는 500 kHz에서 A0모드의 속도, sinθ는 초음파의 입사각이다. 유도초음파는 파의 전파방향이 판과 수평이기 때문에, 입사각이 90°가 된다. 이는 선 간격이 반파장으로 파장과 배수 관계에 있지만, 체적 초음파의 경우에는 매질 내 집속 위치에 따라 라인 소스 간의 간격(d)가 다르다.
Fig. 3은 설계 변수에 따른 집속 유도초음파 코일의 음장을 수치 해석적으로 계산한 결과를 보여준다. 해석은 레일리 인테그랄(Rayleigh integral) 기법을 사용하였다. 코일의 곡률에 따라 곡률반경 위치에서 빔의 집속 및 방사 패턴을 수치 해석적으로 검증할 수 있었다. 빔의 집속 위치는 코일의 중심반경인 36 mm 이다.
해석 모델과 동일하게 제작된 집속 유도초음파 코일의 음장과 빔 방사 패턴을 확인하기 위해 2.3 mm 의 철강 박판에서 전파하는 Lamb파의 면외 변위(out-of-plane displacement)를 측정하였다. 제작된 집속 코일에 0.5 MHz, 톤 버스트(tone burst) 3 사이클의 정현파를 가진하고, 레이저 바이브로미터(laser vibrometer; POLYTECH Inc.)로 판재 외면에서 수직 변위를 측정하였다. Fig. 4와 같이 EMAT 으로부터 발생되는 초음파는 집속점(focal point) 36 mm 지점에 에너지가 집중되는 것을 확인할 수 있다. 이는 수치 해석 모델과 같이 코일 중심의 곡률반경 위치와 동일하다. 빔의 음장 분포를 보면 집속점 측면으로 넓게 방사되고, 코일의 양 옆으로 부채꼴 형태로 퍼진다. 이것으로부터 코일의 크기에 따른 측정 탄성파의 간섭을 최소화하고, 송/수신 센서의 검사 위치를 결정할 수 있다.
집속 유도초음파를 발생시키기 위한 EMAT의 성능 평가를 위해서, 두께 2.3 mm 철강 박판에 한 쌍의 EMAT을 설치하였다. 코일의 형상은 Fig. 4와 같이 동심원을 사용하는 미앤더 코일로 제작하였으며, 송신 센서와 수신 센서를 45° 대칭으로 배치하였다. 코일의 윗면에는 코일의 전체 면적에 균일한 자기장을 인가하기 위해서 영구자석(40×50×15 mm; 길이×폭×두께)을 설치하였다. Fig. 5는 집속 유도초음파 시험 셋업을 보여준다.
송신 센서로부터 발생된 초음파가 박판의 절단 면에 45°로 입사하고, 500 kHz에서 A0모드의 속도 3260 m/s로 72 mm를 비행한 초음파가 약 22 μs에서 측정되었다. 시간-주파수 해석 결과를 보면 동일 시간대에 500 kHz의 A0 모드 성분만이 뚜렷하게 검출된 것을 확인 할 수 있으며, 다른 모드 성분은 검출되지 않았다. 이는 음장 설계 조건을 만족하는 결과로써, 제작된 집속 유도 초음파 EMAT이 판재에서 효율적으로 적용 가능함을 보여준다. Fig. 6은 절단면 반사 신호와 시간-주파수 해석 결과이다.
Fig. 7은 집속 지점의 위치를 절단면에 수직한 방향으로 이동해 가면서 반사 신호를 측정한 것이다. 집속 지점이 절단면과 일치할 때(0 mm) 반사 신호의 진폭이 가장 크게 측정되었으며, 초점 거리와 절단면의 거리가 30 mm 정도 증가하여도 유도초음파 신호가 측정되었다. 이는 해석 모델과 음장측정 시험에서 확인할 수 있듯이, 빔이 집속 지점을 중심으로 부채꼴 형태로 방사되면서 중심축으로 에너지 밀도가 높은 음장 분포를 갖는다. 유효 초점거리는 5 mm 이내로 집속 효과에 의한 EMAT의 성능을 실험적으로 확인할 수 있었다.
박판의 레이저 용접부 결함 진단을 위해서, 맞대기 용접선 상에 레이저로 결함을 모사하였다. 박판은 길이 790 mm, 폭 500 mm, 두께 2.3 mm의 철강 박판을 사용하였으며, 서로 다른 크기의 6개의 결함을 일정 간격으로 가공하였다. 결함의 위치와 크기를 Table 1에 나타내었다. 박판 표면에 제작된 집속 유도초음파 EMAT 한 쌍을 설치하고, 집속 지점을 맞대기 용접 선상에 일치시켰다. 용접선 길이 방향으로 센서를 이동시키면서 용접부와 레이저 용접부 결함으로부터 반사되는 신호를 측정하였다.
| No. | Position [mm] | Diameter [mm] | Depth [%] |
|---|---|---|---|
| 1 | 100 | 0.5 ±0.1 | 20 |
| 2 | 160 | 0.5 ±0.1 | 40 |
| 3 | 220 | 0.5 ±0.1 | 50 |
| 4 | 280 | 0.5 ±0.1 | 60 |
| 5 | 340 | 0.5 ±0.1 | 80 |
| 6 | 400 | 0.5 ±0.1 | 100 |
용접부 결함에서 반사되는 신호는 용접부 계면에서 반사되는 신호와 도달 시간이 같기 때문에, 대칭 구조로 센서를 설치하게 되면 결함신호와 용접부 신호의 분리가 어렵다. 또한 불균일한 계면의 특성에 따라 파의 분산 예측이 어렵다. 따라서 용접 계면에서 반사되는 신호의 영향을 최소화하고, 결함에서 반사되는 신호에 민감한 센서의 구성이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 용접선상에 초음파를 45°로 입사시키고 동일 선상에 수신 센서를 일렬로 배치하여, 임피던스 경계면으로 부터 반사 신호를 최소화하였다. 송/수신 트랜스듀서는 각각 집속 코일, 영구자석, 그리고 임피던스 정합 회로(impedance matching circuit)를 별도로 구성하였다. Fig. 8은 용접부 결함 탐상을 위한 집속 유도 초음파 실험 구성을 나타낸다. dT와 dR은 36 mm, 164 mm이다.
Fig. 9는 용접부와 결함에서 측정한 신호이다. 약 39 µs에서 첫 번째로 도달한 신호는 송신 센서로부터 측정되는 직접파이며, 약 61 µs(=200 mm/3260 m/s)에서 결함 반사 신호가 측정되었다. 결함이 없는 용접부에서는 측정한 신호는 Fig. 6(a)의 절단면 반사 신호와 같이 용접 계면에서 반사된 신호가 측정되지 않았으며, 측정파의 도달 시간으로부터 직접파와 결함 신호를 명확히 구분할 수 있었다.
Fig. 10는 용접부 스캔 결과를 나타낸 것이다. 측정 지점 100, 160, 220, 280, 340, 400 mm에서 결함 신호가 명확히 측정되었으며, 최소 결함 깊이 20 %까지 측정 할 수 있었다. 이는 제안한 집속 유도초음파 EMAT이 박판의 용접부에 내재하는 용접 결함을 탐상할 수 있는 성능을 지니고 있음을 보여준다.
본 연구에서는 박판에서 기존의 체적초음파 검사의 한계를 극복하기 위해 집속 유도초음파 전자기음향 트랜스듀서를 이용한 진단 기법을 제안하였다. 제안한 방법은 박판 두께 전체를 검사하는데 효율적인 수단을 제공한다. 압전 소자에 비해 변환 성능이 상대적으로 낮은 EMAT의 단점을 개선하기 위해 집속형 코일을 설계하였으며, 영구자석, 임피던스 정합 회로를 포함하여 EMAT를 제작하였다. 제작한 트랜스듀서는 판재에 A0 모드의 유도초음파를 발생시키고 특정 영역에 빔을 집속시킴으로써, 상대적인 에너지 변환 효율을 증대시킬 수 있다. 검증을 위해서, 레이저를 이용하여 판재에서 전파하는 판파의 수직 변위를 측정함으로써 EMAT의 집속 효과를 확인하였다.
또한 두께 2.3 mm의 철강 박판에서 분산이 적고, 모드의 중첩이 없는 A0 모드 유도초음파의 신호를 획득하였고, 집속 성능 및 유효 초점 거리를 확인하였다. 철강 박판의 맞대기 용접부에서 유도초음파 탐상 시험을 통해 레이저로 가공된 결함을 효율적으로 측정함으로써, 제안한 집속 유도초음파 전자기음향 트랜스듀서의 성능을 검증하였다. 향후, 제안한 트랜스듀서가 박판 용접부 진단에 효율적인 수단을 제공함으로써, 비접촉식 검사가 요구되는 환경의 비파괴검사에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
