Stress Evaluation of SS275 Steel Using Magnetic Barkhausen Noise Characteristics

종민 김; 진옥 이; 남형 임

doi:10.9798/KOSHAM.2022.22.2.147

Abstract

Magnetic Barkhausen noise (MBN) can be used to potentially detect fatigue, creep, stress, and hardness in ferromagnetic materials. Recently, non-destructive measurement equipment using MBN has been developed to measure the residual stress of railway rails in Korea. MBN has different characteristics depending on the type of ferromagnetic steel and residual stress. In this study, MBN signal characteristics based on the stress change of SS275 steel are experimentally analyzed using the developed MBN equipment. The results of this study can be used as basic data for estimating the residual stress of SS275 steel in the future.

Keywords: Barkhausen Noise, Residual Stress, SS275 Steel, Non-Destructive Measurement

요지

전자기 바크하우젠 잡음(MBN)은 강자성 재료의 피로, 크리프, 응력 및 경도를 감지하는 데 잠재적인 능력이 있다. 최근 국내에서 철도 레일의 잔류응력을 측정하기 위하여 전자기 바크하우젠 잡음을 이용한 비파괴 장비(센서와 데이터수집장치, 데이터분석프로그램)가 개발되었다. 이러한 MBN은 강자성체인 강재의 종류와 잔류응력에 따라 다른 특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 개발된 MBN 장비를 사용하여 SS275강재의 응력 변화에 따른 MBN 신호의 특성을 실험적으로 분석하였다. 본 연구의 결과는 향후 SS275 강재의 잔류응력 추정을 위한 기본 자료로 활용될 수 있다.

1. 서 론

비파괴검사(NDT)는 고도로 발달된 현대 산업에서 구조물 또는 부품의 내구성과 서비스 수명을 결정하기 위해 적용된다. 그중에서도 전자기 바크하우젠 잡음은 강자성체 물질에 대한 미세구조 및 응력 상태에 대한 정보를 빠르게 얻을 수 있는 자기 NDT 기법이다(Yelbay et al., 2010). 전자기 바크하우젠 잡음(Magnetic Barkhausen Noise, MBN)은 강자성체의 자화과정에서 물질 내부에 있는 자구(磁區, Magnetic Domain)의 돌이킬 수 없고 불연속적인 변화에 의해 생성된 펄스 신호(Pulse Signal)로, 주로 180도 자벽(磁壁, Magnetic Domain Wall)의 움직임에 의해 생성된다(McCloy et al., 2013).

이러한 전자기 바크하우젠 잡음은 강자성 물질의 잔류응력과 미세구조 변화에 매우 민감하다. 많은 연구자들이 피로평가(Soultan et al., 2006; Dobmann et al., 2014), 잔류응력평가(Wang et al., 2013; Ding et al., 2015), 그리고 경도평가(Moorthy et al., 2003) 등과 같은 분야에서 전자기 바크하우젠 잡음을 적용하였다.

최근, 국내에서는 “철도의 건설 및 철도시설 유지관리에 관한 법률”의 개정에 따라 10년 이상 경과된 노후 철도시설물(궤도 구조물 포함)에 대한 정밀진단 및 성능평가가 2021년 6월 10일부터 시행되고 있어 궤도 시설물의 상태 및 성능을 평가하기 위한 NDT 기법이 더욱 중요해지고 있다. 궤도 구조물의 성능은 주행하는 열차의 안전성과 가장 밀접한 관계를 가지고 있는 레일의 성능을 얼마나 정량적으로 평가할 수 있는지가 핵심이다.

철도 궤도의 레일은 주행하는 열차와의 상호작용에 의한 작용응력과 궤도틀림 그리고 선로 유지관리 작업과의 상호작용에 의한 발생응력과 궤도틀림 보수 등에 의해 다량의 잔류응력이 내부에 응축된다. 이러한 잔류응력이 관리치를 상회하면 혹서기의 궤도좌굴, 혹한기의 레일파단 등의 사고가 발생될 수 있으므로 재설정이라는 작업을 통해 레일 내부에 응축된 잔류응력을 해방(제거)시키게 된다. 그러므로 레일의 잔류응력을 적정 시기마다 측정 및 관리할 필요가 있다.

레일 내부에 응축된 잔류응력을 측정하기 위해서는 비파괴기법을 적용하여야 한다. 최근, 국내에서는 이러한 사회⋅경제적인 요구에 부응하기 위하여 전자기 바크하우젠 잡음을 적용한 비파괴 검사 장비(MRS-100)가 개발되었다(MLIT, 2020).

본 연구에서는 개발된 MRS-100 MBN 장비를 사용하여 SS275 강재 시편에 축방향 응력을 가하면서 전자기 바크하우젠 신호(Magnetic Barkhausen Noise)의 특성 변화를 분석하였다. 본 연구의 결과는 전자기 바크하우젠 잡음 기법을 이용하여 현장에서 SS275강재로 제작된 구조물/시설물 부재의 잔류응력(Residual Stress)을 추정하는데 적극 활용될 수 있다.

2. MBN 측정 장비

MBN 측정 센서는 전자기 바크하우젠 잡음 효과를 활용하는 비파괴 측정 기기의 핵심 구성요소이다. 이 센서의 특성은 측정 결과의 정확성, 신뢰성, 그리고 재현성(반복성)에 큰 영향을 미치며 최적화된 설계는 MBN 측정장비 개발에서 중요한 주제이다. MBN 측정 센서(Sensor)는 Fig. 1과 같이 두개의 코일과 U자 형태의 요오크(Yoke)로 구성된다. 요오크는 자화코일(Magnetizer coil)을 통과하며 자화코일은 측정하고자 하는 방향과 평행하게 위치한다. MBN 수신코일(MBN Receiver Coil)은 자화코일과 수직을 이루면서 U자형 요오크의 두 극 사이에 배치되고 코일의 한쪽 면은 MBN 측정면과 밀착되어야한다. 이와 같은 MBN 수신코일의 측정 민감도를 향상시키기 위하여 코일 내부에 자기 코어(Magnetic Core)를 추가한다.

Fig. 1

MBN Sensor Configuration

자화 신호가 자화코일을 지나며 바크하우젠 잡음을 측정하고자 하는 부위를 자화시켜 자기이력곡선을 형성하고 자화된 측정 부위에서 유도된 유도기전력에 의해 MBN 수신코일에서 바크하우젠 잡음이 검출된다. 자화 신호의 주파수에 따라 가장 효율적인 코일의 형태가 달라지기도 하며 코일의 크기, 권선을 감은 횟수, 입력신호의 크기 등에 따라 MBN 수신코일에서 검출되는 바크하우젠 잡음 데이터가 변화하므로 실험을 통해 여러 조건을 변경시켜가며 적절한 코일을 설계하는 것이 중요하다.

기 개발된(MRS-100) MBN 측정 센서는 Fig. 2와 같으며 주요 제원과 사양은 다음과 같다.

Fig. 2

MBN Sensor

- Sensor Size : 57 × 15 × 33 mm
- Yoke : 6.5%Si-steel (molded)
- Core : Mn-Zn Ferrite core

MBN 측정 모듈(DAQ)에는 자화 코일을 통해 레일에 외부 자기장을 걸어주기 위한 자화 신호 발생기, MBN 수신 코일에서 나오는 신호를 하드웨어적으로 처리해주는 신호처리부를 포함한다. 전자기 바크하우젠 잡음 신호의 재현성을 확보하기 위해서 신호 자체의 무작위성을 해결하여햐 한다. 기 개발된 MRS-100장비의 측정 모듈에서는 전파정류회로와 필터커패시터를 사용하여 하드웨어적으로 Fig. 3과 같은 전자기 바크하우젠 잡음 신호에 대한 포락선(Envelop Curve)을 생성하였다.

Fig. 3

MBN Raw Wave-Envelop Curve

기 개발된 MBN 측정 모듈(DAQ)은 Fig. 4와 같으며 주요 사양은 다음과 같다.

- Power Supply : DC12 V
- Magnetized Signal Voltage : Max. 10 V
- Magnetized Signal Frequency : 100 Hz sinusoidal signal
- Filter Band : 10 kHz to 50 kHz
- Number of Data Sampling : 100,000 sampling/sec

Fig. 4

MBN DAQ

3. MBN 측정 실험절차 및 방법

SS275 강재의 응력에 따른 전자기 바크하우젠 잡음 신호를 측정하기 위한 SS275 강재의 시편은 한국산업규격에 의거하여 Fig. 5와 같이 제작되었다. 시편에 인장 및 압축응력을 가하기 위해 INSTRON 8801 시험기를 사용하였으며 작용 응력의 크기는 (-)60 MPa~(+)150 MPa을 적용하였다. MBN 측정 센서를 시편 표면에 밀착 접촉 시키기 위해서 특수 제작된 지그(Fig. 6)를 사용하였다.

Fig. 5

SS275 Specimen

Fig. 6

Measuring Zig

응력 변화에 따른 전자기 바크하우젠 잡음 신호 측정 절차는 다음과 같다.

Step 1.

- MBN 측정 DAQ를 사용하여 공기중 MBN 측정 센서의 초기 신호치 Zero 세팅

Step 2.
- SS275 시편을 INSTRON 8801 시험기의 Upper Grip에 장착 후, MBN 신호 측정

Step 3.
- 시편을 Lower Grip에 장착 후, MBN 신호를 측정하여 무응력 상태에서의 완전 장착 여부를 확인

Step 4.
- 인장응력(0~150 MPa)을 가하면서 각 응력 단계별로 인장응력을 유지시킨 상태에서 MBN 신호 측정

Step 5.
- 인장응력 시험 완료 후, 하중을 완전 제거하여 무응력 상태에서 MBN 신호 측정

Step 6.
- 압축인장응력(-60 MPa~0)을 가하면서 각 응력 단계별로 압축응력을 유지시킨 상태에서 MBN 신호 측정

Step 7.
- 압축응력 시험 완료 후, 하중을 완전 제거하여 무응력 상태에서 MBN 측정 센서 제거하고 시편을 시험기에서 탈거

Step 8.
- Step 2.에서 Step 7.까지 반복실험

4. MBN 측정 실험 결과

SS275 강재에 작용하는 응력의 크기에 따른 전자기 바크하우젠 잡음 신호의 특성을 분석하기 위하여 총 3차례의 반복시험(측정 절차 Step 2.~Step 7.을 3차례 반복)을 실시하였다. 전자기 바크하우젠 잡음 신호의 특성은 Fig. 3에 나타난 신호의 포락선 곡선에서 최대치(Peak)와 곡선 아래 면적(Area)를 도출하여 작용 응력과의 상관관계를 분석하였다.

Fig. 7은 양의 자기변형 상수(Positive Magnetostictive Constant)를 가지는 강재에 대한 대표적인 MBN 신호파형을 나타낸다. X축은 시간을, Y축은 MBN 전압을 나타내며 Sin 형태의 실선은 가진 자화신호를 나타낸다. 무응력 상태(Fig. 7의 상단 그래프)와 비교하면 인장응력 상태에서는 MBN 신호의 진폭은 증가하고 신호파형의 파장은 감소됨을 알 수 있으며 압축응력 상태에서는 반대의 경향을 나타남을 알 수 있다.

Fig. 7

MBN Wave Change w.r.t Stress Variation

Fig. 8은 SS275 강재 시편에 대한 응력과 MBN Area의 관계를 나타내는 특성곡선이다. MBN Area란 Fig. 3의 Area와 같이 MBN 신호 파형의 포락선에 대한 무차원화 된 면적을 나타낸다. Fig. 9는 응력과 MBN Peak의 관계를 나타내는 특성곡선이다. MBN Peak란 Fig. 3의 Peak와 같이 MBN 신호 파형의 포락선에 대한 최대치를 나타낸다.

Fig. 8

MBN Area vs. Stress Variation (SS275)

Fig. 9

MBN Peak vs. Stress Variation (SS275)

SS275 강재의 응력 변화에 따른 MBN 신호 특성치(MBN Peak, MBN Area) 모두 축방향 응력 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났다.

강재의 응력 변화에 따른 MBN 신호 특성치(MBN Peak, MBN Area)들의 응력 분해능(Stress Resolution)을 분석하였다. 응력 분해능의 산출방법의 개념은 Fig. 10과 같다. 동일한 해당 응력 지점에서 반복 측정을 했을 때 측정한 MBN 신호 특성치의 표준편차(σ)를 구하고 특성곡선(응력-MBN 신호 특성치 곡선)의 기울기를 사용하여 해당 응력 지점에서의 응력편차(분해능)를 구할 수 있다.

Fig. 10

Stress Resolution

Table 1은 MBN 특성변수들에 대한 응력 분해능을 분석한 결과이다. 평균적으로 MBN Area 특성 변수의 응력 분해능이 2.99 MPa로 Peak 특성 변수의 응력 분해능(5.36 MPa)에 비해 우수한 것으로 나타났다.

Table 1

Stress Resolution for SS275 Steel

Stress Level (MPa)	Stress Resolution
Stress Level (MPa)	PEAK	AREA
-60~-30	3.86	2.98
-30~0	3.77	4.39
0~30	2.97	1.72
30~60	5.10	0.76
60~90	4.84	2.25
90~120	8.10	3.94
120~150	8.88	4.86
Average	5.36	2.99

5. 결 론

본 논문에서는 SS275 강재의 응력에 따른 전자기 바크하우젠 잡음 신호의 특성을 분석하고 각 MBN 신호 특성치(MBN Peak, MBN Area)에 대한 응력과의 특성곡선을 제시하였다. 또한 응력 분해능을 분석하여 MBN 신호 특성치중에서 MBN 신호 포락선의 면적을 나타내는 MBN Area 특성치가 포락선의 최대치를 나타내는 MBN Peak 특성치보다 우수함을 보였다. 본 연구의 결과는 향후 전자기 바크하우젠 잡음 신호로부터 SS275 강재내부에 응축된 잔류응력을 비파괴적인 방법으로 측정하는데 기초 자료로 활용될 수 있다.