KR20010100854A - 균열형 피로 탐지 센서, 균열형 피로 탐지 센서의조립방법 및 균열형 피로 탐지 센서를 이용한 손상측정방법 - Google Patents

균열형 피로 탐지 센서, 균열형 피로 탐지 센서의조립방법 및 균열형 피로 탐지 센서를 이용한 손상측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 균열형 피로 탐지 센서, 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법 및 균열형 피로 탐지 센서를 이용한 피로 손상 측정방법에 관한 것으로서, 본 발명에서는 종방향으로 대향 단부들 사이의 중앙부에 슬릿이 형성되어 있는데 상기 슬릿은 종방향에 대하여 수직한 횡방향으로 일측부로부터 타측부를 향하여 형성되어 있는 금속박의 파열편이 금속박의 기판 일면에 접합되어 있으며, 상기 기판의 타측면은 시험대상 부재에 부착되어, 상기 슬릿으로부터 전파되는 균열 길이에 기초하여 시험대상 부재의 피로 손상을 측정하는 균열형 피로 탐지 센서로서, 상기 파열편의 대향 단부들은 각각 상기 기판의 일면에 고정되며, 슬릿을 가진 중앙부를 포함하는 부분은 전체 폭에 걸쳐서 상기 대향 단부의 두께 보다 더 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서가 제공된다.

Description

균열형 피로 탐지 센서, 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법 및 균열형 피로 탐지 센서를 이용한 손상측정 방법{Crack-Type Fatigue Detecting Sensor, Method for Fabricating Crack-Type Fatigue Detecting Sensor, and Method for Estimating Damage Using Crack-Type Fatigue Detecting Sensor}
본 발명은 균열형 피로 탐지 센서(crack-type fatigue detecting sensor), 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법 및 균열형 피로 탐지 센서를 이용한 손상측정 방법에 관한 것으로서, 교량, 기계, 차량, 항공기 등과 같은 구조요소의 다양한 부재의 피로로 인한 손상 정도를 측정하는데 사용하는 것이다.
전형적인 종래의 기술은 일본 공개특허공보 소62-265558호에 개시되어 있다. 상기한 공개특허공보에는, 피로 손상을 야기하는 슬릿(slit)을 가진 파열편(fracture piece)이 플레이트 형상의 기판 표면에 부착되어 있는 균열형 피로 탐지 센서와, 슬릿을 가진 파열편의 (종방향으로의) 대향 단부가 접착제에 의하여 기판의 표면에 접합되어 있는 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법과, 서로 다른 균열 전파 특성을 가진 2개의 균열형 피로 탐지 센서를 시험대상이 되는 부재에 부착하고 시험기간 동안에 각각의 균열 전파 길이를 측정하여, 시험대상 부재의 피로로 인하여 그 기간동안에 발생한 손상을 균열 전파 길이와 관련하여 측정하는, 균열형 피로 탐지 센서를 이용한 손상 측정 방법이 개시되어 있다.
또다른 종래기술이 일본 공개특허공보 평9-304240호에 개시되어 있다. 상기한 공개특허공보에는, 피로 손상을 예측하고자 하는 구조 요소의 재질과 동일한 재질로 만들어지고 종방향으로 중앙부에 슬릿을 가지고 있는 얇은 플레이트 형상의 파열편이, 슬릿이 있는 중앙부를 제외하고는 다른 부분에서 얇은 두 개의 합성수지 플레이트 사이에 끼워져 있는 구성을 가진 것이 개시되어 있다. 이러한 시험수단은 시험대상이 되는 부재의 재질과 동일한 재질로 만들어진다. 이러한 균열형 피로 탐지 센서는 종방향으로 중앙부에 원형 구멍을 가진 부재로 조립되며, 상기 원형 구멍으로부터 양단부를 향하여 횡방향으로 연장되어 있는 슬릿이 파열편의 두께와 동일한 두께를 가진 파열편으로 슬라이스되고, 그렇게 형성된 파열편이 두 개의 얇은 합성수지 플레이트 사이에 끼워져 파열편의 종방향으로의 대향 단부가 상기 얇은 플레이트에 부착되는 구조를 가지고 있다. 상기한 공개특허공보에는 균열형 피로 탐지 센서를 이용한 손상 측정방법도 개시되어 있는데, 상기 균열형 피로 탐지 센서는 응력이 집중되는 부분 즉, 용접단부로서 핫 스팟(hot spot)라고 불리는 곳으로부터 이격된 위치에 부착되며, 시험대상 부재의 수명은 선행하여 만들어진 시험대상 부재에 대한 S-N 다이아그램(Stress-Number of repeated load cycles diagram)(응력-반복하중 사이클 수 다이아그램)에 기초하여 평가된다.
또다른 종래기술로는 일본 공개특허공보 평10-185854호가 있다. 상기한 공개특허공보에는, 서로 이격되어 있고 시험대상 부재에 발생하는 피로 손상에 의한 균열의 방향에 수직한 방향으로 나란하게 연속하여 배열되어 있는 다수개의 스트레인 게이지(strain gauges)를 가진 균열형 피로 탐지 센서가 개시되어 있다. 파열편에서의 균열 전파 길이를 전기적으로 측정하여, 이 측정값에 기초하여, 시험대상부재의 피로에 기인한 손상을 측정하게 된다.
또다른 종래기술로는 일본 특허 제2952594호가 있다. 상기한 일본 특허에는, 슬릿을 구비한 파열편이 개시되어 있는데, 상기 파열편에는, 슬릿의 팁 단부(tip end portion)로부터 균열이 시작되는 방향에 대하여 수직한 방향으로 서로 나란하게 배치된 다수개의 전기저항 와이어를 구비한 스트레인 게이지 또는 균열 게이지가 구비되어 있어, 파열편에 발생하는 균열의 전파 길이를 측정하여 피로에 의한 손상을 측정한다.
또다른 종래기술로는 일본 공개특허공보 소62-265558호가 있다. 상기한 공개특허공보에 개시된 파열편에서는, 인장응력이 잔류되지 않는 파열편이 기판에 부착되기 때문에, 시험대상 부재에 발생하는 변형이 기판을 통하여 파열편으로 전달되고, 파열편의 슬릿의 팁 단부에 균열이 발생하도록 하여 균열의 길이, 시험대상 부재의 피로에 의한 손상을 측정한다. 따라서, 파열편은 슬릿의 팁 단부에 균열이 발생할 정도로 큰 인장응력이 요구되고, 균열을 발생시키지 않을 정도로 작은 변형이 시험대상 부재에 가해지는 경우에는 그 변형을 검출할 수 없다. 따라서, 감응도(sensitivity)가 낮다.
또다른 종래기술로는 일본 공개특허공보 평9-304240호가 있다. 상기한 공개특허공보에서는 2개의 얇은 합성수지 플레이트 사이에 끼워진 파열편이 개시되어 있는데, 파열편의 종방향 대향 단부는 상기 합성수지 플레이트에 접착되고, 상기 합성수지 플레이트 중의 하나는 시험대상 부재에 부착된다. 따라서, 시험대상 부재에 발생하는 변형은 합성수지 플레이트를 거쳐 파열편으로 전달된다. 그러나,변형의 일부가 합성수지 플레이트에 흡수되기 때문에, 시험대상 부재에 발생하는 변형이 전부 파열편으로 전달된다고 볼 수 없다. 따라서, 감응도가 낮다. 이러한 종래기술에 따른 균열형 피로 탐지 센서는 큰 외형을 갖는다(70㎜의 길이, 20㎜의 폭 및 1.5㎜의 두께). 따라서, 이러한 센서는 예를 들면 시험대상 부재의 용접 비드(welded bead)의 단부 주변에 부착될 수 없다. 그 결과, 의도하는 목적이 달성되지 않을 가능성이 매우 높다.
또다른 종래기술로는 일본 공개특허공보 평10-185854호가 있다. 이 공개특허공보에 개시된 기술에는 본 발명의 기판에 대응되는 요소가 구비되어 있지 않다. 파열편은 직접 시험대상 부재에 부착되고, 파열편에 발생하는 균열의 전파 길이는 스트레인 게이지 또는 전지 저항과 같은 전기 수단에 의하여 전기적으로 측정되고 모니터링된다. 상기 파열편은 고정된 두께와 큰 외형을 갖고 있으며(170㎜의 길이, 50㎜의 폭 및 0.5㎜의 두께), 시험대상 부재의 피로 손상을 측정할 수 있는 위치가 극도로 제한되어 있다.
또다른 종래기술로는 일본 특허 제295294호가 있다. 이 종래기술에서는, 시험대상 부재에 부착되는 센서의 슬릿으로부터 시작되는 균열의 변형 감응도를 증진시키기 위하여 다음과 같은 2가지의 특징을 부가하였으나, 비용과 사용상의 문제점이 해결되지 못하였다. i) 단지 홈만이 형성되어 있는 상태에서는 균열이 발생하기 어렵기 때문에, 피로 균열이 발생하도록 하는 하중이 반복되어야 하며 팁 단부가 날카롭게 만들어져야 한다. 또한, 균열의 팁 단부에 잔류하는 압축 응력의 영향으로 균열이 발생하기 어렵다. 따라서, 잔류 응력을 감소시키기 위하여 열 처리(잔류 응력 제거 소둔)가 수행되어야 하며, 그 결과 조립에 많은 노동력과 비용이 소요된다. ii) 센서를 시험대상 부재에 직접 부착하는 경우, 인장 잔류 응력이 센서에 가해지게 된다. 따라서, 실질적으로 사용하기가 불가능하며 그 유지도 매우 어렵게 된다.
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여 개발된 것이다. 구체적으로 본 발명은 콤팩트한 구성을 가지고 있고, 향상된 자유도를 가지고 선택된 위치에서 높은 감응도와 높은 정밀도와 높은 신뢰성을 가진 측정이 가능한 균열형 피로 탐지 센서와 상기 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법과 상기 균열형 피로 탐지 센서를 이용한 손상 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 종방향으로 대향 단부들 사이의 중앙부에 슬릿이 형성되어 있으며 상기 슬릿이 종방향에 대하여 수직한 횡방향으로 일측부로부터 타측부를 향하여 형성되어 있는 금속박의 파열편이 금속박의 기판 일면에 접합되어 있으며, 상기 기판의 타측면은 시험대상 부재에 부착되어, 상기 슬릿으로부터 전파되는 균열 길이에 기초하여 시험대상 부재의 피로 손상을 측정하는 균열형 피로 탐지 센서로서, 상기 파열편의 대향 단부들은 각각 상기 기판의 일면에 고정되며, 슬릿을 가진 중앙부를 포함하는 부분은 전체 폭에 걸쳐서 상기 대향 단부들의 두께 보다 더 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서가 제공된다.
이러한 구성에서, 상기 대향 단부들 사이의 중간부에 형성된 슬릿을 가진 파열편의 상기 대향 단부들은 금속박 기판의 제1면에 접합된다. 상기 슬릿은 종방향에 대하여 수직한 횡방향으로 일측부로부터 타측부를 향하여 상기 파열편의 중앙부에 형성되어 있다. 기판에서, 상기 파열편이 접합되어 있는 면의 반대쪽 면 즉, 제2면은 시험대상 부재에 부착된다. 시험대상 부재의 변형이 기판을 통해 파열편으로 전달되면 균열이 상기 슬릿의 팁 단부로부터 전파되기 시작한다. 균열의 길이에 기초하여 시험대상 부재의 피로 손상이 측정된다.
상기 파열편은, 상기 슬릿이 형성되어 있는 중앙부를 포함하는 중간부가 전체 폭에 걸쳐서 상기 대향 단부들의 두께 보다 더 작은 두께를 갖도록 구성된다. 따라서, 시험대상 부재로부터 기판을 통하여 상기 대향 단부들로 전달된 변형은 슬릿의 주변에서 큰 응력을 발생시키고, 이 큰 응력은 상기 슬릿의 팁 단부에 집중된다. 이와 같이 시험대상 부재의 변형에 의하여 슬릿의 팁 단부에 응력이 집중되어 발생하기 때문에, 시험대상 부재에 발생하는 변형이 작더라도 슬릿의 팁 단부에는 큰 응력이 발생할 수 있다. 그에 따라 시험대상 부재의 작은 변형에 의한 피로 손상일지라도 파열편에 발생하는 균열의 길이에 기초하여 높은 감응도와 높은 정밀도 그리고 높은 신뢰도로 측정할 수 있게 된다.
상기 균열형 피로 탐지 센서에 있어서, 상기 대향 단부들에서 기판에 부착되는 파열편에는 인장 잔류응력이 존재하는 것이 바람직하다.
이러한 구성에서는, 인장응력이 파열편에 잔류하고 있기 때문에 시험대상 부재의 작은 변형일지라도 슬릿의 팁 단부에 균열이 전파되도록 할 수 있다. 따라서, 감응도가 현저히 향상된다. 또한, 파열편의 인장 잔류응력을 소정의 값 또는 그 이상으로 설정하므로써 정밀도 역시 향상시킬 수 있게 된다.
상기 파열편은 상기 대향 단부들에서 상기 기판의 일면에 직접 접합되거나 또는 접착층에 의하여 상기 대향 단부들에서 상기 기판의 일면에 간접적으로 접합되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에서는, 상기 파열편이 상기 대향 단부들에서 상기 기판의 일면에 직접 접합되거나 또는 접착층에 의하여 상기 대향 단부들에서 상기 기판의 일면에 간접적으로 접합되기 때문에, 변형이 기판으로부터 파열편의 대향 단부들로 신뢰성 있게 전달될 수 있고, 인장응력이 분산됨 없이 파열편의 중앙부에 집중적으로 발생할 수 있으며 그에 따라 균열이 쉽게 발생할 수 있게 된다.
본 발명에서는 상기 파열편에, 균열이 성장하게 되는 상기 슬릿의 팁 단부로부터 횡방향의 타측부로의 구역에서 균열의 전파 길이를 전기적으로 측정하는 장치가 구비되는 것도 바람직하다.
피로 탐지 센서는 시험대상 부재에 설치되어 장기간 동안 계속하여 또는 일정 시간 간격으로 손상을 측정하게 된다. 위와 같은 본 발명의 구성에서는, 상기 측정 장치가 파열편의 균열 전파 길이를 전기적으로 측정할 수 있으므로, 균열 전파와 관련된 데이터의 수집과 유지가 용이하게 된다. 따라서, 시험대상 부재의 피로 손상 측정이 매우 용이하게 수행될 수 있다.
본 발명에서는 상기 파열편에 형성된 슬릿의 팁 단부는 횡방향으로 일측부에서 타측부 방향을 향하여 정점을 이루도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 파열편에 형성된 슬릿의 팁 단부가 횡방향으로 일측부에서 타측부 방향을 향하여 정점을 이루도록 형성되면, 상기 팁 단부의 좁은 구역에 응력이 집중될 수 있으며, 그에 따라 균열이 용이하게 발생할 수 있고 센서의 감응도가 향상된다.
본 발명에서, 상기 파열편은 일측면, 타측면, 및 상기 중간부의 일면과 대향 단부들의 각각의 면 사이에서 형성된 단차 면들을 가지고 있고, 상기 단차 면들 사이에는 상기 슬릿이 위치하며, 상기 각각의 단차 면들과 중간부가 교차하는 부분은 오목한 곡선면을 통하여 상기 파열편의 타측면을 향하여 연속되는 것이 바람직하다.
위와 같은 구성에서는, 단차 면들이 상기 중간부의 일면과 대향 단부들의 각각의 면 사이에 형성되고, 오목한 곡선면이 상기 각각의 단차 면들과 중간부가 교차하는 부분에서 상기 파열편의 타측면을 향하여 연속하여 형성된다. 기판의 제2면이 시험대상 부재에 부착되어 있으므로, 시험대상 부재에 발생하는 변형이 기판을 통하여 파열편의 대향 단부들로 전달되어, 파열편의 중간부에 있는 슬릿의 부근으로 전달된다. 교차부가 곡선면으로 이루어져 있으므로, 대향 단부들로부터 중간부로 전달되는 응력은 상기 교차부에서 완화된다 즉, 집중되지 않는다. 또한, 슬릿에서 균열이 발생하기 전에 교차부에서 균열이 먼저 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 교차부에서의 응력 분산에 의하여 슬릿의 팁 단부에서 응력 집중이 경감되는 것도 최소화되어 슬릿의 팁 단부에서 균열이 발생하기 쉽도록 팁 단부에 응력이 집중되도록 한다. 따라서 센서의 감응도가 향상된다.
본 발명에서, 상기 대향 단부면들 사이의 비접합 구역의 길이(L4)에 대한 상기 중간부의 종방향 길이(L3)의 비율(L3/L4)은, L3/L4 비율이 감소할수록 센서의 감응도가 높아지도록, 센서의 감응도 조절에 사용되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에서는, 비접합 구역의 길이(L4)에 대한 상기 중간부의 종방향 길이(L3)의 비율(L3/L4)을 적절히 조절하여 비율(L3/L4)을 증가시키거나 또는 감소시키므로써, 센서의 감응도를 임의로 설정할 수 있다. 예를 들면, 비율(L3/L4)을 증가시키면 센서의 감응도가 더 높아진다. 따라서, 높은 정밀도와 소망하는 감응도를 갖는 피로 탐지 센서의 실현이 가능하게 된다. 특별한 조치 없이도 중간부의 길이(L3)가 조절될 수 있으므로, 소망하는 감응도를 가진 피로 탐지 센서를 조립할 수 있게 된다.
본 발명에서는, 전해성형 도금에 의하여 금속박 필름의 종방향으로 대향 단부들 사이의 중앙부에 슬릿을 형성되도록 하고 상기 슬릿이 금속박 필름의 횡방향으로 일측부로부터 타측부를 향하여 형성되도록 상기 금속박 필름을 형성하는 단계; 상기 슬릿이 형성되어 있는 중앙부를 포함하는 중간부가 노출되도록 상기 중간부를 제외한 상기 금속박 필름의 제1면과 상기 금속박 필름의 제2면을 리지스트 필름으로 피복한 후에, 식각에 의하여 상기 중간부가 소정의 감소된 두께를 가지도록 하여 파열편을 형성하는 단계; 상기 파열편의 대향 단부들을 기판에 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법이 제공된다.
위 조립방법에서, 대향 단부들 사이의 중앙부에 슬릿을 구비한 금속박 필름은 전해성형에 의하여 만들어질 수 있으며, 금속박이 균일한 두께를 갖도록 하는 것도 용이하게 할 수 있다. 상기 금속박 필름은, 리지스트 필름으로 덮혀져 있지않은 중간부의 표면을 식각하여 상기 중간부가 소정의 감소된 두께를 가지도록 만들어진다. 상기 중간부의 두께를 감소시키기 위하여 식각을 행하기 때문에, 중간부는 등방성으로 식각되어 균일하게 감소된 두께를 갖게 된다. 따라서, 슬릿에 있어서 인장응력이 대칭으로 발생하게 되며, 그 결과, 균열이 신뢰성 있게 전파되어 높은 신뢰도를 가진 센서를 만들 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는, 금속박 필름의 종방향으로 대향 단부들 사이의 중앙부에 슬릿을 형성되도록 하고 상기 슬릿이 금속박 필름의 횡방향으로 일측부로부터 타측부를 향하여 형성되도록 상기 금속박 필름을 형성하는 단계; 상기 슬릿이 형성되어 있는 중앙부를 포함하는 중간부가 노출되도록 상기 중간부를 제외한 상기 금속박 필름의 제1면과 상기 금속박 필름의 제2면을 리지스트 필름으로 피복한 후에, 식각에 의하여 상기 중간부가 소정의 감소된 두께를 가지도록 하여 파열편을 형성하는 단계; 및 보통의 온도 보다 높게 상승된 소정의 온도에서 상기 파열편의 선형열팽창계수보다 더 낮은 선형열팽창계수를 갖는 재료로 이루어진 기판에, 상기 파열편의 대향 단부들을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법이 제공된다.
위 조립방법에서, 중앙부에 슬릿이 형성되어 있고 감소된 단면을 가진 중간부를 가지고 있는 파열편은, 그 대향 단부들이, 보통의 온도 보다 높게 상승된 소정의 온도에서 상기 파열편의 선형열팽창계수보다 더 낮은 선형열팽창계수를 갖는 재료로 이루어진 기판에 접합된다. 파열편과 기판이 보통의 온도(상온)로 냉각되면, 파열편에는 인장응력이 잔류하게 된다. 파열편에 인장응력이 잔류하게 되면,비록 시험대상 부재의 변형이 작더라도, 슬릿의 팁 단부로부터 균열이 발생하기 쉬우며, 피로 손상을 높은 감응도로서 측정할 수 있게 된다. 그 뿐만 아니라, 금속박이 전해성형에 의하여 만들어지며, 감소된 두께를 갖는 중간부를 구비하도록 파열편이 식각되므로 센서는 낮은 비용으로 쉽게 조립될 수 있으며 대량 생산이 가능하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 센서는 산업상 이용가능성도 우수하다.
본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 파열편은 상기 대향 단부들에서 상기 기판에 직접 접합되거나 또는 전기저항 용접에 의하여 접착층을 통해 상기 대향 단부들에서 상기 기판에 간접적으로 접합되는 것이 바람직하다.
이러한 방법에 있어서, 파열편이 상기 대향 단부들에서 상기 기판에 직접 접합되거나 또는 전기저항 용접에 의하여 접착층을 통해 상기 대향 단부들에서 상기 기판에 간접적으로 접합되기 때문에, 변형이 기판으로부터 파열편의 대향 단부들로 신뢰성 있게 전달될 수 있고, 인장응력이 분산됨 없이 파열편의 중앙부에 집중적으로 발생할 수 있으며 그에 따라 균열이 쉽게 발생할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 방법에서, 상기 파열편의 상기 대향 단부면들 사이의 비접합 구역의 종방향 길이(L4)에 대한 상기 중간부의 종방향 길이(L3)의 비율(L3/L4)은, L3/L4 비율이 감소할수록 센서의 감응도가 높아지도록, 센서의 감응도 조절에 사용되는 것이 바람직하다.
이러한 방법에서는, 비접합 구역의 길이(L4)에 대한 상기 중간부의 종방향 길이(L3)의 비율(L3/L4)을 적절히 조절하여 비율(L3/L4)을 증가시키거나 또는 감소시키므로써, 센서의 감응도를 임의로 설정할 수 있다. 예를 들면, 비율(L3/L4)을증가시키면 센서의 감응도가 더 높아진다. 따라서, 높은 정밀도와 소망하는 감응도를 갖는 피로 탐지 센서의 실현이 가능하게 된다. 특별한 조치 없이도 중간부의 길이(L3)가 조절될 수 있으므로, 소망하는 감응도를 가진 피로 탐지 센서를 조립할 수 있게 된다.
본 발명에서는, 앞서 설명한 균열형 피로 탐지 센서를 시험대상 부재에 고정시키는 단계; 소정의 기간동안 균열의 전파길이를 측정하는 단계; 및 상기 균열의 전파길이에 기초하여 시험대상 부재의 손상을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서를 이용한 손상 측정방법이 제공된다.
이러한 측정방법에 의하면, 균열 전파 길이가 높은 감응도와 높은 정밀도를 가진 균열 피로 탐지 센서에 의하여 측정될 수 있으며, 측정된 균열 전파 길이에 근거하여 시험대상 부재의 피로 손상을 측정할 수 있게 된다. 따라서, 초기 단계에서의 작은 변형에 의한 피로도 검출할 수 있으며, 측정된 균열 전파 길이에 근거하여 시험대상 부재의 피로 손상을 높은 감응도와 높은 정밀도 그리고 높은 신뢰도로 측정할 수 있게 된다
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 균열형 피로 탐지 센서의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 균열형 피로 탐지 센서의 개략적인 평면도이다.
도 3은 기판과 파열편이 전기 와이어 수단에 의하여 연결되어 있는 상태를 도시한 개략도이다.
도 4는 도 2에서 슬릿과 그 주변을 확대하여 도시한 확대 평면도이다.
도 5는 도 1에서의 섹션V를 확대하여 도시한 확대 단면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 균열 피로 탐지 센서가 시험대상 부재의 용접 비드 부근에 부착되어 있는 상태를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 균열형 피로 탐지 센서의 개략적인 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 균열형 피로 탐지 센서의 개략적인 평면도이다.
도 9는 시험대상 부재의 변형율 범위(Δε)가 500×10-6인 경우에, 반복된 하중 사이클의 수(N)와 시편 14, 15의 균열 전파 길이(a)의 관계를 보여주는 그래프도이다.
도 10a 내지 도 10g는 각각 도 9의 측정 위치 P1 ~ P7에서 시편 14의 균열 전파 상태를 보여주는 평면도이다.
도 11a 내지 도 11e는 각각 도 9의 측정 위치 Q1 ~ Q5에서 시편 15의 균열 전파 상태를 보여주는 평면도이다.
도 12는 도 1에 도시된 균열형 피로 탐지 센서를 이용하여 하나의 게이지 방법에 따라 피로 손상을 측정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 13은 도 1에 도시된 균열형 피로 탐지 센서를 이용하여 측정된 균열 전파 길이(a)와 대응되는 피로 손상(Ds)간의 관계를 나타내는 그래프도이다.
도 14는 도 1에 도시된 균열형 피로 탐지 센서의 S-N 특징과 시험대상 부재의 S-N 특징의 관계를 보여주는 그래프도이다.
도 15는 도 1에 도시된 균열형 피로 탐지 센서의 균열 전파 길이(a)에 기초하여 계산된 피로 손상(Ds)과 관련하여 시험대상 부재의 피로 손상을 측정하는 것을 설명하기 위한 그래프도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
1 피로 탐지 센서 2 기판
4, 5 대향 단부 9 슬릿
10 파열편 12 시험대상 부재
13 중간부
이하 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 균열형 피로 탐지 센서(1)의 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 균열형 피로 탐지 센서(1)의 평면도이다. 다음에서는 균열형 피로 탐지 센서(1)의 조립방법과 균열형 피로 탐지 센서(1)를 이용한 피로 손상 측정방법도 함께 설명한다. 사용중인 기계, 구조요소 등의 수명을 예측하고 그 수명을 연장하는 것뿐만 아니라, 내구력 시험기간 및 비용을 줄이기 위해서는, 시험대상이 되는 부재의 피로 손상을 비파괴 방법으로 탐지하여 수명을 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 수명의 측정 즉, 피로 손상을 측정하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 균열형 피로 탐지 센서(이하, "피로 탐지 센서"라고 부른다)를 사용한다.
도 1 및 도 2에는 피로 탐지 센서(1)가 도시되어 있다. 피로 탐지 센서(1)에 있어서, 금속박의 파열편(foil fracture piece)(10)에는, 대향 단부(4, 5) 사이의 중앙부(6)에 종방향으로(도 1 및 도 2에서 좌우측 방향) 슬릿(9)이 형성되어 있는데, 상기 슬릿(9)은 상기 종방향에 수직한 횡방향으로 일측부(8)로부터 타측부(7)를 향하여 형성되어 있고, 금속박의 기판(foil substrate)(2)의 표면(일측면)(3)은 상기 대향 단부(4, 5)에 접합되며, 상기 기판(2)의 타측면(11)은 시험대상 부재(12)에 부착된다. 피로 탐지 센서(1)는 슬릿(9)으로부터의 균열 전파 길이에 기초하여 부재(12)의 피로 손상 정도를 측정할 수 있다.
피로 탐지 센서(1)에서, 파열편(10)의 슬릿(9)이 형성되어 있는 중앙부(6)를 포함하는 중간부(13)는, 전체 폭에 걸쳐 상기 대향 단부(4, 5) 보다 더 얇게 만들어진다. 그에 따라, 부재(12)로부터 상기 대향 단부(4, 5)로 전달되는 변형(strain)은 상기 중간부(13)에 큰 응력을 야기하게 되고, 후술하는 바와 같이 변형 감응도 및 응력 감응도가 증진된다.
상기 기판(2)은 길이 L1, 폭 B1 및 두께 T1을 갖고 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 기판(2)의 길이(L1)는 13.0㎜이고, 폭(B1)은 6.0㎜이며, 두께(T1)는 0.05㎜이다. 파열편(10)은 길이 L2, 폭 B2 및 두께 T2를 갖고 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 파열편(10)의 길이(L2)는 12.0㎜이고, 폭(B2)은 5.0㎜이며, 두께(T2)는 0.1㎜이다. 파열편(10)의 중간부(13)는 2.0㎜의 길이(L3) 및 0.02㎜의 두께(T3)를 갖는다. 상기 기판(2)은 인바르(Invar) 또는 니켈-철(Ni-Fe) 기초 합금으로 만들어지는데, 인바르로 만들어지는 것이 바람직하다. 파열편(10)은 도금 금속으로 만들어지는데, 순수 니켈(Ni)로 만들어지는 것이 바람직하다.
파열편(10)의 대향 단부(4, 5)는, 종방향으로 각각 상기 대향 단부(4, 5)에 외부방향으로 설치된 다수개의 조인트부(14)(본 실시예에서는 5개), 또다른 다수개의 조인트부(15)(본 실시예에서는 5개), 또다른 다수개의 조인트부(16)(본 실시예에서는 3개) 및 또다른 다수개의 조인트부(17)(본 실시예에서는 3개)에서 저항용접(resistance welding)되어 기판(2)의 일측면(3)에 직접 접합된다. 상기 중간부(13)의 종방향의 길이(L3)는, 상기 대향 단부(4, 5) 사이의 비접합 구역의 길이(L4)와 관련하여 원하는 감응도에 따라 결정된다. 예를 들어, 상기 중간부(13)의 길이(L3)가 비접합 구역의 길이(L4)에 대하여 증가되면, L3/L4의 비율은 더 크게 된다. 슬릿(9)의 팁 단부(9a)에 발생하는 인장응력은 L3/L4 비율이 증가됨에 따라 감소하며, 그에 따라 감응도 역시 저하된다. 이러한 사실에 기초하여, 중간부(13)의 길이(L3)에 따른 소망하는 감응도를 획득하기 위한 조정을 용이하게 하기 위하여, L3/L4 비율은, 상기 팁 단부(9a)로부터의 균열 전파 속도에 따라 이론적으로 또는 실험적으로 결정된다.
저항용접은 다음과 같이 이루어진다. 도 3에 간략하게 도시되어 있듯이, 서로 ΔL1의 간격으로 나란하게 이격되어 있는 한 쌍의 전극(21, 22)과 상기 전극(21, 22)에 고압의 전압을 인가하는 전원(도시되지 않음)을 포함하는 저항용접기가 사용된다. 상기 전극(21, 22)의 팁 단부(23, 24)는, 기판(2) 위에 위치한 파열편(10)의 대향 단부(4, 5)에 놓여져 상기 팁 단부(23, 24) 사이에 조인트부들(14 ~ 17)이 위치하게 하고, 전원에 의하여 상기 전극(21, 22) 사이에 전압이 가해진다. 그에 따라, 기판(2)의 표면(3)과 상기 표면(3)에 대향되어 있는 파열편(10)의 하부면 사이에 위치한, 상기 전극(21, 22) 사이의 중간부를 통하여 전류가 흐르게 되어 기계적인 결합에 의하여 용융접합부(26)가 형성된다. 상기 용융접합부(26)는, 기판(2)과 파열편(10)을 서로 연결하는 조인트부(14 ~ 17)를 이루게 된다.
전원에 의하여 상기 전극(21, 22) 사이에 가해지는 전압은, 예를 들면 0.62V의 펄스 전압이다. 가해지는 시간은, 기판(2)과 파열편(10)의 재료와 두께에 따라 최적화되는데, 8 내지 40msec의 범위에서 선택된다. 이러한 저항용접은 평행 간격 저항 미세접합(Parallel Gap Resistance Microjoining; PRGM)이라고도 불리며, 적층된 얇은 플레이트 형상의 부재들 사이의 부분을 용접할 수 있다.
본 실시예에서, 국부 열 변형에 의하여 야기되는 파열편(10)의 느슨해짐을 방지하기 위하여, 내부방향 조인트부(14, 15)와 같은 조인트부가 간헐적으로 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 또다른 실시예에 있어서, 기판(2)의 표면에 고정된 대향 단부(4, 5)를 가진 파열편(10)에는, 슬릿(9)의 팁 단부(9a)로부터 타측부(7)를 향하여 횡방향으로 균열이 발생하게 되는 구역(31)내에서의 균열 전파 길이(a)를 전기적으로 측정하는 균열 전파 길이 측정장치(32)가 구비된다.
상기 균열 전파 길이 측정장치(32)는, 균열이 전파되는 방향에 대하여 직교하는 방향으로 즉, 측방향으로 연장되는 다수개의 전기저항 와이어(33)를 구비하고 있다. 상기 전기저항 와이어(33)는 횡방향으로 서로 균등한 간격을 가지도록 나란하게 이격되어 있다. 상기 전기저항 와이어(33)는 전기적으로 병렬로 연결되어 있는 대향 단부를 가지고 있다. 상기 전기저항 와이어(33)는, 예를 들면 에폭시 수지와 같은 전기 절연 합성수지 시트로 덮혀져 있으며 접착수단에 의하여 상기 균열 발생 구역(31)에 접착된다.
균열이 슬릿(9)의 팁 단부(9a)로부터 전파되는 경우, 전기저항 와이어(33)는 순차적으로 파괴된다. 이러한 파괴에 기인한 저항치의 변화는, 시간이 경과함에 따라 발생하는데, 측정장치(도시되지 않음)에 의하여 측정된다. 그에 따라 균열의 전파 상태가 정량적으로 탐지된다.
본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 균열 전파 길이 측정장치(32)로서의 전기저항 와이어(33)는, 스트레인 게이지로 대체될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 슬릿(9)과 그 주변을 확대하여 도시한 평면도이다. 파열편(10)에 형성된 슬릿(9)은, 그 팁 단부(9a)가 일측부(8)로부터 타측부(7)로 향하는 횡방향으로 설정되도록 형성된다. 슬릿(9)의 횡방향 길이(L5)는 1.0㎜이고, 종방향으로의 나란한 폭(ΔB)은 0.125㎜이다. 팁 단부(9a)는 횡방향으로0.126㎜의 길이(L6)를 갖는다. 팁 단부(9a)는 평면도에서 알 수 있듯이, 실질적으로 이등변 삼각형 형상을 갖는다. 슬릿(9)의 팁 단부(9a)에 있어서, 일측부(8)로부터 타측부(7)로 갈수록 점차로 더 가까워지는 한 쌍의 대향면(34a, 34b)은 교차부(35)에서 서로 교차하게 되어 예각을 형성하게 된다. 균열은 상기 교차부(35)에서 발생하게 된다.
슬릿(9)의 팁 단부(9a)가 위와 같은 형상을 가지므로, 응력은 교차부(35)에 집중하게 되고, 균열의 전파가 용이하게 된다. 따라서, 파열편(10)으로 전달되는 변형이 작더라도 균열이 교차부(35)로부터 쉽게 발생할 수 있게 되고, 그 결과 피로 탐지 센서(1)의 감응도가 향상된다.
도 5는 도 1에서의 섹션 V를 확대하여 도시한 평면도이다. 도 1, 도 2 및 도 5에 도시된 것과 같이, 중간부(13)의 표면(36)과 단부(4)의 표면(37) 사이에는 단차 면(39)이 형성되어 있고, 상기 중간부(13)의 표면(36)과 단부(5)의 표면(38) 사이에는 또다른 단차 면(40)이 형성되어 있으며, 상기 단차 면(39, 40)은, 그들 사이에 슬릿(9)이 위치하도록 서로 평행하게 뻗어 있다. 상기 단차 면(39)과 중간부(13)의 표면(36)이 교차하는 부분(41)과, 상기 단차 면(40)과 중간부(13)의 표면(36)이 교차하는 부분(42)은 각각 오목한 곡선면(44, 45)에 의하여 파열편(10)의 하부면(25)을 향하여 이어져 있다. 중간부(13)의 두께(T3)는 0.02㎜이다.
이와 같이, 파열편(10)의 대향 단부(4, 5)가 각각 단차 면(39, 40) 및 곡선면(44, 45)에 의하여 중간부(13)의 표면(36)과 연속되어 있고 중간부(13)의 두께(T3)가 대향 단부(4, 5)의 두께(T2) 보다 작기 때문에(T2 > T3), 응력은 상기교차하는 부분(41, 42)에 집중되지 않고, 그들로부터 경감되며, 큰 응력이 중간부(13)에서 발생하게 된다.
피로 탐지 센서(1)의 조립함에 있어서는, 우선, 순수 니켈로 만들어지고 대향 단부(4, 5) 사이의 중앙부(6)에 형성되어 일측부(8)로부터 타측부(7)를 향하여 뻗어 있는 슬릿(9)을 구비한 순수 니켈로 만들어진 금속박을 전해성형 도금(electroforming plating)에 의하여 형성하고, 대향 단부(4, 5)의 표면(37, 38)에 대응되는 구역 및 파열편의 하부면(25)을 리지스트 필름(resist film)으로 피복함과 동시에 중앙부(6)를 포함하는 중간부(13)의 대응 부분의 표면(도 1에서 가상선 36a로 도시된 부분)이 노출되도록 한 후, 습식 식각(wet etching)을 실행하여 감소된 소정 두께를 가진 중간부(13)를 만들므로써 파열편(10)을 형성한다.
이와 같이 형성된 파열편(10)의 대향 단부(4, 5)를, 통상의 온도보다 더 높은 소정의 온도, 예를 들면 70℃에서 파열편(10)의 선형팽창계수 보다 더 낮은 선형팽창계수를 갖는 금속재료로서 인바르로 만들어진 기판(2)의 표면(3)에 접합하여 피로 탐지 센서(1)를 완성한다. 순수 니켈의 선형팽창계수 αNi는 13.3×10-6/℃이며, 인바르의 선형팽창계수 αIn는 1.5×10-6/℃이다.
기판(2)과 파열편(10)은, 앞서 설명하였듯이 조인트부(14 ~ 17)에서 전기저항 용접에 의하여 접합된다. 열은 점차로 분산되어 파열편(10) 상에 인장응력이 잔류하도록 하는 온도로 낮아진다. 그에 따라 파열편(10)이 느슨하게 되는 것과 휘어지는 것이 방지된다. 또한, 작은 변형으로도 균열을 일으킬 수 있게 되므로피로 손상의 측정에 있어서의 감응도가 향상된다.
더 나아가, 감소된 폭을 가진 중간부(13)가 식각에 의하여 파열편(10)에 형성되기 때문에, 자연스럽게 교차하는 부분(41, 42)에 곡선면(44, 45)이 형성되어 결국 R자 형상을 이루게 된다. 식각은 습식 식각이며, 리지스트 필름에 의하여 피복된 금속박은 부식액에 잠겨진다. 부식액과 접하는 중간부(13)는 등방형으로 식각되며 식각량은 실질적으로 식각 시간에 비례한다. 이러한 식각은, 두께 방향뿐만 아니라 파열편(10)의 상부면과 평행한 방향으로 수행된다. 결과적으로, 단차면(39, 40), 곡선면(44, 45) 및 표면(36)이 유연하고 연속적으로 형성된다.
다음에서는, 순수 니켈로 만들어진 파열편(10)과 인바르로 만들어진 기판(2) 사이의 접합온도와 중간부(13)의 인장 잔류응력 사이의 관계를 설명한다.
접합과정에서 상승된 온도가 보통의 온도(상온)로 Δt만큼 저하된 경우에 기판(2)과 파열편(10) 간의 수축량의 차이 Δδ는 하기의 수학식 1과 같이 구해진다.
여기서, 기판(2)과 파열편(10)의 힘 평형은 다음의 수학식 2와 같이 표현된다.
여기서, Δt는 기판(2)과 파열편(10)이 접합되는 온도와 사용온도(상온) 간의 차이다.
Δδ는 온도가 Δt 만큼 감소하였을 때 기판(2)과 파열편(10)의 접합 스팬(S)과 관련된 수축량의 차이다.
αIn은 기판(2)의 선형팽창계수(1.50×10-6/℃)이다.
αNi은 파열편(10)의 선형팽창계수(1.33×10-6/℃)이다.
L3은 파열편(10)의 중간부(13) 길이이다.
L7은 파열편(10) 내에서의 (스팬 L4에서 길이 L3을 뺀) 길이이다.
L4는 파열편(10)과 기판(2)의 접합 스팬이다(L3+L7).
δIn는 접합 후에 온도가 Δt 만큼 감소하였을 때 기판(2)의 스팬 변화량이다.
δNi는 접합 후에 온도가 Δt 만큼 감소하였을 때 파열편(10)의 스팬 변화량이다.
EIn는 기판(2)의 영(Young) 계수이다[14,490(kgf/㎟)].
ENi는 파열편(10)의 영(Young) 계수이다[19,600(kgf/㎟)].
T1은 대향 단부(4, 5)의 두께이다.
T2는 (고정된) 기판(2)의 두께이다.
T3은 (고정된) 파열편(10)의 두께이다.
B1은 (고정된) 기판(2)의 폭이다.
B2는 (고정된) 파열편(10)의 폭이다.
상기 수학식 1 및 수학식 2로부터 다음의 수학식 3과 수학식 4를 유도하게 된다.
파열편(10)의 중간부(13)의 인장 잔류응력 σNi,1은 다음의 수학식 5에 의하여 계산된다.
파열편(10)의 대향 단부(4, 5)의 인장 잔류응력 σNi,2와 압축 잔류응력 σIn은 다음의 수학식 6 및 수학식 7에 따라 계산된다.
피로 탐지 센서(1)의 파열편(10)에 주어진 인장 잔류응력은 수학식 5와 수학식 6에 따라 계산된다. 중간부(13)에서의 인장 잔류응력은 약 14~15kgf/㎟이며, 대향 단부(4, 5)에서의 인장 잔류응력은 약 3kgf/㎟이다.
피로 탐지 센서(1)는, 예를 들면, 용접 구조물의 피로 손상을 측정하는데 사용된다. 도 6에는 피로 탐지 센서(1)가 부재(12)의 용접 비드(48) 부근에 부착되어 있는 상태가 도시되어 있다. 일반적으로, 용접 구조물의 수명이 다하는 경우, 피로 균열(50)이 발생하여, 부재(12)의 필렛(fillet) 용접 조인트(47)의 용접 비드(48)의 용접단부(49)에서부터 전파된다. 구조물의 국부적인 부분에 가해지는 핫 스팟(hot spot) 응력이라고 불리는 파라미터를 이용하여 용접 구조물의 피로 수명을 전체적으로 평가할 수 있다. 단순한 십자형 필렛 용접 조인트의 S-N 다이아그램을 이용하여 피로 수명을 평가할 수 있다. 여기서, 핫 스팟 응력은, 용접 비드(48)의 용접단부(49)에 가해지는 응력으로서, 구조적인 비연속성으로 인하여 집중되는 응력을 포함하나, 용접 비드(48)의 형상으로 인하여 집중되는 응력은 포함하지 않는다. 핫 스팟 응력은 평가될 용접단부(49)로부터 이격된 위치(0.3×부재의 두께To)로 표현된다.
이와 같이, 핫 스팟 응력의 위치 표현은 명확하게 정의된다. 피로 탐지 센서(1)는 용접단부(49) 또는 그 부근에 부착되어 측정에 사용된다. 예를 들면, 선박 구조물의 시험대상 부재의 두께(To)가 20~30㎜인 경우, 측정이 이루어져야 할 위치는 용접 비드의 용접단부(49)로부터 6~10㎜ 이격된 곳이다. 종래의 센서와 같이 피로 탐지 센서(1)의 종방향 길이가 70㎜ 이상인 경우, 핫 스팟 응력이 발생하게 되는 위치에서의 측정은 불가능하며, 따라서 핫 스팟 응력이 발생하게 되는 위치에서의 데이터를 또다른 방법에 의하여 추정하여야 한다. 그러나, 이러한 추정 데이터는 오류를 가지게 된다. 한편, 본 실시예에서는, 피로 탐지 센서(1)의 길이(L1)가 13㎜이므로, 용접 비드의 용접단부(49)로부터 6.5㎜ 이상 이격된 위치에 센서를 부착하여 핫 스팟 응력이 발생하는 위치에서의 측정이 가능하게 된다. 이 경우, 부재의 두께는 22㎜이고, 핫 스팟 응력이 발생하는 위치에서 직접 측정할 수 있게 된다. 이렇게 측정된 데이터에는 오류가 없다.
도 7에는, 본 발명에 따른 또다른 실시예에 의한 균열형 피로 탐지 센서(1a)의 단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 도 8에는 도 7에 도시된 균열형 피로 탐지 센서(1a)의 평면도가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 도면에서, 본 실시예의부재 중 앞서 설명하였던 실시예에 대응되는 부재에 대해서는 동일한 부재번호를 사용하였으며, 반복을 피하기 위하여 동일한 내용에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 실시예에 따른 균열형 피로 탐지 센서(1a)는 후술할 표 1 내지 표 3에 기재되어 있는 시편 3과 시편 4에 해당하는데, 순수 니켈로 만들어진 파열편(10)은 접합층(18, 19)에 의하여 인바르로 만들어진 기판(2)의 표면(3)에 접합된다. 이러한 구성을 통하여, 전술한 실시예의 균열형 피로 탐지 센서(1)와 동일한 효과를 이룰 수 있으며, 기판(2)과 파열편(10)이 아무런 문제없이 쉽게 접합될 수 있기 때문에 센서를 쉽게 조립할 수 있다. 표 2에서 알 수 있듯이, 접착층(18, 19)은 접착시트(시편 9~11에 해당) 또는 페놀 기초 접착제(시편 12 및 13에 해당)에 의하여 만들어질 수 있다. 페놀 기초 접착제를 사용하는 경우, 파열편(10) 중 접착되지 않는 부분은 접착을 방지하기 위하여 폴리이미드 필름으로 덮은 후 접착제를 사용한다.
표 1에 기재되어 있듯이, 본 발명의 피로 탐지 센서(1)의 감응도를 확인하기 위하여 기판(2)과 파열편(10)의 제원, 형상 및 재료를 변화시키면서 비교실시예 1, 2 및 본 발명의 실시예 1 내지 5에 해당하는 시편 1 내지 15를 제조하였다.
표 1에서, 비교실시예 1의 시편 1은 일본 공개특허공보 평10-185854호(일본 특허 제252576호)에 의한 것이며, 비교실시예 1의 시편 2는 일본 특허 제252594호에 의한 것이다. 비교실시예 2에서, 변형 감응도를 개선시키기 위한 방법으로서 (a) 파열편(10)의 중간부(13)의 두께(T3)를 작게 하는 방법과, (b) 파열편(10)의 폭(B2)을 작게 하는 방법이 사용되었으며, 시편 3, 4에서는 상기 (a)방법 및 (b)방법이 모두 사용되었다.
실시예 1, 2 (시편 5 ~ 8)는, 센서가 비교실시예 1의 종래의 피로 탐지 센서의 변형 감응도에 비하여 2배 내지 3배 높은 변형 감응도를 갖도록 설계되었다. 시편 5 ~ 8 중에서, 시편 5, 7은 중간부(13)의 표면(36)과 기판(2)의 상부면(3)이 서로 마주 보도록 파열편(10)을 기판(2)에 접합하여 제작되었으며, 시편 6, 8은 파열편(10)을 도 1에 도시된 것과 같이 기판(2)에 접합하여 제작되었다. 또한, 시편 5 ~ 8 중에서, 시편 5, 7의 경우, 파열편(10)과 기판(2)을 접합하기 위한 접착제에는, 접착제가 대향 단부(4, 5)에 접합되는 것을 방지하기 위하여, 접합면을 덮는 별도의 필름이 부착되도록 제작되었다. 표 2에 개시되어 있듯이, 실시예 1과 2는 기판(2)과 파열편(10)이 접착되는 가압 조건이 서로 상이하며, 가압 후 온도유지 조건 역시 서로 상이하다.
실시예 3에서, 기판(2)의 재료는 폴리아미드(실시예 1, 2) 대신에 인바르를 사용하였고, 파열편(10)과 기판(2)을 부착하기 위한 수단으로는 에폭시 기초 접착제(실시예 1, 2) 대신에 접착 시트를 사용하였으며, 파열편(10)과 기판(2)이 접합되는 온도는 인장 잔류응력이 파열편(10)에 발생하도록 선택되었다. 실시예 4에서, 파열편(10)과 기판(2)을 부착하기 위한 수단으로는 접착 시트(실시예 3) 대신에 페놀 기초 본드와 폴리이미드 필름을 사용하였으며, 접착 용접 조건도 변경되었다. 실시예 3, 4는 도 7, 8에 도시된 실시예에 해당하는 것이다.
실시예 5에서, 접합 방법으로서 전기저항 용접이 사용되었다. 파열편(10)과 기판(2)이 접합되는 온도는 70℃로 설정되었다. 실시예 5의 시편 14는 도 1 내지 도 6의 피로 탐지 센서(1)에 해당하는 것이다.
이러한 조건에서 시편 1 내지 15의 특징을 조사하였으며, 그 결과를 표 3에 정리하였다.
표 3에 기재되어 있듯이, 피로 탐지 센서의 감응도를 평가하기 위한 지표로서 변형율 범위(Δε)와 응력 범위(Δσ)가 사용되었다. 변형율 범위(Δε)에 있어서, 실시예 1의 시편 5가 비교실시예 1의 시편 1의 변형 감응도에 비하여 약 2배정도 높은 변형 감응도를 가지고 있는 것이 확인되었다. 응력 범위(Δσ)에 있어서, 실시예 1의 시편 5가 비교실시예 1의 시편 1에 비하여 약 2.5배정도 향상된 것으로 확인되었다.
도 9에는, 시험대상 부재의 변형율 범위(Δε)가 500×10-6인 경우에, 반복된 하중 사이클의 수(N)와 시편 14, 15의 균열 전파 길이(a)의 관계를 보여주는 그래프도가 도시되어 있다. 도 10a 내지 도 10g에는 도 9의 측정 위치 P1 ~ P7에서 시편 14의 균열 전파 상태를 보여주는 평면도가 도시되어 있다. 도 11a 내지 도 11b에는 측정 위치 Q1 ~ Q5에서의 도 9에 도시된 시편 15의 균열 전파 상태를 보여주는 평면도가 도시되어 있다. 도 1 내지 6에 도시된 실시예의 피로 탐지 센서(1)에 해당하는 시편 14의 경우, 도 10a에 도시되어 있듯이, 측정 위치 P1에서 균열은 전파되지 않았다(반복된 하중 사이클의 수 N은 0(제로)이고, 균열 전파 길이 a는 0.00㎜이다). 도 10b에 도시되어 있듯이 측정 위치 P2에서 균열은 전파되었고(반복된 하중 사이클의 수 N은 0.3×105이고, 균열 전파 길이 a는 0.40㎜이다), 도 10c에 도시되어 있듯이 측정 위치 P3에서 균열은 전파되었으며(반복된 하중 사이클의 수 N은 0.9×105이고, 균열 전파 길이 a는 1.25㎜이다), 측정 위치 P4에서 균열은도 10d에 도시되어 있듯이 전파되었다(반복된 하중 사이클의 수 N은 1.5×105이고, 균열 전파 길이 a는 2.10㎜이다). 측정 위치 P5에서 균열은 도 10e에 도시되어 있듯이 전파되었고(반복된 하중 사이클의 수 N은 2.1×105이고, 균열 전파 길이 a는 2.90㎜이다), 측정 위치 P6에서 균열은 도 10f에 도시되어 있듯이 전파되었으며(반복된 하중 사이클의 수 N은 2.7×105이고, 균열 전파 길이 a는 3.75㎜이다), 측정 위치 P7에서 균열은 도 10g에 도시되어 있듯이 전파되었다(반복된 하중 사이클의 수 N은 3.0×105이고, 균열 전파 길이 a는 3.95㎜이다).
시편 14 보다 약 2배정도 긴 시편 15의 경우, 측정 위치 Q1에서 균열은 도 11a에 도시되어 있듯이 전파되었고(반복된 하중 사이클의 수 N은 0(제로)이고, 균열 전파 길이 a는 0.45㎜이다), 측정 위치 Q2에서 균열은 도 11b에 도시되어 있듯이 전파되었으며(반복된 하중 사이클의 수 N은 0.3×105이고, 균열 전파 길이 a는 1.55㎜이다), 측정 위치 Q3에서 균열은 도 11d에 도시되어 있듯이 전파되었다(반복된 하중 사이클의 수 N은 0.9×105이고, 균열 전파 길이 a는 3.70㎜이다). 측정 위치 Q4에서 균열은 도 11e에 도시되어 있듯이 전파되었으며(반복된 하중 사이클의 수 N은 1.5×105이고, 균열 전파 길이 a는 5.10㎜이다), 측정 위치 Q5에서 균열은 도 11f에 도시되어 있듯이 전파되었다(반복된 하중 사이클의 수 N은 2.1×105이고, 균열 전파 길이 a는 6.45㎜이다).
도 12에는, 피로 탐지 센서(1)를 이용하여 하나의 게이지 방법에 따라 피로 손상을 측정하는 방법을 설명하는 흐름도가 도시되어 있다. 일반적으로, 시험대상이 되는 부재의 피로 손상을 예측하는 방법으로서, 2개의 피로 탐지 센서를 사용하는 2개의 게이지 방법과, 하나의 피로 탐지 센서를 사용하는 하나의 게이지 방법이 알려져 있다. 2개의 게이지 방법에 있어서는, 균열 전파속도 da/dn와 응력 강도 요소 ΔK 간의 관계를 보여주는 특성 곡선의 성분이 서로 크게 상이한 재료를 선택하여야 한다. 단순하게 하기 위하여, 하나의 게이지 방법에 따라 피로 손상을 측정함에 있어서는, 손상 측정을 위하여 시험될 부재의 S-N 다이아그램의 성분과 동일한 성분을 가지고 있으며 시험될 부재의 피로 강도보다 작은 피로 강도를 가진 피로 탐지 센서가 사용될 수 있다. 다음에서는 그 과정에 대하여 설명한다.
우선, 첫 번째 단계로서, 피로 탐지 센서(1)를 도 6에 도시된 것처럼 부재에 부착한다(단계 s1). 상기 피로 탐지 센서(1)를 이용하여 균열 전파 길이(a)를 측정한다(단계 s2). 균열 전파 길이(a)는 측정 장치(32)에 의하여 전기적으로 측정할 수 있다. 선택적으로, 파이버 스코프(fiber scope)를 이용하여 균열 전파 구역(31)을 이미지화 하고 이미지 처리 장치를 이용하여 처리하여, 처리된 이미지 데이터를 이용하여 균열 전파 길이(a)를 측정하는 것도 가능하다.
피로 탐지 센서에 발생한 균열의 균열 전파 길이(a)와 관련된 피로 손상(Ds)을 발견한다(단계 s3). 도 13에 도시된, 균열 전파 길이(a)와 피로 손상(Ds)간의 관계를 나타내는 선(L10)에 기초하여 피로 탐지 센서(1)의 피로 손상(Dsi)을 계산한다. 도 14에 도시되었듯이, 부재(12)의 특징을 보여주며 피로 탐지 센서(1)의경우와 동일한 S-N 다이아그램 기울기를 가진 선(L11)과 평행한 피로 탐지 센서(1)의 기울기를 보여주는 선(L12)을 우선 발견한다. 피로 탐지 센서(1)의 손상과 부재(12) 손상간의 관계를 보여주는 도 15의 선(L13)에 기초하여, 피로 탐지 센서(1)의 균열 전파 길이(ai)에 근거하여 계산된 피로 손상(Dsi)과 관련하여 부재(12)의 피로 손상(Di)을 계산하고 추정한다(단계 s4). 여기서, 응력 크기(σ)를 나타내는 종축과 반복되는 하중 사이클의 수(N)를 나타내는 횡축은 모두 로그 스케일로 표시된 것이다.
본 발명에 따른 피로 탐지 센서(1)의 또다른 실시예를 상기 2개의 게이지 방법에 의한 피로 손상 측정에 사용할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 센서의 콤팩트한 구성이 가능하며, 향상된 자유도를 가지고 선택된 위치에서 높은 감응도와 높은 정밀도와 높은 신뢰성을 가진 피로 손상의 측정이 가능하게 된다.
상기한 설명에 기초하여 본 발명의 다양한 실시예가 가능하다는 것은 당업자에게 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 상기한 내용은 설명하기 위한 것으로만 해석되어야 하며, 본 발명을 설명하기 위한 최선의 실시예를 기술한 것이다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다.

Claims (13)

  1. 종방향으로 대향 단부들 사이의 중앙부에 슬릿이 형성되어 있으며 상기 슬릿이 종방향에 대하여 수직한 횡방향으로 일측부로부터 타측부를 향하여 형성되어 있는 금속박의 파열편이 금속박의 기판 일면에 접합되어 있으며, 상기 기판의 타측면은 시험대상 부재에 부착되어, 상기 슬릿으로부터 전파되는 균열 길이에 기초하여 시험대상 부재의 피로 손상을 측정하는 균열형 피로 탐지 센서로서,
    상기 파열편의 대향 단부들은 각각 상기 기판의 일면에 고정되며,
    슬릿을 가진 중앙부를 포함하는 부분은 전체 폭에 걸쳐서 상기 대향 단부들의 두께 보다 더 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    인장응력이 잔류되어 있는 파열편이 상기 대향 단부들에서 상기 기판의 일면에 고정되는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파열편은 상기 대향 단부들에서 상기 기판의 일면에 직접 접합되거나 또는 접착층에 의하여 상기 대향 단부들에서 상기 기판의 일면에 간접적으로 접합되는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파열편에는, 균열이 성장하게 되는 상기 슬릿의 팁 단부로부터 횡방향의 타측부로의 구역에서 균열의 전파 길이를 전기적으로 측정하는 장치가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파열편에 형성된 슬릿은 횡방향으로 일측부에서 타측부 방향을 향하여 정점을 이루로 있는 팁 단부를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파열편은 일측면, 타측면, 및 상기 중간부의 일면과 대향 단부들의 각각의 면 사이에서 형성된 단차 면들을 가지고 있고, 상기 단차 면들 사이에는 상기 슬릿이 위치하며, 상기 각각의 단차 면들과 중간부가 교차하는 부분은 오목한 곡선면을 통하여 상기 파열편의 타측면을 향하여 연속되는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 대향 단부면들 사이의 비접합 구역의 길이(L4)에 대한 상기 중간부의 종방향 길이(L3)의 비율(L3/L4)은, L3/L4 비율이 감소할수록 센서의 감응도가 높아지도록, 센서의 감응도 조절에 사용되는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서.
  8. 전해성형 도금에 의하여 금속박 필름의 종방향으로 대향 단부들 사이의 중앙부에 슬릿을 형성되도록 하고 상기 슬릿이 금속박 필름의 횡방향으로 일측부로부터 타측부를 향하여 형성되도록 상기 금속박 필름을 형성하는 단계;
    상기 슬릿이 형성되어 있는 중앙부를 포함하는 중간부가 노출되도록 상기 중간부를 제외한 상기 금속박 필름의 제1면과 상기 금속박 필름의 제2면을 리지스트 필름으로 피복한 후에, 식각에 의하여 상기 중간부가 소정의 감소된 두께를 가지도록 하여 파열편을 형성하는 단계;
    상기 파열편의 대향 단부들을 기판에 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법.
  9. 금속박 필름의 종방향으로 대향 단부들 사이의 중앙부에 슬릿을 형성되도록 하고 상기 슬릿이 금속박 필름의 횡방향으로 일측부로부터 타측부를 향하여 형성되도록 상기 금속박 필름을 형성하는 단계;
    상기 슬릿이 형성되어 있는 중앙부를 포함하는 중간부가 노출되도록 상기 중간부를 제외한 상기 금속박 필름의 제1면과 상기 금속박 필름의 제2면을 리지스트 필름으로 피복한 후에, 식각에 의하여 상기 중간부가 소정의 감소된 두께를 가지도록 하여 파열편을 형성하는 단계; 및
    보통의 온도 보다 높게 상승된 소정의 온도에서 상기 파열편의 선형열팽창계수보다 더 낮은 선형열팽창계수를 갖는 재료로 이루어진 기판에, 상기 파열편의 대향 단부들을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 파열편은 상기 대향 단부들에서 상기 기판에 직접 접합되거나 또는 전기저항 용접에 의하여 접착층을 통해 상기 대향 단부들에서 상기 기판에 간접적으로 접합되는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 파열편은 상기 대향 단부들에서 상기 기판에 직접 접합되거나 또는 전기저항 용접에 의하여 접착층을 통해 상기 대향 단부들에서 상기 기판에 간접적으로 접합되는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 파열편의 상기 대향 단부면들 사이의 비접합 구역의 종방향 길이(L4)에 대한 상기 중간부의 종방향 길이(L3)의 비율(L3/L4)은, L3/L4 비율이 감소할수록 센서의 감응도가 높아지도록, 센서의 감응도 조절에 사용되는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서의 조립방법.
  13. 제1항에 따른 균열형 피로 탐지 센서를 시험대상 부재에 고정시키는 단계;
    소정의 기간동안 균열의 전파길이를 측정하는 단계; 및
    상기 균열의 전파길이에 기초하여 시험대상 부재의 손상을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 균열형 피로 탐지 센서를 이용한 손상 측정방법.
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