2.1 압분광법 기반 응력측정기술

압분광법을 이용하여 응력을 측정하기 위해서는 Fig. 2와 같이 레이저(Laser module)와 분광기(Spectrometer), 그리고 두 시스템과 광섬유(Optic cable)를 이용하여 연결된 탐침기 (Probe)가 필요하다. 먼저 스펙트럼 수집을 위하여, 레이저 모 듈에서 레이저를 발생시키고, 이를 광섬유와 탐침기를 통하 여 대상 시편에 조사한다. 대상물로부터 반사되는 빛은 다시 탐침기와 광섬유를 통하여 분광기에 수집되며, 신호처리과정 을 통하여, 계측된 스펙트럼의 이동량을 측정함을 통하여 현 재 대상물에 가해지는 응력의 크기 및 방향을 계산할 수 있다.

Fig. 2

Schematic Drawing of Piezospectroscopic System

2.2 응력측정용 코팅시편 제작

본 연구에서는 강재의 표면에 압분광법에 민감한 물질을 코팅하고, 이를 응력센서로 사용하고자 한다. 강재 코팅방법 에는 용사코팅, 도금, 용접, 증착 등을 포함하는 여러 가지 방 법이 있으나, 이를 이용하여 강재 응력을 측정하고자 하는 경 우, 몇 가지 사항이 고려되어야 한다. 먼저, 모재(여기서는 강 재)의 큰 열변형을 가져올 경우, 그 구조적인 거동이 바뀔 수 있으므로, 이에 해당하는 용접방법은 제외한다. 또한, 구조물 의 설계연수 만큼 응력 센싱을 수행해야하기 때문에, 내충격 성이 낮은 도금방법은 제외된다. 증착의 경우 모재의 열변형 이 크지 않고, 피막 두께를 얇게 할 수 있으며, 내충격성이 좋 은 코팅을 만들 수 있는 반면, 코팅을 위한 고진공 상태, 높은 반응 온도를 필요로 하거나, 복잡한 장치를 필요로 하는 경우 가 있다. 용사코팅의 경우, 모재의 열변형이 적고, 접착력이 우 수하며, 적용할 수 있는 모재가 다양하다. 또한, 다른 기술들과 달리 현장 적용 가능성이 높은 기술이다. 따라서 본 연구에서 는 용사코팅을 이용하여 응력 측정용 코팅 시편을 제작하였다.

Fig. 3은 본 연구에서 사용된 용사코팅의 개략적인 방법을 보인다. 본 연구에서는 압분광법에 높은 민감도를 갖는 알루미 나 분말을 용사코팅 재료로 선택하였다(^{Kim and Yun, 2018}).

Fig. 3

Schematic Drawing of Thermal Spraying Technology

Fig. 4(a)는 직경 3cm, 높이 6cm의 원통형 구조용 강재에 응 력 측정용 알루미나 코팅부가 도포된 시편을 보인다. 코팅부 와 모재의 접착력을 증가시키기 위하여, 모재의 표면에 연마 및 본딩 작업을 먼저 수행하였다. 본딩은 두께 편측 0.05-0.1 mm로 수행되었다. 또한, 시편 회전 분사방식의 용사코팅 작업 성 향상을 통한 코팅부 품질향상을 위하여, 상단 1 cm를 제외 한 하단 5 cm에 대한 코팅을 수행하였다. 여기서, 시편 상단부 는 코팅과정에서 클램프로 고정되었다. Fig. 4(b)는 도포된 코 팅 두께 측정시험 과정을 보이며, 압축하중시험에 사용된 알루 미나 코팅은 약 211μm 의 두께를 갖고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 4

The Prepared Specimen for Compression Test; (a) Structural Steel Specimen w/ Stress Coating, (b) Coating Thickness Measurement

2.3 압축하중시험

본 장에서는, 알루미나가 코팅된 구조용 강재에 대한 압축 하중시험 수행을 통하여, 압축하중과 스펙트럼 이동(Shift)간 의 관계를 규명하였다. 이를 위하여, 15 tonf의 압축력을 총 6 단계(증분량: 3 tonf)로 나누어 시편에 인가하였으며, 각 하중 단계에서의 스펙트럼을 계측하였다. 시험에 사용된 단계별 압축력과 응력값 (지름 30 mm의 원형 면적에 대한 계산값)은 Table 1과 같다.

Table 1

Design for Compression Test

Fig. 5는 하중 Step 1에서 레이저를 시편에 조사하여 형광스 펙트럼을 수집하는 모습을 보인다. 본 연구에서는 형광스펙 트럼 수집을 위하여 532 nm의 레이저를 사용하였으며, 정밀 한 스펙트럼 이동량 분석을 위하여 한 하중 단계에서 10개의 스펙트럼을 수집하였다. Fig. 6은 하중 Step 1에서 응력 측정 용 코팅으로부터 수집된 형광스펙트럼을 보인다. 알루미나의 형 광스펙트럼은 그림에서와 같이 두 개의 첨둣값(R1, R2 lines)을 가지며, 각각의 첨둣값이 응력의 크기에 따라 이동(Shift)한다.

Fig. 5

Compressive Test Setup

Fig. 6

Raw Spectrum and Fitted Line

각 하중에 따른 R1 line, R2 line의 이동량을 영점(0,0)을 지 나는 1차식 커브피팅을 이용하여 Fig. 7(a)와 (b)에 각각 나타 내었다. 여기서, 오차막대(Error Bar)는 각 10개 데이터의 표 준편차를 보인다.

Fig. 7

7Compressive Stress vs. Wavenumber Shift and Fitted Line; (a) R1 line (R-square=0.8557), (b) R2 line (R-square=0.9638)

위의 과정을 통하여, 강재 시편에 가해지는 압축응력과 스 펙트럼 이동량이 선형적인 관계가 있음을 실험적으로 확인하 였다. 즉, 약 208 MPa의 압축하중이 강재시편에 가해질 경우, R1 line은 초기 위치에서 약 1.17 cm^-1만큼 우측으로 이동함을 확인하였고, R2 line의 경우에도 약 1.37cm^-1만큼 우측으로 이 동하는 것을 확인하였다.