자분 탐상 검사

3. 원리

철강 재료와 같은 강자성체를 자기장 안에 두면 자화된다. 이때 재료에 결함이 없다면, 재료의 양 끝을 제외하고는 내부에 자속이 지나가 아무 일도 일어나지 않는다. 그러나 표면이나 내부에 자속을 막는 균열 등의 결함이 있으면, 결함 양쪽 끝에 N극과 S극이 나타나고 자속이 표면으로 누설된다.

이 누설된 부분에 철분, 착색 자분, 형광 자분 등을 포함한 검사액을 뿌리면 자극에 끌려 자분 무늬가 만들어진다. 이 무늬를 통해 결함의 폭이 확대되어 결함의 존재를 쉽게 확인할 수 있다. 결함 부위에 자분이 부착되는 정도는 자분의 특성과 결함에서 누설되는 자기장의 크기에 따라 달라지며, 누설 자기장이 클수록 자분이 더 잘 부착된다.

자분 탐상 검사는 크게 다음과 같은 순서로 진행된다.^[4]

# 전처리 (세척)

# 자화 (자화 방법과 자화 전류 값을 설정하여 재료를 자화)

# 자분 적용 (자화된 재료에 자분 또는 검사액을 뿌림)

# 검사

# 탈자

# 후처리 (세척)

자화 후에는 자기장이 가해진 상태에서 자분을 뿌리는 연속법과 자기장을 가한 후 자기장이 남아있을 때 자분을 뿌리는 잔류법을 통해 자분을 적용한다. 자분을 재료에 뿌릴 때는 공기 중에 자분을 흩뿌리는 건식법과 물이나 등유 등에 자분을 섞어 검사액 형태로 뿌리는 습식법을 사용한다.

이후 육안 검사를 통해 자분 무늬를 확인한다. 형광 자분을 사용한 경우에는 자외선만으로 구성된 빛인 블랙 라이트를 사용하여 검사한다.

3. 1. 자화 방법

• '''연속법'''은 자화전류 또는 여자전류(勵磁電流: 극간법의 경우)를 통전하고 있는 동안에 시험면에 자분 적용을 완료시키는 방법이다. 시험면에 결함이 존재한다면 그 결함에 자분을 잇달아 보내 식별 가능한 자분 모양을 형성시킨 후에 시험면 위에서의 자분의 움직임을 정지시킨다. 연속법에서 자분의 적용 시간은 자분이나 검사액(액체에 자분을 분산 현탁시킨 것)이 통전봉에서 시험면 위를 흐르고 있는 시간을 의미한다. 이 시간은 결함에 흡착되어 축적되는 자분의 양, 즉 결함 자분 모양의 형성을 현저하게 좌우한다. 적용 시간이 짧으면 명료한 결함 자분 모양이 얻어지지 않거나 결함 자분 모양이 나타나지 않을 수도 있다. 통전을 정지하면 결함에 자분의 흡착력이 약해지며, 검사액이 흐름으로 해서 결함 자분 모양이 지워져 버릴 우려가 있기 때문에 통전을 정지하고 나서 검사액을 시험면에 흐르도록 해서는 안 된다. 통전 중에 자분의 적용 시간이 어느 정도 필요한가는 자속의 흐름 상태, 자분의 종류 및 검출해야 할 결함의 종류와 크기에 따라 다르다. 어떠한 결함이 존재할지 알 수 없을 경우에는 가장 검출하기 어려운 결함이 존재함을 가정해서 충분한 시간을 확보해야 한다. 통상 검사액이 자화된 동일 개소에 대해서 형광 자분의 경우는 적어도 3초, 비형광 자분의 경우는 5초 이상 천천히 흐르고 있을 필요가 있다.

• '''잔류법'''은 자화전류 또는 여자(勵磁)전류로 직류를 사용하여 통전을 정지하고 나서 시험면에 자분을 적용하며 결함에 자분 모양이 형성된 후에 자분의 적용을 끝내는 방법이다. 자화 전류 또는 여자 전류의 통전 시간은 정해진 직류값이 확인될 수 있다면 짧은 것이 좋고 일반적으로 1초 이하이다. 자분의 적용 시간은 연속법의 경우와 마찬가지로 자속의 흐름 상태, 자분의 종류 및 검출해야 할 결함의 종류와 크기에 따라 다르지만 일반적으로 연속법에 비해서 약간 길게 해주는 편이 좋다. 단, 이 적용 시간은 자분의 적용 시 유체(流體)의 속도가 늦은 적용 상태가 유지되고 있을 경우이다. 유속이 빠르면 연속법의 경우와 마찬가지로 검출하기 어려운 결함의 자분 모양은 어느 정도 적용 시간이 길어도 형성되기 어렵다. 또 자화 전류를 통전하고 나서 자분 적용을 끝낼 때까지 그 사이에는 시험면에 강자성체를 접촉시키지 않도록 해야 한다. 만약 접촉이 되면 자기 펜적(磁氣pen跡)이라는 유사 모양(결함이 아닌데도 나타나는 자분 모양을 말함 : 의사 모양이라고도 함)이 나타나며, 그것을 결함으로 오인할 수 있으므로 주의할 필요가 있다. 또, 코일법에서는 일반적으로 이음철봉(Head)이 쓰이는데 이 경우에 있어서 자분의 적용은 시험체의 이음철봉(Head)을 접속시킨 그대로의 상태에서 행해야만 한다.

3. 2. 전류의 종류

• '''교류(AC)''': 일반적으로 표면 불연속을 감지하는 데 사용된다. 스킨 효과로 인해 표면 아래 불연속 감지에는 제한적이다. 전류는 초당 50~60 사이클로 극성이 바뀌므로 시험 대상 표면 아래로 깊이 침투하지 못한다. 자기 영역은 AC 전류가 부품에 침투하는 거리와 동일하게 정렬된다. 교류의 주파수는 침투 깊이를 결정한다.
• '''전파 DC (FWDC)''': AC가 충분히 깊이 침투할 수 없는 표면 아래 불연속을 감지하는 데 사용된다. 자기 침투량은 부품을 통과하는 전류량에 따라 달라진다. 단면이 매우 큰 부품에서는 부품을 효과적으로 자화하는 데 제한적이다.
• '''반파 DC (HWDC, 맥동 DC)''': 전파 DC와 유사하게 작동하지만, 표면 파괴 지시를 감지할 수 있으며 FWDC보다 부품에 더 깊이 자기 침투를 한다. HWDC는 시험 대상의 침지 동안 자기 입자를 이동시키는 데 도움이 되므로 검사 과정에 유리하다. 입자 이동성 지원은 반파 맥동 전류 파형에 의해 발생한다. 일반적인 0.5초의 자극 펄스에서 HWDC를 사용하면 15개의 전류 펄스가 있어, 입자가 자기 플럭스 누설 영역과 접촉할 기회를 더 많이 갖게 된다.

3. 3. 자분 적용 방법

• '''연속법'''은 자화전류 또는 여자전류(극간법의 경우)를 통전하는 동안 시험면에 자분 적용을 완료하는 방법이다. 시험면에 결함이 존재하면, 식별 가능한 자분 모양이 형성된 후 자분의 움직임을 정지시킨다. 자분 적용 시간은 결함에 흡착되어 축적되는 자분의 양을 좌우하므로, 충분한 시간을 확보해야 한다. 일반적으로 형광자분은 3초 이상, 비형광자분은 5초 이상 검사액이 천천히 흐르도록 한다.
• '''잔류법'''은 자화전류 또는 여자전류로 직류를 사용하여 통전을 정지한 후 시험면에 자분을 적용하는 방법이다. 자분 적용 시간은 연속법과 마찬가지로 자속의 흐름 상태, 자분의 종류, 검출할 결함의 종류와 크기에 따라 다르지만, 일반적으로 연속법보다 약간 길게 한다. 단, 유속이 느린 적용 상태가 유지되어야 한다.

• 연속법에서 자분 적용 시간이 너무 길면 시험면에 침착하는 자분량이 많아져 자분 모양과 바탕의 대비(Contrast)가 저하되어 결함 식별이 어려워질 수 있다. 특히 형광자분을 사용할 때 주의해야 한다.
• 잔류법에서 자화전류 통전 후 자분 적용 완료 전까지 시험면에 강자성체를 접촉시키지 않도록 주의해야 한다. 자기펜적(의사모양)이 나타나 결함으로 오인될 수 있다.
• 코일법에서는 이음철봉(Head)을 접속시킨 상태에서 자분을 적용해야 한다.

• '''건식법''': 공기 중에 자분을 분산시켜 뿌린다.
• '''습식법''': 물이나 등유 등에 자분을 분산시켜 검사액으로 뿌린다.

4. 장비 및 재료

• 습식 시스템 입자 크기는 물 또는 오일 운반체와 함께 사용하기 위해 0.5마이크로미터 미만에서 10마이크로미터까지이다. 습식 시스템에 사용되는 입자는 365 nm (자외선 A)에서 형광을 내는 안료가 적용되어 적절한 검사를 위해 부품 표면에서 1000 μW/cm² (10 W/m²)가 필요하다. 입자에 암실에서 올바른 조명이 적용되지 않으면 입자를 감지/볼 수 없다. 형광 입자가 생성하는 자외선을 필터링하고 가시광선 스펙트럼(일반적으로 녹색 및 노란색)을 증폭하기 위해 UV 고글/안경을 사용하는 것이 업계 관행이다. 녹색 및 노란색 형광이 선택된 이유는 인간의 눈이 이러한 색상에 가장 잘 반응하기 때문이다.^[3]

• 건식 입자 분말은 5~170마이크로미터 크기로, 백색광 조건에서 보이도록 설계되었다. 입자는 습식 환경에서 사용하도록 설계되지 않았다. 건식 분말은 일반적으로 수동 공기 분말 살포기를 사용하여 적용한다.^[3]
• 에어로졸 적용 입자는 헤어 스프레이와 유사한 사전 혼합 에어로졸 캔으로 판매되는 습식 시스템과 유사하다.^[3]

5. 검사 절차

일반적인 자분 탐상 검사 절차는 다음과 같다.^[3][4]

# 전처리: 시험체 표면에 부착된 기름, 도료, 녹 등을 용제로 제거하고 건조시킨다.

# 자화: 시험체를 자화시킨다. 자화 방법에는 여러 가지가 있으며, 시험체의 형상, 크기, 예상되는 결함의 종류 등을 고려하여 적절한 방법을 선택한다.

# 자분 적용: 자화된 시험체에 자분을 적용한다. 자분은 건식 자분 또는 습식 자분(검사액)을 사용할 수 있다.

# 검사: 시험체 표면에 형성된 자분 무늬를 관찰하여 결함의 유무, 위치, 크기 등을 확인한다. 형광 자분을 사용한 경우에는 블랙 라이트(자외선 램프)를 사용하여 검사한다.

# 탈자: 시험체에 남아있는 자기를 제거한다.

# 후처리: 시험체 표면에 남아있는 자분이나 검사액을 제거한다.

자화 방법에는 크게 연속법과 잔류법이 있다.

• 연속법: 자화 전류를 계속 통전시킨 상태에서 자분을 적용하는 방법이다. 결함에 자분이 흡착되어 축적되는 양이 많아져서 미세한 결함 검출에 유리하다. 형광 자분의 경우, 자분 적용 시간을 너무 길게 하면 시험면이 자분으로 오염될 수 있으므로 주의해야 한다. 일반적으로 형광 자분은 3초 이상, 비형광 자분은 5초 이상 검사액이 시험면 위를 천천히 흐르도록 한다.
• 잔류법: 자화 전류를 차단한 후, 시험체에 남아있는 잔류 자기를 이용하여 자분을 적용하는 방법이다. 일반적으로 직류를 사용하며, 통전 시간은 1초 이하로 짧게 한다. 자분 적용 시간은 연속법보다 약간 길게 하는 것이 좋다.

6. 장점 및 단점

자분 탐상 검사는 강자성체 재료의 표면 및 표면 바로 밑 결함을 찾는 데 효과적인 비파괴 검사 방법이다. 하지만 몇 가지 장점과 단점을 가지고 있다.
장점:

• 표면 및 표면 직하 결함을 효과적으로 탐지할 수 있다. 특히, 미세한 균열도 찾아낼 수 있다.^[3]
• 검사 방법이 비교적 간단하고 빠르다.
• 검사 비용이 비교적 저렴하다.
• 다양한 형태와 크기의 재료에 적용할 수 있다.

• 강자성체 재료에만 적용할 수 있다. 즉, 철강 재료 등에는 사용할 수 있지만, 비철금속 재료에는 사용할 수 없다.
• 자화(磁化)가 필요하며, 검사 후에는 탈자(脫磁) 과정을 거쳐야 한다.^[4]
• 균열과 자속의 방향이 평행하면 결함을 찾기 어렵다. 따라서 균열과 직각 방향으로 자속을 가해야 한다.^[3]
• 표면 거칠기나 형상에 따라 결함 신호와 유사한 무늬(비관련 지시)가 나타날 수 있어, 숙련된 검사자가 판독해야 한다.
• 깊은 곳에 있는 결함은 탐지하기 어렵다.

7. 관련 표준

참조

_[1] 서적 Principles of Magnetic Particle Testing http://wiki.magwerks[...] American Society for Nondestructive Testing 2010-03-02
_[2] 웹사이트 What Is MPI (Magnetic Particle Inspection)? https://thegraduatee[...] The Graduate Engineer 2021-11-02
_[3] 문서 軸通電法、直角通電法、ブロット法、コイル法、極間法、電流貫通法、磁束貫通法で材料の形状や予想されるクラックに応じて選択する。
_[4] 문서 直流脱磁と交流脱磁の2つがある