고온(700℃) 진동시험에서 열전대 온도와 유효 모달 온도의 차이 - LDV 기반 공진주파수 해석, 코팅 유무에 따른 고온 물성평가

키워드

확장요약문

700 ℃ 이상의 고온 진동시험에서 접촉식 가속도계 부착 시 부가질량 및 신호 왜곡, 시편 내부 온도 측정의 어려움으로, 진동 응답은 레이저 도플러 진동계(LDV)로, 온도는 시편 표면에 점용접한 열전대로 계측하는 방법이 일반적이다. 그러나 표면 한 점의 열전대 온도가 시편 전체의 강성 상태를 대표하는지는 확인된 바가 적다. 본 연구에서는 LDV 계측의 신뢰성을 확인한 뒤, 측정된 고온 공진주파수를 만족하는 시편의 균일 온도, 즉 유효 모달 온도를 표면 열전대 온도와 비교하였다. 시편은 SUS304, STS316, IN617·IN625 코팅 STS316의 2볼트 고정 외팔보 4종(길이 200 mm, 두께 9.54~10.04 mm)이다. 단열박스 복사가열로 표면 열전대 온도를 700~720 ℃로 유지하면서 랜덤 가진(4.9~11 G rms)을 가하고, 고정단에서 188 mm 위치의 응답을 LDV로 계측하였다. 상온에서 가속도계와 LDV의 1차 공진주파수는 254.599 Hz로 일치하여 LDV 계측의 신뢰성을 확인하였다. 고온에서 공진주파수는 상온 대비 8.3~9.9 % 낮아졌는데(Table 1), 이는 표면 온도 710 ℃를 기준으로 예측한 하락률(−14.1 %)보다 작다(Fig. 1). 공진주파수가 탄성계수의 제곱근에 비례하는 관계로부터 구한 유효 모달 온도는 512~556 ℃로, 표면 열전대 온도보다 140 ℃ 이상 낮았다. 이는 1차 굽힘 모드의 강성이 변형에너지가 집중되는 고정단 부근, 즉 상대적으로 온도가 낮은 구간의 탄성계수에 지배되기 때문으로 판단된다. Qiu 등(2026)이 수행한 TA15 티타늄 외팔보의 고온 진동시험 결과를 같은 방식으로 역산한 경우에도, 목표 온도 500 ℃에서 유효 모달 온도가 383 ℃로 낮게 나타났다. 아울러 4개 시편은 모두 응력 최대점이 아닌 열전대 점용접부에서 손상되어, 열전대 부착 방식 또한 시험 결과에 영향을 줄 수 있음을 확인하였다. 결론적으로 표면 열전대 온도를 시편 온도로 그대로 사용하면, 시험 결과를 실제보다 높은 온도의 결과로 해석할 수 있다. 따라서 고온 진동시험에서는 온도 구배를 고려한 다점 계측이나 비접촉 온도 계측을 병행하고, 유효 모달 온도로 시험 온도를 보정하는 방안을 검토할 필요가 있다.