용접 잔류응력 감소 방안

왜 배우는가: 용접 잔류응력은 구조물의 피로, 응력부식균열, 치수 정밀도에 직접 영향을 주므로 현장 품질관리의 핵심 항목이다. 시험에서는 원인과 방지대책을 묻는 문제가 여러 교시에 걸쳐 나오므로, 발생 억제와 사후 완화를 하나의 흐름으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제138회 4교시 6번, 제123회 1교시 11번, 제116회 3교시 5번, 제111회 3교시 1번, 제102회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 잔류응력은 용접이 끝나 외력이 제거된 뒤에도 용접부와 모재 내부에 남아 있는 응력이다. 답안 첫 줄은 다음 문장으로 시작하는 것이 기본이다.

용접 잔류응력 감소 방안은 발생을 억제하는 설계·시공 대책과 남은 응력을 완화하는 후처리 대책으로 나뉜다.

이 정의에 따라 답안에서 다룰 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 용접 잔류응력
• 구속도
• 입열량
• 예열·층간온도
• 용접순서
• 응력제거 열처리(PWHT)
• 열영향부(HAZ)
• 피닝

이 가운데 입열량, 구속도, 예열·층간온도, 용접순서는 발생 억제 대책에 속하고, 응력제거 열처리와 피닝은 발생한 응력을 줄이는 사후 처리에 속한다. 두 범주를 나누어 쓰면 답안의 논리 구조가 분명해진다.

2. 개념 풀이

용접 잔류응력의 정식 정의는 용접 열에 의한 팽창과 수축이 주변 재료에 구속되어 냉각 후에도 남는 응력이다. 용접 중 용착금속은 가열되면 팽창하고 냉각되면 수축하려 하지만, 주변 모재가 그 거동을 막으므로 자유롭게 움직이지 못한다. 이때 생기는 응력을 용접 잔류응력이라 하며, 비구속 상태의 용접으로 생기는 것과 외부 구속에 의해 생기는 것으로 구분한다.

원리는 열팽창과 구속이 결합된 결과로 설명한다. 용접부는 가열 중 팽창이 막혀 압축응력을 받고, 냉각 중 수축이 막혀 인장 잔류응력이 남는다. 구속이 강할수록 수축이 더 크게 막혀 인장 잔류응력이 커지며, 재료의 항복응력에 가까운 값에 이를 수도 있다. 이 관계는 대략 다음 식으로 나타낸다.

$\sigma \approx E\alpha\Delta T$

여기서 σ는 구속에 의해 생기는 응력(MPa), E는 종탄성계수(MPa), α는 선팽창계수(1/℃), ΔT는 온도 변화(℃)이다. 이 근사식은 강재에 대략 맞으며, 온도 변화가 클수록 응력이 커진다는 점을 보여 준다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 구속도는 이음부가 수축을 막는 정도이다. 판이 두껍거나 주변 구조의 강성이 클수록 구속도가 높아져 잔류응력이 커진다.
• 입열량은 단위 길이당 용접에 공급되는 열량이다. 입열량이 크면 가열 범위와 수축량이 함께 커져 변형과 잔류응력이 증가한다.
• 예열·층간온도는 용접 전 모재의 온도와 각 층 용접 사이의 온도이다. 모재와 용접부의 온도차와 냉각속도를 줄여 수축 차이를 완화한다.
• 응력제거 열처리(PWHT)는 용접 후 부재를 균일하게 가열하여 일정 시간 유지한 뒤 서서히 냉각하는 처리이다. 탄소강의 대표 조건은 600~675℃에서 1시간 유지하는 것이다.
• 열영향부(HAZ)는 용접 열로 조직과 경도가 변한 모재 영역이다. 잔류응력과 경화가 함께 집중되기 쉬운 부위이다.

PWHT는 잔류응력만을 다루는 처리가 아니다. 용접 열로 생긴 미세조직 변화는 경도를 높이고 인성과 연성을 떨어뜨리는데, 적정 열처리로 이를 설계 허용 수준까지 개선할 수 있다. 피닝은 표면에 압축응력을 주어 표면 인장응력의 영향을 낮추는 방법이지만, 피닝은 용접부 경도를 높이므로 많은 기준에서 용접부 적용을 제한한다. 따라서 피닝은 내부 잔류응력을 제거하는 열처리와 역할이 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

구조물의 대형화와 후판·고강도강의 적용이 늘면서 용접 입열량과 구속도가 함께 커졌다. 현장에서는 가용접, 조립 순서, 지그의 구속 조건이 제각각이라 같은 판재라도 잔류응력 수준이 달라진다. 건설기계 프레임처럼 판재를 다층으로 용접하는 부재는 이 문제가 특히 두드러진다.

두꺼운 재료에서는 용접 잔류응력이 허용 수준을 넘어 설계응력을 초과할 수 있으므로, 응력 제어가 구조 안전성의 전제가 된다. 인장 잔류응력은 구조물의 진동, 부식, 취성, 피로를 촉진하는 주요 요인이며, 서비스 중 균열과 전반적인 불안정을 일으킬 수 있다. 또 응력에 의한 변형은 조립 정밀도를 떨어뜨려 치수 불량과 재작업의 원인이 된다.

잔류응력은 완전히 제거하기 어렵다는 점도 대책을 필요로 하는 이유이다. 응력 완화 처리를 적용하더라도 잔류응력을 완전히 없애는 것은 불가능하므로, 발생을 줄이는 설계·시공 대책이 먼저 요구된다. 이때 후처리는 남은 응력을 수용 가능한 수준으로 낮추는 보완 수단이다.