철골 용접 변형

왜 배우는가: 철골 용접변형은 용접 열과 수축으로 부재 치수와 형상이 틀어져 현장 시공 정밀도와 구조 안전성을 떨어뜨리므로 실무에서 반드시 통제해야 한다. 기술사 시험에서는 원인, 종류, 방지대책을 묻는 문제로 반복 출제되어 답안 구조를 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제119회 2교시 3번, 제115회 3교시 2번, 제93회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 철골 용접변형은 용접 열에 의한 국부 가열과 용착금속의 냉각 수축으로 부재의 형상과 치수가 설계와 달라지는 현상이다.

핵심 키워드

• 용접변형
• 열팽창과 수축
• 잔류응력
• 입열량
• 횡수축
• 종수축
• 각변형
• 역변형법

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 용접하는 곳이 뜨거워졌다가 식으면서 줄어들고, 그 줄어든 힘 때문에 강재가 휘거나 뒤틀리는 현상이다. 용접은 접합부의 금속을 녹여 붙이는 방법이므로 가열과 냉각이 반드시 따른다. 가열된 금속은 팽창하고 식으면서 수축하는데, 주변의 차가운 모재가 이 수축을 구속하여 내부에 잔류응력이 남는다. 잔류응력이 부재의 강성과 평형을 넘으면 변형이 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 용접변형은 용접 중 발생하는 열분포와 용착금속의 수축에 의해 부재에 생기는 영구적인 치수 및 형상 변화를 말한다. 이때 생기는 잔류응력은 용접부 주변의 탄성 및 소성 변형이 해소되지 않은 상태로 남은 응력이다.

핵심 용어를 설명하면 다음과 같다. 입열량은 단위 길이당 용접 기기가 모재에 전달한 열량으로, 전류·전압·용접속도로 결정된다. 입열량이 클수록 가열 폭이 넓어지고 수축량이 커진다. 횡수축은 용접선에 직각 방향으로 생기는 수축이고, 종수축은 용접선 방향의 수축이다. 각변형은 용접선을 축으로 판이 접힌 각도 형태로 뒤틀리는 변형이다.

용접변형은 열과 구속이 함께 작용한 결과다. 같은 입열이라도 부재가 얇거나 구속이 적으면 큰 변형이 생기고, 구속이 크면 잔류응력이 커진다. 따라서 답안에서는 변형의 크기보다 발생 메커니즘을 먼저 쓰는 것이 채점에 유리하다.

3. 등장 배경과 필요성

철골구조는 공장에서 제작한 부재를 현장에서 용접으로 접합하는 경우가 많다. 현장 용접은 자세와 환경이 제한되어 입열 관리가 어렵고, 부재가 길고 두꺼울수록 수축량이 누적된다. 변형이 생기면 기둥의 수직도와 보의 수평도가 맞지 않아 볼트 구멍이 어긋나고, 조립 공기가 늘며, 부재를 억지로 맞추면 잔류응력이 더 커진다.

이 문제는 철골 공장제작 품질관리와 현장 건립 정밀도에 직접 연결된다. 철골공사표준안전작업지침은 건립 중 도괴와 탈락을 막기 위해 가보울트 체결과 건립 순서 계획을 요구하는데, 용접변형이 크면 이 계획 자체가 흔들린다. 따라서 용접변형은 품질 문제이면서 동시에 건립 안전의 문제다.

또한 용접접합은 강재 절감과 응력 전달의 장점이 있어 널리 쓰인다. 그러나 열에 의한 모재 변형은 용접접합의 대표적 단점으로 꼽히므로, 설계 단계부터 용접량과 순서를 줄이는 것이 필요하다. 이러한 배경이 시험에서 원인과 대책을 함께 묻는 이유다.

4. 구성요소·원리·절차

철골 용접변형은 용접부의 국부 가열과 냉각 수축이 부재 전체에 잔류응력과 변형을 남기는 현상이다. 아래 표는 변형을 구성하는 요소와 각 요소가 생기는 원리를 정리한 것이다.

표의 네 요소는 서로 얽혀 있다. 입열이 커지면 용접금속과 HAZ의 수축량이 커지고, 구속이 있으면 그 수축이 응력으로 남는다. 따라서 방지대책은 입열 제어와 구속 제어를 함께 써야 한다.

용접변형의 원리는 다음과 같다. 용접부는 가열되어 팽창하고 냉각되며 수축한다. 이때 주변 모재가 수축을 막으면 잔류응력이 생기고, 이 응력이 부재를 휘게 하거나 뒤틀게 한다. 수축량은 용접 단면적에 비례하고, 용접부가 부재 중립축에서 멀수록 굽힘 모멘트가 커진다.

변형은 입열량과 구속 조건의 곱에 비례하여 커진다

용접 절차는 시공 측면에서 다음 순서로 관리한다.

• 상세도에서 용접 길이와 개선 형상을 확인하고 용접량을 산정한다.
• 입열량이 작은 용접법과 적정 전류·속도를 정한다.
• 역변형값을 계산하여 가공 단계에서 미리 반대로 변형시킨다.
• 지그와 가고정으로 부재를 구속하고 용접 순서를 정한다.
• 대칭 용접과 블록 단위 용접으로 변형을 상쇄한다.
• 용접 후 변형을 측정하고 필요 시 가열 교정을 실시한다.

5. 관련 법령·기준·표준

용접변형 자체를 직접 규정한 수치 기준은 「철골공사표준안전작업지침」에 없다. 지침은 용접 설비와 현장 용접의 계획 사항을 다룬다. 아래 표는 지침에 명시된 관련 조항과 기준값을 정리한 것이다.

지침은 용접 설비와 작업 환경을 기준으로 한다. 변형 제어의 세부 수치는 시공사의 용접절차서(WPS)와 설계도서를 따른다. 외국 기준에서는 용접 입열량과 변형량의 관계를 실험으로 정한다. 국내 답안에서는 지침 조항과 WPS 적용을 함께 적는다.

개정 연혁으로는 지침이 제17조에 재검토 기한을 두어 3년마다 타당성을 검토하도록 정했다.

6. 유형과 비교

철골 용접변형은 변형의 방향과 형태에 따라 종수축, 횡수축, 각변형, 휨(bowing)·접시변형(dishing), 좌굴변형 등으로 나눈다. 같은 용접이라도 변형 형태가 다르므로 원인과 대책을 구분해서 써야 답안이 명확해진다.

위 표에서 맞댐 이음의 횡수축과 필릿 이음의 각변형을 구분하는 것이 핵심이다. 답안에서는 발생 위치와 형태를 함께 적는다.