라멜라 티어링

왜 배우는가: 라멜라 티어링은 용접 수축응력이 강판 두께방향으로 작용해 발생하는 취성 균열이라 실무에서 접합부 설계와 강재 선정을 좌우한다. 기술사 시험에서는 1교시 용어와 4교시 원인·대책 논술로 반복해 출제되어 원리와 방지 체계를 정확히 설명할 수 있어야 한다.

출제 이력: 제125회 1교시 13번, 제109회 4교시 4번, 제101회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

라멜라 티어링은 용접 수축응력이 압연 강판의 두께방향으로 작용하여 비금속개재물을 따라 발생하는 층상 균열이다.

• 라멜라 티어링(Lamellar Tearing)
• 두께방향 연성(Through-thickness Ductility)
• 비금속개재물(MnS)
• 수축응력
• T형 필렛 용접 이음
• 저황강·내라멜라 테어링강(Z등급)
• 이음 형상 설계
• 버터링(Buttering)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 두꺼운 강판을 T자형으로 용접할 때 용접부가 식으면서 줄어드는 힘이 강판 두께 방향으로 걸리고, 강판 속 얇은 불순물층이 그 힘에 찢어지는 현상이다. 균열이 종이를 겹쳐 놓은 듯한 층 모양으로 나타나 이름이 붙었다.

정식으로는 압연 강판의 두께방향 연성이 부족한 상태에서, 용접 수축에 의한 인장 변형이 두께방향으로 가해져 MnS 등 비금속개재물을 따라 발생하는 계단형 층상 균열을 말한다. 강재가 압연으로 만들어질 때 개재물이 압연 방향으로 길게 늘어나므로, 판의 면에 수직인 방향의 인성이 낮아진다.

모재의 조직과 응력의 방향이 겹쳐야 발생한다. 응력이 압연 방향과 직각인 두께방향으로 작용하고, 그 방향의 연성이 작을 때 취성적으로 찢어진다. 따라서 같은 용접이라도 강재 품질과 이음 형상에 따라 발생 여부가 달라진다.

황(S) 함량을 낮게 관리하면 발생 위험을 크게 줄일 수 있다. 또한 희토류 원소, 지르코늄, 칼슘을 첨가해 황 개재물의 형태를 구상화하면 두께방향 연성이 좋아진다. 이 원리가 내라멜라 테어링강 생산의 바탕이다.

3. 등장 배경과 필요성

초고층 건물과 대형 철골 기둥이 늘면서 두께 40mm를 넘는 후판을 T형·모서리 이음으로 용접하는 일이 많아졌다. 이때 용접 수축이 구속된 상태로 두께방향에 걸리면서 라멜라 티어링이 실제 문제로 떠올랐다.

1970년대 이후 제강 공정이 바뀌어 황 함량을 낮추면서 발생 빈도는 크게 줄었다. 그럼에도 대형 접합부에서는 여전히 위험하므로, 강재 선정 단계에서 두께방向 연성을 보증하는 강재를 쓰는 것이 필요하다.

국내에서는 후판에 두께방향 연성 보증 등급을 부여한 제품이 쓰이며, 두께 12.5~80mm 범위에 적용하고 ZA, ZB, ZC, ZD 등급으로 구분한다. 이처럼 재료 측면의 대책과 설계·시공 측면의 대책을 함께 쓰는 것이 이 개념의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

라멜라 티어링의 발생은 재료 요인, 용접 구속 요인, 이음 형상 요인이 겹쳐서 일어난다. 세 요인 중 하나라도 줄이면 균열 위험이 낮아진다. 아래 표는 각 요인을 구성요소로 정리한 것이다.

표는 재료와 이음 형상이 주원인임을 보여준다. 수축응력의 방향이 강판 두께 방향과 겹치는 것이 핵심이다.

원리는 다음과 같다. 강판은 압연으로 늘어난 개재물 때문에 두께 방향 연성이 낮다. 용접 후 수축으로 두께 방향 인장변형이 생기면 개재물 주변에서 미세 분리가 생기고, 이것이 서로 이어져 계단 모양의 균열(라멜라 모양)로 진전한다. 균열은 모재 내부에서 발생하므로 표면 육안검사로는 발견이 어렵다.

발생 절차는 다음과 같다.

• 압연 강판에 두께 방향 연성이 낮은 개재물이 존재한다.
• T형 또는 모서리 이음을 용접하여 융합선이 압연면과 평행하게 된다.
• 용접 금속이 냉각되며 두께 방향 수축응력이 발생한다.
• 개재물 주변에서 미세 분리가 생긴다.
• 미세 분리가 연결되어 계단형 균열로 진전한다.

이 과정에서 수축응력이 강판 두께 방향으로 작용하는 것이 라멜라 티어링의 직접 원인은 두께 방향 수축응력이다. 공식은 다음과 같이 나타낸다.

$\sigma_z \approx E\,\varepsilon_z$

\sigma_z는 두께 방향 응력(MPa), E는 탄성계수(MPa), \varepsilon_z는 두께 방향 변형률(무차원)이다. 구속이 클수록 \varepsilon_z가 커져 응력이 증가한다.

도식은 다음 흐름도로 정리한다.

5. 관련 법령·기준·표준

라멜라 티어링을 직접 규율하는 국내 법정 기준은 확인된 범위에서 찾지 못했다. 국내 실무에서는 두께 방향 연성을 보증한 내라멜라 티어링 강재(Z등급 강판)를 사용하는 것이 일반적이다. 강판 등급은 두께 방향 연성 보증 수준에 따라 ZA, ZB, ZC, ZD로 나뉘며, 적용 두께 범위는 12.5~80mm다. 규격 표기는 일반 규격 뒤에 등급을 붙인다(예: KS-SM490A-ZA).

유럽 기준으로는 EN 1993-1-10이 두께 방향 특성과 파괴인성의 선정 지침을 제시한다. 라멜라 티어링의 위험이 큰 용접 제작 과정에 적용한다.

기준 수치는 다음 표로 정리한다.

표의 수치는 강재 제조 측면의 기준이다. 시공 현장에서는 이 값을 설계 도서와 제조 성적서로 확인한다.

개정 연혁으로 본 기준의 방향은 다음과 같다. 1970년대 이후 제강 공정에서 황 사용량을 줄이면서 발생률이 크게 낮아졌다. 따라서 현재는 강재 품질 관리가 가장 핵심 대책이다.

이 절의 기준 수치는 다음과 같이 쓴다. 황 함량은 국내 강재 규격 적용 시 제조사 기준을 따른다.

핵심어는 두께 방향 연성, Z등급 강판, EN 1993-1-10이다.

6. 유형과 비교

라멜라 티어링은 발생 위치와 원인에 따라 여러 형태로 나타난다. 모재 자체의 결함과 용접에 의한 결함을 구분하면 이해가 쉽다. 아래 표는 강재 측면의 종류와 용접 이음 형태에서의 발생 조건을 정리한 것이다.

비금속개재물형은 압연 공정에서 MnS 개재물이 판 면과 평행하게 길게 늘어나 생긴다. 이 때문에 두께방향 연신율과 단면수축률이 낮아져 균열이 쉽게 진행한다.

이음 형태형은 필렛 용접과 완전용입 맞댐 용접 모두에서 발생할 수 있다. 다만 용접 융합선이 압연면과 평행한 T이음과 모서리 이음에서 가장 취약하다. 이 형식은 설계 단계에서 이음 형태를 바꾸는 것으로 위험을 줄일 수 있다.