용접 잔류응력 완화

왜 배우는가: 용접 잔류응력은 구조물의 피로강도, 응력부식균열, 치수 정밀도에 직접 영향을 주어 기계안전 설계와 제작 품질의 핵심 쟁점이다. 시험에서도 발생 원인, 경감·완화 방법, 측정법을 묶어 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제133회 2교시 6번, 제121회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 잔류응력은 용접 후 외력이 없는 상태에서 용접부와 주변 모재에 남아 있는 내부 응력으로, 불균일한 가열·냉각에 의한 수축 차이로 생긴다.

• 잔류응력
• 열팽창·수축
• 열영향부(HAZ)
• 응력 완화(풀림)
• 구속(구속응력)
• 용접 입열
• 피로강도 저하

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 용접하면서 뜨거워진 부분이 식으면서 줄어들려 하는데 주변이 붙잡고 있어서 식은 뒤에도 쇠 안에 힘이 남아 있는 상태다. 이 힘이 잔류응력이다.

정식 정의는 다음과 같다. 잔류응력은 외부 하중을 제거한 뒤에도 재료 내부에 평형을 이루며 남아 있는 응력이다. 용접 잔류응력은 용접 금속과 열영향부의 국부 가열, 용융, 냉각 과정에서 생기는 열응력과 변태응력, 그리고 구속 조건이 합쳐져 만들어진다.

열팽창·수축 차이가 가장 근본적인 원인이다. 용접부는 용융 온도 부근까지 가열되어 팽창하려 하지만 주변 저온 모재가 이를 막는다. 이때 용접부에는 압축응력이 생기고, 냉각되면서 수축할 때 인장 잔류응력이 남는다. 용접 금속과 HAZ 는 항복점 부근까지 응력이 올라가므로 잔류응력이 대개 재료의 항복강도 수준까지 도달할 수 있다.

열영향부(HAZ) 는 용접 금속 주변에서 조직이 변한 모재 영역이다. 이 영역은 변태와 경화가 함께 일어나 응력 분포가 복잡해진다. 구속 은 용접부 이동을 막는 지그, 강성 높은 설계, 두꺼운 판의 자체 구속이다. 구속이 클수록 변형은 줄지만 잔류응력은 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 국부적으로 높은 온도를 가하는 공정이라 가열 구간과 비가열 구간의 온도차가 크다. 이 온도차가 잔류응력을 만드는 출발점이다. 과거 대형 압력용기와 선박, 교량에서 용접부 균열과 취성파괴 사고가 보고되면서 잔류응력을 줄이거나 제거하는 기술이 필요해졌다.

잔류응력은 외부 하중과 겹쳐 실제 작용 응력을 높인다. 인장 잔류응력 영역에서는 피로균열 발생과 진전이 빨라지고, 응력부식균열과 수소 유기균열도 촉진된다. 반대로 압축 잔류응력은 피로 수명을 늘리는 방향으로 작용하기도 한다. 따라서 잔류응력의 크기와 부호를 함께 관리해야 한다.

치수 측면에서도 중요하다. 잔류응력이 재분배되면 시간이 지나거나 가공 중에 변형이 나타나 조립 정밀도가 떨어진다. 그래서 설계 단계에서 용접 순서와 입열을 정하고, 제작 단계에서 예열·후열 처리를 적용하며, 검사 단계에서 측정으로 확인하는 체계가 필요하다.

잔류응력은 완전히 제거하기 어렵다는 점도 기억해야 한다. 응력 완화 방법은 잔류응력을 줄이거나 재분배할 뿐이고, 공정 조건과 재료에 따라 효과가 달라진다. 따라서 경감(시공 단계 저감), 완화(사후 처리), 측정(확인)을 한 묶음으로 설명하는 것이 답안의 기본 구조다.

4. 구성요소·원리·절차

용접 잔류응력 완화는 용접 중 발생한 내부응력을 줄이는 응력 제거 열처리(Stress Relief Heat Treatment) 와 시공 단계의 입열 제어로 나뉜다. 두 방법 모두 금속의 항복강도를 낮추어 탄성 변형으로 남아 있던 응력이 소성 변형으로 풀리게 하는 원리다.

구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 응력 제거 온도에서 재료의 항복강도가 낮아지면 잔류응력이 크리프 거동에 의해 완화된다. 온도를 높일수록, 유지 시간이 길수록 완화율이 커진다. 다만 재료의 상변태 온도 이상으로 가열하면 조직이 바뀌므로 상한 온도가 정해진다.

응력 제거 열처리 절차는 다음과 같다.

• 부재 두께와 재질에 맞는 유지 온도와 유지 시간을 기준서에서 정한다.
• 가열 속도와 냉각 속도를 두께에 따라 정하고, 부재 내 온도 구배를 작게 한다.
• 승온 후 정해진 온도에서 일정 시간 유지한다.
• 노 안에서 서서히 냉각하여 열응력이 새로 생기지 않도록 한다.
• 열처리 후 잔류응력과 경도를 측정하여 확인한다.

시공 단계에서는 용접 순서를 대칭으로 하고, 용접 입열을 낮추며, 백스텝(Back-step) 용접을 적용한다. 이 방법은 열처리를 하지 않아도 잔류응력의 크기를 줄인다.

응력 제거 열처리는 항복강도 저하를 이용해 잔류응력을 완화하는 방법이다.

잔류응력을 완전히 없애는 것은 어렵다. 응력 제거는 대부분 일부만 줄이는 것이다. 완전한 제거를 기대하지 않고 시공 제어와 열처리를 함께 쓰는 것이 일반적이다.

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5. 관련 법령·기준·표준

잔류응력 완화와 관련된 직접적인 법정 기준은 용접 시공 기준서와 설계 규격이다. 여기서는 기준 체계와 대표적인 수치를 정리한다. 법정 열처리 기준은 해당 설계 규격과 제작 규격에 따른다.

응력 제거 열처리 기준은 압력 용기와 배관에서 주로 쓰인다. 두께별 유지 시간과 가열 속도는 설계 규격에 따라 달라진다. 안전과 관련된 기준은 「산업안전보건법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 압력 용기 관련 조문에서 확인할 수 있다.

유지 온도는 재질의 상변태 온도 이하로 제한한다. 이 제한을 넘으면 조직이 바뀌어 기계적 성질이 떨어진다.

6. 유형과 비교

용접 잔류응력 완화와 변형 방지는 시공 단계에서 미리 줄이는 방법과 용접 후에 제거하거나 교정하는 방법으로 나뉜다. 두 방법은 적용 시점과 목적이 다르므로 함께 비교해 두어야 답안에서 혼동하지 않는다.