용접 변형

왜 배우는가: 용접 변형은 구조물의 치수 정밀도와 품질을 좌우하여 현장에서 교정과 재작업을 늘리는 문제이다. 원인, 방지대책, 교정을 함께 묻는 주제이므로 기초 개념을 정확히 잡아 두어야 한다.

출제 이력: 제134회 3교시 4번, 제110회 4교시 5번, 제96회 1교시 10번, 제89회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 변형은 용접열에 의한 불균일한 가열·냉각과 용착금속의 수축으로 구조물의 형상과 치수가 설계와 달라지는 현상이다.

용접 변형은 용접 중 발생한 열응력과 소성변형이 용접 후에도 남아 부재의 모양과 치수를 영구적으로 바꾸는 현상이다. 용접 변형이 허용 범위를 넘으면 부재 간 끼움이 맞지 않아 조립이 어렵고, 교정 작업이 추가되어 공사비와 공기가 늘어난다. 따라서 용접 변형은 설계 단계와 시공 단계에서 함께 관리해야 하는 품질 항목이다. 변형의 방향과 크기는 용접 방법, 입열량, 구속 조건, 용접 순서에 따라 달라진다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 용접 변형: 용접 열과 수축으로 부재의 형상, 치수, 위치가 바뀌는 현상 전체를 가리킨다.
• 횡수축: 용접선에 직각인 방향으로 생기는 수축이다. 맞대기 용접에서 용접선 폭이 좁아지는 형태로 나타난다.
• 종수축: 용접선 방향으로 생기는 수축이다. 용접선이 긴 부재에서 전체 길이를 줄이는 방향으로 작용한다.
• 각변형: 용접부 두께 방향으로 판이 V자 모양으로 벌어지거나 접히는 변형이다.
• 회전변형: 부재가 축 주위로 비틀리거나 회전하는 변형으로, 비틀림 변형이라고도 한다.
• 좌굴변형: 얇은 판에 압축 잔류응력이 작용하여 물결 모양으로 휘어지는 변형이다.
• 잔류응력: 외력이 작용하지 않는 상태에서도 부재 내부에 남아 있는 응력이다.

2. 개념 풀이

용접 변형은 국부 가열과 냉각이 반복되는 용접 과정에서 열응력과 용착금속의 수축이 부재의 형상과 치수를 바꾸는 현상으로 정의된다. 용접 입열이 집중된 부위는 팽창하려 하지만 주변의 차가운 모재에 구속되어 압축 소성변형을 받는다. 냉각 과정에서 이 부위는 원래 길이보다 짧아진 상태로 수축하려 하는데, 주변 구속 때문에 인장 잔류응력이 남고 부재 전체에 굽힘이나 비틀림 형태의 변형이 생긴다. 즉 용접 변형의 근본 원인은 가열 영역과 주변 모재의 온도 차이이며, 이 차이가 클수록 변형도 커진다.

용접 변형의 과정은 다음 순서로 진행된다.

• 아크가 국부를 가열하면 용접부와 인접 모재가 팽창하고, 고온 영역의 항복강도가 낮아진다.
• 팽창이 주변 구속으로 막히면 가열 영역에 압축 소성변형이 생긴다.
• 냉각 시 압축 소성변형 영역이 수축하면서 인장 잔류응력이 발생한다.
• 상온에서 구속이 남아 있는 상태가 되어 횡수축, 각변형, 좌굴변형 등의 최종 변형으로 나타난다.

용접 입열량은 단위 길이당 모재에 공급되는 열량으로, 변형의 크기를 가늠하는 대표 지표이다. 입열량은 아크 전압과 전류의 곱에 비례하고 용접 속도에 반비례하며, 다음 식으로 구한다.

$H = η · 60EI ÷ v$

여기서 H는 입열량(J/cm), η는 아크 효율, E는 아크 전압(V), I는 용접 전류(A), v는 용접 속도(cm/min)이다. 입열량이 커지면 가열 범위가 넓어지고 수축량이 커지므로, 입열량을 낮추는 것이 변형 방지의 기본이다. 다만 입열량이 너무 작으면 용입이 부족하므로 변형 저감과 용접 품질을 함께 고려해야 한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 소성변형: 힘이 제거된 뒤에도 재료에 남는 영구 변형이다. 용접 변형은 고온 영역에서 생긴 압축 소성변형이 냉각 후 남아 나타난다.
• 구속도: 부재가 자유롭게 변형하지 못하도록 막는 정도이다. 구속이 크면 변형은 줄지만 잔류응력은 커지는 상충 관계가 있다.
• 역변형법: 수축을 예상하여 용접 전에 반대 방향으로 미리 변형시켜 두는 방법이다. 용접 후 수축이 이 변형을 상쇄하여 최종 형상이 설계와 맞게 된다.

변형의 방향은 용접선의 위치와 부재 형상에 따라 정해진다. 맞대기 용접은 횡수축과 각변형이 주로 나타나고, 필릿 용접은 한쪽으로 휘는 굽힘 변형이 두드러진다. 긴 용접선은 종수축이 누적되어 부재 길이가 짧아지며, 얇은 판은 강성이 낮아 좌굴변형이 쉽게 생긴다. 같은 용접이라도 구속이 강한 부재에서는 변형이 작은 대신 잔류응력이 크게 남으므로, 두 현상은 한쪽을 줄이면 다른 쪽이 커지는 관계로 이해해야 한다. 따라서 변형 형태를 먼저 판별해야 방지대책을 고를 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 리벳이나 볼트에 비해 연속적인 접합이 가능하고 재료를 절감할 수 있어 철골, 선박, 압력용기, 차량 등에서 널리 쓰인다. 구조물이 대형화되고 고강도강과 박판 사용이 늘면서 용접 변형을 관리하는 요구가 커졌다. 고강도강은 열처리와 입열 조건에 민감하고, 박판은 강성이 낮아 작은 열응력에도 좌굴변형이 발생하기 쉽다.