잔류응력 경감 및 용접변형 교정

왜 배우는가: 용접 잔류응력과 용접변형은 구조물의 강도와 치수 정밀도를 함께 좌우하므로 실무에서 반드시 관리해야 하는 항목이다. 논술형 문항은 경감 방법과 교정 방법을 나란히 묻는 경우가 많아 두 개념의 원리를 함께 알아 두어야 한다.

출제 이력: 제132회 2교시 3번, 제113회 4교시 3번, 제99회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

잔류응력 경감은 용접 후 부재 내부에 남는 응력을 낮추는 조치이고, 용접변형 교정은 이미 생긴 변형을 원래 형상에 가깝게 되돌리는 조치이다.

두 개념은 모두 용접 열이 만든 결과를 다루지만 대상이 다르다. 잔류응력은 눈에 보이지 않는 내부 응력이고, 변형은 부재의 형상과 치수로 드러나는 결과이다. 따라서 경감은 응력 상태를 바꾸는 작업이고, 교정은 형상을 바꾸는 작업이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 용접 잔류응력: 외력이 없는 상태에서 용접 후 부재 내부에 남아 있는 응력이다.
• 용접변형: 용접 열에 의한 수축으로 부재의 형상과 치수가 바뀌는 현상이다.
• 입열량: 단위 길이당 용접부에 공급된 열량으로, 응력과 변형의 크기를 좌우하는 기본 인자이다.
• 구속도: 부재가 수축하는 것을 막는 정도이며, 구속이 커질수록 잔류응력이 커진다.
• 응력제거풀림(PWHT): 용접 후 부재를 가열하여 유지한 뒤 서냉하여 잔류응력을 낮추는 열처리이다.
• 기계적 응력이완(MSR): 진동 등 기계적 에너지를 가해 잔류응력을 낮추는 방법이다.
• 선상가열(Line heating): 판의 한 선을 가열하여 생긴 변형을 이용해 굽힘을 바로잡는 열 교정법이다.

2. 개념 풀이

용접 잔류응력은 용접 열에 의해 재료가 팽창과 수축을 반복하면서 남는 응력이다. 용접금속이 냉각될 때 체적은 수축하려 하지만 주변 모재가 그 움직임을 붙잡기 때문에 자유롭게 줄지 못하고, 이 구속 상태에서 인장 또는 압축의 잔류응력이 부재 내부에 고정된다. 잔류응력은 재료의 항복응력에 가까운 값까지 이를 수 있으므로, 구조물의 진동, 부식, 취성, 피로에 가장 큰 영향을 주는 요인으로 꼽힌다.

용접 잔류응력은 열팽창과 수축이 모재에 구속되어 생기는 응력이다.

잔류응력은 발생 원인에 따라 두 가지로 나뉜다. 비구속 용접으로 생기는 잔류응력은 부재가 자유롭게 수축하면서 생기고, 외부 구속에 의한 잔류응력은 지그나 용접 순서로 부재가 묶인 상태에서 생긴다. 외력이 가해지면 잔류응력의 크기가 변하기도 하므로, 하중을 받는 구조물은 잔류응력과 외력이 겹치는 방향을 함께 검토해야 한다.

잔류응력의 분포는 용접선 부근에서 인장 잔류응력이 크게 나타나고, 용접선에서 멀어질수록 압축 잔류응력으로 균형을 이루는 형태가 일반적이다. 인장 잔류응력은 피로균열과 응력부식균열을 촉진하므로 용접부 설계에서 특히 주의해야 할 영역이다. 같은 용접이라도 판 두께와 이음 형상에 따라 분포가 달라지므로, 이를 고려해 경감 방법을 선택해야 한다.

용접변형은 같은 원리에서 나온다. 가열된 부분은 팽창하려 하지만 주위 저온부가 이를 구속하여 가열부에 압축 소성변형이 생긴다. 이후 냉각되면서 이 부분이 수축하고, 그 결과 가열선에 직교하는 각변형과 면내수축변형이 나타난다. 즉 잔류응력과 변형은 같은 열 사이클이 만든 두 가지 결과이며, 한쪽의 조건을 바꾸면 다른 쪽도 함께 바뀐다.

입열량은 용접 조건으로 정해지는 값으로, 식으로 쓰면 H = 60EI/v이다. 여기서 E는 아크전압(V), I는 아크전류(A), v는 용접속도(cm/min)이고, 단위는 J/cm이다. 입열량이 많을수록 가열 폭이 넓어져 수축량이 커지고, 그만큼 변형과 잔류응력이 증가한다. 따라서 입열을 낮추는 것은 잔류응력 경감의 가장 기본적인 조치가 된다.

구속도는 부재가 수축하지 못하도록 막는 정도로, 구속이 큰 이음은 같은 입열에서도 잔류응력이 크게 남는다. 반대로 구속을 줄이면 변형은 커지지만 잔류응력은 낮아지는 경향이 있다. 구속도가 클수록 잔류응력이 커짐 이 상반 관계 때문에 경감과 교정은 같은 조건에서 동시에 달성하기 어렵고, 목적에 맞는 방법을 골라야 한다.

응력제거풀림은 용접 후 부재를 적정 온도로 가열하여 일정 시간 유지한 뒤 천천히 냉각하는 열처리이다. 가열 온도에서 재료의 항복강도가 낮아져 잔류응력이 소성 변형으로 풀리므로, 잔류응력의 대부분을 제거하거나 줄일 수 있다. 다만 재질에 따라 열처리 온도와 유지 시간 조건이 다르므로, 재질에 맞는 조건을 지켜야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 금속을 국부적으로 가열하여 접합하는 방법이므로 가열과 냉각에 따른 수축을 피할 수 없다. 용접 공법이 다양해지면서 피복아크용접, 가스용접, 자동 용접 등은 입열량과 가열 폭이 서로 달라지고, 이에 따라 잔류응력과 변형의 크기도 달라진다. 이런 특성 때문에 용접 공정에서 응력과 변형을 함께 관리하는 기술이 필요해졌다.