라멜라티어

왜 배우는가: 라멜라티어는 강구조물 용접 이음에서 모재 내부에 생기는 대표적인 결함으로, 육안으로 발견하기 어렵고 구조 안전에 직결된다. 필릿 이음과 T이음처럼 두께 방향 응력이 큰 이음에서 특히 문제가 되므로 원인과 대책을 구조적으로 이해해야 한다. 시험에서는 원인, 방지책, 검사법을 함께 묻는 경우가 많다.

출제 이력: 제129회 4교시 6번, 제111회 3교시 3번, 제101회 2교시 2번, 제95회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

라멜라티어는 압연 강재의 두께 방향 연성이 낮은 상태에서 용접 수축 응력이 판 면에 수직으로 작용하여 모재 내부에 층상으로 생기는 균열이다.

이 정의 한 문장이 답안의 첫 줄이 된다. 답안을 구성할 때 필요한 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 라멜라티어: 압연 방향과 나란한 층상 모양으로 모재 내부에 생기는 균열을 가리키는 명칭이다.
• 두께 방향 연성: 판 두께 방향으로 인장력을 받을 때 재료가 변형을 견디는 능력이며, 라멜라티어 감수성을 가르는 기준이다.
• 황화물 개재물: 압연 과정에서 길게 늘어난 비금속 개재물로, 균열이 시작되는 출발점이 된다.
• 수축 응력: 용접 금속이 냉각되면서 판재를 잡아당기는 응력으로, 판 면에 수직으로 작용한다.
• T이음·모서리이음: 용접 융합선이 압연면과 평행하게 놓여 라멜라티어에 가장 취약한 이음 형상이다.
• Z방향 특성: 판 두께 방향 단면수축률로 나타내는 강재의 품질 지표이다. Z25 등급은 판 두께 방향 단면수축률 25% 이상을 요구한다.
• 저황강: 황 함량을 극저 수준으로 낮춘 강재로, 라멜라티어 방지의 기본 대책이다.
• 버터링: 취약한 면에 연성이 높은 용접 재료를 먼저 덧입혀 응력을 흡수하게 하는 방법이다.

2. 개념 풀이

라멜라티어의 정식 정의는 다음과 같다. 압연 가공된 강판의 두께 방향으로 용접 수축에 의한 인장 응력이 작용할 때, 비금속 개재물을 따라 모재 내부가 층상으로 분리되는 균열 현상이다. 이 정의에서 핵심은 균열이 용접 표면이 아니라 모재 내부에서 시작한다는 점이다. 그래서 표면 검사만으로는 발견하기 어렵다.

원리는 재료의 내부 구조와 응력 방향의 결합으로 설명된다. 강을 압연하면 황화물 개재물과 산화물 같은 비금속 개재물이 압연 방향으로 길게 늘어나 얇은 층을 이룬다. 판 두께 방향은 이 층을 가로지르는 방향이므로 이 방향의 연성과 인장 능력이 크게 떨어진다. 개재물과 기지의 계면은 인장 응력을 받으면 쉽게 분리되고, 분리된 미세 공동이 서로 연결되면서 계단 모양의 균열로 성장한다.

용접 조건은 이 응력을 만든다. 용접 금속은 냉각되면서 수축하고, 연결된 판재가 그 수축을 구속하므로 판 두께 방향으로 구속 응력이 생긴다. 필릿 이음이나 T이음처럼 판 면에 수직으로 수축 하중이 걸리는 구조에서 이 응력이 집중된다. 즉 용접 자체가 결함을 만드는 것이 아니라, 두께 방향 취약성과 구속 응력이 겹칠 때 균열이 발생한다.

라멜라티어는 맞대기 이음에서도 생길 수 있지만, 용접 융합선이 압연면과 평행한 T이음과 모서리이음에서 가장 취약하다. 이 형상에서는 수축 응력이 취약한 두께 방향으로 직접 작용하기 때문이다. 수소 함량이 과다하면 라멜라티어를 촉진하는 보조 원인이 된다.

라멜라티어는 저온균열과 구분해야 한다. 저온균열은 용접열영향부의 경화 조직, 확산성 수소, 잔류응력이 겹쳐 생기는 균열인 반면, 라멜라티어는 모재의 개재물과 두께 방향 응력이 원인이다. 발생 위치와 기구가 다르므로 두 균열을 같은 것으로 생각하는 오류이다. 라멜라티어는 모재 내부에서 시작하여 표면 용접 조건만 바꿔서는 해결되지 않는다는 점에서 별도의 대책이 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조물이 대형화되면서 용접 이음의 비중이 커졌다. 리벳 이음을 대체한 용접은 이음 효율과 경제성이 높지만, 두꺼운 압연 강판을 직각 방향으로 접합하는 구조를 늘렸다. 조선, 교량, 플랜트 구조물, 건축 기둥과 보의 접합부처럼 판 두께가 큰 부재에서 필릿 이음과 모서리 이음이 많이 쓰인다.

이런 구조에서는 용접 수축이 판 두께 방향으로 크게 작용한다. 설계 응력이 충분하더라도 재료의 두께 방향 특성이 부족하면 용접 후 내부 균열이 생길 수 있다. 이 때문에 라멜라티어는 용접 기술의 문제이면서 강재 선정과 이음 설계의 문제로 함께 다뤄진다.

강재 내부의 황은 철과 결합하여 길게 늘어나는 황화물 개재물을 만들기 쉽다. 과거에는 제강 기술의 한계로 황 함량이 높은 강재가 많이 생산되었다. 1970년대 이후 제강 공정이 개선되어 황 함량 관리가 강화되면서 라멜라티어의 발생 빈도가 크게 줄었다. 황 함량을 0.005% 이하로 낮추면 라멜라티어를 줄일 수 있다. 다만 두께가 큰 후판을 쓰는 대형 구조물에서는 여전히 설계 단계에서 고려해야 할 결함이다.