용접 잔류응력

왜 배우는가: 잔류응력은 균열, 변형, 취성파괴, 피로강도에 직접 영향을 주므로 용접 구조물의 설계와 품질 관리에서 기본이 되는 개념이다. 4개 회차에 걸쳐 반복 출제된 개념이므로 정의, 원리, 영향, 저감법을 하나의 흐름으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제138회 3교시 3번, 제135회 3교시 6번, 제111회 2교시 4번, 제87회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 잔류응력은 외력과 온도 구배가 사라진 뒤에도 용접부와 모재 안에 남아 자체 평형을 이루는 응력이다.

잔류응력은 외부에서 힘을 가하지 않은 상태에서 재료 내부에 존재하는 응력이므로, 용접 공정의 열이력과 구속 조건에 따라 그 크기와 분포가 결정된다. 답안에서는 정의 문장 다음에 열이력과 구속을 연결해 쓰는 것이 기본이다.

답안에 필요한 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 잔류응력: 외력 없이 재료 내부에 남아 힘의 평형을 이루는 응력이다.
• 열응력: 불균일한 온도 분포로 팽창과 수축이 구속되어 생기는 응력이다.
• 구속도: 모재가 용접부의 수축과 변형을 막는 정도이며, 잔류응력의 크기를 좌우한다.
• 열영향부(HAZ): 용접 열로 조직과 기계적 성질이 변한 모재 부분이다.
• 인장 잔류응력: 용접부 부근에 남는 인장 방향의 잔류응력이다.
• 용접후열처리(PWHT): 용접 뒤 부재를 가열·유지하고 제어 냉각하여 잔류응력을 낮추는 열처리이다.
• 기계적 응력이완(MSR): 소성변형을 일으켜 잔류응력을 재분배하고 감소시키는 기계적 방법이다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 외부 하중과 온도 구배가 모두 제거된 뒤에도 용접부와 모재 안에 남아 힘과 모멘트의 평형을 이루는 응력이다. 외력이 없는 상태에서도 존재하므로 외력에 의한 응력과 구별하여 잔류응력이라 부르며, 용접 후에도 구조물의 거동에 계속 작용하는 것이 핵심이다.

원리는 용접 열원의 국부 가열에서 출발한다. 아크열은 용접 금속과 열영향부를 고온으로 가열하고, 가열된 부분은 팽창하려 하지만 주변의 차가운 모재가 이를 막는다. 이때 구속도가 높을수록 팽창이 자유롭지 못해 가열부에 국부 소성변형이 생긴다.

냉각 단계에서는 용접부가 수축하려 하지만 모재가 수축을 구속하므로, 용접부에는 인장 잔류응력이 남는다. 인장 잔류응력은 용접선 부근에서 재료의 항복강도에 가까운 값까지 이를 수 있으며, 단면 전체에서 힘과 모멘트가 평형을 이루도록 그 주변에는 압축 잔류응력이 생긴다. 강재는 냉각 중 상변태로 체적이 변하는데, 이 변화도 잔류응력에 추가로 기여할 수 있다.

잔류응력의 분포는 용접선 방향 인장이 용접부 가까이에 집중되고 멀어질수록 줄어드는 형태로 나타난다. 두께가 클수록, 구속이 강할수록 응력의 크기가 커지므로 답안에서는 이 두 요인을 함께 언급하는 것이 원리 설명을 완결하는 방법이다.

이 크기는 완전히 구속된 재료에서 온도 변화에 따른 열변형률이 막힌 경우로 보고 다음 식으로 대략 근사한다.

$σ ≈ E·α·ΔT$

여기서 σ는 잔류응력(MPa), E는 탄성계수(MPa), α는 열팽창계수(1/℃), ΔT는 온도 변화량(℃)이다. 식은 응력이 탄성계수와 온도 변화에 비례한다는 원리를 보이는 데 쓰며, 완전 구속을 가정한 근사식이므로 항복과 부분 구속 때문에 실제 잔류응력은 대체로 이 값보다 작게 나타난다. 실제 값은 해석이나 측정으로 구한다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 조선, 플랜트, 압력용기, 교량처럼 대형 구조물을 접합하는 핵심 기술이다. 이 과정에서 남는 잔류응력은 설계에서 가정한 하중 위에 중첩되므로, 두께가 큰 재료에서는 잔류응력이 허용 수준을 넘어 설계 응력을 초과할 수 있다. 그래서 응력을 낮추는 후처리와 발생을 억제하는 시공 관리가 필요해졌다.

잔류응력이 문제가 되는 이유는 강도와 수명에 직접 작용하기 때문이다. 인장 잔류응력은 외부 인장응력과 중첩되어 항복과 파괴 가능성을 높이고, 수소취성 균열과 응력부식균열의 발생과 진전을 촉진할 수 있다. 또 용접 이음의 평균응력이 잔류응력으로 달라져 피로수명이 바뀌므로, 피로 시험에서 얻은 S-N 결과를 실제 용접 이음에 그대로 적용하기 어렵다.

용접 후 고온 영향으로 미세조직이 변해 경도가 높아지고 인성과 연성이 낮아지는 문제도 함께 있다. 용접후열처리는 이 경도 상승을 줄이고 인성과 연성을 설계 수준으로 되돌리는 데도 쓰이므로, 잔류응력 완화와 조직 개선을 함께 다루는 수단으로 자리 잡았다. 다만 잔류응력은 용접 순서와 구속 조건을 바꾸어 줄일 수 있을 뿐 완전히 제거되지는 않는다.