용접순서

왜 배우는가: 용접구조물은 용접 열에 의해 변형과 잔류응력이 생기므로, 시공 순서를 정하는 능력이 품질과 구조 안전성을 좌우한다. 시험에서는 잔류응력과 용접변형을 줄이는 방법을 묻는 문항이 여러 회차에 걸쳐 반복되었으며, 1교시 용어형과 2~4교시 논술형에서 같은 원리로 답해야 한다.

출제 이력: 제137회 1교시 13번, 제131회 2교시 4번, 제122회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접순서는 구조물의 용접선을 시공하는 차례와 방향을 정하여 용접변형과 잔류응력을 제어하는 제작 계획이다.

답안 첫 줄은 이 정의 문장으로 시작하고, 이어서 아래 키워드를 본문에 연결한다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 용접순서: 여러 용접선을 시공하는 차례와 진행 방향을 정하는 것이다.
• 용접변형: 용접 열에 의해 부재가 수축하면서 휘거나 뒤틀리는 현상이다.
• 잔류응력: 외력이 작용하지 않아도 용접 후 부재 내부에 남아 있는 응력이다.
• 구속도: 용접 수축을 부재가 자유롭게 움직이지 못하도록 막는 정도이다.
• 대칭 용접: 부재의 중심을 기준으로 양쪽을 번갈아 용접하여 열을 고르게 분산하는 방법이다.
• 계단식 용접법: 긴 용접선을 구간으로 나누어 단계적으로 역방향 진행하는 방법이다.
• 수축 여유: 예상되는 용접 수축량을 미리 치수에 반영해 두는 값이다.

용접변형과 잔류응력은 같은 수축 현상에서 나오는 두 결과이다. 변형은 부재의 형상과 치수로 드러나고, 잔류응력은 겉으로 보이지 않는 내부 상태로 남는다. 두 현상의 원인이 같으므로 용접순서 하나로 두 가지를 함께 제어할 수 있다. 따라서 용접변형과 잔류응력을 함께 묻는 문항은 순서의 관점으로 한 묶음으로 답하는 것이 효율적이다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 구조물을 용접할 때 용접선의 시공 차례와 방향을 결정하여, 용접 열이 부재 전체에 고르게 작용하고 변형과 잔류응력이 허용 범위 안에 들도록 하는 제작 계획이다. 용접순서는 용접 방법, 용접 입열, 부품의 고정 방법, 용접 설비와 함께 용접 결과를 좌우하는 요인 중 하나이다. 다만 설계로 정한 구조를 바꾸지 않고도 시공 단계에서 조정할 수 있다는 점에서 실무적 의미가 크다.

원리는 다음과 같다. 용접부는 가열되어 팽창했다가 냉각되면서 수축하는데, 이 수축이 주변 부재에 의해 막히는지 여부에 따라 결과가 달라진다. 수축이 자유로운 부재는 전체가 휘는 용접변형이 커지고, 수축이 구속된 부재는 내부에 잔류응력이 커진다. 구속도가 증가하면 잔류응력은 증가하고 변형은 감소하는 관계가 성립한다. 용접순서는 이 구속이 시공 차례에 따라 어떻게 바뀌는지를 이용하는 방법이다. 먼저 용접된 이음은 나중 이음의 수축을 막는 요소가 되므로, 어느 이음을 먼저 용접하느냐에 따라 최종 응력 분포가 달라진다.

명확한 수축이 예상되는 접합부를 먼저, 수축이 적은 접합부를 나중에 용접하는 것이 기본 원칙이다. 이 원칙은 수축이 큰 이음을 먼저 자유롭게 수축시키고, 수축이 작은 이음을 나중에 용접하여 구속이 과도하게 쌓이지 않도록 하는 것이다. 또한 부품을 용접할 때는 상대적으로 고정된 위치에서 자유롭게 이동할 수 있는 위치 쪽으로 순차적으로 용접하는 것이 일반적이다.

용접순서를 정할 때는 다음 절차로 생각한다.

• 부재의 구속이 큰 이음과 자유로운 이음을 구분한다.
• 수축 예상이 명확한 접합부를 먼저 시공 순서에 배치한다.
• 대칭 용접이나 계단식 용접법을 적용하여 열이 한곳에 집중되지 않도록 한다.
• 긴 용접선은 구조가 허용하면 연속 용접 대신 단속 용접으로 바꾼다.

대칭 용접은 용접선을 부재의 중심이나 중립축을 기준으로 좌우 또는 전후에 번갈아 배치하는 방법이다. 한쪽에만 열이 집중되면 변형이 한 방향으로 누적되므로, 대칭 배치로 변형의 방향을 서로 상쇄시킨다. 같은 부품에 용접을 수행할 때는 열을 분산하고 대칭으로 배포하는 형태로 적용한다.

계단식 용접법은 긴 용접선을 짧은 구간으로 나눈 뒤 각 구간을 역방향으로 이어 가며 용접하는 방법이다. 한 방향으로 길게 진행하면 수축이 누적되어 변형이 커지므로, 구간마다 수축을 분산시켜 누적을 줄이는 것이 목적이다. 분할 계단식, 점프, 교차 용접법은 이 원리를 변형한 방법이다.

수축 여유는 예상되는 용접 수축량을 미리 부재 치수에 반영하는 방법이다. 완성 후 치수가 설계와 맞도록 보정하는 것이므로, 순서 계획과 함께 쓰여 변형을 상쇄하는 역할을 한다. 용접 입열이 클수록 가열 범위가 넓어 수축량이 커지므로, 순서와 함께 입열 조건을 관리해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

구조물이 대형화되고 판 두께와 재료 강도가 다양해지면서 용접 열에 의한 변형과 잔류응력이 제작 품질을 좌우하는 문제가 되었다. 선박, 압력용기, 건축 철골, 플랜트 배관처럼 긴 용접선과 두꺼운 판재가 많은 구조물에서는 한 번의 용접으로 생긴 수축이 부재 전체에 누적된다. 변형이 크게 발생하면 교정 작업이 필요하고, 교정 공수가 늘어나며 조립 정밀도도 떨어진다.