용접 변형 종류

왜 배우는가: 용접 변형은 용접구조물의 치수 정밀도와 조립 품질을 좌우하므로 현장에서 반드시 관리해야 하는 현상이다. 기출에서 여섯 가지 변형을 각각 설명하도록 반복 출제되었다.

출제 이력: 제138회 2교시 3번, 제117회 2교시 4번, 제98회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 변형은 용접 열에 의한 불균일한 수축으로 부재의 치수와 형상이 설계와 달라지는 현상이다.

용접 변형은 용접부가 가열되었다가 냉각되는 과정에서 금속이 수축하고, 그 수축이 부재 전체에 고르게 작용하지 않아 발생한다. 변형의 방향과 형태에 따라 여러 종류로 나뉘므로 답안에서는 종류별 발생 원리와 방지 대책을 함께 쓰는 것이 중요하다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 횡수축
• 종수축
• 회전 변형
• 각변형
• 종굽힘 변형
• 좌굴 변형
• 용접 잔류응력
• 구속

2. 개념 풀이

용접 변형의 정식 정의는 용접 금속과 열영향부가 가열·냉각되면서 생긴 수축이 부재의 치수나 형상을 변화시키는 현상이다. 용접선 방향을 종방향, 이에 직각인 방향을 횡방향으로 정하면 변형은 어느 방향의 수축이 얼마나 크게 작용했는지에 따라 구분된다.

변형의 원리는 온도 구배에 있다. 용접 열원은 국부적으로 가해지므로 용접선 주변은 고온이고 떨어진 모재는 상대적으로 저온이다. 고온부는 팽창하려 하지만 주변 저온 모재가 이를 구속하므로 압축 소성변형이 생기고, 냉각되면서 그 부분이 수축하여 인장 잔류응력이 남는다. 이때 수축력이 용접선의 위치, 판 두께, 구속 조건과 맞물려 여섯 가지 변형으로 나타난다.

용접 금속은 냉각함에 따라 횡방향과 종방향으로 함께 수축하고, 이 수축에 주변 모재가 저항하면서 잔류응력이 형성된다. 따라서 변형은 잔류응력 분포가 부재 형상으로 나타난 결과이다. 변형의 크기는 입열량, 용착량, 이음 형상, 판 두께의 영향을 받는다. 입열량과 용착량이 커지면 수축력이 커져 변형도 커지는 것이 일반적이다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 횡수축은 용접선에 직각인 방향으로 부재 폭이 줄어드는 변형이다. 용착금속과 열영향부의 수축이 주변 모재를 끌어당기면서 생기며, 루트 간격과 입열량이 클수록 두드러진다.
• 종수축은 용접선과 평행한 방향으로 부재 길이가 줄어드는 변형이다. 용접 길이가 길수록 수축이 누적되어 커지는 경향이 있다.
• 회전 변형은 수축력이 부재의 중립축이나 구속점에 대해 편심되거나 양측 수축이 불균형할 때 부재가 축을 중심으로 회전하는 변형이다. 부재 전체 또는 조립체의 방향이 틀어지는 양상으로 나타난다.
• 각변형은 두께 방향의 수축량이 균일하지 않아 용접선 양측이 상대적으로 회전하며 각도가 변하는 변형이다. 표면 쪽 입열과 용착량이 크거나 판 두께가 얇을수록 두드러진다.
• 종굽힘 변형은 용접선 길이 방향으로 부재가 활처럼 휘는 변형이다. 용접선이 중립축에서 벗어나 있으면 수축에 의한 편심 모멘트가 생겨 발생한다.
• 좌굴 변형은 얇은 판재에 생긴 압축 잔류응력이 판의 안정 한계를 넘을 때 판이 물결치거나 국부적으로 불룩해지는 불안정 변형이다. 얇고 넓은 패널에서 특히 발생하기 쉽다.

여섯 가지 변형은 수축 계열, 회전과 각 계열, 굽힘과 좌굴 계열로 묶어 기억하면 답안 구성이 쉬워진다. 횡수축과 종수축은 수축 방향 자체를 기준으로 하고, 회전 변형과 각변형은 수축의 불균형으로 생기는 회전을, 종굽힘 변형과 좌굴 변형은 편심과 압축 불안정을 기준으로 한 것이다. 이 묶음은 답안의 분류 틀로 쓰는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 접합 부위를 녹여 금속을 잇는 방식이므로 가열된 금속이 냉각되면서 수축하는 현상을 피할 수 없다. 이 수축이 누적되면 잔류응력과 함께 부재가 설계 형상에서 벗어나 조립 정밀도가 떨어진다. 용접 기술이 발전하고 구조물이 대형화될수록 변형 관리가 설계와 시공의 필수 과제가 되었다.

변형은 실무에서 교정과 재작업의 비용을 낳는다. 용접 후 생긴 변형은 대부분 소성변형으로 남기 때문에 교정 작업이 필요하고, 교정 과정에서 다시 잔류응력이 생길 수 있다. 조립 공차를 벗어난 부재는 설치 과정에서 정렬이 어려워지며, 얇은 판재나 대형 패널에서 발생한 좌굴 변형은 외관 품질뿐 아니라 하중을 지지하는 능력에도 영향을 준다.

시험에서 변형을 묻는 이유는 같은 용접이라도 이음 형상, 판 두께, 용접 순서, 구속 조건에 따라 변형의 형태가 달라지기 때문이다. 따라서 변형의 종류를 정확히 구분하고, 각 종류의 원인에 맞는 방지 대책을 제시하는 능력이 답안의 핵심이다. 맞대기 이음과 필렛 이음 같은 기본 이음부에서 여섯 가지 변형을 모두 설명하도록 요구하는 것도 이 때문이다.