용접 잔류응력 완화법

왜 배우는가: 용접 잔류응력 완화법은 구조물의 변형과 파괴, 응력부식을 막기 위해 필요한 기본 처리 기술이다. 시험에서는 완화 방법을 열거하는 1교시 문제와 발생원인과 후열처리 효과를 함께 묻는 4교시 논술 문제로 여러 차례 출제되었다.

출제 이력: 제129회 1교시 9번, 제119회 1교시 8번, 제93회 4교시 3번, 제89회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 잔류응력 완화법은 용접 후 부재에 남은 잔류응력을 줄이거나 압축 방향으로 바꾸어 피해를 낮추는 처리 방법이다.

용접 잔류응력 완화법을 학습하려면 먼저 다음 키워드를 익혀야 한다.

• 용접 잔류응력: 외력이 없어도 용접 후 부재 내부에 남아 있는 응력이다.
• 용접후열처리(PWHT): 용접 후 변태점 이하 온도에서 가열, 유지, 냉각을 거쳐 잔류응력을 제거하는 열처리이다.
• 응력제거 풀림: 냉간 가공이나 용접으로 생긴 내부 응력을 열처리로 낮추는 방법이다.
• 저온 후열: 용접 직후 낮은 온도로 가열하여 용착 금속의 잔류 수소를 제거하는 조작이다.
• 기계적 응력이완: 외력을 가해 용접부의 잔류응력을 소성변형으로 풀어 주는 방법이다.
• 쇼트피닝: 표면에 입자를 분사하여 압축 잔류응력을 부여하는 방법이다.

이 키워드는 두 갈래로 묶인다. 열을 이용하는 방법은 응력제거 풀림과 용접후열처리이고, 외력이나 표면 가공을 이용하는 방법은 기계적 응력이완과 쇼트피닝이다. 저온 후열은 잔류응력보다 잔류 수소를 빼내는 것이 주된 목적이므로 완화법과 구분해서 답해야 한다. 답안 첫 줄에는 정의 문장을 쓰고, 이어서 두 갈래의 방법을 열거하는 순서로 전개하면 된다.

2. 개념 풀이

잔류응력 완화법은 용접으로 부재 내부에 남은 잔류응력을 허용 가능한 수준까지 낮추거나 그 분포를 바꾸는 처리 방법의 총칭이다. 처리 원리에 따라 열을 이용하는 열적 방법과 외력 또는 표면 가공을 이용하는 기계적 방법으로 나뉜다. 두 방법은 목적은 같지만 원리가 달라서, 답안에서는 이 구분을 먼저 밝히는 것이 필요하다.

잔류응력은 용접 열이 부재를 국부적으로 가열하고 냉각하는 과정에서 생긴다. 용접부는 가열되면 팽창하려 하지만 주변 모재가 이를 구속하여 압축 소성변형이 일어난다. 냉각되면 용착 금속이 수축하려 해도 모재에 막혀 자유롭게 줄지 못하므로 인장 잔류응력이 남는다. 열수축 과정과 상변태 과정이 종방향 잔류응력을 만드는 주된 원인이며, 구속이 클수록 잔류응력은 커지고 변형은 줄어든다.

열적 완화의 원리는 재료의 항복강도가 온도가 높아질수록 낮아진다는 데 있다. 변태점 이하 온도로 가열하면 항복강도가 떨어져 잔류응력이 소성변형으로 풀리고, 유지 시간 동안 응력의 크기가 감소한다. 이후 균일하게 냉각하면 새로운 온도 구배가 생기지 않아 응력이 다시 쌓이지 않는다.

기계적 완화의 원리는 표면에 압축 잔류응력을 만들어 해로운 인장 잔류응력을 상쇄하는 데 있다. 열을 가하지 않고 표면층의 응력 상태만 바꾸므로, 열처리로 조직이 변할 우려가 있는 재료에 대안이 된다. 쇼트피닝은 표면에 입자를 분사하여 표면층이 소성변형하고, 그 변형층을 주변의 탄성 영역이 구속하여 압축 상태로 남게 하는 방법이다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 용접후열처리: 용접부의 성능을 개선하고 잔류응력의 유해한 영향을 없애기 위해 변태점 이하 온도에서 용접부와 열 영향부를 균일하게 가열하여 일정 시간 유지한 뒤 규정된 속도로 냉각하는 열처리이다. 변태점 이하에서 가열하므로 오스테나이트 변태가 일어나지 않는다.
• 응력제거 풀림: 냉간 가공이나 불균일한 냉각으로 생긴 내부 응력을 하부 임계 온도 이하로 가열한 뒤 균일하게 냉각하여 줄이는 방법이다. 공기 탱크와 보일러 같은 압력 용기류에 일반적으로 쓰인다.
• 저온 후열: 용접이 끝난 직후 낮은 온도로 일정 시간 가열하여 용착 금속 속 잔류 수소를 빼내는 조작이다. 저온 후열은 잔류응력 완화보다 수소 제거가 주된 목적이다.
• 기계적 응력이완: 용접부에 외력을 가하여 잔류응력이 높은 부위를 소성변형으로 풀어 응력을 낮추는 방법이다. 별도의 가열 설비가 필요 없다는 장점이 있다.
• 쇼트피닝: 금속 또는 유리 입자를 표면에 고속으로 분사하여 표면층에 압축 잔류응력을 부여하는 방법이다. 표면 인장응력을 줄이므로 피로강도 개선에도 쓰인다.
• 레이저 피닝: 고강도 레이저 빔이 만드는 충격파를 이용하여 표면보다 깊은 층까지 압축 잔류응력을 주는 방법이다.

용접후열처리는 잔류응력만 없애는 처리가 아니다. 용접후열처리는 잔류응력과 경화된 조직을 함께 개선하는 처리이다. 용접열로 생긴 조직 변화는 경도를 높이고 인성과 연성을 떨어뜨리는데, 용접후열처리는 이 경도를 낮추고 인성과 연성을 회복시킨다. 따라서 답안에서는 응력 제거 효과와 조직 개선 효과를 나누어 설명해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

용접 잔류응력 완화법이 필요해진 배경은 용접 공정의 열 특성에 있다. 용접은 좁은 부위를 짧은 시간에 고온으로 가열한 뒤 급속히 냉각하므로 온도 구배가 크고, 그 결과 부재 내부에 불균일한 응력이 남는다. 이 응력은 설계 단계에서 용접 순서를 조정해도 완전히 없애기 어렵기 때문에 공정 후 별도의 완화 처리가 필요하다.