용접부 피로강도

왜 배우는가: 용접부는 구조물에서 응력이 집중되고 결함과 잔류응력이 남기 쉬워 피로파괴의 주요 발생처가 된다. 그래서 용접 피로강도는 설계, 시공, 평가를 함께 묶어 이해해야 하는 기본 개념이다. 피로 문제는 사고 이후가 아니라 설계 단계에서 수명을 예측해야 하므로 실무에서 계속 필요한 주제이다.

출제 이력: 제135회 2교시 6번, 제119회 1교시 12번, 제104회 4교시 4번, 제99회 3교시 6번, 제96회 4교시 2번, 제89회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접부 피로강도는 반복하중을 받는 용접 이음부가 피로파괴 없이 견디는 최대 응력 범위이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 피로강도
• 피로한도
• S-N 곡선
• 응력집중
• 노치
• 잔류응력
• 용접 토우
• 피로등급(FAT)

이 키워드들은 용접 이음의 피로 거동을 설명하는 기본 용어이므로 답안에서는 처음 나올 때 정확한 명칭으로 쓴다.

2. 개념 풀이

피로(fatigue)는 응력이 반복 작용할 때 재료가 정적 강도보다 낮은 응력에서 균열을 발생시키고 이를 성장시켜 파단에 이르는 현상이다. 용접부 피로강도는 이 현상에 견디는 능력을 응력 진폭이나 응력 범위와 반복 횟수의 관계로 나타낸 값이다. 같은 재료라도 이음 형상과 용접 상태에 따라 값이 크게 달라지므로, 용접부 피로강도는 모재 값이 아니라 이음 자체의 값으로 평가한다.

피로 수명은 보통 균열 발생 단계와 균열 진전 단계로 나뉜다. 용접 이음에서는 용접 토우나 루트처럼 형상이 급변하는 곳에서 응력이 국부적으로 높아지고, 그 자리의 기공, 융합불량, 슬래그 같은 결함이 균열의 시작점이 된다. 이 때문에 용접부는 발생 단계가 짧아지고, 생긴 균열이 반복 하중에 따라 진전하다가 남은 단면이 견디지 못하는 순간 급격히 파단한다.

S-N 곡선은 응력 진폭 S와 파단까지의 반복 횟수 N의 관계를 양대수 그래프로 나타낸 곡선이다. 응력이 높을수록 반복 횟수가 적고, 응력이 낮아질수록 반복 횟수가 많아지며, 이 곡선의 기울기가 피로 저항의 민감도를 보여준다.

피로한도는 S-N 곡선이 사실상 수평이 되는 응력 수준이다. 강재는 이 수준이 뚜렷하게 나타나지만, 알루미늄 합금처럼 뚜렷하지 않은 재료는 일정 반복 횟수에서의 내구강도로 대신 정의한다.

용접 이음의 설계에서는 흔히 다음 관계식을 쓴다.

$N \cdot (\Delta\sigma)^{m} = C$

여기서 N은 파단 반복 횟수, \Delta\sigma는 응력범위(MPa), m은 S-N 곡선의 기울기, C는 이음 등급에 따른 상수이다. 기울기 m과 상수 C는 이음 형식마다 달라서 실험 데이터로 정한다.

피로등급(FAT)은 기준 반복 횟수에서 생존확률 97.7%에 해당하는 응력범위를 MPa로 나타낸 값이다. 용접 형상별로 등급이 정해져 있어 설계자는 이음 형식에 맞는 등급을 골라 응력범위를 검토한다.

평균응력도 피로강도를 바꾼다. 인장 평균응력이 걸리면 같은 응력진폭에서도 피로수명이 짧아지고, 용접 잔류응력은 인장 쪽으로 남아 평균응력을 높이는 요인이 된다. 용접 후 응력완화 처리는 이 잔류응력을 줄이지만 완전히 제거하지는 못한다.

재료 강도와 피로강도의 관계도 단순하지 않다. 모재의 인장강도가 높아진다고 용접 이음의 피로강도가 반드시 함께 높아지지 않는다. 피로는 국부 형상과 결함, 잔류응력이 지배하므로 고강도 강재를 쓴다는 사실만으로 피로 안전을 보장한다고 생각하는 것은 오류이다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조물, 압력용기, 교량, 해양구조물은 차량 통행, 풍하중, 파랑, 기계 진동처럼 반복하중을 받으며 설계 수명이 수십 년에 이른다. 이런 구조물에서 용접 이음은 주변 모재보다 응력이 집중되는 불연속부이므로 피로파괴의 주요 발생처가 된다. 용접 이음의 피로 거동을 정확히 평가하지 않으면 정적 강도로 안전하다고 판단한 구조물이 설계 수명 중간에 균열로 파괴될 수 있다.

용접부 피로가 특히 문제가 되는 이유는 용접 자체가 결함과 잔류응력을 만들기 때문이다. 용접 과정에서 기공, 융합불량, 슬래그 혼입 같은 결함이 생길 수 있고, 이 결함은 균열의 시작점이 된다. 균열이 존재하면 피로수명이 줄고 파괴가 빨라지므로 균열 발생 자체를 피해야 한다. 또한 용접 잔류응력은 열 사이클에 따라 생기며 완전히 제거하기 어렵다.

정적 강도 설계만으로는 이런 구조물의 수명을 보장할 수 없다. 정적 하중에서 여유가 있어도 반복 응력범위가 크면 설계 수명 안에 균열이 발생할 수 있다. 따라서 용접부 피로는 설계 단계에서 응력집중과 형상을 줄이고, 시공 단계에서 결함을 억제하며, 평가 단계에서 피로등급이나 응력 기반 방법으로 수명을 예측하는 순서로 관리한다.

취성파괴와 피로파괴는 구별해야 한다. 취성파괴는 큰 하중이나 저온에서 갑자기 일어나는 파괴이고, 피로파괴는 반복 하중에 의해 균열이 누적되어 일어나는 파괴이다. 두 파괴는 원인과 대책이 다르므로 용접 피로를 다룰 때 따로 정리해야 한다.