용접 잔류응력

왜 배우는가: 용접 잔류응력은 용접 후 변형, 좌굴 강도 저하, 피로균열 발생에 직접 영향을 주므로 강구조물 설계와 시공 품질 관리의 핵심이다. 1교시 용어형과 2~4교시 논술형에서 원인·영향·대책을 묻는 문항으로 4개 회차에 반복 출제되었다.

출제 이력: 제130회 1교시 12번, 제125회 2교시 3번, 제98회 2교시 4번, 제91회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 잔류응력은 용접 후 외력이 없는 상태에서 용접부와 주변 모재에 남아 있는 내부 응력이다. 용접 금속의 냉각수축이 주변 모재에 구속되어 발생한다.

용접 잔류응력은 외력 없이 용접부에 남아 있는 자기평형 내부응력이다.

핵심 키워드

• 잔류응력: 외력 제거 후에도 부재 내에 남는 응력
• 열영향부(HAZ): 용접열로 조직이 변한 모재 부분
• 구속도: 수축을 방해하는 부재와 접합부의 강성 정도
• 냉각수축: 용접 금속이 냉각되며 줄어드는 현상
• 응력완화 열처리(PWHT): 용접 후 가열·유지로 잔류응력을 낮추는 처리
• 항복강도 저하: 가열 시 강재 항복강도가 낮아져 응력이 해소되는 원리
• 좌굴 불리: 잔류응력으로 낮은 압축력에서 비탄성 영역에 진입하는 현상
• 피로강도 저하: 인장 잔류응력이 평균응력을 높여 피로수명을 줄이는 현상

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 용접하면서 뜨거워진 금속은 식으면서 줄어든다. 그런데 주변의 차가운 모재가 그 수축을 막는다. 그래서 줄어들지 못한 만큼 금속 안에 힘이 갇힌다. 이 갇힌 힘이 잔류응력이다.

정식 정의는 다음과 같다. 용접 잔류응력은 용접부의 불균일한 가열·냉각과 구속에 의해 소성변형과 온도구배가 생기고, 그 결과 외력이 없는 상태에서 단면 내에 평형을 이루며 남는 응력이다. 잔류응력은 유도 원인에 따라 소성변형, 온도구배, 상변태에 의해 생긴다고 정리된다.

열팽창은 가열 시 부재가 늘어나는 성질이다. 용접부 주변은 가열 때 팽창하고 냉각 때 수축하는데, 이 차이가 응력의 출발점이다.

구속은 수축이 자유롭지 못하게 막는 조건이다. 구속이 클수록 잔류응력은 커진다. 두꺼운 판이나 교차부처럼 강성이 큰 곳에서 특히 높아진다.

항복강도 저하는 가열된 강재의 항복점이 낮아지는 현상이다. 가열 상태에서 항복강도 이상의 응력은 소성변형으로 풀리므로, 응력완화 열처리의 원리가 된다.

응력완화 열처리(PWHT)는 용접 후 부재를 정해진 온도로 가열하고 일정 시간 유지해 잔류응력을 허용 수준까지 낮추는 처리다. 두꺼운 재료에서 잔류응력이 허용치를 넘을 수 있어 필요하다. 다만 응력완화는 완전 제거가 아니다. 잔류응력의 완전 제거는 불가능하다고 알려져 있다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조물은 용접으로 큰 부재를 조립한다. 용접은 국부적으로 매우 높은 온도를 주기 때문에 잔류응력이 필연적으로 생긴다. 잔류응력이 통제되지 않으면 부재가 휘거나 뒤틀리는 변형이 생긴다.

잔류응력이 문제가 되는 이유는 세 가지다. 첫째, 좌굴 강도를 떨어뜨린다. 압축재의 잔류응력은 낮은 압축력에서 비탄성 영역으로 바뀌게 하여 좌굴에 불리하다. 둘째, 피로강도를 낮춘다. 용접 후 잔류응력은 평균응력을 바꾸어 피로수명과 S-N 시험 결과를 바꿀 수 있다. 셋째, 취성파괴 위험을 키운다. 인장 잔류응력이 항복강도 근처까지 쌓이면 작은 결함에서도 균열이 진행할 수 있다.