용접 잔류응력 완화

잔류응력이란

용접 잔류응력은 외력이 없는 상태에서 부재 안에 남아 있는 내부 응력이다.

불균일한 가열과 냉각에 따른 수축 차이, 그리고 주변의 구속이 원인이다.

쉽게 말해 식으면서 줄어들려는 힘이 붙잡혀 쇠 안에 남은 상태다.

발생 원리

용접하면 국부가 뜨거워져 팽창하려 하지만 주변 모재가 이를 막는다.

이때 용접부에는 압축응력이 생기고, 냉각되며 수축할 때 인장 잔류응력이 남는다.

잔류응력은 재료의 항복강도 수준까지 올라갈 수 있다.

구속이 클수록 변형은 줄지만 잔류응력은 커진다.

잔류응력의 영향

잔류응력은 부호에 따라 피로와 균열에 다르게 작용한다.

인장 잔류응력 영역에서는 피로균열 발생과 진전이 빨라진다.

응력부식균열과 수소 유기균열도 인장 쪽에서 촉진된다.

압축 잔류응력은 반대로 피로 수명을 늘리는 방향으로 작용한다.

응력 완화 방법

응력 제거 열처리는 대표적인 사후 완화법이다.

먼저 재질과 두께에 맞춰 유지 온도와 유지 시간을 기준서에서 정한다.

승온은 두께에 따라 가열 속도를 정해 부재 내 온도 구배를 작게 한다.

정해진 온도에서 일정 시간 유지한 뒤 노 안에서 서랭한다.

마지막으로 잔류응력과 경도를 측정해 기준 만족 여부를 확인한다.

응력 제거는 대부분 일부만 줄이는 것이다.

기계적 완화와 비교

응력 완화 방법은 열처리 말고도 피닝과 진동법이 있다.

풀림은 항복강도를 낮춰 응력 제거 효과가 가장 크다.

다만 설비와 비용이 필요하고, 피닝과 진동은 현장 적용이 쉽다.

피닝은 표면 압축응력을 만들지만 내부 응력은 줄이지 못한다.

잔류응력 측정법

측정법에는 X선 회절법과 구멍 뚫기법이 현장에서 많이 쓰인다.

X선 회절법은 표면 측정에 적합하고, 구멍 뚫기법은 준파괴 측정이다.

구멍 뚫기법은 소성변형 영향으로 깊이 방향 응력을 과대평가할 수 있다.

그래서 두 방법을 교차 검토하고 소성 보정 여부를 함께 기록하는 것이 필요하다.

정리

잔류응력은 열팽창과 수축의 불균일로 생기는 용접 후 내부 응력이다.

완화는 응력 제거 열처리와 피닝·진동으로 하고, 측정으로 효과를 확인한다.

잔류응력은 완전히 없애기 어려우므로 설계와 시공 단계의 관리가 중요하다.