용접 잔류응력

잔류응력이란

용접 잔류응력은 용접이 끝난 뒤 외력이 없어도 부재 안에 남아 있는 내부 응력이다.

용접 금속이 식으며 줄어들 때 주변 모재가 그 수축을 막아서 생긴다.

강구조물 설계와 시공 품질 관리에서 놓칠 수 없는 핵심 개념이다.

발생 원리

용접하면 국부적으로 매우 뜨거워져 팽창하고, 식으면서 수축한다.

그런데 주변의 차가운 모재가 그 수축을 막는다. 줄지 못한 만큼 힘이 갇힌다.

그 결과 용접부는 인장, 모재는 압축을 받으며 외력 없이 서로 평형을 이룬다.

구속 조건에 따른 차이

자유단은 수축을 막는 것이 없어 잔류응력이 거의 0이다.

고정단은 수축이 구속되어 큰 인장 잔류응력이 생기고, 재료가 소성변형해도 항복강도 수준으로 제한된다.

열팽창 응력은 대략 E·α·ΔT로 추정하며, 구속이 클수록 잔류응력이 커진다.

잔류응력의 영향

앞 문제의 정답은 자유단의 잔류응력이 거의 0이라는 것이다.

첫째, 피로강도를 낮춘다. 평균응력을 바꿔 피로수명과 S-N 시험 결과를 바꿀 수 있다.

둘째, 좌굴강도를 떨어뜨린다. 압축재는 낮은 압축력에서 비탄성 영역에 들어간다.

셋째, 취성파괴 위험을 키운다. 작은 결함에서도 균열이 진행할 수 있다.

저감대책

대책은 시공 단계와 열처리 단계로 나눠 생각하면 정리가 쉽다.

시공 단계에서는 용접 순서와 구속 조건을 조정하고, 입열량과 예열을 관리한다.

두께가 큰 부재는 응력 완화 열처리(PWHT)로 항복강도를 낮춰 잔류응력을 해소한다.

잔류응력은 완전 제거가 불가능하므로 저감과 허용 범위 관리를 함께 가져간다.

핵심 정리

앞 문제의 정답은 PWHT 응력 완화 열처리였다. 핵심을 표로 정리한다.

잔류응력은 냉각 수축과 구속으로 생기며, 피로·좌굴·취성 문제를 일으킨다.

완전 제거는 불가능하므로 용접 순서, 입열 관리, PWHT로 발생과 영향을 함께 줄인다.

시험 답안은 원인, 영향, 대책 순서로 쓰면 채점 포인트를 놓치지 않는다.