[기계안전기술사] 문제풀이 2022년 127-3-6 용접 잔류응력 측정방법, 완화법, 변형교정법

문제
6. 용접작업 후 발생하는 현상과 관련된 다음의 내용을 설명하시오.
1) 용접잔류응력 측정방법
2) 잔류응력 완화법
3) 변형교정법

문제풀이
1. 개요
잔류응력이란? 재료에 외력이 가해지지 않는 상태에서 상온임에도 불구하고 그 재료의 내부에 잔존하고 있는 응력을 말한다.

2. 잔류응력의 영향
1) 연성, 취성파괴 발생
2) 응력부식 발생
3) 피로한도 저하
4) 파단강도 감소
5) 뒤틀림 발생으로 정밀도 감소 및 외관 손상

3. 잔류응력 측정법
1) 파괴적 시험법
    구멍 뚫기법 (Hole during and ring core Method)
홀드릴에 의한 측정법 응력을 측정하고자 하는 제품 표면에 스트레인 게이지를 붙착하고, 일정깊이로 홀드릴 가공을하여, 이때 발생하 는 스트레인을 측정하여 응력을 계산하는 방법이다. 제품 표면으로 부터 깊이방향으로 분포하는 잔류응력을 분석할 때 효과적이다.

    층제거법 (Layer removal method)

    분할법 (sectioning method) 단면분할법

  2) 비파괴적 시험법
- X선 회절법은
   현장에서 측정할 수 있도록 소형의 휴대용 장치가 개발되었으며,  X선의 침입깊이가 20㎛로 얕아서 표면층의 잔류응력을 측정할 수 있다.
- 중성자 회절법은
    탄소강에서 침입 깊이가 약 50mm까지 가능한 중성자를 이용하여 재료 내부의 잔류응력을 측정할 수 있는 최근의 기술이다.
- 초음파법
- 자석식 응력지시계법

. 잔류응력 측정법
가. 정성적 잔류응력 측정법의 종류
1) 부식법
잔류응력이 있을 것으로 예상되는 부분을 적당한 시약으로 부식시키면 주응력선에 대해 직각으로 균열이 생기는 성질을 이용한 방법이다.

2) 응력 와니스법
시험편 표면에 취약한 래커(lacquer)를 바르고 물체에 구멍을 뚫으면 이에 의하여 응력이 변화하며, 래커가 주응력선에 대해 직각 방향으로 균열이 발생하게 되는데 이러한 특성을 이용하여 응력 분포를 알 수 있는 방법이다.

3) 자기적 방법
이 방법은 용접에는 별로 이용하지 않는 방법이지만 자성체 제품에 대해 잔류응력이 자성에 미치는 영향을 이용하여 잔류응력을 측정하는 방법이다.

나. 정량적 잔류응력 측정법의 종류
1) 응력 이완법
응력 이완법은 용접부를 절삭 또는 천공 등 기계 가공에 의하여 응력을 해방하고, 이때 생기는 탄성 변형을 전기적이거나, 기계적 변형도계를 사용하여 잔류응력을 측정하는 방법이다.

(1) 전 해방법
게이지의 지시가 0(겉보기 0응력)인 저항 변형도계(SR-4 게이지)를 용접물 표면에 붙이고 게이지 주변을 절단하여 작게 분할하거나, 잘라내면 그때까지 잔류응력에 의하여 한쪽으로 당겨지고 있던 시험편이 이 인장응력에 의하여 해방되어 수축함으로 게이지에 압축 변형이 지시된다.

(2) 부분 해방법
① 축차 천공(逐次 穿孔 : 자크스 : Sachs)법 :
   잔류응력이 있는 원통이나 원주의 안쪽에서 조금씩 구멍을 뚫어 나가면 삭제된 부분만큼의 잔류응력이 제거됨으로 나머지 물체는 지름이나 길이가 조금씩 변형하게 된다. 이때 이러한 변화를 계측하여 최초의 잔류응력을 측정할 수 있다.
② 축차 절삭법 :
  자크스(Sachs)법과 반대로 원주, 원통, 판 등의 외측으로부터 조금씩 얇게 깎아내는 경우의 변형을 측정하여 잔류응력을 구하는 방법이다.
③ 구너트법 : 국제용접학회(IIW)에서 잔류응력 측정에 비교적 신뢰성이 있다고 추천한 국제적인 표준 잔류응력 측정법이다.
④ 스트레인 게이지법 : 스트레인 게이지(Strain gauge)를 이용한 전기 저항선 변형도계(Wire strain gauge)에 의한 전기적 측정법은 스트레인 게이지를 구조물 또는 시험편에 부착시켜 하중을 걸면 게이지에 길이 변화가 생기는데 전기 저항은 변형에 정비례적으로 변화하는 것을 휘트스톤 브리지(Wheatston bridge) 둥을 이용하여 측정한다.
⑤ 국부 이완법(Mathar법 Hole drilling method) :
3개의 변형 게이지를 120° 간격으로 배치하여 구멍 뚫기 전후의 변형도의 변화량에서 응력를 구하는데 이 경우 탄성 이론식을 이용하는 방법이다. 즉 응력이 잔류하고 있는 물체의 일부에 작은 구멍을 뚫어 잔류응력을 부분적으로 해방시키면 구멍 주위의 부분이 다소 변형한다. 이 변화량을 측정하여 구멍 뚫기 전의 위치에 존재하고 있던 잔류응력값을 측정하는 방법이다. 이것을 천공법이라 하며, 발명자의 이름을 따서 마타아르(Maths)법이라고도 한다.

2) X선 회절법
금속 원자가 공간에 규칙적으로 배열된 결정격자 구조를 갖고 있는 금속재료의 결정에 파장λ(람다)의 X선을 비치면, 결정 내의 원자면(원자가 배열되고 있는 평면)에서 X선이 반사되는 원리이며, 거울면에서 빛이 반사하는 것과 비슷하다.

3) 계장화 압입 시험법
파괴 시험법과 비파괴 시험법을 보완하여 장점만 취한 방법으로 재료에 가해지는 압입하중에 의해 미세하게 생기는 압입 깊이를 연속적으로 측정하여 압입하중과 변위에 관한 곡선을 얻어 분석을 함으로써 기계적 특성을 얻는 방법이다.

4. 잔류응력 완화법
용접시공에 의한 잔류응력의 경감
1) 모재에 줄 수 있는 열량을 줄인다.
2) 열량을 한 곳에 집중시키지 않는다.
3) 홈의 형상, 용접순서를 사전에 고려한다.
4) 적합한 용착방법을 선택한다.
① 용착금속의 양
용착 금속의 양을 적게 하면 수축과 변형량이 적게 되어 잔류응력이 경감된다.
따라서 이음 형상에 있어 가능한 각도나 루트간격을 적게 하여야 한다.
② 용착법
스킵 용착법이 가장 잔류응력을 적게 발생시키지만,
다른 전진법, 후퇴법, 대칭법등은 용접선 방향에 거의 항복응력과 같은 크기의 잔류응력을 발생시킨다.
③ 부재의 용접순서
수축량이 가장 큰 부위를 먼저 용접한다.
좌우 대칭 용접을 한다., 중앙에서 밖으로 용접한다.
④ 적당량의 Positioner를 이용하여 용접순서를 상기의 원칙에 맞게끔 용접물의 위치를 바꾸어 준다.
⑤ 용접 이음부를 50~150℃ 예열하면 용접 후 냉각속도가 완만하게 되어 잔류응력이 경감된다.

5. 잔류응력 완화방법
1) 저온응력 완화법 : 용접선 양측 150mm를 가스화염을 이용하여 비교적 낮은온도인 150~200℃ 사이에서 가열 시킨 후 즉시 수냉하여 잔류응력을 완하시키는 방법
2) 기계적응력 완화법 : 잔류응력이 존재하는 제품에 약간의 하중을 주고 용접부에 소성변형을 가한 다음 하중을 제거하는 방법으로 잔류응력을 완화시키는 방법
3) 피닝 : 용접부를 둥근 해머를 이용하여 가볍게 연속적으로 두들기는 방법으로 소성변형을 주어 잔류응력을 완화하는 방법
4) 노내풀림법 : 제품전체를 노속에 넣어서 적당한 온도에서 일정시간 유지한 후 노속에서 서서히 서냉시키는 방법
5) 소둔 (응력제거 어닐링) : 유지 온도가 높고 시간이 길 수록 응력완화 효과가 좋다

6.  용접 변형 방지법 (주로 용접 전, 용접 중 실시)
1) 억제법 (고정법)
외부의 구속력에 의해 변형을 강제적으로 억제
모재를 가접 또는 구속 지그를 사용하여 변형을 억제한다. 잔류응력이 많이 발생

2) 역변형법
용접 전에 변형의 크기 및 방향을 예측하여 미리 반대로 변형시키는 방법으로 가접 후 2-3° 반대방향으로 꺾어 주는 방법이다.
억제법과 같이 잔류응력이 증대되지 않게 할 수 있고 변형이 거의 없는 제품을 만들 수 있지 만 역변형각을 예측하기 힘들다.

3) 도열법 (냉각법)
용접부 주위 물을 적신 석면, 동판을 대어 열을 흡수하는 방법이다.
사용되는 냉각제가 용접부에 악영향을 미치지 않도록 주의
. 수냉 동판 사용법: 수냉 동판을 용접 윗면이나 옆에 대어서 용접 열을 흡수하는 방법
• 살수법 : 용접부 뒷면에 물을 뿌려주는 방법으로 얇고 넓은 철판의 변형을 바로잡는 데도 널리 사용
•석면포 사용법: 물에 적신 석면포와 헝겊을 용접선의 뒷면이나 옆에 대어 용접열을 흡수시켜 냉각시키는 방법

4) 용착법 (비드배치법)
(가) 대칭법(symmetry method)
용접진행방향과 용착방향이 서로 반대가 되는 방법으로 잔류응력은 다소 적게 발생하나 작업의 능률이 떨어진다.
(나) 후퇴법(back step method)
용접선의 전 길이를 적당한 길이로 구분하고, 각 구간의 용접방향은 전체로의 용접 방향에 대하여 후진하는 것이다.
구간의 비드는 대략 용접봉 하나로 용접할 수 있는 거리로 한다.
2층 이상의 경우에는 각 층 구간의 이음매가 일치되지 않고 어긋나도록 한다.

(다) 비석법(skip method). 스킵법
용접길이를 짧게 나누어 간격을 두면서 용접하는 방법으로 피용접물 전체에 변형이나 잔류응력이 적게 발생하도록 하는 용착방법이다. 이때의 비드 길이는 200mm정도가 적당하다.
단 비드면이 매끈하지 못하다.
용접비드를 건너 띄어서 놓는 방법으로 용접선이 길 경우에는 이 방법이 적당하고,

(라) 교호법(skip method)
전체 용접선을 놓고 볼 때 처음과 끝 그리고 중앙에 비드를 배치하여 2등분 한 후에 다시 등분된 곳의 중앙에 비드를 배치하는 것이다. 즉 각 구 간의 용접순서는 교대로 진행되면서 전체 용접방법은 반대가 되는 형식으로, 용접 선 전체에 대하여 용접열의 영행이 비교적 균일하게 분포되어 변형이 적어지는 장점이 있다.

7. 용접변형교정법 (주로 용접 작업 완료 후 실시)
1) 냉간 가압법
실온에서 기계적 힘을 이용하여 원래의 치수로 소성 변형
① 롤러법 : 롤러에 변형 잡기 (판재, 직선재 안가능)
② 피닝법 : 둥근 치핑해머 연속적 타격
③ 타격 법

2) 국부가열 냉각법(가열성형, 곡직)
변형이 생긴 부재의 반대 방향을 가열, 냉각시켜 수축에 따른 인장응력으로 교정
가열 후 급냉 시 수축하려는 힘이 더 큰 특징을 이용
변형을 크게 하려면 가열량을 높이거나 가열 시 구속, 냉각 직전 구속해제

3) 가열·가압법
변형부를 열간가공 온도로 가열하여 소성변형.
냉간가압법에 비해 작은 힘으로도 교정이 가능하다.
① 가열 후 해머질 하는 방법
② 후판에 대해 가열 후 압력가하고 수냉하는 방법
③ 얇은 판에 대한 점 수축법 (점 가열법)
(얇은 판 변형 시 500~600°C 가열즉시 수냉, 가열시간 30초. 가열점 20~30mm)
④ 형재에 대한 직선 수축법 (선상 가열법)
(표면 가열 동시에 이면 수냉, 온도차 극대화)

4) 절단에 의한 정형과 재용접