[기계안전기술사] 문제풀이 2024년 133회 133-2-6 잔류응력을 경감시키기 위한 용접시공 방법과 잔류응력 완화 방법 및 변형방지법

6. 잔류응력을 경감시키기 위한 용접시공 방법과 용접부의 잔류응력 완화 방법 및 변형방지법에 대하여 설명하시오.

문제풀이.

1. 개요
용접 시 국부적인 열이 가해져서 급속한 열팽창과 수축이 발생하지만 주위에 의해 구속됨에 따 라 용접이 종료된 후에도 응력이 잔류하게 되는데 이를 용접 잔류응력이라고 말한다.

용접변형을 체계적으로 제어하기 위해서는 구조물의 형상과 작업조건에 따라 변형 방지대책을 적용할 것인지 아니면 교정방법을 적용할 것인지를 계획하고 그 구체적인 방법에 대해서도 검토 해야 한다

잔류응력 감소 = 안전 확보
균열 발생 및 성장 억제, 구조물 수명 증가, 유지보수 비용 절감

안전을 위해
적절한 용접 시공, 잔류응력 완화 기법 적용, 비파괴 검사, 안전 기준 준수

2. 용접 잔류 응력을 경감시키는 용접 시공 방법

(1) 모재에 공급하는 열량 최소화
(2) 국부적으로 열이 집중되지 않도록 할 것
(3) 본 용접 전 용접 이음부를 예열 할 것
  용접부에 가해지는 용접 열원은 단시간에 고온을 사용하는 관계로 분포도 상에서 용접 열원의 분포가 급경사를 이루고 있는데 이것은 급냉에 의한 용접부위의 변화가 심해질 가능성을 뜻하는 것이다. 이와 같은 이 유로 인하여 용접부 잔류응력이 많이 생기게 된다. 이것을 경감하기 위해서 50~150C 정도로 예열한 후 용접하면 용접시 온도 분포도의 경사가 완만해지면서 용접후의 수축 변형량도 감소되고, 구속응력도 줄어 들게 된다.
(4) 용착되는 금속량을 최소화 할 것
용착 금속량을 적게하면 수축변형량이 적어지고, 잔류 응력의 크기도 작아진다.
용착 금속량을 줄이기 위해서는 용접 홈의 각도를 가능한 적게 만들고, 루트 간격을 좁혀서 용접부 자체에 서 발생되는 내부 구속을 경감시킨다.
(5) 용착방법이나 용접순서를 적절하게 선정 할 것
  용접순서의 선정 용접부재가 같은 크기나 같은 형상이라도 용접작업 순서에 따라서 수축변형에 크게 영향을 주게 되므로 공 작물의 크기와 구조 작업조건에 따라서 용접부의 잔류응력 및 구속응력에 미치는 영향이 크다.

   적절한 용착법의 선정 비석법(skip법)에 의한 비드 배치법이 잔류응력의 크기가 가장 작다.
    스킵법(skip method)
   일명 비석법이라고도 하며, 용접 길이를 짧게 나누어 간격을 두면서 용접하는 방법으 로 피용접물 전체에 변형이나 잔류 응력이 적게 발생하도록 하는 용착 방법이다

용착법의 종류: 후퇴법,대칭법,비석법, 교호법,전진법, 덧살올림법,캐스케이드법 블록최소등

후퇴법(Back step method):
용접선의 전 길이를 적당한 길이, 즉 대략 용접봉 하나로 용접할 수 있는 길이로 분하여 국부 구간의 용접은 전진하지만 전체 구간의 용접방향은 용접방향에 대하여 후진하는 방법입니다.
(2층 이상의 경우에는 각 층구간의 이음매가 일치되지 않고 어긋나도록 해주면 됩니다.)

대칭법(Symmctry method):
용접선이 긴 경우에 사용되는 비드 배치법의 일종으로서 용접선의 중앙으로부터 시작하여 좌우에 한 번씩 대칭적으로 비드를 놓음으로서 변형의 발생량을 경감하는 방법 입니다.
특징: 용접선 대칭 배치, 균형 유지
장점: 균형 잡힌 열 분포, 변형 최소화
단점: 복잡한 구조 적용 어려움

비석법(스킵법/ Skip method):
전 길이를 적당한 구간으로 구분한 수 각 구간을 한 칸씩 건너 뛰어서 용접한 후에 다시금 비어있는 곳에 차례로 용접하는 방법으로 잔류응력이 가장 적게 남는 방법입니다
(용접선이 긴 경우에 적당하며, 이때 각 비드의 길이는 20mm 정도가 적당 합니다.)
특징: 용접선 건너뛰어 용접, 열집중 방지
장점: 잔류응력 감소, 용접 순서 최적화 중
단점: 작업 시간 증가

교호법(Altermate method):
전체 용접선을 놓고 볼 때, 처음과 끝 그리고 중앙에 비드를 배치하여 2등분 한 후에 다시 등분된 곳 중앙에 비드를 배치하는 요령입니다. 즉 각 구간의 용접순서는 교대로 진행되면서 전체 용접 방법은 반대가 되는 형식으로 용접선 전체에 대하여 용접열의 영향이 비교적 균일하게 분포되어 변험이 적다는 장점이 있습니다.

다층용접
특징: 여러 층으로 용접, 후속 비드 열처리 효과
장점: 잔류응력 감소 효과
단점: 작업 복잡, 시간 소요, 각 층 용접 조건 조절 필요

3. 잔류응력 완화방법

가. 잔류응력 완화법(제거법)
1) 응력제거 풀림(stress-relief annealing)
  잔류응력이 있는 용접물에서는 인장응력 부분과 압축응력 부분이 서로 당기고 있으므로 이것을 적당한 고온으로 유지하면 크리프에 의한 소성변형으로 잔류응력이 거의 소멸되어 버린다.

  약 550～650℃ 정도에서 항복점이 현저하게 저하한다. 또한 연강 이외의 저합금강에서도 약 600～650℃ 정도에서 항복점이 현저히 저하하므로 이 온도 범위에서 응력제거 어닐링이 실제로 채용되고 있다. 잔류응력의 완화는 유지온도가 높을수록 유지시간이 길수록 크리프가 일어나기 쉬우므로 잔류응력이 현저하게 감소된다.

  최초의 응력이 반감하기까지의 시간은, 550℃ 의 경우는 약 75분, 650℃ 에서는 약12분, 750℃에서는 약 3분 정도 유지하면 된다.
  방법은 노내 응력제거법(석출경화), 국부응력 제거법 등이 있다.

[ 응력제거 어닐링 효과]
  ① 용접 잔류응력의 제거                                         ② 치수 비틀림의 방지
  ③ 응력부식에 대한 저항력의 증대                          ④ 열영향부의 템퍼링 연화
  ⑤ 용착금속 중의 수소제거에 의한 연성의 증대      ⑥ 충격 저항의 증대
  ⑦ 크리프 강도의 향상                                             ⑧ 강도의 증대(석출경화)

특징: 고온 유지, 잔류응력 제거
장점: 응력 부식 저항, 인성 회복
단점: 에너지 소모, 재질별 온도/시간 설정 필요

  2) 저온응력 완화법
  용접선의 양쪽을 정속이동의 가스불꽃으로 폭 150mm 정도에 걸쳐서 150 ~ 200℃로 가열한 다음 곧 수랭함으로서 주로 용접선 방향의 인장응력을 완화하는 방법, 이 이유는 용접선 양쪽의 압축응력부분을 가열하면 용착부에 인장열응력이 생겨서 이것이 잔류인장응력과 겹쳐져 용착부에 인장소성변형이 생기고, 이것에 의해 잔류응력이 완화되기 때문이다.
특징: 저온 가열 후 급랭
장점: 간편, 저렴
단점: 효과 제한적, 특정 재질 적용 가능

3) 기계적 완화법
   용접선 방향에 0.2% 정도의 소성변형을 주면 잔류응력이 완화된다.
❍ 잔류응력이 존재하는 주조물에 어떤 하중을 걸어 용접부를 약간 소성변형 시킨 다음 하중을 제거하면 잔류응력이 현저하게 감소하는 현상을 이용한  방법이다.
❍ 대형의 압력용기의 경우 후열처리가 곤란하나 수압시험을 행하면 용접부 부근의 길이방향 잔류응력은 상당부분이 완화된다.

  4) 피닝법
"피닝처리" 구면상의 특수해머로 용접부를 타격하여 표면층에 소성변형을 주어 용착부의 인장음력을 완화하여 잔류 응력을 완화하는 효과와 더불어 용접변형의 경감 및 용착금속의 균열 방지에 효과가 있는 방법 입니다.
피닝의 경우 고온에서 실시하는 것 보다 냉각한 후 실시하는 것이 효과적이며 초층에는 하지않고 중간층과 최종층에 실시하며 용접층뿐 아니라 모재부위(좌우 50mm범위)에 실시하고 그에 따른 효과는 표면에서 3.2mm정도 입니다.
특징: 해머 타격, 표면 소성 변형
장점: 인장 응력 완화, 균열 방지
단점: 숙련도 필요, 자동화 장비 활용 가능

5) 시공에 의한 잔류응력 경감법
  (1) 용착금속의 량을 될 수 있는데로 감소시킬 것.
  (2) 적당한 용착법과 용접순서를 선정할 것.
  (3) 적당한 포지셔너를 사용할 것.
  (4) 예열, 후열을 할 것.

4. 변형 방지법

클램핑 및 지그
특징: 작업물 고정
장점: 변형 억제 효과
단점: 내부 응력 증가 가능, 고정력/위치 중요

역변형법
특징: 예상 변형 반대 방향 사전 변형
장점: 정확한 최종 형상
단점: 정확한 예측 필요, 경험/시뮬레이션 활용

예열 및 후열 처리
특징: 용접 전후 가열, 냉각 속도 조절
장점: 균일 온도, 변형 감소
단점: 에너지/시간 소요, 적절한 온도/시간 중요

5. 추가 고려 사항
용접 재료 (저수소계 용접봉, 열팽창 계수 일치)
용접 설계 (용접선/단면적 최소화, 모재 두께 고려)
용접 자동화 (로봇 용접, 용접 변수 제어)