용접시 발생하는 잔류응력의 원인과 대책

1. 용접 잔류응력

(1) 발생원인

1) 구속에 의한 발생

• 가열된 모재의 냉각 및 용착강의 응고 냉각에 의한 수축이 자유롭고 그위치가 차이가 있거나, 용접 변형이 발생하지 않도록 구속하거나, 모재의 두꺼운면 잔류응력이 발생한다.
• 모재의 두께가 두꺼울수록 용접 변형을 방해해서 내부 잔류 응력은 최대 재료의 항도강도까지 증가한다.

2) 박판에서는 뒤틀림이 발생, 후판에서는 잔류응력이 발생

• 잔류응력이 큰 부분은 전위 밀도가 높고, 원자들은 안정한 평형위치에 있지 못하며 응력에 의해 변형된다.
• 잔류응력은 이음 현상, 용접 입열, 판 두께, 모재 크기, 용착 순서, 외적 구속 등의 영향을 받는다.
• 용접부의 경화도와 확산성 수소 증가시에는 균열이 발생한다.

(2) 영향

뒤틀림으로 제품의 품질 저하 및 외관이 불량하다.

후판은 뒤틀림이 발생하지 않아 잔류응력 발생이 커지고, 이에 따라 균열이 발생하기도 하며, 박판에서는 뒤틀림 발생(변형)에 의해 잔류응력이 소실되기 쉽다.

잔류응력의 최대치는 고온 항복강도와 같으며, 이를 넘어설 경우 균열로 진전된다.

운전 환경과 관련되어 용접부의 응력 부식 균열 및 부식을 촉진하다.

 

정적강도

연성 재질의 연강 및 저합금강 등은 항복점에 가까운 잔류응력이 존재해도 소성변형이 진행되면서 잔류응력이 완화되므로 파단강도에는 영향을 미치지 않는다.

취성파괴

연성재질에서도 특이한 조건(노치, 저온, 높은 변형속도, 야금학적 조건 등)에 따라 연신율이 감소하며, 취성파괴가 발생할 수 있다.

재료가 취성파괴를 일으킬 수 있는 조건하에서 잔류응력이 존재 할 경우, 비교적 낮은 외력이나 작은 연신 상태에서도 취성파괴가 발생한다.

피로강도

연성의 노치가 없는 시편은 피로균열이 발생하기 이전에 반복하중에 의해 잔류 응력이 상당히 감소하므로, 균열은 피로강도에 그다지 큰 영향을 미치지 않는다.

용접 불량 등의 예리한 노치가 있으면 항복점에 비해서 훨씬 작은 응력에서도 피로파괴가 발생하므로, 피로강도 고려시 잔류 응력과 용접결함에 의한 노치의 영향도 함께 고려해야한다.

 

(3) 방지대책

1) 용접 시공에 의한 잔류응력 완화

• 모재에 가능한 적은 열을 가하고, 한곳에 열량 집중 방지
• 적절한 용착법과 홈의 형상 및 용접순서 등을 사전에 고려하여 입열량 제어

2) 예열 실시

• 용접부와 주변 온도 차이를 감소시켜 가열 및 냉각 시 발생하는 수축 및 팽창에 의해 잔류응력을 제거한다.
• 예열을 실시하면 냉각 속도가 감소되어 음속의 경화능(취성)에 의한 균열이 감소된다.

3) 잔류응력 완화법(응력제거 열처리) 실시

• 피닝법: 치핑 해머로 비드표면을 연속적으로 가볍게 때려 소성변형으로 잔류응력 제거(잔류응력 완화, 변형 교정, 용착금속 균열방지)
• 응력제거 소둔법(PHWT): A1 변태점 이하에서 단시간(1~2)유지하여 크리프에 의한 소성변형으로 잔류응력 제거, 잔류응력 완화 정도는 고온일수록, 유지기간이 길수록 커진다 (응력부식에 대한 저항력 증대, 열영향부 풀림연화, 확산산 수소방출, 인성회복, 강도증대 등)
• 저온응력 경감법: 가스 화염으로 용접선 양측을 150~200도씨 정도 가열한 후 곧 수랭하여 주로 용접선 방향의 인장 응력 완화, 용접부의 용접 잔류응력과 방향이 일치하는 인장응력이 발생하면서 소성변형을 통해 응력이 완화된다.