용접 이음의 충격 강도, 피로 강도 및 영향 인자

1. 개요

- 용접 이음이란?

모재와 금속 전극과의 사이에 아크를 발생시켜 그 용접 열로서 전극과 모재를 용융시키며 용접 금속을 형성하는 것을 용접이음이라고 한다. 선박, 차량, 항공기, 건축, 산업기계나 가전기기의 제조에 필수적인 가공기술이다.

 

- 용접은 단기간에 고열을 수반하는 복잡한 금속접합이고, 부주의시 심한 재질열화, 변형, 잔류응력 등의 용접결함을 일으켜 재료에 손상을 줄 수 있으므로 전문성이 요구되는 기술이다.

장점	단점
(1) 이음 효율이 높다.	(1) 품질검사가 곤란함
(2) 기밀성, 수밀성이 우수	(2) 응력집중에 대해 민감함
(3) 구조의 간단화가 가능	(3) 용접사의 기술에 의해 이음부의 강도가 좌우됨
(4) 재료의 두께 제한이 없음	(4) 저온취성 파괴가 될 가능성이 존재
(5) 작업의 자동화가 용이	(5) 유해광선과 화재의 위험이 있음
(6) 수리 및 보수가 용이

 

2. 피로강도 영향인자

1) 피로 강도 저하 인자(구조물에 있어서 피로 발생 인자)

(a). 구조적 불연속 및 용접 변형에 의한 부적합

(b). 노치 등 국부적 응력 집중 : 재료의 각종 노치, 재료 내 각종 재료결함 등에 의한 응력집중이 발생한다.

(c). 용접 덧살부, 필릿 용접의 토우부 또는 구멍이나 개구의 필릿부

      - 기하학적으로 형상이 급변하면 응력 집중 형상 계수가 높아지게 되어 피로 강도가 저하된다.

(d). Under-Cut, Blow Hole, 게재물 등에 의한 용접 결함

(e). 용접부의 인장 잔류 응력 및 부식, 도금, 표면부의 잔류 응력

 

2) 피로 강도 상승 인지(피로 한도 상승대책)

(a). 진동 및 공명이 발생하는 위치를 피해서 용접 연결부 배치로 피로하중 최소화한다.

(b). 부식성 환경의 노출 최소화시킨다.

(c). 응력 집중계수를 낮게 설계한다.

(d). 적합한 모재, 용가재 및 용접 공정의 선택한다.

(e). 시공 전 그루브 형상 및 표면 처리한다.

(f). 후처리 실시

• 토우 그라인딩 & TIG 드레싱 : 토우부를 기계 연마 또는 TIG 드레싱을 실시하여 슬래그, 언더컷 등의 용접 비드 선단의 결함을 제거하고, 국부 응력 집중을 해소한다.
• 해머, 치핑 등에 의한 표면 잔류 응력 제거한다.
• 숏 피닝, 샌드 블라스팅 작업에 의한 강도, 강성부여 및 내부응력 제거한다.

 

3. 용접 구조 설계상 피로강도의 검토

1) 용접 이음의 피로강도 저하의 원인

(a). 용접 열 영향부의 피로강도 저하

• 탄소강 또느 저합금강의 Arc 용접 등 열을 이용한 용접시 용접 금속의 바깥면 수 mm구역에  용접 열 영향부(Heat affected zone)가 형성되며, 이 열 영향부는 인성 및 연성이 저하되고, 경도가 증가하고 조직이 취화되는 특성을 보인다.

(b). 용접부의 응력집중 영향

• 용접 비드(지단)의 루트부는 용접 이음에 고유의 집중응력이 발생한다.
• 구조상 용접 불 연속부는 응력의 난산에 의한 거시적 응력이 집중된다.

(c). 비드 높이에 따른 피로강도 저하

• 비드 높이를 삭제한 맞대기 이음은 모재의 피로강도와 같거나 이보다 낮다.
• 비드 높이를 삭제하지 않은 용접 이음은 비드의 토우부의 노치효과로 인해 비드 높이를 삭제한 이음보다 피로강도가 저하된다.
• 피로강도 특성 : 모재 ≥ 비드 높이 삭제 맞대기 이음 > 비드 높이를 삭제하지 않은 이음

 

2) 용접 구조물의 피로강도 개선 방안

(a). 용접 설계 방법의 개선

• 사용 목적에 적합한 기능과 구조적 안정성이 충분하도록 설계를 하되, 비용측면에서 경제성을 가질 수 있도록 재료 선정, 형상 및 크기 등을 결정한다.
• 구조적으로 충분하도록 이음부의 형상이나 홈의 형상을 결정한다.
• 용접 구조물의 특성에 따른 적절한 용접법을 선정한다.
• 열 집중과 열 변형을 감소하기 위한 최적의 용접 순서를 검토한다.

(b). 용접 열 영향부의 피로강도 개선

• 적절한 용접봉을 선택한다.
• 예열 및 후열처리를 실시한다.
• 탄소당량에 의한 최고 경도 값 추정 및 사전 용접모재의 특성에 따른 용접 입열량 등을 고려한 nomogram에 의해 추정되는 냉각 속도 및 시간을 관리한다.
• 연속냉각곡선(CCT-Diagram)을 이용한 상변태 사전 예측 냉각 방법을 선정한다.

(c). 각 용접 이음별 응력과 강도 특성

(ㄱ). 맞대기 이음

        1) 응력의 분포 : 토우부의 붙힘 각도(θ)나 반경(R) 등이 응력 집중에 영향을 준다.

     

        2) 응력 집중 저감 방안

        · 주기적인 응력을 받는 부위에 대해 항상 응력 분포가 균일하도록 고려한다.

        · 폄심 응력에 대해서 응력 집중을 피하여 설계한다.

        · 급격한 두께 변화를 피하고, 모따기나 테이퍼 형상으로 설계를 변경한다.

 

        · 붙힘 각도(θ)를 작게하고, 반경(R)을 크게 한다.

 

         · AWS D1.1 기준 : 균열과 점진적인 피로 파괴를 발생할 수 있는 진동수와 규모의 주기 하중을 받기 쉬운 구조물의              연결에 대해 완화 경사 기준을 1: 2.5 이하로 규정한다.

 

(ㄴ). 필릿(Fillet) 이음

• 응력의 흐름은 맞대기 이음보다 필릿이름이 복잡하다.
• 필릿 이음은 루트부나 토우부에 커다란 응력 집중이 발생하고, 이음 강도가 맞대기 이음보다 저하한다.

       1) 전면 필릿 용접 이음

        · 편심 하중이 발생하고, 용접 이음부 끝단에 모멘트가 발생한다.

        · 필릿의 크기에 따라 피로 수명이 변화한다. 

           (1) 필릿 크기가 작은 경우 : 루트부로 부터 파괴가 발생한다.

           (2) 필릿 크기가 큰 경우 : 

            · 루트부의 집중 응력은 작게되므로 동일 응력하에서 수명은 길어진다.

            · 필릿 사이즈가 과다하게 크게 되면, 응력 집중이 크게 되고 파괴 발생 기점이 루트부로부터 토우부로 이동하므로                피로 수명은 증대되지 않고, 설계상의 이점이 없다. 

            · 충분한 필릿 사이즈를 확보하여야 하는 경우에는, 필릿 각도를 서서히 크게하고, 토우 반경을 크게하여 피로강도                를 개선한다.

 

            · AWS D1.1 기준 : 이음부의 처짐을 구속하는 경우가 아닐 때는, 양면 필릿 용접으로 실시하고 최소 겹침 길이는                   얇은 부재 두께의 5배(최소 25mm 일 것.)

 

        2) 측면 필릿 용접 이음 : 용접 길이를 어느 정도 길게하면 피로강도 개선이 가능하다.

 

            · AWS D1.1 기준: 

              - 용접부의 길이(L)는 강재의 폭(D) 이상이어야 하며, 길이는 200mm를 초과하지 않아야 한다.

              - 두 판재의 두께 차는 16배 이하이어야 한다.

        3) 전면 및 측면 필릿 병행 용접 이음 : 

        · 좌굴 또는 파손을 방지하기 위해 전면 및 측면 필릿 병행 용접을 실시한다.

        · 모서리 위치에서 연속적이 비드 형성이 어렵고, 언더컷 결함을 방지하기 위해 양 용접부에 공통으로 접촉하고 있는            모서리는 용접을 실시하지 않는다.

 

         4) K형 필릿 용접 이음 

           (1) 강도상 검토

              · 교차 부위는 응력 집중이 발생할 수 있으므로 원형의 Scallop을 가공한다.

              · Scallop(용접 접근공)

                - 부재 용접 시 이음 또는 접합부의 용접선이 교차된 부위에 용접선의 겹침을 피하기 위해 곡률가공 또는                                모따기를 한 것.

                - 교차 부위가 재 용접되면, 열 영향으로 인해 용접부가 취약해지게 된다.

                - H 형강 내 스티프너 등 모서리에 주로 사용된다.

                - 곡률 반경 표준 = R30mm

 

           (2) 발생 가능한 강도상 문제점

              · 용접 루트에서 목두께 방향의 필릿 내 60˚ ~ 70˚의 각도로 파단될 수 있다.

              · 필릿 용접부의 용입 부족 또는 판 아래 편석이 존재하는 경우 필릿 전체가 모재와의 경계면에서 파단될 수 있다.

              · 가로 굽힘 변형에 의한 잔류 응력이 증가된다.

              · 용접 길이 방향 변형에 의한 잔류응력이 발생한다.

 

           (3) 방지 대책

              · 강도에 적합한 목 두께를 선정한다.

              · 층상 편석이 없는 재료를 선택 및 깊은 용입이 이루어지도록 홈을 설계한다.

              · 과도한 용착량 및 용접 길이를 피하여 시공한다.

 

 

4. 용접 구조물의 파괴

1) 용접 구조물의 파괴의 원인

가). 재료의 부적합

• 용접용으로는 적합하지 않은 강판의 사용
• 부적합한 용접봉의 사용

나). 시공 불량

• 용접 무자격자의 용접 시행
• 적절하지 않은 용접 방법 시행
• WPS의 미준수

다). 설계 불량

• 피로강도 특성 등을 반영하지 않은 구조적 설계
• 하중의 분산을 고려하지 않은 설계

2) 용접 구조물 파괴의 종류

가). 취성 파괴 : 용접 열 영향부는 취성이 높으므로 저온 및 충격하중 등에 약하고, 특히 노치부는 응력의 집중으로 인해 파괴가 진행될 수 있으며, 아래와 같은 특성을 보인다.

 

(a). 원인 

• 저온일수록 발생이 쉽다.
• 용접 결함에 의한 구조상 불연속부, 용접 균열, 용입 부족, 슬래그 혼입 등

(b). 발생 형태

• 항복점 이하에서도 진행된다.
• 파면은 보통 취성 재료의 파괴의 형태인 벽 파단면(인장 파단)의 형태로 나타난다.

나). 피로 파괴 : 재료에 허용 정하중보다 작은 값이라 하더라도 반복 하중이나 변동하중이 장기간에 걸쳐 작용하여 파괴되는 현상

 

(a). 원인 

• 구조적 불연속 및 용접 변형에 의한 부적합
• 노치 등 국부적 응력 집중 : 재료의 각종 노치, 재료 내 각종 재료결함 등에 의한 응력집중이 발생한다.
• 용접 덧살부, 필릿 용접의 토우부 또는 구멍이나 개구의 필릿부 : 기하학적으로 형상이 급변하면 응력 집중 형상 계수가 높아지게 되어 피로 강도가 저하된다.
• 용접부의 인장 잔류 응력 및 부식, 도금, 표면부의 잔류 응력
• Under-Cut, Blow Hole, 게재물 등에 의한 용접 결함

(b). 발생형태

• 재료내부에 피로가 발생하고 미세균열 등이 발생하여 점차 진행, 파단하게 된다.
• 파괴, 파손되는 용접 구조물의 80% 이상이 피로에서 기인한 여러가지 형태의 원인으로 파손이 된다.

다). 해결 방안

• 용접 설계 방법의 개선
• 적합한 용접 재료의 사용
• 용접 시공 관리의 철저
• 용접 검사의 철저
• 용접 열 영향부의 응력집중 방지 및 예/후열 처리 실시 등

 

5. 결론

 - 철강구조물 파괴원인은 여러가지 사유가 있겠으나 당초 설계시에는 충분한 강도와 안전율을 적용했음에도 계속되는 반복하중, 교번하중, 충격하중 등의 동하중의 영향으로 피로누적이 쌓여서 구조물의 파괴로 이어지게 된다.

 

- 최초 설계시 피로내진을 충분히 고려하여 설계계수를 적용해야 한다.