용접 잔류 응력의 대책(완화) 및 변형 방지책

1. 용접 잔류 응력

가). 발생원인

• 잔류 응력은 이음현상, 용접입열, 판두께, 모재크기, 용착순서, 외적구속 등의 영향을 받으며, 잔류 응력이 큰 부분은 전위 밀도가 높고, 원자들은 안정한 평형 위치에 있지 못하며 응력에 의해 변형이 된다.
• 모재의 두께가 두꺼울수록 용접 변형을 방해하여 내부 잔류 응력은 최대 재료의 항복강도까지 증가하며, 항복강도를 초과할 때는 균열로 진전이 된다.
• 용접부의 경화도와 확산성 수소 증가시에는 균열이 발생한다.

 

나). 영향

(a). 피로강도의 저하 : 재료의 인성이 빈약한 경우 파단강도가 극히 저하되며, 저온에서 사용되는 구조물에서는                취성파괴를 유발한다.

(b). 균열의 발생 : 후판은 뒤틀림이 발생하지 않아 잔류 응력발생이 커지고, 이에 따라 균열이 발생하기도 하며,                박판에서는 뒤틀림 발생(변형)에 의해 잔류응력이 소실되기 쉽다.

(c). 품질저하 및 외관불량

(d). 재료의 허용강도의 저하 : 잔류 응력의 최대치는 고온항복강도와 같으며, 통상적인 강재의 경우 상온 항복강도의    60%에 달한다.

(e). 부식의 촉진 : 운전 환경과 관련되어 용접부의 응력 부식 균열(Stress corrosion crack : SOC) 및 부식을 촉진한다.

 

다). 방지 대책(용접응력 완화법)

(a). 용접 시공에 의한 잔류 응력 완화

• 모재에 가능한 적은 열을 가하고, 한곳에 열량 집중을 방지한다.
• 적절한 용착법과 홈의 형상 및 용접순서를 사전에 고려하여 입열량을 제어한다.

(b). 예열 실시

• 예열을 실시하면 냉각 속도가 감소되어 금속의 경화능(취성)에 의한 균열이 감소된다.

(c). 잔류응력 완화법(응력제거 열처리 실시)

(ㄱ). 피닝(Peening)법 : 치핑 해머로 비드표면을 연속적으로 가볍게 때려 소성변형으로 잔류 응력을 제거한다.

(ㄴ). 용접후열처리(Post Weld Heat Treatment : PWHT) : A1 변태점 이하에서 단시간(1~2시간) 유지하여 크리프에 의한 소성변형으로 잔류 응력을 제거한다.

• 잔류 응력 완화 정도는 고온일수록, 유지기간이 길수록 커진다.
• 효과 : 응력 부식에 대한 저항력 증대, 열 영향부 풀림 연화, 확산성 수소 방출, 인성회복, 강도증대 등

(ㄷ). 저온응력 경감법 : 가스 화염으로 용접선 양측을 150~200℃ 정도로 가열한 후, 곧 수냉하여 주로 용접선 방향의 인장응력을 완화시키는 방법이다.·

 

2. 변형

용접 열 영향에 의해 용접부는 균열 및 잔류응력 등  여러가지 변경이 발생한다.

 

1) 변형의 종류

변형의 종류		형상	특징
수축변형	가로 수축 (횡 수축)		· 용접선에 직각 방향으로 발생하는 수축 · 모재가 두꺼울수록, 루트간격이 클수록, X형보다V형 홈이 많이 수축된다.
	세로 수축 (종 수축)		· 용접선 방향으로 발생하는 수축 · 종수축량은 용접길이에 대해 약 1/1000 정도로 횡수축보다 그 양이 적다.
	회전 변형		· 주로 열원 이동중 용융지 부근 모재의 용접선 방향의 열팽창에 기인한다. · 첫 층 용접시 충분한 가접(Tack weld) 실시
처짐변형 (굽힘변형)	각 변형 (가로 굽힘변형, 횡굴곡)		· 판이 용접선에 직각으로 굽혀지는 변형으로 맞대기 이음 등의 양면 용접시   주로 발생한다.
	세로 굽힘 변형		· 판이 용접선 길이 방향으로 굽혀지는 변형
	좌굴 변형		· 압축 열응력에 의해 판이 용접선 방향의 좌굴형식 변형이 발생한다. · 박판 용접시 주로 발생한다.

 

2) 변형의 원인

• 모재의 열팽창 계수 및 열전달이 큰 재질일수록 용접 변형이 쉽게 발생한다.
• V형 홈 등 비대칭인 용접 홈은 각 변형량이 크다.
• 높은 전류가 공급되는 대입열 용접일수록 수축량이 크다.

3) 용접 전 변형 방지대책(변형의 경감법)

(a). 설계 단계

• 요구 강도에 맞는 적절한 용접 설계로 용접 길이를 최소화되도록 한다.
• 용착량 최소화 : 개선 각도 및 개선면을 가능한 작게하거나 굵은 용접봉을 사용하여 용접패스수를 최소화한다.
• 변형이 최소화 될 수 있는 X형, H형 등 대칭 형상의 개선 홈을 적용한다.
• 보강재 등 용접 구조물의 구속이 커지도록 한다.

(b). 시공 단계

• 구속법(억제법) : 보조판 등 구속 지그를 사용하여 변형을 억제한다.
• 역변형 법 : 사전에 모재에 역변형을 주어 용접 후 휨을 방지한다.

• 열 분포 분산 용접 실시 : 용접을 일률적으로 실시하지 않고, 부분적으로 실시하여 열 변형을 최소화한다.                     - 후퇴법(후진법), 스킵법 시행                                                                                                                                       -   - 단속용접 실시 후, 메우기 용접 실시 

• 피닝 실시 : 치핑 해머로 비드표면을 연속적으로 가볍게 때려 소성변형으로 잔류 응력을 제거하는 방법.
• 예열을 실시하여 구조물 전체의 온도가 균형을 이루도록 한다.
• 위빙을 하고 용접 속도를 빨리한다.
• 가능한 저입열 용접을 실시한다.
• 루트 간격을 최소화한다.
• 판 두께가 얇을수록 첫 패스측의 개선 깊이를 크게한다.

4) 변형 교정(용접 후 변형의 수정)

• 변형 교정 : 용접시 발생한 병형을 교정하는 것.
• 제품의 종류, 변형 모양과 변형량 등에 따라 여러가지 방법을 사용한다.

방법	특징
기계적 방법 (가압법)	· 외력에 의한 소성 변형으로 교정 · 방법 : 프레스, 롤러 등
피닝법	· 각 층마다 용접 비드 표면을 두드려 소성 변형에 의한 교정 · 특히 두꺼운 판에 유리하다.
후열처리 실시 (가열법)	· 가열하여 크리프 현상에 의한 소성변형으로 잔류응력을 제거 · 최고 가열 온도를 600 ℃ 이하로 하는 것이 좋다.
절단에 의한 정형 및 재용접	· 변형이 발생한 재료를 잘라 다시 붙이거나, 역으로 재용접하여 변형을 교정