열응력 및 선팽창 계수

 

 

1. 열응력 σ t

재료의 양단을 구속한 상태에서 열을 가하면 재료가 신장하려 하므로 재료 내부에 압축응력이 작용하고, 반대로 냉각을 할때는 재료가 수축하게 되므로 내부에 인장응력이 발생한다.

(재료를 구속하지 않으면 열응력은 발생하지 않는다.)

 

 

 

2. 열응력 발생 억제 방법

1) 용접 변형

용접부는 용응 및 응고에 따른 수축에 의해 균열 및 잔류응력 등 여러가지 변형이 발생하며, 변형은 용접 구조물의 치수, 정밀도, 외관 불량 및 기계적 성질의 저하를 가져온다.

 

2) 용접 변형의 종류

① 가로수축(횡수축)

• 용접선에 직각 방향으로 발생하는 수축
• 모재가 두꺼울수록, Root 간격이 클수록, X형보다 V형 홈이 많이 수축된다.

② 세로수축(종수축)

• 용접선 방향으로 발생하는  수축
• 용접조건이 일정할 때, 세로수축량(ΔL)은 용접전류(I), 용접길이(L), 모재두께(t)에 의해 결정된다.

③ 회전 변형

• 용접시 첫 층의 방향 및 순서에 영향을 받으므로 첫 층 용접시 충분한 가접(Tack weld)를 실시한다.
• 용접 순서를 고려하여 후진법, 대칭법, 비석법 등을 적용한다.

④ 각 변형(가로 굽힘 변형)

• 판이 용접선에 직각으로 굽혀지는 변형으로, 수축량은 판 두께에 의해 달라진다.

⑤ 세로 굽힘변형(종 굽힘 변형)

• 판이 용접선 길이 방향으로 발생하는 굽힘 변형으로 세로방향 수축 중심이 부재 단면 중심축과 일치하지 않을 경우 발생한다.

⑥ 좌굴 변형

• 판이 압축 열응력에 의해 용접선 방향으로 뒤틀리는 변형이다.
• 이음부와 인접한 면의 변형을 구속하거나, 용착순서를 고려하여 입열량을 적절히 분산한다.

 

3) 용접 변형의 원인

① 모재의 열팽창 계수 : 열팽창 계수 및 열전달이 큰 재질일수록 변형이 쉽게 발생한다.
② 용접부 홈 형상의 영향 : V형홈 등 비대칭 용접은 각 변화가 한방향으로 발생하며, X형홈은 각 변화가 상쇄된다.
③ 용접 속도의 부적합 : 용접 지점의 열은 실시되지 않은 부분의 변형을 초래하므로, 속도를 빠르게 하는 것이 좋다.
④ 용접 방향의 영향 : 고능률 대입열 용접일수록 많은 용융금속이 발생하고, 응고, 수축응력이 크게 작용하므로, 가능한 저입열 용접을 적용한다.

 

4) 방지책

주로 용접 패스 수를 최소화하고, 개선 각도 및 개선면을 작게하고, 용착량을 최소화 한다.

① 구속 용접 실시 : 구속용접 실시 후에는 후열처리(PWHT)를 실시하여, 내부 잔류 응력을 해소시킨다.
② 역 변형 부여 : 용접부 구속이 불가능할 경우, 용접 변형을 방지하기 위해 역 변형을 실시한다.
③ 단속 용접 실시 : 회전변형을 억제하고, 잔류응력을 균등하게 하기 위해 실시하나, 효율이 저하된다.
④ 후퇴법 시행
⑤ 개선면의 대칭 형상 가공 : V형 개선면 보다는 X형 개선면이 용접 변형에 유리하다.
⑥ 요구 강도에 맞는 용접 설계
⑦ 용접 패스 수를 최소로하여 용접
⑧ 용접 속도를 빠르게 한다.
⑨ Water or Copper Cooling 실시
⑩ Peening 실시 : 용접부를 햄머 등으로 파격하여 잔류응력을 제거하는 방법
⑪ 열 분포 분산 용접