잔류응력과 수축응력

[kcwelding]

   [[ 기 출제문제 ]]

문제1-1. 연강 아크용접에 있어서 열사이클과 조직변화에 대하여 설명하라.(28-4-1)

문제1-2. 강용접 열영향부(HAZ) 열사이클을 도시하여 설명하고 각 온도 구역에서의 조직에 관하여 설명하라.(31-2-3)

문제1-3. 강용접 열영향부의 열 싸이클(thermal cycle)을 도시하여 설명하고 각 온도 구역에서의 조직과 열 싸이클에 영향을 미치는 인자를 들고 설명하시오.(36-4-2)

   가. 열영향부의 열 사이클(weldthermal cycle)

  용접열에 의한 모재의 재질변화, 용접물의 변형, 잔류응력의 발생 등 모든 열영향은 용접부의 온도변화가 그 원인이 되고 있다.  용접중에 가열에 의하여 용접금속과 이에 인접한 모재는 용착금속으로부터의 거리에 따라 여러 온도로 급열 급랭되게 되는데 이 급열, 급랭의 온도변화를 열사이클(thermal cycle)이라한다. 

  아크 용접 열향부의 열 사이클(특히 본드부)은 탄소강이나 고장력강의 용접성(weld- ability) 연구에 중요하며, 용접 열사이클의 속도는 용접방법, 용접입열, 이음형상, 판 두께, 용접전의 모재온도, 모재의 온도확산율 및 융점 등에 의해 매우 달라진다.

  우측 그림은 두께 20mm의 넓은 연강판에 지름4mm의 피복봉으로 긴 비드 용접시의 열사이클이며,  최고 가열온도가 1100^oC인 곳은

불과 몇초 정도의 짧은 시간에 1100^oC로 가열

되고 600^oC로 즉시 냉각하는데 12초 정도의

짧은 시간이 걸린다.

  그림 중의 점선은 1mm인 각봉을 1100^oC로

부터 오일 담금질한 경우의 냉각곡선이고 550^oC

부근까지의 냉각시간은 열영향부의 냉각시간과

거의 나타내고 있다.                                      그림 6-2(공단교재,시공 설계)

나. 열 영향부의 조직과 기계적 성질

   1) 기계적 성질과 경도 분포

  강의 열영향부는 본드에서 멀어짐에 따라서 최고 가열온도가 낮아지고, 또 냉각속도도 늦어지므로 그 현미경 조직에 차가 있는 것과 같이 기계적 성질도 변화한다. 기계적 성질의 변화를 손쉽게 조사하기 위해 경도분포를 중요시한다. 특히 하중이 작은 (1-0.025kg)현미경 경도계를 많이 사용한다.

  본드부분의 경도는 불연속이 있고 최고경도가 생긴다. 일반적으로 최고경도가 높을수록 열영향부가 취성화되므로, 최고경도는 낮은 것이 바람직하다.

  2) 열영향부의 조직과 특성

   * 제11장 문제21-2 참조

  3) 모재의 온도확산율

  모재의 열전도율이 클수록 용접열은 모재 중에 넓고 신속히 전도된다. 모재가 온도상승을 일으키는 양은 온도확산율로서 결정한다. 온도확산율은 열전도도를 비열과 밀도를 곱하여 나눈 값이며(k/cρ)이며, 재료의 온도 변화속도를 결정하는 정수이다. 고온 영역에서의 알루미늄의 온도확산율은 연강의 약 10배의 크기이므로 그 만큼 온도변화가 신속하게 생기고, 또 용접금속 이외의 모재가 매우 모재를 넓은 면적에 걸쳐 가열하게 되므로 용접후 변형이 강의 경우보다 수배나 증가된다. 탄소강과 저합금강의 온도확산율과 융점이 거의 비슷하므로 용접열 사이클은 실용상 동일하나 스테인리스강, 구리합금, 알루미늄 합금 등은 현저하게 달라진다.

  4) 용접방법과 냉각속도

  가스용접은 아크용접에 비하여 가열이 비능률적이고, 용접금속 이외의 모재를 넓게 가열하는 낭비가 생기므로, 그 가열냉각의 열 사이클은 아크 용접에 비하여 훨씬 늦다.

  저항용접의 열 사이클은 대단히 빠르다.

  강용접법에서 열영향부가 임계온도역(800-700℃) 부근에서 냉각하는 속도는

   .  가스용접....................30-110℃/min(0.5-2℃/sec),    

   .  아크용접 .................110-5,600℃/min(2-100℃/sec),

   .  점용접.......................2,800-22,200℃/min(50-370℃/sec),

 5) 판 두께와 용접전의 모재온도

      문제 7 나항 참조

다. 열사이클에 미치는 영향인자

  용접열 사이클 변화에 영향을 미치는 것은 용접방법, 용접입열, 이음형상, 판 두께, 용접전의 모재온도, 확산율 및 융점 등에 따라 현저하게 달라진다.

  1) 용접방법 : 가스용접이 아크용접보다 훨씬 늦고 점용접, 시임용접은 매우 빠르다.

  2) 용접입열 : 용접선 단위 길이에 가해지는 열량이 많을수록 냉각이 늦어진다.

  3) 이음형상 : 열이 확산되기 쉬운 형상일수록 냉각속도가 빠르다. 맞대기 이음이 필릿이음보다 느리다.

  4) 판 두께와 용접전 모재온도 : 동일 용접입열에서는 판 두께가 두꺼울수록 냉각속도가 빠르며, 용접전 모재온도가 낮을수록 냉각속도가 빠르다.

  5) 모재온도 확산율(열전도 k/비열 C * 밀도 ρ) : Al은 연강의 약 10배 크며, 탄소강, 저합금강은 온도 확산율과 융점이 거의 같으므로 열사이클이 실용상 같다고 본다.  또 모재의 열전도가 좋을수록 모재중에 널리 확산되기 쉽다.

  6) 용착금속의 크기 :

문제2-1. 저합금강에서의 용접 후열처리(Post weld heat treatment :PW HT)에 대해서 설명하시오.(36-4-3)

  저합금강은 용접구조용강에 비해 탄소량이 약간 많으므로 용접시 용접부의 연성저하 및 균열 발생의 우려가 있으므로 후열처리를 해야한다.  즉 탄소량이 많은 강은 열영향부의 용착금속이 급열 급랭되어 경화되며 균열이 일어나기 쉽다. 특히 고크롬-몰리브덴강은 그러하다. 이런 관계로 예열이나 후열로서 응력제거 풀림과 인성의 회복을 해야하며 가급적 로내에서 행하는 것이 좋다.  큰 구조물의 경우 국부풀림 후열방법은 t25mm당 1-2시간 정도이며 후열온도는 합금성분에 따라 다르다.  보통 600-780℃ 범위에서 행한다.(0.5% Mo강 : 650-760℃, 1%Cr-0.5%Mo강 : 690-740℃) 또한 후열처리시 로내 온도가 316℃를 초과하지 않을 때 넣어야 된다.

  용접후의 급랭을 피하는 목적의 후열은 응력제거 어닐링, 완전 어닐링, 노말라이징, 고용체화 열처리, 선상 가열 등이 있다.

 가. 직후열 (좁은 의미의 후열)

  극후판 연강 또는 고장력강의 구조물은 용접 후 급랭에 의한 균열이 발생할 우려가 있어 용접전에 예열을 해야하지만, 예열후 용접하려하면 용접공이 접근할 수가 없으므로 용접을 먼저 하고 수분 내에 가스불꽃을 사용하여 비드 표면만을 600℃정도로 가열(약 1분정도)하면 용접부의 수소가 방출되어 냉각후의 냉간균열을 방지할 수 있다. 이것을 직후열방법이라 하며, 예열을 실시할 수 없을 때의 구제방법으로 편리하다.

 후열 온도와 그 유지 시간은 재료의 종류와 두께, 잔류응력, 용접부의 형상, 확산성 수소량, 예열의 유무와 그 온도에 의하여 결정된다.

나. 후열의 효과

  1) 저온 균열의 원인이 되는 확산성 수소를 방출한다. 온도가 높고 시간이 길수록 수소함량은 낮아진다.

  2) 잔류응력을 제거한다. 실제 시공에서는 예열온도를 높게 할 수 없으므로 후열에 의한 잔류응력 제거가 유리하다.

  3) 가열온도 A₃이상의 완전 어닐링 또는 고온 어닐링과 A₁이하의 저온 어닐링으로 나누며, A₃이상 가열하면 변형이 심하게 되므로 A₁이하가 바람직하다.    

문제2-2. 용접부의 에열 및 후열처리 효과에 대하여 쓰시오.(30-1-5)

  용접부는 열팽창에 의해 팽창했다 수축을 일으키게되며 특히 탄소당량이 높은 것이나 기온이 0℃이하이면 균열 발생이 되기 쉽다. 이러한 원인은 열에의한 팽창과 급랭으로 인한 수축의 영향으로 급랭을 일으키지 않도록 모재를 용접전에 가열하여주는 예열이 필요하다.  또한 두께가 두꺼운 탄소강이나 탄소함량이 많은 중탄소강 이상의 경우는 용접후 급랭으로 인해 경화될 우려가 있으며 급랭으로 인성이 저하되고 균열의 우려도 있으므로 용접후 경화된 용접부 조직을 연화시키고 확산성 수소를 경감시켜 용접균열(저온균열)을 방지시키고 용접으로 인한 잔류응력을 저하시켜 인성을 높이기 위한 방법으로 용접후에 적당한 온도와 시간으로 가열후 서랭하는 후열처리(PWHT)를 하게된다.

문제2-3. 예열과 후열의 목적 3가지를 기술하시오.(50-1-12)

문제3-1. 잔류응력 생성원인에 대하여 설명하여라.(45-1-3)

  가. 잔류응력의 생성원인(발생기구) :핸드북P340-341

  잔류응력이란 외부에서 가한 모든 하중을 제거하여도 물체 내부에 존재하는 응력을 말한다.  특히 용접이음에는 물체에 외력이 작용하지 않아도 용접에 의한 국부가열로 용접부의 불균일한 온도분포, 용탕의 응고. 수축에 의한 수축응력의 불균일 등으로 martensite 상의 변태 및 전위에 의한 응력제거가 발생하며, 용접재와 인접 모재가 냉각수축하여 용접부에도 주위 금속에 의해 억제 당하기 때문에 인장응력이 발생한다.

  이 잔류응력은 이음형상, 용접입열, 판두께, 모재의 크기, 용착순서, 용접순서, 외적구속 등의 인자에 의하여 영향을 받는다. 특히 후판에서는 모재의 변형이 거의 허용되지 않으므로 잔류응력이 크게 되고, 그 때문에 용접부가 갈라지는 경우가 있다. 또 박판에서는 모재가 변형되기 쉬우므로 잔류응력은 작아지지만 그 대신 용접변형이 매우 크게 되고, 실제의 제품에서는 매우 곤란한 문제로 된다.

  예를 들면 아래 그림과 같이 양끝을 고정한 판을 맞대기 용접한 경우의 잔류응력으로서는 양단의 외적구속의 결과 용접부에서 떨어진 a-a' 단면에서도 큰 인장응력이 생기며, 이것을 구속응력이라 한다. 또 용접선에 직각인 횡단면(c-c') 내에는 용접비드의 부근에 큰 인장응력이 생기고 있으며, 그 양쪽에는 낮은 압축응력의 영역이 있다. 또 a-a'로 절단하면 용접선에 평행한 b-b' 단면의 직각응력 분포는 중앙에 인장응력, 양쪽에 수축응력이 작용한다.

               용접공학,원화, p327

  연강의 경우 고온에서의 항복점과 영률은 고온으로 될수록 저하하고 항복점은 700℃ 부근에서는 0이 되어 버린다. 실온부근에서는 약 120 ~ 150℃의 온도변화에서 압축력이 항복점에 도달하고 그 이상의  온도차에서는 압축의 소성변형이 일어나 봉이 그림a와 같이 부풀어 오른다. 또 온도가 약 500℃ 이상에서는 비교적 약간의 압축응력으로 항복이 일어나며, 700℃ 이상에서는 열응력은 거의 0이 된다.

  이와 반대로 연강봉이 700℃ 이상의 고온으로부터 냉각되는 경우에는 일반적으로 봉 내부에는 열응력(수축인장응력)이 생기며, 이것이 항복점보다 크므로 아래 (b)와 같이 양단이 고정되어 있을 경우 파단이 될 수 있다.  일반적으로 Eα.◁T가 항복점보다 크기 때문에 냉각중의 임의의 온도에 있어서 수축인장응력은 항복응력과 같다.

               그림  가열 및 냉각될 때의 금속봉의 움직임

문제3-2. 용접 잔류응력의 생성원인과 그 문제점 및 개선 대책을 설명하시오.(37-2-2)

  1) 잔류응력의 생성원인

   * 문제3-1 가 항 참조

  2) 잔류응력의 문제점(강도에 미치는 영향)

   구조물에서의 잔류응력은 다음과 같이 영향을 미친다.

  ① 용접구조물에서는 취성파괴 및 응력부식이 된다.

  ② 박판 구조물에서는 국부 좌굴을 촉진한다.

  ③ 기계부품에서는 사용 중에 서서히 해방되어 변형이 생긴다.

  용접이음에서 잔류응력은 항상 존재하는 것으로 때로는 재료의 항복점에 가까운 높은 값으로 연강에서 20～30kg/㎟ 이르는 것도 있다. 그런데 강구조물의 허용응력은 정하중에 대하여 10～14kg/㎟ 정도이고, 동하중에는 더욱 적다. 따라서 잔류응력은 허용응력보다 훨씬 큰 값이 되므로 용접이음 및 용접구조물의 성능에 영향을 주는 중요한 문제가 된다.

  (1) 정적강도에 미치는 영향

  연성이 풍부한 재료로 만들어진 용접이음 및 용접물이 정하중을 받아 파괴되기까지 얼마간의   소성변형이 일어나는 경우, 즉 항복점 잔류응력이 존재하고 있어도 정적강도에는 별로 영향이 없는 것으로 생각해도 된다.

  (2) 취성파괴에 미치는 영향

  연강과 같은 연성재료의 용접이음이 저온에서 정하중을 받는 경우에 용접부에 노치가 존재하면 어느 온도 이하에서는 항복점 수분의 일 정도 낮은 평균응력이 걸려도 취성파괴를 일으켜 균열이 전파된다.

  용접부 부근에는 항복점에 가까운 큰 잔류응력이 존재하므로 외부하중에 의한 근소한 응력이 가산되기만 해도 취성파괴가 생길 가능성이 있으며, 또한 연강은 저온에서 연성이 상실되므로 선박, 교량, 압력용기, 저장탱크, 송급관 등의 구조물이 동계의 저온 정하중 아래에서 갑자기 유리나 도자기 같이 취성파괴될 수 있다.

  (3) 피로강도에 미치는 영향

  잔류응력이 피로강도에 영향을 미치는가의 여부는 아직 확실한 결론이 내려져 있지않지만, 연강과 같이 분명한 항복점을 갖는 재료에서의 잔류응력은 피로강도(fatigue strength)를 저하시키고, 반대로 압축잔류응력이 존재하고 있으면 피로강도를 향상시킨다.

  (4) 부식에 미치는 영향

  응력이 존재하는 상태에는 재료의 부식 저항이 약화되어 부식이 촉진되기 쉬운데, 이것을 응력부식균열(stress corrosion cracking)이 생긴다고 한다. 용접에 의한 잔류응력이 존재하는 시험편을 적당한 부식환경 중에 그대로 방치하면 균열이 생기는 것을 알 수 있다.

  금속재료를 현미경으로 관찰하면 부식을 받기 쉬운 부분은 침식이 되어 작은 노치가 된다. 응력부식이 생기는데는 재질, 부식매질, 응력의 크기와 유지시간, 온도 등이 크게 영향을 미친다. 응력부식균열의 대표적인 것을 들어보면 , 오스테나이트계 스테인리스강의 부식균열, 연강의 알칼리 취성, 고장력강의 응력부식균열, Al합금, Mg합금, Cu합금, 특히 α황동이나 청동은 일반적으로 응력부식을 받기 쉽다.

  잔류응력이 존재하는 상태에서 고온으로 수 개월 이상 방치하면 거의 소성변형 없이 취약한 균열이 발생하여 파괴되는 일이 있는데, 이것이 시즌 크랙(season crack)이다.

  (5) 다듬질 가공에 미치는 영향

  잔류응력은 물체 내에서 자기 평형을 유지하고 있으므로 응력이 잔류하고 있는 물체의 일부를 절삭하면 전체의 균형이 무너져 변형이 생긴다. 따라서 용접 조립시 잔류응력이 있는 상태에서 가공하면 치수가 변할 염려가 있다.

  3) 잔류응력 개선대책(잔류응력을 감소시키는 용접방법)

  용접변형을 용접후에 교정하려면 많은 경비와 시간이 걸리므로 미리 그 발생을 줄이는 조치가 필요하다. 그것에는 구속력을 크게하여 변형발생을 저지하는 것이 가장 효과적이지만 ,그것에 의해 잔류응력이 크게 되고 또 용접균열이 일어나기 쉽다. 변형을 적게 하기 위하여 필요한 방법은  전 공급열량을 가능한 적게 할 것, 열량이 한 군데에 집중하지 않도록 할 것, 용접속도를 크게 할 것, 처짐변형의 방지에 주의할 것 등이다.

   (1) 용착금속량을 될 수 있는 한 감소시킬 것.

  용착금속량을 적게 하면 수축에 따른 변형량이 적어지고, 잔류응력의 크기가 적어진다. 이와같은 용착금속량을 줄이기 위해서는 열에 집중을 가하면서 용접 홈의 각도를 가능한 작게 만들고, 루트 간격을 좁혀서 용접부 자체에서 발생되는 내부 구속(internal restraint)을 경감시키는 것이다.

   (2) 용착법과 용접순서를 적절하게 선정할 것.

  용착법도 잔류응력에 영향을 미친다. 비석법이 가장 잔류응력이 적고, 그 외의 직선비드법, 후퇴법, 대칭법은 어느 것이나 항복점 가까이 잔류응력이 생기고 있다.

   (3) 적당한 포지셔너나 회전대 등을 이용할 것.

   (4) 적당한 예열을 할 것.

  용접부에 가해지는 용접 열원은 단시간에 고온을 사용하는 관계로 분포도상에서 용접 열원의 분포가 급경사를 이루게 된다. 즉 급랭에 의한 용접 부위의 변화가 심해질 가능성을 뜻하는 것이다. 이와같은 이유로 인하여 용접부에 잔류응력이 많이 생기게 되는 것이며, 이것을 경감하기 위해서는 용접 이움부를 50～150℃ 정도로 예열한후 용접하면, 용접시 온도분포도의 경사가 완만해지면서 용접후의 수축 변형량도 감소되고 구속응력도 줄어들게 된다.

  4) 용접순서 선정 일반원칙

   (1) 수축은 자유로이 일어나도록 고려할 것, 즉 동일 평면내에 많은 이음이 있을 때는 수축은 되도록 자유단에 여유를 둔다.

   (2) 수축이 가장 크게될 이음을 먼저 용접하고 수축량이 적은 것을 나중에 용접한다.(맞대기 용접후 필릿용접 실시 등)

   (3) 가능한 대칭으로 용접한다.

   (4) 용접물의 중립축에 대하여 용접수축 모멘트의 화가 0이 되게 하면 용접선 방향에 대한 굽힘이 없어진다. 

문제3-3. 용접 잔류응력의 발생원인과 이러한 잔류응력을 감소시키는 용접방법을 설명하시오.(39-2-2)

  가. 잔류응력의 발생원인

    * 문제3-1 가 항 참조

  나. 잔류응력을 감소시키는 용접방법

    * 문제3-2 다 항 참조

문제3-4. 용접시에 잔류응력의 발생기구에 대하여 설명하고 변형과의 관계에 대하여 설명하라.(28-3-2)

  가. 잔류응력 발생기구

    * 문제3-1 가 항 참조

 나. 잔류응력과 변형의 관계

  용접이음에 있어서는 팽창, 수축의 힘이 용착금속과 모재에 다같이 가해진다. 용착금속이 냉각되면서 저온 상태의 채적으로 수축하려고 하지만 인접되어 있는 모재로부터 제한을 받기 때문에 자유롭지 못하다. 이 때문에 용접부 속에 응력이 남게 되는데 이것을 잔류응력이라 한다.

  용접부가 상온에 도달하게 되면 용접부의 잔루응력은 항복점과 거의 같게 존재한다. 이와같은 힘을 막기 위하여 구속을 풀어 주면 이 잔류응력은 일부 해방되면서 모재를 변화되게 하는데 이것이 용접변형이다. 이상과 같이 가열후 금속의 변화를 정리해 보면

  ① 팽창과 수축의 정도는 가열된 면적의 크기에 정비례한다.

  ② 구속된 상태의 팽창과 수축은 금속의 변형과 잔류응력을 생기게 한다.

  ③ 구속된 상태의 수축은 금속이 그 장력에 견딜만한 연성이 없으면 파단한다.

문제3-5. 용접 잔류응력의 발생기구와 용접 잔류응력이 용접부의 강도에 미치는 영향에 대하여 약술하시오.(30-2-1)

  가. 용접 잔류응력의 발생기구

    * 문제3-1 가 항 참조

  나. 잔류응력이 용접부 강도에 미치는 영향

    * 문제3-2 나 항 참조

문제3-6. 용접설계에 있어서 잔류응력과 변형에 대하여 고려할 점들을 기술하라.(31-3-1)

 가. 잔류응력과 변형에 대한 고려할 사항

  용접중에 생기는 잔류응력과 변형을 완전 없게하는 방법은 불가능하지만 잔류응력을 적게하고 변형을 최소화하는 방법은 많은 경험과 최적의 용접부의 설계와 시공법에 의하여 가능하다. 

  용접중에 잔륭응력의 발생과 변형에 영향을 미치는 사항으로는 용접입열의 대소(전류, 속도, 봉 지름 등), 판의 예열온도, 판 두께와 이음형상, 구속도, 용접순서와 용착순서, 용접방법 등이다.

문제3-7. 용접부의 잔류응력 완화에 대하여 설명하시오.(32-2-4)

 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)

  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.

 3) 기계적 완화법

   용접선 방향에 0.2% 정도의 소성변형을 주면 잔류응력이 완화된다.

  4) 피닝법

 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.

문제3-8. 강용접부의 변형방지 및 잔류응력 제거방법을 구체적으로 설명하라.(26-2-2)

  가. 변형방지법

  1) 억제법(restraint method)

  강제적으로 변형을 막는 것이다. 그러나 억제하는 힘이 너무 크게 되면 잔류응력이 커져서 균열이 생기기 쉬우므로, 두꺼운 판에서는 특히 주의해야 한다.

   2) 역변형법(pre-distortion method)

  역변형을 주는 방법에는 탄성 역변형과 소성 역변형의 두 가지가 있다. 전자는 재료를 탄성한도 내로 놓아주면 제자리로 돌아가는 범위 내의 역변형이며, 후자는 탄성한도를 넘어서 제자리로 돌아오지 않는 범위까지 역변형을 잡아주는 방법으로 가장 널리 쓰이고 있다.

   3) 용접순서를 바꾸는 법

  ① 대칭법(sysmmetry method)          ② 후퇴법(back step method)

  ③ 비석법(skip method)                ④ 교호법(alternation method)

   4) 냉각법(cooling method)

  ① 수냉 동판 사용법       ② 살수법(撒水法)       ③ 석면포 사용법

   5) 가열법

   6) 피닝법

 나. 잔류응력 제거법

    * 문제3-7 가 참조

문제3-9. 용접변형의 종류에 대해 쓰고 이러한 변형을 최소화할 수 있는 방법을 열거하시오.(30-2-3)

  가. 용접변형의 종류

  1) 세로(종) 수축

  세로 수축은 용접선과 평행 방향의 수축으로써 모재 주위의 저항이 크므로 양적으로는 그다지 크지 않지만(용접 길이의 약 1/1000 정도), 교량, 철골의 기둥 및 빔 등과 같이 길이가 긴 부재의 경우는 세로방향 수축량을 고려하지 않으면 안된다.

  2) 횡수축

  용접선에 직각방향의 수축이며, 특히 맞대기 이음의 횡수축은 량적으로 크고 가장 기본적이다. 박판을 제외한 용접에서는 다층용접을 사용하며 맞대기 용접의 횡수축량은 층이 겹쳐져 단위 길이당의 용착금속의 양이 증가하지만 그 증가율은 점차로 증가하기 때문이다. 수축량에 가장 크게 영향을 미치는 것은 루트간격과 홈 형상이고, 간격이 넓으면 수축이 증대하고, X형 홈보다도 V형 홈쪽이 수축이 크다. 또 서브머지드 아크 용접에서는 수동용접 수축량의 약 1/3정도이다.

  3) 회전 변형(rotational  distortion)

  맞대기 이음에 있어 용접진행에 따라 홈의 간격이 좁아지거나 넓어지는 변형 등 용접되지 않은 개선 부분이 면 내에서 내측 또는 외측으로 이동하는 변형을 회전변형이라고 한다. 일반적으로 저속 소입열의 용접(수동용접 등)에서는 개선이 좁아지며, 고속 대입열의 용접(서브머지드 아크용접)에서는 벌어지는 경향이 있다.

    [회전변형의 방지 대책]

  ① 용접이 시작될 때 회전변형이 일어나기 쉬우므로 주의를 요한다.

  ② 가접을 완전하게 하거나, 미리 수축을 예측하고 그만큼 벌려 놓는다.

  ③ 필요에 따라 용접 끝 부분을 구속한다.

  ④ 길이가 긴 경우는 2명 이상의 용접사가 이음의 길이를 정하여 놓고 동시에 시작한다.

  ⑤ 대칭법, 후퇴법, 비석법(skip method) 등의 용착법을 이용한다.

  ⑥ 맞대기 이음이 많은 경우 길이가 길고 용접선이 직선일 때, 또한 제작 개수가 많은 부재는 큰 판으로 맞대기 용접한 후 플레임 플레이나(flame planer)로서 절단하면 능률의 향상과 회전변형을 방지할 수 있다.

  4) 각 변형(횡굴곡 : 맞대기 용접이음에서의 각 변형)

  맞대기 용접이음에서는 하부 층(루트 면측)에 가로 수축보다도 상부층(표면층)의 가로 수축이 크기 때문에 이음의 양단이 튀어올라 각 변형(가로 방향 굽힘변형)이 일어난다. 박판의 경우는 표면, 이면의 온도 차이가 적기 때문에 변형량도 작아진다.

    [일반적인 각 변형의 대책]

  ① 개선 각도는 작업에 지장이 없는 한도 내에서 작게 하는 것이 좋다.

  ② 판 두께가 얇을수록 첫 패스 측의 개선 깊이를 크게 한다.

  ③ 판 두께와 개선 방향이 일정할 때 용접봉 지름이 큰 것을 이용하여 패스 수를 줄인다.

  ④ 용착속도가 빠른 용접방법을 선택한다.

  ⑤ 구속 지그를 활용한다.

  ⑥ 역변형 시공법을 이용한다.

 5) 종굴곡

  판 두께 방향의 수축량 변화는 종수축을 일으켜 서로 다른 방향으로 굽힘이 생긴다.

  6) 비틀림 변형(좌굴변형)

  박판 용접시 용접선에 연한 수축응력에 의해 판이 좌굴됨

 7) 가스 절단에 따르는 변형

  절단후는 절단선이 차례로 냉각 수축하여 내측으로 변형한다. 변형량은 일반적으로 절단속도, 예열불꽃의 크기, 모재가 갖는 초기 응력 등에 따라 변화하기 때문에 절단에 의한 변형을 작게 하기 위하여 예열, 절단속도를 적절하게 선택해야 한다.

  나. 변형을 최소화하는 방법

  1) 응력변형을 경감시키기 위한 시공상 주의 사항

  ① 덧붙이를 필요 이상 주지 않는다.

  ② 집중 용접을 피한다.

  ③ 이음부의 맞춤은 정확하게 한다.

  ④ 가공 정밀도에 주의한다.

  ⑤ 조립 정밀도를 최대로하여 응력변형 발생을 줄인다.

  ⑥ 지그를 활용한다.

  ⑦ 용접순서는 구속이 큰 부분에서부터 구속이 없는 자유단으로 진행한다.

  2) 용접변형을 방지하는 방법

  (1) 이음의 용입을 단면의 중심축 또는 중심선 양쪽에 대칭이 되도록, 또 용착량이 적도록 한다.

  (2) 이음의 사이즈도 요구되는 강도 이상의 사이즈가 되지 않게 설계한다.

  (3) 설계에 제시된 크기 이상으로 용착하지 않는다.

  (4) 패스 수가 적도록 설계한다.

  (5) 용접속도를 빠르게 한다.

  (6) 이음부의 열입력은 고르고 일정하게 퍼지도록 한다.

  (7) 역변형을 주거나, 튼튼한 지그로 견고하게 고정시킨 후 용접한다.

  (8) 필릿용접보다 맞대기 용접을 먼저한다.

  (9) 용접을 중앙으로부터 시작하여 밖으로 진행한다.

  (10) 후진법, 띰 용접 등 용착순서의 요령을 이용한다.

  (11) 용접물을 중간 조립체로 나누어 용접한다.

문제3-10. 용접변형의 방지대책을 기술하시오.(47-2-3)

  1) 용접에 있어 용접후에 변형을 교정하는데는 많은 시간과 경비가 필요하며, 변형을 완전히 방지한다는 것은 어려운 일이다.  그러나 용접전에 변형을 최소화할 수 있는 세밀한 설계와 시공법을 선택하여 용접하여야 될 것이다.

  2) 용접변형 방지법으로는 용접전에 역변형을 주는 방법이 좋으며, 구속력을 크게하여 변형을 억제하는 방법은 효과적이나 잘못하면 용접균열이 생기기 쉽다.

  3) 용접시공에 의한 경감법으로는 대칭법, 후진법, 스킾법(비석법), 스킾블록법 등이 있으며, 모재의 열전도를 억제하는 변형방지법으로는 도열법이 있고, 용착금속의 변형과 응력제거법으로 피이닝법이 있다.

  4) 용접순서에 의한 변형경감. 방지법으로는 동일 평면내에 많은 이음이 있을 때는 수축은 되도록 자유단 끝에 여유를 두는 것이 좋으며, 물품의 중심에 대하여 항상 대칭적으로 용접을 진행한다.

  5) 수축이 큰 이음은 가급적 먼저 용접하고 수축이 적은 이음은 나중에 용접한다.

  6) 용접물의 중립축에 대해 용접 수축력의 모멘트화가 0이되게하면 용접선 방향의 굽힘이 적어진다.  또한 공급열량을 될 수 있는 한 적게하고 1개소에 집중시키지 않도록 한다.

문제3-11. 잔류응력 발생요인 및 방지대책과 완화방법에 대해 기술하시오.(48-4-5)

  가. 잔류응력의 발생요인

    * 문제3-1 가 참조

  나. 잔류응력 방지대책

    *문제3-2 다 참조

  다. 잔류응력 완화방법

    * 문제3-7 참조

문제3-12. 용접부에 발생하는 잔류응력에 관한 다음 물음에 답하시오.

(33-3-4)

1. 용접 잔류응력의 생성원인과 그 특징을 기술하시오.

  가. 잔류응력 생성원인

    * 문제3-1 참조

  나. 잔류응력의 특징

2. 용접부의 잔류응력이 용접부의 기계적 성질에 미치는 영향을 기술하시오.

  * 문제3-2 나 항 참조

3. 용접부의 잔류응력에 의해 발생하는 용접변형에 대하여 설명하고, 이러한 변형을 교정할 수 있는 방법들을 제시하시오.

  가. 잔류응력에 의해 발생되는 변형

  나. 변형 교정방법

  ① 얇은 판에 대한 점 수축법(점 가열법) : 가열온도는 500 ~ 600℃, 가열시간은 약 30초, 가열 점은 20 ~ 30mm로 가열한 후 곧 수랭한다.

  ② 형재에 대한 직선 수축법(선상 가열법)

  ③ 가열 후 해머질하는 법

  ④ 후판에 대하여 가열 후 압력을 주어 수랭하는 법

  ⑤ 롤러에 의한 법

  ⑥ 피닝법

  ⑦ 절단에 의한 정형과 재용접

   [변형을 가열에 의해 바로 잡는 방법]

  1) 가열 위치를 대칭적으로 일정한 간격으로 잡아야 한다.

  2) 지나친 가열은 새로운 뒤틀림을 일으킨다. 가열지점의 지름은 5cm 이내가 흑갈색으로 될 정도로 가열한다.

  3) 가열부의 모양이 단면으로 보아 부채꼴이 되도록 한 쪽은 넓게, 한쪽은 집중된 지점을 가열해줌으로서 곧잘 바로 잡는다.

문제3-13. 용접부 잔류응력의 발생기구를 설명하고 두 강판을 맞대기 용접이음할 때 용접선 방향과 직각방향에 있어서의 잔류응력 분포를 정성적으로 그려서 나타내라.(35-2-1)

 가. 잔류응력 발생기구

    * 문제3-1 참조

  나. 잔류응력의 분포예

  1)맞대기 용접 이음에서의 응력분포

   (1) 구속이 없는 맞대기 이음의 경우

  그림3-66은 외적 구속이 없는 맞대기 용접 이음에서의 잔류응력 분포를 나타낸 것이다. 용착부에서는 용접선방향으로 강하게 수축되고자 하는 힘이 주위의 모재가 방해하고 있으므로 용접선에 직각인 단면에서는 (a)와 같이 비드 부근에서 큰 인장응력이 생기고 있으며, 그 양측은 낮은 압축응력 영역이 있다.

  또한 용접선에 평행인 단면에서는 (b)와 같이 중앙부분에 인장응력이, 양단에는 수축(압축)응력이 인장응력의 약 1/4 정도의 크기로 작용한다.  주변 자유인 판에서는 응력의 평형조건에 의하여 +,- 기호 부분의 넓이가 같게된다.  또한 (c)도와 같이 비드 양단부근 약 100mm 부분에서 용접선 방향의 인장응력이 급격히 감소하고 있으며, 용접선상과 직각방향의 응력은 비드의 양단이 급격히 응력이 증가하고, 용융부는 낮아지는 경향이 보인다.

  그림3-67에는 각 단면에서의 응력분포를 나타낸 것으로, x방향의 응력 σ_x, y방향의 응력σ_y  및 전단응력 τ_xy가 2 차원 응력장에 존재한다.

   (ㄱ) 단면 A-A는 아크 발생부와 멀리 떨어진 미용융부이며, 온도와 열응력은 거의 0이다.

   (ㄴ) 단면 B-B는 용접아크가 일어나는 곳으로 온도는 최고점에 달하며, 응력은 거의 0상태로 되고, 아크로부터 약간 떨어진 곳의 응력은 압축응력이 되는데, 이것은 그 부분의 팽창은 온도가 낮은 주위의 모재에 의하여 구속이 되기 때문이다. 압축응력의 크기는 용접부로터 거리가 멀어짐에 따라 냉각되므로 최대치가 된다. 그리하여 용접부로부터 떨어진 곳의 응력은 인장응력으로 용접부 근처에 압축응력과 일치되어 균형을 이룬다.

  이와같은 응력분포는 인장응력의 면적과 압축응력의 면적은 같다.

   (ㄷ) 단면 C-C에서는 그림(c)에 나타난 봐와 같이 용접금속과 용접부 가까이에 있는 모재는 냉각되어 인장응력에 의하여 수축하려고 한다. 용접이 진행됨에 따라 응력은 압축에서 인장으로 변한다.

   (ㄹ) 단면 D-D에서는 비드 부근의 높은 인장응력과 그 양측은 낮은 압축응력의 영역을 나타내고 있다. 이러한 과정을 통하여 용접할 때의 열응력은 실온에서부터 용융온도에 이르기까지 넓은 온도 범위에서 소성변형 및 복잡한 기구을 형성한다.

   (2) 구속된 맞대기 이음의 경우

  모재의 양단을 고정하고 맞대기 용접한 경우 양단의 외적 구속으로 인하여 용접부부터 a-a'단면에서는 큰 인장응력이 발생하며(구속응력), 용접선에 직각인 횡단면(c-c')에서는 용접비드 부근에서 큰 인장응력이 생기고 있으며, 그 양측에 낮은 압축응력이 생긴다.

  또한 a-a'에서 절단하여 보면 b-b' 단면의 직각응력 분포도는 그림과 같다.

  그리고 완전 구속된 맞대기 용접이음에서의 잔류응력은

  ① 구속된 상태에서 생기는 잔류응력은 대부분 냉각과정의 최종단계에서 발생한다.

  ② 루트부의 잔류응력은 외적 구속이 없는 경우에는 압축응력으로 되지만, 구속이 있으면 인장응력으로 되며, 그 면 내에서의 잔류응력 분포는 비교적 단순한 직선 분포에 가까우며 크기는 외적 구속 정도에 비례한다.

                그림3-66, 3-67(설계 및 시공)

문제4. 알루미늄을 용접하는 경우 모재의 두께, 용접속도에 따라서 용접부로부터 전도되어 나가는 열은 어떤 모양으로 전도되어 나가는지 경우에 따라 그림을 그려 설명하시오. (37-2-3)

문제5. 용접구조물의 피로수명에 미치는 인자들을 열거하고 간단히 설명하시오.(38-1-4)

  가. 피로수명

 용접 구조물의 파괴는 대부분 용접부에서 발생하며, 용접부는 기포, 균열, 슬랙섞임 등의 여러 가지 결함이 존재하여 이로부터 균열이 전파하고 있다.  또한 열응력에 의한 잔류응력 및 뒤틀림은 균열과 결함을 유발시키며, 수소흡수, 열영향에 의한 금속조직의 변화 등도 파괴의 원인이 된다.  이들 기계적 성질의 저하를 경감시키기 위한 방법으로 후열처리를 실시한다. 후열처리한 용접구조물은 용접시에 수반하는 작은 언더컷, 기공, 냉간 및 열간 균열과 불순물을 기점으로 미세 균열이 존재하며 이것이 피로파괴의 핵이되어 피로균열 내지 파괴를 유발하므로 열영향부의 피로파괴 방지를 위한 조치가 필요하다.

  재료나 구조물이 하중, 변위 또는 열응력을 반복시켜서 재료가 손상(균열 발생이나 파단 등)하는 현상을 피로(fatigue)라 하며, 이 때까지의 하중, 변위 또는 열응력의 반복횟수를 피로 수명(fatigue life)이라 하며, 다음과 같은 인자들이 피로수명에 영향을 미친다. 

 나. 피로 수명에 미치는 인자

    ① 용접부의 재질과 모재 재질의 차       ② 용접부의 표면상태(탈탄층)

    ③ 이음형상                             ④ 하중상태(소성가공)

    ⑤ 용접구조상의 응력집중, 잔류응력       ⑥ 용접 결함의 존재, 개재물

    ⑦ 부식환경

문제6-1. 용접된 부위가 피로되어 파괴될 때, 피로파괴 발생에 미치는 제인자를 들고, 그것들이 용접강도에 미치는 영향을 설명하시오.(39-1-2)

  가. 피로파괴 발생에 미치는 제인자

    * 제 14장 문제5 나항 참조

 나. 용접강도에 미치는 영향

   1) 용착금속과 모재 재질의 차

  연강 용접봉의 전 용착금속의 피로한도는 용접 결함이 없는 한 대략 모재와 거의 같다. 회전굽힘(양진)의 피로한도는 인장강도의 40∼50 % 정도, 항복점의 55∼70% 정도이다.

   2) 용접부 표면상태

 용접이음의 피로강도는 표면형상에 매우 민감하여 용접부에 언더컷이나 비드 높이가 높으면  비드 파형에 노치가 생기게 되어 피로강도가 떨어지게 된다. 따라서 피로강도를 증가시키려면 용접부를 평활하게 기계 다듬질이 필요하게 되는데, 연삭일 때 그 다듬질 방향이 하중방향과 직각인가, 평행인가의 차이에 따라 피로강도의 차이가 생길 수 있다.

   3) 이음의 형상

 이음형상에 있어서는 맞대기 이음이나 T형 이음보다 겹치기 이음이 피로강도가 상당히 낮다.

  (1) 맞대기 용접이음

    ㅇ 연강의 맞대기 용접이음의 피로강도는 하중을 목 두께로 나눈 값(kg/m²)로 표시됨.

    ㅇ 덧붙이의 크기, 뒷면 용접 유무, 용접결함의 존재 등에 따라 크게 영향을 받음. 

    ㅇ 뒷면용접이 불충분하면  피로강도가 약 20∼50 %가 저하되며, 뒷면 용접을 하지 않으면 더욱 심하게 됨.

    ㅇ 용접결함이 있으면 피로강도에 나쁜 영향을 주는데, 영향의 정도는 결함의 종류에 따라 다르고 또한 이음의 직각방향에 반복하중이 작용할 경우와 평형으로 하중이 작용할 경우의 결함 허용기준이 다르다.

    ㅇ 용접선에 평행으로 인장할 때는 용입 불량에 인한 영향은 거의 없으나, 직각으로 당길 때는 피로강도가 현저히 낮아짐.

    ㅇ 용입불량, 기공, 균열 등의 용접결함은 피로강도에 나쁜 영향을 주며, 균열은 피로강도가 약 50 % 떨어짐.

    (2) 겹치기 이음

    ㅇ 겹치기 필릿이음의 피로강도는 하중을 목 단면적으로 나눈 값(kg/mm²)으로 표시됨.

    ㅇ 맞대기 이음에 비하여 겹치기 필릿용접에서는 용접 루트에 응력집중이 되기 때문에 상당히 낮음.

    ㅇ 반복하중을 받는 강도상 중요한 이음은 겹치기 이음을 되도록 사용하지 말 것.

    (3) T형 이음

    ㅇ T형 이음은 중요부분에 쓰이는 경우가 많으나 그 피로 강도를 증가시키기 위해서는 불용착부를 남기지 말고 완전 용입의 이음형식으로 하는 것이 좋음.

    ㅇ 필릿 표면을 오목형으로 하여 끝단을 매끈하게 하는 것이 좋음.

    ㅇ 단속 용접은 응력집중이 크게 되므로 반복하중이 걸리는 중요한 부분에서는 사용하지 않는 것이 좋음.

    ㅇ 보강판이나 리브(rib)를 부착시켜 용접하는 것도 반복하중이 작용하는 곳에는 사용하지 않음.

   4) 하중상태

  용접구조물 파괴는 보통 인장시험과 같은 정적하중이 걸려서 소성변형이 일어나 파괴되는 일은 드물고 오히려 노치부에서 낮은 온도일 때 발생하는 취성파괴나 반복하중에 의한 피로 파괴가 된다. 특히 기계, 차량, 선박, 항공기 등에서의 반복하중을 받는 용접부는 더욱 심하다.  

   5) 용접 결함의 존재

  용접결함은 결함이 차지하는 면적이 단면적의 수%이하이면 이음의 정적인장강도(연성파괴인 경우)에는 거의 영향을 끼치지 않는다.

  취성파괴 발생에 대하여서는 기포, 슬래그의 섞임과 같은 입체적 결함보다 균열, 불완전용입,  융합불량 등과 같은 平面的 결함이 취성파괴 발생요인의 하나이며, 예리한 노치의 나쁜 영향을 미치게된다. 용접결함은 荷重制御(公稱應力制御)가 피로강도에 현저하게 영향을 끼친다.

 결함치수가 같을 경우에는 표면에 노출 혹은 표면부근에 있는 결함이 판 두께 내부에 있는 것보다 피로강도를 저하시키는 정도가 크다.

문제6-2. 용접후 피로강도 증가방법을 쓰시오.(47-1-8)

  (1) 냉간가공 또는 야금적 변태 등에 따라 기계적인 강도를 높일 것.

  (2) 표면가공 또는 표면처리, 다듬질 등에 의한 단면이 급변하는 부분을 피할 것.

  (3) 열 또는 기계적인 방법으로 잔류응력을 완화시킬 것.

  (4) 가능한 응력 집중부에는 용접 이음부를 설계하지 말 것.

  (5) 국부 항복법 등에 의하여 외력과 반대방향 부호의 응력을 잔류시킬 것.

문제6-3. 저 사이클 피로(low cycle fatique) 하중하에서 발생하는 파괴현상과 이 현상이 용접부 위에서 갖는 의미를 설명하라.(28-3-3)

  1) 저 사이클 피로(고응력 피로, 소성피로)란

  반복회수가 10⁵회 정도 이하에서 파괴되는 경우의 피로현상이다.  이와같이 작은 횟수로 파괴시키기 위한 하중에 의한 응력은 항복점을 초월하고 歪는 소성역에 들어간다.  저 사이클 피로는 일반의 압력용기, 배관, 선박, 항공기 등과 열부하가 큰 반복을 받는 구조물 설계상 중요한 문제이다.

  고 사이클 피로는 소성변형을 일으키지 않는 응력이 작용하는 경우이지만 저 사이클 피로는 항복변형도보다 큰 변형도가 발생한다는 것이다.

  압력용기와 같이 내용수명 기간중에 설계계산에 고려할 크기의 하중이 가해지는 반복 수는 일반적으로 10⁵회 이하로 생각된다.  이와같은 경우에는 그 구조물이 수명기간중에 받는 총 반복수에 대응하는 시간정도에 준한 허용응력으로 설계하면 충분하며, 종래의 고 사이클 피로(파괴 수명이 10⁶회 이상)시험으로 얻어지는 피로강도로 설계하는 것은 상당히 비경제적이다.

  2) 저사이클 피로 하중에서 발생하는 파괴현상과 용접부에서 갖는 의미

  피로강도는 그 정적강도와는 전연 관계가 없고 이음형상이나 용접부의 표면 상황에 의하여 영향을 받는다.  용접구조물의 파괴는 보통의 인장시험과 같이 정적 하중이 너무 걸려서 소성변형이 일어나 파괴되는 일은 드물고 오히려 notch부에서 저온시에 발생하는 취성파괴나 반복하중에 의해서 피로파괴되는 경우가 많다.

  맞대기 이음의 피로강도는 결합도가 증가함에 따라 급속하게 저하한다.  또한 용접부의 덧붙이 삭제, 응력제거, 풀림, 연삭 등의 영향이 맞대기 이음의 피로강도에 크게 영향을 준다.  균열의 영향은 미소한 균열이 있으면 약 50% 낮아지고 약 1mm 길이의 균열이 있으면 피로강도가 1/4로 저하한다.  필릿용접에서는 루트의 응력집중이 현저하기 때문에 반복하중을 받는 강도상 중요한 부분에는 필릿이음을 될 수 있는데로 쓰지않는 것이 좋다.  T형 필릿의 굽힘 피로는 필릿의 루트부터 파괴되지 않고 용접끝에서부터 모재가 파괴되는 것이 보통이다.

문제7. Bead on plate용접을 하는 경우 용접전, 용접후, 용접직후 및 용접부위가 상온상태에 도달했을 때의 용접부위와 그 부근의 온도와 응력분포를 도시하여 설명하라.(40-2-3)

  가. 용접시의 온도 분포

  그림 에서와 같이 열원 근방의 온도는 대단히 높고, 열원에서 멀어질수록 온도는 내려가고 있으며, 이와같은 온도 분포에서 온도 기울기가 급할수록 용접부 근방은 급랭된다. 금속의 대부분은 급랭하면 열영향부(heat affected zone)가 경화하는 경우가 있고, 이음 성능에 나쁜 영향을  주므로, 용접을 할 때에는 주의가 필요하다.      

             그림 9-5(공단교재)

  나. 용접 전의 모재온도

  같은 용접입열량에 대해서는 판 두께가 두꺼울수록 냉각속도가  빠르게 된다. 예를 들면 지름 4∼5mm인 봉을 사용하는 피복아크 용접에서는 그림 22.5에서 알 수 있는 바와 같이 판 두께의 영향이 크지만, 그 이상인 경우에는 거의 관계없이 일정하다. 그리고 용접전의 모재온도가 높은 경우일수록 냉각속도가 느리게 됨을 알 수 있다. 

                     그림22.5(최신용접공학)

  다. 응력분포

   1) 맞대기 이음의 응력분포

     * 문제3-13 나 1) 참조

   2) I beam형태의 용접 이음에서의 응력 분포

   그림 3-68에서는 T이음에서의 잔류

응력과 용접변형의 모양을 나타내었다.

  용접 끝에서부터 어느 정도 떨어진

단면 X-X에서의 응력은 용접축의 평행

방향에 높은 인 장력의 잔류응력이 (b)에서

와 같이 분포되고 있다.                                    

   플랜지에서 용접 비드부에 가까운 응력은 인장응력이고, 먼 곳은 압축응력이 된다.

Web의 상부 끝단부근의 응력은 인장응력이 발생하며, 용접부에서 발생하는 수축응력에 의하여 구조물이 세로 방향의 굽힘변형을 일으키는 형태로 나타난다. 또한 각변형도 된다. 

문제8. 구조물의 취성파괴에 대한 역학적 평가법으로 K값(stress intensity Factor : 응력세기계수)을 이용하고 있다. 이 값을 취성균열 발생과 전파정지의 관점에서 설명하여라.(40-4-4) (용접공학,원창, p266-267. 용접구조설계, 대광, p321)

   노치선단에서 취성균열이 발생하여 그것이 전파하거나 전파하지 못하는지의 판정에 있어 그리프스. 오르완 조건식이 유명하다.

  지금 균일한 응력에서 상하로 인장되어 있는 넓은 강판 내에서 폭 2a의 날카로운 취성균열이 발생하며, 더욱이 외력의 작용없이 균열이 전파할 수 있으려면 에너지 법칙상

              σ≧√2SE/πa

              (S : 단위 길이당 파면을 만드는데 필요한 표면 소성율,  E : 영율 )

가 되어야 한다. 이 식은 그리피스. 오르완 조건 식이고 이것을 바꾸어 쓰면

           K ≡σ(πσ)^½ ≧ (2SE)^½ ≡ Kc

  즉, 좌변의 역학량(응력확대계수: K)이 우변의 재질 값(한계응력확대계수 : Kc)이상으로 증가하면 취성균열이 발생하여 전파할 수 있다.

  (K≥Kc 경우)균일한 무한 판에서는 한 번 취성균열이 발생하여 응력이 증가하여 식 ②가 성립하므로 균열은 무한히 뺏어나가는 것으로 불안정 파괴라 한다. 실험에 의하면 Kc값은 재질(화학성분과 마이크로 조직)에 의해 결정되고 또 시험판 두께가 클수록, 시험온도가 낮을수록 작아진다.

  * 용접구조설계, 대광, p321

  그리프스. 오르완 이론은 균열의 발생, 전파할 때에 발생, 전파할 때에 발생하는 탄성변형 에너지를 생각한  에너지론적 입자의 이론이다.

  σ(πσ)^½ ≧ (2SE)^{½  .......................................①}

  그림과 같이 균열길이의 평방 근과 파괴응력의 곱이 일정하기 때문에 균열길이가 크게 되면 취성파괴의 발생응력은 작게되어 파괴가 일어나기 쉽게 된다.

  응력세기계수(K ; 이음의 구속도)를 파괴의 파라미터로 취한 것을 어윈이 제안했는데 K는 외력에 의한 응력, 균열길이 2C의 노치를 포함하는 무한 폭의 판에 일정한 인장응력σ가 작용하는 경우 균열선단의 K값은

          K ≡σ(πσ)^½ ≧ (2SE)^½

  최근 취성파괴의 발생과 전파정지로 구분하여 설명하고 있다.

 깊은 노치시험은 취성파괴의 발생에 관계되는 것이고, 이중 인장시험, 에소시험은 균열전파정지에 관계되는 것이다.

  설계기준으로 균열전파정지를 중시하는 것은 구조물에 있어서는 안전하게 되지만 경제적으로 고가이며, 파괴 발생방지만을 중시하는 것은 경제적으로 유리하나 구조물에 있어서는 위험하다고 본다.

 종래 강재에 대한 인성치의 요구는 경험에서 유추에 의한 사용온도에서의 V notch Sharpy 시험의 충격치에 의하는 일이 많았으나 최근의 파괴역학의 발전은 대형 시험기의 보급에 따라 사용조건에서 요구되는 파괴인성치를 앞에서 기술한 것과 같이 이론과 실험에 기초를 두어 명확히 규정하는 방향으로 되고 있다.

                 용접구조, 설계, 대광    그림 3.5 -3.6

문제9. 저합금강의 열영향부(HAZ)에서 균열예방과 인성개선을 위한 조치사항은?(47-1-5)

문제10-1. 강재 박판 구조물 맞대기 용접이음부의 각변형에 대하여 설명하라.(29-2-2)

 1) 각변형이란

  후판의 맞대기용접 또는 필릿용접에서 용접시의 온도분포가 판 두께 방향으로 균일하기 때문에 모재가 용접부에서 꺾여 굽어지는 것 같은 변형형태를 갖게되는데 이것을 각변형 또는 가로굽힘변형이라고 하며 중요한 변형이다. 

  2) 강재 박판 구조물 맞대기 용접이음부의 각변형

  박판 구조물 맞대기 용접의 경우는 후판의 경우와 달리 급히 가열되고 급히 냉각되므로 각변형이 일정한 형태를 갖지 못하고 시단점과 끝점, 중앙부 등이 각기 다른 양상의 변형이 형성된다고 생각된다.

문제11-1. 스테인리스강의 응력제거 열처리(온도에 관해)에 대하여 주의점을 설명하시오.(50-3-5)

  [[ 참고자료 ]]

1 용접 변형과 수축

1) 다층 용접에서 가로 수축

  수축량에 가장 크게 영향을 미치는 것은 루트 간격 및 홈의 형상이다. 또한 맞대기 용접이음에서의 홈 용접시공은 비대칭 X형 및 H형 홈으로하여 가능한 지름이 큰 용접봉을 사용하고 또한 용착 단면적을 작게 하는 것이 좋다.

  비대칭형 앞 뒷면의 용착량의 비율을 6:4(뒷면 따내기는 7:3) 정도로 하고, 용접하기 쉬운 쪽은 용착부의 단면적이 큰 쪽으로 하고, 어려운 쪽을 작은 쪽이 되도록 하면 용접작업이 쉬워진다.

  가로 방향 수축량에 대한 많은 실험식 중에서 비교적 간단하게 현장에서 적합하게 활용할 수 있는 스프라라젠(Spraragen)의 실험식을 소개한다.

          S=0.2 Aw/t + 0.05d              

         S :수축량(mm),  Aw :용접단면적(㎟),  t :판 두께(mm),  d :루트 간격(mm),

  [ 윗식의 적용조건 ]

  ① 판 두께 25mm 이상의 경우에 적용하고, 25mm 이하에서의 계수는 0.18이 적당하다.

  ② 판 폭은 75mm 이상으로 하고 이 보다 적을 경우는 20% 낮춘다.

  ③ 용접길이를 판 두께의 10배 이상으로 하고, 적당한 위치마다 가접을 한다. 용접길이가 판 두께의 10배 이하일 때는 10～15% 낮춘다.

  ④ 개선 형상은 통상적인 것을 이용한다.

  ⑤ 용접자세는 아래보기로 하고 수평의 경우는 20% 감한다.

  ⑥ 자유이음으로 한다.

2. 잔류응력 측정법

  가. 정성적 방법

   부식법, 응력 와니스법, 자기적 방법

  나. 정량적 방법

  1) 응력이완법: 전해방형(분할법, 절취법, 트리팬법, ) 부분해방형(차례로 구멍 뚫는법, 차례로 절삭하는 법, 슬릿법, 마탈법, 건너트법)

  2) X선 회절법

   3) 응력 이완법

  잔류응력을 정략적으로 측정하려면 X선을 이용하는 경우 외에는 절삭 또는 구멍을 뚫기 등의 기계가공에 의해 응력을 해방하고, 그  때에 생기는 그 부분의 탄성변형을 전기적 또는 기계적 변형계를 사용하여 측정하는 경우가 많다. 측정기로는 저항선 변형계가 많이 사용되고 있다. 이것을 용접물 표면에 붙인 다음 그 주변을 잘라내면 잔류응력과 크기가 같고 또 방향이 반대인 응력을 계측할 수 있다.

   4) 건너트법

  용접이음의 잔류응력 측정법에 대해 국제용접학회(IIW)에서 신뢰하고 있는 건너트법이 있다. 이 방법은 물체표면에 지름 9mm의 원주상의 면적부분을 수직으로 트리팬 소로 삭제하여 잔류응력을 해방하고, 해방전후의 작은 구멍 사이의 거리의 변화를 정밀하게 측정하여 잔류응력을 아는 것이다. 이 때 사용되는 변화계는 비틀린 리본을 이용하여 미소한 변위를 확대하는 방식이다.

3. 예열(豫熱, Preheating)

  가. 예열의 목적

  예열의 목적은 주로 저온균열이 일어나기 쉬운 재료에 대하여 용접전에 피용접물의 전체 또는 이음부 부근의 온도를 올리고 용접하여 용접부의 냉각 속도를 늦추어 열영향부의 경도를 낮추고 인성을 증가시킴과 동시에 수소의 방출을 용이하게 하여 저온균열을 방지하며, 또한, 용접부의 기계적 성질을 향상시키고 경화조직의 석출을 방지시키며, 변형과 잔류응력의 완화에도 큰 목적을 가진다.

 ① 용접부와 인접 모재의 수축응력 감소를 위해, 특히 구속된 이음의 경우에 꼭 필요하다.

  ② 모재가 가열된 후 임계온도(연강 871～719℃)를 지나 냉각될 때 냉각속도를 느리게 해줌으로써 모재의 열영향부와 용착금속의 경화를 방지하고 연성을 높여 주기 위해 예열한다.

  ③ 약 200℃의 범위를 통과하는 시간을 지연시켜 용접금속의 수소성분이 달아날 여유를 주어 비드 밑 균열을 방지한다.

  예열은 모재의 화학성분, 두께, 구속여부, 용접입열, 주위온도 등에 따라 다르다. 일반적으로 탄소성분이 높을수록 임계점에서의 냉각속도가 빠르므로 더욱 예열이 필요하다.

 나. 균열의 발생

    1) 재료의 두께가 두꺼울 때(통상은 25mm를 기준 하나 규격에 따라 다르다.) 용접이 시작되는 부분에서는 재료가 열팽창으로 부피가 늘어나지만 일정 두께까지에 국한되고 부피가 늘어나지 않는 부분은 열팽창이 제한되면서, 열팽창된 부분이 냉각되면 다시 수축을 하므로 수축 과정에서 균열이 발생할 가능성이 생긴다.

    2) 용접하고자 하는 용접부 주위의 온도가 0℃ 이하이면 용접 아크의 높은 열이 재료에 닿게 되면 상기 설명과 비슷한 이유에서 균열이 발생한다.

    3) 재료의 성분이 경화성이 높은 성분, 즉 Cr, Ni, Mo, Mn 등이 비교적 많거나, 탄소 성분량이 0.3%를 초과하는 경우에는 용접시에 경화(硬化) 되기 쉽고, 경화된 용접부는 균열이 일어나기 쉽다.

    4) 용접부의 용접에 의한 가열 및 냉각 과정에서 용접부가 팽창과 수축을 하게 되나, 이 팽창 수축을 구속(拘束, Restraint)하고 있는 구조물은 균열의 가능성이 높다.

  다. 예열의 효과

  ① 예열에 의해 용접부의 온도 분포, 최고 도달 온도 및 냉각속도가 변한다.

  ② 예열하면 온도 분포가 완만하게 되어 열응력의 감소로 변형과 잔류응력의 발생이 적다.

  ③ 냉각 속도는 예열로 느려지지만, 비교적 저온에서 큰 영향을 준다.

  ④ 냉각 시간이 길 경우 수소의 방출, 경도 저하, 구속력 저하로 균열 발생이 적게 된다.

  라. 예열 방법 

   1) 연강에서도 판 두께 25mm 이상에서는 0℃ 이하로 용접하게 되면 저온 균열이 발생하기 쉬우므로 이음부의 양쪽에 약 100mm 폭을 50～75℃로 가열한 후 저수소계 용접봉을 사용하여 용접하는 것이 좋다.

   2) 다층 용접일 경우에는 제 2 층 이후는 앞층의 열로 모재가 예열한 것과 동등한 효과를 얻기 때문에 예열을 생략할 수도 있다.

   3) 주물, 내열 합금 등은 용접 균열을 방지하기 위해서 예열을 이용하고 있으며, 후판, 알루미늄합금, 구리 또는 구리합금 등과 같이 열전도도가 큰 것은 이음부의 열집중이 부족하여 융합 불량이 생기기 쉬우므로 200～400℃ 예열이 필요하다.

   4) 25mm 이상의 연강후판이나 저합금강, 강인강, 마르텐사이트계 스테인리스강 등 열영향부가 급랭 경화하여 비드 밑 균열이 생기기 쉬운 재료에서 재질에 따라 50 ~ 350℃ 정도로 용접 홈을 예열한 후 용접한다.

4. 후 열

   문제2 참조

5. 풀림(annealing)

  강을 연화를 시키기 위하여(기계적, 물리적 특성을 변화시켜 함유가스를 방출시키는 것

 가. 종류

    ① 고온 어닐링 :  강을 A₃(아공석강) 또는 A₁(과공석강)변태점보다도 약 50^oC 고온으로 가열하여 일정시간 유지한 후 서랭하는 것.

    ② 저온 어닐링 : A₁ 변태점보다 다소 낮은 온도로 가열하여 유지한 후 적당히 냉각시키는 것.

6. 냉각속도

  가. 최고 온도 방정식(Peak Temperature Equation)

  1층 (One Pass)으로 완전 용입이 되는 맞대기 용접에 있어서, 용접부 부근의 모재에 달하는 최고 온도 분포는 아래 식으로 주어진다.

      1/Tp - To  = 4.13ρC t Y /  Hnet + 1 / Tm - To

   C : 비열, J/g. ℃       t : 판 두께, mm              Y : 본드에서 측정한 거리,          fi : 열전달 효율

   Tp : 본드에서 Ymm 떨어진 점에서 최고 온도,℃          To : 모재의 초기 온도, ℃       V : 열원의 이전 속도 mm/sec

   Tm : 용융 온도,℃      Hnet : 실 에너지 입력=f1 EI/V,        ρ: 밀도, g/㎣  

  이 최고 온도 방정식은 다음과 같이 여러 가지 목적에 사용된다.

  ① 열 영향부 내의 특정 점에서의 최고 온도

  ② 열 영향부 폭의 예측

  ③ 열 영향부의 폭에 미치는 예열의 영향

  나. 열 영향부 폭의 계산(Width of HAZ)

  열 영향부 폭을 정확히 계산하기 위해서는 특정 최고 온도로 정확히 구분되는 열 영향부의 최외곽 부분을 알아야 한다. 예컨대, 대부분의 보통 탄소강이나 저합금강은 단면을 부식 시험해 보면 부식 경계가 분명히 나타나며 이는 곧 730℃라는 최고 온도에 해당한다.

 이 최고 온도 분포식은 박판에 적합한 식이다. 1층(One Pass)으로 용접이나 절단이 가능할 때는 판 두께에 관계없이 적용된다. 피복 아크 용접에 있어서 용접 이음부를 4패스 이내로 완성하는 경우에는 적용해도 좋다.

  다. 냉각 속도(Cooling Rates)

  용접부의 어떤 점이 최고 온도에 도달한 다음에 냉각될 때, 그 냉각 속도는 그 재료의 조직 및 성질을 변화시키며, 열 영향부 모재의 건전성도 바꾸어 놓는다. 이는 열처리가 가능한 철강에서는 대단히 중요하다. 용접부에서의 냉각 속도는 위치와 시간에 따라 다르며, 특히 용접선상에서 어떤 특정한 온도 Tc에서의 냉각 속도는 의미가 깊다. 특히  Tc=550℃는 대부분의 강에 있어서 깊은 뜻이 있다.

 냉각속도 식은 실제에 있어서는 예열 온도를 계산하는데 주로 사용된다.

  아래의 식은 6패스 이상을 용접해야 하는 후판(厚板)용 냉각속도 식이다.

   R = 2 πK(Tc - To)²

  R : 용접 중심선상의 Tc를 지날 때의 냉각속도, ℃/sec            K : 금속의 열전도도, J/mm . sec . ℃

  냉각 속도는 용접 중심선상에서 제일 크다. 그러나 본드 근처에서는 용접 중심선보다 몇 % 낮을 뿐이다. 따라서 상기 식은 전 용착금속과 그에 가까운 열 영향부에 적용된다. 판이 얇을 때는(4패스이하) 다음 냉각속도 식을 적용해야 한다.

     R = 2 πKPC (t / Hnet ) (Tc - To)³

7.  저온의 성질

  강은 온도가 저하할수록 그 항복점과 인장강도는 증가하지만 연신율이나 교축은 -160℃ 부근에서 갑자기 저하한다. 그 특성은 재료에 따라서 큰 차이가 있고, 특히 저온용 강재라 하는 것은 우수한 저온특성을 가지고 있다. 또 피로강도는 저온으로 될수록 증가한다.

  가. 저온취성에 관한 일반적 주의사항

  ① 용접에 의해 구성되는 구조물은 열처리 등에 의해 잔류응력을 제거하는 것이 바람직하다.

  ② 판 두께 또는 판 폭이 다른 부재를 용접하는 경우는 1/5정도의 테이퍼를 줄 것.

  ③ 응력집중의 원인으로 되는 급격한 단면변화, 노치 등은 없게 한다.

  ④ 부식의 발생을 촉진하는 균열, 틈새, 요철의 곳, 가늘고 긴 흠은 없게 한다.

  ⑤ 강재를 절단하여 사용할 때, 절단면 거칠기가 0.5mm 이상일 때는 그라인더 다듬질을 한다.

  ⑥ 넓은 판에 좁은 판을 붙이는 경우 넓은 판의 종단에서 좁은 판의 종단까지의 거리는 40mm 이상일 것.

  ⑦ 앞면 용접의 비드는 다리길이가 2 : 2.5 정도의 부등각 용접을 하는 것이 바람직하다.

  ⑧ 단속용접, 리벳이음, 조립구멍의 용접점 등은 바람직하지 않다.

  나. 저온취성파괴에 미치는 각종 요인

  저온취성 파괴의 발생을 촉진하는 요인은 온도의 저하, 강재의 저온특성, 예리한 노치를 가진 것, 노치부에 있어서의 소성의 소멸, 인장잔류응력의 존재, 부하특성의 영향 등이다.

  구조물에 예리한 노치와 인장잔류응력이 존재하는 경우 저온취성의 발생 경향은 특히 현저하며 부하특성에 따라서도 상당히 영향을 받는다.

  모재 및 용접부의 충격치는 온도의 저하와 함께 저하하고, 그것에 따라 파손빈도는 상승하고 있다.

  또한 충격치는 열영향부가 가장 낮고, 용착금속은 이에 관하여 모재보다 낮게 된다.

 다. 강판의 성질과 저온취성

  1) 제강법, 열처리 조건의 영향

  강재는 림드강→ 세미킬드강→ 킬드강의 순으로 저온인성은 양호하게 된다. 또 담금질 뜨임, 불림 등의 열처리에 의해 조직, 결정입도가 개선되어 저온특성이 양호하게 되며, 특히 담금질 뜨임이 가장 효과가 크다.

  저온에 있어서의 상자형 용접구조물 굽힘파단시험 및 용접시험편의 대형 아이조드 충격시험 결과에 의하면 SB41재는 -30℃에서 상당한 취성파단이 발생하지만, SWS41재는 -30℃까지는 취성파단의 발생확률은 낮은 것을 알 수 있다.

   2) 판 두께와 크기의 영향

  강판은 판 두께와 크기가 증가할수록 구속영향이 크게 되고 저온취성이 발생하기 쉽게 된다. 즉 판 두께가 증가하면 제조시의 압연효과, 열처리효과가 저하하고, 사용할 때에 있어서는 부하에 의한 3축 응력의 영향이 증가하기 때문에 저온취성이 발생하기 쉽게 된다. 특히 판 두께가 14mm를 초과하게 되면서부터 그 영향은 급속히 크게 되기 때문에 저온용 차의 설계에 있어서는 사용온도, 발생응력 등 관계 제원을 대조해서 재질의 선정을 할 필요가 있다.

 라. 잔류응력과 저온취성

   1) 잔류응력의 저온취성에 미치는 영향과 응력제거 풀림의 효과

  일반적으로 용접부에는 항복응력에 상당하는 정도의 인장잔류응력이 존재하는 때가 많다. 저온에 있어서 재료의 소성변형능력이 저하하여 있는 상태일 때에 외력이 가해질 경우, 그 응력은 용접잔류응력에 가산되어 저온취성의 발생 및 전파를 일으키게 하는 경향이 있기 때문에 중요한 용접구조물에서는 응력제거 풀림처리 및 기타의 적절한 방법에 의해 이들 잔류응력을 제거하여 놓을 필요가 있다.

  응력제거 풀림처리의 경우 가열온도를 상승시킴에 따라 응력은 제거되지만 모재 재질의 변질과 구조물의 비틀림 등을 고려하지 않으면 안되는 경우가 있어 보통 550 ~ 650℃가 적당하다.

   2) 예하중

  용접구조물에 천이온도보다 적당히 높은 온도에서 약간의 예하중을 주어 미세한 소성변형을 일으켜서 용접부에 잔존하는 높은 인장잔류응력을 이완시킴에 의해 저온에서의 취성파괴는 용접 그대로의 한계응력보다 훨씬 높은 응력까지 파괴하지 않는 것을 실험적으로 알 수 있다.  

  마. 저온취성에 미치는 기타의 요인

   1) 변형속도

  강이 연성파괴에서 취성파괴로 이행되는 조건중 강에 응력이 가해졌을 때의 변형속도가 영향을 미치는 것으로 판명되었으며, 하중속도를 높이고 변형속도를 크게하면 천이온도는 상승한다.

   2) 주강의 취성파괴

  용접구조물의 구성재료로 강류 외에 탄소강 주강, 저합금강 주강 등을 사용한다. 탄소강 주강 SC46은 보통 풀림처리 상태에서 사용하고 있으나, -50℃ 이하에서 사용되는 경우에는 저온용 주강 SC46L(0.17%C 이하, Mn 08%이상)이나 담금질 풀림을 한 저합금강 주강SCMn34(0.3·0.39%,  Mn1.2`0.9%)나, SCSiMn5(0.4 ~ 0.5%C, 0.3 ~ 0.8%Si, Mn0.9 ~ 1.2%) 등을 사용하고 있다.

   3) 화학성분

  화학성분은 결정계, 결정입도, 조직, 담금질성 등에 영향을 주어, 총합적으로 강재의 저온특성에 영향을 미치는 바가 크다. 일반적으로 C,P,S는 천이온도를 현저히 상승시켜 취성파괴를 용이하게 하는 원소이며, 저온에서 사용되는 강종과 부품에서는 매우 낮게 하는 것이 바람직하다. 천이온도의 저하에 특히 효과가 있는 원소는 Ni, Mn 등이지만, Ni은 값이 비싸므로 -40℃까지는 우선 Mn/C를 크게 한 강종을 저온용으로 이용하면 경제적으로 유리하다.

   ① C의 영향 : C의 증가는 강의 인성을 감소시키고, 취성상태로의 이행을 쉽게 한다.

   ② P와 S의 영향 : 이 원소들의 증가는 강의 충격치 및 내한성에 큰 영향을 미친다. P양이 0.04% 이하로, 또는 가능한 한 적은 것이 바람직하다. 

   ③ Mn의 영향 : 함유량이 증가할수록 강의 천이온도가 저하한다. 가장 낮은 온도에서 가장 높은 충격치를 보증하는 Mn의 최적량은 C, N 및 P 함유량이 적을수록 천이온도가 저하한다. 그러나 C%에 따라 변화하며, 한 연구에 의하면 0.04 ~ 0.05%C에서는 Mn2.3%까지 Mn의 증가에 따라 천이온도가 저하한다.

   ④ Ni의 영향 : 저온취성의 개선에 가장 유효하지만, 고가이므로 다량 첨가제로 사용은 비경제적이다.

   ⑤ Cr의 영향 : Cr은 충격치에 약간 악영향을 미치지만, 그 천이온도에 미치는 영향은 C양이 0.05%일 때는 Cr양의 증가와 함께 천이온도는 저하하지만, 0.15 ~ 0.3%C일 때는 Cr양이 1%까지는 천이온도가 저하하고 그 이상으로 되면 천이온도는 상승한다.

   ⑥ Si의 영향 : 림드강에 미소량을 첨가한 경우는 천이온도가 저하하며, Al과 조합하여 탈산한 경우는 한층 강화된다.

   4) 압연종료 온도

  압연 그대로 사용하는 용접강판에서는 압연종료온도를 낮추는 것도 결정립 미세화와의 관계에서 강의 저온취성을 개량하는 효과가 있다.

8. 고온의 성질

  필요한 고온특성으로서는 단시간 인장시험의 강도와 연신율, 장시간 하중에 대한 크리프 특성, 내산화성과 내식성, 장시간 가열에 대한 현미경조직상의 안정성, 내열응력 특성 등이 있다. 고온도에 있어서의 허용응력은 그 온도에서의 기계적 성질에 의거하여 결정된다.

9. 내식성

  가. 부식

  구조물의 구성 모재 및 용접이음의 부식은 구조물의 수명을 결정하는 유력한 인자이다. 연강재는 구조용으로서 전 강재의 약 90% 이상 다량으로 사용되고 있지만 경우에 따라서는 부식환경에 맞는대로 내버려지는 경우가 있고, 각종 화학장치, 고압용기, 수도관, 조선, 건축 등에서 내식성이나 내후성이 큰 문제로 되어 있다.

   나. 응력 부식

  응력이 존재하는 상태에서는 재료부식이 촉진되는 일이 많은데 이것을 응력부식이라 한다. 용접잔류응력에는 항복점에 가까운 큰 인장응력이 있으므로 이것이 응력부식의 원인으로 되는 위험이 있다. 만일 인장응력이 재료에 가해지면 이 노치에 응력이 집중하여 선단에 작은 균열이 생기고 그 균열의 선단이 선택적으로 부식되어 어느 정도 여려지면 응력집중 때문에 새로 균열이 진행된다. 따라서 응력부식이 생기려면 재질, 부식매질, 응력의 크기와 유지시간 및 온도 등이 이것에 영향을 미친다.

  응력부식이 생기기 쉬운 재료는 Al합금, Mg합금, 강합금, 오스테나이트계 스테인리스강 및 연강 등이다.

  동합금, 특히 α황동이나 청동은 일반적으로 응력부식을 받기 쉽다. 잔류응력이 존재하는 상태에서 고온으로 수개월 이상 방치하면 대부분 소성변형을 하지 않고 여려져 균열을 발생하여 파단하는 일이 있는데 이것을 시즌 균열(season cracking)이라고 한다.

  다. 부식에 관한 주의 사항

   1) 사용재료의 선택 : 구조물의 사용조건과 환경을 고려하여 내식성, 가공성, 용접성을 고려하여 가장 경제적인 재료를 선택한다.

   2) 화학장치용 재료의 선택요인 : 처리물질의 화학적 성질, 온도와 압력과 그들의 변화량, 유속, 공기나 산소 등의 산화의 존재, 무기산이나 할로겐 등의 촉매의 존재, 수분의 존재, 재료 및 용접부의 처리 물질의 친화력, 마멸성 물질이나 부식 촉진제 등의 불순물의 존재, 재료의 표면상태, 잔류응력이나 변형의 존재 등이다.

  3) 세부 설계상 주의사항 : 진한 용액이 용기 벽에 가능한 가깝지 않도록 배려할 것, 용기의 구석이나 파이프의 만곡부는 큰 반지름을 가지게하여 무용의 침전물을 방지할 것, 겹치기 이음은 가능한 피하고 맞대기 이음을 채용할 것, 기벽 또는 파이프 내면의 비드의 주름이나 덧살은 가능 한 매끈하게 할 것, 용기 내의 방요재의 필릿용접은 한 번에 하지말고 연속용접으로 할 것, 응력부식의 위험이 있는 용접부는 잔류응력을 제거할 것, 

  (예상문제)

1. 강재의 피로한도란 무엇인가 간단히 설명하라.

  피로한도 또는 내구(耐久)한도라고도 말하며, 재료에 하중을 무한 회(回) 반복해서 가해도 파괴하지 않는다고 생각되는 최대의 응력을 말한다. 이것은 피로 시험에 따라 구해지며, 강재에 있어서는 일반적으로 2×10⁶회의 반복 수에 따라 구해진다.

2. 강의 취성 파괴에 있어 천이(遷移)온도에 대해 간단히 설명하라.

  어떤 온도 또는 온도 범위를 경계로 재료의 인성이 급격히 변화하는 것이 있다. 이것을 遷移現象이라고 부르고, 그 온도 또는 온도 범위가 약속된 방법으로 표시된 온도를 말한다.

3. 평판용접부에 발생하는 열변형을 모델화하여 검토하라.

   평판의 용접에서는 그림과 같이 비드부에서 모재에 걸쳐서 온도분포가 생긴다. 지금 600℃의 가열점에서 단위길이가 평균 600℃로 균일 가열된다고 가정하고, 그림과 같이 양끝 구속의 모델을 생각한다. 강의 열팽창 계수 

  α=11.7*10  /℃

이라 하면 열변형

  ε=11.7*600*10

의 변형이 발생한다. 이 변형은

ε= 탄성변형 + 소성변형 

으로구분된다.

4. 강 용접법에 있어서 열영향부가 임계 온도구역(critical temperature zone; 약 700 ∼ 800℃)부근을 냉각하는 속도는?

*  제14장 문제1 나 3) 참조