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용접 변형과 잔류응력
변형 방지 및 교정 기법
🟡Referenced — 전문가 참조
🟡 Referenced
용접 변형(Welding Distortion)은 용접 시 국부적인 가열과 냉각으로 인해 구조물의 형상이 변하는 현상입니다. 잔류응력(Residual Stress)은 외력 없이 재료 내부에 남아 있는 응력으로, 용접부에서는 항복 강도에 근접하는 높은 잔류응력이 발생할 수 있습니다.
변형과 잔류응력은 치수 정밀도, 피로 수명, 응력 부식 균열 등에 직접적인 영향을 미칩니다.
🟡 Referenced
용접 변형의 6가지 유형
1. 종방향 수축(Longitudinal Shrinkage) — 용접선 방향 수축
2. 횡방향 수축(Transverse Shrinkage) — 용접선 직각 방향 수축
3. 각변형(Angular Distortion) — V개선 용접 시 비대칭 수축으로 발생
4. 굽힘 변형(Bending/Bowing) — 중립축 편심 용접에 의한 전체 굽힘
5. 좌굴 변형(Buckling) — 얇은 판에서 압축 잔류응력에 의한 불안정
6. 비틀림(Twisting) — 비대칭 용접 순서에 의한 뒤틀림
변형에 영향을 주는 요소
- 열 입력(Heat Input): 높을수록 변형 증가
- 이음 설계: V개선보다 X개선(양면)이 각변형 적음
- 구속 조건: 구속이 클수록 변형은 줄지만 잔류응력은 증가
- 용접 순서: 비대칭 순서 → 비대칭 변형
변형 방지의 핵심 원칙: (1) 가능한 낮은 열 입력 사용 (2) 대칭 용접 순서 적용 (3) 적절한 구속(지그/택 용접) 사용 (4) 역변형(Pre-setting) 적용. 이 4가지만 잘 적용해도 대부분의 변형 문제를 예방할 수 있습니다.
🟡 Referenced
변형 교정 기법
1. 기계적 교정
- 프레스 교정: 유압 프레스로 역방향 힘 적용
- 롤러 교정: 판재의 굽힘 교정
- 피닝(Peening): 해머링으로 용접부 표면 압축 → 잔류응력 완화
2. 열적 교정
- 선상 가열(Line Heating): 가스 토치로 선상 가열 후 냉각 → 수축력 이용
- 점 가열(Spot Heating): 국부 가열로 좌굴 교정
- PWHT: 잔류응력 완화 (변형 교정 목적은 아님)
잔류응력 관리
- PWHT가 가장 효과적인 잔류응력 완화 방법
- 기계적 응력 완화(VSR, Vibration Stress Relief)는 효과가 제한적
- 설계 단계에서 용접량 최소화가 근본적 해결책
1
용접 변형 유형 파악
종수축, 횡수축, 각변형, 좌굴 등 예상 변형 유형을 이음 형태와 두께로 판단합니다.
2
변형 방지 대책 수립
역변형법, 구속법, 대칭 용접 순서, 백스텝법 등 변형 최소화 기법을 계획합니다.
3
잔류 응력 관리
용접 순서 최적화, 피닝(Peening), 적절한 입열량 관리로 잔류 응력을 최소화합니다.
4
교정 및 PWHT
발생한 변형은 가열 교정(점가열, 선가열). PWHT로 잔류 응력을 제거합니다.
🔵 Reviewed
v1.6 보강 — 잔류응력 측정법 (PDF 보강)
| 분류 | 방법 | 원리 |
|---|---|---|
| 정성적 | 부식법 | 응력 부위 부식 양상 차이 관찰 |
| 응력 바니스법 | 응력집중부에서 도료 균열 | |
| 자기적 방법 | 응력에 따른 자기특성 변화 | |
| 정량적 | 응력이완법(전해방형) | 분할형 / 절삭형 / 트리팬형 |
| 응력이완법(부분해방형) | 슬리트형 / 마타아르형 / 구어너트형 | |
| X선 회절법 | 결정 격자 변형 직접 측정 |
v1.6 보강 — 비드 설치법 4종
| 기법 | 적용 | 효과 |
|---|---|---|
| Step Sequence | 길이가 짧은 용접 개소 | 단계적 진행 |
| 후퇴법(Back Step) | 박판 용접 | 변형 최소화 |
| 대칭법 | 긴 용접선 | 대칭 분포로 변형 상쇄 |
| 블록법 | 주철 또는 박판 | 블록 단위 분산 |
비드 용착법 3종
1. 적층법 (Build-Up Sequence) — 1차 패스 위에 차곡차곡
2. 카스케이드 법 (Cascade Sequence) — 계단식 진행
3. 점진 블록법 (Forward Block Sequence) — 블록을 진행 방향으로
저온응력 완화법 — 용접선 좌우 압축응력 부위를 가스 불꽃으로 200℃ 가열 후 즉시 수냉 → 소성변형으로 잔류응력 제거. 용접금속 자체는 가열하지 않음.
Welding Sequence 9원칙:
① 입열 작게 ② 작은→큰 부재 ③ 구속 큰 부재 마지막 ④ 가운데→양끝 대칭 ⑤ FILLET 먼저, BUTT 나중 ⑥ 짧은 먼저 ⑦ 길이→원주 순 ⑧ 인장→압축 ⑨ BACK STEP 활용
시험 단골 함정 4종 1. "각변형이 V그루브에서 발생하는 원리?" → 상부(개선부)가 하부보다 수축량이 큼 → 위로 휘어짐. X그루브(양면 개선)가 각변형 최소화에 유리. 2. "잔류응력 완화에 가장 효과적인 방법?" → PWHT. 진동응력완화(VSR)는 보조적, 피닝(Peening)은 표면만. 3. "역변형법(Pre-setting) 적용 시점?" → 용접 전 부재를 변형 예상 방향과 반대로 미리 설치. 용접 후 수축으로 원래 위치 도달. AWS D1.1에서 권장 기법. 4. "후퇴법(Back-Step)이란?" → 진행 방향과 반대 방향으로 짧은 비드를 차례로 놓는 법. 예: 좌→우 진행하되 비드는 우→좌 순. 박판 변형 최소화.
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🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
용접 변형의 주요 원인은?