용접 변형의 종류 및 방지대책

용접 변형의 종류 및 방지대책
용접부의 변형은 근본적으로 용접 과정에서 발생하는 용융금속의 수축에 의한 인장 응력에 기인한다. 이 인장 응력은 용착량, 용접 방법, 용접 속도 등의 용접 조건에 따라 큰 차이를 보인다.

 

1. 용접부 변형의 원인
(1) 모재의 영향
모재의 열팽창 계수가 크고, 열 전달이 잘되는 재료 일수록 용접부 변형이 발생하기 쉬운 경향이 있다. 이러한 차이점은 Carbon Steel과 Stainless Steel의 용접부에서 쉽게 발견할 수 있는 현상으로, 열 팽창이 큰 Stainless Steel 용접부는 Carbon Steel에 비해 더 큰 용접부 변형을 나타낸다.

 

(2) 용접 형상의 영향
V형 이음에서는 각 변화가 한 방향에서만 일어나지만 X형 이음부에서는 뒷면 용접시 발생하는 각 변화가 반대 방향이므로 앞면 용접의 각 변화와 상쇄되어 전체적인 각 변형이 작게 된다.  V형 이음의 경우에 대구경 용접봉을 쓰는 것이 각 변형이 오히려 적으며 X형의 경우에는 양면의 상하 개선 비율(대칭도)을 적절하게 조절하면 각 변형을 거의 없게 할 수 있다.
가장 일반적인 상하 개선 비율은 6:4 혹은 7:3 정도 이다.

 

(3) 용접 속도의 영향
용접 Arc가 이음선을 따라 진행하면 그 용접 지점으로부터 열이 사방으로 확산하게 되고 용접 지점보다 앞서 진행하게 되는 열은 아직 용접이 이루어 지지 않은 부분에 변형을 초래하게 된다.
따라서, 용접 속도를 빠르게 하는 것이 각 변형 방지 유효하다. 용접 진행 속도가 느릴수록 앞서 전파되는 용접열이 많아지고, 속도가 빠를수록 적어지니까 진행이 빠를수록 변형이 적어진다.
또한 용접 Pass수가 적을수록 각 변형 및 세로 방향 뒤틀림이 적어진다.

 

(4) 용접 방법의 영향
고 능률의 대입열 용접일수록 많은 용융금속이 발생하게 되면서 응고 수축에 의한 응력이 크게 작용한다. 따라서, 용접부 변형을 최소화 하기 위해서는 가능한 저 입열의 용접 방법으로 용접하는 것이 좋다.

 

2. 용접부 변형 방지책
용접부 변형을 방지하기 위한 방법은 변형의 원인을 정확하게 파악하고 있다면 쉽게 여러 가지 대안이 제시될 수 있다.

 

1) 이음의 모양이 가능한 한 용접부 단면이 대칭이 되도록 한다.
앞에서 설명한 바와 같이 V보다는 X-Groove를 사용하는 것이 용접부 변형 방지에 유리하다.

2) 이음의 크기가 요구되는 강도 이상이 되지 않도록 하여 용착량이 과다하지 않도록 설계한다.

용융금속이 많다는 것은 그만큼 많은 응고 응력이 발생한다는 것을 의미한다.  

3) 가능한 용접 Pass수를 적게 한다.

앞의 2)번 얘기와 상반되는 의미로 해석될 수도 있다.  용접 금속이 Multi-Layer로 깔릴수록 용접부 변형은 심해진다.

 

4) 용접속도를 빠르게 한다.
용접속도가 느리면 그만큼 용융금속의 응고가 늦어지고, 많은 용융 금속이 발생한다는 것을 의미한다.용착량을 적게 하는 것이 변형 방지에 유리하다.

 

5) 미리 용접 이음부에 예상 변형의 반대로 변형각을 주어준다.
용접부에 미리 예상되는 용접 변형을 상쇄할 만큼의 변형을 주어 용접시 발생하는 변형을 흡수한다.  다음 그림은 용접 이음에 미리 각변형을 주어 용접을 실시한 예이다.

 
6) 튼튼한 JIG로 견고하게 고정한다.
예상되는 변형의 반대 방향으로 미리 JIG를 설치하여 변형을 억지로 방지한다.  변형 방지에는 효과가 있지만, 용접부 잔류 응력 측면에서는 매우 불리한 용접 시공 방법이다.

 

7) Water / Copper Cooling방법
용접선을 따라 용접부 이면에 물로써 강제 냉각시켜 변형을 최소화 하는 방법이다. Cu-Cooling방법과 마찬가지 이다.

 

8) Peening 유, 무
Peening은 Hammer등으로 용접 부위를 타격하는 방법으로 일종의 Plastic Deformation (소성 변형)을 부여하여 잔류 응력을 완화하는 방법이다. 용접 금속은 응고하면서 내부적으로 수축에 따른 Tensile Strength 가 걸리는데 외부에서 인위적인 Compressive Deformation으로 이를 상쇄해 주면 그만큼 잔류 응력 (변형)은 감소하게 된다. 이때, 초층 및 최종 층의 Bead는 가공 경화를 받아 균열의 위험성이 있으므로 피하여야 한다. Slag 제거를 위한 Chipping은 Peening으로 간주하지 않는다.

 

9) 열 분포를 고르게 하기 위해 용접 순서를 조절한다. (후퇴법, 대칭법 등)
용접과정에서 발생하는 열로 인한 용접부 변형을 최소화 하기 위해 용접을 일률적으로 한 방향에서 실시하지 않고 부분적으로 실시하여 용접열의 분포를 고르게 하도록 용접 순서를 조절한다.  용접 변형을 방지하기 위한 측면에서는 유효하지만, 용접부의 품질로 볼 때는 불리하다.