용접잔류응력(Residual stress)

1 잔류응력의 개요

 1)정의
   - 잔류응력은 재료내에 외력이 가해지지 않는 상태에서 그 재료내에 존재하는 응력을 말한다.
   - 잔류응력은 거시적(macro) 잔류응력, 미시적(micro) 잔류응력으로 구분된다.
     * 거시적 잔류응력 : 물체의 크기와 길이의 연속적 변화를 뜻함. 소성가공/용접중 가열-냉각 팽창-수축에 기인함.
     * 미시적 잔류응력 : 재료의 미시적 부분에 국한됨. 원자와 전위간 상호작용에 해당.

 

 2) 잔류응력의 발생

   - 제조과정에서 부품의 불균일한 가열 또는 냉각
   - 제조공정(주조, 용접, 성형 열처리)
   - 소성변형을 제거하기 위한 가공공정(터닝, 밀링 단조)
   - 표면열처리(템퍼링, 질화, 퀜칭)
   - 표면처리(쇼트피닝, 샌드 블라스팅)

2 용접잔류응력
 1) 발생원인
   - 구속에 의한 발생
     * 이음현상, 용접입열, 모재크기, 용착순서, 외적구속등에 영향을 받을 경우.
     * 잔류응력이 큰 부분은 전위밀도가 높고, 원자들은 안정하지 못하여 응력에 의해 변형 가능.
     * 박판에서 뒤틀림, 후판에서 잔류응력이 발생하는 것이 일반적이다.
   - 외부 열에 의한 변형
     * 가열된 모재의 냉각 및 용착강의 응고 냉각에 의한 수축 변형이 자유로울 경우 발생.

 2) 영향
  ① 정적강도
   - 연성재료 : 연강, 저합급강은 잔류응력이 존재할 때 소성변형이 진행되어 잔류응력이 완화됨.
   - 취성재료 : 낮은 외력이나 연신상태에서 취성파괴 가능
  ② 취성강도 : 재질에 상관없이 조건(노치, 저온, 높은변형속도, 야금학적 조건)에 따라 연신율이 감속하여 취성파괴 가능
  ③ 피로강도 : 반복하중에 의한 잔류응력 감소로 피로강도에는 영향이 없음. 단 노치가 있을 경우 작은 응력에도 피로파괴 가능

 3) 방지대책
  ① 용접시공 방법 개선
   - 모재에 열을 가하되 골고루 분포되도록함
   - 적절한 용착법과 홈 형상, 용접순서등을 병행한 입열량 제어
  ② 예열실시
   - 예열을 할 경우 냉각속도가 감소되어 경화능에 의한 균열이 감소된다.
     * 후열 : 베인나이트화를 통한 균열감소
   - 용접부와 주변온도차를 감소시켜 냉각시 발생하는 수축 팽창의 잔류응력발생을 억제할수 있다.
  ③ 잔류응력 완화법 실시
   - 피닝법 : 표면의 인장응력을 소성경화(압축)하여 상쇄하는 방법
     * 냉간피닝 : 잔류응력 경감 목적
     * 열간피닝 : 융착금속 냉각전 실시하여 변형방지
   - 소둔법(PWHT ; Post welding heat treatment, 풀림) : A1변태점 이하에서 1~2시간유지
   - 저온응력 경감법 실시 : 화염경화법등을 적용하여 인장응력완화