용접변형과 방지대책
1. 용접변형의 특징
용접변형은 구조물의 미관을 손상시킬뿐 아니라 초기변형이나 잔류응력으로 구조물의 강도를 저하시키므로 이를 방지 및 교정하는 것이 매우 중요하다.
이러한 변형은 용접잔류응력과 같이 고유변형도에 의해 발생되며, 고유변형도의 분포형상에 따라 그림1과 같은 용접변형이 발생된다.
이러한 용접변형은 강구조물 제작시 다양한 용접부 형상에 의해 복합적으로 발생되며, 이것은 강구조물을 설계치수를 변화시키거나 부재 간단차를 발생시켜 절단 또는 교정과 같은 생산공정에 불필요한 작업을 유발시켜 생산성을 저하시킨다. 따라서 강구조물 제작시 용접변형을 예측하여 설계단계에서 마진을 주거나 용접변형을 방지하기 위한 대책을 수립하여 생산성을 향상시키기 위한 연구가 필요하다.
그림 1 용접변형의 형상
용접변형은 모두 복합적으로 발생하지만 편의상 면내변형, 면외변형, 그리고 좌굴변형으로 구분할 수 있다.
면내변형은 종수축, 횡수축 그리고 회전변형이고, 면외변형은 각변형, 종굽힘변형으로 분류된다.
면내변형은 수축에 의해 강구조물의 크기를 설계치수보다 작게 하여 단부에 단차가 발생함으로 이를 방지하기 위해서는 설계단계에서 수축마진을 주어 단차를 줄일 필요가 있다. 그리고 회전변형은 면내변형 중에서도 특수한 변형으로 저입열 용접의 경우 용접부 앞부분이 그림과 같이 닫히려고 하는 변형이 발생하지만 대입열 용접의 경우는 반대로 용접부 앞부분이 벌어지려는 변형이 발생하여 경우에 따라 단부에 크랙을 발생시킨다. 따라서 회전변형을 제외하고는 면내 변형에서 주로 문제가 되는 것은 횡수축에 의한 변형이다.
반면 종수축은 다른 수축량에 비해 현저히 작으므로 큰 문제는 되지 않는다.
면외변형은 맞대기용접과 필렛용접시의 두께방향의 온도차에 의해 발생하는 변형으로 이는 일반적으로 용접 후 가스토치에 의한 교정작업으로 수정한다.
종굽힘변형은 특히 용접길이가 길고 부재의 중립축과 용접열원이 위치가 일치하지 않은 경우 용접 굽힘모멘트에 의해 발생하고 Built-up계 용접시 주로 발생된다.
좌굴변형은 용접 입열량과 부재의 치수(폭/두께의 비)에 의해 영향을 받으며 주로 박판용접시 발생하며, 용접 중의 과도변형과 용접에 의한 수축에 의해 발생한다. 이러한 변형은 한번 발생하면 교정하기 힘들기 때문에 미리 방지하는 것이 중요하다.
이상 설명한 용접변형은 강구조물 제작시 다양한 조건에 의해 여러 가지 형태로 발생함으로 각 변형특성에 따라 예측 및 방지대책을 수립해야 한다.
2. 고유변형도와 용접변형
용접변형은 용접부 근방의 열탄소성거동에 의해 발생된 고유변형도의 분포와 크기에 의해 결정된다. 이러한 고유변형도의 크기는 그 지점의 최고 도달온도와 구속정도에 의해 결정된다.
최고 도달온도는 열전달해석에 의해 예측할 수 있으나 구속도를 정확히 결정하기는 쉽지 않다. 일반적으로 구속은 내적구속과 외적구속으로 분류할 수 있으며, 내적구속은 용접구조물 자체구속 및 물리적인 구속을 의미한다. 이라한 두가지 구속을 정확히 고려하여 용접변형을 예측하기는 쉽지 않으므로 적절한 가정을 통해 적용하는 것이 일반적이다.
고유변형도법을 이용하여 용접변형을 예측하는 경우 특히 초층과 최종층의 용접비드에 있어서 구속과 고유변형도와 관계가 현재 명확히 정의되어 있지 않으므로 연구가 필요한 부분이다.
3. 각변형과 임계용접길이
대형 강구조물의 용접변형은 열탄소성 해석으로는 방대한 해석시간과 컴퓨터 메모리의 부족으로 현실적으로 해석이 불가능하다. 따라서 실험에 의한 직접측정법, 등가하중법, 그리고 고유변형도법 등이 많이 적용되고 있다.
위의 방법을 적용하기 위해서는 해석모델 및 시험체의 크기를 결정해야 한다. 또한 소형시험체의 용접변형 측정결과를 대형 강구조물에 적용하기 위해서는 용접변형에 영향을 주지 않은 임계용접길이에 대한 연구가 선행되어야 한다.
임계용접길이에 대한 연구는 V개선 맞대기용접, 무개선 필릿용접 그리고 판위에 비드놓기에 의한 용접각변형에 미치는 임계용접길이를 연구한 바에 의하면 맞대기용접에서 용접길이가 1000mm 이내에서는 용접길이가 증가함에 따라 각변형도 증가하였으나 용접길이가 1000mm 이상에서는 용접 각변형이 용접길이에 영향을 받지 않고 거의 일정하게 발생하였으며,
필릿용접의 경우는 용접길이가 500mm 이상의 경우 용접각변형은 용접길이에 관계없이 일정한 값이 형성되었으며, 판위에 비드놓기에 의한 연구의 경우는 용접길이가 500mm 이내의 경우 용접길이가 증가함에 따라 각변형도 증가하였으며, 500mm 이상에서는 용접길이에 관계없이 거의 일정하게 발생하였다.
이상의 결과를 종합해보면 맞대기용접의 각변형에 대한 임계길이는 1000mm 이상이고, 필릿용접과 평판에 비드놓기의 경우의 용접임계길이는 500mm 이상임을 알 수 있다.
4. 용접변형과 용착금속의 깊이와 폭
용접변형에 대한 해석법으로는 유한요소법을 이용한 정밀 열타소성 해석, 간이해석방법인 등가하중법, 고유변형도법 그리고 실험에 의해 변형을 측정하고 분석하여 하나의 예측치를 예측하는 방법이 있으며 각각 장단점이 있으며 요구되는 해석정도와 구조물의 크기에 의해 적절한 해석방법을 선택하여 적용할 수 있다.
가. 횡수축 용접변형 간이 예측법
연강을 대상으로 용접변형의 기본인 횡수축과 각변형에 대해 모재 두께, 용착금속의 깊이와 폭이 미치는 영향 분석한 결과이다. 여기서 그림 1은 동일한 모재두께에 입열량을 증가시켜 용착금속의 깊이와 폭이 증가된 것을 보여주고 있는데 여기서 S는 횡수축력, L은 모재의 중립축과 횡수축력까지의 거리이며, 표1은 그림 1로부터 횡수축력과 각변형의 관계를 나타낸 것이다.
그림 2 용접변형과 비드
표1에서 Type1은 두께에 비해 용착금속의 깊이와 폭이 작아 횡수축과 각변형이 작게 발생되었다. 반면 Type2는 횡수축은 그다지 크지 않지만 각변형은 모재의 중립축과 횡수축력까지의 거리 길이가 길어 제일 크게 발생하였다. 또한 Type3의 경우는 횡수축량은 용착금속의 깊이와 폭이 크므로 다른 Type에 비해 제일 크게 발생되나 각변형은 모재의 중립축과 횡수축력까지의 거리가 짧아 작게 발생됨을 알 수 있다.
이러한 현상은 필릿용접의 각변형에서 확실히 나타나는데 동일 두께에 대해 용접입열량을 증가시키는 경우 약 중간정도의 입열량에서 각변형이 최대(Type2)로 발생된다. 또한 박판용접시 변형을 최소화하기 위해 입열량을 최대한 감소시키는 경향이 있는데 입열량과 모재두께에 따라 각변
형이 크게 발생되는 경우가 있다. 표1 용접비드와 각변형, 수축력
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Type 1 |
Type 2 |
Type 3 |
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S(수축력) |
소 |
중 |
대 |
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L |
대 |
중 |
소 |
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각변형 |
소 |
대 |
소 |
1) 맞대기 용접
박판을 제외하고 다층용접에서 횡수축량은 용착금속량이 증가함에 따라 증가하지만 그 증가율은 점차로 감소하다. 이것은 기 용착된 금속이 새로 용착되는 금속의 수축을 저지하는 정도가 점점 증가하기 때문이다. 횡수축량에 크게 영향을 미치는 것은 Root 간격과 홈의 형상이며, Root 간격이 넓을수록 수축은 커지고 X형 홈형상보다는 V형 홈형상이 용착금속과 폭이 크므로 수축이 크게 발생한다.
2) 필릿용접
필릿용접의 횡수축량은 맞대기용접의 횡수축량에 비해 매우 적게 발생된다. 이것은 평판 위에 비드용접과 같이 횡수축을 모재가 구속하기 때문이다. 그러나 용착금속량 또는 각장이 클수록 횡수축량도 크게 된다.
나. 각변형 간이 예측
1) 맞대기용접
후판용접에서 모재의 표면과 이면의 용착금속의 비대칭, 표면과 이면의 용접순서의 차이, V형 홈용접의 경우 표면만을 용접금속의 채움 등에 의해 모재의 두께 방향으로 불규칙한 온도분포가 생성되어 서로 다른 횡수축을 유발되어 각변형이 발생한다. 또한 다양한 용접시공 조건으로부터 용접 각변형을 일률적으로 예측하기 어렵다. 따라서 여기서는 X형 홈용접에서 표면과 이면의 개선의 비대칭 정도에 따른 각변형을 최소화시킬 수 있는 조건을 보면, 표면 : 이면이 6:4이고 만약 이면 가우징 작업을 고려한다면 7:3 정도가 적당하다. 그러나 최근 기존 연구와 동일하게 표면과 이면 비율로 용접한 결과 약간의 차이가 있다는 연구도 있어 실제 적용치는 실험을 통해 검토하는 것이 타당하다고 생각된다.
다. 종수축 간이 예측
종수축은 용접길이의 약 1/1000 정도로 횡수축량에 비해 매우 적다. 이것은 종수축을 모재가 구속하기 때문이다. 그러나 용접길이가 길고 부재의 중립축과 용접부가 떨어져 있는 경우에는 종수축에 의한 종굽힘변형이 발생한다. 따라서 이러한 종굽힘변형을 예측하기 위해서는 여러 가지 식이 필요하다.
5. 용접변형의 경감과 방지대책
용접변형을 체계적으로 제어하기 위해서는 구조물의 형상과 작업조건에 따라 변형방지대책을 적용할 것인지 아니면 교정방법을 적용할 것인가를 계획하고 그 구체적인 방법에 대해서도 검토해야 한다. 또한 용접변형을 방지하기 위해 과도하게 변형을 구속하는 경우 용접부에 균열이 발생됨으로 주의해야 한다.
1) 설계상의 대책
용접부 저감, 이음부 위치 및 형상 변경, 구조 변경, 형상 사용에 의한 강성 증대
2) 용접 시공상의 대책
용접 입열량의 저감, 용접법의 변경, 용접 순서, 적층법의 변경, 치공구 사용
3) 역변형법 적용
위의 대책 중에 용접 설계와 시공상의 대책으로 용접변형을 일부 경감시킬 수 있지만 근본적으로 변형을 방지할 수 없다. 용접순서를 이용한 용접변형 경감방법은 구조물의 형상에 따라 다르나 선박건조를 위한 소조립 공정에서는 용접 순서가 용접변형의 크기에 거의 영향을 주지 않았다.
치공구(지그)는 부재를 고정시켜주는 역할도 하지만 용접변형 경감 및 방지대책으로 사용된다. 소규모 지그(그림 3)를 이용하여 용접변형을 방지하기 위해 용접제작 현장에서 적용하고 있으며 최근에는 대형 지그를 이용한 용접변형 방지대책을 적극적으로 적용하려는 경향이다.
종굽힘 변형은 주로 용접길이가 길고, 부재의 중립축과 용접부가 일치하지 않을 대 발생하는 변형으로 선체의 종굽힘강도를 향상시키기 위해 사용하는 T Built_Up재 용접시 많이 발생한다. 이러한 종굽힘변형을 방지하기 위해 용접과 동시에 웨브 상부를 고주파 가열함으로 역모멘트를 발생시켜 종굽힘변형을 방지하는 방법을 일부 대형 조선소에서 적용하고 있으며, 대량 생산 라인을 구축하여 생산성 향상에 기여하고 있다.
한편 지그를 이용한 종굽힘변형을 방지하기 위한 방법으로 그림 4와 같이 동일한 길이와 단면에 대해 다음과 같은 방법으로 변형 상태를 연구하였다.
(1) 전혀 구속하지 않은 경우
(2) 정반에 부재가 밀착하도록 위에서 하중을 가한 경우
(3) 약간의 역변형이 발생하도록 하중을 가한 상태에서 용접하는 경우
(4) (3)번의 경우보다 더 많은 역변형을 준 상태에서 용접하는 경우
이 때의 종굽힘변형량을 보면 구속하더라도 역변형을 주지 않으면 용접변형 저감효과가 없으며, (4)의 경우가 제일 작게 발생하여 적절한 역변형을 주는 것이 필요함을 알 수 있다.
그림 3 용접변형 방지용 지그 그림 4 구속방법과 종굽힘변형 방지효과
그림 5는 (4)의 경우에 있어서 용접 후 구속을 제거하는 시간에 따라 종굽힘변형량의 변화를 검토하기 위해 실험을 실시한 결과 부재의 온도가 실온으로 냉각되었을 때까지 구속을 실시해야 종굽힘변형을 방지할 수 있음을 알 수 있다. 이것은 생산량과 밀접한 관계가 있으므로 대량 생산을 하는 경우 적절한 방법이라고 할 수 없다.
지그를 이용하여 각변형을 방지하는 방법으로 그림 6과 같이 스트롱백의 간격에 따른 각변형량을 보면 스트롱백의 간격이 짧을수록 각변형이 작게 발생하여 부재를 고정하기 위해 사용하는 스트롱백을 적절히 상용함으로서 각변형량을 저감시킬 수 있다.
그림 5 종굽힘변형과 구속제거 시간 그림 6 각변형과 스트롱백 간격
그림 7은 각변형을 방지하기 위해 필릿용접부가 인장응력이 걸리도록 구조물을 위로 볼록하게 역변형을 주었을 때 인장응력의 크기에 따라 각변형 효과가 다르게 나타났음을 알 수 있다. 한편 구속 지그의 제거시간은 용접 후 바로 제거하여도 각변형 방지 효과가 있다. 이는 종굽힘변형 방지를 위한 지그 제거시간과는 대조적이다. 이것은 각변형의 발생 메카니즘이 부재의 두께 방향의 온도분포의 차이에 의한 것으로 두께 방향의 온도 차이는 용접 열원이 통과 후 짧은 시간에 두께 방향의 온도 분포가 거의 차이가 없기 때문이다. 반면 종굽힘 변형을 유발시키는 온도분포는 길이방향으로 길고 장시간 온도의 차이를 가지고 있음으로 용접부가 실온에 가까워질 때까지 구속해야 한다.
그림 7 각변형방지를 위한 역변형 지그
6. 용접변형의 교정대책
용접변형은 어디까지나 방지하는 것이 제일 좋은 방법이나 여러 가지 방지대책을 수립하여도 허용범위를 넘는 경우가 있다. 이러한 경우 변형교정을 실시해야 한다.
일반적으로 많이 사용하는 방법은 소성가공에 의한 프레스나 롤러에 의한 교정은 정형화된 구조물에 많이 사용하며 선상가열방법은 구조물의 두께, 재질 그리고 용접변형의 형상에 따라 다양한 가열패턴 등이 있다. 그중에서도 제일 문제가 되는 것은 박판이고 구조물의 일부에 발생하는 변형으로 가열원의 열량과 가열방법에 세심한 배려와 노하우가 필요하다. 처음 교정작업의 계획이 잘못 수립하는 경우 영구적으로 구조물의 변형을 교정하지 못하는 경우가 있으며 일부 변형을 교정하면 다른 부분에 변형이 이동하는 경우도 발생한다.