용접변형(Welding Distortion)과 잔류응력(Residual Stress)은 용접부의 국부적 급열·급랭에 의한 불균일한 팽창·수축 때문에 발생한다. 변형이 크면 부재 정밀도(직각도·수직도)가 무너지고, 잔류응력은 피로균열·취성파괴·좌굴강도 저하의 원인이 되어 구조 안전에 직결된다. 그래서 기술사 시험에서 변형 종류·발생원리·시공 중 저감대책(용접순서·억제법)이 핵심 출제 포인트다.
2. 각변형과 잔류응력 분포 (그림)
그림① 맞대기용접 각변형(θ) 및 용접부 인장·모재부 압축 잔류응력 분포
3. 변형 종류 및 발생원리
변형 종류
발생원리
수축변형(종·횡)
용접선 방향(종) 및 직각방향(횡) 냉각수축
각변형(회전변형)
판 두께방향 불균일 수축 → 개선각 방향으로 굽음(θ)
좌굴변형
박판 압축잔류응력이 좌굴강도 초과 시 파형 변형
회전변형(면내)
용접 진행에 따라 개선부 간격이 좁아지거나 벌어짐
잔류응력은 용접부 부근에서 모재 항복강도 수준의 인장응력으로 남고, 그 평형을 위해 인접부는 압축응력이 형성된다.
4. 발생 원인 — 두문자 「불·구·순·패」
불균일 가열·냉각속도 · 구속조건(강성 큰 부재 구속) · 순서 부적절(비대칭 용접순서) · 패스 수 과다·입열량 과대
5. 방지대책
용접순서: 대칭법·후퇴법·스킵법(비석법)·캐스케이드법으로 입열 분산
역변형법: 예상 변형 반대방향으로 미리 변형시켜 조립
억제법(구속법): 지그·강재 스트롱백으로 부재 구속 후 용접
도열법: 용접부 주변에 동판·물수건 등으로 열 확산 차단
피닝(Peening): 용접 후 비드 표면 타격으로 인장잔류응력 완화
입열관리: 예열(판두께별 50~350℃) 및 패스간 온도(층간온도) 관리, 다층 용접 시 소입열 다패스
1. 정의용접 시 국부적 급열·급랭에 따른 불균일 수축으로 용접 완료 후 부재 내부에 남는 응력이다.2. 발생원인 및 분포용접부는 최종 냉각 시 주변 모재에 구속되어 인장잔류응력(≈항복점)이 발생하고, 그 평형을 위해 인접 모재부는 압축잔류응력이 형성된다.3. 유의사항사용응력에 잔류응력이 중첩되면 조기 항복이나 피로균열의 기점이 될 수 있어, 응력집중부(개구부·용접교차부)에서는 특히 주의가 필요하다.
용어예상피닝(Peening)공법에 대하여 설명하시오. (10점)
1. 정의용접 비드 표면을 특수 해머·타격공구로 두드려 소성변형을 주어 인장잔류응력을 압축응력으로 전환시키는 잔류응력 완화 공법이다.2. 효과 및 유의피로강도 향상, 균열 저감 효과가 있으나, 초층·마무리층에 과도한 피닝을 가하면 오히려 균열을 유발할 수 있어 시공기준을 준수해야 한다.
용어예상역변형법(Presetting)을 설명하시오. (10점)
1. 정의용접 후 예상되는 변형 방향과 반대로 부재를 미리 변형(각도·위치)시켜 조립함으로써 용접 완료 후 정위치가 되도록 하는 변형 방지법이다.2. 적용 및 유의사항맞대기 용접의 각변형 예측치를 반영해 개선각·조립각을 사전 보정하며, 시험 용접으로 변형량 데이터를 확보한 후 본작업에 적용한다.
서술형예상철골 용접 시 용접변형 및 잔류응력의 발생원인과 저감(방지)대책에 대하여 설명하시오. (25점)
Ⅰ. 개요용접은 국부 가열·냉각 특성상 변형과 잔류응력이 필연적으로 발생하며, 방치 시 정밀도 저하 및 구조 안전성(피로·취성파괴·좌굴)에 악영향을 미치므로 시공 전 단계별 관리가 필요하다.Ⅱ. 발생구조(변형 종류)용접선 방향(종)·직각방향(횡)의 냉각수축에 의한 수축변형, 판 두께방향 불균일 수축으로 개선각 방향으로 굽는 각(회전)변형, 박판에서 압축잔류응력이 좌굴강도를 초과할 때 나타나는 좌굴변형으로 구분되며, 잔류응력은 용접부에서 모재 항복강도 수준의 인장응력으로 남고 인접부는 압축응력으로 평형을 이룬다.Ⅲ. 발생원인 (두문자 불·구·순·패)① 불균일 가열·냉각: 용접부와 모재의 온도차에 의한 팽창·수축 차이.② 구속조건: 강성이 큰 부재의 구속으로 응력 해소가 불가능.③ 순서 부적절: 한쪽 방향 집중 용접, 비대칭 순서.④ 패스 수·입열량 과다: 다층·과대 입열로 열영향부가 확대.Ⅳ. 방지대책① 용접순서: 대칭법·후퇴법·스킵법·캐스케이드법으로 입열을 분산시킨다.② 역변형법: 변형을 예측한 후 반대방향으로 사전 조립한다.③ 억제법: 지그·스트롱백으로 부재를 구속한 후 용접한다.④ 도열법: 동판·수냉으로 열확산을 차단한다.⑤ 피닝: 비드 표면을 타격해 응력을 완화한다.⑥ 입열관리 및 응력제거 열처리(SR): 예열(50~350℃)·패스간 온도를 관리하고 소입열 다패스를 적용하며, 필요시 600±25℃ 노내 가열 후 서냉하는 SR을 실시한다.
잔류응력 σr은 용접부에서 모재 항복강도 σy 수준까지 도달할 수 있어, 실제 사용응력에 σr이 중첩되면 조기 항복·피로균열 기점이 될 수 있다.
후판 다층 용접 후 층간온도 관리 미흡으로 열영향부(HAZ)가 취화되어 초음파탐상(UT)에서 균열이 검출된 사례 다수 — 시공계획서상 입열량·층간온도 관리기준 명기가 핵심.
Ⅴ. 맺음말용접순서·입열관리는 설계 단계부터 접합상세와 함께 검토되어야 하며, 시공 중 온도관리 기록과 완료 후 비파괴검사로 품질을 검증해야 한다.
서술형예상철골 용접순서 계획이 부재 변형 및 구조 정밀도에 미치는 영향과 관리방안에 대하여 설명하시오. (25점)
Ⅰ. 개요동일한 이음이라도 용접순서 계획에 따라 최종 변형량과 정밀도가 크게 달라지므로, 시공계획 단계에서 용접순서를 구조적으로 검토하는 것이 품질관리의 핵심이다.Ⅱ. 원리(구조)한쪽 방향으로 용접을 진행하면 먼저 용접된 부위의 수축이 누적되어 부재가 한쪽으로 휘거나 뒤틀리는 반면, 대칭적·분산적으로 용접하면 각 구간의 수축이 서로 상쇄되어 전체 변형량이 최소화된다. 이는 용접순서가 잔류응력 분포뿐 아니라 부재 치수 정밀도까지 함께 결정한다는 것을 의미한다.Ⅲ. 용접순서 공법 종류① 대칭법: 이음 중심을 기준으로 좌우 대칭으로 용접해 변형을 상쇄한다.② 후퇴법: 진행방향과 반대로 짧은 구간씩 후퇴하며 용접해 입열을 분산한다.③ 스킵법(비석법): 구간을 건너뛰며 용접해 국부 집중가열을 방지한다.④ 캐스케이드법: 다층용접 시 계단식으로 겹쳐가며 진행해 열영향을 분산한다.Ⅳ. 관리방안(대책)① 순서계획 수립: 부재 형상·구속조건을 반영해 대칭법 등 적정 공법을 사전 선정한다.② 역변형·억제법 병행: 예상 변형에 대응해 사전 역변형 조립 또는 지그 구속을 적용한다.③ 입열관리: 예열·층간온도 준수로 급냉·과열을 모두 방지한다.④ 검측관리: 용접 전·중·후 단계별로 치수를 검측해 변형 누적을 조기 발견한다.⑤ 사후교정: 변형 발생 시 국부 가열교정(가스 가열 후 급랭) 등으로 정밀도를 회복한다.
용접순서에 따른 변형은 각 패스의 수축력이 부재 단면 내에서 이루는 모멘트의 합으로 설명할 수 있으며, 대칭적 순서는 이 모멘트의 합을 0에 가깝게 만들어 변형을 최소화하는 원리로 작동한다.
대형 플레이트거더 제작에서 한쪽 방향으로만 용접을 진행해 웨브 전체가 휘어지는 변형이 발생, 이후 대칭법으로 순서를 변경해 재발을 방지한 사례가 보고된다.
Ⅴ. 맺음말용접순서는 단순 시공 편의가 아니라 구조 정밀도를 좌우하는 설계적 요소로 다루어야 하며, 시공계획서에 순서와 예상 변형량, 검측 시점을 명확히 반영해야 한다.
📚 출처·근거
KCS 14 31 xx (강구조공사 표준시방서)
KDS 14 31 xx (강구조 설계기준)
KS D (강재 규격)
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