기술자료: 용접 구조물의 피로수명 향상 기법 (Ⅱ) 용접후처리방법
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용접 구조물의 피로수명 향상 기법 (Ⅱ) 용접후처리방법

Methods for Fatigue Strength Improvement of the Weld Structure(Ⅱ) Post Weld Improvement Methods
김용, 이보영(Yong Kim and Bo-Young Lee)
1. 서 론
일반적으로 용접 구조물의 피로강도는 용접부와 같은 기하학적 불연속부에 있어서의 응력집중에 의해 결정된다. 이때 응력집중은 구조적 형상에 의한 전체적인 요인 및 용접부 비드 등의 국부적인 요인의 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 기계 및 구조물의 80% 이상이 피로에 의해서 여러 가지 형태의 원인으로 파손되고 있다고 알려져 있다.
좀 더 구체적으로 구분하면, 용접부의 피로 수명을 저하시키는 원인으로는 앞서 설명한 바와 같이 구조적 불연속 및 용접변형에 의한 부정합(misalignment), 국부적 응력 집중의 영향, 언더컷, 블로우 홀, 개재물 등에 의한 용접결함 그리고 용접 인장 잔류응력의 영향 등 크게 네 가지로 구분될 수 있다.
피로파괴는 때때로 매우 위험한 결과를 초래하기 때문에 이를 방지하고 높은 수명시간을 확보하기 위해서는 설계-시공-후처리 각각의 단계에서 다음과 같은 사항들이 고려되어야 한다.
첫째로 용접연결부의 설계 단계에서는 진동 및 공명(resonance)이 발생하는 위치를 되도록 피하여 피로하중이 최소화될 수 있게 이뤄져야 하며, 부식 환경의 노출 최소화 및 응력집중계수를 낮게 설계하여야 한다.
둘째로 시공단계에서는 모재와 용가재, 용접공정의 올바른 선택, 시공 전 그루브 형상 및 표면 준비 등의 철저한 준수 및 작업자의 숙련도 검증 등의 사항이 요구된다.
마지막으로 시공이 끝나면 적절한 후처리(post weld improvement)를 거쳐 최종적으로 피로강도를 향상시킬 수 있는데, 본회에서는 앞서 기고한 용접 연결부의 설계 방안에 이어 그 두 번째로 용접후처리 단계에서 실시할 수 있는 용접부 피로수명 연장기법에 대해 IIW Recommendation1)을 바탕으로 기술하고자 한다.

2. 용접후처리기술의 분류
오래전부터 구조물의 안전성을 확보하고 피로수명을 최대화하기 위한 많은 연구자들의 노력에 의해 그림1과 같이 다양한 용접후처리기술이 개발되었으며, 이는 크게 용접비드 선단의 기하학적 형상을 개선하는 방법과 압축잔류응력을 유도하는 방법으로 구분될 수 있다.
이중 형상 개선방법으로는 그라인딩, 재용융 기법 및 특수용접기법으로 또 다시 구분된다.
우선 그라인딩방법의 경우 비드 선단에 대한 기계적 가공방법으로서 이들 공정은 처리 방법이 비교적 간단하며 큰 개선효과를 보여줄 뿐만 아니라 육안 상 쉽게 판단이 가능한 장점이 있는 반면 부식으로부터 대비되어야 하며, 작업 시 많은 소음과 먼지를 유발할 뿐만 아니라 형상에 따라 가공 툴의 접근성에 대한 제약이 발생한다.
용접 토우 형상 개선을 위해 적용되는 재용융기법의 경우 또한 큰 개선효과를 기대할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라 정형화 된 형상을 반복적으로 개선하여야 하는 경우 용접공정과 같이 복합적인 자동화가 가능하지만, 수동으로 작업 시에는 일정 수준 이상의 기량이 요구되는 단점이 있다.
형상 개선방안 중 마지막 방법으로는 특수 용접기법이 있는데 이는 용접 시공 시 비드형상을 요구사항대로 구현함으로서 응력집중을 피하는 방법이다. 이 경우는 특별한 후처리를 통해 이뤄지는 방법은 아니므로 시간이 절약되는 이점이 있지만, 용접 토우의 결함이 제거되지 않고 남아 있는 경우가 발생할 수 있다.
두 번째 방법으로서 압축잔류응력을 인가하는 방법은 피닝, 과부하처리(overloading treatment) 및 응력제거(stress relief)방법으로 구분된다. 이중 피닝 기법은 또한 우수한 개선효과를 볼 수 있는 장점과 특히 고강도강에서 그 효과가 두드러지는 이점이 있는 반면에 저주기피로(고하중) 조건에서는 적합하지 않다.
또한 최대 압축하중이 수반된 다양한 진폭의 하중조건에서는 그 효과가 점차 소멸되는 단점이 있다.
과부하처리 및 응력제거 기법 또한 저주기피로 환경에서는 그 효과가 크지 않으며, 대표적인 응력제거 방법인 후열처리(PWHT) 방법은 열영향부의 연화와 조직의 안정, 잔류응력의 완화 등의 장점이 있지만 소재에 따른 온도 처리 범위가 존재하며, 조건이 맞지 않을 경우 모재의 성능저하 및 재균열이 발생할 가능성이 있다.
이상과 같이 다양한 용접후처리기술 중 보다 효과적인 적용을 위해 IIW Recommendation에서는 그라인딩, TIG 드레싱 및 피닝 기법을 제안하였으며, 본 기고에서는 이들 공정에 대해 자세히 살펴보았다.

3. 피로강도 향상기법
(1) 토우그라인딩(toe grinding)
토우그라인딩은 버 그라인더 또는 디스크 그라인더를 이용하여 용접 토우부를 연마하는 기계적 가공방법으로 그 목적은 피로에 유해한 슬래그, 언더컷 등의 용접비드 선단의 결함을 제거함과 동시에 형상 완화에 따른 국부적 응력집중을 피하는데 있다.
그림2는 토우그라인딩 방법으로서 버 그라인딩과 디스크 그라인딩 공정을 설명하였으며, 가공 후 용접 형상 변화에 대해 나타내었다. IIW에서는 그라인딩 깊이를 최소 0.5mm 이상으로 할 것을 추천하고 있으며, 최대 2mm 또는 모재 두께의 7% 이하로 가공할 것을 제안하고 있다.
한편 그림3은 강재의 종류 및 그라인딩 공정 적용에 따른 피로수명의 향상 정도를 나타내는 것으로, N>106의 고피로 수명영역에서 피로 향상에 특히 유리한 것으로 나타났으며, 2×106 사이클에서는 소재 및 적용 공정에 따라 최소 50에서 200%까지 피로수명이 향상되었다.
그러나 버 그라인딩의 경우 상대적으로 많은 시간이 소모될 뿐 아니라 소음 및 분진이 심하며 디스크 그라인딩의 경우 기량에 따라 효과 정도 편차가 심하다. 게다가 표면에 발생한 스크래치에 의해 또 다른 노치결함을 유발하기도 한다.



(2) TIG 드레싱
TIG 드레싱은 아크 열원을 사용하여 용접 토우부를 재용융시키는 공정으로서 토우그라인딩과 마찬가지로 선단의 결함을 제거함과 동시에 비드 선단과 모재사이 이음부를 매끄럽게 하는데 그 목적이 있다.
또한 TIG 드레싱은 용가재의 공급 없이 제살용접으로 진행하며, C-Mn강과 같이 고탄소 함량을 가진 소재의 경우 재용융으로 인한 템퍼링 및 열영향부 경도 향상 효과도 기대할 수 있다.
하지만 앞서 언급한 바와 같이 작업자의 기량과 작업 준비 조건, 입열량 및 기타 공정 변수 등에 매우 민감할 뿐만 아니라 비용 및 시간적인 측면에서 불리하다.
그림4는 드레싱 전후 필렛 용접부의 단면을 비교한 것으로 IIW에서는 텅스텐 전극봉의 조준 위치를 토우부에서 0.5~1.5mm 사이에 위치할 것을 제안하였다. 만약 선단과 너무 가까울 경우 또 다른 형태의 노치 또는 토우가 발생할 우려가 있다.
한편 그림5는 TIG 드레싱 적용에 따른 수명 향상 정도를 비교한 것으로 2×106사이클에서 약 50%정도의 상승효과가 나타났으며 전 주기영역에서 보다 우수한 결과를 확인할 수 있다.





(3) 해머피닝
압축잔류응력의 대표적인 유도방법인 해머피닝은 인장 잔류응력이 크게 작용하는 용접부 표면에 냉간가공으로 소성변형을 일으켜 압축응력을 발생시키는 방법이다.
분당 수천회의 가격을 가하여 용접비드 선단에 잔류응력을 발생시키는 효과는 물론 적절한 작업공정으로 비드 선단의 기하학적 형상도 개선할 수 있어 용접부 피로수명을 크게 연장할 수 있다.
그림6은 해머피닝 공정 및 이에 따른 토우부 단면 개선형상을 보여준다. 평균적으로 개선된 토우부의 반경은 1.5~2mm 사이이며, 압입 깊이는 0.05~0.6mm로 나타난다.
해머피닝 공정은 대략 4회의 공정 반복을 통하여 압흔 깊이가 0.5~0.6mm 정도 발생한 조건에서 최적의 향상효과가 발생한다고 알려져 있으며, 그림7과 같이 여러 용접후처리 방식과 비교하여 고주기피로 영역으로 갈수록 피로 향상효과가 가장 탁월하게 나타난다.

4. 제언
이상과 같이 본 기고에서는 2회에 걸쳐 용접부 피로수명 향상기법에 대해 용접부 설계 및 용접후처리기술 단계에서의 요구사항 및 향상기법에 대해 기술하였다.
용접 구조물의 궁극적인 안전성 확보를 위해서는 단순히 피로역학적 측면 뿐만 아니라 보다 종합적인 시각을 갖고 문제를 접근하는 것이 요구된다.

■ 참 고 문 헌
1. IIW Recommendations on Post Weld Improvement of Steel and Aluminum Structure, IIW Commission 12, 2001
2. K.J. Kirkhope et. al., Weld detail fatigue life improvement techniques. Part 1: review. Marine Structure 12, 447-474, (1999)
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