용접변형 (Welding Distortion)

한 줄 정의: 용접시 발생하는 국부적인 열팽창과 냉각 수축의 불균일성으로 인해 구조물에 잔류변형이 발생하는 현상이다.

쉽게 풀면

용접할 때 뜨거웠다 식었다 하면서 철판이 비뚤어지는 현상이다.

왜 중요한가

용접변형은 블록 치수 오차의 주된 원인이므로 정도관리의 예측 대상이자 탑재 시 재작업의 원인이며, 판 두께가 얇은 여객선과 거주구에서는 외판의 굴곡이 도장 품질과 외관 문제로 직결됩니다. 실무에서는 용접 순서와 구속 지그, 역변형 부여로 변형을 상쇄하고, 남은 변형은 선상가열로 교정하는데 이 교정 공수가 건조 원가에서 무시할 수 없는 비중을 차지합니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

용접변형은 각변형, 종수축, 횡수축 등으로 구분되며, 용접순서 최적화와 예변형 부여, 구속지그 사용을 통해 저감할 수 있다.

대형 판넬 용접시 용접순서를 대칭적으로 배치하여 각변형을 최소화한다.

한 연구는 용접 순서와 구속 조건을 달리했을 때 용접변형의 크기가 어떻게 달라지는지 실험으로 비교하였다.

이는 용접변형이 국부적인 가열과 냉각에 따른 불균일한 열팽창과 수축에서 비롯되며, 용접 순서 조정으로 저감할 수 있음을 보여준다.

조금 더 깊게 보면

용접변형은 열이 국부적으로 들어가 팽창했다가 식으며 수축하는 과정에서 생기는 소성변형이므로 용접 입열량과 구속 정도에 따라 종수축, 횡수축, 각변형, 좌굴변형 등 서로 다른 양상이 나타나며, 하나를 줄이는 조치가 다른 것을 키우기도 합니다. 구속을 강하게 하면 변형은 줄지만 잔류응력이 커져 피로강도와 좌굴 강도에 영향을 주므로 변형과 잔류응력은 한 쌍으로 다뤄야 합니다. 얇은 판의 좌굴변형은 압축 잔류응력이 임계값을 넘을 때 갑자기 나타나므로 변형량이 입열량에 비례하지 않는 점에서 다른 변형과 다릅니다. 얇은 판의 좌굴변형은 압축 잔류응력이 임계값을 넘을 때 갑자기 나타나므로 변형량이 입열량에 단순 비례하지 않는다는 점에서 다른 변형 형태와 구별된다. 얇은 판 구조에서는 각변형과 좌굴변형이 동시에 나타날 수 있어, 하나의 변형만 관리하면 다른 변형이 뒤늦게 발견되는 경우가 있다.

주의할 점

용접변형을 사후에 화염교정으로 수정할 경우 과도한 열영향으로 재질특성이 저하될 수 있어 열관리가 필요하다. 용접변형을 사후에 화염교정으로 수정할 경우 과도한 열영향으로 재질특성이 저하될 수 있어 열관리가 필요하다. 구속을 지나치게 강하게 걸어 변형을 억제하면 용접부 주변에 잔류응력이 항복강도에 가까운 수준까지 쌓일 수 있어, 변형 저감과 잔류응력 관리 사이의 균형을 찾는 것이 실무의 핵심 과제이다.