잔류응력의 영향, 잔류응력 해소법

 

1. 잔류응력 

 

1) 잔류응력의 정의

 용접, 불균일한 열처리 등에 의해, 가열 냉각이 불균일하여 생긴 열응력이 재료에 존재하는 응력
물체가 외력도 없이, 상온인데도 불구하고, 재료 내부에 잔존하고 있는 
응력을 잔류응력이라고 함. 용접부품, 주조ㆍ단조부품은 가공 과정에 있어서 잔류응력이 발생하는 일이 있다. 잔류응력을 지니고 있는 재료에 하중을 가하면 잔류응력이 하중에 대해서 증가 또는 감소하는 방향으로 작용한다

"좋은 설계는 잔류응력이 최소한 강도에 (-)의 효과를 만들지 않고 (+)의 효과를 만들기를 요구한다"

잔류응력이란?

 

 

2) 잔류응력의 영향 

용접시 발생하는 변형과 잔류응력은, 구조물의 치수가 틀어질 위험이 있고 변형이 있어 외력이 가해질시 생각 이상으로 큰 응력이 변형부에 집중해서 구조물이 약해질 수 있으며, 미관을 해침 

• 연성파괴가 발생할 수 있음
• 취성파괴가 발생할 수 있음 (특히 저온에서)
• 피로강도가 감소하여 피로파괴가 발생할 수 있음 (피로수명을 감소시킴)  
• 응력부식(SCC 등)이 생길 수 있음 
• 잔류응력이 있을때 마무리가공시, 응력의 평형이 깨지며 치수에 변형이 생길 수 있음 
• 교번하중을 받을 때 약해지느 경우가 있음
• 용접 중 균열이 발생할 수 있음 

잔류응력의 영향, HRD

 

3) 잔류응력 대책 (해소법) 

• 내부응력에 의한 것은 풀림처리를 함 
• 적합한 비드 배치법을 선정 
• 적합한 용접자세를 선정
• 예열, 후열처리 실시 
• 잔류응력 제거법
  • 노내 풀림법 : 가장 잘 이용, 전체를 가열로로 보낸 뒤 서냉시켜 응력제거풀림 (풀림처리임)
  • 국부 풀림법 : 가스 불꽃 등을 통해 국부적 처리 (현장용접이거나, 제품의 크기가 클때)
  • 저온응력완화법 : 용접선 양측 나비 150mm 정도를 가스 불꽃으로 가열
  • 기계적 응력 완화법 : 약간의 소성변형을 발생시켜 제거
  • 피닝법 : 용접부를 피닝 해머로 연속적으로 때려 소성변형

용접시 용접 작업이 불가능한 곳이나 곤란한 경우가 생기지 않도록 하고, 중심에 대하여 항상 대칭으로 용접을 하며, 수축이 큰 이음(맞대기 이음)등을 먼저 용접, 수축이 작은 이음은 나중에 용접. 

용착법은 전진법, 후퇴법,대칭법, 스킵법이 있음 
후퇴법은 용접 진행방향과 용착 방향이 서로 반대. 잔류응력은 적게 발생하나 능률이 떨어짐 

다층쌓기밥법은 덧살 올림법, 케스 케이드법, 전진블록법이 있음 
케스케이드는 계단식.. 케스케이드법과 전진블록법은 변형과 잔류 응력을 적게 하기 위해.. 부부넉 용접을 완료한 후 용접 전체를 마무리하는 방법임 

잔류응력이란..?

(1) 열처리 - 전경화

전경화는 표면에서 인장잔류응력을 발생시킴 
부품에 가해지는 하중이 표면에서 높은 인장응력을 발생시킨다면 (굽힘, 비틀림 등) 부가적인 잔류인장응력은 강도 측면에서 해가 되는 방향이고 이는 전경화가 바람직하지 않은 방향으로 작용한다

(2) 열처리 - 표면경화 

침탄, 질화, 화염경화, 고주파경화를 의미한다 
이런 처리는 표면에 압축잔류응력을 발생시키는데, 재료의 상변화와 관련있는 체적증가가 표면 근처에 위치하고 변화가 없는 심부는 압축으로 표면경화측을 당기고 있기 때문이다 
따라서, 이런 처리는 피로수명에 확실히 이로운 효과를 가져온다 

 

질화법 (Nitriding), 연질화법, 이온질화법, 가스질화법, 청화법, 액체질화법, 표면경화

침탄법 (Carburizing), 고체침탄법, 가스침탄법, 액체침탄법, 침탄 기구 (mechanism), 침탄로

고주파 경화법 (High Frequency Induction Hardening)

(3) 숏피닝 

숏피닝, 냉간성 형 둘 다 약간의 깊이까지 표면층의 인장항복을 수반하고, 인장항복은 그 부위에 있는 반대부호를 가진 잔류응력의 원인이 되고 응력을 받지 않은 재료가 항복된 재료를 원래 크기의 응력상태로 되돌아가도록 강제ㅔ한다 

피로하중에서 인장응력에 대한 보호를 시도하기 때문에, 압축잔류응력을 발생시키기 위해 인장에서 재료가 항복되기를 원한다 

숏피닝시, 강, 냉강주철, 유리, 세라믹 등으로 만든 숏이 부품 표면에 충격을 가하는데, 표면을 움푹 들어가게 하는 숏의 충격은 재료를 항복시키며 표면은 더 넓은 영역으로 팽팽하게 펴지며 (인장력이 가해지고) 표면 아래의 재료는 압축 잔류응력 상태로 뒤로 잡아당긴다. 

숏피닝은 기계톱날, 크랭크축, 커넥팅로드, 기어, 스프링 등에 폭넓게 사용되고 매우 큰 부품에는 해머피닝이 사용된다 
고강도 강들은 대부분 피닝으로 이득을 얻는데, 오랜 열처리로 인한 탈탄에 의해 거칠어지고 약해진 단조(열간)과 열간압연 표면에 특히 유익함 

크롬도금이나 니켈도금된 부품 또한 피닝에 의해 도금 전 피로강도 수준으로 회복이 가능하다. 도금 후 피닝시 원래 도금되지 않은 부품보다 높은 피로강도를 가져올 수 있다 

숏피닝 (Shot Peening), 숏블라스트, 샌드블라스트, 그리트 블라스트

(4) 냉간성형

축과 같은 회전체 표면, 압연 롤러 사이를 통과하느 평판표면, 구멍의 안쪽까지 적용 가능 
구멍 안쪽의 경우, 안지름을 늘리기 위해 원래의 구멍 보다 약간 큰 지름의 심봉에 힘을 가함으로써 냉간성형이 가능하며 압축잔류응력을 만들 수 있음 

과도한 압연은 중심에서 정적 인장강도르 초과함으로써 인장균열을 야기할 수 있고 이는 풀림처리로 극복할 수 있다 

(5) 기계적 예응력(Mechanical Prestressing)

자동차 지지 스프링 등, 사용중에 오직 한 방향으로 동적하중을 받는 부품에 대해, 예응력으로 잔류응력을 만들 수 있다. 
예응력은 사용하기 전, 사용하중과 같은 방향으로 부품에 과하중을 부가하는 것 

<판스프링 예시>

• 스프링을 조립단계에서 필요한 것보다 큰 윤곽으로 초기 모양을 잡음 
• 스플이을 사용상태 그대로 고정대 위에 놓고 스프링의 항복강도 이상으로 예하중을 가함 (변형됨)
• 하중이 제거되면 조립에 필요한 모양으로 변형됨 
• 그러나 탄성회복은 항복된 재료를 작용하중의 방향과 반대 방향인 잔류응력상태로 남아있게 됨 
• 해당 잔류응력은 사용 인장 하중에 대하여 부품을 보호하기 위해 작용됨 

 

4) 잔류응력에 대한 고찰 

피로파손은 인장응력 현상 → 압축응력은 피로강도에 유의미한 효과가 있다  (숏피닝은 압축잔류응력을 형성해준다)
압축잔류응력을 형성하기 위한 방법은 크게 1)열처리 2) 표면처리 3) 기계적 예응력처리가 있는데, 
대부분 표면에서는 2축 압축응력, 표면 아래에서는 3축 압축응력, 심부에서는 3축 인장응력을 발생시킴 
 ex. 노치에서의 순인장응력은 그 위치의 압축잔류응력이 증가함으로써 줄어든다 

표면에 압축응력을 형성시켜주면 심부에는 인장응력을 통해 힘의 평형을 이루고 있는데 (변형이 안되고 있는데) 위 처리가 과다하다면 증가된 심부 인장응력에 의해 파손이 발생할 수 있다. 

압축잔류응력은 고항복강도재료로 만들어진 부품에 매우 효과적 
(항복강도가 낮은 재료는, 사용중 작용응력으로 인한 항복이 발생시 잔류응력이 존재할 수 없다)

압축응력의 실질적인 수준은 재료의 항복강도의 절반정도까지 얻을 수 있음 (압축응력 발생깊이는 약 1mm 수준) 
숏피닝 층 아래의 깊이까지 얇은 츠을 잘라내면 절단층은 스프링처럼 말리고 말린랴은 잔류응력의 측정치가 될 것이다 

부품이 사용 중 압축이 걸리는 윗표면이 항복할 정도까지 역방향 하중이 걸리면, 이는 이로운 압축응력을 감소시켜 부품의 수명을 손상시킴 (이런 방법은 단일 방향성 부품에서 좀 더 효과적임) 

 

실드금속아크용접 (SMAW; Shielded Metal Arc Welding), 피복아크용접, 탄소아크용접

 

불활성가스아크용접 (금속, MIG, GMAW 텅스텐, TIG, GTAW), 불활성가스아크용접 이론

 

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[용접 분야] 용접의 적용과 장단점