정진성님의 글
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이진희 기술사님의 기술자료가 많은 도움이 되었습니다.

저는 용접잔류응력에 대해 관심을 가지고 있습니다.
기술자료의 내용을 검토하는 중에 실무와 비숫한 내용인 것 같아 질문 올립니다.
첨부한 X-GROOVE에서 하면을 먼저 용접하고 난 후 다시 상면을 용접했을 경우 상면과 하면의 잔류응력의 크기가 다를 것이라고 판단되는 데 상면과 하면의 잔류응력중 어느면의 잔류응력이 더 크게 작용할른지요 ?
그리고 잔류응력의 크기차이는 어느정도인지요 ?

실무에서는 PIPE에 용접한 경우인데 상면은 대체적으로 압축 반복응력을 받고
하면은 인장반복응력을 받고있는 경우 즉,상하 방향의 굽힘 MOMENT가 받고 있는 경우로 반경방향으로 원주 용접을 할 경우입니다.
용접시 하면을 먼저 용접하고 상면을 나중에 용접한다면 피로수명에 어떠한 영향을 미칠른지요 ?
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잔류응력의 크기 및 방향이 피로 수명에 영향을 주는 것은 틀림없지만 이것을 평가하는것은 너무나 어려운 분야이며 많은 논문에서 이러한 주제를 가지고 접근하지만 결론적으로 산업현장에서 설계에 반영하는 실질적인 방법은 없습니다.

피로라는 현상이 재료와 형상, 그리고 외부 응력의 크기 형태 등 너무 많은 변수에 영향을 받기 때문에 내부 결함까지 포함하는 용접부에 대한 피로를 규정하는 것은 현실적으로 어렵습니다.

그래서 용접구조물의 표준으로 유일하게 있는 영국의 BS7608의 규정을 보면 용접부와 응력의 여러가지 조합을 정의하고 각각에 대한 Stess-Life 곡선을 제시하였습니다.

응력은 인장/압축을 고려하지 않고 오직 응력폭만으로 규정하였습니다. 즉 평균응력 및 진폭이라는 개념을 사용하지 않고 오로지 용접부에 작용하는 최대/최소 응력의 차이만을 고려하였습니다.

처음 접하면 이해가 가지 않지만 용접부의 특성을 이해하면 쉽게 그 배경을 짐작할 수 있습니다.

용접후 용접부의 잔류응력을 Hole-drilling Method로 측정해보면 거의 재료의 항복강도와 동일한 수준의 잔류응력이 형성되어 있습니다.

용접부에 급격한 가열/냉각 과정에서 형성된 것이며 용접부 주변으로 심한 구배를 갖고 있습니다.

하지만 이러한 응력은 외력에 의해 변형이 발생하면 잔류응력이 완화되고 (진동을 이요한 잔류응력제거방법과 동일한 원리) 초기 잔류응력과는 상이한 잔류응력 패턴이 형성됩니다.

이는 외부 하중의 크기와 방향에 따라 달라 지기 때문에 정확히 규정하는 것은 현실적으로 어렵습니다.

이러한 배경으로 규격에서는 응력범위만을 가지고 피로 평가를 하게되며 규정에 의거하여 설계를 한다면 피로 균열은 심각한 내부 결함이 있지 않고는 피로 균열이 발생하지 않을 정도로 보수적(Conservative)으로 되어 있습니다.

물론 압축반복응력만 받는다면 고려 대상이 아니지만 인장/압축을 연속적으로 받는 부품이라면 결과는 거의 유사하며 균열이 발생되는 부분은 결함(용접시작부,끝부, 용입불량, 융합불량 등)이 있는 곳이 거의 대부분입니다.

결론적으로 용접부에 작용하는 응력을 계산하여 규정치 이하가 되도록 하는 것이 중요합니다.

감사합니다.