진동에 의한 잔류응력 제거 기술

개 요

용접 후 냉각동안 금속은 그들의 결정구조에서 국부적인 응력편중 현상이 발생된다.이는 금속의 강도를 저하시키고 파괴와 비틀림을 초래한다. 지금까지의 주된 용접부 잔류응력 제거방법은 열처리에 의한 것으로 이루어졌었다. 하지만 이에는 많은 시간과 비용을 필요로 하고 처리후의 표면은 고온산화에 의해 변색되어지게 된다. 최근 주목을 받고 있는 진동에 의한 잔류응력 제거는 이러한 면에서 열처리에 비해 월등한 효과를 발휘한다.
Sub-harmonic vibration을 이용한 응력제거는 제품에 존재하는 고유(Harmonic) 주파수를 측정하고 이Harmonic 주파수 이하의 특정 주파수(Sub-harmonic)를 처리될 소재에 가함으로써 응력 제거가 진행될 수 있도록 한다는 원리이다. 이러한 기술은 1970년대부터 개발되어 왔으며, 현재 많은 업체에서 이를 이용한 장비가 제작되고 있으며 실제로 산업 현장에서 사용 중에 있다. 이는 작업의 편리성과 비용과 시간의 절감 및 다양한 적용성에 기인한 것이다. 실제로 상업화된 진동에 의한 응력제거 들은 현대 산업에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 제관 및 기계가공의 공정이 주를 차지하는 중공업 및 금형 가공, 보수 부문에 적용하여 결함이 없고 품질이 우수한 제품을 생산하여 회사의 기술력 증대, 생산성 향상 및 제품의 대외 신뢰도 제고 등에 크게 이바지할 수 있을 것으로 사료된다.

1. 서론
일반적으로 금속의 가공이나 용접 등의 작업을 수행할 때 소재 내부에는 열적 변화가 발생한다. 금속내의 열응력은 이러한 온도 구배에 의해 야기되어 진다. 이는 소재의 비틀림이나 균열을 초래 시키며 응력완화는 이러한 현상을 감소시키려는 것이다. 종래에는 이러한 금속부에 발생된 응력을 완화시키기 위해서는 대부분 열에 의한 완화(즉, 열처리), 표면 Shooting (가공경화), 폭발에 의한 방법 등을 이용해 왔다. 그러나 최근 제품의 대형화, 형상의 다양화, 공정의 복잡화 등에 의해 최종 제품 완성 전의 제조 단계에서도 응력완화가 필요한 경우가 많고, 특히 국부적인 부분에 덧대기 용접 또는 조립 후 보수용접의 경우, 용접 후 전체 제품을 다시 열처리 하는 데는 많은 경비와 시간을 소모해야 하므로 비경제적이며, 제품에 따라서는 열처리가 곤란한 형상의 것도 있을 수 있다(표면 산화 등). 하지만 이러한 응력 불균형 부분에서 특히 균열 및 비틀림이 많이 발생되기 때문에 사용단계에서 상대적으로 취약하여 제품의 수명을 단축 시키게 된다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 열처리에 의하지 않고도 이에 상응하는 새로운 방법의 응력제거 기술이 도입 되어야 한다. 이러한 요구에 의해 개발된 방법들로는 Shen, W 등[1]이 40mm 두께의 Butt 용접된 Plate와 10mm 두께의 Boiler에 대해 폭발에 의한 용접부 잔류응력 제거를 한 사례가 있으며, 그 결과로 열처리에 의한 응력제거 효율 이상의 효과를 얻을 수 있었다고 보고하고 있다. 하지만 이경우 제품의 형상과 크기에 따라 많은 조업 변수가 있기 때문에 특정 형상 제품을 다량생산 시에는 유효 하겠지만 금형과 같이 여러 종류의 재질과 형상을 가진 제품에 대해서는 적용하기가 다소 부적합하게 생각된다. 또한 폭발시 안전사고의 위험성 때문에 중량물을 안전한 구역으로 이동시켜 작업 하여야 하는 불편과 적당하지 많은 양을 사용하였을 경우 파손 및 M/H 손실 등이 예상되는 단점이 있다.
따라서 제품의 공정 특성 및 생산 제품에 적절히 부합되며, 열에 의하지 않고도 금속 소재의 잔류응력을 비파괴적인 방법으로 효과적으로 제거할 수 있는 최근의 기술을 소개하여 보다 경쟁력 있는 제품을 생산할 수 있으리라 판단되어 준비된 내용이다. 본 보고서에서 소개 하고자 하는 비파괴적인 응력제거 방법은 소재에 특정 주파수를 가진 진동에너지를 가함으로써 잔류응력을 보다 효과적으로 제거함은 물론 재료 표면에 어떠한 손상도 입히지 않으면서 시간 절약과 작업성을 향상 시킬 수 있다는 진동에 의한 잔류응력 제거 기술에 대해 조사된 내용이다.

2. 본론
2.1. 원리
열적으로 충격 또는 영향을 받은 금속부는 열응력이 발생되고 외력에 의한 충격으로 인해서도 발생되며 이는 에너지의 편중 현상이라 볼 수 있다. 본 장에 소개 하고자 하는 소재내에 편중한 잔류응력 완화의 원리는 진동에 의한 기계적인 에너지를 금속 소재에 가함으로써 이러한 편중 현상을 비파괴적으로 해소 시키는 효과를 얻으려는 것이다. 외부로부터 유입된 에너지는 그 수중(강도)에 따라서 금속 소재에 각각의 다른 영향들을 미친다. 열 대신 가해진 진동의 적절한 강도의 에너지는 응력완화를 가능케 한다. 모든 금속 부품은 외부로 부터 에너지를 받게 되면 (직선 파형이 종모양의 곡선 파형으로 바뀌는 현상) 이에 대해 Harmonic(고유 또는 조화)과 Non-harmonic(부조화)적인 응답을 한다. 이때 금속 부품의 변위 진폭은 유입된 진동주파수의 함수이다.
진동 주파수가 증가 되면서 금속은 내부의 충돌에 의해 유입된 에너지가 분산되어 낮은 진폭을 초래한다. 이렇게 금속에 의해 분산된 에너지의 양이 금속 내부의 응력완화를 위한 잠재력이 된다. 최적의 진동응력제거 주파수인 Hamonic 곡선의 시작부와 그 부근 영역(Sub-Harmonic구역)의 주파수에 도달하게 되면 분산되는 에너지는 최대가 될 것이다. 이 Sub-harmonic 범위를 벗어나게 되면 (Harmonic 영역에 들어서면) 금속 부품은 유입된 에너지를 분산시키지 않고, 격렬한 반응(더 높은 진폭)으로 응답하게 되는데, 이는 흔히 볼 수 있는 떨림과 큰 소음을 내는 현상이 발생된다. Harmonic 범위를 넘어선 범위에서는 금속은 유입된 에너지를 분산시키는 능력이 다시 회복되며 낮은 진폭을 유발시킨다.
만일 금속이 열에 의해 유래된 응력을 가지고 있다면 Harmonic 곡선은 응력이 없는 상태에서 나타내는 고유 주파수와 비교하여 다른 상을 보이게 될 것이다. 여기에 진동응력이완처리를 하게 되면 초기 Harmonic 곡선은 이동하게 되고, 금속의 고유 주파수인 새로운 위치에서 안정화될 것이다.
즉, Sub-harmonic Vibration 응력 제거는 금속부분에 존재하는 Harmonic 주파수를 측정하고, 이 Harmonic 주파수 이하의 특정 주파수(Sub-harmonic)로 소재를 진동시켜 응력제거가 진행될 수 있도록 한 것이다. 이러한 기술은 미국의 NASA, U.S. Department of Energy 및 California University 등에서 자체적으로 성능 시험을 거쳐 사용되어 왔으며, 이미 상업화 되어 많은 업체에서 제작되어 시중에 판매중인 제품도 여러 가지 이다. 주로 사용되어지는 곳은 용접 및 기계가공 분야이며, 특히 Die 가공 및 생산업체에서는 필수적으로 사용되고 있으며, 국내에서도 삼성전관, LG 전자 등에서 브라운관용 금형의 보수 및 가공시에 사용되고 있는 것으로 조사되었다.

장비의 기본 작동은 먼저 소재에 진동을 가하여 소재가 가진 고유 Harmonic 주파수를 찾아내고 이에 대해 컴퓨터에 의한 자동 계산으로 찾아낸 Sub- harmonic 주파수로 다시 소재에 진동을 가함으로써 잔류응력을 제거하는 공정으로 이루어진다. 일반적으로 처리시간은 약 0분 정도이며 이는 열처리에 비해 많은 시간과 경비를 절감할 수 있으며 처리 제품의 이동이나 대기가 필요없게 된다. 다음의 그림은 진동에 의해 잔류응력이 진행되는 과정을 도식적으로 나타낸 그래프이다.









































Fig. 진동에 의한 응력제거 원리


2.2. 효과
C. Bouhelier 등[2]은 잔류응력 제거를 위해 사용된 방법들의 효과를 비교하기 위해 용접된 감속 기어박스 Casing (1200kg) 2개를 이용하여 열 및 진동에 의한 잔류응력 제거 처리를 동시에 실시 하여 비교했었다. 그 결과를 X-선 응력 측정기로 조사한 결과 열에 의한 경우 약 70~100%의 잔류 응력 감소 효과를 얻은 반면에 진동에 의한 기계적인 방법으로는 45~100%의 인장응력에 대한 제거 효과가 있었다고 보고하고 있다. 한 편 후지인 경우 압축응력에 대해서는 단지 0~45%만이 응력 제거 효과가 있었다고 한다.
중국의 Liu, G.K[3]는 중량물에 대한 진동응력제거에 관한 연구결과 약 75%의 응력제거 효과를 보았다고 하였으며, Cr-Ni강에 대한 Static과 35Hz 및 10Hz의 불균일Cyclic Loading을 가하였을 때에 대한 Vlasenko, V. L. [4]의 연구에 의하면 작업 테크닉에 따라 응력 제거 효과가 좌우된다고 하였다. 한편 내식성 martensitic Steel 에 대한 온도와 처리 시간을 변화시키면서 열처리와 초음파 진동에 의한 응력제거효과를 비교한 결과 오히려 후자가 더 효과적인 응력제거가 이루어졌다는 보고도 있다[5]. 폴란드에서 구조용 탄소강이나 내식강 등의 압력용기 제작시 진동에 의한 응력제거 처리를 한 결과 90%의 시간과 에너지 절감 및 고효율적인 응력제거를 이룰 수 있었다고 하고, 추가적인 열처리 없이도 사용 중에 우수한 내구성을 얻을 수 있었다는 사례도 있다[6].

2.3. 용도
2.3.1. 기 실용화된 금속 소재
n 열간 압연된 저탄소강류 : AISI 1018, 1020, A36, 4620, 86720
n 중탄소강 : 1045, 1060, 4140, 4340, H13, P20
n 공구강 : A2, D2, M1, M2, M3, M4, S7, HY80, HY100
n 알루미늄 : 356, 2000, 5000, 6000
n 스테인레스강 : 304, 316, 410, 416
n 주철 : Gray, Nodular, Meehanite
n 기타 금속 : 금, Ti, Mg, Inconel, Monel, Bronze, Waspalloy, Stellite

2.3.2. 주요 적용 효과
n 용접에 의한 열응력 제거 : 용접에 의해 발생되는 열응력을 효과적으로 제거 시킨다.
n 피로 수명 연장(50%) : 엔진, 펌프 등은 작은 응력의 반복적인 부하로 인해 피로 균열을 발생 시킬 수 있는데 이들의 발생 및 전파되는 것을 방지시킬 수 있다. 특히 고속 추진 선박의 저판이나 경기용 차량의 고속 회전시 재료가 받을 수 있는 피로에 대해 효과적인 감소가 있다고 보고되고 있다.
n 용접성 향상 및 기공 발생 억제 : 진동은 용융 금속에 대한 미세 교반 효과를 줄 수 있으므로 용접동안 가해진 진동은 용접 효율을 증대 시키고, 미충진 기공의 발생을 감소 시킨다. 미세한 진동이 가해지는 상태에서 용접을 실시하게 되면 용접 금속이 접합부에 쉽게 침투되어 용접 Pool에서의 기공 발생율을 저하 시킨다.
n 기계 가공후의 잔류응력 제거 : 밀링이나 선반 가공 또는 금형가공시 발생되는 열응력이나 잔류응력을 효과적을 표면 손상없이 제거할 수 있다.
n 용접에 의한 비틀림 억제 : 정밀 구조물 조립 용접시 구조물의 비틀림이 발생된다. 이는 최종 단계의 제품의 결함을 곤란하게 하고 전체 구조물의 성능을 저하 시킨다. 하지만 이를 방지하기 위해 용접 직후 계속 열처리하기는 곤란하다. 따라서 전체 구조물을 용접 후에 응력제거 열처리 하지만 시간 경과에 따른 구조물의 비틀림 발생을 방지하기는 어렵다. 이에 진동잔류응력 제거기술을 도입하면 용접간에도 언제든지 응력제거가 가능해 진다.
n 용접 균열 방지(55%) : 용접 후 냉각과정동안 발생된 열응력의 편중을 신속히 이완시킴으로써 발생될 수 있는 용접 균열을 방지할 수 있다. 즉 용접 재열 균열 등은 용접 후에 열영향부에 수소의 확산이나 불순원소의 편석 및 조대결정립 구역의 경화와 취약화에 따라 균열을 발생시키기도 한다. 특히 오스테나이트계 스테인레스강은 후열처리 동안에 열영향부가 재가열됨에 따라 불순상(s상)의 석출, 475oC취성, 탄화물석출 등으로 인한 균열 위험이 있다.
n 정밀 가공시 비틀림 방지 (75%) : 금형 공구강 등은 정밀 가공되어 지므로 치수 변화가 최저화 되도록 하는 것은 필수적이다.
n Die수명 연장(50~500%) : Die는 사용중 급가열과 급냉각이 연속되어 반복적으로 일어나므로 표면부에는 쉽게 파괴 또는 손상을 받게 된다. 또한 기계가공 후 냉간가공에 의한 비틀림이 진행되므로 신속한 응력제거가 필요하다. 하지만 열처리 등 후속 공정은 표면 산화 등의 재료 손상을 야기 시킬 수 있다.
n 기계가공 시간의 단축(41%) : 미세 진동으로 인한 기계 가공 절삭성을 향상 시킨다.
n Al Plate 등의 용접시 건조를 위한 예열이 불필요 : Al의 용접시에는 예열이 필수적이다. 이는 Al이 산소와의 친화력이 강하기 때문에 쉽게 표면에 오염되어 수분 발생 등으로 인한 용접 불량을 야기 시키기 때문이다. 하지만 진동에 의한 전처리 후, Al 판재의 용접은 별도의 가열 없이도 용접 후에 결함을 야기 시키지 않는다.
n 응력부식균열(SCC) 발생률 저하 : 잔류응력이 존재하는 부위가 어떤 부식 환경에 노출되면 잔류응력이 없는 경우보다 쉽게 파괴가 발생된다. 따라서 잔류응력을 제거하여 응력부식파괴의 발생을 줄일 수 있다.
n 표면 산화 방지 : 열처리 후의 금속 표면은 고온에 의한 산화로 제품 표면이 거칠고, 산화 스케일이 발생되며 재가공을 필요로 한다. 하지만 진동에 의한 응력제거는 이러한 제품의 표면 손상이 전혀 발생치 않는다.

2.3.3. 용접 후열처리(PWHT)와 진동에 의한 처리의 비교
PWHT의 주목적은 재질의 안정성 개선에 더 큰 목적이 있으며 부수적으로 잔류응력을 감소 시키는 작업이다. 따라서 잔류응력의 제거 외에 수소 방출, 조직연화, 기계적 또는 금상학적 개선 등 여러 가지 목적을 가지고 PWHT를 실시하기 때문에 그 열처리 조건 설정은 복잡한 함수로 이루어 진다. 따라서 순수한 잔류응력 제거만을 목적으로 실시하는 진동이나, 폭발, Shot Peening 등에 의한 잔류응력 제거 방법과 직접적으로 그 효과를 비교하기에는 무리가 있다. 하지만 PWHT를 할 수 없거나 곤란한 제품 또는 기계적 성질의 개선이 필요하지 않는 제품에 대해서는 잔류응력 제거를 위한 다른 방법들을 이용할 수 있다. 다만 열처리 후에의 해 얻을 수 있는 복합적인 효과를 단순한 잔류응력제거처리(진동, 폭발, Peening등)으로 완전히 대체하기는 어렵다.

2.4. 실용성
많은 부품이 결합(용접)되어 한 기능을 발휘할 수 있도록 제작되어지는 제품에 대해서 부분적인 열처리만 가능할 뿐 전체 열처리는 힘들다. 또한 Fin tube등은 잠열이 발생하기 때문에 부위별 온도조절이 용이하지 않으며, 표면의 고온산화 방지가 필수적인 제품에 대해서는 열처리후 표면 재가공이나 피닝등의 후처리를 하여야 하기 때문에 시간 및 M/H손실이 과다하게 요구된다. 앞에서 살펴본 바와 같이 진도에 의한 잔류응력제거기술은 이러한 관점에서 볼 때 제품에 유익한 기술로 예상되어 진다. 하지만 진동에 의한 처리기술은 재료의 종류와 사용처에 따라 금형강등에서와 같이 탁월한 효과를 발휘할 수 있는 반면에 그렇지 못한 경우도 있다. 따라서 재료의 선택 및 그 효과에 대한 연구가 뒷받침되어야 할 것이다. 더욱이 규격에 의해 결정된 작업 방법에 따라 작업이 행해져야 할 제품에 대해서는 전적으로 진동응력제거 기술을 적용할 수 없겠지만 최종제품을 제작하고 난 후에 추가적으로 진동응력제거를 해 줌으로서 Flange접합부등에 잔류하는 국부 잔류응력을 제거하여 당사의 제품 수명을 연장시킬 수 있을 것이다. 또한 후열처리가 불가능한 특정 손상부위의 보수 용접 후에도 잔류응력을 완화시킬 수 있는 도구로써도 활용가치가 있다.

2.5 적용가능성 검토
기존에 제작된 진동응력제거기들의 가격이 2~3천만원대로 그 효과에 비해 저럼하고 Operation이 수월하며 제품의 크기나 형상에 크게 영향을 받지 않으므로 이러한 제품의 사용에는 거의 어려움이 없다. 또한 그 효과는 전자에 조사된 바와 같이 탁월한 성능을 발휘할 수 있으면서도 재료의 물리적 성능을 저하시킨다는 사례는 아직까지 입증된 바가 없다. 따라서 현업에 직접 추가 적용함으로써 제품의 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라 작업성을 보다 효율적으로 개선시킬 수 있는 가능성이 충분하다. 하지만 제품들은 각종 규격 또는 작업지시서에 입각한 열처리 및 제조공정으로 만들어지고 있는 것들도 있다. 특히 원자력 또는 화력발전소의 설비와 관련된 제품들은 안전과 직접적인 관계가 있으므로 설계 또는 발주처의 승인이 없이는 어떠한 공정의 변경이 어렵기 때문에 현재 실시하고 있는 열처리에 의한 잔류응력 제거 방법을 진동에 의한 잔류응력 제거로 완전히 대체하여 적용시킬 수는 없을 것이다. 하지만 기계가공, 용접 및 보수공정등에 부분적으로 적용, 확대시킴으로써 제작 중 균열방지, 후속공정에서의 작업성 개선, 국부적인 용접부의 응력제거, 제작 중 비틀림 방지 및 절삭성향상등을 이룰 수 있다. 또한 사용 중에 발생될 수 있는 지체 파괴 현상, 응력부식균열 발생 감소 및 사용수명의 연장등에 의한 당사제품의 신뢰도는 더 한층 증대 시킬 수 있을 것이다. 하지만 국내에서는 아직 실제 사용 경험이 많이 없고, 제품에 대한 적용성을 완벽하게 평가하지 못했기 때문에 제품에 따른 사용상의 문제점이나 신뢰도를 확인하지 못한 상태이다. 따라서 세부적인 자료조사와 함께 기술개발에 의한 실증시험을 병행하여 현재 수행하는 방법과 비교 검토함으로써 생산성을 높이는 연구가 필요한 것으로 판단된다. 현재 잔류응력의 측정은 X-ray 잔류응력 측정기(日 RIGAKU社)와 strain gauge에 의한 Hole Drilling Method의 2가지 방법으로 주로 수행되고 있지만, 두 방법 모두 표면부의 잔류응력 측정에는 적합하지만 소재 내부를 측정한 경우에는 결과의 신뢰도가 다소 떨어진다(15~20%). 세계적으로도 정확한 잔류응력의 측정기술이 발전되지 못하고 있는 실정이라 여기에 대한 연구도 시급하다. 진동에 의한 잔류응력의 제거기술 개발과 병행하여 잔류응력의 측정 System개발을 동시에 실시하면 보다 진보된 연구결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 다음 장에는 현재 사용되어 지고 있는 잔류응력 측정에 관한 기술들을 간략히 소개한다.

3. 잔류응력 측정법
잔류응력의 절대값은 완전하게 측정할 수 없고, 일반적으로 상대적인 값만을 찾는다. 측정법에는 파괴법과 비파괴법이 있으며, 용접 조인트에는 미세조직이 불연속적으로 변화하고 있으므로 고도의 측정기술이 요구되는 경우가 많으므로 파괴적인 방법의 하나인 이완법이 일반적으로 널리 사용된다.

3.1. X-선 회절법
X-선을 금속결정에 투사하면 회절한다. 회절되는 X-선은 파장l, 격자면간 거리 d 및 각도 q에 의하여 위상차를 일으키고 위상차에 의하여 X-선 감광판에 회절선으로 나타난다. 격자면간 거리는 잔류응력에 따라 변하기 때문에 회절선의 변화를 조사함으로써 잔류응력의 계측이 가능하게 된다.

3.2. 응력이완법
잔류응력을 이완시켜 스트레인을 측정함으로써 잔류응력을 계측한다.
1) Gunner법 : Extensometer를 위한 표점표시를 한 후에 표점주위에 원형의 홈을 파서 잔류응력을 이완시킨다.
2) Sectioning Method : 용접된 H-형강처럼 용접변형이 발생한 부위에서 잔류응력을 계측하는데 사용되는 방법으로 정해진 규격에 따른 절단에 의해 잔류응력이 이완시킴으로서 그 스트레인을 측정한다.
3) Hole Drilling Method (HDM) : 이 방법은 Mather에 의해 창안되었고, 그 이후 많은 개선이 있어왔다. 2차원응력상태에 있는 부재(얇은 구조 부재)에 구멍을 뚫으면 응력의 재분포가 일어나며 이때 스트레인을 계측함으로서 잔류응력의 계측이 가능하다.

3.3. 초음파 측정법
금속매질속에서 음파의 속도는 인장 및 압축응력에 따른 밀도의 변화에 의해 변하다. 따라서 응력(잔류응력) 존재할 때와 존재하지 않을 때의 속도의 변화를 계측함으로써 잔류응력의 측정이 가능하게 된다.

3.4. 자기적 측정법
강자성체 재질에 적용하는 방법으로, 강자성체는 Magnetic Domain이라 불리는 10-9cm3정도의 자석으로 되어있다. 자속밀도 B하에서는 강자성체는 자화되며 자화의 세기 H는 응력상태나 합금원소에 따라 달라진다. B와 H를 비교함으로서 자기적인 잔류응력 측정이 이루어 진다.

3.5. Magnetomechanical Acoustic Method (MAE)
물체가 응력을 받으면 에너지를 방출시킨다. 특히 에너지의 형태가 음파이기 대문에 Acoustic Emission(A. E)라 불리어 진다. 강자성체가 자화되는 과정에서Magnetic Domain이 성장할 때 Acoustic Emission이 발생한다는 사실이 최근에 밝혀 졌다. 철과 같은 강자성체에 하중을 가할 때 A. E가 발생되며, 이때 발생하는 Acoustic Signal은 응력상태에 따라 달라지기 때문에 A. E Signal을 증폭시켜 해석함으로써 잔류응력을 측정할 수 있다.

3.6. 경도측정에 의한 잔류응력 측정법
Cantilevaers등에 하중을 가하여 인장과 압축력을 보에 발생시킨 후에 경도를 측정하면 인장응력 하에서는 경도가 낮아지고 압축응력 하에서는 경도가 높아진다. 이러한 원리를 이용하여 용접부등에 자주 이용되고 있다.

3.7. 수소유기균열 측정법
고장력강이나 일부 합금강은 수소분위기에서 잔류응력의 존재하에 균열을 일으킨다. 따라서 이 방법은 수소에 기인하는 균열에 민감한 재질의 잔류응력을 정성적으로 계측하는데 주로 이용된다. 시편을 전해질에 넣고 전해질속의 수소를 시편이 흡수함으로써 균열을 유도하여 계측한다.

3.8. 취성재료 도포법
취성재료를 잔류응력이 존재하는 부위에 도포한 후 구멍을 뚫는 방법으로 잔류응력을 이완시키면 취성재료에 균열이 발생하게 된다. 발생된 균열의 크기, 밀도, 방향 등을 관찰하여 잔류응력의 분포를 정성적으로 알 수 있다.


4. 결론
제품 성능의 극대화와 작업 공정의 효율화를 위해 검토된 진동에 의한 잔류응력제거 기술에 대한 조사 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 진동에 의해 비파괴적 방법으로 재료에 존재하는 잔류응력을 제거할 수 있으며, 제품의 성능 극대화 및 수명 연장을 기대할 수 있다. 여기에는 기계가공, 용접 및 보수공정 등에 부분적으로 적용 확대시킴으로써 제작중 또는 사용 중에 야기될 수 있는 균열 및 비틀림 방지, 절삭성 향상 그리고 작업성 개선 및 국부 잔류응력 제거 등이 있다.
2) 진동에 의한 처리는 금형강을 비롯한 대부분의 철강 및 비철 소재에 적용이 가능하다.
3) 진동에 의한 잔류응력 제거의 적용은 제품의 종류 및 형상, 작업조건 및 용도에 따라서 그 적용 범위를 적절하게 조화시켜 사용하여야 한다.
4) 열처리가 금상학적인 사유(미세조직, 경도 등)로 규정되어 사용되어지는 경우에는 진동에 의한 잔류응력 제거법의 대체 적용이 곤란하다.
5) 용접후열처리를 할 수 없는 형상이나 크기를 가진 용접제품에 진동잔류응력 완화를 시킴으로써 용접으로 인한 제품의 성능저하를 완화시킬 수 있다.
6) 진동에 의한 잔류응력 효과와 기존의 열처리에 의한 응력제거 효과를 비교 검토하는 기술 개발의 필요성이 있으며 이를 위해서는 전체 비교 방법에 대한 조건 선정도 반영되어야 한다.

2-5 실용성
당사와 같이 많은 부품이 결합되어 한 기능을 발휘할 수 있도록 제작되어지는 ㅔㅈ품에 대해서 부분적인 열처리만 가능할 뿐 전체 열처리는 힘들다. 또한 Fin tube등은 잠열이 발생하기 때문에 부위별 온도조절이 용이하지 않으며, 표면의 고온산화 방지가 필수적인 제품에 대해서는 열처리후 표면 재가공이나 피닝등의 후처리를 하여야 하기 때문에 시간 및 M/H손실이 과다하게 요구된다. 앞에서 살펴본 바와 같이 진도에 의한 잔류응력제거기술은 이러한 관점에서 볼 때 제품에 유익한 기술로 예상되어 진다. 하지만 진공에 의한 처리기술은 재료의 종류와 사용처에 따라 금형강등에서와 같이 탁월한 효과를 발휘할 수 있는 반면에 그렇지 못한 경우도 있다. 따라서 재료의 선택 및 그 효과에 대한 연구가 뒷받침되어야 할 것이다. 더욱이 규격에 의해 결정된 작업 방법에 따라 작업이 행해져야 할 제품에 대해서는 전적으로 진동응력제거 기술을 적용할 수 없겠지만 최종제품을 제작하고 난 후에 추가적으로 진동응력제거를 해 줌으로서 Flange접합부등에 잔류하는 국부 잔류응력을 제거하여 당사의 제품 수명을 연장시킬 수 있을 것이다. 또한 후열처리가 불가능한 특정 손상부위의 보수 용접후에도 잔류응력을 완화시킬 수 있는 도구로써도 활용가치가 있다.

2-6 당사 적용가능성 검토
기존에 제작된 진동응력제거기들의 가격이 2~3천만원대로 그 효과에 비해 저럼하고 Operation이 수월하며 제품의 크기나 형상에 크게 영향을 받지 않으므로 이러한 제품의 사용에는 거의 어려움이 없다. 또한 그 효과는 전자에 조사된 바와 같이 탁월한 성능을 발휘할 수 있으면서도 재료의 물리적 성능을 저하시킨다는 사례는 아직까지 입증된 바가 없다. 따라서 현업에 직접 추가 적용함으로써 당사제품의 수명을 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라 작업성을 보다 효율적으로 개선시킬 수 있는 가능성이 충분하다. 하지만 당사에서 제작되고 있는 제품들은 각종 규격 또는 작업지시서에 입각한 열처리 및 제조공정으로 만들어지고 있다. 특히 원자력 또는 화력발전소의 설비와 관련된 제품들은 안전과 직접적인 관계가 있으므로 설꼐 또는 발주업체의 승인이 없이는 어떠한 공정의 변경이 어렵기 때문에 현재 실시하고 있는 열처리에 의한 잔류응력 제거 방법을 진동에 의한 잔류응력 제거로 완전히 대체하여 적용시킬 수는 없을 것이다. 하지만 기계가공, 용접 및 보수공정등에 부분적으로 적용, 확대시킴으로써 제작중 균열방지, 후속공정에서의 작업성 개선, 국부적인 용접부의 응력제거, 제작중 비틀림 방지 및 절삭성향상등을 이룰 수 있다. 또한 사용중에 발생될 수 있는 지체 파괴 현상, 응력부식균열 발생 감소 및 사용수명의 연장등에 의한 당사제품의 신뢰도는 더 한층 증대시킬 수 있을 것이다. 하지만 당사에서는 아직 실제 사용 경험이 없고, 당사의 제품에 대한 적용성을 평가하지 못했기 때문에 제품에 따른 사용상의 문제점이나 신뢰도를 확인하지 못한 상태이다. 따라서 당사에서는 세부적인 자료조사와 함께 기술개발에 의한 실증시험을 병행하여 현재 수행하는 방법과 비교 검토함으로써 생산성을 높이는 연구가 필요한 것으로 판단된다. 현재 당사에서 잔류응력의 측정은 X-ray 잔류응력 측정기(日 RIGAKU社)와 strain gauge에 의한 Hole Drilling Method의 2가지 방법으로 수행되고 있지만, 두 방법 모두 표면부의 잔류응력 측정에는 적합하지만 소재 내부를 측정한 경우에는 결과의 신뢰도가 다소 떨어진다(15~20%). 세계적으로도 정확한 잔류응력의 측정기술이 발전되지 못하고 있는 실정이라 여기에 대한 연구도 시급하다. 진동에 의한 잔류응력의 제거기술 개발과 병행하여 잔류응력의 측정 System개발을 동시에 실시하면 보다 진보된 연구결과를 얻을 수 ㅣㅇㅆ을 것으로 예상된다. 다음장에는 현재 사용되어 지고 있는 잔류응력 측정에 관한 기술들을 간략히 소개한다.

2-7. 잔류응력 측정법
잔류응력의 절대값은 완전하게 측정할 수 없고, 일반적으로 상대적인 값만을 찾는다. 측정법에는 파괴법과 비파괴법이 있으며, 용접 조인트에는 미세조직이 불연속적으로 변화하고 있으므로 고도의 측정기술이 요구되는 경우가 많으므로 파괴적인 방법의 하나인 이완법이 일반적으로 널리 사용된다.

2-7-1. X-선 회절법
X-선을 금속결정에 투사하면 회절한다. 회절되는 X-선은 파장l, 격자면간 거리 d 및 각도 q에 의하여 위상차를 일으키고 위상차에 의하여 X-선감광판에 회절선으로 나타난다. 격자면간 거리는 잔류응력에 따라 변하기 때문에 회절선의 변화를 조사함으로써 잔류응력의 계측이 가능하게 된다.

2-7-2/ 응력이완법
잔류응력을 이오나시켜 스트레인을 측정함으로써 잔류응력을 계측한다.
4) Gunner법 : Extensometer를 위한 표점표시를 한 후에 표점주위에 원형의 홈을 파서 잔류응력을 이완시킨다.
5) Sectioning Method : 용접된 H-형강처럼 용접변형이 발생한 부위에서 잔류응력을 계측하는데 사용되는 방법으로 정해진 규격에 따른 절단에 의해 잔류응력이 이완시킴으로서 그 스트레인을 측정한다.
6) Hole Drilling Method (HDM) : 이 방법은 Mather에 의해 창안되었고, 그 이후 많은 개선이 있어왔다. 2차원응력상태에 있는 부재(얇은 구조 부재)에 구멍을 뚫으면 응력의 재분포가 일어나며 이때 스트레인을 계측함으로서 잔류응력의 계측이 가능하다.

2-7-3. 초음파 측정법
금속매질속에서 음파의 속도는 인장 및 압축응력에 따른 밀도의 변화에 의해 변하다. 따라서 응력(잔류응력) 존재할 때와 존재하지 않을 때의 속도의 변화를 계측함으로서 잔류응력의 측정이 가능하게 된다.

2-7-4. 자기적 측정법
강자성체 재질에 적용하는 방법으로, 강자성체는 Magnetic Domain이라 불리는 10-9cm3정도의 자석으로 되어있다. 자속밀도 B하에서는 강자성체는 자화되며 자화의 세기 H는 응력상태나 합금원소에 따라 달라진다. B와 H를 비교함으로서 자기적인 잔류응력 측정이 이루어 진다.

2-7-5. Magnetomechanical Acoustic Method (MAE)
물체가 응력을 받으면 에너지를 방출시킨다. 특히 에너지의 형태가 음파이기 대문에 Acoustic Emission(A. E)라 불리어 진다. 강자성체가 자회되는 과정에서Magnetic Domain이 성장할때 Acoustic Emission이 발생한다는 사실이 최근에 밝혀 졌다. 철과 같은 강자성체에 하중을 가할 때 A. E가 발생되며, 이때 발생하는 Acoustic Signal은 응력상테에 따라 달라지기 때문에 A. E Signal을 증폭시켜 해석함으로서 잔류응력을 측정할 수 있다.

2-7-6. 경도측정에 의한 잔류응력 측정법
Cantilevaers등에 하중을 가하여 인장과 압축력을 보에 발생시킨 후에 경도를 측정하면 인장응력 하에서는 경도가 낮아지고 압축응력 하에서는 경도가 높아진다. 이러한 원리를 이용하여 용접부등에 자주 이용되고 있다.

2-7-7. 수소유기균열 측정법
고장력강이나 일부 합금강은 수소분위기에서 잔류응력의 존재하에 균열을 일으킨다. 따라서 이 방법은 수소에 기인하는 균열에 민감한 재질의 잔류응력을 정성적으로 계측하는데 주로 이용된다. 시편을 전해질에 넣고 전해질속의 수소를 시편이 흡수함으로써 균열을 유도하여 계측한다.

2-7-8. 취성재료 도포법
취성재료를 잔류응력이 존재하는 부위에 도포한 후 구멍을 뚫는 방법으로 잔류응력을 이오나시키면 취성재료에 균열이 발생하게 된다. 발생된 균열으 크기, 밀도, 방향등을 관찰하여 잔류응력의 분포를 정성적으로 알 수 있다.




참고문헌
1. Shen W., Chen W. and Zhen S. : “Explosive relieving of residual welding stresses”, Society for Experimental Mechanics, Inc., 7School St., Bethel, CT 06801, USA, 1994, Proceedings of the fourth International Conference on Residual Stress.
2. Leonard Mordfin, “Mechanical Relaxation of Residual Stress”, ASTM STP 993.
3. Lie, G.K.”Study on new technology of VSR for special large and heavy duty steel structure”, Metallurgical equipment (China) (2), Apr. 1990, 45~49
4. Valsenko V.L., Senyukov V.L., “Study of static stress relaxation in Cr-Ni steel specimens under cyclic loading”, Academy of Sciences of the Ukrainian SSR Probl. Prochn., (3), Mar. 1990, 39~42
5. Movchan V. I., Kovzel A.S. “Relaxation of residual stresses during ultrasonic treatment”, Metalloved Term. Obrab. Met. (6), 1989, 57~60.
6. Robakowski T. “Energy aving technologies for the manufacture of welded structures”, Polish Welding Institute, Welding International, 5, (4), Apr. 1991, 262~264
7. 佐藤邦彦, 熔接構造要覽, 大阪大學, 1988, 57~60
8. 佐藤邦彦 編, 熔接强度ハソドブツク, 理工學社, 1988, 3章
9. 김훈길, 최병길, “잔류응력계측법 개발에 관한 연구” 한국기계연구원 연구보고서,UDC, “82년도 요소기술개발사업, 1982, pp629
10. 사단법인 일본고압기술협회, 응력소둔(SR)위원회 編, “용접후열처리기준과 그 해설”, 일본고압기술협회규격(HPIS), 일간공업신문사, 1994, 243~255
11. W.M. Wilson & C.C.Hao, Residual stresses in welded structures, welding Journal, Vol. 26 No.5 (1947), p152


진동에의한잔류응력제거기술.doc