용접 잔류 응력을 제거하는 최고의 방법

구조 설계 과정에서 잔류 응력 문제를 고려하고 용접 잔류 응력을 방지하거나 줄이기 위한 조치를 취하지만, 용접 응력의 복잡성으로 인해 구조물이 용접된 후에도 여전히 상당한 잔류 응력이 존재할 수 있습니다.

또한 일부 구조물은 조립 과정에서 새로운 내부 응력이 발생할 수 있습니다. 이러한 용접 잔류 응력과 조립 응력은 특히 중요한 용접 구조물의 경우 구조물의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 구조물 사용의 안전을 보장하기 위해 잔류 응력을 제거하기 위한 적절한 조치를 취해야 합니다. 잔류 응력을 제거하는 일반적인 방법은 다음과 같습니다:

1. 열처리 방법

열처리 방식은 고온에서 재료의 항복 강도 감소와 크리프 현상을 이용해 용접 잔류 응력을 완화합니다. 열처리는 또한 용접 조인트의 성능을 향상시킵니다. 일반적으로 사용되는 열처리 방법에는 전체 고온 템퍼링과 국부 고온 템퍼링이 있습니다.

(1) 전반적인 고온 템퍼링

다양한 재료의 템퍼링 온도는 표 9-1에 나와 있습니다.

표 9-1 다양한 재료의 템퍼링 온도

바나듐이 함유된 저합금강을 600~620°C에서 템퍼링하면 가소성과 인성이 감소하므로 550~560°C 사이에서 템퍼링 온도를 선택해야 합니다.

고온 유지 시간은 재료의 두께에 따라 결정됩니다. 강철의 경우 1~2분/mm로 계산되며, 일반적으로 30분 이상 3시간 이하입니다. 플레이트 두께 전체에 걸쳐 온도를 필요한 수준까지 균일하게 올리려면 플레이트 표면이 필요한 온도에 도달한 후 일정 유지 시간이 필요합니다.

열처리는 일반적으로 용광로 내부에서 수행됩니다. 대형 용기의 경우 용기 외벽을 단열층으로 덮고 내부를 화염이나 전기 저항으로 가열하는 방식으로도 열처리를 할 수 있습니다.

그림 9-36은 현장에서 가스 화염을 이용한 대형 구형 탱크의 전체 열처리 개략도를 보여줍니다. 그림에서 구형 탱크는 하부 맨홀에서 초고속 연소 노즐을 삽입하여 액화 석유 가스 또는 도시 석탄 가스를 연료로 사용하여 150~300m/s의 속도로 가스를 탱크에 주입하고 뜨거운 공기의 강제 대류를 이용하여 가스가 탱크 내벽을 따라 소용돌이치게 하여 탱크 벽을 고르게 가열하는 가열로처럼 처리됩니다.

가스 흐름, 풍량, 분사 각도 및 배기 게이트의 개방을 제어하여 온도를 조절합니다. 배기 가스는 상단 개구부에서 배출됩니다. 열 확산을 방지하기 위해 탱크의 외부 표면에 단열층이 배치되어 있습니다(그림에 표시되지 않음). 구의 외부 표면에 4~5m마다 열전대를 배치하여 벽 온도를 모니터링합니다.

그림 9-37과 같이 수직으로 긴 컨테이너(타워 컨테이너)의 현장 열처리에도 동일한 방법을 적용할 수 있습니다. 이 컨테이너는 길고 가느다란 형태이기 때문에 가열 온도를 균일하게 분포시키는 것이 어렵기 때문에 버너 수를 적절히 늘리고 중앙에 삽입된 분배 파이프의 작은 구멍에서 뜨거운 공기를 분사합니다.

전반적인 고온 템퍼링은 80%~90%의 잔류 응력을 제거할 수 있습니다.

(2) 국부적 고온 템퍼링

용접부와 그 주변의 고응력 부위를 고온 템퍼링 온도까지 가열한 다음 온도를 유지하고 천천히 식힙니다. 이 방법은 파이프 조인트, 긴 원통형 용기 조인트, 긴 부품 맞대기 조인트 등 비교적 모양이 단순하고 구속력이 낮은 조인트에 자주 사용됩니다. 국부 고온 템퍼링은 저항, 적외선, 화염 및 산업용 주파수 유도 가열을 사용하여 수행할 수 있습니다.

국부적 고온 템퍼링은 잔류 응력을 완전히 제거할 수는 없지만 응력의 피크를 줄여 응력 분포를 보다 점진적으로 만들 수 있습니다. 응력 완화 효과는 해당 지역의 온도 분포의 균일성에 따라 달라집니다. 더 나은 응력 감소 효과를 얻으려면 충분한 가열 폭을 유지해야 합니다.

예를 들어 원통형 접합부의 가열 영역 폭은 일반적으로 그림의 공식에서 가져오고, 긴 판 맞대기 접합부의 경우 그림 9-38과 같이 B=W를 사용합니다(R은 원통의 반경, δ는 벽 두께, B는 가열 영역의 폭, W는 맞대기 구성 요소의 폭).

a) 원주 용접 b) 긴 부품 맞대기 용접

2. 기계적 스트레칭 방법

용접 후 용접된 부품에 하중을 가하여 인장 잔류 응력이 높은 부위에 인장 소성 변형을 일으키고, 하중을 해제하면 용접 잔류 응력을 줄일 수 있습니다. 하중 응력이 높을수록 용접 공정 중에 형성된 압축 소성 변형이 더 많이 상쇄되고 내부 응력이 더 철저하게 제거됩니다.

기계적 스트레칭 방법은 일부 용접된 용기의 내부 응력을 제거하는 데 특히 의미가 있습니다. 상온에서 과부하 내구성 테스트를 수행하여 일부 용접 잔류 응력을 제거할 수 있습니다.

3. 열 차동 스트레칭 방법

옥시 아세틸렌 토치로 용접부의 각 면을 약 200°C까지 가열합니다. 토치 뒤 일정 거리에서 물 스프레이로 냉각합니다. 토치와 물 스프레이는 같은 속도로 앞으로 이동합니다(그림 9-39 참조). 이렇게 하면 측면은 높고(약 200°C) 용접 영역은 낮은(약 100°C) 온도 차이가 생깁니다. 가열로 인해 측면의 금속이 팽창하여 더 낮은 용접 영역이 늘어나면서 인장 소성 변형이 발생하여 원래의 압축 소성 변형을 상쇄하여 응력을 일부 제거합니다. 열 차등 스트레칭 방법의 파라미터는 표 9-2에 나와 있습니다.

1-화염 가열 토치
2-물 분사 파이프
3-용접

표 9-2 열팽창 방법의 파라미터

노즐 폭이 100mm일 때 각 노즐의 아세틸렌 소비량은 17m³/h, 물 소비량은 5~6L/min, 화염 노즐과 수도관 사이의 거리는 130mm입니다.

열팽창 방식은 일반적으로 선박, 선박 및 기타 판재 및 쉘 구조물에서 비교적 규칙적이고 두께가 매우 얇지 않은(40mm 미만) 용접에 사용됩니다. 실용적인 가치가 있습니다. 공정 파라미터를 적절히 선택하면 우수한 응력 완화 효과를 얻을 수 있습니다.

4. 해머링 용접 방법

용접 후 망치 또는 특정 직경의 반구형 에어 해머로 용접부를 두드리면 용접 금속에 연신 변형이 발생하여 압축 소성 변형의 일부를 상쇄하고 용접 응력을 줄일 수 있습니다. 망치질할 때는 과도한 힘으로 인한 균열을 방지하기 위해 적당한 힘을 가하도록 주의해야 합니다.

5. 진동 방법

진동 에이징 또는 진동에 의한 응력 완화(VSR)라고도 하는 진동 방식은 편심 휠과 가변 속도 모터로 구성된 여자기를 사용하여 구조물을 공진시키고 공진으로 인해 발생하는 주기적 응력을 사용하여 내부 응력을 감소시킵니다. 그 효과는 여자기, 공작물 지지대의 위치, 진동 주파수 및 지속 시간에 따라 달라집니다.

진동 방식에 사용되는 장비는 간단하고 저렴하며 에너지 절약형이며, 가공 비용이 저렴하고 시간이 짧으며(몇 분에서 수십 분) 고온 템퍼링 시 금속 표면의 산화와 같은 문제를 일으키지 않습니다. 따라서 현재 치수 안정성을 향상시키기 위해 용접, 주조 및 단조품에 더 일반적으로 사용되고 있습니다.

(1) 진동 노화 메커니즘 및 효과 평가

1) 진동 노화 메커니즘.

원자 이론의 관점에서 보면 온도가 절대 영도 이상일 때 금속 원자는 항상 움직입니다. 잔류 응력의 영향으로 인해 이러한 원자는 불균형 상태에 있지만 원래 위치로 돌아가려고 노력하며, 이를 위해서는 에너지가 필요합니다. 진동 노화는 공작물에 일정량의 기계적 에너지를 가하여 금속 원자를 구속하는 잔류 응력을 강제로 방출하고 금속 원자가 평형 위치로 돌아가는 속도를 가속화하는 것입니다.

즉, 진동 노화는 공작물에 주기적인 동적 응력을 가하여 공진 범위 내에서 진동하도록 강제함으로써 이루어지며, 진동 과정에서 공작물의 다양한 위치에 가해지는 동적 응력은 내부 잔류 응력과 중첩됩니다. 공작물의 특정 지점에서 동적 응력 진폭과 잔류 응력의 합이 항복 강도를 초과하는 경우(즉, σ0 + σ1 > σ2), 이러한 지점은 약간의 소성 변형을 겪게 되어 잔류 응력이 방출됩니다.

마찬가지로, 이러한 동적 응력이 공작물의 특정 지점에서 격자 미끄러짐을 유발하는 경우 재료의 거시적 항복 강도와는 거리가 멀지만 이러한 지점은 여전히 미세한 수준에서 미세한 소성 변형을 겪게되며 이러한 소성 변형은 종종 잔류 응력이 가장 집중된 곳에서 먼저 발생하여 잔류 응력을 해제하고 감소시키는 목적을 달성합니다.

2) 진동 에이징의 적용 가능성.

적용 가능한 재료. 탄소 구조용 강철, 스테인리스강, 주철, 알루미늄 합금, 구리 합금 및 유도 가열 표면 경화 및 담금질된 재료에 적합합니다.

치료 대상. 다양한 기계 제품 베이스 부품, 주조, 단조, 용접 부품, 거친 가공 구조 부품, 냉간 및 열간 교정 전후 치수 안정성이 필요한 공작물, 길고 큰 직경의 축 부품, 정밀도가 엄격한 각종 금속 부품, 열노화 처리가 불가능한 대형 공작물 등을 처리할 수 있습니다.

유연한 처리 절차. 단조, 주조, 용접, 황삭 가공 및 표면 경화 공정 후에 수행되는 경우가 많으며 최종 정밀 가공이 완료되기 전에 수행될 수도 있습니다.

다양한 공정(예: 1회 진동, 2회 진동)에서 에이징 순서와 빈도를 결정하여 공작물의 특수한 요구 사항에 맞게 조정할 수도 있습니다. 대형 공작물을 개별적으로 처리하거나 작은 부품의 중앙 집중식 혼합 처리를 위해 플랫폼 방식을 사용할 수 있으며 공작물의 모양, 무게, 크기, 부피, 배치, 위치 또는 시간에 제한을 받지 않습니다. 처리되는 공작물의 무게는 몇 킬로그램에서 100톤 이상까지 다양합니다.

3) 노화의 효과를 평가하는 방법.

JB/T5926-2005 표준에 따르면 그림 9-40에 표시된 상황 중 하나가 발생하면 노화 프로세스 효과가 달성된 것으로 판단할 수 있습니다.

1-진폭-시간(A-t) 곡선이 상승했다가 평평해지는 경우
2-진폭-시간(A-t) 곡선이 상승했다가 하락했다가 평평해지는 경우
3-진폭-주파수(A-f) 곡선 진동 후 피크가 진동 전보다 높음
4-진폭-주파수(A-f) 곡선의 진동 피크 전과 비교한 진동 피크 후 변화량

(2) 진동 스트레스 완화 장비

진동 스트레스 완화 장비는 중국의 전문 제조업체에서 생산하며 기본적으로 표준화되고 점점 더 완성도가 높아지고 있습니다. 사용 시 다음 사항에 주의하세요.

1) 진동할 구성 요소 선택.

가장 경제적이고 효율적인 방법은 공진 처리입니다. 공진 조건을 달성하려면 먼저 진동할 공작물의 고유 진동수가 진동기가 달성할 수 있는 주파수 범위 내에 있어야 합니다. 표준화된 진동기의 주파수 범위는 고정되어 있으며, 공작물의 고유 진동수가 이 범위를 초과하면 원하는 효과를 얻기가 어렵습니다.

2) 진동기의 설치 위치.

진동기는 일반적으로 그림 9-41과 같이 공작물의 진동이 최고조에 달하는 지점에 설치됩니다. 이렇게 하면 최소한의 에너지로 공작물을 여기시켜 상당한 진동을 생성할 수 있습니다. 피크 위치는 시험 진동, 촉감 또는 모래를 뿌려서 대략적으로 결정할 수 있습니다.

결정된 위치는 진동 과정에서 공작물이 안정적으로 유지되도록 해야 합니다. 진동 중에 공작물이 깨지는 것을 방지하기 위해 공작물의 얇은 판이나 보강 리브가있는 부품에 직접 설치하지 마십시오. 대형 부품의 경우 더 나은 진동 효과를 얻기 위해 진동 처리를 위해 구조물의 특정 상황에 따라 설치 위치를 변경할 수 있습니다.

A-정답 B-부정답

3) 공작물의 지지 위치.

일반적으로 냉각된(때로는 여전히 뜨거운) 용접 부품을 진동 테이블 위에 놓고 패드로 지지합니다. 패드는 종종 고무 또는 오래된 타이어 및 기타 탄성 재료로 만들어집니다. 지지 위치는 진동 중 공작물과 지지 패드 사이의 충돌로 인한 에너지 손실과 소음을 방지하기 위해 진동 노드에 가능한 한 가깝게 선택됩니다. 작업물의 진동을 안정적으로 유지하면서 지지대가 적을수록 좋습니다.

그림 9-42는 공작물의 진동 처리 중 지지대의 개략도를 보여줍니다. 진동이 더 안정적이고 소음이 더 낮으므로 지점 3과 4에서 지지대 위치를 선택하는 것이 합리적입니다. 지점 1과 2를 선택하면 진동 중에 공작물에 전달되는 에너지가 감소하는 반면 소음과 지면 진동은 증가합니다.

(3) 진동 매개변수

공작물의 종류, 진동 지점, 지지 위치가 결정되면 진동 시 진동 주파수, 진폭, 지속 시간을 제어해야 합니다.

최상의 공진 효과는 공작물의 고유 주파수에서 발생합니다. 따라서 공작물의 고유 진동수를 먼저 결정하고(예: 탭핑 또는 공명 방법) 진동 주파수로 사용해야 합니다. 진동 과정에서 진동기가 공작물에 가하는 주기적으로 변화하는 동적 응력은 잔류 내부 응력과 결합하여 소성 변형을 일으켜 응력을 줄여야 하므로 잔류 응력을 줄이는 데 결정적인 파라미터입니다.

공작물의 잔류 응력이 작은 경우 잔류 응력을 줄이기 위해 충분히 큰 동적 응력을 사용해야 합니다. 반대로 잔류 내부 응력이 크면 더 작은 동적 응력을 선택할 수 있습니다. 따라서 먼저 용접물의 잔류 내부 응력의 크기와 분포를 측정하거나 추정할 필요가 있습니다.

또한 추가 동적 응력과 결합된 잔류 응력의 최대값이 진동 또는 작동 중 피로 강도를 초과하지 않도록 하는 것이 중요하며, 그렇지 않으면 진동 또는 작동 과정에서 손상이 발생할 수 있습니다.

더 높은 동적 응력을 사용할 수 없는 특별한 경우에는 진동 시간을 적절히 연장하여 더 낮은 동적 응력을 적용할 수 있습니다. 동적 응력의 크기는 여기 힘의 크기에 따라 조정할 수 있습니다. 진폭은 여기 힘과 관련이 있으므로 진동 주파수와 시스템 감쇠가 일정할 때 여기 힘이 클수록 진폭이 커져 공작물에 더 큰 동적 응력이 가해집니다.

용접물의 구조적 형태와 무게가 다르기 때문에 잔류 응력의 크기와 분포가 달라지므로 진동 시간 선택도 달라져야 합니다. 일반적으로 표 9-3에 표시된 것처럼 대략 공작물의 질량에 따라 결정됩니다.

표 9-3 진동 방식별 응력 완화를 위한 진동 시간

(4) 진동 영향 평가

현장 작업에서는 잔류 응력 제거의 효과를 확인할 수 없습니다. 보폭 곡선의 변화, 공진 주파수 및 여기 전력 변화 관찰과 같은 진동 과정의 일부 물리적 현상을 기반으로 판단하는 경우가 많습니다. 현재 여기 전력의 변화가 주로 관찰되며, 여기 에너지의 작용으로 부품이 계속 진동한다는 것이 주된 근거입니다. 부품이 소성 변형을 겪으면 잔류 응력이 완화되고 금속 재료가 강화됩니다.

그 결과 구조적 감쇠가 감소하여 내부 감쇠에 소비되는 대신 부품 진동의 변위(즉, 진폭)에 더 많은 여기 에너지가 소비될 수 있습니다. 따라서 내부 응력이 잔류하는 부품을 진동시킬 때 여기 에너지가 일정하게 유지되면 진폭 값이 증가하게 됩니다. 진폭 값을 일정하게 유지하도록 제어하면 필요한 여기 에너지가 감소하여 전력이 감소합니다.

진동을 통한 응력 제거 방법은 많은 장점이 있지만 복잡한 용접 구조물에서 내부 응력을 균일하게 감소시키는 방법, 구조물의 피로 강도를 감소시키지 않고 내부 응력을 제거할 수 있도록 진동을 제어하는 방법 등 완전히 해결되지 않은 몇 가지 우려되는 문제도 있습니다.

6. 폭발 방법

폭발 본딩은 폭발에 의해 생성된 충격파가 잔류 응력과 상호 작용하여 금속이 적절한 양의 소성 변형을 일으켜 잔류 응력을 완화하는 용접부 및 그 근처에 폭발 스트립을 배치하여 이루어집니다. 용접의 단위 길이당 폭약의 양과 배열은 용접 부품의 두께와 재료 특성에 따라 선택해야 합니다.

그림 9-43은 중간 두께의 대형 후판 용접 구조물에서 용접 응력을 완화하는 데 사용되는 폭발물 충전 레이아웃을 보여줍니다. 평판 맞대기 접합부는 일반적으로 용접으로 인한 잔류 인장 응력 영역에서 충전되는 반면, 곡판 맞대기 접합부(예: 용기 또는 파이프의 용접부)는 내부 및 외부 표면 모두에서 충전할 수 있습니다. 연구에 따르면 곡판 내부 표면의 잔류 인장 응력 영역에서 충전하는 것이 외부 표면에서 충전하는 것보다 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

내부 표면에 약제를 도포하기 어려운 경우 외부 표면 용접부의 양쪽 적절한 위치에 약제를 폭발시켜 잔류 응력을 줄이는 효과도 얻을 수 있습니다. 일반적으로 기폭 장치에 의해 폭발하는 폭발 속도가 5000m/s인 스트립 고무 폭약이 사용됩니다.

용접 응력을 제거하는 폭발 공법은 국내 압력 용기, 화학 반응 타워, 파이프라인, 유압 구조물, 박스 빔 등에 적용되고 있습니다. 그러나 폭발 공사는 관련 국가 규정에 따라 엄격하게 수행해야 하며, 작업 절차를 엄격히 준수하고 매번 폭발물 사용량을 통제하여 안전을 확보해야 합니다.