6GR 용접에 대한 궁극의 가이드
용접사가 어떻게 까다로운 위치에서 완벽한 접합을 이루는지 궁금한 적이 있나요? 6GR 용접은 45° 각도의 장애물 링이있는 파이프 라인을 용접하는 특수 기술로, 다음을 보장하는 데 중요합니다.
일부 용접 구조물이 예기치 않게 고장 나는 이유가 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 용접 응력과 변형이라는 숨겨진 힘에 대해 살펴봅니다. 이러한 응력이 강도, 안정성 및 정확성에 미치는 영향을 알아보고 그 영향을 최소화할 수 있는 실용적인 방법을 알아보세요. 용접사가 직면하는 보이지 않는 도전과 이를 극복하는 방법을 이해할 준비를 하세요!
용접 응력은 용접 공정 중과 후에 용접된 부품 내에서 발생하는 내부 힘을 말합니다. 이러한 응력은 주로 용접에 내재된 국부적인 가열 및 냉각 주기로 인해 발생하며, 이는 불균일한 열팽창 및 수축과 재료의 미세 구조적 변화를 초래합니다.
용접 응력 및 관련 변형의 근본적인 원인은 용접 중 이질적인 온도 분포에 있습니다. 이러한 열 구배가 발생합니다:
용접 응력은 크게 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다:
외부 하중이 없는 경우 용접 응력은 용접물 내에서 자체적으로 평형화됩니다. 그러나 이러한 내부 응력은 여러 가지 방식으로 용접 구조물의 성능과 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다:
힘에 미치는 영향:
잔류 인장 응력이 높은 영역의 심각한 결함은 취성 전이 온도 이하에서 작동하는 경우 용접물의 정하중 강도에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 주기적 응력 하에서 응력 집중 지점에 잔류 인장 응력이 존재하면 다음과 같이 감소합니다. 피로 강도 의 용접부입니다.
용접물의 피로 강도는 다음과 같은 규모에 따라 달라집니다. 잔류 스트레스뿐만 아니라 스트레스 집중 계수, 스트레스 주기 특성 계수, 주기적 스트레스의 최대값과 같은 요인에 의해서도 영향을 받습니다. 잔류 응력의 영향은 스트레스 집중 계수가 감소할수록 감소하고 스트레스 주기 특성 계수가 감소할수록 강해지지만 주기적 스트레스가 증가하면 감소합니다.
주기적 스트레스가 항복 강도를 사용하면 잔류 스트레스의 영향이 점차 감소합니다.
강성에 미치는 영향:
의 조합 용접 잔류 응력 외부 하중으로 인한 응력은 용접부의 특정 영역에서 조기 항복 및 소성 변형을 초래할 수 있습니다. 이로 인해 용접물의 강성이 감소합니다.
압력 용접의 안정성에 미치는 영향:
용접된 봉에 압력이 가해지면 용접 잔류 응력이 외부 하중의 응력과 결합하여 국부적인 항복 또는 불안정성을 유발하고 봉의 전반적인 안정성을 떨어뜨릴 수 있습니다.
잔류 응력이 안정성에 미치는 영향은 다음과 같은 기하학적 구조와 분포에 따라 달라집니다. 내부 스트레스 멤버 내에서. I 섹션과 같이 닫히지 않은 섹션에 대한 잔류 응력의 영향은 박스 섹션과 같이 닫힌 섹션에 대한 영향보다 더 큽니다.
가공 정확도에 미치는 영향 ④ 가공 정확도에 미치는 영향:
용접 잔류 응력의 존재는 용접물의 가공 정확도에 다양한 정도로 영향을 미칠 수 있습니다. 용접물의 강성이 낮을수록 가공량이 많아지고 정확도에 미치는 영향도 커집니다.
치수 안정성에 미치는 영향:
용접 잔류 응력과 용접물의 크기는 모두 시간에 따라 변화하며, 이는 용접물의 치수 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다. 잔류 응력의 안정성은 용접물의 치수 안정성에도 영향을 미칩니다.
내식성에 미치는 영향 ⑥ 내식성에 미치는 영향:
용접 잔류 응력과 하중 응력의 조합으로 인해 응력 부식 균열이 발생할 수 있습니다.
용접 잔류 응력이 구조물 및 부재에 미치는 영향:
용접 잔류 응력은 부재가 하중을 견디기 전의 초기 응력입니다. 부재를 사용하는 동안 잔류 응력은 다른 하중으로 인한 작동 응력과 겹쳐서 2차 변형과 잔류 응력의 재분배로 이어집니다.
이는 구조물의 강성과 안정성을 감소시킬 뿐만 아니라 온도와 환경의 복합적인 영향으로 피로 강도, 취성 파괴, 응력 부식 균열 및 고온 크리프 균열에 대한 저항성에도 큰 영향을 미칩니다.
용접 응력은 설계와 공정을 종합적으로 고려하여 최소화할 수 있습니다. 용접 구조물을 설계할 때는 강성이 낮은 용접 조인트를 채택하고 용접의 양과 단면 크기를 최소화하며 용접이 과도하게 집중되지 않도록 해야 합니다. 공정 측면에서는 다음과 같은 조치를 취할 수 있습니다:
용접 순서를 결정할 때는 응력을 줄이기 위해 용접이 가능한 한 자유롭게 수축할 수 있도록 해야 합니다. 그림 4-10a에 표시된 시퀀스에 의해 생성된 용접 응력은 작은 반면, 그림 4-10b에서는 용접 심 1이 먼저 용접 심 2의 구속을 증가시켜 잔류 응력을 증가시킵니다.
a) 최소 용접 응력, b) 상당한 용접 응력.
용접의 냉각 과정에서 둥근 머리 해머를 사용하여 용접부를 균일하고 빠르게 타격하여 용접 금속의 국소 소성 신장 변형을 일으켜 용접 수축 변형의 일부를 상쇄하여 잔류 용접 응력을 줄입니다.
용접하기 전에 공작물의 적절한 부분(응력 감소 영역이라고 함)을 가열하여 길게 만듭니다(그림 4-11). 용접 후 냉각하는 동안 응력 감소 영역과 용접물이 같은 방향으로 수축하여 용접 응력과 변형이 줄어듭니다.
용접 전 예열의 목적은 용접 영역과 주변 금속 사이의 온도 차이를 줄이고 용접 영역의 냉각 속도를 낮추며 용접 가열 및 냉각 시 고르지 않은 팽창과 수축을 줄여 용접 응력을 줄이는 것입니다. 용접 후 천천히 냉각하는 것도 같은 효과를 낼 수 있습니다.
그러나 이 방법은 공정이 복잡하고 고탄소강, 중탄소강, 주철, 합금강과 같이 가소성이 낮고 균열이 발생하기 쉬운 재료에만 적합합니다.
용접 구조의 잔류 용접 응력을 제거하기 위해 일반적으로 응력 제거 어닐링이 생산에 사용됩니다. 탄소강 및 중저 합금강 구조물의 경우 용접 후 전체 부품 또는 용접 조인트의 일부를 600-800°C로 가열하고 일정 시간 동안 이 온도에서 유지한 후 천천히 냉각할 수 있습니다. 일반적으로 80% 이상의 잔류 용접 응력을 제거할 수 있습니다.
용접 변형을 제어하려면 용접 구조물 설계 시 용접 심의 크기와 모양을 합리적으로 선택하고 용접 심의 수를 최대한 최소화해야 하며 용접 심의 배열이 대칭을 이루어야 합니다. 용접 구조물을 제작할 때 일반적으로 다음과 같은 기술을 적용할 수 있습니다:
이론적 계산과 경험적 값을 기반으로 용접 부품의 준비 및 가공 중에 수축 허용치를 미리 고려하여 용접 후 공작물이 필요한 모양과 크기를 얻을 수 있도록 합니다.
경험이나 측정을 바탕으로 구조물 용접 변형의 크기와 방향을 미리 예측합니다. 용접 구조물을 조립하는 동안 용접 후 발생하는 변형을 상쇄하기 위해 반대 방향이지만 크기가 동일한 의도적인 변형이 생성됩니다(그림 4-12 참조).
a) 각도 변형 생성
b) 각도 변형의 중립화
용접 중에 용접 부품을 고정하고 용접 부품이 실온으로 냉각된 후 고정 장치를 제거합니다. 이렇게 하면 각도 변형과 파형 변형을 효과적으로 방지할 수 있지만 용접 응력이 증가합니다.
이 방법은 가소성이 좋은 저탄소 강 구조물에만 적합하며 용접 후 파손을 방지하기 위해 경화 경향이 높은 주철 및 강재에는 사용해서는 안 됩니다. 그림 4-13은 플랜지 면의 각도 변형을 방지하기 위한 리지드 고정 방법의 사용을 보여줍니다.
합리적인 용접 순서를 선택하는 것은 용접 변형을 제어하는 데 필수적입니다. 대칭 단면 빔 용접의 경우 그림 4-14에 표시된 용접 순서를 사용하면 용접 변형을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
그림 4-15에 표시된 교량 크레인의 메인 빔과 같이 용접 분포가 고르지 않은 공작물의 경우, 두 명의 작업자가 동시에 대칭적으로 1-1' 이음새를 먼저 용접한 다음 2-2' 이음새, 마지막으로 3-3' 이음새를 용접하는 것이 현명한 용접 순서입니다. 이러한 방식으로 1-1 '용접으로 인한 상향 변형은 2-2 및 3-3 용접으로 인한 하향 편향으로 본질적으로 상쇄 될 수 있습니다.
용접 과정에서 위에서 언급한 조치를 취하더라도 허용치를 초과하는 변형이 발생할 수 있습니다. 용접 변형을 수정하기 위해 일반적으로 채택되는 방법은 다음과 같습니다:
기계적 보정에는 외력을 사용하여 용접 변형의 반대 방향으로 부품에 소성 변형을 유도하여 서로의 변형을 상쇄하는 방법이 포함됩니다(그림 4-16). 이 방법은 일반적으로 강성이 상대적으로 낮고 가소성이 좋은 저탄소강 및 일반 저합금강에만 적합합니다.
화염 보정은 금속을 국부적으로 가열한 후 냉각 수축을 사용하여 기존 용접 변형을 보정합니다. 그림 4-17은 용접 후 T-빔의 상향 변형을 보여주는데, 웹 위치를 화염으로 가열하여 보정할 수 있습니다. 가열 영역은 삼각형이며 가열 온도는 600-800°C입니다.
냉각 후 웹이 수축하여 역변형이 발생하고 용접된 부품이 곧게 펴집니다. 이 방법은 주로 가소성이 좋고 경화 경향이 없는 소재에 적합합니다.
진동 응력 완화(VSR)는 용접 구조물 및 엔지니어링 재료의 잔류 응력을 줄이기 위한 고급 기술입니다. 이 프로세스에는 일반적으로 20~100Hz 범위의 제어된 저주파 진동을 공작물에 적용하는 것이 포함됩니다. 잔류 응력과 유도 진동 응력의 결합 효과가 재료의 항복 강도를 국부적으로 초과하면 국부적인 소성 변형이 발생하여 응력 재분배 및 전반적인 감소로 이어집니다.
VSR의 효과는 몇 가지 요인에 따라 달라집니다:
VSR은 열 스트레스 완화 방법에 비해 몇 가지 장점이 있습니다:
하지만 VSR이 모든 소재와 형상에 적합하지 않을 수 있으며, 특정 용도에 따라 그 효과가 달라질 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
용접 후 열처리(PWHT)라고도 하는 열 응력 완화는 용접된 부품의 잔류 응력을 줄이기 위해 잘 알려진 방법입니다. 이 공정에는 세심하게 제어된 가열, 담금, 냉각 주기가 포함됩니다:
효과적인 열 스트레스 완화를 위한 주요 고려 사항
열 스트레스 완화는 매우 효과적이지만, 부적절하게 실행하면 해로운 결과를 초래할 수 있습니다:
최적의 결과를 얻으려면 다음을 수행하는 것이 중요합니다:
이러한 매개변수를 신중하게 제어하고 확립된 모범 사례를 따르면 열 응력 완화는 잔류 응력을 효과적으로 줄여 용접 구조물의 치수 안정성과 내피로성을 향상시킬 수 있습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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