KR20110016687A - 구조물의 용접부 잔류인장응력 제거 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조물의 시공 및 보수시 용접 후 존재하는 잔류인장응력을 단시간내에 효과적으로 제거하기 위한 방법에 관한 것으로, 배관과 같은 구조물설비의 용접 후 건전성을 위하여 용접 접합 영역에서 잔류인장응력이 존재하여 설비의 균열을 초래하는 문제를 해결하기 위하여, 초음파 피닝 공정을 이용한 압축응력 상태로 전환시키는 방법이 제공된다.
이에, 본 발명은 구조물을 용접한 용접부에서 용접비드를 제거하는 단계, 용접 후 잔류응력을 측정하는 단계, 초음파 피닝 공정을 이용하여 용접부의 표면에 압축응력을 형성시키는 단계, 및 잔류응력을 다시 측정하여 잔류응력 상태를 확인단계를 포함하는 용접부 잔류인장응력 제거 방법을 제공한다.

Description

구조물의 용접부 잔류인장응력 제거 방법 {Method for removing residual stress of welding portion in structure}
본 발명은 대형 금속구조물의 용접 시공 및 보수에 있어 용접부에 잔류하는 인장응력을 제거함에 있어, 초음파 피닝(ultrasonic peening) 공정을 이용하여 용접부와 그 주변에 압축응력을 형성시켜 구조물의 균열 생성에 대한 저항성 향상을 위한 구조물의 용접부 잔류인장응력 제거 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 화력발전소와 같은 산업플랜트에서는 열 및 유체의 이송을 위해 대형 배관 등이 설치된다. 이러한 구조물은 설비가 요구하는 길이나 형상으로 제조되지 않기 때문에 설비를 구성하기 위해서는, 용접과 같은 시공방법이 적용되고 있는 실정이다. 이에 따라 대형 구조물의 용접을 위해서는 많은 구조물의 여러 부분에 가열이 필요하게 되며, 이로 인해 구조물은 자연스럽게 팽창하게 되고, 또 용접 후에는 식으면서 수축하게 된다. 이러한 경우, 대형구조물의 용접부에는 길이가 수축되면서 인장 잔류응력이 생성되게 된다.
재료의 파괴는 균열로부터 시작되는데, 이러한 균열은 인장응력이 특정 수준에 도달되면 생성되기 시작하여 구조물 전체의 파괴에 이르게 된다. 따라서, 용접후에는 거의 모든 경우에 열처리를 하여 이러한 잔류 인장응력을 감소시키도록 하여야 한다. 대형구조물의 경우도 예외는 아니다.
현재는 배관과 같은 구조물의 경우는 용접 후 열 패드(pad)를 사용하여 저항 열을 이용하여 용접 후 열처리를 하고 있다. 다른 설비의 경우는 프로판 가스를 이용한 화염 토치를 이용하여 용접부위를 가열하여 용접 잔류 인장응력을 감소시키는 작업을 하고 있다.
이러한 잔류 인장응력 제거를 위한 열 패드 및 화염을 이용한 열처리를 수행하는 방법은 시공자에 따라 품질이 달라져 균일한 처리가 곤란하고, 처리에 장시간이 요구되어 전체 공정에 영향을 미치며, 게다가 가장 중요한 것은 잔류 인장응력이 잔류인장응력을 완전히 없애지는 못하고, 응력 수준을 어느 정도 낮추는 수준으로 처리하여 왔으며, 잔류 인장응력이 단순히 어느 정도 감소하는 것 뿐, 만족스런 결과를 얻지 못한다는 문제점이 있다는 것이다.
본 발명은 위와 같은 종래기술의 한계점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명은 구조물의 용접부 잔류인장응력을 제거하기 위한 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 구조물의 시공 및 보수시 도입되는 용접공정으로 인해 발생하는 잔류인장 응력을 효과적으로 제거하는 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 대형 배관 등의 용접 시공 및 보수에 있어, 초음파 피닝 공정을 이용하여 구조물의 용접부에 잔류하는 인장잔류응력을 제거하고, 여기서 표면에 기계적 특성에 좋은 압축응력을 단시간에 형성시키는 방법을 목적으로 한다.
방법적인 측면에서 구조물의 용접부에 초음파 피닝 공정으로 용접 영역에 기존에 존재하는 잔류 인장응력을 압축잔류응력으로 변화시키는 일련의 과정을 제공하는 것을 보다 구체적인 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 구조물을 용접한 용접부에서 용접비드를 제거하는 단계; 용접 후 잔류응력을 측정하는 단계; 초음파 피닝 공정을 이용하여 용접부의 표면에 압축응력을 형성시키는 단계; 및 잔류응력을 다시 측정하여 잔류응력 상태를 확인단계;를 포함하는 용접부 잔류인장응력 제거 방법으로 이루어진다.
본 발명은 구축된 초음파 피닝 공정의 현장 적용을 통해 지속적으로 대형 철골구조물의 시공 및 보수에 용접 공정이 사용될 때 사용되어질 수 있어, 본 발명은 용접 후에 잔류인장응력이 존재하는 동안에 계속 사용되어지는 것이 가능하다.
대형 철골 설비 뿐만아니라 용접 후 잔류인장응력으로 균열이 예상되는 부위에 짧은 시간내에 균일한 잔류압축응력이 요구되는 부위에는 적용이 가능하다. 또한 소규모 설비에도 같은 효과를 얻을 수 있어, 용접과 접합으로 인해 잔류인장응력이 발생하는 모든 분야에 적용이 가능할 것으로 예상된다.
본 발명은 대형 설비뿐만 아니라 소형 설비 및 부품의 용접이나 접합에도 적용이 가능하며, 석유화학 플랜트 및 건설 현장의 철골구조물의 용접 등 잠재적인 수요처는 광범위하다고 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구성 및 작용에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 보인 바와 같이, 본 발명에 따른 구조물의 용접부 잔류인장응력 제거 방법에 따르는 공정은, 대형구조물을 용접한 용접부에서 두껍고 불균일한 용접비드를 제거하는 단계(100), 용접 후 잔류응력을 측정하여 평가하는 단계(300), 초음파 피닝 공정을 이용하여 용접부의 표면에 압축응력을 형성시키는 단계(400), 및 마지막으로 잔류응력을 다시 측정하여 잔류응력 상태를 평가하여 확인하는 단계(500)를 포함하는 것으로 되어 있다.
본 발명의 구성을 세부적으로 설명하면, 용접부의 비드 제거하는 단계(100)에서, 구조물의 용접후에는 표면에 두껍고 불균일한 용접 비드(bead)가 존재하게 되며, 이는 응력 집중처로 작용하여 구조물의 균열개시점으로 작용할 수 있기 때문 에 깨끗이 제거를 하여야 한다. 이때 주위 모재와 열영향부의 높이는 같도록 하여야 한다.
다음 단계인 용접부의 잔류응력을 측정하여 평가하는 단계(300)는 엑스선 회절 원리를 이용한 공지의 장비를 사용하는데, 측정하기에 앞서 측정위치의 표면을 전해연마를 통해 표면연마처리하는 단계(200)를 거친 후 적당한 엑스선원 등을 사용하여 바람직하게는 최소 7번 이상 측정하는 것이 바람직하다.
다음은 표면에 압축응력을 형성시키기 위해 초음파피닝하는 단계(400)로, 초음파를 이용하여 강한 재질의 구나 핀, 볼을 짧은 시간에 표면에 타격하여 표면 부위만 소성변형시켜 균일하게 압축잔류응력을 얻는다. 강한 재질의 구나 핀, 볼 이외에 초음파 진동단자에 의한 초음파 충격처리도 가능하다.
본 발명에 사용되는 초음파 발생 장치는 공지의 초음파 발생 장치를 사용하며, 사용 전원이나 진동수, 진폭은 용접된 구조물의 직경이나 두께 또는 용접부의 폭에 따라 적절히 선택하여 사용하면 된다.
마지막으로, 표면의 압축 잔류 형성 유무를 확인하기 위해 두 번째 단계에서 측정한 위치에서 동일한 조건으로 잔류응력을 측정하여 확인평가하는 단계(500)를 거치게 되는 것이다. 이는 앞의 잔류응력을 측정하여 평가하는 단계(300)와 동일한 방법으로 수행한다.
이와 같은 본 발명에 따른 구조물의 용접부 잔류 인장응력 제거 방법은 대형의 금속 및 철골구조물이나 발전설비의 배관 및 지지구조물, 기타 플랜트 설비나 그 지지구조물을 대상으로 적용되어, 이러한 구조물의 시공 및 보수시 용접 후의 잔류 인장응력을 효율적으로 제거하고 압축응력을 부여함으로써 구조물의 내구성을 현저히 높일 수 있게 된다.
또한 대형구조물 외에 소형구조물에서도 용접 후 잔류 인장응력을 제거하고 압축응력을 부여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용접부의 잔류 인장응력을 제거하는 공정을 나타내는 플로우 차트이다.

Claims (4)

  1. 구조물을 용접한 용접부에서 두껍고 불균일한 용접비드를 제거하는 단계(100), 용접 후 잔류응력을 측정하여 평가하는 단계(300), 초음파 피닝 공정을 이용하여 용접부의 표면에 압축응력을 형성시키는 단계(400), 및 잔류응력을 다시 측정하여 잔류응력 상태를 평가하여 확인하는 단계(500)를 포함하는 용접부 잔류인장응력 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용접부의 잔류응력을 측정하여 평가하는 단계(300)에 앞서 측정위치의 표면을 표면연마처리하는 단계(200)를 포함하는 것을 특징으로 용접부 잔류인장응력 제거 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용접부의 잔류응력을 측정하여 평가하는 단계(300)에서 엑스선원 등을 사용하여 잔류응력을 7번 이상 측정하는 것을 특징으로 하는 용접부 잔류인장응력 제거 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 압축응력을 형성시키기 위해 초음파피닝하는 단 계(400)에서는, 초음파를 이용하여 강한 재질의 구나 핀, 볼을 짧은 시간에 표면에 타격하여 표면 부위만 소성변형시키는 것을 특징으로 하는 용접부 잔류인장응력 제거 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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