용접기사 필기, 잔류응력·변형 계산을 시험 난이도로 쉽게 풀어내기

왜 이 부분에서 막히는가

용접기사 필기를 준비하다 보면 잔류응력과 변형 단원에서 유독 진도가 더뎌지는 경우가 많습니다. 관련 논문이나 전문서적을 찾아보면 열탄성소성해석, 유한요소법(FEM) 기반의 응력 분포 계산이 나오면서 난이도가 갑자기 대학원 수준으로 뛰어버립니다.

반대로 시중 요점정리집을 보면 “잔류응력은 용접부에 남는 응력이다”는 식의 한 줄 설명에 그쳐서, 정작 시험에 나오는 계산형·응용형 문제에는 손을 대기 어렵습니다.

이 글에서는 그 사이, 즉 원리를 이해하면서도 시험에서 실제로 써먹을 수 있는 수준으로 잔류응력과 변형을 정리하겠습니다.

잔류응력이 생기는 원리 — 3바(bar) 모델로 이해하기

잔류응력의 발생 원리를 설명할 때 교육 현장에서 가장 많이 쓰는 도구가 3바 모델입니다. 가운데 바(용접부에 해당)를 가열하고 양옆 두 바(모재에 해당)는 상온을 유지한다고 가정하면 다음과 같은 과정을 거칩니다.

• 가열 단계: 가운데 바가 팽창하려 하지만 양옆 바가 붙잡고 있어 팽창이 억제되고, 이 과정에서 가운데 바에는 압축응력이 발생합니다.
• 냉각 단계: 가운데 바가 수축하려 하지만 역시 양옆 바에 의해 수축이 억제되어, 이번에는 인장응력으로 전환됩니다.
• 최종 상태: 냉각이 끝난 뒤 가운데 바(용접부)에는 인장 잔류응력이, 그 주변 모재에는 이를 상쇄하는 압축 잔류응력이 남습니다.

이 모델의 핵심은 “국부적으로 가열되고 냉각되는 부위가 주변에 의해 자유팽창·자유수축을 방해받는다”는 것이며, 시험에서 잔류응력의 발생 원리를 서술하라는 문제는 대부분 이 논리 구조를 요구합니다.

시험에 나오는 계산: 입열량부터 잡는다

잔류응력·변형 단원에서 계산 문제로 가장 자주 등장하는 것은 입열량(용접 열량) 공식입니다.

H = (60 × E × I) / V

• H: 입열량 (J/cm)
• E: 아크 전압 (V)
• I: 아크 전류 (A)
• V: 용접 속도 (cm/min)

예를 들어 전압 24V, 전류 200A, 용접속도 15cm/min으로 용접했다면 입열량은 (60 × 24 × 200) / 15 = 19,200 J/cm가 됩니다. 이 값이 커질수록 열영향부(HAZ)가 넓어지고, 냉각 시 수축량도 커지므로 잔류응력과 변형이 함께 증가하는 경향을 보입니다.

시험 문제는 대개 이 공식을 그대로 적용해 숫자를 구하게 하거나, 입열량 변화가 변형량에 어떤 영향을 주는지 서술형으로 묻는 형태로 출제됩니다.

잔류응력의 최대 크기에 대해서는 정밀한 수치 계산보다 개념적 관계를 묻는 문제가 많습니다. 일반적으로 용접 직후(후열처리 전) 종방향 잔류응력의 최대값은 모재의 항복강도 수준까지 도달할 수 있다는 것이 용접야금학에서 통용되는 기본 개념이며, 이 관계를 알고 있으면 관련 객관식 문제에서 오답을 쉽게 걸러낼 수 있습니다.

변형의 종류 정리

변형 종류	발생 원인	특징
종수축	용접선 방향의 냉각 수축	판 전체 길이가 짧아짐
횡수축	용접선에 직각 방향의 냉각 수축	맞대기 이음 폭이 좁아짐
각변형	판 두께 방향 온도차(표면-이면)	용접부를 중심으로 각도가 꺾임
회전변형	용접 진행 중 아직 용접되지 않은 부분의 수축	용접선이 평면 내에서 회전
좌굴변형	얇은 판재의 압축 잔류응력	판이 물결 모양으로 휘어짐

이 표는 시험에서 “변형의 종류와 원인을 연결하라”는 형태로 자주 출제되므로, 각 변형이 판 두께·이음 형상 중 무엇과 더 밀접한지까지 함께 기억해 두면 응용문제 대응이 수월해집니다.

개인적으로 현장에서 후배 기능사들에게 이 표를 설명할 때, 얇은 판재 용접에서 좌굴변형이 먼저 눈에 띄고 두꺼운 판재에서는 각변형이 두드러진다는 점을 실물로 보여주면 이해 속도가 확실히 빨라지는 것을 느꼈습니다.

변형·잔류응력 방지 대책

• 억제법: 지그나 고정구로 모재를 구속해 수축 자체를 억제
• 도열법: 용접부 주변에 구리판(동판) 등을 대어 열을 빠르게 흡수시켜 온도 분포를 균일화
• 용접 순서 조절: 대칭법, 후퇴법, 비석법(스킵법) 등을 활용해 열이 한쪽으로 집중되지 않도록 분산
• 예열: 용접 전 모재 온도를 높여 냉각 속도와 온도 구배를 완화
• 후열처리(응력제거풀림, SR): 용접 후 재가열을 통해 잔류응력을 완화시키는 방법으로, 탄소강의 경우 일반적으로 600℃ 전후 구간에서 진행됩니다.

시험에서는 이 대책들을 단순 암기하기보다, 각 대책이 “응력의 발생 자체를 막는지” 혹은 “이미 발생한 응력을 완화하는지”로 구분해서 이해하면 헷갈리지 않습니다.

억제법·도열법·용접순서·예열은 발생 억제 쪽에 가깝고, 후열처리는 사후 완화에 해당한다는 점이 자주 출제되는 구분 포인트입니다.

정리하기

잔류응력과 변형은 결국 “국부 가열과 냉각에 따른 팽창·수축이 주변에 의해 구속되면서 남는 결과”라는 하나의 원리에서 출발합니다.

시험 준비 관점에서는 3바 모델로 발생 원리를 이해하고, 입열량 공식(H = 60EI/V)으로 계산 문제에 대비하며, 종수축·횡수축·각변형·회전변형·좌굴변형의 원인을 표로 구분해 암기하는 것이 가장 효율적입니다.

여기에 억제법·도열법·예열·후열처리 같은 대책을 “발생 억제”와 “사후 완화”로 나누어 정리하면, 논문 수준의 복잡한 해석 없이도 필기시험에서 요구하는 수준의 이해와 계산을 충분히 커버할 수 있습니다.

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Q&A

Q1. 잔류응력 계산은 필기시험에서 수식으로 직접 풀어야 하나요? 정밀한 응력값 계산보다는 입열량 공식을 활용한 수치 계산과, 잔류응력의 발생 원리·최대값 개념을 묻는 문제가 주로 출제됩니다. 복잡한 해석 수식까지 암기할 필요는 없습니다.

Q2. 3바 모델은 실제 용접부 잔류응력을 정확히 설명하나요? 실제 용접부는 3차원적이고 복잡하지만, 3바 모델은 잔류응력이 생기는 핵심 원리(구속된 팽창·수축)를 단순화해 보여주는 교육용 모델로, 시험 서술형 답안의 논리 구조로도 그대로 활용할 수 있습니다.

Q3. 각변형과 좌굴변형을 구분하기 어렵습니다. 팁이 있을까요? 각변형은 두께 방향 온도차로 인해 이음부를 중심으로 ‘꺾이는’ 변형이고, 좌굴변형은 얇은 판 전체가 압축 잔류응력을 못 이기고 ‘휘어지는’ 변형입니다. 두께가 두꺼우면 각변형, 얇으면 좌굴변형을 먼저 떠올리면 구분이 쉬워집니다.

Q4. 후열처리 온도는 모든 강종에 동일하게 적용되나요? 아닙니다. 강종과 두께에 따라 온도와 유지 시간이 달라지며, 위 글에서 언급한 온도대는 탄소강을 기준으로 한 일반적인 범위입니다. 실제 적용 시에는 해당 강종의 규격을 따라야 합니다.

Q5. 입열량이 높을수록 항상 불리한가요? 변형과 잔류응력 관점에서는 입열량이 높을수록 불리해지는 경향이 있지만, 저온균열 방지를 위해 일정 수준 이상의 입열량이 필요한 강종도 있어 무조건 낮추는 것이 정답은 아닙니다. 강종별 권장 입열량 범위 안에서 관리하는 것이 핵심입니다.