용접부 설계 완전 가이드: 유효목두께·편심 용접군부터 피로·잔류응력과 FEA 검증까지

용접 비드가 끊어지지 않았다고 용접부 설계가 끝난 것은 아닙니다. 하중의 작용선이 용접군 도심에서 벗어나면 작은 전단력도 큰 모멘트를 만들고, 용접금속이 충분히 강해도 브래킷 모재나 열영향부(HAZ)가 먼저 항복할 수 있습니다. 정적 강도를 통과한 상세가 용접 토우에서 피로균열을 시작하거나, 수축 변형 때문에 조립 공차를 벗어나는 일도 흔합니다. 설계자는 비드 한 줄이 아니라 하중 경로, 상세 형상, 재료, 용접절차, 검사와 운전 수명으로 이어지는 하나의 시스템을 검증해야 합니다.

이 글은 6 mm 등각 필릿용접 두 줄로 고정된 브래킷을 하나 정하고 같은 숫자를 끝까지 추적합니다. 각 용접선의 길이는 100 mm, 간격은 80 mm이고, 용접군 도심에서 150 mm 떨어진 곳에 12 kN의 하향 하중이 작용합니다. 초보자는 다리길이와 목두께의 차이에서 시작할 수 있고, 실무자는 편심 용접군의 벡터 계산, 피로 응력 정의, NDT 계획과 국부 FEA의 수렴 판정까지 이어갈 수 있습니다.

먼저 기억할 한 문장: 용접부의 안전은 “비드가 얼마나 커 보이는가”가 아니라, 어떤 하중이 어떤 유효목을 지나 어느 균열 경로로 전달되며 그 상태를 어떻게 제작·검사·검증할 것인가로 결정됩니다.

1단계 — 계산 전에 기능과 고장모드를 고정한다

첫 질문은 “필릿 크기를 몇 mm로 할까?”가 아닙니다. 연결부가 지켜야 할 기능과 기능이 깨지는 상태를 먼저 적어야 합니다. 하중 지지용 브래킷은 강도와 처짐이 중요하지만, 밀봉 용접은 아주 작은 관통 결함이 기능고장일 수 있습니다. 진동 장비의 얇은 지지대는 정적 항복보다 토우 피로가 지배하고, 정밀 프레임은 수축 변형이 허용 공차를 먼저 소진할 수 있습니다.

하중도 정적 최대값 하나로 축약하면 안 됩니다. 축력·전단·면내 및 면외 모멘트, 반복 범위, 온도구배, 충격과 조립 강제변위를 목록으로 나눕니다. 그다음 각 하중이 브래킷에서 용접금속, 융합선, HAZ, 모재로 이동하는 경로를 그립니다. 이 작업을 해두면 강도 계산과 피로 계산에서 서로 다른 응력 정의를 섞는 실수를 줄일 수 있습니다.

고장모드관찰할 설계량자주 놓치는 원인검증 수단

용접금속 파단유효목 응력, 용접선 선하중편심 모멘트, 짧은 유효길이손계산, 용접군 모델

모재 항복·파단총단면·순단면, 국부 굽힘, 전단용접만 키우고 얇은 판을 유지부재 한계상태, 전역 FEA

토우·루트 피로응력범위, 상세등급, 균열 위치정적 최대응력만 확인S–N/핫스폿/노치 방법

취성·층상 파괴인성, 두께방향 응력, 구속도저온·두꺼운 판·교차 상세재료 사양, 파괴 검토

변형·잔류응력각변형, 수축, 조립 공차용접량·순서·지그를 미정으로 둠시제품 계측, 열–구조 해석

불완전 용입·융합루트 형상, 접근성, 공정 창도면은 가능하지만 토치가 접근 못함WPS/PQR, 공정검증, NDT

2단계 — 용접 종류와 용어를 하중 경로에 맞춰 선택한다

필릿용접은 T, 겹치기, 코너 이음에서 경제적이고 접근성이 좋지만, 루트와 토우라는 두 피로 취약 위치를 만듭니다. 완전용입 그루브용접(CJP)은 적절히 제작·검사되면 모재 단면과 유사한 하중 경로를 만들 수 있지만, 개선가공·백가우징·접근·검사 비용이 커집니다. 부분용입 그루브용접(PJP)은 설계된 유효목을 쓰며, “겉으로 꽉 찼다”는 인상으로 CJP처럼 취급해서는 안 됩니다.

연속용접은 하중 분포와 밀봉에는 유리하지만 입열과 수축이 커질 수 있습니다. 단속용접은 용접량을 줄여도 되는 정적 부착 상세에 쓰일 수 있으나, 부식 포켓·피로·밀봉·시작과 끝의 응력집중을 함께 검토해야 합니다. 플러그·슬롯용접이나 일면 접근 상세 역시 적용 규격의 형상·검사 제한을 확인해야 합니다.

형식설계 저항면장점주요 위험

필릿용접도해상 유효목가공 단순, 현장 적용성토우·루트 피로, 간극 민감도

CJP 그루브연결 모재의 유효 단면직선적인 하중 경로루트 건전성, 변형, 검사 비용

PJP 그루브규정된 유효목용접량·가공 절감 가능미용입부를 균열로 보아야 하는 경우

플러그·슬롯구멍 또는 슬롯 내 유효면겹침부 전단 전달충전·융합 확인, 형상 제한

단속 필릿각 유효 구간의 합입열·비용 감소끝단 집중, 부식·밀봉 부적합

도면에는 용접기호만 넣고 끝내지 않습니다. 기준선 위치, 화살표측/반대측, 현장용접 여부, 전주용접 여부, 길이·피치, 마감 형상, CJP/PJP 요구, 검사 범위와 적용 규격 판본을 일관되게 적어야 합니다. “6 mm 용접”이 다리길이 z인지 유효목 a인지도 프로젝트 표기 관례와 규격에서 명확히 해야 합니다.

3단계 — 입력값과 적용 규격의 경계를 먼저 잠근다

예제 입력은 두께나 재료에 상관없이 통하는 보편 해답이 아니라 계산 구조를 보여주기 위한 값입니다. 90° 등각 필릿의 다리길이 z=6 mm, 두 수직 용접선의 길이 L=100 mm, 용접선의 x좌표 ±40 mm를 사용합니다. 하향 하중은 V=12 kN, 도심 왼쪽 e=150 mm에서 작용하므로 면내 모멘트 크기는 M=V·e=1.80 kN·m입니다.

강도 판정 예시는 ANSI/AISC 360-22의 LRFD 체계로만 계산합니다. E70 계열을 가정해 FEXX=70 ksi=482.63 MPa를 사용합니다. 제작 절차·작업자 자격·검사 합격 기준은 별도 계약문서와 AWS D1.1/D1.1M:2025-AMD1 등 해당 용접코드가 지배합니다. AISC의 강도식, ISO의 품질수준과 IIW의 피로등급을 한 허용식에 섞지 않습니다.

입력예제값단위실무 출처

필릿 다리길이 z6mm상세도면, 최소·최대 크기 규정

각 용접선 길이 L100mm실제 유효길이와 종단 상세

두 용접선 간격80mm용접 중심선 기준 형상

전단력 V12kN지배 하중조합의 설계하중

편심 e150mm하중 작용선–용접군 도심

용접재 FEXX482.63MPa승인된 용가재 분류·인증서

반복하중2–12kN운전 스펙트럼·계측·사양

규격 경계: 이 예제의 0.60FEXX와 φ=0.75는 AISC LRFD 설명용입니다. EN, AWS, ASME, API, DNV, 항공우주 사양을 적용하는 프로젝트라면 해당 판본의 저항계수·상호작용식·피로분류·검사 요구로 처음부터 다시 판정해야 합니다.

4단계 — 다리길이에서 유효목과 유효면적으로 변환한다

필릿용접 단면에서 다리길이 z는 루트에서 토우까지의 거리이고, 이론 목두께 a는 루트에서 도해상 용접면까지의 최단거리입니다. 90° 등각 필릿이면 a=z·sin45°=0.7071z이므로, z=6 mm일 때 a=4.2426 mm입니다. 두 용접선의 총 유효길이를 200 mm로 두면 유효면적은 Aw=a·ΣL=848.53 mm²입니다.

0.707z는 모든 필릿의 자동 변환값이 아닙니다. 이음각이 90°가 아니거나 루트 간극이 크고, skewed T-joint 또는 플레어 그루브라면 유효목 정의가 달라집니다. 깊은 용입을 추가 목두께로 인정하려면 단순 기대가 아니라 승인된 WPS와 생산 일관성을 입증하는 시험이 필요합니다. 너무 큰 필릿은 언제나 좋은 것도 아닙니다. 용접량과 입열, 변형, 잔류응력, 토우 형상 악화 가능성이 함께 증가합니다.

수량식예제 결과단위 확인

이론 목두께a=z/√24.2426 mm길이

총 용접선 길이ΣL=2L200 mm길이

유효면적Aw=aΣL848.53 mm²면적

직접 선하중qd=V/ΣL60.00 N/mm길이당 힘

직접 목응력τd=qd/a14.14 MPaN/mm²

5단계 — 직접하중과 편심하중을 먼저 분리한다

하중 작용선이 용접군 도심을 지나면 직접 선하중은 총 유효길이에 균등 분배한다고 시작할 수 있습니다. 그러나 작용선이 도심에서 벗어나면 M=V·e가 추가되고, 용접선 각 지점의 모멘트 선하중은 도심에서의 거리와 방향에 따라 달라집니다. 면내 편심과 면외 편심도 같은 문제로 취급하지 않습니다. 면외 브래킷은 인장측 용접과 압축측 모재 지압, 판의 prying 및 국부 굽힘이 함께 작동할 수 있습니다.

직접전단만으로 예제를 계산하면 τd=14.14 MPa여서 여유가 매우 커 보입니다. 하지만 실제 하중의 편심을 포함하면 최대 목응력은 65.59 MPa로 4.64배가 됩니다. “총 용접길이로 힘을 나눈 값”만 보고 상세을 승인하면 가장 중요한 모멘트 성분을 삭제한 셈입니다.

탄성 용접군법은 모든 용접선 요소의 강성이 동일하고 변형이 도심으로부터의 거리에 비례한다고 보는 1차 모델입니다. 계산이 투명하고 손검산에 좋지만, 극한강도에서의 비탄성 재분배나 순간회전중심법(ICR)을 대신하지는 않습니다. 적용 코드가 허용하는 해석법과 하중 수준을 확인해야 합니다.

6단계 — 용접군 도심과 선극관성모멘트를 계산한다

두 수직 용접선은 길이가 같고 x축에 대칭이므로 도심은 중앙입니다. 선 모델에서는 Jline=∫r²dl을 사용하며 단위는 mm³입니다. 이것은 단면적의 극관성모멘트 mm⁴와 다릅니다. 일정한 목두께를 곱하면 Jarea=a·Jline이 되어 면적 모델과 연결됩니다.

각 용접선이 x=±40 mm, y=-50…+50 mm에 있으므로 한 선의 기여는 x²L+L³/12입니다. 따라서 Jline=2[40²·100+100³/12]=486,666.67 mm³입니다. 모멘트에 의한 선하중 벡터는 일관된 좌표계에서 qmx=-M·y/Jline, qmy=M·x/Jline로 쓸 수 있습니다.

예제는 x축을 오른쪽, y축을 위쪽으로 두고 Vy=-12,000 N, 하중점 xload=-150 mm로 정의합니다. 그러면 Mz=xload·Vy=+1.80×10⁶ N·mm입니다. 왼쪽 위 끝점 (x,y)=(-40,+50) mm에서 모멘트 성분은 (qmx,qmy)=(-184.93,-147.95) N/mm이고, 직접 성분 (0,-60.00) N/mm을 더하면 합성값은 278.28 N/mm입니다.

7단계 — 연결된 수치 예제로 강도 이용률까지 닫는다

최대 선하중을 목두께로 나누면 공칭 최대 목응력은 τmax=278.282/4.2426=65.592 MPa입니다. 반대쪽 지배 후보의 응력은 48.27 MPa입니다. AISC 360-22의 기본 필릿용접 용접금속 전단 공칭강도 0.60FEXX와 LRFD 저항계수 φ=0.75만 사용하고 방향성 증가는 사용하지 않으면, 예제 설계응력은 φ·0.60FEXX=217.18 MPa입니다.

계산 단계식결과판정 의미

편심 모멘트M=Ve1.800 kN·m직접전단과 별도 계산

선극관성2(x²L+L³/12)486,666.67 mm³용접군 기하

최대 선하중|qd+qm|278.282 N/mm용접 길이당 요구

최대 목응력qmax/a65.592 MPa공칭 탄성 요구

LRFD 설계응력0.75·0.60·FEXX217.185 MPaE70, 방향성 증가 미사용

용접금속 이용률65.592/217.1850.302예제의 정적 용접금속만 통과

이용률 0.302는 연결부 전체가 안전하다는 뜻이 아닙니다. 이 값은 선택한 AISC LRFD 가정 아래 정적 용접금속 한계상태 하나만 통과했다는 뜻입니다. 브래킷 판의 항복·국부 굽힘, 지지판, HAZ, 피로, 저온 인성, 변형과 검사 가능성은 별도 관문입니다. 하중 V가 사용하중인지 계수하중인지, 두 용접선 길이가 실제 유효길이인지도 계산서 첫 페이지에서 확인해야 합니다.

8단계 — 용접금속 뒤의 모재와 HAZ 한계상태를 확인한다

용접을 크게 하면 요구 선하중에 대한 용접금속 응력은 낮아지지만, 하중이 사라지는 것은 아닙니다. 같은 힘은 브래킷 목부와 지지판으로 들어갑니다. 얇은 브래킷은 용접 토우 부근에서 국부 굽힘하고, 짧은 돌출 길이는 전단 항복 또는 파단을, 좁은 목부는 총단면 항복과 순단면 파단을 지배할 수 있습니다. 지지판이 유연하면 용접군의 하중 분포도 강체판 가정에서 벗어납니다.

HAZ는 하나의 고정 재료가 아닙니다. 모재 조성, 초기 열처리 상태, 입열, 냉각속도, 예열·인터패스 온도와 다층 패스에 따라 미세조직과 경도가 달라집니다. 고강도강에서는 연화가, 경화성 강에서는 수소균열 위험이 문제가 될 수 있습니다. 이 때문에 구조 계산의 강도등급만 보고 용접성을 선언할 수 없고, 승인된 재료 범위와 절차 검증이 필요합니다.

위치확인할 한계상태필요 입력개선 방향

브래킷 목부인장·전단·굽힘, 좌굴판 두께, 폭, 유효길이단면 키우기, 거셋 배치

지지판국부 굽힘, 면외 변형판 두께, 경계 강성백업 보강, 하중선 정렬

용접 인접 모재전단 항복·파단, 국부 파단Fy, Fu, 전단면적길이·두께·끝단 거리 조정

HAZ경화·연화, 수소균열, 인성탄소당량, 입열, 온도 이력예열·소모재·입열 창 관리

두께방향층상 파괴구속, Z방향 특성, 상세수축 방향 완화, 재료·상세 변경

9단계 — 2차 굽힘, prying과 유연한 지지부를 모델에 포함한다

손계산의 용접군은 보통 용접선이 강체 판에 놓였다고 가정합니다. 실제 브래킷이 얇거나 지지판이 휘면 끝점의 상대변위가 달라지고 선하중이 더 집중될 수 있습니다. 면외 하중에서는 압축측 판 접촉이 일부 모멘트를 지지하고, 인장측 용접이 나머지를 받습니다. 접촉이 열리면 중립축과 레버암도 하중에 따라 이동합니다.

Prying은 얇은 플랜지나 엔드플레이트의 변형이 용접 또는 체결부 인장력을 추가로 키우는 현상입니다. 이를 무시하고 외력만 용접에 배분하면 인장측 요구를 작게 평가할 수 있습니다. 먼저 간단한 자유물체도와 판 굽힘 모델로 방향과 크기를 추정하고, 접촉·대변형이 중요하면 비선형 FEA로 옮깁니다.

그렇다고 모든 상세를 처음부터 3D 솔리드로 만들 필요는 없습니다. 판 두께 대비 용접간격, 지지판의 회전강성, 접촉 개폐 여부를 매개변수로 둔 쉘 모델이 하중 경로를 더 잘 보여줄 때가 많습니다. 모델이 복잡해질수록 반력 합, 모멘트 평형과 손계산 선하중을 먼저 맞춰야 합니다.

10단계 — WPS·PQR·작업자 자격을 설계 입력으로 다룬다

설계도면의 비드는 실제 공정이 만들 수 있을 때만 존재합니다. WPS(Welding Procedure Specification)는 공정, 모재·두께 범위, 용가재, 자세, 전류·전압·이송속도, 예열·인터패스 온도, 차폐가스와 패스 방법을 작업 지침으로 고정합니다. PQR(Procedure Qualification Record)은 정해진 시험편과 시험 결과로 그 절차의 성능을 입증합니다. 작업자 자격은 사람이 해당 공정과 자세 범위에서 일관된 용접을 수행할 능력을 확인합니다.

AWS D1.1/D1.1M:2025-AMD1은 구조용 탄소강·저합금강 용접의 절차, 작업자 자격, 제작, 검사와 합격 요구를 다룹니다. 그러나 제품이 압력용기, 배관, 교량, 알루미늄, 철근, 항공우주 하드웨어라면 다른 코드가 지배할 수 있습니다. NASA의 공개 NASA-STD-5006A Change 2도 우주비행 용접의 공정 및 품질보증 요구를 별도로 둡니다. 프로젝트 이름만 보고 코드를 추측하지 말고 계약·법규·인증 경계를 확인해야 합니다.

문서/관리답해야 할 질문설계자가 확인할 연결점

WPS어떤 변수 범위로 용접하는가?재료·두께·자세·입열·접근성과 일치

PQR그 범위가 필요한 성능을 입증했는가?인장·굽힘·충격·경도 등 요구시험

작업자 자격누가 어떤 공정·자세 범위를 수행하는가?현장 자세와 실제 접근 조건

용가재 관리분류·lot·보관·건조가 추적되는가?강도, 수소, 인성 요구

공정기록예열·인터패스·입열이 남는가?HAZ·변형·재작업 원인 추적

보수 절차결함 제거와 재용접을 어떻게 통제하는가?추가 입열·형상·NDT 재검사

11단계 — 입열, 수축과 용접 순서로 변형을 선제 관리한다

용접부는 가열될 때 팽창하지만 주변의 차가운 모재가 이를 구속합니다. 냉각되면서 용접금속과 HAZ가 수축하고, 대칭이 아니면 각변형과 굽힘이 남습니다. 긴 연속 비드, 큰 개선 체적, 한쪽에서만 진행하는 순서는 수축 편차를 키우기 쉽습니다. 완성 후 불로 펴는 작업은 또 다른 열이력과 잔류응력을 만들므로 첫 번째 대책이 될 수 없습니다.

가장 효과적인 순서는 설계 단계에서 시작합니다. 필요한 저항만큼만 용접하고, 가능하면 중립축과 하중선을 정렬하며, 대칭 상세와 양면 접근을 고려합니다. 제작 단계에서는 back-step, skip, 대칭 교대 순서, 적절한 지그와 preset을 검토합니다. 지그를 너무 강하게 잡으면 용접 중 변형은 줄어도 구속 잔류응력이나 균열 위험이 커질 수 있어 절차 검증이 필요합니다.

입열은 흔히 전압·전류·이송속도와 공정 효율의 함수로 관리하지만, 숫자 하나로 HAZ를 완전히 설명하지 못합니다. 패스 수, 비드 단면, 시작·끝, 인터패스 온도, 판 두께와 열싱크가 온도 이력을 바꿉니다. 중요한 상세은 시제품 또는 첫 생산품에서 용접 전·패스 중·용접 후 기준점을 계측해 예측과 비교하십시오.

12단계 — 잔류응력, 인성과 균열 구동력을 별도로 검토한다

냉각 수축이 주변 모재에 구속되면 국부 인장 잔류응력이 생기고, 평형을 맞추기 위한 압축 영역이 주변에 형성됩니다. 잔류응력은 외력이 없어도 존재하며, 외력과 중첩되어 국부 항복과 균열 개폐에 영향을 줍니다. 선형 탄성해석에서 외력 응력만 구한 뒤 “평균응력이 낮으니 피로에 유리하다”고 결론 내리면 as-welded 상세의 인장 잔류응력을 놓칠 수 있습니다.

취성 파괴는 공칭 항복보다 낮은 하중에서도 결함, 높은 구속, 낮은 온도와 불충분한 인성이 겹치면 발생할 수 있습니다. 판이 두껍고 교차 용접으로 구속이 크며 두께방향 인장이 생기는 상세은 재료 인성, 두께효과, 층상 파괴 민감도, 용가재와 HAZ 성능을 함께 검토합니다. 임의의 “안전율” 하나로 이 문제를 정적 전단강도에 흡수시키지 않습니다.

후열처리, 토우 그라인딩, TIG dressing, peening 또는 HFMI 같은 개선법은 목적과 적용 범위가 다릅니다. 잔류응력 완화, 형상 개선, 압축 잔류응력 도입 중 무엇을 목표로 하는지 먼저 정하고, 적용 규격이 허용하는 설계 이득과 품질관리·검사 요구를 따라야 합니다. 보수용접은 결함을 제거하는 동시에 새 열이력과 토우를 만들기 때문에 보수 횟수와 재검사를 관리합니다.

13단계 — 피로는 토우·루트와 응력 정의를 같은 체계로 맞춘다

용접 피로에서는 용접금속의 높은 인장강도가 수명을 같은 비율로 늘려주지 않습니다. 토우의 형상 불연속, 루트의 미용입부, 초기 결함과 인장 잔류응력이 균열 시작을 지배할 수 있기 때문입니다. 따라서 최대 von Mises 응력 하나보다 어디에서 어떤 방향으로 균열이 시작하며, 선택한 상세등급에 대응하는 응력범위가 얼마인가를 먼저 정해야 합니다.

예제 하중이 2 kN에서 12 kN 사이를 반복하고 선형 탄성이라면 응력도 하중에 비례합니다. σmax=65.592 MPa, σmin=10.932 MPa, Δσ=54.660 MPa입니다. 설명을 위해 2×10^6회에서 80 MPa인 곡선과 기울기 m=3을 임시로 쓰면 N=2×10^6(80/54.660)^3≈6.27×10^6회입니다. 실제 설계에서는 토우/루트, 하중 방향, 판 두께, 용접 형상, 개선처리, 환경, 안전계수와 절단한계를 반영해 적용 규격의 상세등급을 선택합니다.

방법사용 응력형상 포함 범위주의점

공칭응력부재의 공칭 범위상세등급이 국부 효과를 포함등급 정의와 응력 산정 위치 일치

구조 핫스폿토우 근처 외삽 구조응력전체·구조 불연속 포함, 국부 노치 제외외삽점·요소·메시 규칙 준수

유효 노치응력가상 노치 반경의 국부 응력규정된 노치 형상 포함실제 날카로운 루트 피크와 혼동 금지

파괴역학응력확대계수·균열성장률초기균열과 성장 경로 명시검사 검출한계·재료 데이터 필요

부품시험실제 하중·응답제작 산포와 잔류응력 포함 가능대표성·표본수·통계적 근거 필요

IIW Commission XIII은 공칭응력, 구조 핫스폿, 노치와 개선기법을 포함한 용접 피로 권고를 발전시키고 있습니다. 변동진폭 하중은 rainflow 등으로 범위를 집계하고, 각 범위의 허용수명과 실제 반복수를 사용해 Miner 손상 D=Σni/Ni를 계산할 수 있습니다. 다만 하중 순서, 부식과 균열폐쇄가 중요한 경우 단순 선형 누적의 한계를 기록해야 합니다.

14단계 — 결함, 품질수준과 피로등급을 같은 말로 쓰지 않는다

언더컷, 오버랩, 기공, 슬래그 혼입, 융합불량, 용입불량과 균열은 위치·방향·크기에 따라 서로 다른 영향을 줍니다. 표면 토우의 작은 형상 결함은 피로에 민감할 수 있고, 하중에 수직인 평면 결함은 체적성 기공보다 파괴 구동력이 클 수 있습니다. “결함 개수”보다 균열과 같은 방향성 불연속의 크기와 위치가 중요합니다.

ISO 5817:2023은 강·니켈·티타늄 및 그 합금의 융합용접 불완전부에 B, C, D 품질수준을 정의하며 B가 가장 엄격합니다. 이 수준은 제작과 양호한 작업 품질에 관한 체계입니다. 품질수준 B를 지정했다고 특정 피로등급이나 검사법의 합격레벨이 자동으로 보장되는 것은 아닙니다. 실제 피로 요구와 연결하려면 상세·응력·결함 종류를 기준으로 별도 평가해야 합니다.

도면에 “결함 없어야 함”이라고 쓰는 것은 검사 가능한 요구가 아닙니다. 적용 표준, 용접 종류와 구간, 검사 시점, 방법, 범위, 평가·합격 기준, 표면 상태, 보수 후 재검사와 기록 보존을 명시해야 합니다. 균열은 일반적으로 허용되지 않지만, 다른 불완전부의 합격 여부는 적용 코드와 서비스 조건에서 판정합니다.

15단계 — NDT는 보려는 결함과 검출확률에 맞춰 계획한다

육안검사(VT)는 이음 준비, 맞춤, 패스간 상태와 완성 형상을 확인하는 출발점입니다. 침투탐상(PT)은 비다공성 재료의 표면 개구 결함, 자분탐상(MT)은 강자성 재료의 표면·근표면 불연속에 유리합니다. 초음파탐상(UT)은 적절한 두께와 형상에서 내부 평면성 결함의 위치·크기 평가에 강점이 있고, 방사선탐상(RT)은 체적성 내부 불연속을 영상화하는 데 유리하지만 결함 방향, 접근, 방사선 안전과 두께에 제약이 있습니다.

ISO 17635:2025는 금속 용접부의 NDT 방법을 품질 요구, 재료, 두께, 공정과 검사 범위에 따라 선택하고 결과를 평가하는 일반 규칙을 제공합니다. 이 표준은 NDT 합격레벨이 ISO 5817 품질수준의 직접 번역이 아니며, 일반적 연계만 가능하다고 명시합니다. 따라서 “품질 B이므로 UT level X”처럼 자동 변환하는 표를 근거 없이 만들면 안 됩니다.

방법강점대표 한계계획서 핵심

VT형상·표면·접근성, 전 공정 적용내부 건전성 직접 확인 불가조도·거리·게이지·시점

PT비자성 포함 표면 개구 결함세정·표면 상태, 다공성 재료 부적합침투·현상 시간, 온도, 세정

MT강자성 표면·근표면, 빠른 검사비강자성 재료 불가, 방향 민감자화 방향, 자계, 탈자

UT/PAUT내부 평면 결함, 위치·크기형상·얇은 두께·조직, 숙련도스캔계획, 기준시험편, 캘리브레이션

RT체적성 결함 영상·기록평면 결함 방향, 양면 접근·안전기하학적 감도, IQI, 방사선 통제

16단계 — FEA는 전역 하중 경로와 국부 응력을 단계적으로 검증한다

FEA의 첫 목적은 화려한 토우 응력 그림이 아니라 반력과 하중 경로를 검증하는 것입니다. 1단계 선·쉘 모델에서 V=12 kN, M=1.80 kN·m와 용접군 선하중 분포를 손계산과 맞춥니다. 2단계에서는 판 유연성, 면외 굽힘과 접촉을 포함해 구조응력 또는 핫스폿 응력을 구합니다. 3단계 국부 솔리드는 루트·토우 형상, 실제 목, 간극과 접촉이 필요한 질문에만 사용합니다.

모델 수준답할 질문최소 검산부적절한 사용

선/빔 용접전역 힘·모멘트, 그룹 분담반력합, q=V/ΣL+Mr/J토우 피로 피크 판정

쉘 연결판 굽힘, 구조응력, 유연성두께·오프셋·용접선 강성 민감도루트 미용입의 실제 형상

국부 솔리드목, 루트/토우, 접촉·노치서브모델 경계, 요소 형상, 수렴단일 절점 최대값을 허용응력과 비교

열–구조 순차온도이력, 변형, 잔류응력비드 단면·열원·온도/변형 계측미보정 열원으로 절대값 단정

피로 평가량은 선택한 방법과 동일해야 합니다. 공칭 FAT 곡선에 날카로운 토우의 원시 최대 주응력을 넣거나, 핫스폿 곡선에 노치 형상을 중복 포함하면 보수성의 크기조차 알 수 없습니다. Ansys의 공식 WeldHotSpot 설명처럼 토우에서 떨어진 2점 또는 3점의 표면 응력을 외삽하는 방법도 규정된 오프셋·메시 규칙을 따라야 합니다.

수렴은 결과마다 따로 봅니다. 반력과 변위가 먼저 수렴하고, 용접선 합력·구조응력·핫스폿 외삽값이 안정되는지 확인합니다. 이상적인 날카로운 모서리의 절점 피크는 수렴하지 않을 수 있으므로 그것을 모델 품질의 합격 기준으로 두지 않습니다. 재료 비선형, 접촉, 대변형을 켜면 하중 증분, 에너지, 접촉 상태와 평형 오차도 함께 기록합니다.

17단계 — 실행 가능한 코드와 검토표로 계산을 재현한다

아래 코드는 용접선을 작은 요소로 나누지 않고 두 직선의 적분값으로 계산합니다. 좌표와 부호를 입력에 명시하고, 직접 성분과 모멘트 성분을 각 끝점에서 벡터 합성합니다. 출력은 본문 표와 동일해야 합니다.

from math import sqrt z = 6.0 # fillet leg, mm a = z / sqrt(2.0) # 90-deg equal-leg throat, mm L = 100.0 # each vertical weld line, mm x_weld = 40.0 # weld-line offset from centroid, mm V_y = -12_000.0 # downward force, N x_load = -150.0 # load point left of centroid, mm F_EXX = 70.0 * 6.894757293168361 # 70 ksi to MPa sum_L = 2.0 * L J_line = 2.0 * (x_weld**2 * L + L**3 / 12.0) M_z = x_load * V_y q_direct_y = V_y / sum_L points = [(-x_weld, -L/2), (-x_weld, L/2), ( x_weld, -L/2), ( x_weld, L/2)] result = [] for x, y in points: q_mx = -M_z * y / J_line q_my = M_z * x / J_line q_y = q_direct_y + q_my q = sqrt(q_mx**2 + q_y**2) result.append((q / a, x, y, q_mx, q_y)) tau_max, x, y, q_x, q_y = max(result) phi_Rn_stress = 0.75 * 0.60 * F_EXX utilization = tau_max / phi_Rn_stress tau_min_cycle = tau_max * (2.0 / 12.0) delta_tau = tau_max - tau_min_cycle life_demo = 2.0e6 * (80.0 / delta_tau)**3 print(f"a = {a:.4f} mm, Jline = {J_line:.2f} mm^3") print(f"critical = ({x:.0f}, {y:.0f}) mm") print(f"q = ({q_x:.2f}, {q_y:.2f}) N/mm") print(f"tau_max = {tau_max:.3f} MPa") print(f"LRFD utilization = {utilization:.3f}") print(f"demo fatigue life = {life_demo:.0f} cycles")

예상 출력은 a=4.2426 mm, Jline=486666.67 mm³, 지배점 (-40,+50) mm, 선하중 벡터 (-184.93,-207.95) N/mm, τmax=65.592 MPa, 이용률 0.302, 설명용 피로수명 6,270,427회입니다.

검토 관문질문남겨야 할 증거

하중작용선·조합·반복범위·온도가 명확한가?자유물체도, 하중표, 원천자료

기하유효목·길이·도심·끝단과 접근성이 맞는가?치수도, 용접기호, 계산 좌표

강도용접금속뿐 아니라 모재·HAZ·지지판을 봤는가?한계상태별 이용률

피로·파괴균열 위치와 응력 정의가 등급과 일치하는가?상세분류, 스펙트럼, 수명/손상

제작승인 절차로 접근·순서·입열·보수가 가능한가?WPS/PQR, 자격, 공정기록

검사예상 결함을 필요한 확률로 검출할 수 있는가?ITP/NDT 절차, 합격기준, 보고서

해석평형·손계산·메시·응력 정의가 검산됐는가?모델 가정, 수렴표, 상관 결과

운영검사 접근·보수·수명 피드백이 가능한가?기준선, 검사주기, 이력관리

18단계 — 최종 설계는 계산서, 도면, 공정과 검사계획이 같은 상세를 말해야 한다

좋은 용접부는 큰 비드가 아니라 짧고 직접적인 하중 경로, 피로에 불리하지 않은 형상, 제작 가능한 접근, 관리 가능한 입열과 검사 가능한 표면을 가진 상세입니다. 이 예제의 정적 용접금속 이용률은 낮지만, 그것만으로 브래킷을 승인하지 않았습니다. 모재와 지지판, 변형, HAZ, 토우·루트 피로, 인성, NDT와 FEA가 각각 어떤 질문에 답하는지 분리했습니다.

실무에서는 계산서의 용접선 좌표, 도면의 용접기호, WPS의 패스와 접근 방향, 검사계획의 구간번호가 서로 추적되어야 합니다. 현장에서 상세가 바뀌면 계산만 수정하거나 도면만 수정하지 말고 네 문서를 함께 갱신합니다. 이 추적성이 있어야 결함의 원인, 보수 영향과 운전 중 균열을 다음 설계에 되돌릴 수 있습니다.

최종 판단: 손계산은 하중 경로와 크기를, FEA는 유연성·접촉·국부장을, 절차시험과 NDT는 실제 제작품을 검증합니다. 세 결과가 같은 파손모드와 같은 좌표계를 가리킬 때만 서로를 보완합니다.

공식 자료와 추가 학습

AISC — ANSI/AISC 360-22, Specification for Structural Steel Buildings: 유효 용접면적, 필릿용접 강도와 구조용 강재 연결부 설계의 적용 기준.

AWS — D1.1/D1.1M:2025-AMD1, Structural Welding Code—Steel: 구조용 강재의 설계·절차/작업자 자격·제작·검사 체계.

IIW Commission XIII — Fatigue of Welded Components and Structures: 공칭, 핫스폿, 노치와 용접 피로 개선 권고의 범위.

ISO 5817:2023: 융합용접 불완전부의 B/C/D 품질수준과 적용 범위.

ISO 17635:2025: 금속 용접부 NDT 방법·시험레벨·합격레벨 선택의 일반 규칙.

ISO/TS 20273:2017: 용접 품질 요구와 피로강도의 관계를 설정하기 위한 지침.

NASA-STD-5006A w/Change 2: 우주비행 하드웨어 용접의 공정 및 품질보증 요구 사례.

Ansys Mechanical — weld hot-spot solution settings: 솔리드 표면응력 외삽과 핫스폿 설정의 소프트웨어 구현 예.

교육용 주의: 이 글의 수치 예제는 설계 논리를 재현하기 위한 것이며, 특정 제품의 승인 계산서가 아닙니다. 실제 설계는 관할 법규, 계약 규격의 정확한 판본, 인증 재료값, 하중조합, 제작 절차와 검사계획을 책임 엔지니어가 확인해야 합니다.