용접을 하면 왜 철이 수축할까
금속에 열을 가하면 치수가 줄어드는 것이 아니라, 오히려 팽창합니다. 다만 용접에서는 열을 가한 뒤 냉각되는 과정에서 최종적으로 수축하기 때문에 치수가 줄어드는 것처럼 보입니다.
열을 가하면 왜 팽창할까?
금속은 원자들이 규칙적으로 배열된 구조를 가지고 있습니다.
열을 가하면 다음과 같은 현상이 일어납니다.
- 원자의 진동이 커집니다.
- 열에너지를 받은 원자들은 더 크게 진동합니다.
- 원자 사이 평균 간격이 증가합니다.
- 진동이 커질수록 원자 간 평균 거리가 약간 늘어나면서 금속 전체의 길이와 부피가 증가합니다.
- 이것이 열팽창(Thermal Expansion)입니다.
예를 들어 1m 길이의 연강을 100°C 정도 가열하면 약 1.2mm 정도 길어집니다.
그런데 용접 후에는 왜 치수가 줄어들까?
용접은 매우 국부적으로 1,500°C 이상까지 가열됩니다.
과정은 다음과 같습니다.
① 가열 ───────────── ■■■■□□□□■■■■ ↑ 용접부 팽창 ↓ ② 용융 ↓ ③ 냉각 ───────────── ■■■■◀■■▶■■■■ 수축 ↓ ④ 최종 ───────────── ■■■■■■■■■■■■ 전체 길이가 약간 짧아짐
용접부는 녹을 만큼 크게 팽창하지만 주변 모재가 이를 구속하고 있기 때문에 자유롭게 늘어나지 못합니다.
냉각되면 용접금속은 원래 길이보다 더 강하게 잡아당기며 수축하고, 이 힘이 주변 모재까지 끌어당겨 잔류응력(Residual Stress)과 용접수축(Weld Shrinkage)이 발생합니다.
왜 원래 길이로 돌아오지 않을까?
이것이 가장 중요한 이유입니다.
고온에서는 금속의 항복강도(Yield Strength)가 크게 감소합니다.
- 가열 중에는 금속이 쉽게 소성변형됩니다.
- 냉각 후에는 그 변형이 그대로 남습니다.
- 따라서 일부 변형은 탄성적으로 복원되지 않아 영구적인 치수 감소가 발생합니다.
즉,
가열 → 팽창 → 냉각 → 수축 과정에서 고온 소성변형이 발생하기 때문에 최종 치수가 원래보다 작아지는 것입니다.
핵심 정리
- 열을 가하면 → 원자 간격이 증가하여 팽창한다.
- 냉각하면 → 원자 간격이 줄어 수축한다.
- 용접에서는 고온 소성변형과 주변 모재의 구속 때문에 냉각 후 원래 치수보다 더 작아지는 영구 수축이 발생한다.
- 이 현상이 용접 시 발생하는 가로 수축, 세로 수축, 각변형(Angular Distortion), 잔류응력의 근본 원인이다.
