선박 및 해양플랜트와 같은 산업에서 쓰이는 대형 구조물은 구조물 접합을 위해 용접 공정을 거쳐 제작된다. 용접 공정 시 용접부는 용접열원에 의해 연속적인 가열과 냉각 과정을 반복하며 용접부 전체에 불균일한 온도분포를 발생시키며 용접부를 인근의 부재가 구속하면서 상온 상태에서 용접잔류응력이 발생하게 된다.
용접잔류응력은 용접부 근처에서 취성 균열 및 피로, 응력 부식 균열 등을 발생시켜 구조물 안전에 해로운 작용을 하며 반복적인 열 사이클로 인하여 용접부재가 취약해지게 된다.
이러한 용접잔류응력을 정량적으로 평가하기 위하여 X선 회절법, 중성자 회절법, 자기적 방법, 초음파를 이용한 방법 등 다양한 계측 방법들이 적용되어져 오고 있다. 하지만 내부 용접잔류응력을 측정하기 위해서는 초음파를 이용한 방법 이외의 계측 방법들은 재료에 적용하기위한 일련의 제약 조건을 가지고 있다.
본 연구에서는 용접잔류응력을 평가하기 위해 초음파현미경의 V(z)곡선법을 사용하였다. V(z)곡선법은 재료 내부로 누설탄성표면파를 입사시킨 후, 반사되어오는 파의 속도 변화를 재료 내부에서 진행한 거리에 따라 나타낼 수 있는 방법이다.
초음파 음속을 이용하여 응력을 평가하기 위해서 응력의 변화가 있는 재료에 음파를 전파시키면 음파 속도가 변화한다는 것에 기초한 이론인 음탄성효과를 사용하였다.
용접 잔류응력은 입열에 의한 열응력이 주된 요인이므로, 용접입열에 관한 공정 변수인 용접 전류를 120A, 140A, 160A로 각각 용접하여 시험편을 준비하였고, 인장 시험을 실시하여 인장 변형 전후의 누설탄성표면파 속도를 측정하였다. 그 결과 용접 열영향부에서 초음파 음속의 급격한 변화가 측정되었고, 이 속도 값을 이용해 음탄성 상수들을 계산하면 재료 전반에 걸쳐 잔류응력이 작용하고 있다는 것을 알 수 있었다.
이를 통해 인장력이 가해졌을 때 전류별 응력과 누설탄성표면파 속도와의 관계를 살펴보면 용접 전류가 낮을수록 잔류 응력은 증가하고 누설탄성표면파 속도는 높아지는 경향이 나타났다. 이 결과에 대한 미세조직 분석으로 초음파현미경의 이미징원리를 이용하여 용접 열영향부의 미세조직을 관찰하였고, 이 결과에서도 용접 열에 의한 결정립의 변화는 용접 전류가 클수록 조대해짐을 알 수 있었다. 결론적으로 용접잔류응력의 평가에 초음파현미경을 이용은 매우 유용함을 알 수 있었다.