기술자료: 조선분야에서 용접기술의 적용
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조선분야에서 용접기술의 적용 대우조선해양㈜ Global Operation Center 전무 한용섭 Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering Co.,Ltd Global operation center Executive Vice President Han, Yongseop |
Ⅰ서론
1973년 현대중공업의 준공과 더불어 본격적으로 발전을 시작한 국내 조선산업은 1975년 세계 시장의 1.5%만 차지하였으나 1995년 시장 점유율 22%로 비약적인 성장을 하였다. 용접기술은 조선 생산에서 대표적인 생산기술의 하나이다. 일반적으로 조선 건조작업은 5% 부재 제작, 48~50% 선각 조립, 30~35% 의장, 9~12%의 도장 및 기타 3%로 구성되며, 이들 각각의 작업 중 25~28%가 용접작업이다. 따라서 조선에 있어서 용접기술은 건조공수 면에서 뿐만 아니라, 선박의 기본 품질성능의 확보 면에서도 중요한 위치를 차지하고 있다. 용접기술은 크게 용접의 가능성 여부, 즉 금속학적인 측면이 강조되는 용접성, 구조 강도학적으로 내구성 측면이 강조되는 용접구조물 설계, 용접능률 측면이 강조되는 용접생산성으로 나눌 수 있다. 국내 조선소의 경우 10년 전만 하여도 용접성이 중시되어 이 분야에 대한 연구가 많이 수행되어 왔다. 그러나 1986~1987년을 기점으로 하여 용접생산성 면이 강조되기 시작하였다. 즉, 용접 작업 시 능률의 향상과 작업 비용 절감을 위한 합리화, 성력화에 대한 관심이 높아졌으며, 기술 개발도 이 분야에 집중되었다. Ⅱ 조선의 용접기술 현황 1. 선박 구조 및 건조 단계 선박의 구조는 외형상 크게 곡선 부분이 많은 선수, 선미 부분과 직선 부분이 많은 중앙부로 나누어지며, 세부 구조적으로는 외판과 외판을 보강하는 종방향 골재(longitudinal 골재)와 횡방향 골재(transverse 골재)로 구성된다. 외판과 종골재 및 횡골재와의 조합에 의해 입체 형태로 구성되는 기본 조합을 블록(block)이라 부르며 이들 블록들을 조립하여 최종 선박이 완성된다. 선박의 건조 과정은 각각의 작업 구성요소에 따라 다음과 같이 나눌 수 있다 (1) 절단 가공 : 제철 회사에서 공급된 철판을 부재 형태에 따라 절단하는 작업이다. 절단 방법으로는 플라즈마 절단, 가스절단 방법이 많이 사용되며, 최근에는 레이저 절단도 일부 시도된다. (2) 소조립 단계 : 평판에 단순한 형태의 골재를 취부하는 정도의 소규모 조립이며 작업물의 크기는 약 5~10ton 정도이다. (3) 중조립 단계 : 소조립이 완료된 것을 평면 형태로 조립하는 과정이며 작업물의 크기는 약 50ton 정도이다. (4) 대조립 단계 : 중조립에서 완성된 작업물을 입체적으로 조립하는 과정으로 작업물의 크기는 약 100~250ton 정도이며, 작업은 공장 내 혹은 옥외에서 이루어진다. (5) 탑재 단계 : 대조립 단계에서 완성된 블록을 대형 크레인에 의해 도크 혹은 선대에서 최종 선박의 형태로 조립하는 단계이다. 2. 선박 건조에 적용되는 주요 용접방법 선박건조에 사용되는 용접방법은 일반적으로 수동용접법이라 말하는 피복아크용접법(shielded metal arc welding) 및 CO₂ 보호가스 용접에서부터 최근 일부 연구소에서 시험중인 레이저 용접에 이르기까지 매우 다양하다. (1) 피복아크용접(SMAW): 1984년까지 국내 조선소에서 가장 많이 사용된 용접법이며, 아직도 일부 중·소형 조선소나 철구조물 제작 공장에서 사용되고 있다. 용접기의 가격이 저렴하고, 용접봉 및 용접토오치의 취급이 용이하다는 장점은 있으나, 사용 용접전류 밀도가 낮고, 용접봉을 수시로 교체하기 때문에 용접능률이 매우 낮은 단점이 있다. 현재 국내 대형 조선소의 경우 사용율이 5% 이하이다. (2) 그래비티 용접법(gravity 용접법): 용접원리는 피복아크용접와 같으나, 용접봉을 고정시킬 수 있는 간단한 치구를 이용하여 한 사람이 5～10개 정도의 용접봉을 사용하는 방법이다. 사용하는 용접봉은 용접능률을 높이기 위해 철분산화계의 피복플럭스를 적용하고 있다. 본 용접법은 용접능률이 높아 국내 대형 조선소의 경우 전체 용접량의 20% 정도 사용되고 있다. 그러나 이 방법은 아크 빛이 강할 뿐만 아니라 용접연기도 많이 발생하여 작업환경이 나쁜 단점을 갖고 있다. (3) CO₂ 보호가스 용접: 보호가스를 이용하여 용접하는 GMAW(gas metal arc welding)의 일종으로 CO₂가스를 보호가스로 사용하는 용접법이다. CO₂용접법에 사용되는 용접재료는 일반 선재 형태인 솔리드 와이어(solid wire) 와 플럭스 코어드 와이어 (FCW) 두 종류가 사용되고 있으나, 국내 조선소의 경우 약 90%이상이 FCW를 사용하고 있다. 보호가스로는 한국이나 일본에서는 대부분 CO₂가스를 사용하고 있으나, 유럽에서는 Ar 가스를 혼합하여 사용하고 있다. 최근에는 용접능률을 향상시키기 위하여 용접재료로는 솔리드 와이어를 사용하고 보호가스로는 Ar, CO₂, O₂및 He가스를 첨가한 다원계 보호가스 용접법도 사용하고 있다. 일본 조선소의 경우 1960년경부터 도입한 곳도 있었으나, 용접기가 고가이고, 용접부 외관 형상도 나빠 적용되지 않았다. 그러나 1970년대 말부터 용접성이 양호한 세경 FCW가 개발되어 사용량이 확대되었다. 국내 조선소의 경우도 1984년부터 CO₂용접의 사용량이 증가하여, 1987년부터는 전체의 약 60% 까지 사용되고 있다. 도입 초기에는 솔리드 와이어를 사용하였으나, 최근에는 대부분 FCW를 사용하고 있다. FCW를 이용하는 용접법으로는 보호가스를 사용하지 않는 자체 보호 플럭스 코어드 용접법도 있으나 국내에서는 용접 작업성이 나빠 도입 초기에만 사용되고 초근에는 적용되지 않게 되었다. (4) 서브머지드 아크 용접 (SAW): 조선 작업에 적용되는 부위는 길이 3～4 m 이상 철판 두 장을 용접하여 1장의 평판으로 만드는 용접부이다. 사용 용접전류가 높기 때문에 용접능률은 매우 우수하나, 용접 시 분말 형태의 플럭스를 도포하기 때문에 용접자세가 하향에 국한되어 적용 부위는 제한된다. 조선 용접의 약 10% 내외를 차지하고 있다. 이 기법은 조선소들의 규모 및 설비 형태에 따라 SAW 양면용접(single wire 사용 혹은 tandem wire 사용), FCB(flux copper backing), FAB(flexible asbestos backing) 등을 이용한 편면용접 등으로 구분되어 사용되고 있다. (5) 일렉트로 가스 용접(EGW): 수직의 철판을 맞대기 용접하는 고능률 용접기법으로 보호가스 용접인 GMAW의 변형된 기법이다. 와이어로는 솔리드 와이어와 FCW가 사용되며, 조선용접의 경우 플럭스 코어드 와이어가 사용된다. 두꺼운 철판을 한 층으로 용접이 가능하기 때문에 주로 탑재 단계에서 블록외판을 용접하는 곳에 적용된다. 그러나 용접 준비시간이 많이 소요되기 때문에 4m 이상의 용접부에만 적용된다. 수직용접부, 특히 데크부의 후판 종방향 골재의 맞대기 이음부에는 한때 일렉트로 슬레그법이 적용되었으나 준비 작업의 어려움 및 용접부 기계적성질의 문제점 때문에 현재 조선소에서는 거의 적용되지 않는다. (6) 가스 텅스텐 아크 용접법 (gas tungsten arc welding): 본 용접법은 모재와 비소모성인 텅스텐 용접전극 사이에 아크를 일으키고 소모성 용접재료를 부가적으로 공급하여 용접하는 방법이다. 적용되는 곳은 주로 파이프 형태의 용접부이며, 일부 얇은 판재의 용접에도 적용된다. LNG 선박 중 membrane type의 선박의 경우 액체 LNG 저장창고로 invar steel이나, stainless steel 등의 재료가 사용되는데, 이들 재질의 용접시 이 용접방법이 사용된다. 3. 조선용 강재 선박 건조에 사용되는 강재는 일반 KS규격, 혹은 JIS규격과 달리 각국 선급 협회에서 규정한 규격의 제품을 사용하여야 한다. 표 2.2.1에는 한국선급협회(KR)에서 규정한 강재의 대표적인 분류를 간단히 나타내었다. 강재는 먼저 강도에 따라 연강과 고장력강으로 구분되며, 같은 강도급에서는 충격인성에 따라 다시 분류된다. 즉 도표 중에서 RA와 RA32 및 RA36은 인장강도 및 항복강도에 따른 분류이며, RA32와 RD32는 충격시험 온도에 따른 분류이다. 이 표에 나타낸 강재 이외에도 RA40 등의 강재가 있으나, 비교적 사용 빈도가 낮기 때문에 포함시키지 않았다. 이러한 분류 방법은 외국의 선급협회에서도 기본적으로 적용되며, 모든 강재는 우수한 용접성을 보증하기 위하여 화학성분 중 탄소와 망간의 함유량을 주로 규제하고 있다.  4. 선체 중앙 블록의 주요 용접시공 방법 소위 판넬블록이라 불리는 평블록의 주판 용접부에는 SAW법이 사용되고 있다. 본 용접이 도입된 초기에는 판재의 양면을 용접하는 것을 원칙으로 하였으나, 1964년부터 편면용접이 개발되어 적용되었다. 일본의 경우 대부분 조선소가 FCB편면용접을 적용하고 있으나, 국내 조선소의 경우 오히려 양면용접을 대부분 적용하고 있다. 용접능률을 높이기 위해 동시에 2개 혹은 4개 와이어를 사용하는 방법도 개발되어 적용되고 있다. 평블록과 달리 곡블록의 주판에는 FAB편면용접이 적용된다. 주판에 종골재가 조합되는 수평 필렛 용접부는 그래비티용접 혹은 기계화된CO2 용접이 사용되고 있다. 소조립 단계에서 제작되는 내부재의 용접 시에는 수평 필렛 용접부위는 그래비티 용접 혹은 간이 자동용접기가 사용된다. 수직 필렛 용접부는 CO2 용접이 사용되며, 판재의 맞대기 용접부에는 SAW 및 CO2 양면 (혹은 편면)용접이 많이 사용된다. 일부 자동화된 조선소의 경우 용접 로봇을 이용하여 전체 필렛 용접부를 용접하기도 한다. 블록과 블록이 용접되는 수직 맞대기용접부에는 EGW 법이 적용된다. 이 용접부는 효율적인 용접을 위해 용접사 및 장비를 이동시키기 위한 수직 곤도라를 사용한다. 횡방향 격벽의 수직 맞대기 용접부 경우 한때 일렉트로슬래그 용접이 적용되기도 하였으나, 고입열에 따른 낮은 인성 및 용접 종단부의 수정처리에 공수가 많이 소요되어 거의 사용되지 않고 있다. 데크부와 데크부가 접합되는 맞대기 부분에는 CO₂용접과 SAW 방법의 혼합용접이 적용되고 있다. 이 경우 초층은 CO2 용접이 사용되며, 나머지 부분은 SAW방법이 사용된다. 탑재 용접에서 문제되고 있는 곳은 수평 맞대기 용접부이다. 현재 거의 대부분 수동 CO₂용접이 사용되고 있으나, 생산능률을 높이기 위해서는 기계화 혹은 자동화 방법이 요구된다. 대조립 혹은 탑재 과정 중 설치되는 파이프, 배관 등의 의장 제품 등은 몇 년전만 하여도 피복아크용접법이 많이 사용되었으나, 최근에는 대부분 CO2 용접이 사용되고 있다. Ⅲ 국내외 용접기술 적용 전망 국내 용접기술은 조선산업의 성장과 더불어 많은 기술 발전을 하여왔다. 몇 년전까지는 주로 금속학적인 관점에서 용접기술 개발을 수행하였으나, 최근에는 용접 생산성의 향상 및 작업 환경 개선을 위한 용접기계화 및 자동화에 대한 연구 개발을 수행하고 있다. 주로 수행되고 있는 연구 분야로는 용접용 대차를 이용한 간이자동화, 전용 장치에 의한 용접자동화, 용접 로봇화 등을 들 수 있다. 용접용 토치를 간이 이동용 대차에 부착하여 간단히 용접을 수행하는 간이 자동용접기는 투자비가 적게 필요하고, 투자 효과가 즉시 나타나기 때문에 국내외 조선소에서 활용 대수가 급격히 증가하고 있다. 그러나 지금까지 개발된 간이 용접기는 90%이상이 수평 필렛 용접부에만 적용되며, 맞대기 이음부에는 적용이 한계가 있어 전체 생산성 향상에는 제한을 받고 있다. 따라서 간이 자동용접기를 통해 용접생산성을 향상시키기 위해서는 수직자세나 혹은 맞대기 이음부에도 적용이 가능한 자동용접기의 개발이 필요하다. 조선의 평블록의 용접에는 대형 평판 맞대기 용접용 탄뎀 SAW자동용접 장치, 종골재용접용 전용 필렛용접 장비 등의 전용 자동용접 설비 등이 대형 조선소에 적용되고 있다. 주판 용접장치로는 국내의 경우 2, 3전극을 이용한 양면 용접법이 적용되며, 일본 등 선진 조선소의 경우에는 3-4 전극을 이용한 편면용접법이 적용된다. 종골재 필렛 자동용접 장치는 10-20개의 전극을 이용하여 5개 또는 그 이상의 종골재를 동시에 용접이 가능하게 구성되어 있다. 용접재료로는 금속분말계의 플럭스 코어드 와이어가 대부분 사용되고 있으나, 일부 조선소에서는 솔리드 와이어와 CO₂와 Ar 가스를 혼합한 보호가스를 이용한 용접도 적용된다. 조선에 있어서 용접로봇의 채용은 1981년부터 대형 조선소에서 조선소의 초 근대화의 목적으로 연구가 시작되었다. 그러나 용접로봇 기술의 급격한 향상에도 불구하고 조선소에 적용은 제한을 받았다. 그 이유는 일반 산업과 달리 조선의 작업 대상물은 대형이어서 로봇을 작업장소까지 이동시키는 고도의 제어 기능이 포함된 대형 구조물이 필요하기 때문이었다. 일본의 경우 1993년까지 130여대의 로봇이 생산현장에 적용되었으며, 사용 대수는 매년 증가되고 있다. 국내의 경우 1995년부터 대조립 및 소조립에 로봇 시스템이 외국으로부터 도입되어 적용되기 시작했으며, 국내에서는 1998년부터 자체 개발한 로봇이 적용되었다. ■ 참고문헌 ■ 문의처: 대우조선해양(주) ☎ 02-2129-0261~2 |
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