기술자료: 알루미늄 선박의 용접공정 적용 실태 및 신공법 적용
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해양레저 장비(알루미늄 선박)관련 용접공정 적용 실태 및 신공법 적용

중소조선연구원 해양레저장비개발센터/기업지원팀 선임연구원 최준웅
Research Institute of Medium&Small Shipbuilding Marine Leisure Equipment Center Senior Researcher Jun-Woong, Choi
1. 서언
최근 국내외적으로 환경규제가 강화되면서 소형선의 경우 FRP선의 폐선처리가 문제시되면서 알루미늄선에 대한 관심이 고조되고 있다. 이러한 알루미늄선의 건조는 철강재 등 여러 재료에 비해 알루미늄은 비강도가 높아 경량화에 의한 고속화가 가능하고 높은 내식성에 의한 유지보수가 용이하며, 폐선시 재활용이 가능하여 환경 친화적이라는 이점이 있기 때문이다.
한편, 유럽, 호주, 일본 등의 선진국에서는 이미 십 수년 전부터 자원의 재활용을 통한 환경문제에 적극적으로 대처하고자 관공선을 비롯하여 어선에 이르기까지 소형선박을 알루미늄제로 건조할 것을 권장하여 건조 실적도 매년 지속적으로 증가하는 추세이며, 알루미늄선의 선형, 건조공법, 용접시공법 개발 등의 관련 연구도 활발히 수행하고 있다.
하지만, 우리나라는 1980년대 초 일부 조선소에서 경비정을 수 척 건조한 실적은 있으나, 이후 지속적인 물량 창출이 이루어지지 않아 관련 기술이 단절된 상태이다. 이로 인해 알루미늄선을 건조할 수 있는 조선소는 최근 3-4개 업체에 불과하며, 대부분의 건조기술은 외주 업체에 의존하여 알루미늄선을 건조함으로써 자체 기술력 축적과 기술개발은 기대하기 힘든 실정이다. 또한, 선체를 용접할 수 있는 전문 용접 기술자도 국내에 20여명 남짓한 것으로 조사되어 향후 선체 용접기술자 양성도 시급하다.
이에 본 보고에서는 우리나라 알루미늄선의 건조 실태와 특성을 간단히 살펴보고, 알루미늄선의 구조와 시공상의 주요 고려사항을 정리였다.

2. 알루미늄선 건조실태
국내 알루미늄선 보급은 1980년대 대형조선소의 특수선 사업부를 중심으로 대형 LNG 선의 탱크용재 등과 함정, 순시정 등의 상부구조물을 알루미늄으로 건조한 실적이 있으나, 지속적인 물량부족과 간접경비의 과다로 생산이 중단되고 기술인력이 분산 소멸되어 기술이 단절된 실정이다.
하지만 최근 국제적으로 환경규제가 강화되고 자원재활용에 대한 관심이 고조되면서 최근 정부가 소형관공선을 FRP제에서 알루미늄합금제로 전환하여 일부 중소형 조선소를 중심으로 서서히 수요가 확대되는 추세이다. 표 1은 최근 우리나라에서 건조된 알루미늄선의 주요 요목과 건조조선소를 보인 것이다. 표에서도 알 수 있는 바와 같이 수 척에 불과한 실정이며, 대부분 정부 발주의 관공선에 한정되고 있다.
이와 같이 우리나라의 경우 알루미늄선 보급이 지체되는 것은 알루미늄선의 경우에 용접 전문 기술자가 부족하여 시공비가 높은 한편, 재료 및 시공장비의 대부분을 수입에 의존하고 있어 FRP어선 대비 초기선가가 매우 비싸 어민들을 비롯한 일반 선주들에게 부담이 되기 때문이다.
그리고 용접시공, 변형제어 관련 기술개발의 미흡, 전문기술자와 관련자료 부족, 알루미늄 재료, 구성품 및 관련 기자재 생산기반 등이 취약하여 선박 건조과정에 많은 애로를 겪고 있다. 알루미늄선 보급 확대를 위해서는 우선 알루미늄 용접 기술자를 양성하여야 함은 당연한 이치이다.
그리고, 알루미늄선이 초기선가면에서는 기존의 FRP선, 강선들과 대비하여 불리한 점이 있으나, 뛰어난 내구성과 내식성을 지녀 유지, 보수비가 절감됨에 따라 생애비용적 측면에서는 훨씬 더 유리하다는 점을 적극 홍보할 필요가 있다.
한편, 인접 일본의 경우 1950년경에 선박용 내식성 Al-Mg합금 5083을 개발하고 1954년 15m급 알루미늄 순시정 ‘아라카세’를 처음으로 건조하였다. 이후 1988년에는 최대 규모의 해상보안청 180톤급 알루미늄 순시정을 건조하기로 하였으며, 알루미늄제 관공선만도 100여척에 이른다.
그리고, 알루미늄제 어선은 1976년말 4.9톤급 알루미늄 소형저인망어선 금비라환(金比羅丸)이 건조된 이래 1996년 총톤수 149톤의 가다랑어 알루미늄 낚시어선을 건조한 바 있으며, 총 3,000여 척에 달하고 있다. 또한, 알루미늄선의 선형, 건조공법, 용접시공법 개발 등에 관한 연구도 활발히 수행하고 있다.



3. 해양레저선박용 알루미늄 재료의 종류
선박에 주로 사용되는 알루미늄 종류는 용접성과 해수 내식성이 뛰어난 Al-Mg계 비열처리합금의 5000계열과 Al-Mg-Si의 열처리합금의 6000계열이다. 이중에서 특히 선박에 많이 사용되는 것은 5000계열의 5083재이다.
5083재는 약 4.5%의 Mg을 함유하고 있으며, 내식성 및 성형성이 우수하고 강도, 피로, 내식성, 용접성 등 모든 특성의 균형이 뛰어나기 때문에 선박용 구조재료로서 주류를 이룬다.
한편, 5083재는 다시 O재, H32재, H112재 등으로 나누어진다. O재는 소둔처리된 것으로 5083재 중에서 강도가 가장 약하기 때문에 강도를 많이 요구하지 않는 구조에 사용된다.
그리고 H32재는 냉간가공 후 안정화처리를 실시한 1/4 경질의 가공경화재로 항복강도가 22~30kgf/mm2으로 강도가 높고 용접구조의 갑판, 외판, 내부 구조재로서 많이 이용된다. 용접부의 항복강도가 O재 보다 약간 높기 때문에 구조
경량화에 특히 유리다. H112재는 압출 혹은 열간압연한 것으로 5083계열 중에서 항복응력이 가장 낮은 11kgf/mm2정도이며, 압출 형재에 많이 사용된다.
또한, 5052재도 선박재료로 가끔 사용되는데, 내식성과 가공성이 5083보다 뛰어나지만 강도는 5083보다 낮아 구조재로서는 비교적 강도를 필요로 하지 않는 부분에 사용된다.
이밖에도 5086재는 우리나라에서는 거의 사용하지 않으나 미국 등에서는 5083보다 응력부식파괴의 염려가 적다는 이유로 많이 사용되고 있다.
한편, 6000계열 재료로 선박에 주로 사용되는 재료는 6061, 6063 및 6N01재이다. 이중 6061재는 리벳구조 선체 제작시에 많이 사용되었으나, 알루미늄 용접기술의 발전과 함께 최근에는 거의 사용되지 않고 있다. 그리고, 6063재는 압출성과 프레스 소입성이 뛰어나기 때문에 사다리, 현창, 마스트 등 기자재 제작에 주로 사용된다. 또, 6N01재는 압출가공성이 좋아 선체의 상부 구조의 압출형재로서 많이 사용되고 있다.
표 3은 선박에 주로 사용되는 알루미늄재료의 종류와 사용부위를 예시적으로 보인 것이며, 표 4는 이들 재료의 모재와 용접부의 기계적 특성을 나타낸 것이다.



4. 알루미늄선의 구조특성
선박재료로서 알루미늄은 최근에 환경친화적 측면에서 수요가 많지만, 이전까지는 주로 경량화를 목적으로 사용되었다. 이에 따라 관련 선박의 구조규정에 있어서도 구조부재가 가급적 경량화 설계될 수 있도록 적당한 강도와 내식성을 가지면서도 최소치수가 되도록 하는데 초점을 두었다
한편, 어떤 선박일지라도 강도기준의 첫번째 요건은 해상상태에서 선박 전체에 작용하는 전단력과 굽힘 모멘트에 견디어내야 한다. 하지만, 알루미늄선은 다행스럽게도 이것은 그다지 문제시되지 않는다. 왜냐하면, 알루미늄선은 관련 규정의 적용범위가 거의 소형선에 한정되어 있기 때문에 구성부재별로 작용하는 2차적인 하중조건만을 만족하여도 거의 대부분 전체강도를 만족할 수 있기 때문이다.
하지만, 알루미늄선은 대부분 경량화의 이점을 최대로 활용한 고속선에 주로 적용됨에 따라 전체강도를 검증할 때는 슬래밍 하중으로 전단력과 굽힘 모멘트에 대한 검토를 충분히 행하여야 한다.
특히, 선저구조는 슬래밍 하중에 철저히 대비하여야 하는데, 선형에 따라 그 특성이 아주 다르기 때문에 영역과 크기를 제대로 파악하기란 결코 쉬운 것은 아니다. 하지만, 통상의 배수량형 선박은 최대 슬래밍 하중이 주로 선수와 선체 중앙부 사이의 중간지점 근처에서 발생되며 선저 경사각이 적을수록 그 영향은 더욱 더 크게 나타난다. 그리고, 선저늑판이나 거어더의 설계에 있어서도 이러한 슬래밍은 당연히 고려하여야 한다.
한편, 20노트 미만인 경우에는 규정상의 최대 하중조건이 실제보다 상당히 커 오히려 과대한 치수로 설계되기도 한다.
그리고, 고속선의 경우에는 설계가 어느 정도 진행되면 보다 상세한 응력해석을 행하는 경우가 많은데, 대표 횡단면의 2차원 평면해석을 통한 횡강도 검증, 3차원 유한요소법을 이용한 주요선체 구성부위 또는 배 전체에 대한 응력해석 하는 것이 그 예이다. 이를 토대로 주요구조부재가 허용응력을 기준으로 어느 정도의 안전율을 가지고 설계되어져 있는가, 또는 중량경감을 할 수 있는 저 응력 부위는 얼마만큼 여유가 있는가를 가늠할 수 있게 된다. 이때 알루미늄의 허용응력은 0.2%내력을 기준으로 하는 것이 통례이며, 조합응력에 대해서는 Von mises의 항복응력을 기준으로 한다.
이밖에도 알루미늄 선박의 경우에는 단판구조 보다 강성확보와 경량화 조건을 동시에 만족할 수 있도록 격벽이나 갑판 구조부재로 허니콤형태의 샌드위치 패널을 가끔 사용한다. 이러한 알루미늄 샌드위치 패널은 얇은 알루미늄 시트 상태의 소재를 육각형 집합체인 벌집과 같이 접착성형한 것을 말한다. 그리고, 샌드위치 패널은 제작 방식에 따라 접착제에 의한 것과 브레징시트를 이용한 납땜방식의 두 종류가 있다. 대게 알루미늄 샌드위치 패널이라고 하면 코어와 면판을 접착제로 접합한 것을 일컫는 경우가 많다. 이러한 알루미늄 샌드위치 구조는 다른재료에 비해 강도 대비 중량비가 높고 제조시 접착제 등을 이용하므로 용접변형이 없으며, 우수한 절연성과 에너지 흡수성, 설계상의 융통성 등 구조적 효율성이 우수하다.
또한, 알루미늄 샌드위치구조는 평판보강재 용접조립 부재에 비해 경량화가 가능하다. 그 단면 성능 예를 표 5에 보인 것이다.

5. 일반적 알루미늄선의 시공
(1) 개요
알루미늄선의 조립은 초기에 리벳공법에 의해 대부분이 이루어졌지만 용접성이 뛰어난 Al-Mg계합금(A5083)의 개발과 불활성가스아크용접의 개발함에 따라 최근에는 거의 용접시공법을 채택하고 있다. 하지만 알루미늄 용접시공은 용접조건과 용접절차에 신중을 기하여야 한다. 이는 알루미늄합금에 대해서는 사양에서부터 철강재만큼 공작상의 여유가 없을 뿐만 아니라, 모든 강도조건을 만족하기 위해서는 엄격한 품질관리가 필수적으로 뒤따라야 하기 때문이다.
특히, 소형선은 사용재료의 판두께가 얇아(3-5mm) 용접으로 인한 변형도 문제시되지만, 용접도중 타버릴 위험도 있기 때문에 특히 신중을 기하여 한다. 또한, 알루미늄합금 용접부의 내식성과 강도 특성도 용접조건에 따라 영향을 많이 받기 때문에 용접부 근처의 습기나 먼지를 제거하고 급속 냉각을 피하는 까다로운 시공조건을 만족하여야 한다. 따라서, 용접시공 알루미늄선을 보다 용이하고 견고하게 제작하기 위해서는 용접조건, 절차, 후열처리 등 용접시공에 대한 기술 개발이 필수적이다
또한, 알루미늄합금의 용접부 성능은 피로강도만으로도 전체를 평가할 수 있을 정도인데, 이는 알루미늄합금의 고사이클 피로강도가 용접비드의 변화나 미세한 기포의 내재여부에 따라 아주 민감하게 변화하기 때문이다.
이밖에도 알루미늄은 FRP보다는 우수한 내화성을 지니고 있지만 철강재에 비해서는 뒤떨어지기 때문에 내화구조 부위에 대해서는 별도의 방열공사를 통해 보완하여야 한다.
한편, 조선소에서 알루미늄선의 용접은 주로 미그(MIG)용접과 티그(TIG)용접을 사용하고 있다. 선체의 구조형상, 판두께, 강도 및 용접량 등을 고려하고 용접기법을 선택한다. 미그용접은 품질, 작업성이 양호하여 선체 주요부에 적용되며, 티그용접은 박판의 용접, 가접, 각용접, 좁은장소, 의장품 취부 등 그다지 강도가 요구되지 않는 부위에 주로 적용된다.

(2) 용접이음특성
알루미늄선의 경우에도 기본적인 이음 형식은 강선과 마찬가지로 맞대기이음, T이음, 겹침이음, 모서리이음 및 변두리이음의 5종류가 있다. 이중에서 선체 이음 90%이상을 차지하는 맞대기용접과 T이음의 특성을 살펴 본다.

1) 맞대기이음
맞대기이음의 홈형상은 여러 가지 실제 조선소에서 많이 사용하고 있는 홈형상과 모재 두께 및 개선간격은 표 6에 나타낸 것과 같다. 선체외판의 맞대기용접은 반자동미그용접인 경우에는 판두께 6mm까지는 홈형상을 I형 개선으로 하여도 가능하고 그 이상의 두께에서는 V형 개선을 한다. 그리고 그다지 두꺼운 판이 아니더라도 하향 이외의 자세는 개선하여 용접하는 것이 강도면에서 유리하다. 두께 8mm이상은 그림과 같이 X형 개선하여 양면 용접하는 것이 바람직하며, 양면 용접을 행할 경우에는 가우징을 정확하게 행한 후 뒷면용접을 행해야만 한다. 가우징이 불충분할 때는 뒷면용접시에 슬러그가 용융금속 중에 부상하여 결함의 원인이 되기도 한다.



2) T이음
T이음은 두 개의 부재를 수직에 가깝게 조립하는 경우를 일컫는 것으로 외판과 보강재의 조립, 외판과 격벽 간의 이음이 그 예이며, 강도상 아주 중요하다. 이러한 T이음 개선유무와 형태에 따라 표 7과 같이 T이음의 종류는 필릿, L형, K형 이음으로 나누어진다. 이 중에서 선체 각 부위에서 가장 많이 사용되는 이음형태는 필릿이음이다.
한편, 필릿이음은 그림2와 같이 다시 양측연속, 병열단속, 지그재그단속의 3종류로 세분된다. 이중에서 양측연속 용접은 선저부와 기관대
등 진동이나 반복하중, 고응력부위 등을 대상으로 적용된다. 그리고, 강도를 그다지 용하지 않는 부재이거나 수밀이 요구되지 않는 보강재 등의 조립시에는 단속용접으로 한다. 하지만 단속용접시에는 용접변형의 발생이 작은 장점이 있지만 크레이터에 균열이 발생하기 쉽기 때문에 크레이터처리를 반드시 행해야만 한다.
끝으로 지그재그단속 용접이음은 선측조골과 선측종통재, 상갑판빔과 갑판하종통재 등의 각 교차부위에 있어서 각각 외판 혹은 갑판과의 필릿이음은 하중을 전달하기 위해서 끝부분에서 적당한 범위에 걸쳐 적용된다.





6 알루미늄선 건조의 신공법(마찰교반접합, 롤포밍 공법)의 적용
(1) 마찰교반접합공법의 적용
일반적으로 선박 선체의 부재 요소는 판재와 판재, 판재와 보강재(압출형재) 등이 용접에 의해 구조부재가 구성된다.
선체 구조부재 조립시 마찰교반용접(FSW)의 적용은 판재와 판재의 접합은 적절한 접합 조건하에서 가능하다, 하지만, 판재와 압출형재(L형, T형)의 접합은 FSW접합시 툴이 삽입될 경우 접합되는 과정에서 압출부재 단면의 터짐 현상이 발생한다. 이런 현상을 보완하기 위해 새로운 압출 형상을 도출하여 맞대기 접합이 가능하도록 하여야 한다.
이 새로운 압출 형상은 아래의 표에서 보는 바와 같이 판과 구조부재가 하나로 이루어진 일체형 압출 구조부재이다.
이 일체형 압출 구조부재를 알루미늄 소형선박에 FSW방식으로 건조 적할 경우 판, 보강재의 조립형 구조부재 보다 여러 가지 장점이 있을 것으로 판단되며, 일체형 압출 구조부재와 판 보강재 조립형 구조부재의 형상, 용접공수, 중량 등을 아래 표에서 비교 정리하였다.
이 표에서 나타낸 바와 같이 일체형 압출 구조부재는 판과 보강재가 일체형으로 압출 생산되어 판 보강재 조립형 구조부재보다 접합 공수가 3공수가 더 소요되어 그 만큼 인건비가 많이 들게 된다. 또한, 용접변형제어 측면에서도 일체형 압출 구조부재 보다 판 보강재 조립형 구조부재가 용접변형 제거에도 상당한 애로 상황이 발생할 것으로 생각되며, 구조부재에 용접변형이 발생하여 제품의 품질에도 좋지 않은 영향을 미치게 될 것으로 사료된다.
선체중량에 있어서도 같은 단면계수 일때의 구조부재의 중량을 비교하면 일체형 압출 구조부재가 판 보강재 조립형 구조부재 보다 약 10~20%정도의 중량을 경감시킬 수 있어 알루미늄선체의 경량화를 도모할 수 있을 것으로 판단된다.



한편, 일체형 압출 구조부재는 FSW접합의 적용이 가능하며, 판 보강재 조립형 구조부재는 FSW접합이 적용 불가능할 것으로 판단된다.
아래의 그림은 알루미늄 소형선박 건조에 있어서 FSW공법 적용을 위한 일체형 선체구조부재 형상을 나타내었다. 그림4. 알루미늄 소형선박의 일체형 선체구조 부재 접합 FSW공법 적용 방안 그림5. FSW 접합된 일체형 압출 구조 부재형상

(2) 접합공정을 최대한 줄이고 냉간가공의 형태인 롤포밍 공법 적용
선박에 적용되는 롤포밍 기술은 선체단면이 요구하는 구조강도를 만족 시킬 수 있는 형상을 외부의 압력에 의해 제작하는 기술이다. 형상은 선박의 규모, 평판의 두께, 요구강도 및 롤포밍 기술 등에 따라 결정된다.
한편, 선박 건조공정은 선형디자인으로부터 절단, 가공, 용접, 조립 및 의장품 탑재, 시운전 성능검정 후 선주에게 인도되는 공정이다. 알루미늄 롤포밍 가공 기술은 건조공정 중 약 40%를 차지하는 구조부재 용접작업을 대체할 수 있는 공법으로 판재를 선급에서 요구하는 단면형상으로 롤포밍에 의해 만들어 짐으로 공수를 대폭 절감할 수 있는 공법이다.
기존의 용접에 의한 공법에 비해 판부재와 보강재를 조립하는 용접작업이 없으므로 용접공수를 절감 할 수 있다. 용접작업이 줄어들어 용접에 의한 변형을 줄일 수 있고 경량화 구조설계가 가능한 공법이다.





롤포밍 공법을 적용한 소형선 건조 업체로 스웨덴의 Linder AB에서는 종강도 부재를 사용하지 않고 요철형 외판형상을 적용하여 선체의 강도를 유지시키고, 선체의 두께는 3mm 내외로 일반 보트와 비교하여 선체 무게를 줄여 경량화된 알루미늄 보트를 건조하고 있다. 하지만 이는 1단 수동 식 롤포밍 장비를 이용하여 건조 하여 생산성ㅇ lrmfl 뛰어 나지는 못하다고 평가된다.
알루미늄선 건조 전문업체로 호주에서 규모가 가장 큰 STACER는 1978년 설립하여 50여종의 인보더, 아웃보더 모터보트를 공급하고 있으며, 차인을 적용한 요철형 외판구조 형태로 주행성능과 안정성을 높였으며, 다양한 선종을 개발 보급하고 있다.
롤포밍된 요철형상의 외판 부재 사용을 위한 구조해석을 통한 안정성 확보 연구

7. 결론
최근 환경보호 관련 각종 규제가 강화되고 소형선에 대한 고속화 요구가 증대하면서 알루미늄제 소형선 개발, 보급에 대한 관심이 고조되고 있다.
하지만, 우리나라는 알루미늄선의 경우에 초기선가가 기존의 FRP선이나 강선에 비해 고가이고, 시공기술자도 국내에는 극소수에 불과하여 보급 확대에 많은 애로를 겪고 있다.
또한, 알루미늄선은 경량화 및 고속화 등의 요구조건과 연관하여 구조해석 등의 다양한 설계기법이 요구되고, 시공상으로는 까다로운 용접시공 기술과 품질관리가 동반되어야 한다.
이에 본고에서는 우리나라 알루미늄선 건조실태, 알루미늄 구조 및 시공특성 등과 신공법 적용 방안을 다양한 방면으로 살펴보았다. 이 결과로 알루미늄선의 보급 확대를 위해서는 다음과 같은 사항이 선결되어야 함을 알 수 있었다.

(1) 알루미늄선의 초기선가 및 시공비 절감, 품질향상을 위한 알루미늄선 용접전문 기술자의 양성이 시급하며, 관련 교육프로그램의 확충이 요구된다.
(2) 알루미늄선 경량화 설계기법 정립과 용접시공기법의 조속한 확보를 위해 선종/규모별 표준선형개발, 구조강도 해석 연구, 용접기법 및 기준 설정 연구 등이 요구된다.
(3) 알루미늄선 건조시에 필요한 재료수급을 보다 원활히 하고, 경량화 성능 향상과 변형 경감을 위해서는 관련 소재 및 구성품, 구조부재의 국산화 생산기반 확보가 긴요하다. (
4) 기존 용유용접이 많은 문제점을 가지고 있어 기존의 문제점을 보완하고 고품질의 접합부를 형성할수 있는 신공법의 적용 연구가 절질히 필요하다.
(5) 용접 공수를 최소화 하고 알루미늄 선박에 요구되어지는 조건을 만족하는 형상으로 제작 방법에 관한 공법 연구가 필요하다.

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