한국조선해양기자재연구원

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KISTI(한국과학기술정보연구원) ReSEAT 프로그램에서는 미국과 일본의 새로운 용접기술을 모니터링하고 이를 분석하여 우리나라 조선해양기자재 산업에 유용한 새로운 소재관련, 용접관련 기술을 매달 제공하고 있습니다. 6월에는 「조선, 해양구조물 산업에서 용접관련 신기술의 실용화 동향」, 「디지털 용접전원의 발전에 따른 용접품질 관리」, 「MAG용접 시 바람의 속도에 따른 다층용접금속의 품질 평가」에 관한 내용을 소개하고 있습니다. 각 주제에 대한 전문가의견을 게시하오니 관심있는 기술자 여러분들께서는 이 전문가 의견을 열람하시고 게시된 KISTI의 URL에 접속하시어 많은 이용을 바랍니다. URL 접속방법은 해당 첨부파일의 각 주제내용의 말미에 게시된 URL 주소를 복사하여 인터넷창에 붙여넣기 한 후 창이 뜨면 로그인 후 접속할 수 있습니다. 로그인은 간단하게 이름과 E-mail주소만 가지고 가능합니다.
1. 조선, 해양구조물 산업에서 용접관련 신기술의 실용화 동향 ○ 우리나라는 현재 LNG선과 같은 고부가가치 선박산업에서 세계 1위의 수주실적을 올리고 있다. 그러나 중국의 고부가가치 선박산업에 대한 추격 및 엔저의 영향을 받아 조선왕국 부활을 꿈꾸는 일본과의 경쟁에서 그 위상이 흔들리고 있다. 이러한 시점에서 조선 해양기자재산업의 지속적인 경쟁력 강화를 위해서는 제조원가 절감, 경량화, 높은 안전성과 저에너지 소비 및 환경부담이 적은 선박 건조기술 개발을 위한 끊임없는 기술개발이 요구되고 있다.
○ 이 기술 해설은 일본 해사협회(NK)에서 자국의 조선산업 기술 지원을 목적으로 실용화 단계에 와 있는 용접관련 신기술을 소개한 내용이다. 신기술 내용은 2상 스테인리스강의 선박에의 적용, 국제선급협회 규격(IACS)에 따른 비드외관 형상 개선을 위한 용접재료 개발, 저변태온도 용접재료를 이용한 용접이음부의 피로강도 향상을 위한 용접시공법 및 레이저?아크 하이브리드용접의 조선분야 적용을 위한 연구개발 내용으로 우리나라 조선 해양 기자재산업에서도 참고할 유익한 정보이다.
○ 일본에서는 조선, 해양구조물 산업 경쟁력 강화를 위해 용접작업 능률 개선을 위해 CO2 자동용접의 적용확대, 로봇 채용, 강화되고 있는 규칙대응 용접재료, 피로강도개선의 피닝 공정, 스프레이 이행형 CO2 가스아크 용접법의 적용, 레이저-아크 하이브리드용접이나 FSW용접법의 대형 LNG선 적용을 위한 검토 등 활발한 연구개발이 추진되고 있다.
○ 국내의 조선, 해양기자재 산업 현장에서는 용접공정의 고능률화와 용접품질의 고도화를 위한 기술이 간과되고 있는 경향에 있다. 이를 개선하기 위해서는 각종 고능률, 저비용의 신 용접법의 과감한 현장 채용 노력이 절실히 필요하다.
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2. 디지털 용접전원의 발전에 따른 용접품질 관리 ○ 국내의 조선, 해양기자재 산업을 위시한 각종 제조업의 국제 경쟁력 강화를 위해서는 이들 산업의 기반공정인 용접공정의 능률과 생산성 향상 및 인건비절약을 위해 용접공정의 자동화가 필수적이며, 또한 용접기능 숙련기술자의 인력부족과 고령화에 대응하기 위해서도 용접공정의 무인화와 그에 따른 용접품질관리 기술은 시급한 과제이다.
○ 아크용접은 전원장치의 디지털 인버터 제어화, 작업의 자동화와 리모트(remote)화, 아크현상의 가시화기술이 발전하여 에너지절감과 저탄소배출의 그린(green)공정기술이 확립되고 있다. 또한 CO2/MAG/MIG 용접과 같이 복합화 공정의 개발로 고능률, 저스패터 용접을 실현시키고 있으며 100% Ar 실드가스 MIG용접 시의 아크 불안정성을 해결하는 MX-MIG법, 도금강판 용접 시 문제되고 있는 기공형성을 억제하는 용접법 등 다양한 기술들이 선보이고 있다.
○ 이 해설은 디지털 용접전원의 진화와 디지털 용접전원이 갖는 디지털 데이터를 이용한 각종 용접품질관리에 대해 소개한 내용이다. 여기서 소개한 용접전원은 용접 조건에 관한 각종 정보를 관리하여 단독으로 용접품질관리를 할 수 있을 뿐만 아니고 용접기기의 네트워크구성으로 1대의 PC로 복수의 용접전원의 각종 정보를 집중 관리할 수 있다. 또한 메모리기억용량이 비약적으로 확대되어 실드가스나 용접와이어에 따라 매우 미세한 설정이 가능하게 되어 로봇용접에서도 고속용접에 최적의 아크특성을 선택할 수 있게 되었다.
○ 현재 선진 용접전원은 이 해설에서 소개한 것처럼 고능률을 실현하고 스패터를 비롯한 각종 용접결함을 제어하여 용접품질관리가 용접전원 자체에서 이루어지는 방향으로 발전하고 있어 용접에 관한 숙련 기술을 필요로 하지 않는 시대로 접어들고 있다.
○ 용접기술을 좌우하는 요소는 용접재료와 용접전원, 로봇시스템 등 용접 장치의 2가지 요소라 할 수 있다. 용접관련 현장 엔지니어들은 이 2가지 요소에 관한 이해와 최신의 기술정보를 이용할 수 있는 기반지식을 갖출 필요가 있다.
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3. MAG용접시 바람의 속도에 따른 다층용접금속의 품질 평가 ○ 아크용접에서 용접건을 통과한 후 전극을 둘러싸고 있는 노즐에서 대기중으로 배출되는 실드가스의 역활은 아크 주위의 공기를 밀어내고 용융금속을 보호하여 용융금속풀과 용접전극이 대기중의 산소, 질소, 습기 등에 의해 오염되는 것을 방지하는 중요한 기능을 맡고 있다. 용접중 실드가스의 양이 부족하면 기공, 언더컷, 용입불량과 같은 결함이 발생할 수 있으므로 주의가 필요하다.
○ 바람이 많이 부는 야외에서 플럭스코어드 아크용접이나 MAG용접과 같은 가스실드 아크용접법을 이용하여 선박의 T-Bulkhead Block이나 Curved-Block 등의 중조물, 해양구조물과 같은 대형 제품울 대조립하는 경우 바람에 실드가스에 의해 용접중의 아크상태와 용융지 거동이 큰 영향을 받는다. 이와 같은 작업환경에서 용접공정을 많이 사용하는 선박?해양기자재 산업체에는 실드가스에 미치는 바람 속도의 영향을 심도있게 분석?정리한 최신의 기술정보를 활용하는 것이 큰 도움이 될 것이다.
○ 가스실드형 플럭스코어드 아크용접(FCAW-G)법으로 철강재료(연강, 저합금강, 스테인리스강 등)를 용접할 때 Ar/CO2 혼합가스를 실드가스로 사용하면 100% Ar의 실드가스를 사용할 때에 비해 과도한 용융을 피할 수 있다. 한편 Ar 위주의 실드가스는 다른 실드가스에 비해 용접열의 분산이 적어 폭이 좁은 용입부를 만들어 준다. 산소는 이온화가 낮고 열전도성이 높기 때문에 CO2에 비해 비드폭이 넓으면서 용입이 얕은 형상을 나타낸다. 그리고 산소를 첨가하면 용착금속의 충격인성과 항복강도가 향상된다.
○ 바람이 불어서 아크용접시 실드가스가 아크분위기와 용융지를 충분히 보호하지 못하면 블로우홀 및 피트 등이 발생하는 실드불량(incomplete shielding)이 나타난다. 따라서 아크부위에 2.0m/sec 이상의 바람이 부는 상태에서 가스메탈 아크용접부의 용접품질과 성능을 확보할 목적으로 실드가스의 유량을 선정할 경우에는 용접기, 용접재료, 용접설계, 그리고 날씨와 바람의 조건 등에 관한 정보를 종합적으로 고려하여 최적의 실드가스 조건을 도출하는 것이 중요하다.
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4. LNG 플랜트의 용접 시공기술 ○ 천연가스는 여타의 화석연료에 비해 환경부담이 작은 청정에너지로 갈수록 그 수요가 증가하고 있으며, 더욱이 최근 들어 미주지역의 셰일(Shale)가스 혁명으로 LNG 플랜트 프로젝트가 크게 증가하고 있다. 또한 LNG 파이프라인, 수송용 LNG선박, LNG저장탱크의 수요도 크게 증가하고 있어 금후 이의 수주를 위한 국제경쟁이 심화될 것으로 예상된다.
○ 현재 LNG 플랜트와 해상기지인 FPSO를 비롯한 저장탱크, 파이프라인, 수송선박의 제작에 있어, 보다 저렴한 소재의 사용과 공기단축, 건설비용절감이 요청되고 있으며, 주요 공정인 용접시공의 합리화 및 선진화가 수주경쟁에 중요한 변수로 되어 있다. 따라서 선진용접기술의 도입과 이의 보급 및 적용기술 개발이 매우 중요한 과제이다.
○ LNG 플랜트는 각종 압력용기, 냉각탑으로 구성되며 여기에는 Al합금, 저온용 탄소강, 3.5Ni강이나 STS304(L)강의 저온재료, 내면의 스테인리스 클래드/오버레이 재료, API-5LX65 등의 고강도 탄소강 등 다양한 소재가 이용된다. 또한 이의 제작공정에서의 용접공정은 TIG용접, 피복아크용접, MIG/MAG용접(FCAW 포함), 서브머지드 아크용접이 주류를 이루고 용접공정의 고품질화, 고능률화, 고효율화를 추구하고 있다.
○ 우리나라는 LNG 저장탱크의 설계기술을 비롯하여 LNG 수송선박이나 FPSO, 드릴 쉽 등 해양구조물 산업에서 세계적인 경쟁력을 갖고 있다. 금후 LNG 관련 산업에서 보다 가격이 저렴한 극저온용 강재의 개발과 이의 용접기술 개발이 일본과의 수주경쟁에서 중요한 요소가 될 것으로 생각된다.
○ 국내의 조선해양기자재 산업의 활성화를 위해서는 금후 그 수요가 크게 증대할 것으로 예상되는 LNG 추진 선박 산업을 비롯하여 LNG 관련 부품의 개발에 많은 관심과 투자가 필요하다. 극저온용 강재의 개발과 용접기술 고도화를 위한 노력이 필요하며, 산학연계의 협력연구시스템 구축이 매우 필요한 시점이다.
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5. 선체구조용 고장력강판의 PT-GMAW 용접부에 발생하는 응고균열의 방지기술 ○ 선박의 건조에서 용접기술은 필수적이다. 초대형 원유운반선(VLCC) 1척의 경우 선박의 용접선이 900km에 달하기 때문에 종래의 싱글 와이어 아크용접법을 대신하여 탄뎀 아크용접법을 사용하면 용착금속의 양을 2배 이상 증가시키는 것이 가능하며 용접비드의 성형성이 우수하여 초고속 용접을 실현할 수 있다. 그러나 선박 용접부의 강도와 충격인성을 확보하기 위해서는 응고균열, 액화균열, 저온균열과 같은 용접결함을 방지하는 용접기술을 개발하는 것이 중요하다.
○ 본고에서 기술된 펄스­펄스 모드의 PT­GMAW공정은 선행 전극과 후행 전극에 모두 펄스형 전류를 사용함으로서 한 쪽 전극이 최저 펄스전류(pulse base current, IB)일 때 다른 쪽 전극은 최고 펄스전류(pulse peak current, IP)의 상태에 놓여져서 용융금속의 이행이 180°의 위상 차이를 두며 진행된다. PT­GMAW공정의 응고균열 감수성은 한 쪽 전극에 펄스형 전류를, 다른 쪽 전극에 표본형 전류를 사용하는 경우를 포함시키고 Houldcraft, Trans­Varestrain, Sigamajig, Circular-patch 시험법 등을 이용하여 폭넓게 평가하는 것이 필요하다.
○ 용접금속의 응고균열은 대부분의 용융금속이 수지상으로 석출하고 잔류 액체가 수지상과 수지상사이에 액막(liquid film)으로 존재하는 응고의 마지막 단계에서 용접부에 인장응력/변형이 작용하는 경우 발생한다. 응고균열은 일반적으로 화학성분과 미세조직, 그리고 용접공정조건을 조절하여 방지할 수 있으며, 고장력강재의 경우는 용융점이 낮은 FeS 대신에 용융점이 높은 MnS가 석출되도록 용접금속의 Mn/S 비율을 높게 조절하는 것이 응고균열은 방지에 효과적이다.
○ 고부가가치 선박시장에 힘을 기울이고 있는 우리나라는 이 분야에서 국제경쟁력을 확보하고 유지할 수 있도록 첨단 용접공정?시공기술의 개발을 지속적으로 수행해야 한다. 본고에서 제공하는 선체구조용 고장력강판의 응고균열 방지에 관한 기술정보는 국내 고부가가치 선박의 제작을 위한 용접기술의 연구개발에 좋은 참고자료로 활용될 것이다.
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6. 구조용 합금강의 용접후열처리 공정에서 템퍼링 효과의 평가 ○ 용접부의 성능개선과 용접 잔류응력의 제거를 주요 목적으로 변태점 이하의 온도에서 실시하는 용접후열처리는 용접부의 균열방지, 용접변형제어, 용접금속의 연성 및 파괴인성의 향상, 함유 가스 제거, 크리프 특성 및 피로강도 개선, 부식에 대한 저항성 향상 등의 효과를 얻는다. 그러나 용접후열처리는 조질 고장력강과 2.25Cr1Mo강 등 모재의 성능 저하, NiCrMoVB강, CrMoV강 등의 HAZ에 재열균열(reheat cracking) 또는 응력제거어닐링균열(SR균열)의 발생과 같은 문제점이 있으므로 이를 방지하는 것이 중요하다.
○ ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅸ, QW/QB­492에 등재되어 있는 Cr 함유량이 높고 내크리프 성능이 우수한 페라이트계 강재인 CSEF(creep strength enhances ferritic)강은 용접절차서(WPS, welding procedure specification)를 작성할 때 AWS D10.10, Recommended Practice for Local Heating of Welds in Piping and Tubing의 내용을 준수하여 용접후열처리 시공조건을 정확하게 선정해야 한다.
○ 합금원소 중에서 Ni은 용접금속의 충격인성을 높이는데 효과적인 원소로 평가받고 있다. 그러나 Ni＋Mn 양을 2.4wt%까지 많이 첨가하면 ASME code에 맞추어 용접후열처리를 적합하게 실시하더라도 CSEF강의 용접금속의 품질이 떨어지는 등 용접부에 문제가 발생하게 된다. 이와 같은 일을 방지하기 위해서는 Ni＋Mn 양을 1.0～1.5wt% 범위로 제한하는 것이 필요하다.
○ 우리나라의 고부가가치 해양구조물과 선박설비를 생산하는 산업 현장에서 CSEF강을 포함하는 구조용 합금강을 사용하여 구형 또는 원통형의 대형 구조물을 용접으로 제작하고 국부 용접후열처리를 실시할 때에는 열처리의 가열과정과 냉각과정에서 템퍼링 효과를 높여서 용접열영향부의 기계적 성질과 내식성이 저하되지 않으면서 용접후열처리 공정을 관리하는 것이 필요하다.
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7. 선박건조에 있어서 용접재료와 용접시공법의 발전 ○ 조선산업은 공급과잉상태가 계속되고 있고 IMO(국제해사기구)는 선체구조의 안전성강화 규칙이나 환경부하 저감 및 환경피해저감 규칙을 강화하고 있는 시점에서 일본의 조선업계는 LNG선과 같은 고부가가치 선박이나 드릴 쉽, FPSO와 같은 해양구조물 분야로의 돌파구를 모색하고 있다 ○ 우리나라는 현재 LNG선, 해양플랜트 구조물과 같은 고부가가치 선박 산업에서 세계 1위의 수주실적을 나타내고 있다. 그러나 조선, 해양플랜트 산업에서 경쟁국인 중국과 과거의 조선왕국 부활을 꿈꾸는 일본과의 경쟁에서 우위를 차지하기 위해서는 제조원가 절감, 경량화 선박, 높은 안전성과 저에너지 소비 및 환경부담이 적은 선박의 건조기술 개발을 위한 끊임없는 기술개발이 요구되고 있다.
○ 일본에서는 조선, 해양구조물 산업 경쟁력 강화를 위해 용접작업 능률 개선을 위해 CO2 자동용접의 적용확대, 로봇 채용, 강화되고 있는 규칙대응 용접재료, 피로강도개선의 피닝 공정, 스프레이 이행형 CO2 가스아크 용접법의 적용, 4전극FCBTM법, TRIFARCTM법과 같은 고능률용접법의 적용확대, 레이저-아크 하이브리드용접이나 FSW용접법의 대형 LNG선 적용을 위한 검토 등 활발한 연구개발이 추진되고 있다.
○ 유리나라 조선, 해양플랜트 산업의 경쟁력 강화를 위해서는 구조물의 대형화와 사용환경의 가혹화에 대응하는 수단으로 극후 고장력강판의 개발과 이를 활용한 고능률, 고정밀성, 고신뢰성의 용접 기술 개발이 무엇보다 중요하다고 생각한다. 이를 실현하기 위해서는 제강회사, 용접재료메이커, 용접기기 메이커, 산업현장 기술자의 협력적 연구개발 노력이 요구되고 있다.
○ 국내의 조선, 해양기자재 산업 현장에서는 용접공정의 고능률화와 용접품질의 고도화를 위한 기술이 간과되고 있는 경향에 있다. 이를 개선하기 위해서는 이 해설에서 소개되고 있는 각종 고능률, 저비용의 신 용접법의 과감한 현장 채용과, 용접재료에 대한 적재적소의 세밀한 사용 등 용접기술 고도화 노력이 절실히 필요하다.
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