13 특집 : 조선분야레이저용접의장애와극복 Study on Hybrid Laser Welding for Panel Fabrication in Shipbuilding Yun Sig Lee, Jung Hyun Shin, Ha Gun Kim and Ji On Kim 1. 서론 조선에서용접은생산공정의핵심적인요소이며용접공정기술에따라서전체선박의품질및생산성과경쟁력을좌우한다. 따라서품질및생산성향상을위해서여러가지용접기술들이사용되고있으며새로운기법들이개발되고있다. 고밀도열원을사용하는레이저용접의적용도오래도록검토되어왔으나유럽조선소와는달리국내조선환경의특성상여러가지제약요건으로적용이되고있지못한실정이나광파이버전송용레이저의고출력화와안정화에힘입어미래에는활발하게사용될것으로기대된다. 조선분야의레이저는주로용접과절단에적용이되고있다. 레이저용접은일차적으로기존의가공공정을대체하는개념에서단위공정의생산성및열변형감소등의품질향상을목적으로사용되었다. 보다발전된단계로는레이저가공의특성을설계에반영하여샌드위치판넬과같은구조강도향상의효과를달성하였다. 또다른유형은레이저의복합기능을이용하여장비운영효율을극대화하고자절단, 용접, 마킹등을단일작업장에서수행할수있도록하는것이나생산라인의운영측면에서유리한방법은아닌것으로평가된다. 유럽, 일본, 미국시장등에서의레이저가공적용현황을살펴보면유럽에서레이저용접, 절단등이가장활발하게사용하고있는것으로알려져있다. 일본은절단품질의향상을통한로봇용접효율향상, 블록조립정도향상측면에서적용이되고있다. 미국도주로정도향상을위해서레이저절단이사용되고있으며군수산업분야에서클래딩, 표면경화등과같은표면처리분야에적용되고있다. 90년대중반에고속전투함의경량화를위해서코루게이션판넬제작에레이저용접을적용하였으나활발하게적용하고있지는않은것으로보인다. 용접분야에서의레이저적용은핀칸티에리, 마이어, 크베너, 블롬 & 보스, 오덴세등의유럽조선소에서여러 형태로활발하게적용하고있다. 독일마이어조선소는샌드위치판넬에레이저용접을적용하여크루즈선의공간활용확대, 강도및방화성향상, 경량화등의목적을달성하였으며최근에는판넬제작라인에하이브리드레이저용접을적용하여판넬턴오버제거, 열변형감소등을통하여블록제작정도향상, 도크회전율향상등의목표를달성하였다고보고되고있다. 이외에블롬 & 보스조선소가판넬제작라인의필렛용접에레이저를적용하였다. 유럽조선소의활발한레이저도입에자극을받은미국의조선업계도레이저용접의도입을적극검토하고있는것으로알려지고있다 1-7). 최근수년사이에디스크레이저, 파이버레이저와같은광파이버전송이가능한레이저의고출력화가진행되면서 CO 2 레이저의빔전송한계성이극복되고있으며하이브리드레이저용접장치의모바일화가가능하게되었다. 따라서일반적으로조선판넬생산라인에서사용되는캐리지형태의소형용접장치에하이브리드레이저헤드의탑재가가능하므로전체생산라인의개조작업없이손쉽게하이브리드레이저용접을판넬생산라인등에적용할수있을것으로기대된다. 조선에서의절단작업은대부분 NC 플라즈마를사용하므로기계가공이나레이저절단면과같은정도를기대하기어렵다. 따라서하이브리드레이저용접을플라즈마절단면에적용하기위해서는조인트갭의크기에대응할수있는시스템의구성및용접변수조정이필수적이다 8,9). 본연구를통해서갭브리징에영향을미치는용접변수를도출하고용접선자동추적기능을갖는소형의하이브리드용접용시스템을레일주행과레일에탈착이가능하도록개발하였으며기존의현장조건을기준으로용접실험을수행하여양호한용접성을확보하고자하였으며, 판계용접시편에대한좌굴변형해석및측정을통해서기존용접대비용접변형감소정도를파악하고자하였다. 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 357
14 2. 연구내용 2.1 하이브리드용접캐리지장치 레이저또는하이브리드레이저용접은용접주행시의진동에대한안정성을확보하고자통상적으로고정된구조물이나이동식대형갠트리시스템을이용하고있다. 따라서기존생산공정에적용하기위해서는생산라인의전면적인개조공사를수반하게되므로과다한시설투자와시간적인손실을유발한다. 이러한제약사항등을극복하고자 2003년당사내부적으로 IK12( 가스절단용캐리지 ) 를이용하여캐리지주행시의하이브리드레이저용접영향에대한실험을실시한바있으며긍정적인실험결과를확보한바있다. 따라서 2007년수동식캐리지를개발하여하이브리드레이저용접의적용에대한실험을본격화하였고 2008년비젼센서를부착한자동하이브리드레이저용접용캐리지를개발하였다 10). 하이브리드레이저용접장치는그림 1과같이주행이가능한직선레일과레일에착탈할수있는소형캐리지로구성하였다. 소형캐리지는직선레일에장착되어주행시진동을최소화할수있는구조로설계되었으며용접선정렬을위한보조지그와용접선추적용비젼센서를갖추고있다. 하이브리드레이저용접시조인트에대한레이저의입사위치가용입의균일성에영향을미치므로안정된용입을확보하기위하여용접선추적용레이저비젼센서를채용하였다. 레이저비젼센서는조인트의갭또는택비드 (tack bead) 가시공된상태에서도정해진궤적을추적할수있도록하여궤적이탈에의한용접불량을방지하도록하였다. 제어시스템은그림 2와같이아크용접및레이저변수, 캐리지속도, 위치추적제어등이가능하도록통합제어장치를구성하고용접작업의조작성을위해서캐레이저비젼센서 비젼센서이더넷통신레이저통합제어기아크용접기용접장치그림 2 제어시스템의구성리지에일체의제어버튼을장치하여작업자의동선을최소화하였다. 2.2 하이브리드레이저용접실험하이브리드레이저용접실험은박판판넬의맞대기조인트를대상으로수행하였으며그림 3과같이플라즈마절단면에대해서별도의전처리작업을거치지않고사용하여기존현장조건을유지하도록하였다. 하이브리드레이저용접은주행속도, 레이저의출력 (4kW) 과초점거리 (200mm), 레이저빔과아크전극간의간격 (1~4mm), 아크용접의전압, 와이어의송급속도그리고보호가스 (CO 2, Ar 혼합가스 ) 종류및유량등이제어변수가된다. 레이저는최대출력 4kW의 Nd: YAG 레이저를광파이버로 50미터전송하여사용하였다. 각각의변수를조정하면서상하면의비드형상을안정하게확보될수있도록하였다. 조인트의갭은약 1mm까지는하부비드를정상적으로확보할수있었으나그이상에서는용락으로인하여정상적인용접부형상을확보할수없었다 3). 따라서조인트의갭은 1mm를넘지않는범위내에서유지하도록제한하였다. 표 1은하이브리드레이저용접캐리지를이용한용접실험결과를보여주고있다 10). 2.3 하이브리드용접부의변형해석 그림 1 하이브리드레이저용접캐리지 주판두께가 6mm이하인박판판계용접시직경 1.6mm 의용접봉과 SW101 을이용한양면 SA 용접에 358 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 2009
15 표 1 하이브리드레이저용접실험결과 No 두께 (mm) 용접속도 (m/min) 4.5 1.2 GM( 선행 ) / 레이저 ( 후행 ) 용접부단면 1 4.5 1.5 2 6 1.0 3 7 1.0 4 의한통상적인용접속도는 800mm/min 이하수준이다. 그러나 4kW 레이저하이브리드용접을적용할경우용접속도는 1000mm/min ~ 1500mm/min 수준까지증가하며, 최대 7mm의주판두께까지편면용접의적용이가능하므로생산성향상및용접입열량의감소를통한변형교정공수를절감할수있을것으로기대된다. 본연구에서는박판판계용접부의좌굴변형제어와생산성향상방안으로레이저하이브리드용접의적용방안을검토하였다. 이를위하여먼저소형시편을이용하여용접조건을적정화하고비선형좌굴해석 (nonlinear buckling analysis) 을통하여박판판계용접부의좌굴변형거동을평가하였다. 그림 3은박판판계용접시비선형좌굴해석을이용하여용접기법에따른주판의좌굴변형양상을평가한결과를나타낸것이다. 좌굴변형은그림 3과같이단위용접부에대한변형측정결과를바탕으로주판두께가 5mm 이고폭과길이가각각 1450mm와 2500mm인주판에대해용접변형해석을수행하고이를초기부정 (initial imperfection) 으로가정하여비선형좌굴변형해석을통해평가하였다. 이때적용된하중은용접선방향의수축하중이다. 그림 4의 (a) 와같이 SA 양면판계용접시주판의 그림 3 맞대기조인트 ( 플라즈마절단면취부 ) 최대변형은 -5.6mm ~ 11.8mm 수준으로 1파의웨이브형변형이발생하고있으나그림 4의 (b) 와같이레이저하이브리드용접이적용된주판에서변형은거의발생하지않아서용접수축하중에의한좌굴변형발생가능성을배제할수있음을알수있다. 이는주판두께가 5mm인경우레이저하이브리드용접에의한입열량은 103cal/mm이며, 이는 SW101 을이용하여 SA 양면판계용접시입열량인 427cal/mm 의 25% 수준에불과하기때문이다. 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 359
16 좌굴변형 Max. 17.5mm (a) SA 용접 : SW101( 입열 : 427cal/mm) Max. 0.0mm (b) 하이브리드용접 :( 입열 : 103cal/mm) 그림 4 판계용접시비선형좌굴해석을이용한주판의좌굴변형 (a) 주판의최종변형양상 (b) 3 차원변형계측에의한초기변형 ( 10 배 ) (c) 3 차원변형계측에의한최종변형 ( 10 배 ) 그림 5 레이저하이브리드용접에의한주판의변형양상 그림 5는레이저하이브리드용접에의한주판의변형양상을나타낸것이다. 그림 5의 (a) 는주판의최종변형양상을보여주고 (b) 는 3차원계측에의한초기변형을보여준다. 하이브리드레이저용접을수행하였을경우그림 5의 (c) 와같이주판의변형계측결과를 10 배확대한변형양상에서알수있듯이용접선길이방향의종굽힘변형만이다소발생하였음을알수있다. 이상의유한요소해석결과로부터박판판계용접시레이저하이브리드용접에의한좌굴변형제어효과를평가하였으며, 레이저하이브리드용접에의한좌굴변형제어효과를확인하였다. 3. 결론 하이브리드레이저용접을위한레일주행형소형용접장치를개발함으로써생산라인의레이아웃변경없이도하이브리드레이저용접을손쉽게적용할수있는기반을구축하였다. 즉대형갠트리형장비구성및기존생산라인의변경에필요한시설투자비용을절감하고용접장치의이동성을구현함으로써하이브리드레이저용접이가지는제약사항들을일정정도극복했다고할수있다. 하이브리드레이저자동용접용시스템은광파이버전 360 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 4, August, 2009
17 송장치와연결된레이저헤드와아크용접토치를장착하여경량알루미늄레일상을주행하면서용접선을자동으로추적할수있도록하였다. 현재의레이저출력으로는 6~7mm 두께가원런원패스용접의한계이지만파이버레이저나디스크레이저를채용하면출력상승에따라후판용접까지가능할것으로기대된다. 또한레이저자체도소형, 경량화가됨에따라서레이저발생장치까지포함한이동형장치로구성할수있으므로향후조선분야의적용확대가기대된다. 또한판계용접부에대해서선형좌굴변형해석과용접시편의변형양을측정비교함으로써하이브리드레이저용접구조물의변형해석기반을확립하였으며하이브리드레이저용접으로제작된판넬이블록정도향상에미치는영향에대해서확인하였다. 참고문헌 1. V. Merchant, Shipshape Laser Applications, Industrial Laser Solutions, August(2003) 2. Frank Roland, LASER WELDING IN SHIPBUILDING- CHANCES AND OBSTACLES, Convergent Energy Focal Spot Seminar, Orlando FL, March 1998 3. Frank Roland, Trend, Problems and Expereiences with Laser Welding in Shipbuilding, IIW Shipbuilding Seminar, Odense, DK, April 1996 4. Paul A. Blomquist, Lasers in US Shipbuilding, Industrial Laser Solutions, April 2002 5. Konrad Wegener, Shipbuilding Experience in Revolution, Industrial Laser Solutions, December 2002 6. Paul Denney, LASERS: The New Wave in Ship Construction, Welding Journal, March 2001 7. Matsuoka Osamu. Kimoto Nobuyaki, Application of Laser Cutting in Ship Building yard, ザ-レ加工學會誌 13-1(2006) 8. M. Wouters, J Powel, The influence of joint gap on the strength of hybrid Nd:Yttrium-Aluminum Garnet laser-metal inert gas, Journal of Laser Applications. 18-3(2006) 9. Claus Bagger, Flemming O. Olsen, Review of laser hybrid welding, Journal of Laser Applications, 17-1 (2005) 10. 신정현, 이윤식외, 조선적용을위한하이브리드레이저용 접캐리지개발, 한국레이저가공학회지 11-3, 2008년 9월 이윤식 1966년생 생산자동화및레이저응용시스템개발 e-mail : mecha@hhi.co.krr 김하근 1971생 현대중공업산업기술연구소재료연구실 용접역학 e-mail : hagun@hhi.co.krr 신정현 1966년생 용접자동화및레이저응용시스템개발 e-mail : shin7129@hhi.co.kr 김지온 1962년생 조선생산정보및생산자동화시스템 e-mail : kimjion@hhi.co.kr 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 4 號, 2009 年 8 月 361