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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 짧은 용접선을 가진 bench block 부를 용접 자동화하여 용접생산성을 향상시키고자 하였 으며, 이를 위해 용접효율이 높은 지능형 3차원 위빙 캐리지와 3차원 위빙 용접 패턴을 개발하고 현업 적용을 위해 선급 승인시험을 수행하였다.
제안 방법
- 1) 아래보기 용접 이음부 내부 및 표면 덧살부의 대 용착 용접이 가능한 사다리꼴 패턴과 루트 수동부와 자동 용접부 간 경계면의 결함 방지를 위한 삼각형 패턴의 조합을 통해 용접결함 없이 대용착 용접이 가능한 3차원 위빙 패턴을 개발하였다.
- 2) 강재 두께 및 루트갭 변동에 대응하여 최적 3차원 위빙 패턴을 보여주는 각 절점 간 이동거리와 용접 속도를 D/B화하였으며 루트갭 변동 시 하나의 노브 (knob)로 위빙 패턴을 자동변경 가능하도록 최적의 위빙 D/B를 구축하였다.
- 3) 위빙을 위한 3축 직교 모듈과 주행축 1축 조합으로 구성된 기구부와 소형, 경량의 탑재형 제어기, 작업을 위한 소형 U.P(User Panel)을 자체 기술력으로 개발하였고 세계 최초로 3차원 위빙 대용착 지능 용접 캐리지를 현업 생산에 적용하였다.
- 앞선 현장조사 결과, bench block의 용접 이음부 두께와 루트갭은 다양하며 이에 따른 최적 용접 조건의 설정이 필요하였다. FCAW의 용입깊이는 크지 않으므로 두께가 증가하면 용착량이 많아져서 용입불량 결함이 발생할 수 있어 용접패스수를 증가시켰으며, 루트갭의 변화는 위빙 패턴의 조절을 통하여 최적 용접조건을 선정하였다. 루트 간격을 10mm로 한 기초실험을 통해 두께 15mm는 1패스, 두께 20mm는 2패스, 두께 23mm는 3패스로 용접이 가능함을 확인하였으며, 그 결과는 Fig.
- 장치 무게를 줄이기 위하여 3축 직교 모듈의 각 축에 요구되는 토크 및 스트로크를 계산하여 최적 Motor 사양을 결정하였고 캐리지 플랫폼은 알루미늄 재질로 제작하였다. 또한 전용용접기를 사용하는 경우 용접기 설치 및 운반 시간이 추가로 소요되므로 현업 SCR 용접기와 캐리지 간 인터페이스를 구성하여 작업 준비시간을 단축시켰다. 용접 토치는 언제든지 수동보수 용접이 가능하도록 수동용접 및 자동용접 병행이 가능한 겸용 토치로 구성하였으며 사용자가 쉽게 위빙 및 용접 조건의 변경과 저장이 가능하도록 소형 UP(User Panel)도 함께 개발하였다.
- 본 용접기술의 현업 적용에 대한 가능여부를 판단하기 위하여, 두께 23t의 AH-32 선급강재에 대한 선급승인 시험을 수행하였다. 선급승인시험에는 비드외관 육안검사, 비파괴시험, 용접 단면 마크로시험, 인장시험, 굽힘 시험, 경도시험, 충격시험 등이 포함된다.
- 이에 용접시작점은 사용자가 다관절 기구를 움직여 직접 설정하고 개선 형상 변경에 대응 가능하도록 주행속도와 위빙 Database를 동기화하여 하나의 노브로 누구나 쉽게 3차원 위빙 패턴을 조절하여 용접작업이 가능한 장치를 구성하였다. 사용자가 쉽게 운반하며 편리하게 용접 작업할 수 있도록 기구와 제어부의 경량화와 소형화에 초점을 맞춘 지능형 용접개리지 개발을 수행하였다.
- 또한 전용용접기를 사용하는 경우 용접기 설치 및 운반 시간이 추가로 소요되므로 현업 SCR 용접기와 캐리지 간 인터페이스를 구성하여 작업 준비시간을 단축시켰다. 용접 토치는 언제든지 수동보수 용접이 가능하도록 수동용접 및 자동용접 병행이 가능한 겸용 토치로 구성하였으며 사용자가 쉽게 위빙 및 용접 조건의 변경과 저장이 가능하도록 소형 UP(User Panel)도 함께 개발하였다.
- 종래의 소형용접로봇과 다축 용접캐리지는 주로 각종 센서에 의해 용접시작점을 검출하고 개선 형상을 인식하며 단순 2차원 위빙 용접 작업을 수행하였으나, 장치의 과도한 무게와 추가 부대설비(제어PC, 컨트롤러, 로봇용접기, 다수의 케이블, 센서 등)의 설치 및 유지보수의 어려움으로 용접 생산성 및 장치 운용성이 우수 해야하는 탑재 단계의 적용에 한계가 있었다. 이에 용접시작점은 사용자가 다관절 기구를 움직여 직접 설정하고 개선 형상 변경에 대응 가능하도록 주행속도와 위빙 Database를 동기화하여 하나의 노브로 누구나 쉽게 3차원 위빙 패턴을 조절하여 용접작업이 가능한 장치를 구성하였다. 사용자가 쉽게 운반하며 편리하게 용접 작업할 수 있도록 기구와 제어부의 경량화와 소형화에 초점을 맞춘 지능형 용접개리지 개발을 수행하였다.
- 3kg이며 크기는 295(L)×195(W)×309(H)이다. 장치 무게를 줄이기 위하여 3축 직교 모듈의 각 축에 요구되는 토크 및 스트로크를 계산하여 최적 Motor 사양을 결정하였고 캐리지 플랫폼은 알루미늄 재질로 제작하였다. 또한 전용용접기를 사용하는 경우 용접기 설치 및 운반 시간이 추가로 소요되므로 현업 SCR 용접기와 캐리지 간 인터페이스를 구성하여 작업 준비시간을 단축시켰다.
성능/효과
- 3차원 위빙캐리지에 의한 one layer one pass 대용착 용접 시공법을 컨테이너의 tank top 및 bench block부 이외에 engine bed, coaming deck부와 자동차운반선의 car deck부, 장항선의 main deck부에 적용한 결과, 수동 용접 대비 15t 기준 2∼3패스 절감, 20t 기준 3∼4패스 절감, 23t 기준 4∼5패스 절감되어 선탑/탑재 단계의 생산성 및 용접 자동화율이 향상되었다.
- 4) 선급승인시험을 수행한 결과 요구치를 모두 만족하였다.
- 5) 지능형 용접 캐리지 도입을 통해 고품질, 고신뢰도의 아래보기 맞대기 용접부를 얻음과 동시에 생산성향상과 작업환경 개선을 이루었다.
- 12는 루트갭의 변동에 따른 용접속도와 절점간 이동거리를 D/B화한 후 수동으로 하나의 위빙 스케일 노브(knob)만 조절하며 용접한 결과를 나타낸 것으로 작업편의성을 위해 전류 및 전압은 일정하게 하였다. 갭이 4mm에서 10mm로 증가하여도, one layer one pass 용접이 가능하였고, 초음파투과 검사 결과 내부 결함 없고 덧살이 충분한 고품질 용접 비드를 구현하였다. 용접 중 작업자가 용접 아크를 보면서 수동으로 하나의 노브만 조절하며 용접하는 루트갭 변동 대응 가능한 위빙 Database 변경 기술을 2달간 현업 생산 용접에 적용하였고 그 용접부에 대한 초음파투과 검사를 수행한 결과, 내부 결함 없는 건전한 용접부가 형성됨을 확인하였다.
- 또한 현업 SCR 용접기 사용이 가능하도록 인터페이스를 구성하고 기존 유틸리티라인의 활용이 가능하도록 하여 작업 편의성을 도모하였으며 3차원 위빙 용접캐리지는 크기가 작고 가벼워 크레인 사용 없이 바로 작업자가 직접 작업장으로 운반이 가능하여 작업 준비 시간의 단축 및 크레인 사용 회전율이 향상 되었다.
- 21에 컨테이너선 tank top부와 bench block 에 대해 현업 적용한 사진을 보인 것이다. 용접 종료후 20M용접장에 대한 초음파 투과시험 결과, 내부 결함(슬래그 혼입, 융합불량 등) 및 표면 결함(언더컷, 기공)이 없는 고품질의 용접부를 얻을 수 있었다.
- 갭이 4mm에서 10mm로 증가하여도, one layer one pass 용접이 가능하였고, 초음파투과 검사 결과 내부 결함 없고 덧살이 충분한 고품질 용접 비드를 구현하였다. 용접 중 작업자가 용접 아크를 보면서 수동으로 하나의 노브만 조절하며 용접하는 루트갭 변동 대응 가능한 위빙 Database 변경 기술을 2달간 현업 생산 용접에 적용하였고 그 용접부에 대한 초음파투과 검사를 수행한 결과, 내부 결함 없는 건전한 용접부가 형성됨을 확인하였다. 향후 관련 센서 및 센서 설비가 캐리지에 탑재 가능하도록 경량화 및 소형화가 가능하다면 용접 시작 후 작업자의 노브 조절이 필요 없는 무인 용접자동화도 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 6) 향후 본 기술을 응용 개발하여 이중선체 내부 밀폐 공간의 아래보기 맞대기 용접과 수직 용접 등에 적용할 계획이다.
- 상기 시공승인시험 항목 별 선급 요구치를 모두 만족하였으므로 AH-강재에 대해 본 용접기술의 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 용접 중 작업자가 용접 아크를 보면서 수동으로 하나의 노브만 조절하며 용접하는 루트갭 변동 대응 가능한 위빙 Database 변경 기술을 2달간 현업 생산 용접에 적용하였고 그 용접부에 대한 초음파투과 검사를 수행한 결과, 내부 결함 없는 건전한 용접부가 형성됨을 확인하였다. 향후 관련 센서 및 센서 설비가 캐리지에 탑재 가능하도록 경량화 및 소형화가 가능하다면 용접 시작 후 작업자의 노브 조절이 필요 없는 무인 용접자동화도 가능할 것으로 판단된다.
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