[논문]선박조립과정의 FCAW 적용시 적정 보호가스 유량에 대한 연구

이훈동; 심천식; 송하철; 염재선

doi:10.3744/snak.2011.48.1.76

문제 정의

2, 3, 6번 시험편 이외에 기공이나 슬래그 혼입 등과 같은 용접 결함은 발견되지 않았다. X-ray 검사의 목적으로는 용접부 내부에 눈으로 보이지 않는 기공, 슬래그, 균열, 용입 불량 등과 같은 용접 결함을 알아보기 위한 시험이다.
그러나 선급에서 보호가스 사용 양에 대한 정확한 규정이 없어 조선소에서는 용접사의 개인 경험에만 의지하여 보호가스를 사용하고 있으며, 보호가스 사용 양에 따른 용접강도 실험 데이터가 마련되지 않아 필요 이상의 보호가스를 사용하고 있어 CO₂가스에 의한 대기 오염과 경제적 으로 낭비를 발생 시키고 있다. 따라서 본 논문에서는 용접부의 건전성을 확보할 수 있는 보호가스 사용 양에 관한 조건을 상황에 맞게 환경별로 검토하고 선급이나 선주가 요구하는 WPS(Kim, 2004) 인증시험과 결과분석을 통하여 적정 보호가스양을 산출함으로써 생산현장의 원가절감과 대기 오염의 방지를 위한 기초연구를 수행하였다.
비파괴시험은 각종 기기와 구조물의 용접부 검사에 이용되며 비파괴 검사를 활용함으로써 용접부의 안전성 확보 및 제조 기술의 향상, 경비 절감 등 품질 관리 및 품질 보증의 면에서 비파괴검사는 필수 불가결한 일이다. 이 시험의 목적으로는 눈에 보이지 않는 용접결함을 확인하기 위함이다.
6과 같이 굽힘시험편을 가공하였다. 이 시험의 목적은 용접부의 연성과 결함 등을 알기 위한 것으로 현재 WPS 인증 시 활용하고 있다.
인장시험은 재료의 강도를 측정하는 가장 기본적인 시험이다. 인장시험의 목적으로는 인장 하중을 가하였을 때 시험편에 생기는 변형 상태를 살펴봄으로써 이때의 하중과 변형률과의 관계를 측정함에 있다. 인장 시험편은 DNV rule에 따라 제작 하였으며, MTS사의 UTM-100톤 장비를 이용하여 수행 하였다.
충격시험의 목적은 용착금속과 열영향부의 인성을 조사하기 위한 것이다. 일반적으로 충격시험에서는 재료를 파괴할 때 재료의 인성(toughness) 또는 취성(brittleness)을 시험한다.

제안 방법

3과 같이 먼저 시험편의 개선(groove) 가공 후 세라믹 백판과 용접 변형 방지를 위한 지그를 부착하였다. 다음으로 용접에 사용할 가스의 양과 전류(ampere) 전압(voltage)을 Table 2와 같이 고정한 후 실제 현장과 같은 조건의 풍속을 만들기 위하여 대형 선풍기와 풍속계를 이용하여 용접 조건과 같은 환경을 구현 하였다. 또한 입열량에 대한 영향을 고려하지 않기 위하여 모든 시험편의 용접 횟수를 5회로 제안 하였다.
다음으로 용접에 사용할 가스의 양과 전류(ampere) 전압(voltage)을 Table 2와 같이 고정한 후 실제 현장과 같은 조건의 풍속을 만들기 위하여 대형 선풍기와 풍속계를 이용하여 용접 조건과 같은 환경을 구현 하였다. 또한 입열량에 대한 영향을 고려하지 않기 위하여 모든 시험편의 용접 횟수를 5회로 제안 하였다.
용접부의 개선 각도는 국내 조선소에서 이미 선급으로부터 WPS 인증을 받은 조건을 조사 하였으며, 반자동 가스 절단기로 한 면을 15˚, 17˚, 20˚, 로 가공하여 V개선 용접을 실시하였다. 마지막으로 바람의 방향의 경우 실제 현장에서 선박 건조 중 발생할 수 있는 여러 방향을 고려한 정면과 측면 그리고 후면에서 부는 바람을 선정하여 아래 보기 용접으로 시험편을 제작 하였다.
맞대기 용접의 굽힘시험을 MTS사 UTM-100톤 장비를 이용하여 수행하였다. WPS 인증시험에서는 모재의 두께가 20mm 이하가 되는 경우 side bending 시험을 실시하도록 규정하고 있으며, Fig.
본 연구에서는 압연 저항의 비커스 경도를 이용하여 시험을 실시하였다. 매크로 시험에 사용한 시험기로는 미쯔도요 비커스 경도계를 사용하였으며, Fig. 4와 같이 경도시험부의 표면으로부터 최대 2mm 부분에서 HAZ 부분에서는 0.5mm 간격으로 3점씩 측정하고 모재(base metal)와 용접부(weld metal)에서는 1mm 간격으로 3점씩 측정하였다.
경도시험은 DNV 선급 기준 용접부와 열영향부 및 모재에 대하여 3점 이상 측정하도록 되어 있다. 매크로 시험편을 가공하여 폴리싱(polishing)과 에칭(etching) 후 경도시험을 수행하였으며, 경도시험 위치는 모재와 열영향부, 용접부 그리고 용접부의 루트(root)부와 표면(face)부로 구분하여 측정을 수행하였다.
경도라는 용어는 보통 압입 저항, 반발 저항, 마모 저항 등으로 표현할 수 있다. 본 연구에서는 압연 저항의 비커스 경도를 이용하여 시험을 실시하였다. 매크로 시험에 사용한 시험기로는 미쯔도요 비커스 경도계를 사용하였으며, Fig.
보호가스양은 WPS 인증과 선박 조립 시 사용하고 있는 20∼25ℓ/min를 기준으로 하여 최대 20ℓ/min에서 5ℓ/min씩 줄여가며 15ℓ/min, 10ℓ/min으로 사용하였다. 용접부의 개선 각도는 국내 조선소에서 이미 선급으로부터 WPS 인증을 받은 조건을 조사 하였으며, 반자동 가스 절단기로 한 면을 15˚, 17˚, 20˚, 로 가공하여 V개선 용접을 실시하였다. 마지막으로 바람의 방향의 경우 실제 현장에서 선박 건조 중 발생할 수 있는 여러 방향을 고려한 정면과 측면 그리고 후면에서 부는 바람을 선정하여 아래 보기 용접으로 시험편을 제작 하였다.
0m/sec이상의 바람이 불 때는 바람 보호막을 설치하도록 규정하고 있다. 이와 같은 이유로 풍속을 최대 2.0m/sec, 1.5m/sec, 그리고 0m/sec으로 선정하였으며, 조선소의 공장 입구와 공장 중앙부 그리고 용접 중인 선박의 블록 안쪽에서 풍속계를 이용하여 측정하였다. 보호가스양은 WPS 인증과 선박 조립 시 사용하고 있는 20∼25ℓ/min를 기준으로 하여 최대 20ℓ/min에서 5ℓ/min씩 줄여가며 15ℓ/min, 10ℓ/min으로 사용하였다.
일반적으로 충격시험에서는 재료를 파괴할 때 재료의 인성(toughness) 또는 취성(brittleness)을 시험한다. 충격시험을 수행하기 위하여 용접부 표면으로부터 2mm 깊이로 용접부와 열 영향부(HAZ) 그리고 열영향부에서 2mm, 5mm 떨어진 곳을 중심으로 용접선에 수직하게 각각 3개씩 채취하여 Fig.5와 같이 가공하였다.

대상 데이터

본 시험에 사용 한 재료는 일반 구조용 강으로 조선소 현장에서 많이 사용하고 있는 A grade 연강(mild steel)을 사용하였으며, 시험편 사이즈는 500 × 350 × 20(mm)으로 제작 하였다.
본 시험에 사용 한 재료는 일반 구조용 강으로 조선소 현장에서 많이 사용하고 있는 A grade 연강(mild steel)을 사용하였으며, 시험편 사이즈는 500 × 350 × 20(mm)으로 제작 하였다. 비파괴 검사 후 파괴 검사를 수행하기 위하여 인장시험편 3개, 굽힘시험편 4개, 충격 시험편을 용접부와 열영향부에서 3개씩 총 12개의 시험편과 경도 측정을 위한 매크로 시험편 1개를 Fig. 2와 같이 제작하였다.

이론/모형

CAW의 적정 보호가스양을 산출하기 위하여 다구찌 기법의 직교표를 이용하여 인자와 수준의 변화에 따른 용접부의 강건성 평가를 수행하였다.
인장시험의 목적으로는 인장 하중을 가하였을 때 시험편에 생기는 변형 상태를 살펴봄으로써 이때의 하중과 변형률과의 관계를 측정함에 있다. 인장 시험편은 DNV rule에 따라 제작 하였으며, MTS사의 UTM-100톤 장비를 이용하여 수행 하였다. Fig.
조선소 현장의 다양한 용접조건을 고려한 용접시험편 제작을 위하여 Table 1과 같이 다구찌 기법의 직교표 L9(3)4을 사용하였다. 직교표에 필요한 인자는 용접부 결함에 밀접한 연관이 있는 풍속, 보호가스양, 용접부의 개선 각도, 바람의 방향으로 선정하였다.

성능/효과

(2) 선박 건조 중 선수나 선미 등 용접하기 힘든 협소한 장소나 두께가 얇은 판을 용접할 때 열에 의한 변형 및 수축 등의 문제로 용접 시 많은 어려움과 문제점이 있었다. 하지만 시험 결과 지금까지 선박 건조 시 사용하던 개선 각도 17℃ 와 2.
경도시험 결과 루트부보다 표면부에서 조금 높은 경도치가 확인되었으며, 다소 경향의 편차가 있지만 열영향부에서 경도 값이 증가하는 것을 확인할 수가 있었다. DNV rule에 따르면 경도 값은 최대 350HV 초과하지 못하도록 되어있으며, Fig. 15에서 Fig. 20까지 시험 결과를 보아 알 수 있듯이 모두 선급에서 요구하는 값을 만족하고 있음을 확인 할 수 있었다.
8J 의 값을 보였다. DNV 선급의 WPS 인증 시 A grade의 금속의 경우 20℃에서 27J 이상이여야 하는 값을 모두 만족하였다.
X-ray 검사 결과 육안으로 기공이 확인된 No. 2, 3, 6번 시험편 이외에 기공이나 슬래그 혼입 등과 같은 용접 결함은 발견되지 않았다. X-ray 검사의 목적으로는 용접부 내부에 눈으로 보이지 않는 기공, 슬래그, 균열, 용입 불량 등과 같은 용접 결함을 알아보기 위한 시험이다.
하지만 DNV에서는 WPS인증 시 굽힘시험의 결함을 3mm 이상의 경우에만 실패로 간주하고 있다. 결과로 볼 때 굽힘시험 중 소성 변형이 발생한 후에도 충분한 연성을 가지고 있음을 확인하였으며 기공이나 슬래그 등의 용접 불량은 확인되지 않았다. 굽힘 시험 결과를 Table 4와 같이 나타났다.
경도시험 결과 루트부보다 표면부에서 조금 높은 경도치가 확인되었으며, 다소 경향의 편차가 있지만 열영향부에서 경도 값이 증가하는 것을 확인할 수가 있었다. DNV rule에 따르면 경도 값은 최대 350HV 초과하지 못하도록 되어있으며, Fig.
Table 5를 보아 알 수 있듯이 모든 시험편의 항복강도가 모재의 항복강도인 235MPa 이상인 것을 확인하였다. 또한 시험편의 용접 파단은 용접열영향부와 모재 사이에서 발생하였으며, 파단 될 때까지 열 영향부의 변형은 모재의 파단 위치보다 현저하게 변형이 적었다. 이와 같은 이유는 용접 시 용접부가 아크열에 의하여 급열과 급냉으로 인한 열처리 효과가 이루어졌기 때문이며, 열처리에 의한 용접부의 결정립이 조대화되어 강도가 높아졌기 때문이다.
본 연구에서 기공이 발생 하지 않은 시험편에 대하여 WPS 인증 시 DNV에서 요구하는 비파괴 검사와 파괴 검사를 수행하였으며, 시험 결과 바람이 거의 없는 옥내에서 작업 시 기존 보호가스양인 20∼25 ℓ/min 보다 적은 10 ℓ/min과 15 ℓ/min에서도 양질의 용접부를 확보할 수 있음을 확인하였다.
샤르피 충격시험 결과 Fig. 22에서 알 수 있듯이 약간의 차이가 있지만 용접부에 비하여 열영향부의 충격치가 크게 나타났으며 대부분 열영향부 2mm부근에서 취성의 정도가 큼을 알 수 있다. 용착금속부의 충격 인성은 56.
용접 부 굽힘시험 결과 각 시험편별로 큰 균열(crack) 없이 양호한 양상을 보였다. 다만 No.
(2) 선박 건조 중 선수나 선미 등 용접하기 힘든 협소한 장소나 두께가 얇은 판을 용접할 때 열에 의한 변형 및 수축 등의 문제로 용접 시 많은 어려움과 문제점이 있었다. 하지만 시험 결과 지금까지 선박 건조 시 사용하던 개선 각도 17℃ 와 2.0℃에서뿐만 아니라 개선 각도 15℃에서도 충분한 용접 강도를 가질 수 있음을 확인 하였으며, 15℃로 용접 시 용접부 열에 의한 영향이 적어져 용접 잔류 응력과 용접 변형을 줄일 수 있다. 또한 용접 범위가 줄어들어 인건비와 용접봉을 절약할 수 있는 장점이 있다.

후속연구

하지만 현재 CO₂ 가스는 지구 온난화의 주범으로 주목을 받고 있으며 선박건조 중 많은 양의 CO₂가스가 아무런 여과를 거치지 않고 대기 중에 배출 되어 지고 있다. 본 연구에서는 기존의 보호가스 양보다 적은 양을 사용 하면서도 양질의 용접부를 확보하였으며, 현재 전 세계적으로 CO₂가스를 줄이기 위한 녹색사업과 환경운동이 벌어지고 있는 가운데 연구 결과를 바탕으로 CO₂ 가스를 줄이기 위한 장기적인 녹색사업에 참여 할 수 있으리라 생각된다.
(3) 용접 소모품의 주요 부분을 차지하는 보호가스의 적정 사용량을 Table 6과 같이 산정하였다. 생산 인원과 생산 기간이 증가 할수록 생산비 절감 효과는 크게 상승할 것으로 예상되어 지며, 다음과 같은 결과를 가지고 현장에 적용함으로써 조선소 및 블록제작사들의 FCAW시 원가 절감을 위한 기초 자료로 활용할 수 있으리라 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조선소에서는 현장 설비에 맞추어 선박을 블록으로 분할하여 건조하고 있는 이유는 무엇인가?	용접 기술의 발달로 작업의 편리성과 도크(dock)의 회전율을 높이기 위하여 조선소에서는 현장 설비에 맞추어 선박을 블록(block)으로 분할하여 건조하고 있다. 예를 들어 180K Bulk Carrier경우 대략 150∼200개 정도의 블록으로 만들어진다.
	선박 건조 중 FCAW가 차지하는 비율은 얼마인가?	선박 건조 중 FCAW(Flux Cored Arc Welding)가 차지하는 비율은 Fig. 1과 같이 90%이상으로 많은 부분을 차지하고 있음을 알 수가 있으며, 경제적인 이유로 CO2를 보호가스(shielding gas)로 사용하고 있다.
	DNV에서 경도시험을 어떻게 규정하고 있는가?	경도시험 결과 루트부보다 표면부에서 조금 높은 경도치가 확인되었으며, 다소 경향의 편차가 있지만 열영향부에서 경도 값이 증가하는 것을 확인할 수가 있었다. DNV rule에 따르면 경도 값은 최대 350HV 초과하지 못하도록 되어있으며, Fig. 15에서 Fig.

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