현재 국내에서 공장 보수용접이 가장 많이 이루어지고 있는 선박 엔진 부품은 피스톤 크라운과 배기밸브이다. 또한 선박 엔진 밸브와 크랭크 축 등의 경우에는 신규 부품에서도 성능향상을 위해 표면개질방법으로 오버레이 용접이 시공되고 있다. 용착률을 높이는 고능률 오버레이 용접 공정으로 Hot Wire GTAW, Cold Tandem GMAW, Band Arc SAW, Tandem SAW법이 개발되어 있고, 용사방법으로 PTA공정이 현장에서 많이 시공되고 있다. 입열량 제어가 용이한 공정으로 GMAW-Pulse, CMT 용접공정이 있다. 엔진 배기밸브의 보수를 위한 오버레이공정에서 열영향부에 가까운 모재 내에 액화균열이 발생하는 경우가 있어 주의를 요한다. GMAW-Pulse 공정과 CMT공정에서는 입열량 제어가 용이하여 높은 용착속도를 유지하면서도 액화균열의 발생 없이 엔진 밸브의 보수 또는 표면 개질 목적으로 시공이 가능하다. 최근에 국내에서 고능률 용접 공정으로 선박엔진의 보수 또는 표면 개질 목적으로 사용 가능한 Super-TIG 용접공정이 개발되어 있다. 이 공정은 아크를 플라즈마 스트림이라고 보고 전류증가에 따라 커지는 아크압력을 막으면서도 용가재의 용융 효율이 극대화 되도록 폭이 큰 C형의 오목한 용가재를 발명하여 용착률을 획기적으로 향상시킨 용접공정이다.
현재 국내에서 공장 보수용접이 가장 많이 이루어지고 있는 선박 엔진 부품은 피스톤 크라운과 배기밸브이다. 또한 선박 엔진 밸브와 크랭크 축 등의 경우에는 신규 부품에서도 성능향상을 위해 표면개질방법으로 오버레이 용접이 시공되고 있다. 용착률을 높이는 고능률 오버레이 용접 공정으로 Hot Wire GTAW, Cold Tandem GMAW, Band Arc SAW, Tandem SAW법이 개발되어 있고, 용사방법으로 PTA공정이 현장에서 많이 시공되고 있다. 입열량 제어가 용이한 공정으로 GMAW-Pulse, CMT 용접공정이 있다. 엔진 배기밸브의 보수를 위한 오버레이공정에서 열영향부에 가까운 모재 내에 액화균열이 발생하는 경우가 있어 주의를 요한다. GMAW-Pulse 공정과 CMT공정에서는 입열량 제어가 용이하여 높은 용착속도를 유지하면서도 액화균열의 발생 없이 엔진 밸브의 보수 또는 표면 개질 목적으로 시공이 가능하다. 최근에 국내에서 고능률 용접 공정으로 선박엔진의 보수 또는 표면 개질 목적으로 사용 가능한 Super-TIG 용접공정이 개발되어 있다. 이 공정은 아크를 플라즈마 스트림이라고 보고 전류증가에 따라 커지는 아크압력을 막으면서도 용가재의 용융 효율이 극대화 되도록 폭이 큰 C형의 오목한 용가재를 발명하여 용착률을 획기적으로 향상시킨 용접공정이다.
Of the marine engine components, the piston crown and exhaust valve are repaired most frequently. These works are conducted through conventional welding processes such as GTAW or SAW, domestically in marine engine repair factories. New high-efficiency welding or overlay processes such as tandem SAW,...
Of the marine engine components, the piston crown and exhaust valve are repaired most frequently. These works are conducted through conventional welding processes such as GTAW or SAW, domestically in marine engine repair factories. New high-efficiency welding or overlay processes such as tandem SAW, tandem MAG, hybrid TIG-MIG welding, pulsed-GMAW, CMT welding, and super TIG welding have been developed recently. Moreover, the plasma transfered arc (PTA) process is an efficient spray method for overlaying on the exhaust valve. In this review paper, the new high-efficiency repair welding methods are introduced for marine engine components. The problems due to repair welding for marine engine components are also presented.
Of the marine engine components, the piston crown and exhaust valve are repaired most frequently. These works are conducted through conventional welding processes such as GTAW or SAW, domestically in marine engine repair factories. New high-efficiency welding or overlay processes such as tandem SAW, tandem MAG, hybrid TIG-MIG welding, pulsed-GMAW, CMT welding, and super TIG welding have been developed recently. Moreover, the plasma transfered arc (PTA) process is an efficient spray method for overlaying on the exhaust valve. In this review paper, the new high-efficiency repair welding methods are introduced for marine engine components. The problems due to repair welding for marine engine components are also presented.
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문제 정의
이 해설 논문에서는 최근 새롭게 개발된 용접기술 중에서 선박엔진 부품의 보수용접으로 적용 가능한 고능률의 용접기술들을 소개하고, 또한 선박엔진부품의 보수와 수리 기술에 관한 연구 동향과 특허동향을 분석하여 국내의 엔진부품 보수 수리 산업의 생산성 향상과 기술개발에 기여 하고자 한다.
가설 설정
4. 오버레이 용접 중 발생하는 결함으로 액화균열의 방지에 유의해야한다. 액화균열을 방지하기 위해서는 결정립을 미세화하거나 모재의 불순물 원소를 적극 억제시켜야한다.
성능/효과
1. 선박 엔진 부품 중 보수수리 대상으로 가장 큰 비중을 차지하는 것은 배기밸브와 피스톤 크라운 부품이다. 이 들은 내열강 또는 초내열합금으로 엔진 연소실을 구성하는 부품으로 최고 600℃ 이상의 고온 연소가스에 노출되며 심한 충격하중을 반복해서 받게 되어 많은 손상을 받는다.
2. 보수 용접은 오버레이 방법으로 가장 많이 이루어진다. 오버레이 용접에서는 가능하면 용입이 얕고 비드폭이 넓어서 용착률이 높을 것이 필요하다.
6. NDSL 데이터베이스로부터 선박엔진 부품의 보수 또는 오버레이 관련 특허를 검색한 결과, 엔진 밸브의 보수 또는 오버레이 관련 특허가 가장 많은 21건이었고, 실린더 라이너 보수 또는 재생이 6건, 피스톤 크라운 보수 건이 2건으로 나타났다. 그 중 국내 특허가 전체의 절반 정도를 차지하고 있어 국내에서 선박엔진부품의 보수용접에 가장 많은 관심을 갖고 있음을 나타낸 것이다.
8. 현재 국내의 선박엔진 부품의 보수산업은 영세한 소기업 형태로 대부분 운영되고 있어서 기술혁신을 기대하기 어려운 상황이며, 세계적으로 선박과 선박엔진의 노후화로 인한 보수 수리의 수요가 증대하고 있음에도 해외 시장을 개척하여 사업을 확장시켜 나갈만한 여력이 빈약한 현상에 있다. 따라서 이를 타개해 나갈 산․학․관 연계의 기술적, 재정적 지원이 필요하다.
이들 연구의 대부분의 연구는 오버레이 법에 의해 Exhaust valve나 Piston crown의 용접 보수를 할 때에 수동 피복아크용접이나 GTAW용접 시공 시 용접금속과 용접열 영향부의 부식특성과 기계적 특성의 변화를 규명한 것이다 [17]-[19]. 내열강 및 Ni기 초내열합금제 Inconel 625와 Inconel 718 용가재를 이용하여 SAW와 GTAW 용접으로 피스톤 크라운부의 오버레이 보수 용접 시 용가재의 종류에 따른 부식특성과 기계적 특성을 조사한 결과 내식성은 Inconel625에서 가장 우수한 한편 경도 값은 Inconel 718에서 가장 우수한 특성을 보인다는 결과를 발표하였다[20]. 이상의 내용을 살펴보면 보수용접 공정에 관한 연구로 플라즈마 아크를 이용하여 보수용접 시 기술적 내용에 관한 1건의 연구가 발표되어 있을 뿐, Exhaust valve나 Piston crown의 오버레이 보수용접을 위해 능률향상이나 용접결함, 잔류응력저감 등 용접 시공에 관한 연구는 발표되어 있지 않은 현상에 있다[21].
마모량이 초과되어 폐기단계에 있는 주철제 실린더 라이너에 대해 Fe-Ni-Al계 용사분말을 이용하여 플라즈마 용사장치로 그 내면에 용사피막을 형성함으로서 주철재의 자기 윤활성과 침윤성 및 내마모성이 개선됨을 확인하였다. 또한 용사피막 처리된 실린더라이너를 디젤엔진에 장착하여 실기시험을 실시한 결과 실 엔진에 적용할 수 있음을 확인하였다.
용사법에 의한 주철제 실린더 라이너 재생 방법에 관한 연구가 발표되어 있다[25]. 마모량이 초과되어 폐기단계에 있는 주철제 실린더 라이너에 대해 Fe-Ni-Al계 용사분말을 이용하여 플라즈마 용사장치로 그 내면에 용사피막을 형성함으로서 주철재의 자기 윤활성과 침윤성 및 내마모성이 개선됨을 확인하였다. 또한 용사피막 처리된 실린더라이너를 디젤엔진에 장착하여 실기시험을 실시한 결과 실 엔진에 적용할 수 있음을 확인하였다.
따라서 레이저/아크 하이브리드 용접은 레이저 단 독 용접이나 아크 단독용접에 비해 고능률, 고신뢰성, 저 비용의 용접으로 밝혀져 자동차, 조선, 항공, 철도차량, 가전 산업 등 제조업에서의 응용이 세계적으로 활발히 전개 되고 있다. 선박엔진 부품의 고능률 오버레이 용접으로는 레이저/ 아크하이브리드 공정 중에서도 낮은 희석률, 그리 고 저 입열을 실현시킬 수 있는 레이저/ CMT 아크 하이브리드 공정이 바람직하다고 판단된다. Figure 7은 레이저 /CMT 아크 하이브리드 용접의 개요도를 보인다.
NDSL 데이터베이스로부터 선박엔진 부품의 보수 또는 오버레이 관련 특허 건수를 검색한 결과 Figure 16과 같이 정리되었다. 엔진 밸브의 보수 또는 오버레이 관련 특허가 가장 많은 21건이었고, 실린더라이너 보수 또는 재생이 6건, 피스톤 크라운 보수 건이 2건으로 나타났다.
액화균열부의 EDX분석결과를 Figure 14에 보인다. 이결과에 의하면 액화균열부에는 저융점원소인 Si의 편석이 Nimonic 80A 모재의 입계에 존재해 있었고 이 편석이 PTA 공정 중 액막상태로 되어 냉각과정에서 발생하는 응력의 영향을 받아 미세 균열로 발전하였음을 추정할 수 있다.
이상의 선박 엔진부품의 보수와 관련한 지난 20년간의 특허 출원 활동을 요약하면 전체 30건 미만의 저조한 특허 건수를 기록하고 있고 그 중에서도 절반이상이 국내에서 이루어진 국내특허로 파악된다. 그리고 레이저 클래딩을 제외한 대부분의 특허 출원이 20년의 유효기간이 지난 것으로 파악되었다.
선박용 디젤 엔진 블록의 보수용접방법에 관한 연구가 수행되어 주철제 실린더 블록에서 발생한 피로균열을 용접 방법으로 보수가 가능함이 보고되어 있다[26]. 주철제 엔진 블록의 용접 시 예열과 층간온도 유지, 슬래그 혼입방지, 피닝 공작의 적용, 스터드를 이용한 구속 등의 적용에 의해 용접결함이 없는 모재와 동등이상의 용접부를 얻을 수 있음이 확인되었다.
후속연구
○ 국내의 대부분의 선박엔진 수리업체에서는 선박엔진 부품의 보수용접을 전래의 수동 아크용접에 크게 의존하고 있어 기술의 후진성을 벗어나지 못하고 있다. 생산성 향상을 위해 이 연구에서 제시한 탄뎀 SAW, TIG-MIG 하이브리드용접, 수퍼 TIG 용접, 레이저-아크 하이브리드용접과 같은 고능률 용접법의 적극적인 도입이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박 엔진 부품중 국내에서 공장 보수용접이 가장 많이 이루어지고 있는 것은 무엇인가?
현재 국내에서 공장 보수용접이 가장 많이 이루어지고 있는 선박 엔진 부품은 피스톤 크라운과 배기밸브이다. 또한 선박 엔진 밸브와 크랭크 축 등의 경우에는 신규 부품에서도 성능향상을 위해 표면개질방법으로 오버레이 용접이 시공되고 있다.
선박 엔진 밸브와 크랭크 축에서 표면개질방법으로 적용되는 기법은?
현재 국내에서 공장 보수용접이 가장 많이 이루어지고 있는 선박 엔진 부품은 피스톤 크라운과 배기밸브이다. 또한 선박 엔진 밸브와 크랭크 축 등의 경우에는 신규 부품에서도 성능향상을 위해 표면개질방법으로 오버레이 용접이 시공되고 있다. 용착률을 높이는 고능률 오버레이 용접 공정으로 Hot Wire GTAW, Cold Tandem GMAW, Band Arc SAW, Tandem SAW법이 개발되어 있고, 용사방법으로 PTA공정이 현장에서 많이 시공되고 있다.
선박엔진의 설계수명이 길기 때문에 일어나는 현상과 이를 보완하는 방법은 무엇인가?
선박엔진의 설계수명은 일반적으로 25～30년으로 긴 것이 특징이다. 이 때문에 장기간의 운전 기간에 걸쳐 안전운전을 가능케 하기 위하여 보수수리가 필요하다. 즉 운전 중 부식에 의한 두께 감소나 균열 등의 열화 손상이 발생하며, 이를 용접보수방법으로 원상태로 복구한다.
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