KISTI가 선정한 이달의 신용접기술은

KISTI가 선정한 이달의 신용접기술은

  • 뿌리산업
  • 승인 2016.12.09 13:30
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기자명 정수남 기자 snjung@snmnews.com
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한국과학기술정보연구원(KISTI) ReSEAT 프로그램에서는 미국과 일본의 새로운 용접기술을 모니터링하고 이를 분석해 국내 용접기술 발전에 유용한 새로운 소재관련, 용접관련 기술을 매달 제공하고 있다.

KISTI 이달 ▲Alloy 690 후판용접부의 기공 방지 ▲아크용접 로봇 기술 현황 ▲티타늄의 레이저용접에서 키홀 형성 요인 ▲미국과 캐나다의 용접기술 개발 ▲고전류 매몰아크를 이용한 고능률 후판 용접법 ▲수소가스를 이용한 용사기술 ▲오스테나이트계 스테인리스강의 확산 접합기술 ▲용접 관련 규격의 최근 국제 동향 ▲이종금속재료 용접부의 잔류응력에 관한 내용을 소개했다.

9일 뿌리뉴스가 이들 정보를 요약했다.

◆Alloy 690 후판용접부의 기공 방지= 레이저-아크 하이브리드 용접기술은 조선소의 조립 공정의 생산성을 향상시키는 유력한 용접기술이며 철도차량, 자동차, 원자력 발전설비, 산업기계 분야에서도 적용 범위가 증가하고 있다. 레이저-아크 하이브리드 용접부는 어스펙트 비가 높고 용입이 깊어 부분용입의 경우에는 키홀의 불안정에 의한 기공, 완전용입의 경우에는 루트결함과 같은 용접결함이 발생하지 않도록 용접기술개발이 필요하다.

응력부식균열에 대한 저항성이 높은 Alloy 690을 포함한 Ni합금은 1135℃의 고온에서 1시간 동안 유지한 뒤 수중에서 담금질을 실시하고, 이어 800℃에서 4시간에 걸쳐 재가열을 실시하는 열처리공정으로 제작된다. 이 같이 열처리된 미세조직에는 덩어리 형태의 MC 탄화물(Nb, Ta, Ti, V)이 잔류되어 있고, 미세한 M23C6 탄화물이 결정립계를 따라 석출하며 구속력이 심한 상태에서 용접하면 냉각과정에서 연성저하균열이 발생하기 쉬워 주의해야 한다.

Laser-GMAW 하이브리드 용접부의 비드형상은 GMAW 용접부에 비해 비드폭이 좁으며 덧살(reinforcement)의 높이도 낮게 형성된다. Laser-GMAW 하이브리드 용접비드의 단면이 GMAW 용접부보다 이상적인 형상을 나타낸다.

후판재를 사용하는 조선산업에서 Laser-GMAW 하이브리드 용접을 성공적으로 수행하기 위해서는 용접 이음부의 간격을 연결해주는 성능(gap bridging ability)을 충분히 갖춰야 한다. 용접 모재의 종류와 두께에 대한 빠른 용접속도, 깊은 용입, 간격의 연결성능, 적은 변형 등과 같은 Laser-GMAW 하이브리드 용접의 장점들을 후판재에 적용할 수 있도록 최적 용접조건의 도출을 포함한 기술개발이 필요하다.

Laser-GMAW 하이브리드 용접에서 레이저의 출력이 높아지고 용입이 깊어질수록 기공과 루트결함들이 많은 문제를 일으키기 때문에 고출력 레이저를 효율적으로 활용하기 위해서는 용접결함들이 발생하는 메커니즘에 대해 보다 깊은 분석과 방지기술의 확립이 중요하다.

참조(http://www.reseat.re.kr/tech/artView.st?C_OBJECT_INDEX=84378&sel=C_OSUBJECT&page=1&SOC_CD=SOC0021&TOPIC_CD=N39)


◆아크용접 로봇 기술 현황= 국내의 조선, 해양기자재 산업을 위시한 각종 제조업의 국제 경쟁력 강화를 위해서는 이들 산업의 기반공정인 용접공정의 능률과 생산성 향상과 인건비절약을 위해 용접공정의 자동화와 로봇화가 필수적이며, 용접기능 숙련기술자의 인력부족과 고령화에 대응하기 위해서도 용접공정의 로봇화와 그에 따른 용접품질관리 기술은 시급한 과제이다.

용접 자동화는 용접 캐리지(carriage)나 토치 오실레이터로 대표되는 소위 자동기의 시대에서 고도의 기능을 갖춘 로봇시대로 발전되고 있다. 최근에는 컴퓨터기술, 통신기술, 정보처리기술, 제어기술 등의 급속한 발전에 의해 용접로봇의 기술도 크게 고도화하고 있다.

아크 용접로봇은 사용자에 특화된 적응제어에 의한 용접을 실현하는 로봇이 개발되고, 로봇용 센서로는 아크센서나 레이저센서에 대신하는 CCD나 CMOS 카메라를 사용해 그루브 위치나 갭 폭을 검출하는 연구가 진행되고 있다. 이에 따라 금후에는 소품종 대량생산분야에 주로 보급되던 아크용접로봇이 조선 해양 구조물 분야의 1품종 생산 현장에도 그 보급이 확대될 전망이다.

이 해설기사는 아크용접 로봇의 CPU제어장치, 로봇의 동작 기구, 사용자 인터페이스 장치, 그리고 로봇 아크용접에서의 품질관리와 로봇에 채용되고 있는 센서의 개발 현황에 대해 서술한 내용이다. 로봇 아크 용접에서의 품질관리에 있어서 PC에 의한 트레서블리티(traceability)기능을 이용해 용접시공불량을 검출하고 실시간 모니터링을 통해 용접불량을 검출하는 방법 등에 관해 서술한 내용으로 아크용접 로봇 기술을 이해하는 데 매우 유용한 자료이다.

현재 용접전원은 디지털화로 고능률을 실현하고 스패터를 비롯한 각종 용접결함을 제어하는 기술이 발전되고 이 같은 기술들이 아크용접 로봇과의 접목을 통해 더욱 고도화 하고 있다. 이로 인해 용접공정의 무인화, 용접부의 고품질화가 달성돼 이 같은 기술이 산업전반으로 확산되고 있다. 국내에서도 이러한 추세에 발 빠른 대응이 필요하다.

참조(http://www.reseat.re.kr/tech/artView.st?C_OBJECT_INDEX=84548&sel=C_OSUBJECT&page=1&SOC_CD=SOC0021&TOPIC_CD=N39)


◆티타늄의 레이저용접에서 키홀 형성 요인= 티타늄은 가볍고 비강도가 높으며 고내열성을 가지고 있고, 산과 해수에 대해서도 강한 내식성을 나타내고 있다. 이에 따라 조선, 경량 선박, 항공기, 화학플랜트기기, 의료기기, 경기용 기기, 장신구 등에 폭넓게 사용되고 있다. 티타늄은 활성금속이어서 용접 시에 산소 등과 반응해 품질을 저하시키기 때문에 가스실드를 충분히 유지할 필요가 있으며, 키홀의 형성원리를 파악하는 게 중요하다.

레이저용접에서는 종래 용접법에 비해 저입열과 고속용접이기 때문에 산화를 억제할 수 있어 비교적 고품질의 용접이 이뤄진다. 다만, 레이저용접 특유의 키홀에 기인되는 기공(porosity) 등의 용접결함이 발생한다. 고품질의 레이저용접을 실현하기 위해서는 이 자료를 참고로 한 티타늄의 키홀 형성기구의 규명이 중요하다.

종전 X선을 이용한 관찰에 의한 키홀의 분석과 수치계산에 의한 해석이 선진국에서 주도적으로 진행되고 있지만, 레이저와 재료와의 상호작용을 포함한 키홀 내부의 현상은 아직까지 충분히 밝혀져 있지 않은 상태다. 적은 비용으로 생산성이 높고 품질이 우수한 제품의 생산을 위해서는 향후 국내연구진의 적극적인 기술투자가 필요하다.

이번 연구에서는 순티타늄에 대해 레이저출력을 변화시키면서 멜트-런(melt-run) 용접을 행하여 키홀의 형성과정의 X선 투시관찰을 진행했다. 입자법을 이용해 레이저광의 반사와 후레넬(frenel) 흡수와 증발에 의한 반도압을 고려해 수치를 계산했다. X선 투시관찰결과와 비교해 키홀의 형성과정에 의한 증발속도에 주목하여 키홀 내부현상을 규명했다.

2014년 포항산업과학연구원, 포스코의 국내 등록특허(10-1419879)에 따르면 레이저빔을 조사해 튜브를 가열하고 용융시켜 키홀이 형성되게 하는 원리로, 레이저 발생장치를 이용한 튜브 제조장치를 개발했다. 이 경우 키홀의 현상분석은 티타늄합금, 마그네슘합금 등의 산화되기 쉬운 소재의 레이저 용접에서 기공 등의 내부 결함을 감소시키고, 생산성을 향상시키기 위해 필요한 용접기술로 인식됐다.

참조(http://www.reseat.re.kr/tech/artView.st?C_OBJECT_INDEX=84008&sel=C_OSUBJECT&page=1&SOC_CD=SOC0021&TOPIC_CD=N39)


◆미국과 캐나다의 용접기술 개발= 용접기술은 조선, 해양구조물, 철도차량, 자동차, 반도체, 전자ㆍ전기제품, 원자력 발전설비, 방산기계, 산업기계, 화학설비 산업 등 대부분 산업분야의 제품생산 과정 중 조립단계에서 핵심적으로 사용돼 제품의 생산성과 품질에 영향을 주는 중요한 기술이다.

이중 반도체, 전자기기의 소형화, 경량화와 관련해 초정밀 용접·접합기술의 중요성이 높아지고 있는 추세이다. 용접기술은 항공․우주 제품의 제조에서도 대단히 중요한 제조공정이며 우주선이 더욱 더 정교해질수록 비행용 우주선과 운반체를 제조하는데 사용되는 용접기술도 정교하게 발전되고 있다.

원자력발전을 포함한 에너지산업과 화학장치산업의 용접구조물 제작과정에서 핵심적으로 이용되고 있는 세계적인 용접규격인 ‘ASME Code Section Ⅸ, Welding and Brazing Qualification’에도 최근에 상용화된 여러 종류의 신용접기술이 반영되고 용접변수의 관리에서도 새로운 내용이 추가되는 등 용접산업계의 변화를 반영하고 있다.

2013년에 발행된 ASME Section Ⅸ, PART QW WELDING의 ARTICLE Ⅱ(Welding Procedure Qualification)에서는 Hybrid Laser- GMAW Welding(QW-220)이 추가됐으며, PART QF PLASTIC FUSING이 신규로 편집됐다. ARTICLE Ⅱ의 Welding Variables Procedure Speifications(WPS) 항목을 살펴보면, Friction Stir Welding(QW-267), Hybrid Laser-GMAW(QW-268), Hybrid Plasma- GMAW(QW-269)이 추가됐다.

국내의 조선, 해양구조물, 자동차, 에너지산업 등에서 활약하고 있는 용접기술자는 급속히 발전하고 있는 국제 용접기술분야의 흐름을 파악해 첨단 용접기술개발에서 뒤처지지 않도록 노력을 기울이는 게 중요하다.

참조(http://www.reseat.re.kr/tech/artView.st?C_OBJECT_INDEX=83821&sel=C_OSUBJECT&page=1&SOC_CD=SOC0021&TOPIC_CD=N39)


◆고전류 매몰아크를 이용한 고능률 후판 용접법= 시공에 많은 공수가 필요한 후판 용접공정에서 비용절감과 품질향상은 매우 중요한 요소이다. 후판 용접 시 능률 향상을 위해 패스 당 용착량을 많게 해 용접 패스 수를 줄이는 방법으로 최근에 탄뎀 SAW, 탄뎀 투윈 SAW법, 탄뎀 EGW 등과 같이 기존의 용접프로세스를 탄뎀화하는 공정들이 실현되고 있다.

D-Arc 용접법은 후판용접 시 능률 향상을 위해 용입깊이를 깊게 해 패스 당 용착량을 많게 하는 방법으로 기존의 프로세스를 탄뎀화 하는 대신, 혁신적인 방법으로 매몰아크를 이용했다. 매몰 아크를 용접에 적용할 때에 아크 불안정으로 용접 시공의 실현이 어려웠으나 디지털 인버터 제어에 의해 이를 안정화시킴으로서 용접시공을 실현시켜 고전류 매몰아크를 후판용접에 실현시킬 수 있다.

D-Arc 용접법은 판두께 19mm의 후강판 용접 시에 대해 일반 GMAW 다층 용접과를 비교하면 그루브 단면적을 약 67% 저감에 따라 1 패스용접화로 용접시간을 80% 단축하고, 용접으로 인한 각변형량도 85% 저감할 수 있다. 용접시간의 단축에 의해 소비전력과 와이어 소비량도 삭감 가능해 공수를 포함한 비용을 80% 저감 할 수 있다.

최근 디지털 인버터 제어로 용접전원의 제어뿐만 아니고 용접와이어의 전진, 후퇴 송급제어, 아크현상의 가시화 기술이 발전해 이들 기술의 복합화로 새로운 고능률, 고품질의 혁신적인 용접기술개발이 계속되고 있다. 용접공정의 자동화, 로봇채용으로 인력절감을 가져오고 자동차, 선박, 해양구조물 등 각종 구조물에 적용되는 새로운 규칙대응 재료의 개발이 이루어져 제조업 기술의 혁신이 계속되고 있다.

국내의 조선, 해양, 플랜트 산업을 위시한 각종 산업의 세계 경쟁력강화를 위해 기반기술인 용접기술의 기술혁신에 능동적으로 대처하기 위한 산학관의 협력적 노력이 필요하다.

참조(http://www.reseat.re.kr/tech/artView.st?C_OBJECT_INDEX=84026&sel=C_OSUBJECT&page=1&SOC_CD=SOC0021&TOPIC_CD=N39


◆수소가스를 이용한 용사기술= 프로판, 메틸아세틸렌, 헵탄, 수소 등의 연료가스를 산소와 함께 고압에서 연소시켜 발생하는 고속(1,300~3,200m/sec)의 제트를 사용하는 고속화염용사(High-Velocity Oxygen Fuel Spray, HVOF)는 모재 기지금속과 강력하게 결합한 고밀도·고경도, 고내마모성·고내식성의 치밀한 용사피막을 제조하는 용사기술이다.

고속화염용사 피막층의 품질을 확보하기 위해서는 입자속도에 대한 가스의 효과, 입자속도에 대한 입자의 크기와 밀도의 영향, 기지에 코팅되는 용사분말의 접합에 대한 메커니즘을 정확하게 규명해 용사의 효율성을 높이는 게 중요하다.

고속화염용사에서 연료가스로 사용되는 수소는 공기보다 가벼워서 대기확산이 쉽고 폭발한계 하한값과 발화온도가 높아서 프로판이나 아세틸렌보다도 안전하며, 탄소를 함유하지 않기 때문에 연소과정에서 CO2가스를 배출하지 않는 환경친화적인 가스이다.

수소를 이용한 고속화염용사에서 수소가스의 효율적인 공급방법과 안전확보는 필수적이다. 물을 전기분해해 수소와 산소를 생산한 후에 폭발범위를 좁혀서 안전성을 높일 수 있도록 적정한 공급절차시스템을 운영하고 안전을 준수해야 한다.

지구환경의 보호차원에서 향후 수소사회에 필요한 수소가스의 생산과 운반 및 공급시스템의 건설과 안전한 운영은 고압수소가스 환경에서 사용하는 부재의 안전성이나 신뢰성을 확보하는 기술개발이 중요하다. 수소가스를 사용하는 용사기술에 대한 우리나라의 연구개발은 초기 단계로서 국내 선박, 에너지장치를 포함한 중화학 설비의 내식성, 내열성과 내마모성을 확보하고 대외경쟁력을 높이기 위해 용사 피막층의 품질이 우수하고 경제성이 높은 용사기술의 국내개발에 노력을 기울여야 한다.

참조(http://www.reseat.re.kr/tech/artView.st?C_OBJECT_INDEX=83825&sel=C_OSUBJECT&page=1&SOC_CD=SOC0021&TOPIC_CD=N39

◆오스테나이트계 스테인리스강의 확산 접합기술= 확산접합은 종래에 용접의 주류를 이뤘던 용융 용접에 없는 우수한 특성 때문에 최신 용접법으로서 주목을 받고있다. 용접대상 재료도 종래와 같은 단일재료의 사용만으로는 각종 요구사항을 만족시키기가 어렵기 때문에 단일재료의 결점을 보완하기 위해 금속과 금속, 세라믹 등 2종류 이상의 재료를 복합화한 복합소재를 사용할 필요성이 커지고 있다. 고부식 환경, 고온엔진 해양개발 분야, 원자력발전설비, 우주공학, 태양열이용 분야, 고속미사일과 로켓 분야에 대한 확산접합기술의 연구개발이 국내산업분야에서 시급히 요구되고 있다.

최근 국내에서도 확산접합에 대한 연구는 관심을 일으키고 있다. 일례로 2015년 한국과학기술원과 한국원자력연구원에서 제 4세대 원전인 소듐 냉각고속로에 들어가는 열교환기에 사용되는 Alloy 800HT, 니켈기 합금인 Alloy 690과 Alloy 600 오스테나이트계 재료에 대한 후열처리 효과와, 제4세대 원전 적용을 목적으로 장기 건전성이 확보되는 핵연료 피복관 소재개발에 고크롬 페라이트·마르텐사이트강에 대한 열처리 효과에 대해 연구한 실적이 다.

선박용 엔진의 장기적인 관리(maintenance)를 목표로 한 엔진의 세라믹화가 최근 밝은 전망을 보이고 있다. 선박 디젤엔진기관 분야 등에 세라믹과 금속의 확산접합 기술은 과급기, 가스터빈의 블레이드-차축부의 접합과 가스터빈 연소실 등의 고온 기계부품에도 적용할 수 있다. 일례로 일본강관(주)에서는 Si3N4 세라믹과 Nimonic 80A의 확산접합기술을 개발해 선박의 디젤엔진기관의 배기밸브에 적용한 결과, 종래의 SUH3 내열강·Stellite 밸브보다 수명을 크게 향상시킨 실적이 있다.

오스테나이트계 스테인리스강 STS 304, STS 316L에 대해 강변형과 가공유기 마르텐사이트를 도입해 확산접합을 시도한 결과, 강변형을 가한 재료가 재결정에 크게 영향을 받으며 가공유기 마르텐사이트의 도입으로 저온에서도 확산 접합하기 쉽게 된다는 결론을 얻었다.

참조(http://www.reseat.re.kr/tech/artView.st?C_OBJECT_INDEX=83530&sel=C_OSUBJECT&page=1&SOC_CD=SOC0021&TOPIC_CD=N39


◆용접 관련 규격의 최근 국제 동향= ISO 규격은 세계 산업경제 시대에 세계 각국의 모든 생산제품의 제조 과정에서 제품에 대한 품질관리의 지침이 되는 규범으로 과학기술의 발전과 함께 매년 새롭게 개정과 제정 작업이 이뤄지고 있다. 각 국가에서는 ISO규격에 합치한 국내 규격을 제정하여 운용하고 있다.

용접관련 ISO 규격의 제정 작업은 IIW(국제 용접학회), CEN(유럽 표준화 위원회)이 맡고 있다. 아시아권에서는 유일하게 일본의 영향력이 어느 정도 작용하지만, 주로 유럽 주도로 규격체계가 결정되는 경향이 있어 이의 시정을 위한 우리나라의 노력이 필요하다.

본문에서는 용접재료와 용접시공관련의 ISO규격의 제정과 개정의 동향과 그에 따른 일본 공업규격 JIS 규격의 제정과 개정의 움직임에 관해 해설한 내용이다. 일본에서는 일본 용접협회 주관으로 일본 기술의 독자성을 반영한 JIS규격을 제정하고 이를 ISO규격과의 정합화 하는 한편, 일본 기술의 독자성을 ISO규격에 반영하는 노력을 진행하고있다. 본문에서는 이러한 내용을 담고 있어 우리나라의 용접기술 관련 규격의 제정과 운용에 있어 매우 중요한 참고자료이다.

우리나라는 용접기술을 기반으로 하는 자동차, 조선해양, 원자력 플랜트 등 각종 산업에서 세계적인 기술 선진 그룹에 속해 있다. 반면, 용접제품의 품질관리 규격은 ISO규격을 그대로 번역하여 운용하고 있어, 우리나라의 독자성을 반영한 KS규격이 미비하고 ISO규격에 우리나라의 독자성을 반영하려는 노력이 부족하다.

용접기술 관련 산업은 유럽에서 이미 한국, 일본, 중국의 극동아시아권으로 이전되어 왔다고 할 수 있다. 용접관련 ISO규격은 IIW나 CEN 주도의 유럽중심의 체계로 제정되고 운용되고 있어 한국, 일본 중국의 3국의 협동으로 이를 시정해 나가는 노력이 필요하다. 이를 위해 우리나라의 경우 대한용접접합학회 내에 용접관련규격을 모니터링하고 이를 제정 개정하는 전담기구의 설립이 절실하다.

참조(http://www.reseat.re.kr/tech/artView.st?C_OBJECT_INDEX=83967&sel=C_OSUBJECT&page=1&SOC_CD=SOC0021&TOPIC_CD=N39


◆이종금속재료 용접부의 잔류응력= 용접 토우부를 포함한 이음부에서 항복점에 가까운 크기로 발생하는 인장잔류응력은 용접부의 기계적 성질에 해로운 영향을 주어 피로수명을 단축시키며, 고장력강의 경우에는 확산성수소에 의한 저온균열의 발생을 촉진시키는 작용을 한다. 인장잔류응력은 용접부의 응력부식균열, 취성파괴, 변형 등을 유발시키는 등 용접부의 품질을 저하시킨다. 이에 따라 용접모재와 용접금속을 포함한 용접부에서의 잔류응력을 저감하는 것이 중요하다.

내식성이 요구되는 조선과 해양구조물, 정유산업이나 에너지산업 등에서 설비 전체를 스테인리스강 단독으로 제작하는 것보다는 설비의 내식성을 확보하기 위해 탄소강 구조물에 스테인리스강을 적용하는 이종금속재료 용접구조물로 제작하는 것이 설비의 경제성과 사용성능을 높이는 경우가 많다. 이같이 부가가치가 높은 이종금속재료 용접공정을 성공적으로 수행하기 위해서는 적절한 용접재료의 선정과 용접절차서의 도출이 필수적이다.

용접시공에서 고온으로 가열된 철강재 용접금속이 급속냉각과정을 거치면서 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태를 일으키면 격자의 부피가 5% 정도 팽창하면서 변태응력에 의한 잔류응력이 발생한다. 이종금속재료 용접부의 인장잔류응력을 감소시켜 주기 위해서는 오스테나이트에서 마르텐사이트로 상변태가 시작되는 변태개시 온도(Ms)를 가능한 낮추고 용접부의 냉각이 완료되는 온도보다 약간 높은 온도에서 상변태가 종료되도록 해야한다.

스테인리스강과 탄소강의 이종금속재료 용접부의 내식성을 확보하는 방법의 하나로서 스테인리스강 모재와 용접금속에 대한 용접입열량을 일정 수준 이하로 제한하는 게 효과적이다. 용접입열량을 제한하면 용착된 용접금속과 연강과의 희석률이 낮아지면서 용접금속 중의 합금성분이 감소하지 않고 일정한 수준을 유지하게 되어 용접부의 내식성을 원하는 수준으로 확보할 수 있다.

참조(http://www.reseat.re.kr/tech/artView.st?C_OBJECT_INDEX=84035&sel=C_OSUBJECT&page=1&SOC_CD=SOC0021&TOPIC_CD=N39

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