KR102640836B1 - 데크 하우스 구조물에 대한 박판 레이저 용접 실시 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 데크 하우스 구조물 레이저 용접 실시 방법은 초점 위치(Defocus), 레이저 출력, 용접 속도 및 강판 두께를 포함한 변수들을 조절한 상태에서 레이저 용접 조건을 결정하는 단계; 용접 시행된 용접 시험편에 대한 용접 비드 단면 분석을 통해 용입 깊이와 비드 분석을 실시하여 레이저 용접 최적 조건을 도출하는 단계; 초점 위치 별로 표면 비드와 용입 깊이의 반비례 경향을 통해 초점 위치와 용입 깊이 간의 관계를 도출하는 단계; 및 용접 속도의 증가에 따라서 표면 비드의 폭과 용입 깊이가 모두 감소하는 경향을 통해서 용접 속도, 표면비드의 폭, 용입깊이를 일체적으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 핵심적인 특징으로 한다.

Description

데크 하우스 구조물에 대한 박판 레이저 용접 실시 방법{Method for Conducting Thin Sheet Laser Welding for Deck House Structures}

본 발명은 선박의 데크 하우스 구조물에 대한 박판 레이저 용접 실시 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 용접프로세스의 핵심변수로서 초점 위치, 레이저 출력, 용접 속도를 포함한 변수들을 조절한 상태에서 용입 깊이와 비드 형상 분석을 통해 선박의 데크 하우스에 대한 최적의 용접을 실시하는 방안에 관한 것이다.

일반적으로 선체의 데크 상부에는 유압 발생 장치, 컴프레서, 모터 등을 설치하거나 각종의 물품을 보관하기 위한 부속 구조물로서 강판을 박스나 창고 형태로 만든 데크 하우스나 케이싱 또는 거주구(이하, "데크 하우스"라 한다)가 탑재될 수 있다. 선박을 건조할 때 데크 하우스는 통상 제일 마지막 단계에 탑재를 하며, 선체의 데크 상부에 용접을 통해 고정설치하게 된다.

선박 및 해양플랜트의 데크 하우스는 선원실 역할을 하는데, 일반적으로 상갑판 상부에 위치하며, 외주 제작을 통해 최종적으로 선박에 탑재하는 형태로 이루어진다. 데크 하우스는 구조적으로 받는 하중의 크기가 선체보다 매우 작기 때문에 경제성을 위해 선체 강판보다 상대적으로 얇은 박판이 사용된다.

데크 하우스 제작 시 박판 용접 특성 상 냉각 후 압축응력에 의한 좌굴 용접 변형이 유발되는 바, 용접 좌굴 변형은 그 사전에 변형 양상을 예측하기 어려워 사전에 작업 계획을 세우기 어려운 문제가 있고, 생산 계획을 통해 일련의 작업을 진행함으로써 일정 준수를 최우선 가치로 하는 국내 조선소에 애로 사항을 야기한다.

현재 조선소에서 데크 하우스 제작 시 FCAW(Flux-Cored Arc Welding, 플럭스 코어 아크 용접)인 일명 CO2용접으로 작업을 수행하는데, FCAW 용접은 전 자세에서 용접이 가능하고, 넓은 용접 조건 범위에서 안정된 아크를 얻을 수 있으며 경제적이어서 조선소에게 가장 많이 사용되는 용접이다.

한편, 데크 하우스를 FCAW용접으로 접합할 경우 발생하는 좌굴 변형을 복원하기 위한 후속 작업은 곡직 작업으로 수행하는데, 다른 용접 변형에 비해 난이도가 높기 때문에 고 숙련자가 작업을 수행하며 작업 시간도 상대적으로 오래 걸리는 문제점이 있다. 레이저 용접은 고속 용접이 가능하여 타 용접에 비해 생산성이 높을 뿐 아니라 용접 입열량과 열 영향부(Heat affected zone)가 상대적으로 작기 때문에 결과적으로 용접 변형이 적어 타 용접법보다 고품질 용접이 가능하다.

국내 조선 산업에서 레이저 용접이 적용된 것은 해양 플랜트의 요소 구조물 제작 등 극히 일부에 불과한데, 이는 용접 속도의 우수성과 용접 변형이 작은 큰 장점에도 불구하고 레이저 용접 장비의 초기 도입 비용이 비싸고, 장비가 커서 실제 현장에 적용이 어려운 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1116638호 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0023551호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저 용접프로세스의 핵심변수로서 초점 위치, 레이저 출력, 용접 속도 및 강판 두께를 포함한 변수들을 조절한 상태에서 용입 깊이와 비드 형상 분석을 통해 최적의 용접을 실시하는 방안을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 데크 하우스 구조물 레이저 용접 실시 방법은 초점 위치(Defocus), 레이저 출력, 용접 속도 및 강판 두께를 포함한 변수들을 조절한 상태에서 레이저 용접 조건을 결정하는 단계; 용접 시행된 용접 시험편에 대한 용접 비드 단면 분석을 통해 용입 깊이와 비드 분석을 실시하여 레이저 용접 최적 조건을 도출하는 단계; 초점 위치 별로 표면 비드와 용입 깊이의 반비례 경향을 통해 초점 위치와 용입 깊이 간의 관계를 도출하는 단계; 및 용접 속도의 증가에 따라서 표면 비드의 폭과 용입 깊이가 모두 감소하는 경향을 통해서 용접 속도, 표면비드의 폭, 용입깊이를 일체적으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 핵심적인 특징으로 한다.

상기 용접 비드 단면 분석은 용접 시험편에 대한 표면비드 폭, 용입 깊이, 열영향부 및 용융부 길이를 포함하는 측정 변수 중 하나 이상의 측정 변수를 대상으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 데크 하우스 구조물 레이저 용접 실시 방법은 레이저 용접프로세스의 핵심변수로서 초점 위치, 레이저 출력, 용접 속도를 포함한 변수들을 조절한 상태에서 용입 깊이와 비드 형상 분석을 통해 최적의 용접을 실시하는 방안을 제공한다.

본 발명에 따른 용접 변형 예측은 실제 작업 현장에서 합리적인 공차 설계, 생산 작업 계획, 적절한 용접 제어 장치 적용 등을 위해 필요한 바, 레이저 용접 성능 점검 방안은 용접 조건에 따른 용접 후 변형 경향성과 그 크기를 사전에 예측 가능하게 한다.

데크 하우스 제작 시에 박판 용접 특성 상 냉각 후 압축응력에 의한 좌굴 용접 변형이 유발되고, 좌굴 변형 곡직 작업은 다른 용접 변형에 비해 난이도가 높기 때문에 고 숙련자가 작업을 수행하며 작업 시간도 상대적으로 오래 걸리는바, 본 발명에 따른 레이저 용접 적용 시 높은 생산성과 적은 용접 변형으로 곡직 작업을 현저히 감소하는 것을 가능하게 한다.

본 발명에 따라서 레이저 용접은 고속 용접을 가능하게 하며 타 용접에 비해 생산성이 높을 뿐만 아니라 용접 입열량과 열 영향부(Heat affected zone)가 상대적으로 작기 때문에 결과적으로 용접 변형이 적어 타 용접법보다 고품질 용접을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 데크 하우스 구조물 레이저 용접 실시 방법을 전체적으로 도시한 흐름도,
도 2는 레이저 용접실험 조건 결정을 위한 실시예들,
도 3은 초점 위치에 따른 표면 비드 폭 및 용입 깊이 비교 결과,
도 4는 레이저 출력에 따른 표면 비드 폭 및 용입 깊이 비교 결과,
도 5는 용접 속도에 따른 비드 형상 분석을 수행한 결과,
도 6은 레이저 맞대기 용접 수행 조건.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따라 데크 하우스 구조물 레이저 용접 실시 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 데크 하우스 구조물 레이저 용접 실시 방법은 레이저 용접프로세스의 핵심변수인 초점 위치, 레이저 출력, 용접 속도 및 강판 두께를 결정하는 단계, 레이저 용접 지그를 제작하여 용접 변형 최소 구속 조건을 도출하는 단계, 용접 비드 단면 분석을 통해 용입 깊이와 비드 분석을 통해 레이저 용접 최적 조건을 도출하는 단계 및 FCAW(Flux-Cored Arc Welding, 플럭스 코어 아크 용접)과 레이저 용접 간의 변형값을 비교하여 용접의 적정성을 판단하는 단계를 통해 Deck house 레이저 용접 변형을 예측하는 방안을 제공한다.

레이저 용접 조건을 확정하기 위하여 핵심적인 사항은 용접 프로세스의 핵심변수인 초점 위치(defocus), 레이저 출력인 용접 파워, 용접 속도 및 강판 두께를 결정하는 것이다.

이를 위해서 실험계획법을 통해 각 핵심 변수별로 레이저 BOP(Bead on Plate) 실험 및 단면 관찰을 통해 용접 두께 별로 초점 위치, 용접 파워, 용접 속도의 범위를 결정한다.

레이저 BOP 실험은 용가재 없이 모재의 상부에 레이저 용접 조건을 설정한 후 조사하는 방법이다. 구체적으로는, 레이저 조건에 따른 Penetration(용입 깊이)를 확인하여, 특정 소재에 대해 레이저 조건에 따른 용입 깊이 특성을 확인한 후 적절한 조건을 확보하는 것이다.

이 때 한번에 용접하는지 또는 한번 용접한 후 뒤집어서 두번에 걸쳐 용접하는지 등에 따라 조건은 달라질 수 있다. 용입 깊이는 초점 위치, 용접 파워, 용접 속도에 따라 달라질 수 있으며, 적절한 용접 조건을 확인한 후 소재의 용접 실험을 진행한다.

레이저 용접 지그를 제작하는 것은 용접 변형 최소 구속 조건을 도출하는 것으로서, 레이저 용접 작동 가능성을 검토한다. 레이저 용접 시 발생할 수 있는 용접 변형 모드를 검토하여, 이를 제어할 수 있는 용접 지그를 제작한다.

용접 변형은 각변형, 종수축, 횡수축 등의 용접 모드가 있으며, 레이저 용접 후 발현되는 용접 경향을 확인한 후 이를 제어할 수 있도록 용접 시 구속하는 형태로 진행한다.

레이저 용접을 수행하는 것은 용접 최고 온도 도달 및 영역 계측을 실시하고, 용접 후 변형을 계측하는 것을 특징으로 한다.

레이저 용접성 평가는 초음파 탐상기를 이용한 비파괴 검사 및 항복/인장 시험을 통한 기계 물성 실험을 함으로써 최종적으로 레이저 용접 최적 조건을 도출한다.

다음으로, 도 2를 참조하여 레이저 용접실험 조건을 결정하는 것을 설명한다.

레이저 용접프로세스의 다양한 변수 중 3가지 핵심변수(Defocus, 출력, 속도)를 선정하여 레이저 용접실험 조건을 결정한다. 예비 실험으로써 출력(3~5 kW), 용접 속도(1~3 m/mim), 초점 위치(-2~+2mm) 범위를 선정한다.

각 레이저 용접 조건인 Defocus, power, speed에 따라 test 내용을 명기하였기 때문에, 용접 조건이 달라지면 Defocus, power, speed의 값이 달라질 수 있다.

다음으로, 도 3을 참조하여 초점 위치(defocus)에 따른 표면 비드 폭 및 용입 깊이 비교 결과를 설명한다.

초점 위치(defocus)에 따른 비드 형상 분석을 수행함으로써 초점 위치(defocus)에 따른 폭, 용입 깊이의 평균값을 이용하여 경향성 분석을 수행한다.

표면 비드와 용입 깊이는 반비례 경향을 보이며, 초점 위치가 0일 때 용입 깊이가 가장 깊다는 것을 확인할 수 있다.

초점 위치가 표면을 벗어날 경우, 용융부의 키홀(key-hole)을 형성하지 못하여 깊은 용입 깊이를 확보하지 못하는 것으로 판단한다.

전체적으로는, 초점 위치가 표면 비드 폭에 미치는 영향보다 용입 깊이에 미치는 영향이 큰 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 도 4를 참조하여 레이저 출력에 따른 비드 형상 분석을 수행한 결과를 설명한다.

레이저 출력에 따른 폭, 용입 깊이의 평균값을 이용하여 경향성 분석을 수행한 결과, 레이저 출력이 표면 비드 폭에 미치는 영향보다 용입 깊이에 미치는 영향이 큰 것을 확인할 수 있다.

레이저 출력의 증가에 따라서 표면 비드의 폭은 4.0kW를 중심으로 완만하게 하향 후 상승하는 곡선을 그리는 것을 확인할 수 있다.

한편, 레이저 출력의 증가에 따라서 용입 깊이는 점점 상승하는 곡선을 그리는 것을 확인할 수 있다. 전체적으로는, 레이저 출력의 제어를 통해 표면 비드의 폭, 용입 깊이 모두 제어 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 도 5를 참조하여 용접 속도에 따른 비드 형상 분석을 수행한 결과를 설명한다.

용접 속도에 따른 폭, 용입 깊이의 평균값을 이용하여 경향성 분석을 수행한 결과, 용접 속도가 표면 비드 폭에 미치는 영향보다 용입 깊이에 미치는 영향이 큰 것을 확인할 수 있다.

용접 속도의 증가에 따라서 표면 비드의 폭은 완만한 곡선을 그리면서 점점 하향하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 용접 속도의 증가에 따라서 용입 깊이는 하부 방향을 따라 일정한 기울기를 갖는 상태에서 하강하는 것을 확인할 수 있다. 전체적으로는, 용접 속도의 제어를 통해 표면 비드의 폭, 용입 깊이 모두 제어 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 레이저 맞대기 용접 수행 조건을 보인다.

구체적으로는, 6t Grade A 맞대기(Butt) 레이저 용접 수행 및 기계 물성 평가를 보인다.

완전 용입이 될 가능성이 있는 9개의 용접 조건에 대한 용접부 기계적 물성 확인하였고, 맞대기(Butt) Test 후 기계적 물성실험 수행(인장강도, 항복강도, 경도, 충격 실험)을 보인다.

도 6을 통해서, F.P 로 전체 용입이 되었는지 여부를 확인할 수 있다.

본 발명에 따라 용접부 인장 강도 및 항복 강도 측정한 결과를 보면 다음과 같다.

한국생산기술연구원 보유 장비인 만능시험기 50kN 급을 이용하여 용접된 시험편에 대한 인장, 항복강도를 측정한다.

항복 강도는 최저 300.503 MPa (Defocusing 0mm, Laser power 3kw, welding speed 1mpm), 최고 318.854 MPa (Defocusing -2mm, Laser power 4kw, welding speed 2mpm)로 측정한다.

평균 항복 강도는 311MPa를 보인다.

인장 강도는 최저 442.669 MPa (Defocusing 0mm, Laser power 3kw, welding speed 1mpm), 최고 452.65 MPa (Defocusing 0mm, Laser power 4kw, welding speed 2mpm)로 측정한다.

평균 인장 강도는 446.24Mpa를 보인다.

결과적으로 처음 목표한 인장, 항복강도를 100% 만족하는 수치이며, 모든 파단이 용접부가 아닌 모재에서 나타난 것을 확인할 수 있음을 통해 용접부의 신뢰성을 확보한다.

본 발명에 의한 데크 하우스 구조물에 대한 레이저 용접 실시 방법은 레이저 용접프로세스의 핵심변수로서 초점 위치, 레이저 출력, 용접 속도 및 강판 두께를 포함한 변수들을 조절한 상태에서 용입 깊이와 비드 형상 분석을 통해 최적의 용접을 실시하는 방안을 제공한다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims (2)

1. 선박을 이루는 데크 하우스(Deck house) 구조물에 대한 박판 레이저 용접 실시 방법에 있어서,
   초점 위치(Defocus), 레이저 출력, 용접 속도 및 강판 두께 결정을 포함한 레이저 용접 조건을 확정하는 단계; 및
   용접 시행된 용접 시험편에 대한 용접 비드 단면 분석을 통해 용입 깊이와 비드 분석을 실시하여 레이저 용접 최적 조건을 도출하는 단계;를 포함하고,
   상기 초점 위치 별로 표면 비드 폭과 용입 깊이의 반비례 경향을 통해 초점 위치와 용입 깊이 간의 관계를 도출하고,
   상기 용접 속도의 증가에 따라서 표면 비드의 폭과 용입 깊이가 모두 감소하는 경향을 통해서 상기 용접 속도, 표면비드의 폭, 용입깊이를 일체적으로 제어하며,
   상기 초점 위치를 0으로 유지함으로써 용입 깊이를 가장 깊게 하고,
   상기 레이저 출력을 4.0kW으로 유지함으로써 상기 표면 비드의 폭을 가장 좁게 하는 것을 특징으로 하는,
   데크 하우스 구조물에 대한 박판 레이저 용접 실시 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 용접 비드 단면 분석은 용접 시험편에 대한 표면비드 폭, 용입 깊이, 열영향부 및 용융부 길이를 포함하는 측정 변수 중 하나 이상의 측정 변수를 대상으로 하는 것을 특징으로 하는, 데크 하우스 구조물에 대한 박판 레이저 용접 실시 방법.