KR20190078985A

KR20190078985A - 시임 용접부 용입깊이 추정방법

Info

Publication number: KR20190078985A
Application number: KR1020170180849A
Authority: KR
Inventors: 김성민; 성우제; 천광산; 박상철
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-07-05
Also published as: KR102328306B1

Abstract

본 발명은 3겹 시임 용접부의 용입 깊이 추정방법에 있어서: (A) DB에 저장된 너겟(nugget)의 용접폭(La)과 용입 깊이(P)의 관계를 이변량정규분포로 가정하여 확률분포를 구하는 단계; (B) 상기 이변량정규분포를 이용하여 기설정된 P의 허용기준(AC) 값을 기준으로 La에 따른 P의 추정불량률 곡선을 구하는 단계; 및 (C) 상기 La에 따른 P의 추정불량률 곡선과 기설정된 자체품질 판단 불량률 기준을 비교하여 자체품질 판단 불량률 기준을 넘지 않는 La값을 구하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, LNGC 화물창의 제조에서 비파괴적 검사법을 통한 시임 용접부의 품질검사로 현장 적용을 위한 가능성이 매우 높아지면서 시간과 비용의 절감이 가능한 효과가 있다.

Description

시임 용접부 용입깊이 추정방법 {Method for estimating seam weld penetration depth}

본 발명은 선박의 용접 공정에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 LNG 화물창 생산을 위한 품질검사로 용접부 주기 시험(daily test)을 수행하는 시임 용접부 용입깊이 추정방법에 관한 것이다.

LNGC 화물창의 제조 과정에서 시임 용접이 대략 90%에 이르는 비중을 차지하여 생산성에 크고 직접적인 영향을 미친다. 통상적으로 LNGC 화물창의 실제 생산에 들어가기 전에 테스트를 통하여 장비의 상태를 확인한다. 이는 테스트 용접, 시편 검사, 단면 분석, 보고서 작성의 과정을 포함한다. 이 과정에서 시임 용접부의 검사를 위해 주기적인 절단 분석을 통한 품질 확인이 수반되므로 대체적으로 많은 시간과 비용을 초래한다.

이와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 하기의 한국 공개특허공보 제2001-0041402호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0237153호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 용접 조인트의 용접 심을 검사하기 위한 방법에 있어서, 용접 심을 지나는 용접 심 높이는 용접의 단점을 검출하기 위해 연속적으로 주사되고, 용접 심의 단점이 용접 심의 초과 높이 영역에서 검출되며, 용접 심의 높이는 가시 거리 측정 장치로 주사된다. 이에, 깊은 용접 동안 용접의 단점을 간단하고 확실하게 검출하는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 용접전압 E, 용접전류 I, 전극 가압력 P, 용접속도 S, 랩량 L을 계측, 이를 토대로 단위 랩량, 단위 판폭 길이당 입열량 dQ/dx를 계산하고, 피용접물의 재질과 두께에 따른 상기 계측 및 계산치들에 대한 기준설정치와 허용범위를 각각 설정하고 비교하여 그 허용범위를 벗어난 경우 용접상태 이상이라고 용접품질을 판정한다.

그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 시임 용접이 절대적 비중을 차지하는 LNGC 화물창의 제조에서 용접 품질의 검사에 소요되는 시간을 단축하기에 한계성을 드러낸다.

한국 공개특허공보 제2001-0041402호 "용접 심을 검사하는 방법 및 장치" (공개일자 : 1999.09.10.) 한국 등록특허공보 제0237153호 "용접품질 평가 방법" (공개일자 : 1997.05.28.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, LNGC 화물창의 제조에서 시임 용접부에 대한 직접적인 파괴적 측정없이 용입깊이를 추정하여 품질 검사와 관련한 기준을 제시하기 위한 시임 용접부 용입깊이 추정방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 3겹 시임 용접부의 용입 깊이 추정방법에 있어서: (A) DB에 저장된 너겟(nugget)의 용접폭(La)과 용입 깊이(P)의 관계를 이변량정규분포로 가정하여 확률분포를 구하는 단계; (B) 상기 이변량정규분포를 이용하여 기설정된 P의 허용기준(Acceptance Criteria ;AC) 값을 기준으로 La에 따른 P의 추정불량률 곡선을 구하는 단계; 및 (C) 상기 La에 따른 P의 추정불량률 곡선과 기설정된 자체품질 판단 불량률 기준을 비교하여 자체품질 판단 불량률 기준을 넘지 않는 La값을 구하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (A)의 절단면 용접폭(La)은 전체 용접폭(Lt)과 선형적 관계인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, DB에 저장된 너겟(nugget)의 용접폭(La) 및 용입 깊이(P)는 정규분포를 따르는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (C)는 추정된 용입 깊이(P)가 허용기준(AC)을 만족하기 위한 최소의 용접폭(La)을 선정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, LNGC 화물창의 제조에서 비파괴적 검사법을 통한 시임 용접부의 품질검사로 현장 적용을 위한 가능성이 매우 높아지면서 시간과 비용의 절감이 가능한 효과가 있다.

도 1은 시임 용접부의 품질과 관련된 치수 항목을 예시하는 자료
도 2는 시임 용접부의 조인트별 치수 정보를 통계적으로 처리한 도표
도 3은 본 발명에 따른 방법의 주요 알고리즘을 나타내는 플로우차트
도 4는 도 3의 마크로 치수의 주요 요소 상관관계를 나타내는 도표
도 5는 도 3의 마크로 치수에 대한 정규분포 상태를 나타내는 도표
도 6은 도 3의 용입깊이에 대한 불량률 추정 방법을 나타내는 도표
도 7은 도 3의 용입깊이에 대한 품질기준의 적용을 나타내는 도표

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 3겹 시임 용접부의 용입 깊이 추정방법에 관하여 제안한다. 시임 용접의 비중이 절대적으로 높은 LNGC 화물창의 제조를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 도 1a 및 도 1b에서 3개의 피용접물을 겹친 상태의 3겸 시임 용접을 수행하는 상태를 예시한다.

본 발명의 구현을 위한 하드웨어 자원은 DB(서버) 외에 단말용 PC, 네트워크(인트라넷, 인터넷, LAN 등)를 기반으로 구성된다. 서버는 마이크로프로세서, 메모리, I/O인터페이스를 탑재하여 DB, 통신을 비롯한 하드웨어를 설정된 알고리즘으로 구동하고 PC의 화면상으로 출력한다. 시임 용접 과정의 데이터는 DB에 저장, 갱신, 분류되고 PC를 통하여 검색된다.

한편, LNGC 용접부 주기 시험(daily test) 자료가 DB로 수집되고, 서버의 연산에 의하여 수집된 자료의 정규화가 이루어진다.

도 1b의 마크로 시험 결과를 모식화한 도 1a를 참조하면 상층부재, 중간부재, 하층부재의 3겹 시임 용접에서 Lt는 전체 너겟의 최대 용접폭을 의미하는 반면, La는 중간부재의 상면 또는 하면으로 절단된 너겟 영역 중에서 작은 쪽의 용접폭을 의미한다. 중간부재의 상면과 하면을 기준으로 하는 너겟의 높이는 부호 P(또는 P1, P2)로 표현되는 용입깊이를 의미한다.

도 1c에서 부호 A 내지 E로 나타내는 조인트 형태는 3겹 시임 용접의 두께, 예컨대 A는 0.7/0.5/0.7을 E는 1.5/1.5/1.5를 나타낸다. 이러한 데이터는 공지의 마크로(Macro) 시험을 통하여 획득 가능하다. 도 1c의 테이블로 허용기준(AC)을 예시하는 것처럼 시임 용접에서 용접폭(La, Lt)과 용입깊이(P)는 시임 용접의 품질 판정과 관련하여 중요한 요소이다.

도 3은 본 발명에 따른 방법의 주요 알고리즘의 일예를 나타내는 플로우차트로서 후술하는 본 발명의 주요 단계 (A)(B)(C)를 직간접적으로 포함한다. 어느 경우에나 DB로 축적된 전체의 기간(전기간)에서 마크로 치수를 통계적으로 분석하여 추정하고, 품질이 허용기준(AC)을 만족하지 못하는 것으로 판단되면 실제로 절단분석을 거처 양부를 결정한다. 다만 본 발명의 방법에 의하면 실제 절단분석의 빈도를 경감하여 시간과 비용을 절감할 수 있다.

본 발명에 따른 단계 (A)는 DB에 저장된 너겟(nugget)의 용접폭(La)과 용입 깊이(P)의 관계를 이변량정규분포로 가정하여 확률분포를 구하는 과정으로 진행한다. 도 5a에서 이변량정규분포의 연산식을 나타내며, x₁, x₂는 전술한 La 값과 P 값으로 대체하여 활용된다. 도 5b은 도 5a를 각각 단면 및 입체 형태로 도식화하여 용접폭(La)과 용입깊이(P)의 관계를 나타낸다. 용입깊이(P)의 허용기준(AC)을 근거로 하여 La에 따른 P의 분포와 불량률을 추정할 수 있다. 일예로, 용접폭(La)가 평균 2.29㎜, 표준편차 0.175인 경우 용입깊이(P)는 평균 0.37㎜, 표준편차 0.066인 것으로 추정된다. 이와 같이 용접폭과 용입깊이의 관계를 이변량정규분포로 가정할 수 있으며, 허용기준(AC)에 따라 용접폭에 대한 용입깊이의 불량률을 연산할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (A)의 절단면 용접폭(La)은 전체 용접폭(Lt)과 선형적 관계인 것을 특징으로 한다. 상기 마크로 치수의 용접폭은 La와 Lt의 관계를 선형적으로 가정하여 어느 하나의 측정으로부터 다른 하나를 추정한다. 도 4a를 참조하면, La와 Lt의 관계를 단순선형회귀모델로 나타낼 경우 결정계수(Coefficient of determination, R²)가 0.88로 선형적인 관계를 나타내고 있다. 이는 P값을 추정함에 La, Lt 중 어느 값을 사용해도 큰 차이가 없음을 의미하며, 본 발명에서는 공지의 비파괴적 방법으로 측정되는 La 값을 이용하여 P 값을 추정한다. 반면, 도 4b를 참조하면 La와 P의 관계는 선형적으로 표현할 수 없음을 알 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, DB에 저장된 너겟(nugget)의 용접폭(La) 및 용입 깊이(P)는 정규분포를 따르는 것을 특징으로 한다. 도 2a는 특정 조인트 형태에 대한 마크로 시험을 통하여 축적된 La, e, P에 대한 발생 확률 분포도이다. DB에 축적된 제반 요소(마크로 치수)는 도 2a처럼 정규분포(Normal or Gaussian distribution)를 이루고 있으므로 시임 용접의 품질관리 분야에 활용도를 기대할 수 있다. 데이터의 수가 충분한 경우 실제 불량률과 정규분포를 통해 추정한 불량률은 매우 잘 일치한다. 현재 허용기준(AC)으로는 용입깊이인 P값 부족에 의한 불량이 대부분을 차지한다. 도 2b는 각 마크로 치수의 정규분포로부터 확률밀도함수(PDF)와 확률분포함수(CDF)를 이용하여 분포도와 추정불량률의 연산이 가능함을 나타낸다.

본 발명에 따른 단계 (B)는 상기 이변량정규분포를 이용하여 기설정된 P의 허용기준(AC) 값을 기준으로 La에 따른 P의 추정불량률 곡선을 구하는 과정을 거친다. 와전류탐상기법(ECT), 누설자속탐상법(MFL), 초음파탐상법(MPA) 등의 방법으로 측정이 곤란한 용입깊이(P) 대신 용접폭(La)을 측정하고 시임 용접 정보가 축적된 DB를 활용하여 통계적 방법으로 용입깊이(P)의 확률을 연산한다. 용입깊이 P의 불량률 추정 연산은 검사 기준과 플로우 간소화에 기여한다.

좀 더 구체적으로, 상기 DB의 정보를 통계적으로 처리하면 용입깊이(P)의 도출이 가능하다. 주된 목표인 용입깊이(P)의 품질 허용기준(AC)에 따라 실제적 불량률과 추정된 불량률을 비교한 실험에 의하면 어느 조인트 형태에서나 실제불량률과 추정불량률은 유의적 차이가 크지 않은 것으로 나타난다. 상기 La에 따른 P의 추정불량률 곡선과 기설정된 자체품질 판단 불량률 기준을 비교하여 자체품질 판단 불량률 기준을 넘지 않는 La값을 구하는 과정으로 진행한다.

물론 데이터의 축적이 진행될수록 품질수준의 통계처리와 정량화를 위한 신뢰성이 향상된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (C)는 추정된 용입 깊이(P)가 허용기준(AC)을 만족하기 위한 최소의 용접폭(La)을 선정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 6 및 도 7에 표현되는 DB 데이터의 이변량정규분포에 의하면 La 값으로부터 P 값을 추정하는 외에 역으로 AC를 만족하는 P 값에 대응하는 La 값을 연산하기 용이하다. 더구나 관리자가 현장의 상황에 따라서 시임 용접부 품질의 허용기준(AC)을 변동하는 경우에도 용접폭과 용입깊이에 대한 갱신 정보가 신속하고 정확하게 도출된다.

도 6의 상측 그림과 같이 용입깊이 P의 허용기준(AC)이 적색선이 위치하는 0.20 mm로 가정하여 나타낼 수 있다. 물론 AC는 현장의 상황에 따라 변동되는 값으로서, 관리자가 그 이하 혹은 그 이상의 값으로 정할 수 있다. 도 6의 하측에는 AC가 각각 0.1mm, 0.15mm, 0.2mm인 것으로 가정할 때, La 값의 변화에 따라 실제 P 값이 AC보다 낮아질 확률(불량률)을 나타내고 있다. 즉, La 값을 알고 있을 경우 P 값이 AC를 넘거나/넘지 못할 확률을 구할 수 있다.

도 7을 참조하면, 하측의 적색 점선은 측정된 La로부터 추정된 P의 값이 AC를 만족하지 못할 확률이 1%인 경우를 나타낸다. 자체의 불량률 품질기준을 1%로 가정한 경우이지만 품질기준이 달라지더라도 동일한 원리로 적용이 가능하다. 용입깊이의 허용기준(AC)이 0.2㎜(청색 곡선), 0.15㎜(적색 곡선), 0.1㎜(녹색 곡선)의 3가지로 적용되는 경우에 대하여 설명한다.

(1) AC = 0.2mm 일 때 La가 2.26mm 일 경우 실제 P 값이 0.2mm를 넘지 못할 확률이 1%임 (즉, 99% 합격, 1% 불량)

-> 측정된 La 값이 2.26mm 이상일 경우 P 값이 AC를 넘는 것으로 판단하여 불량이 아닌 것으로 판정

-> 측정된 La 값이 2.26mm 미만일 경우 P 값이 AC를 넘지 못한 것으로 판단하여 절단분석을 수행

(2) AC = 0.15mm 일 때 La가 2.19mm 일 경우 실제 P 값이 0.15mm를 넘지 못할 확률이 1%임 (99% 합격, 1% 불량)

(3) AC = 0.10mm 일 때 La가 2.12mm 일 경우 실제 P 값이 0.10mm를 넘지 못할 확률이 1%임 (99% 합격, 1% 불량)

본 발명의 방법을 적용하는 경우 시임 용접부의 비파괴적 검사에 수반되는 단점의 보완이 가능하여 현장적용 가능성이 매우 높아지게 된다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

La, Lt: 용접폭 P: 용입깊이
AC: 허용기준

Claims

3겹 시임 용접부의 용입 깊이 추정방법에 있어서:
(A) DB에 저장된 너겟(nugget)의 용접폭(La)과 용입 깊이(P)의 관계를 이변량정규분포로 가정하여 확률분포를 구하는 단계;
(B) 상기 이변량정규분포를 이용하여 기설정된 P의 허용기준(AC) 값을 기준으로 La에 따른 P의 추정불량률 곡선을 구하는 단계; 및
(C) 상기 La에 따른 P의 추정불량률 곡선과 기설정된 자체품질 판단 불량률 기준을 비교하여 자체품질 판단 불량률 기준을 넘지 않는 La값을 구하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시임 용접부 용입 깊이 추정방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 (A)의 절단면 용접폭(La)은 전체 용접폭(Lt)과 선형적 관계인 것을 특징으로 하는 시임 용접부 용입깊이 추정방법.
청구항 1에 있어서,
DB에 저장된 너겟(nugget)의 용접폭(La) 및 용입 깊이(P)는 정규분포를 따르는 것을 특징으로 하는 시임 용접부 용입깊이 추정방법.
청구항 1에 있어서,
상기 단계 (C)는 추정된 용입 깊이(P)가 허용기준(AC)을 만족하기 위한 최소의 용접폭(La)을 선정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시임 용접부 용입깊이 추정방법.