한국생산기술연구원(이하 생기원)이 액화천연가스(LNG) 선박의 핵심 부품인 연료탱크를 더 빠르고 저렴하게 제작할 수 있는 스마트 용접기술을 개발했다.
LNG 연료탱크는 선박 전체 건비용의 30~40%를 차지하는 핵심 부품으로, 기존 아크용접 제작은 두꺼운 극저온 특수소재를 여러 차례 반복 용접해 작업시간과 제작비용 증가한다.
생기원 스마트정형공정그룹 지창욱 수석연구원팀은 극저온 특수소재에 맞춰 최적화한 ‘레이저-아크 하이브리드 용접기술(HLAW)’을 개발했다.
연구팀은 정밀 접합이 가능한 레이저용접과 이음부 간격이나 단차를 메울 수 있는 아크용접의 장점을 결합한 HLAW를 9% 니켈강 등 특수소재에 최적화했다.
이를 통해 추가적 이음부 가공 없이 한 번에 빠르게 접합하는 단층(1-pass) 용접 방식 구현에 성공, 열변형과 균열 등 기존 용접의 문제도 함께 해결했다.
특히 용접 시 재료 내부까지 깊게 구멍을 뚫는 키홀 형성조건을 최적화해 곡선이나 복잡한 형상의 부품도 단층 용접만으로 깊고 단단하게 접합할 수 있다. 키홀은 재료에 열을 깊숙이 전달해 주는 통로로, 이 구조로 두꺼운 소재도 한 번의 용접으로 강도 높게 이어 붙일 수 있다.
연구팀은 HLAW 공정에 실시간 품질 감지와 즉각 대응이 가능한 인공지능(AI) 기반 공정 모니터링 시스템도 개발했다.
이는 레이저 용접에서 사용하던 포토다이오드센서를 하이브리드 공정에 최초 적용한 것으로, AI 알고리즘이 용접 중 발생하는 자외선과 적외선 신호를 분석·구분해 불량을 감지하면 작업자가 실시간 대응할 수 있다.
또 연구팀은 소재 자기특성 분석 및 결함예측시스템도 개발했다.
9% 니켈강은 강한 자성을 띠는 특성 때문에 외부 자기장에 노출되면 자화현상으로 용접 시 결함이 생길 수 있다.
때문에 자화 제거작업에만 1~2일이 소요되는데, 연구팀은 변형량이 2%를 넘거나 잔류자속밀도가 5mT를 초과할 때 용접과정에서 자화로 인한 결함 발생 위험이 줄어든다는 사실을 규명했다.
이 기준을 바탕으로 금속성분, 가공정도, 용접방향, 자기장 세기 등 다양한 데이터를 입력해 용접 불량위험을 미리 예측할 수 있는 시스템을 개발했다.
지창욱 생기원 수석연구원은 “극저온 연료탱크 용접공정 시간과 비용, 결함을 모두 단축할 수 있는 스마트 용접공정 기반을 마련했다”며 “이 기술을 수소, 암모니아를 연료로 하는 친환경 선박의 탱크 제작에 확대 적용하는 연구를 추진 중”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 생기원 울산기술실용화본부 대표과제로 진행됐다고, 국내 조선 및 기자재 기업과 협력해 현장실증을 추진 중이다.
