생기원, 극저온 특수소재 맞춤형 ‘레이저-아크 하이브리드 용접기술’ 개발

한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 액화천연가스(LNG) 선박의 핵심 부품인 연료탱크를 더 빠르고 저렴하게 제작할 수 있는 스마트 용접기술을 개발했다.

LNG 연료탱크는 선박 전체 건조 비용의 약 30~40%를 차지하는 핵심 부품으로, 고품질 정밀 용접이 필요해 제작 기간도 타 부품보다 길다.

생기원 스마트정형공정그룹 지창욱 수석연구원 연구팀은 극저온 특수소재에 맞춰 최적화한 ‘레이저-아크 하이브리드 용접기술(Hybrid Laser-Arc Welding ; HLAW)’을 개발해 LNG 연료탱크를 더 적은 비용으로 더 빨리 제작하게 됐다고 밝혔다.

LNG 연료탱크 제작에는 아크 용접 방식이 주로 사용돼 두께가 두꺼운 극저온 특수소재의 경우 여러 차례 반복 용접을 해야 해서 작업 시간과 제작비용 증가의 원인이 돼 왔다.

연구팀은 정밀 접합이 가능한 레이저 용접과 이음부 간격이나 단차를 메울 수 있는 아크 용접의 장점을 결합한 HLAW를 9% 니켈강 등의 특수소재에 최적화했다.

이를 통해 추가적인 이음부 가공 없이 한 번에 빠르게 접합하는 단층(1-pass) 용접 방식 구현에 성공하며 열변형과 균열 등 기존 용접의 문제도 함께 해결했다.

특히 용접 시 재료 내부까지 깊게 구멍을 뚫는 키홀(Keyhole) 형성 조건을 최적화해 곡선이나 복잡한 형상의 부품도 단층(1-pass) 용접만으로 깊고 단단하게 접합할 수 있다.

키홀은 재료에 열을 깊숙이 전달해 주는 통로로, 이 구조를 통해 두꺼운 소재도 한 번의 용접으로 강도 높게 이어 붙일 수 있다.

HLAW 공정에 실시간 품질 감지와 즉각 대응이 가능한 AI 기반의 공정 모니터링 시스템도 개발해 스마트 용접기술을 구현했다.

레이저 용접에서만 사용되어온 포토다이오드 센서를 하이브리드 공정에 최초 적용한 결과로, AI 알고리즘이 용접 중 발생하는 자외선(UV)과 적외선(IR) 신호를 분석‧구분해 불량이 감지되면 작업자가 실시간으로 대응할 수 있다.

연구팀은 소재 자기 특성 분석 및 결함 예측 시스템도 개발했다. 9% 니켈강은 강한 자성을 띠는 특성 때문에 외부 자기장에 노출되면 금속 내에 자기장이 남는 자화(Magnetization) 현상이 발생해 용접 시 결함이 생길 수 있다.

이 때문에 자화 제거 작업에만 1~2일이 소요되는데, 연구팀은 변형량이 2%를 넘거나 잔류자속밀도가 5mT를 초과할 때 용접 과정에서 자화로 인한 결함 발생 위험이 줄어든다는 사실을 밝혀냈다.

이 기준을 바탕으로 금속의 성분, 가공 정도, 용접 방향, 자기장 세기 등의 다양한 데이터를 입력해 용접 불량 위험을 미리 예측할 수 있는 시스템을 개발했다.

이번 성과는 생기원 울산기술실용화본부의 대표과제를 통해 개발되어 국내 조선 및 기자재 기업들과 협력해 현장 실증을 추진 중이다.

지창욱 수석연구원은 “극저온 연료탱크 용접 공정의 시간과 비용, 결함을 모두 단축할 수 있는 스마트 용접공정 기반을 마련했다”고 말하며 “개발된 기술을 수소, 암모니아를 연료로 사용하는 친환경 선박의 탱크 제작에 확대 적용하는 연구를 추진 중”이라고 밝혔다.