LNG 선박 용접 한 번에...생기원, 新용접기술 구현

레이저-아크 하이브리드 용접장비로 용접 중인 모습

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

생기원은 지창욱 스마트정형공정그룹 수석연구원팀이 극저온 특수소재에 맞춰 최적화한 '레이저-아크 하이브리드 용접기술(HLAW)'을 개발, LNG 연료탱크를 더 적은 비용으로 더 빨리 제작할 수 있다고 25일 밝혔다.

LNG 연료탱크는 선박 건조 비용 약 30~40%를 차지하는 핵심 부품으로, 고품질 정밀 용접이 필요해 제작 기간도 길다. 제작에 아크 용접 방식이 주로 사용돼, 두꺼운 극저온 특수소재는 여러 차례 용접을 해야 했다. 작업 시간과 비용 증가 원인이다.

연구팀은 정밀 접합이 가능한 레이저 용접, 이음부 간격이나 단차를 메울 수 있는 아크 용접 장점을 결합한 HLAW를 9% 니켈강 등 특수소재에 최적화했다. 추가 이음부 가공 없이 한 번에 빠르게 접합하는 단층(1-pass) 용접 방식을 구현, 열변형과 균열 등 기존 용접 문제도 함께 해결했다.

용접 시 재료 내부까지 깊게 구멍을 뚫는 '키홀' 형성 조건을 최적화해 곡선이나 형상이 복잡한 부품도 단층 용접만으로 깊고 단단하게 접합할 수 있다. 키홀은 재료에 열을 깊숙이 전달하는 통로로, 이 구조로 두꺼운 소재도 한 번 용접으로 강도 높게 이어 붙일 수 있다.

레이저-아크 하이브리드 단층용접부 단면

HLAW 공정에 실시간 품질 감지와 즉각 대응이 가능한 인공지능(AI) 기반 공정 모니터링 시스템도 개발해 스마트 용접기술을 구현했다.

레이저 용접에서만 사용된 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 현상'이 발생해 용접 시 결함이 생길 수 있다. 자화 제거 작업에만 1~2일이 소요된다.

연구팀은 변형량이 2%를 넘거나 잔류자속밀도가 5mT를 초과할 때 용접 과정에서 자화로 인한 결함 발생 위험이 줄어든다는 사실을 밝혀냈다. 이를 바탕으로 금속 성분, 가공 정도, 용접 방향, 자기장 세기 등 다양한 데이터를 입력해 용접 불량 위험을 미리 예측하는 시스템을 개발했다.

이번 성과는 생기원 울산기술실용화본부의 대표과제를 통해 개발돼 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”며 “개발된 기술을 수소, 암모니아를 연료로 사용하는 친환경 선박의 탱크 제작에 확대 적용하는 연구를 추진 중”이라고 말했다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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