선박 건조에 있어서 용접관련 기술에 의한 생산성 향상

대우조선해양㈜ Global Operation Center 전무 한용섭 

http://www.welder.or.kr/Technical/201104/Shipwelding2011/Shipwelding2011.html
 
 Ⅰ 서언

 

선박을 건조하는데 있어서 선종에 따라 약간의 차이가 있지만 대부분의 선박은 90%이상이 용접관련 기술에 의해 건조되고 있다.

선박건조에 용접기술이 1920년대에 적용된 이래 용접기술은 조선산업의 주된 기술로서 선박의 건조과정의 전반에 걸쳐 널리 이용되고 있으며 용접기술의 발전과 더불어 조선산업의 기술이 발전되고 있음을 부인할 수 없다.

선박건조에 있어서 용접기술이라 함은 단순히 용접이음작업이라고만 인식되어졌지만 용접기술에 의존한 설계공정에서의 구조배치, Nesting Plan에 의해 용접이음부의 량이 결정되고, 생산공정에서는 블록단위, 작업방법 등에 의해 용접자세, 조건등이 결정되므로 생산성향상에 가장 중요한 영향을 미치는 분야이다.

용접기술의 발전은 조선산업이 국가의 중추적인 산업으로 역할이 시작된 1970년대의 용접결함 방지차원의 기술에서 시작되어 전자, 재료, 기계, 컴퓨터산업의 발전과 더불어 용접작업의 고속화, 자동화, 로보트화로의 기술로 발전되어 선박의 건조과정에 획기적인 변화를 가져왔으며, 또한 많은 변화를 예고하고 있다고 보아도 무방할 것이다.

용접관련 기술에 의한 생산성 향상에는 용접작업을 설계기준과 일치되게 하는 사전준비과정이 있다. 이는 공정단계별로 부재의 정밀도를 유지하여 적정Gap 등 용접Joint부의 형상을 정규대로 유지하므로서 용접작업의 생산성 향상을 도모할 수 있다.

또 용접환경적인 측면에서는 용접작업이 용이하도록 공법 등을 개선하여 용접생산성이 좋은 자세, 즉 작업stage의 상류화, 아래보기자세 등을 지향하므로서 용접자동화, 로봇트화가 적용가능하므로서 용접작업의 생산성 향상을 도모할 수 있다.

그리고 용접기법 개선, 자동화, 로봇트화를 적용하므로서 용접단위공정의 결함방지, 고능률화를 도모하여 생산성 향상을 실현할 수 있다.

 

 Ⅱ 용접관련 기술의 종류 및 분석

 

 

용접관련기술이란 설계단계에서부터 Nesting Plan, Joint형상, 작업공법, 설비 등 전 분야에 걸쳐 용접기술이 영향을 미치고 있으므로 선박건조기술, 그 차체라고 해도 과언이 아니다.

여기서는 이때까지의 협의의 개념인 용접기술보다는 선박건조공정단계별로 용접에 미치는 영향을 간략히 소개하고자 한다.

선박건조과정의 90%이상이 용접기술에 의존하고 있는 현실에서는 용접환경은 선박건조의 전 공정에 걸쳐 영향을 미친다고 보는 것이 타당하다.

용접환경에는 용접재료, 모재의 종류 및 형상, 공정분석을 통한 공정단계별 용접작업물량의 최적화 또는 자동화가 가능토록 단순화 등 사전 준비과정에서부터 용접작업을 원활히 수행해나가도록 하는 Access의 개념까지도 중요한 요소 중의 하나다.

 

1. 공법 및 설계구조적인 측면

 

선박건조의 Software측면에서 작업공법, 용접이음의 배치방법, 구조물의 형상, 설비의 규모, 이음부의 형상에 따라 용접생산성은 엄청난 차이를 나타낸다.

공법적인 측면에서는 작업공정 분석을 통한 공정단계별 적정물량 배분 및 작업의 단순화 등을 도모하므로서 생산성을 향상시킬수 있는 밀접한 관계가 있으며, 설계구조적인 측면에서는 생산성을 고려한 구조배치기술, Seam의 최소화를 위한 Nesting기술 등도 매우 중요한 기술이다.

 
자동차운반선 Car Deck의 경우에는 이때까지 박판의 Butt Joint작업으로 인해 용접작업 및 용접으로 인한 변형의 교정작업 등에 많은 생산시수가 소요되었으나, 설계 구조적인 측면에서 Butt Joint를 Lapping Joint로 개선하여 Spot Welding을 적용하므로서 용접작업 및 변형으로 인한 교정작업의 생산시수가 현저히 감소하였다.

 

 

공정단계별 용접물량 비율을 보면 탑재물량이 수년전의 20-30%의 수준에서 작업의 상류화, 공법개선 등 선박의 건조기술 향상으로 10% 미만으로 감소되었다.

이는 상류화 측면에서 탑재물량이 조립물량으로 단순히 물량 이동보다는 용접자동화 등 Line System이 적용이 가능한 Stage화되어 선박의 건조기간 단축에도 많은 기여를 한 것이다.

그러나 조립단계의 세부공정별 물량비율에서 나타나듯이 대조립단계의 물량이 50%수준에 있으므로 대조립단계에서의 용접작업의 자동화 및 Robot화가 시급함을 알 수 있으며, 또한 대조립 물량을 소조립과 중조립단계로 물량이동이 적정하게 배분되도록 공법개선 등의 R&D 활동도 Stage별 용접작업의 장치화와 더불어 적극적으로 추진되어야 함을 알 수 있다.

 

2. 공정단계별 용접에 미치는 영향

 

(1) Unloading

하역설비의 규모에 따라 재료의 규격이 결정되어 발주되므로 용접이음부의 량과 밀접한 관계가 있으며, 하역시 Handling에 의한 변형 등도 용접생산성을 저하시키는 요인 중의 하나이다.

 

(2) Treatment

Shop Primer의 재질 및 두께에 따라 용접결함에 영향을 미친다.

 

(3) Cutting

절단장비의 Maintenance, 즉 Rail의 직선도, Gantry의 직각도 불량에 의해 절단편차 및 절단열에 의한 변형문제로 후공정에서의 용접성에 영향을 미친다.

 

(4) Forming

선박의 30-40%는 곡으로 형성되어 있으며, 곡가공 작업시 정밀도의 편차가 발생할 경우 용접이음부에 과대Gap으로 직결되어 용접물량 증가로 생산성을 저하시킬 뿐만 아니라 용접준비단계인 취부작업에서도 많은 수정작업을 유발시킨다.

 

(5) Sub-Assembly

Conveyor System에 의한 부재이동 및 Robot에 의한 용접작업 등 일괄Line생산체제를 갖출 수 있으므로 생산성이 가장 높은 Stage이다.

 
그러나 조립작업에 있어서 첫번째 공정으로 용접열에 의한 변형/수축이 필수적으로 발생되므로 부재의 치수관리가 매우 중요한 과제 중의 하나이다.

 

(6) Grand-Assembly

선박건조물량의 50% 이상이 처리되는 공정으로 블럭의 형상에 따라 크게는 평블럭과 곡블럭으로 분류할 수 있으며 작업방법도 현저한 차이를 보이고 있다,

평블럭의 경우는 Line System화 되어 부재의 취부작업의 자동화 장치, 용접작업의 자동화장치 등이 설치되어 있으므로 용접관련기술에 의한 생산성 향상을 위한 각장비별의 사양에 일치되도록 하는 선공정에서의 부재의 정밀도 관리가 중요한 실정이며,곡블럭의 경우는 전공정에 걸쳐 대부분의 조립작업이 수작업에 의존하고 있으며 부분적으로 간이자동화가 설치되어 운용되고 있는 실정이다.

그것도 공정단계별로 부재의 정밀도 유지 불량으로 최적화가 되지 못하므로 인해 가동율이 저조한 실정이다.

 

(7) Pre-Erection

선박의 건조공정에서 Bottle Neck공정인 Dock공정의 작업을 최소화하므로서 선박건조의 절대적인 작업기간을 줄일 수 있도록 하는 측면에서 운용되는 공정이다.

지상에서 블럭의 조인트작업만 수행되는 공정이지만 선공정제품의 치수관리의 수준과 용접순서에 따라 용접이음부의 형상에 밀접한 영향을 받는다.

즉 용접이음부의 형상이 Wide Gap, 등으로 절대적인 용접물량이 증가되므로 인한 생산성저하를 초래하고 있으며, 용접작업의 준비단계인 취부작업에서도 단차에 대한 조정작업 및 이음부의 적정Gap 유지를 위한 재작업이 발생되고 있다.

 

(8) Erection

Dock단계에서의 블럭끼리 이음작업의 환경은 매우 위험하고 협소하므로 생산성이 가장낮은 공정이다.

 
작업환경뿐만이 아니고 Joint작업 및 용접작업 그자체도 선공정에서의 누적편차, Goliath Crane에 의한 미세조정작업의 어려움, 대기온도에 의한 제품의 신축현상, 용접진행과정에서의 수축 등의 문제점이 다발하여 Joint부의 적정Gap유지를 위한 재작업이 매우 많은 실정이다.

P.E 및 Erection공정의 경우 블럭제작 및 탑재기술의 수준 즉 공정단계별 정밀도관리능력 부족으로 인한 블럭 이음부의 단차 조정작업을 원활히 하도록 하는 용접보류 물량이 20%를 점유하고 있다.

 

위의 표는 선진조선소의 Dock공정에서 작업항목별 Time분석으로 본작업의 비율이 전체작업의 20～ 30%수준으로 정밀도의 불일치로 인한 조정작업의 비율이 더 많음을 나타내고 있다.

이는 국내조선소에서는 선진조선소보다 더 많은 재작업을 수행하고 있음을 유추 할 수 있을것이다.

 

3. 용접 Process

용접기법은 아래의 Table에서 보듯이 용접재료 소요량 기준으로 ‘80년대의 SMAW(수동용접)에서 '90년대에는 FCAW (반자동용접)으로 전환되면서 용접작업에 있어서 많은 생상성 향상을 가져왔다.

 
그러나 일부조선소에서는 Fillet용접에 있어서는 Gravity용접이 15%수준으로 높은 비율을 점유하고 있으며, FCAW에 있어서도 장치화 되지 않으므로 작업환경 및 용접작업의 생산성 측면에서 많은 연구개발이 되어야 함을 나타내고 있다.

 

 

4. 조선용접의 자동화 및 Robot화

(1) 자동화의 목적

조선공업에서의 용접자동화는 각 조선소의 작업물량, 작업환경, 물류흐름에 따라 결정된다. 일본 조선소의 경우 70년대 초 호황 때 증설하였던 설비 및 작업자들을 80년대에 대폭 감축하였으나, 90년대 수주량 증가에 따른 생산물량을 처리하기 위해 설비 투자와 인력의 확보가 필요하였다. 설비 증설은 문제가 없었으나 조선업이 3D업종으로 간주되어 작업자를 확보할 수가 없었으며 특히 숙련된 작업자가 부족하였다. 따라서 자동화 투자는 미숙련자 혹은 노약자도 작업할 수 있는 작업장 및 작업환경을 개선하기 위해 투자되었다. 이에 비해 국내조선소의 경우는 자동화의 투자는 주로 생산성 향상을 위해 집중되었다.

이와 같이 용접자동화에 대한 투자는 시장환경 및 작업환경에 따라 다르기는 하나 일반적으로 다음과 같이 요약할 수 있다.

1) 용접 Arc Time율 향상을 통한 생산성 향상.
2) 1인 다 아크를 통한 비용 절감.
3) 숙련 노동자의 부족화에 대응한 생력화.
4) 작업자 기량에 의존하지 않는 용접품질의 향상 및 안정화.
5) 안전사고 방지 및 작업 환경 개선.

 

(2) 조선용접의 자동화 순서

조선소에서 용접자동화의 일반적인 도입 순서는 다음과 같다.

1) 수동 작업의 치구화.
2) 반자동 용접의 확대 적용.
3) 단위 기계에 의한 용접자동화.
4) 전용 용접설비에 의한 자동화.
5) 전 블록흐름 자동화 및 용접 공정의 자동화,
6) 지능 장비에 의한 무감시 및 무인화 용접.

일본 조선소의 경우 조선소마다 약간씩 차이가 있지만 대형 조선소의 경우 4단계를 완성하고 최근에는 5단계의 자동화를 진행 중에 있다. 5단계를 완성하기 위해서는 용접설비의 자동화도 중요하지만 작업물의 이송장치, 취급장치 및 용접장치의 이송장치 등도 자동화되어야 한다.

 

5. 용접변형

용접변형 및 잔류응력은 구조물의 강도 저하 및 외관상의 문제를 유발시킬 뿐만 아니라 다음 공정에서 치수 편차 등의 문제가 발생되어 작업 과정 중에 많은 재작업으로 직결되어 제조원가를 상승시키는 문제 및 선박건조에 있어서 당면과제인 자동화/로보트장치 적용을 방해하는 주요인이다. 선박의 건조 과정에서는 전 공정에 걸쳐 변형이 발생되고 있으나 각종 규정에 의해 허용되는 범위가 있으며, 또한 허용오차를 벗어나 수정을 필요로 하는 구역도 많은 것이 현실이나 계속적으로 다발 되는 구역을 대상으로 구조물의 제작 공정단계별로 작업방법을 집중적으로 분석하여 용접변형을 제어하는 것이 매우 중요한 과제이다.

 

 

선박의 건조 공정단계별로 용접변형 요인들을 언급하고자 한다. 용접시 구속이 자유로우면 용접변형이 크게 발생되는 것으로 일반화되어 있으나 선박건조에서는 용접으로 인한 수축의 문제점은 이때까지의 건조실적 등을 데이터베이스화하여 구조물의 구속도, 작업방법 및 용접법을 고려한 수축량을 예측하여 설계에 반영하므로 충분한 보상이 이루어지고 있다. 그러나 용접시에 발생되는 구조물의 용접변형은 구조물의 중립축과 용착금속의 중심의 편차에 의한 벤딩모멘트 작용으로 발생되는 각변형이 가장 큰 문제점이라고 볼 수 있다.

용접구조물에서의 변형발생은 구조적인 측면과 시공적인 측면으로 구분할 수 있으나 구조물의 구조적인 강성에 가장 많은 영향을 받는다고 보아도 무방하다. 그러나 설계에서는 경제적인 측면 즉 자재비, 생산단가를 고려한 구조를 채용하고 있으므로 생산현장에서의 작업단계별로 용접변형이 최소화되는 작업방법을 채용하는 것이 보편화되어 있다.

 

선박건조에 있어서 변형발생요인의 대부분이 필렛용접으로 인한 각변형으로만 인식되어져 온 것이 현실이다. 그러나 위의 공정단계별 변형발생요인에서 보듯이 필렛용접으로 인한 용접변형도 중요하지만 운반/적치과정에서의 변형, 부재의 정밀도 불량으로 인한 외력작업에 의한 변형, 의장품 부착으로 인한 변형, 연관되는 구조물과의 결합과정에서의 열수축으로 인한 변형 등 변형발생의 요인은 매우 다양하고 복잡함을 알 수 있다.

 

Ⅲ 생산성 향상을 위한 방안

선박건조에 있어서 용접관련기술에 의한 생산성 향상은 설계구조적인 측면에서부터 생산공정에 이르기까지 설비의 규모 및 응용기술의 발전에 따라 매우 다양하다고 볼 수 있다. 여기서는 각기능별로 용접작업에 직?간접적으로 관련된 사항에 대해서만 간략히 언급하고자 한다.

 

1. 용접자동화의 적용 예

 

(1) 평판 조립용 용접자동화 설비

국내조선소의 경우 조립 공정 중 처음 공정은 폭 4-5m, 길이 15-22m의 평판을 3-4개 연속 용접하여 대형 평판을 만드는 것이다. 중,소형 조선소의 경우 본 용접부에는 간이 이동식 용접대차를 이용한 SAW를 적용하고 있으며, 대형 조선소에서는 Gantry Crane에 용접 Torch가 2-3개 설치된 설비를 주로 사용하고 있다.

용접부 개선은 두께에 따라 다르나 I형 혹은 Y형을 채택하고 있으며, 국내 경우 전면 용접 후 뒷면을 용접하는 양면용접법을 사용하고 있다. 양면용접법을 적용하기 위해서는 한쪽 면을 용접후 뒤집는 대형 Crane등의 장비가 필요하다. 이에 비해 일본 조선소의 경우는 라인을 흐름화하기 위해 편면용접법을 도입하였으며, 최근에는 용접생산성을 높이기 위해 4개의 Wire를 사용하는 고능률 용접방법도 적용되고 있다. 편면용접법은 생산흐름 면에서는 유리한 점이 있으나, 용접 종단부에 용접균열이 발생하는 단점이 있다.

양면용접법과 편면용접법 중 어느 방법이 용접효율 면에서 우수한가는 전후 공정과 연관되어 판단되나 기본적으로 다음의 요소들이 근거가 될 수 있다.

 

1) 용접 속도

편면용접법으로는 3 Wire를 이용한 종래의 FCB방법이 주로 사용되어왔으나, 최근 4 Wire를 이용한 고속 FCB방법도 적용된다.
다음 표에는 양면용접과 편면용접시 대표적인 용접속도를 나타내었다.

 

 

2) 용접품질

 

양면용접 : Incomplete Penetration, Burn Through, 과도한 Bead 높이 등의 발생가능성
편면용접 : 시.종단부 Crack발생(약 100mm ～500mm), 낮은 Impact Value, 용접변형 등의 문제점이 발생할 가능성이 있음.

 

3) 설비투자비

양면용접 : 설비 자체 투자비는 낮으나, Layout상의 면적이 넓다(블록의 3배 정도 필요).
편면용접 : 설비 자체 투자비는 높으나, Layout상의 면적이 적다(블록의 2배 정도 필요).

 

4) 용접 Cost

양면용접 : 두께 20mm까지는 I개선을 적용할 수 있어 용접 Wire 및 용접Flux의 사용량이 적다.
편면용접 : 기본적으로 V개선을 적용함. 용접 Wire 및 용접Flux의 사용량이 많다.

 

(2) 종골재 (Longitudinal Stiffener) 자동용접장치

종골재는 평판에 강성을 부여하기 위한 부재로 Angle이나 T-Bar 혹은 Flat Bar 등이 사용된다. 이들 종골재를 평판에 용접하기 위한 공법은 여러 가지가 있으나, 일반적으로 다음과 같이 분류된다.

1) Egg Box 조립공법 : 종골재와 횡골재를 1차 용접 조립하여 “Egg Box” 만든 후, Egg Box를 평판에 올려 조립하는 공법이다.
2) Line Welder 조립공법 : 평판 위에 종골재를 취부, 용접 완료한 다음 횡골재를 취부 및 용접하는 조립공법임.

Egg Box 조립공법의 경우 평판과 Egg Box가 용접되는 부위의 용접 생산성이 문제된다. 용접생산성 향상을 위한 방법으로는 간이 용접용 대차를 이용하는 방법, 전용 용접로보트를 이용하는 방법이 있다. 간이 용접용 대차의 경우 이동이 간편하고 투자 비용이 낮다는 장점은 있으나, 모서리 부분의 용접이 어렵다는 단점이 있다. 이에 비해 용접로보트의 경우는 용접성은 우수하나, 투자비가 높고, 투입을 위한 전용 Service 구조물을 별도로 설치해야하는 단점이 있다.

Line Welder 조립공법의 경우 종래에는 Gravity용접법을 사용하였으나, 최근에는 CO2 Gas용접을 이용한 전용 용접장치가 적용되고 있다. 이장치는 10-20개의 용접토오치를 이용하여 5-8개까지의 종골재를 동시에 용접한다. 이 용접방법은 Gravity용접법에 비해 용접능률은 우수하나, 전처리 도장된 페인트 때문에 용접결함이 발생하는 것이 문제이다.

다음 표에는 Gravity방법과 Multi-Torch를 이용한 용접방법의 용접속도를 비교하여 나타내었다.

 

(3) 소조립 용접용 자동용접 장치

소조립용 부재는 매우 다양하기 때문에 몇 년 전까지는 자동화 장치를 설치할 수 없는 공정으로 판단되어 왔다. 그러나 최근 로보트의 발전에 따라 각 조선소마다 용접 생산성을 높이기 위해 소조립 공정을 재배치하여 용접자동화율을 향상시키고 있다. 이를 위해 소조립 공정의 흐름작업을 확대하고, 소조립부재 내에서 동종형상부재를 Grouping하여 각각의 형상에 적합한 작업장소를 정비하고 동시에 용접자동화의 전문화를 도모함과 더불어 Conveyor에 의한 Line화의 확대를 꾀하였다.

각 부재에 따른 자동화 방법 중 다 전극 용접장치는 앞에서 설명한 종골재 자동용접장치와 같은 CO2용접장비이나 전극 수를 10극 이하로 설치하여 Stiffener 3-5개 정도를 동시에 용접하게 구성되어 있다.

간이 자동화 방법으로는 CO2 용접용 대차를 이용하는 방법으로 용접 Wire공급용 Feeder를 쉽게 옮길 수 있는 Service구조물이 설치되어 있다.

 

2. 로보트에 의한 자동화 용접

최근 로보트 응용기술의 발전에 따라 조선 생산공정에 로보트의 적용도 점차 증가하고 있다. 조선 생산공정에 적용되고 있는 로보트는 절단, 용접, Handling, 도장 분야 등이 있으나, 본 고에서는 용접 분야에만 한정하여 설명한다.

조선 공정에 로보트의 도입에 따른 장점으로는 직접노동력의 감소, 선박 건조시간의 단축, 품질의 향상, 작업자의 안전성 및 작업환경 개선, 미래의 숙련 노동력의 부족에 대처 능력 향상 등이 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 타 산업에 비해 로보트화는 매우 늦은 속도로 진행되고 있다. 그 예로 세계에서 Robot 적용이 가장 많은 일본의 경우에도 산업용 Robot이 약 35만대가 적용되고 있으나, 조선업에는 겨우 200여대만 적용되고 있는 실정이다.

이와 같이 조선에 Robot의 적용이 적은 것은 작업 대상물이 Robot 적용이 어려운 조선산업 자체의 특징 때문이다. 다음 표에는 로보트의 적용이 제한되는 조선산업의 특징을 나타내었다.

위의 표에서 보는바와 같이 조선용 부재는 대형의 중량물인 관계로 고정위치에서 작업을 해야 하므로 로보트 설비의 이동성이 문제된다. 그러나 로보트 시스템은 그 자체가 이동성이 결여되어 있으며, 부재가 다품종 소량이므로 프로그래밍 시간이 많이 소요된다. 또한 부재의 크기가 대형이므로 로보트 작업범위의 한계성이 문제가 된다.

조선에 적용되고 있는 용접용 로보트는 크게 소조립용과 대조립용 및 Pipe 용접용으로 구분할 수 있으며, 각 공정별로 적용되는 로보트의 특성도 차이가 있다.

 

(1) 소조립용 용접로보트

조선에서의 소조립 공정이란 평판에 Plate Bar나 Angle과 같은 단순 형태의 골재를 부착하는 공정을 말하며, 작업물의 크기는 약 5- 10ton정도이다. 용접부위는 대부분 Fillet Joint이며, 한 두개의 Butt Joint도 있으나, 용접로보트를 적용하는 부위는 Fillet Joint이다.

종래의 용접방법으로는 Gravity용접법이 주로 적용되었으며, 최근에는 간이 용접용 대차를 이용한 CO2 가스용접이 적용되고 있다. Gravity용접법이나, 간이 자동용접법은 비교적 생산성이 높은 용접법이기 때문에 이 공정에 Robot를 적용하기 위해서는 설비 투자 면에서 뿐만 아니라 용접생산성 면도 우수하여야 한다.

다음 그림은 전형적인 용접로보트를 이용한 소조립공정을 보여주고 있다. 전체 공정은 부재의 배재, 취부, 용접, 마무리 작업으로 구분되며, 선진 조선소에서는 마무리 작업을 제외한 대부분 작업을 자동화하고 있다.

용접로보트의 경우 일반적으로 2대의 Robot가 1대의 Gantry Crane에 장착된 System이 가장 많이 사용되고 있다. 이는 용접생산성을 Gravity용접법이나 혹은 간이 자동용접법의 수준으로 높이기 위함이다. 일부 조선소의 경우는 동일한 Line에 2대의 Gantry형태의 용접System이 설치된 곳도 있다. 2대의 Gantry중 앞쪽 1대는 2대의 Robot가 설치되어 있으며, 다른 1대의 Gantry에는 1대의 Robot가 설치되어 있다. 이 System에서는 앞쪽의 Robot는 수평 Fillet Joint를 2대의 Robot를 이용하여 매우 높은 속도로 용접하고 나머지 1대의 Gantry로는 용접량이 적은 수직 Fillet Joint나 2개의 Torch를 이용하여 동시작업이 곤란한 부위의 용접만 담당하여 용접생산성을 높이고 있다. 또한 사용하는 용접재료도 한쪽 Gantry에는 용접능률이 높은 아래보기 전용 용접재료를 사용하며, 다른 쪽에는 수직 전용 용접재료를 사용한다.

용접로보트의 활용도를 높여 용접생산성을 높이기 위해서는 취부 Stage와 용접 Stage의 Conveyor상에 Buffer Stage를 두어 야간에도 반 무인화 작업이 가능하게 전체 Line을 구성할 수도 있다.

 

(2) 대조립용 용접로보트

1) 평행블록용 용접로보트

조선에서의 대조립 작업은 소조립공정에서 완성된 부재들을 조합하여 하나의 육면체로 만드는 공정이며, 최종 탑재공정의 기본 단위의 블록을 만드는 공정이다. 대조립에서 제작된 Block은 조선소마다 차이가 있으나, 대형 조선소의 경우는 16x 16x 4m 정도의 크기이다.
현재 대조립 공정에 적용되고 있는 용접로보트는 다음의 3가지 형태로 구분할 수 있다.

 

①Egg Box 조립용 용접로보트

Egg Box 조립용 용접로보트는 작업물의 아래쪽에 위치하여 선박의 종골재와 횡골재가 교차되는 수직 용접부를 용접한다. 용접재료는 수직용접부에 효과적인 재료를 선택하며, 용접시 용접열에 의해 부재가 변형되면 다음 공정의 용접이 어렵기 때문에 용접순서의 관리가 필요하다.

 

②Hoist를 이용한 용접로보트

주로 일본 조선소에서 적용되고 있는 용접로보트 System이며, 로보트를 Gantry Crane에 장착된 Hoist에 의해 투입한다. Hoist를 사용하기 때문에 작업장소에 Robot의 투입은 작업자가 수동으로 하며, 투입 후 Robot가 주어진 작업반경 내의 용접부를 용접한다. 용접부위는 종골재와 횡골재의 교차부위, 횡골재와 평판의 교차부위 및 종골재와 횡골재의 교차부위이다.

 

③Gantry Crane에 Robot가 직접 장착된 형태

최근 Robot기술이 발전되어 조선산업에 Robot의 적용이 활발해짐에 따라 Robot의 활용을 극대화하기 위해 완전 자동화된 Gantry Crane에 Robot를 직접 장착하게 되었다. Robot를 적용하고 있는 대부분의 유럽조선소에서 사용하고 있는 System이다. Gantry Crane도 Robot와 연관되어 움직여야 하기 때문에 제어 방법이 복잡하고, Crane제작 등에 소요되는 투자비는 많으나 작업자의 투입을 최소화할 수 있고, 6m까지의 수직용접부도 용접이 가능하기 때문에 Robot용접률을 극대화할 수 있다는 장점이 있다.

 

2) 곡블록용 용접로보트

곡블록은 평행 블록에 비해 작업 대상물의 정도가 나쁘기 때문에 Robot적용이 매우 어렵다. 따라서 현재 곡블록에 Robot를 적용하고 있는 조선소는 세계적으로도 2-3개 조선소밖에 없으며, 그나마 아직은 Test를 하고 있다.

곡블록용 Robot 용접System은 모두 Gantry Crane에 매우 긴 Vertical Slide를 가지고 있으며, Vertical Slide에 Robot가 달려있다. 또한 Vertical Slide를 움직이면서 용접을 행해야하기 때문에 용접 품질을 확보하기 위해서는 Gantry Crane의 강성도 높아야한다. 용접부위는 Fillet Joint d이며, 용접부위의 Gap이 크기 때문에 Gap을 찾아낼 수 있는 Sensor를 장착한 System이 필요하다. 용접 Gap에 따라 용접조건도 변화시켜야 만족스러운 용접품질이 확보된다.

 

(3) Pipe 용접용 Robot

모든 파이프는 기본적으로 단면이 원으로 되어 있어 유사한 작업공정에 의해 제작이 완료된다. 파이프의 가공은 부재의 Feeding, 절단, Marking, 용접, Bending으로 이루어지며, 이들 작업공정은 대부분 자동화가 가능하다. 따라서 일본, 독일 등 선진 조선소에서는 Pipe제작 공정을 자동화하여 일관 Line생산 공장을 운영하고 있다. 다음 그림에는 일본 S조선소에 설치된 자동화 Line을 보여준다.

조선소 Pipe 제작 Line에 대표적으로 적용되고 있는 용접로보트는 다음과 같다.

1)미쓰이 조선 찌요 조선소 : 파이프 플랜지의 Fillet용접과 Elbow관의 Butt Joint용접에 다관절형 NC Robot와 3축의 포지셔너를 이용하여 작업하고 있다. 적용 관경은 125A - 300A로 약 32개/일의 파이프 용접이 가능하다.
2)미쓰비시 중공업 나가사끼 조선소 : 플랜지의 조립, 단관의 용접, 굽은관 용접 등에 Robot를 적용하고 있다.
3)NKK의 쮸우 조선소 : CCD Camera를 이용하여 Root Gap량을 Sensing하고 전류의 세기를 조절하여 Gap에 적당한 용접을 행하는 Intelligent형 Robot를 실용화하고 있다

 

 

3. P.E 및 Dock공정에서의 기계화 및 자동화

P.E 및 Dock공정에서의 용접작업의 생산성 향상을 위한 기계화 및 자동화 적용은 많은 제약조건을 갖고 있다. 작업장이 전문화 되어있지 않으며 협소한 공간 등의 문제점으로 인해 용접장치의 고정화가 불가능하다. 그러므로 Joint형상별로 용접작업의 간이자동화를 극대화하는 것이 생산성 향상에 있어서 매우 중요하므로

- Horizontal Joint의 용접기계화
- Vertical-up 용접의 고성능화
- Fillet 용접에 Auto-carriage의 확대적용
- CO₂power source와 그 주변장치의 합리적 linking 으로 요약할 수있다.

 

 P.E 및 Dock단계에서의 용접기법/ 선종별로 용접기계화 및 자동화의 구성비를 Joint Length기준으로 살펴보면 아래의 표와 같으며 여기에서 선종별로 다소의 차이가 있으나 P.E Joint의 경우 기계화율이 zero에서 28%수준으로 향상될 것이고, Dock Joint의 경우는 10%에서 25%수준으로 향상될 것임을 알 수 있다.

 

 

Ⅳ 결언

선박건조에 있어서 용접관련 기술에 의한 생산성 향상이란 너무나 포괄적이고 광범위한 것이 현실이다.

용접작업의 고속화 측면에서 자동화, 로봇트화를 도입하는 단계에서 이를 효과적이고 효율적으로 운용하기 위해서는 앞절에서 언급된 설계구조의 단순화와 더불어 생산단계에서의 부재의 정밀도 유지가 선행되어야만 하는 당위성을 제시하였다.

또한 용접작업의 자동화, 로봇트화의 장치개발은 적용부위별로 세분화하여 필요충분조건의 만족도를 기준으로 추진되어야만 Total Cost 절감에 기여할 수 있을 것임을 제시하였다.