11개월 만에 용접 불량률을 3.1%에서 0.4%로 낮춘 방법

출발점: 12개 라인에서 3.1%의 용접 불합격률

2024년 4분기 당사의 12개 생산 라인에서 용접부 불합격률은 3.1%였습니다. 월간 보고서에서는 작아 보이는 숫자이지만, 연간으로 환산하면 수천 개의 재작업이 발생했다는 의미입니다. 실제로 비용이 컸던 부분은 재용접 인건비가 아니라, 재작업으로 흐트러지는 생산 리듬과 출하 일정의 지연, 그리고 품질팀이 반복 검사에 자원을 소모하는 일이었습니다.

그래서 반장의 인상이 아니라 6개월간의 연속 데이터를 먼저 수집했습니다. 불합격 기록 4,180건을 근본 원인별로 분류한 결과 문제는 단일 공정이 아니라 실드 가스 오염, 아크 전류 변동, 지그 위치 편차라는 세 개의 독립적인 원인군으로 나뉘었습니다. 이 세 가지가 불합격의 81%를 설명했고, 나머지는 전류 설정과 작업자 습관 같은 개별 요인이 차지했습니다.

이렇게 분해하는 것이 중요한 이유는 원인군마다 필요한 투자와 평가지표가 완전히 다르기 때문입니다. 문제를 하나의 범주로 묶어버리면 검사 빈도를 높여 감추는 것 외에는 할 수 있는 일이 없습니다.

원인 1: 실드 가스 순도

조사는 아르곤 실린더에서 시작했습니다. 구매 사양에는 순도 99.995%만 적혀 있었고 이슬점 규정도 인수 방법도 없었습니다. 세 교대조에서 각각 토치 출구의 이슬점을 측정했더니 42~78 ppm 범위에서 흔들렸습니다. 이 차이는 용융지에 수소와 수분을 유입시켜 육안으로 확인하기 어려운 미세 기공을 만드는 데 충분한 크기입니다.

그래서 가스 사양을 순도 99.998%로 올리고 인수 시점 이슬점을 10 ppm 이하로 규정했습니다. 다만 사양 변경만으로는 부족했습니다. 오염은 배관 내부에서도 발생할 수 있기 때문입니다. 각 라인에 이슬점 연속 모니터링을 설치해 25 ppm에서 경보와 정지를 작동시켰고, 교대조마다 로트 번호와 실린더 번호를 기록했습니다.

이후 4개월 동안 모니터링 시스템은 오염된 3개 로트를 생산 투입 전에 차단했습니다. 해당 로트를 교체하는 비용은 그것들이 유발할 수 있었던 약 260건의 재작업 비용을 크게 밑돌았습니다.

원인 2: 아크 안정성

당시 TIG 설비는 다소 노후해 정전류 출력에 자동 보정 기능이 없었고, 아크 길이는 작업자의 손떨림과 모재 높이 변화에 따라 달라졌습니다. 그래서 전자식 아크 안정화 컨트롤러를 추가해 전압을 밀리초 단위로 샘플링하고 전류를 실시간으로 조정해 아크 길이를 일정 범위로 유지했습니다.

가장 뚜렷하게 개선된 지표는 루트 용입입니다. 단면 시편에서 용입 깊이의 표준편차가 0.42mm에서 0.17mm로 낮아졌습니다. 표면 품질도 좋아져 언더컷과 불규칙한 아크 스타트 비율이 눈에 띄게 줄었습니다.

또한 컨트롤러를 활성화하기 전에 작업자가 기본 전류를 설정하도록 의무화했습니다. 안정화 장치는 올바른 설정을 유지하는 장치이며 잘못된 설정을 올바른 값으로 바꾸는 장치가 아니기 때문입니다. 각 장비에는 번호를 부여해 전류 파형과 연결했고, 이상이 발생한 장비는 즉시 교체할 수 있게 했습니다.

원인 3: 지그 위치 반복 정밀도

기존 수동 지그는 8시간 교대조 동안 최대 1.8mm의 위치 이탈을 보였습니다. 이 편차를 작업자가 손동작으로 보정하면 그 보정 자체가 아크 길이와 토치 각도를 바꾸어 악순환이 됩니다. 이를 기준점을 고정한 레이저 유도식 기계 지그로 교체하고, 1시간마다 기준 시편으로 위치 이탈을 확인했습니다.

2개월 운영 후 8시간 교대조에서 최대 위치 이탈은 0.29mm로 낮아졌습니다. 여기서 중요한 지표는 순간값이 아니라 안정성입니다. 세 기간 연속으로 이탈 분포를 집계해 기준점 마모로 인한 점진적 확대가 없음을 확인한 뒤, 9만 사이클마다 클램프 부품을 청소하거나 교체하는 보전 계획을 수립했습니다.

이 계획도 한 번의 실패에서 나왔습니다. 첫 시험에서 기준점 한 곳이 불과 3주 만에 뚜렷한 마모를 보였기 때문입니다. 마모 주기를 보전표에 기록하지 않았다면 동일한 문제가 양산에서 재발했을 것입니다.

측정 체계: AWS D1.2 합격 기준과 발췌 검사 빈도

AWS D1.2의 합격 기준을 계약상 기준으로 채택해 먼저 외관으로 판정하고, 의심스러운 시편은 침투 탐상으로 확인했습니다. 방사선 검사는 교대조마다 중요 용접부에서 5%를 무작위 추출했고, 로트와 작업자, 설비 설정이 바뀔 때 5%를 추가했습니다.

이 비율은 높은 통계 정밀도로 불량률을 추정하기에는 부족하지만 초기 편차를 발견하기에는 충분합니다. 그래서 주간 대시보드를 만들어 불합격률을 라인별, 원인별, 교대조별로 집계해 작업조 앞에 게시했습니다. 진짜 전환점은 반장이 자신의 조정이 당일 숫자에 어떤 영향을 주는지 볼 수 있게 된 시점이었습니다.

결함 분류 기준도 통일했습니다. 기공, 용입 부족, 언더컷, 기하 변형 네 가지입니다. 이전에는 같은 결함이 라인마다 다른 이름으로 기록되어 통계상 가짜 개선이나 악화가 나타났습니다. 각 분류에는 품질팀이 승인한 참조 사진을 첨부했습니다.

파라미터나 공급업체 변경은 먼저 한 라인에서 3개 교대조를 시운전하고 데이터를 확인한 뒤 확대했습니다. 초기에는 느려 보였지만 검증되지 않은 대책이 전 라인으로 퍼지는 것을 막았습니다.

11개월 후 결과와 기대에 미치지 못한 세 항목

단계적으로 시행한 11개월 후 기말 불합격률은 0.4%로 안정되었고 재작업 비용은 기준 기간 대비 78% 감소했습니다. 부수적 성과로 최종 검사 시간이 단축되었습니다. 예상되는 불량 지점의 수가 제한적이고 명확해졌기 때문입니다.

반면 기대에 미치지 못한 항목이 세 가지 있습니다. 첫째는 열화상 카메라를 이용한 잔류응력 예측으로, 이 검사에서는 비용이 효과를 넘었습니다. 둘째는 외관 검사의 완전 자동화로, 용접 작업장의 조명 조건이 다수의 오경보를 만들었습니다. 셋째는 전 라인에 공통된 작업자 평가 척도를 적용한 것으로, 각 작업장에 맞는 척도를 남겨두는 편이 나았습니다. 이 세 항목은 영구 폐기가 아니라 기반이 안정된 이후 단계로 옮겼습니다.

운영 측면의 결론은 불량률 개선이 한 번의 큰 투자가 아니라 입력을 통제하고 공정을 안정시키며 정기적으로 측정하는 세 개의 작은 개선 루프가 동시에 돌아갈 때 이루어진다는 점입니다. 이 셋을 분리하면 로트나 교대조 변화가 생기는 순간 불합격률은 다시 올라갑니다.

인력도 체계의 일부입니다. 중요 용접부에 배치되는 작업자에게는 필기 확인 후 직접 감독 아래 20개소를 용접하고 세 개의 서로 다른 교대조에서 결과가 안정된 뒤 단독 작업을 허용하는 자격 프로그램을 운영했습니다. 이 단순한 조건이 숙련자가 라인을 옮긴 뒤 불합격률이 재발하는 상황을 막았습니다.

변경 관리의 중요성도 기술 대책에 못지않습니다. 공급업체, 와이어, 설비 중 어느 하나를 바꾸더라도 위험과 검증 방법을 명시한 변경 신청을 거치고, 먼저 한 라인에서 확인한 뒤 확대합니다. 이 절차는 행정 단계를 하나 늘릴 뿐이지만 부분 개선 이후 문제가 다시 열리는 것을 막습니다.

예방 보전은 달력이 아니라 가동 시간에 연동했습니다. 2교대 라인과 3교대 라인이 함께 운영되기 때문입니다. 교체 기록과 각 라인의 불합격률을 대조하면서 육안 점검으로 알아차리기 전에 기준점 마모를 파악할 수 있게 되었습니다.