산업용 폭약을 이용한 폭발용접, 폭발성형과 충격분말고화에 관한 실험 및 수치해석적 연구 Experimental and Numerical Studies on Application of Industrial Explosives to Explosive Welding, Explosive Forming, Shock Powder Consolidation원문보기
본 논문은 폭약의 폭발현상을 이용한 폭발용접, 폭발성형과 충격분말고화기술의 기본적 원리와 실험방법, 실험결과에 대하여 기술한다. 타이타늄(Ti)과 스테인레스 강(Stainless steel, SUS 304) 판재의 폭발용접 실험결과, 두 재료 접촉면의 단면에서는 연속적인 젯(jet)모양의 파형이 관찰되었고, 두 금속판재의 설치 경사각도가 $15{\sim}20^{\circ}$ 이고 접착속도가 2,100~2,800 m/s인 경우에 최적의 접합조건을 보였다. 알루미늄(Al) 판재를 이용한 폭발성형 실험과 전형적인 가압성형 실험 결과를 비교분석하여, 폭발성형의 경우가 큰 곡률변형을 보여 가공성이 우수한 것으로 확인되었다. 끝으로 금속과 세라믹의 혼합분말($Fe_{11.2}La_2O_3Co_{0.7}Si_{1.1}$)에 대한 충격고화 실험법을 제안하고 실험을 수행한 결과, 고화체의 표면과 내부에 균열이 확인되지 않았으며 세라믹입자와 금속입자들의 강한 미세조직 결합이 형성되었다. 또한 충격분말고화실험에서 발생되는 폭약의 폭발에 의한 폭굉파와 수중 충격파의 전파 및 간섭현상을 분석하기 위하여 LS-Dyna 3D를 이용한 동적해석을 수행하였다. 그 결과, 물용기 내 벽면에서 반사된 수중충격파가 중앙부에서 중첩되어 폭약의 폭발압력보다 높은 20 GPa의 수중 충격압을 보여, 물용기 내부형상의 중요성을 입증하였다.
본 논문은 폭약의 폭발현상을 이용한 폭발용접, 폭발성형과 충격분말고화기술의 기본적 원리와 실험방법, 실험결과에 대하여 기술한다. 타이타늄(Ti)과 스테인레스 강(Stainless steel, SUS 304) 판재의 폭발용접 실험결과, 두 재료 접촉면의 단면에서는 연속적인 젯(jet)모양의 파형이 관찰되었고, 두 금속판재의 설치 경사각도가 $15{\sim}20^{\circ}$ 이고 접착속도가 2,100~2,800 m/s인 경우에 최적의 접합조건을 보였다. 알루미늄(Al) 판재를 이용한 폭발성형 실험과 전형적인 가압성형 실험 결과를 비교분석하여, 폭발성형의 경우가 큰 곡률변형을 보여 가공성이 우수한 것으로 확인되었다. 끝으로 금속과 세라믹의 혼합분말($Fe_{11.2}La_2O_3Co_{0.7}Si_{1.1}$)에 대한 충격고화 실험법을 제안하고 실험을 수행한 결과, 고화체의 표면과 내부에 균열이 확인되지 않았으며 세라믹입자와 금속입자들의 강한 미세조직 결합이 형성되었다. 또한 충격분말고화실험에서 발생되는 폭약의 폭발에 의한 폭굉파와 수중 충격파의 전파 및 간섭현상을 분석하기 위하여 LS-Dyna 3D를 이용한 동적해석을 수행하였다. 그 결과, 물용기 내 벽면에서 반사된 수중충격파가 중앙부에서 중첩되어 폭약의 폭발압력보다 높은 20 GPa의 수중 충격압을 보여, 물용기 내부형상의 중요성을 입증하였다.
Theoretical backgrounds on the experimental methods of explosive welding, explosive forming and shock consolidation of powders are introduced. Explosive welding experiments of titanium (Ti) and stainless steel (SUS 304) plate were carried out. It was revealed that a series of waves of metal jet are ...
Theoretical backgrounds on the experimental methods of explosive welding, explosive forming and shock consolidation of powders are introduced. Explosive welding experiments of titanium (Ti) and stainless steel (SUS 304) plate were carried out. It was revealed that a series of waves of metal jet are generated in the contact surface between both materials; and that the optimal collision velocity and collision angle is about 2,100~2,800 m/s and $15{\sim}20^{\circ}$, respectively. Also, explosive forming experiments of Al plate were performed and compared to a conventional press forming method. The results confirmed that the shock-loaded Al plate has a larger curvature deformation than those made using conventional press forming. For shock consolidation of powders, the propagation behaviors of a detonation wave and underwater shock wave generated by explosion of an explosive are investigated by means of numerical calculation. The results revealed that the generation and convergence of reflected waves occur at the wall and center position of water column, and also the peak pressure of the converged reflected waves was 20 GPa which exceeds the detonation pressure. As results from the consolidation experiments of metal/ceramic powders ($Fe_{11.2}La_2O_3Co_{0.7}Si_{1.1}$), shock-consolidated $Fe_{11.2}La_2O_3Co_{0.7}Si_{1.1}$ bulk without cracks was successfully obtained by adapting the suggested water container and strong bonding between powder particles was confirmed through microscopic observations.
Theoretical backgrounds on the experimental methods of explosive welding, explosive forming and shock consolidation of powders are introduced. Explosive welding experiments of titanium (Ti) and stainless steel (SUS 304) plate were carried out. It was revealed that a series of waves of metal jet are generated in the contact surface between both materials; and that the optimal collision velocity and collision angle is about 2,100~2,800 m/s and $15{\sim}20^{\circ}$, respectively. Also, explosive forming experiments of Al plate were performed and compared to a conventional press forming method. The results confirmed that the shock-loaded Al plate has a larger curvature deformation than those made using conventional press forming. For shock consolidation of powders, the propagation behaviors of a detonation wave and underwater shock wave generated by explosion of an explosive are investigated by means of numerical calculation. The results revealed that the generation and convergence of reflected waves occur at the wall and center position of water column, and also the peak pressure of the converged reflected waves was 20 GPa which exceeds the detonation pressure. As results from the consolidation experiments of metal/ceramic powders ($Fe_{11.2}La_2O_3Co_{0.7}Si_{1.1}$), shock-consolidated $Fe_{11.2}La_2O_3Co_{0.7}Si_{1.1}$ bulk without cracks was successfully obtained by adapting the suggested water container and strong bonding between powder particles was confirmed through microscopic observations.
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문제 정의
본 논문에서는 폭발용접, 폭발성형과 충격분말고화에 대한 기본적 원리와 연구방법 및 결과를 기술하였다. 먼저 알루미늄 판재에 대한 폭발성형 실험, 금속과 세라믹의 혼합분말에 대한 충격고화 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 폭발용접, 폭발성형과 충격분말고화에 대한 기본적 원리와 연구방법 및 결과를 기술한다. 구체적으로는 타이타늄과 스테인레스 강판재의 최적접합을 위한 폭발용접실험, 알루미늄 판재에 대한 폭발성형 실험, 금속과 세라믹의 혼합분말에 대한 충격분말고화 실험을 수행하였다.
충격분말고화실험에 사용된 분말은 금속과 세라믹의 혼합물(Fe11.2La2O3Co0.7Si1.1)이고, 금속분말입자와 세라믹분말입자의 결합상태를 알아보기 위해 실험을 실시하였다. 혼합물의 분말은 아르곤(Ar) 가스분위기의 글러브 박스(Glove box) 내에서 분말용기에 넣어 유압압축기를 이용하여 혼합물 분말의 이론밀도의 60%가 되도록 압축시켰다.
가설 설정
초기속도는 폭약의 입자속도(1,711 m/s)로써 적용하였고, x, y, z 방향의 각 면에 대하여 구속조건을 설정해 폭발 시 회전, 이동 등의 움직임이 없도록 하였다. 물리적 힘에 의한 분말의 움직임에 대해 수치계산을 하는 것은 매우 어려울 뿐만 아니라, 알고자 하는 것은 분말에 충격을 가하는 수중충격파의 압력과 분포이므로 분말을 물과 같은 재료로 가정하여 충격이 가해지는 분말 상부 표면까지만 계산하였다. 폭발가스의 체적, 에너지, 압력에 대한 수치해석을 행할 때에는 일반적으로 JWL(Jones-Wilkins-Lee) 상태방정식이 많이 적용된다.
이 방법은 폭발생성물(Detonation products)들에 대한 상태방정식만 요구하므로 폭약의 폭발거동에 대해 자주 사용되는 방법이다. 수치계산 내에서 초기상태의 폭약에 대한 어느 한 요소의 체적이 C-J상태 내에서 폭발생성물의 체적과 같을 때, 고체폭약은 완전한 가스상태의 생성물로 분해된 상태라고 가정을 하여 계산을 수행한다. 만약 Vo가 폭약의 초기체 적을 나타낸다면, VCJ는 C-J상태에서 폭발생성물의 체적이 된다.
제안 방법
8은 수치 해석에 사용된 모델을 간략히 나타낸 것이다. 계산시간에 대한 경제성을 확보하고자 계산모델을 단순화시켰다. 초기속도는 폭약의 입자속도(1,711 m/s)로써 적용하였고, x, y, z 방향의 각 면에 대하여 구속조건을 설정해 폭발 시 회전, 이동 등의 움직임이 없도록 하였다.
본 논문에서는 폭발용접, 폭발성형과 충격분말고화에 대한 기본적 원리와 연구방법 및 결과를 기술한다. 구체적으로는 타이타늄과 스테인레스 강판재의 최적접합을 위한 폭발용접실험, 알루미늄 판재에 대한 폭발성형 실험, 금속과 세라믹의 혼합분말에 대한 충격분말고화 실험을 수행하였다. 또한 충격분말고화실험에서 발생되는 폭약의 폭발에 의한 폭굉파와 수중 충격파의 전파 및 간섭현상을 분석하기 위하여 LS-Dyna 3D를 이용한 동적해석을 수행하였다.
충격고화실험에서 균열이 없는 양질의 고화재료를 얻기 위해서는 수중충격파가 금속분말에 충격을 가할 때, 완전평면파로서 충돌하는 것이 가장 이상적이다. 따라서 실제실험을 행하기 전에 선행적으로 수치해석을 행하여 수중충격파가 수중에서 전파되는 과정을 이해하고, 물용기의 내부형상에 대하여 최적설계를 행한다. 본 연구에서는 LS-DYNA 3D 프로그램을 이용하여 폭발에 의한 충격파의 전파과정을 수치적으로 해석하였다.
구체적으로는 타이타늄과 스테인레스 강판재의 최적접합을 위한 폭발용접실험, 알루미늄 판재에 대한 폭발성형 실험, 금속과 세라믹의 혼합분말에 대한 충격분말고화 실험을 수행하였다. 또한 충격분말고화실험에서 발생되는 폭약의 폭발에 의한 폭굉파와 수중 충격파의 전파 및 간섭현상을 분석하기 위하여 LS-Dyna 3D를 이용한 동적해석을 수행하였다.
본 논문에서는 폭발용접, 폭발성형과 충격분말고화에 대한 기본적 원리와 연구방법 및 결과를 기술하였다. 먼저 알루미늄 판재에 대한 폭발성형 실험, 금속과 세라믹의 혼합분말에 대한 충격고화 실험을 수행하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
따라서 실제실험을 행하기 전에 선행적으로 수치해석을 행하여 수중충격파가 수중에서 전파되는 과정을 이해하고, 물용기의 내부형상에 대하여 최적설계를 행한다. 본 연구에서는 LS-DYNA 3D 프로그램을 이용하여 폭발에 의한 충격파의 전파과정을 수치적으로 해석하였다. Fig.
계산시간에 대한 경제성을 확보하고자 계산모델을 단순화시켰다. 초기속도는 폭약의 입자속도(1,711 m/s)로써 적용하였고, x, y, z 방향의 각 면에 대하여 구속조건을 설정해 폭발 시 회전, 이동 등의 움직임이 없도록 하였다. 물리적 힘에 의한 분말의 움직임에 대해 수치계산을 하는 것은 매우 어려울 뿐만 아니라, 알고자 하는 것은 분말에 충격을 가하는 수중충격파의 압력과 분포이므로 분말을 물과 같은 재료로 가정하여 충격이 가해지는 분말 상부 표면까지만 계산하였다.
대상 데이터
1은 폭발용접을 위한 실험시스템 개념도를 나타낸 것이다. 본 시스템의 구성은 전기뇌관, 모재(Base plate), 부재 (Flyer plate), 고성능 폭약 그리고 폭약의 폭발 시, 부재를 보호할 목적으로 사용되는 버퍼(Buffer)로 이루어져 있다. 장치는 수중에 설치되며 모재와 부재의 접촉경사각(Collision angle)에 따라 접합상태가 결정되므로 부재를 모재에 대하여 경사지게 놓는다.
이론/모형
1의 충격고화실험에서는 균열없는 고화체를 성공적으로 얻을 수 있었고, 금속과 세라믹 분말입자간의 표면적 결합과 조밀한 조직을 가짐이 확인되었다. 충격고화 실험에서 발생한 충격파 거동을 분석하기 하기 위하여 LS-DYNA 3D을 이용한 폭발 시뮬레이션을 수행 하였다. 그 결과, 수중충격파에 의해 반사파가 물용기 벽면에서 발생되고, 용기 중심에서 서로 중첩되어 고압력파로 전환됨이 확인되었다.
폭약의 폭발거동에 관한 해석 방법으로서 C-J Volume burn 방법이 사용되었다. 이 방법은 폭발생성물(Detonation products)들에 대한 상태방정식만 요구하므로 폭약의 폭발거동에 대해 자주 사용되는 방법이다.
성능/효과
1. Ti(두께 5 mm)과 SUS 304(두께 15 mm)금속판재의 최적접합을 위한 폭발용접실험으로부터, 접촉경계면에서 연속적인 금속젯이 생성됨이 확인되었고, 설치 경사각은 15~20°, 최적의 접촉속도 Vc는 2,100~2,800 m/s 임이 확인되었다.
2. 알루미늄 판재에 대한 폭발성형 실험으로부터, 수중 충격파에 의해 만들어진 곡률형상이 종래의 가압성형방식에 의해 만들어진 곡률형상보다 훨씬 크고, 구석진 부분까지 압력의 전달이 가능하다는 것이 확인되었다.
3. 금속과 세라믹 혼합분말 Fe11.2La2O3Co0.7Si1.1의 충격고화실험에서는 균열없는 고화체를 성공적으로 얻을 수 있었고, 금속과 세라믹 분말입자간의 표면적 결합과 조밀한 조직을 가짐이 확인되었다. 충격고화 실험에서 발생한 충격파 거동을 분석하기 하기 위하여 LS-DYNA 3D을 이용한 폭발 시뮬레이션을 수행 하였다.
충격고화 실험에서 발생한 충격파 거동을 분석하기 하기 위하여 LS-DYNA 3D을 이용한 폭발 시뮬레이션을 수행 하였다. 그 결과, 수중충격파에 의해 반사파가 물용기 벽면에서 발생되고, 용기 중심에서 서로 중첩되어 고압력파로 전환됨이 확인되었다. 또한, 분말에 작용하는 충격압력은 반사파와 수중충격파가 결합되어 하나의 큰 압력파로써 작용하는 것이 확인되었다.
그 결과, 수중충격파에 의해 반사파가 물용기 벽면에서 발생되고, 용기 중심에서 서로 중첩되어 고압력파로 전환됨이 확인되었다. 또한, 분말에 작용하는 충격압력은 반사파와 수중충격파가 결합되어 하나의 큰 압력파로써 작용하는 것이 확인되었다.
하지만, 분말재료의 물성에 따라 쿠션역할을 해주는 금속분말의 양과 충격압력을 조절한다면 재료 내부에 발생되는 균열은 억제시킬 수 있다. 분말과 고화재료의 조직사진에서, 고화된 재료의 입도 변화가 분말상태와 크게 차이가 없음이 확인되었고, 세라믹분말과 금속분말이 충격파의 영향으로 서로 표면적결합(Surface bonding)이 되어 조밀한 조직을 보여주고 있으며, 세라믹과 금속의 혼합분말도 충격분말고화기술로 쉽게 제조성형이 가능함이 확인되었다.
성공적으로 접합이 이루어지는 속도범위는 2,100~2,800 m/s, 경사각도는 15~20°으로 확인되었다.
폭약의 폭발이 시작된 후, 대략 12.2µs 부근에서 수중충격파는 금속분말의 상부표면에 도달하는 것으로 나타났으며, 2.5 mm와 5 mm지점에서의 수중충격파의 압력값은 각각 18.1 GPa과 19.8 GPa 를 나타냄이 확인되었다.
후속연구
본 논문에서 기술한 폭발용접, 폭발성형과 충격분말고화는 폭발음에 의한 환경문제로 인하여 특수 제작된 실험 돔에서 이루어지고 있다. 지하공간은 안정성 및 밀폐 성능이 뛰어나 향후 폭약응용분야 적극적으로 활용될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폭발용접법이 갖고 있는 장점은?
폭약의 폭발력을 이용하여 이종 금속을 접합시키는 기술을 폭발용접법이라 한다. 일반적인 용접방법으로 접합시키기 어려운 금속재료의 코팅 또는 접합이 가능하다는 장점을 가지고 있다(성상철 등, 1997). Fig.
산업재료의 제조생산 분야는 어떤 것들이 있는가?
AD 1000 년경 중국에서 흑색화약(Black powder)이 세상에 처음으로 알려졌으며, 그 이후 전 세계로 널리 퍼져 군사용 및 다양한 분야에 적용되어 오다, 19세기 이후 다이너마이트 등의 위력이 강한 폭약의 등장으로 군사적 목적 이외에 광산개발, 터널굴착 등 민간분야에 널리 사용하게 되었다. 20세기 중반 이후에는 폭약의 폭발력을 이용한 산업재료의 제조생산 분야에 응용되 었으며, 대표적인 분야로는 폭발용접(Explosive welding), 폭발성형(Explosive forming), 충격분말고화(Shock powder consolidation) 등이 있다. 폭약을 이용한 산업응용연구의 이론적 및 실험적 연구는 지금까지 활발하게 진행되고 있으며 새로운 소재 개발의 실현을 가능하게 하였다.
폭약 사용의 역사는?
AD 1000 년경 중국에서 흑색화약(Black powder)이 세상에 처음으로 알려졌으며, 그 이후 전 세계로 널리 퍼져 군사용 및 다양한 분야에 적용되어 오다, 19세기 이후 다이너마이트 등의 위력이 강한 폭약의 등장으로 군사적 목적 이외에 광산개발, 터널굴착 등 민간분야에 널리 사용하게 되었다. 20세기 중반 이후에는 폭약의 폭발력을 이용한 산업재료의 제조생산 분야에 응용되 었으며, 대표적인 분야로는 폭발용접(Explosive welding), 폭발성형(Explosive forming), 충격분말고화(Shock powder consolidation) 등이 있다.
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