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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 Consolidation 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.22 no.1 = no.96, 2012년, pp.69 - 76  

김영국 (구마모토 대학 충격극한환경연구센터) ,  강성승 (조선대학교 에너지자원공학과) ,  조상호 (전북대학교 자원에너지공학과)

초록
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본 논문은 폭약의 폭발현상을 이용한 폭발용접, 폭발성형과 충격분말고화기술의 기본적 원리와 실험방법, 실험결과에 대하여 기술한다. 타이타늄(Ti)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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (10)

  1. 성상철, 심상한, 이병일, 1997, 폭발용접의 원리와 응용, 대한용접접합학회지, Vol. 15, No. 6, pp. 13-23 

  2. Rinehart J. S. and J. Pearson, 1963, Explosive working of metals, pergamon press, London. 

  3. Ezra, A. A., 1973, Principles and practice of explosive metal working, Vol. I, Industrial Newspaper Limited, London. 

  4. Crossland, B., 1982, Explosove welding of metals and Its applications, Clarendon, Oxford. 

  5. Derivas, A. A., V. M. Kudinov and F. I. Maveenkov, 1967, Explosive welding, Combusion, Explosion, and Shock Waves, 3, 111-118. 

  6. Prummer, R., 1988, Explosive compaction of metallic glass powders, Materials Science and Engineering 98, 461-463. 

  7. Chiba, A., M. Fujita, M. Nishida, K. Imamura and R. Tomoshige, 1992, Underwater-Shock Consolidation of Difficult-to-consolidate Powders, in: M. A. Meyers, L. E. Murr, K. P. Staudhammer (Eds.), Shock-wave and high-strain-rate phenomena in materials, Marcel Dekker, New York, pp. 415-424. 

  8. Ghizdavu V. and N. Marin, 2010, Explosive forming-Economical Technology for Aerospace strructures, INCAS BULLETIN, 2, 107-117. 

  9. Kim Y., T. Ueda, K. Hokamoto and S. Itoh, 2009, Electric and microstructural characteristics of bulk ZnO fabricated by underwater shock compaction, Ceram. Inter. 35, 3247-3252. 

  10. Kim Y., H. Wada, Y. Lee, S. Itoh, 2010, Magnetization, magnetic transition and magnetic entropy changes of bulk $MnAs_1-Sb_x$ fabricated by underwater shock compaction, Mater. Sci. Eng B, 167, 114-118. 

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