[논문]장갑판재용 고경도 강판의 용접 기술동향

정영철; 김찬규; 이승준; 정용문; 박철수; 이병석; 박태원; 김홍규; 조영태

doi:10.9766/kimst.2019.22.3.299

장갑판재용 고경도 강판의 용접 기술동향
Welding Technical Trend of High Hardness Armour Steel for Combat Vehicle 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.3, 2019년, pp.299 - 310

정영철 (창원대학교 메카트로닉스대학 기계공학부) , 김찬규 (창원대학교 메카트로닉스대학 기계공학부) , 이승준 (한화디펜스(주) 창원1사업장 체계) , 정용문 (한화디펜스(주) 창원1사업장 체계) , 박철수 (한화디펜스(주) 창원1사업장 체계) , 이병석 (한화디펜스(주) 창원1사업장 체계) , 박태원 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 김홍규 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 조영태 (창원대학교 메카트로닉스대학 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Increase of combat capability through the lightweighting of vehicles has been internationally issued. One of the methods for lightening is applying high hardness armor(HHA) steel which is outstanding ballistic performance and protection performance compared to weight. Development of HHA steel is currently completed in America, United Kingdom, Australia and Germany. It is used for not only combat vehicle, but also various combat device. Korea is developing new material of HHA steel according to this trend. When such HHA steel is applied to structure, welding process is used for connection of the structure. Cracks from hydrogen embrittlement and cold cracking are easily generated in welds of HHA steel and it greatly affects the strength of all structure. Decrease of strength from welding defect is critical to combat capability. Therefore, welding process optimization is important for performing the role of structure. In this study, international welding technology is reviewed through scientific research paper and patent.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Combat vehicle trend according to nation
그림 Fig. 2. Area of weld in HHA steel^[10]
표 Table 1. Specification of high hardness steel according to major nation^[5~8]
그림 Fig. 3. Hardness distribution of HHA steel^[10]
그림 Fig. 4. Amount of related paper according to nation
표 Table 2. Major industry for HHA steel
그림 Fig. 5. Type of crack in y groove specimens^[10]
그림 Fig. 6. Optical micrographs of weld metal region: (a) SMAW with austenitic stainless material (b) FCAW with austenitic stainless material (c) SMAW with low hydrogen ferritic material (d) FCAW with low hydrogen ferritic material^[19]
그림 Fig. 7. Form of weld according to welding consumable^[20]
그림 Fig. 8. Schematic illustration of (a) FSW process and (b) FSW tool^[22]
그림 Fig. 9. Process and welding bead of laser & arc hybrid system^[31]
그림 Fig. 10. Picture of mechanical wire control in CMT
그림 Fig. 11. Picture of induction & arc hybrid system
그림 Fig. 12. Amount of patent according to nation
표 Table 3. Major patent related welding of HHA steel
표 Table 4. Weld hardness according to process and materials

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 결함을 최소화하는 방법은 충분한 예열을 진행하거나 열영향부의 크기를 최소화하기 위하여 저입열 또는 하이브리드 용접 공정기술을 적용하는 방법이 있다. 따라서 고경도 장갑판재의 용접결함을 최소화할 수 있는 용접 공정을 소개하고자 한다^[32,33].
본 논문에서는 최근 이슈가 되고 있는 HHA 판재의 용접공정기술에 대한 국내외 기술동향 및 특허 동향을 소개하고자 한다.

제안 방법

4 kJ/mm, 예열 온도 범위 50~75 ℃에서 균열이 발생하지 않았다. 균열형태는 용접부 중심부에서 발생하는 균열과 용접부 루트에서 균열이 시작하여 용접부 경계를 따라 용접부 토우로 진전되는 균열 형태를 확인 하였다. 그리고 실험결과를 바탕으로 며 3종의 용접재료 시편에서 열연화로 인하여 경도가 현저히 떨어지는 부분을 확인하였다.
균열형태는 용접부 중심부에서 발생하는 균열과 용접부 루트에서 균열이 시작하여 용접부 경계를 따라 용접부 토우로 진전되는 균열 형태를 확인 하였다. 그리고 실험결과를 바탕으로 며 3종의 용접재료 시편에서 열연화로 인하여 경도가 현저히 떨어지는 부분을 확인하였다.
높은 방탄성능과 기동력을 구현할 수 있는 고경도 장갑판재의 연구 현황 및 용접기술에 대한 분석을 수행하였다.
그로 인해 충격특성의 결과에서도 플럭스코어드 용접재료를 사용한 용접부의 충격특성이 가장 낮은 값을 나타내었으며 제살 용접부와 솔리드와이어를 사용했을 때 가장 우수한 충격특성을 나타내었다. 방탄시험은 0.3 인치 APM2 탄환과 방호탄도 한계속도 목표 값 V50을 목표로 시험을 수행하였으며 용접부, 열영향부, 모재 영역의 방탄 특성을 확인하였다. 전체시편에서 관통은 되지 않고 탄흔만 발생하였다.
레이저를 이용하여 용접조건 및 용접재료에 따른 용접성을 평가하였다. 페라이트계 솔리드와이어 1종, 페라이트계 플럭스 코어드 2종과 오스테나이트계 플럭스 코어드 2종, 오스테나이트계 메탈코어드 2종의 용접재료를 선정하였으며 레이저 파워, 용접 속도, 용접재료 직경, 용접재료 공급 속도에 따라 충격특성과 방탄 특성을 확인하였다.

대상 데이터

첫 번째는 장갑 판재가 매우 높은 경도 수준을 갖는 MIL-A-46100D 사양이며 2008년부터 MIL-DTL-46100E로 개정되어 적용되고 있다. 두 번째 제작 규격은 HHA보다 낮은 경도 수준을 가지고 있지만 취성균열에 의한 재료 파손을 피하고 인성 및 연성의 향상을 통하여 개선된 용접성을 제공하는 MIL-A-12560의 균질 압연 장갑판재이다. 2009년부터는 MIL-DTL12560J의 명칭으로 개정되어 적용되고 있다.
용접재료는 페라이트계 및 오스테나이트계 스테인리스 재료와 듀플렉스 오스테나이트계/ 페라이트계 스테인레스 재료를 사용하였으며 모재의 인장강도보다 낮은 용접재료를 적용하였다. 시험 시편은 509-568HV급의 고경도 장갑판재를 이용하여 Y 그루브 시편을 제작하였다. 예열온도 0~150 ℃, 입열량 0.
용접재료는 페라이트계 및 오스테나이트계 스테인리스 재료와 듀플렉스 오스테나이트계/ 페라이트계 스테인레스 재료를 사용하였으며 모재의 인장강도보다 낮은 용접재료를 적용하였다. 시험 시편은 509-568HV급의 고경도 장갑판재를 이용하여 Y 그루브 시편을 제작하였다.

성능/효과

그리고 FCAW 공정 적용한 금속 조직이 SMAW 적용 시편보다 조대화 되어진 델타 페라이트 생성을 확인 할 수 있다. Fig. 6c, d의 동일 용접 공정에서 저수소 페라이트계 용접재료를 사용하였을 때는 침상 페라이트와 입상페라이트의 금속 조직 생성을 확인 할 수 있었으며 SMAW를 적용하였을 때 더욱 미세한 침상페라이트가 생성되는 것을 확인하였다.
그 결과A1 변태점 온도(723 ℃) 이상에서 600 mm/min의 용접속도와 600 rpm의 공구 회전 속도로 텅스텐카바이드 공구를 사용하였을 때 높은 건전성과 완전 용입되는 결과를 확인하였다. 교반영역에서 가장 높은 평균 경도(575HV)를 확인하였으며 HAZ영역에서 가장 낮은평균 경도(325HV)가 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. HAZ부위는 과열된 조대 마르텐사이트 구조가 형성되었고 교반영역은 소성 변형과 높은 냉각 율로 인하여 미세한 마르텐사이트 구조를 나타내었다.
8은 실험 개략도와 공구의 치수를 나타내고 있다. 그 결과A1 변태점 온도(723 ℃) 이상에서 600 mm/min의 용접속도와 600 rpm의 공구 회전 속도로 텅스텐카바이드 공구를 사용하였을 때 높은 건전성과 완전 용입되는 결과를 확인하였다. 교반영역에서 가장 높은 평균 경도(575HV)를 확인하였으며 HAZ영역에서 가장 낮은평균 경도(325HV)가 나타나는 것을 관찰할 수 있었다.
7은 용접재료에 따라 생성된 용접비드를 나타내며 육안검사 결과 플럭스코어드 와이어를 사용한 용접부의 비드에 표면과 내부 크랙 결함이 발생하였다. 그로 인해 충격특성의 결과에서도 플럭스코어드 용접재료를 사용한 용접부의 충격특성이 가장 낮은 값을 나타내었으며 제살 용접부와 솔리드와이어를 사용했을 때 가장 우수한 충격특성을 나타내었다. 방탄시험은 0.
6a, b에 SMAW와 FCAW의 공정에 오스테나이계 용접재료를 사용한 용접부 단면 금속 조직은 오스테나이트 기지조직 위에 델타페라이트 금속 조직이 생성됨을 확인 되었다. 그리고 FCAW 공정 적용한 금속 조직이 SMAW 적용 시편보다 조대화 되어진 델타 페라이트 생성을 확인 할 수 있다. Fig.
스테인리스용 용접재료를 적용하고 있는 고경도 장갑판재의 용접부에 대하여 용접성 점검을 수행하였으며 수소확산 실험 결과 오스테나이트계 스테인레스 용접재료가 저 수소 페라이트계 용접재료 보다 용접부 수소 포함 정도가 적었다. 그리고 FCAW 방법이 SMAW 방법보다 높은 수소 확산 저항력을 나타내었다. 인장강도 및 충격 실험 결과 저 수소 페라이트계 용접재료를 사용한 용접부의 인장강도가 우수한 인장특성을 가지고 있었다.
전체시편에서 관통은 되지 않고 탄흔만 발생하였다. 그리고 제살 용접부와 솔리드와이어를 사용한 용접부에서 가장 높은 V50값을 확인하였다. 추가적으로 아크 용접부와 레이저 용접부와 비교를 진행하였으며 일반적으로 아크 용접은 레이저 용접에 비하여 넓은 HAZ부를 생성하여 결함 가능성을 높이게 된다.
논문 및 특허 현황을 검토해본 결과 국외 논문의 경우 미국, 인도, 터키, 콜롬비아, 오스트레일리아, 일본, 슬로베니아 순으로 연구 결과가 많았다. 국내 논문의 경우 2018년도 2건의 결과만 확인 할 수 있었다.
충격특성의 경우 높은 니켈 함유량과 많은 오스테나이트 상을 가지고 있는 오스테나이트계 스테인레스 용접재료를 사용한 용접부가 높은 특성을 나타내었다. 또한 FCAW보다 SMAW가 높은 인장강도와 충격특성을 나타내었다. 피로특성의 경우 저수소 페라이트계 용접재료 더 높은 내피로성을 나타내었으며 SMAW가 FCAW에 비해서 상대적으로 높은 피로 수명을 보였다.
Atabaki외 2명은 레이저 & 아크 하이브리드 용접을 이용하여 용접속도, GMAW 토치와 레이저 사이의 거리 최적화 연구를 수행 하였다. 맞대기 이음과 필렛이음 두 가지 이음에서 최적화를 수행하였으며 맞대기 이음에서는 용접속도 35 mm/s, GMAW 토치와 레이저 사이 거리 3 mm에서 높은 용접부 건전성을 확인하였다. 또한 아크전압을 감소할수록 언더컷 발생이 감소하였다.
스테인리스용 용접재료를 적용하고 있는 고경도 장갑판재의 용접부에 대하여 용접성 점검을 수행하였으며 수소확산 실험 결과 오스테나이트계 스테인레스 용접재료가 저 수소 페라이트계 용접재료 보다 용접부 수소 포함 정도가 적었다. 그리고 FCAW 방법이 SMAW 방법보다 높은 수소 확산 저항력을 나타내었다.
오스테나이트계 스테인리스 재료를 사용한 용접부에서 가장 낮은 경도를 가지는 것을 확인 할 수 있었다. Fig.
이 연구에서는 아크 용접과 오스테나이트계 플럭스를 사용하여 비교 시험편을 제작하였으며 넓은 HAZ부를 가진 아크 용접부의 방탄시험 결과 레이저 용접 시편의 제살 용접부와 솔리드와이어 적용 시편에서 유사한 방탄성능을 확인하였다.
그리고 FCAW 방법이 SMAW 방법보다 높은 수소 확산 저항력을 나타내었다. 인장강도 및 충격 실험 결과 저 수소 페라이트계 용접재료를 사용한 용접부의 인장강도가 우수한 인장특성을 가지고 있었다. 그 이유는 페라이트 형태의 존재와 coarse grain HAZ(CGHAZ)의 연화정도가 낮기 때문이다.
전체적으로 SMAW 적용한 시편이 FCAW의 시편보다 금속 조직 사이즈가 미세하였으며 이로 인해 기계적 높은 기계적 성질을 나타내었다^[17-19].
또한 FCAW보다 SMAW가 높은 인장강도와 충격특성을 나타내었다. 피로특성의 경우 저수소 페라이트계 용접재료 더 높은 내피로성을 나타내었으며 SMAW가 FCAW에 비해서 상대적으로 높은 피로 수명을 보였다. Fig.
또한 아크전압을 감소할수록 언더컷 발생이 감소하였다. 필렛 이음에서는 높은 속도의 용접속도에서 기공이 다량 발생하였으며 용접속도를 10 mm/s로 낮추었을 때 기공이 감소되는 것을 확인하였다. 필렛이음에서도 맞대기 이음과 동일하게 GMAW 토치와 레이저 사이 거리 3 mm에서 최적의 건전성을 확인하였다^[29].
현재까지의 연구내용을 분석하였을 때 용접부 경도가 높을수록 기계적 특징과 방탄성능이 우수하게 나타났다. 용접재료 및 공정에 따른 용접부 경도를 Table 4에 정리하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	장갑판재의 3가지 주요 역할은 무엇인가?	장갑판재의 3가지 주요 역할로는 적의 공격을 무산시키고 전투차량을 온전하게 유지하며 전투차량 내의 전투원을 안전하게 하는 것이다. 즉 방탄성능에 대한 성능이 중요한 지표가 될 수 있다.
	HHA 판재의 특징은 무엇인가?	주로 고경도 장갑(HHA:High Hardness Armor) 판재 및 균질 압연 장갑(RHA:Rolled Homogeneous Armor) 판재가 사용되고 있다. HHA 판재는 급냉 후 열처리를 통해 경도가 매우 높아 방탄성능이 매우 우수한 판재이며 균질 압연 장갑판재의 경우 공랭과 압연공정을 통해 경도는 상대적으로 낮으나 취성 파괴 저항성이 높다. 최근에는 고경도장갑판재의 사용과 초고경도 장갑(UHHA: Ultra High Hardness Armour)판재 개발이 주를 이루고 있다[1-3].
	두꺼운 단일 장갑재를 적용하여 생긴 단점은 무엇인가?	따라서 전투차량의 방탄성능 향상을 위하여 기존에는 두께가 매우 두꺼운 단일 장갑재를 적용되어왔다. 그로 인해 방탄성능은 우수하나 전투차량의 중량증가로 인해 연료의 효율, 전투 지역의 이동범위, 병력 이송의 제한 등으로 전투차량의 첫 번째 역할인 전투능력이 저하되게 된다. 따라서, 최근에는 방탄성능은 유지하고 판재의 두께는 감소시켜 경량화를 하는 연구 개발이 진행되고있다.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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