YÜKSEK MUKAVEMETLİ BALİSTİK ZIRH ÇELİKLERİNİN KAYNAKLANABİLİRLİĞİ

Year 2023, Volume: 28 Issue: 3, 1009 - 1028, 27.12.2023

Ceren Çelik , Müesser Göçmen , Ozan Çoban , Hakan Baykal , Uğur Gürol , Mustafa Koçak

https://doi.org/10.17482/uumfd.1333002

Abstract

Savunma sanayisinin zırhlı araçları için geliştirilen düşük alaşımlı yüksek mukavemetli zırh çeliklerinin ark kaynak teknolojisi uygulamaları metalurjik bilgi ve deneyim isteyen zor uygulamalardır. Bu çeliklerin yüksek karbon eşdeğeri ve yüksek mukavemeti sağlayan martenzitik mikroyapıları nedeniyle kaynak proseslerinde güçlüklerle karşılaşılmaktadır. Seçilecek kaynak telinin yüksek süneklilik kapasitesi olan östenitik ya da yüksek mukavemetli olan ferritik yapıda olması kaynak metalinin sahip olacağı mekanik özellikleri ve kaynaklı bağlantının balistik özelliklerini belirlemektedir. Bu seçimler, doğası gereği kaynak parametrelerini ve proses adımlarını da farklılaştırmaktadır. Bu çalışmada; zırh çeliklerinin sınıflandırılması ile kaynak yönteminin, kaynak konfigürasyonun, kaynak metalinin, ısı girdisinin, ısıl işlem uygulamalarının ve gerçekleşen ısıl çevrimlerden dolayı elde edilen mikroyapısal değişimlerin mekanik ve balistik özelliklere etkileri tartışılmıştır.

Keywords

Zırh çelikleri, Kaynaklanabilirlik, Kaynak parametreleri, Karakterizasyon

Supporting Institution

Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK)

Project Number

5210029

Thanks

Bu çalışmayı “TÜBİTAK 1505 – Üniversite Sanayi İşbirliği Destek Programı” kapsamında “5210029” numaralı ve “Savunma Sanayi için Yerli Zırh Çeliklerinin Robotik Kaynak Uygulamalarının Geliştirilmesi” isimli proje ile destekleyen Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu’na (TUBİTAK) teşekkür ederiz.

Weldability of High-Strength Ballistic Armor Steels

Abstract

The applications of arc welding technology for low-alloy high-strength armor steels developed for defense industry are challenging processes that require metallurgical knowledge and expertise. The high-carbon equivalent and martensitic microstructures, which provide high strength in these steels, lead to difficulties during the welding processes. The choice of welding wire with high ductility, such as austenitic, or high-strength ferritic structures, determines the mechanical properties of weld metal and the ballistic characteristics of the welded joint. These choices naturally lead to variations in welding parameters and process steps. In this study, the classification of armor steels, welding methods, welding configurations, weld metal properties, heat input, heat treatment, and the effects of microstructural changes resulting from heat cycles on mechanical and ballistic properties have been discussed.

Keywords

Armor steels, Weldability, Welding parameters, Characterization

Project Number

5210029

References

• 1. Akça, C. ve Karaaslan, A. (2008) Weldability of class 2 armor steel using gas tungsten arc welding, Archives of Materials Science and Engineering, 34(2), 110-112.
• 2. Ada, H., Barlay Ergü, Ö., Özer, A., ve Aksöz, S. (2017) Weldability of Armor Steel Produced According to MIL-A-12560 Specification (Class 1) by Shielded Metal ArcWelding Method , 8th InternationalAdvanced Technologies Symposium(IATS) 2017, Elazığ, Turkey, 35-40.
• 3. Alhassan, M., Bashiru, Y. (2021) Carbon Equivalent Fundamentals in Evaluating the Weldability of Microalloy and Low Alloy Steels. World Journal of Engineering and Technology, 09(04), 782-792. doi:10.4236/wjet.2021.94054
• 4. Alkemade, S. J. (1996) The weld cracking susceptibility of high hardness armour steel, 1-27. DSTO Aeronautical and Maritime Research Laboratory. Corpus ID: 136481022
• 5. Anık, S., Tülbentçi, K., & Kaluç, E. (1991) Örtülü elektrod ile elektrik ark kaynağı, Gedik Eğitim Vakfı.
• 6. Arık M., (2018). MARS 240 (MIL A46100) Zırh çeliğinin korumalı metal ark kaynağı ile birleştirilerek kaynak performansının incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Mersin Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin.
• 7. Aytaç, A., Yavuz, H.İ., Aztekin, K., Özdemir, T., Işık, M.S., Çanakçı, B., Kaya, M.T. (2018) MIL-A 46100 zırh çeliğinin kaynaklama işleminde etkili parametrelerin belirlenmesi, International Science and Technology Conference, Paris.
• 8. Balaguru, V., Balasubramanian, V. & Shivkumar, P. (2020) Tensile properties of shielded metal arc welded ultrahigh hard armour steel joints, World Journal of Advanced Engineering Technology and Sciences, 1(2). doi:10.30574/wjaets.2020.1.2.0029
• 9. Cabrilo, A., Geric, K. (2016) Weldability of high hardness armor steel, Advanced Materials Research, 1138, 79–84. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.1138.79
• 10. Cabrilo, A., Geric, K., Jovanovic, M., & Vukic, L. (2018a) Weldability and Impact Energy Properties of High-Hardness Armor Steel, Journal of Materials Engineering and Performance, 27, 1281-1295. doi:10.1007/s11665-018-3211-3
• 11. Cabrilo, A., Geric, K., Klisuric, O., Cvetinov, M. (2018b) Toughness behaviour in armour steel welds, Tehnički vjesnik, 25(6), 1699-1707. doi:10.17559/TV-20170722201539
• 12. Cabrilo, A., Sedmak, A., Burzic, Z., Perkovic, S. (2019) Fracture mechanics and fatigue crack propagation in armor steel welds, Engineering Failure Analysis, 106, 104155. doi:10.1016/j.engfailanal.2019.104155
• 13. Camcı, E. (2020) Metal Esaslı Sandviç Kompozitlerin Balistik Performansının İncelenmesi, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 8 (2), 1454-1469. doi:10.29130/dubited.619423
• 14. Cimpoeru, S. J. (2016) The mechanical metallurgy of armour steels, Land Division Defence Science and Technology Group, Australia.
• 15. Çoban, O., Gürol, U., Erdöl, S., Koçak, M (2021) Effect of plate thickness on the mıcrostructure and hardness of robotıc fıllet welded armour steels, 6 th International Conference on Welding Technologies and Exhibition (ICWET’21), Hatay, 288-299.
• 16. Doğrugiden M.Y.,(2019). Farklı kaynak metotları ile birleştirilen zırh çeliklerinin kırılma tokluk değerlerinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Uşak Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Uşak.
• 17. Durkaya, G., Kaplan, H., Çetin, B., Gürleyik, M., Pişkin, A. R., Ersoy, K., Halim, M. E. Ç. O. (2016) Zırh çeliklerinin kaynağında hidrojen içeriğinin raman spektroskopi yöntemi ile analiz edilmesi, Mühendis ve Makina, 57(674), 50-56.
• 18. Evci, C., Işık, H., Değirmenci, E. (2014) Influence of Welding Wire Selection on the Strength and Toughness of Welded Armor Steel Joints, Materials Testing, 56(10), 812-817, doi:10.3139/120.110634
• 19. Garcia-Mateo, C., Caballero, F.G., Bhadeshia, H.K.D.H. (2003) Development of Hard Bainite, ISIJ Int., 43, 1238–1243. doi:10.2355/isijinternational.43.1238
• 20. Gülgen İ.S. (2008) İş Makineleri Tırnakları Üretiminde Kullanılan Az Alaşımlı Çeliklerin Isıl işlemi Sakarya Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya.
• 21. Günen, A., Bayar, S., & Karakaş, M. S. (2020) Effect of different arc welding processes on the metallurgical and mechanical properties of Ramor 500 armor steel, Journal of Engineering Materials and Technology, 142, 1-23. doi:10.1115/1.4045569
• 22. Gür, A. K., Çaligülü, U., Yiğittürk, N. (2016) The ınvestıgatıon of weldıng capabılıty of aısı 304/ramor 500 steels welded wıth method weldıng PTA, e-Journal of New World Sciences Academy, 1(1), 248-258. doi:10.12739/NWSA.2016.2A11PB
• 23. Gürol, U., Karahan, T., Erdöl, S., Çoban, O., Baykal, H., Koçak, M. (2022) Characterization of Armour Steel Welds Using Austenitic and Ferritic Filler Metals, Transactions of the Indian Institute of Metals, 75(3). doi:10.1007/s12666-021-02464-7
• 24. İpek, N. E., Elaldi, F. (2012) Analysis of welding groove angle and geometry on strength of armor steel. Materials and Manufacturing Processes, 27(12), 1437-1441. doi:10.1080/10426914.2012.709343
• 25. Janicki, D. (2014) Disk laser welding of armor steel/ spawanie laserem dyskowym stali pancernej, Archives of Metallurgy and Materials, 59(4), 1641-1646. doi:10.2478/amm-2014-0279
• 26. Jena, P. K., Ponguru Senthil, P., Siva Kumar, K. (2016) Effect of tempering time on the ballistic performance of a high strength armour steel, Journal of Applied Research and Technology, 14(1). doi:10.1016/j.jart.2016.02.002
• 27. Jeong, Y., Kim, C., Lee, S., Jung, Y., Park, C., Lee, B., Cho, Y. T. (2019) Welding technical trend of high hardness armour steel for combat vehicle, Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, 22(3), 299-310.
• 28. Kara, S., Korkut, M. H. (2012) Zırhlı muharebe araçlarında kullanılan zırh plakalarında kaynak sonrası ısıl işlemin birleşim mukavemetine etkisinin araştırılması, Savunma Bilimleri Dergisi The Journal of Defense Sciences, 11(2), 159-171.
• 29. Karagöz, Ş., Atapek, H. (2007) Bor Katkılı Zırh Çeliklerinin Kırılma Davranışı, Uluslar Arası Kırılma Konferansı, 186-196.
• 30. Kavuncu, N.E. (2019) Zırh çeliklerinde robot ve manuel kaynak uygulamalarının malzeme üzerindeki etkilerinin karşılaştırılması, Kaynak Kongresi 11.Ulusal Kongre ve Sergisi Bildiriler Kitabı, 171-177.
• 31. Kim, J. S., Yi, H. J. (2017) Characteristics of GMAW narrow gap welding on the armor steel of combat vehicles, Applied Sciences ,7(7), 658. doi:10.3390/app7070658
• 32. Kolla, H. H., Mishra, B., Jena, P. K., Kumar, K. S., Bhat, T. B., Srinivas, M., & Reddy, A. V. (2011) Development of an ultrahigh strength low alloy steel for armour applications. Materials Science and Technology, 27(2). doi:10.1179/026708309X12560332736476
• 33. Kostak E. (2021) MIL DTL 46100 sınıfı zırh çeliklerinin farklı dolgu malzemeleri kullanılarak yapılan kaynak işleminde ön ısıtma gerekliliğinin araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya.
• 34. Kostin, V. А., Poznyakov, V. D., Berdnikova, O. М., Zhukov, V. V., Alekseyenko, T. O., & Alekseyenko, I. I. (2021) Influence of structural transformations on the mechanical properties of welded joints of armor steels, Materials Science, 56(4), 472-480. doi:10.1007/s11003-021-00453-1
• 35. Krishna Murthy, N., Janaki Ram, G. D., Murty, B. S., Reddy, G. M., Rao, T. J. P. (2014) Carbide-Free Bainitic Weld Metal: A New Concept in Welding of Armor Steels, Metallurgical and Materials Transactions B, 45(6), 2327-2337. doi:10.1007/s11663-014-0120-1
• 36. Kurt S., (2015). Farklı kaynak ağzı açısı ve geometrilerinde gerçekleştirilen kaynakların mıl-a 46100 zırh çeliği mikroyapısına ve mekanik özelliklerine etkisinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kara Harp Okulu Savunma Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
• 37. Kurt, R. M. (2022). Zırh çeliklerinin robotik MIG/MAG kaynağı ile birleştirilmesinde ilave metallerin mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Gedik Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, İstanbul.
• 38. Kuzmikova L. (2013) An investigation of the weldability of high hardness armor steel, Doktora Tezi, Wollongong Üniversitesi, https://ro.uow.edu.au/theses/3853
• 39. Madhusudhan Reddy, G., Mohandas, T., Tagore, G. R. N. (1995) Weldability studies of high-strength low-alloy steel using austenitic filler,. Journal of Materials Processing Technology, 49(1-2), 213-228. doi:10.1016/0924-0136(94)01317-T
• 40. Magudeeswaran, G., Balasubramanian, V., & Madhusudhan Reddy, G. (2008) Effect of welding processes and consumables on high cycle fatigue life of high strength, quenched and tempered steel joints, Materials & Design, 29(9), 1821-1827. doi:10.1016/j.matdes.2008.03.006
• 41. MIL-DTL-46100E, MIL-DTL-46100E, (2019) Detail specifıcation: armor plate, steel, wrought, high-hardness.
• 42. Mikko, P. (2014) Weldability of high-strength steels using conventional welding methods, Thesis submitted as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Technology, Espoo,
• 43. Naveen Kumar, S., Balasubramanian, V., Malarvizhi, S., Hafeezur Rahman, A., Balaguru, V. (2021) Influence of microstructural characteristics on ballistic performance and its mode of failure in shielded metal arc welded ultra-high hard armor steel joints, Transactions of the Indian Institute of Metals, 74(4), 909-921. doi:10.1007/s12666-021-02197-7
• 44. Naveen Kumar, S., Balasubramanian, V., Malarvizhi, S., Rahman, A. H., & Balaguru, V. (2022a) Effect of failure modes on ballistic performance of Gas Metal Arc welded dissimilar armour steel joints, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 37, 570-583. doi:10.1016/j.cirpj.2022.03.004
• 45. Naveen Kumar, S., Balasubramanian, V., Malarvizhi, S., Rahman, A. H., & Balaguru, V. (2022b) Effect of welding consumables on shielded metal arc welded ultra high hard armour steel joints, Journal of the Mechanical Behavior of Materials, 31(1), 8-21. doi:10.1515/jmbm-2022-0002
• 46. Neuvonen, R., Skriko, T., & Björk, T. (2021) Discretization and material parameter characterization for a HAZ in direct-quenched armor steel, European Journal of Mechanics, A/Solids, 89. doi:10.1016/j.euromechsol.2021.104305
• 47. Özdemir, T. (2020) Mechanical & microstructural analysys of armor steel welded joints, Uluslararası Muhendislik Arastirma ve Gelistirme Dergisi. doi:10.29137/umagd.488104
• 48. Pang, W. (1993) The structure and properties of the heat affected zone of structural plate steels welded by high productivity processes, A thesis submitted in the fulfillment of the requirements for the award of the degree of Doctor, University of Wollongong.
• 49. Pashangeh, S., Zarchi, H., Banadkouki, S. S. & Somani, M. (2019) Detection and Estimation of Retained Austenite in a High Strength Si-Bearing Bainite-Martensite-Retained Austenite Micro-Composite Steel after Quenching and Bainitic Holding (Q&B), Metals, 9, 492. doi:10.3390/met9050492.
• 50. Pokhodnya, I. K., Shvachko, V. I. (1996) Cold cracks in welded joints of structural steels, Materials Science, 32(1), 45-55.
• 51. Popławski, A., Kędzierski, P., Morka, A. (2020) Identification of Armox 500T steel failure properties in the modeling of perforation problems, Materials and Design, 190. doi:10.1016/j.matdes.2020.108536
• 52. Pramanick, A. K., Das, H., Nandy, S., & Pal, T. K. (2017) Characterization of Microstructure and Nonmetallic Inclusions of Double V Grooved Armour Steel Weld Metal Through Developed Coated Electrode, Transactions of the Indian Institute of Metals, 70(6). doi:10.1007/s12666-016-0961-1
• 53. Ramachandran, D.C., Kim, S.D., Moon, J., Lee, C.H., Chung, J.H., Biro, E., Park, Y.D. (2020) Classification of martensite-austenite constituents according to its internal morphology in high-strength low alloy steel, Materials Letters, 278, 128422, doi:10.1016/j.matlet.2020.128422.
• 54. Sankar, N., Malarvizhi, S., Balasubramanian, V., Rahman, A. H., & Balaguru, V. (2022) Effect of Rotating Arc (Spin Arc) on Mechanical Properties and Microstructural Characteristics of Gas Metal Arc Welded Armour Steel Joints, Transactions of the Indian Institute of Metals, 75(12), 3047-3059. doi:10.1007/s12666-022-02679-2
• 55. Savic, B., Cabrilo, A. (2021) Effect of heat Input on the ballistic performance of armor steel weldments. Materials, 14(13), 3617. doi:10.3390/ma14133617
• 56. Saxena, A., Kumaraswamy, A., Madhusudhan Reddy, G., Madhu, V. (2018a) Influence of welding consumables on tensile and impact properties of multi-pass SMAW Armox 500T steel joints vis-a-vis base metal, Defence Technology, 14(3). doi:10.1016/j.dt.2018.01.005
• 57. Serrano, R., Ambriz, R. R., Ayoub, G., Jaramillo, D. (2022) Mechanical Behavior of Armor Steel Gas Metal Arc Welding Joints Performed by Nickel-Chromium and Low-Alloy Steel Filler Metals, Journal of Materials Engineering and Performance, 31(5), 3930-3942. doi:10.1007/s11665-021-06517-2
• 58. Skowrońska, B., Szulc, J., Bober, M., Baranowski, M., Chmielewski, T. (2022) Selected properties of RAMOR 500 steel welded joints by hybrid PTA-MAG, Journal of Advanced Joining Processes, 5, 100111. doi:10.1016/j.jajp.2022.100111
• 59. Slyvinskyy, O., Chvertko, Y., & Bisyk, S. (2019) Effect of welding heat input on heat-affected zone softening in quenched and tempered armor steels. High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes, 23(3). doi:10.1615/HighTempMatProc.2019031690
• 60. Souza, E. R. S., Weber, R. P., Monteiro, S. N., Oliveira, S. de S. (2021) Microstructure effect of heat input on ballistic performance of welded high strength armor steel, Materials, 14(19). doi:10.3390/ma14195789
• 61. Soykan, H. Ş., Aslanoğlu, Z., Karakaş, Y. (2005) Zırh çeliklerinin metalurjisi, Makina Mühendisleri Odası, 427, 838-869.
• 62. Şahintürk, C., Tozlu, İ., Utku, Ş., & Pamuk, U. (2005) Erdemir levha haddehanesi ve zırh çeliği üretim çalışmaları, Makina Mühendisleri Odası.
• 63. Übeyli, M., Yildirim, R. O., Ögel, B. (2007) On the comparison of the ballistic performance of steel and laminated composite armors, Materials and Design, 28(4). doi:10.1016/j.matdes.2005.12.005
• 64. Vimal Kumar, N., Uthayakumar, M., Thirumalai Kumaran, S., & Velayudham, A. (2022) The effect of weld-groove surface modification on the joint performance of military grade armour steel: A sustainability approach, Materials Chemistry and Physics, 281, 125902. doi:10.1016/j.matchemphys.2022.125902
• 65. Vural, M., Piroğlu, F., Çağlayan, Ö. B., Uzgider, E. (2003) Yapı çeliklerinin kaynaklanabilirliği. TMH - Türkiye Mühendislik Haberleri, Sayı 426 - 2003/4.
• 66. Yanen, C., Solmaz, M. Y. (2016) Tabakalı Hibrit Kompozitlerin Bireysel Zırh Malzemesi Olarak Üretimi ve Balistik Performanslarının İncelenmesi, El-Cezeri Fen ve Mühendislik Dergisi, 3(2). doi:10.31202/ecjse.264200
• 67. Zerbst, U., Ainsworth, R. A., Beier, H. T., Pisarski, H., Zhang, Z. L., Nikbin, K., & Klingbeil, D. (2014) Review on fracture and crack propagation in weldments–A fracture mechanics perspective, Engineering fracture mechanics, 132, 200-276. doi:10.1016/j.engfracmech.2014.05.012