초음파 용접(USW)은 적당한 클램핑력 하에서 고주파 진동 전단 응력을 가하여 두 부품을 접합하는 고체 상태 용접 공정입니다. 이 공정은 (아래 그림과 같이) 겹침 용접에 자주 사용되며, 표면 코팅을 제거하여 부품 간의 긴밀한 접촉을 가능하게 하고 강력한 야금학적 결합을 형성합니다. 마찰과 소성 변형으로 인해 접합면에서 열이 발생하지만, 온도는 융점보다 훨씬 낮게 유지되므로 보호 가스, 플럭스 또는 용가재가 필요하지 않습니다.
초음파 용접(USW)에서는 초음파 변환기에 부착된 소노트로드가 진동 운동을 상부 공작물에 전달합니다. 이 장치는 전기 에너지를 0.018~0.13mm(0.0007~0.005인치)의 진폭과 일반적으로 15~75kHz의 주파수 범위를 갖는 고주파 진동 운동으로 변환합니다. 사용되는 클램핑 압력이 냉간 용접보다 훨씬 낮기 때문에 표면의 소성 변형은 크지 않습니다. 용접 시간은 일반적으로 1초 미만입니다.
구리와 알루미늄은 초음파 용접에 가장 적합한 연질 재료에 속합니다. 경질 재료일수록 초음파 전극이 더 빨리 마모됩니다. 최적의 용접 대상물은 크기가 작으며, 일반적으로 용접 두께가 3mm(1/8인치) 미만입니다. 전기 및 전자 분야에서 전선 단자 연결 및 접합에 이 기술을 사용하면 납땜이 필요하지 않습니다. 또한 태양광 패널 튜브와 판재 용접, 소형 부품 조립, 알루미늄 판금 패널 조립에도 사용됩니다.
용접 과정
다음은 초음파 용접 공정의 일반적인 작동 원리에 대한 설명입니다.
-재료 준비: 플라스틱 부품들을 기계의 용접대에 겹침 이음 형태로 놓습니다.
-고주파 전력 생산: 발전기는 표준 전기(50~60Hz)를 고주파 전기(20~40kHz)로 변환합니다.
- 초음파 변환: 변환기가 고주파 전기를 초음파로 변환한 후, 부스터를 통해 진동이 증폭됩니다.
-용접: 초음파 진동은 용접 혼(소노트로드라고도 함)을 통해 조립된 부품에 전달됩니다. 작업자는 프레스를 사용하여 압력을 가합니다. 용접이 완료되면 작업자는 용접된 부품을 꺼내고 혼을 뒤로 당깁니다.
초음파 용접기 구성품
초음파 용접기는 각각 특정 기능을 가진 여러 부품으로 구성됩니다. 모든 유형의 초음파 용접기에서 공통적으로 발견되는 주요 부품은 다음과 같습니다.
발전기
발전기는 전기 에너지를 필요한 고주파 및 전압으로 공진 주파수에서 변환합니다. 용접 사이클을 관리하고 사용자 인터페이스를 통해 필수적인 통신을 가능하게 하는 마이크로프로세서도 이 발전기의 일부입니다.
기계 프레스
기계식 프레스는 용접 조립체를 고정하고 접합부를 유지하는 데 필요한 힘을 가합니다. 압력 게이지와 조절기가 장착되어 있어 작업자가 시스템에 가해지는 힘을 조절할 수 있습니다.
용접 스택
변환기, 부스터 및 용접 혼은 모두 용접 스택의 일부이며 부스터 중앙에 있는 프레스에 고정됩니다. 초음파 진동은 이 어셈블리에서 발생하며, 우수한 용접 이음매를 보장하기 위해서는 진동 주파수가 발생기의 주파수와 거의 일치해야 합니다.
변환기
변환기라고도 불리는 트랜스듀서는 고주파의 전기 에너지를 기계적 진동으로 변환합니다. 트랜스듀서는 두 개의 티타늄 블록 사이에 여러 개의 세라믹 압전 디스크가 끼워져 있는 구조입니다. 또한, 압전 디스크 사이에 얇은 금속 전극이 배치되어 있습니다.
부스터
부스터는 두 가지 주요 목적을 가지고 있습니다. 첫째, 수축과 팽창을 통해 진동을 증폭시킨 후 용접 혼으로 전달합니다. 둘째, 용접 프레스에서 용접 스택의 기반 역할을 합니다.
용접 혼
용접 혼은 일반적으로 알루미늄이나 티타늄으로 만들어지며, 용접 부위에 진동을 전달합니다. 알루미늄은 소량 생산에는 적합하지만 마모가 빠릅니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 대부분의 용접 혼에는 경화 처리된 끝부분이 포함되어 있어, 고강도 사용 환경에서도 성능과 수명을 향상시킵니다.
지원 도구
지지 공구는 용접 작업 중 하부 부품을 지지하여 기계의 기초 역할을 합니다. 안정성과 정확성을 확보하기 위해 가공물의 곡선에 맞게 제작됩니다.
용접 매개 변수
초음파 용접은 고주파 진동을 이용하여 금속이나 고분자 등의 재료를 접합하는 매우 효과적인 방법입니다. 진동 방향에 수직으로 가해지는 힘, 진동 진폭, 진동 지속 시간은 초음파 용접의 효율성과 품질에 영향을 미치는 세 가지 주요 기술적 요소입니다. 이러한 변수들을 이해하고 관리하는 것은 이상적인 용접 결과를 얻는 데 필수적입니다.
진동 지속 시간
접합할 재료에 초음파 진동을 가하는 시간을 진동 지속 시간 또는 용접 시간이라고 합니다. 대부분의 용접 작업에서 이 시간은 일반적으로 1초 미만입니다. 그러나 용접에 더 많은 에너지가 필요한 경우, 다른 매개변수 값은 동일하게 유지하면서 진동 지속 시간을 늘려야 합니다. 다음 공식은 용접 사이클에 필요한 에너지를 계산합니다.
여기서 ��는 에너지(줄), ��는 전력(와트), F는 힘(뉴턴), ��는 진폭(마이크로미터), ��는 주파수(헤르츠), Δ��는 주기 시간(초)입니다.
진동 진폭
용접 도구의 길이 방향 신장 및 수축은 5~35마이크로미터 범위에서 변화하는 초음파 진동의 진폭으로 측정됩니다. 이 진폭은 용접면의 마찰 거리와 일치하기 때문에 매우 중요합니다. 진폭이 증가하면 진동을 유지하는 데 더 많은 에너지가 필요하므로 동일한 에너지를 투입하는 데 걸리는 시간이 줄어듭니다. 최첨단 초음파 장비를 사용하면 용접 과정에서 진폭 프로파일링 또는 스텝핑이라고 하는 이러한 작업이 가능합니다. 이 방법은 접합력을 강화하고 도구 걸림 현상을 방지하기 때문에 알루미늄과 같은 합금 용접에 매우 유용합니다.
진동 방향에 수직인 힘
초음파 용접 공정에서 핵심적인 요소는 진동 방향에 수직으로 가해지는 힘입니다. 용접 부위에 필요한 기계적 응력은 공압 실린더에 의해 생성되는 이 힘에 의해 발생합니다. 진동 발생 및 유지에 대한 성능 기준은 다음과 같습니다.
여기서 Smh p는 공압 실린더의 단면적(제곱미터)입니다.ℓ 는 파스칼 단위의 압축 공기 압력이고, η는 기계적 효율입니다. 압력이 증가하면 기계적 부하가 증가하여 진동을 유지하는 데 더 많은 동력이 필요합니다.
Process variants
초음파 점 용접에서는 진동 운동이 겹쳐진 삽입물을 통해 0.005mm에서 3mm에 이르는 얇은 재료로 전달됩니다. 소노트로드가 힘을 가해 부품을 압축하면 공작물과 함께 진동하는 용접 접합부가 생성됩니다. 여기서 중요한 것은 소노트로드와 위쪽 공작물 사이가 아니라 공작물 사이에 상대적인 움직임이 있어야 한다는 점입니다. 이 방법은 재질이 다양한 판재나 전선을 접합할 수 있습니다. 연속 점 용접의 한 형태인 초음파 용접은 소노트로드와 앤빌 사이에 위치한 겹쳐진 얇은 판재 사이에 용접 접합부를 생성합니다. 이 과정에서 세 개의 진동 장치가 관형 소노트로드의 축을 중심으로 교대로 진동하여 관형 전면을 따라 일정한 크기와 모양의 용접 이음매를 형성합니다.
초음파 용접의 종류
재질 호환성이 서로 다른 금속과 고분자 모두 초음파 용접을 통해 접합되는 경우가 많습니다.
초음파 플라스틱 용접: 폴리에스터, ABS, 폴리카보네이트와 같은 열가소성 수지에는 초음파 플라스틱 용접이 최적의 방법입니다. 경도 및 수분 함량과 같은 특성을 고려해야 합니다. 하지만 폴리아미드나 PVC와 같은 폴리머 플라스틱에는 적합하지 않습니다.
초음파 금속 용접: 이 기술은 구리, 은, 황동, 니켈, 금, 알루미늄 합금을 포함한 다양한 금속 접합에 효과적입니다. 특히 얇고 직경이 작은 금속에 가장 적합하여 정밀 가공 작업에 이상적입니다.
초음파 용접의 장점
초음파 용접은 간접 가열 방식을 사용하기 때문에 기능성을 희생하지 않고 미관을 개선할 수 있어 기존 판금 용접 및 비용접 방식과 차별화됩니다. 주요 이점은 다음과 같습니다.
속도: 초음파 용접에서 발생하는 고주파 초음파 진동은 적합한 부품을 신속하게 용접하여 빠른 생산 공정을 보장합니다. 그 결과, 짧은 처리 시간과 높은 생산량을 달성할 수 있습니다.
높은 안전성: 간접 열 적용 방식으로 작업 위험이 낮습니다. 발생한 열이 국부적으로 빠르게 방출되어 용접 부위와 주변 재료가 손상되지 않습니다.
신뢰성: 해당 장비는 신뢰할 수 있으며 오작동이나 고장이 거의 없습니다. 자동화 시스템은 작동 오류와 인적 오류를 최소화하고 운영 비용을 절감하며 용접 품질을 향상시킵니다.
이종 재료 접합에 적합: 플라스틱 용접의 또 다른 중요한 장점은 이 공정이 서로 다른 재료를 접합하는 데 매우 효과적이라는 점입니다. 초음파 용접은 다른 플라스틱 용접 기술과 달리 이종 플라스틱을 접합할 때 분자 결합 형성이 필요하지 않습니다.
초음파 용접의 단점
초음파 용접에는 여러 가지 단점이 있습니다. 우선, 단단하고 수분을 함유한 플라스틱에는 적합하지 않습니다. 이 방법은 수분 함량이 높은 열가소성 수지나 폴리프로필렌과 같은 강성 고분자를 용접하는 데 어려움을 겪습니다. 또한, 변환기의 제한된 범위(100~150mm)로 인해 150mm 이상의 접합부를 가진 부품은 용접할 수 없습니다. 부품 크기도 제약 조건 중 하나입니다. 두꺼운 재료를 녹이는 데 많은 에너지가 필요하다는 점 또한 문제점으로 작용합니다.
초기 투자 비용이 많이 드는 것도 또 다른 주요 단점입니다. 초음파 용접 장비는 가격이 높고 자동화 수준이 높아 기업에 상당한 재정적 부담을 안겨줍니다. 또한, 이 방법은 평평한 표면에서 서로 겹치는 부분들로 이루어진 겹침 이음새에만 사용할 수 있습니다. 모서리 이음새, 맞대기 이음새, T자형 이음새, 모서리 이음새와 같은 다른 유형의 이음새에는 적합하지 않습니다. 초음파 용접이 용도에 가장 적합한 기술인지 판단할 때는 이러한 단점들이 다른 용접 기술에 비해 활용도를 제한한다는 점을 고려해야 합니다.
초음파 용접의 응용
초음파 용접은 다양한 산업 분야, 특히 소비재 및 산업재 제조에 널리 사용되는 유용한 기술입니다. 마취 필터, 혈액 및 가스 필터, 안면 마스크와 같은 필수 의료 용품 제작에도 활용됩니다. 이 방법은 ABS와 폴리에틸렌 등 다양한 의료용 고분자 소재로 구성된 부품에 저렴하면서도 고품질의 접합을 보장하기 때문에 의료 기기에 매우 적합합니다.
자동차 산업에서는 계기판, 도어 패널, 스티어링 휠과 같은 부품을 제작하기 위해 초음파 용접을 사용하여 플라스틱을 접합합니다. 이 공정은 초기 투자 비용이 저렴하고 자동화가 용이하며 생산 주기가 빠르고 유연할 뿐만 아니라, 가공물에 손상을 주지 않는 간접 열 방식을 사용하기 때문에 선호됩니다.
초음파 용접은 정확성, 속도 및 고품질 접합 덕분에 항공기 산업에도 도움이 됩니다.
이와 마찬가지로 전자 산업 분야에서는 초음파 용접을 이용하여 전선을 접합하고 전기 모터, 콘덴서, 저장 매체 및 정밀 회로를 조립합니다. 정확성과 신뢰성이 뛰어나기 때문에 작고 복잡한 전기 부품을 제작하는 데 매우 적합합니다.
참고자료
Groover, MP, 2010. 현대 제조의 기초: 재료, 공정 및 시스템. 4판. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
