초음파 용접
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1. 개요
초음파 용접은 고주파 음파 진동을 사용하여 플라스틱, 금속 등 다양한 재료를 접합하는 공정이다. 1960년대에 개발되었으며, 로버트 솔로프에 의해 초음파 에너지를 이용해 플라스틱을 용접하는 기술이 발견되었다. 이 기술은 프레스, 네스트, 초음파 스택, 전자 발생기, 컨트롤러 등의 구성 요소를 사용하여, 재료의 표면을 국부적으로 용융시키거나 고압 분산 및 소성 변형을 통해 접합한다. 초음파 용접은 자동차, 항공우주, 의료, 포장 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되며, 특히 전기 및 컴퓨터 산업에서는 전선 연결 및 마이크로 회로 제작에 활용된다. 작업 시 고온 및 고전압에 노출될 수 있으므로 안전 규정을 준수해야 한다.
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| 초음파 용접 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 초음파 용접 |
| 영문 명칭 | Ultrasonic welding |
| 분야 | 용접 |
| 상세 정보 | |
| 정의 | 고주파 진동을 사용하여 접합부를 가열하고 압력을 가해 접합하는 용접 공정 |
| 특징 | 접합하려는 재료의 녹는점보다 훨씬 낮은 온도에서 용접 가능 서로 다른 재료를 접합하는 데 사용 가능 (알루미늄과 구리 등) 오염 물질이 없는 깨끗한 용접 가능 |
| 적용 분야 | 전자 산업 의료 기기 제조 자동차 산업 |
| 장점 | 빠른 용접 속도 에너지 효율성 정밀한 제어 가능 다양한 재료에 적용 가능 |
| 단점 | 두꺼운 재료에는 적용하기 어려움 접합부 설계에 제약이 있을 수 있음 |
| 작동 원리 | |
| 과정 | 초음파 발생기가 고주파 전기 에너지를 기계적 진동 에너지로 변환 진동 에너지는 부스터를 통해 증폭되고 혼(horn)을 통해 용접할 부품에 전달 혼과 부품 사이에 압력이 가해지면서 접합면에서 마찰열이 발생 마찰열과 압력으로 인해 재료가 소성 변형되고 접합 |
2. 역사
1960년대에 경질 플라스틱에 대한 초음파 용접의 실용적 적용이 완료되었다. 이 시기에는 단단한 플라스틱만 용접할 수 있었다. 1965년, 소닉스 앤드 머티리얼스(Sonics & Materials Inc.)의 창립자인 로버트 솔로프(Robert Soloff)와 시모어 린슬리(Seymour Linsley)는 견고한 열가소성 부품을 용접하는 초음파 방법에 대한 특허를 획득했다.[28][3] 솔로프는 브랜슨 인스트루먼츠(Branson Instruments)의 실험실 관리자로, 초음파 프로브를 사용하여 얇은 플라스틱 필름을 용접하는 과정에서 우연히 초음파 용접의 원리를 발견했다. 그는 프로브를 플라스틱 테이프 디스펜서 가까이 가져갔을 때 디스펜서의 절반이 서로 용접되는 것을 보고, 초음파 에너지가 단단한 플라스틱을 통과하여 전체 접합부를 용접할 수 있다는 것을 깨달았다. 이를 바탕으로 그는 최초의 초음파 프레스를 개발했다. 이 신기술은 장난감 산업에서 처음 적용되었다.[28][3]
초음파 용접은 복잡한 사출 성형 열가소성 수지 부품을 접합하는 데 사용되며, 용접될 부품의 정확한 사양에 맞게 장비를 맞춤화할 수 있다. 부품은 고정된 모양의 네스트(앤빌)와 변환기에 연결된 소노트로드(혼) 사이에 끼워져 약 20-70kHz의 낮은 진폭의 음향 진동이 방출된다.[4]
1969년에는 초음파 용접으로 조립된 최초의 플라스틱 자동차가 등장했다.[28][4] 자동차 산업에서는 1980년대부터 초음파 용접을 정기적으로 사용하기 시작했으며, 현재는 다양한 분야에서 활용되고 있다.[28][4]
3. 원리 및 과정
플라스틱 용접 시 두 부품의 경계면은 용융 과정을 집중시키도록 특별히 설계된다. 재료 중 하나는 두 번째 플라스틱 부품과 접촉하는 스파이크 또는 둥근 에너지 디렉터를 갖는다. 초음파 에너지는 부품 사이의 점 접촉을 녹여 접합부를 만든다. 열가소성 수지의 초음파 용접은 용접될 접합부를 따라 진동 에너지의 흡수로 인해 플라스틱이 국부적으로 용융된다. 금속에서는 표면 산화물의 고압 분산과 재료의 국부적인 움직임으로 인해 용접이 발생한다. 가열은 되지만, 모재를 녹일 만큼 충분하지는 않다.
초음파 용접은 반결정질 플라스틱, 금속 등 경질 및 연질 플라스틱 모두에 사용할 수 있다.[4]
기존의 용접에서는 전류를 흘리거나 가열하여 접합 대상의 융점까지 가열하여 접합했다. 초음파 접합에서는 진동자로 재료에 초음파 진동을 가하여 접합면이 초음파 진동에 의해 서로 마찰함으로써 산화 피막이나 흡착 가스 등의 표면층 불순물을 비산시키고, 접합면에 청정하고 활성화된 금속면이 노출되어 가압에 의한 소성 변형으로 고상 상태로 접합한다.[22][23] 마찰교반접합과 유사하지만, 접합면의 표면 부근만을 진동으로 접합한다. 최근에는 이종 금속 재료 간에도 초음파 접합이 가능하다는 보고가 있으며,[24][25] 공업 제품의 소형화·경량화를 실현하는 강력한 도구가 될 것으로 기대된다.
3. 1. 구성 요소
모든 초음파 용접 시스템은 다음과 같은 기본 요소로 구성된다.
4. 특징
초음파 용접은 고상 접합으로, 모재 용융 온도의 35% - 50% 정도의 비교적 저온에서 접합이 가능하여 재료의 변성이 적고 국소적인 영역에만 영향을 미친다.[23] 납땜과는 달리 소모품이 필요하지 않아 친환경적이다. 또한, 동종 소재 간 접합 시 재활용 과정에서 이종 소재 혼입을 억제할 수 있다는 장점이 있다.
초음파 용접은 용접물이 냉각되는 데 필요한 시간만 고정 장치에 있으면 되므로, 기존 접착제나 용제처럼 건조 시간이 필요 없다. 또한, 용접 자동화가 용이하여 깨끗하고 정밀한 접합부를 만들 수 있으며, 용접 부위가 매우 깨끗하여 거의 손질 작업이 필요하지 않다. 낮은 열적 영향으로 더 많은 재료를 함께 용접할 수 있다. 이러한 특징들 덕분에 초음파 용접은 접착제, 나사 또는 스냅 핏 디자인의 훌륭한 자동화 대안으로 활용된다.
5. 응용 분야
초음파 용접은 전기 및 컴퓨터, 자동차 및 항공우주, 의료, 포장 등 다양한 산업 분야에서 활용된다. 두 품목의 초음파 용접 가능 여부는 주로 두께에 따라 결정되며, 너무 두꺼운 금속은 접합하기 어렵다. 와이어, 마이크로 회로 연결, 판금, 호일, 리본, 메쉬 등은 초음파 용접으로 접합되는 대표적인 예시이다. 초음파 용접은 열가소성 수지를 접착하는 데 매우 인기 있는 기술인데, 용접 시간이 1초 미만으로 빠르고 쉽게 자동화할 수 있으며, 열이나 배기를 제거하기 위한 환기 시스템이 필요하지 않기 때문이다.
기존의 용접은 전류를 흘리거나 가열하여 접합 대상의 융점까지 가열하여 접합하지만, 초음파 접합에서는 진동자로 재료에 초음파 진동을 가하여 접합면이 초음파 진동에 의해 서로 마찰함으로써 산화 피막이나 흡착 가스 등의 표면층의 불순물을 비산시키고, 접합면에 청정한 활성화된 금속면이 노출되어 가압에 의한 소성 변형으로 고상 상태로 접합한다.[22][23] 이는 마찰교반접합과 유사하지만, 접합면의 표면 부근만을 진동으로 접합한다는 차이점이 있다. 최근에는 이종 금속 재료 간에도 초음파 접합이 가능하다는 보고가 있으며[24][25], 공업 제품의 소형화·경량화를 실현하는 강력한 도구가 될 것으로 기대된다.
초음파 접합을 통해 철강 재료와 경금속의 신뢰성 있는 접합이 안정적으로 이루어지면 자동차 산업 및 건축 산업을 포함한 많은 분야의 발전을 더욱 촉진할 것으로 기대된다. 금속 간뿐만 아니라 고분자나 세라믹과 같은 소재나 이종 소재 간의 접합에도 사용된다.
5. 1. 컴퓨터 및 전기 산업
전기 및 컴퓨터 산업에서 초음파 용접은 전선 연결을 만들고 작고 섬세한 회로에 연결하는 데 자주 사용된다. 와이어 하네스 접합부는 종종 초음파 용접을 사용하여 연결된다.[6] 와이어 하네스는 전기 신호와 전력을 분배하는 데 사용되는 대규모 전선 그룹이다. 전동기, 계자 코일, 변압기, 콘덴서 또한 초음파 용접으로 조립할 수 있다.[7] USB 플래시 드라이브, 컴퓨터 디스크와 같이 대량 생산이 필요한 저장 매체의 조립에도 자주 사용된다. 컴퓨터 디스크의 초음파 용접은 300ms 미만의 사이클 시간을 갖는 것으로 밝혀졌다.[8]초음파 용접이 가장 많이 사용되고 새로운 연구와 실험이 집중되는 분야 중 하나는 마이크로 회로이다.[6] 이 공정은 구성 요소에 불순물이나 열 변형을 도입하지 않고 신뢰할 수 있는 접합을 생성하므로 마이크로 회로에 이상적이다. 반도체 장치, 트랜지스터, 다이오드는 종종 초음파 용접을 사용하여 얇은 알루미늄 및 금 와이어로 연결된다.[9] 또한 배선 및 리본, 전체 칩을 마이크로 회로에 접착하는 데도 사용된다. 마이크로 회로가 사용되는 예로는 바이패스 환자의 심장을 모니터링하는 데 사용되는 의료 센서가 있다.
초음파 용접과 전통적인 용접의 한 가지 차이점은 초음파 용접이 이종 재료를 접합할 수 있다는 것이다. 배터리 구성 요소의 조립은 이 기능을 활용하는 좋은 예이다. 배터리 및 연료 전지 구성 요소를 만들 때 얇은 구리, 니켈, 알루미늄 연결, 호일 레이어 및 금속 메쉬가 종종 초음파 용접으로 함께 접합된다.[6] 여러 겹의 호일 또는 메쉬를 한 번의 용접으로 적용하여 단계와 비용을 줄일 수 있다.
5. 2. 자동차 및 항공우주 산업
자동차의 경우 초음파 용접은 계기판, 도어 패널, 램프, 공기 덕트, 스티어링 휠, 실내 장식 및 엔진 부품과 같은 대형 플라스틱 및 전기 부품 조립에 사용된다.[10] 플라스틱이 자동차 설계 및 제조에서 다른 재료를 대체함에 따라 플라스틱 부품의 조립 및 접합은 점점 더 중요한 문제가 되었다. 초음파 용접의 장점은 짧은 사이클 시간, 자동화, 낮은 자본 비용 및 유연성이다.[11] 초음파 용접은 고주파 진동으로 인해 자국이 생기는 것을 방지하여 표면 마감을 손상시키지 않는데, 이는 많은 자동차 제조업체에서 중요한 고려 사항이다.[10]항공우주 산업에서 초음파 용접은 일반적으로 얇은 판금과 기타 경량 재료를 접합할 때 활용된다. 알루미늄은 열전도율이 높아 기존 기술로는 용접하기 어려운 금속이다. 그러나 부드러운 금속이므로 고상 용접을 쉽게 얻을 수 있어 초음파 용접을 사용하여 용접하기 쉬운 재료 중 하나이다.[12] 알루미늄은 항공우주 산업에서 널리 사용되기 때문에 초음파 용접은 중요한 제조 공정이다. 새로운 복합 재료의 출현으로 초음파 용접이 더욱 널리 사용되고 있다. 인기 있는 복합 재료인 탄소 섬유의 접합에 사용되어 왔으며, 이 재료에 대한 양질의 용접을 생성하는 최적의 매개변수를 찾기 위해 수많은 연구가 수행되었다.[13]
5. 3. 의료 산업
초음파 용접은 의료 산업에서 종종 사용되는데, 용접에 오염 물질이나 열화가 발생하지 않고, 기계를 클린룸에서 사용하도록 특화할 수 있기 때문이다.[14] 이 공정은 또한 고도로 자동화될 수 있으며, 치수 공차에 대한 엄격한 제어를 제공하고, 부품의 생체 적합성을 저해하지 않는다. 따라서 부품 품질을 향상시키고 생산 비용을 절감한다. 동맥 필터, 마취 필터, 혈액 필터, 정맥 카테터, 투석 튜브, 피펫, 심장 계측 저장소, 혈액/가스 필터, 안면 마스크 및 IV 스파이크/필터와 같은 품목은 모두 초음파 용접을 사용하여 만들 수 있다.[15] 의료 산업에서 초음파 용접의 또 다른 중요한 적용 분야는 섬유 제품이다. 병원 가운, 멸균 의류, 마스크, 경피 패치 및 클린룸용 섬유는 초음파 용접을 사용하여 밀봉하고 봉합할 수 있다.[16] 이는 오염 및 먼지 발생을 방지하고 감염 위험을 줄여준다.5. 4. 포장 산업
초음파 용접은 포장 분야에서 자주 사용된다. 용기, 튜브 및 블리스터 팩을 밀봉하는 것이 일반적인 응용 분야이다.[9]초음파 용접은 폭발물, 불꽃놀이 및 기타 반응성 화학 물질과 같은 위험 물질의 포장에도 적용된다. 이러한 품목들은 밀폐 밀봉을 필요로 하는 경향이 있지만, 고온에 노출될 수 없다.[9] 한 가지 예는 부탄 라이터이다. 이 용접은 높은 압력과 스트레스를 견딜 수 있어야 하며, 부탄을 담을 수 있도록 기밀해야 한다.[17] 탄약 및 추진제 포장 또한 초음파 용접이 적용되는 예시 중 하나이다. 이러한 포장재는 내용물로부터 소비자를 보호하기 위해 높은 압력과 스트레스를 견딜 수 있어야 한다.
식품 산업은 초음파 용접이 빠르고, 위생적이며, 밀폐 밀봉을 할 수 있기 때문에 기존의 접합 기술보다 선호한다. 우유 및 주스 용기는 초음파 용접을 사용하여 밀봉되는 제품의 예이다. 밀봉할 종이 부분은 일반적으로 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 코팅된 다음 함께 용접하여 기밀 밀봉을 생성한다.[17] 이 과정에서 극복해야 할 주요 장애물은 매개변수 설정이다. 예를 들어, 과잉 용접이 발생하면 용접 영역의 플라스틱 농도가 너무 낮아져 밀봉이 파손될 수 있다. 용접이 불충분하면 밀봉이 불완전해진다.[17] 재료 두께의 변화는 용접 품질의 변화를 일으킬 수 있다. 초음파 용접을 사용하여 밀봉되는 다른 식품 품목으로는 사탕 포장지, 냉동 식품 포장 및 음료 용기가 있다.
6. 안전
초음파 용접의 주요 위험 요소는 고온 및 고전압 노출이다. 부상을 방지하기 위해 이 장비는 제조업체에서 제공하는 안전 지침에 따라 작동해야 한다. 예를 들어, 작업자는 기계가 작동될 때 용접 팁 근처에 손이나 팔을 절대 두어서는 안 된다.[19] 또한 작업자에게는 청력 보호구와 안전 안경을 제공해야 한다. 작업자는 초음파 용접 장비에 대한 정부 기관 규정에 대한 정보를 제공받아야 하며 이러한 규정을 시행해야 한다.[20]
초음파 용접 기계는 정기적인 유지보수 및 검사가 필요하다. 유지보수를 위해 패널 도어, 하우징 커버 및 보호 가드를 제거해야 할 수 있다.[19] 이는 장비의 전원이 꺼진 상태에서 기계를 수리하는 훈련된 전문가만 수행해야 한다.
초음파 용접 주파수로 인해 기계 근처의 큰 부품에서 성가신 가청 소음을 발생시킬 수 있는 서브 하모닉 진동이 발생할 수 있다.[21] 이러한 소음은 하나 이상의 위치에 큰 부품을 고정하여 줄일 수 있다. 또한, 일반적으로 15kHz 및 20kHz의 고출력 용접기는 사람의 가청 범위 내에서 잠재적으로 손상을 줄 수 있는 고음의 날카로운 소리를 방출한다. 이러한 방사 소리는 음향 인클로저를 사용하여 차폐할 수 있다.[21]
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