[논문]Cu 박판에 대한 초음파 용착 조건 확립

서정석; 박동삼

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This paper gives a description of an experimental study of the ultrasonic welding of metals. In ultrasonic metal welding, high frequency vibrations are combined with pressure to join two materials together quickly and securely, without producing significant amount of heat. Ultrasonic metal welder co...

This paper gives a description of an experimental study of the ultrasonic welding of metals. In ultrasonic metal welding, high frequency vibrations are combined with pressure to join two materials together quickly and securely, without producing significant amount of heat. Ultrasonic metal welder consists of Transducer, Booster, and horn that are designed very accurately to get the natural frequencies and vibration mode. In this study, The horn was designed and analyzed the natural frequency by the modal analysis and harmonic analysis. And using a fiber optic sensor, we measured the amplitude and analyzed the Fast Fourier Transformed result. Using the horn, Ultrasonic metal welding between Cu sheet and Cu sheet of 0.1mm thickness was accomplished under the optimal conditions of static pressure 0.15MPa, vibration amplitude 30% and welding time of 0.28s. This result can be used for ultrasonic metal welding in manufacturing industry.

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문제 정의

본 연구에서는 금속 Cu 박판의 용착 성을 평가하기 위하여 유한요소법 (Finite Elements Method)으로 혼(Hom) 을 설계하고, 초음파 금속용착 조건의 따른 용착 강도(Welding Strength)를 측정하여 용착 성을 평가함으로서 최적의 Cu 박판의 용착조건을 찾고자 하였다.
본 연구에서는 최적의 용착조건을 찾기 위해 용착 시간을 변수로 실험을 수행 하였으며, 용착시간의 변수에 따라 Cu 박판의 초음파 금속 용착 성을 평가 하고자 하였다.

제안 방법

제작 하였다.' 인장 시험기를 이용하여 최대 인장력을 측정하였으며, 이를 통해 Cu 박판의 초음파 금속 용착 성을 다음과 같은 결론을 얻었다.
40, 000Hz의 공진주파수를 갖는 혼을 최적 설계하여, 제작 가능성을 검토하였으며, 이를 제작하여 혼의 공진주파수에서의 Amplitude를 구하고자, PHILTEC사의 Fiberoptic Sensor-f- 이용하여 초음파 금속 용착기의 혼 진동 amplitude측정하여 Fig. 6에 나타냈다.
Cu 박판의 초음파 금속 용착을 위해 40, 0(X)Hz 혼을 설계 및 제작 하였다.' 인장 시험기를 이용하여 최대 인장력을 측정하였으며, 이를 통해 Cu 박판의 초음파 금속 용착 성을 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 Cu 박판의 인장 시험 방법으로 Fig. 9의 지그(Jig)의 방식으로 시편을 고정하여 최대 인장력 측정을 수행하였다.
초음파 금속 용착시 혼의 용착 팁에 진동이 전달되기 때문에 혼에 대한 공진설계가 중요하다. 본 연구는 진동자가 40, 000Hz의 고유공진 특성을 갖기 때문에 초음파 에너지가 효율적으로 전달될 수 있도록 공진주파수가 40, 000Hz이고 혼의 용착 팁에서 원하는 증폭 도를 얻을 수 있도록 Fig. 3과같이 혼을 설계하였다. 혼의 길이는 파장의 U2이고, 초음파 진동의 진폭은 혼의 끝에서 최대가 되므로, 용착 팁은 혼의 끝에 위치하게 된다.

대상 데이터

Cu 박판의 용착성 평가 실험으로 초음파 금속 용착 장비를 이용하였다. Fig.
초음파 금속 용착기의 용착 성을 테스트하는 소재는 Cu 박판으로 하였으며, Fig. 10에서 나타낸 거와 같이 양면 모두 60mmxl0mmx0.1mm로 제작하였으며, 용착 부는 각 소재의 가로 10mm, 폭 10mm 부분을 포개어 용착 시험을 수행하였다.

성능/효과

(1) 초음파 금속용착에 사용되는 혼을 횡 진동 모드에서 40, 000Hz에 근접한 고유진동수를 갖도록 설계하였으며, 혼의 입력 면을 가진 하였을 때 혼의 출력 면에서 고유진동수에 근접하여 가장 큰 진폭의 변화를 보임에 따라, 40, 000Hz의 고유진동을 하는 혼의 제작 가능성을 알 수 있었다.
(2) 설계한 혼의 진동운동을 혼의 용착 팁에서 광센서를 이용하여 측정하였으며, FFT를 통해 혼의 용착 팁에서의 최대 진동 진폭(amplitude)값을 측정할 수 있었다.
(3) 초음파 금속 용착 조건 중 0.15Mpa, 80% amplitude, 0.28s Welding time 의 조건에서 약 160.7N의 최대 인장력을 얻을 수 있었다.
(4) 0.28초의 용착시간 이후로는 더 이상의 인장력은 증가하지 않았으나 0.3초의 용착 시간 이후로는 오히려 최대인장력이 점점 줄어드는 경향을 알 수 있었다.
(5) 0.32초의 용착 시간 이후로 최대 인장력이 줄어드는 현상은 과도한 용착으로 인하여 시편의 손상으로 인해 생기는 문제점 때문인 것으로 파악 하였다.
또한 0.28초 이후부터는 약 160.7N의 값의 최대 인장력을 얻을 수 있었는데 이는 0.28초 이후로는 더 이상의 용착 시간을 증가하여도 인장력에는 변화가 없다는 것을 의미하며 그 뒤로는 시편의 팁 형상의 구멍이 생겨 인장력에 악영향을 미치게 된다는 것을 알 수 있었다.
설 계한 혼을 Ansys를 이용하여 Fig. 4와 같이 modal 해석을 수행한 결과 E차 mode에서 진동자의 고유진동수에 근접한 39, 99가의 공진특성을 갖는 횡 진동 모드의 운동을 보였다.

참고문헌 (7)

Park, H. S., Kim, W. Y., and Kang, C. Y., 1996, "Welding and Bonding of Dissimilar Metal Steel/Nonferros Metal," Journal of the Korean Welding and Joining Society, Vol. 14, No. 6, pp. 1-7.
Lee, S. I. and Hong, S. H., 2007, "Nonliner Analysis of ultrasonic horn model for flip-chip bonding," Proceedings of the KMTE Autumn Conference, pp. 523-528.
STAPLA Ultrasonic Corp., n.d, viewed 12 October 2009, .
Branson Ultrasonic Corp., n.d, viewed 5 September 2009, .
Lee, B. G., Kim, K. L., K., and Kim, K. E., 2008, "Design of Ultrasonic Vibration Tool Horn for Micromachining Using FEM," J of KSMTE, Vol. 17, No. 6, pp. 63-70.
Seah, K. H. W., Y. S. Wong, and Lee, L. C., 1993, "Design of tool holders for ultrasonic machining using FEM," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 37, pp. 810-816.
Liu, Z., Kim, H. S., Park, J. R., and Kim, J, T., 2004, "Surface profile measurement with FFT method and stabilized interferometer," Proceedings of the KSMTE Autumn Conference, 2004, pp. 269-273 .

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