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문제 정의
- 변수의 최적화는 우수한 용착강도를 얻을 수 있으며, 특히 진폭은 혼의 재질과 형상에 따라 크게 좌우되므로 혼의 설계가 매우 중요하다[8]. 따라서 본 연구에 앞서 이종 금속 박판의 용착에 사용되는 초음파 가공용 한파장 스텝형 공구혼의 최적 설계를 목적으로 1차원 파동 방정식을 이용한 형상 치수를 결정하였으며, 40kHz용으로 설계된 한파장 혼을 그림 1 과 같이 유한요소해석에 의해 진동 특성을 파악하였다[9].
- 본 연구에서는 설계된 한파장 스텝형 공구혼을 사용하여 이종금속인 Ni-Cu 박판 시편을 대상으로 초음파 가공후 금속 용착부의 특성 평가를 목적으로 한다. 초음파 가공 후 각각의 시편은 인장시험 후 용착면의 인장강도를 측정하였으며 용착부의 특성을 SEM 사진을 촬영하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 이종 금속인 Ni-Cu 박판의 고품질 용착을 위해 각각의 용착 조건에 따른 초음파 가공에 의한 박판 구조물의 용착 후 용착강도를 평가하였으며 용착계면 (Welding Interface)의 조직 관찰 및 성분을 분석하여 용착성을 평가하였다.
제안 방법
- Ni-Cu 이종 박판의 용착을 위한 초음파 가공변수는 초음파 가공시간, 가압력, 진폭으로 설정하였다. 가공시간은 0.
- 03sec 간격의 7단계로 구분하였다. 가압력은 0.15MPa과 0.20MPa 2단계로 진폭은 60%, 80% 로 2단계로 구분하여 모두 28번의 초음파 가공조건을 갖도록 하였다.
- 본 연구는 한파장 스텝혼 공구 사용에 의한 초음파 가공 방법으로 이종 금속인 Ni-Cu박판을 대상으로 용착실험을 수행하였다. 각각의 시편은 용착조건에 따른 초음파 가공 후 시편의 금속간 용착성을 평가, 분석 하였다.
- 각각의 조건으로 이종금속인 Ni-Cu박판 시편을 초음파 가공 후 용착 특성을 평가하였다.
- 초음파 가공 후 Ni-Cu 박판의 용착특성을 파악하기 위해 용착계면의 관찰과 Line Analysis에는 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope)을 사용하였다. 또한 용착 계면의 성분 분석을 위해 EDX(Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 분석기를 사용하였다.
- 본 연구는 한파장 스텝혼 공구 사용에 의한 초음파 가공 방법으로 이종 금속인 Ni-Cu박판을 대상으로 용착실험을 수행하였다. 각각의 시편은 용착조건에 따른 초음파 가공 후 시편의 금속간 용착성을 평가, 분석 하였다.
- 각각의 시편에 대한 가공시간, 가압력, 진폭 조건에 따른 이와 같은 인장실험 결과를 그림 8에 나타내었다. 본 연구에서는 실험 결과에 대한 오차를 최소화하기 위해 각각의 실험 조건에 대하여 금속 용착을 5회 실시하고 최대값과 최소값을 제외한 3회의 결과 값을 평균하여 나타내었다. 그림 8의 (a)는 진폭을 60%로 설정하여 초음파 가공한 결과이며, 금속 용착부의 인장강도값은 초음파 가공시간 0.
- 본 실험을 통하여 용착면의 인장강도 검사기준이 향후 제시될 수 있을 것이라 사료된다. 사용된 인장시험기에 의한 인장속도는 5mm/min이며 실험 데이터는 AD Board 로 데이터 변환하여 그 결과를 확인하였다. 이때 각각의 시편에 대한 인장실험은 용착 금속의 표면을 확인하기 위해 그림 6과 같이 지그(Jig)와 함께 인장시험기에 고정시킨 후 수행되었다.
- 성분분석은 용착부 파단면 채취 후 마운팅, 폴리싱, 초음파 세척, 백금(Pt) 코팅의 공정순으로 수행되었다. 분석 결과 확산상의 양 끝단에서 고순도의 Ni과 Cu 사이에는 결합된 영역이 존재하며 두 금속의 농도는 위치에 따라 차이가 있다.
- 이종 금속 Ni-Cu 박판의 금속 용착부의 특성 관찰을 위해 시편의 인장파괴 후 Ni부의 표면을 관찰하였다. 표면 관찰은 Ni부에 용착된 Cu의 파편 상태를 SEM 사진 분석 방법을 이용하였다.
- 본 연구에서는 설계된 한파장 스텝형 공구혼을 사용하여 이종금속인 Ni-Cu 박판 시편을 대상으로 초음파 가공후 금속 용착부의 특성 평가를 목적으로 한다. 초음파 가공 후 각각의 시편은 인장시험 후 용착면의 인장강도를 측정하였으며 용착부의 특성을 SEM 사진을 촬영하여 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.
- 이종 금속 Ni-Cu 박판의 금속 용착부의 특성 관찰을 위해 시편의 인장파괴 후 Ni부의 표면을 관찰하였다. 표면 관찰은 Ni부에 용착된 Cu의 파편 상태를 SEM 사진 분석 방법을 이용하였다. 그림 9는 금속 용착부의 강도가비교적 낮은 진폭 60%인 시험편을 대상으로 한 것이며 그림 10은 인장강도가 양호하게 나타난 진폭 80%인 시험편을 대상으로 인장시험 후 SEM 사진 판독 결과를 나타낸 것이다.
대상 데이터
- Ni과 Cu 박판 시편의 사이즈는 KS B 0851 규격에 근거, 그림 5와 같이 두께 0.1mm, 너비와 길이는 6mm ×40mm로 양 박판 모두 동일하게 제작되었다.
- 초음파 가공된 시편의 용착강도 측정은 그림 4에 나타낸 바와 같이 인장 시험기를 사용하여 실험하였다. 인장 시험을 위해 사용된 로드 셀(Load cell)은 최대 200N의용량이며 인장 시험기의 분해능은 로드셀에 대하여 1/10000N이다. 표 2는 본 연구에 사용된 인장시험기의 사양을 나타낸 것이다.
이론/모형
- 초음파 가공 후 Ni-Cu 박판의 용착특성을 파악하기 위해 용착계면의 관찰과 Line Analysis에는 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope)을 사용하였다. 또한 용착 계면의 성분 분석을 위해 EDX(Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 분석기를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 실험된 모든 진폭과 가압력 조건에서 초음파 가공 시간에 비례하여 용착강도는 점점 향상되는 것으로 나타났다. 그러나 일정시간 이상에서는 금속 용착부 강도의 변화는 거의 나타나지 않으므로 생산성 향상을 고려하여 초음파 가공시간의 한계 설정이 필요하다.
- (2) 본 연구에서 적용된 조건의 경우 진폭 80%, 가공 시간 0.28sec, 가압력 0.20MPa의 조건으로 초음파 가공하는 것이 가장 안정적인 용착특성을 나타내었다. 따라서 용착부의 파괴인성을 극대화 할 수 있다.
- (3) Ni-Cu 박판의 인장시험 후 Ni부에 용착되어 잔존하는 Cu부의 면적은 진폭이 큰 80% 조건에서 비교적 크게 발생하였다. 초음파가공 후 Ni과 Cu부 상호간의 접촉면이 증가할수록 강도가 큰 용착면을 조성하므로 금속 용착부의 강도가 증대되고 구조적으로 매우 안전한 상태를 유지할 수 있다.
- (4) 인장시험 후 금속 용착부를 확대하여 관찰한 결과 용착면이 우수한 특성을 보인 시편에서 고상 확산에 의한 용착현상이 비교적 양호하게 나타났다. 또한 금속 확산으로 인한 분자간 결합력이 강한 부분이라는 것을 확인할 수 있다.
- 본 연구에서는 실험 결과에 대한 오차를 최소화하기 위해 각각의 실험 조건에 대하여 금속 용착을 5회 실시하고 최대값과 최소값을 제외한 3회의 결과 값을 평균하여 나타내었다. 그림 8의 (a)는 진폭을 60%로 설정하여 초음파 가공한 결과이며, 금속 용착부의 인장강도값은 초음파 가공시간 0.13sec, 가압력 0.15MPa, 진폭 60%의 조건에서 9.04N으로 가장 낮게 나타났다. 0.
- 04N으로 가장 낮게 나타났다. 0.15MPa과 0.20MPa 의 모든 가압력 조건에서 가공시간 증가에 비례하여 용착강도는 점점 향상되는 것으로 나타났다. 그러나 0.
- 19sec로 하는 것이 생산성 향상 측면에서 매우 유리하다고 판단된다. 가압력 0.20MPa의 경우에는 가공시 간이 0.19sec까지는 가압력 0.15MPa의 조건보다 용착강 도가 작으나 0.22sec이상의 가공시간을 갖는 경우 금속 용착부의 인장강도가 더욱 향상되어 0.31sec에서 최대값을 갖는 것으로 나타났다. 가압력 0.
- 28sec 이후로는 시편의 용착강도 증가는 거의 없는 것으로 나타났다. 그러므로 용착금속의 생산성 향상과 용착 부의 인장강도를 고려할 때 진폭은 80%로 설정하고 초음파 가공시간 0.28sec, 가압력 0.20MPa의 조건으로 하는 것이 가장 안정적인 용착특성을 나타낼 수 있으므로 금속 용착부의 파괴인성을 극대화 할 수 있는 것으로 분석 되었다.
- 25sec 이상의 가공시간에서는 용착강도가 더 이상 증가하지 않고 거의 일정한 값을 나타나는 것으로 나타났다. 따라서 진폭을 60%로 설정한 초음파 가공의 경우에서는 금속 용착부의 인장강도와 생산성 향상을 고려하였을 때초음파 가공시간을 0.25sec로 설정하는 것이 효과적이라는 것을 실험결과에서 알 수 있다. 그림 8 (b)는 진폭을 80%로 설정하여 초음파 가공을 실시 후 인장시험 결과를 나타낸 것이다.
- (4) 인장시험 후 금속 용착부를 확대하여 관찰한 결과 용착면이 우수한 특성을 보인 시편에서 고상 확산에 의한 용착현상이 비교적 양호하게 나타났다. 또한 금속 확산으로 인한 분자간 결합력이 강한 부분이라는 것을 확인할 수 있다.
- 성분분석은 용착부 파단면 채취 후 마운팅, 폴리싱, 초음파 세척, 백금(Pt) 코팅의 공정순으로 수행되었다. 분석 결과 확산상의 양 끝단에서 고순도의 Ni과 Cu 사이에는 결합된 영역이 존재하며 두 금속의 농도는 위치에 따라 차이가 있다. 이것은 Cu원자가 Ni원자로 또는 Ni원자가 Cu원자로 이동하였거나 확산되었음을 의미한다.
- 그림 8 (b)는 진폭을 80%로 설정하여 초음파 가공을 실시 후 인장시험 결과를 나타낸 것이다. 초음파 가공시간 0.31sec, 가압력 0.20MPa, 진폭 80%의 조건에서 용착강도는 101.62N으로 가장 크게 나타났다. 가압력 0.
후속연구
- 초음파 가공에 의한 용착면의 인장강도에 관한 구체적표준 기준은 없으며 용착면의 육안검사 또는 인위적으로 잡아당겨 파손되지 않으면 합격처리하고 있는 실정이다. 본 실험을 통하여 용착면의 인장강도 검사기준이 향후 제시될 수 있을 것이라 사료된다. 사용된 인장시험기에 의한 인장속도는 5mm/min이며 실험 데이터는 AD Board 로 데이터 변환하여 그 결과를 확인하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.