[논문]Cu박판의 초음파 금속 용착 실험을 통한 용착성 평가

박우열; 장호수; 김정호; 박동삼

doi:10.7735/ksmte.2012.21.4.613

[국내논문] Cu박판의 초음파 금속 용착 실험을 통한 용착성 평가
Evaluation of the Weldability of Cu Sheet through the Ultrasonic Metal Welding Experiment 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.4, 2012년, pp.613 - 618

박우열 (인천대학교 기계공학과) , 장호수 (인천대학교 기계공학과 대학원) , 김정호 (인천대학교 기계공학과 대학원) , 박동삼 (인천대학교 기계공학과)

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The Ultrasonic metal welding is used in the solid-phase welding method at room temperature or low temperature state. In welding process, the high frequency vibration energy is delivered to the welding part under the constant pressure for welding. In this study, we aimed to design and manufacture a 40,000 Hz band horn through finite element analysis. By performing modal analysis and harmonic response analysis, the modal analysis result is that the horn frequency was 39,599Hz and the harmonic response result that the horn frequency was 39,533Hz. These results were similar. In order to observe the designed horn's performance, about 4,000 voltage data was obtained from a light sensor and was analyzed by FFT analysis using Origin Tool. The result RMS amplitude was approximately $8.5{\mu}m$ at 40,000Hz, and maximum amplitude was $12.3{\mu}m$. Using this manufactured horn along with an ultrasonic metal welder and tension tester, the weldability of Cu sheets was evaluated. The maximum tensile force was 66.53 N in the welding condition of 2.0 bar pressure, 60% amplitude, and 0.32 s welding time. In excessive welding conditions, it was revealed that weldability is influenced negatively.

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문제 정의

본 연구 에서는 각종 전자 부품의 단자부에 많이 사용 되는 Cu 소재의 박판을 초음파 금속 용착기를 이용한 용착성을 평가 하기 위하여 유한요소법으로 혼을 설계하고, 초음파 금속 용착 기를 이용하여 용착 변수에 따른 인장 강도를 인장시험기를 이용하여 평가함으로써 Cu 박판의 용착성을 확인하였다.
본 연구에서는 최적의 용착조건을 찾기 위해 용착시간, 압력, 진폭을 변수로 실험을 수행 하였으며, 일정한 압력과 진폭에 따라 용착시간을 0.10～0.34초의 변화를 주어 Cu 박판의 초음파 금속 용착성을 평가 하고자 하였다.

제안 방법

초음파 금속 용착시 혼의 용착 팁에 진동이 전달되기 때문에 혼에 대한 공진설계가 매우 중요하다. 본 연구는 진동자가 40,000Hz 의 고유공진 특성을 갖기 때문에 초음파 에너지가 효율적으로 전달될 수 있도록 공진주파수가 40,000Hz이고 혼의 용착 팁에서 원하는 증폭도를 얻을 수 있도록 Fig. 3과 같이 혼을 설계 하였다. 혼의 길이는 파장의 1/2이고, 초음파 진동의 진폭은 혼의 끝에서 최대가 되므로, 용착 팁은 혼의 끝에 위치하게 된다.
13N을 나타내었다. 이와 같은 측정 방법으로 각 용착 조건마다 최대 인장력을 측정하여 Cu의 용착시간에 따른 최대 인장력의 값을 얻을 수 있었다.
Cu 박판을 Fig. 10과 같은 크기로 제작하여 초음파 금속 용착 기를 이용하여 Table 4의 조건으로 각 조건마다 10개씩의 시편을 용착하여 인장시험기로 최대 인장력 값을 측정하였으며, 각 조건 10개의 결과를 최대, 최소값을 뺀 후 평균값을 계산하여 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 Cu 박판의 용착 조건을 확인하기 위해 유한요소 해석을 통하여 혼을 설계 하고 혼의 검증을 위해 혼의 최대 변위량을 변위센서를 통해 확인 하였으며, 제작된 혼을 이용하여 압력 1.5bar, 2.0bar의 조건에 진폭 40, 60, 80%의 조건으로 실험을 진행하였으며, 이 실험을 통하여 초음파 금속 용착을 이용한 구리 박판의 최대 인장력은 압력 2.0bar 진폭 60%, 0.32초에 66.53N인 것을 확인할 수 있었다.
Cu 박판의 초음파 금속 용착을 통한 용착성 평가를 하기 위해 고유 진동수 40,000Hz를 가지는 혼을 봉의 진동 방정식과 유한요소 해석을 통해 설계 및 제작하였으며, 초음파 금속 용착 기와 인장시험기를 이용하여 Cu 박판의 용착성 및 용착 조건을 확인하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 40,000Hz의 가진 주파수와 공진이 발생되도록 고유진동수 40,000Hz의 값을 가지게 하는 혼을 유한요소 해석을 통하여 설계 하였다.
(3) 혼의 성능 검증을 위해 혼을 제작하여 혼의 출력부에 광센서를 이용하여 혼의 종방향 최대 변위를 측정 하였다. 그 결과 RMS 값은 8.

대상 데이터

혼은 통상 반파장의 공명체로 그 재질은 일반적으로 알루미늄 합금이나 티타늄 합금이 사용되고 있는데, 음향학적 성질과 강도 성질이 우수한 티타늄 합금이 넓게 쓰이고 있다. 그 중에서 본 연구에서는 티타늄 합금을 사용하였다.
초음파 금속 용착기의 용착성을 테스트하는 소재로는 Cu 박판으로 하였으며, Fig. 10에서 나타낸 것과 같이 양면 모두 50×10×0.1mm로 제작하였으며, 용착부는 각 소재의 가로 10mm, 폭 10mm 부분을 포개어 용착시험을 수행하였다.

성능/효과

설계한 혼을 해석 Tool을 이용하여 Fig. 5와 같이 modal해석을 수행한 결과 10차 mode에서 진동자의 고유진동수에 근접한 39,559Hz의 공진특성을 갖는 횡 진동 모드의 운동을 보였다. Fig.
40,000Hz의 공진주파수를 갖는 혼을 최적 설계하여, 제작 가능성을 검토하였으며, 이를 제작하여 혼의 공진주파수에서의 진폭을 구하고자, Optical Sensor를 이용하여 4096개의 측정된 진폭 값을 Origin을 이용해 FFT분석을 수행 하였으며, 그 결과 RMS 진폭 값이 8.5um이 나왔다. Fig.
(2) 혼의 형상변수를 변화시켜가며 Modal 해석을 수행하였고, 그 결과 39,559Hz의 값을 확인 할 수 있었으며, Harmonic 해석을 통해 39,533Hz 값을 확인 할 수 있었다.
(3) 혼의 성능 검증을 위해 혼을 제작하여 혼의 출력부에 광센서를 이용하여 혼의 종방향 최대 변위를 측정 하였다. 그 결과 RMS 값은 8.5㎛, 최대 변위는 12.3㎛ 인 것을 확인 할 수있었다.
(4) Cu 박판의 최대 인장력은 2.0bar 진폭 60%, 0.32 초에 66.53N인 것을 확인할 수 있었다.
(5) 1.5bar 진폭 40%일 때 최대 인장력이 매우 낮은 것을 보아 용착조건이 너무 약하면, 용착력이 매우 약하다는 것을 확인 할 수 있었다.
(6) 2.0bar 진폭 80% 일 때의 최대 인장력은 40, 60% 일 때보다 낮은 것을 확인 할 수 있었는데, 이는 용착조건이 과도하게 되면 오히려 최대 인장력이 낮아져 용착성이 저하 되는 것을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 금속 용착과정은 어떻게 이루어지는가?	초음파 금속 용착은 두 금속부재에 상하로 작용하는 압력에 의해 혼이 부재와 접촉, 진동이 전달되어 용착이 이루어진다. 용착과정 중 혼의 양 끝에 작용하는 가압을 제어시키고, 진동이 전달되는 진동자, 혼을 상하로 움직여 부재와 접촉, 용착이 이루어지게 하는 구동부 전체를 액츄에이터라 한다.
	초음파 금속 용착과정에서 액츄에이터의 역할은 무엇인가?	초음파 금속 용착은 두 금속부재에 상하로 작용하는 압력에 의해 혼이 부재와 접촉, 진동이 전달되어 용착이 이루어진다. 용착과정 중 혼의 양 끝에 작용하는 가압을 제어시키고, 진동이 전달되는 진동자, 혼을 상하로 움직여 부재와 접촉, 용착이 이루어지게 하는 구동부 전체를 액츄에이터라 한다.
	초음파 금속 용착 기술의 활용이 커지는 배경은 무엇인가?	최근 기계 부품의 소형화, 정밀화로 인해 미세 용착기술이 각광받고 있으며, 이런 용착 기술은 다양한 산업분야에서 기존의 용착 방식보다 더 정밀하고 안전하게 용착하는 기술 중 초음파 금속 용착 기술의 활용이 커지고 있다.

참고문헌 (10)

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Lee, C. K., Hwang, B. J., and Heu, I. H., 2008, "Bonding of Electric Wire by Ultrasonic Welding," Journal of the Korean Society of machine Tool Engineers., Vol. 9, No. 4, pp. 41-47
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Jeong, H. S., 1997, "Fundamentals of Ultrasonic Welding," Journal of Korean Welding and Joining Society, Vol. 15, No. 6, pp. 24-31.
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Shim, K. S., and Nam, H. K., 2006, "A Fast Parameter Estimation of Time Series Data using Discrete Fourier Transform," Journal of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 55, No. 7, pp. 265 - 272.
Seah, K. H. W., Wong, Y. S., and Lee, L. C., 1993, "Design of Tool Holders for Ultrasonic Machining using FEM," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 37, No. 1-4, pp. 810-816.

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