[논문]20kHz 급 금속 초음파 융착용 스텝형 바 혼의 최적설계

김지선; 김재웅; 김인주; 서주환

doi:10.5762/kais.2019.20.12.94

20kHz 급 금속 초음파 융착용 스텝형 바 혼의 최적설계
Analysis of Optimum Design of Stepped Bar Horn for 20kHz Metal Ultrasonic Welding 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.12, 2019년, pp.94 - 101

김지선 (한국생산기술연구원 스마트가공공정그룹) , 김재웅 (한국생산기술연구원 스마트가공공정그룹) , 김인주 (한국생산기술연구원 스마트가공공정그룹) , 서주환 (한국산업단지공단 광주전남지역본부 대불지사)

초록
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본 연구에서는 초음파 용접기의 진동에너지를 모재에 전달하는 금속 용접용 혼의 형상설계를 위해 해석적 기법을 적용하였으며, 20kHz 영역에서 사용되는 한파장 바 형상을 갖는 용접용 혼의 형상설계를 위해 FEM(Finite Element Method)을 사용하였다. 봉의 종진동 이론을 Ansys APDL(Ansys Parametric Design Language)에 적용하여 혼의 형상을 최적화하였다. 적절한 혼의 형상을 도출하기 위해 진동의 입력면과 출력면의 면적비와 혼의 축방향 길이비를 이용하여 총 25가지의 모델을 설계하였으며, Modal 해석과 Harmonic 해석을 통해 균일한 진동특성을 확보하고자 하였다. 스텝 바혼의 끝단부(팁)의 균일도 90%이상을 확보하기 위해 Harmonic 해석을 통해 길이비, 면적비를 결정하였고 이에 따라 혼의 총길이 130mm, 스텝 길이 65mm, 출력단 면적 28.79mm의 혼을 설계하였다. 설계치수를 바탕으로 Titanium (Ti-6Al-4V)-GR5 재료를 이용하여 혼을 제작하였다. 또한, 별도로 구성된 초음파 용접시스템을 이용하여 혼의 끝단부의 진동 진폭률 및 변위특성을 평가하였다. 최적화된 혼의 진폭률은 51%까지 향상됨을 확인하였다. 최종적으로 균일한 종방향 스텝 바혼을 설계하였으며, 끝단부(팁)의 균일도 97.4%이상을 확보하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the FEM technique was applied to design the shape of the horn that transmits ultrasonic vibration energy to the base material, and the shape of the welding horn with a one-wavelength bar shape used in the 20kHz region was designed. The shape design of the horn was performed by applying the rod longitudinal vibration theory to Ansys APDL (Ansys Parametric Design Language). Twenty-five models were designed using the ratio of the area of the input and output surfaces of the vibration and the length of the horn to derive the appropriate horn shape. The horn was designed with a total length of 130mm, a step length of 65mm, and an output area of 28.79mm. The horn was fabricated using the optimized dimensions, and the vibration and displacement characteristics of the horn were evaluated using the measurement system. Finally, a uniform longitudinal step horn was designed, and more than 97.4% of the uniformity of the tip was secured. The amplitude ratio of the optimized horn was improved by 51%.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Ultrasonic welding process setup
그림 Fig. 2. Basic bar horn model for 20kHz ultrasonic welding systems
표 Table 1. Specifications of ultrasonic welding system
표 Table 2. Mechanical properties of horn material
그림 Fig. 3. Ultrasonic horn model according to design parameters; a)area ratio 0.5, step length ratio 0.2, b) area ratio 0.5, step length ratio 0.8, c) area ratio 0.3, step length ratio 0.5, d) area ratio 0.1, step length ratio 0.2, e) area ratio 0.1, step length ratio 0.8
그림 Fig. 4. Ultrasonic horn model and element type according to design parameters
그림 Fig. 5. Characteristics of ultrasonic horn according to vibration mode
표 Table 3. Horn model for modal analysis
그림 Fig. 6. Representative case characteristics of ultrasonic horn according to vibration mode
그림 Fig. 7. Results of modal analysis
그림 Fig. 8. 20kHz one-wave stepped bar horn for ultrasonic metal welding
표 Table 4. Optimal dimension of one wave length step horn with 20kHz
그림 Fig. 10. Measuring point for 20kHz stepped bar horn
그림 Fig. 11. Uniformity and displacement at horn tip position
그림 Fig. 9. A) Ultrasonic metal welding matching setup, B) configuration of horn, anvil, and acceleration sensor
그림 Fig. 12. Amplitude of 10mm point from input surface
그림 Fig. 14. Amplitude of 130mm point from input surface
그림 Fig. 15. Rate of Amplitude change according to measuring position
그림 Fig. 13. Amplitude of 60mm point from input surface

AI 본문요약
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문제 정의

조화 가진을 하는 구조물의 설계에서는 고유 진동의 예측이 매우 중요하며, 고유 진동수와 비슷한 진동수로 가진이 되면 가진이 증폭되어 예측하지 못한 큰 진동을 일으키거나 심한 경우 파손될 수 있다. 따라서 고유 진동해석의 목적은 동적 시스템의 고유 진동수를 예측하고 이에 근접하지 않도록 하여 공진을 예방하는데 있다. 하지만 본 연구에서는 초음파 가진의 진폭을 증폭시키기 위해 고유 진동수와 의도적으로 일치시켜 용접효율을 높이도록 시스템을 설계해야 한다.
본 연구에서는 20kHz 한파장 특성을 갖는 금속초음파 용접혼을 설계하여, 스텝형 바혼의 최적 치수와 설계 기준을 제시하였고, 실험을 통하여 설계의 타당성을 검증하였다. 본 장의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

(3) 유한요소법을 이용하여 혼의 고유진동수와 진동모드(Mode)를 계산한다.
20kHz대의 고유진동수를 갖는 스텝형 바혼을 설계하기 위해 Ansys APDL을 이용하여 Modal 해석을 수행하였으며, 해설결과를 바탕으로 혼의 주요치수(스텝의 길이비, 입출력단의 면적비)에 따른 혼의 모드형상을 관찰하였다. 스텝 바혼의 끝단부(팁)의 균일한 진동특성을 확보하기 위해 Harmonic 해석을 통해 길이비 (S=0.
제작되어진 혼의 진동 및 변위특성을 평가하기 위해 초음파 용접 혼 분석시스템을 구축하였다. 20kHz대의 혼의 진폭측정을 위해 가속도센서(Acce-leration sensor)를 이용하여 혼팁의 진폭을 측정하였으며, LDV(Laser Doppler Vibrometer) 센서를 이용하여 혼팁의 변위를 측정하였다. Fig.
과 같이 3개 위치이며, 혼의 상부에서 측정한 3개의 측정점은 혼의 입력 면에서부터 출력 면까지 진동이 전달됨에 있어 진폭의 변화량을 측정하기 위해 수행되어졌다. 각각의 위치는 입력면으로부터 10mm, 60mm, 130mm에 가속도 센서를 부착하여 진폭을 측정하였다.
(3)은 스텝혼의 길이비율(S)이다. 길이비율은 0.1부터 0.5까지, 스텝비는 0.2부터 0.8까지 다섯단계로 증가 시켜 모델을 설계하였으며, 설계된 모델은 Fig. 3. 에 나타내었다.
초음파 시스템과 혼의 공진현상을 이용하기 위해 설계된 혼의 공진주파수 영역을 분석하였으며, 모드(Mode) 분석을 통해 원하는 변형형태를 나타내는 형상조건을 도출하였다. 또한, 해석 결과를 바탕으로 혼을 제작하여 20kHz 초음파 용접기에 적용하여 진동특성을 분석 하였다.
그러나, 앞서 연구한 설계기술은 혼의 모양에 따른 진동특성만을 관찰하였으며, 종방향 또는 횡방향 진동 여부를 판단하는 수준이었다. 또한, 혼에 적용되는 진동의 주파수의 영역을 분석하고 이에 대한 공진주파수영역에 맞는 혼의 형태를 결정하는 평가하는 방식으로 초음파 용접시스템을 설계하였다.
05이다. 모드해석은 총 20차 모드의 형상을 관찰하였으며, 공진주파수대인 20kHz 대의 모드 형상과 인접주파수 영역을 확인하였다.
본 연구에서 사용된 스텝 바 혼의 형상 설계 조건은 진동의 입력면과 출력면의 면적비, 스텝의 길이비를 이용하였으며, 총 25개의 모델을 설계하여 Modal 해석을 수행하였다. 초음파 시스템과 혼의 공진현상을 이용하기 위해 설계된 혼의 공진주파수 영역을 분석하였으며, 모드(Mode) 분석을 통해 원하는 변형형태를 나타내는 형상조건을 도출하였다.
선정된 길이비, 면적비를 이용하여 혼의 중요 치수를 선정하였다. 혼의 총길이 L은 재료의 밀도, 탄성률, 가진 주파수에 의해 결정되며, 결정된 총길이 L과 선정된 길이 의해 바 혼의 스텝형상이 결정되었다.
20kHz대의 고유진동수를 갖는 스텝형 바혼을 설계하기 위해 Ansys APDL을 이용하여 Modal 해석을 수행하였으며, 해설결과를 바탕으로 혼의 주요치수(스텝의 길이비, 입출력단의 면적비)에 따른 혼의 모드형상을 관찰하였다. 스텝 바혼의 끝단부(팁)의 균일한 진동특성을 확보하기 위해 Harmonic 해석을 통해 길이비 (S=0.5L), 면적비 (#)를 결정하였고 이에 따라 혼의 총길이 130mm, 스텝 길이 65mm, 출력단 면적 28.79mm의 혼을 설계하였다.
제작되어진 혼의 진동 및 변위특성을 평가하기 위해 초음파 용접 혼 분석시스템을 구축하였다. 20kHz대의 혼의 진폭측정을 위해 가속도센서(Acce-leration sensor)를 이용하여 혼팁의 진폭을 측정하였으며, LDV(Laser Doppler Vibrometer) 센서를 이용하여 혼팁의 변위를 측정하였다.
설계치수를 바탕으로 Titanium (Ti-6Al-4V)-GR5 재료를 이용하여 혼을 제작하였다. 진동해석을 통해 설계된 스텝형 바 혼의 설계 타당성을 검증하기 위해 가속도 센서, 레이저 변위센서를 이용하여 혼의 진동특성을 분석하였으며, 97.4%의 균일성을 가지는 혼을 개발하였다. 또한, 증폭률 51%를 확보하였다.
본 연구에서 사용된 스텝 바 혼의 형상 설계 조건은 진동의 입력면과 출력면의 면적비, 스텝의 길이비를 이용하였으며, 총 25개의 모델을 설계하여 Modal 해석을 수행하였다. 초음파 시스템과 혼의 공진현상을 이용하기 위해 설계된 혼의 공진주파수 영역을 분석하였으며, 모드(Mode) 분석을 통해 원하는 변형형태를 나타내는 형상조건을 도출하였다. 또한, 해석 결과를 바탕으로 혼을 제작하여 20kHz 초음파 용접기에 적용하여 진동특성을 분석 하였다.
모드 해석을 위해서 사용 코드인 Ansys 의 Solid 45 모델을 사용하였으며 경계조건은 Free-Free 상태로 모드해석을(Modal analysis)을 수행하였다. 총 25개의 모델을 이용하여 모드해석을 수행하였으며, 진동모드의 형상을 관찰하고자 하였다. 해석에 사용된 모델은 Fig.
이는 외력이 가지는 변위량을 어느정도 증폭하느냐에 따라 혼설계의 적정성이 판별된다. 측정실험을 통해 혼에 외력이 가해지는 입력면으로부터 용접모재에 진동에너지를 전달하는 출력면 사이에 진폭을 측정함으로써 혼의 진폭률을 측정하였다. Fig.
따라서 고유 진동해석의 목적은 동적 시스템의 고유 진동수를 예측하고 이에 근접하지 않도록 하여 공진을 예방하는데 있다. 하지만 본 연구에서는 초음파 가진의 진폭을 증폭시키기 위해 고유 진동수와 의도적으로 일치시켜 용접효율을 높이도록 시스템을 설계해야 한다. 본 연구에서 혼제작에 사용한 재료는 티타늄 소재이며, 소재의 기계적 물성은 Table 2에 나타내었다.
혼의 입력면적은 부스터와의 직경에 맞춰 42mm ×42mm로 설계되었으며, 부스터와 진동자간의 연결을 위해 M8 나사부를 가지며, 고유진동수가 20,000Hz에 맞게 설계하였다.

대상 데이터

하지만 본 연구에서는 초음파 가진의 진폭을 증폭시키기 위해 고유 진동수와 의도적으로 일치시켜 용접효율을 높이도록 시스템을 설계해야 한다. 본 연구에서 혼제작에 사용한 재료는 티타늄 소재이며, 소재의 기계적 물성은 Table 2에 나타내었다. 소재의 물성은 초음파 혼의 길이를 결정하게 된다.
혼의 형태에 따른 진폭은 각 혼의 입력부와 출력부의 면적비가 일정하더라도 스텝형 (Step), 지수형(Exponential), 코니칼(Conical)형 에 따라 진폭확대율이 달라진다. 본 연구에서는 알루미늄 합금 및 동합금의 용착에 사용되는 혼의 형상 설계를 위해 FEM을 이용하여 혼을 설계하였으며, 설계에 기본이 되는 스텝형 바 혼(Stepped bar horn)을 이용하였다. Fig.
설계치수를 바탕으로 Titanium (Ti-6Al-4V)-GR5 재료를 이용하여 혼을 제작하였다. 진동해석을 통해 설계된 스텝형 바 혼의 설계 타당성을 검증하기 위해 가속도 센서, 레이저 변위센서를 이용하여 혼의 진동특성을 분석하였으며, 97.
실험에 사용된 초음파 용접시스템의 진동특성은 20kHz대에 진폭 40um이다. 이는 혼에 전달되는 진동에너지가 최대 20kHz이며, 증폭기를 통해 증폭되어 혼의 입력면에 전달되는 진폭이 40um이라는 의미이다.

이론/모형

모드 해석을 위해서 사용 코드인 Ansys 의 Solid 45 모델을 사용하였으며 경계조건은 Free-Free 상태로 모드해석을(Modal analysis)을 수행하였다. 총 25개의 모델을 이용하여 모드해석을 수행하였으며, 진동모드의 형상을 관찰하고자 하였다.
본 연구에서는 초음파 용접기의 진동에너지를 모재에 전달하는 20kHz대의 한파장 혼의 형상설계를 위해 FEM을 사용하였으며[10], 봉의 종진동 이론을 Ansys APDL(Ansys Parametric Design Language)에 적용하여 혼의 형상설계를 수행하였다.

성능/효과

(4) FEM의 결과를 검토하여 혼의 형상과 길이를 정하여, 원하는 특성을 얻을 때까지 수정을 반복한다.
모드 해석 또는 고유 진동 해석은 진동이나 주기적인 하중을 받는 부품을 설계하고 검증할 때 자주 사용된다. 결과적으로 특정한 구속을 받는 구조물에 대한 공진 진동수를 계산하고 이러한 진동수에 대응하는 모드 형상을 알 수 있으며, 이를 제품 설계에 있어 반영할 수 있다.
이는 입력면으로부터 길이가 멀어질수록 변위량이 증가하고 있음을 의미한다. 위치에 따른 증폭률을 분석하면, 걸이가 증가할수록 증가율이 증가함을 확인할 수 있다. 10mm 측정점에서 60mm 측정점까지 약 30%의 증가율을 보이며 끝단부까지는 약 51%의 증가율을 보인다.
16이다. 제작되어진 혼의 팁의 균일도는 97.4%로 나타났다. 이는 모달해석과 조화 가진 해석을 이용하여 최적화된 혼의 공진특성이 우수함을 의미한다.
총 25회 모드해석 결과, 공진주파수인 20kHz에서 10차~13차 Mode가 나타났다. 스텝형 바혼에서 대표적인 진동형태는 비틀림, 굽힘, 복합변형(비틀림+굽힘)형태가 나타났으며, 해석결과는 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 용접의 최근 활용사례에는 어떠한 것이 있는가?	최근에는 이종금속에도 적용되고 있으며, 용착시간이 매우 짧고 금속에 가해지는 입열량이 적기 때문에 얇은 호일등에 사용되고 있다[1,2]. 초음파 용접에 있어 중요기술은 2가지를 뽑을 수 있다.
	초음파 금속 용착기의 구성 및 동작 원리는?	1. 과 같이 전원공급장치(Power Supply), 진동자(Converter), 부스터(Booster), 혼(Horn)으로 구성되며, 발진기에서 들어온 50∼60Hz의 전기에너지를 진동자를 통해 20,000∼40,000Hz의 기계적 진동에너지로 변환하여 부스터에서 미세한 진동을 금속용착에 이용할 수 있도록 증폭시키면 혼을 통해 용착금속에 진동에 의한 마찰열에 의해 금속표면의 산화막과 오염막이 파괴되어 금속간 결합이 이루어진다.
	초음파 용접이란 무엇인가?	다양한 용접기법중 초음파 용접은 소성유동을 이용한 용접기술이며, 진동에너지에 의해 금속확산 현상을 이용해 금속표면의 산화막 및 불순물을 제거하며 접합을 수행한다. 이러한 이유로 전기 저항이 적고 높은 전도율을 확보할 수 있기 때문에 버스바(Bursbar), 니켈탭(Nickel tab) 등에 사용된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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