초음파 용접: 원리, 공정, 장비, 응용, 장단점 총정리

초음파 용접 (Ultrasonic Welding)

오늘은 초음파 용접의 원리, 작동, 장비, 응용, 장단점을 다이어그램과 함께 알아보겠습니다. 초음파 용접은 초음파파 또는 진동을 사용하여 용접 열을 생성하는 용접 공정입니다. 초음파란 정상 청력 범위 이상 주파수 진동파. 약 20,000~30,000Hz. 고상 용접(solid state welding) 공정입니다. 고상 용접은 용접을 위해 외부 열을 가하지 않는 용접 공정입니다.

원리 (Principle)

초음파파 에너지의 기본 원리. 초음파 진동이 두 공작물 접촉면 사이에 동적 전단 응력 생성. 접촉면 국소 소성 변형과 마찰열 발생으로 계면에서 접합 형성.

초음파 용접 다이어그램

장비 (Equipment)

전원 공급 장치 (Power Supply)

초음파 용접은 고주파 고전압 전원 필요. 변환기 진동 생성용.

변환기 (Transducer)

고주파 전기 신호→고주파 기계적 진동 변환 장치. 용접 헤드와 연결. 컨버터 또는 압전 변환기 사용.

부스터와 혼 (Booster and Horn)

변환기 생성 기계적 진동 부스터로 증폭 → 혼 공급. 혼은 증폭 진동 용접판 전달 장치.

고정구/클램핑 장치 (Fixture or Clamping Devices)

초음파 용접 필수. 전기/유압/공압/기계 에너지로 판을 원하는 위치 고정.

작동 (Working)

초음파 용접 기본 개념 이해. 작동 순서:

1. 시작 시 고주파 전류 압전 변환기 통과. 변환기 고주파 전기 신호→기계적 진동 변환.
2. 진동 부스터 공급 → 주파수 증폭.
3. 증폭 고주파 진동 혼 통과 → 용접판 접촉.
4. 이 용접은 랩 조인트(lap joint) 생성. 한 판 고정구 고정, 다른 판 혼 직접 접촉. 중간 압력 하 판 고정.
5. 혼이 용접판에 고주파 기계적 진동 공급.
6. 진동으로 용접판 계면 진동 전단력 작용 → 계면 탄소성 변형.
7. 기계적 힘과 마찰로 국소 온도 상승. 이 열이 계면 소성 변형 돕고 공작물 용융이나 보충재 없이 강한 접합 형성.

다음 영상으로 쉽게 이해 가능.

장점과 단점

장점 (Advantages)

• 자동화 용이, 빠름
• 외부 열 가하지 않고 고강도 접합 생성
• 깨끗함, 용접 후 양호한 표면 조도
• 이종 금속 폭넓게 용접 가능
• 고열 발생 안 함 → 용융 금속 접합부 배출 위험 없음

단점 (Disadvantages)

• 두꺼운 경질 금속 용접 불가. 알루미늄 약 2.5mm 두께 한계
• 고정구 툴링 비용 높고 특수 설계 필요
• 변환기 생성 진동 전자 부품 손상 가능

응용 (Applications)

• 원자로 부품 제작
• 자동차 산업: 키, 헤드램프 부품, 버튼, 스위치 등
• 전자 산업: 아마추어 권선, 스위치 등
• 깨끗한 용접 공정 → 의료 산업 필터, 마스크 등 부품 제작

이상으로 초음파 용접의 원리, 작동, 장비, 응용, 장단점을 다이어그램과 함께 알아보았습니다. 궁금한 점이 있으시면 댓글로 문의해 주세요. 유익했다면 소셜 네트워크에 공유해 주세요. 읽어주셔서 감사합니다. 이미지 출처: https://science.howstuffworks.com/ultrasonic-welding1.htm