산업체 현장에서는 초음파 용접기를 이용해서 알루미늄 박판을 용접하고 있다.
레이저 용접과 초음파 용접기로 용접한 결과를 비교하기 위해 초음파 용접을 하였 다. 순수 알루미늄 박판의 두께는 30㎛이고 용접한 박판은 40장이다. 용접형태는 초박판 순수 알루미늄을 40장 겹치기 용접하였다.
Fig. 4.1는 초음파 용접 장치의 모식도이다. 60Hz의 교류를 파워서플라이를 통해 15~40kHz로 변화시킨 후 전기적 에너지를 변환기에서 기계적 에너지인 진동에너지 로 변환하고, 진동 에너지의 진폭이 부스터에 의해 증가 또는 감소된다. 부스터를 통과한 진동에너지는 용접이 이루어지는 혼 끝단부에서 최대 진폭을 가진다. 혼은 진동을 전달하는 역할을 한다. 혼의 널은 상부시편을 고정하게 되는데 이것은 혼에 의해 전달된 진동에너지가 상부시편에 전달시키기 위해서 이다.
Fig. 4.2는 초음파용접 공정 모식도이다. 혼으로 상부시편을 고정하고, 앤빌로 하
부시편을 고정한다. 15~40kHz 초음파 진동으로 혼과 상부시편이 진동하게 되고, 하 부시편은 고정되므로 상부시편과 하부시편의 마찰에 의해 접합이 이루어지게 된다.
상하부시편의 마찰에 의해 산화층이 제거되고, 금속원자들이 계면에서 산화층이 파 괴됨과 동시에 각각의 계면으로 확산되어 접합이 된다.[72] Fig. 4.3의 초음파 용접 조건은 에너지는 314.1J, 압력은 0.2MPa, 앰플러튜드는 80%이고 용접시간은 0.3s 이 다. 혼의 사양은 피치가 1.2mm이고 면적은 46mm×5mm이다.
Fig. 4.3은 알루미늄 박판 40장을 초음파 용접한 결과를 나타내고 있다. (a)초음파 용접부 전면비드를 실사와 현미경으로 관찰하여 도시하였다. (b)는 초음파 용접부 단면을 현미경으로 관찰한 것을 나타내고 있다. Fig. 4.3(b)에서 용접단면의 전면비 드와 후면비드가 물결모양으로 되어 있는 것은 혼에 의한 가압부분의 영향으로 파 도물결 모양의 단면형태를 나타내고 있다. 단면에서 볼 수 있듯이 시편사이에 용융 되어 접합되어 있지 않고 층층이 융착되어 있으며 대부분은 거의 접합되어있지 않 는 것을 확인할 수 있다. 이 때문에 초음파 용접시 혼의 설계가 중요하며 시편 수 십장을 겹치기 용접하기 위해서는 초음파 용접부를 넓게 하여 Flg. 4.3(b)에 보이는 다른 부분에서는 융착되어 접합하는 효과를 기대할 수 있다. 따라서 용접부 면적이 레이저 용접에 비해 넓어 질 수 밖에 없다. Fig. 4.3(a)에 나타낸 용접의 전면비드는
초음파 용접기로 용접할 때 시편을 가압하는 혼의 면적 때문에 용접단면의 폭이
5mm였다. 초박판 순수 알루미늄의 초음파 용접부 기계적 성질을 측정하기 위해 인
장응력 실험 결과를 Fig. 4.4에 나타냈다. 레이저 용접은 초음파 용접에 비해 용접 전면 비드의 폭이 작기 때문에 단위 용접폭당 인장응력으로 비교하였다. Fig. 4.4에 의하면 최대 인장응력의 크기는 25.95MPa이다. 이 인장응력을 레이저로 용접한 인 장응력과 비교하기 위해 용접폭 5mm로 나누면 5.19MPa/mm가 된다.
Fig. 4.1 Schematic of ultrasonic welding equipment[72]
Fig. 4.2 Schematic of ultrasonic welding process[72]
Fig. 4.3 Front bead and welding zone of ultrasonic welding
Fig. 4.4 Stress-Strain curve of ultrasonic welding