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김도형(Do-hyung Kim),光行潤(Jun Mitsuyuki),홍현욱(Hyun-Uk Hong) 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.11
초음파 용접의 원리는 접합하고자 하는 재료의 표면에 정하중과 함께 10kHz 이상의 초음파 진동을 가하여 진동 마찰열을 발생시켜 압접하는 방식으로 용접 금속은 원자간 결합을 하게 된다. 기존 초음파 진동 변환 방식은 고주파 발진이 되는 진동자(source)와 진동 속도 변압기가 있는 원뿔형 혼(Amplifier part)과 직선 진동 용접 chip(Rectilinear vibration welding chip)을 사용하여 두 용접 부재의 접촉면은 일정한 수직력과 진동하는 전단력을 받게 하는 것이다. 전단응력은 횡운동을 일으키고 피용접물 접촉부에서 소성변형을 일으키며 접합되는 것이다. 초음파 용접을 통해 두 피용접재의 양호한 접촉과 건전한 용접부를 형성시키기 위해서는 금속표면의 유기 흡착물, 산화물, 미세 요철 등을 제거하는 것이 중요하고, 마찰열과 표면 근방에서의 소성변형 유도의 적절한 조합을 찾는 것이 관건이다. 기존의 직선 진동 초음파용접은 1차원적 진동으로 인해, 접합강도에도 방향성에 따라 차이가 생길 수 밖에 없고, 특히 진동의 멈춤이 생기는 끝단부에서는 모재에 damage, 비산물이 생길 수 밖에 없는 문제 점이 있다. 본 연구에서는 기존 초음파 발생 원리에 타원형 진동 용접 chip(Oblique Slit Complex Vibration transducer)을 사용하여 용접면이 상부 재료를 통해 원형 궤적 형태로 구동하게 하는 복합 진동(2차원 진동)을 적용하였다. 사용 소재는 AL(A1050) 100mm x 30mm x 1mm(t)를 이용하였다. 다양한 조건의 타원형 진동 초음파용접을 수행하여, 진동 20KHz, 가압력 900N, 시간 0.2sec의 조건의 최적조건을 추출하였다. 그 결과 용접은 양방향 진동응력으로 수행이 되고 기존 초음파 용접에 비해 비산물이 없고 어느 방향으로도 박리되기 어려운 안정적이고 균일하며 강도가 높은 용접이 된 것을 확인할 수 있었다. 그리고 기존 직선 진동의 초음파에 비해 37%(264.2J/712.9J)만의 에너지로 동일한 용접강도를 얻을 수 있었고, 혼 및 엔빌의 교체주기를 줄일 수 있었다.