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| Ultrasonic horn |
초음파 융착 과정
다음 조건은 초음파 융착시간, 에너지(J), 소비전력(W), 융착강도와 밀봉력(누수)과 관계가 있다.
혼의 크기, 형상에 따라 융착압력, 트리거압력, 에너지 등이 다르다. 혼이 클수록 넓은 면적에 압력을 분산시키므로 더 큰 압력이 필요할 수 있다.
융착 거리(RPN distance, 단위 mm):
초음파 혼이 두 재료 사이에 압력을 가할 때 재료들이 밀착해서 더 이상 밀려나지 않는 압력까지(세팅된 압력) 가한 후 Trigger 판정거리 내에 들어오는지 확인하고 OK되면 거기서 부터 융착이 시작되고 완료되는 융착의 거리값이다.
- 융착거리(RPN distance) 짧음: 융착시간이 짧아진다. 하지만 융착이 되지않거나 밀봉 Leak 발생, 들뜸 등
- 융착거리(RPN distance) 길다: 융착시간이 길어지고, Burr 발생, 과도한 융착, 제품 손상 우려 등
융착압력(Welding pressure, 단위 N):
초음파 진동에 의해 재료가 융착되는 단계로 열과 압력이 재료를 결합하게 된다. 적절한 융착압력으로 세팅해야 한다.
융착 압력이 낮을수록 누르는 힘이 적어 융착시간이 길어지고, 재료에 열을 가하는 시간이 길어지므로, 제품 손상이 우려된다.
초음파 혼(sonotrode) 에서 발생하는 진동의 최대 변위를 말한다.
보통 10um 에서 100um (100%) 으로 조절된다.
제품에 필요한 용접강도 및 열 발생량에 따라 최적의 진폭을 설정해야 한다.
융착 압력이 낮을수록 누르는 힘이 적어 융착시간이 길어지고, 재료에 열을 가하는 시간이 길어지므로, 제품 손상이 우려된다.
- 융착 압력이 높을수록 누르는 힘이 강하여 융착시간이 짧아진다.
초음파 진폭(Ultrasonic Amplitude, 단위: %)
초음파 혼(sonotrode) 에서 발생하는 진동의 최대 변위를 말한다.
보통 10um 에서 100um (100%) 으로 조절된다.
제품에 필요한 용접강도 및 열 발생량에 따라 최적의 진폭을 설정해야 한다.
- 진폭 낮음 : 융착 시간이 길어지고, 충분한 열이 발생하지 않아 융착이 제대로 안될수 있다.
- 진폭이 크다: 진폭이 클수록 더 많은 에너지 전달되고, 접합부에 많은 열이 발생한다. 또한, 융착 시간이 짧아진다. 그러나 재료가 과도하게 녹아 강도가 약해질 수 있다.
트리거 압력 및 거리 (Trigger pressure 및 Trigger distance, 단위 N, mm)
트리거는 혼이 재료에 접근하는 동안 정확한 거리를 측정해 용접을 시작하고 제어한다.
따라서 자동화 공정에서 정확하고 반복 가능한 융착이 가능하다.
트리거 압력은 혼이 재료에 접근 시 초음파 진동을 발생하기 전에 재료에 가해지는 압력이다. 재료 표면이 적절히 밀착되도록 해서 진동이 효과적으로 전달되도록 하는 역활이다.
또한 트리거 거리가 설정 후 압력이 제대로 가해져야만 더 효과적으로 작용한다.
재료가 두꺼우면 더 높은 압력이 필요하고, 얇으면 낮은 압력이 적절할 수도 있다.
재료가 두꺼우면 더 높은 압력이 필요하고, 얇으면 낮은 압력이 적절할 수도 있다.
- 트리거 압력이 낮으면 제품이 서로 밀착되지 않고 초음파 융착을 해서 낮은 융착 접착력 등 품질이 좋지 않을 수 있다.
- 트리거 압력이 높으면 과도한 눌림에서 융착이 시작되어 과도한 융착 발생 및 재료 변형, 재료 녹음 등 품질이 안 좋을 수 있다. 따라서 적정한 압력 값이 중요하다.
초음파 트리거 거리는 중요하며 정확한 설정이 필요하다.
여기서는 트리거 거리에 따른 판정 거리를 다룬다.초음파는 정확한 위치에서 발생해야만 필요한 부위에만 열, 진동 에너지를 전달할수 있고,
트리거 거리를 정확히 설정해야만 재료가 접합되기 전에 불필요한 에너지 낭비를 줄이고, 용접 품질을 높일 수 있다.
트리거 거리가 짧으면 시간이 길어지고 정밀해 진다. 하지만 진동이 충분히 전달되지 않을 수 있으며, 트리거 거리가 너무 길면 용접할 위치보다 일찍 초음파가 켜져서 재료에 올바른 융착이 되지 않을수 있다.
불필요한 마찰, 손상, 낮은 품질을 방지하기 위해 적절한 거리를 설정이 중요하다.
Trigger 압력은 세팅된 압력값만큼 부품에 압력을 가한다. 압력을 가한 상태에서
Trigger 의 설정된 거리값(예로 0.3mm) 내에 제품이 0.3mm 이내로 이동하지 않으면,
OK로 판정하고 초음파 혼에 진동을 가하게 된다.
홀드 시간 (Hold time, 냉각 시간)
홀드는 유지 시간으로 냉각 시간으로도 표현된다.초음파 융착이 완료된 후 열과 변형으로 인해 물성이 취약한 상태일 수 있다.
재료가 완전히 냉각되어 강한 결합을 형성하기까지 시간이 필요하기 때문에 융착된 재료가 세팅된 시간만큼 혼이 누르고 있는 상태, 정지 상태에서 압력을 유지 시켜주고, 재료가 완전히 냉각되고 융착 결합 강도를 유지, 고정되도록 하는 역할이다.
융착 직후, 재료가 고정되지 않고 바로 움직이면 융착 부위가 변형되거나 균열이 발생할 수 있다.
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