학술논문
초음파 용착용 반파장 혼의 팁 진동진폭 균일도 향상 / Improvemen of the vibration Amplitude Uniformity in Ultasonic Metal welding horn
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
Source
Subject
Language
Korean
Abstract
As the technology development for secondary batteries is rapidly progressing in the fields of electric and electronic or mechanical parts such as electric vehicles and cell phone batteries, welding technology using ultrasonic vibrations is being widely used. As the materials and shapes of the materials to be adhered are diversified, research on the improvement or development of the welding method using ultrasonic waves is continuously being conducted. Research and development are being carried out on horn, which is a key component used in ultrasonic welding, but research on improving the uniformity of the vibration amplitude of the horn, which greatly affects the quality of ultrasonic welding, is insufficient. In this study, in order to improve the amplitude uniformity of the horn having a resonance frequency of 20 kHz, which is used for ultrasonic welding of electric vehicle battery terminals, vibration analysis was performed on various types of horn models and an optimal horn was fabricated. After welding Cu and Ni thin plates using the developed horn, the welding strength was measured through a tensile test, and the uniformity of welding strength between the existing horn and the newly developed horn was compared and analyzed. As a result of the modal analysis of the horn, a horn with a natural frequency of 19,284 Hz in the 9th mode and a standard deviation of the amplitude measured at five positions of the horn tip of 0.074㎛ was developed. In addition, as a result of welding experiments on Cu and Ni thin plate specimens using a horn before and after improvement, it was confirmed that the improvement of amplitude uniformity had a great effect on the improvement of uniformity of welding strength.
전기자동차, 휴대폰 배터리 등 전기전자나 기계 부품 분야에서 2차전지에 대한 기술개발이 급속히 진행됨에 따라 초음파 진동을 이용한 용착 기술이 크게 활용되고 있다. 피 접착재료의 소재나 형상 등이 다양화됨에 따라 초음파를 이용한 용착방법의 개선 또는 개발에 관한 연구도 지속적으로 이루어지고 있다. 초음파 용착에 사용되는 핵심 부품인 혼에 대한 연구 개발도 많이 수행되고 있으나 초음파 용착의 품질에 큰 영향을 미치는 혼의 진동진폭의 균일도를 향상 시키기 위한 연구에 대하여 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 전기자동차 배터리 단자의 초음파 용착에 사용되고 있는 공진주파수 20kHz를 갖는 혼의 진폭 균일도를 향상시키기 위하여 다양한 형태의 혼 모델에 대한 진동해석을 수행하고 최적의 혼을 제작하였다. 제작된 혼을 이용하여 Cu 및 Ni 박판을 용착한 후 인장시험을 통하여 용착강도를 측정하고 기존 혼과 새로 개발된 혼의 용착강도 균일성을 비교분석 하였다. 혼의 모달해석 결과 9th mode에서 고유진동수 19,284Hz를 가지며, 혼의 팁부위 5개 위치에서 측정된 진폭의 표준편차가 0.074㎛인 혼을 개발하였는데 기존 혼의 진폭 표준편차(1.005㎛) 보다 10배 이상 개선된 결과를 얻었다. 또한 개선된 혼을 이용한 Cu 및 Ni 박판의 동종 시편에 대한 용착실험 결과 진폭 균일도 향상이 용착강도의 균일도 개선에 큰 영향을 미침을 확인하였다.
전기자동차, 휴대폰 배터리 등 전기전자나 기계 부품 분야에서 2차전지에 대한 기술개발이 급속히 진행됨에 따라 초음파 진동을 이용한 용착 기술이 크게 활용되고 있다. 피 접착재료의 소재나 형상 등이 다양화됨에 따라 초음파를 이용한 용착방법의 개선 또는 개발에 관한 연구도 지속적으로 이루어지고 있다. 초음파 용착에 사용되는 핵심 부품인 혼에 대한 연구 개발도 많이 수행되고 있으나 초음파 용착의 품질에 큰 영향을 미치는 혼의 진동진폭의 균일도를 향상 시키기 위한 연구에 대하여 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 전기자동차 배터리 단자의 초음파 용착에 사용되고 있는 공진주파수 20kHz를 갖는 혼의 진폭 균일도를 향상시키기 위하여 다양한 형태의 혼 모델에 대한 진동해석을 수행하고 최적의 혼을 제작하였다. 제작된 혼을 이용하여 Cu 및 Ni 박판을 용착한 후 인장시험을 통하여 용착강도를 측정하고 기존 혼과 새로 개발된 혼의 용착강도 균일성을 비교분석 하였다. 혼의 모달해석 결과 9th mode에서 고유진동수 19,284Hz를 가지며, 혼의 팁부위 5개 위치에서 측정된 진폭의 표준편차가 0.074㎛인 혼을 개발하였는데 기존 혼의 진폭 표준편차(1.005㎛) 보다 10배 이상 개선된 결과를 얻었다. 또한 개선된 혼을 이용한 Cu 및 Ni 박판의 동종 시편에 대한 용착실험 결과 진폭 균일도 향상이 용착강도의 균일도 개선에 큰 영향을 미침을 확인하였다.