초음파 웨빙 절단 및 용접 원리 적용

초음파 절단 및 용접의 원리

초음파 절단 및 용접은 산업 분야에서 초음파를 응용하는 하위 분야이며, 환경 친화성, 효율성 및 미적 만족도 측면에서 우수한 특성으로 인해 점점 더 널리 사용되고 있습니다.

초음파 절단 및 용접 원리

초음파 웨빙 절단 및 용접은 20~40kHz의 고주파 기계적 진동을 이용하여 용접 헤드를 통해 웨빙 접촉면에 에너지를 전달합니다. 1. 에너지 변환: 초음파 발생기는 전기 에너지를 고주파 기계적 진동으로 변환하고, 이 진동은 진폭 변환기를 통해 증폭되어 용접 헤드로 전달됩니다. 2. 마찰열 발생: 용접 헤드가 웨빙에 압력을 가하면 웨빙 내부 섬유 사이에 고주파 마찰이 발생하여 500~1000℃의 국부적인 고온이 순간적으로 발생합니다. 3. 용접 및 절단 동시 수행: 고온으로 인해 웨빙 섬유(나일론, 폴리에스터 등)가 녹고, 용접 헤드의 압력으로 녹은 부분이 압축되어 견고한 용접층이 형성됩니다. 특수 절단날 용접 헤드와 함께 사용하면 고온으로 웨빙을 동시에 절단할 수 있어 "절단 + 용접" 통합 공정을 구현할 수 있습니다. 4. 냉각 및 성형: 진동이 멈춘 후, 0.1~0.5초 동안 압력을 유지하여 용접 부위가 빠르게 냉각 및 응고되도록 함으로써 절단 및 용접 공정을 완료합니다. (공압 시스템은 완충 작용을 제공하며, 절단 및 용접 공정 중 냉각 및 성형을 보장합니다.)

초음파 절단 및 용접 시스템의 구성

일반적으로 사용되는 초음파 플라스틱 용접 시스템은 초음파 발생기(전기 박스), 용접봉, 용접기, 용접봉의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 초음파 변환기(진동기)와 초음파 금형(금형 헤드, 용접 헤드, 혼)으로 구성됩니다.

초음파 발생기(전기 박스), 초음파 변환기(진동기), 초음파 금형(금형 헤드, 용접 헤드, 혼)

1. 초음파 발생기(전기 박스): 주전원을 안정적인 고주파, 고전압 출력으로 변환합니다.

2. 초음파 변환기(발진기): 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 음향 장치.

3. 증폭기: 변환기의 기계적 진동 진폭은 미리 설계된 이득 비율을 통해 변경됩니다.

4. 금형(용접 헤드, 혼): 용접 및 절단 작업의 필요에 따라 특정 치수로 맞춤 제작되었으며, 초음파 시스템의 공진 요구 사항을 충족하는 음향 특성을 갖도록 설계되었습니다. 아래에서는 몇 가지 공식을 사용하여 실제 적용 사례에서 파라미터 조정 현상을 설명하겠습니다.

에너지 = 진폭 * 압력 * 시간 * 상수 K = 일률 * 시간

위의 공식은 용접 및 절단 시 초음파의 진폭(발생기에서 설정 가능), 압력(공기압 또는 전기 실린더 토크, 구조적 강성 및 경도), 그리고 파동 방출 시간이 용접 및 절단 효과와 양의 상관관계를 갖는다는 것을 보여줍니다. 즉, 제품이 제대로 절단되지 않으면 이러한 매개변수를 조정하여 개선할 수 있습니다. 그렇다면 이러한 수치가 높을수록 더 좋다는 뜻일까요? 물론 아닙니다!

피 = K∗A∗f∗δ, 여기서 P는 용접 전력(W)을 나타냅니다.

케이 는 재료의 소리 전도 및 에너지 소산과 관련된 크기를 갖는 상수입니다. 즉, 일반적으로 재료마다 요구 사항을 충족하기 위해 필요한 매개변수의 미세 조정이 다르다고 말합니다.

에이 용접 절단면적을 나타내며, 단위는 제곱미터(㎡)입니다. 이는 용접 절단면의 접촉면이므로, 절단 날의 길이와 각도가 이 면적을 결정하는 주요 요인입니다.

에프 초음파 주파수는 이론적으로 주파수가 높을수록 용접이 더 쉽다는 것을 의미합니다. 그러나 음향적으로 주파수가 높을수록 큰 진폭을 얻기가 더 어렵습니다. 단위는 Hz입니다.

디 는 진폭을 나타내며 단위는 미터(m)입니다. 이론적으로 진폭이 클수록 용접 및 절단 성능이 향상됩니다. 그러나 금속 재료의 피로 수명은 주파수, 재료 특성, 응력, 시간, 압력 및 경도와 관련이 있으므로 다른 매개변수의 영향을 받습니다.

초음파 절단 및 용접 결과에 영향을 미치는 6가지 요인:

압력 + 시간 + 기계 구조 + 제품 재료 + 디버깅

1. 초음파 용접 압력

용접면에 적절한 압력을 가하면 용접 재료가 탄성에서 소성으로 전이되고, 분자 간 상호 확산이 촉진되며, 용접 부위의 잔류 공기가 제거되어 용접면의 밀봉 성능이 향상됩니다. 일반적으로 가해지는 압력은 0.5 MPa를 넘지 않습니다.

2. 초음파 용접/절단 시간(파동 방출 시간)

적절한 용융 시간과 충분한 냉각 시간은 필수적입니다. 열 출력이 고정된 경우, 시간이 부족하면 용접이 불완전해지고, 시간이 과도하면 용접부의 변형, 슬래그 유출, 그리고 때로는 용접되지 않은 부분에 열점(변색)이 발생할 수 있습니다. 용접면이 충분한 열을 흡수하여 완전히 용융 상태에 도달하도록 하는 것이 중요하며, 이는 적절한 분자 확산과 융합을 보장합니다. 동시에, 용접부가 충분한 강도를 얻기 위해서는 충분한 냉각 시간이 필요합니다.

3. 초음파 진폭

4. 기계적 구조

프레임 제작의 정밀도와 안정성은 용접 결과에 직접적인 영향을 미치며, 특히 기계 구조가 제품의 정밀도와 일치해야 하는 정밀 제품의 경우 더욱 그렇습니다.

5. 제품 재료

용접 부품의 재질, 구조, 두께, 내압성 등의 요소 또한 용접 효과에 직접적인 영향을 미칩니다.

6. 장비 디버깅

결론적으로, 제품이 최상의 초음파 절단 및 용접 결과를 얻으려면 장비 디버깅 또한 중요한 요소입니다. 다양한 매개변수의 유연한 매칭 및 조정과 엔지니어의 현장 디버깅이 중요한 역할을 합니다.