플라스틱 초음파 용접
핵심 요약
- 계면의 점탄성 발열. 20–40 kHz 진동이 에너지 디렉터 또는 전단 조인트를 1초 이내에 용융시킵니다.
- 비정질 수지는 용접이 쉽고, 반결정성 수지는 전단 조인트, 근접장 형상, 더 엄격한 관리가 필요합니다.
- 허용 범위를 명시한 붕괴 거리 모드가 공정을 운영하고 검증하는 가장 견고한 방법입니다.
- 가장 빠르고 저렴한 용접 방법이지만, 입자 발생, 혼 자국, 진동에 민감한 내장품 때문에 적용에 한계가 있습니다.
플라스틱 초음파 용접
초음파 용접은 20–40 kHz, 피크 간 진폭 20–120 µm의 기계적 진동을 한쪽 부품을 통해 접합 계면으로 전달하는 열가소성 플라스틱 접합 공정입니다. 계면에서 점탄성 발열과 마찰열로 얇은 폴리머 층이 용융되고, 압력 아래에서 응고되어 용접부를 형성합니다. 용제, 접착제, 소모품은 사용하지 않습니다.
스택은 20 kHz에서 약 20 µm를 내는 압전 컨버터, 1:1.5 또는 1:2.5 등의 게인을 가진 부스터, 같은 주파수로 튜닝되어 공압 또는 서보 힘으로 부품을 누르는 혼으로 구성됩니다. 20 kHz는 큰 부품과 높은 출력에 적합하고, 30–40 kHz는 진폭, 응력, 자국이 작아 소형, 섬세한 부품 또는 외관 부품에 적합합니다.
폴리머는 점탄성 재료입니다. 주기적 변형의 일부가 이력 현상으로 열로 변환되며, 가장 작은 단면인 에너지 디렉터 끝 또는 전단 조인트의 간섭부에 집중되어 수 밀리초 안에 용융이 시작됩니다. 혼 표면에서 약 6 mm 이내의 조인트는 근접장, 그 이상은 원거리장입니다. 비정질 수지는 손실이 적게 전달되어 원거리장에서도 용접되지만, 반결정성 수지와 엘라스토머는 진동을 감쇠시켜 근접장에서만 안정적으로 용접됩니다.
소재 적합성
공정 파라미터와 조인트 설계
어떤 설정값보다 조인트 설계가 결과를 좌우합니다. 에너지 디렉터는 한쪽 접합면에 있는 삼각형 리브로, 끼인각 60–90°, 높이 0.2–0.6 mm, 밑변은 높이의 약 두 배입니다. 반결정성 수지에는 60°와 더 높은 쪽을 사용하고, 단차 또는 텅앤그루브로 부품 위치를 잡습니다. 전단 조인트는 립과 벽 사이에 0.2–0.4 mm의 반경 방향 간섭, 30–45° 리드인, 벽 두께의 약 1.25배 용접 깊이, 후프 응력에 저항하는 너트(지지 지그)를 사용합니다. 전단 조인트는 반결정성 수지에서 가장 강하고 기밀한 용접부를 제공합니다.
초음파 용접 문제 해결
초음파 대 레이저, 진동, 열판 용접
초음파는 사이클 타임과 금형 비용에서 대적할 상대가 드물지만, 크고 외관이 중요한 부품, 전자 부품을 내장한 부품, 입자에 민감한 부품에는 거의 맞지 않습니다. 일반적인 대안은 투과형 레이저 용접이며, 매칭된 수지 쌍이 필요하고(레이저 투과 용접 해설 및 수지 쌍과 착색제 선정 참조) 접합면 간격이 약 0.1 mm 이내여야 합니다. 초음파는 이보다 불량한 맞춤과 모든 색상을 허용합니다. Sabreen은 레이저 용접 공정을 엔지니어링하고 장비를 판매하지 않으며, 어느 쪽을 권장하기 전에 이 비교를 적용합니다.
초음파 용접의 규정 및 검증
도면에 "초음파 용접"이라고만 쓰는 것은 아무것도 규정하지 않는 것입니다. 성능 요구 사항, 공정 중 허용 범위, 그리고 그 범위가 요구 사항을 충족함을 보여 주는 증거를 명시하십시오.
- 강도. 조립품의 인장 강도 또는 소재 쌍 선별용 AWS G1.2M/G1.2 I-빔 시편을 사용합니다. 비정질 근접장 용접은 모재 강도의 70–100%에 도달합니다. 최소값과 파괴 모드를 명시하십시오.
- 파열 및 누설. "누설 없음"이 아니라 최소 파열 압력과 압력 강하 또는 헬륨 누설의 수치 한계를 정합니다. 강한 용접이라도 2 mm의 미용접 구간이 있으면 누설됩니다.
- 붕괴 허용 범위. 예를 들어 0.35 ± 0.05 mm이며, 에너지와 피크 출력은 보조 한계로 매 사이클 기록합니다. 범위를 벗어난 부품은 불합격 처리합니다.
- IQ/OQ/PQ. ISO 13485와 FDA 품질 시스템 규정에 따라, IQ는 용접기, 스택, 고정구, 측정된 진폭을 확인하고, OQ는 진폭, 힘, 붕괴 거리에 대한 실험 계획법으로 허용 범위를 매핑하며, PQ는 생산 작업자와 생산 수지로 공칭 조건에서 세 개 로트를 가동합니다. 혼, 부스터 또는 수지가 변경되면 재적격 평가를 실시하며, 조인트 설계는 DVS 2216을 따릅니다.
관련 용어 및 자료
생산 현장에 적용하기
The Sabreen Group은 초음파 및 레이저 용접 공정 개발, 조인트 설계, 용접 검증을 위한 독립적인 엔지니어링 지원을 제공합니다. 공정을 규정하거나, 소재를 적격 평가하거나, 생산 문제를 해결하고 계신다면 저희 엔지니어링 서비스 팀이 도와드릴 수 있습니다. 문의하십시오. 귀사의 적용 사례를 함께 논의하겠습니다.
자주 묻는 질문
20 kHz와 40 kHz 중 어느 쪽으로 용접해야 합니까?
약 50 mm 이상의 부품, 두꺼운 벽, 반결정성 수지, 더 큰 진폭과 출력이 필요한 원거리장 조인트에는 20 kHz를 사용하십시오. 소형, 박벽 또는 외관 부품과 전자 부품을 내장한 제품에는 30–40 kHz를 사용하십시오. 진폭과 전달 응력이 절반으로 줄고, 자국이 감소하며, 혼의 길이도 절반입니다.
폴리프로필렌과 기타 반결정성 플라스틱도 초음파 용접이 가능합니까?
가능하지만 허용 범위가 더 좁습니다. 진동을 감쇠시키므로 60–120 µm 진폭에서 조인트가 혼으로부터 약 6 mm 이내에 있어야 하며, ABS용 90° 디렉터가 아닌 전단 조인트 또는 날카로운 60° 디렉터를 사용해야 합니다. 융점이 뚜렷하기 때문에 유지 힘이 더욱 중요합니다.
용접이 인장 시험은 통과하는데 누설이 생기는 이유는 무엇입니까?
강도와 연속성은 다르기 때문입니다. 인장 시험은 용접부 전체를 평균하므로 조인트의 90%가 건전하면 통과하지만, 휜 부품이나 수평이 맞지 않는 혼으로 생긴 2 mm의 미용접 구간 하나로도 누설됩니다. 누설은 수치 한계로 규정하고, 붕괴 모드를 적용하여 용접이 부족한 부품을 불합격 처리하며, 누설이 집중될 때는 혼의 평행도를 점검하십시오.
레이저 용접이 더 나은 선택인 경우는 언제입니까?
외관이 중요한 부품, 전자 부품을 내장한 부품, 입자 없는 유체 경로가 필요한 경우, 긴 이음선 또는 3차원 이음선이 있는 경우, 혼이 닿는 범위를 넘어서는 경우입니다. 레이저는 진동, 혼 자국, 입자가 없는 대신 높은 설비 투자, 매칭된 수지 쌍, 약 0.1 mm 이내의 접합면이 필요합니다. 사이클 타임과 비용에서는 여전히 초음파가 유리합니다.
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Scott Sabreen — 사장 겸 수석 엔지니어, 30년 이상의 경력. 귀사의 적용 분야와 SABREEN 솔루션에 대해 무료로 상담해 드립니다. 가장 어려운 과제를 저희에게 맡겨 주십시오.
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