A Study on Ultrasonic Seam Welding System Design and Control for Environmentally-friendly Welding Process

Abstract

최근 지구 환경 문제가 전 세계적인 이슈로 부각되면서 유럽을 중심으로 한 환경 규제(WEEE. RoHS등) 움직임이 강화되고 있으며 또한 지금까지 국내에서 사용되어지고 있는 용접은 주로 용융 용접이나 브레이징/솔더링 방식이 주를 이루었지만, 이러한 접합 방법은 생산성이 매우 낮고 접합 품질이 떨어질 뿐만 아니라 납이나 유해가스 등의 환경오염 물질이 발생하는 문제점 대문에 고생산성, 고품질 및 친환경 용접시스템에 대한 새로운 기술이 절실한 현실이다. 태양열을 효율적으로 집열하기 위해서 집열판의 소재 및 코팅기술도 중요하지만 집열된 열을 열손실 없이 지관에 100% 전달되도록 완전한 접합부를 형성시키는 조건으로 제조하는 것이 집열기 성능을 향상시키는 핵심 기술이다. 이러한 초음파 용접 시스템은 주파수(약20~40kHz)대의 초음파 진동(20~70μm)을 이용한 소재 표면 산화물 파괴와 국부적인 소성변형이 발생하여 금속결합이 가능하고 접합 시나 접합 전 후에 각종 대기 오염 물질이나 연기가 발생하지 않고, 전처리 및 접합부 세척 등 여러 가지 공정을 거치지 않기 때문에 공정을 단순화과 동시에 새로운 친환경 용접 방식이다. 또한 최적의 용접조건을 도출에 필요한 설계요소로는 진동자 및 부스트의 설계가 매우 중요하며, 이에 대한 기술 능력 구비가 용접의 성공여부를 결정짓는다. 따라서 본 논문에서는 대상물의 용접 품질 향상을 위해 필요한 압력, 용접 위치, 파워 등의 금속 선용접 조건에 적합한 파라미터 값을 여러 차례 실험을 통해서 구할 수 있었다. 초음파 용접기는 기계적 변위를 증폭하기 위해 혼과 부스터를 결합하게 되는데 이로 인해 압전체의 공진주파수보다 낮은 주파수 영역에서 다른 공진점들이 발생하게 된다. 따라서 이러한 공진점에 반응하는 것을 방지하기 위해서 PLL 제어를 통해 주파수 가변 범위를 제한하였다. 본 초음파 용접기 시스템은 저가형 고효율 태양열 집열판 접합 시스템의 개발에 적합하도록 설계되었다. 따라서 낮은 전력 소비량으로 용접이 가능하고, 기존 수입 제품이 지니는 분당 4m의 용접 속도를 9m까지 늘림으로써 생산성을 2배 이상 높일 수 있다. 이와 같이 초음파를 이용 금속 용접을 하는 경우 매우 짧은 시간에 매우 작은 전력으로 용접이 가능함을 확인 하였다. 또한 개발된 발진기로 전량 수입에 의존하고 있는 고가의 용접시스템을 저렴하게 공급할 수 있는 기반을 구축할 수 있을 것으로 기대되고, 저가의 용접시스템을 이용하여 태양열 집열판 생산에 폭 넓게 적용할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 성능을 가진 태양열 집열판을 대량으로 생산함으로써 신재생 에너지 분야에서 많은 활용방안이 있을 것으로 사료되어진다. 본 연구 결과는 초음파 금속 용접기실용화 측면에서 볼 때 산업 현장에서 용접 시 어려움을 갖는 얇은 물질의 용접, 이종 간의 용접, 빠른 용접 시간으로 인해 산업 현장에서 필요할 거라 생각된다.