신에너지 차량에 초음파 금속 용접이 필요한 이유

금속 접합 방법을 결정할 때 유형 및 무형 특성을 모두 포함하여 고려해야 할 많은 요소가 있습니다. 응용 분야에 따라 연결 설계, 용접 재료, 형상, 크기 및 치수, 환경 영향, 특정 제품에 필요한 기계적 및 전기적 무결성에 따라 투자가 달라집니다. 하나의 기사에서 모든 연결 방법을 다루는 것은 불가능하므로 자동차 와이어링 하니스 산업에 초점을 맞춰 압착, 납땜, 초음파 용접, 레이저 용접 및 저항 용접 간의 차이점을 명확히 하겠습니다.

어떤 경우에는 초음파 용접이 유일한 해결책처럼 보일 수도 있고 전혀 실현 가능하지 않을 수도 있습니다. 그러나 접합 방법을 선택할 때 얼마나 많은 변수를 고려하더라도 초음파 용접은 다른 모든 실행 가능한 프로세스보다 더 나은 장기 수익을 제공하는 것으로 보입니다.

초음파 금속 용접 장비에 대한 초기 투자 비용은 저항 용접, 압착, 기계적 접합 등 다른 용접 공정에 비해 높지만 레이저 용접 장비보다는 낮습니다. 그렇다면 이 기술이 와이어 하니스 제조를 지배하고 전기 및 하이브리드 자동차 배터리와 배전 시스템의 필수품이 되는 이유는 무엇일까요? 비철금속의 초음파 용접은 수십 년 동안 입증된 기술이었습니다. 그러나 초음파 금속 용접은 1980년대 초반부터 자동차 산업을 지배해 왔으며 자동차 와이어링 하니스 제조업체가 이 기술을 가장 많이 사용했습니다(그림 1). 효율성과 비교할 수 없는 품질로 인해 초음파 용접은 등장하자마자 모든 자동차 브랜드에서 기계적 압착 및 저항 용접을 대체했습니다. 자동차 와이어링 하니스에 초음파 용접을 사용하는 것은 전기 자동차(EV)의 증가로 인해 지난 10년 동안 훨씬 더 빠른 성장을 보였습니다.

평균적인 차량 배선 하네스에는 180개의 초음파 용접 조인트가 포함되어 있으며 이 숫자는 모델 연도에 따라 증가합니다. OEM은 자동차에 더 많은 전자 기능을 추가하고 있으며, 이로 인해 더 많은 커넥터가 필요합니다. 커넥터와 와이어 터미널은 함께 차량 전체의 전체 전기 시스템을 제어하는 길고 복잡하며 튼튼한 배선 장치를 형성합니다. 와이어 가공의 고유한 노동 강도로 인해 와이어 접합은 와이어 하니스 제조의 주요 초점이었습니다. 그러나 와이어 하네스 산업에서는 소형 와이어 압착이나 주석 와이어 접합과 같은 응용 분야에 여전히 압착 또는 저항 용접을 사용합니다. 일반적으로 초음파 용접은 주석 도금 부품이나 강철과 같은 단단한 재료에는 적합하지 않습니다. 저항 용접 또는 레이저 용접 옵션이 실행 가능한 곳입니다. 하지만 요즘 인기가 많은 알루미늄의 경우, 또 다른 비철금속과 알루미늄을 용접할 경우에는 초음파 용접이 최고의 선택입니다. 알루미늄은 상온 용융 용접 특성으로 인해 녹거나 열에 큰 영향을 받지 않고 안전하게 용접할 수 있습니다. 초음파 용접의 이점은 저항 용접기 및 레이저로 용접하기 어려울 수 있는 알루미늄, 구리, 마그네슘과 같은 열 전도성 재료에 적용됩니다. 초음파는 얇고 두꺼운 재료를 접합하는 데에도 매우 유용합니다.

재료 특성에 대한 열 간섭을 최소화해야 할 때 초음파는 종종 최고의 용접 공정입니다.

와이어 접합은 오늘날의 와이어 하니스 제조에 사용되는 일부 접합 프로세스를 평가하는 훌륭한 예입니다. 제조업체에서는 용접이 실행 가능한 옵션이 되기 전에 수년간 압착 공정을 사용해 왔습니다. 일부 OEM에서는 단순히 클램프를 사용하여 와이어를 커넥터에 압착합니다. 일부는 전기적 무결성을 보장하기 위해 납땜 욕조에 담그기도 합니다. 단점은 재료(다양한 크기의 클립)를 추가해야 하는 필요성, 전용 프레스에 필요한 공간, 필요한 납땜 기술, 클립과 납땜에서 발생하는 기계적 응력과 열로 인해 와이어 하네스에 미치는 영향 등입니다.

따라서 저항용접을 시작으로 초음파용접을 거쳐 와이어의 용접이 매우 필요하게 되었다. 초음파 금속 용접의 저온 용융 특성, 용접 전 산화 제거 능력, 이종 금속 접합, 극도로 낮은 에너지 소비, 하나의 기계와 동일한 범용 도구를 사용하여 다양한 접합 크기를 용접할 수 있는 능력이 그 이유입니다. 초음파 금속 와이어 조인트가 전 세계적으로 인정받는 기술에서 설득력 있는 요소가 되는 이유. 와이어 하니스 제조업체가 프로세스에 익숙해지고 기술을 채택하는 데 몇 년이 걸렸습니다. 일부는 압착에서 초음파 용접으로 전환하고 일부는 초음파 용접으로 전환하기 전에 저항 용접을 사용합니다. 초음파 용접 장비는 오늘날에도 여전히 존재하는 다른 접합 방법에 비해 장점이 있습니다.

각 조인트의 운영/유지보수 비용은 동시에 검증되어야 하지만 품질이 최우선입니다. 연결 방법을 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 요소는 다음과 같습니다.

·초기투자금액 및 수량

·생산속도

·소모품

·소비 전력 - 초음파 용접에는 저항 용접의 5%가 필요합니다.

·수냉, 환기, 추가 전기 설치 등 추가 인프라

·장비에 필요한 바닥면적

·시간에 따른 변화

· 애플리케이션 별 설정 시간

·금형 수명과 품질에 미치는 영향(그림 2)

초음파 금속 용접의 장점

·저온 공정은 재료 특성에 영향을 미치지 않습니다.

·다양한 비철금속 재료에 적합한 순수 야금접착제

·이종재료 용접능력

·커넥터 클립이나 납땜 등 소모성 재료가 없음

·친환경적인 기술

·일관적인 용접 품질, 기계적, 전기적 성능

·빠른 사이클 시간

·친근한 인간-컴퓨터 인터페이스

·연기나 납 등의 화학물질이 없어 작업자의 안전을 보장합니다.

·프로세스

초음파 용접 방법에는 금속과 플라스틱의 두 가지 유형이 있습니다. 선형 납땜은 장비 제조업체에서 사용하는 보다 일반적인 기술이며 와이어 접합의 표준입니다(그림 3). 트위스트 용접 기술은 선형 용접의 가장 일반적인 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 그러나 독특한 기능으로 인해 적용되는 기하학과 부드러운 공정 측면에서 특정 이점이 있어 시장에서 더 넓은 적용 범위로 이어집니다. 실제로 이 기술은 전기 자동차 배터리 제조업체와 고전압 케이블 용접을 위한 유일한 솔루션인 것으로 확인되기도 합니다(그림 4). 비틀림 초음파 용접이 우수한 방법인 것으로 입증된 다른 예로는 부스바, 3D 단자, 통합 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 등이 있습니다.

초음파 용접 기술

현재 초음파 용접 전기 자동차 애플리케이션의 예

작동 원리:

와이어는 진동/진동 도구(초음파 발생기)와 모루 사이에 쌓여 있습니다. 앤빌을 통해 정적 힘이 가해지기 전에 미리 정해진 공간 내에 갇혀 있습니다. 진동이 발생하면 금속 표면이 가열되어 가소화되고 가닥이 분자 수준에서 서로 혼합되어 결합됩니다(그림 6). 그 결과 냉간 가공된 금속과 유사한 미세한 입자 구조의 연속 용접이 이루어집니다. 전체 프로세스는 매우 빠르며 용접은 일반적으로 1초 이내에 완료됩니다.

오늘날 사용되는 가장 일반적인 융착 접속기는 20KHz 주파수의 기계적 진동으로 작동합니다. 힘을 받는 진동은 모든 오염 물질을 소멸시키고 용접이 완료될 때까지 냉간 마찰 용접을 시작합니다. 용접 인터페이스의 마찰로 인해 용접 재료의 온도 상승은 30% 미만입니다. 따라서 용접 전이 영역에서 스트랜드를 부서지게 만드는 와이어 경화가 없습니다. 이는 종종 재료를 녹여 너겟을 형성하는 저항 용접에 비해 많은 장점 중 하나입니다.