Abstract
In this study, the FEM technique was applied to design the shape of the horn that transmits ultrasonic vibration energy to the base material, and the shape of the welding horn with a one-wavelength bar shape used in the 20kHz region was designed. The shape design of the horn was performed by applying the rod longitudinal vibration theory to Ansys APDL (Ansys Parametric Design Language). Twenty-five models were designed using the ratio of the area of the input and output surfaces of the vibration and the length of the horn to derive the appropriate horn shape. The horn was designed with a total length of 130mm, a step length of 65mm, and an output area of 28.79mm. The horn was fabricated using the optimized dimensions, and the vibration and displacement characteristics of the horn were evaluated using the measurement system. Finally, a uniform longitudinal step horn was designed, and more than 97.4% of the uniformity of the tip was secured. The amplitude ratio of the optimized horn was improved by 51%.
본 연구에서는 초음파 용접기의 진동에너지를 모재에 전달하는 금속 용접용 혼의 형상설계를 위해 해석적 기법을 적용하였으며, 20kHz 영역에서 사용되는 한파장 바 형상을 갖는 용접용 혼의 형상설계를 위해 FEM(Finite Element Method)을 사용하였다. 봉의 종진동 이론을 Ansys APDL(Ansys Parametric Design Language)에 적용하여 혼의 형상을 최적화하였다. 적절한 혼의 형상을 도출하기 위해 진동의 입력면과 출력면의 면적비와 혼의 축방향 길이비를 이용하여 총 25가지의 모델을 설계하였으며, Modal 해석과 Harmonic 해석을 통해 균일한 진동특성을 확보하고자 하였다. 스텝 바혼의 끝단부(팁)의 균일도 90%이상을 확보하기 위해 Harmonic 해석을 통해 길이비, 면적비를 결정하였고 이에 따라 혼의 총길이 130mm, 스텝 길이 65mm, 출력단 면적 28.79mm의 혼을 설계하였다. 설계치수를 바탕으로 Titanium (Ti-6Al-4V)-GR5 재료를 이용하여 혼을 제작하였다. 또한, 별도로 구성된 초음파 용접시스템을 이용하여 혼의 끝단부의 진동 진폭률 및 변위특성을 평가하였다. 최적화된 혼의 진폭률은 51%까지 향상됨을 확인하였다. 최종적으로 균일한 종방향 스텝 바혼을 설계하였으며, 끝단부(팁)의 균일도 97.4%이상을 확보하였다.
