와이어 하니스에 초음파 용접 적용
우리는 구리, 알루미늄, 니켈의 세 가지 특정 금속으로 만들어진 와이어 하니스에 초음파 용접을 적용하는 방법을 살펴보겠습니다. 이 세 가지 금속은 전력 전자 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 도체 중 하나이지만 물리적, 화학적 특성이 크게 다르기 때문에 용접 특성이 뚜렷합니다.
개요: 고체 접합 기술인 초음파 금속 용접은 구리, 알루미늄 및 그 합금과 같은 전도성이 높은 연질 금속을 접합하는 데 이상적으로 적합합니다. 일반적인 도금이나 기능성 소재인 니켈도 용접되는 경우가 많습니다.
목 |
구리, |
알류미늄 |
니켈 |
납땜성: |
훌륭한, |
좋은 |
어려운 |
주요 과제 |
경도가 높고 상대적으로 치밀한 산화층 |
산화물 층은 매우 단단하고 절연성이 있습니다. |
고경도, 고인성, 안정적인 산화물층 |
필요한 에너지/진폭 |
높은 |
중간 |
매우 높음 |
일반적인 응용 |
배터리, 모터 권선, 전기 배선 |
전원 배터리, 알루미늄 와이어 하니스, 태양 전지판 |
배터리 탭, 셀 리드 플레이트, 부식 방지 커넥터 |
I. 초음파 구리 와이어 하네스 용접
구리는 초음파 용접에 가장 이상적이고 널리 사용되는 재료 중 하나입니다.
용접 특성:
* 우수한 전도도: 용접 조인트는 주석 납땜에 비해 저항률이 낮고 전도성이 우수한 무납땜 순수 구리 연결을 형성합니다.
* 고강도: 용접 조인트는 높은 인장 강도와 피로 강도를 나타냅니다.
* 우수한 가소성: 순수 구리는 압력과 진동 하에서 쉽게 소성 흐름을 겪으며 이는 금속 결합에 유리합니다.
주요 프로세스 고려 사항:
* 더 높은 진폭과 압력 필요: 구리는 상대적으로 강도와 경도가 높기 때문에 산화물 층(CuO, Cu2O)을 분해하고 플라스틱 흐름을 유도하는 데 충분한 에너지가 필요합니다.
* 표면 처리: 알루미늄보다 덜 까다롭지만 심각한 산화나 오일 오염은 피해야 합니다. 전기 도금된 구리(예: 주석 또는 니켈 도금)도 용접할 수 있지만 매개변수를 조정해야 합니다.
* 금형 설계: 용접 헤드와 하부 금형의 톱니 디자인은 파지력과 미끄러짐 방지에 매우 중요합니다.
일반적인 응용 분야:
* 전원 배터리: 셀 간 구리 버스바 연결; 배터리 모듈의 샘플링 라인 용접.
자동차 배선 하니스: 퓨즈 박스 및 릴레이 내부의 구리선 용접.
모터 및 변압기: 평면 구리선 권선에서 리드선 용접.
* 고주파 통신케이블 : 차폐층 용접.
II. 초음파 알루미늄 와이어 하네스 용접
알루미늄은 가볍고, 저렴하며, 높은 전도성으로 인해 경량 및 고전류 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 그러나 용접성은 구리와 크게 다릅니다.
용접 특성:
문제는 산화층에 있습니다. 알루미늄 기판(660℃)보다 녹는점(약 2050℃)이 훨씬 높은 알루미늄 표면에 단단하고 절연성이 있는 Al2O₃ 산화막이 즉시 형성됩니다. 초음파 용접의 '스크래핑' 효과는 이 필름을 파괴하는 데 핵심입니다.
낮은 경도: 알루미늄은 상대적으로 부드럽기 때문에 압착이나 금속 튐이 발생할 수 있는 과도한 용접을 방지하기 위해 압력과 진폭을 정밀하게 제어해야 합니다.
실내 온도 크리프: 알루미늄 솔더 조인트는 장기간의 스트레스를 받으면 크리프되어 장기적인 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 금형 설계 및 압력 설정에서 고려해야 합니다.
주요 프로세스 고려 사항:
진폭 제어가 중요합니다. 진폭이 너무 낮으면 산화물 층이 효과적으로 제거되지 않습니다. 진폭이 너무 높으면 쉽게 과도한 용접 및 부서지기 쉬운 접합이 발생할 수 있습니다.
정확한 압력이 필요합니다. 압력이 충분하지 않으면 납땜이 불완전해집니다. 과도한 압력은 가는 와이어를 부러뜨리거나 납땜 연결부가 너무 얇아지는 원인이 됩니다.
표면 청결도: 매우 높은 요구 사항. 오일, 습기 및 두꺼운 산화물 층은 솔더 품질과 일관성에 심각한 영향을 미칩니다. 일반적으로 납땜 전에 건조함과 청결함이 필요합니다.
금형 치아: 더 날카롭거나 더 특수한 치아는 일반적으로 산화물 층을 더 잘 잡고 깨뜨리는 데 사용됩니다.
일반적인 응용 분야:
전원 배터리(핵심 애플리케이션): 인산철리튬 또는 삼원계 리튬 배터리의 알루미늄 부스바에 알루미늄 탭을 연결합니다. 이것은 현재 가장 중요한 적용 분야입니다.
자동차 알루미늄 배선 하네스: 무게를 줄이기 위해 일부 자동차 배선 하네스는 알루미늄 도체를 사용하기 시작했으며 터미널 연결은 종종 초음파 용접됩니다.
태양광전지: 태양전지용 알루미늄 버스바 용접. 전자 제품: 커패시터용 알루미늄 호일 리드 납땜 등.
III. 초음파 니켈 와이어 하네스 납땜
니켈은 일반적으로 주 회로 와이어 하네스로 사용되지 않고 배터리 탭, 리드 또는 도금 재료로 사용됩니다.
납땜 특성:
납땜하기 가장 어려운 재료 중 하나: 니켈은 경도, 강도 및 인성이 우수하며 산화층(NiO)도 매우 안정적입니다.
높은 에너지 필요: 니켈 납땜에는 구리 및 알루미늄보다 훨씬 더 높은 진폭과 압력(또는 더 긴 납땜 시간)이 필요합니다.
취성 솔더 조인트: 부적절한 매개변수는 이상적인 연성 찢어짐보다는 솔더 조인트 인터페이스의 취성 파손으로 쉽게 이어질 수 있습니다.
신속한 다이 마모: 니켈의 높은 경도는 솔더 헤드와 하부 다이의 마모를 가속화합니다.
주요 프로세스 고려 사항:
높은 진폭, 높은 압력: 니켈의 강도를 극복하고 산화층을 분해하려면 충분한 에너지가 제공되어야 합니다.
에너지 제어 모드: '시간 모드' 대신 '에너지 모드'를 사용하면 재료 초기 상태의 작은 차이가 결과에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 납땜 일관성이 향상됩니다.
엄격한 매개변수 창: 용접 매개변수에 대한 '프로세스 창'은 좁기 때문에 정밀한 조정과 엄격한 제어가 필요합니다.
고품질 금형: 용접 헤드 및 하부 금형을 제작하려면 고강도, 내마모성 재료(고품질 금형강 등)가 필요합니다.
일반적인 응용 분야:
배터리 제조: 니켈 탭 또는 니켈 도금 강철 스트립을 특정 유형의 배터리(예: 니켈 금속 수소 배터리 및 일부 리튬 폴리머 배터리)의 와이어에 용접합니다.
부식 방지 연결: 니켈 스트립 또는 니켈 도금 와이어 하네스는 부식 방지가 필요한 응용 분야의 연결에 사용됩니다.
도금: 니켈 도금 후에도 많은 구리 또는 알루미늄 단자를 초음파 용접할 수 있지만 매개변수를 다시 최적화해야 합니다.
IV. 이종재료 용접
초음파 용접의 중요한 장점은 배터리 제조에서 특히 흔히 볼 수 있는 이종 금속을 용접할 수 있다는 것입니다.
구리-알루미늄 용접:
중요성: 전원 배터리에서 음극은 구리이고 양극은 알루미늄이므로 구리 버스바와 알루미늄 버스바를 함께 연결해야 합니다.
과제: 구리와 알루미늄은 물리적 특성(융점, 경도, 열전도도)이 매우 다르며 경계면에서 CuAl2와 같은 부서지기 쉬운 금속간 화합물(IMC)을 쉽게 형성합니다. 이러한 화합물은 기존 융합 용접의 접합 성능과 장기적인 신뢰성에 심각한 영향을 미칩니다.
초음파 용접의 장점: 저온 공정은 다량의 IMC 형성을 효과적으로 억제하여 안정적이고 낮은 저항, 고강도 접합을 제공합니다.
공정 고려사항: 매개변수 설정은 일반적으로 순수 구리와 순수 알루미늄 용접 사이에 속하므로 최적의 균형을 찾아야 합니다. 일반적으로 더 단단한 재료(구리)를 상부 다이 쪽에 배치하고 진동을 활용하여 더 부드러운 재료(알루미늄)에 충격을 가하면 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.
니켈-알루미늄 및 니켈-구리 용접: 마찬가지로 초음파 용접의 저온 장점은 부서지기 쉬운 상의 형성을 방지하는 데 활용됩니다.
재료 조합 |
추천 |
핵심 프로세스 초점 |
구리-구리 |
★★★★★ |
높은 강도와 낮은 저항을 달성하기 위해 진폭과 압력을 최적화합니다. |
알루미늄-알루미늄 |
★★★★☆ |
정밀한 매개변수 제어를 통해 과납땜을 방지하면서 산화물 층을 효과적으로 제거할 수 있습니다. |
니켈-니켈 |
★★☆☆☆ |
높은 에너지 투입, 공정 창의 엄격한 제어, 금형 마모에 대한 주의. |
구리-알루미늄 |
★★★★★ |
금속간 화합물을 억제하기 위해 고체상을 활용하는 경우 매개변수 균형이 핵심입니다. |
구리-니켈 |
★★★☆☆ |
매개변수는 니켈에 충분한 에너지가 적용되도록 구리 용접 쪽으로 편향됩니다. |
알루미늄-니켈 |
★★★☆☆ |
매개변수는 니켈 용접 쪽으로 편향되어 있습니다. 알루미늄 측의 과도한 용접을 방지하기 위해 주의를 기울여야 합니다. |
