DD219338A1 - Verfahren zum ultraschallschweissen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ultraschallschweissen vorzugsweise fuer solche Bereiche, in denen besonders zuverlaessige Ultraschallschweissverbindungen notwendig sind, insbesondere in der Elektrotechnik und Mikroelektronik. Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ultraschallschweissen zu finden, welches eine erhoehte Verfahrenszuverlaessigkeit und damit eine Senkung der Ausschussquote gewaehrleistet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bereits erzielte Zwischenergebnisse waehrend des Schweissprozesses zu erfassen und auszuwerten, um das bestmoegliche Schweissresultat zu erzielen. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass die uebliche Ultraschallenergie durch eine niedrigere Frequenz getaktet wird, wodurch eine intermittierende Arbeitsweise des Ultraschallschwingkopfes erreicht wird. Durch die Auswertung zeitlich aufeinander folgender Ausschwingzeiten dieses Schwingkopfes laesst sich der Einfluss aufeinander folgender Energiepulse auf den Aufbau der jeweilig bearbeiteten Schweissstelle erfassen, so dass mit dieser Messinformation der laufende Schweissvorgang gesteuert werden kann.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung ·

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum physikalischen Verbinden mittels Ultraschallschweißen, welches in solchen Bereichen, in denen besonders zuverlässige Ultraschallschweißverbindungen notwendig sind, insbesondere in der Elektrotechnik und der Mikroelektronik, angewendet werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Auf dem Gebiet des Ultraschallschweißens werden eine Reihe von Lösungsmethoden zur Erhöhung der Verfahrenszuverlässigkeit und zur Verbesserung der Gütesicherung beschriften.

Eine bekannte Methode besteht in der Stabilisierung der Hauptverfahrensparameter Schwingungsamplitude, Schweißzeit und statischer Anpreßdruck, wodurch ein genau einstellbares und gut reproduzierbares Prozeßenergieangebot an der Schweißmaschine erzielt wird. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß die Verbesserung der Zuverlässigkeit nur durch die Verwendung von Schweißkomponenten mit gleichen Eigenschaften bezüglich der Ultraschallschweißbarkeit erfolgt. Weiter ist bekannt, durch eine Eingangsgütekontrolle der Schweißkomponenten die Toleranz aller Eigenschaften zu · überwachen, die die Ultraschallschweißbarkeit beeinflussen. Damit gelangen nach entsprechender Aussonderung nur solche Komponenten zur Verarbeitung, die zur sicheren Verschweißung gleiche eingestellte Verfahrensparameter benötigen. Diese Methode besitzt den Nachteil, daß sie äußerst aufwendig und fertigungstechnisch nicht vertretbar ist. In der Patentschrift DD 45 217 wird ein programmgesteuerter zeitlicher Verlauf des Ultraschallenergieeintrages in der Form vorgeschlagen, daß die mechanische.Schwingungsamplitude der Sonotrode während des gesamten Schweißprozesses nicht auf einem vorwählbaren konstanten Wert stabil gehalten wird, sondern durch einen vorwählbaren zeitlichen Verlauf gezielt variabel, vorzugsweise mit abfallender Charakteristik, gesteuert wird. Trotz einer zu erwartenden Erhöhung der Verfahrenszuverlässigkeit, vor allem bei empfindlichen Schweißkomponenten, macht sich nachteilig bemerkbar, daß die Schwingamplitudensteuerung relativ starr ist, wodurch sie während des laufenden Prozesses nicht in ausreichender Weise Einfluß auf die Herstellung einer guten Schweißstelle nehmen kann und die Schweißzeit konstant vorgegeben werden muß. Es ist weiter bekannt, daß eine Verbesserung des Ultraschallschweißens durch mehr oder weniger gesicherte Korrelationen während des Schweißprozesses zwischen meßtechnisch erfaßbaren Größen und der Schweißstellengüte zur Steuerung der Schweißzeit genutzt werden. Am längsten vorbekannt ist hier, einen möglichen Abfall der HF-Generatorausgangsspannung zu erfassen und zur Abschaltung der Schweißenergie zu benutzen. Als eine weitere Möglichkeit wird in der DD 83 289 beschrieben, daß über einen piezoelektrischen Fühler der Abfall der mechanischen Schwingungsamplitude des Schwingkopfes überwacht und ein Abschaltsignal zur Beendigung des Schweißprozesses gewonnen wird.

Bekannt ist auch, eine Frequenzverwerfung der Ultraschallarbeitsfrequenz auszunutzen, welche sich durch geringfügige Verlagerung der Eigenresonanzfrequenz des Schwingkopfes ergeben kann.

Weiter ist bekannt, den sinkenden elektrischen Übergangswiderstand zwischen oberer und unterer Schweißkomponente und den Deformationsgrund der oberen Schweißkomponente als Ersatzmeßgröße zur Signalisierung der Schweißgüte zu bewerten.

Der sich durch die Korrelation zwischen den vorgeschlagenen Ersatzmeßgrößen und der Schweißgüte ergebende Nachteil besteht darin, daß bei vielen Schweißaufgaben und Schweißmaschinen der beschriebene Zusammenhang durch eine Vielzahl störender Einflußgrößen so stark vermindert wird, daß er zur Erfüllung der Gütesicherung praktisch nicht verwendbar ist. Eine Anzahl weiterer Methoden zur Lösung des Problems der Verfahrenszuverlässigkeit und der Schweißgüte befaßt sich mit einmalig aus dem Schweißprozeß ableitbaren Signalen als Maß für die Güte der Schweißverbindung. So wird in der Patentschrift DE 23 165 98 vorgeschlagen, eine auftretende Einkerbung während des zeitlichen Verlaufs der HF-Generatorausgangsspannung oder den plötzlich ansteigenden elektrischen Übergangswiderstand zwischen Sonotrode und oberer Schweißkomponente als Zeichen für die Fertigstellung der Schweißstelle zu werten und den Energieeintrag zu beenden. Aus der Patentschrift DE 32 33 629 geht hervor, daß die Haftkraft bestimmt wird, mit der die Sonotrode während des Schweißprozesses mit der oberen Schweißkomponente als Prozeßnebenwirkung verbunden ist. Die Haftkraft läßt sich nach Beendigung des Energieeintrages während des Anhebens der Sonotrode als notwendige Ablösekraft an der Sonotrode messen. Der bekannte Nachteil dieses Haftens oder Klebens der Sonotrode, der gewöhnlich durch die Wahl eines zur Schweißaufgabe passenden Sonotrodenwerkstoffs oder das Auslösen eines sogenannten Nachimpulses minimiert wird, läßt keinen eindeutigen Schluß auf die erreichte Schweißstellengüte zu. Nachteilig macht sich weiter bemerkbar, daß das der Schweißstellengüte annähernd proportionale Signal einmalig unmittelbar vor oder nach Beendigung des Schweißprozesses gewonnen werden kann, wodurch die Beeinflussung des gesamten Schweißverlaufs nicht gewährleistet ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ultraschallschweißen zu finden, welches eine erhöhte Verfahrenszuverlässigkeit, insbesondere hinsichtlich der Erhöhung und Stabilisierung der Schweißgüte, der Verringerung schädlicher Nebenwirkungen auf empfindliche Schweißkomponenten, wie Rißbildung, mechanische Versprödung oder Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften sowie des Zulassens größerer Toleranzen der Materialeigenschaften der Schweißkomponenten aufweist und eine Material- und Energieeinsparung durch Senkung der Ausschußquote gewährleistet. *

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bereits erzielte Zwischenergebnisse des Schweißvorganges während des laufenden Prozesses zu erfassen und auszuwerten, um kontrolliert auf das bestmögliche Schweißresultat einwirken zu können. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die üblicherweise während eines Schweißvorganges kontinuierliche Ultraschallenergie durch eine niedrigere Frequenz getaktet wird, wodurch eine intermittierende Arbeitsweise des Ultraschallschwingkopfes erreicht wird. Dadurch ist gewährleistet, daß während der Schallenergiepausen die Ausschwingzeit dieses Schwingkopfes, die das Maß für das Fortschreiten des Schweißvorganges darstellt, gemessen werden kann. . Somit läßt sich der Einfluß zeitlich aufeinanderfolgender Energiepulse, deren meßgesteuerte Dosierung nach jedem einzelnen Energiepuls erfolgt, auf den Schweißprozeßfortschritt ermitteln, da die Meßwerte nach zeitlich benachbarten Energiepulsen ein Ausdruck für die anwachsende Rückwirkung der sich aufbauenden Schweißstelle auf den Ultraschallschwingkopf sind. Bei sprungartiger Änderung der Meßdifferenz zweier benachbarter Ausschwingzeiten ist der Schweißvorgang beendet.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild wird ein üblicher Ultraschallschwingkopf 1, bestehend aus einem elektromechanischen Energiewandler 2, einem Amplitudentransformator 3 mit Sonotrode 4 und einem mechanischelektrischen Meßwandler 5, über den mechanisch-elektrischen Meßwandler 5 und über ein Rückkopplungssignal 7 von einem Ultraschallgenerators in seiner Eigenresonanzfrequenz zum Schwingen angeregt. Dieser Eigenresonanzfrequenz wird mittels des Steuergenerators 8 eine Wesentlich niedrigere Frequenz geeigneter Höhe, doch beliebiger Kurvenform, z. B. Rechteck-, Halbsinus, Dreiecksform, überlagert, wodurch eine intermittierende Betriebsweise des Ultraschallschwingkopfes 1 erreicht wird. In den Energiepausen ist die Rückkopplung des mitgekoppelten Systems aufgetrennt, weil der Ultraschallschwingkppf 1 nicht mit HF-Energie aus dem Ultraschallgenerator 6 versorgt wird. Die Ausschwingzeit der in dieser Meßphase annähernd nach einer Exponentialfunktion abklingenden harmonischen Schwingung hängt im wesentlichen ab vom gespeicherten hochfrequenten Energiegehalt des Ultraschallschwingkopfes 1 und von der momentan wirkenden Dämpfung auf den Ultraschallschwingkopf 1 und dort speziell auf die Sonotrode 4. Durch ein hochgewähltes Übersetzungsverhältnis des mechanischen Amplitudentransformators 3 wirkt sich jede Dämpfung am Fuß der Sonotrode 4 sehr stark auf die Auss'chwingzeit des Ultraschallschwingkopfes 1 aus, ohne durch die in der Meßphase fehlende Einspeisungsenergie abgeschwächt und verfälscht zu werden. Der Zeitmesser 9 ermittelt jeweils nach Beendigung eines neuen Energiepulses die Ausschwingzeit, beispielsweise mit Hilfe des beim konventionellen Ultraschallschweißen benötigten Rückkopplungssignals 7, welches der mechanisch-elektrische Meßwandler 5 liefert. Die Meßdifferenz zweier zeitlich nacheinander folgender Ausschwingzeiten wird in der Differenzstufe 10 gebildet. Diese Meßdifferenz als Ersatzmeßgröße für den momentanen Schweißprozeßfortschritt wird einer Vergleicherstufe 11 zugeführt, die ihrerseits ein Dosiersignai 12 an den Ultraschallgenerator 6 liefert, so daß während des Schweißprozesses Einfluß auf die in die jeweilige bearbeitete Schweißstelle einzutragende Ulträschallenergie genommen werden kann. Gleichzeitig bildet die Vergleicherstufe 11 das Triggersignal 13 für den intermittierenden Betrieb des Ultraschallschwingkopfes 1, wobei nach jedem Ultraschallenergiepuls über einen logischen Test in der Vergleicherstufe 11 entschieden wird, ob ein weiterer Ultraschallenergiepuls auszulösen ist oder ob der Schweißvorgang aufgrund des abgeschlossenen Aufbaus der Schweißstelle beendet wird was dann gegeben ist, wenn eine sprungartige Änderung der Meßdifferenz zweier zeitlich aufeinanderfolgender Ausschwingzeiten ermittelt worden ist.

Claims (3)

1. Erfindungsansprüche:<

   1. Verfahren zum Ultraschallschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß eine üblicherweise kontinuierliche Ultraschallenergie durch eine niedrigere Frequenz getaktet wird, so daß nach jedem Energiepuls die Ausschwingzeit des Ultraschallschwingkopfes gemessen werden kann, wobei die Meßdifferenz zweier zeitlich aufeinander folgender Ausschwingzeiten als Maß für das Fortschreiten des Schweißvorganges analog oder digital ausgewertet werden kann, so daß sich mit dieser Meßinfqrmation der laufende Schweißvorgang steuern läßt.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach geeigneter Wahl des Anfangsenergiepulses während einer Schweißung eine meßgesteuerte Dosierung der Ultraschallenergie nach jedem Energiepuls erfolgt. .
3. 3. Verfahren nach Punkt 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißvorgang nach dem Auftreten einer sprungartigen Änderung der Meßdifferenz zweier zeitlich aufeinander folgender Ausschwingzeiten beendet wird.

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