DE102004026826B4

DE102004026826B4 - Ultraschallschweißvorrichtung und Konverter einer Ultraschallschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102004026826B4
Application number: DE102004026826A
Authority: DE
Inventors: Frank Gassert
Original assignee: Schunk Ultraschalltechnik GmbH
Current assignee: Schunk Ultraschalltechnik GmbH
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2024-05-29
Also published as: JP4926045B2; CH697971B1; JP2008500904A; US20090013786A1; US7647828B2; WO2005116593A1; DE102004026826A1

Abstract

Ultraschallschweißvorrichtung umfassend Schwingungen erzeugende bzw. übertragende Bauelemente in Form von zumindest einem Konverter (12, 54) und einer Sonotrode (14) sowie gegebenenfalls zwischen diesen angeordnetem Booster (16), eine der Sonotrode zugeordnete Gegenelektrode (Amboss) (15), zwischen der und der Sonotrode zu verdichtende bzw. zu verschweißende Teile wie Litzen vorzugsweise in einem Verdichtungsraum anordbar sind, wobei der Konverter mehrere in Schwingungen versetzbare erste piezokeramische Scheiben (56 58, 60, 62) umfasst, die zwischen einem Zapfen (66) und einer Mutter (68) angeordnet und zwischen diesen durch ein erstes Bolzenelement (70) verspannt sind, und wobei zumindest einem Bauelement ein die Amplitude des in Schwingung versetzten Bauelementes erfassender piezoelektrischer Sensor (48) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bolzenelement (70) ein von konvertermutterseitg verlaufender Stirnfläche (72) ausgehendes Sackloch (74) mit Innengewinde aufweist, in das ein zweites Bolzenelement (76) schraubbar ist, über das der piezokeramische Sensor (48) gegenüber dem ersten Bolzenelement verspannt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallschweißvorrichtung umfassend Schwingungen erzeugende bzw. übertragende Bauelemente in Form von zumindest einem Konverter und einer Sonotrode sowie gegebenenfalls zwischen diesen angeordnetem Booster, eine der Sonotrode zugeordnete Gegenelektrode (Amboss), zwischen der und der Sonotrode zu verdichtende bzw. zu verschweißende Teile wie Litzen vorzugsweise in einem Verdichtungsraum anordbar sind, wobei der Konverter mehrere in Schwingungen versetzbare erste piezokeramische Scheiben umfasst, die zwischen einem Zapfen und einer Mutter angeordnet und zwischen diesen durch ein erstes Bolzenelement verspannt sind, und wobei zumindest einem Bauelement ein die Amplitude des in Schwingung versetzten Bauelementes erfassender piezoelektrischer Sensor zugeordnet ist.
Auch nimmt die Erfindung Bezug auf einen Konverter einer Ultraschallschweißvorrichtung, der mit einer Hochfrequenzspannung bzw. einem Hochfrequenzstrom in eine Amplitude aufweisende Schwingung versetzbar ist, wobei der Konverter mehrere in Schwingungen versetzbare erste piezokeramische Scheiben umfasst, die zwischen einem Zapfen und einer Mutter angeordnet und zwischen diesen durch ein erstes Bolzenelement verspannt sind.
Um reproduzierbare Schweißergebnisse zu erzielen, ist es erforderlich, Schweißparameter zu überprüfen und dann, wenn vorgegebene Sollwerte unter- bzw. überschritten werden, zu regeln. So ist es z. B. nach der DE 198 10 509 A1 bekannt, in ein Schweißgut eingekoppelte Ultraschallwellen nach Wechselwirkung mit einer Fügeschicht als Messsignal zu erfassen, um sodann mittels eines Messdatenspeichers und einer Auswerteeinheit für den Schweißprozess charakteristische Kenngröße mit anschließender Ansteuerung der Sonotrode weiterzuverarbeiten.
Um Prozessparameter beim Ultraschallschweißen von Kunststoffteilen zu steuern bzw. zu regeln, sieht die DE 43 21 874 A1 vor, dass zur Überwachung des Energieeintrags in eine Fügestelle zwischen zu verschweißenden Teilen die Fügekraft während des Schweißvorgangs gemessen wird.
Nach der EP 0 567 426 B1 wird die Schwingungsamplitude einer Kunststoffteile verschweißenden Sonotrode nach einem vorbestimmten Zeitintervall reduziert, um sodann während der verbleibenden Zeit des Verschweißen bei verringerter Schwingungsamplitude zu arbeiten. Ein diesbezügliches Steuersignal zur Reduzierung der Amplitude kann direkt oder indirekt auch in Abhängigkeit von der auf die zu verschweißenden Werkstücke übertragene Leistung ausgelöst werden, wie dies z. B. der WO 1998/49009 A1 der US-A-5,855,706 , der US-A-5,658,408 oder der US-A-5,435,863 zu entnehmen ist.
Aus der WO 2002/098636 A1 ist ein Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen bekannt, bei dem zur Optimierung des Schweißens während einer ersten Zeitspanne die Schwingungsamplitude einem vorgegebenen Verlauf folgend reduziert wird, um anschließend mit einem charakteristischen Parameter des Werkstücks zu messen und sodann in Abhängigkeit vom Wert des gemessenen Parameters mit konstanter Amplitude einer Ultraschallenergie übertragenen Sonotrode den Schweißprozess zu beenden.
Um durch Ultraschall-Drahtbonden hergestellte Verbindungen zu prüfen, sieht die DE 101 10 048 A1 eine On-line-Überwachung unter Zugrundelegung von vorgegebenen bzw. gespeicherten Master-Werten vor, die Rückschlüsse auf die Festigkeit der Verbindung ermöglichen.
Ein Ultraschallschweißverfahren für beschichtete elektrische Drähte und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist aus der DE 102 11 264 A1 bekannt. Um die Schweißenergie nach Entfernen der Isolierung und zum Verschweißen der Leiter selbst zu verändern, erfolgt eine Widerstandsmessung zwischen dem zwischen Sonotrode und Gegenelektrode fließenden Strom.
Aus der DE 29 46 154 A1 ist ein Ultraschallschweißgerät bekannt, das einen Schwinger mit integriertem Sensor aufweist, um die Schwingungen in elektrische Signale umzuwandeln, die sodann einem Messgerät zur Auswertung zugeführt werden. Hierzu wird ein piezoelektrischer Sensor zwischen Abschnitten einer Sonotrode integriert.
In einer Ausfräsung einer Sonotrode wird nach der DE 37 01 652 C2 ein piezo-elektrischer Sensor angeordnet, um Schweißkraft und -amplitude der Sonotrode zu messen. Neben der Ausfräsung für den Sensor ist zusätzlich für einen zu dem ersten Sensor beabstandet anzuordnenden zweiten Sensor eine weitere Ausfräsung vorgesehen.
Nach der EP 0 498 936 A1 wird die Amplitude einer Sonotrode einer Ultraschallschweißvorrichtung berührungslos mittels eines opto-elektrischen Sensors erfasst. Hierzu bedarf es zusätzlich einer von der Sonotrode ausgehenden Kapilaren, der Stellung der Sensor misst.
Ein elektrodynamischer Schwingungsaufnehmer nach der DE 28 23 361 C2 erfasst berührungslos die Amplitude einer Sonotrode einer Ultraschallschweißvorrichtung, um bei Erreichen von Grenzwerten Fehlermeldungen auslösen zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallschweißvorrichtung sowie einen Konverter für eine entsprechende Vorrichtung derart weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen Maßnahmen ein sicheres Erfassen der Schwingungsamplitude des Konverters bestimmbar ist.
Die Aufgabe wird durch die den Ansprüchen 1 und 4 zu entnehmenden Maßnahmen gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß erfolgt eine sogenannte Amplitudenrückführung, um die Amplitude des Ultraschallschwingers derart zu regeln, dass reproduzierbare und optimale Schweißergebnisse erzielbar sind. Die Amplitudenrückführung dient aber auch dazu, unterschiedliche Schwinger aufeinander abzustimmen, um etwaige Amplitudenabweichungen zwischen den einzelnen Schwingern kompensieren zu können. Ferner bietet die Amplitudenrückführung die Möglichkeit, alterungsbedingte Amplitudenänderungen eines Ultraschallschwingers zu kompensieren.
Aber auch Grenztemperaturen am Konverter durch Frequenzverschiebung des Arbeitspunktes können erfasst und somit ausgewertet werden. Schließlich kann bei Auftreten unzulässig hoher Amplituden die Ultraschallschwingungserzeugung unterbrochen werden, so dass Sicherheitsfunktionen Genüge getan wird.
Ferner ist aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre die Möglichkeit gegeben, Alterungen von den Schwingungen erzeugenden piezokeramischen Scheiben oder Veränderungen elektrischer Größen wie Hochfrequenzspannungssignal der Steuerung wie dem Generator zu erfassen. Auch ist durch die Amplitudenrückführung das Last-Leerlaufverhalten des Konverters erfassbar.
Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Ultraschallschweißvorrichtung mit Peripherie,
2 einen Ausschnitt eines Konverters,
3 Signalkurven,
4 eine erste Auswerteschaltung,
5 ein aus der ersten Auswerteschaltung gewonnenes Signal,
6 eine zweite Auswerteschaltung,
7 ein aus der zweiten Auswerteschaltung gewonnenes Signal,
8 eine dritte Auswerteschaltung und
9 aus der dritten Auswerteschaltung gewonnene Signale.
In 1 ist rein prinzipiell eine Anordnung zum Verschweißen von Teilen, insbesondere Litzen mittels Ultraschall dargestellt. Die Anordnung umfasst eine Ultraschallschweißvorrichtung oder -maschine 10, die in gewohnter Weise einen Konverter 12 und eine Sonotrode 14 mit dieser zugeordneter Gegenelektrode oder Amboss 15 umfasst. Im Ausführungsbeispiel ist zur Amplitudenverstärkung zwischen dem Konverter 12 und der Sonotrode 14 ein Booster 16 angeordnet, über den der Ultraschallschwinger 17, der aus dem Konverter 12, der Sonotrode 14 und dem Booster 16 besteht, gelagert wird. Die der Sonotrode 14 bzw. dessen eine Schweißfläche aufweisenden Sonotrodenkopf zugeordnete Gegenelektrode 15 kann mehrteilig ausgebildet sein, wie dies durch die US-A-4,596,352 oder die US-A-4,869,419 beschrieben ist, um einen im Querschnitt verstellbaren Verdichtungsraum zur Verfügung zu stellen, in den die zu verschweißenden Elemente wie Leiter eingebracht werden.
Der Konverter 12 wird über eine Leitung 18 mit einem Generator 20 verbunden, der seinerseits über eine Leitung 22 mit einem Rechner 24 verbunden ist. Über den Generator 20 wird der Konverter 12, d. h. die in diesem angeordneten Piezokristallscheiben mit Hochfrequenzspannung beaufschlagt, um die Scheiben entsprechend zu dehnen bzw. zu kontra hieren, wodurch Ultraschallschwingungen mit einer Amplitude erzeugt werden, die über den Booster 16 auf die Sonotrode 14 übertragen werden.
Um die Amplitude zu erfassen und zu überwachen bzw. auf gewünschte Sollwerte regeln zu können, erfolgt erfindungsgemäß eine sogenannte Amplitudenrückführung, d. h., dass die Amplitude eines Bauelements des Ultraschallschwingers 17, d. h. des Konverters 12 und/oder des Boosters 16 und/oder der Sonotrode 14 gemessen und auf die Steuerung 20 zurückgeführt wird, um gemessene Ist-Amplituden mit in dem Rechner 24 abgelegten Soll-Amplitudenwerten oder Soll-Amplitudenbereichen zu vergleichen.
Soll-Amplitudenbereiche bedeuten dabei eine Bandbreite als ordnungsgemäß bewerteter Soll-Amplituden. Ist jedoch die Ist-Amplitude oberhalb oder unterhalb der Soll-Amplitudenbandbreite gelegen, so kann ein Nachregeln der Hochfrequenzspannung in dem in der Steuerung 20 vorhandenen Generator erfolgen, um die Ist-Amplitude zu verändern.
Um die Amplitude zu erfassen, d. h. einen Sensor einem Bauelement des Schwingersystems 15 zuzuordnen, erfolgt nachstehende technische Lösung.
Anhand der 2 ist rein prinzipiell die Anordnung eines piezoelektrischen Sensors 48 verdeutlicht, der im Ausführungsbeispiel zwei piezokeramische Lochscheiben 50, 52 umfasst, die in bekannter Weise von nicht näher bezeichneten Elektroden begrenzt sind, um Signale abgreifen zu können, die der Schwingungsamplitude eines Konverters 54 einer Ultraschallschweißvorrichtung entspricht, wie diese prinzipiell der 1 zu entnehmen ist.
Der Konverter 54 weist im Ausführungsbeispiel vier erste piezokeramische Lochscheiben 56, 58, 60, 62 auf, an dem eine von dem Generator, d. h. der Steuerung 20 kommende Hochfrequenzspannung anliegt, um die Scheiben 56, 58, 60, 62 zu kontrahieren bzw. zudehnen, wodurch Schwingungen gewünschter Amplitude erzeugt werden. Die piezokeramischen Lochscheiben 56, 58, 60, 62 sind zwischen einem sogenannten Konverterzapfen 66, der mit einem Booster oder unmittelbar mit einer Sonotrode verbunden ist und einer Konvertermutter 68 über ein erstes Bolzenelement 70 verspannt. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Konstruktionen verwiesen. Der Bolzen 70 steht bevorzugt über der Konvertermutter 68 vor und weist von dessen Stirnfläche 72 ausgehend ein Sackloch 74 mit Innengewinde auf, in dem eine Schraube 76 mit einer Scheibe 64 eingeschraubt wird, über die die piezokeramischen Lochscheiben 50, 52 zwischen der Stirnfläche 72 des ersten Bolzenelements 70 und der Scheibe 64 verspannt werden. Dabei verläuft der aus den piezokeramischen Scheiben 50, 52 gebildete Sensor 48 im Schwingungsmaximum des Konverters 54 und ist mit diesem derart kraftschlüssig über die Schraube 76 verbunden, dass ein Schwingen in Resonanz mit dem Konverter 54 erfolgt.
Sind die ersten piezokeramischen Lochscheiben 56, 58, 60, 62, über die die Schwingungen im Konverter 54 erzeugt werden, als aktive Bauteile zu bezeichnen, so sind die zweiten piezokeramischen Lochscheiben 50, 52 passive Bauteile, da über diese in Abhängigkeit von der Amplitude des Konverters 54 Signale erzeugt und einer Auswerteschaltung zugeführt werden, um die an den piezokeramischen Scheiben 56, 58, 60, 62 anliegende Hochfrequenzsignal derart zu regeln, dass der Konverter 54 gewünschte Amplituden aufweist, die wiederum definierte Rückschlüsse auf die Amplitude des Boosters bzw. der Sonotrode des Schwingersystems ermöglichen.
Die piezo-keramischen Lochscheiben 50, 52 können einen Außendurchmesser AD mit 15 mm ≥ AD ≥ 10 mm und/oder einen Inndurchmesser ID mit mit 8 mm ≥ ID ≥ 4 mm und/oder eine Dicke D mit 1,5 mm ≥ D ≥ 0,5 mm aufweisen. Dabei können aus Einbrennsilber bestehende Elektroden für die piezo-keramischen Lochscheiben 50, 52 benutzt werden, um die Signale abzugreifen.
Dabei kann ein Kalibrieren der Ausgangssignale des Sensors 48 dadurch erfolgen, dass z. B. mittels eines Lasers die Amplitude des Konverters 54 bestimmt wird und das Ausgangssignal des Sensors 48 auf ein normiertes Signal kalibriert wird. Entsprechende Werte können sodann in einem Chip abgelegt werden, der dem Schwinger bzw. dem Konverter 54 zugeordnet wie z. B. an diesem befestigt ist.
Dass die von dem Sensor abgegriffenen Signale unmittelbar Aussagen über die Amplituden des Konverters 54 ermöglichen, ist prinzipiell der 3 zu entnehmen. So sind eine Hochfrequenzstrommesskurve 80, die dem zum Konverter fließenden Hochfrequenzstrom entspricht, und eine Kurve 82 dargestellt, die den Signalen des Sensor 48 entspricht. Ein unmittelbarer Vergleich zeigt, dass der Kurvenverlauf des Sensors 48 eindeutig dem Kurvenverlauf des Hochfrequenzstroms zuzuordnen ist.
Um die Sensorsignale auszuwerten, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen einige beispielhaft den 4 bis 9 zu entnehmen sind.
So kann ein Differenzverstärker 84 mit Komparator zur Signalauswertung benutzt werden. An den Eingängen 86, 88 des Differenzverstärkers 84 liegen die Sensorsignale bzw. Hochfrequenzstrom- bzw. Spannungssignale des Generators an. Die Signale werden verglichen und bei unzulässiger Abweichung wird ein Signal erzeugt, das von der Steuerschaltung ausgewertet werden kann. Es ergibt sich dabei eine Signalform, die der 5 entspricht. Die erhaltenen Signale werden dann an den Digitaleingang einer Steuerung gelegt, um eine Regelung der Hochfrequenzspannung bzw. des Hochfrequenzstroms, der an den piezokeramischen Scheiben 56, 58, 60, 62, anliegt bzw. zum Konverter fließt, durchzuführen.
Auch besteht die Möglichkeit, mittels einer Gleichrichterschaltung 90 die Steuersignale auszuwerten, wie die 6 und 7 verdeutlichen. Über den Gleichrichter 90 wird ein analoges Gleichspannungssignal erzeugt, das im Bereich zwischen 0 und 10 V liegt und von der Steuerung ausgewertet werden kann. Das entsprechende Signal wird sodann einem Analogeingang einer zur Steuerung der Hochfrequenzspannung bzw. des Hochfrequenzstroms zugeführt.
Zur Ermittlung der Schwingfrequenz des Konverters 54 kann das Steuersignal an einen Eingang 92 eines Komparators 94 mit Hysterese anliegen. Zur Ermittlung der Schwingfrequenz wird das Sensorsignal in Impulse mit der Schwingfrequenz umgeformt und einem Zählereingang einer Steuerung wie SPS-Steuerung zugeführt.

Claims

Ultraschallschweißvorrichtung umfassend Schwingungen erzeugende bzw. übertragende Bauelemente in Form von zumindest einem Konverter (12, 54) und einer Sonotrode (14) sowie gegebenenfalls zwischen diesen angeordnetem Booster (16), eine der Sonotrode zugeordnete Gegenelektrode (Amboss) (15), zwischen der und der Sonotrode zu verdichtende bzw. zu verschweißende Teile wie Litzen vorzugsweise in einem Verdichtungsraum anordbar sind, wobei der Konverter mehrere in Schwingungen versetzbare erste piezokeramische Scheiben (56 58, 60, 62) umfasst, die zwischen einem Zapfen (66) und einer Mutter (68) angeordnet und zwischen diesen durch ein erstes Bolzenelement (70) verspannt sind, und wobei zumindest einem Bauelement ein die Amplitude des in Schwingung versetzten Bauelementes erfassender piezoelektrischer Sensor (48) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bolzenelement (70) ein von konvertermutterseitg verlaufender Stirnfläche (72) ausgehendes Sackloch (74) mit Innengewinde aufweist, in das ein zweites Bolzenelement (76) schraubbar ist, über das der piezokeramische Sensor (48) gegenüber dem ersten Bolzenelement verspannt ist.
Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezokeramische Sensor (48) zumindest zwei piezokeramische Lochscheiben (50, 52) umfasst, die jeweils einen Außendurchmesser AD mit 15 mm ≥ AD ≥ 10 mm und/oder einen Innendurchmesser ID mit 8 mm ≥ ID ≥ 4 mm und/oder eine Dicke D mit 1,5 mm ≥ D ≥ 0,5 mm aufweisen.
Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die piezokeramischen Lochscheiben (50, 52) aus Einbrennsilber bestehende Elektroden aufweisen.
Konverter (12, 54) einer Ultraschallschweißvorrichtung, der mit einer Hochfrequenzspannung bzw. einem Hochfrequenzstrom in eine Amplitude aufweisende Schwingung versetzbar ist, wobei der Konverter mehrere in Schwingungen versetzbare erste piezokeramische Scheiben (56, 58, 60, 62) umfasst, die zwischen einem Zapfen (66) und einer Mutter (68) angeordnet und zwischen diesen durch ein erstes Bolzenelement (70) verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bolzenelement (70) ein von konvertermutterseitig verlaufender Stirnfläche (72) ausgehendes Sackloch (74) mit Innengewinde aufweist, in das ein zweites Bolzenelement (76) schraubbar ist, über das ein piezokeramischer Sensor (48) als ein die Amplitude erfassender Sensor gegenüber dem ersten Bolzenelement verspannt ist.
Konverter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der piezokeramische Sensor (48) zumindest zwei piezokeramische Lochscheiben (50, 52) umfasst, die jeweils einen Außendurchmesser AD mit 15 mm ≥ AD ≥ 10 mm und/oder einen Innendurchmesser ID mit 8 mm ≥ ID ≥ 4 mm und/oder eine Dicke D mit 1,5 mm ≥ D ≥ 0,5 mm aufweisen.
Konverter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dass die piezokeramischen Lochscheiben (50, 52) aus Einbrennsilber bestehende Elektroden aufweisen.