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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung und/oder Bestimmung der Reinheit und Verbindungsgüte einer mittels einer Ultraschallschweißung hergestellten Verbindungsstelle zweier Fügepartner.
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Ultraschallschweißen wird seit längerem speziell zum Fügen von Kunststoffen eingesetzt. Beim Fügen von Thermoplasten stellt das Ultraschallschweißen ein bewährtes Verfahren dar. Dabei ermöglichen moderne Ultraschallschweißvorrichtungen aufgrund digitaler Generatortechnik und des Einsatzes von Mikroprozessoren exakte und reproduzierbare Verbindungsstellen. Bei der Parametereinstellung für unterschiedliche Applikationen und Materialien wird üblicherweise auf Erfahrungswerte zurückgegriffen. Die Überwachung des Fügeprozesses bereitet allerdings regelmäßig Probleme, da häufig erforderliche Qualitätsmerkmale und notwendige Schweißparameter nicht korrelierbar sind oder eben unterschiedliche Einflussfaktoren zusammentreffen und ein Rückschluss nicht sicher möglich ist.
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Mit den in der Praxis verwendeten SPC-Programmen zur statistischen Prozess-Kontrolle werden geschweißte Teile untersucht, um festzustellen, ob diese den gestellten Anforderungen genügen oder nicht.
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Nachteilig bei den im Stand der Technik bekannten Prüfungsverfahren ist der Umstand, dass bei der Mehrheit der zu bestimmenden Parameter eine zerstörerische Prüfung der Teile erforderlich ist. Ferner erfolgt die Evaluierung der Verbindungsstelle erst im Nachgang, d. h. wenn der Prozess bereits abgeschlossen ist. Somit lassen sich mit solchen Verfahren keine Schlechtteile vermeiden, sondern nur die Detektion dieser vornehmen.
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Nachteil diesbezüglicher Überprüfungsverfahren ist auch, dass bei der zerstörerischen Prüfung eine Produktion beeinträchtigt und gestört wird, so dass häufig nur stichprobenweise eine Bewertung erfolgen kann.
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Aus der
WO-A-2004/096480 ist ferner ein Verfahren zum Verschweißen von Litzenleitern bekannt, bei dem eine Regelung von zeitabhängigen Schweißparametern erfolgt, dass diese während des Verschweißen an Soll-Werte angepasst werden. Hierzu wird eine Ist-Kurve des zeitabhängigen Parameters gemessen, die mit einer Soll-Kurve verglichen wird. Im Umfang der Abweichung erfolgt eine Regelung. Hierbei erfolgt allerdings keine Überwachung der Güte und Reinheit der Litzenleiter, sondern nur eine Steuerung des Schweißprozesses.
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Aus der Druckschrift
DE 44 29 684 A ist ein Verfahren zum Verschweißen elektrischer Leiter bekannt, wobei die für das Kompaktieren bzw. Schweißen erforderlichen Prozess-Parameter dynamisch angepasst werden können. Innerhalb fest vorgegebener Grenzwerte liegende Schweißergebnisse werden Gutschweißungen zugeordnet und außerhalb liegende als Schlechtschweißungen bewertet. Das Toleranzband ist in seiner Breite konstant, wobei sich der Mittelwert entsprechend der aus den Schweißungen ermittelten Messerergebnisse in seinem Verlauf ändern kann.
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Um Prozessparameter beim Ultraschallschweißen zu steuern bzw. zu regeln, sieht die
DE 43 21 874 A vor, dass zur Überwachung des Energieeintrags in die Fügestelle zwischen den zu verschweißenden Teilen die Fügekraft während des Schweißvorganges gemessen wird.
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Aus der
WO 02/098636 A 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 einen charakteristischen Parameter des Werkstücks zu messen und sodann in Abhängigkeit vom Wert des gemessenen Parameters mit konstanter Amplitude einer Ultraschallenergie übertragenden Sonotrode den Schweißprozess zu beenden.
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Ein zusätzlicher Nachteil bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren ist der Umstand, dass solche Einflussfaktoren, wie Verschmutzungen oder Verunreinigungen der Fügepartner, somit solche Faktoren, die nicht durch Prozessparameter als solche, sondern durch externe Umwelteinflüsse oder mangelnde Vorbehandlung oder Reinigung auftretende Einflussfaktoren nicht bestimmt oder detektiert werden können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit dem auf einfache, kostengünstige und universelle Weise eine Überwachung und/oder Bestimmung der Reinheit und der Verbindungsgüte einer mittels einer Ultraschallschweißung herzustellende oder hergestellte Verbindungsstelle zweier Fügepartner erfolgen kann. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem die Verbindung eines Litzenleiters, vorzugsweise eines Aluminiumlitzenleiters und eines Kontaktelements, vorzugsweise eines Kabelschuhs bewertet werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst gemäß einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 11.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, mittels einer vorzugsweise In-Line-Messvorrichtung, messbare Parameter, das Schwingungsverhalten der am Ultraschallschweißprozess beteiligten Schweißwerkzeuge oder Fügeteile zu überwachen bzw. zu erfassen. Es konnte erkannt werden, dass sich bei unverschmutzten Fügeteilen das Schwingungsverhalten sowohl der Fügeteile, als auch der Schweißwerkzeuge gegenüber dem Schwingungsverhalten von verunreinigten Fügepartner bei ansonsten gleichen Prozessparametern nachweisbar ändert. Dies ist unter anderem auf das unterschiedliche Haft- und Gleitreibungsverhalten der Fügepartner zurückzuführen, welches durch Schmutzschichten, Ölfilme oder Schmutzpartikel beeinflusst wird.
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Es konnte erfindungsgemäß weiter festgestellt werden, dass sich das Schwingungsverhalten jeweils spezifisch ändert, so dass sich z. B. bei zunehmender Verschmutzung zunehmende Frequenzverschiebungen zu kleineren Frequenzen erheben. Ebenso konnten abnehmende Schwingungsamplituden detektiert werden, sobald eine Probe aus zwei Fügepartner mit einer Schmutzschicht beaufschlagt wurde. Typischerweise handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Schwingungsmessungen zur Detektion von Schmutz beim Ultraschallschweißprozess um Schwingungsresonanzmessungen die aufgrund der Anregung mit der Ultraschallschweißquelle bei typischen Anregungsfrequenzen erhalten werden.
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Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Überwachung und/oder Bestimmung der Reinheit und Verbindungsgüte einer mittels einer Ultraschallschweißung herzustellenden oder hergestellten Verbindungsstelle zweier Fügepartner vorgeschlagen, wobei das Schwingungsverhalten während dem Fügeprozess hinsichtlich eines Ist-Wertes der Schwingungsfrequenz und/oder der Schwingungsamplitude wenigstens eines am Fügeprozess beteiligten Fügepartners und/oder eines beim Fügeprozess verwendeten Werkzeugs einer Ultraschallschweißvorrichtung mittels Messung mit wenigstens einer Messvorrichtung, die ausgebildet ist, zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen, erfasst wird und mit einem vorbestimmten Soll-Wert als Referenzwert verglichen wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen während dem Fügeprozess eine optische Messvorrichtung verwendet wird, die insbesondere die Änderung der Resonanzschwingung gegenüber der Anregungsschwingung erfasst und weiter bevorzugt gegenüber einem Soll-Schwingungsverhalten bewertet.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen während dem Fügeprozess ein Laservibrometer verwendet wird. Der Laservibrometer misst mit Vorteil an einem oder mehreren Messpunkten und erfasst wenigstens einen Schwingungsparameter wie z. B. die Schwingungsfrequenz oder die Schwingungsamplitude.
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Bevorzugt ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt wird, dass mehrere Messpunkte betreffend ihrem von den Soll-Werten abweichendem Schwingungsverhalten durch die Messvorrichtung überprüft werden.
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So kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass an einem, mehreren oder allen der folgenden Teilen wenigstens ein Messpunkt betreffend dem Schwingungsverhalten erfasst wird, so z. B. an der Sonotrode, dem Amboss, dem ersten Fügepartner, vorzugsweise einem Kontaktelement, wie z. B. einem Kabelschuh und/oder dem zweiten Fügepartner, vorzugsweise einem Litzenleiter zur Quantifizierung deren mechanischer Schwingungen.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Ermittlung der Soll-Werte als Referenzwert eines spezifizierten Paares aus Fügepartner ein Paar aus nicht verschmutzten, vorzugsweise gereinigten Fügepartnern verwendet wird und mittels der Messvorrichtung zunächst die Quantifizierung der mechanischer Schwingungen während dem Fügeprozess erfasst wird indem die Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz an einem oder mehreren Referenzpunkten erfasst wird oder werden und die Ergebnisse als Soll-Werte zur Bestimmung eines „sauberen” d. h. unverschmutzten Paars solcher Fügepartner dienen.
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Erfindungsgemäß ist ferner mit Vorteil vorgesehen, dass das Maß der relativen Abweichung der erfassten Ist-Werte, vorzugsweise der erfassten Schwingungsamplitude und/oder der erfassten Schwingungsfrequenz von dem jeweiligen Soll-Wert als Maß für die Reinheit und damit Verbindungsgüte der Fügepartner verwendet wird und mit Vorteil in einem Referenzdatenspeicher abgelegt werden. So kann ferner eine Anzeigevorrichtung vorgesehen werden, welche eine Referenzkurve einer unverschmutzten Paarung aus Fügepartnern auf deren Anzeigebildschirm anzeigt und dazu überlagert oder auf der gleichen Ansicht auch die aktuelle Messkurve abbildet, so dass bereits aus der Abweichung der Kurven, insbesondere der Abweichung der Maxima der gemessenen Daten z. B. dem Frequenzmaximum der Soll-Kurve und dem Frequenzmaximum der Ist-Kurve für den Betrachter auf einfache Weise die Reinheit oder eine Verschmutzung bzw. sogar der Grad der Verschmutzung erkennbar wird.
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Es ist daher weiter bevorzugt das Verfahren dahingehend weiter zu entwickeln, dass eine Datenverarbeitungsanlage mit einem Datenspeicher sowie eine Eingabevorrichtung vorgesehen werden, bei denen der Benutzer oder Anwender für alle gewünschten Fügepartner einen Soll-Datensatz mit sowohl Soll-Prozessparametern als auch Soll-Schwingungsparametern abrufbar hinterlegt.
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Soll dann z. B. eine bestimmte Paarung eines Kontaktes mit einem Litzenleter mittels der Ultraschallschweissvorrichtung geschweißt werden, so kann der Benutzer einerseits die hierzu hinterlegten Schweißparameter aufrufen und sich gleichzeitig eine Soll-Kurve oder Soll-Daten für das zu erwartende Schwingungsverhalten anzeigen lassen. Wird dann beim Schweißen mit einer gemäß den Schweißparametern hinterlegten Anregungsfrequenz eine Frequenzverschiebung zu niedrigeren Frequenzen detektiert und bevorzugt ebenfalls auf dem Bildschirm angezeigt, so kann ein Anwender intuitiv und einfach die Abweichung feststellen.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn bei einer relativen Abweichung des erfassten Ist-Wertes von dem korrespondierenden Soll-Wert, welche größer ist als ein definierter Grenzwert, der Fügeprozess unterbrochen wird und/oder die Fügepartner als Fehlteile detektiert werden, wobei bevorzugt eine zulässigen Abweichung von maximal 10%, weiter vorzugsweise von maximal 5% definiert wird, um einen maximalen Verschmutzungsgrad zuzulassen.
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Besonders vorteilhaft ist es demnach, wenn die Frequenzverschiebung Δf zwischen der Anregefrequenz fA der Ultraschallschweißvorrichtung und der an einem Messpunkt während dem Fügeprozess gemessenen Frequenz fM erfasst wird und diese mit einer, vorzugsweise in einem Datenspeicher hinterlegten Soll-Frequenzverschiebung verglichen wird, um mittels des Grades der Frequenzverschiebung Δf einen Reinheitsgrad der Fügepartner zu erfassen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen eines wie zuvor beschriebenen Verfahrens umfassend eine Ultraschallschweißvorrichtung und einer Messvorrichtung, die ausgebildet ist zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen der mit der Ultraschallschweißvorrichtung zu fügende Fügepartner und/oder der Sonotrode während dem Ultraschallschweißprozess, wobei die Messvorrichtung besonders bevorzugt ein Laservibrometer ist.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine schematisches Ablaufdiagramm, welches einzelne Schritte bei der Durchführung des Verfahrens darstellt und
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3 eine Messkurve, welche die Daten eines Paares von unverschmutzten und daneben von verschmutzen Fügepartner wiedergibt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die 1 bis 3 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
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In der 1 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassend eine Ultraschallschweißvorrichtung 30 mit einem Amboss 32 und einer Sonotrode 31, zwischen denen ein Paar aus Fügepartnern 10, 20 eingebracht ist, um diese durch die Schwingungsanregung der Sonotrode 31 zu verschweißen. Ferner ist die Ultraschallschweißvorrichtung 30 mit einer optischen Messvorrichtung 40 und zwar einem Laservibrometer 40 versehen, der an geeigneter Position anordenbar ist. Als Fügepartner 10, 20 wurden ein Litzenleiter 10 mit einem Kabelschuh 20 verwendet.
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Der Laservibrometer 40 dient der Aufzeichnung und Quantifizierung der mechanischen Schwingungen, vorliegend der sich einstellenden Schwingungsfrequenz an der Sonotrode 31 oder an einem der Fügepartner 10, 20, während dem Fügeprozess.
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In Versuchen mit den Litzenleitern 10 und den Kabelschuhen 20 wurden die Messkurven und Messdaten für unverschmutzte Fügepartner 10, 20, sowie die Messkurven und Messdaten für diverse Verschmutzungsarten, wie z. B. einem Ölfilm aus Ziehöl auf der Litze oder Siloxan auf einem der beiden Fügepartner 10, 20 erfasst.
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In der 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm gezeigt, welches einzelne Schritte bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt. Das Laservibrometer 40 erfasst die Schwingungsdaten (Frequenz und Amplitude) und vergleicht diese mit einem Soll-Wert bzw. mit den Soll-Referenzdaten. Wird, wie in der 3 für ein Beispiel näher gezeigt eine Abweichung festgestellt, so kann die Probe bei der Bedingung: Abweichung größer als der zugelassene Grenzwert = Ja (J) als verschmutzt betrachtet werden, ansonsten bei der Bedingung: Abweichung größer als der zugelassene Grenzwert = Nein (N) als ausreichend sauber für den Prozess gewertet werden.
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Die Frequenzverschiebung Δf zwischen der Anregefrequenz fA der Ultraschallschweißvorrichtung 30 (hier gemessen an der Sonotrode) führte in der 3 zu den folgenden Resultaten. Die weiter rechts gezeigte Kurve zeigt das Resonanzmaximum bei 19,9369 Hz, was ein Überschwingen über die Anregungsfrequenz von 19,75 Hz bedeutet. Diese Daten entsprechen einem unverschmutzten Paar aus Fügepartnern 10, 20.
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Die relativ dazu weiter links verlaufende Kurve zeigt das Resonanzmaximum bei 19,9045 Hz. Diese Daten entsprechen einem verschmutzten Paar aus Fügepartnern 10, 20, wobei auf den Litzenleiter 10 ein Ölfilm aufgebracht wurde. Weitere Messungen mit verschmutzten Fügepartner zeigten alle eine Frequenzverschiebung in Richtung zu niedrigeren Frequenzen. Es wurden bei weiteren Messungen Maxima von jeweils 19,90 Hz, 19,85 Hz, 19,87 Hz usw. ermittelt, je nach Grad der Verschmutzung.
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Die Abweichung gemäß 3 zwischen Soll-Wert und Ist-Wert beträgt demnach 351 Hz.
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In einer anderen nicht näher dargestellten Messreihe, wurde die Schwingungsamplituden erfasst, welche bei den unverschmutzten Proben Werte von ca. 30 μm betrugen, während bei den verschmutzten Proben jeweils deutlich niedrigere Werte mit Abweichungen in der Größenordnung von ca. 10 μm erhalten wurden.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/096480 A [0006]
- DE 4429684 A [0007]
- DE 4321874 A [0008]
- WO 02/098636 A [0009]
