DE102016110228A1

DE102016110228A1 - Systeme und Verfahren zum Ultraschallschweissen

Info

Publication number: DE102016110228A1
Application number: DE102016110228.8A
Authority: DE
Inventors: Pei-Chung Wang; Susan M. Smyth; Zhongxia Liu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2036-06-03
Also published as: US20160354974A1; US10105787B2; CN106238898A; US10105789B2; US20160354858A1; DE102016110228B4; US10105788B2; US20160354859A1; CN106238898B

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren zur Verbesserung der Schweißnahtqualität beschrieben. Beispielsweise verwenden manche der beschriebenen Systeme und Verfahren eine Schweißnahtqualitätsüberwachung als Rückmeldung an einen Ultraschallschweißprozess im Hinblick auf eine Verbesserung der Schweißnahtqualität. Andere Systeme und Verfahren wiederum stellen eine Verbesserung des doppelseitigen und einseitigen Ultraschallschweißens durch die Verwendung von ausgewählten Mehrfachimpulsen bereit.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der Vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/172,005, eingereicht am 5. Juni 2015, der Vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/207,160, eingereicht am 19. August 2015, und der Vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/207,158, eingereicht am 19. August 2015, welche hierdurch jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin mit eingeschlossen sind.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Technik betrifft allgemein das Verbinden von Werkstücken durch Schweißen. Im Spezielleren betrifft die vorliegende Technik Systeme und Verfahren zum Ultraschallschweißen von Polymerverbundstoffen.
HINTERGRUND
Ultraschallschweißen ist eine industrielle Technik, durch welche hochfrequente akustische Ultraschallschwingungen lokal an Werkstücke angelegt werden, die unter Druck zusammengehalten werden, um eine Schmelzschweißnaht zu schaffen. Diese Technik wird gemeinhin zum Fügen von gleichartigen oder ungleichartigen Materialien verwendet. Ungleichartige Materialien umfassen beispielsweise thermoplastische Polymere und Metall (d. h. Metall-Polymer-Verbunde). Thermoplastische Materialien können bei angemessener Oberflächenbehandlung des Metalls mit Metall zusammengefügt werden. Diese Technik kommt unter anderem in Industriezweigen wie der Kraftfahrzeug-, Hausgeräte-, Elektronik-, Verpackungs-, Textil- und Medizinbranche zum Einsatz.
Infolge von Faktoren wie Bauteil- oder Materialschwankungen kann es zu einer unzureichenden Schweißnahtqualität kommen. Während des Ultraschallschweißens lässt sich eine in der Prozesslinie erfolgende Ermittlung der Schweißnahtqualität (z. B. der Schweißnahtqualität, während die Schweißnaht in Echtzeit ausgebildet wird bzw. ohne dass die Werkstücke dabei aus dem Schweißsystem entnommen werden) oft nur schwer durchführen. Darüber hinaus sind bestimmte Schweißsysteme nicht dafür ausgerüstet, Messungen zur Ermittlung der Schweißnahtqualität durchzuführen. Überdies kann es schwierig sein, unter Verwendung eines einseitigen Ultraschallschweißprozesses Schweißnähte von guter Qualität zu schaffen, und zwar beispielsweise aufgrund eines Spalts, der zwischen den Werkstücken vorhanden sein kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Technik offenbart Systeme und Verfahren zur Verbesserung der Schweißnahtqualität. Beispielsweise verwenden manche der beschriebenen Systeme und Verfahren eine Schweißnahtqualitätsüberwachung als Rückmeldung an einen Ultraschallschweißprozess im Hinblick auf eine Verbesserung der Schweißnahtqualität. Verschiedene Systeme und Verfahren verbessern das doppelseitige und das einseitige Ultraschallschweißen durch die Verwendung mehrerer ausgewählter Impulse.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren, dass durch Zusammenführen eines Ambosses und einer Sonotrode Druck auf ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück an einem Überlappungsabschnitt der Werkstücke aufgewendet wird; dass durch die Sonotrode, die von einem Controller gesteuert wird, ein erster Ultraschallschwingungsimpuls an die Werkstücke angelegt wird, bis ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert entspricht oder diesen überschreitet; und dass während des ersten Impulses durch den Controller eine Verlustleistung im zeitlichen Verlauf und eine Sonotrodenposition im zeitlichen Verlauf gemessen werden.
Das Verfahren umfasst weiterhin, dass durch den Controller Folgendes bestimmt wird: (1) eine Dauer einer Stufe als eine Differenz zwischen einer Endzeit der Stufe basierend auf dem Zeitpunkt, zu dem ein Controller die Ultraschallschwingung beendet; und einer Startzeit einer Stufe basierend auf einem Abfall der Verlustleistung im zeitlichen Verlauf; (2) eine Sonotrodenverschiebung während der Stufe basierend auf der Differenz zwischen: einer ersten Sonotrodenposition, die zur Startzeit der Stufe gemessen wird; und einer zweiten Sonotrodenposition, die zur Endzeit der Stufe gemessen wird, wobei die Sonotrodenposition im zeitlichen Verlauf die erste Sonotrodenposition und die zweite Sonotrodenposition umfasst; und (3) ein Schweißnahtfestigkeitswert basierend auf Schweißnahtfestigkeitsdaten, der Dauer der Stufe und der Sonotrodenverschiebung während der Stufe. Das Verfahren umfasst anschließend, dass durch den Controller der Schweißnahtfestigkeitswert mit einem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert verglichen wird.
Das Verfahren umfasst weiterhin, dass durch den Controller bestimmt wird: (1) dass eine Schweißnahtqualität annahmetauglich ist, wenn der Schweißnahtfestigkeitswert größer als der Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert ist; und (2) dass die Schweißnahtqualität nicht annahmetauglich ist, wenn der Schweißnahtfestigkeitswert geringer als der Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert ist. Das Verfahren wird so lange wiederholt, bis die Schweißnahtqualität annahmetauglich ist. Wenn beispielsweise die Schweißnahtqualität nicht annahmetauglich ist, umfasst das Verfahren, dass durch die Sonotrode, die von einem Controller gesteuert wird, ein zweiter Ultraschallschwingungsimpuls an die Werkstücke angelegt wird, bis ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert entspricht oder diesen überschreitet; und dass die Schritte des Messens, des Bestimmens und des Vergleichens für den zweiten Impuls wiederholt werden.
Der zweite Impuls kann nach einer ausgewählten Abkühlzeit angelegt werden. Außerdem kann ein Schweißparameter des zweiten Impulses in Bezug auf jenen des ersten Impulses angepasst werden. Die Schweißparameter umfassen die Schweißzeit, die Schweißenergie und den Schweißdruck. Sind beispielsweise die Sonotrodenverschiebung während der Stufe und die Dauer der Stufe zu gering, so umfasst das Anpassen von zumindest einem Schweißparameter, dass die Schweißzeit und/oder die Schweißenergie und/oder der Schweißdruck erhöht werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden die Schweißnahtfestigkeitsdaten vorab bestimmt und den Werkstücken zugeordnet. Gemäß bestimmten Ausführungsformen handelt es sich bei dem voreingestellten Schwellenwert um eine Schweißenergiemenge und/oder eine Schweißzeitfestlegung und/oder eine Sonotrodenposition relativ zu einer Startposition.
Andere Aspekte der vorliegenden Technik werden im Folgenden zum Teil augenscheinlich und werden zum Teil dargelegt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht schematisch ein Ultraschallschweißsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
2 veranschaulicht eine grafische Darstellung einer Verteilung von Schweißnahtgrößendaten und Schweißnahtfestigkeitsdaten.
3 veranschaulicht schematisch ein Steuerungssystem des Schweißsystems aus 1.
4 ist ein Ablaufdiagramm eines ersten Ultraschallschweißverfahrens, durchgeführt durch das Schweißsystem aus 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
5 veranschaulicht schematisch das Ultraschallschweißsystem aus 1.
6 ist eine grafische Veranschaulichung der Temperatur an bestimmten Werkstückstellen während des ersten Ultraschallschweißverfahrens aus 4.
7 ist eine grafische Veranschaulichung der Position einer Sonotrode des Ultraschallschweißsystems aus 1 und der Verlustleistung des Ultraschallschweißsystems aus 1 während des ersten Ultraschallschweißverfahrens aus 4.
8 ist eine grafische Veranschaulichung der Position einer Sonotrode des Ultraschallschweißsystems aus 1 und der Verlustleistung des Ultraschallschweißsystems aus 1 während des Ultraschallschweißverfahrens aus 4.
9 ist eine grafische Veranschaulichung der Schweißnahtfestigkeit, der Verschiebung einer Sonotrode des Ultraschallschweißsystems aus 1 während einer Stufe T3 des Ultraschallschweißverfahrens aus 4 und der Dauer der Stufe T3 des Ultraschallschweißverfahrens aus 4.
10 ist eine grafische Veranschaulichung der Mehrfachimpulse gemäß dem ersten Ultraschallschweißverfahren aus 4.
11 ist eine schematische Veranschaulichung eines Querschnitts von Werkstücken nach einem ersten Impuls eines Ultraschallschweißverfahrens.
12 ist ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ultraschallschweißverfahrens, durchgeführt durch das Schweißsystem aus 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
13 veranschaulicht eine grafische Darstellung der Verteilung von Schweißnahtfestigkeitsdaten, die Mehrfachimpulsen während des zweiten Ultraschallschweißverfahrens aus 12 zugeordnet sind.
14 veranschaulicht schematisch ein einseitiges Ultraschallschweißsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
15 ist ein Ablaufdiagramm eines dritten Ultraschallschweißverfahrens, durchgeführt durch das Schweißsystem aus 14 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
16 ist eine grafische Darstellung einer Verteilung von Schweißnahtfestigkeitsdaten, die Mehrfachimpulsen während des Ultraschallschweißverfahrens aus 15 zugeordnet sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden hier detaillierte offenbarungsgemäße Ausführungsformen offenbart. Bei den offenbarten Ausführungsformen handelt es sich lediglich um Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Ausführungsformen und in Kombinationen daraus verkörpert sein können. Die hier verwendeten Begriffe 'beispielhaft', 'veranschaulichend' und ähnliche Ausdrücke beziehen sich umfassend auf Ausführungsformen, die als Veranschaulichung, Probe, Modell oder Muster dienen.
Beschreibungen sind in einem breiten Sinn und nach der Wesensart der Beschreibung zu verstehen. So sollen beispielsweise Bezugnahmen auf Verbindungen zwischen zwei beliebigen Teilen auch die beiden Teile, die direkt oder indirekt miteinander verbunden werden, umfassen. Als weiteres Beispiel ist ein hier beschriebenes Einzelbauteil, etwa in Verbindung mit einer oder mit mehreren Funktionen, so zu verstehen, dass dadurch auch Ausführungsformen abgedeckt werden, bei denen stattdessen mehr als nur ein Bauteil zum Einsatz kommen, um die betreffende(n) Funktion(en) durchzuführen. Und auch der Umkehrfall trifft zu – d. h., hier gegebene Beschreibungen von mehreren Bauteilen in Verbindung mit einer oder mit mehreren Funktionen, sind so zu verstehen, dass dadurch auch Ausführungsformen abgedeckt werden, bei denen ein Einzelbauteil die betreffende(n) Funktion(en) durchführt.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabgetreu und manche Merkmale können unverhältnismäßig vergrößert oder auch minimiert dargestellt sein, um Details von bestimmten Bauteilen zu zeigen. Bei manchen Beispielfällen sind gemeinhin bekannte Bauteile, Systeme, Materialien oder Verfahren aus Rücksicht auf eine klare Darstellung der vorliegenden Offenbarung nicht im Detail beschrieben. Daher sind in diesem Dokument offenbarte, spezifische Details betreffend Aufbau und Funktion nicht als Einschränkungen aufzufassen, sondern lediglich als Grundlage für die Patentansprüche und als eine repräsentative Basis, um den Fachmann darin zu unterweisen, die vorliegende Offenbarung auf verschiedene Art und Weise umzusetzen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE OFFENBARUNG
Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren sind für das Fügen von Werkstücken ausgelegt. Es ist zwar hier das Ultraschallschweißen von Werkstücken aus Polymerverbundstoffen als ein primäres Beispiel beschrieben, die Technik kann jedoch auch in Verbindung mit anderen Schweißarten und anderen Werkstückmaterialien verwendet werden, ohne dass dadurch vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abgewichen wird.
Beispielsweise ist das Ultraschallschweißen allgemein auf Werkstücke anwendbar, die aus Materialien wie etwa Polymerverbundstoffen, Kunststoffen (z. B., Hart- und Weichkunststoffen, wie etwa teilkristallinen Kunststoffen), Tafeln aus carbonfaserverstärktem Polymer (CFRP) und aus Metallen (z. B. dünnen, schmiedbaren Metallen, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer und Nickel) gefertigt sind. Bei sachgemäßer Oberflächenbehandlung von Metall kann der Prozess auch zum Fügen von ungleichartigen Materialien (z. B. zum Fügen eines Metalls mit einem Polymer) verwendet werden.
Als beispielhafte Werkstücke sind Bleche, Stiftbolzen, Vorsprünge, Elektrokabelhalterungen, Wärmetauscherrippen und Rohre zu nennen. Aus didaktischen Gründen werden hier Verfahren zum Fügen zweier Materialplatten beschrieben. Die hier beschriebenen Verfahren können zum Fügen von mehr als zwei Materialplatten oder von mehr als zwei Werkstücken verwendet werden. Die hier beschriebenen Verfahren können beispielsweise auch auf das Fügen von mehreren Werkstücken (z. B., mehr als zwei Werkstücken) in einem Lagenaufbau angewendet werden.
Fig. 1–Fig. 2 – SCHWEISSSYSTEM
In 1, auf welche nun Bezug genommen wird, ist ein Schweißsystem 10 schematisch gezeigt. Ein Umformer 20 (z. B. ein piezoelektrischer Wandler) wandelt ein elektrisches Signal, das von einem Elektrogenerator 19 kommt, in mechanische Schwingungen um, welche von einem Booster 21 verstärkt werden. Ein Schweißwerkzeug 22 (z. B. eine Sonotrode) ist mit einem Umformer 20 verbunden. Die Sonotrode 22 ist dafür ausgelegt, in Kontakt mit den Werkstücken 30, 32 gebracht zu werden, um mechanische Schwingungen (z. B. Ultraschallwellen) von dem Umformer 20 auf die Werkstücke 30, 32 zu übertragen. Die Sonotrode 22 tritt mit dem ersten Werkstück 30 an einer Sonotroden/Werkstück-Berührungsfläche 38 in Kontakt.
Ein Stützrahmen 40 des Systems 10 umfasst einen Amboss 42 (z. B. eine Aufnahme) und einen Aktor 44, wie etwa einen Servokolben 44, der eine vertikale Bewegung und Positionierung der Sonotrode 22 in Bezug auf den Amboss 42 bereitstellt. Ein Pfeil 46 stellt eine positive Bewegungsrichtung der Sonotrode 22 in den weiter unten erörterten Graphen dar. Durch den Servokolben 44 lässt sich die während des Schweißprozesses durch die Sonotrode 22 aufgewendete Kraft anpassen. Gemäß alternativen Ausführungsformen umfasst der Aktor einen Pneumatikkolben 44. Über den Aktor 44 ist die Sonotrode 22 dafür ausgelegt, eine Kraft (d. h., den Schweißdruck) an die Werkstücke 30, 32 anzulegen.
Aus didaktischen Gründen soll es sich in 1, auf welche Bezug genommen wird, bei einem ersten Werkstück 30 um eine erste Platte aus Polymerverbundmaterial und bei dem zweiten Werkstück 32 um eine zweite Platte aus Polymerverbundmaterial handeln. Das erste Werkstück 30 und das zweite Werkstück 32 sind überlappend angeordnet (d. h., sie bilden einen Überlappungsabschnitt 34). Gemäß alternativen Ausführungsformen sind die Werkstücke derart angeordnet, dass sie einen Stumpfstoß bilden oder in anderen Auslegungen andere Fügeverbunde bilden. Eine erste Fläche des ersten Werkstücks 30 ist an einer Berührungsfläche 36, die auch als Fügefläche bezeichnet wird, gegen eine zweite Fläche des zweiten Werkstücks 32 positioniert.
Das System 10 umfasst ein Datenerfassungssystem 50, das mit einem Drucksensor 52 (oder einem Kraftsensor), einem Sonotrodenpositionssensor 54 und einer Leistungsmesseinheit 56 verbunden ist. Wie weiter unten genauer beschrieben, misst der Positionssensor 54 eine Position relativ zu einer Startposition (wobei die Startposition z. B. darin besteht, dass die Sonotrode in Kontakt mit dem Werkstück 30 steht und einen Schweißdruck aufbringt, und zwar noch vor dem Anlegen einer Ultraschallschwingung). Die Position relativ zu der Startposition kann stattdessen auch als Verschiebung bezeichnet werden, es wird jedoch der Begriff 'Relativposition' verwendet, da der Begriff 'Verschiebung' weiter unten mit Bezugnahme auf die Differenz in zwei durch den Positionssensor 54 gemessenen Positionen verwendet wird. Das Datenerfassungssystem 50 umfasst außerdem einen Zeitmesser 58, der dafür ausgelegt ist, Zeit zu messen.
Das Datenerfassungssystem 50 zeichnet allgemein Daten während eines durch das Schweißsystem 10 durchgeführten Ultraschallschweißverfahrens auf. Das Datenerfassungssystem 50 ist mit einem Controller 60 verbunden und ist dafür ausgelegt, aufgezeichnete Daten an den Controller 60 des Schweißsystems 10 bereitzustellen, um die Schweißnahtqualität zu bewerten, wie dies weiter unten genauer beschrieben ist.
Insbesondere zeichnet das Datenerfassungssystem 50 jeweils den von dem Drucksensor 52 kommenden Schweißdruck, die von der Leistungsmessungseinheit 56 kommende Schweißenergie und die von dem Positionssensor 54 kommende Position der Sonotrode 22 jeweils als Funktion der Zeit auf. Das Datenerfassungssystem 50 zeichnet jeweils die Schweißzeit, die Haltezeit und die Verzögerungszeit von dem Zeitmesser 58 kommend auf.
In 1, mit welcher nun fortgesetzt wird, ist das Schweißsystem 10 dafür ausgelegt, die hier beschriebenen Verfahren durchzuführen. Kurz beschrieben umfasst das System 10 drei Schweißmodi, die als Energiemodus, Zeitmodus und Sonotrodenpositionsmodus bezeichnet werden. Jeder Schweißmodus zeichnet sich durch einen entsprechenden Vorgabewert für die Schweißenergie, die Schweißzeit und die Sonotrodenposition relativ zu einer Startposition aus. Im Besonderen wird der Schweißenergie-Vorgabewert für den Energiemodus, der Schweißzeit-Vorgabewert für den Zeitmodus und der Sonotrodenposition-Vorgabewert für den Sonotrodenpositionsmodus verwendet. Die Vorgabewerte sind im Hinblick auf deren weiter unten genauer beschriebene Verwendung durch den Controller 60 in einem Speicher 84 (in 3 gezeigt) abgespeichert.
Die Vorgabewerte legen zumindest einen Schwellenwert fest, bei welchem der Ultraschallschweißprozess gestoppt wird. Gemäß einem beispielhaften Prozess werden die Werkstücke 30, 32 unter Verwendung einer Nennleistung des Systems 10 verschweißt. Wenn die Schweißenergie, die Schweißzeit oder die Sonotrodenverschiebung den Vorgabewert für den gewählten Schweißmodus erreicht, wird die Ultraschallwellenoszillation gestoppt. Die Schweißnahtqualität kann in jedem gewählten Schweißmodus durch die entsprechenden Vorgabewerte kontrolliert durchgeführt – z. B. unter Vermeidung von übermäßiger Energieaufwendung auf hohem Niveau gehalten – werden.
In 2, auf welche Bezug nun genommen wird, sind Verteilungen von Schweißnahtfestigkeit und Schweißnahtbereich veranschaulicht, die sich aus verschiedenen Schweißenergien, die auf ultraschallgeschweißte, thermoplastische Verbundstoffe aufgewendet werden, ergeben. Die linke Y-Achse umfasst eine Skala der Schweißnahtdurchmesser, gemessen in Millimeter (mm) und ist den schwarzen Datenpunkten zugeordnet. Die rechte Y-Achse umfasst eine Skala der Schweißnahtfestigkeit, gemessen in Kilonewton (kN) und ist den weißen Datenpunkten zugeordnet. Die x-Achse umfasst eine Skala der aufgewendeten Schweißenergie, gemessen in Joule (J).
Wie gezeigt, ist eine signifikante Verteilung oder Streuung bei der Schweißnahtfestigkeit und dem Schweißnahtbereich für Fügeverbunde (d. h. Schweißnähte), die unter denselben Schweißbedingungen und unter Verwendung derselben Schweißparameter angefertigt wurden, festzustellen. Die Streuung ist zumindest zum Teil auf Schwankungen bei der Schweißnahtqualität zurückzuführen. Durch die weiter unten eingehender beschriebenen Schweißverfahren lässt sich die Schweißnahtfestigkeit erhöhen und die Streuung verringern.
Fig. 3 – STEUERUNGSSYSTEM
In 3, auf welche nun Bezug genommen wird, umfasst der Controller 60 einen Prozessor 80 zum Steuern und/oder Verarbeiten von Daten, Eingangs-/Ausgangsdatenports 82 und einen Speicher 84. Der Controller 60 kann auch mit anderen Begriffen, wie etwa Controllereinheit, Controllereinrichtung, materieller Controller, materielle Controllereinrichtung oder dergleichen bezeichnet werden.
Bei dem Prozessor könnte es sich um mehrere Prozessoren handeln, die verteilte Prozessoren oder parallele Prozessoren in einem Einzelrechner oder in mehreren Rechnern umfassen könnten. Der Prozessor könnte einen oder mehrere virtuelle(n) Prozessor(en) umfassen. Der Prozessor könnte eine Zustandsmaschine, einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC), ein programmierbares Gate-Array (PGA) einschließlich eines feldprogrammierbaren Gate-Arrays, oder eine Zustandsmaschine umfassen. Wenn ein Prozessor Befehle ausführt, um ”Vorgänge” durchzuführen, so könnte dies umfassen, dass der Prozessor diese Vorgänge direkt durchführt und/oder dass er sie erleichtert, lenkt oder in Zusammenwirken mit anderen Geräten oder Komponenten durchführt.
Der Controller 60 kann eine Vielfalt von computerlesbaren Medien, einschließlich flüchtigen Medien, nichtflüchtigen Medien, wechselbaren Medien und nichtwechselbaren Medien umfassen. Der Begriff ”computerlesbare Medien” und Varianten davon, die in der Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet werden, umfasst Speichermedien. Der Begriff 'Speichermedien' umfasst flüchtige und/oder nichtflüchtige, wechselbare und/oder nichtwechselbare Medien, wie beispielsweise RAM, ROM, EEPROM, Flash-Speicher oder andere Speichertechnologien, CD-ROM, DVD oder andere optische Speicherplatten, Magnetbänder, Magnetplattenspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen oder jedes andere Medium, das dafür ausgelegt ist, zum Speichern von Daten verwendet zu werden, auf welche durch den Controller 60 zugegriffen werden kann.
Der Speicher 84 ist als in der Nähe des Prozessors 80 befindlich veranschaulicht, es versteht sich jedoch, dass es sich bei zumindest einem Abschnitt des Speichers um ein Speichersystem mit Fernzugriff, wie beispielsweise einen Server in einem Kommunikationsnetzwerk, ein Festplattenlaufwerk mit Fernzugriff, ein wechselbares Speichermedium, Kombinationen daraus und dergleichen handeln kann. Somit können die gesamten weiter unten beschriebenen Daten, Anwendungen und/oder Softwareprodukte in dem Speicher abgespeichert sein und/oder kann auf diese über Netzwerkverbindungen zu anderen Datenverarbeitungssystemen (nicht gezeigt), die beispielsweise ein Local Area Network (LAN), ein Metropolitan Area Network (MAN) oder ein Weitverkehrsnetzwerk (Wide Area Network – WAN) umfassen können, zugegriffen werden.
Der Speicher 84 umfasst verschiedene Klassen von Software und Daten, die in dem Controller 60 verwendet werden und die Anwendungen 90, eine Datenbank 92, ein Betriebssystem 94 und Eingangs-/Ausgangsgerätetreiber 96 umfassen.
Wie für den Fachmann festzustellen ist, kann es sich bei dem Betriebssystem 94 um jedes beliebige Betriebssystem zur Verwendung mit einem Datenverarbeitungssystem handeln. Die Eingangs-/Ausgangsgerätetreiber 96 können verschiedene Routinen umfassen, auf welche von den Anwendungen über das Betriebssystem 94 zugegriffen wird, um mit Geräten und bestimmten Speicherkomponenten zu kommunizieren. Die Anwendungen 90 können in dem Speicher 84 und/oder in einer Firmware (nicht gezeigt) als ausführbare Befehle abgespeichert sein und können durch den Prozessor 80 ausgeführt werden.
Die Anwendungen 90 umfassen verschiedene Programme, welche, wenn sie durch den Prozessor 80 ausgeführt werden, die verschiedenen Merkmale des Controllers 60 implementieren. Die Anwendungen 90 umfassen Anwendungen zum Ausführen der hier beschriebenen Verfahren. Die Anwendungen 90 sind in dem Speicher 84 abgespeichert und sind dafür ausgelegt, durch den Prozessor 80 ausgeführt zu werden.
Die Anwendungen 90 können in der Datenbank 92 gespeicherte Daten, wie beispielsweise jene, die über die Eingangs-/Ausgangsdatenports 82 empfangen werden, verwenden. Die Datenbank 92 umfasst statische und/oder dynamische Daten, die von den Anwendungen 90, dem Betriebssystem 94, den Eingangs-/Ausgangsgerätetreibern 96 und anderen Softwareprogrammen, die sich in dem Speicher 84 befinden können, genutzt werden können.
Es versteht sich, dass 3 und die obige Beschreibung dazu gedacht sind, eine kurze, allgemeine Beschreibung einer geeigneten Umgebung bereitzustellen, in welcher die verschiedenen Aspekte einiger Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung implementiert werden können. Die Begrifflichkeiten ”computerlesbare Medien”, ”computerlesbares Speichervorrichtung” und Varianten davon, die in der Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendet werden, können Speichermedien umfassen. Speichermedien können flüchtige und/oder nichtflüchtige, wechselbare und/oder nichtwechselbare Medien, wie beispielsweise RAM, ROM, EEPROM, Flash-Speicher oder andere Speichertechnologien, CD-ROM, DVD oder andere optische Speicherplatten, Magnetbänder, Magnetplattenspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen oder jedes andere Medium unter Ausnahme von Weitergabesignalen umfassen, das zum Speichern von Daten verwendet werden kann, auf die durch das in 3 gezeigte Gerät zugegriffen werden kann.
Die Beschreibung umfasst zwar einen allgemeinen Kontext von computerausführbaren Befehlen, die vorliegende Offenbarung kann jedoch auch in Kombination mit anderen Programmmodulen und/oder in Form einer Kombination aus Hardware und Software implementiert sein. Der Begriff ”Anwendung” oder Varianten davon wird/werden hier umfassend verwendet und es sind damit Routinen, Programmmodule, Programme, Komponenten, Datenstrukturen, Algorithmen und dergleichen zu verstehen. Anwendungen können auf verschiedenen Systemkonfigurationen, einschließlich Einprozessor- oder Mehrprozessorsystemen, Minicomputern, Großrechnern, Personal-Computern, Handcomputergeräten, mikroprozessorbasierten, programmierbaren Unterhaltungselektronik-Geräten, Kombinationen daraus und dergleichen, implementiert sein.
Fig. 4 – ERSTES ULTRASCHALLSCHWEISSVERFAHREN
In 4, auf welche nun Bezug genommen wird, wird gemäß einem Ultraschallschweißverfahren 100 das Ultraschallschweißsystem 10 (1) dazu verwendet, das erste Werkstück 30 und das zweite Werkstück 32 zusammenzufügen.
Gemäß einem ersten Block 110 des Verfahrens 100 aus 4 werden die Werkstücke 30, 32 (1) auf einer Bearbeitungsfläche des Ambosses 42 positioniert. Der Überlappungsabschnitt 34 der Werkstücke 30, 32 wird zwischen der Sonotrode 22 und dem Amboss 42 positioniert.
Gemäß einem zweiten Block 120 werden der Amboss 42 und die Sonotrode 22 zusammengeführt, um an dem Überlappungsabschnitt 34 Druck für den Schweißvorgang (der auch als Schweißdruck bezeichnet werden kann) auf die Werkstücke 30, 32 aufzuwenden. Der Amboss 42 und die Sonotrode 22 pressen das erste Werkstück 30 und das zweite Werkstück 32 an der Fügefläche 36 zusammen.
Gemäß einem dritten Block 130 legt der Controller 60, während die Werkstücke 30, 32 unter Druckaufwendung zusammengehalten werden, über die Sonotrode 22 einen Ultraschallschwingungsimpuls an die Werkstücke 30, 32 an. Von der Ultraschallschwingung herrührende Wärme (d. h., Wärme von der Reibung zwischen den Werkstücken und intermolekulare Schwingung) bringt Material des ersten Werkstücks 30 und des zweiten Werkstücks 32 an der Berührungsfläche 36 zum Schmelzen. Die Ultraschallschwingung verursacht ein lokales Schmelzen von Material infolge der Absorption von Schwingungsenergie. Die Schwingungen werden über die Berührungsfläche 36 hinweg (z. B. über den zu schweißenden Fügeverbund) eingeleitet.
Gemäß einem vierten Block 140 und unter Bezugnahme auf die weiter oben beschriebenen Modi entspricht ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert oder übersteigt diesen, woraufhin der Ultraschallschwingungsimpuls gestoppt wird. Sobald die Ultraschallschwingung gestoppt ist, beginnt die Schmelze zu erstarren und die Werkstücke 30, 32 sind nun an den Fügeflächen (z. B. den Überlappungs- oder Kontaktflächen) (d. h. an den Berührungsflächen 36) zusammengefügt. Das Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf das Temperaturverhalten der Werkstücke 30, 32 eingehender beschrieben.
Fig. 5 UND Fig. 6 – TEMPERATURVERHALTEN
In 5, auf welche nun Bezug genommen wird, umfasst das System 10 Thermoelemente 70, 72 zur Temperaturmessung an der Sonotrode/Werkstück-Grenzfläche 38 und an der Werkstück/Werkstück-Grenzfläche 36 (d. h. an der Fügefläche). Die Thermoelemente 70, 72 sind an der Sonotrode/Werkstück-Grenzfläche 38 und an der Fügefläche 36 positioniert und sind mit dem Datenerfassungssystem 50 verbunden.
Das Datenerfassungssystem 50 zeichnet gemäß verschiedenen Ausführungsformen die Temperatur und/oder die Sonotrodenverschiebung als eine Funktion der Zeit während des Ultraschallschweißverfahrens 100 (4) auf. 6 stellt die Temperatur durch die linke Y-Achse (gemessen in Grad Celsius (C)) und die Sonotrodenverschiebung durch die rechte Y-Achse (gemessen in Millimeter (mm)) dar, und zwar jeweils als eine Funktion der Zeit t (gemessen in Sekunden (s)), welche durch die X-Achse dargestellt ist. Die Temperatur 200 an der Sonotrode/Werkstück-Grenzfläche 38 wird durch das Thermoelement 70 gemessen und die Temperatur 202 an der Fügefläche 36 wird durch das Thermoelement 72 gemessen. Die Temperatur im zeitlichen Verlauf an einer jeden von der Sonotrode/Werkstück-Grenzfläche 38 und der Werkstück/Werkstück-Grenzfläche 36 während des Ultraschallschweißverfahrens 100 wird nun in Bezug auf eine Reihe von Zeitstufen T1, T2, T3 und T4 eingehender beschrieben.
Während einer Stufe eins, T1, beginnt ein Ultraschallschwingungsimpuls und es kommt infolge von Coulombscher Reibung zwischen der Sonotrode/Werkstück-Grenzfläche 38 und der Werkstück/Werkstück-Grenzfläche 36 zu einer Erhöhung der Temperaturen 200, 202.
Während einer Stufe zwei, T2, ist die Coulombsche Reibung nicht mehr die Haupterwärmungsquelle und es wird die viskoelastische Erwärmung des Materials vorherrschend. Die Temperatur 202 in der Nähe der Fügefläche 36 nimmt annähernd linear mit der Schweißzeit zu und erreicht eine Spitzentemperatur gegen Ende der Stufe zwei, T2.
Während einer Stufe drei, T3, kommt es, während sich die Temperatur 202 in der Nähe der Fügefläche 36 stabilisiert, mit der Zeit zu einer Zunahme der Temperatur 200 in der Nähe der Sonotrode/Werkstück-Grenzfläche 38. In dem Maß, in dem sich die Sonotrode 22 in das obere Werkstück 30 eindrückt, bildet sich ein Schmelzfilm und eine gewisse Menge geschmolzener Materialien wird aus der Fügefläche 36 herausgedrückt. Folglich lässt sich in Stufe drei, T3, eine Sonotrodenverschiebung (z. B., eine markanter Anstieg der Sonotroden-Relativposition 204) beobachten. In diesem Zustand steht die Schmelzrate der Materialien in einem ausgeglichenen Verhältnis zu der Ausbreitungsrate der Schmelze.
Während einer Stufe vier, T4, stoppt der Controller 60 gemäß dem vierten Block 140 (4) die Ultraschallschwingung und die Schmelze beginnt zu erstarren. Eine jede von der Temperatur 202 der Fügefläche 36 und der Temperatur 200 der Sonotrode/Werkstück-Grenzfläche 38 sinkt im zeitlichen Verlauf ab, während sich die Sonotrode 22 geringfügig abwärts bewegt (z. B. in eine positive Richtung, wie durch den Pfeil 46 in 1 angegeben; die Sonotroden-Relativposition 204 erhöht sich relativ zu einer Startposition 206), was in erster Linie auf eine Materialkontraktion zurückzuführen ist. Somit sind die beginnende Ausbildung und das Anwachsen der Schweißnaht von der Energie abhängig, die durch die Materialien der Werkstücke 30, 32 an der Fügefläche 36 verbraucht wird.
Fig. 7–Fig. 10 – VERLUSTLEISTUNG UND SONOTRODENVERSCHIEBUNG
In 7, mit welcher fortgesetzt wird, werden die Verlustleistung 210 und die Relativposition 204 der Sonotrode 22 während des Ultraschallschweißverfahrens 100 eingehender beschrieben. 7 stellt die Position der Sonotrode 22 relativ zu einer Startposition (206) durch die linke Y-Achse (gemessen in Millimeter (mm)) und die Verlustleistung durch die rechte Y-Achse (gemessen in Watt (W)) dar, und zwar jeweils als eine Funktion der Zeit t (gemessen in Sekunden (s)), welche durch die X-Achse dargestellt ist. Während des dritten Blocks 130 wird die Verlustleistung 210 durch die Leistungsmesseinheit 56 gemessen und wird die Relativposition 204 der Sonotrode 22 durch den Positionssensor 54 gemessen. Die Verlustleistung ist die Leistung, welche auf die Werkstücke 30, 32 übertragen wird (oder von diesen absorbiert wird).
In 7 nimmt die Verlustleistung 210 in Stufe eins, T1, linear zu, während es an der Sonotrode/Werkstück-Grenzfläche 38 und an der Fügefläche 36 zu Coulombscher Reibung kommt.
In Stufe zwei, T2, werden, während das Ultraschallschweißen fortgesetzt wird, mehr und mehr Oberflächenunebenheiten an der Fügefläche 36 geschmolzen und die Verlustleistung 210 erreicht einen Höchstwert. Als Folge der Erwärmung dehnen sich die Werkstücke 30, 32 zu Beginn der Stufe zwei, T2, aus und bewegt sich die Sonotrode 22 aufwärts (z. B. ist die Aufwärtsrichtung negativ oder entgegengesetzt zu der durch den Pfeil 46 in 1 angegebenen Richtung; die Sonotroden-Relativposition 204 nimmt relativ zu der Startposition 206 ab). Bei weiterem Voranschreiten der Stufe zwei, T2, endet infolge fortgesetzter Erwärmung der Werkstücke 30, 32 die Ausdehnung der Werkstücke 30, 32, da Oberflächenunebenheiten weggeschmolzen sind, und die Sonotrode 22 bewegt sich abwärts.
In Stufe drei, T3, werden Oberflächenunebenheiten an der Fügefläche 36 geschmolzen und wird ein Schmelzfilm ausgebildet. Wenn die Schmelzrate und die Ausbreitungsrate von Material an der Fügefläche 36 in einem ausgeglichenen Verhältnis zueinander stehen, ist weniger Schwingungsenergie erforderlich, um das Material an der Fügefläche 36 zu schmelzen und so die ausgebreitete Schmelze auszugleichen. Aufgrund der Ausbildung der Schmelze an der Fügefläche 26 erhöht sich die Relativposition 204 der Sonotrode 22 im zeitlichen Verlauf (d. h., sie verschiebt sich) und die Verlustleistung 210 verringert sich im zeitlichen Verlauf, bis die Ultraschallschwingung am Ende der Stufe drei, T3, gestoppt wird.
8 zeigt ein anderes Beispiel von Sonotrodenposition und Verlustleistung. 8 stellt wiederum die Position 204 der Sonotrode 22 relativ zu einer Startposition (206) durch die linke Y-Achse (gemessen in Millimeter (mm)) und die Verlustleistung 210 durch die rechte Y-Achse (gemessen in Watt (W)) dar, und zwar jeweils als eine Funktion der Zeit t (gemessen in Sekunden (s)), welche durch die X-Achse dargestellt ist.
In 8, auf welche nun Bezug genommen wird, bestimmt der Controller 60 eine Sonotrodenverschiebung (ΔD_T3) in Stufe drei, T3, und eine Dauer (Δt_T3) der Stufe drei, T3. Die Sonotrodenverschiebung (ΔD_T3) in Stufe drei, T3, wird basierend auf der Differenz in einer ersten Sonotrodenposition (p1) zu einer Startzeit (ts) der Stufe drei, T3, und einer zweiten Sonotrodenposition (p2) zu einer Endzeit (te) der Stufe drei, T3, bestimmt. Im Besonderen handelt es sich bei der Sonotroden-Relativposition 204 zur Startzeit (ts) um die erste Sonotrodenposition (p1) und bei der Sonotroden-Relativposition 204 zur Endzeit (te) um die zweite Sonotrodenposition (p2). Die Differenz in der Startzeit (ts) der Stufe drei, T3, und der Endzeit (te) der Stufe drei, T3, ist die Dauer ΔD_T3 der Stufe drei, T3.
Der Controller 60 bestimmt die Startzeit (ts) der Stufe drei, T3, basierend auf einer Veränderung bei der Verlustleistung 210. In 8, auf welche Bezug genommen wird, hat das Schmelzen von Oberflächenunebenheiten mit verschiedenen Höhen an der Fügefläche 36 eine Reihe von Schwankungen der Verlustleistung 210 in Stufe zwei, T2, zur Folge. Es bildet sich ein Schmelzfilm und die Verlustleistung 210 fällt in Stufe drei, T3, drastisch ab. Der Controller 60 wählt die Zeit, die dem abrupten Abfall der Verlustleistung entspricht, beispielsweise als Startzeit (ts) der Stufe drei, T3. Der Controller 60 wählt die Endzeit (te) der Stufe drei, T3, beispielsweise als die Zeit, zu welcher der Controller 60 das Anlegen der Ultraschallschwingung einstellt. Wie weiter oben beschrieben, stellt der Controller 60 das Anlegen der Ultraschallschwingung ein, wenn eine gemessene Schweißenergie bzw. eine gemessene Schweißzeit 212 bzw. eine gemessene Sonotroden-Relativposition 204 einen entsprechenden Vorgabewert erreicht oder diesen überschreitet.
In 9, auf welche nun Bezug genommen wird, umfassen die Schweißnahtfestigkeitsdaten 300 für eine jede aus einer Vielzahl von Schweißnähten, die mit dem Ultraschallschweißverfahren 100 hergestellt worden sind, einen Schweißnahtfestigkeitswert (z. B., basierend auf Schweißnahtfestigkeitstests), welcher jeweils einem Wert für die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) und einem Wert für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) zugeordnet wird. Somit werden die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) und die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) mit der Schweißnahtfestigkeit korreliert. Unter Verwendung der Schweißnahtfestigkeitsdaten 300 kann basierend auf einem Wert für die Dauer der Stufe drei und einem Wert für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei ein Schweißnahtfestigkeitswert bestimmt werden.
In 9, auf welche Bezug genommen wird, ist eine grafische Konturdarstellung von Schweißnahtfestigkeitsdaten 300 gezeigt. 9 stellt Grenzen zwischen verschiedenen Schweißnahtfestigkeitsniveaus mittels Konturlinien (mit Kilonewton (kN) beschriftet) dar. Die Konturlinien sind auf Schweißnahtfestigkeitswerte bezogen gezeichnet. Jeder Schweißnahtfestigkeitswert wird unter Verwendung eines zugeordneten Wertes für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) und eines zugeordneten Wertes für die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) auf dem Graphen aus 9 aufgetragen. Im Besonderen wird der zugeordnete Wert für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) entlang der Y-Achse (gemessen in Millimeter (mm)) aufgetragen und wird der zugeordnete Wert für die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) entlang der rechten X-Achse (gemessen in Sekunden (s)) aufgetragen.
In 9, mit welcher nun fortgefahren wird, wird eine Schweißnaht guter Qualität als solche bestimmt, die einen ausgewählten Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 302 (z. B., Werte innerhalb einer Zone 304, die schraffiert dargestellt ist) übersteigt. In dem Konturdiagramm aus 9 ist der Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 302 mit 5,2 kN für geschweißte Carbonfaserverbundstoffe mit einer Dicke von 4 mm und mit 30 Gew.-% Faseranteil veranschaulicht. Jene Schweißnähte, die den ausgewählten Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert überschreiten, fallen im Allgemeinen in einen bestimmten Bereich von Werten für die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) und fallen im Allgemeinen in einen bestimmten Bereich von Werten für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3).
Eine Schweißnaht mit einem kleinen Wert für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) weist im Allgemeinen eine dünne Filmdicke auf und verfügt folglich über eine geringe Festigkeit. Eine Schweißnaht mit einem Wert für eine lange Dauer der Stufe drei (Δt_T3) und mit einem Wert für eine große Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) weist im Allgemeinen eine dicke Schmelzzone und eine signifikante Menge an Luftblasen in dem Schmelzbereich auf. Der Dicke der Schmelzzone und die Luftblasen haben gleichermaßen negative Auswirkungen auf die Fügeverbundfestigkeit und werden weiter unten in Bezug auf 11 erörtert.
In 4, auf welche erneut Bezug genommen wird, bestimmt der Controller 60 gemäß einem fünften Block 150 des Ultraschallschweißverfahrens 100 die Verlustleistung 210 und die Sonotroden-Relativposition 204, gemessen während des ersten Impulses (z. B. in dem dritten Block 130). Der Controller 60 bestimmt die Startzeit (ts) der Stufe drei, T3, basierend auf der Verlustleistung 210 im zeitlichen Verlauf, wie weiter oben beschrieben. Der Controller 60 bestimmt die Endzeit (te) der Stufe drei, T3, als die Zeit, zu welcher der Controller 60 die Ultraschallschwingung einstellt, wie weiter oben beschrieben.
Der Controller 60 bestimmt die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) als die Differenz zwischen der Endzeit (te) der Stufe drei, T3, und der Startzeit (ts) der Stufe drei, T3. Der Controller 60 bestimmt die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) basierend auf der im zeitlichen Verlauf gemessenen Sonotrodenposition 204 der Startzeit der Stufe drei, T3, und der Endzeit der Stufe drei, T3. Im Besonderen basiert die Sonotrodenverschiebung (ΔD_T3) der Stufe drei, T3, auf der Differenz in der ersten Sonotrodenposition (p1) zu der Startzeit (ts) der Stufe drei, T3, und der zweiten Sonotrodenposition (p2) zu der Endzeit (te) der Stufe drei, T3.
Der Controller 60 bestimmt die Schweißnahtqualität basierend auf den Schweißnahtfestigkeitsdaten 300, dem Wert für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) und dem Wert für die Dauer der Stufe drei (Δt_T3). Beispielsweise bestimmt der Controller einen Schweißnahtfestigkeitswert basierend auf den zuvor bestimmten und den Werkstücken 30, 32 zugeordneten Schweißnahtfestigkeitsdaten 300, auf der gemessenen Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) und auf der gemessenen Dauer der Stufe drei (Δt_T3) und vergleicht anschließend den Schweißnahtfestigkeitswert mit dem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 302. Ist der bestimmte Schweißnahtfestigkeitswert größer als der Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert (302), so ist die Schweißnahtqualität annahmetauglich. Ist der bestimmte Schweißnahtfestigkeitswert geringer als der Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert (302), so ist die Schweißnahtqualität nicht annahmetauglich.
In 9 auf welche Bezug genommen wird, definiert der Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 302 eine Grenze einer Zone 304 (z. B. liegt der Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 302 bei 5,2 kN für geschweißte Carbonfaserverbundstoffe mit einer Dicke von 4 mm und mit 30 Gew.-% Faseranteil). Wenn ein Punkt, der auf dem Graphen aus 9 durch einen Wert für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) und durch einen Wert für die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) definiert ist, in den Bereich der Zone 304 fällt, so ist die Schweißnahtqualität des zugeordneten Fügeverbunds annahmetauglich. Wenn ein Datenpunkt, der durch einen Wert für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) und durch einen Wert für die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) definiert ist, außerhalb des Bereichs der Zone 304 fällt, so ist die Schweißnahtqualität des zugeordneten Fügeverbunds nicht annahmetauglich.
Als Reaktion auf die Bestimmung, dass die Schweißnahtqualität nicht annahmetauglich ist (z. B. auf eine Fehleranzeige oder ein Flag-Element) folgt ein zweiter Impuls 312 auf den ersten Impuls 310 (z. B. ist jeder Impuls in Bezug auf die Blöcke 130, 140 beschrieben), wie dies in 10 gezeigt ist. In 10 stellt die Y-Achse die Schwingung und die X-Achse die Zeit dar. Wie weiter unten eingehender beschrieben, können Mehrfachimpulse die Fügeverbundfestigkeit verbessern, den Schweißnahtbereich vergrößern und Poren in porösen Zonen verringern oder beseitigen.
Wie in 4 gezeigt, führt in Reaktion darauf, dass in dem fünften Block 150 bestimmt wird, dass die Schweißnahtqualität nicht annahmetauglich ist, ein sechster Block 160 zu dem dritten Block 130 zurück und es werden die Blöcke 130, 140 wiederholt, um den zweiten Impuls 312 (oder den darauffolgenden Impuls, falls mehr als zwei Impulse zum Einsatz kommen) anzulegen. Im Allgemeinen wird ein Folgeimpuls (z. B. der Impuls 312) angelegt, nachdem der Gewebeverbund im Anschluss an den vorhergehenden Impuls (z. B. den Impuls 310) zum Teil oder zur Gänze abgekühlt ist. In 10, auf welche Bezug genommen wird, ist beispielsweise eine Abkühlzeit 320 zwischen dem ersten Impuls 310 und dem zweiten Impuls 312 vorgesehen.
Für einen Folgeimpuls können die Schweißparameter angepasst werden, um den Wert für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) und einen Wert für die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) anzupassen. Die Schweißparameter umfassen die Schweißzeit, die Schweißenergie und den Schweißdruck. Wenn beispielsweise der Wert für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) und der Wert für die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) zu niedrig sind, so lassen sich durch Erhöhen der Schweißzeit und/oder der Schweißenergie und/oder des Schweißdrucks im Allgemeinen der Wert für die Sonotrodenverschiebung der Stufe drei (ΔD_T3) und der Wert für die Dauer der Stufe drei (Δt_T3) erhöhen.
Nach dem zweiten Impuls 312 wird der fünfte Block 150 wiederholt, um zu bestimmen, ob ein dritter Impuls nötig ist. Auf diese Weise können die Blöcke 130, 140, 150 (z. B. über den sechsten Block 160) so lange wiederholt werden, bis das Ergebnis des in dem fünften Block 150 vorgenommenen Schritts eine annahmetaugliche Schweißnahtqualität darstellt und beispielsweise nach unbeanstandetem Passieren einer Pass/Fail-Anzeige das Ultraschallschweißverfahren 100 bei einem siebten Block 170 beendet wird.
Hierbei werden nötigenfalls Mehrfachimpulse angelegt. Durch das Mehrfachimpulsverfahren werden in konsistenterer Weise als bei einem Einfachimpulsverfahren Schweißnähte guter Qualität erzeugt. Einfachimpulsverfahren verwenden beispielsweise generell größere Schweißparameter, die das Ultraschallschweißsystem zum Blockieren bringen können und schwere Schweißnahteindrückungen verursachen können. Bei einem Mehrfachimpulsverfahren mit Abkühlphasen zwischen den Impulsen können kleinere Schweißparameter verwendet werden. Allein schon aus diesem Grund lassen sich durch das Mehrfachimpulsverfahren die Prozessrobustheit und die Schweißnahtqualität im Vergleich mit einem Einfachimpulsverfahren verbessern.
Das Ultraschallschweißverfahren 100 erlaubt eine einfache und effiziente Herstellung einer Reihe von im Wesentlichen soliden Schweißnähten ohne Unterbrechung des Schweißvorgangs oder Anhalten des Schweißprozesses, um die Festigkeit der Schweißnaht außerhalb der Prozesslinie zu prüfen.
Fig. 10–Fig. 11 – MEHRFACHIMPULSE
In 10 und 11, auf welche Bezug genommen wird, können, wie weiter oben beschrieben, Mehrfachimpulse 310, 312 die Fügeverbundfestigkeit verbessern, den Schweißnahtbereich vergrößern und Poren in porösen Zonen 350, 352 verringern. In 11, auf welche Bezug genommen wird, lassen sich nach dem ersten Impuls 310 poröse Zonen 350, 352 an einem Rand einer Schmelzzone 360 (d. h., einer Schweißnaht) der Werkstücke 30, 32 feststellen. Durch den zweiten Impuls (oder durch nachfolgende Impulse) wird der Bereich am Rand der Schweißnaht 360 wieder zum Schmelzen gebracht, wodurch die porösen Zonen 350, 352 beseitigt oder verringert werden.
Fig. 12–Fig. 13 – ZWEITES ULTRASCHALLSCHWEISSVERFAHREN
In 12, auf welche nun Bezug genommen wird, wird nunmehr ein zweites Ultraschallschweißverfahren 400 beschrieben. Gemäß dem zweiten Ultraschallschweißverfahren 400 wird das Ultraschallschweißsystem 10 dazu verwendet, das erste Werkstück 30 und das zweite Werkstück 32 zusammenzufügen.
Gemäß einem ersten Block 410 wählt der Controller 60 Schweißparameter (z. B. Schweißzeit, Schweißenergie und Schweißdruck) von Mehrfachimpulsen (z. B. von zwei Impulsen 310, 312, wie in 10 gezeigt) aus, bevor die Impulse angelegt werden. Der Controller 60 wählt die Schweißparameter derart aus, dass eine Schweißnaht guter Qualität erzeugt wird. Beispielsweise wählt der Controller 60 Schweißparameter (z. B. gemeinhin oft als Schweißplan bezeichnet) basierend auf dem Material der Werkstücke 30, 32, auf einem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 404 und im Hinblick auf eine Minimierung von Energieeintrag und Zeitaufwand aus.
Die Dicke der Werkstücke 30, 32 und das Material der Werkstücke 30, 32 sind ”Passungs”-bedingungen. ”Passungs”-bedingungen betreffen beispielsweise die Art und Weise, wie der Fügeverbund im Hinblick auf die Schweißung zur Passung gebracht wird. Unter Heranziehung der Passungsbedingungen und des Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwerts kann ein Schweißplan bestimmt werden, um eine Schweißnaht zu schaffen, die dem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert gerecht wird. Der Schweißplan wird basierend auf den Schweißnahtfestigkeitsdaten 402 bestimmt, die weiter unten eingehender beschrieben sind.
Um beispielsweise einer Schweißnahtfestigkeitsanforderung von 1400 lb (635 kg) Kraft für ultraschallgeschweißte Carbonfaserverbundstoffe mit einer Dicke von 3,3 mm zu gewährleisten, kann ein Schweißplan Folgendes umfassen: (1) einen ersten Impuls mit einer Schweißenergie von 1100 J, einer Sonotrodenkraft von 150 lb (68 kg) während 0,25 Sekunden und anschließend von 200 lb (91 kg) während 0,25 Sekunden; (2) eine Abkühlphase während einer gewissen Zeitspanne (z. B. 2 Sekunden); und (3) einen zweiten Impuls mit einer Schweißenergie von 700 J.
In 13, auf welche nun Bezug genommen wird, sind für einen 4 mm dicken Verbundstoff aus Carbonfaser und Nylon 66 mit 30 Gew-% Faser Schweißnahtfestigkeiten (entlang der Y-Achse in Kilonewton (kN) aufgetragen) veranschaulicht, die sich aus dem zweiten Ultraschallschweißverfahren 400 ergeben, wobei ein erster Impuls 310 eine Energie von 5 Kilojoule (kJ) und ein zweiter Impuls 312 eine Energie von 0–5 kJ aufweist (der zweite Impuls ist entlang der X-Achse in Kilojoule (kJ) aufgetragen); wobei hier durch eine ”Null”-Energie für den zweiten Impuls 312 nur die Schweißnahtfestigkeit für den ersten Impuls 310 dargestellt ist. Die sich ergebenden Schweißnahtfestigkeiten variieren basierend auf verschiedenen Parametern, einschließlich der Schweißenergie des ersten Impulses 310 und der Schweißenergie des zweiten Impulses 312.
In 13 ist veranschaulicht, dass bei Konstanthaltung der Schweißenergie des ersten Impulses 310 auf 5 kJ die Schweißenergie des zweiten Impulses 312 derart gewählt werden kann, dass sich die auf verschiedenen Faktoren basierenden Schwankung bei der Schweißnahtfestigkeit reduzieren lässt. Zusätzlich dazu kann die Energie des zweiten Impulses 312 derart gewählt werden, dass die sich ergebenden Schweißnahtfestigkeiten über einem ausgewählten Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 404 liegen.
Beispielsweise empfängt der Controller 60 eine Angabe, wonach es sich bei dem Material um einen 4 mm dicken Verbundstoff aus Carbonfaser und Nylon 66 mit 30 Gew.-% Faseranteil handelt und dass ein Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 404 bei 5,2 kN liegt. Der Controller 60 greift weiterhin auf Schweißnahtfestigkeitsdaten 402 zu, die auf dem Material basieren. Unter Verwendung der Schweißnahtfestigkeitsdaten 402 wählt der Controller 60 die Energie des ersten Impulses 310 mit 5 kJ und wählt die Energie des zweiten Impulses 312 basierend auf dem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 404 aus, wobei die Energie des zweiten Impulses 312 möglichst gering gehalten wird. Beispielsweise wählt der Controller 60 die Energie des zweiten Impulses 312 als die geringste aus den Energien des zweiten Impulses 312 aus, die eine Verteilung aufweist, welche über dem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 404 liegt (z. B., mit einem statistischen Konfidenzniveau von etwa 95% oder 99%). In dem Beispiel aus 13 wählt der Controller für den zweiten Impuls 312 eine Energie von 4 kJ aus, wie dies durch die eingekreisten Datenpunkte angezeigt ist. Hier wird 2 kJ nicht ausgewählt, weil die Verteilung bei 2 kJ nicht mit einem statistischen Konfidenzniveau über dem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 404 liegt, und 5 kJ wird nicht ausgewählt, weil 4 kJ einen geringeren Energieeintrag darstellt.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wählt der Controller 60 Schweißparameter für mehr als zwei Impulse aus.
In 13, mit welcher nun fortgefahren wird, wird durch den zweiten Impuls 312 im Allgemeinen gleichermaßen die Schwankung bei der sich ergebenden Schweißnahtfestigkeit verringert und die Schweißnahtfestigkeit an sich erhöht. Insbesondere wird durch den zweiten Impuls 312 die Schweißnahtfestigkeit von Schweißnähten verbessert, die durch andere Faktoren als die Energie der Impulse 310, 312 am meisten beeinträchtigt sind (z. B., die Schweißnahtergebnisse im unteren Bereich der Verteilung).
In 12, auf welche erneut Bezug genommen wird, werden gemäß einem zweiten Block 420 die Werkstücke 30, 32 auf einer Bearbeitungsfläche des Ambosses 42 positioniert. Der Überlappungsabschnitt 34 der Werkstücke 30, 32 wird zwischen der Sonotrode 22 und dem Amboss 42 positioniert.
Gemäß einem dritten Block 430 werden der Amboss 42 und die Sonotrode 22 zusammengeführt, um an dem Überlappungsabschnitt 34 Druck für den Schweißvorgang (oder Schweißdruck) auf die Werkstücke 30, 32 aufzuwenden. Der Amboss 42 und die Sonotrode 22 pressen die erste Polymerverbundstoffplatte 30 und die zweite Polymerverbundstoffplatte 32 zusammen.
Gemäß einem vierten Block 440 wird durch die Sonotrode 22 der erste Impuls 310 angelegt. Unter Bezugnahme auf die weiter oben beschriebenen Modi wird der erste Impuls 310 angelegt, bis ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert entspricht oder diesen überschreitet. Sobald der erste Impuls 310 gestoppt ist, kühlt die Schweißnaht ab. Die Schweißnaht wird während einer ausgewählten Zeitspanne, die als Abkühlzeit 320 bezeichnet wird, abgekühlt. Nach der Abkühlzeit 320 legt die Sonotrode 22 den zweiten Impuls 312 an, bis ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert entspricht oder diesen überschreitet.
Fig. 14–Fig. 16 – DRITTES ULTRASCHALLSCHWEISSVERFAHREN
Bei dem ersten Ultraschallschweißverfahren 100 und dem zweiten Ultraschallschweißverfahren 400, die weiter oben beschrieben sind, handelt es sich jeweils um ein zweiseitiges Ultraschallschweißverfahren, bei dem eine Sonotrode 22 und ein Amboss 42 zum Einsatz kommen. In 14 und 15, auf welche nun Bezug genommen wird, ähnelt ein Schweißsystem 500 zur Verwendung gemäß einem dritten Ultraschallschweißverfahren 600 dem zweiseitigen Schweißsystem 10, abgesehen davon, dass es keinen Amboss 42 umfasst. Das dritte Ultraschallschweißverfahren 600 ist ein einseitiges Schweißverfahren, bei dem die Sonotrode 22 zum Anlegen von Schweißdruck verwendet wird.
Bei einem einseitigen Ultraschallschweißverfahren wird das Werkstück 30, 32 um die Stelle herum, an der die Schweißnaht ausgebildet werden soll, eingespannt. Allerdings verbleiben oft Spalte zwischen den Werkstücken 30, 32 aufgrund eines unsachgemäßen Einspannens und/oder eines formungsbedingten Teileverzugs. Die durch die Sonotrode 22 einseitig aufgebrachte Kraft (einseitiges Ultraschallschweißverfahren) ist weniger effizient als die von einer Sonotrode 22 und einem Amboss 42 beidseitig aufgebrachte Kraft (doppelseitiges Ultraschallschweißverfahren), um diesen Spalt zu verringern oder zu beseitigen. Die Werkstücke 30, 32 stehen unter Umständen nicht in dem bevorzugten, innigem Kontakt miteinander, wenn sie einer Kraft ausgesetzt sind, die von einer Sonotrode 22 während eines einseitigen Ultraschallschweißverfahrens ausgeübt wird.
In 16 sind die Schweißnahtdaten 602 grafisch veranschaulicht. 16 stellt die Festigkeit des Fügeverbunds durch die X-Achse (gemessen in Kilonewton (kN)) und den Spalt 502 durch die X-Achse (gemessen in Millimeter (mm)) dar. Die durch Kreise dargestellten Datenpunkte stehen für Schweißnahtfestigkeiten, die sich aus einem einzelnen Impuls ergeben (Datenpunkte, die durch die Linie 604 verbunden sind) und die durch Quadrate dargestellten Datenpunkte stehen für Schweißnahtfestigkeiten, die sich aus einem Doppelimpuls ergeben (Datenpunkte, die durch die Linie 606 verbunden sind). Darüber hinaus werden jeweils ein Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 612 und ein Wert für einen maximal zu erwartenden Spalt 614 gezeigt.
In 16, auf welche Bezug genommen wird, nimmt die Schweißnahtfestigkeit im Allgemeinen mit zunehmender Größe des Spalts 502 zwischen den Werkstücken 30, 32 ab. Allerdings ergibt sich aus einem Vergleich der Linie 604 mit der Linie 606, dass durch Mehrfachimpulse (siehe dazu z. B. die Impulse 310, 312 in 10) die Schweißnahtfestigkeit eines Fügeverbunds, bei dem ein Spalt 502 zwischen den Werkstücken 30, 32 vorhanden ist, erhöht wird.
In 15, auf welche nun Bezug genommen wird, wird nunmehr das dritte Ultraschallschweißverfahren 600 im Detail beschrieben.
Gemäß einem ersten Block 610 wählt der Controller 60 Schweißparameter (z. B., Schweißzeit, Schweißenergie und Schweißdruck) in Verbindung mit einer Anzahl von Impulsen aus. Der Controller 60 wählt die Schweißparameter und die Anzahl von Impulsen derart aus, dass eine Schweißnaht guter Qualität erzeugt wird. Beispielsweise wählt der Controller 60 Schweißparameter und die Anzahl von Impulsen basierend auf dem Material der Werkstücke 30, 32, auf einem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 612, auf einem Wert für einen maximal zu erwartenden Spalt 614 und im Hinblick auf eine Minimierung von Energieeintrag und Zeitaufwand aus.
In 16, auf welche Bezug genommen wird, empfängt der Controller 60 beispielsweise eine Angabe, dass es sich bei dem Material um 30% Carbonfaser in Nylon 6/6 mit einer Dicke von 4 mm handelt, dass ein Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 612 bei 5,2 kN liegt und dass ein Wert für einen maximal zu erwartenden Spalt 614 einen Millimeter beträgt. Der Controller 60 greift auf Schweißnahtfestigkeitsdaten 602 zu, die auf dem Material basieren.
Unter Verwendung der Schweißnahtfestigkeitsdaten 602 wählt der Controller 60 die Anzahl von Impulsen basierend auf dem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 612 und dem Wert für den maximal zu erwartenden Spalt 614 aus. In dem Beispiel aus 16 wählt der Controller 60 eine Impulsanzahl von zwei Impulsen aus. Hier wird durch die zwei Pulse die Fügeverbundfestigkeit bei einem Spalt von einem Millimeter auf ungefähr 6 kN erhöht, wodurch der Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 612 von 5,2 kN klar überwunden wird.
In 16 sind ein erster Impuls mit einer ersten Schweißenergie und Schweißzeit und ein zweiter Impuls mit einer zweiten Schweißenergie und Schweißzeit für verschiedene Spalte 502 veranschaulicht. Die Schweißnahtfestigkeitsdaten 602 können jedoch auch Daten umfassen, die mehr als zwei Impulsen zugeordnet sind, sowie auch Daten für verschiedene weitere Schweißenergien und Schweißzeiten. Somit lässt sich die Auswahl eines Fügeverbundfestigkeit-Datenpunktes basierend auf dem Wert für einen maximal zu erwartenden Spalt 614 und auf dem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert 612 optimieren, um dadurch die Anzahl von Impulsen, die Schweißenergien dieser Impulse und die Schweißzeiten dieser Impulse derart zu bestimmen, dass beispielsweise ein möglichst geringer Energieeintrag oder Zeitaufwand beansprucht wird.
Gemäß einem zweiten Block 620 wird die Sonotrode 22 nahe bei dem Überlappungsabschnitt 34 der Werkstücke 30, 32 positioniert.
Gemäß einem dritten Block 630 wird die Sonotrode 22 derart mit dem Überlappungsabschnitt 34 in Berührung gebracht, dass sie in dem Überlappungsabschnitt 34 eine Kraft (d. h. einen Schweißdruck) auf die Werkstücke 30, 32 aufbringt.
Gemäß einem vierten Block 640 wird durch die Sonotrode 22 der erste Impuls 310 angelegt. Unter Bezugnahme auf die weiter oben beschriebenen Modi wird der erste Impuls 310 angelegt, bis ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert entspricht oder diesen überschreitet. Sobald der erste Impuls 310 gestoppt ist, kühlt die Schweißnaht ab. Die Schweißnaht wird während einer ausgewählten Zeitspanne, die als Abkühlzeit 320 bezeichnet wird, abgekühlt. Nach der Abkühlzeit 320 legt die Sonotrode 22 den zweiten Impuls 312 an, bis ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert entspricht oder diesen überschreitet.
AUSGEWÄHLTE MERKMALE
Zahlreiche Merkmale der vorliegenden Technik sind bereits weiter oben beschrieben worden. Im vorliegenden Abschnitt werden einige ausgewählte Merkmale der vorliegenden Technik zusammenfassend dargestellt. Es versteht sich, dass in dem vorliegenden Abschnitt nur einige wenige der zahlreichen Merkmale der Technik hervorgehoben werden, und die nachfolgenden Absätze sind daher auch nicht als Einschränkungen gedacht.
Vorteile der vorliegenden Technik sind, als Beispiel ohne einschränkenden Charakter, darin zu sehen, dass eine Möglichkeit geboten wird, die Schweißnahtqualität innerhalb der Prozesslinie zu überwachen. Ein anderer beispielhafter Vorteil besteht in der Verwendung der Schweißnahtqualitätsüberwachung als Rückmeldung an einen Ultraschallschweißprozess im Hinblick auf eine Verbesserung der Schweißnahtqualität. Ein weiterer beispielhafter Vorteil besteht in der Verbesserung des doppelseitigen und einseitigen Ultraschallschweißens durch die Verwendung von ausgewählten Mehrfachimpulsen.
SCHLUSSBEMERKUNG
Es sind hier verschiedene offenbarungsgemäße Ausführungsformen offenbart worden. Bei den offenbarten Ausführungsformen handelt es sich lediglich um Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Ausführungsformen und in Kombinationen daraus verkörpert sein können und die hier im Hinblick auf ein klares Verständnis der Grundlagen der Offenbarung dargelegt sind.
Richtungsangaben werden hier zumeist zur Erleichterung der Beschreibung und zur vereinfachten Beschreibung der beispielhaften Zeichnungen gemacht, und die beschriebenen Systeme können in jeder beliebigen aus einer großen Vielfalt von Ausrichtungen implementiert sein. Bezugnahmen, die eine Richtung angeben, sind jeweils nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen. Beispielsweise sind Bezugnahmen auf ”obere, -r, -s”, ”untere, -r, -s”, ”Ober-”, ”Unter-” oder ”seitliche, -r, -s” bzw. ”Seiten-” nicht dafür gedacht, die Art und Weise, in der die offenbarungsgemäße Technik implementiert werden kann, einzuschränken. Wenn beispielsweise auf eine obere Fläche Bezug genommen wird, so kann die betreffende Fläche in einem Bezugsrahmen des Entwurfs, der Fertigung oder des Betriebs vertikal obenliegend sein oder sich obenauf befinden, sie muss es jedoch nicht. Die betreffende Fläche kann sich beispielsweise in verschiedenen Ausführungsformen stattdessen auch seitlich oder unterhalb von anderen Bauteilen des Systems befinden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können variiert, modifiziert oder miteinander kombiniert werden, ohne dass dadurch von dem Umfang der Patentansprüche abgewichen wird. Alle solchen Variationen, Modifikationen und Kombinationen sind durch den Umfang dieser Offenbarung und der folgenden Patentansprüche hierin miteingeschlossen.

Claims

Verfahren, welches umfasst: dass durch eine Sonotrode, die von einem Controller gesteuert wird, ein erster Ultraschallschwingungsimpuls an ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück angelegt wird, bis ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert entspricht oder diesen überschreitet, wobei der erste Ultraschallschwingungsimpuls an ein erstes Werkstück und an ein zweites Werkstück an einem Überlappungsabschnitt der Werkstücke angelegt wird; dass im zeitlichen Verlauf während des ersten Impulses durch den Controller eine Verlustleistung und eine Sonotrodenposition gemessen werden; dass durch den Controller Folgendes bestimmt wird: eine Dauer einer Stufe als eine Differenz zwischen: einer Endzeit der Stufe, basierend auf einer Zeit, zu welcher der Controller die Ultraschallschwingung stoppt; und einer Startzeit der Stufe, basierend auf einem Abfall der Verlustleistung im zeitlichen Verlauf; eine Sonotrodenverschiebung während der Stufe, basierend auf einer Differenz zwischen: einer ersten Sonotrodenposition, gemessen zu der Startzeit der Stufe; und einer zweiten Sonotrodenposition, gemessen zu der Endzeit der Stufe; wobei die Sonotrodenposition im zeitlichen Verlauf die erste Sonotrodenposition und die zweite Sonotrodenposition umfasst; und einen Schweißnahtfestigkeitswert, basierend auf Schweißnahtfestigkeitsdaten, der Dauer der Stufe und der Sonotrodenverschiebung während der Stufe; und dass durch den Controller der Schweißnahtfestigkeitswert mit einem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schweißnahtfestigkeitsdaten vor dem Anlegen des ersten Impulses gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches weiterhin umfasst, dass durch den Controller bestimmt wird: dass eine Schweißnahtqualität annahmetauglich ist, wenn der Schweißnahtfestigkeitswert größer als der Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert ist; und dass die Schweißnahtqualität nicht annahmetauglich ist, wenn der Schweißnahtfestigkeitswert geringer als der Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schritte des Anlegens, des Messens, des Bestimmens, des Vergleichens und des Bestimmens wiederholt werden, bis die Schweißnahtqualität annahmetauglich ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, weiterhin umfassend, dass durch die Sonotrode, die von dem Controller gesteuert wird, ein zweiter Ultraschallschwingungsimpuls an die Werkstücke angelegt wird, bis ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert entspricht oder diesen überschreitet, wobei der zweite Impuls insbesondere nach einer Abkühlzeit angelegt wird, während der die Werkstücke abkühlen.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend, dass ein Wert von zumindest einem Schweißparameter des zweiten Impulses derart angepasst wird, dass sich der Wert des zumindest einen Schweißparameters des zweiten Impulses von einem Wert des zumindest einen Schweißparameters des ersten Impulses unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schweißparameter umfasst: die Schweißzeit und/oder die Schweißenergie und/oder den Schweißdruck, wobei das Anpassen von zumindest einem Schweißparameter insbesondere umfasst, dass, wenn die Sonotrodenverschiebung während der Stufe und die Dauer der Stufe unter einem gewählten Schwellenwert liegen, die Schweißzeit und/oder die Schweißenergie und/oder der Schweißdruck erhöht wird/werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei es sich bei dem voreingestellten Schwellenwert um eine Schweißenergiemenge und/oder eine Schweißzeitfestlegung und/oder eine Sonotrodenposition relativ zu einer Startposition handelt.
System, welches umfasst: eine Sonotrode; einen Controller, der dafür ausgelegt ist: durch die Sonotrode einen ersten Ultraschallschwingungsimpuls an die Werkstücke anzulegen, bis ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert entspricht oder diesen überschreitet; im zeitlichen Verlauf und während des ersten Impulses eine Verlustleistung und eine Sonotrodenposition zu messen; Folgendes zu bestimmen: eine Dauer einer Stufe als eine Differenz zwischen: einer Endzeit der Stufe, basierend auf einer Zeit, zu welcher der Controller die Ultraschallschwingung stoppt; und einer Startzeit der Stufe, basierend auf einem Abfall der Verlustleistung im zeitlichen Verlauf; eine Sonotrodenverschiebung während der Stufe, basierend auf einer Differenz zwischen: einer ersten Sonotrodenposition, gemessen zu der Startzeit der Stufe; und einer zweiten Sonotrodenposition, gemessen zu der Endzeit der Stufe, wobei die gemessene Sonotrodenposition die erste Sonotrodenposition und die zweite Sonotrodenposition umfasst; und einen Schweißnahtfestigkeitswert, basierend auf Schweißnahtfestigkeitsdaten, der Dauer der Stufe und der Sonotrodenverschiebung während der Stufe; und den Schweißnahtfestigkeitswert mit einem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert zu vergleichen.
Computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die, wenn sie durch einen Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor dazu veranlassen: durch eine Sonotrode einen ersten Ultraschallschwingungsimpuls an ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück anzulegen, bis ein Messwert einem voreingestellten Schwellenwert entspricht oder diesen überschreitet, wobei der erste Ultraschallschwingungsimpuls an ein erstes Werkstück und an ein zweites Werkstück an einem Überlappungsabschnitt der Werkstücke angelegt wird; im zeitlichen Verlauf während des ersten Impulses eine Verlustleistung und eine Sonotrodenposition zu messen; Folgendes zu bestimmen: eine Dauer einer Stufe als eine Differenz zwischen: einer Endzeit der Stufe, basierend auf einer Zeit, zu welcher der Controller die Ultraschallschwingung stoppt; und einer Startzeit der Stufe, basierend auf einem Abfall der Verlustleistung im zeitlichen Verlauf; eine Sonotrodenverschiebung während der Stufe, basierend auf einer Differenz zwischen: einer ersten Sonotrodenposition, gemessen zu der Startzeit der Stufe; und einer zweiten Sonotrodenposition, gemessen zu der Endzeit der Stufe; wobei die gemessene Sonotrodenposition die erste Sonotrodenposition und die zweite Sonotrodenposition umfasst; und einen Schweißnahtfestigkeitswert, basierend auf Schweißnahtfestigkeitsdaten, der Dauer der Stufe und der Sonotrodenverschiebung während der Stufe; und den Schweißnahtfestigkeitswert mit einem Schweißnahtfestigkeit-Schwellenwert zu vergleichen.