DE102018213372A1 - Method and device for ultrasonic spot welding - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ultraschall-Punktschweißen, bei dem faserverstärkte Kunststoffbauteile (4, 5) zwischen einer Sonotrode (2) und einem Amboss (3) aneinander gebracht werden und durch Aufbringen einer longitudinalen Schwingung miteinander verschweißt werden. An der Schweißstelle werden mittels des Amboss (3) Schallimpulse in die Bauteile (4, 5) eingekoppelt und die Echosignale (10, 11, 12) der Schallimpulse werden erfasst und zur Bestimmung der Schweißpunktqualität ausgewertet. Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Ultraschall-Punktschweißen angegeben.The invention relates to a method for ultrasonic spot welding, in which fiber-reinforced plastic components (4, 5) are brought together between a sonotrode (2) and an anvil (3) and are welded to one another by applying a longitudinal vibration. At the welding point, sound impulses are coupled into the components (4, 5) by means of the anvil (3) and the echo signals (10, 11, 12) of the sound pulses are recorded and evaluated to determine the quality of the welding spot. A device for ultrasonic spot welding is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschall-Punktschweißen.The invention relates to a method and an apparatus for ultrasonic spot welding.
Beim Ultraschall-Punktschweißen werden die zu verschweißenden Bauteile an der Fügestelle überlappend angeordnet und zwischen einer Sonotrode und einem Amboss fixiert. Mittels der Sonotrode werden mechanische Vibrationen mit Ultraschallfrequenz begleitet von einer statischen Kraft, die auch als Schweißkraft bezeichnet wird, in die zu schweißenden Bauteile aufgebracht, wobei der Amboss als Gegenlager dient. Die Schwingungsrichtung liegt beim Kunststoff-Ultraschallschweißen senkrecht zur Schweißfläche. Durch Absorption der Schwingungen im Material der Bauteile entsteht durch Grenzflächen- und Molekularreibung Wärme. Die Wärme führt zu einer Plastifizierung des Werkstoffs. Durch die gleichzeitige Druckbeaufschlagung mit anschließender Abkühlung erfolgt eine stoffschlüssige Materialverbindung der zu verschweißenden Bauteile.In ultrasonic spot welding, the components to be welded are overlapped at the joint and fixed between a sonotrode and an anvil. The sonotrode is used to apply mechanical vibrations with an ultrasound frequency, accompanied by a static force, which is also referred to as welding force, to the components to be welded, the anvil serving as a counterbearing. The direction of vibration in plastic ultrasonic welding is perpendicular to the welding surface. Absorption of the vibrations in the material of the components creates heat through interfacial and molecular friction. The heat leads to plasticization of the material. The simultaneous pressurization with subsequent cooling results in a material connection between the components to be welded.
Das Verschweißen von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen hat sich als äußerst heikel herausgestellt. Der Faserverbundwerkstoff weist eine Kunststoffmatrix und darin eingebettete Verstärkungsfasern auf. Diese können z.B. als gerichtete Fasern in Form von Geweben oder Gelegen oder ungerichtet, z.B. als Vlies vorliegen. Werden Faserverbundwerkstoffe mittels Ultraschall punktverschweißt, so schwankt die Schweißpunktfestigkeit auch bei identischen Schweißparametern stark von Schweißung zu Schweißung. Die optimale Fügetemperatur wird häufig nicht erreicht oder aber überschritten. Infolge dessen kommt es zu einem nicht vollständig ausgebildeten Schweißpunkt oder zu einer Porenbildung in der Schweißzone. Dies wird auf das Fasermaterial in den Bauteilen zurückgeführt, was inhomogen verteilt ist, so dass an jedem Schweißpunkt andere Voraussetzungen vorliegen. Infolge dessen ist es zur Sicherstellung der Prozesssicherheit wünschenswert, die Qualität aller Schweißpunkte sicher bewerten zu können.The welding of thermoplastic fiber composites has proven to be extremely delicate. The fiber composite material has a plastic matrix and reinforcing fibers embedded therein. These can e.g. as directional fibers in the form of fabrics or scrims or undirected, e.g. present as a fleece. If fiber composite materials are spot welded using ultrasound, the weld spot strength fluctuates greatly from weld to weld, even with identical welding parameters. The optimum joining temperature is often not reached or exceeded. As a result, there is an incomplete weld spot or pore formation in the weld zone. This is attributed to the fiber material in the components, which is distributed inhomogeneously, so that there are different requirements at each welding point. As a result, to ensure process reliability, it is desirable to be able to reliably assess the quality of all welding spots.
Zur Beurteilung der Qualität von metallischen Schweißpunkten sind Vorrichtungen und Verfahren zur Ultraschallprüfung bekannt, beispielhaft wird auf die Druckschrift
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie die Schweißqualität von Ultraschallpunkt-schweißungen an Faserverbundbauteilen auf einfache und kostengünstige Art zuverlässig überprüft werden kann. Eine weitere Aufgabe ist es eine großseriengeeignete Möglichkeit anzugeben, wie Faserverbundbauteile sicher verschweißt werden können.Against this background, the object of the present invention is to provide a possibility of how the welding quality of ultrasonic spot welds on fiber composite components can be reliably checked in a simple and inexpensive manner. Another task is to provide a possibility for large-scale production of how fiber composite components can be securely welded.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.The object is achieved by a method according to patent claim 1 and a device according to
Es wird ein Verfahren zum Ultraschall-Punktschweißen angegeben, bei dem faserverstärkte Kunststoffbauteile zwischen einer Sonotrode und einem Amboss aneinander gebracht werden und durch Aufbringen einer longitudinalen Schwingung miteinander verschweißt werden.A method for ultrasonic spot welding is specified in which fiber-reinforced plastic components are brought together between a sonotrode and an anvil and are welded to one another by applying a longitudinal vibration.
Erfindungsgemäß werden an der Schweißstelle mittels des Amboss Schallimpulse in die Bauteile eingekoppelt und die Echosignale der Schallimpulse werden erfasst und zur Bestimmung der Schweißpunktqualität ausgewertet. According to the invention, sound impulses are coupled into the components at the welding point by means of the anvil and the echo signals of the sound impulses are recorded and evaluated to determine the quality of the welding spot.
Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Ultraschall-Punktschweißen angegeben mit einer Sonotrode und einem Amboss. Die Ultraschall-Punktschweißvorrichtung weist weiterhin eine Sende-/Empfangseinheit und eine Auswertevorrichtung auf. Die Sende-/Empfangseinheit ist zum Senden von Schallimpulsen und zum Empfangen von Echosignalen der Schallimpulse eingerichtet, und die Auswertevorrichtung ist eingerichtet die Echosignale hinsichtlich der Qualität der Punktschweißverbindung auszuwerten. Hierbei ist es für die Erfindung von zentraler Bedeutung, dass die Sende-/Empfangseinheit in den Amboss integriert ist, so dass die Schallimpulse mittels des Amboss in die Bauteile einkoppelbar sind.Furthermore, a device for ultrasonic spot welding is specified with a sonotrode and an anvil. The ultrasonic spot welding device also has a transmitter / receiver unit and an evaluation device. The transmitting / receiving unit is set up to transmit sound pulses and to receive echo signals of the sound pulses, and the evaluation device is set up to evaluate the echo signals with regard to the quality of the spot weld connection. It is of central importance for the invention that the transmitter / receiver unit is integrated in the anvil so that the sound pulses can be coupled into the components by means of the anvil.
Mit anderen Worten gesagt, erfolgt eine Überprüfung der Schweißpunktqualität mittels des Impuls-Echo-Verfahrens, wobei die Überprüfung noch in der Schweißvorrichtung selbst erfolgt. Diese Art der Inline-Prüfung hat den Vorteil, dass die Bestimmung der Schweißnahtqualität unmittelbar nach der Schweißung vorgenommen werden kann, während die Bauteile noch eingespannt sind. Auf eine zusätzliche Prüfstation kann verzichtet werden. Ebenso entfällt das zeitintensive und fehleranfällige nachträgliche Lokalisieren der Schweißpunkte, da der Ultraschallprüfkopf automatisch richtig positioniert ist. Ggf. kann durch eine Schweißkorrektur eine fehlerhafte Schweißung noch „gerettet“ werden.In other words, the welding spot quality is checked using the pulse-echo method, the checking still being carried out in the welding device itself. This type of inline inspection has the advantage that the weld seam quality can be determined immediately after welding while the components are still clamped. There is no need for an additional test station. The time-consuming and error-prone subsequent localization of the welding spots is also eliminated, since the ultrasound probe is automatically correctly positioned. Possibly. a faulty weld can still be "saved" by a welding correction.
Beim Impuls-Echo-Verfahren werden von einem Ultraschallprüfkopf, der eine Sende- und Empfangseinheit beinhaltet, Ultraschall-Signalimpulse in die zu prüfenden Bauteile eingekoppelt. An Grenzflächen wird jeder Signalimpuls teilweise reflektiert und als Echosignal zu dem Prüfkopf zurückgeworfen. Dort wird das Echosignal detektiert. Wird zudem die Echozeit, also die Zeit zwischen Aussenden des Signalimpulses und Detektieren des Echosignals erfasst, so lässt sich daraus der Abstand der Grenzfläche zum Prüfkopf bestimmen und dadurch die Lage der detektierten Grenzflächen.In the pulse-echo method, ultrasound signal pulses are injected into the components to be tested by an ultrasound probe, which includes a transmitter and receiver unit. At signal interfaces, each signal pulse is partially reflected and returned to the test head as an echo signal. The echo signal is detected there. If the echo time, that is to say the time between the transmission of the signal pulse and detection of the echo signal, is also detected, the distance of the Determine the interface to the test head and thereby the position of the detected interfaces.
Für die Beurteilung der Qualität der Schweißverbindung ist es besonders vorteilhaft, wenn der Schallimpuls koaxial zur Schwingungsrichtung der Sonotrode eingekoppelt wird. Dementsprechend kann die Sende-/Empfangseinheit entsprechend ausgerichtet sein. So trifft das Impulssignal senkrecht auf die Grenzfläche zwischen den Bauteilen bzw. die Schweißlinse, wodurch die Signalqualität der Echosignale verbessert wird. Der Prüfkopf bzw. die Sende-/Empfangseinheit gelangen vorzugsweise nicht in direkten Kontakt mit den Bauteilen, sondern sind derart in den Amboss integriert, dass sie ihre Schwingungen in ein Ambosskontaktteil einkoppeln. Das Ambosskontaktteil ist dabei derjenige Teil des Amboss, der während der Schweißung in direkten Kontakt mit dem Bauteil gelangt.
Das Ambosskontaktteil wird dann einerseits als Verzögerungsstrecke für die Ultraschallschweißung und andererseits als Abstandshalter für den Ultraschallprüfkopf. Die Länge des Ambosskontaktteils ist vorzugsweise derart gewählt, dass der Fokuspunkt der Sendeeinheit unterhalb des Schweißpunktes liegt. Eine derartige Integration eines Ultraschallprüfkopfes in eine Schweißvorrichtung stellt eine besonders einfache und kostengünstige Lösung dar, die zugleich eine exakt positionierte und damit sehr zuverlässige Messung ermöglicht.For assessing the quality of the welded connection, it is particularly advantageous if the sound pulse is coupled in coaxially with the direction of vibration of the sonotrode. Accordingly, the transmitter / receiver unit can be aligned accordingly. The pulse signal thus strikes the interface between the components or the welding lens perpendicularly, which improves the signal quality of the echo signals. The test head or the transmitter / receiver unit preferably do not come into direct contact with the components, but are integrated into the anvil in such a way that they couple their vibrations into an anvil contact part. The anvil contact part is the part of the anvil that comes into direct contact with the component during welding.
The anvil contact part is then used on the one hand as a delay line for the ultrasonic welding and on the other hand as a spacer for the ultrasonic test head. The length of the anvil contact part is preferably chosen such that the focal point of the transmitting unit is below the welding point. Such an integration of an ultrasound test head into a welding device represents a particularly simple and inexpensive solution which at the same time enables a precisely positioned and thus very reliable measurement.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Amplituden der Echosignale zur Bestimmung der Schweißpunktqualität ausgewertet werden. Die Amplituden der Echosignale erlauben einen einfachen Rückschluss auf die Art und Beschaffenheit der Grenzfläche, von der sie zurückgeworfen werden. Je deutlicher die Grenzfläche ausgebildet ist, umso höher ist die Amplitude des reflektierten Signals.In a preferred embodiment, it is provided that the amplitudes of the echo signals are evaluated in order to determine the weld spot quality. The amplitudes of the echo signals allow simple conclusions to be drawn about the type and nature of the interface from which they are reflected. The clearer the interface, the higher the amplitude of the reflected signal.
In einer Ausgestaltung werden die Reflektionen der Schallimpulse anhand der Rücklaufzeit der Echosignale in eine erste, zweite und dritte Echogruppe eingeteilt. Die Echosignale der ersten Echogruppe sind Signale, die an der Grenzfläche des ersten, der Sendeeinheit zugewandten Bauteils reflektiert werden. Diese Grenzfläche hat die kürzeste Entfernung zur Sendeeinheit und damit die kürzeste Echozeit. Die Echosignale der zweiten Echogruppe sind Signale, die an der Grenzfläche zwischen den beiden Bauteilen, also dort wo die Schweißverbindung erzeugt wird, zurückgeworfen werden. Die dritte Echogruppe enthält Signale, die von der Grenzfläche des zweiten Bauteils mit der Sonotrode reflektiert werden. Von der Auswerteeinheit wird überprüft, ob die Amplitude der zweiten Reflexionsgruppe unterhalb eines ersten vorgegebenen Grenzwertes liegt und die Amplitude der dritten Reflexionsgruppe oberhalb eines zweiten vorgegebenen Grenzwertes liegt. Ist dies der Fall, so ist die Schweißung als in Ordnung zu bewerten und ein entsprechendes Bewertungssignal kann ausgegeben werden. In allen anderen Fällen ist die Schweißung nicht in Ordnung und es kann ein Fehlersignal ausgegeben werden.In one configuration, the reflections of the sound pulses are divided into first, second and third echo groups based on the return time of the echo signals. The echo signals of the first echo group are signals which are reflected at the interface of the first component facing the transmitter unit. This interface has the shortest distance to the transmitter unit and thus the shortest echo time. The echo signals of the second echo group are signals which are reflected back at the interface between the two components, ie where the welded connection is created. The third echo group contains signals which are reflected by the interface of the second component with the sonotrode. The evaluation unit checks whether the amplitude of the second reflection group is below a first predetermined limit value and the amplitude of the third reflection group is above a second predetermined limit value. If this is the case, the weld is to be assessed as OK and a corresponding evaluation signal can be output. In all other cases, the weld is not in order and an error signal can be issued.
Die Auswertevorrichtung ist eingerichtet, um die voranstehend beschriebene Auswertung vornehmen zu können. Die Grenzwerte können z.B. durch Referenzmessungen bestimmt werden.The evaluation device is set up in order to be able to carry out the evaluation described above. The limit values can e.g. can be determined by reference measurements.
Für eine zuverlässige Bewertung der Schweißnahtqualität hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Einkopplung der Schallimpulse unmittelbar nach der Schweißung erfolgt. Vorzugsweise wartet man mit der Überprüfung bis die Schweißstelle erkaltet ist. Dies kann eine bis wenige Sekunden dauern. Als unmittelbar soll daher gelten, wenn die Schallimpulse wenige Sekunden nach Abschluss der Schweißung eingekoppelt werden. Dies hat den Vorteil, dass direkt nach der Schweißung noch in der Schweißvorrichtung eine Aussage über die Qualität des Schweißpunktes getroffen werden kann. For a reliable assessment of the weld seam quality, it has proven to be advantageous if the sound impulses are coupled in immediately after the weld. It is preferable to wait until the weld has cooled down before checking. This can take a few seconds. It should therefore be considered immediate if the sound impulses are coupled in a few seconds after the welding is completed. This has the advantage that a statement about the quality of the welding spot can be made in the welding device directly after the welding.
Bei der Ultraschall-Punktschweißvorrichtung kann es sich um eine stationäre Anlage handeln. Bezüglich hoher Arbeitsgeschwindigkeiten ist es jedoch von Vorteil, wenn die Ultraschallschweißvorrichtung in einer Ausgestaltung eine robotergeführte Schweißvorrichtung ist. Beispielsweise können Sonotrode und Amboss an einem Industrieroboter befestigt sein und mittels diesem positionierbar und betreibbar sein.The ultrasonic spot welding device can be a stationary system. With regard to high working speeds, however, it is advantageous if the ultrasonic welding device in one configuration is a robot-guided welding device. For example, the sonotrode and anvil can be attached to an industrial robot and can be positioned and operated by means of this.
Die Vorrichtung zum Ultraschall-Punktschweißen ist eingerichtet um das voranstehend beschriebene Verfahren durchzuführen und erzielt als solches dieselben technischen Wirkungen und Vorteile.The device for ultrasonic spot welding is set up to carry out the method described above and, as such, achieves the same technical effects and advantages.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination. If the term "can" is used in this application, it is both the technical possibility and the actual technical implementation.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
-
1 eine Ultraschallschweißvorrichtung in schematischer Darstellung und -
2A bisD beispielhafte Signalbildverhalten
-
1 an ultrasonic welding device in a schematic representation and -
2A toD exemplary signal pattern behavior
In den Amboss
Für die zu untersuchende Schweißstelle gibt es nun drei nennenswerte Echogruppen: eine erste Echogruppe
Bei dem Verfahren werden die empfangenen Echosignale
Hierbei geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass bei Ausbilden einer optimalen Schweißlinse die Grenzfläche zwischen den beiden Bauteilen
Gleichzeitig ist die dritte Echogruppe
Zur Bewertung der Schweißpunktqualität werden nun die Amplituden
Die
Die Höhe des ersten und zweiten Grenzwertes
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Ultraschall-PunktschweißvorrichtungUltrasonic spot welder
- 22
- Sonotrodesonotrode
- 33
- Ambossanvil
- 4, 54, 5
- Bauteilecomponents
- 66
- AmbosskontaktteilAnvil contact member
- 77
- AmbossachsteilAmbossachsteil
- 88th
- Sende-/EmpfangseinheitTransmit / receive unit
- 99
- Federfeather
- 10, 11, 1210, 11, 12
- Echosignaleecho signals
- 1313
- Auswertevorrichtungevaluation
- A, AII, AIIIA, AII, AIII
- Amplituden der EchosignaleAmplitudes of the echo signals
- I, II, IIII, II, III
- Echogruppeecho group
- GII, GIIIGII, GIII
- Grenzwertelimits
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 10230587 A1 [0004]DE 10230587 A1 [0004]
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