DE102021102100A1

DE102021102100A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen von zum Ultraschallschweißen vorgesehenen Gegenständen

Info

Publication number: DE102021102100A1
Application number: DE102021102100.6A
Authority: DE
Inventors: Mustafa Ayabakan
Original assignee: Telsonic Holding AG
Current assignee: Telsonic Holding AG
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Prüfen eines zum Ultraschallschweißen vorgesehenen Gegenstandes (50), enthaltend eine Prüfungsphase (P) mit den Schritten (P1) Beaufschlagung des Gegenstandes (50) mit Ultraschall mittels einer Sonotrode (11), wobei die Ultraschallbeaufschlagung in Abhängigkeit von einem Prüfparametersatz durchgeführt wird und wobei der Prüfparametersatz derart gewählt ist, dass der Gegenstand (50) während der Ultraschallbeaufschlagung nicht geschweißt wird, (P2) Bestimmung mindestens einer durch die Ultraschallbeaufschlagung bedingten Messgröße während oder nach der Ultraschallbeaufschlagung, (P3) Bestimmung einer Prüfsignatur in Abhängigkeit von der im Schritt (P2) bestimmten mindestens einen Messgröße, P4) Vergleich der im Schritt (P3) bestimmten Prüfsignatur mit einer Referenzsignatur. Ebenfalls offenbart ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die vorliegende Anmeldung befasst sich mit Verfahren und Vorrichtungen zum Prüfen von zum Ultraschallschweißen vorgesehenen Gegenständen.
Das Ultraschallschweißen ist ein an sich bekanntes Verfahren, mit dem Gegenstände durch Ultraschalleinwirkung miteinander verbunden werden können. Wichtige Kriterien für die Qualität einer Schweißverbindung sind beispielsweise ein möglichst geringer elektrischer Widerstand im Falle einer Verbindung zweier elektrischer Leiter und die mechanische Stabilität der Schweißverbindung bei Zugbeanspruchung. Zudem sollten diese Parameter innerhalb der von der Industrie oftmals geforderten engen Toleranzbereiche liegen.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Qualität einer Schweißverbindung zu beurteilen und auch Einfluss auf die Schweißparameter zu nehmen, um bei Bedarf wieder den gewünschten Toleranzbereich zu erreichen.
So befasst sich beispielsweise das Dokument US 2014/0203066 A1 mit dem Überwachen und Steuern/Regeln einer Vibrationsschweißvorrichtung. Mit Hilfe von Sensoren werden während des Schweißens Schweißsignaturen erstellt und mit validierten Daten aus einer Datenbank verglichen, und es wird eine Steuerung und/oder Regelung vorgenommen, wenn die Messdaten die geforderten Kriterien nicht erfüllen.
Auch das Dokument US 2015/0068660 A1 befasst sich mit einer adaptiven Prozessregelung, bei der ein Schweißprofil auf der Grundlage von Daten optimiert wird, die während des Schweißens aufgenommen werden.
Weiterhin offenbart das Dokument US 2019/0271669 A1 ein Verfahren zum Überwachen eines Ultraschallschweißprozesses mit akustischen und/oder Vibrationsmessungen. Diese Messungen werden verwendet, um die Qualität einer Schweißung vorherzusagen und/oder zu charakterisieren. Sie werden zerstörungsfrei durchgeführt, und die Charakterisierung wird durch einen Verbindungsqualitätsindexwert („bond quality index value“) ausgedrückt. Im Verfahren werden Datensätze erzeugt, die Vibrationssignaturen enthalten, die mit einer Beurteilung der Verbindung korreliert sind. Auf der Grundlage der erhobenen Daten kann ein Schweißparameter verändert werden.
Nachteilig an all diesen bekannten Verfahren ist jedoch, dass erst nach erfolgter Schweißung beurteilt werden kann, ob die Qualität der Schweißverbindung innerhalb der geforderten Toleranzbereiche liegt. Um Schweißverbindungen hoher und konstanter Qualität zu erzeugen, sollten die zu verschweißenden Gegenstände innerhalb einer Produktionsserie möglichst einheitlich sein. Diese Forderung ist in der Praxis jedoch in der Regel nicht erfüllt, so dass Varianzen einer oder mehrerer Eigenschaften der Gegenstände innerhalb der Produktserie zu nicht hinnehmbaren Varianzen in der Schweißung oder gar zu Ausschuss führen können. Problematisch ist dabei oftmals, dass derartige Varianzen optisch nicht erkennbar sind und sich erst nach erfolgter Schweißung bemerkbar machen. Sofern also die Ursache der qualitativ nicht zufriedenstellenden Schweißung in den Gegenständen selbst liegt (und nicht beispielsweise in den Schweißwerkzeugen, den Schweißparametern oder den Umgebungsbedingungen), werden beim Schweißen unnötig Zeit und Energie eingesetzt, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens deutlich reduzieren kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen und weitere Nachteile zu beseitigen oder zumindest zu reduzieren. Insbesondere soll der Prozentanteil der erzeugten Schweißverbindungen mit ausreichender Qualität an der Gesamtzahl der erfolgten Schweißverbindungen möglichst erhöht werden. Zudem sollen unnötiger Zeit- und Energieaufwand, die durch das Schweißen von Gegenständen mit von vornherein unzureichender Qualität entstehen, möglichst reduziert werden.
In einem ersten Aspekt der Erfindung werden diese und weitere Aufgaben gelöst durch ein Verfahren zum Prüfen eines zum Ultraschallschweißen vorgesehenen Gegenstandes. Das Verfahren enthält erfindungsgemäß eine Prüfungsphase (P) mit den Schritten

(P1) Beaufschlagung des Gegenstandes mit Ultraschall mittels einer Sonotrode, wobei die Ultraschallbeaufschlagung in Abhängigkeit von einem Prüfparametersatz durchgeführt wird und wobei der Prüfparametersatz derart gewählt ist, dass der Gegenstand während der Ultraschallbeaufschlagung nicht geschweißt wird,
(P2) Bestimmung mindestens einer durch die Ultraschallbeaufschlagung bedingten Messgröße während oder nach der Ultraschallbeaufschlagung,
(P3) Bestimmung einer Prüfsignatur in Abhängigkeit von der im Schritt (P2) bestimmten mindestens einen Messgröße, (P4) Vergleich der im Schritt (P3) bestimmten Prüfsignatur mit einer Referenzsignatur.

Bei dem Gegenstand kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Leiter handeln, etwa um einen elektrischen Leiter eines isolierten oder nicht isolierten Kabels, das als elektrischen Leiter einen oder mehrere Drähte enthält. Alternativ kann es sich bei dem Gegenstand auch um ein elektrisch leitfähiges Terminal handeln, welches mit dem oder den elektrischen Leitern eines Kabels verbunden werden soll, um das Kabel mit anderen elektrisch leitfähigen Komponenten zu verbinden. Der Gegenstand kann aber auch ein Kunststoffteil sein, welches in einem nachfolgenden Kunststoffschweißverfahren verschweißt werden soll.
Während der Ultraschallbeaufschlagung des Gegenstands im Schritt P1 wird dieser Gegenstand nicht geschweißt. Darunter wird hier und im Folgenden verstanden, dass der Gegenstand im Schritt P1 zwar schmelzen und deformiert werden kann; durch die Einwirkung des Ultraschalls erfolgt jedoch weder eine Verbindung einzelner Komponenten des Gegenstandes miteinander noch eine Verbindung des Gegenstandes mit einem anderen Gegenstand. Falls es sich bei dem Gegenstand um eine Litze mit mehreren Drähten handelt, werden im Schritt P1 insbesondere die Drähte möglichweise geschmolzen, aber jedenfalls nicht durch Schmelzen miteinander verbunden.
Die Prüfparameter können unabhängig voneinander die direkt gemessene Größen oder aus gemessenen Größen rechnerisch ermittelte Größen sein - beispielsweise die Energie (also die über den Weg integrierte Kraft) oder die Leistung (also das (gegebenenfalls zeitabhängige) Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit).
Die Prüfsignatur kann identisch mit der Messgröße sein; die Schritte (P2) und (P3) fallen dann zusammen.
Die Prüfsignatur kann eine oder mehrere Funktionen einer bzw. mehrerer Größen in Abhängigkeit von einer anderen Größe enthalten. So kann sie etwa eine Messkurve einer Frequenz, einer Amplitude, einer Energie, einer Leistung, eines Weges, einer Kraft, einer Temperatur, einer Spannung, eines Stromes oder einer Phase zwischen Spannung und Strom oder einer aus den vorgenannten Größen errechneten Größe in Abhängigkeit von der Zeit, der Energie, der Leistung, dem Weg oder der Kraft enthalten. Beispielsweise kann die Prüfsignatur die Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit oder die Kraft in Abhängigkeit von einem von einer Sonotrode zurückgelegten Weg enthalten. Sie kann auch mehrere zeitabhängige Größen enthalten, wie beispielsweise einen zeitabhängigen Strom und eine zeitabhängige Spannung. Die Prüfsignatur kann zusätzlich zu der mindestens einen Messgröße und/oder mindestens einer daraus bestimmten Größe (also zusätzlich zu mindestens einer Ausgangsgröße) zumindest einen Teil des Prüfparametersatzes enthalten (also zumindest eine Eingangsgröße).
Analog können die Referenzparameter unabhängig voneinander direkt gemessene Größen oder aus gemessenen Größen rechnerisch ermittelte Größen sein - beispielsweise die Energie (also die über den Weg integrierte Kraft) oder die Leistung (also das (gegebenenfalls zeitabhängige) Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit).
Ebenfalls analog kann die Referenzsignatur eine oder mehrere Funktionen einer bzw. mehrerer Größen in Abhängigkeit von einer anderen Größe enthalten. So kann sie etwa eine Messkurve einer Frequenz, einer Amplitude, einer Energie, einer Leistung, eines Weges, einer Kraft, einer Temperatur, einer Spannung, eines Stromes oder einer Phase zwischen Spannung und Strom oder einer aus den vorgenannten Größen errechneten Größe in Abhängigkeit von der Zeit, der Energie, der Leistung, dem Weg oder der Kraft enthalten.
Weiterhin analog kann die Referenzsignatur zusätzlich zu der mindestens einen Messgröße und/oder mindestens einer daraus bestimmten Größe (also zusätzlich zu mindestens einer Ausgangsgröße) zumindest einen Teil des Referenzparametersatzes enthalten (also zumindest eine Eingangsgröße).
Die Referenzsignatur kann in einer Speichereinheit abgespeichert sein, insbesondere einer Speichereinheit einer unten noch detailliert beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Referenzsignatur kann unter kontrollierten Laborbedingungen erstellt werden.
Bevorzugt enthält das Verfahren auch eine Schweißphase (S), welche nach der Prüfphase (P) durchgeführt wird, und zwar besonders bevorzugt nur dann, wenn die Prüfsignatur innerhalb eines durch die Referenzsignatur definierten Toleranzbereichs liegt. Wie groß diese Toleranzbereiche sind, kann in Abhängigkeit von der Art der Gegenstände und/oder den Qualitätserfordernissen variieren.
Enthalten die Prüfsignatur und die Referenzsignatur n zeitabhängige Funktionen mit n ≥ 1, so kann ein Toleranzbereich beispielsweise durch die Forderung gegeben sein, dass $\int_{t_{0}}^{t_{1}} \sum_{i = 1}^{n} α_{i} | (p_{i} (t) - r_{i} (t) | d t \leq Δ$
mit einem vorgegebenen Schwellenwert Δ. Dabei sind α_i für i = 1, ..., n Konstanten, p_i für i = 1, ..., n die von der Zeit t abhängigen n Komponenten der Prüfsignatur und r_i für i = 1, ..., n die von der Zeit t abhängigen n Komponenten der Referenzsignatur. Die zeitliche Integration erfolgt von einem Anfangszeitpunkt t₀ bis zu einem Endzeitpunkt t₁. Natürlich können auch andere Integralnormen zur Festlegung eines Toleranzbereichs verwendet werden. Alternativ kann gefordert werden, dass zu jedem Zeitpunkt t innerhalb des Zeitintervalls von t₀ bis t₁ für i = 1, ..., n die Bedingungen $α_{i} | (p_{i} (t) - r_{i} (t) | \leq Δ_{i}$
mit Konstanten Δ_i gelten (was einer Maximumsnorm entspricht). Analog können Toleranzbereiche festgelegt werden, wenn die Prüfsignatur oder die Referenzsignatur nicht als Funktionen von der Zeit t, sondern als Funktion von einem von einer Sonotrode zurückgelegten Weg s gegeben sind.
Die Schweißphase enthält den Schritt
(S1) Ultraschallschweißung des Gegenstandes mittels einer Sonotrode, wobei die Ultraschallschweißung insbesondere in Abhängigkeit von einem Schweißparametersatz durchgeführt wird, der zumindest in Abhängigkeit vom Prüfparametersatz und von der Referenzsignatur erzeugt wird.
Die im Schritt S1 verwendete Sonotrode kann eine andere sein als die im Schritt P1 verwendete. Bevorzugt ist es jedoch, dass in den Schritten P1 und S1 die gleiche Sonotrode verwendet wird, da hierdurch der apparative Aufwand reduziert werden kann. Mit besonderem Vorteil können allerdings für die Schritte P1 und S1 verschiedene Arbeitsflächen ein und derselben Sonotrode verwendet werden.
Zweckmäßig ist es weiterhin, wenn nach dem Schritt S1 die folgenden weiteren Schritte durchgeführt werden:

(S2) Bestimmung mindestens einer durch die Ultraschallschweißung bedingten Messgröße während oder nach der Ultraschallschweißung,
(S3) Bestimmung einer Schweißsignatur in Abhängigkeit von der im Schritt (S2) bestimmten mindestens einen Messgröße.

Die Messgröße gemäß Schritt S2 stimmt besonders bevorzugt mit der Messgröße gemäß Schritt P2 überein (wobei sich natürlich die Werte dieser Messgröße in den Schritten P2 und S2 voneinander unterscheiden können).
Analog zu oben können die Schweißparameter unabhängig voneinander direkt gemessene Größen oder aus gemessenen Größen rechnerisch ermittelte Größen sein - beispielsweise die Energie (also die über den Weg integrierte Kraft) oder die Leistung (also das (gegebenenfalls zeitabhängige) Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit).
Ebenfalls analog zu oben kann die Schweißsignatur identisch mit der Messgröße sein; die Schritte (S2) und (S3) fallen dann zusammen.
Weiterhin analog zu oben kann die Schweißsignatur eine oder mehrere Funktionen einer bzw. mehrerer Größen in Abhängigkeit von einer anderen Größe enthalten. So kann sie etwa eine Messkurve einer Frequenz, einer Amplitude, einer Energie, einer Leistung, eines Weges, einer Kraft, einer Temperatur, einer Spannung, eines Stromes oder einer Phase zwischen Spannung und Strom oder einer aus den vorgenannten Größen errechneten Größe in Abhängigkeit von der Zeit, der Energie, der Leistung, dem Weg oder der Kraft enthalten.
Ebenfalls analog zu oben kann die Schweißsignatur zusätzlich zu der mindestens einen Messgröße und/oder mindestens einer daraus bestimmten Größe (also zusätzlich zu mindestens einer Ausgangsgröße) zumindest einen Teil des Schweißparametersatzes enthalten (also zumindest eine Eingangsgröße).
Die Referenzsignatur kann beispielsweise in einer der Prüfungsphase P vorausgehenden Referenzierungsphase R bestimmt werden. Diese Referenzierungsphase kann die folgenden Schritte enthalten:

(R1) Beaufschlagung eines Referenzgegenstandes mit Ultraschall mittels einer Sonotrode, wobei die Ultraschallbeaufschlagung in Abhängigkeit von einem Referenzparametersatz durchgeführt wird und wobei der Referenzgegenstand während der Ultraschallbeaufschlagung nicht geschweißt wird,
(R2) Bestimmung mindestens einer durch die Ultraschallbeaufschlagung bedingten Messgröße während oder nach der Ultraschallbeaufschlagung,
(R3) Bestimmung der Referenzsignatur in Abhängigkeit von der mindestens einen im Schritt (R2) bestimmten mindestens einen Messgröße.

Die Qualität des Referenzgegenstandes sollte zuvor auf andere Weise als durch Ultraschalleinwirkung überprüft werden. Dies kann beispielsweise durch eine optische Überprüfung erfolgen, durch die Messung eines elektrischen Widerstandes, durch die Bestimmung der elastischen Eigenschaften, durch das Zählen der Drähte einer Litze etc.
Die Referenzsignatur kann identisch mit der Messgröße sein; die Schritte (R2) und (R3) fallen dann zusammen.
Die im Schritt R1 eingesetzte Sonotrode kann mit der im Schritt P1 und/oder der im Schritt S1 eingesetzten Sonotrode übereinstimmen. Insbesondere kann für den Schritt R1 eine andere Arbeitsfläche der Sonotrode eingesetzt werden als die in den Schritten D1 und/oder S1 eingesetzte Arbeitsfläche. Alternativ ist es aber auch möglich und liegt im Rahmen der Erfindung, dass Schritt R1 mit einer anderen Sonotrode als den in den Schritten P1 und S1 verwendeten eingesetzt wird. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Referenzierungsphase unter kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt wird, die Prüfungsphase und die Schweißphase jedoch vor Ort in einer industriellen Fertigungsanlage.
Dass im Schritt R1 der Referenzgegenstand nicht geschweißt wird, ist analog zu oben zu verstehen: Der Gegenstand kann im Schritt R1 zwar schmelzen und deformiert werden; durch die Einwirkung des Ultraschalls erfolgt jedoch weder eine Verbindung einzelner Komponenten des Gegenstandes miteinander noch eine Verbindung des Gegenstandes mit einem anderen Gegenstand. Falls es sich bei dem Gegenstand um eine Litze mit mehreren Drähten handelt, werden im Schritt R1 insbesondere die Drähte möglichweise geschmolzen, aber jedenfalls nicht durch Schmelzen miteinander verbunden.
Im Schritt R2 kann besonders bevorzugt die gleiche Messgröße bestimmt werden wie im Schritt P2 und/oder im Schritt S2.
Die Referenzsignatur kann die Messgröße selbst und optional die Referenzparameter umfassen. Zusätzlich kann sie auch eine Typenbezeichnung des Referenzgegenstandes und/oder einen Zeitstempel umfassen, der den Zeitpunkt der Referenzmessung angibt.
Der Prüfparametersatz kann beispielsweise mindestens einen der folgenden Prüfparameter enthalten:

- eine Amplitude der Ultraschallschwingung,
- eine Frequenz der Ultraschallschwingung,
- eine Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt,
- eine Spannung, mit der die Sonotrode betrieben wird,
- einen Strom, mit dem die Sonotrode betrieben wird,
- einen Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom, mit denen die Sonotrode betrieben wird,
- einen von der Sonotrode zurückgelegten Weg,
- eine Geschwindigkeit der Sonotrode,
- eine Beschleunigung der Sonotrode,
- eine Steifigkeit des Gegenstandes, d. h. den (möglicherweise zeitabhängige) Quotienten aus einer Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, und einem Weg, den die Sonotrode zurücklegt,
- einen mechanischen Widerstand des Gegenstandes, d. h. den (möglicherweise zeitabhängige) Quotienten aus einer Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, und einer Geschwindigkeit der Sonotrode,
- eine Verfärbung des Gegenstandes,
- eine Temperatur des Gegenstandes.

Besonders bevorzugt ist der Referenzparametersatz identisch mit dem Prüfparametersatz und enthält insbesondere mindestens einen der oben aufgelisteten Prüfparameter.
Die oben genannten Prüfparameter können unabhängig voneinander zeitabhängig oder zeitunabhängig und/oder wegabhängig oder wegunabhängig sein. Die Temperatur des Gegenstandes kann beispielsweise mit einem Infrarotsensor bestimmt werden. Hierdurch lässt sich insbesondere feststellen, ob die Temperatur niedrig genug ist oder war, dass im Schritt P1 tatsächlich - wie gewünscht - keine Schweißung stattgefunden hat. Bevorzugt wird der mindestens eine Prüfparameter zusammen mit einem Zeitstempel oder einem Zeitfenster bestimmt und abgespeichert. Hierdurch lässt sich die Prüfungsphase genau dokumentieren.
Die im Schritt P2 bestimmte Messgröße und/oder die im Schritt S2 bestimmte Messgröße und/oder die im Schritt R2 bestimmte Messgröße kann ebenfalls aus der folgenden, bereits oben aufgeführten Liste ausgewählt sein:

Dabei sollte in jedem konkreten Verfahren die mindestens eine Messgröße von den Prüfparametern verschieden sein.
Die Referenzsignatur kann mindestens einen Referenzparameter aus der folgenden Gruppe enthalten:

Unabhängig voneinander können die Referenzparameter direkt gemessene Größen oder aus gemessenen Größen rechnerisch ermittelte Größen sein - beispielsweise die Energie (also die über den Weg integrierte Kraft) oder die Leistung (also das (gegebenenfalls zeitabhängige) Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit).
Des Weiteren kann der Schweißparametersatz mindestens einen Schweißparameter aus der folgenden Gruppe enthalten:

- eine Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung;
- eine Anpresskraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand gedrückt wird;
- eine Geschwindigkeit, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand hin bewegt wird,
- eine Schweißzeit, während deren die Sonotrode Ultraschallschwingungen in den Gegenstand einbringt;
- eine Haltezeit, während deren die Sonotrode nach der Schweißung in Kontakt mit dem Gegenstand bleibt;
- mindestens eine Triggergröße, beispielsweise eine Trigger-Kraft, einen Trigger-Weg, oder eine Trigger-Geschwindigkeit.

Die Triggergröße wird derart verwendet, dass beim Überschreiten oder Unterschreiten eines Schwellenwertes dieser Triggergröße mit dem Schweißen begonnen wird. Ist also beispielsweise die Triggergröße ein Triggerweg, so kann mit dem Schweißen begonnen werden, wenn die Sonotrode einen zuvor festgelegten Weg zurückgelegt hat.
In einem zweiten Aspekt umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Prüfen eines Gegenstandes vor dem Ultraschallschweißen. Die Vorrichtung enthält:

- eine Prüfsonotrode zur Beaufschlagung eines Gegenstandes mit Ultraschall,
- mindestens eine Messeinrichtung zur Bestimmung einer durch die Ultraschallbeaufschlagung bedingten Messgröße,
- eine Recheneinheit zur Bestimmung einer Prüfsignatur in Abhängigkeit von der durch die mindestens eine Messeinrichtung bestimmte mindestens eine Messgröße sowie zum Vergleich der Prüfsignatur mit einer Referenzsignatur,
- eine Speichereinheit zur Speicherung der Referenzsignatur und der Prüfsignatur.

Mit einer solchen Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Bevorzugt enthält die Vorrichtung weiterhin eine Schweißsonotrode zum Ultraschallschweißen des Gegenstandes sowie eine Steuereinheit zum Steuern der Schweißsonotrode in Abhängigkeit von einem Schweißparametersatz, der mittels der Recheneinheit zumindest in Abhängigkeit vom Prüfparametersatz und von der Referenzsignatur erzeugbar ist. Die Prüfsonotrode und die Schweißsonotrode können durch ein und dieselbe Sonotrode gebildet sein, wodurch der bauliche Aufwand reduziert werden kann. Die Steuereinheit kann auch dazu verwendet werden, mindestens einen der Schritte R1, R2, R3, P1, P2, P3, P4, S1, S2 und S3 durchzuführen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Prüfen und Schweißen eines Gegenstandes,
2: eine beispielhafte Referenzsignatur und eine Prüfsignatur in Form einer zeitabhängigen Kraft.

Die in 1 dargestellte Vorrichtung 10 dient dem Prüfen eines Gegenstandes 50 vor dem Ultraschallschweißen. Der Gegenstand 50 kann beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Terminal sein. Die Vorrichtung 10 enthält eine Prüfsonotrode 11, mit der der Gegenstand 50 mit Ultraschall beaufschlagt werden kann. Mittels einer Messeinrichtung 12 kann eine durch die Ultraschallbeaufschlagung bedingte Messgröße bestimmt werden. Die Messeinheit 13 ist hier schematisch als separate Komponente dargestellt. Es versteht sich, dass die Messeinheit 13 auch in das Schwingsystem integriert sein kann und beispielsweise sich verändernde Parameter wie die Frequenz oder die Leistung eines die Prüfsonotrode 11 antreibenden Generators messen kann.
Des Weiteren verfügt die Vorrichtung 10 über eine Messeinheit 13 zur Bestimmung einer Prüfsignatur in Abhängigkeit von der durch die Messeinrichtung 12 bestimmten Messgröße. Mit einer Recheneinheit 14 kann auch ein Vergleich der Prüfsignatur mit einer Referenzsignatur durchgeführt werden. Außerdem enthält die Vorrichtung 10 eine Speichereinheit 15 zur Speicherung der Referenzsignatur und der Prüfsignatur.
Mit Hilfe einer Schweißsonotrode 11, die in diesem Ausführungsbeispiel mit der Prüfsonotrode 11 übereinstimmt, kann am Gegenstand 50 ein Ultraschallschweißen vollzogen werden. Eine von der Vorrichtung 10 ebenfalls umfasste Steuereinheit 16 wird zum Steuern der Schweißsonotrode 11 in Abhängigkeit von einem Schweißparametersatz verwendet. Dieser Schweißparametersatz kann mittels der Recheneinheit 14 erzeugt werden, und zwar in Abhängigkeit vom Prüfparametersatz und von der Referenzsignatur.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine Referenzierungsphase R durchgeführt, in der eine Referenzsignatur bestimmt wird. Hierzu wird in einem Schritt R1 ein Referenzgegenstand 50 mittels der Sonotrode 11 mit Ultraschall beaufschlagt. Die Qualität des Referenzgegenstandes 50 sollte zuvor auf andere Weise als durch Ultraschalleinwirkung überprüft worden sein. Dies kann beispielsweise durch eine optische Überprüfung erfolgen, durch die Messung eines elektrischen Widerstandes, durch die Bestimmung der elastischen Eigenschaften, durch das Zählen der Drähte einer Litze etc.
Die Ultraschallbeaufschlagung im Schritt R1 wird in Abhängigkeit von einem Referenzparametersatz durchgeführt. Die Referenzsignatur kann zum Beispiel eine optional zeitabhängige Amplitude und eine optional zeitabhängige Frequenz der Ultraschallschwingung enthalten, mit der der Referenzgegenstand beaufschlagt, sowie den von der Sonotrode 11 zurückgelegten Weg. Während der Beaufschlagung des Referenzgegenstandes im Schritt R1 wird der Referenzgegenstand nicht geschweißt.
Gleichzeitig mit Schritt R1 wird in einem Schritt R2 mindestens eine durch die Ultraschallbeaufschlagung bedingte Messgröße bestimmt. Zum Beispiel kann die Kraft bestimmt werden, mit der die Sonotrode 11 auf den Referenzgegenstand 50 einwirkt. Anschließend wird in einem weiteren Schritt R3 eine Referenzsignatur bestimmt, die von den im Schritt R2 bestimmten Messgrößen abhängt. Die Referenzsignatur kann die Messgröße selbst und optional die Referenzparameter umfassen. Zusätzlich kann sie auch eine Typenbezeichnung des Referenzgegenstandes und/oder einen Zeitstempel umfassen, der den Zeitpunkt der Referenzmessung angibt.
Nachdem auf diese Weise eine Referenzsignatur bestimmt wurde, kann ein zum Ultraschallschweißen vorgesehener Gegenstand 50 in einer Prüfungsphase geprüft werden. Der zu prüfende Gegenstand 50 gehört bevorzugt zum gleichen Typ wie der Referenzgegenstand (und ist im vorliegenden Beispiel durch ein Terminal gebildet), wurde aber nicht zwingend zuvor einer anderen Überprüfung unterzogen. In einem Schritt P1 wird der Gegenstand 50 mittels der Sonotrode 11 mit Ultraschall beaufschlagt. In diesem Beispiel ist dies die gleiche Sonotrode 11, die zur Bestimmung der Referenzsignatur verwendet wurde. Die Ultraschallbeaufschlagung wird in Abhängigkeit von einem Prüfparametersatz durchgeführt, welcher derart gewählt ist, dass der Gegenstand während der Ultraschallbeaufschlagung nicht geschweißt wird. Der Prüfparametersatz enthält als Prüfparameter die gleichen Parameter wie der Referenzparametersatz, also in diesem Beispiel eine Amplitude und eine Frequenz der Ultraschallschwingung sowie den von der Sonotrode 11 zurückgelegten Weg, die zeitabhängig sein können.
Während oder nach Schritt P1 wird in einem Schritt P2 mindestens eine durch die Ultraschallbeaufschlagung bedingte Messgröße bestimmt. Hierbei handelt es sich wiederum um die gleiche Messgröße wie während der Bestimmung der Referenzsignatur, also beispielsweise eine Kraft, mit der die Sonotrode 11 auf den Gegenstand 50 einwirkt. Anschließend wird in einem Schritt P3 eine Prüfsignatur in Abhängigkeit von der im Schritt P2 bestimmten mindestens einen Messgröße bestimmt.
Schließlich wird in einem Schritt P4 die im Schritt P3 bestimmte Prüfsignatur mit der Referenzsignatur verglichen. Dies kann beispielsweise über zuvor festgelegte Toleranzbereiche realisiert werden, die durch die Referenzsignatur festgelegt werden und innerhalb deren die Prüfsignatur liegen soll. Beispielhaft zeigt 2 eine zeitabhängige Kraft F_P(t) als Prüfsignatur und eine zeitabhängige Kraft F_R(t) als Referenzsignatur. Die Kraft F_R(t) der Prüfsignatur liegt zu jedem Zeitpunkt t innerhalb eines Toleranzbereichs F_R(t)±Δ.
Abweichungen der Prüfsignatur von der Referenzsignatur können beispielsweise dann auftreten, wenn der Gegenstand einen Defekt aufweist, wie etwa einen Riss. Ein solcher Defekt kann einen Einfluss auf die in ihn eingeleiteten Schwingungen und somit auf die Messgröße und auch auf die Prüfsignatur haben, so dass sich ein Unterschied von der Referenzsignatur ergibt.
Wenn die Prüfsignatur jedoch innerhalb des von der Referenzsignatur festgelegten Toleranzbereichs liegt, wird nach der Prüfungsphase mit dem gleichen Gegenstand eine Schweißphase S durchgeführt. Diese enthält als ersten Schritt S1 eine Ultraschallschweißung des Gegenstandes mittels der Sonotrode 11, bei der es sich in diesem Ausführungsbeispiel wiederum um die gleiche Sonotrode 11 handelt, die in der Referenzierungsphase und/oder in der Prüfungsphase P eingesetzt wurde. Die Ultraschallschweißung wird in Abhängigkeit von einem Schweissparametersatz durchgeführt, der in Abhängigkeit vom Prüfparametersatz und von der Referenzsignatur erzeugt wird. Der Schweißparametersatz kann aus einer Datenbank abgerufen werden und beispielsweise eine zeitabhängige Amplitude und Frequenz enthalten, mit der die Schweißung durchgeführt werden kann.
Nach Schritt S1 kann in einem weiteren Schritt S2 eine durch die Ultraschallschweißung bedingte Messgröße bestimmt werden. Diese Messgröße kann etwa der von der Sonotrode 11 zurückgelegte Weg sein. Daraufhin wird in einem Schritt S3 eine Schweißsignatur in Abhängigkeit von der im Schritt S2 bestimmten Messgröße bestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2014/0203066 A1 [0004]
US 2015/0068660 A1 [0005]
US 2019/0271669 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Prüfen eines zum Ultraschallschweißen vorgesehenen Gegenstandes (50), enthaltend eine Prüfungsphase (P) mit den Schritten (P1) Beaufschlagung des Gegenstandes (50) mit Ultraschall mittels einer Sonotrode (11), wobei die Ultraschallbeaufschlagung in Abhängigkeit von einem Prüfparametersatz durchgeführt wird und wobei der Prüfparametersatz derart gewählt ist, dass der Gegenstand (50) während der Ultraschallbeaufschlagung nicht geschweißt wird, (P2) Bestimmung mindestens einer durch die Ultraschallbeaufschlagung bedingten Messgröße während oder nach der Ultraschallbeaufschlagung, (P3) Bestimmung einer Prüfsignatur in Abhängigkeit von der im Schritt (P2) bestimmten mindestens einen Messgröße, (P4) Vergleich der im Schritt (P3) bestimmten Prüfsignatur mit einer Referenzsignatur.
Verfahren gemäß Anspruch 1, enthaltend eine Schweißphase (S), welche nach der Prüfungsphase (P) durchgeführt wird, wenn die Prüfsignatur innerhalb eines durch die Referenzsignatur bestimmten Toleranzbereichs liegt, wobei die Schweißphase den folgenden Schritt enthält: (S1) Ultraschallschweißung des Gegenstandes (50) mittels einer Sonotrode (11), wobei die Ultraschallschweißung insbesondere in Abhängigkeit von einem Schweißparametersatz durchgeführt wird, der zumindest in Abhängigkeit vom Prüfparametersatz und von der Referenzsignatur erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei nach Schritt (S1) die folgenden Schritte durchgeführt werden: (S2) Bestimmung mindestens einer durch die Ultraschallschweißung bedingten Messgröße während oder nach der Ultraschallschweißung, (S3) Bestimmung einer Schweißsignatur in Abhängigkeit von der im Schritt (S2) bestimmten mindestens einen Messgröße.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Referenzsignatur in einer der Prüfungsphase (P) vorausgehenden Referenzierungsphase (R) bestimmt wird, welche die folgenden Schritte enthält: (R1) Beaufschlagung eines Referenzgegenstandes (50) mit Ultraschall mittels einer Sonotrode (11), wobei die Ultraschallbeaufschlagung in Abhängigkeit von einem Referenzparametersatz durchgeführt wird und wobei der Referenzgegenstand (50) während der Ultraschallbeaufschlagung nicht geschweißt wird, (R2) Bestimmung mindestens einer durch die Ultraschallbeaufschlagung bedingten Messgröße während oder nach der Ultraschallbeaufschlagung, (R3) Bestimmung der Referenzsignatur in Abhängigkeit von der mindestens einen im Schritt (R2) bestimmten mindestens einen Messgröße.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Prüfparametersatz mindestens einen Prüfparameter aus der folgenden Gruppe enthält: - eine Amplitude der Ultraschallschwingung, - eine Frequenz der Ultraschallschwingung, - eine Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, - eine Spannung, mit der die Sonotrode betrieben wird, - einen Strom, mit dem die Sonotrode betrieben wird, - einen Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom, mit denen die Sonotrode betrieben wird, - einen von der Sonotrode zurückgelegten Weg, - eine Geschwindigkeit der Sonotrode, - eine Beschleunigung der Sonotrode, - eine Steifigkeit des Gegenstandes, d. h. den (möglicherweise zeitabhängige) Quotienten aus einer Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, und einem Weg, den die Sonotrode zurücklegt, - einen mechanischen Widerstand des Gegenstandes, d. h. den (möglicherweise zeitabhängige) Quotienten aus einer Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, und einer Geschwindigkeit der Sonotrode, - eine Verfärbung des Gegenstandes, - eine Temperatur des Gegenstandes.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die im Schritt (P2) bestimmte Messgröße und/oder die im Schritt (S2) bestimmte Messgröße und/oder die im Schritt (R2) bestimmte Messgröße aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: - eine Amplitude der Ultraschallschwingung, - eine Frequenz der Ultraschallschwingung, - eine Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, - eine Spannung, mit der die Sonotrode betrieben wird, - einen Strom, mit dem die Sonotrode betrieben wird, - einen Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom, mit denen die Sonotrode betrieben wird, - einen von der Sonotrode zurückgelegten Weg, - eine Geschwindigkeit der Sonotrode, - eine Beschleunigung der Sonotrode, - eine Steifigkeit des Gegenstandes, d. h. den (möglicherweise zeitabhängige) Quotienten aus einer Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, und einem Weg, den die Sonotrode zurücklegt, - einen mechanischen Widerstand des Gegenstandes, d. h. den (möglicherweise zeitabhängige) Quotienten aus einer Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, und einer Geschwindigkeit der Sonotrode, - eine Verfärbung des Gegenstandes, - eine Temperatur des Gegenstandes.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Referenzsignatur mindestens einen Referenzparameter aus der folgenden Gruppe enthält: - eine Amplitude der Ultraschallschwingung, - eine Frequenz der Ultraschallschwingung, - eine Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, - eine Spannung, mit der die Sonotrode betrieben wird, - einen Strom, mit dem die Sonotrode betrieben wird, - einen Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom, mit denen die Sonotrode betrieben wird, - einen von der Sonotrode zurückgelegten Weg, - eine Geschwindigkeit der Sonotrode, - eine Beschleunigung der Sonotrode, - eine Steifigkeit des Gegenstandes, d. h. den (möglicherweise zeitabhängige) Quotienten aus einer Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, und einem Weg, den die Sonotrode zurücklegt, - einen mechanischen Widerstand des Gegenstandes, d. h. den (möglicherweise zeitabhängige) Quotienten aus einer Kraft, mit der die Sonotrode auf den Gegenstand einwirkt, und einer Geschwindigkeit der Sonotrode, - eine Verfärbung des Gegenstandes, - eine Temperatur des Gegenstandes.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Schweißparametersatz mindestens einen Schweißparameter aus der folgenden Gruppe enthält: - eine Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung; - eine Anpresskraft, mit der die Sonotrode (11) auf den Gegenstand (50) gedrückt wird; - eine Geschwindigkeit, mit der die Sonotrode (11) auf den Gegenstand (50) hin bewegt wird, - eine Schweißzeit, während deren die Sonotrode (11) Ultraschallschwingungen in den Gegenstand (50) einbringt; - eine Haltezeit, während deren die Sonotrode (11) nach der Schweißung in Kontakt mit dem Gegenstand (50) bleibt; - mindestens eine Triggergröße, beispielsweise eine Trigger-Kraft, einen Trigger-Weg, oder eine Trigger-Geschwindigkeit.
Vorrichtung (10) zum Prüfen eines Gegenstandes (50) vor dem Ultraschallschweißen, insbesondere in einem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) enthält: - eine Prüfsonotrode (11) zur Beaufschlagung eines Gegenstandes (50) mit Ultraschall, - mindestens eine Messeinrichtung (12) zur Bestimmung einer durch die Ultraschallbeaufschlagung bedingten Messgröße, - eine Recheneinheit (14) zur Bestimmung einer Prüfsignatur in Abhängigkeit von der durch die mindestens eine Messeinrichtung (13) bestimmten mindestens einen Messgröße sowie zum Vergleich der Prüfsignatur mit einer Referenzsignatur, - eine Speichereinheit (15) zur Speicherung der Referenzsignatur und der Prüfsignatur.
Vorrichtung (10) gemäß Anspruch 9, weiterhin enthaltend: - eine Schweißsonotrode (11) zum Ultraschallschweißen des Gegenstandes (50), - eine Steuereinheit (16) zum Steuern der Schweißsonotrode (11) in Abhängigkeit von einem Schweißparametersatz, der mittels der Recheneinheit (14) zumindest in Abhängigkeit vom Prüfparametersatz und von der Referenzsignatur erzeugbar ist.