DE102022115875A1

DE102022115875A1 - Bauteilgesteuertes Ultraschallschweißverfahren

Info

Publication number: DE102022115875A1
Application number: DE102022115875.6A
Authority: DE
Inventors: Jochen Ochs
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2022-06-24
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2024-01-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallbearbeitung eines Bauteils mit den SchrittenA) Anordnen eines Bauteils auf einem Ambosselement,B) Anregen einer Sonotrode mit einer UltraschallschwingungC) Bewegen der Sonotrode in einer Zustellrichtung in Richtung des Bauteils bis die Sonotrode das Bauteil berührt und darüber hinaus, in dem ein erster Schweißparameter aus der ersten Gruppe bestehend aus Zustellweg, Bewegungsgeschwindigkeit oder Vorschubkraft gemäß einem vorgegebenen Profil gesteuert wird, gekennzeichnet durch die SchritteD) mehrfaches Erfassen eines IST-Wertes eines zweiten Schweißparameters aus einer zweiten Gruppe bestehend aus Zustellweg, Bewegungsgeschwindigkeit, Vorschubkraft, Schwingungsamplitude, Schwingungsfrequenz oder Generatorleistung,E) mehrfaches Vergleichen des erfassten IST-Wertes mit einem vorbestimmten zeitlichen SOLL-Verlaufs des zweiten Schweißparameters undF) Regeln des zweiten Schweißparameters, wenn die Abweichung zwischen IST-Wert und SOLL-Wert ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt, indem ein dritter Schweißparameter aus der zweiten Gruppe, der sich von dem ersten und dem zweiten Schweißparameter unterscheidet, als Stellgröße verwendet wird mit dem Ziel die Abweichung zwischen IST-Wert und SOLL-Wert zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallbearbeitung, bei dem ein zu bearbeitendes Bauteil auf einem Ambosselement zwischen einer Sonotrode und dem Ambosselement angeordnet wird. Die Sonotrode wird mit einer Ultraschallschwingung angeregt und in einer Zustellrichtung in Richtung des Bauteils bewegt, bis die Sonotrode das Bauteil berührt und sogar darüber hinaus.
Die Anregung der Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung kann dabei entweder bereits zu Beginn des Bewegungsschrittes erfolgen oder erst dann, wenn die Sonotrode das Bauteil berührt. Die Ultraschallbearbeitung erfolgt, sobald die Sonotrode das Bauteil berührt und diese in eine Ultraschallschwingung versetzt ist. Durch die Ultraschallschwingung wird eine mechanische Schwingung in das Bauteil übertragen. Insbesondere aufgrund von Grenzflächenreibung und Molekularreibung entsteht Wärme, die das Bauteil an den Grenzflächen aufschmilzt. Durch das Aufschmelzen gibt das Bauteil nach und die Sonotrode muss nachgeführt werden.
Nach Beendigung der Ultraschallbearbeitung wird die Sonotrode wieder von dem Bauteil wegbewegt, sodass dieses entnommen werden und ein nächstes zu bearbeitendes Bauteil auf dem Ambosselement angeordnet werden kann.
Das Ambosselement ist in der Regel ein Element der Ultraschallbearbeitungsvorrichtung, welches eine Aufnahme zum Halten des Bauteils aufweisen kann. Im einfachsten Fall kann das Ambosselement aber auch ein anderer Gegenstand, wie z.B. eine Tischplatte, sein, auf welchem das Bauteil derart angeordnet ist, dass es durch eine Relativbewegung der Sonotrode in Zustellrichtung in Richtung des Bauteils bearbeitet werden kann.
Da in der Regel mit einem Aufbau eine ganze Reihe von Bauteilen gleicher Art und Größe nacheinander bearbeitet werden, wird zur Durchführung des Bewegungsschrittes der Sonotrode ein erster Schweißparameter aus der ersten Gruppe bestehend aus Zustellweg, Bewegungsgeschwindigkeit oder Vorschubkraft gemäß einem vorgegebenen Profil gesteuert. Zum Beispiel wird der Bewegungsablauf der Sonotrode fest vorgegeben. Der optimale Bewegungsablauf kann vorher durch Versuche bestimmt werden. Es ist auch möglich, stattdessen die Vorschubkraft, mit welcher die Sonotrode in Richtung des Bauteils bewegt wird, gegebenenfalls zeitabhängig, vorzugeben. Auch hier wird das Profil anhand von Testschweißungen bestimmt.
Sobald ein gewünschter Zustellweg oder eine bestimmte Bearbeitungszeit erreicht ist, wird der Bewegungsschritt beendet.
Das beschriebene Verfahren ist bekannt und hat sich bewährt.
Die Bearbeitung von Bauteilen mit Ultraschall ist in den letzten Jahren immer beliebter geworden, sodass zwischenzeitlich auch sehr kleine Bauteile mit Ultraschall bearbeitet werden können. Die Vorgabe der Schweißparameter setzt jedoch voraus, dass die nacheinander bearbeiteten Bauteile identisch ausgebildet sind. Tatsächlich ist dies in der Praxis jedoch nicht der Fall. Aufgrund von Herstellungstoleranzen können die Abmessungen von Bauteil zu Bauteil variieren. Zudem kann die Materialzusammensetzung leicht variieren, sodass sich bei zwei nacheinander zu bearbeitenden Bauteilen immer im Detail Abweichungen ergeben. Insbesondere bei kleinen Bauteilen oder Bauteilen, die mit extrem hoher Präzision verschweißt werden sollen, müssen daher extrem hohe Anforderungen an die Herstellung der Bauteile gestellt werden, die häufig nur mit hohen Kosten erreicht werden können. Dies kann das beschriebene Ultraschallbearbeitungsverfahren unwirtschaftlich machen.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches Besonderheiten des zu bearbeitenden Bauteils berücksichtigt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Schritte gelöst:

D) mehrfaches Erfassen eines IST-Wertes eines zweiten Schweißparameters aus einer zweiten Gruppe bestehend aus Zustellweg, Bewegungsgeschwindigkeit, Vorschubkraft, Schwingungsamplitude, Schwingungsfrequenz oder Generatorleistung,
E) mehrfaches Vergleichen des erfassten IST-Wertes mit einem vorbestimmten zeitlichen SOLL-Verlaufs des zweiten Schweißparameters und
F) Regeln des zweiten Schweißparameters, wenn die Abweichung zwischen IST-Wert und SOLL-Wert ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt, indem ein dritter Schweißparameter aus der zweiten Gruppe, der sich von dem ersten und dem zweiten Schweißparameter unterscheidet, als Stellgröße verwendet wird mit dem Ziel die Abweichung zwischen IST-Wert und SOLL-Wert zu reduzieren.

Demnach wird während der Bearbeitung ein zweiter Schweißparameter aus einer zweiten Gruppe bestehend aus Zustellweg, Bewegungsgeschwindigkeit, Vorschubkraft, Schwingungsamplitude der Sonotrode, Schwingungsfrequenz der Sonotrode oder abgegebener Generatorleistung erfasst. Dabei kann der erste und der zweite Schweißparameter identisch sein. Bevorzugt ist allerdings eine Ausführungsform, bei der sich der erste und der zweite Schweißparameter unterscheiden.
Wird beispielsweise in Schritt C) die Vorschubkraft gemäß einem vorgegebenen Profil gesteuert, so lässt sich durch die Erfassung des Ist-Wertes des Zustellweges auf das Verhalten des gerade bearbeiteten Bauteils schließen, da der Zustellweg von Bauteil zu Bauteil ein leicht unterschiedliches Profil aufweist.
Dieser erfasste Ist-Wert wird nun kontinuierlich mit einem vorbestimmten zeitlichen Soll-Verlauf des zweiten Schweißparameters verglichen. Weicht der Ist-Verlauf von dem Soll-Verlauf ab, greift in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Kriterium ein Regelmechanismus ein, der einen dritten Schweißparameter aus der zweiten Gruppe als Stellgröße variiert, um die Abweichung zwischen Ist-Wert und Soll-Wert zu reduzieren. Wird beispielsweise in Schritt C) die Vorschubkraft während eines vorgegebenen Zeitintervalls konstant gehalten und in Schritt D) die Bewegungsgeschwindigkeit erfasst, so kann, wenn die erfasste Ist-Bewegungsgeschwindigkeit geringer als die Soll-Bewegungsgeschwindigkeit ist, geschlussfolgert werden, dass das aktuelle Bauteil etwas dicker ausgebildet ist oder andere Materialkonstanten aufweist. Um die Differenz zu reduzieren, kann beispielsweise die Schwingungsamplitude und damit die in das Bauteil eingebrachte Energie vergrößert werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit eine Information über das im Moment verarbeitete Bauteil erfasst und im Schweißprozess berücksichtigt. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren ein bauteilgesteuertes Verfahren. Während die im Stand der Technik bekannten Verfahren auf ein durchschnittliches Bauteil optimiert sind, wird erfindungsgemäß nun zusätzlich ein Regelungsmechanismus verwendet, wenn sich herausstellt, dass das tatsächlich zu bearbeitende Bauteil von dem erwarteten durchschnittlichen Bauteil abweicht.
Dabei ist es möglich, dass der Regelungsschritt F) nur dann durchgeführt wird, wenn die erfasste Abweichung zwischen Ist-Wert und Soll-Wert einen bestimmten Wert überschreitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt D) der Ist-Wert des zweiten Schweißparameters kontinuierlich erfasst und in Schritt E) mit dem vorbestimmten zeitlichen Soll-Verlauf des zweiten Schweißparameters verglichen. Auch wenn das Verfahren grundsätzlich auch mit Vorteil verwendet werden kann, indem nur ab und an eine zeitliche Erfassung des Ist-Wertes vorgenommen wird, ist eine kontinuierliche Erfassung besser in der Lage, auf Bauteiltoleranzen zu reagieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Schritt F) ein den zeitlichen Soll-Verlauf umgebendes Soll-Fenster vorbestimmt wird, und das vorbestimmte Kriterium erfüllt ist, wenn der Ist-Verlauf das Soll-Fenster verlässt.
Beispielsweise können dem Soll-Profil Hüllkurven, d.h. zeitabhängige Maximal- und Minimalwerte, zugeordnet werden und die erfindungsgemäße Regelung greift immer dann ein, wenn das zwischen den Maximal- und Minimalwerten definierte Fenster verlassen wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Schritt C) die Schweißkraft als erster Schweißparameter verwendet wird.
Die Schweißkraft kann beispielsweise mittels eines hydraulischen oder pneumatischen Antriebes vorgegeben werden. In Abhängigkeit von dem individuellen Bauteil wird sich dann der Zustellweg ergeben. Dieser wird in einer bevorzugten Ausführungsform in Schritt D) als zweiter Schwei ßparameter verwendet.
Stellt sich nun heraus, dass der tatsächliche Ist-Zustellweg von dem eigentlich gewünschten Soll-Zustellweg zu stark abweicht, kann in einer bevorzugten Ausführungsform in Schritt F) die Schwingungsamplitude als Stellgröße verwendet werden. Bewegt sich somit die Sonotrode zu langsam in Richtung Gegenwerkzeug, sodass der gewünschte Zustellweg nicht erreicht wird, kann die Schwingungsamplitude, d.h. die Amplitude der Ultraschallschwingung der Sonotrode, erhöht werden, um mehr Energie in das zu bearbeitende Bauteil einzubringen und dadurch die Vorschubgeschwindigkeit zu erhöhen mit dem Ziel, die Differenz zwischen dem Ist-Zustellweg und dem Soll-Zustellweg zu verringern.
Es ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Schritte D), E) und F) erst dann durchgeführt werden, nachdem die Sonotrode das Bauteil berührt hat. Allerdings ist es auch möglich, die Schritte bereits zu Beginn des Verfahrens durchzuführen.
Auch Schritt B) kann in einer bevorzugten Ausführungsform erst dann durchgeführt werden, nachdem die Sonotrode das Bauteil berührt hat. Dies kann Energie einsparen, da das Ultraschallschwingsystem, welchem die Sonotrode angehört, immer dann, wenn keine Berührung mit einem Bauteil erfolgt, abgeschaltet wird. Dies ist insbesondere dann, wenn ohnehin lange Pausen zwischen der Ultraschallbearbeitung nachfolgender Bauteile notwendig sind, von Vorteil. Sind die Pausen allerdings sehr kurz, kann es von Vorteil sein, die Ultraschallanregung auch in den Pausen, gegebenenfalls mit verringerter Schwingungsamplitude, durchzuführen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figur. Es zeigt

1 eine schematische Darstellung der Parameterprofile für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

In 1 ist eine grafische Darstellung der Zeitabhängigkeit der Schweißkraft F, des Zustellweges S sowie der Schwingungsamplitude A dargestellt.
Gemäß Schritt C) wird für die Ultraschallbearbeitung die Sonotrode in einer Zustellrichtung in Richtung des Bauteils bewegt, indem die Kraft, die auf die Sonotrode ausgeübt wird, einem vorbestimmten Zeitprofil folgt, das in 1 oben dargestellt ist. Die Kraft, die auf die Sonotrode ausgeübt wird, ist zunächst null. Zum Zeitpunkt t₁ beginnt die Ultraschallbearbeitung und die Kraft wird erhöht, sodass die Sonotrode sich in Richtung des Gegenwerkzeuges bewegt. Sobald die Sonotrode das Bauteil berührt, muss die Sonotrode mit deutlich größerer Kraft beaufschlagt werden. Dieser Zeitpunkt ist in der Figur mit t₂ gekennzeichnet. In dem Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ wird die Kraft konstant gehalten. Hier findet der eigentliche Schweißvorgang statt. Zum Zeitpunkt t₃ wird die Kraft deutlich reduziert, jedoch bis zur Verfestigung noch in reduziertem Maße bis zum Zeitpunkt t₄ aufrechterhalten.
Daraus ergibt sich für ein durchschnittliches Bauteil der in der 1 in der Mitte dargestellte Verlauf des Zustellweges (durchgezogene Linie). Die Sonotrode beginnt zum Zeitpunkt t₁ sich zu bewegen. Zum Zeitpunkt t₂, d.h. dann, wenn die Sonotrode das Bauteil berührt, verringert sich die Geschwindigkeit der Vorschubbewegung, sodass der Zustellweg nur noch mit geringerer Steigung größer wird. Zum Zeitpunkt t₃ wird nun fast keine Kraft mehr ausgeübt, sodass der Zustellweg sich nur noch minimal erhöht.
Erfindungsgemäß wird dieser Zustellweg nun erfasst. Die erfassten Werte sind als Punkte in der mittleren Grafik in 1 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass alle erfassten Punkte unterhalb des erwarteten Soll-Verlaufs liegen. Weiterhin ist in dieser Grafik mit gestrichelten Linien ein Soll-Fenster vorgegeben. Innerhalb dieses Fensters können sich die erfassten Werte bewegen, ohne dass weitere Maßnahmen erforderlich sind. Man erkennt jedoch, dass zum Zeitpunkt t₅ die erfassten Werte aus dem Soll-Fenster fallen. In diesem Fall ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein dritter Schweißparameter, in diesem Fall die Schwingungsamplitude, als Stellgröße verwendet wird, um die Abweichung zwischen Soll-Werten und IstWerten zu reduzieren. In diesem Fall muss zum Zeitpunkt t₅ die Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung erhöht werden, wodurch mehr Energie in das Bauteil übertragen wird und die Geschwindigkeit, mit welcher die Sonotrode aufgrund des Aufschmelzens der Grenzflächen sich weiter in Richtung Bauteil bewegt, erhöht werden.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme passt sich das Verfahren automatisch an das tatsächliche Bauteil an, sodass auch Bauteile, die nicht dem Ideal entsprechen, da sie aufgrund von Bauteiltoleranzen Abweichungen in den Abmessungen oder an der Materialbeschaffenheit zeigen, mit guten Schweißparametern, die sich von selbst einstellen, bearbeitet werden können.

Claims

Verfahren zur Ultraschallbearbeitung eines Bauteils mit den Schritten A) Anordnen eines Bauteils auf einem Ambosselement, B) Anregen einer Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung C) Bewegen der Sonotrode in einer Zustellrichtung in Richtung des Bauteils bis die Sonotrode das Bauteil berührt und darüber hinaus, in dem ein erster Schweißparameter aus der ersten Gruppe bestehend aus Zustellweg, Bewegungsgeschwindigkeit oder Vorschubkraft gemäß einem vorgegebenen Profil gesteuert wird, gekennzeichnet durch die Schritte D) mehrfaches Erfassen eines IST-Wertes eines zweiten Schweißparameters aus einer zweiten Gruppe bestehend aus Zustellweg, Bewegungsgeschwindigkeit, Vorschubkraft, Schwingungsamplitude, Schwingungsfrequenz oder Generatorleistung, E) mehrfaches Vergleichen des erfassten IST-Wertes mit einem vorbestimmten zeitlichen SOLL-Verlaufs des zweiten Schweißparameters und F) Regeln des zweiten Schweißparameters, wenn die Abweichung zwischen IST-Wert und SOLL-Wert ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt, indem ein dritter Schweißparameter aus der zweiten Gruppe, der sich von dem ersten und dem zweiten Schweißparameter unterscheidet, als Stellgröße verwendet wird mit dem Ziel die Abweichung zwischen IST-Wert und SOLL-Wert zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste und der zweite Schweißparameter unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt D) der IST-Wert des zweiten Schweißparameters kontinuierlich erfasst und in Schritt E) mit dem vorbestimmten zeitlichen SOLL-Verlauf des zweiten Schweißparameters verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt F) ein den zeitlichen SOLL-Verlauf umgebendes SOLL-Fenster vorbestimmt wird, und das vorbestimmte Kriterium erfüllt ist, wenn der IST-Verlauf das SOLL-Fenster verlässt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt C) die Schweißkraft als erster Schweißparameter verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt D) der Zustellweg als zweiter Schweißparameter verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt F) die Schwingungsamplitude als Stellgröße verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte D), E) und F) erst nachdem die Sonotrode das Bauteil berührt hat durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt B) erst dann durchgeführt wird, nachdem die Sonotrode das Bauteil berührt hat.