DE19810509A1 - Vorrichtung zum Schweißen mit Ultraschall - Google Patents
Vorrichtung zum Schweißen mit UltraschallInfo
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zum Schweißen mit Ultraschall mit einer über einen Ultraschallgenerator (2) sowie eine Sonotrode (4) verfügenden Fügeeinrichtung (1) sind eine Ultraschalldetektionseinheit (12, 13, 14), ein Meßdatenspeicher (15) zum Erfassen des zeitlichen Verlaufes des Anteils der detektierten Ultraschallwellen nach Wechselwirkung mit einer Fügeschicht (7) zwischen miteinander zu verbindenden Teilen (5, 5') eines Schweißgutes (6) und eine Auswerteeinheit (19) vorgesehen. Mit der Auswerteeinheit (19) und einer nachgeordneten Stelleinheit (20) ist der Schweißprozeß mittels aus den detektierten Ultraschallwellen abgeleiteten Kenngrößen in Echtzeit kontrollierbar.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen mit Ultraschall
mit einer Fügeeinrichtung, die über einen Ultraschallgenerator und
eine an den Ultraschallgenerator angeschlossene Sonotrode verfügt,
mit der unter Einwirkung einer durch einen Kraftkoppler erzeugte
Anpreßkraft zum Herbeiführen eines unmittelbaren Stoffschlusses
zwischen zu verbindenden Teilen eines Schweißgutes in wenigstens
einer Fügeschicht Ultraschallwellen mit einstellbaren Schweiß
parametern in eines der Teile einkoppelbar sind.
Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Artikel "Ultraschallschweißen
von Glas und Glaskeramik mit Metall" von M. Reuter und E. Roeder,
erschienen in Schweißen und Schneiden 45 (1993), Heft 4, Seiten
198 bis 202, bekannt. Bei der gattungsgemäßen Vorrichtung weist
eine Fügeeinrichtung einen Ultraschallgenerator und eine an den
Ultraschallgenerator angeschlossene Sonotrode auf. Mit der Sono
trode sind unter Einwirkung einer durch einen Kraftkoppler erzeugten
Anpreßkraft Ultraschallwellen mit einstellbaren Schweißparametern in
eines von beispielsweise zwei zu verbindenden Teilen eines
Schweißgutes einkoppelbar. Durch die Wirkung der Ultraschallwellen
werden die Teile des Schweißgutes unter Herbeiführen eines un
mittelbaren Stoffschlusses miteinander verbunden. Dabei wird für
jeden Schweißprozeß der günstigste Einstellbereich von Schweiß
parametern wie Anpreßkraft, Amplitude der Ultraschallwellen und
Schweißzeit nach Vornahme einer Vielzahl von aufwendigen
Schweißversuchen ermittelt. Mit dieser Vorrichtung werden zwar
zufriedenstellende Schweißergebnisse erzielt, allerdings ist hierfür im
Hinblick auf möglichst gute Resultate das Durchführen von auf
wendigen Vorversuchen notwendig. Beim Rollnahtschweißen kommt
es zu dynamischen Schwankungen der Schweißparameter, so daß in
einer Schweißnaht immer wieder mit unzureichender Qualität ge
schweißte Bereiche vorliegen. In ähnlicher Weise ist wegen des
schnellen Verschleiß der Sonotrode eine permanente Anpassung der
Schweißparameter auch beim Ultraschallpunktschweißen erforderlich.
Bei der DE 43 25 856 A1 und der DE 43 25 878 A1 ist bei Verfahren
zur Bewertung von über Widerstandsschweißungen, Laserschweißen
oder Gasschweißen unter Beaufschlagen mit als Sondierwellen
eingekoppelten Ultraschallwellen hergestellten Schweißverbindungen
vorgesehen, über die Messung der Durchlässigkeit für Scherwellen
oder der Schallgeschwindigkeit insbesondere von Druckwellen die
Temperatur im Bereich einer Schweißlinse mit aufgeschmolzenem
Material zu messen. Neben einer Bewertung von Schweißpunkten ist
eine Regelung der Schweißparameter über den Vergleich mit einem
Musterverlauf vorgesehen. Mit diesen Verfahren werden zwar gute
Ergebnisse bei gleichartigen über Aufschmelzen zu verbindenden
Materialien erzielt, allerdings ist dadurch auch der Einsatzbereich
insbesondere im Hinblick auf die Verwendung von sogenannten
neuen Materialien wie Keramiken und organische Werkstoffe stark
eingeschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum
Schweißen mit Ultraschall der eingangs genannten Art so weiter
zubilden, daß gute Schweißergebnisse bei ungleichartigen Materia
lien insbesondere auch ohne Aufschmelzung und ohne Vorversuche
erzielt werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Ultraschalldetektions
einheit vorgesehen ist, mit der aufgrund von Wechselwirkung mit der
Fügeschicht modifizierte Anteile der eingekoppelten Ultraschallwellen
detektierbar sind, daß ein an die Ultraschalldetektionseinheit an
geschlossener Meßdatenspeicher zum Erfassen des zeitlichen Ver
laufes des Anteils der detektierten Ultraschallwellen vorgesehen ist,
daß der Meßdatenspeicher mit einer Auswerteeinheit in Verbindung
steht, mit der wenigstens eine für den Schweißprozeß charak
teristische Kenngröße aus dem Anteil der detektierten Ultraschall
wellen bestimmbar ist und daß eine an die Auswerteeinheit und die
Fügeeinrichtung angeschlossene Stelleinheit vorgesehen ist, mit der
in Abhängigkeit von wenigstens einer Kenngröße Schweißparameter
einstellbar sind.
Dadurch, daß eine Ultraschalldetektionseinheit vorgesehen ist, mit
der Anteile von zum Durchführen des Schweißprozesses in das
Schweißgut eingekoppelten Ultraschallwellen nach Wechselwirkung
mit der Fügeschicht als Meßsignale erfaßbar sind und daß die detek
tierten Anteile der Ultraschallwellen mittels des Meßdatenspeichers
und der Auswerteeinheit zum Gewinnen von für den Schweißprozeß
charakteristischen Kenngrößen mit anschließender Ansteuerung der
Stelleinheit weiterverarbeitet werden, lassen sich typische Schweiß
prozesse in Echtzeit geregelt ohne Vorversuche insbesondere auch
bei nicht aufgeschmolzenen Schweißbereichen mit guten Ergeb
nissen durchführen.
Es ist zweckmäßig, daß ein Ultraschalldetektor der Ultraschalldetek
tionseinheit gegenüber der Sonotrode in ein das Schweißgut halten
des Auflagestück eingefügt ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß die
eingekoppelten Ultraschallwellen, die in Abhängigkeit der heran
gezogenen Kenngrößen Scherwellen und/oder Druckwellen sein
können, sowohl eine feste Frequenz aufweisen. Dadurch ergibt sich
ein verhältnismäßig geringer apparativer Aufwand.
Bei einer Weiterbildung weist die Auswerteeinheit einen Kalibrier
datenspeicher und eine Adaptationseinheit auf, wobei mit der Adapta
tionseinheit mittels Vergleiche von Meßdaten und Kalibrierdaten die
Schweißparameter über die Stelleinheit und unmittelbar mit Überlage
rung von Ausgangssignalen der Stelleinheit modifizierbar sind. Da
durch wird neben einer Regelung des Schweißprozesses eine Selbst
adaptation erreicht.
Als Kenngrößen sind beispielsweise die gewichtete Summe aus der
Amplitude der Grundwelle und wenigstens der Amplitude einer
höheren Harmonischen, der Minimalwert dieser gewichteten Summe,
der Transmissionskoeffizient, der Reflexionskoeffizient, ein aus der
Leistung des Oberwellenanteiles im Verhältnis zu der Leistung des
Grundwellenanteiles gebildeter Klirrfaktor oder die transmittierte
Maximalamplitude vorgesehen.
Zusätzlich ist es zweckmäßig, über einen mit dem Schweißgut un
mittelbar in Kontakt stehenden oder interferometrisch beziehungs
weise kapazitiv arbeitenden, in einem Abstand dem Schweißgut
angeordneten Körperschallaufnehmer oder einen Luftschallaufnehmer
mit Einspeisen der entsprechenden Ausgangssignale in den Meß
datenspeicher weitere mittelbare Kenngrößen für die Regelung
heranzuziehen.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die Figuren
der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 in einem Blockschaubild ein Ausführungsbeispiel der Erfin
dung mit einem auf einem Amboß aufgebrachten Schweiß
gut sowie einer ein einen Meßdatenspeicher sowie eine
Stelleinheit angeschlossenen Auswerteeinheit und
Fig. 2 in einem Blockschaltbild den Aufbau der Auswerteeinheit
des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt in einem Blockschaubild ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, die über eine Fügeeinrichtung 1
verfügt. Die Fügeeinrichtung 1 weist einen Ultraschallgenerator 2 und
einen an den Ultraschallgenerator 2 angeschlossenen Amplitudenver
stärker 3 auf. Mit dem Ultraschallgenerator 2 sind Ultraschallwellen
mit fester Frequenz sowie einstellbarer Amplitude und Zeitdauer in
den Amplitudenverstärker 3 einkoppelbar. Der Amplitudenverstärker 3
verjüngt sich an seinem dem Ultraschallgenerator 2 abgewandten
Ende in Richtung einer Sonotrode 4 unter Modenumwandlung und
Konzentration der Ultraschallenergie auf einen geringeren Quer
schnitt. Die Sonotrode 4 weist an ihrem dem Amplitudenverstärker 3
abgewandten Ende einen abgewinkelten Abschnitt auf, der in der
Darstellung gemäß Fig. 1 auf einem ersten Verbindungsteil 5 eines
Schweißgutes 6 aufliegt.
Ein mit dem ersten Verbindungsteil 5 zu verschweißendes zweites
Verbindungsteil 5', das mit dem ersten Verbindungsteil 5 eine Füge
schicht 7 umschließt, ist auf einen Amboß 8 als Auflagestück auf
gelegt, der an einem Träger 9 befestigt ist. An dem Träger 9 ist ein
Kraftkoppler 10 vorgesehen, der den Träger 9 sowie einen den
Ultraschallgenerator 2, den Amplitudenverstärker 3 sowie die Sono
trode 4 haltenden Rahmen 11 verbindet. Mit dem Kraftkoppler 10 ist
die Sonotrode 4 mit einer einstellbarer Kraft auf das Schweißgut 6
aufdrückbar.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist weiterhin einen Ultraschall
detektor 12 einer Ultraschalldetektionseinheit auf, der in dem Amboß
8 integriert und zur Detektion von nach Wechselwirkung mit der
Fügeschicht 7 modifizierten Anteilen der über die Sonotrode 4 in das
Schweißgut 6 eingeprägten Ultraschallwellen an das zweite Verbin
dungsteil 5' angekoppelt ist. Der Ultraschalldetektor 12 ist beispiels
weise als kapazitiver, interferometrischer oder piezoelektrischer
Aufnehmer ausgebildet.
Der Ultraschalldetektor 12 ist über einen Verstärker 13 sowie einen
Analog/Digital-Wandler 14 der Ultraschalldetektionseinheit an einen
Meßdatenspeicher 15 angeschlossen. Weiterhin sind an den Meß
datenspeicher 15 jeweils über einen Verstärker 13 und einen
Analog/Digital-Wandler 14 ein in diesem Ausführungsbeispiel mit dem
Schweißgut 6 in Kontakt stehender Körperschallaufnehmer 16 und in
einem Abstand von dem Schweißgut 6 angeordneter Luftschall
aufnehmer 17 angeschlossen. Mit dem Körperschallaufnehmer 16
sind niederfrequente mechanische Schwingungen als Körperschall
amplituden des Schweißgutes 6 erfaßbar, während der Luftschall
aufnehmer 17 zur Detektion von von dem Schweißgut 6 während des
Schweißprozesses generierten ebenfalls niederfrequenten Schall
wellen in der Luft als Luftschallamplituden dient.
In dem Meßdatenspeicher 15 sind während des Schweißprozesses
der zeitliche Verlauf des Anteils der detektierten Ultraschallwellen
sowie die Körperschallamplituden sowie die Luftschallamplituden
abspeicherbar. Der Meßdatenspeicher 15 ist von einer Triggereinheit
18 mit Triggersignalen beaufschlagbar, die den Beginn eines Meß
zyklus einleiten. Der Meßdatenspeicher 15 ist an eine Auswerte
einheit 19 angeschlossen, mit der in einer weiter unten näher er
läuterten Weise die in dem Meßdatenspeicher 15 abgelegten Meß
daten weiterverarbeitbar sind.
Sowohl die Triggereinheit 18 als auch die Auswerteeinheit 19 sind an
eine Stelleinheit 20 angeschlossen, mit der in Abhängigkeit der
Ausgangssignale der Auswerteeinheit 19 die Dauer sowie die Ampli
tude der von dem Ultraschallgenerator 2 erzeugten Ultraschallwellen
sowie die durch den Kraftkoppler 10 von der Sonotrode 4 auf das
erste Verbindungsteil 5 ausgeübte Kraft und im Fall einer Rollnaht
schweißung der Vorschub einstellbar ist. Weiterhin ist die Auswerte
einheit 19 mit einem weiteren Ausgang unter Umgehen der Stell
einheit 20 unmittelbar an den Ultraschallgenerator 2 sowie den
Kraftkoppler 10 angeschlossen.
Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild den prinzipiellen Aufbau der
Auswerteeinheit 19 gemäß Fig. 1. Die Auswerteeinheit 19 weist einen
Istwertespeicher 21 und ein Adaptationsglied 22 auf, die an den
Meßdatenspeicher 15 angeschlossen sind. Das Adaptationsglied 22
ist an einen Kalibrierdatenspeicher 23 angeschlossen und übergibt
Ausgangsdaten zum einen an einen Sollwertespeicher 24 und zum
anderen unter Umgehung der Stelleinheit 20 unmittelbar an den
Ultraschallgenerator 2 sowie den Kraftkoppler 10. Der Istwerte
speicher 21 und der Sollwertespeicher 24 sind mit ihren Ausgängen
an einen Komparator 25 angeschlossen, dessen Ausgangssignale der
Stelleinheit 20 einspeisbar sind.
Mit der Auswerteeinheit 19 sind für den Schweißprozeß charakteristi
sche Kenngrößen aus dem Anteil der detektierten Ultraschallwellen
bestimmbar. Bevorzugte Kenngrößen sind die gewichtete Summe aus
der Amplitude der Grundwelle und wenigstens der Amplitude einer
höheren Harmonischen der detektierten Ultraschallwellen als so
genannte primäre Kenngrößen, als daraus abgeleitete sogenannte
sekundäre Kenngrößen der Minimalwert der vorgenannten gewich
teten Summe, der Transmissionskoeffizient und/oder bei ent
sprechender Anordnung des Ultraschalldetektors 12 der Reflexions
koeffizient der oder jeder Fügeschicht 7 als sogenannte primäre
Kenngröße, ein aus der Leistung des Oberwellenanteiles im Verhält
nis zu der Leistung des Grundwellenanteiles gebildeter Klirrfaktor als
primäre Kenngröße oder die Maximalamplitude der Ultraschallwellen
nach Wechselwirkung mit der Fügeschicht 7 als primäre Kenngröße.
Als weitere Kenngrößen sind die Zeitverläufe der Körperschallampli
tuden und/oder der Luftschallamplituden vorgesehen.
In Weiterbildungen sind weitere Kenngrößen durch die Frequenz
analyse der Zeitverläufe einer oder mehrerer der oben genannten
Kenngrößen gebildet.
Die Kenngrößen sind als Istwerte dem Istwertespeicher 21 sowie dem
Adaptationsglied 22 zugeführt. In dem Adaptationsglied 22 werden
die während des Schweißprozesses erfaßten Kenngrößen mit in dem
Kalibrierdatenspeicher 23 abgelegten Kalibriergrößen verglichen. Das
Adaptationsglied 22 gibt zum einen aus den Kenngrößen und den
Kalibriergrößen berechnete Sollwerte an den Sollwertespeicher 24
weiter, wobei aus dem Vergleich der Istwerte mit den Sollwerten
durch den Komparator 25 der Abweichung von den Istwerten zu den
Sollwerten zugeordnete Stellsignale an die Stelleinheit 20 ausgebbar
sind. Von der Stelleinheit 20 generierte Nachführsignale werden
Adaptationssignalen aus der Adaptationseinheit 20 vor Beauf
schlagen des Ultraschallgenerators 2 und des Kraftkopplers 10
überlagert, so daß neben einer Regelung des Schweißprozesses
auch ein von der Regelung beeinflußter Lernvorgang erfolgt.
Claims (13)
1. Vorrichtung zum Schweißen mit Ultraschall mit einer Füge
einrichtung, die über einen Ultraschallgenerator (2) und eine an
den Ultraschallgenerator (2) angeschlossene Sonotrode (4)
verfügt, mit der unter Einwirkung einer durch einen Kraftkoppler
(10) erzeugte Anpreßkraft zum Herbeiführen eines unmittelbaren
Stoffschlusses zwischen zu verbindenden Teilen (5, 5') eines
Schweißgutes (6) in wenigstens einer Fügeschicht (7) Ultra
schallwellen mit einstellbaren Schweißparametern in eines der
Teile (5, 5') einkoppelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Ultraschalldetektionseinheit (12, 13, 14) vorgesehen ist, mit
der aufgrund von Wechselwirkung mit der oder jeder Füge
schicht (7) modifizierte Anteile der eingekoppelten Ultraschall
wellen detektierbar sind, daß ein an die Ultraschalldetektions
einheit (12, 13, 14) angeschlossener Meßdatenspeicher (15)
zum Erfassen des zeitlichen Verlaufes des Anteils der detek
tierten Ultraschallwellen vorgesehen ist, daß der Meßdaten
speicher (15) mit einer Auswerteeinheit (19) in Verbindung steht,
mit der wenigstens eine für den Schweißprozeß charak
teristische Kenngröße aus dem Anteil der detektierten Ultra
schallwellen bestimmbar ist und daß eine an die Auswerteeinheit
(19) und die Fügeeinrichtung (1) angeschlossene Stelleinheit
(20) vorgesehen ist, mit der in Abhängigkeit von wenigstens
einer Kenngröße Schweißparameter einstellbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Ultraschalldetektor (12) der Ultraschalldetektionseinheit gegen
über der Sonotrode (4) in ein das Schweißgut (6) haltendes
Auflagestück (8) eingefügt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die eingekoppelten Ultraschallwellen eine feste Frequenz
aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Kalibrierdatenspeicher (23) und eine Adapta
tionseinheit (22) vorgesehen sind, mit denen mittels Vergleich
von Kenngrößen und Kalibrierdaten Schweißparameter beein
flußbar sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine primäre Kenngröße durch eine gewichtete
Summe aus der Amplitude der Grundwelle und wenigstens der
Amplitude einer höheren Harmonischen der detektierten Ultra
schallwellen gebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
eine sekundäre Kenngröße durch den Minimalwert der gewich
teten Summe gebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine primäre Kenngröße durch den Trans
missionskoeffizienten der Fügeschicht (7) gebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine primäre Kenngröße durch den Reflexions
koeffizienten der Fügeschicht (7) gebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine primäre Kenngröße ein aus der Leistung des
Oberwellenanteiles in Verhältnis zu der Leistung des Grund
wellenanteiles der detektierten Ultraschallwellen gebildeter
Klirrfaktor ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Kenngröße durch die Maximalamplitude der
detektierten Ultraschallwellen gebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß an ein den Meßdatenspeicher (15)
angeschlossener und mit dem Schweißgut (6) wechselwirkender
Körperschallaufnehmer (16) vorgesehen und eine primäre
Kenngröße eine von dem Schweißgut (6) abgegebene Körper
schallamplitude ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein an den Meßdatenspeicher (15) an
geschlossener und im Abstand von dem Schweißgut (6) an
geordneter Luftschallaufnehmer (17) vorgesehen und eine
primäre Kenngröße eine von dem Schweißgut (6) abgegebene
Luftschallamplitude ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß eine sekundäre Kenngröße durch eine
Frequenzanalyse einer primären Kenngröße gebildet ist.
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