DE19810509A1 - Vorrichtung zum Schweißen mit Ultraschall - Google Patents

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.