DE2636856A1

DE2636856A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstoerungsfreien bewertung von klebverbindungen in realzeit

Info

Publication number: DE2636856A1
Application number: DE19762636856
Authority: DE
Inventors: Sotirios John Vahaviolos
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1975-08-18
Filing date: 1976-08-16
Publication date: 1977-03-10
Also published as: FR2321691A1; FR2321691B1; NL169229B; NL7609126A; CA1047156A; JPS5731098B2; GB1527658A; BE845216A; JPS5225691A; US4004456A; NL169229C

Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Palentconsull 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsuii 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

WESTERN ELECTRIC COMPANY, Vahaviolos - 5

INCORPORATED

NEW YORIC (N.Y.) U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bewertung von Klebverbindungen in Realzeit.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bewertung von Klebverbindungen in Realzeit unter Verwendung der Spannungswellenemission nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, wobei insbesondere die während des Verbindungszyklus emittierte mechanische Spannungswellenenergie gemessen und die gemessene Energie - oder eine modifizierte Form der gemessenen Energie - mit einem vorbestimmten, im wesentlichen linearen Verhältnis zwischen der emittierten Spannungswellenenergie und der Stärke der Klebverbindung verglichen wird, um die Stärke der Verbindung zu bestimmen.

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München: Kramer · Df. Weser ■ Hir?ch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

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Mit der zunehmenden Verwendung der Thermokompression, der Ultraschall- und anderer Verbindungsverfahren ist es in den letzten Jahren zunehmend bedeutsam geworden, die Stärke einer Klebverbindung abschätzen zu können. Die gebräuchlichste Methode der Bestimmung der Stärke einer Klebverbindung besteht in dem standardisierten Abschältest. Dieses Prüfverfahren zerstört jedoch die Verbindung und ist deshalb kein sehr wünschenswertes Verfahren, zumal es nur auf der Basis von Stichproben angewendet werden kann.

Ein Verfahren der zerstörungsfreien Anzeige der Qualität einer Klebverbindung, die durch Vibrationsverbindungstechnik hergestellt worden ist, ist in der US-PS 3 302 277 (D.H. Prüden) vom 7.2.1967 beschriebene Hierbei wird ein Prüfstrom durch ein elektrisches Bauteil geschickt, welches an einem Element anzukleben ist und es wird die Änderung des Spannungsabfalls in der Klebverbindung gemessen. Der gemessene Spannungsabfall wird dann zur Anzeige der Qualität der Klebverbindung verwendet und alternativ zur Steuerung der Vibrationsenergie, die in die Verbindungszone eingeführt wird.

Die Technik der Feststellung und Messung von mechanischen Spannungswellen ist zur Feststellung von Impulsen niedriger Amplitude, kurzer Dauer und rascher Anstiegszeit, die von Rissen in spröden Materialien emittiert werden, angewendet

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worden, wenn das Material einer Belastung ausgesetzt wird, beispielsweise während einer Verbindungsoperation oder eines Drucktests. In dieser Beziehung wird beispielsweise auf einen Bericht von G.A. Alers vom 19.5.1972 "Investigation of Acoustic Emission from Ceramic-Materials" in No. SC 513. 6 FR, publiziert von der North American Rockwell Science Center, hingewiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche in wirtschaftlicher und zerstörungsfreier Weise die Stärke einer Klebverbindung in Realzeit abzuschätzen ermöglichen.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Hauptanspruchs gelöst und durch die weiteren Maßnahmen der Unteransprüche gefördert bzw. ausgestaltet.

Bei der Erfindung wird eine Klebverbindung dadurch bewertet, daß die während der Bildung der Verbindung emittierte mechanische Spannungswellenenergie gemessen und die gemessene Energie mit einer vorbestimmten im wesentlichen linearen Beziehung zwischen der emittierten Spannungswellenenergie und der Stärke der Klebverbindung verglichen wird, um die Stärke der jeweils überprüften Klebverbindung zu bestimmen.

Bei der Erfindung wird ferner die mechanische Spannungswel-

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lenenergie sowohl während der Kompressionsphase als auch in der Zeitspanne des Drucknachlassens bei der Bildung der Verbindung gemessen und entweder (a) die Differenz zwischen den erhaltenen Messungen während der beiden Intervalle gebildet und danach der Differenzwert mit einer vorbestimmten im wesentlichen linearen Beziehung verglichen, die zwischen dem bestimmten Differenzwert und der Stärke der Adhäsionsverbindung besteht, oder (b) es wird ein vorbestimmter Schwellenwert von dem beim Drucknachlassen gemessenen Meßwert abgezogen, um einen Überschußwert zu erhalten, wonach der während der Kompressionsphase erhaltene Meßwert um den Überschußwert verringert wird, und es wird der verringerte Kompressionsphase-Meßwert mit einer vorbestimmten im wesentlichen linearen Beziehung verglichen, die zwischen dem verringerten Kompressionsphasen-Meßwert und der Stärke der Verbindung existiert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläutert, in welcher für ähnliche Teile in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet wurden. Es zeigt:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Systems zur Bestimmung der Stärke einer Kleb- oder Adhäsionsverbindung gemäß Erfindung,

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Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild

einer Schaltung des Energieprozessors nach Fig. 1,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild

einer Spannungssteueroszillatorschaltung zur Anwendung in dem Energieprozessor nach Fig. 2,

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild

einer Anordnung für die Zähler-Anzeigeschaltung nach Fig. 1,

Fig. 5 ein Diagramm des Verhältnisses zwischen

der gemessenen und während des Verbindungszyklus emittierten mechanischen Spannungswellenenergie und der Stärke der Klebverbindung und

Fig. 6 ein vereinfachtes Blockschaltbild

einer weiteren Anordnung der Zähler-Wiedergabeschaltung nach Fig. 1.

Die vorliegende Erfindung wird in erster Linie mit Bezug auf einen Thermokompressionskleber beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß diese Beschreibung nur als Beispiel gebracht ist und für Zwecke der Erläuterung, nicht jedoch der Beschränkung dient. Das erfinderische Konzept ist ebenfalls anwendbar für andere Kleb~ und Adhäsionsverfahren und Geräte, wenn während des Verbindungszyklus von den beiden miteinan-

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der zu verbindenden Materialien mechanische Spannungswellen emittiert werden.

Es wird Bezug auf Fig. 1 genommen. Ein erstes Werkstück 12, beispielsweise ein Substrat, und ein zweites Werkstück 14, beispielsweise ein Leitungsrahmen sind unterhalb einer Thermoelektrode 16 auf dem Werkstückhalter 18 einer Thermokompressions-Verbindungsmaschine 10 so angeordnet, wie sie miteinander verbunden werden sollen. Wenn die Thermokompressions-Verbindungsmaschine 10 in Gang gebracht wird, bewegt sich die Thermo elektrode 16 längs des in Fig. 1 eingezeichneten Pfeils, trifft auf die Oberfläche des zweiten Werkstücks 14 und überträgt gleichzeitig genügend Verbindungstemperatur und Druck auf die Zwischenfläche zwischen den Werkstücken und 14, um diese miteinander zu verbinden.

Mechanische Spannungswellen werden von dem Verbindungsbereich während des Verbindungszyklus ausgesendet und von einem piezoelektrischen Differenzwandler 20 festgestellt, der nachfolgend als Sensor 20 bezeichnet wird und zu der vorliegenden Verbindungsbewertung-Vorrichtung gehört. Der Sensor 20 ist nach der Zeichnung mechanisch mit dem Werkstückhalter 18 zu Zwecken der Nichtkontakt-Feststeilung gekuppelt, könnte aber auch beispielsweise mechanisch mit dem Werkstück 12 oder 14 oder der Thermo elektrode 16 verbunden sein. Der Sensor 20 sollte jedoch nur mit dem Werkstückhalter 18 oder der Thermo-

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elektrode 16 verbunden sein, wenn der Werkstückhalter 18 oder die Thermoelektrode 16 aus einem Material bestehen, deren Masse- oder Tiefenschallgeschwindigkeit eng der Schallgeschwindigkeit in dem Material der Werkstücke 12 und 14 entspricht.

Die von dem Sensor 20 festgestellten Signale umfassen Wellen, welche (a) durch andere elektrische und mechanische Bauteile in der Nähe des Systems nach Fig. 1 erzeugt werden, jedoch nicht dargestellt sind; (b) in den Werkstücken 12 und 14 oder dem Sensor 20 erzeugte Wellen, und zwar infolge solcher nicht transienter Faktoren, wie Temperatur und sich ändernde Materialspannung, und (c) mechanische Spannungswellen unter Einschluß von Massen- oder Tiefen- und Oberflächenwellen, die von der Verbindungsstelle der Werkstücke 12 und 14 ausgehen, während diese miteinander verbunden werden.

Während des Verbindungszyklus wird Energie aus dem Verbindungsbereich in der Form von mechanischen Spannungswellen abgegeben, welche möglicherweise wiederum zusammen mit unerwünschten mechanischen Wellen, die von anderen elektrischen oder mechanischen Bauteilen und in den Werkstücken 12 und 14 erzeugt werden, den Sensor 20 erregen. In Abhängigkeit von der Wellendämpfung in der Zwischenfläche bringen die wandernden mechanischen Spannungsimpulse den Sensor 20 dazu, ausgangsseitig elektrische Spannungsänderungen abzugeben, die

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in etwa proportional zur Amplitude der Impulse sind. Der Sensor 20 sollte .jedoch vorzugsweise so ausgewählt werden, daß seine Eigenfrequenz, die beispielsweise 1 MHz betragen kann, in den Frequenzbereich der von der Schweißstelle ausgehenden Spannungswellen fällt, aber vorzugsweise außerhalb des Frequenzbereichs der unerwünschten mechanischen Wellen ist, die von anderen Quellen stammen. In dieser Weise wirkt der Sensor 20 als Filter und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, welches in erster Linie für die von der Schweißstelle ausgehenden mechanischen Spannungswellen repräsentativ ist und möglicherweise einen kleinen Anteil von im wesentlichen abgeschwächten unerwünschten mechanischen Wellen von anderen Quellen einschließt. Wegen der niedrigen Amplitude dieser mechanischen Spannungswellenimpulse, die kleiner als ungefähr eine Größenordnung gegenüber den durch ein Substratriß erzeugten Spannungswellen sind, ist eine gute Übertragung der mechanischen Wellen oder Verstärkung der Ausgangsspannung des Sensors notwendig.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Sensor 20 über Leitungen mit einem Vorverstärker 22 geringen Rauschens verbunden. Der Vorverstärker 22 ist im Hinblick auf eine Empfindlichkeit vorzugsweise im Bereich von 1 von 4/uV ausgelegt, kann jedoch eine Empfindlichkeit jenseits dieses Bereichs einschließen. In jedem Fall soll der Vorverstärker 22 genügend empfindlich für die spezielle Anwendung sein.

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Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 22 wird über eine Leitung 26 an ein Bandpassfilter 28 übertragen, welches ein Durchlaßband aufweist, welches mindestens teilweise innerhalb der Eigenfrequenz des Sensors 20 liegt, jedoch ausserhalb des Bereichs von Störfrequenzen, die von den Bauteilen in der Nähe des Systems erzeugt v/erden. Das Filter 28 dient demnach dazu, nur die verstärkten elektrischen Signale des Sensors 20 durchzulassen, welche für die von der Verbindungsstelle emittierten mechanischen Spannungswellen repräsentativ sind, während gleichzeitg verstärkte elektrische Signale des Sensors 20 eliminiert werden, welche unerwünschte mechanische Wellen von anderen Quellen darstellen. Das Filter 28 stellt vorzugsweise ein Hochpassfilter der fünften oder höheren Ordnung dar, wie dieses kommerziell erhältlich ist. An der Ausgangsleitung 30 des Filters 28 ist ein Widerstand 31 angeschlossen, um die Eingsngsimpedanz eines Verstärkers 32 anzupassen. Es wird eine Bauform des Verstärkers mit einer großen Nachführgeschwindigkeit bevorzugt, beispielsweise ein Operationsverstärker vom handelsüblichen Modell 715. Das Ausgangssignal des Verstärkers 32 wird über eine Leitung 34 an eine Auswerteschaltung oder einen Energieprozessor 36 übermittelt.

Der Energieprozessor 36 empfängt die verstärkten und gefilterten Signale auf der Leitung 34 und codiert die von der Verbindungsstelle ausgehenden mechanischen Spannungswellen

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für sowohl das VerbindungsIntervall (Kompressionsphase) als auch das Nachverbindungs-Intervall (Drucknachlass-Intervall) und bildet ein digitales Signal.

Der Energieprozessor 36 kann Schaltungsteile aufweisen, die in Verbindung mit einem sehr schnellen Analog-Digital-Wandlungsschema arbeiten. Eine solche Schaltung ist im allgemeinen jedoch sehr teuer.

Fig. 2 und 3 zeigen einen neuen Energieprozessor 36 mit einer sehr schnellen, aber relativ billigen Schaltung zur Anwendung beider vorliegenden Klebverbindung-Bewertungsvorrichtung. Der Energieprozessor 36 weist eine Multiplizierschaltung 70 auf, welche ein Ausgangssignal auf einer Leitung 72 abgibt, welches das Quadrat des Eingangssignals auf der Leitung 34 darstellt. Der Energieprozessor 36 weist ferner einen Spannungssteueroszillator 74 auf. Die Multiplizierschaltung kann eine Anzahl von Einzelschaltungen enthalten und beispielsweise aus dem Multipliziermodell 4456 der Firma Teledyne-Philbric, Dedham (Massachusetts) aufgebaut sein. Der Spannungssteueroszillator 74 wandelt das quadratische amplitudenmodulierte Eingangssignal auf der Leitung 72 in ein digitales frequenzmoduliertes Ausgangssignal FM um, wobei eine Änderung der Amplitude des Eingangssignals zu einer entsprechenden Frequenzänderung oder Wiederholungsrate der digitalen Impulse des Ausgangs-

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signals führt.

Der Spannungssteueroszillator 74 sollte vorzugsweise eine Schaltung aufweisen, die einen Frequenzbereich von ungefähr 1000:1 umfaßt. Da konventionelle Spannungssteueroszillatoren im allgemeinen einen Frequenzbereich von bis zu 10:1 aufweisen, wird die neue, einen Spannungssteueroszillator darstellende Schaltung 74 nach Fig. 3 in dem vorliegenden System vorzugsweise verwendet. Dabei liefern getrennte, im Handel erhältliche Spannungssteueroszillatoren 80, 81 und 82 ein digitales FM-Ausgangssignal, und zwar jeweils innerhalb des Bereichs von f^ bis 1Of₁, 1Of₁ bis 10Of₁ und 10Of₁ bis 100Of₁. Die Frequenz f₁ kann eine beliebige Frequenz sein und beispielsweise 1 kHz betragen. Jeder Spannungssteueroszillator 80, 81 und 82 besitzt jeweils einen getrennten Ausschnittsvergleicher 84, 85 und 86, denen jeweils gewissermaßen ein "Fenster" zugeordnet ist. Jeder Ausschnittsvergleicher 84, 85 und 86 vergleicht den augenblicklichen Spannungspegel des Eingangssignals der Leitung 72 mit einem unterschiedlichen Anteil des Spannungsbereichs des Gesamteingangssignals und liefert ein Betätigungssignal an den zugeordneten Spannungssteueroszillator 80 bis 82, wenn der Eingangsspannungspegel innerhalb des zugeordneten, unter Vergleich stehenden Spannungsbereichs A, B oder C fällt. Wenn beispielsweise der max. Eingangssignal-Spannungsamplitudenbereich bei 1,5 V festgestellt

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wird, dann könnten die Ausschnittsvergleicher 84, 85 und 86 den Eingangsspannungspegel mit einem Spannungsamplitudenbereich von O bis 0,5 V (Bereich A), 0,5 bis 1,0 V (Bereich B) und 1,0 bis 1,5 V (Bereich C) jeweils vergleichen. Das Eingangssignal der Leitung 72 wird natürlich auch jedem der Spannungssteueroszillatoren 80 bis 82 zugeführt.

Unter der Annahme, daß das Eingangssignal der Leitung 72 im Betrieb einen Spannungspegel aufweist, der durch den gesamten Bereich A und B ansteigt, liefert der Ausschnittsvergleicher 84 solange ein Betätigungssignal an den Spannungssteueroszillator 80, wie die Eingangsspannung innerhalb des Bereichs A ansteigt. Das Betätigungssignal des Ausschnittsvergleichers 84 bringt den Spannungssteueroszillator 80 dazu, ein digitales FM-Ausgangssignal auf der Leitung 88 zu erzeugen, welches von f^ bis 1Of^ ansteigt, und zwar in dem Maße, wie der Eingangsspannungspegel entsprechend durch den Bereich A ansteigt. Wenn der Eingangsspannungspegel den unteren Rand des Bereichs B erreicht, hört der Ausschnittsvergleicher 84 auf, ein Betätigungssignal für die Spannungssteuerschaltung 80 zu erzeugen, und der Ausscnnittsvergleicher 85 liefert nunmehr ein Betätigungssignal an den Spannungssteueroszillator 81. Das Betätigungssignal des Ausschnittsvergleichers 85 bringt den Spannungssteueroszillator 81 dazu, ein digitales FM-Ausgangssignal auf der Leitung 89 abzugeben, dessen Frequenz von

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10f-j bis 100f ^ ansteigt, wenn der Eingangs Spannungspegel entsprechend durch den Bereich B ansteigt.

Die Ausgangssignale der Spannungssteueroszillatoren 80 bis 82 sind an ein gemeinsames ODER-Glied 90 angeschlossen und werden auf der Leitung 38 an eine Inforinationszähl- und Wiedergabeschaltung 40 übertragen. Daher kann das Ausgangssignal der Spannungssteueroszillatcrschaltung 74 Serienimpulse auf v/eisen, deren Frequenz zwischen f.« und 100Of^ rangiert und das indirekter Entsprechung zu den Spannungsamplitudenschwankungen des Eingangssignals an die Spannungs Steueroszillators chaltung 74 im max. Eingangssignal-Amplitudenbereich, einschließend die Bereich A bis C, steht. Es versteht sich, daß weitere Ausschnittsvergleicher und Spannungssteueroszillatoren in der Art nach Fig.3 hinzugefügt werden können, um den Operationsbereich auszudehen. Bei der Spannungssteueroszillatorschaltung 74 sind Integratoren vermieden worden, die gewöhnlich bezüglich Bandbreite und Genauigkeit beschränkt sind.

Das digitale FM-Ausgangssignal des Energieprozessors 36 wird über die Leitung 38 an die Informationszähl- und Wiedergabeschaltung 40 übermittelt, die zur getrennten Zählung der digitalen Eingangssignale mit Bezug auf folgende Gesichtspunkte dient: (a) von der Verbindungsstelle ausgesendete mechanische Spannungswellen während der Kompressions-

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phase der Bildung der Verbindung (wenn die Thermo elektrode 16 Wärme und Druck anlegt) und (b) während des Drucknachlaßintervalls emittierte mechanische Spannungswellen, die dann vorkommen, wenn sich die Thermoelektrode 16 in Richtung entgegengesetzt zu der in Fig. 1 dargestellten Richtung ab Ende des Verbindungszyklus bewegt.

Eine typische Anordnung der Zähler-Wiedergäbeschaltung 40 ist in Fig. 4 dargestellt und weist zwei Zähler 101 und auf. Das vom Energieprozessor 36 auf der Leitung 38 kommende digitale Signal wird über den einen Eingang jedes Zählers 101 und 102 angelegt. Sobald die Zähler 101 und 102 betätigt sind, zählen sie die auf der Leitung 38 ankommenden digitalen Impulse, die sich auf die emittierten mechanischen Spannungswellen während der Kompressionsphase bzw. auf die während des Drucknachlaßintervalls am Ende des Verbindungszyklus emittierten Spannungswellen beziehen. Eine Triggerschaltung 42 bekannter Ausführungsform dient zur Lieferung von Betätigungsimpulsen im richtigen Takt an jeden der Zähler 101 und 102 zur Messung der Spannungswellenenergie während jedes der beiden interessierenden Intervalle.

Wenn beim Betrieb die Thermo elektrode 16 die Oberfläche des Werkstücks 14 ergreift und eine genügend hohe Verbindungstemperatur und Druck auf die Zwischenfläche zwischen den Werkstücken 12 und 14 aufbringt, signalisiert eine Signal-

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einrichtung 44, die aus einer bekannten Einrichtung, beispielsweise einem von der Thermoelektrode 16 betätigten Schalter bestehen kann, an die Triggerschaltung 42, daß der Verbindungszyklus beginnt. In Abhängigkeit von diesem Signal der Signaleinrichtung 44 wird die Triggerschaltung 42 erregt und überträgt ein Betätigungssignal, welches über mindestens einen Teil des Verbindungszyklus anhält und die Kompressionsphase während der Bildung der Verbindung einschließt, und welches Signal über die Leitung 46a an den Zähler 101 läuft. Auf diese Weise wird die von dem Verbindungsbereich während der Kompressionsphase emittierte mechanische Spannungswellenenergie im Zähler 101 gemessen. Am Ende des Verbindungszyklus erzeugt die Signalisiereinrichtung 44 ein zweites Signal für die Triggerschaltung 42, welches anzeigt, daß die Thermoelektrode 16 gerade dabei ist sich entgegengesetzt der in Fig. 1 eingezeichneten Richtung zu bewegen. Diese Bewegung der Thermoelektrode nach oben erleichtert den Druck an der Verbindungsstelle, was dazu führt, daß ein gewisser Betrag an mechanischen Spannungswellen ausgesendet wird. In Abhängigkeit von dem zweiten Signal der Signalisiereinrichtung 44 trennt die Triggerschaltung 42 den Zähler 101 ab und überträgt über die Leitung 46b ein Betätigungssignal an den Zähler 102. Auf diese Weise wird die während des Drucknachlaßintervalls emittierte mechanische Spannungswellenenergie im Zähler gemessen.

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V/ie in Fig. 5 dargestellt^wurde gefunden, daß eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen der Stärke der Kleboder Adhäsionsverbindung und der während der Bildung der Verbindung emittierten mechanischen Spannungswellenenergie existiert, speziell in dem interessierenden Bereich zwischen den Linien 112 und 114, in welchem Gebiet die Spannungswellenenergie-Meßwerte für die meisten Adhäsionsverbindungen angetroffen imrden. Jenseits der Linie 114 weicht die Charakteristik etwas von der Linearität ab, und zwar in dem Gebiet, in welchem die Stärke der Verbindung sich der Stärke des schwächsten zu verbindenden Materials annähert.

Um die Kurve nach Fig. 5 für eine spezielle Kleb- oder Adhäsionsverbindung zu erhalten, sollten eine Anzahl von Probeverbindungen, vorzugsweise unter idealen Bedingungen hergestellt und die von jeder Probe ausgesendeten Spannungswellenenergie für die Kompressionsphase und die Drucknachlaßphase, wie zuvor beschrieben, gemessen werden. Die Stärke jeder Probeverbindung wird dann unter Verwendung eines Standardschälprüftests bestimmt. Unter idealen Verbindungs- · bedingungen sollten die Drucknachlaß-Meßwerte im Zähler ungefähr die gleichen für jede Probeverbindung sein, wobei ein vorbestimmter Drucknachlaß-Schwellwert für zukünftige Anwendung geschaffen wird, wie später erläutert. Nachdem die Stärke jeder Probeverbindung gemessen und die während der Kompressionsphase im Zähler 101 emittierte mechanische

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Spannungswellenenergie bestimmt worden ist, kann die in Fig. 5 dargestellte Kurve für den vorbestimmten Drucknachlaß-Schwellwert gezeichnet werden.

Wenn bei der nachfolgenden Bestimmung der Stärke der Klebverbindung die Spannungswellenenergie-Messung im Zähler für das Drucknachlaßintervall den vorbestimmten Drucknachlaß-Schwellenwert übersteigt, was dann vorkommen kann, wenn das eine oder beide Materialien in der Verbindungszwischenfläche kontaminiert sind, dann sollte die Größe der Differenz zwischen den Messungen im Zähler 102 und dem Drucknachlaß-Schwellenwert von dem im Zähler 101 erhaltenen Wert abgezogen werden. Der erhaltene Nettowert kann dann bei der Kurve nach Fig. 5 zur Bestimmung der Stärke der Verbindung verwendet werden und auch zur Entscheidung, ob diese Verbindung zulässig ist oder nicht. Aus obiger Erläuterung ist ersichtlich, daß die Meßwerte der Zähler 101 und 102 zur Bestimmung der Ursache einer unzulässigen Verbindung ausgewertet werden kann. Beispielsweise kann ein niedrigerer Zählstand im Zähler 101 als normal anzeigen, daß das Verbindungsgerät 10 einen ungenügenden Betrag an Temperatur oder Druck bereitgestellt hat, während ein höherer als normaler Meßwert im Zähler 102 eine mögliche Materialkontamination in dem Verbindungsbereich anzeigen kann. Für eine automatische Wirkungsweise kann ein elektrisches Signal, welches die Meßwerte der Zähler 101 und 102 wiederspiegelt, über

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die Leitungen 48 zu einer bekannten Vergleichsschaltung 50 übertragen, die zum Vergleich des Signals des Zählers 102 mit einem vorbestimmten Drucknachlaß-Schwellenwert und zur Subtraktion einer Differenz zwischen diesem Wert und dem Meßwert des Zählers 101 dient. Die Vergleichsschaltung 50 kann auch Schaltungsteile einschließen, die (a) den nettoerhaltenen Wert angeben, (b) die Stärke der Verbindung anzeigen und (c) höhr- oder sichtbar anzeigen, ob die Verbindung zulässig ist oder nicht bzw. ein Signal auf der Leitung 52 erzeugen_; welches an eine höhr- oder sichtbare Anzeigeeinrichtung geht.

Wenn es nicht notwendig oder wünschenswert ist, die individuellen Spannungswellenenergie-Messungen für die Kompressionsphase und das Drucknachlaßintervall der Verbindung aufzuzeichnen oder wiederzugeben, kann die Zähler-Wiedergabeschaltung 40 nach Fig. 6 anstelle der Zählerwiedergabeschaltung nach Fig. 4 verwendet werden. Dabei ersetzt ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler 104 beide Zähler 101 und 102 nach Fig. 4. Wenn die Triggerschaltung 42 im Betrieb während der Kompressionsphase dn Betätigungssignal auf der Leitung 46a überträgt, zählt der Zähler 104 die Anzahl der auf der Leitung 38 von dem Energieprozessor 36 empfangenen Impulse in steigender Richtung. Wenn die Triggerschaltung danach ein Betätigungssignal auf der Leitung 46b während des Drucknachlaßintervalls aussendet, subtrahiert der Zähler 104 jeden

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auf der Leitung 38 empfangenen Impuls von dem gesamten Zählstand, der während des Kompressionsphasenintervalls erhalten worden war. Der schließlich erhaltene Zählstand stellt somit eine Messung der Differenz der Spannungswellenenergie dar, wie diese während der Kompressionsphase und des Drucknachlaßintervalls einer Kleb- oder Adhäsionsverbindung emittiert worden ist. Diese Differenz kann anschließend zur Bestimmung der Stärke der Verbindung verwendet werden. Zur Vorsicht wird darauf hingewiesen, daß der mit der Schaltung nach Fig. 6 erhaltene Differenzmeßwert nicht in Beziehung zur Charakteristik nach Fig. 5 gebracht werden soll, die mit der Schaltung nach Fig. 4 erhalten worden ist. Stattdessen muß eine neue Charakteristik aufgestellt werden, wobei sowohl das vorliegende System nach Fig. 1 mit der Zählerwiedergabe 40 nach Fig. als auch das zuvor beschriebene Verfahren zum Erhalten der notwendigen Daten zum Zeichnen der Charakteristik nach Fig. 5 verwendet werden. Der Grund, warum die mit der Zählerwiedergabeschaltung nach Fig. 4 erhaltene Kurve nicht für die Schaltung nach Fig. 6 verwendet werden kann, liegt darin, daß die Kurve nach Fig. 5, wenn sie mit der Zählerwiedergabeschaltung nach Fig. 4 erhalten worden ist, gegenüber einer solchen Kurve, die mit der Zählerwiedergabeschaltung nach Fig. 6 erhalten wird, um einen gewissen Betrag verschoben ist, der gleich dem vorbestimmten Drucknachlaß-Schwellenwert ist.

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Für einen automatischen Betrieb kann der im Zähler 104 nach Fig. 6 erhaltene Differenzwert auf der Leitung 48 zu einer passenden Vergleichseinrichtung 50 übertragen werden, damit der Differenzwert mit einem vorbestimmten Sparmungswellenemissions-Schwellenwert verglichen werden kann, der den Kleinstwert der zulässigen Verbindungsstärke angibt, so daß die Zulässigkeit Jeder Verbindung angezeigt werden kann. Die Vergleichseinrichtung 50 kann natürlich und vorzugsweise eine Schaltung zur Erzeugung eines Gut-Schlecht-Signals umfassen, welches auf der Leitung 52 zu einem Signalgerät auf höhr- oder sichtbarer Basis führt, welches die Zulässigkeit oder Nichtzulässigkeit der geprüften Klebverbindung anzeigt und gegebenenfalls eine sichtbare Anzeige der Stärke der Verbindung liefert.

Es versteht sich natürlich, daß im Falle keine genauen Messungen der Stärke der Klebverbindung benötigt werden, es möglich ist, nur die während der Bildung der Verbindung emittierten mechanischen Spannungsv/ellen zu messen und diese Messung mit einer im wesentlichen linearen Beziehung, wie in Fig. 5 gezeigt, zu vergleichen, die in einer Weise erhalten wurde wie zuvor beschrieben. Für eine solche Anordnung benötigt die Zähler-Wiedergabeschaltung 40 nur den Zähler 101 nach Fig. 4 und die Triggerschaltung 42 braucht lediglich ein Betätigungssignal auf der Leitung 46a abzugeben.

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Claims

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1. Verfahren zur zerstörungsfreien Bewertung der Stärke einer Klebverbindung, deren Bildung eine Kompressionsphase einschließt, unter Verwendung der mechanischen Spannungswellen-Emission,
dadurch gekennzeichnet, daß die von der Verbindungsstelle während der Kompressionsphase emittierte mechanische Spannungswellenenergie gemessen und

daß die Stärke der Klebverbindung durch Vergleich der gemessenen Spannungswellenenergie bestimmt wird, wobei der Vergleich entweder direkt oder nach Modifikation durchgeführt wird, und zwar mit einer vorbestimmten im

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München: Kramer · Dr. Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

wesentlichen linearen Beziehung zwischen der emittierten · Spannungswellenenergie und der Stärke des speziellen Typs von zu bildender Klebverbindung.

2. Verfahren nach Anspruch .1,

dadurch gekennzeichnet, daß die von der Verbindungsstelle während des Drucknachlaßintervalls am Ende des Verbindungszyklus ausgehende mechanische Spannungswellenenergie gemessen,

daß die modifizierte Form der gemessenen Spannungswellen— energie der Kompressionsphase dadurch erhalten wird, daß die Größe der Differenz zwischen den Spannungswellenenergie-Meßwerten bestimmt wird, die während der Kompressionsphase und dem Drucknachlaßintervall erhalten werden, und daß die Stärke der Verbindung durch Vergleich der Differenzgröße mit der vorbestimmten, im wesentlichen linearen Beziehung bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal zur Anzeige einer zulässigen Verbindung gebildet wird, wenn die Differenzgröße einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die von der Verbindungsstelle während eines Drucknachlaßintervalls am Ende des Verbin-

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dungszyklus ausgehende Spannungswellenenergie gemessen,

daß die modifizierte Form der gemessenen Spannungswellenenergie der Kompressionsphase durch Subtraktion eines vorbestimmten Drucknachlaß-Schwellenwertes von dem Drucknachlaßintervall-Meßwert erhalten wird, um einen Überschußwert zu ermitteln,

daß der für die Kompressionsphase erhaltene Spannungswellen-Meßwert um den Betrag des Überschußwertes vermindert wird und

daß die Stärke der Verbindung durch Vergleich des verminderten Spannungswellenmeßwertes mit der vorbestimmten, im wesentlichen linearen Beziehung ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß eine höhr- oder sichtbare Anzeige einer zulässigen Verbindung abgegeben wird, wenn der verminderte Spannungswellen-Meßwert einen vorbestimmten zweiten Schwellenwertpegel übersteigt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Sensor zur Feststellung von Spannungswellen, die sich in dem Material der Werkstücke ausbreiten, und zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, welches für die festgestellten Wellen repräsentativ ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste signalverarbeitende

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Einrichtung einen Verstärker (22, 32) zur Verstärkung des elektrischen Ausgangssignals des Sensors (20) und ein
Bandpassfilter (28) aufweist, welches an den Ausgang des Verstärkers (22) angeschlossen ist und zur Erzeugung eines Ausgangssignals innerhalb eines Durchlassbandes dient,
welches außerhalb des Bereichs von Frequenzen liegt, die normalerweise durch Bauteile in der Nähe der Vorrichtung erzeugt werden, und

daß eine zweite signalverarbeitende Einrichtung mit dem
Ausgang der ersten signalverarbeitenden Einrichtung verbunden ist und eine Meßeinrichtung (40) zur Messung der
Größe der von der Verbindungsstelle während mindestens
der Kompressionsphase ausgehenden Spannungswellenenergie und eine Vergleichseinrichtung (50) aufweist, die an den Ausgang der Meßeinrichtung (40) angeschlossen ist und zum Vergleichen eines erhaltenen Ausgangssignals bezüglich
des Spannungswellenenergiewertes von der Meßeinrichtung
mit einer vorbestimmten, im vresentlichen linearen Beziehung zwisehen dem erhaltenen Spannungswellenenergie-Wert und der Stärke der Verbindung dient.

7» Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (40) eine Schaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignals aufweist,
welches den erhaltenen Spannungswellenenergie-Kert anzeigt, wobei der erhaltene Energiewert gleich dem Spannungswellen-

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energie-Wert ist, wie dieser während der Kompressionsphase gemessen wird,

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite signalverarbeitende Meßeinrichtung (40, 50) eine Meßschaltung (101, 102) zur Messung der von der Verbindungsstelle während sowohl der Kompressionsphase als auch der Drucknachlaßphase der Adhäsionsverbindung ausgehenden SpannungsveLlenenergie, eine Schaltung zur Bestimmung des Betrages, daß die für das DrucknachlaßIntervall gemessene Spannungswellenenergie einen vorbestimmten Drucknachlaß-Schwellenwert übersteigt, und eine Schaltung zur Verringerung der Spannungswellenenergie— Messung für die Kompressionsphase um einen Betrag gleich dem Überschußbetrag, um zu einem sich ergebenden Spannungswellenenergie-Wert zu gelangen, aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite signalverarbeitende Einrichtung (40, 50) eine Meßschaltung zur Messung der von der Verbindungsstelle während sowohl der Kompressionsphase als auch der Spannungsnachlaßphase der Klebeverbindung ausgehende Spannungswellenenergie und eine Schaltung zur Verringerung der gemessenen Spannungswellenenergie für die Kompressionsphase um einen Betrag gleich der gemessenen Spannungswellenenergie für das Drucknachlaßintervall auf-

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weist, um einen sich ergebenden Spannungswellenenergie-Wert zu erzielen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite signalverarbeitende Vergleichseinrichtung (50) ferner eine Schaltung zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals aufweist, welches eine zulässige Verbindung anzeigt, wenn der erhaltene Spannungswellenenergie-¥ert einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.

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