DE3429776C2

DE3429776C2 -

Info

Publication number: DE3429776C2
Application number: DE19843429776
Authority: DE
Inventors: Helmut 8500 Nuernberg De Moll; Martin 8521 Marloffstein De Richter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-08-13
Filing date: 1984-08-13
Publication date: 1988-05-19
Also published as: DE3429776A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Qualitätskon trolle beim Ultraschallschweißen gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 4.

Das Verbinden von Werkstücken durch Ultraschallschweißen setzt sich im zunehmendem Maße durch. Dabei hat sich einerseits das Ultraschallschweißen von Kunststoffen, insbesondere von Thermo plasten, als eigenständiges Gebiet entwickelt. Andererseits wird Ultraschall auch zum Einbetten von metallischen Werkstüc ken in thermoplastische Grundkörper verwendet. Schließlich ge winnt das Ultraschallschweißen beim Verbinden metallischer Werk stücke zunehmend an Bedeutung.

Während früher die Prozeßvariablen des Schweißvorganges beim Ultraschallschweißen, wie Ultraschallfrequenz oder -amplitude, Schweißstrom oder -spannung, Schweißleistung oder -energie sowie Schweißzeit, mehr oder weniger nach empirischer Ermitt lung vorgegeben bzw. überwacht wurden, bemüht man sich seit einiger Zeit, solche Schweißparameter unmittelbar während des Schweißvorganges zu erfassen und zur Qualitätssicherung ein zusetzen. Beispielsweise ist aus der DE-OS 28 23 361 ein Über wachungsverfahren für Ultraschall- und Schallgeräte sowie eine zugehörige Vorrichtung bekannt, bei dem speziell die Schwingungs amplitude berührungsfrei abgenommen und als signifikante Meß größe für die Qualität der Verschweißung laufend überwacht wird. Bei der DE-OS 29 46 154 ist unmittelbar in der Ultraschall- Sonotrode ein piezoelektrischer Quarz als Sensor integriert, der als elektrischer Wandler für die Ultraschallschwingungen dient und zur Steuerung der Schwingungsenergie herangezogen wird. Diesem Stand der Technik liegt die Vorstellung zugrunde, daß die Schwingungsamplitude die entscheidende Einflußgröße für den Verschweißvorgang ist, woraus sich bei Kenntnis der Material parameter der zu verschweißenden Teile die über eine vorge gebene Schweißzeit notwendige Schweißenergie ermitteln läßt. Dabei wird davon ausgegangen, daß zum Erreichen einer hin reichenden Schweißverbindung von Werkstücken ein bestimmter Energiebetrag aufgewendet werden muß, der sich aus dem Integral von Leistung über die Zeit als Prozeßvariable ergibt.

Während bei der Verschweißung von Kunststoffteilen die Schweiß parameter relativ gut überschaubar sind, trifft letzteres für das Verschweißen von metallischen Werkstücken nicht zu. Bisher war es noch nicht möglich, den Prozeßablauf einer Schweißung von metallischen Werkstücken im einzelnen zu überwachen und gegebenenfalls zu beeinflussen. Grund dafür ist der komplexere phänomenologische Ablauf des Ultraschallschweißens bei Metallen als bei Kunststoffen. Da aber die mechanischen Anforderungen an verschweißte Metallteile durchweg höher als bei Kunststoff teilen sind, ist hier die Qualitätssicherung besonders wichtig.

Aus der DE-OS 33 34 066 ist ein mikroprozessorgesteuerter Ultra schallschweißapparat bekannt, der insbesondere den Betriebs zustand der einzelnen Einrichtungen und deren Arbeitsablauf überwacht und der ein Warnsignal liefert, wenn ein fehlerhafter Schweißtakt auftritt oder die an den Ultraschallwandler ab gegebene Spannung außerhalb eines vorgegebenen Bereichs von Spannungspegeln liegt. Daneben ist es aus Jap. Patent Abstracts M66 vom 30. 04. 1981 (Vol. 5/No. 65) bekannt, speziell für das Ultraschallbonden von Drähten bei mikroelektronischen Schal tungen das elektrische Stromsignal bei Konstantspannungsbetrieb mit einer abgespeicherten Sollkurve zu vergleichen und daraus mittels Rechner ein Abschaltsignal für die Ultraschall einwirkung zu ermitteln. Eine Überwachung der Schweißparameter im Sinne einer differenzierten Qualitätskontrolle ist damit allerdings nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine zugehörige Vorrichtung anzugeben, mit denen eine unmittelbare Qualitätskontrolle beim Ultraschallschweißen möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Realisierungen die ses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 4 definiert. Bei einer solchen Vorrichtung ist gemäß Anspruch 5 insbesondere ein Mikroprozessorsystem vorgesehen.

Gemäß der Erfindung ist gleichermaßen der Leistungsbedarf pro Zeiteinheit sowie auch die gesamte Energieabgabe erfaßbar. Es wird ein Prozessorsystem vorgeschlagen, mit dem man sogenannte "Gutteilkennlinien" vorgeben und speichern kann, bei dem die Toleranzabweichung aber nicht - wie beim Stand der Technik - konstant, sondern abschnittsweise unterschiedlich vorgegeben wird. Mit einem Mikroprozessorsystem können dem Verlauf der Gut teilkennlinien beliebig anpaßbare, über den Zeitverlauf unter schiedlich tolerierbare Hüllkurven zugeordnet werden, die Grenzen für positive und negative Abweichungen definieren. Damit lassen sich unterschiedliche Kriterien für die Qualität des Schweißvorganges ableiten. Unter Berücksichtigung derartiger Qualitätskriterien ist die Anzahl zulässiger Abweichungen der Werte eines oder mehrerer der Qualitätskriterien, die zu einer Geräteabschaltung führen, vorwählbar.

Der Erfindung lag eine Analyse der beim Ultraschallschweißen von Werkstücken phänomenologisch ablaufenden Elementarvorgänge zugrunde. Unter anderem wurde dabei gefunden, daß die über die Zeit aufgetragene Leistung einen spezifischen Kurvenverlauf hat, welcher abschnittsweise unterschiedlich bewertet werden muß. Es ist nicht hinreichend - wie durchweg beim Stand der Technik angenommen - die während des Verschweißvorganges ins gesamt abgegebene Energiemenge zu erfassen und Leistung und Zeit gegeneinander auszuregeln.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Verfahren zur Qualitäts sicherung beim Ultraschallschweißen sowie eines Ausführungs beispiels einer dafür verwendeten Überwachungsvorrichtung an hand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 einen charakteristischen Leistungs- und Energie verlauf beim Ultraschallschweißen,

Fig. 2 und 3 jeweils für spezifische Materialien signifikante Gutteilkurven,

Fig. 4 eine Ultraschallschweißanlage mit zugehöriger Überwachungsvorrichtung und

Fig. 5 den Aufbau und Komplettierung eines zur Überwa chungseinrichtung nach Fig. 4 vorgesehenen Prozessor systems.

In Fig. 1 ist im oberen Teil eine Leistungsbedarfskurve für das Ultraschallverschweißen zweier Werkstücke aus einem nicht näher spezifizierten Werkstoff über die Zeit einer Schweißung aufgetragen, wie sie sich theoretisch aus einer phänomenologischen Betrachtung ergeben müßte:
Im Bereich I setzt ein schneller Anstieg von P ein, was als Maß für die Sauberkeit der zu verschweißenden Füge flächen der Werkstücke gedeutet werden kann. Im Be reich II beginnt das Material zu fließen, wodurch eine Verringerung des Leistungsanstiegs zu erwarten ist. Be reich III kennzeichnet dagegen die eigentliche Verschmel zung der beiden Teile miteinander, wonach der Leistungs bedarf sich im Bereich IV stabilisiert. Im Bereich V er folgt die Abschaltung und damit die Beendigung des Schweißvorganges.

Der bei einer derartigen Leistungskurve durch Integration sich ergebende Energiebedarf ist durch eine stetig an steigende Kurve mit unterschiedlicher Steigung gekenn zeichnet. Die für eine Verschweißung notwendige und hin reichende Gesamtenergie weist untere und obere Toleranz grenzen auf.

Beim Stand der Technik wurde bisher durchweg die Gesamt energie als Fläche unter der Leistungskurve ermittelt, wobei der Leistungswert selbst und die Zeit als gegen einander kompensierbar angesehen werden. Bei Absinken des Leistungswertes wird die Schweißzeit verlängert, bei Ansteigen des Leistungswertes die Schweißzeit dagegen ver ringert, so daß das Integral über die Leistungskurve konstant bleibt.

Es wurde nun erkannt, daß es beim Ultraschallschweißen sinnvoll ist, abschnittsweise den Leistungsbedarf bzw. den Energieverlauf pro Zeiteinheit zu erfassen und zu bewerten. Zu diesem Zweck kann ein einziger Sensor ge nügen, dessen Meßsignale abspeicherbar und weiterver arbeitbar sind. Die zugehörige Überwachungsvorrichtung muß dafür über den Zeitverlauf unterschiedlich tolerier bare Hüllkurven mit unterschiedlichen Toleranzgrenzen für positive und negative Abweichungen generieren können. An dieser Vorrichtung muß die Anzahl zulässiger Über schreitungen der Toleranzkurven einstellbar sein, so daß unterschiedliche Qualitätskriterien für den Verschweiß vorgang vorgegeben werden können.

In Fig. 2 und Fig. 3 ist gezeigt, daß beim Verschweißen von Kunststoffteilen unterschiedliche Materialien ganz spezi fische Strukturen im Leistungsdiagramm aufweisen. Es sind beispielsweise Diagramme mit identischen Prozeßvariablen, wie Schweißamplitude (35 µm) und Schweißdruck (3,5 bar) sowie Vorschub (1 mm/s), für je eine Gutteilschweißung aufgezeichnet. Dabei liegen beim Beispiel gemäß Fig. 3 für Polyoxymethylen (POM) bei einer Gutteilschweißung zwei Peaks vor, während sich beim Beispiel gemäß Fig. 2 für Acrylnitril-Butadien-Styrolpolymer (ABS) lediglich ein einziger Peak ergibt. Es kann also festgestellt werden, daß insbesondere bei Kunststoffen signifikante, vom Ma terial abhängige Strukturmerkmale in der Leistungskurve vorhanden sind.

Eingehende Untersuchungen bei Kunststoffen haben gezeigt, daß die Struktur der Leistungskurve aber nicht nur vom Material selbst, sondern auch vom Lagerzustand der Werk stücke, beispielsweise spritzfrische Teile oder mit Was ser gesättigte Teile, und auch von mechanischen Beschädi gungen der Fügefläche abhängen kann. Es können somit auch verschiedene Kunststoffe, die äußerlich nicht unter schieden werden können, bei der Schweißung differenziert werden. Dies gilt insbesondere für schwer schweißbare Kunststoffe, die durch unterschiedliche Pigmente oder Glasfasern und dergleichen mit bestimmten optischen oder mechanischen Eigenschaften versehen wurden. Solche Kunst stoffe benötigen üblicherweise eine längere Schweißzeit, wobei auch mechanische Schäden durch die schwingende Be lastung beim Verschweißen auftreten können.

Der phänomenologische Vorgang des Schmelzschweißens bei Kunststoffen wird also durch das Material, dessen Vorbe handlung und auch durch die Geometrie des Werkstückes eindeutig beeinflußt. Aber auch bei Metallen, bei denen aufgrund der Relativbewegung der Werkstücke phänomeno logisch ein Reibschweißen vorliegt, lassen sich diese Ein flußgrößen in ähnlicher Form erfassen. Unter der Voraus setzung, daß im Einzelfall jeweils eine Gutteilkennlinie aufgenommen wurde, ist dadurch die Möglichkeit einer hin reichenden Qualitätskontrolle geschaffen.

In Fig. 4 bedeuten 10 ein Ultraschallschweißgerät, das im wesentlichen aus einer Sonotrode 11 als aktives Schweiß werkzeug und einem Amboß 12 als Aufnahmewerkzeug für die zu verschweißenden Teile sowie zugehörigen Mitteln zur Schweißdruckerzeugung bestehen. Dem Schweißgerät 10 ist ein Ultraschallgenerator 20 zugeordnet, der Ultraschall geeigneter Frequenz, beispielsweise im Bereich zwischen 16 und 20 kHz, erzeugt.

Dem eigentlichen Schweißgerät 10 sind Meß- und Überwa chungseinrichtungen zugeordnet, mit denen Sonotroden strom I und Sonotrodenspannung U erfaßbar sind, so daß fortlaufend die Meßwerte als Analogsignale in Abhängigkeit von der Schweißzeit zur Verfügung stehen. Eine diesbezüg liche Einrichtung 30 besteht im wesentlichen aus den pri mären Meßeinheiten 31 mit Mitteln zur Vorverstärkung der Signale für Strom und Spannung sowie einer nachfolgenden Einheit 32 zur phasenrichtigen Multiplikation des Sono trodenstroms I und der Sonotrodenspannung U zur Bildung des Leistungssignals P(t). Durch Integration in einer Einheit 33 kann das zugehörige Energiesignal E = ∫P(t)dt gebildet werden.

Die so erzeugten Signale werden auf eine Prozessorein heit 40 gegeben, die im wesentlichen digital arbeitet und einen Vergleich der anfallenden Meßwerte mit den vorher eingegebenen Sollwerten ermöglicht. Eine dafür verwend bare, mit entsprechender Hardware komplettierte Mikro prozessoreinheit wird anhand der Fig. 5 erläutert.

In Fig. 5 sind einem Mikroprozessor 400 mit zugehörigen Speichereinheiten Schaltmittel für die Aufbereitung und Eingabe der die Prozeßvariablen repräsentierenden Daten einerseits und für die Eingabe und Speicherung von codier ten Vergleichsdaten andererseits zugeordnet: Im einzelnen bedeutet 401 einen Verstärker für das Eingangssignal mit zugeordneten Justage-Potentiometern, dem ein Analog-Digi tal-Wandler 402 nachgeschaltet ist. Von dort gelangt der Datenbus zum Mikroprozessor 400. Über parallel abgehende Datenbusse und nachfolgende Digital-Analog-Wandler 403 und 404 können die Signale rückgewandelt werden und zwecks Sichtkontrolle auf einen X-Y-Schreiber gegeben werden. Weiterhin ist zur Triggerung ein Verstärker 405 mit Si gnalanschluß und Einstellmöglichkeit von variablen Trig gerschwellen über ein Potentiometer 406 vorhanden.

Dem Mikroprozessor 400 sind Schalter 411 bis 416 zuge ordnet, mit dem die verschiedenen Betriebsarten einge stellt werden können. Es sind folgende Betriebsarten vor gesehen: Rücksetzen, Triggern, Sollwerte einlesen, Soll werte ausgeben, Grenzwerte ausgeben, Istwerte ausgeben. Entsprechende Daten können über ein BCD-Schaltglied 418 nach einem Eins-aus-Zehn-Code auf zugeordnete Leuchtdioden 421 bis 426 zur Signalisierung ausgegeben werden.

Dem Mikroprozessor 400 sind digital arbeitende Codierein heiten 440, 450 und 460 mit einzeln betätigbaren Einstell gliedern zugeordnet, an denen die Werte der Überwachungs parameter vorwählbar sind. Beispielsweise sind vorwählbar:
Abtastdauer, zulässiger Fehler, Toleranzabschnittsgrenzen sowie dafür jeweils vorgesehene Wert- und Zeittoleranzen, wofür jeweils separate, in Fig. 5 nur angedeutete Codier schalter vorhanden sind. Über ein binäres Schaltglied 420 mit einem Eins-aus-Sechszehn-Code können Mehr-bit-Signale vom Mikroprozessor 400 auf die Codiereinheiten 440, 450 und 460 gegeben werden und von dort die Daten der einge stellten Werte zum Mikroprozessor 400 zurückgekoppelt wer den.

Die Überwachungscharakteristik der Prozessoreinheit 400 läßt sich also anhand der Codiereinheiten 440, 450 und 460 bestimmen. Einerseits kann die Überwachungsdauer und die Speicherung der Kurven vorgewählt werden. Das Einlesen der Sollkurve sowie das entsprechende Einlesen und Überwachen der Istkurven wird jeweils durch ein Triggersignal gestar tet; letzteres endet nach Ablauf des Überwachungsinter valls. Damit die Vorrichtung nach Aus- bzw. Einschalten der Netzspannung sofort betriebsbereit ist, werden die Sollwerte in einem batteriegepufferten Speicherbetrieb eingelesen. Die unteren und oberen Grenzwerte, welche die Grenzkurven bilden, sind nicht gespeichert, sondern wer den aus den Sollwerten und den eingestellten Toleranzvor gaben berechnet. Weiterhin kann der zulässige Fehler des Meßsignals in Prozent eingegeben werden. Bei der Überwa chung kommt es nach dem Triggern erst dann zu einer Feh lermeldung, wenn ein Meßsignal, also die Istgröße, länger als vorgegeben ununterbrochen die unteren bzw. oberen Grenzwerte unter- bzw. überschreitet.

Bei Abweichungen der Istwertkurven von den Sollwertberei chen, die quantitativ oder in Wiederholung ein vorgegebe nes Maß von der vorgegebenen Gutteilkurve abweichen, wird eine Ausgangseinheit 430 über ein Relais aktiviert, so daß schlechte Schweißteile aussonderbar sind. Nur Schweißtei le, welche den Toleranzvorgaben entsprechen, werden wei terverarbeitet.

Wesentlich ist, daß mit den Codiereinheiten 440, 450 und 460 die Grenzen für die geforderten Übereinstimmungen von Istwert- und Sollwertkurven in diskreten Bereichen, bei spielsweise in fünf Abschnitten, eingestellt werden kön nen. Die Wert- und Zeittoleranz des Überwachungsabschnit tes gilt vom Triggerzeitpunkt bis zu der Grenze, die für den ersten Abschnitt eingestellt wird. Weitere Einstellun gen gelten für die nächsten Abschnitte. Die Wert- und Zeittoleranz des letzten Abschnittes gilt von der für diesen Abschnitt eingestellten Grenze bis zum Ende der Überwachungsdauer, welche jeweils vom Leistungssignal selbst getriggert ist. Gleichzeitig wird dabei die Ge samtenergie aufsummiert und auf Übereinstimmung im To leranzbereich geprüft, so daß auch die Kontrolle einer notwendigen und hinreichenden Gesamtenergiemenge E _Ges für die Verschweißung gewährleistet ist.

Es hat sich gezeigt, daß bei Komplettierung einer bekann ten Ultraschallschweißanlage nach Fig. 4 durch die Vorrich tung nach Fig. 5 wesentliche Verbesserungen in der Quali tätskontrolle möglich sind. Dies gilt einerseits für die Verschweißung von Kunststoffteilen oder andererseits von Metallteilen untereinander aber auch für die Einbettung von Metall- in Kunststoffteilen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also gleichermaßen für die an sich phäno menologisch unterschiedlichen Schweißtechnologien ange wendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Qualitätskontrolle beim Ultraschallschweißen, bei dem signifikante Schweißparameter erfaßt und als Funktion der Schweißzeit mit einer für eine Gutteilschweißung ermittel ten Sollkurve verglichen werden, wobei als Schweißparameter Schweißstrom, Schweißspannung und die davon abhängige elektri sche Leistungsabgabe des Ultraschallgenerators erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Lei stungsverlauf (P(t)) bzw. der daraus ermittelbare Schweiß energieverlauf (∫P(t)dt) während des Schweißvorganges ab schnittsweise auf Übereinstimmung in abschnittsweise unter schiedlich vorgebbaren Toleranzbereichen verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Leistungsverlauf (P(t)) durch pha senrichtige Multiplikation von Sonotrodenstrom (I) und Sonotro denspannung (U) ermittelt und daraus durch abschnittsweise In tegration der Schweißenergieverlauf (∫P(t)dt) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gesamtenergie (E _Ges = ∫_T P(t)dt) des Schweißvorganges als Summe des abschnitts weise bestimmten Schweißenergieverlaufes mit oberen und unteren Grenzwerten einer für die Gutteilschweißung geeigneten Schweiß energie verglichen wird.

4. Vorrichtung zur Qualitätskontrolle bei einem Ultraschall schweißgerät gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Sonotrode als Werkzeug zum Übertragen von Schall energie auf die zu verschweißenden Werkstücke, einem Amboß als Aufnahmewerkzeug für wenigstens eines der Werkstücke, einem zu gehörigen Ultraschallgenerator sowie zugeordneten Signalerfas sungs- und Verarbeitungseinheiten, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Generator (20) zur Erfassung der von der Sonotrode (11) abgegebenen Leistung (P(t)) und/oder Energie (∫P(t)dt) eine Einheit (32) zur phasenrichtigen Mul tiplikation von Sonotrodenstrom (I) und Sonotrodenspannung (U) zugeordnet ist und daß die Signalverarbeitungseinheit (40) Schwellwert- und Schaltglieder zum Vergleich der Meßwerte mit jeweils vorgegebenen Toleranzwerten aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (40) mit Schwellwert- und Schaltgliedern durch einen Mikroprozessor (400), dem Kodiereinheiten (440, 450, 460) zur Eingabe signifikanter Parameter von Gutteilkurven und zugehörigen Toleranzgrenzen zugeordnet sind, gebildet ist.