DE3723333A1 - Verfahren zur steuerung von ultraschall-schweissmaschinen bei der verschweissung von werkstuecken - Google Patents

Verfahren zur steuerung von ultraschall-schweissmaschinen bei der verschweissung von werkstuecken

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Andrucks der durch eine druckmittelbeaufschlagbare Vorschubeinheit an miteinander zu verschweißenden Werk­ stücken zur Anlage bringbaren Sonotrode einer Ultraschall- Schweißmaschine während des Schweißvorgangs derart, daß für Verschweißungen gleichartiger Werkstücke aus gleichen Materialien bei jedem Schweißvorgang die im wesentliche gleiche Schweißleistung zur Einwirkung gebracht wird.
Das Ultraschall-Schweißen ist eine z. B. zum Verbinden von thermoplastischen Kunststoffen verwendete Verbindungs­ technik, bei welcher durch einen Generator hochfrequente elektrische Schwingungen erzeugt werden, die mittels eines Wandlers in mechanische Energie umgesetzt werden. Über ein als Sonotrode bezeichnetes Werkzeug wird diese mechanische Energie auf die zu verbindenden Werkstücke übertragen, in welchen diese Energie durch die hervorgerufene Molekular­ und Grenzflächenreibung in die zum Plastifizieren benötigte Wärme umgewandelt wird. Die thermoplastischen Werkstücke schmelzen an den Berührungsflächen und verbinden sich bei Druckauflastung auf die vorschiebbare Sonotrode sofort. Nach der Abkühlung verbleibt eine feste homogene Schweißnaht. Mit zunehmender Verwendung von Kunststoffen auf allen Gebieten der Technik hat sich auch der Einsatz von Ultraschall-Schweißmaschinen zum Fügen von Kunststoff- Werkstücken in zunehmendem Umfang eingeführt. Die über die Sonotroden in die zu verbindenden Werkstücke einzubringende Energie muß für jeden Schweißvorgang so bemessen werden, daß einerseits mit Sicherheit eine hinreichende Plastifi­ zierung des Materials im Verbindungsbereich erfolgt, ohne daß andererseits eine Überwärmung auftritt, welche Materialzersetzung mit resultierender Verschlechterung der Haltbarkeit der Schweißnaht oder Abweichung von der ange­ strebten Form des Schweißbereichs infolge der Plastifi­ zierung zu großer Bereiche der zu verbindenden Werkstücke zur Folge hätte. Abhängig von der Ausbildung der Werkstücke im Verbindungsbereich muß dabei das Zusammenpressen der Werkstücke durch den Vorschub der Sonotrode so erfolgen, daß das plastifizierte Material in den Verbindungsflächen der Werkstücke sich vollständig verteilt und homogen ver­ bindet. Während die Steuerung des Schweißvorgangs gleich­ artiger Schweißvorgänge ursprünglich nur über die Ein­ wirkungszeit der Sonotrode (konstante Schweißzeit) erfolgt, werden in neuerer Zeit als "konstante Schweißenergie­ regelung" bezeichnete Steuerungen angewandt, bei welchen für gleichartige Schweißungen möglichst gleiche Schweiß­ energie zur Einwirkung gebracht wird. Aufgrund von Toleranzunterschiede der Werkstücke treten dabei allerdings gewisse Unterschiede auf, die innerhalb vorgegebener Grenzen gehalten werden müssen. In einem Diagramm des Schweißvorgangs, in welchem über der Schweißzeit die Leistung (oder der der Leistung proportionale Druck der Sonotrode) aufgetragen wird, müssen die Unterschiede inner­ halb eines als Leistungs-Zeit-Fenster bezeichneten Bereichs gehalten werden, um eine hinreichend belastbare Verbindung zu erzielen. Die Berücksichtigung nur der für den Schweißvorgang erforderlichen Energie führt aber noch nicht zu optimalen Verbindungen, weil unterschiedliche Kunst­ stoffe - z. B. amorphe thermoplastische Kunststoffe einer­ seits und teilkristalline thermoplastische Kunststoffe andererseits - unterschiedliches Erweichungsverhalten auf­ weisen.
Das Prinzip des Ultraschall-Schweißens wird aber nicht nur zur Verbindung von thermoplastischen Kunststoffen, sondern auch zur Verbindung metallischer Werkstücke eingesetzt, wobei dann so verfahren wird, daß die zu verbindenden Teile in Übereinanderlage zwischen die Sonotrode und einen massiven Amboß eingebracht werden. Die Sonotrode wird dabei - abweichend von der Ultraschall-Verschweißung von Kunst­ stoffen - in parallel zur Schweißebene der beiden Teile schwingende Vibrationen versetzt. Durch geeignete Ausbil­ dung der an den Werkstücken angedrückten Flächen der Sonotrode bzw. des Ambosses wird sichergestellt, daß die Sonotrode das ihr zugeordnete Werkstück mitbewegt, während das auf dem Amboß liegende Werkstück in Ruhe gehalten wird. Durch die Vibrationen in Verbindung mit senkrecht zur Schweißebene ausgeübtem Druck wird an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken eine intensive Reibung erzeugt, welche die feste Schweißverbindung zwischen den Teilen entstehen läßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualität von durch Ultraschall-Schweißung in Werkstücken hergestellte Verbindungen noch deutlich zu verbessern.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Andruck der Sonotrode durch zeit und/oder vorschubweg­ abhängige Veränderungen des Drucks in dem die Vorschubein­ heit beaufschlagenden Druckmittel entsprechend dem materialbedingten Schweißverhalten der zu verschweißenden Werkstücke gesteuert wird. In der Praxis kann diese Druck­ steuerung beispielsweise mittels eines in die Druckleitung zur Vorschubeinheit eingeschalteten durch eine Programm­ steuerung elektromagnetisch ansteuerbaren Nadelventils erfolgen.
Die Schweißzeit für einen Schweißvorgang wird dabei zweck­ mäßig in einer Anzahl gleicher aufeinanderfolgender Zeitab­ schnitte getaktet, wobei die Druckbeaufschlagung der Vor­ schubeinheit dann entsprechend dem Schweißverhalten der Werkstücke im jeweiligen Zeittakt geändert wird. Dabei kann die Änderung der Druckbeaufschlagung in aufeinanderfolgen­ den Zeittakten unstetig durchgeführt werden, wobei eine Approximation an das Schweißverhalten der Werkstücke erfolgt. Durch Wahl einer hinreichend hohen Anzahl von Zeittakten kann diese Approximation aber dem tatsächlichen Schweißverhalten sehr weitgehend angenähert werden.
Alternativ kann die Druckbeaufschlagung über die gesamte Schweißzeit auch kontinuierlich dem Schweißverhalten des Materials der Werkstücke entsprechend gesteuert werden.
Wenn andererseits anstelle einer zeitabhängigen eine vor­ schubwegabhängige Steuerung erfolgen soll, wird der von der Sonotrode während eines Schweißvorgangs zurückgelegte Vorschubweg in eine Anzahl von Vorschubwegabschnitten unterteilt und die Druckbeaufschlagung dann in jedem Vorschubwegabschnitt dem Erweichungsverhalten der Werk­ stücke entsprechend gesteuert.
Alternativ kann die Druckmittelbeaufschlagung der Sonotrode während des Schweißvorgangs auch vorschubwegabhängig konti­ nuierlich dem Schweißverhalten der Werkstücke entsprechend gesteuert werden.
Als besonders vorteilhaft für die Ultraschall-Verschweißung von Metallen hat sich eine Verfahrensweise herausgestellt, bei welcher der Andruck der Sonotrode so geregelt wird, daß während des gesamten Schweißvorgangs ständig konstante Leistung auf die Werkstücke einwirkt.
In anderen Fällen kann der Andruck der Sonotrode aber auch so gesteuert werden, daß während des Schweißvorgangs eine einer Sollcharakteristik folgende Leistung auf die Werk­ stücke einwirkt.
Bei der Verschweißung von thermoplastischen Kunststoffen wird dann zweckmäßig so verfahren, daß der Andruck der Sonotrode entsprechend dem Erweichungsverhalten des Kunst­ stoffmaterials der zu verschweißenden Werkstücke gesteuert wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung des Andrucks der durch eine druckmittelbeaufschlagbare Vorschubeinheit an miteinander zu verschweißenden Werkstücken zur Anlage bringbaren Sono­ trode einer Ultraschall-Schweißmaschine während des Schweißvorgangs derart, daß für Verschweißungen gleicharti­ ger Werkstücke aus gleichen Materialien bei jedem Schweißvorgang die im wesentlichen gleiche Schweißleistung zur Einwirkung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Andruck der Sonotrode durch zeit- und/oder vor­ schubwegabhängige Veränderungen des Drucks in dem die Vor­ schubeinheit beaufschlagenden Druckmittel entsprechend dem materialbedingten Schweißverhalten der zu verschweißenden Werkstücke gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzeit für einen Schweißvorgang in einer Anzahl gleicher aufeinanderfolgende Zeitabschnitte getaktet und die Druckbeaufschlagung der Vorschubeinheit entsprechend dem Schweißverhalten der Werkstücke im jeweiligen Zeittakt geändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Druckbeaufschlagung aufeinanderfolgender Zeittakte unstetig durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelbeaufschlagung über die gesamte Schweißzeit kontinuierlich dem Schweißverhalten des Materials der Werk­ stücke entsprechend gesteuert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Sonotrode während eines Schweißvorgangs zurück­ gelegte Vorschubweg in eine Anzahl von Vorschubweg­ abschnitten unterteilt und die Druckbeaufschlagung der Vorschubeinheit in jedem Vorschubwegabschnitt dem Schweiß­ verhalten der Werkstücke entsprechend gesteuert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelbeaufschlagung der Sonotrode während des Schweißvorgangs vorschubwegabhängig kontinuierlich dem Schweißverhalten der Werkstücke entsprechend gesteuert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Andruck der Sonotrode so geregelt wird, daß während des gesamten Schweißvorgangs ständig konstante Leistung auf die Werkstücke einwirkt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Andruck der Sonotrode so geregelt wird, daß während des Schweißvorgangs die auf die Werk­ stücke einwirkende Leistung einer Sollcharakteristik folgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8 zur Steuerung einer für die Verschweißung von thermoplastischen Kunststoffen bestimmten Ultraschall-Schweißmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Andruck der Sonotrode entsprechend dem Erweichungs­ verhalten des Kunststoffmaterials der zu verschweißenden Werkstücke gesteuert wird.
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