EP3953098A1 - VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG EINER QUALITÄT EINER ULTRASCHALLSCHWEIßUNG - Google Patents

VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG EINER QUALITÄT EINER ULTRASCHALLSCHWEIßUNG

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EP3953098A1
EP3953098A1 EP20716447.6A EP20716447A EP3953098A1 EP 3953098 A1 EP3953098 A1 EP 3953098A1 EP 20716447 A EP20716447 A EP 20716447A EP 3953098 A1 EP3953098 A1 EP 3953098A1
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Felix Klimas
Thomas Herzing
Lutz Lehmann
Daniel Zemann
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Lisa Draexlmaier GmbH
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Lisa Draexlmaier GmbH
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Publication date
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    • G01N2291/267—Welds

Definitions

  • Ultrasonic welding can be used to join cable packages. Modern ultrasonic welding systems enable digital
  • a measurement and evaluation of variables that characterize an oscillation process during the welding process enable a comprehensive and meaningful assessment of the welding process. Evaluation by means of a Fourier analysis is permitted a temporal assessment of the quality of the welding process.
  • the quality here includes a purity and / or a connection quality of the ultrasonic weld.
  • the object is achieved by a method for monitoring the quality of an ultrasonic welding, the vibration behavior during the joining process with regard to an actual value of the vibration frequency and / or the vibration amplitude of at least one joining partner involved in the joining process and / or the tool used in the joining process by means of an ultrasonic welding device Measurement with at least one measuring device that is used for quantification
  • Vibration behavior is analyzed by means of a Fourier analysis and compared with a predetermined target value as a reference value.
  • the use of a Fourier analysis can include the use of a short-term Fourier analysis, from which the time dependency of the amplitude, frequency or other variables can be determined.
  • Individual window sections of the short-term Fourier analysis can make use of a suitable window function, in particular a flat-top window when calculating an amplitude, or a rectangular window when calculating a frequency or a phase.
  • Zero padding and interpolation can also be used, particularly when calculating a frequency in a short-term Fourier analysis with small window sizes.
  • an optical measuring device is used to quantify the mechanical vibrations during the joining process.
  • an eddy current sensor and / or a laser vibrometer is used to quantify the mechanical vibrations during the joining process.
  • a laser vibrometer can measure at one or more measuring points and at least one vibration parameter such.
  • the deflection can be measured using various measuring methods.
  • Deflection can in particular also be measured by an eddy current sensor. This can cause mechanical impairment during the welding process be avoided.
  • the deflection ie also the speed of the sonotrode, is measured with a device in which an eddy current sensor is brought as close as possible to a measuring point on the sonotrode surface that is orthogonal to the
  • the measuring point can in particular be located as close as possible to the coupling surface in order to obtain the most precise possible measurement of the movement in the joining zone.
  • Eddy current sensor is particularly suitable for this task, as it can be attached relatively easily to different points of the oscillating system.
  • the restriction for the worker is also less than when measuring with laser optical systems such as laser vibrometry.
  • a combination of the two mentioned measuring methods with one another or with further measurements can increase the accuracy of the measurement.
  • a measuring point on a sonotrode, an anvil, a first joining partner, in particular a first conductor and / or a second joining partner, in particular a second conductor, is used to quantify their mechanical vibrations.
  • a pair of unpolluted, in particular cleaned, joining partners is used to determine the setpoint values as a reference value of a specified pair of joining partners and the quantification of the mechanical vibrations during the joining process is recorded using the measuring device
  • Reference points are recorded.
  • a mean can also be formed over a plurality of such reference measurements.
  • a measure of the relative deviation of the detected actual values, preferably the detected oscillation amplitude and / or oscillation frequency, from the respective target value is used as a measure of the purity and thus the quality of the connection of the joining partners.
  • a display device can be provided which has a
  • Reference curve of an unpolluted pairing of joining partners on their Display s the display screen and superimposed on it or also depicts the current measurement curve on the same view, so that a deviation from a good weld can be recognized by a user from the deviation of the curves shown.
  • the joining process is interrupted and / or the joining partners are detected as missing parts in the event of a relative deviation of the recorded actual value from the corresponding setpoint value, which is greater than a predetermined limit value.
  • the limit value is a maximum of 10%, in particular a maximum of 5%.
  • the frequency measured during the joining process is recorded and this is compared with a stored target frequency shift in order to determine the degree of purity of the joining partners by means of the degree of the frequency shift.
  • the output is through a device for performing a method according to the first aspect with a
  • Ultrasonic welding device and a measuring device which is designed to detect the vibration behavior during the joining process, that detected
  • the measuring device can comprise an eddy current sensor and / or a laser vibrometer.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device according to a
  • FIG. 2 shows a flow diagram for a method according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device according to an exemplary embodiment with an ultrasonic welding device 30 with a tool with a sonotrode 31 and an anvil 32, between which joining partners 10, 20 are arranged in order to weld them together by exciting the sonotrode 31 to vibrate.
  • the ultrasonic welding device 30 is provided with an optical measuring device 40, which is arranged such that a mechanical vibration behavior can be detected.
  • the measuring device 40 is a laser vibrometer. Wires of a cable harness are used as joining partners 10, 20. In another
  • the measuring device 40 comprises an eddy current sensor which is attached close to the sonotrode surface.
  • the measuring device 40 is used to detect and quantify the mechanical
  • Oscillations in this case the oscillation frequency that is established on the sonotrode 31 or on one of the joining partners 10, 20, during the joining process.
  • FIG. 2 shows a flow diagram 200 for a method according to an exemplary embodiment.
  • measuring device 40 records the vibration data, in particular
  • the measuring device compares these analyzed vibration data in step 203 with a nominal value or with nominal reference data. If a discrepancy is found in step 205, the sample can be regarded as soiled if the discrepancy is greater than the permitted limit value.
  • step 205 If in step 205 no discrepancy or a discrepancy that is smaller than the permitted limit value is found, the weld can be rated as good. List of reference symbols

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Qualität einer Ultraschallschweißung, wobei das Schwingungsverhalten während des Fügeprozesses hinsichtlich eines Istwertes der Schwingungsfrequenz und/oder der Schwingungsamplitude wenigstens eines am Fügeprozess beteiligten Fügepartners (10, 20) und/oder beim Fügeprozess verwendeten Werkzeugs einer Ultraschallschweißvorrichtung (30) mittels Messung mit wenigstens einer Messvorrichtung (40), die zur Quantifizierung mechanischer Schwingungen ausgebildet ist, erfasst wird, das erfasste Schwingungsverhalten mittels einer Fourieranalyse analysiert und mit einem vorbestimmten Sollwert als Referenzwert verglichen wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung.

Description

VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG EINER QUALITÄT EINER
ULTRASCHALLSCHWEIßUNG
Ultraschallschweißen kann zum Fügen von Kabelpaketen eingesetzt werden. Dabei ermöglichen moderne Ultraschallschweißanlagen aufgrund digitaler
Ultraschallgeneratortechnik und des Einsatzes von Mikroprozessoren präzise wiederholbare Verfahren. Bei der Parametereinstellung für unterschiedliche Applikationen und Materialien wird üblicherweise auf Erfahrungswerte zurückgegriffen. Die Überwachung des
Fügeprozesses bereitet allerdings regelmäßig Probleme, da üblicherweise eine zerstörende Prüfung nach dem Schweißprozess vorgenommen wird.
Bei der Mehrheit der zu bestimmenden Parameter zur Überprüfung der Qualität der Ultraschallschweißung ist eine zerstörerische Prüfung der Teile erforderlich. Ferner erfolgt die Evaluierung der Verbindungsstelle erst nach der Schweißung, das heißt, wenn der Prozess bereits abgeschlossen ist. Somit lassen sich mit solchen Verfahren lediglich eine Detektion von Fehlern vornehmen.
Ebenso wird bei der zerstörenden Prüfung eine Produktion beeinträchtigt, da Teile aus der Produktion entnommen werden müssen.
Weitere Einflussfaktoren, wie Verschmutzungen oder Verunreinigungen der Fügepartner, bringen weitere unkalkulierbare Parameter ein.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein vorteilhaftes Konzept zur Überwachung einer Qualität einer Ultraschallschweißung bereitzustellen.
Eine Messung und Auswertung von Größen, die einen Schwingvorgang während des Schweißprozesses charakterisieren, ermöglichen eine umfassende und aussagekräftige Beurteilung des Schweißprozesses. Die Auswertung mittels einer Fourieranalyse erlaubt eine zeitliche Beurteilung der Qualität des Schweißvorgangs. Die Qualität umfasst hierbei eine Reinheit und/oder eine Verbindungsgüte der Ultraschallschweißung.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Überwachung einer Qualität einer Ultraschallschweißung gelöst, wobei das Schwingungsverhalten während des Fügeprozesses hinsichtlich eines Istwertes der Schwingungsfrequenz und/oder der Schwingungsamplitude wenigstens eines am Fügeprozess beteiligten Fügepartners und/oder beim Fügeprozess verwendeten Werkzeugs einer Ultraschallschweißvorrichtung mittels Messung mit wenigstens einer Messvorrichtung, die zur Quantifizierung
mechanischer Schwingungen ausgebildet ist, erfasst wird, das erfasste
Schwingungsverhalten mittels einer Fourieranalyse analysiert und mit einem vorbestimmten Sollwert als Referenzwert verglichen wird.
Die Anwendung einer Fourieranalyse kann ein Anwenden einer Kurzzeit-Fourieranalyse umfassen, aus der die zeitliche Abhängigkeit der Amplitude, Frequenz oder anderer Größen bestimmt werden kann. Einzelne Fensterabschnitte der Kurzzeit-Fourieranalyse können auf eine geeignete Fensterfunktion zurückzugreifen, insbesondere bei der Berechnung einer Amplitude ein Flattop-Fenster, bei der Berechnung einer Frequenz oder einer Phase ein Rechteckfenster sein. Zeropadding und Interpolation können ebenso angewendet werden, insbesondere bei der Berechnung einer Frequenz bei einer Kurzzeit-Fourieranalyse mit kleinen Fenstergrößen.
In einer Ausführungsform wird zur Quantifizierung der mechanischen Schwingungen während des Fügeprozesses eine optische Messvorrichtung verwendet.
In einer Ausführungsform wird zur Quantifizierung der mechanischen Schwingungen während des Fügeprozesses ein Wirbelstromsensor und/oder ein Laservibrometer verwendet. Ein Laservibrometer kann an einem oder mehreren Messpunkten messen und wenigstens einen Schwingungsparameter wie z. B. die Schwingungsfrequenz oder die Schwingungsamplitude erfassen.
Die Messung der Auslenkung kann mit verschiedenen Messverfahren erfolgen. Die
Auslenkung kann insbesondere auch durch einen Wirbelstromsensor gemessen werden. Hierdurch kann eine mechanische Beeinträchtigung während des Schweißvorgangs vermieden werden. Insbesondere wird die Auslenkung, d.h. auch die Geschwindigkeit der Sonotrode, mit einer Vorrichtung gemessen, bei der ein Wirbelstromsensor möglichst nahe an eine Messstelle an der Sonotrodenfläche herangeführt wird, die orthogonal zur
Bewegungsrichtung und damit im rechten Wnkel zur Koppelfläche steht.
Die Messstelle kann sich insbesondere möglichst nahe an der Koppelfläche befinden, um eine möglichst genaue Messung der Bewegung in der Fügezone zu erhalten. Der
Wrbelstromsensor eignet sich für diese Aufgabe besonders gut, da er sich relativ leicht an verschiedenen Stellen des Schwingsystems anbringen lässt. Die Einschränkung für den Werker ist damit außerdem geringer als bei Messung mit laseroptischen Systemen, wie etwa Laser-Vibrometrie. Eine Kombination der beiden genannten Messverfahren miteinander oder mit weiteren Messungen kann eine Genauigkeit der Messung erhöhen.
In einer Ausführungsform werden mehrere Messpunkte betreffend ihrem von den Sollwerten abweichendem Schwingungsverhalten durch die Messvorrichtung überprüft.
In einer Ausführungsform wird ein Messpunkt an einer Sonotrode, einem Amboss, einem ersten Fügepartner, insbesondere einem ersten Leiter und/oder einem zweiten Fügepartner, insbesondere einem zweiten Leiter zur Quantifizierung deren mechanischer Schwingungen verwendet wird.
In einer Ausführungsform wird zur Ermittlung der Sollwerte als Referenzwert eines spezifizierten Paares aus Fügepartner ein Paar aus unverschmutzten, insbesondere gereinigten Fügepartnern verwendet und mittels der Messvorrichtung die Quantifizierung der mechanischen Schwingungen während des Fügeprozesses erfasst, indem die
Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz an einem oder mehreren
Referenzpunkten erfasst werden. Es kann auch ein Mittel über eine Mehrzahl solcher Referenzmessungen gebildet werden.
In einer Ausführungsform wird ein Maß der relativen Abweichung der erfassten Istwerte, vorzugsweise der erfassten Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz von dem jeweiligen Sollwert als Maß für die Reinheit und damit Verbindungsgüte der Fügepartner verwendet. Ferner kann eine Anzeigevorrichtung vorgesehen werden, welche eine
Referenzkurve einer unverschmutzten Paarung aus Fügepartnern auf deren Anzeigebildschirm anzeigt und dazu überlagert oder auf der gleichen Ansicht auch die aktuelle Messkurve abbildet, so dass bereits aus der Abweichung der dargestellten Kurven, für einen Benutzer eine Abweichung von einer guten Schweißung erkennbar wird.
In einer Ausführungsform werden bei einer relativen Abweichung des erfassten Istwertes von dem korrespondierenden Sollwert, welche größer ist als ein vorbestimmter Grenzwert, der Fügeprozess unterbrochen und/oder die Fügepartner als Fehlteile detektiert.
In einer Ausführungsform beträgt der Grenzwert maximal 10%, insbesondere maximal 5%.
In einer Ausführungsform wird eine Frequenzverschiebung zwischen einer Anregefrequenz der Ultraschallschweißvorrichtung und einer an einem Messpunkt während des
Fügeprozesses gemessenen Frequenz erfasst und diese mit einer hinterlegten Soll- Frequenzverschiebung verglichen, um mittels des Grades der Frequenzverschiebung einen Reinheitsgrad der Fügepartner zu erfassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Ausgabe durch eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt mit einer
Ultraschallschweißvorrichtung und einer Messvorrichtung gelöst, die ausgebildet ist das Schwingungsverhalten während des Fügeprozesses zu erfassen, das erfasste
Schwingungsverhalten mittels einer Fourieranalyse zu analysieren und mit einem
vorbestimmten Sollwert als Referenzwert zu vergleichen um eine Qualität einer
Ultraschallschweißung zu überwachen. Die Messvorrichtung kann einen Wirbelstromsensor und/oder ein Laservibrometer umfassen.
Weitere Ausführungsbeispiele werden anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer Ultraschallschweißvorrichtung 30 mit einem Werkzeug mit einer Sonotrode 31 und einem Amboss 32, zwischen denen Fügepartner 10, 20 angeordnet sind, um diese durch eine Schwingungsanregung der Sonotrode 31 zu verschweißen.
Die Ultraschallschweißvorrichtung 30 ist mit einer optischen Messvorrichtung 40 versehen, die so angeordnet ist, dass ein mechanisches Schwingungsverhalten erfasst werden kann.
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Messvorrichtung 40 ein Laservibrometer. Als Fügepartner 10, 20 werden Drähte eines Kabelbaums verwendet. In einem weiteren
Ausführungsbeispiel werden andere Fügepartner verwendet. In einem weiteren
Ausführungsbeispiel umfasst die Messvorrichtung 40 einen Wirbelstromsensor, der nahe an der Sonotrodenfläche angebracht wird.
Die Messvorrichtung 40 dient der Erfassung und Quantifizierung der mechanischen
Schwingungen, vorliegend der sich einstellenden Schwingungsfrequenz an der Sonotrode 31 oder an einem der Fügepartner 10, 20, während des Fügeprozesses.
Fig. 2 zeigt ein Flussdiagramm 200 für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Messvorrichtung 40 erfasst in Schritt 201 die Schwingungsdaten, insbesondere
Frequenz und Amplitude, und analysiert diese mittels einer Fourieranalyse. Anschließend vergleicht die Messvorrichtung diese analysierten Schwingungsdaten in Schritt 203 mit einem Sollwert bzw. mit Sollreferenzdaten. Wrd eine Abweichung in Schritt 205 festgestellt, so kann die Probe als verschmutzt betrachtet werden, falls die Abweichung größer als der zugelassene Grenzwert ist.
Wrd im Schritt 205 keine Abweichung oder eine Abweichung festgestellt, die kleiner als der zugelassene Grenzwert ist, so kann die Schweißung als gut gewertet werden. Bezugszeichenliste
10, 20 Fügepartner 30 Schweißanlage 31 Sonotrode
32 Amboss
40 Messvorrichtung 200 Flussdiagramm
201 205 Verfahrensschritt

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Überwachung einer Qualität einer Ultraschallschweißung, wobei das Schwingungsverhalten während des Fügeprozesses hinsichtlich eines Istwertes der
Schwingungsfrequenz und/oder der Schwingungsamplitude wenigstens eines am
Fügeprozess beteiligten Fügepartners (10, 20) und/oder beim Fügeprozess verwendeten Werkzeugs einer Ultraschallschweißvorrichtung (30) mittels Messung mit wenigstens einer Messvorrichtung (40), die zur Quantifizierung mechanischer Schwingungen ausgebildet ist, erfasst wird, das erfasste Schwingungsverhalten mittels einer Fourieranalyse analysiert und mit einem vorbestimmten Sollwert als Referenzwert verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei zur Quantifizierung der mechanischen Schwingungen während des Fügeprozesses eine optische Messvorrichtung (40) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Quantifizierung der mechanischer
Schwingungen während des Fügeprozesses ein Wirbelstromsensor und/oder ein
Laservibrometer (40) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere Messpunkte betreffend ihrem von den Sollwerten abweichendem Schwingungsverhalten durch die Messvorrichtung (40) überprüft werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Messpunkt an einer Sonotrode (31), einem Amboss (32), einem ersten Fügepartner, insbesondere einem ersten Leiter und/oder einem zweiten Fügepartner, insbesondere einem zweiten Leiter zur Quantifizierung deren mechanischer Schwingungen verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung der Sollwerte als Referenzwert eines spezifizierten Paares aus Fügepartner (10, 20) ein Paar aus unverschmutzten, insbesondere gereinigten Fügepartnern (10, 20) verwendet wird und mittels der Messvorrichtung (40) die Quantifizierung der mechanischen Schwingungen während des Fügeprozesses erfasst wird indem die Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz an einem oder mehreren Referenzpunkten erfasst werden.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Maß der relativen
Abweichung der erfassten Istwerte, vorzugsweise der erfassten Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz von dem jeweiligen Sollwert als Maß für die Reinheit und damit Verbindungsgüte der Fügepartner verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei einer relativen Abweichung des erfassten Istwertes von dem korrespondierenden Sollwert, welche größer ist als ein vorbestimmter Grenzwert, der Fügeprozess unterbrochen wird und/oder die Fügepartner als Fehlteile detektiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Grenzwert maximal 10%, insbesondere maximal 5% beträgt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Frequenzverschiebung zwischen einer Anregefrequenz der Ultraschallschweißvorrichtung (30) und einer an einem Messpunkt während des Fügeprozesses gemessenen Frequenz erfasst wird und diese mit einer hinterlegten Soll-Frequenzverschiebung verglichen wird, um mittels des Grades der Frequenzverschiebung einen Reinheitsgrad der Fügepartner (10, 20) zu erfassen.
11. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer Ultraschallschweißvorrichtung (30) und einer Messvorrichtung (40), die ausgebildet ist das Schwingungsverhalten während des Fügeprozesses zu erfassen, das erfasste
Schwingungsverhalten mittels einer Fourieranalyse zu analysieren und mit einem
vorbestimmten Sollwert als Referenzwert zu vergleichen um eine Qualität einer
Ultraschallschweißung zu überwachen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (40) einen Wirbelstromsensor und/oder ein Laservibrometer umfasst.
EP20716447.6A 2019-04-09 2020-03-31 VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG EINER QUALITÄT EINER ULTRASCHALLSCHWEIßUNG Withdrawn EP3953098A1 (de)

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