WO2017084988A1 - VORRICHTUNG UND EIN VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG EINES ULTRASCHALLSCHWEIßPROZESSES - Google Patents

VORRICHTUNG UND EIN VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG EINES ULTRASCHALLSCHWEIßPROZESSES Download PDF

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WO2017084988A1
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Daniel BECHSTEIN
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Kromberg & Schubert Gmbh
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    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/62—Connections between conductors of different materials; Connections between or with aluminium or steel-core aluminium conductors
    • H01R4/625—Soldered or welded connections

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for monitoring and / or determination of the purity and quality of connection of a joint produced by an ultrasonic welding joint joining two partners.
  • Ultrasonic welding has been used for a long time especially for the joining of plastics. Ultrasonic welding is a proven method for joining thermoplastics. Modern ultrasonic Welding devices due to digital generator technology and the use of microprocessors exact and reproducible joints. When setting parameters for different applications and materials, empirical values are usually used. The monitoring of the joining process, however, regularly causes problems, since often required quality features and necessary welding parameters are not correlated or just meet different influencing factors and a conclusion is not sure possible.
  • a disadvantage of the test methods known in the prior art is the fact that in the majority of the parameters to be determined a destructive testing of the parts is required. Furthermore, the evaluation of the joint is done later, i. when the process is already completed. Thus, no bad parts can be avoided with such methods, but only make the detection of these.
  • WO-A-2004/096480 also discloses a method for welding stranded conductors in which a regulation of time-dependent welding parameters takes place so that they are adapted to desired values during welding. For this purpose, an actual curve of the time-dependent parameter is measured, which is compared with a desired curve. The scope of the deviation is regulated. However, there is no monitoring of the quality and purity of the stranded conductor, but only a control of the welding process. From the document DE 44 29 684 A a method for welding electrical conductors is known, wherein the process parameters required for compacting or welding can be dynamically adjusted. Welding results that are within predefined limits are assigned to welds, and those outside are evaluated as bad welds. The tolerance band is constant in its width, whereby the mean value can change in its course according to the results of the measurements determined from the welds.
  • DE 43 21 874 A provides that, for monitoring the energy input into the joint between the parts to be welded, the joining force is measured during the welding process.
  • WO 02/098636 A discloses a method for welding plastic parts, in which the oscillation amplitude is reduced following a predetermined course in order to optimize the welding during a first period of time in order subsequently to measure a characteristic parameter of the workpiece and then as a function of the value the measured parameter with a constant amplitude of ultrasonic energy transmitting sonotrode to end the welding process.
  • An additional disadvantage of the processes known in the prior art is the fact that such influencing factors, such as soiling or contamination of the joining partners, thus do not determine such factors as influencing factors which are not caused by process parameters as such but by external environmental influences or lack of pretreatment or purification or can be detected.
  • the present invention is therefore an object of the above-mentioned disadvantages to overcome and to provide an apparatus and a method, with a simple, inexpensive and universal way a Monitoring and / or determination of the purity and the quality of connection of a joining point to be produced or produced by means of ultrasonic welding of two joining partners can take place. It is a particular object of the present invention to provide a device and a method with which the connection of a stranded conductor, preferably an aluminum stranded conductor and a contact element, preferably a cable lug, can be evaluated.
  • the basic idea of the invention is, by means of a preferably in-line measuring device, measurable parameters, the vibration behavior of the welding tools or joining parts involved in the ultrasonic welding process to monitor or record. It could be recognized that the vibration behavior of both the joining parts as well as the welding tools with respect to the vibration behavior of contaminated jointing partners, with otherwise identical process parameters, changes verifiably with unsoaked parts. This is due among other things to the different adhesive and sliding friction behavior of the joining partners, which is influenced by dirt layers, oil films or dirt particles. It could be further established according to the invention that the vibration behavior of the welding tools or joining parts involved in the ultrasonic welding process to monitor or record. It could be recognized that the vibration behavior of both the joining parts as well as the welding tools with respect to the vibration behavior of contaminated jointing partners, with otherwise identical process parameters, changes verifiably with unsoaked parts. This is due among other things to the different adhesive and sliding friction behavior of the joining partners, which is influenced by dirt layers, oil films or dirt particles. It could be further established according to the invention that the
  • Vibration behavior specifically changes, so that, for example, with increasing pollution increasing frequency shifts to lower frequencies.
  • decreasing vibration amplitudes could be detected as soon as a sample consisting of two joining partners was exposed to a dirt layer.
  • the vibration measurements according to the invention for the detection of dirt in the ultrasonic welding process are vibration resonance measurements which, due to the excitation with the ultrasonic welding source, are typical. see excitation frequencies are obtained.
  • a method for monitoring and / or determining the purity and quality of connection of a joint to be produced or produced by ultrasonic welding of two joining partners, wherein the vibration behavior during the joining process with respect to an actual value of the oscillation frequency and / or the oscillation amplitude of at least one am Joining joining partner and / or a tool used in the joining process of an ultrasonic welding device by means of measurement with at least one measuring device which is designed to quantify the mechanical vibrations, is detected and compared with a predetermined target value as a reference value.
  • an optical measuring device is used to quantify the mechanical vibrations during the joining process, which detects in particular the change of the resonance vibration with respect to the excitation oscillation and further evaluated with respect to a desired vibration behavior.
  • a laser vibrometer is used to quantify the mechanical vibrations during the joining process.
  • the laser vibrometer advantageously measures at one or more measurement points and detects at least one vibration parameter, such as a vibration parameter. the oscillation frequency or the oscillation amplitude.
  • the method according to the invention is carried out such that a plurality of measuring points are checked by the measuring device with regard to their vibration behavior deviating from the nominal values.
  • at least one measuring point relating to the vibration behavior is detected at one, several or all of the following parts, for example at the sonotrode, the anvil, the first joining partner, preferably a contact element such.
  • a cable lug and / or the second joining partner preferably a stranded conductor for quantifying their mechanical vibrations.
  • a pair of non-contaminated, preferably cleaned joining partners is used to determine the desired values as the reference value of a specified pair of joining partners, and the quantification of the mechanical oscillations during the joining process by means of the measuring device is detected by the oscillation amplitude and / or
  • Vibration frequency is detected at one or more reference points and the results are used as target values for determining a "clean", i.e. unpolluted, pair of such joining partners.
  • the measure of the relative deviation of the detected actual values preferably the detected
  • Vibration amplitude and / or the detected vibration frequency of the respective desired value as a measure of the purity and thus croqusgü- te of the joining partners is used and are stored with advantage in a reference data memory.
  • a display device can be provided which displays and superimposes a reference curve of an unpolluted pairing of joining partners on its display screen or also images the current measurement curve on the same view, so that the deviation of the curves, in particular the deviation of the curves, already represents
  • the user can, on the one hand, call up the welding parameters stored for this purpose and at the same time display a desired curve or setpoint data for the expected oscillation behavior. If a frequency shift to lower frequencies is then detected during welding with an excitation frequency stored according to the welding parameters and preferably also displayed on the screen, a user can intuitively and simply determine the deviation.
  • the joining process is interrupted and / or the joining partners are detected as missing parts, wherein preferably a permissible deviation of a maximum of 10%, more preferably of a maximum of 5% is defined to allow a maximum degree of contamination.
  • a further aspect of the present invention relates to an apparatus for carrying out a method as described above comprising an ultrasonic welding device and a measuring device which is designed to quantify the mechanical vibrations of the joining partner to be joined with the ultrasonic welding device and / or the sonotrode during the ultrasonic welding process, wherein the measuring device particularly preferred is a laser vibrometer.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic flow diagram illustrating individual steps in carrying out the method.
  • Fig. 3 is a graph showing the data of a pair of
  • FIG. 1 is a schematic view of a device according to the invention comprising an ultrasonic welding device 30 with an anvil 32 and a sonotrode 31, between which a pair of joining partners 10, 20 is introduced to weld them by the vibration excitation of the sonotrode 31. Furthermore, the ultrasonic welding device 30 is provided with an optical measuring device 40, namely a laser vibrometer 40, which can be arranged at a suitable position. As joining partners 10, 20 a stranded conductor 10 with a cable lug 20 were used.
  • the laser vibrometer 40 is used to record and quantify the mechanical vibrations, in the present case the adjusting oscillation frequency at the sonotrode 31 or at one of the joining partners 10, 20, during the joining process.
  • FIG. 2 shows a schematic flow diagram which represents individual steps in carrying out the method according to the invention.
  • the laser vibrometer 40 acquires the vibration data (frequency and amplitude) and compares them with a desired value or with the desired reference data. If, as shown in more detail in FIG.
  • the curve extending farther to the left shows the resonance maximum at 19.9045 Hz.
  • These data correspond to a soiled pair of joining partners 10, 20, wherein an oil film was applied to the stranded conductor 10. Further measurements with contaminated joining partners all showed a frequency shift towards lower frequencies. In further measurements, maxima of 19.90 Hz, 19.85 Hz, 19.87 Hz, etc. were determined, depending on the degree of contamination.
  • the deviation according to FIG. 3 between nominal value and actual value is accordingly 351 Hz.
  • the vibration amplitudes were recorded, which were values of about 30 pm for the unpolluted samples, while the soiled samples were each given significantly lower values with deviations of the order of about 10 pm.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung und/oder Bestimmung der Reinheit und Verbindungsgüte einer mittels einer Ultraschallschweißung hergestellten Verbindungsstelle zweier Fügepartner.

Description

Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung eines
Ultraschallschweißprozesses
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung und/oder Bestimmung der Reinheit und Verbindungsgüte einer mittels einer Ultraschallschweißung hergestellten Verbindungsstelle zweier Fügepartner.
Ultraschallschweißen wird seit längerem speziell zum Fügen von Kunststof- fen eingesetzt. Beim Fügen von Thermoplasten stellt das Ultraschallschweißen ein bewährtes Verfahren dar. Dabei ermöglichen moderne Ultraschall- Schweißvorrichtungen aufgrund digitaler Generatortechnik und des Einsatzes von Mikroprozessoren exakte und reproduzierbare Verbindungsstellen. Bei der Parametereinstellung für unterschiedliche Applikationen und Materialien wird üblicherweise auf Erfahrungswerte zurückgegriffen. Die Überwachung des Fügeprozesses bereitet allerdings regelmäßig Probleme, da häufig erforderliche Qualitätsmerkmale und notwendige Schweißparameter nicht korrelierbar sind oder eben unterschiedliche Einflussfaktoren zusammentreffen und ein Rückschluss nicht sicher möglich ist.
Mit den in der Praxis verwendeten SPC-Programmen zur statistischen Pro- zess-Kontrolle werden geschweißte Teile untersucht, um festzustellen, ob diese den gestellten Anforderungen genügen oder nicht.
Nachteilig bei den im Stand der Technik bekannten Prüfungsverfahren ist der Umstand, dass bei der Mehrheit der zu bestimmenden Parameter eine zerstörerische Prüfung der Teile erforderlich ist. Ferner erfolgt die Evaluierung der Verbindungsstelle erst im Nachgang, d.h. wenn der Prozess bereits abgeschlossen ist. Somit lassen sich mit solchen Verfahren keine Schlechtteile vermeiden, sondern nur die Detektion dieser vornehmen.
Nachteil diesbezüglicher Überprüfungsverfahren ist auch, dass bei der zerstörerischen Prüfung eine Produktion beeinträchtigt und gestört wird, so dass häufig nur stichprobenweise eine Bewertung erfolgen kann.
Aus der WO-A-2004/096480 ist ferner ein Verfahren zum Verschweißen von Litzenleitern bekannt, bei dem eine Regelung von zeitabhängigen Schweißparametern erfolgt, dass diese während des Verschweißen an Soll-Werte angepasst werden. Hierzu wird eine Ist-Kurve des zeitabhängigen Parame- ters gemessen, die mit einer Soll-Kurve verglichen wird. Im Umfang der Abweichung erfolgt eine Regelung. Hierbei erfolgt allerdings keine Überwachung der Güte und Reinheit der Litzenleiter, sondern nur eine Steuerung des Schweißprozesses. Aus der Druckschrift DE 44 29 684 A ist ein Verfahren zum Verschweißen elektrischer Leiter bekannt, wobei die für das Kompaktieren bzw. Schweißen erforderlichen Prozess-Parameter dynamisch angepasst werden können. Innerhalb fest vorgegebener Grenzwerte liegende Schweißergebnisse wer- den Gutschweißungen zugeordnet und außerhalb liegende als Schlecht- schweißungen bewertet. Das Toleranzband ist in seiner Breite konstant, wobei sich der Mittelwert entsprechend der aus den Schweißungen ermittelten Messerergebnisse in seinem Verlauf ändern kann.
Um Prozessparameter beim Ultraschallschweißen zu steuern bzw. zu regeln, sieht die DE 43 21 874 A vor, dass zur Überwachung des Energieeintrags in die Fügestelle zwischen den zu verschweißenden Teilen die Fügekraft während des Schweißvorganges gemessen wird.
Aus der WO 02/098636 A ist ein Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen bekannt, bei dem zur Optimierung des Schweißens während einer ersten Zeitspanne die Schwingungsamplitude einem vorgegebenen Verlauf folgend reduziert wird, um anschließend einen charakteristischen Parameter des Werkstücks zu messen und sodann in Abhängigkeit vom Wert des gemessenen Parameters mit konstanter Amplitude einer Ultraschallenergie übertragenden Sonotrode den Schweißprozess zu beenden. Ein zusätzlicher Nachteil bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren ist der Umstand, dass solche Einflussfaktoren, wie Verschmutzungen oder Verunreinigungen der Fügepartner, somit solche Faktoren, die nicht durch Prozessparameter als solche, sondern durch externe Umwelteinflüsse oder mangelnde Vorbehandlung oder Reinigung auftretende Einflussfaktoren nicht bestimmt oder detektiert werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit dem auf einfache, kostengünstige und universelle Weise eine Überwachung und/oder Bestimmung der Reinheit und der Verbindungsgüte einer mittels einer Ultraschallschweißung herzustellende oder hergestellte Verbindungsstelle zweier Fügepartner erfolgen kann. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren be- reitzustellen, mit welchem die Verbindung eines Litzenleiters, vorzugsweise eines Aluminiumlitzenleiters und eines Kontaktelements, vorzugsweise eines Kabelschuhs bewertet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst gemäß einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 11. Grundgedanke der Erfindung ist es, mittels einer vorzugsweise In-Line- Messvorrichtung, messbare Parameter, das Schwingungsverhalten der am Ultraschallschweißprozess beteiligten Schweißwerkzeuge oder Fügeteile zu überwachen bzw. zu erfassen. Es konnte erkannt werden, dass sich bei unverschmutzten Fügeteilen das Schwingungsverhalten sowohl der Fügetei- le, als auch der Schweißwerkzeuge gegenüber dem Schwingungsverhalten von verunreinigten Fügepartner bei ansonsten gleichen Prozessparametern nachweisbar ändert. Dies ist unter anderem auf das unterschiedliche Haft- und Gleitreibungsverhalten der Fügepartner zurückzuführen, welches durch Schmutzschichten, Ölfilme oder Schmutzpartikel beeinflusst wird. Es konnte erfindungsgemäß weiter festgestellt werden, dass sich das
Schwingungsverhalten jeweils spezifisch ändert, so dass sich z.B. bei zunehmender Verschmutzung zunehmende Frequenzverschiebungen zu kleineren Frequenzen erheben. Ebenso konnten abnehmende Schwingungsamplituden detektiert werden, sobald eine Probe aus zwei Fügepartner mit einer Schmutzschicht beaufschlagt wurde. Typischerweise handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Schwingungsmessungen zur Detektion von Schmutz beim Ultraschallschweißprozess um Schwingungsresonanzmessungen die aufgrund der Anregung mit der Ultraschallschweißquelle bei typi- sehen Anregungsfrequenzen erhalten werden.
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Überwachung und/oder Bestimmung der Reinheit und Verbindungsgüte einer mittels einer Ultraschall- schweißung herzustellenden oder hergestellten Verbindungsstelle zweier Fügepartner vorgeschlagen, wobei das Schwingungsverhalten während dem Fügeprozess hinsichtlich eines Ist-Wertes der Schwingungsfrequenz und/oder der Schwingungsamplitude wenigstens eines am Fügeprozess beteiligten Fügepartners und/oder eines beim Fügeprozess verwendeten Werkzeugs einer Ultraschallschweißvorrichtung mittels Messung mit wenigstens einer Messvorrichtung, die ausgebildet ist, zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen, erfasst wird und mit einem vorbestimmten Soll-Wert als Referenzwert verglichen wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen während dem Fügeprozess eine optische Messvorrichtung verwendet wird, die insbesondere die Änderung der Resonanzschwingung gegenüber der Anregungsschwingung erfasst und weiter bevorzugt gegenüber einem Soll- Schwingungsverhalten bewertet.
Besonders bevorzugt ist es, wenn zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen während dem Fügeprozess ein Laservibrometer verwendet wird. Der Laservibrometer misst mit Vorteil an einem oder mehreren Messpunkten und erfasst wenigstens einen Schwingungsparameter wie z.B. die Schwingungsfrequenz oder die Schwingungsamplitude.
Bevorzugt ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt wird, dass mehrere Messpunkte betreffend ihrem von den Soll-Werten abweichendem Schwingungsverhalten durch die Messvorrichtung überprüft werden. So kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass an einem, mehreren oder allen der folgenden Teilen wenigstens ein Messpunkt betreffend dem Schwingungsverhalten erfasst wird, so z.B. an der Sonotrode, dem Amboss, dem ersten Fügepartner, vorzugsweise einem Kontaktelement, wie z. B. ei- nem Kabelschuh und/oder dem zweiten Fügepartner, vorzugsweise einem Litzenleiter zur Quantifizierung deren mechanischer Schwingungen.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Ermittlung der Soll-Werte als Referenzwert eines spezifizierten Paares aus Fügepartner ein Paar aus nicht verschmutzten, vorzugsweise gerei- nigten Fügepartnern verwendet wird und mittels der Messvorrichtung zunächst die Quantifizierung der mechanischer Schwingungen während dem Fügeprozess erfasst wird indem die Schwingungsamplitude und/oder
Schwingungsfrequenz an einem oder mehreren Referenzpunkten erfasst wird oder werden und die Ergebnisse als Soll-Werte zur Bestimmung eines „sauberen" d. h. unverschmutzten Paars solcher Fügepartner dienen.
Erfindungsgemäß ist ferner mit Vorteil vorgesehen, dass das Maß der relativen Abweichung der erfassten Ist-Werte, vorzugsweise der erfassten
Schwingungsamplitude und/oder der erfassten Schwingungsfrequenz von dem jeweiligen Soll-Wert als Maß für die Reinheit und damit Verbindungsgü- te der Fügepartner verwendet wird und mit Vorteil in einem Referenzdatenspeicher abgelegt werden. So kann femer 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 be- reits aus der Abweichung der Kurven, insbesondere der Abweichung der
Maxima der gemessenen Daten z.B. dem Frequenzmaximum der Soll-Kurve und dem Frequenzmaximum der Ist-Kurve für den Betrachter auf einfache Weise die Reinheit oder eine Verschmutzung bzw. sogar der Grad der Verschmutzung erkennbar wird. Es ist daher weiter bevorzugt das Verfahren dahingehend weiter zu entwickeln, dass eine Datenverarbeitungsanlage mit einem Datenspeicher sowie eine Eingabevorrichtung vorgesehen werden, bei denen der Benutzer oder Anwender für alle gewünschten Fügepartner einen Soll-Datensatz mit sowohl Soll-Prozessparametern als auch Soll-Schwingungsparametern abrufbar hinterlegt.
Soll dann z. B. eine bestimmte Paarung eines Kontaktes mit einem Litzenleiter mittels der Ultraschallschweissvorrichtung geschweißt werden, so kann der Benutzer einerseits die hierzu hinterlegten Schweißparameter aufrufen und sich gleichzeitig eine Soll-Kurve oder Soll-Daten für das zu erwartende Schwingungsverhalten anzeigen lassen. Wird dann beim Schweißen mit einer gemäß den Schweißparametern hinterlegten Anregungsfrequenz eine Frequenzverschiebung zu niedrigeren Frequenzen detektiert und bevorzugt ebenfalls auf dem Bildschirm angezeigt, so kann ein Anwender intuitiv und einfach die Abweichung feststellen.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn bei einer relativen Abweichung des erfassten Ist-Wertes von dem korrespondierenden Soll-Wert, welche größer ist als ein definierter Grenzwert, der Fügeprozess unterbrochen wird und/oder die Fügepartner als Fehlteile detektiert werden, wobei bevorzugt eine zulässigen Abweichung von maximal 10%, weiter vorzugsweise von maximal 5% definiert wird, um einen maximalen Verschmutzungsgrad zuzulassen.
Besonders vorteilhaft ist es demnach, wenn die Frequenzverschiebung Δί zwischen der Anregefrequenz fA der Ultraschallschweißvorrichtung und der an einem Messpunkt während dem Fügeprozess gemessenen Frequenz fM erfasst wird und diese mit einer, vorzugsweise in einem Datenspeicher hinterlegten Soll-Frequenzverschiebung verglichen wird, um mittels des Grades der Frequenzverschiebung Af einen Reinheitsgrad der Fügepartner zu erfassen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen eines wie zuvor beschriebenen Verfahrens umfassend eine Ultraschallschweißvorrichtung und einer Messvorrichtung, die ausgebildet ist zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen der mit der Ultraschallschweißvorrichtung zu fügende Fügepartner und/oder der Sonotrode während dem Ultraschallschweißprozess, wobei die Messvorrichtung besonders bevorzugt ein Laservibrometer ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü- chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung;
Fig. 2 eine schematisches Ablaufdiagramm, welches einzelne Schritte bei der Durchführung des Verfahrens darstellt und
Fig. 3 eine Messkurve, welche die Daten eines Paares von
unverschmutzten und daneben von verschmutzen Fügepartner wiedergibt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren 1 bis 3 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
In der Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung umfassend eine Ultraschallschweißvorrichtung 30 mit einem Amboss 32 und einer Sonotrode 31 , zwischen denen ein Paar aus Fügepartnern 10, 20 eingebracht ist, um diese durch die Schwingungsanregung der Sonotrode 31 zu verschweißen. Ferner ist die Ultraschallschweißvorrichtung 30 mit einer optischen Messvorrichtung 40 und zwar einem Laservibrometer 40 versehen, der an geeigneter Position anordenbar ist. Als Fügepartner 10, 20 wurden ein Litzenleiter 10 mit einem Kabelschuh 20 verwendet.
Der Laservibrometer 40 dient der Aufzeichnung und Quantifizierung der mechanischen Schwingungen, vorliegend der sich einstellenden Schwingungsfrequenz an der Sonotrode 31 oder an einem der Fügepartner 10, 20, während dem Fügeprozess. In Versuchen mit den Litzenleitern 10 und den Kabelschuhen 20 wurden die Messkurven und Messdaten für unverschmutzte Fügepartner 10, 20, sowie die Messkurven und Messdaten für diverse Verschmutzungsarten, wie z. B. einem Ölfilm aus Ziehöl auf der Litze oder Siloxan auf einem der beiden Fügepartner 10, 20 erfasst. In der Figur 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm gezeigt, welches einzelne Schritte bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt. Das Laservibrometer 40 erfasst die Schwingungsdaten (Frequenz und Amplitude) und vergleicht diese mit einem Soll-Wert bzw. mit den Soll- Referenzdaten. Wird, wie in der Figur 3 für ein Beispiel näher gezeigt eine Abweichung festgestellt, so kann die Probe bei der Bedingung: Abweichung größer als der zugelassene Grenzwert = Ja (J) als verschmutzt betrachtet werden, ansonsten bei der Bedingung: Abweichung größer als der zugelassene Grenzwert = Nein (N) als ausreichend sauber für den Prozess gewertet werden. Die Frequenzverschiebung Af zwischen der Anregefrequenz fA der Ultraschallschweißvorrichtung 30 (hier gemessen an der Sonotrode) führte in der Figur 3 zu den folgenden Resultaten. Die weiter rechts gezeigte Kurve zeigt das Resonanzmaximum bei 19,9369 Hz, was ein Überschwingen über die Anregungsfrequenz von 19,75 Hz bedeutet. Diese Daten entsprechen einem unverschmutzten Paar aus Fügepartnern 10, 20.
Die relativ dazu weiter links verlaufende Kurve zeigt das Resonanzmaximum bei 19,9045 Hz. Diese Daten entsprechen einem verschmutzten Paar aus Fügepartnern 10, 20, wobei auf den Litzenleiter 10 ein Ölfilm aufgebracht wurde. Weitere Messungen mit verschmutzten Fügepartner zeigten alle eine Frequenzverschiebung in Richtung zu niedrigeren Frequenzen. Es wurden bei weiteren Messungen Maxima von jeweils 19,90 Hz, 19,85 Hz, 19,87 Hz usw. ermittelt, je nach Grad der Verschmutzung.
Die Abweichung gemäß Fig. 3 zwischen Soll-Wert und Ist-Wert beträgt demnach 351 Hz.
In einer anderen nicht näher dargestellten Messreihe, wurde die Schwingungsamplituden erfasst, welche bei den unverschmutzten Proben Werte von ca. 30 pm betrugen, während bei den verschmutzten Proben jeweils deutlich niedrigere Werte mit Abweichungen in der Größenordnung von ca. 10 pm erhalten wurden.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung und/oder Bestimmung der Reinheit und Verbindungsgüte einer mittels einer Ultraschallschweißung herzustellenden oder hergestellten Verbindungsstelle zweier Fügepartner (10, 20), wobei das Schwingungsverhalten während dem Fügeprozess hinsichtlich eines Ist-Wertes der Schwingungsfrequenz und/oder der Schwingungsamplitude wenigstens eines am Fügeprozess beteiligten Fügepartners (10, 20) und/oder beim Fügeprozess verwendeten Werkzeugs (31 , 32) einer Ultraschallschweißvorrichtung (30) mittels Messung mit wenigstens einer Messvorrichtung (40), die ausgebildet ist, zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen, erfasst wird und mit einem vorbestimmten Soll-Wert als Referenzwert verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen während dem Fügeprozess eine optische Messvorrichtung (40) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen während dem Fügeprozess ein Laservibrometer (40) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messpunkte betreffend ihrem von den Soll-Werten abweichendem Schwingungsverhalten durch die Messvorrichtung (40) überprüft werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messpunkt an der Sonotrode (31), dem Amboss (32), dem ersten Fügepartner, vorzugsweise einem Kontaktelement und/oder dem zweiten Fügepartner, vorzugsweise einem Litzenleiter zur Quantifizierung de- ren mechanischer Schwingungen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Soll-Werte als Referenzwert eines spezifizierten Paares aus Fügepartner (10, 20) ein Paar aus unverschmutzten, vorzugsweise gereinigten Fügepartnem (10, 20) verwendet wird und mittels der Messvorrichtung (40) die Quantifizierung der mechanischer Schwingungen während dem Fügeprozess erfasst wird indem die Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz an einem oder mehreren Referenzpunkten erfasst wird oder werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der relativen Abweichung der erfassten Ist-Werte, vorzugsweise der erfassten Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz von dem jeweiligen Soll-Wert als Maß für die Reinheit und damit Verbindungsgüte der Fügepartner verwendet wird.
8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer relativen Abweichung des erfassten Ist- Wertes von dem korrespondierenden Soll-Wert, welche größer ist als ein definierter Grenzwert, der Fügeprozess unterbrochen wird und/oder die Fügepartner als Fehlteile detektiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Grenzwert einer zulässigen Abweichung von maximal 10%, weiter vorzugsweise von maximal 5% definiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzverschiebung Af zwischen der Anregefrequenz fA der Ultraschallschweißvorrichtung (30) und der an einem Messpunkt während dem Fügeprozess gemessenen Frequenz fM erfasst wird und diese mit einer, vorzugsweise in einem Datenspeicher hinterlegten Soll-Frequenzverschiebung verglichen wird, um mittels des Grades der Frequenzverschiebung Af einen Reinheitsgrad der Fügepartner (10, 20) zu erfassen.
1 1 .Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer Ultraschallschweißvorrichtung (30) und einer Messvorrichtung (40), die ausgebildet ist zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen der mit der Ultraschallschweißvorrichtung zu fügende Fügepartner (10, 20) und/oder der Sonotrode (31) während dem Ultraschallschweißprozess.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (40) ein Laservibrometer ist.
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