WO2024094730A1

WO2024094730A1 - Ultraschallschweissverfahren mit fügepartnerrückmeldung sowie vorrichtung hierfür

Info

Publication number: WO2024094730A1
Application number: PCT/EP2023/080424
Authority: WO
Inventors: Ulrich Vogler; Frank Balle; Junqi Li; Holger Reichmann
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh & Co. Kg; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2023-10-31
Publication date: 2024-05-10
Also published as: DE102022128873A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallschweißverfahren zum Verbinden von einem ers- ten Fügepartner mit einem zweiten Fügepartner mit den Schritten A) Anordnen der beiden Füge- partner zwischen einer Koppelfläche einer Sonotrode und einer Koppelfläche eines Gegenwerk- zeuges, B) Ausüben einer Kraft auf die beiden Fügepartner über zumindest eine der Koppelflächen in Richtung der anderen Koppelfläche, C) Anregen der Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung, so dass sich die Koppelfläche mit einer Ultraschallfrequenz bewegt, D) Stoppen der Kraft- ausübung von Schritt B) und/oder Stoppen der Anregung von Schritt C), gekennzeichnet durch den Schritt E) Detektieren einer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Fügepartner und dadurch, dass sobald in Schritt E) eine Verbindung detektiert wird, ein Zeitintervall gestartet wird, nachdem die Kraftausübung von Schritt B) und/oder die Anregung von Schritt C) gestoppt wird.

Description

Ultraschallschweißverfahren mit Fügepartnerrückmeldung sowie Vorrichtung hierfür

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallschweißverfahren zum Verbinden von einem ersten Fügepartner mit einem zweiten Fügepartner mit den Schritten

A) Anordnen der beiden Fügepartner zwischen einer Koppelfläche einer Sonotrode und einer Koppelfläche eines Gegenwerkzeug,

B) Ausüben einer Kraft auf die beiden Fügepartnern über zumindest eine der Koppelflä- chen in Richtung der anderen Koppelfläche,

C) Anregen der Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung, sodass sich die Koppelfläche mit einer Ultraschallfrequenz bewegt,

D) Stoppen der Kraftausübung von Schritt B) und/oder Stoppen der Anregung von Schritt C).

Ein solches Ultraschallschweißverfahren ist grundsätzlich bekannt. Die beiden Fügepartner werden zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug, das auch als Amboss bezeichnet wird, po- sitioniert und dann Sonotrode und Gegenwerkzeug aufeinander zu bewegt, sodass die beiden Fügepartner zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug eingeklemmt werden. Spä- testens in diesem Zustand wird die Sonotrode mit einer Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzt, wodurch an der Grenzfläche zwischen dem ersten Fügepartner und dem zweiten Fügepartner eine Relativbewegung und dadurch Reibungswärme erzeugt wird.

Falls die beiden Fügepartner aus einem thermoplastischen Material bestehen, werden diese aufgeschmolzen und verbinden sich miteinander. In letzter Zeit werden häufig auch metalli- sche Fügepartner mittels Ultraschall miteinander verbunden. Hier kommt es allerdings an den Grenzflächen nicht zu einem Aufschmelzen des Metalls. Stattdessen wird durch das Aufbrin- gen der Ultraschallschwingung eine Art Kaltpressschweißverfahren bereitgestellt, wodurch es zu einer Verbindung der aneinander liegenden Metallflächen kommt. Insbesondere beim Metallschweißen ist es schwierig, die notwendige Schweißzeit zu bestim- men, da diese von einer Vielzahl von Faktoren, wie z.B. der Oberflächenbeschaffenheit der Fügepartner, abhängt. Dies bedeutet, dass sich die notwendige Schweißzeit zur Verbindung der Fügepartner von Fall zu Fall unterscheidet, sodass in der Praxis die Schweißzeit so ge- wählt wird, dass selbst dann, wenn aufgrund nicht vorhersehbarer Umstände eine höhere Schweißzeit benötigt wird, ein zuverlässiges Verschweißen erfolgt. Dies führt dazu, dass in der Regel die Schweißzeit zu lang gewählt wird, was nicht nur unnötig Energie verbraucht, sondern auch zu einer erhöhten Abnutzung der Koppelflächen führt. Zudem kann es bei zu langer Schweißdauer die Verbindung wieder schlechter werden. Es kommt darüber hinaus nicht selten zu Materialanhaftungen in erster Linie an Sonotrode und Gegenwerkzeug aber auch an eventuell vorhandenen Einspann- und Haltevorrichtungen.

Neben der beschriebenen Methode, Schritt D) bei Erreichen einer vorbestimmten Schweißzeit zu initiieren, ist es auch bekannt, Schritt D) dann durchzuführen, wenn die Sonotrode einen vorbestimmten Weg durchlaufen hat oder wenn eine vorbestimmte Energie in die Fügepartner eingebracht worden ist. All diese Methoden können jedoch nicht direkt erfassen, ob es tat- sächlich zu einer Verbindung der Fügepartner gekommen ist. Daher wird in der Regel die Schweißzeit, der zurückzulegende Weg der Sonotrode bzw. die einzubringende Energie- menge zu lange bzw. zu hoch gewählt, um sicherzustellen, dass es in jedem Fall zu einer Verbindung gekommen ist.

Ausgehend von den beschriebenen Stand der T echnik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschallschweißverfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welchem zumindest ein Schweißparameter, insbesondere die Schweißzeit, individuell, d.h. je aus den beiden Fügepartnern herzustellender Verbindung, auf die zu verbindenden Fügepart- ner abgestimmt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch den Schritt

E) Detektieren einer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Fügepartner und dadurch, dass sobald in Schritt E) eine Verbindung detektiert wird, ein Zeitintervall gestar- tet wird, wobei nach Ablauf des Zeitintervalls Schritt D) ausgeführt wird, d.h. die Kraftaus- übung von Schritt B) und/oder die Anregung von Schritt C) gestoppt wird.

Dadurch, dass erstmalig detektiert wird, ob die beiden zu verbindenden Fügepartner bereits eine Verbindung eingegangen haben, kann der Schweißvorgang in den meisten Fällen deut- lieh kürzer ausgeführt werden. Häufig sind die beiden Fügepartner, sobald es zu einer Verbin- dung gekommen ist, noch nicht sehr fest miteinander verbunden, sodass es von Vorteil sein kann, wenn nach der Detektion einer Verbindung der beiden Fügepartner der Schweißvorgang noch um eine vorbestimmte Zeit, nämlich das Zeitintervall, weitergeführt wird. Das Zeitintervall kann jedoch auch bei 0 Sekunden liegen, sodass die Kraft Ausübung und/oder die Anregung gestoppt wird, sobald eine Verbindung der beiden Fügepartner detektiert wurde.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sonotrode Teil einer Ultra- schallschwingeinheit, bestehend aus zumindest einem Konverter und der Sonotrode, ist, wo- bei Konverter und Sonotrode in einer Ultraschallausbreitungsrichtung nebeneinander, gege- benenfalls unter Dazwischenschalten eines Amplitudentransformators, angeordnet sind, wo- bei die Koppelfläche der Sonotrode nicht senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung orientiert ist, wobei vorzugsweise die Koppelfläche gegenüber der Ausbreitungsrichtung mit einem Winkel von weniger als 45° orientiert ist, wobei besonders bevorzugt die Koppelfläche parallel zur Ausbreitungsrichtung orientiert ist.

Mit anderen Worten wird mithilfe der Ultraschallschwingeinheit an der Koppelfläche der Sono- trode eine sogenannte „in-Plane-Schwingung“ erzeugt. Die Sonotrode bewegt sich somit nicht in Richtung des Fügepartners und wieder zurück, sondern reibt mit einer Ultraschallfrequenz auf der entsprechenden Fläche des zugeordneten Fügepartners. Diese Ultraschallschwingung wird von dem ersten Fügepartner auf den zweiten Fügepartner zumindest zum Teil übertragen und schlussendlich von dem zweiten Fügepartner zumindest zum Teil auf das Gegenwerkzeug übertragen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass über die Koppelfläche der Sonotrode eine Transversalschwingung in den ersten Fügepartner übertragen wird. Dadurch wird die Relativbewegung und damit die Reibungswärme an den Kontaktflächen zwischen ers- ten und zweiten Fügepartner erhöht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Schritt E) eine erste Prozessgröße, nämlich eine Schwingungsamplitude, eine Schwingungsfrequenz oder eine Bewegungsgeschwindigkeit von zumindest einem Element aus der Gruppe bestehend aus Sonotrode, ersten Fügepartner, zweitem Fügepartner und Gegenwerkzeug detektiert wird, und dann, wenn der in Schritt E) detektierte Wert ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt, festge- stellt wird, dass eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner besteht. Beispielsweise kann in Schritt E) die Schwingungsamplitude oder die Bewegungsgeschwin- digkeit einer Transversalschwingung detektiert werden. Diese Detektion kann mit einem opti- schen Detektor und zwar vorzugsweise mit einer Hochgeschwindigkeitskamera oder einem Vibrometer, wie z. B. einem Laser-Doppler-Vibrometer erfolgen. Insbesondere dann, wenn eine Transversalschwingung in den ersten Fügepartner übertragen wird, lässt sich die Bewe- gung der Außenflächen, also derjenigen Flächen, über die keine Schwingungsübertragung stattfindet, besonders leicht erfassen. Dabei wird unter einer Hochgeschwindigkeitskamera eine Kamera verstanden, die mehr als 1000 Bilder pro Sekunde aufnehmen kann. Ein Laser- Doppler-Vibrometer enthält einen Laserstrahl, der auf die zu beobachtende Außenfläche fo- kussiert wird, mittels eines Interferometers werden Frequenzverschiebungen des reflektierten Strahles erfasst.

Solange die beiden Fügepartner nicht miteinander verbunden sind, kommt es an der Berüh- rungsfläche zwischen den beiden Fügepartnern zu einer Relativbewegung, d.h. die beiden Fügepartner unterscheiden sich in Betrag und Phase der Schwingung. Es wird über die wir- kende Reibkraft nur ein Teil der Schwingung vom ersten Fügepartner auf den zweiten Füge- partner übertragen. Dies ändert sich schlagartig, wenn die Fügepartner eine stoffschlüssige Verbindung eingehen. Dieser Moment kann mithilfe der beschriebenen Detektion durch den quantitativen direkten Vergleich der Schwingungsmerkmale der beiden Fügepartner bestimmt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt E) die Bewegungsgeschwindigkeit des Gegenwerkzeug detektiert und wenn diese oder eine daraus berechnete Beschleunigung des Gegenwerkzeug einen vorbestimmten Wert überschreitet, festgestellt, dass es zu einer Ver- bindung der beiden Fügepartner gekommen ist und das vorbestimmte Zeitintervall wird ge- startet. Sobald erster und zweiter Fügepartner miteinander verbunden sind, bewegen diese sich in Phase, sodass die über die Reibung auf das Gegenwerkzeug aufgebrachte Kraft sich erhöht, wodurch sich im Gegenwerkzeug eine größere Schwingungsamplitude ausbildet und sich damit die Bewegungsgeschwindigkeit erhöht.

Alternativ kann in Schritt E) die Bewegungsgeschwindigkeit des ersten und des zweiten Füge- partners detektiert werden und, wenn die detektierten Geschwindigkeiten gleich sind, bestimmt werden, dass es zu einer Verbindung der beiden Fügepartner gekommen ist und das Zeitin- tervall gestartet werden.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Schritt E) zusätzlich eine zweite Prozessgröße detektiert wird, und das vorbestimmte Kriterium von dem erfassten Wert der zweiten Prozessgröße oder von der Veränderung der zweiten Prozessgröße ab- hängt.

Die zweite Prozessgröße kann beliebig gewählt werden, da sich eine Verbindung der beiden Fügepartnern in praktisch allen Prozessgrößen niederschlägt. Allerdings ist eine detektierte Veränderung einer zweiten Prozessgrößen nicht immer eindeutig einer Verbindung der Füge- partner zuzuordnen. Die Veränderung kann auch andere Ursachen aufweisen. Daher wird ne- ben der zweiten Prozessgröße auch die erste Prozessgröße erfasst.

Die zweite Prozessgröße kann ebenfalls eine Prozessgröße aus der Größengruppe bestehend aus einer Schwingungsamplitude, einer Schwingungsfrequenz oder einer Bewegungsge- schwindigkeit von zumindest einem Element aus der Elementgruppe bestehend aus Sonot- rode, erstem Fügepartner, zweitem Fügepartner und Gegenwerkzeug bestehen. Sie muss sich allerdings von der ersten Prozessgröße unterscheiden.

Als alternative zweite Prozessgröße kommt in bevorzugten Ausführungsformen die Leistung des die Wechselspannung für den Konverter erzeugenden Generators, die über den Genera- tor zugeführte Energie, die über die Sonotrode auf die Fügepartner aufgebrachte Schweißkraft oder der von der Sonotrode in Richtung der Fügepartner zurückgelegte Weg in Frage.

Beispielsweise könnte in Schritt E) die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonotrode, des ersten Fügepartners und des zweiten Fügepartners detektiert werden. Das vorbestimmte Kriterium könnte in diesem Fall derart formuliert werden, dass die Summe aus der Differenz zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit der Sonotrode und der Bewegungsgeschwindigkeit des ers- ten Fügepartners und der Differenz zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit des ersten Fü- gepartners und der Bewegungsgeschwindigkeit des zweiten Fügepartners einen vorbestimm- ten Wert unterschreiten muss, um eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Fügepart- ner zu detektieren.

Das vorbestimmte Kriterium könnte eine erfasste Veränderung der ersten Prozessgröße um einen ersten vorbestimmten Wert und gleichzeitig eine erfasste Veränderung der zweiten Pro- zessgröße um einen zweiten vorbestimmten Wert sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Anregung der Sono- trode ein Generator verwendet wird, der so ausgestaltet ist, dass der Generator die Schwin- gungsamplitude regelt, wobei eine Leistung des Generators detektiert wird und dann, wenn die Generatorleistung sich ändert, und die Änderung ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt, fest- gestellt wird, dass eine Verbindung zwischen erstem und zweiten Fügepartner besteht. Die notwendige Generatorleistung ändert sich deutlich, sobald die beiden Fügepartner miteinan- der verbunden sind, sodass auch die Generatorleistung zur (indirekten) Detektion der Verbin- dung der beiden Fügepartner verwendet werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden in Schritt A) drei oder mehr Fügepart- ner zwischen den Koppelflächen angeordnet. In diesem Fall wird in Schritt B) eine Kraft auf alle Fügepartner ausgeübt. Es ist dann möglich, nicht nur die Verbindung zwischen erstem und zweiten Fügepartner, sondern auch die Verbindung zwischen zweitem und dritten Füge- partner, zwischen dritten und viertem Fügepartner, usw. zu detektieren. Die Detektion kann wie beschrieben auch bei dieser Ausführungsform erfolgen.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Ultraschallschweißanlage zur Durchführung eines Ultraschallschweißverfahrens wie gerade beschrieben. Diese Ultraschallschweißanlage weist eine Ultraschallschwingeinheit mit einer Sonotrode mit einer Koppelfläche und einem Konver- ter und ein Gegenwerkzeug mit einer Koppelfläche auf, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass ein Sensor zur Verfassung der Verbindung zwischen der ersten und zweiten Koppel- fläche angeordneten Fügepartner vorgesehen ist.

Der Sensor kann ein Sensor zur Erfassung einer Schwingungsinformation, wie z. B. einer Schwingungsamplitude, einer Schwingungsfrequenz, einer Bewegungsgeschwindigkeit, eine Beschleunigung oder einen Phasenwinkel von zumindest einem Element aus der Gruppe be- stehend aus Sonotrode, erstem Fügepartner, zweitem Fügepartner und Gegenwerkzeug sein.

Vorzugsweise arbeitet der Sensor berührungslos und rückwirkungsfrei.

Vorzugsweise ist der Sensor ein optischer Sensor, wie z.B. eine Hochgeschwindigkeitskamera oder ein Laser-Doppler-Vibrometer.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung wer- den deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der zugehörigen Figuren.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Ausführungsformen der Erfindung Fig. 2 ein Geschwindigkeitsdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 3 ein Leistungsdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist eine Prinzipskizze einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschall- schweißanlage gezeigt. Die Ultraschallschweißanlage umfasst eine Ultraschallschwingeinheit, welche aus einem Konverter 2, einem Amplitudentransformator 3 und einer Sonotrode 4 be- steht. Der Konverter 2 wird von einem Generator 1 mit einer elektrischen Wechselspannung versorgt. Der Konverter 2 wandelt die elektrische Wechselspannung in eine mechanische Ult- raschallschwingung um. Dabei sind die Wechselspannung und die Ultraschallschwingeinheit derart aufeinander abgestimmt, dass sich innerhalb der Ultraschallschwingeinheit eine ste- hende Longitudinalwelle in Richtung der Längsachse u ausbildet.

Die Sonotrode 4 weist senkrecht zur Längsachse u angeordnete Stirnflächen sowie eine um- laufende Mantelfläche auf. An der umlaufenden Mantelfläche ist eine Koppelfläche bzw. ein Koppelflächenelement 11 , das die Koppelfläche aufweist, angeordnet. Die Koppelfläche des Koppelflächenelementes 11 bewegt sich, wenn die Ultraschallschwingeinheit mit einer Ultra- schallschwingung angeregt wird, parallel zur Längsachse u. Die Koppelfläche wird mit einer Kraft F auf einen ersten Fügepartner 5, der auf einem zweiten Fügepartner 6 aufliegt, gedrückt. Beide Fügepartner liegen auf einem Gegenwerkzeug 7 auf. Aufgrund der Berührung zwischen der Koppelfläche des Koppelflächenelementes 11 und dem ersten Fügepartner 5 wird eine Vibrationsbewegung in Form einer Transversalschwingung in den ersten Fügepartner 5 über- tragen. Da auch der erste Fügepartner 5 über eine Grenzfläche mit dem zweiten Fügepartner 6 in Kontakt steht, wird zumindest ein Teil der Schwingung in den zweiten Fügepartner 6 über- tragen, der wiederum einen Teil der Schwingung in das Gegenwerkzeug 7 übertragen kann.

Erfindungsgemäß ist nun ein optischer Detektor 8, wie z.B. eine Hochgeschwindigkeitskamera oder ein Laser-Doppler-Vibrometer, vorgesehen, mit dem die Schwingungsgeschwindigkeit von der Koppelfläche der Sonotrode, dem ersten Fügepartner 5, dem zweiten Fügepartner 6 und/oder dem Gegenwerkzeug 7 erfasst werden kann. Dabei wird die Schwingungsgeschwin- digkeit an einer Seitenfläche von Koppelflächenelement 11 , erstem Fügepartner 5, zweiten Fügepartner 6 oder Gegenwerkzeug 7 gemessen. Die Ultraschallschwingeinheit und der opti- scher Detektor 8 sind in einem Gehäuse 10 angeordnet. Das Messergebnis des optischen Detektors 8 wird an eine Auswerteeinheit 9, wie z.B. ein Computer, weitergeleitet, welcher in Abhängigkeit von dem detektierten Ergebnis den Schweißvorgang beendet. Das Verfahren wird deutlich anhand des Geschwindigkeitsdiagrammes, das in Figur 2 bei- spielhaft für eine Metall/Metall-Verbindung (z. B. Al/Cu) dargestellt ist. Hier ist über einen kom- pletten Schweißvorgang die erfasste Geschwindigkeit v für die Sonotrode 4, den ersten Füge- partner 5, den zweiten Fügepartner 6 und des Gegenwerkzeug 7 qualitativ dargestellt. Die erfasste Geschwindigkeit der Sonotrode ist als gestrichelte Linie dargestellt. In dem dargestell- ten Beispiel steigt die Schwingungsgeschwindigkeit der Sonotrode in einer Phase I zunächst steil an, während sie in zeitlich darauf folgenden Phasen II bis V nur leicht schwankt bzw. konstant bleibt. In Phase I bildet sich somit die durch den Generator 1 erzeugte Ultraschall- schwingung in der Ultraschallschwingeinheit aus.

Die Schwingungsgeschwindigkeit des ersten Fügepartners ist als strichpunktierte Linie darge- stellt. In Phase I folgt die Schwingungsgeschwindigkeit des ersten Fügepartners, der in direk- tem Kontakt mit der Koppelfläche der Sonotrode 4 steht, im Wesentlichen dem Geschwindig- keitsverlauf der Sonotrode 4. Die Reibung zwischen Koppelfläche der Sonotrode 4 und dem ersten Fügepartner 5 ist somit so groß, dass diese in Phase I im Wesentlichen mit gleicher Schwingungsamplitude schwingen.

Der Verlauf der Schwingungsgeschwindigkeit des zweiten Fügepartners 6 ist als punktierte Linie dargestellt.

Schließlich ist Schwingungsgeschwindigkeit des Gegenwerkzeugs 7 als durchgezogene Linie dargestellt.

In der Phase I ist die Schwingungsgeschwindigkeit des zweiten Fügepartners deutlich geringer als die Schwingungsgeschwindigkeit des ersten Fügepartners 5. Die Schwingungsgeschwin- digkeit des Amboss 7 ist in Phase I sehr gering. Dies liegt an der unterschiedlichen Kopplung zwischen den einzelnen Elementen. In Phase I folgt die Vibration des ersten Fügepartners der Vibration der Sonotrode und kann diese nur zu einem kleinen Teil an den zweiten Fügepartner weitergeben, welcher wiederum nur einen noch kleineren Teil an den Amboss 7 weitergeben kann. In der sich daran anschließenden Phase II kann der erste Fügepartner der Vibration der Sonotrode nicht mehr vollständig folgen, sodass die Koppelfläche der Sonotrode 4 und der erste Fügepartner 5 mit unterschiedlicher Geschwindigkeit vibrieren. Die Schwingungsge- schwindigkeiten des zweiten Fügepartner 6 und des Ambosses 7 steigen hier fast linear an.

In Phase III nähern sich die Schwingungsgeschwindigkeiten des ersten Fügepartners 5 und des zweiten Fügepartners 6 abrupt aneinander an bis sie am Ende von Phase III identisch sind. Zu diesem Punkt haben sich erste und zweite Fügepartner miteinander verbunden, so- dass sie nun mit gleicher Geschwindigkeit schwingen. An diesem Punkt kommt es im Ge- schwindigkeitsprofil des Gegenwerkzeugs 7 zu einem abrupten Geschwindigkeitsanstieg, da die Schwingungsamplitude des zweiten Fügepartners abrupt angestiegen ist und dadurch die über den zweiten Fügepartner 6 auf das Gegenwerkzeug übertragene Anregungsenergie ebenfalls abrupt ansteigt.

In der sich daran anschließenden Phase IV ändern sich die Schwingungsgeschwindigkeiten der einzelnen beteiligten Elemente nicht weiter. Erst in Phase V, die je nach verwendeten Material vorhanden sein kann oder fehlen kann, nähert sich die Schwingungsgeschwindigkeit des ersten und zweiten Fügepartners, die bereits miteinander verbunden sind, der Schwin- gungsgeschwindigkeit der Sonotrode an, bis diese gleich sind. In diesem Fall kommt es zu einer Verbindung zwischen den Fügepartnern und der Sonotrode, was keinesfalls gewünscht ist.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass mithilfe z.B. einer Bewegungsmessung (Ge- schwindigkeit, Phase oder Amplitude) der Zeitpunkt detektiert wird, an dem der erste Füge- partner und der zweite Fügepartner miteinander verbunden sind. Was im gezeigten Diagramm der Punkt ist, bei dem die erfassten Schwingungsgeschwindigkeiten von erstem Fügepartner 5 und zweiten Fügepartner 6 identisch sind. Dies kann allerdings auch aufgrund eines Anstiegs der Schwingungsgeschwindigkeit des Gegenwerkzeug oder, wenn die Geschwindigkeitserfas- sung hochauflösend ist, in einem Abfall der Schwingungsgeschwindigkeit der Sonotrode er- fasst werden.

Alternativ oder in Kombination kann auch die Leistung des Generators überwacht werden, wenn dieser derart ausgelegt ist, dass er eine konstante Schwingungsamplitude der Ultra- schallschwingeinheit erzeugt. In diesem Fall kommt es in der Regel zu einem abrupten Leis- tungsabfall, sobald erster und zweite Fügepartner miteinander verbunden sind, da keinerlei Reibungsenergie zwischen ersten Fügepartner 5 und zweitem Fügepartner 6 mehr übertragen wird und von dem Generator zur Verfügung gestellt werden muss. Ein entsprechendes Leis- tungsdiagramm ist in Figur 3 dargestellt. Die darin eingezeichneten Phasen l-V entsprechen den im Zusammenhang mit Figur 2 erläuterten Phasen. In Phase III kommt es zu einem deut- lichen Leistungsabfall, der mit Erreichen von Phase IV sein Ende findet. Daher kann auch durch eine Leistungsüberwachung festgestellt werden, ob die beiden Fügepartner verbunden sind. Erfindungsgemäß wird somit während des Schweißvorgangs erfasst, ob eine Verbindung zwi- schen erstem Fügepartner 5 und zweitem Fügepartner 6 erfolgt ist. Sobald eine Verbindung erfasst worden ist kann entweder die Kraft F, mit welcher die Sonotrode auf die Fügepartner gedrückt wird oder die Schwingungsamplitude der Ultraschallschwingung reduziert werden. Weiterhin kann sowohl die Kraft als auch die Schwingungsamplitude reduziert, und zwar z.B. auf 0 reduziert, werden.

Da in der Regel in dem Moment, in welchem eine Verbindung zwischen dem erstem Fügepart- ner und dem zweiten Fügepartner detektiert wird, diese Verbindung noch nicht allzu fest bzw. flächig ist, sondern lediglich die Verbindung von ersten Kontaktstellen (wie z.B. Rauhig- keitsspitzen) der obersten Atomlagen des ersten bzw. zweiten Fügepartners umfasst, kann die Detektion auch als Auslöser eines Zeitintervalls verwendet werden, in welchem das Schweiß- verfahren noch fortgesetzt wird, um ausreichend ausgedehnte Verbindungsflächen zu erzeu- gen.

In jedem Fall ist jedoch die Erfassung einer tatsächlichen Verbindung Auslöser für die Been- digung des Schweißverfahrens, sodass die Schweißdauer individuell von dem Verhalten der Fügepartner beeinflusst wird und nicht, wie ansonsten in Stand der Technik üblich, durch die Prozessparameter vorgegeben ist.

Die zu verbindenden Fügepartner geben daher selbst eine direkte Rückmeldung, wenn eine Verbindung stattgefunden hat, sodass das erfindungsgemäße Verfahren dann das Schweiß- verfahren stoppt bzw. nur noch für ein vorbestimmtes Zeitintervall fortsetzt, um den optimalen Zeitpunkt zur Beendigung des Schweißprozesses zu treffen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Schweißzeit in den meisten Fällen deutlich reduziert werden und ein Überschweißen verbunden mit lokaler Schädigung bereits ver- schweißter Bereiche vermieden werden. Zudem kann Energie eingespart werden und der Ver- schleiß an der Sonotrode auf ein Minimum reduziert werden. Bezugszeichenliste

1 Generator

2 Konverter 3 Amplitudentransformator

4 Sonotrode

5 erster Fügepartner

6 zweiter Fügepartner

7 Gegenwerkzeug 8 Detektor

9 Auswerteeinheit

10 Gehäuse

11 Koppelflächenelemente

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Ultraschallschweißverfahren zum Verbinden von einem ersten Fügepartner mit einem zweiten Fügepartner mit den Schritten

A) Anordnen der beiden Fügepartner zwischen einer Koppelfläche einer Sonotrode und einer Koppelfläche eines Gegenwerkzeuges,

B) Ausüben einer Kraft auf die beiden Fügepartner über zumindest eine der Koppel- flächen in Richtung der anderen Koppelfläche,

C) Anregen der Sonotrode mit einer Ultraschallschwingung, so dass sich die Koppel- fläche mit einer Ultraschallfrequenz bewegt,

D) Stoppen der Kraftausübung von Schritt B) und/oder Stoppen der Anregung von Schritt C), gekennzeichnet durch den Schritt

E) Detektieren einer Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Fügepartner und dadurch, dass sobald in Schritt E) eine Verbindung detektiert wird, ein Zeitintervall gestartet wird, nach- dem die Kraftausübung von Schritt B) und/oder die Anregung von Schritt C) gestoppt wird. Ultraschallschweißverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonot- rode Teil einer Ultraschallschwingeinheit, bestehend aus zumindest einem Konverter und der Sonotrode, ist, wobei Konverter und Sonotrode in einer Ultraschallausbreitungsrich- tung nebeneinander, gegebenenfalls unter Dazwischenschalten eines Amplitudentrans- formators, angeordnet sind, wobei die Koppelfläche der Sonotrode nicht senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung orientiert ist, wobei vorzugsweise die Koppelfläche gegenüber der Ausbreitungsrichtung mit einem Winkel von weniger als 45° orientiert ist, wobei beson- ders bevorzugt die Koppelfläche parallel zur Ausbreitungsrichtung orientiert ist. Ultraschallschweißverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass über die Koppelfläche der Sonotrode eine Transversalschwingung in den ersten Fügepartner übertragen wird. Ultraschallschweißverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass in Schritt E) eine erste Prozessgröße, nämlich eine Schwingungs- amplitude, eine Schwingungsfrequenz oder eine Bewegungsgeschwindigkeit von zumin- dest einem Element aus der Gruppe bestehend aus Sonotrode, erstem Fügepartner, zweitem Fügepartner und Gegenwerkzeug detektiert wird und dann, wenn ein in Schritt E) delektierter Wert ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt, festgestellt wird, dass eine Ver- bindung zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner besteht. Ultraschallschweißverfahren nach Anspruch 4 soweit von Anspruch 3 abhängig, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt E) die Schwingungsamplitude oder die Bewegungsge- schwindigkeit einer Transversalschwingung detektiert wird. Ultraschallschweißverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der Schwingungsamplitude oder der Bewegungsgeschwindigkeit mit einem op- tischen Detektor, vorzugsweise mit einer Kamera oder einem Laser-Doppler-Vibrometer. Ultraschallschweißverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt E) die Bewegungsgeschwindigkeit des Gegenwerkzeuges detektiert wird und wenn diese oder eine daraus berechnete Beschleunigung des Gegenwerkzeuges ei- nen vorbestimmten Wert überschreitet, das Zeitintervall gestartet wird. Ultraschallschweißverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt E) die Bewegungsgeschwindigkeit des ersten oder zweiten Fügepartners detektiert wird und wenn diese oder eine daraus berechnete Beschleunigung einen vorbestimmten Wert überschreitet, das Zeitintervall gestartet wird. Ultraschallschweißverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt E) die Bewegungsgeschwindigkeit des ersten und des zweiten Fügepartners detektiert wird und wenn die detektierten Geschwindigkeiten gleich sind, das Zeitintervall gestartet wird. Ultraschallschweißverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeich- net, dass in Schritt E) zusätzlich eine zweite Prozessgröße detektiert wird, und das vorbestimmte Kriterium von dem erfassten Wert der zweiten Prozessgröße oder von der Veränderung der zweiten Prozessgröße abhängt. Ultraschallschweißverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung der Sonotrode ein Generator verwendet wird, der so ausgestaltet ist, dass der Generator die Schwingungsamplitude regelt, wobei eine Leistung des Genera- tors detektiert wird und dann, wenn die Generatorleistung sich ändert, und die Änderung ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt, festgestellt wird, dass eine Verbindung zwischen ers- tem und zweiten Fügepartner besteht. Ultraschallschweißverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die beiden Fügepartner aus Metall bestehen. Ultraschallschweißanlage zur Durchführung eines Ultraschallschweißverfahren nach ei- nem der vorherigen Ansprüche mit einer Ultraschallschwingeinheit, welche eine Sonot- rode mit einer Koppelfläche und einen Konverter aufweist, und einem Gegenwerkzeug mit einer Koppelfläche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Erfassung der Ver- bindung zweier zwischen der ersten und der zweiten Koppelfläche angeordneten Füge- partner vorgesehen ist. Ultraschallschweißanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Sensor zur Erfassung einer Schwingungsamplitude, einer Schwingungsfrequenz, ei- ner Schwingungsphase oder einer Bewegungsgeschwindigkeit von zumindest einem Ele- ment aus der Gruppe bestehend aus Sonotrode, erstem Fügepartner, zweitem Fügepart- ner und Gegenwerkzeug ist. Ultraschallschweißanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein optischer Sensor, vorzugsweise eine Kamera oder ein Laser-Doppler-Vibrometer ist.