DE102019109264A1

DE102019109264A1 - VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG EINER QUALITÄT EINER ULTRASCHALLSCHWEIßUNG

Info

Publication number: DE102019109264A1
Application number: DE102019109264.7A
Authority: DE
Inventors: Felix Klimas; Thomas Herzing; Lutz Lehmann; Daniel Zemann
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: US20220023978A1; EP3953098A1; WO2020207864A1; DE102019109264B4; CN113646122A

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

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 Winkel 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 Wirbelstromsensor 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:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel.

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.
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. Wird eine Abweichung in Schritt 205 festgestellt, so kann die Probe als verschmutzt betrachtet werden, falls die Abweichung größer als der zugelassene Grenzwert ist.
Wird 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

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.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Quantifizierung der mechanischen Schwingungen während des Fügeprozesses eine optische Messvorrichtung (40) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Quantifizierung der mechanischer Schwingungen während des Fügeprozesses ein Wirbelstromsensor und/oder ein Laservibrometer (40) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere Messpunkte betreffend ihrem von den Sollwerten abweichendem Schwingungsverhalten durch die Messvorrichtung (40) überprüft werden.
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.
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.
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.
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.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Grenzwert maximal 10%, insbesondere maximal 5% beträgt.
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.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (40) einen Wirbelstromsensor und/oder ein Laservibrometer umfasst.