WO2004096480A1 - Verfahren zum verschweissen von teilen - Google Patents

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WO2004096480A1 PCT/EP2004/004532 EP2004004532W WO2004096480A1 WO 2004096480 A1 WO2004096480 A1 WO 2004096480A1 EP 2004004532 W EP2004004532 W EP 2004004532W WO 2004096480 A1 WO2004096480 A1 WO 2004096480A1
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Schunk Ultraschalltechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for ultrasound welding of parts by means of an ultrasound welding device comprising at least one generator, a converter and a sonotrode, in particular for welding strands, on the basis of a weld connection that corresponds to a set requirement and corresponds to a desired curve of a time-dependent welding parameter the welding time corresponding to the target curve runs between a starting point t 0 and an ending time t e .
  • DE-A-198 10 509 provides that ultrasound waves coupled into the weld metal are detected as a measurement signal after interaction with a joining layer, in order to then use a measurement data memory and an evaluation unit for the Process characteristic parameters with subsequent control of the sonotrode.
  • DE-A-43 21 874 provides that, in order to monitor the energy input into the joint between the parts to be welded, the joining force is measured during the welding process.
  • the vibration amplitude of a sonotrode that welds plastic parts is reduced after a predetermined time interval, in order then to work with a reduced vibration amplitude during the remaining time of the welding.
  • a related control signal to reduce the amplitude can be triggered directly or indirectly depending on the power transferred to the workpieces to be welded, as z.
  • a method for welding plastic parts is known from WO-A-02/098636, in which the vibration amplitude is reduced during a first period of time in order to optimize welding, in order to subsequently measure with a characteristic parameter of the workpiece and then in Depending on the value of the measured parameter with a constant amplitude of a sonotrode transmitting ultrasound energy to end the welding process.
  • DE-A-101 10 048 provides on-line monitoring on the basis of predefined or stored mast values which enable conclusions to be drawn about the strength of the connection.
  • the time window amounts to a period of time which is usually 10% to 20% longer than the period of time which is the stored period of time of the welding node, which is assessed as correct. If the welding, that is to say the energy input after the time window, that is to say the time t e + ⁇ t, has been completed, the welding result is assessed as inadequate.
  • a power-time curve is defined, the area of which corresponds to the stored energy input of the parts to be welded with a predetermined total cross-section, the end point of the welding having to lie within the target curve or in a subsequent time window in order to be classified as a usable welding result.
  • the present invention is based on the problem of developing a method of the type mentioned at the outset in such a way that the welding is optimized, in particular in which uniform and reproducible welding results should be achievable, in particular differences between individual welds due to e.g. Material, positioning of the parts, temperature or environmental influences must be compensated.
  • the problem is essentially solved in that an actual curve of the time-dependent parameter is measured during the welding of the parts, the actual curve being compared with the target curve in the period between t 0 and t e and depending on the existing curve Deviation at least one process parameter influencing the welding is changed in such a way that the target and actual curves are matched during the further welding.
  • the setpoint and actual values are compared at least at a point in time t] with t 0 ⁇ t] ⁇ t e .
  • the curves can also be compared if there is an identical power value of the target and actual curve or if there is an equal proportion of the energy input corresponding to the same area of the power measured over time.
  • the process parameter or parameters are changed as a function of comparisons between the setpoint and actual curve and the deviations occurring at the corresponding times, at different times tj, t 2 ... t n .
  • the at least one process parameter corresponding to stored values can be changed step by step, there is preferably also the possibility of regulating the at least one process parameter as a function of the existing deviations between the target and the actual curve.
  • a change cannot only be based on stored values, e.g. B. from value tables, but also be calculated based on stored mathematical functions.
  • an automatic welding process does not take place in such a way that only values previously stored are used as the basis for the welding process, but rather a comparison between a target and an actual curve takes place in order to change at least one process parameter, possibly a number of process parameters, including an energy input to be changed in the parts to be welded, in order to achieve an optimization.
  • the power of the ultrasonic welding device that is output or received is selected as the time-dependent welding parameter.
  • the amplitude of the sonotrode to which the DTden parts acting pressure or force and / or energy input and / or frequency of the sonotrode can be selected.
  • Fig. 5 power-time curves for controlling a welding process taking into account an energy input
  • Fig. 6 is a schematic diagram of an ultrasonic welding device with peripheral
  • the invention is explained below on the basis of strands to be welded, without any intention that this should impose a restriction. Rather, the invention also extends to the welding of plastic parts.
  • curve 10 corresponds to a so-called target curve, which has led to a satisfactory welding result of the strands to be welded.
  • target curve 10 Taking into account the welding end t e corresponding to curve 10, further strands having the same total cross section are then welded, with the same energy input as in the welding corresponding to target curve 10.
  • the welding process is therefore ended at different times t e ⁇ and t e .
  • the welds in which the weld end falls before t e of the desired curve 10 or in a subsequent time window ⁇ t are then found to be good.
  • the weld to be assigned to the actual curve 12 is consequently to be assessed as correct, since the welding is completed at the time t eJ and this time lies within t e + ⁇ t, in the exemplary embodiment in the time window ⁇ t.
  • the time end point t e2 of the actual curve 14 is after the time end point t e + ⁇ t of the target curve 10, so that the weld is consequently rejected.
  • the time window ⁇ t is usually 10 to 20% of the time duration of the welding, which corresponds to the target curve 10, that is to say the time difference t e ⁇ 10 .
  • a comparison is made between the desired curve 10 to be used as the basis for the welds of the same cross section or total cross section, with the actual curve determined in each case for a weld.
  • the comparison can take place at previously determined points in time, if there is the same power value from the setpoint and actual curve, or if there is an equal proportion of the energy input which corresponds to the same area of the power plotted over time.
  • the actual curve 16 is adapted to the target curve 10, ie the former is approaching the latter.
  • a new measurement is carried out at a time t 2 .
  • the actual curve 16 runs above the target curve 10, so that an adjustment can be made, for example, by reducing the amplitude and / or force, without having to change the energy value.
  • the total energy input to be introduced can also be changed during the welding, if necessary.
  • the welding is then ended, in the exemplary embodiment at a point in time t e3 which lies after the end point in time t e of the desired curve 10. 1, it is not necessary for the time t e3 to be in or before a time window predefined in accordance with the prior art. Rather, the end point in time t e3 can be larger or smaller t e . Of course, the welding process must be completed before a defined end time in order to avoid endless regulation. This end point in time is identified in FIG. 2 by t max .
  • a second actual curve (lined curve) is also shown in FIG. 2.
  • this runs above the desired curve 10. Accordingly, welding parameters have to be changed, ie reduced, in order to bring the actual curve 18 closer to the desired curve 10.
  • target curve 10 coincides with the actual curve.
  • the welding parameter is The welding process ends at a time t e ⁇ that lies before the time t e of the desired curve 10.
  • a comparison of target and actual curves can take place not only at certain times t_, but also when the same power value is present or the same energy input has occurred. This can also be seen in principle in FIG. 2.
  • a comparison can be made in order to change the welding parameters in the manner described above in accordance with the deviation.
  • a change in one or more welding parameters can also be made on the basis of a comparison of the curves with the same power value Pj. This is also illustrated in principle on the basis of FIG. 2.
  • FIGS. 1 and 2 show further power-time curves on the basis of which the teaching according to the invention is to be explained.
  • the target curves to be compared in each case with actual curves are identified by the reference symbol 10 corresponding to FIGS. 1 and 2.
  • the welding process of an ultrasonic welding device can be controlled as a function of any deviations between the desired curve 10 and an actual curve 20 at predetermined power values P]... P ". Triggering is therefore dependent on the Deviation between the target curve 10 and the actual curve 20 at different power values P] ... P n .
  • P power value
  • P n power values
  • the total energy input from the welding process to be controlled and that on which the target curve 10 is based are the same.
  • the time end point t e j at which the welding process is ended in accordance with the actual curve 20 is between tj and t max .
  • the welding parameters are changed in accordance with the teaching of the invention. Irrespective of this, the overall welding process is ended when the energy input according to the power-time-actual curve 22 is equal to that of the target curve 10.
  • the power output of the generator or power consumption of the sonotrode or of the vibrator is determined over time.
  • an ultrasonic welding device or machine 26 which in the usual way comprises a converter 26, possibly a booster 28 and a sonotrode 30.
  • the sonotrode 30 or a surface of this is assigned a counterelectrode 32 which, in accordance with the teaching of US-A-4,596,352 or US-A-4,869,419, can be constructed in several parts in order to provide a compression chamber which is adjustable in cross section and within which the elements to be welded, such as Leaders are brought in to provide.
  • the converter 26 is connected via a line 34 to a generator 36, which in turn is connected via a line 38 to a computer (PC) 40 in order to enter welding parameters or cross section of conductors to be welded.
  • the power output of the generator 36 can then be determined in order to determine the respective actual curve of a welding process by means of a program stored in the computer 40 and to calculate it by means of the computer 40 and to compare it with a predetermined curve in the sense of the teaching according to the invention in order to then influence the welding process.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ultraschallverschweißen von Teilen mittels einer zumindest einen Generator, einen Konverter und eine Sonotrode umfassenden Ultraschallschweißvorrichtung, insbesondere zum Verschweißen von Litzen, unter Zugrundelegung einer gestellten Anforderungen genügenden Schweißverbindung entsprechenden Soll-Kurve (10) eines zeitabhängigen Schweißparameters, wobei die Schweißdauer entsprechend der Soll-Kurve zwischen einem Anfangszeitpunkt t0 und einem Endzeitpunkt te verläuft. Um reproduzierbar gute Schweißergebnisse zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass während des Verschweißens der Teile eine Ist-Kurve (16, 18) des zeitabhängigen Parameters gemessen wird, wobei im Zeitraum zwischen t0 und te die Ist-Kurve mit der Soll-Kurve verglichen wird und in Abhängigkeit von bestehender Abweichung zumindest ein das Schweißen beeinflussender Prozessparameter derart verändert wird, dass eine Angleichung von der Soll- und der Ist-Kurve beim weiteren Verschweißen erfolgt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Verschweißen von Teilen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ultraschall-Verschweißen von Teilen mittels einer zumindest einen Generator, einen Konverter und eine Sonotrode umfassenden Ultraschallschweißvorrichtung, insbesondere zum Verschweißen von Litzen, unter Zugrundelegung einer gestellten Anforderungen genügenden Schweißverbindung entsprechenden Soll-Kurve eines zeitabhängigen Schweißparameters, wobei die der Soll-Kurve entsprechende Schweißdauer zwischen einem Anfangspunkt t0 und einem Endzeitpunkt te verläuft.
Um Verbindungsteile ungleichartiger Materialien und ohne Vorversuche gut verschweißen zu können, ist nach der DE-A-198 10 509 vorgesehen, dass in das Schweißgut eingekoppelte Ultraschallwellen nach Wechselwirkung mit einer Fügeschicht als Messsignal erfasst werden, um sodann mittels eines Messdatenspeichers und einer Auswerteeinheit für den Schweißprozess charakteristische Kenngrößen mit anschließender An- steuerung der Sonotrode weiterzuverarbeiten.
Um Prozessparameter beim Ultraschallschweißen von Kunststoffteilen zu steuern bzw. zu regeln, sieht die DE-A-43 21 874 vor, dass zur Überwachung des Energieeintrags in die Fügestelle zwischen den zu verschweißenden Teilen die Fügekxaft während des Schweißvorganges gemessen wird.
BESTATIGUNGSKOPIE Nach der EP-B-0 567 426 wird die Schwingungsamplitude einer Kunststoffteile verschweißenden Sonotrode nach einem vorbestimmten Zeitintervall reduziert, um sodann während der verbleibenden Zeit des Verschweißens bei verringerter Schwingungsamplitude zu arbeiten. Ein diesbezügliches Steuersignal zum Reduzieren der Amplitude kann direkt oder indirekt auch in Abhängigkeit von der auf die zu verschweißenden Werkstücke übertragenen Leistung ausgelöst werden, wie dies z. B. der WO-A-98/49009, der US-A-5,855.706, der US-A-5,658,408 oder der US-A-5,435,863 zu entnehmen ist.
Aus der WO-A-02/098636 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 mit 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.
Um durch Ultraschall-Drahtbonden hergestellte Verbindungen zu prüfen, sieht die DE- A-101 10 048 eine on-line-Überwachung unter Zugrundelegung von vorgegebenen bzw, gespeicherten Mast er- Werten vor, die Rückschlüsse auf die Festigkeit der Verbindung ermöglichen.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zum Verschweißen von Litzen werden in Abhängigkeit vom Summenquerschnitt der zu verschweißenden Leiter abgespeicherte prozessrelevante Daten wie Druck, Amplitude, Frequenz, Werkzeuggröße und Energie abgerufen, sodann geschweißt, wobei anschließend von einem Einrichter der erzielte Schweißknoten auf seine Güte überprüft wird. Genügt dieser den gestellten Anforderungen, wird unter Zugrundelegung der Zeitdauer (te - t0 mit te Schweißendzeitpunkt und t0 Schweißanfahgszeitpunkt), innerhalb der die dem abgespeicherten Energiewert entsprechende Leistung abgegeben wurde, ein sich an den Schweißendzeitpunkt te anschließendes Zeitfenster Δt festgelegt. Liegt der Schweißendpunkt beim Verschweißen von einen gleichen Summenquerschnitt aufweisenden Litzen vor dem Ende des Zeitfensters, also zwischen t0 und te + Δt, wird unterstellt, dass das Schweißergebnis ein _> gutes Ergebnis ist. Dabei beläuft sich das Zeitfenster auf eine Zeitspanne, die üblicherweise 10 % bis 20 % über der Zeitdauer liegt, die der abgespeicherten Zeitdauer des als ordnungsgemäß bewerteten Schweißknotens liegt. Ist die Schweißung, also der Energieeintrag nach dem Zeitfenster, also der Zeit te + Δt abgeschlossen, so wird das Schweißergebnis als ungenügend bewertet.
Mit anderen Worten wird eine Leistungs-Zeitkurve festgelegt, dessen Fläche dem abgespeicherten Energieeintrag der zu verschweißenden Teile mit vorgegebenem Summenquerschnitt entspricht, wobei der Zeitendpunkt des Schweißens innerhalb der Soll- Kurve oder in einem nachfolgenden Zeitfenster liegen muss, um als verwertbares Schweißergebnis klassifiziert zu werden.
Werden ungeachtet gleichen Summenquerschnitts unterschiedliche Materialien benutzt oder die Litzen in dem Werkzeug, also zwischen Sonotrode und Amboss unterschiedlich positioniert oder treten Temperaturschwankungen oder Umwelteinflüsse auf, kann es gegebenenfalls zu Schwankungen in der Güte der Schweißergebnisse kommen.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine Optimierung der Schweißung erfolgt, wobei insbesondere gleichmäßige und reproduzierbare Schweißergebnisse erzielbar sein sollen, wobei insbesondere Unterschiede zwischen einzelnen Schweißungen bedingt durch z.B. Material, Positionierung der Teile, Temperatur- oder Umwelteinflüsse zu kompensieren sind.
Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass während des Verschweißens der Teile eine Ist-Kurve des zeitabhängigen Parameters gemessen wird, wobei im Zeitraum zwischen t0 und te die Ist-Kurve mit der Soll-Kurve verglichen werden und in Abhängigkeit von bestehender Abweichung zumindest ein das Verschweißen beeinflussender Prozessparameter derart verändert wird, dass eine Angleichung von Soll- und Ist-Kurve beim weiteren Verschweißen erfolgt. Insbesondere werden zumindest bei einem Zeitpunkt t] mit t0 < t] < te die Soll- und die Ist-Wert verglichen. Ein Vergleich der Kurven kann aber auch bei Vorliegen eines gleichen Leistungswertes von Soll- und Ist-Kurve oder bei Vorliegen eines gleichen Anteils des Energieeintrags entsprechend gleicher Fläche der über der Zeit gemessenen Leistung erfolgen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der oder die Prozessparameter in Abhängigkeit von zu verschiedenen Zeitpunkten tj, t2 ...tn mit n > 2 erfolgenden Vergleichen zwischen Soll- und Ist-Kurve und den zu den entsprechenden Zeitpunkten auftretenden Abweichungen verändert werden.
Kann der zumindest eine Prozessparameter entsprechend gespeicherter Werte insbesondere schrittweise geändert werden, so besteht bevorzugterweise auch die Möglichkeit, eine Regelung des zumindest einen Prozessparameters in Abhängigkeit von den bestehenden Abweichungen zwischen der Soll- und der Ist-Kurve vorzunehmen.
Eine Änderung kann nicht nur unter Zugrundelegung gespeicherter Werte, z. B. aus Wertetabellen erfolgen, sondern auch aufgrund abgelegter mathematischer Funktionen berechnet werden.
Abweichend vom vorbekannten Stand der Technik, insbesondere zum Verschweißen von Metallteilen, aber auch von Kunststoffteilen, erfolgt nicht ein automatischer Schweißablauf derart, dass allein zuvor abgespeicherte Werte dem Schweißprozess zu Grunde gelegt werden, sondern dass ein Vergleich zwischen einer Soll- und einer Ist- Kurve erfolgt, um aufgrund der Abweichungen zumindest einen Prozessparameter, gegebenenfalls mehrere Prozessparameter zu verändern einschließlich eines zu verändernden Energieeintrages in die zu verschweißenden Teile, um eine Optimierung zu erzielen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass als zeitabhängiger Schweißparameter abgegebene bzw. aufgenommene Leistung der Ultraschallschweißvorrichtung gewählt wird. Als zu ändernder Prozessparameter können Amplitude der Sonotrode, auf die zu verschwel- ßenden Teile einwirkender Druck bzw. Kraft und/oder Energieeintrag und/oder Frequenz der Sonotrode gewählt werden.
Bei einem Vergleich von Leistυngs-Zeitkurven als Soll- bzw. Ist-Kurven kann erwähntermaßen ein Vergleich auch in Abhängigkeit von erfolgtem Energieeintrag vorgenommen werden, der gleich dem integralen Wert der Leistungs-Zeitkurve zu einem bestimmten Zeitpunkt ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Aυsfuhrungsbeispiels.
Es zeigen:
Fig. 1 Leistungs-Zeit-Kurven und deren Nutzung nach dem Stand der Technik für das Verschweißen von Litzen,
Fig. 2 Leistungs-Zeit-Kurven zur Regelung eines Schweißprozesses,
Fig. 3 Leistungs-Zeit-Kurven zur Regelung eines Schweißprozesses über
Leistungswerte,
Fig. 4 Leistungs-Zeit-Kurven zur Regelung eines Schweißprozesses bei vorgegebener Energie,
Fig. 5 Leistungs-Zeit-Kurven zur Regelung eines Schweißprozesses unter Berücksichtigung eines Energieeintrages und
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines Ultraschallschweißvorrichtung mit Periphe
Figure imgf000007_0001
Die Erfindung wird nachstehend anhand von zu verschweißenden Litzen erläutert, ohne dass hierdurch eine Einschränkung erfolgen soll. Vielmehr erstreckt sich die Erfindung auch u. a. auf das Verschweißen von Kunststoffteilen.
Um nach dem Stand der Technik Litzen mittels Ultraschall zu verschweißen, werden in Abhängigkeit von deren Summenquerschnitt in einem Speicher abgelegte Werte in Bezug auf z. B. Druck, Amplitude, Werkzeuggröße und Energieeintrag abgerufen. Sodann erfolgt ein Verschweißen der Litzen, wobei eine Leistungs-Zeit-Kurve aufgenommen wird, die der Fig. 1 zu entnehmen und mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Die Fläche unter der entsprechenden durchgezogenen Kurve 10 entspricht folglich dem Energieeintrag
Figure imgf000008_0001
mit P = Leistung und t = Zeit.
Im Ausführungsbeispiel entspricht die Kurve 10 einer sogenannten Soll-Kurve, die zu einem befriedigenden Schweißergebnis der zu verschweißenden Litzen geführt hat. Unter Berücksichtigung des der Kurve 10 entsprechenden Schweißendes te werden sodann weitere einen gleichen Summenquerschnitt aufweisende Litzen verschweißt, wobei ein gleicher Energieeintrag erfolgt wie bei der der Soll-Kurve 10 entsprechenden Schweißung. Für jede Schweißung wird sodann eine entsprechende in der Fig. 1 mit den Bezugszeichen 12 (punkt-linierte Kurve) oder 14 (gestrichelte Kurve) gekennzeichnete Ist-Kurven ermittelt, deren jeweilige Fläche gleich der der Soll-Kurve 10 ist. Entsprechend dem jeweiligen Verlauf der Leistung P ist folglich der Schweißvorgang zu verschiedenen Zeitpunkten teι bzw. te beendet. Aufgrund von empirisch gesammelter Daten werden sodann die Schweißungen, bei denen das Schweißende vor te der Soll-Kurve 10 oder in einem sich anschließenden Zeitfenster Δt fallt, als gut befunden. Im vorliegenden Fall ist folglich die der Ist-Kurve 12 zuzuordnende Schweißung als ordnungsgemäß zu bewerten, da das Schweißen zum Zeitpunkt teJ abgeschlossen ist und dieser Zeitpunkt innerhalb te + Δt, im Ausführungsbeispiel im Zeitfenster Δt, liegt. Demgegenüber liegt der Zeitendpunkt te2 der Ist-Kurve 14 nach dem Zeitendpunkt te + Δt der Soll-Kurve 10, so dass infolgedessen die Schweißung verworfen wird.
Das Zeitfenster Δt beträgt üblicherweise 10 bis 20 % der Zeitdauer des Schweißens, der der Soll-Kurve 10 entspricht, also der Zeitdifferenz te - 10.
Um sicherzustellen, dass eine Optimierung der Schweißung erfolgt, da unterschiedliche Materialien, Temperatur oder Umwelteinflüsse bzw. Positionierung der zu verschweißenden Litzen in dem von Sonotrode und Amboss gebildeten Verdichtungsraum die Schweißergebnisse beeinflussen, bzw. um auszuschließen, dass eine Schweißung erst nach dem Zeitfenster Δt, also nach einer Gesamtschweißzeit te + Δt beendet ist, erfolgt erfindungsgemäß dem Grunde nach ein Regeln des Schweißprozesses unter Zugrundelegung einer ermittelten Soll-Kurve, die in Fig. 2 ebenfalls mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist.
Erfindungsgemäß erfolgt ein Vergleich zwischen der den Schweißungen gleichen Querschnitts bzw. Summenquerschnitts zu Grunde zu legenden Sollkurve 10 mit jeweiliger bei einer Schweißung ermittelter Ist-Kurve. Dabei kann der Vergleich bei zuvor festgelegten Zeitpunkten, bei Vorliegen gleichen Leistungswertes von Soll- und Ist-Kurve oder bei Vorliegen eines gleichen Anteils des Energieeintrages erfolgen, der gleicher Fläche der über der Zeit aufgetragenen Leistung entspricht.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 erfolgt zu Zeitpunkten tj und t2 ein Vergleich zwischen der Soll-Kurve 10 und einer jeweils beim Schweißen ermittelten Ist-Kurve 16 bzw. 18. Die Ist-Kurve 16 verläuft zum Zeitpunkt tj unterhalb der Soll-Kurve 10. Aufgrund von zuvor abgespeicherten aus Messungen ermittelten Werten werden sodann Schweißparameter geändert. So kann z. B. Amplitude der Sonotrode und/oder über die Sonotrode auf die zu verschweißenden Teile einwirkende Kraft im Vergleich zu dem den Werten der Sollkurve 10 entsprechenden Schweißvorgang verändert und - auf die der Ist-Kurve 10 entsprechenden Schweißung bezogen - erhöht werden. Liegt folglich die Ist-Kurve unterhalb der Soll-Kurve erfolgt grundsätzlich eine Erhöhung der einstellbaren Schweißparameter, wohingegen dann, wenn die Ist-Kurve oberhalb der Soll-Kurve verläuft, ein Reduzieren erfolgt.
Hierdurch bedingt erfolgt eine Verlaufsanpassung der Ist-Kurve 16 an die Soll-Kurve 10, d. h. erstere nähert sich letzterer. Zu einem Zeitpunkt t2 erfolgt eine erneute Messung. Im vorliegenden Fall verläuft die Ist-Kurve 16 oberhalb der Soll-Kurve 10, so dass eine Anpassung z.B. durch Reduzierung der Amplitude und/oder Kraft erfolgen kann, ohne dass eine Änderung des Energiewertes erfolgen muss. Alternativ oder ergänzend kann gegebenenfalls auch der einzuleitende Gesamtenergieeintrag während der Schweißung verändert werden.
Anzumerken ist, dass die erfindungsgemäße Regelung bei verschiedenen Frequenzen v der Ultraschallschweißvorrichtung durchgeführt werden kann, so z. B. mit v = 20 kHz, 35 kHz, 40 kHz etc.
In Abhängigkeit von dem festgelegten bzw. geänderten Energiewert wird sodann die Schweißung beendet, und zwar im Ausführungsbeispiel zu einem Zeitpunkt te3, der nach dem Zeitendpunkt te der Soll-Kurve 10 liegt. Dabei ist es abweichend vom Stand der Technik gemäß der Fig. 1 nicht erforderlich, dass der Zeitpunkt te3 in oder vor einem nach dem Stand der Technik vorgegebenen Zeitfenster liegt. Vielmehr kann der Zeitendpunkt te3 größer oder kleiner te sein. Selbstverständlich muss der Schweißvorgang vor einer definierten Endzeit abgeschlossen sein, um ein endloses Regeln zu vermeiden. Dieser Zeitendpunkt ist in Fig. 2 mit tmax gekennzeichnet.
In Fig. 2 ist des Weiteren eine zweite Ist-Kurve (linierte Kurve) eingezeichnet. Diese verläuft zum Zeitpunkt t] oberhalb der Soll-Kurve 10. Demzufolge sind Schweißparameter zu verändern, d. h. zu reduzieren, um die Ist-Kurve 18 an die Soll-Kurve 10 anzunähern. Zum Zeitpunkt t2 stimmt die Sollkurve 10 mit der Ist-Kurve überein. In Abhängigkeit des zuvor abgespeicherten oder aufgrund der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Kurve 10 bzw. 18 der zum Zeitpunkt t] geänderten Schweißparameter wird der Schweißvorgang zu einem Zeitpunkt teι beendet, der vor dem Zeitpunkt te der Soll- Kurve 10 liegt.
Ein Vergleich von Soll- und Ist-Kurven kann nicht nur zu bestimmten Zeitpunkten t_, sondern auch bei Vorliegen gleichen Leistungswertes oder erfolgtem gleichen Energieeintrags erfolgen. Dies ist ebenfalls rein prinzipiell der Fig. 2 zu entnehmen. So kann bei gleicher Fläche Ej von Soll-Kurve 10 und Ist-Kurven 16, 18 ein Vergleich erfolgen, um entsprechend der Abweichung die Schweißparameter in zuvor beschriebener Art zu verändern. Eine Änderung von einem oder mehreren Schweißparametern kann auch auf Grund eines Vergleichs der Kurven bei gleichem Leistungswert Pj erfolgen. Dies wird ebenfalls an Hand der Fig. 2 prinzipiell verdeutlicht.
Werden Soll- und Ist-Kurven 10, 16, 18 bei gleichem Leistungswert Pi verglichen, so λvird erkennbar, dass der der Ist-Kurve 16 zugeordnete Schweißprozess dahingehend geändert werden muss, dass ein oder mehrere Schweißparameter zu erhöhen sind. Bezüglich der der Ist-Kurve 18 entsprechenden Schweißung erfolgt eine Reduzierung.
Hinsichtlich eines Vergleichs zwischen den Kurven 10, 16, 18 bei Vorliegen gleichen Energieeintrags E] ergibt sich aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2, dass die der Ist- Kurve 16 entsprechende Schweißung dahingehend geändert werden muss, dass ein oder mehrere Schweißparameter erhöht und bezüglich der Schweißung nach der Ist-Kurve 18 reduziert werden müssen.
Den Fig. 3 bis 5 sind weitere Leistungs-Zeit-Kurven zu entnehmen, anhand der die erfindungsgemäße Lehre erläutert werden soll. Dabei sind die jeweils mit Ist-Kurven zu vergleichenden Soll-Kurven mit dem Bezugszeichen 10 entsprechend der Fig. 1 und 2 gekennzeichnet.
Wie im Zusammenhang mit der Fig. 2 bereits erläutert worden ist, kann eine Regelung des Schweißvorganges einer Ultraschallschweißvorrichtung in Abhängigkeit etwaiger Abweichungen zwischen der Soll-Kurve 10 und einer Ist-Kurve 20 bei vorgegebenen Leistungswerten P] ... P„ erfolgen. Somit erfolgt ein Triggern in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen der Soll-Kurve 10 und der Ist-Kurve 20 bei unterschiedlichen Leistungswerten P] ... Pn. Werden z. B. Soll- und Ist-Kurve 10, 20 bei dem Leistungswert P2 verglichen, so sind ein oder mehrere Schweißparameter zu erhöhen, um eine Anpassung der Kurven 10, 20 zu erreichen. Unabhängig hiervon ist jedoch der Ge- samtenergieeintrag von zu regelndem Schweißprozess und dem, der der Soll-Kurve 10 zu Grunde liegt, gleich. Der Zeitendpunkt tej, bei dem der Schweißvorgang entsprechend der Ist-Kurve 20 beendet ist, liegt zwischen tj und tmax.
Die Fig. 4 soll verdeutlichen, dass eine Leistungsregelung zwischen der Soll-Kurve 10 und einer Ist-Kurve 22 ausschließlich in Abhängigkeit des erfolgten Energieeintrags erfolgt. Weichen die Ist-Kurve 22 und die Soll-Kurve 10 in Bezug auf den zum jeweiligen Messzeitpunkt t], t ... tn erfolgten Energieeintrag
Figure imgf000012_0001
ab, so erfolgt entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre eine Veränderung der Schweißparameter. Unabhängig hiervon wird der Gesamtschweißvorgang dann beendet, wenn der Energieeintrag nach der Leistungs-Zeit-Ist-Kurve 22 gleich dem der Soll- Kurve 10 ist.
Abweichend von dem der Fig. 4 zu Grunde liegenden Regelυngsprozess wird nach Fig. 5 zur Optimierung eines Schweißvorgangs, also dessen Regelung, nicht nur ein Prozessparameter wie Druck oder Amplitude verändert, sondern zusätzlich oder allein alternativ erfolgt eine Erhöhung des Energieeintrages. Dies wird dadurch verdeutlicht, dass dann, wenn das Integral unter der mit dem Bezugszeichen 24 versehenen Ist-Kurve gleich dem der Soll-Kurve 10 ist, ein weiterer Energieeintrag ΔE2US erfolgt, bevor der Schweißvorgang zum Zeitpunkt tx abgeschlossen ist. Ein Vergleich zwischen Ist- und Soll-Kurve 24 bzw. 10 erfolgt ebenfalls zu verschiedenen Zeitpunkten ti ... tn .
Anzumerken ist in diesem Zusammenhang allerdings, dass nicht zwingend dann, wenn mehrere Schweißparameter zu verändern sind, diese sämtlichst erhöht bzw. reduziert werden müssen. Vielmehr erfolgt eine Abstimmung der Schweißparameter untereinander derart, dass eine Anpassung von Soll- und Ist-Kurve zur Erzielung eines optimierten Schweißergebnisses erfolgt.
Zur Bestimmung der Leistungs-Zeitkurve wird die Leistungsabgabe des Generators bzw. Leistungsaufnahme der Sonotrode bzw. des Schwingers über der Zeit ermittelt.
In der Fig. 6 ist rein prinzipiell eine Anordnung dargestellt, mittels der ein erfindungsgemäß geregelter Ultraschallschweißprozess durchgeführt werden kann. Hierzu ist eine Ultraschallschweißvorrichtung oder -maschine 26 vorgesehen, die in gewohnter Weise einen Konverter 26, ggf. einen Booster 28 sowie eine Sonotrode 30 umfasst. Der Sonotrode 30 bzw. einer Fläche dieser ist eine Gegenelektrode 32 zugeordnet, die entsprechend der Lehre der US-A-4,596,352 oder der US-A-4,869,419 mehrteilig ausgebildet sein kann, um einen im Querschnitt verstellbaren Verdichtungsraum, innerhalb dem die zu verschweißenden Elemente wie Leiter eingebracht werden, zur Verfügung zu stellen. Der Konverter 26 wird über eine Leitung 34 mit einem Generator 36 verbunden, der seinerseits über eine Leitung 38 mit einem Rechner (PC) 40 verbunden ist, um Schweißparameter bzw. Querschnitt von zu verschweißenden Leitern einzugeben. Die Leistungsabgabe des Generators 36 kann sodann bestimmt werden, um mittels eines in dem Rechner 40 abgespeicherten Programms die jeweilige Ist-Kurve eines Schweißprozesses zu bestimmen und mittels des Rechners 40 zu berechnen sowie mit einer zuvor festgelegten Soll-Kurve im Sinne der erfindungsgemäßen Lehre zu vergleichen, um sodann regelnd den Schweißprozess zu beeinflussen.

Claims

PatentansprücheVerfahren zum Verschweißen von Teilen
1. Verfahren zum Ultraschallverschweißen von Teilen mittels einer zumindest einen Generator, einen Konverter und eine Sonotrode umfassenden Ultraschallschweißvorrichtung, insbesondere zum Verschweißen von Litzen, unter Zugrundelegung einer gestellten Anforderungen genügenden Schweißverbindung entsprechenden Soll- Kurve eines zeitabhängigen Schweißparameters, wobei die Schweißdauer entsprechend der Soll-Kurve zwischen einem Anfangszeitpunkt to und einem Endzeitpυnkt te verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verschweißens der Teile eine Ist-Kurve des zeitabhängigen Parameters gemessen wird, wobei im Zeitraum zwischen t0 und te die Ist-Kurve mit der Soll-Kurve verglichen wird und in Abhängigkeit von bestehender Abweichung zumindest ein das Schweißen beeinflussender Prozessparameter derart verändert wird, dass eine Angleichung von der Soll- und der Ist-Kurve beim weiteren Verschweißen erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Zeitpunkt t] mit t0 < ti < te die Ist-Kurve mit der Soll-Kurve verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Kurve mit der Soll-Kurve bei einem gleichen Leistungswert verglichen wird.
. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Kurve mit der Soll-Kurve bei gleichem Energieeintrag ausgehend vom Beginn des Schweißens verglichen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen der Ist-Kurve und der Soll- Kurve zumindest ein Prozessparameter entsprechend gespeicherter Werte bzw. Funktionen geändert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Prozessparameter schrittweise geändert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung der Ist-Kurve an die Sollkurve durch einen Regelprozess erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Prozessparameter in Abhängigkeit von zu verschiedenen Zeitpunkten ti, t2... t„ mit n > 2 erfolgenden Vergleichen zwischen Soll- und Ist- Werten geändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des zumindest einen Prozessparameters in Abhängigkeit von gegebenenen Abweichungen zwischen der Soll-Kurve und der Ist-Kurve zu den Zeitpunkte ti, t2...tn mit n > 2 erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zeitabhängiger Schweißparameter abgegebene bzw. aufgenommene Leistung der Ultraschallschweißvorrichtung gewählt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als zu ändernder Prozessparameter Amplitude und/oder Frequenz der Sonotrode und/oder auf die zu verschweißenden Teile einwirkender Druck bzw. einwirkende Kraft und/oder Energieeintrag in die zu verschweißenden Teile gewählt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Prozessparameter einzeln oder zusammen verändert werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen über dessen Gesamtdauer oder zeitweise in Abhängigkeit von der jeweiligen momentanen Abweichung von Soll- und Ist-Kurve geregelt wird.
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