Verfahren zur Qualitätsüberwachung beim Ultraschallschweißen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Qualitätsüberwachung beim Ultraschallschweißen, bei dem aus zumindest einem den Schweißprozess beeinflussenden und/oder Güte des Schweißprozesses repräsentierenden Parameter zuzuordnenden Messwerten aus durchgeführten Schweißungen ein Messwerttoleranzband bestimmt wird, wobei Messwerte, die nachfolgenden weiteren Schweißungen einem gleichen Parameter zugeordnet werden, bei der Qualitätsüberwachung berücksichtigt werden.

Beim Fügen von Thermoplasten stellt das Ultraschallschweißen ein bewährtes Verfahren dar. Dabei ermöglichen moderne Ultraschallschweißvorrichtungen der Kunststofftechnik aufgrund digitaler Generatortechnik und des Einsatzes von Mikroprozessoren präzise und reproduzierbare Schweißungen. Bei der Parameterfindung für unterschiedliche Anwendungen und Materialien wird üblicherweise auf Erfahrung s werte zurückgegriffen. Auch werden Parametersätze - häufig softwareunterstützt - empirisch entwickelt. Gleichwenn das Schweißen an sich verlässlich und stabil ist, bereitet die überwachung des Fügeprozesses Probleme, da häufig erforderliche Qualitätsmerkmale und notwendige Schweißparameter nicht korrelierbar sind. In der Praxis sind sogenannte SPC (Statistical Process Control)-Programme üblich.

Dabei werden geschweißte Teile untersucht, um festzustellen, ob diese den gestellten Anforderungen genügen. Als Qualitätsmerkmale können dabei Abreißkraft, Maßhaltigkeit, Dichtheit, Ergebnisse von Fall- oder Stoßtests, aber auch optische Sichtergebnisse sein. Abgesehen von der äußeren visuellen überprüfung ist bei der Mehrheit der zu bestimmenden Parameter eine zerstörerische Prüfung erforderlich. Hierzu werden die Daten der geprüften Materialien einem SPC-Programm zugeführt, um Aussagen über Prozessfähigkeit, Ausschussraten etc. zu erhalten. Somit erfolgt eine Aufzeichnung und Auswertung von Prozessdaten, jedoch eine Prozessüberwachung im eigentlichen Sinne nicht.

Nachteil diesbezüglicher überprüfung s verfahren ist des Weiteren, dass bei der zerstörerischen Prüfung eine Serienproduktion beeinträchtigt wird, so dass nur stichprobenweise eine Bewertung erfolgen kann. Eine Hundertprozentprüfung geht allein bei zerstörungsfreien Prozessen.

Aus der WO-A-2004/096480 ist ein Verfahren zum Verschweißen von insbesondere Litzen bekannt, bei dem eine Regelung von zeitabhängigen Schweißparametern derart erfolgt, dass diese während des Verschweißens an Soll- Werte angepasst werden. Hierzu wird eine Ist-Kurve des zeitabhängigen Parameters gemessen, die mit einer Soll-Kurve verglichen wird. Im Umfang der Abweichung erfolgt eine Regelung zumindest eines Prozes sparameters .

Aus der DE-A-44 29 684 ist ein Verfahren zum Verschweißen elektrischer Leiter der eingangs genannten Art bekannt. Dabei werden die für das Kompaktieren bzw. Schweißen charakteristischen Parameter für zu erfolgende Schweißungen dynamisch an das vorausgegangene Verdichten bzw. Schweißen angepasst. Innerhalb fest vorgegebener Grenzwerte liegende Schweißergebnisse werden als Gutsch weißungen und außerhalb liegende als Schlechtschweißungen 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 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 Fügekraft während des Schweißvorganges gemessen wird.

Nach der EP-B-O 567 426 wird die Schwingungsamplitude einer Sonotrode, mit der Kunststoffteile verschweißt werden, 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 den Schweißprozess mit einer Sonotrode mit konstanter Amplitude zu beenden, die Ultraschallenergie überträgt.

Um durch Ultraschall-Drahtbonden hergestellte Verbindungen zu prüfen, sieht die DE- A-IOl 10 048 eine on-line-überwachung unter Zugrundelegung von vorgegebenen bzw. gespeicherten Master- Werten vor, die Rückschlüsse auf die Festigkeit der Verbindung ermöglichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass im Vergleich zu dem Stand der Technik ein feinfühligeres überwachen von Prozessvorgängen ermöglicht wird, um entsprechend Parameteränderungen vornehmen zu können, die zu Schweißergebnissen höherer Güte führen bzw. eine Anpassung an Prozessbedingungen ermöglichen, die sicherstellt, dass im

erforderlichen Umfang Gutschweißungen erzielbar sind. Dabei soll ein problemloser Einsatz bei der Serienfertigung möglich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe im Wesentlichen dadurch gelöst, dass in Abhängigkeit von Abweichungen der weiteren Messwerte zu dem aus den vorausgegangenen Messwerten bestimmtem Toleranzband das Messwertetoleranzband für die weiteren Schweißungen in seiner Form oder in Bezug auf seine Ausrichtung zu einem Mittelwert insbesondere dynamisch verändert wird. Dabei kann die Veränderung des Toleranzbands stetig oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Schweißungen erfolgen. Letzteres kann zu sprunghaften Verlaufsänderungen bzw. Breitenänderungen des Toleranzbands führen.

Veränderung der Form schließt eine änderung der Breite des Toleranzbandes, aber auch eine Verlaufs änderung zu einem Mittelwert ein, z. B. bei einer von der Normalverteilung abweichenden Verteilung.

Das sprunghafte ändern ist dadurch bedingt, dass nach einer Anzahl x Schweißungen mit z. B. x = 1.000 eine überprüfung des Toleranzbands erfolgt, um dieses gegebenenfalls in seiner Breite zu verändern. Auf diese Weise werden momentane, möglicherweise nicht charakteristische Schwankungen vermieden.

Erfindungsgemäß erfolgt eine dynamische Toleranzanpassung der Toleranzbreite und damit der Toleranz an sich, wobei in Frage kommende Schweißprozesskenngrößen zugrunde gelegt werden können. Dabei kann das Toleranzband in der Breite verkleinert oder vergrößert werden. Eine Verkleinerung des Toleranzbands erfolgt dann, wenn die Messwerte zeigen, dass die Streuung der der Gutschweißung zugeordneten Kenngröße zu einem Toleranzband führt, das kleiner als das ursprünglich vorgegebene ist. Auf diese Weise wird die Güte der herzustellenden Schweiß teile verbessert.

Erfolgt eine Vergrößerung des Toleranzbands aufgrund der durchgeführten Messungen der Kenngrößen, so ist die Nebenbedingung zu beachten, dass ein Grenzwert nicht über-

schritten werden darf, der kennzeichnend dafür ist, ob Schweißteile als Gut- oder Schlechtteile bezeichnet werden.

Das Ausgangstoleranzband wird nach einem Vorlauf von n Schweißungen festgelegt, wobei die Anzahl n derart gewählt wird, dass man von einem statistisch gesicherten Wert ausgehen kann, n kann z. B. 33, 100, 300, 500 oder 1.000 betragen, um nur beispielhaft Zahlen zu nennen.

Statistisch gesicherter Wert soll dabei zum Ausdruck bringen, dass Extremwerte ausgeschlossen sind. Es wird insbesondere im Teach-Mode eine vom Bediener ausgewählte statistisch-relevante Menge für Referenz schweißungen berücksichtigt. Dabei gilt, dass eine Aussage über Mittelwert und Toleranzbreite umso präziser ist, je umfangreicher die Datenmenge ist.

Die Veränderung der Ausrichtung des Toleranzbands zu einem Mittelwert ist derart zu verstehen, dass aufgrund überprüfungen eine von einer Standardabweichung wie Gauß- Verteilung abweichende Verteilungsform festgestellt wird, also z.B. mehr Minus- als Plusabweichungen ermittelt werden, so dass entsprechend das Toleranzband verändert wird.

Insbesondere ist vorgesehen, dass zur Ermittlung eines Toleranzbands die Schweißdauer gemessen wird, der ein vorgegebener Energieeintrag in das Seh weiß teil zugeordnet wird. Es wird folglich ein Zeitfenster festgelegt, das dem Toleranzband entspricht, um hierdurch Rückschlüsse über die Güte des Schweißens treffen zu können.

Auch können als Messwerte zur Ermittlung eines Toleranzbands Zeitdauern gewählt werden, innerhalb der eine Relativverstellung zwischen Sonotrode und Gegenelektrode einer das Ultraschallschweißen durchführenden Vorrichtung erfolgt.

Als weitere ein Toleranzband vorgebende Zeitfenster sind solche zu wählen, innerhalb der eine vorgegebene Schweißkraft aufgebracht wird.

All diese Schweißprozesskenngrößen können zur Ermittlung eines Toleranzbands herangezogen werden, um in Abhängigkeit von den durchgeführten und gemessen Schweißungen feinfühlig auf Veränderungen von z.B. Materialeigenschaften, Schweißflächen von Sonotrode und Gegenelektrode, Zustellbewegungen dieser oder Energieeintrag reagieren zu können, also den Prozess so regeln bzw. beeinflussen zu können, dass Schweißungen höherer Güte zur Verfügung stehen.

Erfindungsgemäß erfolgt ein Korrelieren von Schweißdaten und bestimmten Qualitätsmerkmalen, wodurch die Qualität des Schweiß teils nach dem Fügen beeinflusst wird. Es wird eine feinfühlige Prozessüberwachung durchgeführt, wobei ein an den Schweißfortschritt sich anpassendes Toleranzband bezüglich von Messwerten generiert wird, die den Schweißprozess beeinflussen.

Die Anpassung des Toleranzbands erfolgt vorzugsweise automatisch, kann jedoch auch manuell vorgenommen werden. Losgelöst hiervon läuft die überwachung automatisch im Hintergrund der Schweißvorgänge ab. Dabei besteht auch die Möglichkeit, dass dann, wenn Schweißteile außerhalb des Toleranzbands liegen, ein Alarm ausgelöst wird, um sodann individuell zu entscheiden, ob das Produkt als Ausschuss deklariert wird oder einer erweiterten Prüfung zu unterziehen ist.

Erfindungsgemäß werden die während Referenzschweißungen ermittelten Standardabweichungen, die sich auf die Referenzmenge beziehen, im eigentlichen Produktionspro- zess an die auftretenden Toleranzen angepasst. Hierzu werden während des Schweißens Prozessvariablen gesammelt, um fortwährend oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Schweißungen neue Toleranzen zu berechnen und abzulegen. Wird dabei die Toleranzbreite verringert, so wird die Sensibilität der überwachung erhöht und somit die Produktqualität verbessert.

Als Parameter, die im Bezug auf die erfindungsgemäße Lehre zur Bestimmung von Toleranzbändern in Betracht zu ziehen sind, kommen insbesondere in Frage:

• Triggerkraft - die Kraft während des Aufsetzens auf ein Bauteil unter Berücksichtigung des Schwingergewichts zum Einschalten des Ultraschalls,

• Schweißkraft - die Kraft zum Umformen des Bauteils während des Schweißvorgangs,

• Amplitude - die Schweißamplitude in Prozent, um den Kunststoff aufzuschmelzen,

• Haltekraft - die Kraft nach Terminierung des Schweißprozesses zur Auskühlung des Kunststoffes,

• Haltezeit - die Zeitspanne, in der das geschweißte Teil unter der Haltekraft gehalten wird.

Losgelöst hiervon können maximale Leistungen, Energieeintrag, Schweißzeit, Triggerpunkt und absoluter Verstellweg gleichfalls als Schweißparameter berücksichtigt werden.

In weiterer hervorzuhebender Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Veränderung des Toleranzbands selbst dadurch überprüft wird, dass Schweißungen, deren Messwerte innerhalb des Toleranzbands liegen, auf ihre Güte hin überprüft werden.

Sollte sich herausstellen, dass ungeachtet der Tatsache, dass Messwerte von Teilen innerhalb des Toleranzbands liegen, entsprechende Schweißteile eine nicht genügende Qualität zeigen, so kann der Bediener einer Veränderung des Toleranzbands entsprechend vornehmen.

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 der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. Ia eine Prinzipdarstellung einer Ultraschallschweißvorrichtung für Metallschweißen,

Fig. Ib eine Prinzipdarstellung einer Ultraschallschweißvorrichtung für Kunststoffschweißen,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Toleranzbands,

Fig. 3 ein Leistungs-Zeit-Diagramm,

Fig. 4 ein Weg-Zeit-Diagramm und

Fig. 5 ein Kraft- Weg-Diagramm.

Den Fig. Ia und Ib sind rein prinzipiell Anordnungen zu entnehmen, mit denen im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 a Litzen und im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 b Kunststoffteile mittels Ultraschall verschweißt werden, wobei aufgrund von Schweißprozesskenngrößen eine Qualitätsüberwachung und Optimierung der Schweißprozesse durchgeführt werden kann. Die erfindungsgemäße Lehre ist nicht auf das Verschweißen von Metallen beschränkt. Vielmehr ist auch das Kunststoffschweißen von der Erfindung erfasst.

Eine Ultraschallschweißvorrichtung bzw. -maschine 10 der Fig. Ia umfasst in gewohnter Weise einen Konverter 12, gegebenenfalls einen Booster 14 sowie eine Sonotrode 16. Der Sonotrode 16 bzw. einer Fläche dieser ist eine Gegenelektrode 18 zugeordnet, die entsprechend der Lehren der US-A-4,596,352 oder der US-A-4,869,419 mehrteilig ausgebildet sein kann, um einen im Querschnitt beliebig verstellbaren Verdichtungsraum 20 zur Verfügung zu stellen, in den die zu verschweißenden Leiter eingelegt werden. Der Konverter 12 wird über eine Leitung 22 mit einem Generator 24 verbunden, der seinerseits über eine Leitung 26 mit einem Rechner 28 verschaltet ist, um Schweiß-

parameter bzw. Querschnitte der zu verschweißenden Leiter einzugeben bzw. abzurufen.

Die Anordnung der Fig. Ib unterscheidet sich von der nach Fig. Ia dahingehend, dass zum Verschweißen von Kunststoffteilen die Sonotrode 16 mit ihrer Längsachse senkrecht zu den zu verschweißenden Teilen verläuft, also die Schwingungen senkrecht eingeleitet werden.

Bei beiden Ausführungsformen erfolgt eine Prozesserfassung über eine Steuerleitung 30, um entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre eine dynamische Anpassung von Toleranzgrößen für in Frage kommende Schweißprozesskenngrößen zu ermöglichen. Dies soll anhand der Fig. 2 und 4 näher erläutert werden.

Um während einer Schweißung dynamisch und kontinuierlich einen Schweißprozess überwachen zu können, erfolgt eine Korrelierung von Schweißdaten mit bestimmten Qualitätsmerkmalen und deren Einfluss auf die Qualität des Bauteils nach dem Fügevorgang. So ist in Fig. 2 rein prinzipiell eine Schweißkenngröße k über die Anzahl n der durchgeführten Schweißungen aufgetragen. Als Schweißkenngröße kommt beispielhaft Energieeintrag, Schweißdauer, Triggerpunkt, Verstellweg von Sonotrode zu Amboss, Triggerkraft, Schweißkraft, Haltekraft, Haltezeit oder Amplitude in Frage. Eine Kenngröße kann allein oder aber mehrere Kenngrößen können auch in Kombination berücksichtigt werden.

Ob ein Schweißgut als Gut- oder Schlechtteil zu bezeichnen ist, hängt davon ab, ob die ermittelte Kenngröße innerhalb eines Toleranzbands 30 liegt. Dabei wird das Toleranzband 30 in Abhängigkeit von den während des Schweißvorgangs ermittelten Messwerten der Kenngröße variiert, um feinfühlig auf änderungen zu reagieren, sei es aufgrund der zu verschweißenden Materialien, sei es z. B. aufgrund der Hardware wie Sonotrode, Amboss, Schweißfläche, der Ultraschallschweißvorrichtung 10.

Vor Beginn der Schweißungen im Produktionsprozess wird im Teach-Mode eine statistisch relevante Menge ni von Referenzschweißungen durchgeführt. Dabei gilt, dass je

umfangreicher die Datenmenge ist, desto präziser kann eine Aussage über die Breite des Toleranzbands 30 getroffen werden. Dabei wird üblicherweise von einer Normalverteilung ausgegangen, d.h., dass das Toleranzband sich in gleicher Breite zu beiden Seiten eines Mittelwerts x erstreckt. Nach Ermittlung des Ausgangstoleranzbands, das die ni Schweißungen umfasst, werden die produktionsrelevanten Schweißungen durchgeführt. Dabei werden Prozessvariablen, d. h. Schweißkenngrößen, automatisch im Hintergrund der Produktion gesammelt und aus diesen Messwerten (Produktionsdaten) fortwährend neue Toleranzen im Hintergrund, also im Rechner 28 berechnet und abgelegt. Ergibt sich dabei z. B. entsprechend der Darstellung der Fig. 2, dass die Messwerte der Schweißkenngröße k geringer streuen als während der Referenzschweißungen, so wird entsprechend das Toleranzband verändert, und zwar in der Breite reduziert, wie dies der Bereich 32 in Fig. 2 verdeutlicht. Somit kann die Güte der Schweißteile erhöht werden, da die Toleranz reduziert wird.

Selbstverständlich kann auch produktionsbedingt eine Vergrößerung des Toleranzbands erfolgen, ohne dass hierdurch Schlechtschweißungen auftreten. Dies wird dadurch verhindert, dass eine maximale Grenze für die Breite des Toleranzbands vorgegeben wird. Schweißungen, die innerhalb des maximalen Toleranzbands liegen, können als Gut- schweißungen qualifiziert werden.

Losgelöst hiervon kann erfindungs gemäß eine überwachung des Toleranzbands 30 selbst dadurch erfolgen, dass eine oder mehrere Schweißungen, deren zugeordnete Schweißkenngrößen innerhalb des Toleranzbands 32 liegen, überprüft werden, um sicherzugehen, dass die gewünschte Schweißgüte auch erfüllt ist.

Ist in Fig. 2 eine stetige Anpassung des Toleranzbands angedeutet, so kann auch eine sprunghafte Veränderung erfolgen. Dies bedeutet, dass erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Schweißungen eine überprüfung des Toleranzbands und sodann eine gegebenenfalls erforderliche Anpassung erfolgt. Dies wird in Fig. 2 durch die Stufen 34, 36 angedeutet.

Den Fig. 3 - 5 sind weitere Beispiele einer Toleranzbandanpassung für Prozessabläufe zu entnehmen, wobei eine zweiparametrische Veränderung erfolgen kann.

So ist in Fig. 3 die Leistung P gegenüber der Zeit t aufgetragen. Dabei kann eine Toleranzbandbreitenanpassung bzgl. der Leistung P und/oder der Zeit t erfolgen. Eine Zeitanpassung ist dabei so zu verstehen, dass ein Zeitfenster 38 festgelegt wird, innerhalb dem ein vorgegebener Energieeintrag in dass Schweißgut erfolgt sein muss. Liegt der Energieeintrag innerhalb des Zeitfensters 38, so wird das Schweißgut als Gutteil bewertet. Bei einem Energieeintrag, der außerhalb des Zeitfensters 38 endet, wird das Seh weiß teil als Schlechtsch weißung klassifiziert. Die Breite des Fensters 38 wird in Abhängigkeit von den Messwerten variiert, wodurch eine feinfühlige Anpassung der durchzuführenden Schweißprozesse erfolgt.

Entsprechend kann auch ein Toleranzband für die Leistung P vorgegeben werden, das in der Fig. 3 als P Fenster 40 gekennzeichnet ist. Der Energieeintrag, der ein Schweißteil als Gutteil kennzeichnet, muss sodann unter Berücksichtigung der Toleranz zu der Zeit tß erfolgt sein.

In Fig. 4 ist ein Weg-Zeit-Diagramm dargestellt, wobei der über die Zeit t aufgetragene Weg S die Relativverstellung zwischen Sonotrode 16 und Amboss 18 der Ultraschallschweißvorrichtung 10 rein prinzipiell wiedergibt. Aus dem Verlauf der Kurve sind entsprechende Verdichtungs- bzw. Schweißvorgänge ablesbar, die zur Charakterisierung der Güte einer Schweißung herangezogen werden können. Diese Bereiche können mit Toleranzbändern versehen werden, um somit eine Schweißprozessführung zu ermöglichen, die sicherstellt, dass Schweißungen hoher Güte erzielbar sind. So sind in Fig. 4 zwei Zeitfenster 42, 44 eingezeichnet, die den Bereich kennzeichnen, in dem die zu verschweißenden Teile verdichtet sind (Zeitfenster 42) bzw. die Schweißung abgeschlossen ist (Zeitfenster 44).

Das jeweilige Zeitfenster 42 bzw. 44 repräsentiert folglich ein Toleranzband, das in Abhängigkeit von den Messwerten, die die Verstellung von Sonotrode 16 und Amboss 18 zueinander betreffen, erfassen.

Anstelle bzw. alternativ zu den Zeitfenstern 42, 44 kann ein Wegfenster 46 bzw. 48 zur Beeinflussung bzw. Regelung des Schweißvorgangs gewählt werden. In den Wegfenstern 46, 48 müssen folglich Messwerte liegen, bei denen das Verdichten der zu verschweißenden Teile erfasst ist bzw. das Schweißende liegt, sofern Gutteile betroffen sind.

Der Fig. 5 ist ein Kraft- Weg-Diagramm zu entnehmen, dass für z.B. die Herstellung eines Endknotens elektrischer Leiter charakteristisch ist. So können Fenster bezüglich der Kraft bzw. des Stellwegs festgelegt werden, die in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 50 bzw. 52 gekennzeichnet sind. Dabei wird in der entsprechenden Kraft- Weg-Kurve ein für einen Schweißprozess charakteristischer Bereich ausgewählt, im vorliegenden Fall der des Verschweißens, also des Zustellens von Sonotrode 16 und Amboss 18 während der Ultraschallerregung. Entsprechend der Wegänderung, die den Schweißprozess repräsentiert, werden die eingeleiteten Kräfte gemessen, um sodann ein Toleranzband festzulegen. Mit anderen Worten entsprechen die Fenster 50, 52 der Breite von Toleranzbändern, die in Abhängigkeit von den gemessenen Kenngrößen Kraft bzw. Weg während der Produktion dynamisch verändert bzw. angepasst werden können, um optimale Schweißergebnisse zu erzielen.