Prozessanalyse des Metall-Ultraschallschweißens durch Schallemission
Akustik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde die Anwendbarkeit der Schallemissionsanalyse zur Prozessanalyse beim Metall-Ultraschallschweißen untersucht. Dazu wurden Körperschall- und Luftschallemissionen während des Schweißprozesses von artgleichen Blech-Überlapp-Verbindungen (Cu-OF / Al99,5) aufgezeichnet und ausgewertet. Zur Messdatenerfassung wurden Laser-Doppler-Vibrometer, ein Freifeld-Mikrofon sowie vereinzelt eine Hochgeschwindigkeitskamera verwendet. Die Aufbereitung und Auswertung der jeweiligen Messsignale ergab Unterschiede, was die Eignung bzw. den Informationsgehalt der Signale für eine Prozessanalyse betrifft. So erlauben die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Einblicke in die über den Prozessverlauf sich kontinuierlich ändernden Wechselwirkungen und Grenzflächenreaktionen zwischen den Fügeteilen und Werkzeugen, auch wenn hier eine vergleichsweise geringe zeitliche und räumliche Auflösung gegenüber der Laser-Vibrometrie realisiert werden kann. Eine für das grundlegende Prozessverständnis des USMW bedeutsame Erkenntnis ist hier, dass die Relativbewegung zwischen den Fügeteilen, welche bis dato als wesentlicher Mechanismus für den Energieeintrag zur Verbindungsbildung beim USMW Prozess galt, nur zu Beginn und verglichen mit der Gesamtschweißzeit in einem sehr kleinen Zeitfenster vorherrscht. Ein Großteil der Reibarbeit im tribologischen System wird zunehmend durch Schlupf zwischen Sonotrode und oberem Fügeteil bestimmt. Anhand der ausgewerteten Körperschallsignale von Sonotrode und Amboss konnte gezeigt werden, dass sich deren Schwingungsverhalten in Abhängigkeit von der Verbindungsbildung ändert und der Prozessfortschritt daran analysiert werden kann. Besonders sensitiv mit dem Verlauf der Verbindungsbildung sind die zeitlichen Verläufe der Amplitudenhüllkurven der ersten drei Harmonischen am Amboss (Schwingungsantwort). Interessant ist zwar auch das Schwingungsverhalten (Schwingungsanregung) der Sonotrode, allerdings erschweren hier Partikelemissionen und die stark positions- und bauformabhängigen Messergebnisse die Auswertung bzw. deren Übertragbarkeit. Was die Luftschallsignale betrifft, so sind weitere Forschungen erforderlich, bevor sie verwendet werden können. Nach Beurteilung der gewonnenen Messsignale hinsichtlich ihrem Informationsgehalt, wurden die Mechanismen der Verbindungsbildung genauer analysiert, indem die Verbindungsfestigkeit, Bruchfläche, Verformung der Fügeteile sowie Mikrostruktur zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Schweißprozesses ausgewertet wurden. Durch Korrelation der charakteristischen Prozesssignale mit den beobachteten Mechanismen der Verbindungsbildung konnte gezeigt werden, dass das Schwingungsverhalten im mechanischen Gesamtsystem und die damit verbundenen Änderungen von Amplitude, Frequenz und Phasenverschiebung durch die thermo-mechanischen Vorgänge im USMW Prozess beeinflusst werden. Die auftretenden Wechselwirkungen zwischen den Fügeteilen und den Werkzeugen, wie beispielsweise Verbindungsbildung, Schlupf und Werkstofferweichung, nehmen somit Einfluss auf die Kraftübertragung bzw. Dämpfung von Sonotrode und Amboss. Aus diesen Ergebnissen konnte abschließend ein empirisch basiertes Prozessphasenmodell aufgestellt werden, dessen Übertragbarkeit anhand von ausgewählten Prozesseinflüssen belegt wurde. Die anhand von experimentellen Untersuchungen gewonnenen Ergebnisse belegen das große Potenzial und die grundsätzliche Eignung der Schallemissionsanalyse hinsichtlich einer Prozessüberwachung. Die hier vorgestellten Erkenntnisse, sind ein erster vielversprechender Schritt zur Entwicklung einer echtzeitfähigen Regelung. Um dieses Potenzial zu erschließen sind allerdings weitere Untersuchungen notwendig, um den Zeitpunkt des idealen Prozessendes durch geeignete Prozesskenngrößen zu beschreiben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analysis of the thermomechanical mechanism during ultrasonic welding of battery tabs using high-speed image capturing. Welding in the World 63, 2019
Balz, I.; Rosenthal, E.; Reimer, A.; Turiaux, M.; Schiebahn, A.; Reisgen, U.
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Investigation of the applicability of acoustic emission and vibration analysis to describe the thermo-mechanical mechanism during ultrasonic metal welding. Proceedings of the 23rd International Congress on Acoustics, 9. bis 13. September, Aachen, Germany; Seite 4700 – 4707
Abi Raad, E.; Balz, I.; Reisgen, U.; Vorländer, M.
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Process monitoring of ultrasonic metal welding of battery tabs using external sensor data. AJP 2019. 1st International Conference on Advanced Joining Processes. Book of Abstracts. Ponta Delgada, Azores, October 24 - 25, 2019. Abstract no. 42, 1 page. ISBN 978-989-892-788-0
Balz, I.; Reisgen, U.; Schiebahn, A.; Abi Raad, E.; Vorländer, M.
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Derivation of characteristic vibroacoustic parameters in Ultrasonic Sheet Metal Welding. DAGA 2020; Seite 1129 – 1132
Abi Raad, E.; Balz, I.; Reisgen, U.; Vorländer, M.
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Process monitoring of ultrasonic metal welding of battery tabs using external sensor data. Journal of Advanced Joining Processes 1, 2020
Balz, I.; Abi Raad, E.; Rosenthal, E.; Lohoff, R.; Schiebahn, A.; Reisgen, U.; Vorländer, M.
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Prozessanalyse der thermo-mechanischen Vorgänge während der Verbindungsbildung beim Metall-Ultraschallschweißen. Dissertation. Aachener Berichte Fügetechnik, Band 3/2020, ISBN 978-3-8440-7537-3, Seite 1-149, 2020
Balz, I.
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Using Dynamic Time Warping for Ultrasonic Sheet Metal Welding Forum Acusticum 2020, 7. bis 11. Dezember 2020, Lyon, France
Abi Raad, E.; Vorländer, M.
