CN104708858B - 超声接合方法和超声接合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于连接纸质材料(5)、尤其纸、纸板或厚纸的超声接合方法，所述方法包括以下步骤：将所述纸质材料(5)引入到超声探头(2)与砧(3)之间的间隙(4)中；沿接合力方向(6)以接合力加载所述间隙(4)中的纸质材料(5)；以及使所述超声探头(2)处于超声振动中用于所述纸质材料(5)的接合，其特征在于，实施超声摩擦焊接，其中，所述接合力方向(6)与所述超声振动的振动方向(7)不平行。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于连接纸质材料、尤其纸、纸板或厚纸的超声接合方法和超声接合装置。
背景技术
在文献EP 0 340 334 A2中描述了一种适用于借助于超声波连接两层或多层纸质产品的装置。所使用的纸在此设有热塑性涂层。借助于超声探头在此产生纵波，从而超声探头在超声振动时朝砧运动并且又从砧运动离开。通过相应的超声频率和相应的挤压力在此产生纸层的足够的压实。同时导致在热塑性涂层中的高的放热并且由此导致纸层的粘合。
附图6在示意性简化的视图中示出了根据现有技术的用于连接经热塑性涂覆的纸质材料的超声接合装置100。装置100包括根据现有技术的超声探头102和根据现有技术的砧103。待接合的纸质材料5位于超声探头102与砧103之间。在超声探头102与砧103之间的间隙中以接合力106加载纸质材料5。超声探头102执行具有振动方向107的超声振动。在根据现有技术的装置100中振动方向107和接合力106的方向相互平行地定向。因此，在此超声探头102的纵向运动方向用于接合工艺。
发明内容
在根据本发明的超声接合方法和根据本发明的超声接合装置中实现了用于连接纸质材料的超声摩擦焊接。由超声探头产生的超声振动具有确定的振动方向。与通过超声探头施加超声振动的同时，以接合力加载在超声探头与对置的砧之间的间隙中的纸质材料。接合力沿接合力方向定向。根据本发明设置，振动方向与接合力方向相互不平行地定向。在现有技术中超声探头的振动方向总是与接合力方向平行地构造。由此在现有技术中主要利用在接合缝中用于能量产生的振动微粒的纵向运动方向。在此由接合对象的内部分子摩擦和界面摩擦产生热能。界面摩擦的热能在此由接合材料的形变的变形能通过砧几何结构获得。相比之下在本发明的范围中已知，如果采用摩擦焊接方法，能够实现产生纸质材料的更好的接合，其中，主要利用界面摩擦。这通过根据本发明的用于连接纸质材料、尤其纸、纸板或厚纸的超声接合方法实现，所述方法包括至少以下步骤：(i)将纸质材料引入到超声探头与砧之间的间隙中。(ii)沿接合力方向以接合力加载间隙中的纸质材料。(iii)使超声探头处于超声振动中用于纸质材料的接合。根据本发明在此设置，实施超声摩擦焊接，其由此限定，接合力方向与超声振动的振动方向不平行。尤其在包装工业中采用纸板箱的多种类型的借助于扩散型粘合剂(冷胶)和熔化型粘合剂(热胶)的粘合连接。为了使包装工艺合理化、更清洁和更卫生地设计所述包装工艺，可以采用根据本发明的超声焊接方法。通过在0.1秒至1秒的范围中的短周期和从0.1秒至2秒的保持时间，根据本发明的超声接合方法特别适用于对于大件数的批量生产中。相比于粘合方法根据本发明的超声接合方法具有以下优点：根据本发明不需要接合材料，从而可以取代热胶或冷胶。纸质材料对于借助于超声波的接合过程不需要附加的热塑性涂层。常规的粘合机更易于污染。因为在根据本发明的方法中优选不使用附加材料，优选使用水用于润湿除外，所以可以实现减少污染并且因此遵循卫生标准，该卫生标准对于食品工业和药品工业是非常重要的。由此也得出，在根据本发明的方法中不存在将接合剂(胶)移到包装物品中的危险。此外产生了高度的节能，因为热胶的连续加热是不必要的。仅仅在接合时间范围、也就是毫秒范围中需要对于超声接合方法必要的能量。此外，根据本发明的超声接合方法相比于常规的超声接合方法——在常规的超声接合方法中，接合力方向平行于超声探头的振动方向地定向——具有多种优点：在根据本发明的方法中可以使用具有小的声衰减的材料，这尤其在纸质材料中是这种情况。由于所接合的纸质材料的摩擦运动，不能够确定如通过超声探头在纵向超声焊接方法中的锤击运动引起的噪音排放。接合连接的剪切和剥离强度在根据本发明的方法中显著高于在以常规超声接合方法产生的接合连接的情况下。在根据本发明的方法中的另一决定性的优点在于，利用整个振动而不仅仅利用沿接合位置的方向起作用的幅度用于能量输入到纸质材料中。由于避免了朝待接合的纸质材料的锤击运动，在实施根据本发明的超声接合方法中保护了该纸质材料。
从属权利要求示出了本发明的优选扩展方案。
尤其设置，接合力方向与振动方向垂直或成直角。±10°的偏差在此仍视为垂直的。通过该定向确保了，进行振动的超声探头的沿两个方向的幅度尽可能作用于纸质材料上。同时，接合力方向与振动方向的垂直定向保证在接合位置处界面摩擦的几乎专有的利用。
超声探头的超声振动频率优选位于10kHz与80kHz之间，特别优选位于20kHz与70kHz之间。此外优选地设置，超声探头的超声振动幅度位于10μm与50μm之间，优选位于20μm与40μm之间。尤其在这些用于超声振动的参数中产生了对于纸质材料的接合有利的在接合位置处的界面摩擦。
此外优选地设置，优选在接合位置的内侧上在超声摩擦焊接之前和/或期间润湿纸质材料。润湿优选以液体水和/或水蒸气和/或润湿单元等实现。
假定，通过超声摩擦焊接在接合位置处纸结构容易被破坏并且因此形成局部的纸浆。该纸浆由于超声波和通过接合力的压力的作用而能够实现起毡并且由此能够实现一种类型的纸纤维胶合，类似于造纸。接合面的这种类型的压实导致构成氢键。这也一再描述为起毡。氢键的局部构成可以通过润湿主动地支持。
超声摩擦焊接在纸质材料中的根据本发明的应用导致非常稳定的接合位置，从而优选省去粘合剂或热塑性涂层的使用。此外也不必要的是，在接合位置处印刷油墨位于纸质材料上，该印刷油墨类似于热塑性涂层有利于纸质材料的粘合。
本发明此外还包括一种用于由纸质材料、尤其纸、纸板或厚纸制造包装的方法。在该用于制造包装的方法中使用如上所述的超声接合方法。在超声接合方法的范围中提出的从属权利要求和有利的构造相应有利地应用到用于制造包装的方法上。
本发明还包括用于连接纸质材料、尤其纸、纸板或厚纸的超声接合装置。该超声接合装置包括：可处于超声振动中的超声探头以及对置的砧。将待连接的纸质材料插入到超声探头与砧之间的间隙中并且以接合力加载所述纸质材料。接合力通过以相应的力加载超声探头和/或砧而产生。接合力再次沿接合力方向作用。根据本发明设置，超声接合装置构造为用于实施超声摩擦焊接。在该超声摩擦焊接中，接合力方向与超声振动的振动方向不平行地定向。
在根据本发明的超声接合方法的范围中提出的从属权利要求和有利的构造相应有利地应用到根据本发明的超声接合装置上。
尤其设置，超声探头能够朝砧的方向行进和/或砧能够朝超声探头的方向行进。通过该方法可以产生接合力。
附图说明
以下参照附图详细地描述本发明的两个实施例。其中，示出：
图1：根据本发明的根据第一实施例的、用于实施根据本发明的超声接合方法的超声接合装置的示意简化的示图；
图2：图1的细节视图；
图3：常规超声接合方法与根据本发明的超声接合方法的对比；
图4：所产生的接合位置的抗拉强度的曲线图；
图5：根据本发明的根据第二实施例的用于实施根据本发明的超声接合方法的超声接合装置的示意性简化的视图；以及
图6：根据现有技术的超声接合装置。
具体实施方式
图1示出了根据第一实施例的超声接合装置1的极其示意性简化的视图。借助超声接合装置1可以实施根据本发明的超声接合方法。
超声接合装置1包括超声探头2和砧3。在超声探头2与砧3之间构造有间隙4。待接合的纸质材料5位于该间隙4中。示出两个接合对象，它们在间隙4内重叠。这两个接合对象借助于超声接合装置1相互连接。
接合力通过砧3作用于间隙4中的纸质材料5上。该接合力沿接合力方向6定向。
超声探头2被激励进行沿振动方向7的超声振动的实施。振动方向7相应于超声振动的幅度的延伸方向。
如图1可以容易地得知，接合力方向6垂直于(也就是：与之成直角)振动方向7。因此，在此涉及超声摩擦焊接方法。
图2同样示意性简化地示出了图1的细节图。根据图2，通过气缸杆8作用于砧3，从而砧3可以将接合力施加到间隙4中的纸质材料5上。相应地，气缸杆8也与接合力方向6平行地设置。
此外，图2示意性极其简化地示出了以水9润湿纸质材料5的可能性。如已经所述的那样，该润湿有利于接合工艺。
图3在左侧示出了常规的纵向超声焊接的原理，如例如可以借助在图6中根据现有技术的装置100实施的那样。为了阐明功能原理，超声振动的幅度没有按比例地示出。幅度例如为在20μm与40μm之间。在图3中的右侧上示出了根据本发明的超声接合装置1的原理。在该示图中看到，在现有技术中仅仅下面的正的幅度可以朝纸质材料5的方向发挥作用。在根据本发明的超声摩擦焊接方法原理中与在图1和2中所示的相反地发生：纸质材料5在侧面挤压到超声探头上。因此，两个幅度方向、也就是沿正幅度方向的延伸和沿负幅度方向的拉紧或回拉可以有效地用于接合工艺。
图4在曲线图中示出了试验结果，其中，在根据现有技术的装置100中和借助根据本发明的超声接合装置1测试具有300g/m2的纸板。在水平轴上记录了以[N]为单位的所施加的接合力。竖直轴示出了接合位置的以[N/15mm]为单位的所产生的抗拉强度。上面的变化曲线10示出了根据本发明的超声接合方法的结果。下面的变化曲线101示出了在使用根据现有技术的装置100的情况下的结果。
在本发明的范围中和在根据试验性的研究中已经证实，如果根据本发明使用超声摩擦焊接作为接合方法，则可以更好地相互连接纸、纸板和厚纸。相比于传统的超声焊接，在此振动方向7与接合力方向6不平行，而是优选与之垂直(也就是：成直角)。连接的强度值关于剪切和剥离强度相比于纵向超声焊接方法显著提高。此外，如图4所示，也可以在低接合力的范围中实现相对高的抗拉强度。
基于实施的试验假定，对于具有相对高的抗拉强度的连接不仅纤维的微拼接(Mikroverspleiβung)而且新的氢键是决定性的。结果有利于纤维自身聚合物的塑化和凝固、自然粘合剂或合成粘合剂以及聚合物型添加剂。人们可以从以下出发：在接合工艺期间塑化区域位于接触表面上。常规的纵向超声接合过程要求具有提高的深度作用的接合对象。对于连接质量的改善目标更明显的是，使机械应力平行于接合平面作用，如这在本发明的范围中所示的那样。另一重要优点——该优点有利于超声探头2在侧面挤压到纸质材料5上——是完全利用沿两个幅度方向的超声探头振动。在根据本发明的超声摩擦焊接中由在振动体中产生的驻波不仅利用膨胀运动而且利用收缩运动。如果将超声探头在常规的纵向超声焊接中对着接合对象挤压，则仅仅膨胀作用于焊接过程，在收缩中超声探头102失去与纸质材料5的接触。因此，在根据本发明的超声接合方法中实现了有效幅度的倍增，例如在30kHz时由24μm到48μm。
图5在极其示意性简化的视图中示出了根据第二实施例的超声接合装置1。借助超声接合装置1可以实施根据本发明的超声接合方法。相同的或功能相同的构件在两个实施例中设有相同的参考标记。
在第二实施例中超声探头2水平地并且平行于接合面地振动。振动方向7因此也水平定向。接合力方向6垂直定向并且因此与振动方向7成直角。
Claims (20)
1.一种用于连接纸质材料(5)的超声接合方法，所述方法包括以下步骤：
将所述纸质材料(5)引入到超声探头(2)与砧(3)之间的间隙(4)中，其中，所述间隙(4)在所述超声探头(2)的平坦表面和所述砧(3)的平坦表面之间形成；
沿接合力方向(6)通过所述砧(3)以接合力加载所述间隙(4)中的纸质材料(5)，以及
使所述超声探头(2)处于超声振动中用于所述纸质材料(5)的接合，
其特征在于，
实施超声摩擦焊接，其中，所述接合力方向(6)与所述超声振动的振动方向(7)不平行，并且其中，所述超声探头(2)的平坦表面和所述砧(3)的平坦表面平行于所述振动方向(7)，其中，所述超声振动是通过所述超声探头(2)实施的沿所述振动方向(7)的直线水平运动。
2.根据权利要求1所述的超声接合方法，其特征在于，所述接合力方向(6)与所述振动方向(7)以+/-10°的最大偏差垂直。
3.根据以上权利要求中任一项所述的超声接合方法，其特征在于，所述超声探头(2)的超声振动频率位于10kHz与80kHz之间。
4.根据权利要求1或2所述的超声接合方法，其特征在于，所述超声探头(2)的超声振动幅度位于10μm与50μm之间。
5.根据权利要求1或2所述的超声接合方法，其特征在于，在所述超声摩擦焊接之前和/或期间润湿所述纸质材料(5)。
6.根据权利要求1或2所述的超声接合方法，其特征在于，所述纸质材料(5)的超声接合不使用粘合剂、热塑性塑料。
7.根据权利要求1或2所述的超声接合方法，其特征在于，所述纸质材料(5)是纸。
8.根据权利要求1或2所述的超声接合方法，其特征在于，所述纸质材料(5)是纸板。
9.根据权利要求1或2所述的超声接合方法，其特征在于，所述纸质材料(5)是厚纸。
10.根据权利要求3所述的超声接合方法，所述超声探头(2)的超声振动频率位于20kHz与70kHz之间。
11.根据权利要求4所述的超声接合方法，所述超声探头(2)的超声振动幅度位于20μm与40μm之间。
12.根据权利要求1或2所述的超声接合方法，其特征在于，在所述超声摩擦焊接之前和/或期间在接合位置的内侧上润湿所述纸质材料(5)。
13.根据权利要求1或2所述的超声接合方法，其特征在于，所述纸质材料(5)的超声接合不使用印刷油墨。
14.一种用于由纸质材料(5)制造包装的方法，其中，应用根据以上权利要求中任一项所述的超声接合方法。
15.一种用于连接纸质材料(5)的超声接合装置(1)，所述超声接合装置包括：
能够处于超声振动中的超声探头(2)，该超声探头具有平坦表面；以及
砧(3)，该砧具有平坦表面；
其中，在所述超声探头(2)的平坦表面与所述砧(3)的平坦表面之间的间隙(4)中通过加载所述超声探头(2)和/或所述砧(3)接合力沿接合力方向(6)作用到所述纸质材料(5)上，
其特征在于，
所述超声接合装置(1)构造用于超声摩擦焊接，其中，所述接合力方向(6)与所述超声振动的振动方向(7)不平行，其中，所述超声探头(2)的平坦表面和所述砧(3)的平坦表面平行于所述振动方向(7)，并且其中，所述砧(3)构造用于朝所述超声探头(2)的方向运动以产生所述接合力(6)，其中，所述超声振动是通过所述超声探头(2)实施的沿所述振动方向(7)的直线水平运动。
16.根据权利要求15所述的超声接合装置，其特征在于，所述接合力方向(6)与所述振动方向(7)垂直，偏差最大+/-10°。
17.根据权利要求15或16所述的超声接合装置，其特征在于，所述超声探头(2)能够朝砧(3)的方向行进和/或所述砧(3)能够朝超声探头(2)的方向进行以产生所述接合力。
18.根据权利要求15或16所述的超声接合装置，其特征在于，所述纸质材料(5)是纸。
19.根据权利要求15或16所述的超声接合装置，其特征在于，所述纸质材料(5)是纸板。
20.根据权利要求15或16所述的超声接合装置，其特征在于，所述纸质材料(5)是厚纸。
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