DE3008117A1 - Induktor fuer induktionsschweisszwecke und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Induktor fuer induktionsschweisszwecke und verfahren zu seiner herstellung

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Description

-H-
Tetra Pak Dev. SA ,τ,, 33i_i25
Dr.Be/sa
Tetra Pak Developpement SA Pully-Lausanne, Schweiz
Induktor für Induktionsschweißzwecke und Verfahren zu seiner Herstellung
030038/0735
Beschreibung
Induktionsschweißverfahren werden unter anderem zum Verschweißen von solchem Laminatmaterial verwendet, das in der Verpackungsindustrie Anwendung findet, d. h. Laminatmaterial, das aus Schichten aus thermoplastischen Kunststoffen und Aluminiumfolie besteht. Die Verfahrensdurchführung ist bekannt und gründet auf der Tatsache, daß ein magnetisches Feld um einen Leiter, durch welchen ein Wechselstrom durchgeht, in der Lage ist, in einem angrenzenden leitfähigen Material einen Strom zu induzieren, der aufgrund des Widerstands des i-iaterials ein mehr oder weniger ausgeprägtes Erhitzen dieses Materials verursacht. Beim Induktionsschweißen wird eine Induktionsschleife oder -spule der gleichen Konfiguration als diejenige. , die die gewünschte Schweißnaht erhalten soll, dicht auf das Laminat gelegt, welches eine Aluminiumfolie enthält, wonach das Laminat mit dem Material, mit welchem es verbunden werden soll, zusammengepreßt wird. Die Aluminiumfolie wird nun in einem Muster erhitzt, das der Konfiguration der Spule entspricht, wobei durch geeignete Auswahl von Stromstärke, Frequenz und Verfahrensdauer das Material auf die gewünschte Temperatur erhitzt werden kann, d. h. eine Temperatur, die ausreichend hoch ist, daß die Schichten aus thermoplastischem Material, die aneinander angrenzen, miteinander verschmelzen.
In der Verpackungsindustrie ist es üblich, Induktionsschweißverfahren zum Verschweißen von Packungen zu verwenden, die aus
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-G-
laminiertem Material hergestellt sind, welches Aluminiumfolie und thermoplastische Kunststoffe enthält, und es wird auch Induktionsschweißen verwendet zum Befestigen von Verschlußdichtungen aus Aluminiumfolie und thermoplastischen Kunststoffen in Verschlußkappen, -deckein und dgl.
Die bisher zum Verschweißen von komplizierten Schweißinustern in der Verpackungsindustrie verwendeten Induktoren bestehen aus einer Kupferplatte von 5 - 10 mm Stärke, in welche durch geeignete Schneideverfahren, z. B. mittels Funkenentladung, Schlitze in einem solchen Huster hervorgebracht worden sind, daß die restlichen Teile der Platte eine Induktionsspule der gewünschten Konfiguration bilden. Die durch Funkenentladung geschnittene Platte wird anschließend auf eine Grundplatte aus isolierendem Material aufgebracht, welche mechanische Steifheit der Platte verleiht und in ein Kunststoffmaterial derart eingebettet, daß die durch die Bearbeitung mittels Funkenentladung erhaltenen Spuren völlig mit dem Kunststoff gefüllt sind, welches als Isoliermaterial dient. Danach wird diejenige Seite der Platte, die als Arbeitsfläche dienen soll, genau ebengeschliffen und mit einer dünnen Schicht aus Isoliermaterial bedeckt, z. B. aus Polytetrafluoräthylen. Ein derartiger Induktor ist umständlich und aufwendig herzustellen und auch schwierig mit guter Genauigkeit herzustellen, da die Bearbeitung durch Funkenentladung einen bestimmten Arbeitsraum benötigt und unter anderem ausschließt, daß Schlitze mit weniger als etwa 0,2 mm Breite geschnitten werden können. Die Induktoren sind darüber hinaus relativ klobig
und können daher nicht beim Schweißen
kleiner Details verwendet werden, insbesondere dann, wenn der verfügbare Raum beschränkt ist. Das Schweißen in einem detailierten Muster wird auch dadurch schwierig gemacht, daß das magnetische Feld wegen der relativ großen Querschnittsfläche der Induktionsspule nicht definiert bleibt und nicht geeignet
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ist, um enge, lineare Gebiete zu verschweißen. Schließlich besitzt die große Querschnittsfläche der Induktionsspule noch einen v/eiteren liachteil hinsichtlich der Energie, da das magnetische feld, das erzeugt wird, relativ ecroße Ausmaße hat, so daß der größere Teil des magnetischen Feldes, der den nicht-anwendbaren Teil des magnetischen Feldes darstellt, innerhalb des Induktors zu liegen kommt, was die Wirksamkeit des Induktors merklich vermindert.
Aus den genannten Gründen wird es allgemein in der Verpackungsindustrie für wünschenswert gehalten, daß ein Induktor geschaffen werden sollte, der geeignet ist, das Induktionsschweißen von laminiertem i-Iaterial zu gestatten, v/ob ei insbesondere an das Schweißen von kleinen Details in einem komplizierten Schweißmuster gedacht ist. Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Induktor dieses Typs herzustellen, der nicht gegenstand der Hachteile der bisher bekannten Anordnungen ist.
Weiteres Ziel der iirfindung ist die Schaffung eines Induktors, dessen Induktionsspule mit guter Genauigkeit ein gewünschtes kuster, das detailreich ist, wiedergeben kann.
Weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Induktors, welcher ein magnetisches Feld schafft, das auf die Arbeitsfläche konzentriert ist und dementsprechend einen hohen Wirkungsgrad hat.
Diese und andere Ziele der Erfindung werden durch die Erfindung verwirklicht, die darin besteht, daß ein Induktor für Induktionsschweißzwecke dadurch gekennzeichnet ist, daß der Induktor eine Grundplatte aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, auf dessen Oberfläche eine Induktionsspule aus elektrisch leitendem Material aufgebracht ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Induktors gemäß der Erfindung haben die in den Ansprüchen 2-7 angegebenen Eigenschaften .
Weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Induktors, der mit großer Genauigkeit hergestellt werden kann und Schlitze aufweist, deren Breite weniger als 0,2 mm beträgt.
Weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Induktors in wenig aufwendiger Weise, der mit Hilfe bekannter Technologien hergestellt werden kann und insbesondere zur Herstellung in großen Serien geeignet ist.
Diese und andere Ziele wurden gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß in einem Herstellungsverfahren für einen Induktor für Induktionsschweißzwecke das Kennzeichen darin besteht, daß eine Grundplatte aus elektrisch isolierendem Haterial mit einer Folie aus elektrisch leitfähigem I-Iaterial bedeckt wird, wobei diese Folie anschließend mit Schlitzen versehen wird, die zusammen eine Induktionsspule der gewünschten Form in der Folie definieren.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung besitzen darüber hinaus die Kennzeichen, die sich aus den Unteransprüchen 9 und 10 ergeben.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Induktors und des Verfahrens zur Herstellung des Induktors wird nun im einzelnen
unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnungnäher erläutert.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Induktors
gemäß der Erfindung, der insbesondere zum Aufbringen
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von Unterlegescheiben oder sogenannten Oblaten aus laminiertem Material auf die Innenseite von Verschlußkappen oder -deckein durch Aufschweißen vorgesehen ist.
Figur 2 zeigt in größerem Haßstab einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Induktors.
Figur 3 zeigt in ähnlicher Weise in größerem Haßstab einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Induktors gemäß der Erfindung.
Die Ausführungsform eines Induktors gemäß der Erfindung gemäß Figur 1 zeigt eine Basisplatte oder Grundplatte 1 aus elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise aus Glasfasern (GFK), die auch hinsichtlich der Festigkeit geeignet ist. Eine Oberfläche der Platte 1 ist eben und mit einer Folie aus elektrisch leitfähigem Material bedeckt, die eine Dicke zwischen 0,025 und 0,300 mm haben kann. Vorzugsweise wird jedoch eine Kupferfolie einer Dicke von 0,105 mm verwendet. In der Folie ist ein Huster aus Schlitzen 3 vorhanden, die auf der kreisförmigen Arbeitsfläche des Induktors ein Muster aus einer im wesentlichen kreisförmigen doppelten Induktionsspule 4 bilden, die sowohl auf der Innenseite wie auf der Außenseite mit einer großen Anzahl Kühlrippen 5 bzw. 6 umgeben sind. Die Kühlrippen 5, 6 liegen in Form einer großen Anzahl von Zungen vor, die sich seitlich aus der Induktionsspule 4 erstrecken. Die Kühlrippen bestehen ähnlich wie die Induktionsspule 4 aus Kupferfolie 2 und sind aus einem Stück mit der Induktionsspule hergestellt. Die Kühlrippen sind in Abständen voneinander mittels Schlitzen 3 angeordnet, welche mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt sind.
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Die Schlitze 3> die die lnduktionsspule 4 sowie die Kühlrippen 5, 6 begrenzen, erstrecken sich quer durch die Kupferfolie und haben eine Breite von 0,05 - 0,30 mm. Die Schlitze sind mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt, dessen Oberfläche sich mit einer Ebene der Oberfläche der Kupferfolie befindet. Die Arbeitsfläche des Induktors ist somit ganz mit einer dünnen Schicht aus mechanisch abriebfestem Isoliermaterial bedeckt, vorzugsweise Polytetrafluoräthylen. Die beiden Enden der Induktionsspule 4 sind elektrisch mit einem hervorstehenden Teil verbunden, der sich aus dem kreisförmigen Induktorkörper erstreckt, an welchem die Folie 2 mittels eines zentralen Schlitzes des gleichen Typs wie die vorher beschriebenen Schlitze in zwei Leiter teilt, die an eine geeignete Stromquelle angeschlossen werden, die nicht in der Zeichnung dargestellt ist.
Die besondere Ausführungsform des Induktors gemäß der Erfindung, die in Figur 1 dargestellt ist, wird zuletzt mit einer Reihe durcIllaufender Löcher 7 versehen, die zwischen die Leiter der doppelten Induktionsspule 4 angeordnet sind und besitzt ferner ein zentral angeordnetes Loch 8. Die Löcher 7 und 8 sind an eine Vakuumquelle angeschlossen und so angebracht, daß die Folie, die durch Schweißen angebracht werden soll, in Kontakt mit der Arbeitsfläche des Induktors vor dem Zusammenpressen der Folie und der Kappe, auf welche diese aufgeschweißt werden soll, gehalten wird.
In Figur 2, die einen vergrößerten Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Induktors darstellt, können die unterschiedlichen Materialschichten, die den Induktor darstellen, deutlich unterschieden werden. An der Unterseite der Zeichnung ist die relativ große Platte 1 aus Glasfasermaterial dargestellt, die in der Praxis eine Dicke von 1 - 3 mm aufweist. Darüber befindet sich eine Kupferfolie oder Kupfer-
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schicht 2, die eine Dielte von 0,120 mm hat und durch eine Reihe von Schlitzen 3 unterbrochen ist, die eine Breite von vorzugsweise 0,15 mm haben und vollständig mit einem elektrisch isolierenden Füllmaterial gefüllt sind. Oberhalb der Kupferschicht 2, die mit Schlitzen versehen ist, befindet sich eine dünne Schicht 9 aus einem Klebemittel, z. B. Klebstoff, mit dessen Hilfe die oberste Schicht 10, die zum Schutz und zur Isolierung dient, aus Polytetrafluoräthylen auf die darunter liegende Schicht aufgebracht wird.
Figur 3 entspricht Figur 2, zeigt aber einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktors. Aus Figur 2 ist die Schicht 1 aus Glasfasermaterial ersichtlich, sowie die Schicht 10 aus Polytetrafluoräthylen und die Kupferfolie 2, die mit dazwischen angeordneten Schlitzen versehen ist. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist rjedoch kein besonderes Füllmaterial zum Ausfüllen der Schlitze 3, die in der Kupferfolie 2 vorhanden sind, vorgesehen, sondern an deren Stelle ist die Klebstoffschicht 9 in die Schlitze in der Kupferfolie eindringen gelassen. Die Ausführungsform hat sich als einfach in der Herstellung erwiesen, ,jedoch kann in manchen Fällen die Abwesenheit eines besonderen Füllmaterials in den Schlitzen 3 dazu führen, daß die Arbeitsfläche des Induktors uneben wird, d. h. die Arbeitsfläche hat leichte Eindrücke oder Kerben im gleichen Muster wie die darunter liegenden Schlitze. In den meisten Fällen ist jedoch dies nicht von Bedeutung.
Der Induktor gemäß der Erfindung unterscheidet sich von den bisher bekannten Induktoren dadurch, daß die Induktionsspule in Form einer dünnen elektrisch leitfähigen Schicht vorliegt, die auf der Oberfläche eines isolierenden Grundmaterials einer Platte 1 vorliegt. Als Ergebnis ist das magnetische Feld,
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das rund um die Induktionsspule erzeugt wird, sehr "seicht" und erstreckt sich bis auf fast 50 % nach often oberhalb der Arbeitsfläche des Induktors, die durch die Polytetrafluoräthylenschicht definiert ist, was bedeutet, daß nur wenig Verluste auftreten und der Induktor einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Die dünne Folienschicht 2 ist jedoch nicht in der Lage, die von dem Arbeitsstück abgegebene Wärme so v/irksam zu verteilen wie die wesentlich dickeren Induktionsspulen, die in bisher bekannten Ausführungsformen vorliegen, was jedoch ^6J- £er bevorzugten Ausführungsform in Figur 1 dadurch kompensiert wird, daß die Induktionsspule 4 mit den zungenförmigen Kühlrippen 5 und 6 versehen ist, deren einzige Funktion darin besteht, die Wärmeableitung zu verbessern. Bisher hat sich gezeigt, daß die Anordnung solcher Kühlrippen in wirksamer Weise sehr schwierig war, da keine ausreichend genaue Herstellungsmethode verfügbar war.
Der erfindungsgemäße Induktor kann in sehr rationeller und genauer Weise hergestellt werden, wie im folgenden erläutert wirdο Eine ebene Fläche einer Platte aus elektrisch isolierendem Material, z. B. das vorher genannte bevorzugte GIasfaser-(GFK)-material wird auf der ebenen Seite mit einer völlig kontinuierlichen Schicht aus Kupferfolie bedeckt, die durch Ankleben oder in anderer Weise mit der Grundplatte verbunden wird. Anschließend wird die Folie mit den Schlitzen versehen, welche die Induktionsspule definieren, sowie möglicherweise mit den Kühlrippen oder anderen Details, so daß eine Induktionsspule der gewünschten Form erzielt wird, und. beide Enden dieser Spule an eine Stromquelle angeschlossen werden können. Bei der mechanischen Herstellung einzelner Induktoren können die Schlitze mit Hilfe einer Reihe von bekannten maschinellen Arbeitsverfahren hergestellt werden, jedoch hat sich in der großtechnischen Herstellung es als praktisch erwiesen, die
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Schlitze durch Ätzen des Kupferraaterials mit einer geeigneten Säure zu erhalten.
Bei der großtechnischen Herstellung ist der Ausgangspunkt somit ein fotografisches Abbild eines Husters in Form der gewünschten Induktionsspule, wobei diese Abbildung auf diejenige Seite der Platte gebracht wird, die mit der Kupferfolie bedeckt ist. Die Platte ist somit vorher mit der Kupferfolie bedeckt worden, wie vorher beschrieben wurde. Die Kupferfolie ihrerseits wird dann mit einem dünnen Film aus einem lichtempfindlichen Material desjenigen Typs bedeckt, der dem Fachmann bekannt ist und z. B. zur Herstellung von gedruckten Schaltkreisen verwendet wird. Nach dem Aufbringen des fotografischen Abbilds derart, daß dieses genau gegen die lichtempfindliche Schicht auf der Kupferfläche aufgebracht wird, wird das Ganze belichtet, z. B. durch Ultraviolettlicht und entwickelt, so daß diejenigen Teile des lichtempfindlichen Films, die vom Muster der Abbildung bestimmt sind, entfernt werden. Anschließend wird die Kupferschicht, die teilweise durch das lichtempfindliche Material geschützt ist, einer Säureeinwirkung ausgesetzt, die die nicht-geschützten Teile der Kupferschicht wegätzt, so daß Schlitze in dem gewünschten I-Iuster erzeugt werden. Schließlich werden diese Schlitze mit dem isolierenden Füllmaterial oder alternativ dem Klebstoff gefüllt, wonach die Schicht aus Polytetrafluoräthylen aufgeklebt wird.
Die Vakuumlöcher 7> 8, die in dem fertigen Induktor vorgesehen sein können, können in üblicher 7/eise in einem Muster gebohrt werden, das der Form der Induktionsspule angepaßt ist. Wenn der erfindungsgemäße Induktor verwendet wird, wird er zweckmäßig auf einen Dorn aufgebracht, der sich auf der Rückseite befindet, wobei Gänge vorgesehen sind, die sich in den Vakuumlöchern 7, 8 treffen, so daß eine
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Dichtung oder Folie, die auf die Arbeitsfläche des Induktors aufgebracht wird, in Kontakt mit der Arbeitsfläche mit Hilfe des Vakuums gehalten werden kann, bis die Folie gegen das Werkstück gepresst ist, an welches sie durch Schweißen angebracht werden soll.
Durch Vervrendung des Ätzverfahrens zur Herstellung der Schlitze 3, welche die Induktionsspule sowie irgendwelche Kühlrippen definieren und bilden, wird es möglich, Schlitze einer Breite von nur 0,05 mm herzustellen. In dieser Weise kann sogar ein sehr detailiertes Muster ohne entsprechend erhöhten Arbeitsaufwand erzielt werden, so daß komplizierte Induktoren zu besonders niedrigem Kostenaufwand hergestellt werden können. Die Kosten eines Induktors, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, liegen, wie gefunden wurde, 1 % unter den Kosten eines Induktors für den gleichen Anwendungsbereich, der in üblicher Weise hergestellt ist. Die Nachteile hinsichtlich der Wärmeableitung, die mit der dünnen Induktionsspule zusammenhängen im Vergleich zu bisher bekannten Induktionsspulen mit merklich größerer Querschnittsfläche werden ohne merkliche Kostenerhöhungen bei der Herstellung durch das Vorsehen von Kühlrippen kompensiert werden.
Bei Anwendungen, bei denen die Aluminiumfolie, die aufgeschweißt werden soll, mit einer Isolierschicht auf der dem Induktor gegenüberliegenden Seite bedeckt ist, kann die Schutzschicht aus Polytetrafluoräthylen auf dem Induktor fortgelassen werden. Diese Schicht ist jedoch sehr dünn und erhöht nicht merklich den Abstand zwischen der Induktionsspule und der Kupferfolie, so daß dies in der Praxis keinen ernsthaften Nachteil darstellt.
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Claims (10)

  1. Patentansprüche
    Induktor für Induktionsschweißzwecke, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Grundplatte (1) aus einem elektrisch isolierenden material aufweist, auf dessen Oberfläche eine Induktionsspule (4) aus elektrisch leitfähigem Material aufgebracht ist.
  2. 2. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
    die Induktionsspule (4) bildende Material eine Kupferfolie (2) einer Dicke von 0,025 - 0,300 nun ist.
  3. 3. Induktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (1) aus einer Platte aus Glasfasermaterial besteht, auf deren eine Seite die Kupferfolie (2) auflaminiert ist.
  4. 4. Induktor nach jedem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (4) durch Schlitze (3) in der Kupferfolie (2) definiert ist, wobei die Schlitze eine Breite von 0,05 - 0,30 mm haben und mit einem Füllmaterial ausgefüllt sind.
  5. 5. Induktor nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche des Induktors mit einer Schutzschicht (10) aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise einem Pluorkohlenstoff-Kunststoff beschichtet ist.
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  6. 6. Induktor nach jedem der vornergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er Kühlrippen (5, 6) besitzt, die in einer Ebene mit der Arbeitsfläche angeordnet sind.
  7. 7· Induktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (5, 6) in Form einer größeren Anzahl von Zungen vorliegen, die sich aus der Induktionsspule (4) erstrecken und die aus einem Stück mit der Induktionsspule hergestellt sind und in Abständen voneinander mittels Schlitzen (3) getrennt sind, die mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt sind.
  8. 8. Verfahren zur Herstellung eines Induktors nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundplatte (1) aus elektrisch isolierendem Material mit einer Folie (2) aus elektrisch leitfähigem Material bedeckt wird und diese Folie anschließend mit Schlitzen (3) versehen wird, die zusammengenommen eine Induktionsspule der gewünschten Form in der Folie definieren.
  9. 9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein fotografisches Bild mit einem Huster in Form der gewünschten Induktionsspule (4) auf diejenige Seite der Grundplatte (1) aufgebracht wird, die mit der Folie versehen ist, wobei diese Seite vorher mit einem Film aus lichtempfindlichem Material beschichtet worden ist, daß das Ganze belichtet und entwickelt wird, so daß Teile des lichtempfindlichen Films, die durch das Muster des Abdrucks bestimmt sind, entfernt werden können, und daß diejenigen Teile der elektrisch leitfähigen Folie, die nicht durch den lichtempfindlichen Schirm geschützt sind, durch Ätzen entfernt werden.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
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    entfernten Teile der elektrisch leitfähigen Folie durch ein isolierendes Füllmaterial ersetzt werden.
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