DE69002663T2

DE69002663T2 - Vorrichtung zum kontinuierlichen Induktionsschweissen.

Info

Publication number: DE69002663T2
Application number: DE90101802T
Authority: DE
Inventors: Gert Holmstroem
Original assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Current assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 1989-03-13
Filing date: 1990-01-30
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2010-01-31
Also published as: HU207822B; CZ277768B6; EP0387512A1; EP0387512B1; SE8900874L; US5001319A; ES2044247T3; DE69002663D1; DD292404A5; HUT53017A; KR960001589B1; KR900014073A; RU1830025C; SE8900874D0; JPH02282027A; CA2011131C; AU621205B2; HU901190D0; CA2011131A1; DK0387512T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 der SE-A-410 788.
In der Verpackungsindustrie wird das Verschweißen eines laminierten Verpackungsmaterials mittels Induktionswärme verwendet. Ein Beispiel eines solchen laminierten Materials umfaßt eine Trägerlage aus Papier und Pappe, eine Aluminiumfolie und thermoplastische Beschichtungen entlang der Innen- und Außenflächen des Laminats.
Die Technik des Induktionsschweißens basiert auf der Tatsache, daß das um einen durch einen Wechselstrom durchflossenen Leiter bestehende Magnetfeld in der Lage ist, in einem angrenzenden, elektrisch leitenden Material einen Strom zu induzieren, der in Abhängigkeit von dem Materialwiderstand eine mehr oder weniger ausgeprägte Erwärmung des Materials mit sich bringt. So wird beim Induktionsschweißen eine Induktorschleife oder eine Spule mit der gleichen Ausgestaltung, die die gewünschte Schweißung erhalten soll, angrenzend an das die Aluminiumfolie enthaltende Laminat eingepaßt, woraufhin das Laminat mit dem Material zusammengedrückt wird, mit dem es verbunden werden soll. Nun wird die Aluminiumfolie in einem Muster erwärmt, das der Spule entspricht, und das Material kann mittels eines geeignet gewählten Stroms, einer Frequenz und Bearbeitungsdauer auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden, d.h. eine Temperatur, die genügend hoch ist, um angrenzende Lagen aus Thermoplast bis zu der Versiegelungstemperatur zu erwärmen, wodurch die kombinierten thermoplastischen Lagen zusammenschmelzen und eine dichte und dauerhafte Versiegelung erzeugt wird.
Ein modernes Verfahren zur Herstellung von Packungen für Flüssigkeiten umfaßt eine flächige, kunststoffbeschichtete Bahn, die in einer Füllmaschine zu einem Schlauch geformt und dann mit dem Inhalt gefüllt und längs enger Zonen abgetrennt wird, die sich voneinander im Abstand befinden, rechtwinklig zur Längsrichtung des Schlauchs.
Üblicherweise wird in diesem Zusammenhang für die Quernähte, die den Schlauch 2 aus dem Verpackungsmaterial in einzelne Packungen unterteilen, ein Induktionsschweißen verwendet.
Bei der Herstellung eines kontinuierlichen Rohrs oder eines Schlauchs aus einer flächigen Bahn aus Verpackungsmaterial werden Randzonen der Bahn in überlappendem Kontakt kombiniert, woraufhin die sich überlappenden Randzonen durch Erwärmung und Oberflächenschmelzen kombiniert werden.
Ein übliches Verfahren zum Ausbilden kontinuierlicher Rohre oder Schläuche aus einer flächigen Bahn besteht darin, die Schweißung der überlappenden Randzonen, der sogenannten Längsverbindungsschweißung zusammen mittels Heißluft durchzuführen, wodurch die kombinierten Thermoplastlagen bis zu einer Siegeltemperatur erhitzt werden, woraufhin sie zusammengedrückt und gleichzeitig gekühlt werden.
Sehr häufig wird eine Randzone mit einem schmalen Streifen aus Thermoplast versehen, der zunächst an eine Randzone der Materialbahn geschweißt wird, bevor die beiden Randzonen zusammengebracht werden, um einen kontinuierlichen Schlauch zu bilden.
Dies wird so durchgeführt, daß eine Naht zur Innenseite der Packung erhalten wird, die vollständig mit Thermoplast bedeckt ist, Ansonsten ist ein Rand der Naht ins Innere der Packung offen, was bedeutet, daß die Trägerlage des Verpackungslaminats aus Papier oder Pappe in direkten Kontakt mit den Inhaltsstoffen gelangt, die dann in die Trägerlage dringen und die Papierfasern auflösen können. Das Anschweißen des Thermoplaststreifens wird allgemein mit Heißluft in ähnlicher Weise wie für die Längsnaht durchgeführt.
Allerdings beinhaltet das Verfahren eine relativ lange Aufwärmzeit für die Füllmaschine, d.h. die Zeit, die zum Aufheizen des Heißluftelements benötigt wird. Darüberhinaus ist es erforderlich, die Verbindung bei kurzen Produktionsstops in der Füllmaschine wieder aufzuheizen, um ohne Unterbrechung eine kontinuierliche Längsnaht zu erhalten. Eine solche Anordnung bringt heute eine große Anzahl von beweglichen Teilen mit sich, um den Vorgang voll zu automatisieren, da die Druckrolle, die die Naht zusammengedrückt hat, weggedreht werden und ein getrenntes Heizelement den Bereich unter der Druckrolle heizen muß.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Schweißvorrichtung vorzusehen, die eine kontinuierliche Schweißung an einem laminierten Verpackungsmaterial bei verringerter Aufheizzeit ermöglicht.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 gekennzeichnet. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Nun wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben; darin zeigen
Fig. 1 die Anordnung schematisch in Draufsicht;
Fig. 2 die Anordnung schematisch in einer Seitenansicht;
Fig. 3, wie die Anordnung elektrisch angeschlossen ist, und wie die Ströme in der Anordnung zirkulieren;
Fig. 4 schematisch eine Ausführungsform der Anordnung zum Schweißen eines kontinuierlichen Schlauches; und
Fig. 5 die in Fig. 4 umfaßten Bauteile, und wie sie elektrisch geschaltet sind.
In Fig. 1 und 2 ist die Anordnung mit zwei länglichen Metallplatten 1 mit im wesentlichen identischer Form gezeigt, die in einigem Abstand voneinander liegen. In den Metallplatten, die den Induktor der Anordnung bilden, ist eine Nut oder ein Schlitz 2 aufgenommen, der sich längs des Hauptteils der Länge der Metallplatte 1 erstreckt. Die Nut 2 sitzt asymmetrisch auf der Breite der Platte 1. Die Platten können durch Metalldrähte oder Metallstreifen ersetzt sein, die dicht aneinander angrenzend oder in einigem Abstand voneinander liegen und so ausgelegt sind, daß sie eine den Metallplatten entsprechende Fläche überdecken.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel unterteilt die Nut 2 die Platte 1 in einen schmalen Teil 4 und einen breiten Teil 3, wobei der breite Teil 3 mehr als dreimal breiter als der schmale Teil 4 = d ist. Bei Anwendungen, bei denen es aufgrund von Platzmangel nicht machbar ist, einen Teil 3 vorzusehen, der dreimal so breit ist, kann der breite Teil 3 ca. zweimal breiter als der schmale Teil 4 gemacht werden. Allerdings ist in diesem Fall mit erhöhter Erwärmung des Verpackungsmaterials 8 unter dem breiten Teil 3 zu rechnen. Der Abstand zwischen den beiden Induktorplatten 1 sollte so gewählt werden, daß eine gute induktive Kopplung mit dem dazwischenliegenden Verpackungsmaterial 8 erreicht wird. In Fig. 2 ist der Abstand so gewählt, daß er die halbe Breite d oder weniger beträgt.
Die Länge der Metallplatten 1 ist geeignet so gewählt, daß sie wenigstens eine Abschneidelänge, d.h. den Abstand zwischen zwei Quernähten des Verpackungsmaterials 8 bilden. Auf diese Weise wird eine gleichmäßigere Erwärmung erreicht, da eine relativ lange Platte 1 dabei hilft, die durch die Unterschiede in der Geschwindigkeit des sich durch die Anordnung bewegenden Verpackungsmaterials 8 verursachten Unterschiede in der Erwärmung auszugleichen.
Am weiter entfernten Ende der Induktorplatten 1 in Beziehung zur Bewegungsrichtung des Verpackungsmaterials 8 ist eine breitere Ausnehmung 5 aufgenommen. In dieser Ausnehmung 5 sitzen eine oder mehrere Druckrollen 6 innerhalb des Heizbereichs des Induktors. Die Druckrollen 6 sind aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt und weisen konientrisch eingefügte Ringe 7 aus Ferrit auf.
In der Platte 1 ist von dem zuerst erwähnten Schlitz 2 zu einer der Kanten der Platte 1 ein zweiter Schlitz 12 aufgenommen, so daß die zwei den zweiten Schlitz 12 abgrenzenden Seiten voneinander elektrisch isoliert sind. Folglich kann durch die Platte 1 ein Strom geleitet werden, in dem ein Punkt 13 an einer Seite des zweiten Schlitzes 12 mit einem Anschluß an einer Wechselstromquelle 10 und der zweite Anschluß der Wechselstromquelle mit einem Punkt 14 an der anderen Seite des Schlitzes 12 verbunden werden.
Fig. 2 zeigt, wie ein Streifen 9 aus Thermoplast in die Anordnung eingeführt wird und mit der induktiv erwärmten Kante 8 des Verpackungsmaterials verschweißt wird. Die Druckrollen 6 stellen sicher, daß sich aus dem Schweißvorgang ein gutes Anhaften ergibt.
In Fig. 3 ist gezeigt, wie die zwei Platten 1 mit einer Wechselstromquelle, einem sogenannten IH-Generator verbunden sind, von dem eine konstante Leistung erhalten werden kann, die für einen optimalen Schweißvorgang regelbar werden kann. Der Wärmeverlust in den Metallplatten 1 ist relativ gering, so daß das Problem der an die Umgebung abgegebenen Wärmeemission zu vernachlässigen ist. Dies bedeutet auch, daß die gesamte Anordnung in die Füllmaschine gesetzt werden kann, ohne daß die Ableitung der Abwärme in Betracht gezogen werden muß.
Die beiden Induktorplatten 1 sind miteinander verbunden, so daß sie zwei in Reihe geschaltete Spulen bilden. Daraus ergibt sich, daß in beiden Induktorplatten die gleiche Stromrichtung vorliegt, und in dem dazwischenliegenden Verpakkungsmaterial 8 wird ein wirksam induzierter Strom erhalten, selbst wenn es "flattern" sollte, d.h. während der Bewegung durch die Anordnung vertikal schwanken sollte.
Der in dem dazwischenlieger.den Material 8 induzierte Strom erhält in etwa die gleiche Ausdehnung und Dichteverteilung wie in den Induktorplatten 1. Wenn die Nut 2 der Platten 1 die Platte 1 in einen schmalen Teil 4 d und einen breiten Teil 3 a d teilt, wobei a nach der obengenannten bevorzugten Ausführungsform gleich 3 ist, dann läßt sich der folgende Leistungsfaktor berechnen:
Angenommen, das Verpackungsmaterial 8 in dem schmalen Teil 4 weist den Widerstand R auf. Dann ist der Widerstand in dem breiten Teil 3 R/a.
Werden die kurzen Seiten bei der Berechnung vernachlässigt, dann beträgt die gesamte, in dem Verpackungsmaterial 8 entwickelte Leistung Ptot
Ptot = I²(R + R/a).
Die Leistungsentwicklung in den beiden Teilen läßt sich mittels der folgenden Berechnungen vergleichen:
Bei einer solchen Verteilung an den Induktorplatten 1 ist die in dem schmalen Teil 4 erreichte Leistung also dreimal so hoch wie die in dem breiten Teil 3.
Die Erwärmung in dem Zwischenmaterial 8 unter dem breiten Teil 3 der Induktorplatte 1 wird dann so berechnet, daß das Leistungsverhältnis gleich a ist und der breite Arm 3 eine amal so große Masse aufweist. Das Erwärmungsverhältnis wird a², in der bevorzugten Ausführungsform 3² = 9. Die Erwärmung wird also in dem schmalen Teil 4 neunmal so groß sein wie in dem breiten Teil 3.
Dies weist in der Praxis darauf hin, daß das unter dem schmalen Teil 4 der Induktorplatten 1 laufende Material 8 so stark erwärmt wird, daß das Thermoplast schmilzt und mit der anderen Kante oder einem Thermoplaststreifen 9 verschweißt werden kann. In dem Material 8, das unter dem breiten Teil 3 läuft, wird ein Strom induziert, der kaum in der Lage ist, das Material 8 zu erwärmen.
In der Ausnehmung 5, in der die Druckrollen 6 angeordnet sind, folgt der eingespeiste Strom der Gestalt der Platte 1 und weicht folglich von der Kante des Verpackungsmaterials 8 ab. Der in dem Verpackungsmaterial 8 induzierte Strom versucht, der Platte 1 so dicht wie möglich zu folgen, und deshalb erhält man auch unterhalb der Druckrollen 6 bis zu dem weiten Ende der Nut 5 einen induzierten Strom.
Die Druckrollen 6 sind im wesentlichen aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, wobei Ferritringe 7 konzentrisch eingefügt sind und das elektrisch isolierende Material die Ferritringe 7 konzentrisch umgibt. Der auf der Achse der Druckrolle 6 axial verschobene Ferritring 7 wirkt bei der Steuerung des entlang der Kante induzierten Stroms mit, obwohl sich die Platten 1 nicht direkt über oder unter der Materialkante 8 befinden. In Fig. 1 ist der Ferritring 7 so angeordnet, daß er sich im wesentlichen in der Verlängerung der Nut 2 befindet.
Werden aus irgendeinem Grunde an der Füllmaschine kurze Produktionsstops erforderlich, dann wird das Schweißen bis zu dem Kontaktpunkt 11 der Druckrollen 6 durchgeführt. Da das Induktionsschweißen einen unmittelbaren Start ohne Vorwärmperiode liefert, und da das Material 8 bis direkt unter die Druckrolle 6 erwärmt ist, wenn die Maschine wieder gestartet wird, bleibt kein Teil der Längsnaht unversiegelt.
In Fig. 4 ist veranschaulicht, wie eine Anordnung zum Versiegeln eines kontinuierlichen Schlauches durch Induktionswärme realisiert werden kann. Wie in Fig. 1 besteht die Anordnung aus zwei im wesentlichen länglichen Metallplatten 1, die leicht gebogen sind, um das Bilden eines Schlauches zu erleichtern. Die verschiedenen Schenkel 15 und 16, 17 für die Befestigung bzw. die Stromzuführung sind voneinander z.B. mittels einer isolierenden Platte isoliert, die gleichzeitig eine Befestigungseinrichtung für die gesamte Anordnung bildet. Die isolierende Platte ist zur besseren Verdeutlichung in Fig. 4 nicht dargestellt.
Nur die Schenkel 18 und 19 sind elektrisch miteinander verbunden, was auch in Fig. 5 gezeigt ist. Die Stromzuführungsschenkel 16 und 17 sind mit dem IH-Generator 10 verbunden, der der Anordnung einen Wechselstrom liefert.
Entsprechend der flächigen Anordnung in Fig. 1-3 sind eine oder mehrere Druckrollen 6 innerhalb der Induktorplatten 1 in einer Ausnehmung 5 angeordnet. Das Metall um die Ausnehmung 5 in dieser Ausführungsform ist so geformt, daß es eine Spule mit einer Anzahl von Windungen bildet, um den induzierten Strom unter der Druckrolle 6 zu erhöhen, so daß die fertig versiegelte Längsnaht an keinem Punkt schwächer sein und dadurch Leckagen in den fertigen Packungen verursachen kann.
Aus der obigen Beschreibung ergibt sich offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung eine Anordnung zum kontinuierlichen Verschweißen einer sich bewegenden Materialbahn durch Induktionswärme ermöglicht. Die Anordnung benötigt keine Aufwärmzeit und stört die Umgebund nicht durch Abwärme.
Auch bei kurzen Stops ermöglicht es die Anordnung, kontinuierliche Schweißnähte zu erhalten, ohne daß Lösungen verwendet werden müßten, die zusätzliche Heizelemente und mechanische Teile dafür und für die Bewegung der Druckrolle erfordern.

Claims

1. Schweißvorrichtung zur Ausführung einer kontinuierlichen Schweißung längs einer sich bewegenden Bahn (8) aus laminiertem Verpackungsmaterial, das wenigstens eine mit einem thermoplastischen Material beschichtete Metallage aufweist, mittels der Induktionswärme von einer mit einer Wechselstromquelle (10) verbundenen, elektrisch leitenden Spule, wobei die Vorrichtung einen Induktor mit wenigstens einer Induktorplatte (1) aus einem elektrisch leitenden Material aufweist, in die ein durchgehender Schlitz (2) aufgenommen ist, der sich asymmetrisch entlang der Längsrichtung der Induktorplatte (1) erstreckt, sowie ein zweiter Schlitz (12), der sich von dem zuerst erwähnten Schlitz (2) zu einer der Außenkanten der Platte (1) erstreckt, wobei die Induktorplatte (1) an jeder Seite des zweiten Schlitzes (12) mit der Wechselstromquelle (10) elektrisch verbunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Schlitz (2) entlang dem größeren Teil der Länge der langen Induktorplatte (1) erstreckt und sie dadurch in einen breiten Teil (3) und einen schmalen Teil (4) teilt, und daß der breite Teil (3) wenigstens zweimal breiter als die Breite (d) des schmalen Teiles (4) ist.

2. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Schlitz (12) nahe einer der Endkanten der Induktorplatte (1) befindet.

3. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schlitz (2) so angeordnet ist, daß der breite Teil (3) der Induktorplatte (1) wenigstens dreimal breiter als der schmale Teil (4) ist.

4. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Induktorplatten (1) übereinander angeordnet sind, und daß der Abstand zwischen den zwei Induktorplatten (1) nicht größer ist als die halbe Breite (d) des schmalen Teils (4) der Induktorplatten (1).

5. Schweißvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bahn (8) aus Verpackungsmaterial zwischen den beiden Induktorplatten (1) bewegen kann, wobei sich ein Teil der Materialbahn (8), der verschweißt werden soll, parallel zu dem schmalen Teil (4) der Induktorplatte (1) und daran entlang bewegt.

6. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Druckrollen (6) innerhalb des Induktors angeordnet sind.

7. Schweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckrollen (6) im wesentlichen aus einem elektrisch isolierenden Material mit konzentrisch eingefügten Ferritringen (7) hergestellt sind, so daß das elektrisch isolierende Material die Ferritringe (7) konzentrisch umgibt.

8. Schweißvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (6) wenigstens teilweise innerhalb von Ausnehmungen (5) angeordnet sind, die sich nahe dem Ende des ersten Schlitzes (2) von dem zweiten Schlitz (12) entfernt befinden.

9. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktorplatten (1) gebogen sind.