SE468802B - Foerfarande och anordning foer foersegling med ultraljud, daer en invaendig solid dorn samverkar mot yttre separata svetsverktyg - Google Patents

Description

s 46š 802 1 högfrekvenssvetsning. Ultraljudssvetsning kräver t ex en stum och relativt hård sammanpressning av materialdelarna, och det är därför inte möjligt att använda sig av en expanderbar dorn för att pressa samman lockkanterna och förpackningshylsan. Det är normalt inte heller möjligt att använda sig av en i ett stycke utförd svetsanordning, eftersom man - till skillnad mot vad fallet är vid högfrekvenssvetsning - mäste pressa svetsbackarna inåt mot en invändig solid dorn, i stället för att med den expanderande dornen pressa materialet utåt mot ett fast svetsverktyg, så som sker vid högfrekvessvetsning.

Ultraljudssvetsning av materialstycken med enbart raka fogytor möter normalt inga större problem, genom att man i då kan använda raka ultraljudsbackar och raka motbackar eller en plan motyta. En sådan "rak" svetsningsanordning visas t ex i det amerikanska patentet US 4,671,832.

Däremot uppkommer problem vid ultraljussvetsning av materialstycken med rundade former, speciellt ultraljudssvetsning av en runtom gående tätningsfog hos förpackningar med rundad, t ex cirkulär, elliptisk eller på annat sätt krökt tvärsnittsform, eller förpackningar med huvudsakligen polygonal tvärsnittsform men med rundade hörn., Det har föreslagits att insvetsning av en botten eller ett lock i en förpackningshylsa med hjälp av ultraljud skall ske med hjälp av en utvändig rund, t ex cirkulär ultraljudssond, i vilken förpackningstuben skjuts in, och en invändigt i locket inlagd lös dorn eller svängkropp med en storlek som är mindre än det invändiga måttet på lockkanterna. När ultraljudet släpps på kommer den invändiga, lösa dornen eller svängkroppen att "skramla" fram och tillbaka och att genom sina rörelser åstadkomma ett stort antal successiva punktvisa anpressningar av lockkanterna mot förpackningstuben och i samband med dessa punktvisa anslag mot lockkanterna även punktvisa uppvårmningar av gränsytan mellan plastskikten eller plastmaterialdelarna.

Denna metod ger emellertid inte en tät svetsfog och kan endast användas för framställning av förpackningar som endast kräver pulvertäthet, däremot inte för framställning av vätske- eller gastäta förpackningar. Den "skramlande" invändiga dornen kan också i vissa fall skada förpackningsmaterialet i förpacknignstuben och locket.

Den kända metoden är också praktiken begränsad till runda förpackningar med högst upp till cirka 60 mm diameter eller förpackningar med fyrkantigt tvärsnitt med högst upp till 70-80 mm sida. l vissa fall kan man möjligen använda en tvådelad svängkropp eller två separata svängkroppar inuti ett och samma lock och på så sätt möjliggöra en 2 -468 802 ultraljudsinfogning av en fyrkantig förpackning med upp till 100-120 mm sida, men större förpackningar än så kan knappast framställas med denna metod, och även här gäller att förpackningarna inte blir vätske- och gastäta.

Enligt förliggande uppfinning åstadkommer man hos en förpackning med helt eller delvis rundad tvärsnittsform en tätningsfog som kan vara pulvertät, vätsketät eller t o m gastät genom att man placerar en solid dorn invändigt i förpackningen, vilken dorn har en form och en tvärsnittsyta som är väsentligen samma som formen och tvärsnittsytan innanför lockflänsarna, och på utsidan av förpackningen anordnar man ett flertal, minst två men företrädesvis tre eller fyra samverkande, separata ultraljudsverktyg, vilka samtidigt pressas med viss given kraft mot förpackningshylsans utsida, och vilka åstadkommer en ihoppressning av förpackningshylsan och lockflänsarna i samband med att ultraljudet släpps på, varvid gränsytan mellan plastskikten, eller plastmaterialen i det fall att förpackningshylsan och locket är helt av plast, värms till svetstemperatur och en tät och stark fog erhålls.

Lämpligen pressas svetsbackarna, vanligen benämnda sonotroder, mot förpackningshylsan med ett tryck av 150-200 kp/cm2, varvid materialstyckena pressas mekaniskt stumt mot varandra med den solida dornen som mothåll, vilket är viktigt eftersom annars inte tillräcklig uppvärmning erhålls i gränsskiktet mellan plastmaterialsklkten och materialet kan t o m malas sönder på grund av vibrationerna från ultraljudet; ultraljudet kan ha en frekvens av cirka 20 kHz; normalt är en svetstid av 0,15-0,20 sekunder fullt tillräcklig; det är viktigt att de separata sonotroderna inte kommer i mekanisk kontakt med varandra under svetsningen, utan att sonotroderna i fullt anpressat läge ligger t ex 0,3-0,4 mm från varandra.

Närmare kännetecken på och fördelar med uppfinningen kommer att framgå av den följande detaljerade beskrivningen, i vilken kommer att hänvisas till bifogade ritningar.

På ritningarna visar figur 1 schematiskt ett tvärsnitt genom en förpackning vid vilken metoden och anordningen enligt uppfinningen kan utnyttjas. Figur 2 visar en ultraljudssvetsapparat lämpad för användning vid uppfinningen, och figur 3 visar mer detaljerat det inringade partiet i figur 2.

Figur 4 visar situationen vid ultraljudssvetsning medelst fyra samverkande sonotroder av en fyrkantig förpackning med rundade hörn, och figur 5 visar en maskinplan för ultraljudssvetsning av den i figur 4 visade förpackningen sedd uppifrån. l figur 1 visas ett exempel på en förpackning som lämpligen kan s 46à snz 1 förseglas gastätt med ett lock med hjälp av metoden och anordningen enligt uppfinningen. Förpackningen förutsätts i det visade fallet ha cirkulär eller annan helt eller delvis rundad tvärsnittsform, och den består av en förpackningshylsa 1 som skall förslutas hermetiskt med ett lock 2. Såväl förpackningshylsan som locket är utförda av ett material bestående av en stomme 3 av kartong, och där de mot varandra vända sidorna har ett skikt 4 av en svetsbar plast av känd och vanligt använd typ. Uppfinningen är tillämpbar även på förpackningar som i sin helhet är utförda av ett svetsbart plastmaterial. Förpackningstuben 1 kan vara framställd av ett plant materialstycke som formats till en tub, och locket 2 är utformat med uppvikta kanter, vilka skall svetsas samman med det inre av förpackningstuben. Det visas schematiskt att svetsanordningen innefattar ett flertal svetsenheter 5, s k sonotroder, av vilka två motbelägna sonotroder visas i figuren.

Sonotroderna är förskjutbara mot och från förpackningshylsan 1, och de arbetar samtidigt och motriktade varandra. Svetsanordningen innefattar också en solid dorn 6, som har ungefär samma form och storlek som locket innanför de uppvikta kantflänsarna, och som är inlagd som ett mothåll för sonotroderna i utrymmet innanför lockets uppvikta kanter.

Svetsaggregaten, av vilka ett aggregat visas schematiskt i figur 2 drivs elektriskt från en strömpulsenhet 7, som avger strömpulser till en konverter 8, vilken omvandlar strömpulserna till högfrekventa ljudsvängningar. De i konvertern 8 alstrade ultraljudssvängningarna förstärks i en ljudförstärkare 9, kallad booster, varifrån ultraljudet överförs till sonotroden 10, vilken har en för ändamålet speciellt anpassad form, speciellt en i förpackningens höjdled spetsad form för att skapa en relativt smal svetsfog mellan hylsan 1 och locket 2. För förskjutning av sonotroden mot och från förpackningshylsan finns en hydraulisk eller pneumatisk kraftkälla 11, som via en kolv- cylinderenhet 12 åstadkommer en förskjutning och en fjädrande anpressning av sonotroden 10 mot förpackningen med dornen 6 som mothåll. På ritningarna har, för överskådlighetens skull, sonotroden 10 visats liggande på något avstånd från förpackningen, men i praktiken måste sonotroden 10 pressas med relativt stor kraft, t ex med en förspänningskraft av 150-200 kp/cmz, direkt mot förpackningen, så att en stum mekanisk kontakt föreligger mellan plastskikten 4 i stommen 1 och locket 2. Vid för lågt tryck kan ljudvibrationerna i det svetsbara plastskiktet bli för små för att åstadkomma en god svetsfog, och kan vibrationerna i kartongmaterialet bli så stora, att materialet smulas sönder. 5 f i 468 H02 CH Locket 2 kan vara förformat med lockplan och uppvikta kanter, men det kan också utformas som en plan lockskiva, vilken formas med uppvikta kanter i samband med nedpressningen av dornen 6 i förpackningen genom att dornen 6 pressar lockskivan genom en hålförsedd formningsring, vars hål har en form och storlek som överensstämmer med innermåtten på hylsan 2, varvid dornen 6 samtidigt pressar in locket 2 i en öppen ände på hylsan 3.

För att underlätta inpressningen av locket 2 i hylsan 3 kan dornen ha en undre införingskona. Det är speciellt viktigt att själva svetsområdet ligger under starkt tryck under svetsningen, och för detta ändamål kan dornen 6 ha en runt om gående vulst 13, som skapar ett förhöjt anliggningstryck i svetsområdet. Detta åstadkommer dels en solid svetsfog, dels också en viss förskjutning av plastmaterial och en förtjockning omedelbart under och ovanför svetsområdet, vilken förtjockning tillförsäkrar en optimalt tät, speciellt gastät, svetsfog.

Sonotroden behöver bara kunna röra sig ett mycket kort stycke från och mot förpackningen, t ex O,2-0,5 mm. Sonotroden arbetar hela tiden kallt, och vad som sker vid svetsningsförloppet är att ultraljudet åstadkommer en mycket kraftig ljudvibration med följande uppvärmning i gränsskiktet mellan de tvä plastskikten 4. Genom att själva svetsningsförloppet går så snabbt som på cirka 0,15 s, och hela förfarandet med anpressning av sonotroderna, svetsningen, kylningen av svetsfogen och âterföringen av sonotroderna ta endast cirka 0,3 s, så hinner ingen värme sprida sig vare sig till sonotroden 10 eller till det förpackade materialet. Metoden är så snabb att den är mycket väl lämpad för moderna förpackningsmaskiner mm.

I figur 4 visas, som ett av många tänkbara alternativ, en förpackning med huvudsakligen rektangulär tvärsnittsform men med rundade hörn. På grund av de rundade hörnen kan en sådan förpackning inte svetsas ihop gastätt med locket med hjälp av plana och raka svetsbackar, utan i detta fall använder man sig av fyra stycken samverkande, delvis krökta sonotroder, tvä stycken 10a för långsidorna och tvâ stycken 10b för kortsidorna. Vardera sonotroden har ett rakt mellanparti 14a och ett krökt hörnparti 14b, som har en form som överensstämmer med formen på den invändiga domen och på förpackningen. Det rundade hörnpartiet 14b sträcker sig över en vinkel av t ex i 42-43°. Det är viktigt att sonotroderna 10a och 10b inte får mekanisk kontakt med varandra under svetsningsförloppet, utan sonotroderna kan utformas så att det föreligger en spalt 21 av t ex 0,3 mm mellan sonotrodernas 10a, 10b hörnpartier i fullt anpressat läge. l figur 5 visas schematiskt och sett uppifrån ett exempel på en maskin för insvetsning av (icke visade) lock i förpackningsbägare 15 av den typ som visas i figur 4. Maskinen är utformad med en karusell 16 med ett antal, t ex fyra stycken, matriser 17 för bägare och en (icke visad) anordning för inpressning av lock med uppvlkta kanter i en öppen ände på bägaren 15.

Karusellen är roterbar kring en axel 18, och den år anordnad att kunna stegvis föra in förpackningsbägare i läge i en stationärt monterad svetsningsanordning bestående av fyra stycken enheter 19, två för Iångsidorna och två för kortsidorna i bägaren. De fyra svetsningsenheterna 19 samverkar och arbetar exakt samtidigt för gemensam ihopsvetsning av locket och bägaren. Det visas i figur 5 att sonotroderna kan vara utformade med genomgående slitsar 20, och detta har till ändamål att rikta ljudvågorna, så att ultraljudsuppvärmningen av svetsfogen blir så likformig som möjligt, och så att den lilla spalten 21 mellan de sammanförda sonotroderna 10a och 10b överbryggas av ljudvågorna. Sonotrodernas presstryck kan lämpligen ställas in med hjälp av fjädrar mellan kolv-cylinderenheten 12 och sonotroden. Det är också fördelaktigt att tillse att sonotroderna är fjädrande anpressade mot förpackningen, så att presstrycket vidmakthålls även vid en viss ihoptryckning av förpackningens stommaterial 3 och eventuell undansmältning av plastskikten 4.

Genom att på det ovan beskrivna sättet utforma svetsningsanordningen med ett flertal utvändiga, separata men samverkande sonotroder som arbetar mot en solid invändig dorn är det möjligt att genom ett ultraljudsförfarande svetsa nära nog obegränsat stora förpackningar eller andra föremål med helt eller delvis rundade tvärsnittsformer.

Hänvisningssiffror CD@\|O)U1-b00[g_; 10 11 12 13 förpackningshylsa lock kartongmaterial plastmaterial svetsenhet dorn strömenhet konverter Ijudförstärkare sonotrod kraftkälla kolv-cylinderenhet vulst (på 6l 14a rakt parti (i 10) 14b hörnparti (i 10) 15 16 17 18 19 20 21 bägare karusell matris axel svetsningsenhet slits li 10) spalt

Claims (10)

46sïse2 1 Patentkrav

1. Förfarande för att medelst ultraljudssvetsning åstadkomma en vätske- och gastät fog medelst en runt om gående tätningsfog i en förpackning eller annat föremål med rundad tvärsnittsform eller polygonal tvärsnittsform med rundade hörn, t ex vid insvetsning av ett invändigt lock (2) eller en invändig botten med uppvikta flänskanter i en förpackningshylsa (1) mm, där endera delen eller båda de delar (1, 2) som skall svetsas samman har ett skikt av en svetsbar plast, eller endera eller båda delarna i sin helhet är utförda av ett svetsbart plastmaterial, kännetecknat av att man placerar en solid dorn (6) invändigt i det i förpackningshylsan (1) nedpressade locket (2), vilken dorn har en form och en tvärsnittsyta som är väsentligen samma som formen och tvärsnittsytan innanför lockflänsarna, och av att man på utsidan av förpackningen (1) anordnar ett flertal, minst två men företrädesvis tre eller fyra samverkande, separata ultraljudssvetsverktyg (5), vilka omsluter den allra största delen av förpackningens omkrets, och vilka samtidigt pressas med viss given kraft mot förpackningens (1) utsida, så att de åstadkommer en ihoppressning av förpackningshylsan (1) och lockflänsarna (2) med den invändiga solida dornen (6) som mothäll i samband med att ultraliudet släpps på, varvid gränsytan mellan plastskikten (4), eller plastmaterialen i förpackningshylsan (1) och locket (2) värms till svetstemperatur och en tät mgemäß.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att svetsbackarna, vanligen benämnda sonotroder (10). pressas mot förpackningshylsan (1) med ett fjädrande tryck av 150-200 kp/cmz, varvid materialstyckena pressas mekaniskt stumt mot varandra.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att ultraljudet i sonotroderna (10) ges en frekvens av cirka 20 kHz och sådan styrka att den effektiva svetstiden normalt blir 0,15-0,20 sekunder, och att hela svetsnings- förloppet innefattande anpressning av sonotroderna (10) mot förpackningen (1), svetsningsförloppet, kylningen av svetsfogen och återföringen av sonotroderna till tillbakadraget läge tar cirka 0,3 sekunder.

4. Förfarande enligt krav 1, 2 eller 3, kännetecknat av att sonotroderna (10) bringas att arbeta exakt samtidigt och motriktade varandra, och att de arrangeras så, att de i fullt anpressat tillstånd mot förpackningen saknar mekanisk inbördes kontakt och att de företrädesvis ligger på ett avstånd från varandra av cirka 0,3-0,4 mm. 'Il 'íióâš 802

5. Anordning för att genomförfara förfarandet enligt något av föregående krav medelst ultraljudssvetsning åstadkomma en vätske- och gastät fog medelst en runt om gående tätningsfog i en förpackning eller annat föremål med rundad tvärsnittsform eller polygonal tvärsnittsform med rundade hörn, t ex vid insvetsning av ett invändigt lock (2) eller en invändig botten med uppvikta flänskanter i en förpackningshylsa (1) mm, där endera delen eller båda de delar (1, 2) som skall svetsas samman har ett skikt av en svetsbar plast, eller endera eller båda delarna i sin helhet är utförda av ett svetsbart plastmaterial, där anordningen består av en matris (17) för att bära upp en förpackningshylsa (1), medel för att forma och pressa in någon förslutningsdel, t ex ett lock (2) med uppvikta flänsar i en öppen ände av förpackningshylsan (1), samt ett organ för att svetsa samman förpackningshylsan (1) och locket (2), kännetecknad av att svets- ningsorganen består av en solid dorn (6) anordnad att placeras invändigt i det i förpackningshylsan (1) nedpressade locket (2), vilken dorn har en form och en tvärsnittsyta som är väsentligen samma som formen och tvärsnittsytan innanför lockflänsarna, ett flertal, minst två men företrädesvis tre eller fyra samverkande, på utsidan av förpackningen (1) anordnade, separata ultraljudssvetsverktyg (10), vilka omsluter den allra största delen av förpackningens omkrets, medel (11, 12) för att samtidigt och med viss given kraft pressa ultra- ljudssvetsverktygen (10) mot förpackningens (1) utsida, så att de åstadkommer en ihoppressning av förpackningshylsan (1) och lockflänsarna (2) med den invändiga solida dornen (6) som mothåll, och medel (7-9) för att i svetsverktygen (10) skapa ett ultraljud av viss given frekvens och med viss givenstyrka för att i gränsytan mellan plastskikten (4), eller plastmaterialen i förpackningshylsan ( 1) och locket (2) åstadkomma värme av svetstemperatur.

6. Anordning enligt krav 5, kännetecknad av att svetsverktygen, vanligen benämnda sonotroder (10), anordnas att pressas mot förpack- ningshylsan (1) med ett fjädrande tryck av 150-200 kp/cm2, varvid materialstyckena pressas mekaniskt stumt mot varandra.

7. Anordning enligt krav 5 eller 6, kännetecknad av att ultraljudet i sonotroderna (10) ges en frekvens av cirka 20 kHz och sådan styrka att den effektiva svetstiden normalt blir 0,15-0,20 sekunder, och att hela svetsningsförloppet innefattande anpressning av sonotroderna (10) mot .ï- 10 468* 802 förpackningen (1), svetsningsförloppet, kylningen av svetsfogen och åter- föringen av sonotroderna till tillbakadraget läge tar cirka 0,3 sekunder.

8. Anordning enligt något av kraven 5-7, kännetecknad av att sonotroderna (10) är anordnade att arbeta exakt samtidigt och motriktade varandra, och att de arrangeras så att de i fullt anpressat tillstånd mot förpackningen saknar mekanisk inbördes kontakt och att de företrädesvis ligger på ett avstånd från varandra av cirka O,3-O,4 mm.

9. Anordning enligt något av kraven 5-8, kännetecknad av att svetsverktygen eller sonotroderna (19) utformats så, att de med någon del av sin yta omsluter en rundad del av förpackningshylsan (1), och att intill varandra liggande sonotroder (10) möts vid en rundad del av förpackningen med en spalt av cirka O,3-O,4 mm.

10. Anordning enligt någor av kraven 5-9, kännetecknad av att den som mothåll anordnade solida, invändiga dornen (6) är utformad med en runtom gående, utskjutande vulst (13), och av att dornen (6) är utformad med en konad eller på liknande sätt utformad anloppsyta för att underlätta instyrningen av locket (2) eller någon annan del i det inre av den öppna änden på förpackningshylsan (1).