用超聲波對環形坯料進行固定式焊接的方法及設備的製作方法

2023-05-03 21:07:16 1

專利名稱：用超聲波對環形坯料進行固定式焊接的方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用超聲波來固定焊接環形坯料的方法，其中環形坯料連同將被焊合的物體一起，被夾在環形超聲波焊頭和對接接頭之間。本發明還涉及一種應用超聲波將環形坯料固定地焊到物體上的設備，該設備包括一個帶有環形焊接表面的超聲波焊頭和一個對接接頭．背景技術果汁、運動飲品或類似的未充二氧化碳或軟飲料之類的消費性飲料可被裝入，例如聚酯塑料(PET)瓶中。這類瓶子通常是由注壓坯料或預成型品生產而得，該坯料或預成型品由中心源生產出然後再送到吹瓶機上。在吹瓶機中，預成型品被加熱並且沿其縱向機械拉伸，之後向它加上一個壓差，這樣它將會膨脹至靠著成對模殼的內側。
也可通過以下方法來製造相似類型的吹塑瓶，通過加熱和在密閉或封住的模子中膨脹來使預製的中空預成形品成為所需的容器。然而不是使用注模預成型品中的原始材料，而是採用網狀的熱塑性材料，即聚酯(PET)，或是高密度聚乙烯(HDPE)來生產預成形品，在這種情況中，一個網狀物形成能與圓筒壁固定結合的底部，而另一個網在圓筒壁中形成，從而製成了預成型品或半成品。通過採用網狀材料生產預成型品，可在利用簡單層壓材料，包括，例如阻氣材料層的同時，儘可能的減少材料的消耗。
這樣，就可通過兩個材料網來構成部件，即管形套部分和一個基本圓形的底板，在加熱和加壓的作用下，能通過形成的液封焊縫相互連接在一起。在這種情況下，傳統的技法是利用，如熱空氣噴嘴，來將兩部件的邊緣部分加熱至塑性材料的軟化或熔化溫度，然後將部件放在一起並在一起壓制，直到這種材料熔化並且穩定為止。在這種情況中，所提供的一定量的熱量由於諸如工作環境和消耗能量之類的各種原因，應該被減至最小。對兩個部件邊緣區域的過份加熱還有產生在鄰近區域產生永久熱變形的危險，同時會延長冷卻操作，從而降低生產率。同時還測試了另一種將兩部件加熱並相互密封的另一種方法，即採用帶有基本上為環形工作表面的超聲波焊頭，藉助於位於套筒中的芯形對接接頭，在同時供應能量的情況下，將底部和殼體部分的邊緣區域壓在一起。理論上講，這種焊接方法快速可行並且耗能少，但實際的分析和實驗表明超聲波能量被導向併集中在底板的中心部分，結果造成底板在超聲波焊接操作中易於變形和破裂。在一個圓形的底板中，通常在焊接操作的連接中會產生直徑為幾個毫米的貫穿底板的中心孔。通過分析已經證明，這個問題通常發生在底板或圓形坯料的超聲焊接中，並且迄今為止還不可能利用現有技術方法完全避免這種缺陷。由於相當大的一部分超聲波能量都集中在底板的中心區域，所以對實際焊接處，即圓形底部焊縫的加熱會相應地降低，結果是得到了不完全或是弱化的焊縫。這樣，就需要在本技術中採取一種方法，這種方法可在圓形坯料的環形區域上進行可行的超聲焊接，而不會破壞圓形坯料的中心區域。
本發明的目的一方法本發明的一個目的是創立一種方法，通過它可將圓形坯料用超聲波固定焊接到另一個物體上，如用於包裝容器的套管形外殼，而不會對圓形坯料的中部造成任何負面影響，或是造成破壞，例如產生孔。
本發明的另一個目的是創立一種方法，通過它可使對圓形坯料的超聲波焊接在基本上採用傳統已知設備的情況下，實現快速且簡單的焊接周期。
而且本發明的另一個目的是創立一種方法，通過它可使圓形坯料的超聲波焊接從能量的角度更節約，從而很適於快速生產包裝容器坯料，還不會產生上述的缺陷。
解決方案可根據本發明來達到上述或其它目的，其中的方法是，它採用超聲波來固定焊接圓形坯料，圓形坯料連同將被焊合的物體一起，被夾在環形超聲波焊頭和對接接頭之間，這種方法的特徵在於，由於超聲波而在圓形坯料中部產生的振動，被作用在圓形坯料上的機械運動所限制。
根據本發明方法的優選實施方案的另一些特徵，在附屬權利要求2到6中有所說明。
還有必要在現有技術中製造一種能將根據本發明的方法簡化，並能投入實際的設備，這種設備可避免上述缺陷，即防止在圓形坯料的中部發生的損壞，其中的圓形坯料在環向焊接時與另一物體相連，例如用於包裝容器坯料的管形套。
本發明的目的-設備本發明的另一個目的是製造一種設備，通過它可在環形結構中採用超聲波對圓形坯料進行固定焊接，該設備包括在超聲波焊接過程中，防止圓形坯料中部受損的機構。
而且本發明的另一個目的是製造一種能實現本發明方法的設備，該設備能可靠且快速地將包裝容器坯料的環狀外殼部分和用來做底板的圓形坯料密封在一起。
此外本發明的另一個目的是製造一種能實現本發明方法的設備，這種設備簡單、可靠、並且適用於包裝容器坯料的高速生產。
解決方案可根據本發明來達到這些和其它目的，其中的設備採用超聲波將圓形坯料固定焊接到另一物體上，該設備包括一個帶有環形焊接表面的超聲波焊頭和一個對接接頭，該設備的特徵在於它具有用於固定地保持圓形坯料的工作表面，工作表面顯示裝置用於在焊接循環期間支撐圓形坯料的中心區域。
根據本發明設備的優選實施方案的另一些特徵，在附屬權利要求8至10中有所說明．附圖簡述根據本發明方法和設備的一個優選實施方案現在將通過參照示意圖在下文中進行更詳細的說明，附圖中僅表示出了那些對於理解本發明必不可少的那些部件和細節。在附圖中

圖1A、1B、1C和1D逐步表示了管狀外殼部分的生產過程，它的一端帶有採用本發明方法而製成的圓形坯料；圖2A表示的是圓形坯料的製造過程，而圖2B和圖2C則分別用橫截面圖和俯視圖表示出一個完成的圓形坯料；圖3A和3B表示的是應用要本發明的設備將圓形坯料安裝和焊到外殼部分上；圖4表示的是用於包裝容器的一個已完成的預成品和半成品。
優選實施方案詳述可採用根據本發明的方法和設備來將熱塑性材料的圓形坯料用超聲波固定地焊接到所需類型的物體上，但為表示本發明，以下將說明那些在環狀或管狀包裝容器、成品或預成品生產過程中所採用的方法和設備，這些容器、半成品或預成品將通過瓶子吹制技術隨後被製成，例如吹塑瓶。在這種情況下，包裝容器或成品1是由熱塑性材料製成，例如聚酯(PET)或高密度聚乙烯(HDPE)，或由另外的多層材料製成。優選的是，所用材料採用材料網2，14的形式，它們可由一種或多種塑料構成，這些塑料被層壓或相互連在一起。這些網狀材料處於捲起狀態供給生產環狀套管3的機器，這些套管是通過卷繞材料網2製得的，卷繞方向與材料網的關係是，套管3的中心軸4相對於材料網2的凸起或定向方向5橫向延伸。由於材料的定向，所生產的套管3會由於加熱而收縮至一個更小的直徑，這個將在後文中進一步得到解釋的較小直徑應用於形成套管3的端部中。更確切的講，材料網2被分成均勻一致的間隔(由橫穿材料網的折線6表示)，從而分隔成單獨的坯料2』，這種用原先方法進行加熱和機械處理的單獨坯料被捲成大體圓柱形，它的重疊邊緣部分由於加熱和機械處理而熔合在一起，從而構成了殼的焊接點7，它在製成的預成品中會垂直延伸。這種套管的生產技術在現有技術中已為人熟知，並在，例如瑞典專利申請No．SE75100925中有所說明，此處為作進一步的詳細說明而將其引入作為參考。
圖1D表示的是根據上述形成並具有外殼焊接點7的外殼或套管3是如何被放置在成形刀具8上的，該刀具呈芯狀，並且它的直徑略小於套管3的直徑(滑動配合)。刀具8還在外部包括一個呈圓形的下端，它可允許套管3從裡面伸出。凸出的套管下部被，例如從噴嘴9噴出的熱空氣加熱到能使材料軟化或塑化的溫度，這樣由於擠壓方向而造成的材料固有的收縮特性就被激活，從而使凸出的套管部分向內收縮而形成弧形部分或凸緣10，它在垂直運動衝壓工具11的作用下，擠壓成形刀具8基本為平的下端，從而得到一個與套管3的垂直壁部分成直角的輪廓分明的結構。套管的下端冷卻後，套管3就從成形刀具8上被移開，並傳送至對接接頭12，在那裡進行預成型品1底部的安裴和固定。
底板或圓形坯料13是由與材料網2相同類型的網狀材料14製成的(最好同時製成套管3)。材料網14依次通過一個常用的衝壓工具15，該工具包括一個往復式衝頭16和一個圓形模具17。當衝壓工具15工作時，就按已知的方法從材料網14上衝出圓形的坯料13．隨後這些圓形坯料被進一步送至成形工段。根據所選擇的材料，有可能需要將圓形坯料的材料加熱至一個合適的熱成形溫度，例如聚酯可在室溫下通過機械處理成型。通過採用帶有成型工作表面的兩個相互配合的壓縮工具(未示出)，可在每個單獨的環形坯料13的中部得到一個凸紋花樣18，例如圖2C中所示的四角星的形狀，它的尖端離圓形坯料13的邊緣有一定距離。也可選擇其它的凸紋花樣，一個最重要的特徵是花樣具有許多輻射部分，這些部分從中心輻射至圓形坯料13的周圍。所示的星狀結構使得圓形坯料具有四個輻射狀的堅硬隆起19，根據本發明，可證明這些隆起在防止振動方向極為有效，該振動在套管3圓形坯料的超聲焊接時會在圓形坯料上產生永久損傷。
這樣已完成的坯料13就被放置在上述芯狀對接接頭12的下端。對接接頭12包括一個中心真空槽20，它的一端與真空源21相連，另一端接在對接接頭12的下端。更確切地講，對接接頭12的下端有一個中心埋頭的表面22和一個界定埋頭表面區域22的周邊23。埋頭的表面區域22還帶有一個位於中部的環形彈性密封件28，例如採用0形環的形式，在將圓形坯料13加到對接接頭12的下端上後，這就構成一個腔室，真空槽在腔室的中部具有一個排氣孔24。當開動真空源21，由於真空作用而使圓形坯料13接在對接接頭12的下端，真空室中的真空是由密封件28、表面22和本身的圓形坯料13構成的。在坯料13上凸紋花樣18的作用下，真空被擴散至圓形坯料的整個中心區，凸紋花樣基本上處於密封件28和與表面22相連的接頭所界定的區域中，從而當真空過強時，可防止圓形坯料13被吸入靠著孔24的密封閉合區中。作為這種真空強化的機械接合，使得圓形坯料13穩固並且在朝真空槽20的孔24的方向上被夾緊，這可使圓形坯料13的彈性降低，從而防止坯料13中部區域所產生的振動。
在將坯料13放在對接接頭12的末端上後，用上文所述方法生產的套管3就穿過對接接頭12，從而使套管上向內摺疊的凸緣或孤形部分10包住了圓形坯料13的邊緣區域，即坯料13上不帶凸紋花樣的區域。這樣底板13會與凸緣10的內表面相接，該內表面處底板的邊緣區域與孤形部分或凸緣重疊，通過讓帶有環形工作面25的焊接頭26與底板13和套管3的重疊部分相接觸，就能在重疊材料部分的同步壓縮過程中將底板13熱密封到孤形部分或凸緣10的一側上。由於採用根據本發明的方法和設備而產生的底板13的上述穩定性，會明顯降低傳到底板13中部的超聲波振動，結果是能量以最小的損耗集中到焊接位置處。作為保證包裝容器或預成形品1功能的一個基本先決條件，象外殼焊縫7一樣，大體為圓形的底部焊縫27將被壓縮，並且完全防水。由於採用上述的步驟在底板13上採用一個中部凸紋花樣，通過機械的方法在真空的作用下將圓形坯料固定到對接接頭12的下端，結果是在超聲波焊接操作中，可避免能對底板13中部的材料造成不良影響的振動，實際上這種解決方案已經被證實可完全消除在底板13中部發生的上述變形或孔洞。
這樣採用上述方式所生產的預成形品1(圖4)包括一個帶有垂直延伸外殼焊縫7的基本上為圓柱狀外殼的部分，以及一個包括底板13在內的底部，底板13通過大體圓形底部焊縫27與外殼部分相連。這樣即完成了容器的生產，但也可想像在已知的方式中利用已生產的容器作為預成品或半成品來生產吹塑瓶。
作為圓形坯料上述實施方案的另一種方案，不採用(或作為補充)坯料13的凸紋花樣，可以設想在一個實施方案中，可在對接接頭端面上作出相應的花紋樣式。然而在實際實驗中用來傳遞真空並使圓形坯料穩定的星狀凹痕、導槽或可透氣(燒結的)的表面只得到了有限的效果，並且可以證實只有將一個或多個附屬權利要求中所述的方法，實際設置和機構結合起來，才能得到最好的穩定和滯留效果。
權利要求
1.一種採用超聲波來對圓形坯料進行固定焊接的方法，其中圓形坯料連同將被焊合的物體一起，被夾在環形超聲波焊頭(26)和對接接頭(12)之間，其特徵在於由位於圓形坯料(13)中部超聲波引起的振動可由作用在圓形坯料上的機械運動來限制。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於圓形坯料(13)在真空的作用下固定到對接接頭(12)工作表面上。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於在焊接循環中，在圓形坯料(13)自由表面的中部有真空作用。
4.如權利要求1到3所述的方法，其特徵在於在焊接循環之前，圓形坯料(13)的中部就帶有凸紋花樣(18)。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於通過熱成形在圓形坯料(13)作出帶有輻射狀部分的花樣。
6.如權利要求4或5所述的方法，其特徵在於在焊接循環之前的一個單獨步驟中，在圓形坯料(13)上作出基本為徑向輻射狀的堅固凸起或折皺(19)之類的花樣。
7.一種採用超聲波來把圓形坯料(13)固定焊接到一物體(3)上的設備，該設備包括一個帶有環狀焊接表面(25)的超聲波焊頭(26)和一個對接接頭(12)，其特徵在於它具有一個能固定圓形坯料(13)的工作面，該工作面可作為在焊接循環中支撐圓環坯料中心部分的機構。
8.如權利要求7所述的設備，其特徵在於該工作面包括一個由圓形坯料(13)的一側構真空室。
9.如權利要求8所述的設備，其特徵在於真空室是由靠在圓形坯料(13)上的環形密封接件(28)構成的，周圍是接入工作表面中的真空槽。
10.如權利要求7到9所述的設備，其特徵在於工作面構成了對接接頭(12)的一部分。
全文摘要
在生產諸如吹塑瓶之類包裝容器的過程中,在一定的情況下圓形坯料被固定地焊接到套管狀外殼部分的底端。如果焊接採用超聲波進行,則從能量角度來看要比其它方法優越,但在這種情況下已證明圓形坯料中心部分吸收的超聲波能足以使其變形或破裂。根據本發明則可得到一種應用超聲波來對圓形坯料(13)進行固定焊接而又不會發生以上缺陷的方法,其中超聲波引起的振動可通過圓形坯料(13)中部的機械穩定而減小,這是由於圓形坯料中部所帶的真空和凸紋花樣(18)的作用而實現的。一種採用超聲波來把圓形坯料(13)固定焊接的設備具有一個對接接頭(12),該接頭上的工作面可用來固定圓形坯料,在焊接循環中,工作面構成了圓形坯料中部真空室和支撐機構的一部分。
文檔編號B29C57/00GK1205668SQ9619921
公開日1999年1月20日 申請日期1996年12月6日 優先權日1995年12月22日
發明者A·安德森 申請人:利樂拉瓦爾集團及財務有限公司