專利名稱：帶有u形空隙的超聲波焊極的制作方法
技術領域：
本發明涉及超聲波焊極。
背景技術：
超聲波焊極在生產工程中是已知的，例如塑料材料的超聲波焊接。超聲波是一種超過可聽極限的機械振動。其頻率范圍從約20kHz開始一直到 IGHz0這樣的超聲波頻率往往是從電能通過壓電式聲換能器(轉換器)來產生。借助連接 于換能器的超聲波焊極，也可能再借助一個振幅變換部分(升幅器)把這種機械振動能量 施加于所要所要加工的工件或材料。用于接觸所要加工的材料的超聲波焊極的表面也被稱 為焊封表面。因此，振動結構是由發生器、換能器、選配的升幅器、以及超聲波焊極構成。在許多 應用場合，換能器和超聲波焊極是一體構造的。在利用超聲波加工材料時，一般是把所要加工的材料定位在超聲波焊極和一個配 對部分或稱托背工具(不屬于振動結構的組成部分)之間，后者也可稱為砧座。然后接觸 所要加工材料的超聲波焊極把超聲波能量傳遞給所要加工的材料，從而進行例如焊接或切 割。在包裝領域，通常采用所謂的水平或豎直管狀袋子包裝機。在這類機器上，片料被 從料卷上拉出來，成形為管狀，且縱向邊緣被密封。然后這樣的袋子被充裝，進行橫向密封， 最后切斷。所以，橫向縫的焊接既生產出被充裝了的袋子的頭縫也生產出下一個袋子的底 縫。水平包裝機水平地饋送被包裝的物件，所以它們一般僅適用于論件的物品。豎向包裝 機沿著大致水平的方向饋送物件，因此而適用于松散物料。縱向的和橫向的縫都可以用超聲波進行密封。在這種情況中，片料的塑化所需要 的熱量通過把超聲波振動轉變成摩擦能量來產生。邊界層和分子摩擦意味著熱量就此而產 生，產生的熱量可使塑料材料熔化。在這種情況中，是采用縱向的超聲波振動。在上述管狀袋子包裝機中，薄膜被卷成圍繞著物件的管子形狀，使得在沿著輸送 方向運動的過程中兩片薄膜的邊緣被弄到一起。重疊的薄膜邊緣連續地在超聲波焊極和配 對部分或稱托背工具之間運動，從而它們的縱向的縫被密封。在這方面，重要的是要使超聲波焊極和托背工具(砧座)之間的空隙保持基本上 恒定，以確保均勻的焊縫質量。隨著振動結構特別是超聲波焊極在工作操作過程中逐漸變 熱，相關的各材料的熱膨脹會使所述空隙的尺寸發生變化，以致需要相對于托背工具重新 調整超聲波焊極的位置。這種重新調整是非常復雜且昂貴的。此外，這種配置中的超聲波焊極和砧座這一 對工具占用非常大的空間，特別是還必須布置用于使超聲波焊極移動的機構。
發明內容
以所述本領域的狀態作為基本的出發點，因此本發明的目的是提供一種超聲波焊極、一種超聲波密封設備和一種超聲波加工方法，其不僅可避免超聲波焊極的復雜且昂貴 的定位，還可確保焊縫具有均勻的良好質量。就超聲波焊極而言，這一目的是這樣來達到的，密封表面是兩部分構造，并且密封 表面的兩個部分由兩個互相面對的密封表面部分構成。換言之，與現有技術的實施例不同，在本發明中，所要加工的材料不再是在超聲波 焊極的密封表面和托背工具的接觸表面之間加工，而是由超聲波焊極的密封表面的兩個互 相面對的密封表面部分來加工。這樣就不需要用托背工具了，因此能夠免去超聲波焊極和 托背工具之間的復雜且昂貴的定位操作和間距調整。因此，可以例如在超聲波焊極上設置空隙，其中，兩個密封表面部分由該空隙的互 相面對的兩個壁的各部分形成。因此，材料的加工在空隙內實現。在原理上，空隙可設置在 超聲波焊極的任何要求的部位。公認的，各種超聲波焊極是本領域現有技術狀態中已知的，它具有槽口，但設置槽 口僅僅是為了影響超聲波焊極的振動特性。而決不是在槽口內加工材料。在這方面，如果兩個密封表面部分是處于大體上互相平行的關系，那將是有利的。如果空隙基本上在整個表面延伸，那么優點是，可以更容易地使所要加工的片料 連續地走過空隙。如果空隙或空隙寬度向著空隙的底部方向加寬，一方面，這將便于所要加工的材 料在空隙里的移動，另一方面，可改善超聲波焊極的振動特性。在一個特別優選的實施例中，該空隙在向著其底部方向有加工部分，該加工部分 具有大致恒定的第一空隙寬度；釋放部分，該釋放部分具有大致恒定的第二空隙寬度，其中 優選的是，第二空隙寬度至少是第一空隙寬度的兩倍大，特別優選的是，至少是第一空隙寬 度的五倍大。在一個優選實施例中，加工部分本身沿著空隙的底部方向可包括密封部分和在兩 側鄰接該密封部分的兩個保持部分，空隙在密封部分區域的空隙寬度小于保持部分區域的 空隙寬度。應能認識到，保持部分區域的空隙寬度比釋放部分區域的空隙寬度小很多。材 料的密封或可選的切割僅在密封部分區域進行。保持部分可為材料提供適當的引導。在一個特別優選的實施例中，加工部分有兩個密封部分和布置在兩個密封部分之 間的保持部分，其中，空隙在密封部分區域的空隙寬度小于保持部分區域的空隙寬度。換言 之，在加工部分區域，空隙有兩個空隙縮窄處，就是所謂的密封部分。這些焊封部分用于密 封縫的生產。所以，如果有一個以上的密封部分，超聲波加工可生產出多個平行的密封縫， 這對許多應用場合是有利的。已經發現，也可沿著縱向改變空隙寬度。空隙寬度可有利地沿間隙端部方向變大， 這樣可以更容易把片料引入空隙。在一個特別優選的實施例中，空隙沿縱向具有空隙寬度小的中心部分、鄰接于該 中心部分的相對布置的兩端且空隙寬度為中等的兩個引導部分、以及兩個鄰接引導部分的 空隙寬度大的兩個引入部分。在原理上，在本發明的實施例中，也不排除通過超聲波焊極的溫度變化來使空隙 寬度變化。也可以形成超聲波焊極上的溫度梯度，借以改變空隙寬度。所以，一個優選實施例提供用于調節加工部分的空隙寬度的裝置。該裝置可以具有例如加熱元件以產生超聲波焊極內的溫度梯度。這樣就可通過超聲波焊極的局部加熱來 影響空隙寬度。替代地，或組合地，超聲波焊極可以有多個開口，其中配裝有用與超聲波焊極的材 料膨脹系數不同的材料制成的多個元件。采用膨脹系數不同的兩種材料意味著，當超聲波 焊極的溫度升高時，超聲波焊極內會產生應力(輕微的)，因而可自動地使與之相關的空隙 寬度發生變化，就是說不需要特別主動地采取調節步驟。選擇適當的材料和安裝位置還可 抵消由超聲波焊極內產生的溫度梯度引起的空隙寬度的變化。應能認識到，也可提供多個密封表面。這樣，例如超聲波焊極可以有包括大致互相 平行的一排空隙，各所要密封的片料分別被引導通過一排空隙。這樣，可用單個超聲波焊極 同時地加工多個片料。還可以讓密封表面有某種涂層，以降低密封表面和所要加工的材料之間的摩擦系 數，進而降低密封表面的磨損。在一個優選實施例中，換能器布置在超聲波焊極的與空隙所在端相反的端面處。 這樣，通過換能器首先在超聲波焊極內產生縱向振動，就是平行于密封表面的振動。但是， 由于材料的周期性伸縮，縱向振動總是要引起橫向振動。那么把空隙布置成大體上垂直于 超聲波傳播方向，由超聲波引起的空隙寬度的變化就受橫向振動的影響。試驗已經表明，橫 向振動的振幅取決于槽口的深度。所以在一個優選實施例中，空隙深度與超聲波焊極長度 之比是在0. 02到0. 5之間，優選的是在0. 03到0. 35之間，更優選的是在0. 05到0. 2之間。令人驚奇的是，在上述槽口深度下橫向振動振幅表現出最大值。槽口深度更大或 更小，振幅都將減小。對于35kHz的超聲波焊極，最佳橫向振動振幅是在4到14 μ m范圍內， 較佳的是在8到12 μ m范圍內。已經發現，密封表面部分是以相位互相相反的關系進行振動，所以在超聲波焊極 被超聲波激勵時，槽口的寬度周期性地變化，因而影響材料在空隙內的密封加工。本發明的超聲波焊極設計成完全不需要托背工具。這種超聲波焊極本身為一體 式，既提供超聲波焊極也提供托背工具，在這種情況中，施加振動時，超聲波焊極的與所要 加工的材料接觸的兩個表面都起作用，因此不能再區分哪個是振動的超聲波焊極哪個是靜 止的托背工具。原理上，超聲波焊極可以用任何要求的材料生產。鈦或例如鋼的燒結材料的超聲 波焊極已經證明是特別適用的。關于超聲波密封設備，用包括換能器和特種超聲波焊極的超聲波密封設備可達到 上述目的，超聲波焊極可選地通過變幅器連接到換能器。在這方面，已經發現，超聲波密封設備中的超聲波焊極優選的是大致剛性地固定 到不是振動結構的構成部分的元件。所以，由換能器、選配的變幅器和超聲波焊極構成的振 動結構的固定與超聲波焊極配合。不屬于振動結構的元件這一術語是指在用超聲波激勵時 不起作用因而不產生任何振動的任何元件。應能理解，為了調整的目的，可以移動這個元 件。但是這種移動與高速的超聲波振動相比是可忽略不計的，所以可以說它是非振動的元 件。總之，讓超聲波焊極剛性地大致橫向對著待形成的密封焊縫比縱向地對著密封焊 縫更重要。所以，在一個優選實施例中，把超聲波焊極固定于在振動節點處的保持件，這個保持件的設計結構沿超聲波焊極的軸線方向，就是在超聲波傳播方向，是大致剛性的，而沿 垂直于超聲波焊極軸線的方向，該保持件提供一定的彈性，以使其與來自保持件的超聲波 振動徹底脫離關系。本發明還涉及一種用超聲波加工材料的方法，其中所要加工的材料與本說明書的 開頭部分中所述的超聲波焊極接觸。在這方面，在一個優選實施例中，在加工操作過程中沿 縱向將所要加工的材料引導穿過超聲波焊極的空隙。在原理上，可對材料進行焊接或切割。在一個特別優選的實施例中，超聲波焊極上的空隙的寬度被選擇為小于所要加工 的材料的厚度。較佳的是空隙寬度比所要加工的材料厚度小10%到50%之間，更佳的是小 20%到40%之間，最佳的的是小約為30%。如果是例如把兩片薄膜焊接到一起，所要加工 的材料的厚度等于薄膜厚度的兩倍。所以，在用超聲波激勵超聲波焊極同時將所要加工的材料引入空隙。用超聲波激 勵超聲波焊極可使空隙寬度內產生周期性的振動而使材料進入空隙。在不用超聲波激勵的 狀態，所要加工的材料無法在空隙內移動。只有在用超聲波使超聲波焊極振動起來之后才 能使材料沿著空隙的縱向運動，從而進行超聲波加工。在一個優選實施例中，超聲波焊極呈圓的超聲波焊極的形式。圓的超聲波焊極這 一術語是指基本形狀為圓形橫斷面的超聲波焊極。一個特別優選的超聲波焊極應該是，它 在朝向換能器的那一端是圓形超聲波焊極的形式，而它的遠離換能器的那一端是方塊(橫 斷面是長方形的)超聲波焊極的形式。在一個可替代實施例中，把至少一個且優選的是兩個密封表面部分布置在連接到 超聲波焊極的板上。至少一個板可安裝有用于設定空隙寬度的調整裝置。這個實施例的優 點是當焊封表面磨損時，可以只更換一個板或幾個板而不必更換整個超聲波焊極。
本發明的進一步的優點、特點和可能的應用將在下面參照附圖進行的某些優選實 施例的說明中顯現出來，各附圖中圖1示出一臺采用本發明的帶有超聲波焊極的豎向管狀袋子包裝機；圖2示出圖1的放大詳圖；圖3a_3e示出本發明的超聲波焊極的第一實施例的各個視圖；圖4a_4e示出本發明的超聲波焊極的第二實施例的各個視圖；圖5a_5e示出本發明的超聲波焊極的第三實施例的各個視圖；圖6a_6e示出本發明的超聲波焊極的第四實施例；圖7a_7e示出本發明的超聲波焊極的第五實施例；圖8a-8e示出本發明的超聲波焊極的第六實施例；以及圖9a和9b示出本發明的超聲波焊極的第六實施例的兩個視圖。
具體實施例方式圖1示出一臺豎向管狀袋子包裝機。可以看到，所要加工的片料1圍繞著管子成 形，使得片料的兩個邊緣被重疊起來。重疊區域以附圖標記2標示。互相貼靠的片料邊緣 被引導通過超聲波焊極3上的一個空隙，而超聲波焊極3又連接到換能器4和發生器12。發生器12產生高頻的電壓，由換能器4把高頻電壓轉變成機械振動能量，再由超聲波焊極 3把機械振動能量傳遞給片料1。加工連續有效地進行，就是說，片料1沿著箭頭的方向連 續地運動，從而重疊的片料邊緣在圖1中超聲波焊極3下方焊接到一起。應能理解，也可以 進行周期性的運動，其中讓片料的行進運動有規律地被中斷一例如來施加橫向的密封縫。圖2示出圖1的放大詳圖。可以看到，在超聲波焊極3的端面4處有空隙5，空隙 5在整個端面4上延伸，且片料的邊緣的重疊區域2置于空隙5內。盡管換能器4開始時 僅向超聲波焊極3傳遞縱向振動，就是說，沿著超聲波焊極的縱向軸線方向的振動，但是空 隙5允許兩端面部分以互相相反的相位關系進行振動，以使槽口寬度由于橫向振動而周期 性地變化。以這種方式，將重疊的邊緣區域焊接到一起而形成縱向的焊縫。圖3a_3e示出本發明的超聲波焊極的第一實施例。圖3a示出超聲波焊極3的端 面6的平面圖。圖3b是剖視圖。圖中以點劃線13表示超聲波焊極軸線。超聲波焊極3在 其遠離空隙5的端面6處有固定孔7。固定孔7用于把超聲波焊極固定到換能器或可能固 定到振幅放大器。可以看出，超聲波焊極的尺寸從換能器端朝向空隙端減小。圖3c是超聲 波焊極的側視圖，從該圖可清楚地看到端面4上的空隙5。圖3d是圖3a的放大詳圖。可以看到，空隙沿縱向(垂直于超聲波焊極軸線)包括 空隙寬度小的中心部分8、鄰接于中心部分8的相反的兩端的空隙寬度中等的兩個引導部 分8’、以及又鄰接于引導部分的空隙寬度大的兩個引入部分8”。在這一情況中，中心部分 的空隙寬度在整個部分上是大致恒定的，而引導部分的空隙寬度向空隙端部方向擴大。在 引入部分8”的區域，空隙寬度突然增大。在加工操作過程中，將所要加工的材料沿著空隙 的縱向移動而通過空隙，就是在圖3d中從左向右或從右向左移動。因此，材料的移動方向 是相對于超聲波焊極軸線是橫向的。引入部分8”使片料容易引入空隙5。引導部分8’可 使所要加工的材料順暢地抵靠在空隙的表面上，而中心部分8是用于進行片料的加工。在 一個優選實施例中，中心部分8那一區域的空隙寬度小于材料厚度，從而只有在超聲波焊 極被超聲波激勵時片料才能引入空隙。圖3e是圖3c中一部分的放大詳圖。從該圖可看到空隙的深度S。向著空隙5的 底部方向，就是在超聲波焊極的軸線方向，空隙的寬度也是變化的。沿著空隙的底部方向， 空隙包括加工部分9和釋放部分10。釋放部分內的空隙寬度比加工部分內的空隙寬度大得 多。釋放部分僅用于使超聲波焊極的由空隙5分開的兩個端面部分互相分離而產生最佳的 橫向振動。在空隙的深度S與超聲波焊極的長度L之比處在0. 05到0. 2范圍內時，超聲波 焊極的橫向振動為最大。圖4a_4e示出本發明的超聲波焊極的第二實施例的各個視圖。使用相同的附圖標 記標示相同的部件。特別是從圖4d可以看到，在這一實施例中，中心部分8較短。從圖4e 可以看到，與圖3a_3e表示的實施例相比，加工部分9也明顯地縮短了。圖5a_5e示出本發明的超聲波焊極的第三實施例。在這一情況中，盡可能地也用 相同的附圖標記標示相同的部件。從圖5c可以看到，狹槽寬度沿橫向保持恒定，這不同于 前述實施例。圖6a_6e示出本發明的超聲波焊極的第四實施例。這一實施例類似于圖4a_4e所 示的實施例，但這里的空隙深度明顯地減小了。圖7a_7e示出本發明的超聲波焊極的第五實施例。從圖7d可以看到，超聲波焊極沿端面4又擴大了，這不同于前述實施例。這種形狀有利于優化橫向振動的振幅。圖8a和8b概略地示出本發明的超聲波焊極的另一實施例。從這里可清楚地看到， 超聲波焊極3在其端部4的區域引入了兩個補償元件11。這兩個補償元件是用與超聲波焊 極的材料不同的材料制成的，它們的不同在于具有不同膨脹系數。特別是，圖8b的立體圖 清楚地表示出，由于熱量在超聲波焊極內產生的溫度梯度將對空隙3的加工部分區域的空 隙寬度有顯著的影響。為了補償這種的變化，補償元件11因此適于抵消空隙寬度的變化。本發明提供一種超聲波焊極和一種焊接方法，具體地說，用這種焊極和焊接方法 可明顯地簡化豎向管狀袋子包裝機。不再需要超聲波焊極必須相對于其進行設置可能需要 重新調整的專門設置的托背工具。還可使這類密封設備所需要的空間明顯減小。附圖標記列表1 片料2重疊區域3超聲波焊極4換能器5 空隙6 端面7固定孔8中心部分8’引導部分8”引入部分9加工部分10釋放部分11補償元件12發生器13超聲波焊極的軸線
權利要求
一種超聲波焊極，所述超聲波焊極具有用于與所要加工的材料接觸的密封表面，其特征在于，所述密封表面是兩部分構造，并且所述兩個密封表面部分是由兩個互相面對的密封表面部分形成的。
2.如權利要求1所述的超聲波焊極，其特征在于，所述超聲波焊極的端面有空隙，其中 所述兩個密封表面部分由兩個互相面對的空隙壁的各部分構成。
3.如權利要求1或2所述的超聲波焊極，其特征在于，所述兩個密封表面部分是大體上 互相平行的構造。
4.如權利要求2和3之一所述的超聲波焊極，其特征在于，所述空隙大致上在整個所述 端面延伸。
5.如權利要求2至4之一所述的超聲波焊極，其特征在于，所述空隙寬度沿所述空隙的 底部方向擴大。
6.如權利要求5所述的超聲波焊極，其特征在于，所述空隙沿所述空隙的底部方向具 有第一空隙寬度的加工部分和第二空隙寬度的釋放部分，其中，所述第二空隙寬度較佳地 是所述第一空隙寬度的至少兩倍大并且更佳地是所述第一空隙寬度的至少五倍大。
7.如權利要求6所述的超聲波焊極，其特征在于，所述加工部分沿所述空隙的底部方 向包括密封部分和在兩側鄰接所述密封部分的兩個保持部分，其中，所述空隙在所述密封 部分區域的空隙寬度小于所述保持部分區域的空隙寬度。
8.如權利要求6和7所述的超聲波焊極，其特征在于，所述加工部分具有兩個密封部分 和布置在所述密封部分之間的保持部分，其中，所述空隙在所述密封部分區域的空隙寬度 小于所述保持部分區域的空隙寬度。
9.如權利要求2至8之一所述的超聲波焊極，其特征在于，所述空隙寬度沿著所述空隙 端部的方向擴大。
10.如權利要求9所述的超聲波焊極，其特征在于，所述空隙沿所述空隙的縱向具有空 隙寬度小的中心部分(8)、鄰接所述中心部分(8)的相反側的空隙寬度中等的兩個引導部 分(8’)、以及鄰接所述引導部分的空隙寬度大的兩個引入部分(8”)。
11.如權利要求2至10之一所述的超聲波焊極，其特征在于，所述超聲波焊極具有用于 調節所述加工部分的所述空隙寬度的裝置。
12.如權利要求11所述的超聲波焊極，其特征在于，所述調節裝置有加熱元件，用于產 生所述超聲波焊極內的溫度梯度。
13.如權利要求11或12所述的超聲波焊極，其特征在于，所述超聲波焊極是用至少兩 種膨脹系數不同的材料制成的。
14.如權利要求1至13之一所述的超聲波焊極，其特征在于，設有多個密封表面。
15.如權利要求1至14之一所述的超聲波焊極，其特征在于，所述各密封表面有涂層。
16.如權利要求1至15之一所述的超聲波焊極，其特征在于，設有可拆裝地固定到所述 超聲波焊極并承載密封表面部分的至少一個密封元件，其中，較佳的是，所述至少一個密封 元件是可移位的以調整所述兩個密封表面部分之間的間距。
17.如權利要求2至16之一所述的超聲波焊極，其特征在于，所述空隙的深度與所述超 聲波焊極的長度之比在0. 02到0. 5的范圍內，較佳的是在0. 03到0. 35的范圍內，尤其較 佳的是在0. 05到0.2的范圍內。
18.—種超聲波密封設備，包括換能器和如權利要求1到17之一所述的超聲波焊極，所 述超聲波焊極可選地通過變幅器連接到所述換能器。
19.如權利要求18所述的超聲波焊封設備，其特征在于，所述超聲波焊極大致剛性地 固定到非振動元件。
20.一種用超聲波加工材料的方法，其中，所要加工的材料與權利要求1到19之一所述 的超聲波焊極接觸。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，在所述加工操作中，沿縱向將所述材料引 導穿過所述空隙。
22.如權利要求20或21所述的方法，其特征在于，焊接或切割所述材料。
23.如權利要求20至22之一所述的方法，其特征在于，所述超聲波焊極空隙的寬度小 于所要加工的材料的厚度，其中，較佳的是，所述空隙寬度比所述所要加工的材料的所述厚 度小10%到50%之間，更佳的是小20%到40%之間，最佳的是小約為30%。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，在用超聲波激勵所述超聲波焊極的同時 將所述所要加工的材料引入所述空隙。
25.如權利要求20至24之一所述的方法，其特征在于，所述空隙寬度通過橫向振動而 變化。
全文摘要
本發明涉及一種具有用于與所要加工的材料接觸的密封表面的超聲波焊極(3)。為了提供一種超聲波焊極、一種超聲波密封設備和一種超聲波加工方法，既可避免超聲波焊極的復雜且昂貴的定位，又可保證焊縫具有均勻的高質量，建議根據本發明，將密封表面用兩部分構造，并且密封表面的兩個部分由兩個互相面對的密封表面部分形成。
文檔編號B29C65/08GK101952108SQ200880121261
公開日2011年1月19日 申請日期2008年12月8日 優先權日2007年12月14日
發明者H·莫格里西, T·凡波勒, U·沃格勒 申請人:海爾曼超聲波技術兩合有限公司