本發(fā)明涉及具有獨立權(quán)利要求的前序部分的特征的用于連接工件的方法和復(fù)合制品。

背景技術(shù)：

1、在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，工件必須連接在一起。例如，比如在包裝領(lǐng)域、在車輛工程領(lǐng)域或在醫(yī)療器械加工領(lǐng)域，塑料部件的連接是容易想到的。在一些情況下，金屬工件也必須連接在一起，例如與電導(dǎo)體的觸點部分。

2、將超聲振動導(dǎo)入工件以連接它們是已知的。導(dǎo)入的超聲振動形成將工件連接在一起的超聲焊接。

3、然而，并非總是能夠形成令人滿意的超聲焊接，尤其是采用不同的材料組合。尤其是采用由具有不同熔點的塑料材料制成的工件，難以進行焊接。即使采用不同的材料組合也能夠獲得具有滿意性能的焊接效果的一種方式是增大接觸壓力、焊接時間和/或施加能量。但是，這會導(dǎo)致對敏感工件的破壞。

4、由塑料制成的焊接工件的一種典型應(yīng)用是將倒出部緊固至包裝，例如飲料包裝。該倒出部應(yīng)由盡可能不透氧的材料例如高密度聚乙烯(hdpe)制成。包裝本身由主體組成，該主體由膜、尤其是層壓膜制成。層壓膜的外表面上具有塑料層，通常為低密度聚乙烯(ldpe)。紙板層提供了期望的強度。鋁層提供了氧密封。但是，現(xiàn)在出現(xiàn)了當在焊接期間施加較大的力時鋁層受損的情況。這會導(dǎo)致包裝內(nèi)容物(通常為飲料)出現(xiàn)質(zhì)量問題。鋁層的磨損會導(dǎo)致形成凹袋，并且由此還會導(dǎo)致衛(wèi)生問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、因此本發(fā)明的任務(wù)是避免已知缺點，尤其是創(chuàng)建一種用于連接工件的工藝，通過該工藝，由不同材料制成的工件能夠以良好的焊接質(zhì)量連接在一起。本發(fā)明的另一個任務(wù)是創(chuàng)建一種復(fù)合制品，其中也是尤其由不同材料制成的兩個工件以良好的焊接質(zhì)量連接在一起。

2、根據(jù)本發(fā)明，這些任務(wù)通過具有獨立權(quán)利要求的特征部分的特征的方法和制品來解決。優(yōu)選的實施例來自從屬權(quán)利要求。

3、根據(jù)本發(fā)明的方法用于借助于超聲連接工件。通常情況下，將兩個工件連接在一起。但是，還能夠想到將兩個以上的工件連接在一起。

4、在第一步中，提供具有至少一個導(dǎo)能器的第一工件。在超聲焊接過程中提供帶有導(dǎo)能器的工件為現(xiàn)有技術(shù)已知。在導(dǎo)能器的區(qū)域中將超聲振動導(dǎo)入工件。

5、第一工件通常為用于包裝的倒出部。但是，也能夠想到其他工件，例如在醫(yī)療技術(shù)中在注射模制部件上的密封隔膜或過濾隔膜。還能夠想到在車輛保險杠中用于容置傳感器的傳感器支承座。

6、還提供了第二工件。具體地，該第二工件可以是用于制備包裝的包裝材料。但是，還能夠想到第二工件是保險杠，上文所述的傳感器支承座將被施加至該保險杠。

7、該第一工件和該第二工件彼此接觸，使得導(dǎo)能器與第二工件的第一表面接觸。

8、接下來通過超聲焊極的工作表面將超聲振動導(dǎo)入其中一個工件內(nèi)。超聲焊極是在許多實施例中是經(jīng)受超聲振動的工具并且為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知。

9、超聲振動平行于與超聲焊極的工作表面接觸的工件的表面?zhèn)鞑ァＭㄟ^此方式，基于兩個不同的機制生成熱。一方面，由超聲焊極導(dǎo)入工件的運動在該(多個)工件部內(nèi)引起發(fā)熱。另一方面，工件之間的界面區(qū)域中的摩擦或運動也會導(dǎo)致生成熱。

10、尤其當焊接塑料接合參數(shù)時，常用的做法是采用超聲焊極沿著垂直于工件的接觸表面的振動方向?qū)氤曊駝?。已?jīng)表明，此種振動會對某些類型的接合配對件造成損害，或者在為了避免損壞而降低振幅的情況下無法制備出合格的焊縫。在膜狀的接合參數(shù)的情況下尤其如此，例如單膜、由生物聚合物制成的膜或多層復(fù)合膜，例如用于包裝領(lǐng)域的那些膜。

11、由此，本發(fā)明的另一方面涉及采用扭轉(zhuǎn)超聲振動來連接接合配對件，其中至少一個接合配對件在與另一個接合配對件的接觸表面的區(qū)域中具有單膜、由生物聚合物(例如聚乳酸)制成的膜或多層復(fù)合膜。

12、雖然此應(yīng)用尤其優(yōu)選與下文描述的本發(fā)明的其他方面相關(guān)，但是應(yīng)理解，還能夠通過超聲焊極和/或?qū)芷鞯钠渌贾眯问将@得有利的效果。具體地，采用扭轉(zhuǎn)振動能夠在超聲焊極和接合參數(shù)之間的接觸表面的區(qū)域中增加振動振幅直至產(chǎn)生足夠的焊縫。在扭轉(zhuǎn)振動的例子中，可通過增大焊接表面相對于軸線的半徑來提高振幅。傳統(tǒng)的垂直于工件的縱向振動不太容易實現(xiàn)類似的振幅提高。由于振動方向平行于接觸表面，增大的振幅不會損壞工件/接合參數(shù)，這與垂直于接觸表面的傳統(tǒng)振動有所不同。

13、尤其是，當連接厚度小于100微米(μm)、尤其約為50μm的膜時，采用扭轉(zhuǎn)超聲振動進行焊接是尤其有利的。

14、根據(jù)本發(fā)明，采用的超聲焊極的輪廓在其工作表面上具有接觸線。超聲焊極關(guān)于第一工件定位，以使接觸線橫向于導(dǎo)能器延伸。橫向通常表示處于+/-45°的角度、優(yōu)選約為85°-95°、尤其優(yōu)選約為90°。這樣，超聲僅在接觸線和導(dǎo)能器之間的相交位置處引入工件、尤其引入第二工件。由此，尤其作用在第二工件上的載荷較低。因為由施加至相交位置的力的限制導(dǎo)致整體力較小，避免了由于施加的力造成的損壞。

15、優(yōu)選地，超聲焊極的工作表面與第二工件的與第一表面相對的第二表面接觸，即該第一表面與導(dǎo)能器接觸。

16、通常情況下，由此第二工件例如包裝材料的膜與超聲焊極的工作表面接觸。

17、根據(jù)優(yōu)選實施例，所采用的超聲焊極的工作表面呈環(huán)形。但是，根據(jù)工件的形狀，還能夠想到超聲焊極的工作表面的其他形狀。在此情況下，接觸線在工作表面上關(guān)于中心位置呈星形布置。工作表面不必包括整圓，而是也可呈環(huán)形。

18、根據(jù)待連接的工件，還能夠想到超聲焊極的工作表面呈矩形或方形。在此情況下，接觸線通常橫向于超聲焊極的振動方向延伸，從而由于振動而形成了驅(qū)動效果。接觸線關(guān)于工件的、尤其是導(dǎo)能器的輪廓的夾角尤其是在扭轉(zhuǎn)振動的情況下由此可為非恒定的。尤其在扭轉(zhuǎn)振動的情況下，由此建議接觸線呈星形。在縱向振動的情況下，還能夠想到接觸線彼此平行，每根接觸線接下來橫向于振動方向延伸。

19、優(yōu)選地，所采用的超聲焊極中接觸線形成在位于兩個相鄰凹部之間的肋上。通常情況下，超聲焊極的工作表面可設(shè)置有在肋上形成接觸線的端面齒盤。

20、優(yōu)選地，如沿徑向觀察，在焊接區(qū)域中，肋的橫截面在垂直于徑向的平面中是不變的。這確保了即使工件未關(guān)于超聲焊極的工作表面精確定位，作用至對應(yīng)工件的工作表面與接觸凹部的保持相同。尤其在環(huán)形工件和超聲焊極的環(huán)形工作表面的情況下，能夠想到?jīng)]有精準對齊(即工件和超聲焊極的軸線之間一致)。在非精準對齊的情況下，肋的橫截面在焊接區(qū)域中沿徑向保持恒定確保了在導(dǎo)能器的區(qū)域中、在與工件接觸的位置處接觸線的形狀總是相同。

21、通常情況下，肋的橫截面在垂直于徑向的平面中呈v形。v形橫截面的兩條腿之間的夾角通常為40°-70°、尤其為60°。肋的高度即接觸線和凹部的基部之間距離通常為0.1mm至1.5mm、優(yōu)選為0.4至1mm。尤其優(yōu)選地，該距離約為0.6mm。

22、接觸線彼此之間的距離約為0.1至2.5、優(yōu)選為0.8至2mm。優(yōu)選地，它們間隔約1mm。很明顯這些尺寸能夠根據(jù)待焊接的工件的尺寸改變。

23、優(yōu)選地，導(dǎo)能器設(shè)計為周向隆起。通常情況下，導(dǎo)能器布置在圓上或者至少部分布置在圓上。如果第一工件也呈環(huán)形，例如成形為傾倒嘴，那么這是尤其優(yōu)選的。

24、根據(jù)尤其優(yōu)選的實施例，以橫截面觀察，所采用的導(dǎo)能器具有相對寬的接觸表面以接觸其他工件。現(xiàn)有技術(shù)中已知的導(dǎo)能器設(shè)有約呈三角形的橫截面。已經(jīng)表明，尤其是在第二工件為層壓件、箔和隔膜形式時，采用具有梯形的橫截面和相對寬的接觸表面的橫向?qū)蚱髂軌蚍乐箤Φ诙ぜ斐蓳p壞。這尤其與包裝應(yīng)用相關(guān)。根據(jù)另一方面，導(dǎo)能器由此優(yōu)選具有梯形橫截面并且尤其設(shè)有接觸表面，接觸表面的寬度至少為導(dǎo)能器的高度的五倍、優(yōu)選至少七倍。

25、在振動方向垂直于連接參量的接觸面的傳統(tǒng)焊接工藝中，采用具有三角形橫截面和盡可能尖銳的接觸面的導(dǎo)能器。在扭轉(zhuǎn)焊接中，通常在平坦表面上執(zhí)行焊接，從而能夠完全省去導(dǎo)能器。通過采用根據(jù)本發(fā)明的具有寬接觸面積的導(dǎo)能器，可以優(yōu)化扭轉(zhuǎn)焊接中的焊縫，而沒有導(dǎo)能器進入另一個接合配對件的風(fēng)險。

26、在傳統(tǒng)縱向焊接工藝中，不可能在不損壞膜的情況下對該膜施加足夠高的能量。因此，到目前為止人們一直認為不能采用超聲對單膜進行可靠焊接。但是，單膜還能夠采用平行于聲導(dǎo)入表面的超聲振動、尤其是扭轉(zhuǎn)超聲振動進行焊接。在扭轉(zhuǎn)或其他線性焊接工藝中不一定會出現(xiàn)壓力峰值，壓力峰值由于縱向焊接工藝中尖銳的導(dǎo)能器而出現(xiàn)并且導(dǎo)致單膜的破壞。然而，如果導(dǎo)能器具有足夠大的接觸面積，那就仍然可以采用。由生物聚合物制成的材料也有類似的優(yōu)點。否則，當加熱材料時也存在損壞材料的問題。

27、接觸線優(yōu)選關(guān)于導(dǎo)能器呈90°角布置。這導(dǎo)致尤其精確限定的聲導(dǎo)入點。

28、超聲振動可作為扭轉(zhuǎn)振動、縱向振動或扭轉(zhuǎn)振動和縱向振動的組合引入。此種振動的生成為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知。尤其優(yōu)選的是由歸于同一申請人的未決申請ep1920953201中描述的超聲焊極產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動和縱向振動的組合。此申請的內(nèi)容通過交叉引用并入本文。

29、尤其優(yōu)選地，所提供的工件由不同材料構(gòu)成或者具有不同材料。尤其是，第一工件至少在導(dǎo)能器的區(qū)域中由hdpe構(gòu)成。第二工件至少在其第一表面上具有l(wèi)dpe。

30、已經(jīng)表明，如果第一工件以其背離導(dǎo)能器的側(cè)面布置在支承座上，該支承座具有還設(shè)有接觸線的支承座表面，則是尤其有利的。此支承座還被稱作砧座。具有接觸表面的砧座另外確保了在砧座和工件之間產(chǎn)生盡可能少的摩擦，從而由于尤其在第一工件和第二工件之間的界面的區(qū)域中發(fā)生的摩擦而導(dǎo)致產(chǎn)生熱。尤其優(yōu)選地，支撐表面的輪廓與結(jié)合上文的超聲焊極描述的輪廓相同。但是，還能夠想到肋具有其他尺寸或形狀。

31、已經(jīng)表明，由于優(yōu)化的能量輸入，相對短的焊接時間是可能的。通常情況下，焊接時間在50至60毫秒的焊接工藝足以例如將由塑料材料制成的傾倒嘴焊接到平坦的包裝材料上。更長時間的焊接會導(dǎo)致對包裝材料造成損壞，即使是采用根據(jù)本發(fā)明的具有相對寬的導(dǎo)能器以及具體布置的接觸線的結(jié)構(gòu)。因此，優(yōu)選采用發(fā)生器生成超聲振動，以允許非常精確地控制焊接時間。尤其是，應(yīng)該能夠?qū)⒑附訒r間設(shè)置到至少5毫秒的精度。當采用平行于第一工件和第二工件之間界面的扭轉(zhuǎn)振動或縱向振動時，足夠的能量仍然被引入工件以使得即使在短的焊接時間內(nèi)也能夠獲得可靠的接縫。

32、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，其中也提供了第一工件和第二工件，二者以上文所述的方式接觸，其中通過超聲焊極的工作表面將超聲振動引入其中一個工件。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，在導(dǎo)能器的區(qū)域中、在至少一個聲導(dǎo)入點將超聲振動導(dǎo)入第一工件或第二工件。從聲導(dǎo)入點起，至少其中一個工件的材料發(fā)生融化直至與該聲導(dǎo)入點間隔開的融化區(qū)。通過在遠離實際焊接區(qū)域的聲導(dǎo)入點處選擇性地引入振動，即使工件在聲導(dǎo)入點處由于其接觸超聲焊極而受到損壞，也能夠形成令人滿意的焊接。

33、根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提出了一種復(fù)合制品。該制品通常由第一工件和第二工件組成。通常情況下，通過如上所述的方法執(zhí)行組裝。具體地，該制品是包裝。例如，第一工件是通常注塑成型的倒出部。第二工件通常是多層包裝膜。此膜為現(xiàn)有技術(shù)已知并且具有鋁層、紙板層和塑料層。但是，也能夠想到單層膜。

34、第一工件和第二工件借助于超聲焊接連接在一起。第一工件在面向第二工件的側(cè)面上具有導(dǎo)能器。然而，應(yīng)當理解，導(dǎo)能器可在焊接過程中完全或部分地消失。

35、根據(jù)本發(fā)明，第二工件上的制品在沿著導(dǎo)能器的區(qū)域中具有聲導(dǎo)入印記。該聲導(dǎo)入印記通過焊接區(qū)彼此間隔開并且彼此分開。該聲導(dǎo)入印記橫向于導(dǎo)能器延伸。通過在各個位置處導(dǎo)入超聲，可能如上所述以更小的振幅和/或更短的焊接時間進行工作。這確保了即使是壓力敏感的工件也能夠不受損壞地可靠、尤其是牢固且緊密地焊接。

36、本發(fā)明的另一方面涉及復(fù)合制品，替代地或補充地，其中導(dǎo)能器具有優(yōu)化的橫截面形狀。尤其是，同樣在此實施例中，該復(fù)合制品是包括第一工件和第二工件的包裝。優(yōu)選地，這是如上文所述的制品。

37、第一工件和第二工件通過超聲焊接連接在一起。第一工件在面向第二工件的側(cè)面上具有導(dǎo)能器。該導(dǎo)能器的橫截面尤其呈梯形并且具有用于連接至第二工件的接觸表面。該接觸表面尤其是平坦的。接觸表面具有寬度，導(dǎo)能器具有垂直于接觸表面的高度。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，接觸表面的寬度是導(dǎo)能器的高度的至少五倍、優(yōu)選至少七倍。具體地，接觸表面的寬度約為導(dǎo)能器的高度的十倍。這樣，提供了平坦且相對寬的接觸表面。由此防止了導(dǎo)能器穿入包裝材料，該進入可能損傷包裝材料。同時，已經(jīng)表明，具有此種橫截面的導(dǎo)能器足以產(chǎn)生出可靠的焊接。尤其優(yōu)選地，導(dǎo)能器的寬度為0.5mm至2mm，尤其優(yōu)選0.7mm至1.2mm。導(dǎo)能器的高度優(yōu)選為0.5mm至1.2mm并且優(yōu)選約為0.1mm。

38、第一工件通常包括第一塑料材料或由第一塑料材料構(gòu)成。具體地，該材料可為hdpe。第二工件至少在面向第一工件的側(cè)面上通常具有不同于第一塑料材料的第二塑料材料。通常情況下，第二塑料材料為ldpe。

39、具體地，可采用不同的塑料材料，它們具有彼此之間相差不大的不同熔點。通常情況下，熔點不會相差超過約40°。

40、具體地，如果第二工件為層壓件，聲導(dǎo)入印記可基本上延伸穿過層壓件的最上層。在包裝膜的情況下，聲導(dǎo)入印記尤其延伸穿過最上方塑料層到達紙板層的高度。

41、優(yōu)選地，在上文所述的所有實施例示例中，導(dǎo)能器橫向于接觸線延伸。具體地，關(guān)于上文所述的導(dǎo)能器，還能夠想到導(dǎo)能器幾乎平行于接觸線延伸。另外，接觸線和導(dǎo)能器之間的夾角也會沿著導(dǎo)能器改變。具體地，能夠想到例如采用具有環(huán)形工作表面和以星形布置的接觸線的扭轉(zhuǎn)超聲焊極來焊接非環(huán)形輪廓，例如方形輪廓。在此情況下，例如，導(dǎo)能器和接觸線之間的夾角可在45°至90°之間變化(在方形的拐角的區(qū)域中為45°，在方形的側(cè)面的中心區(qū)域中為90°)。

42、本發(fā)明的又一方面涉及用于連接由不同材料制成的工件的替代方法。尤其優(yōu)選地，此工藝結(jié)合上文所述的工藝執(zhí)行。但是，其也可有利地應(yīng)用于其他方面。根據(jù)本發(fā)明，將由不同材料制成的工件連接在一起。第一工件至少在面向第二工件的界面區(qū)域中具有第一結(jié)晶程度。第二工件至少在面向第一工件的界面區(qū)域中具有第二結(jié)晶程度。第二結(jié)晶程度不同于第一結(jié)晶程度。工件在聲導(dǎo)入表面處經(jīng)受扭轉(zhuǎn)振動，由此工件彼此結(jié)合。已經(jīng)表明，如果工件具有不同的結(jié)晶程度，那么傳統(tǒng)的縱向焊接工藝幾乎無法在由不同材料制成的部件之間形成可靠的焊縫。只有在工件中的非晶和結(jié)晶組分在焊接過程中同時軟化，才能夠產(chǎn)生充分焊接。具體地，具有高結(jié)晶含量的工件需要高能并且由此還需要高的振幅，以在足夠短的時間內(nèi)實現(xiàn)進入焊接區(qū)域的最大能量輸入。同時，在縱向振動引入的情況下，為了不損壞已經(jīng)以較小振幅被軟化的具有更大非晶含量的工件，不能引入足夠高的振幅。在扭轉(zhuǎn)振動開始時不存在此問題。

43、例如當將ldpe焊接至ldpe與將ldpe焊接至hdpe進行比較時，可以看到本發(fā)明的此方面的效果。采用30μm的振幅，在將ldpe焊接至ldpe時可獲得65%的連接比例。在不損壞工件的情況下采用縱向振動也能夠獲得30μm的振幅。另一方面，在ldpe與hdpe結(jié)合的情況下，30μm的振幅僅能獲得20%的結(jié)合比例(即僅在臨近界面的20%的體積中形成了接合配對件之間的結(jié)合)。這不足以形成可靠的焊縫。

44、將振幅提高到40μm會導(dǎo)致兩個工件中非晶和晶體組分融化。ldpe和hdpe材料在分子水平形成了足夠強的結(jié)合。

45、此發(fā)現(xiàn)使得在各種應(yīng)用中焊接不同的材料對成為可能：傳統(tǒng)應(yīng)用包括在保險杠中焊接傳感器支承件，焊接傳感器殼體或者在用于咖啡的包裝中焊接香氣防護閥。

46、在聲導(dǎo)入表面的區(qū)域中由此尤其優(yōu)選振幅至少為40μm的扭轉(zhuǎn)振動。

47、第一結(jié)晶程度優(yōu)選為10%至60%，第二結(jié)晶程度為60%至90%。

48、基于上述發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的工藝可尤其優(yōu)選用于在界面的區(qū)域中連接具有l(wèi)dpe和hdpe的工件。該工件可由ldpe或hdpe制成一體件。然而，還能夠想到的是僅在界面的區(qū)域中為工件設(shè)置對應(yīng)材料，例如塑料圖層包裝材料(帶有l(wèi)dpe層的鋁和紙板基板)就是這樣。

49、本發(fā)明的又一方面涉及包括至少兩個工件的復(fù)合制品。第一工件至少在面向第二工件的界面區(qū)域中具有第一結(jié)晶程度。第二工件至少在面向第一工件的界面的區(qū)域中具有第二結(jié)晶程度，第二結(jié)晶程度不同于第一結(jié)晶程度。工件通過由扭轉(zhuǎn)超聲振動產(chǎn)生的、位于界面之間的焊縫彼此連接。借助于扭轉(zhuǎn)超聲振動形成的焊縫可借助于布置在聲導(dǎo)入界面上的聲導(dǎo)入印記識別出來，該聲導(dǎo)入印記至少部分顯現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)對稱性。