專利名稱：軟管包裝及其制造方法
發(fā)明的領域本發(fā)明涉及在管的一端具有可重復閉合的封蓋(closures)的軟管包裝，并涉及將軟管包裝元件焊接在一起的方法。
發(fā)明的背景軟管包裝常用于各種產(chǎn)品，如牙膏和藥膏。通常形成管體并在其一端封接一個可重復閉合的封蓋配件進行閉合。隨后從管體的另一端裝入產(chǎn)品。在該端沿與管體縱向垂直的方向壓扁管體，進行卷邊和/或平面熱封。
一些管體是由擠塑或吹塑管制成的，一些管體是將熱塑性膜卷起的兩邊重疊封接在一起制成的。通常將可重復閉合的封蓋配件(稱為管頭)設計成帶螺紋的封蓋。它們通常是注塑而成的。
通常使用感應(induction)或電介質(zhì)(dielectric)封接方法，或者對流/傳導封接方法將管頭焊接至開口管體的一端。例如，可將管頭和管體放置在一起，用感應加熱或電介質(zhì)加熱方法在環(huán)境溫度或低溫度的工具的壓力下向部件界面提供壓力而焊接之。由于感應加熱是通過在管頭周圍施加振蕩磁感應場進行加熱的，因此它依賴于管頭、管體或管體和管頭中間的金屬層。由于電介質(zhì)加熱是通過在管頭周圍施加無線電頻率的電磁場進行加熱的，因此它依賴于具有極性分子的某些塑料材料。對流/傳導方法使用熱空氣和/或加熱的工具使熱穿透一個部件到達部件間的界面上，隨后將部件保持在壓力下以完成焊接。使用冷工具的方法(如感應和電介質(zhì)能量)完成管體與管頭間焊接的速度通常要比使用熱工具的方法的焊接速度快。
許多現(xiàn)有技術的參考文獻披露了含有三個部件的管結(jié)構(gòu)，包括疊合的管體、疊合的肩部件和注塑的配件。據(jù)信金屬層是作為感應封接的加熱裝置的。例如1985年7月2日公布的Grimsley的美國專利4,526,297披露了金屬疊合的三部件管結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)需要對三種部件進行成形、操作并連結(jié)，它肯定不如僅需要成形和操作兩種部件的管結(jié)構(gòu)那樣合乎要求。
管體和具有圓錐形肩部的管頭的焊接常需要該圓錐形肩部具有伸出的能卷住管體的圓柱形突邊，或者鍛壓管體的一端，使之與管頭肩部的圓錐角相匹配。在這兩種方法中，一個部件的表面與另一個部件的表面重疊，產(chǎn)生封接的界面。肩部的突邊意味著增加材料，從而增加軟管包裝的成本。它還在出料口附近增加軟管包裝的硬度，從而難以擠完軟管包裝中的最后一點產(chǎn)品。突邊焊接通常包括旋轉(zhuǎn)軟管和順序地在徑向施加壓力，而鍛壓包括施加在整個封接區(qū)域的軸向壓力。因此，鍛壓軟管的一端常優(yōu)于提供突邊。鍛壓通常是在將部件放置在一起進行封接前實施的。
因此需要一種僅由兩種部件組成的低成本軟管包裝，兩種部件都無需昂貴的金屬層或極性分子材料；以及需要一種將管的鍛壓和焊接放在單一的步驟中，具有最短生產(chǎn)時間的制造方法。
發(fā)明的概述超聲波焊接是不同于感應和電介質(zhì)焊接的一種封接方法，它同樣具有一種冷工具以形成快速的焊接生產(chǎn)。超聲波焊接接無需依賴于極性分子材料或金屬層壓的疊合物在封接界面產(chǎn)生熱量。取而代之的是在部件之間的界面上將振動能轉(zhuǎn)化成熱能。因此，超聲波提供了很大的熱塑性材料的選擇范圍以及高的形成速度。
本發(fā)明的一個方面是一種具有可重復閉合的封蓋的軟管包裝，包括具有第一開口端和第二開口端的管體。它還包括具有外肩表面和圓形邊緣的管頭。管頭恰好位于管體第一開口端之內(nèi)，使得管體的連續(xù)壁部分軸向地伸出管頭圓形邊緣。該連續(xù)的壁部分被鍛壓并用超聲封接至外肩表面上。管體的第二開口端被壓扁并被封閉。
較好的是，管頭具有熔入連續(xù)壁部分和外肩表面之間的封接界面的能量集中環(huán)(energy concentration ring)，并且管體和管頭僅是兩種由可焊接的非極性塑料制成的單獨部件，所述塑料部件中無金屬疊層和金屬顆粒。較好的是，在鍛壓前管體的連續(xù)壁部分伸出管頭圓形邊緣約2-4mm。
本發(fā)明的另一方面是具有可重復閉合的封蓋的軟管包裝的制造方法，包括如下步驟制造具有第一開口端和第二開口端的管體；并制造具有內(nèi)肩表面和外肩表面以及圓形邊緣的管頭。其它步驟包括將管頭置于型芯上，該型芯具有與內(nèi)肩表面適配的砧表面；將型芯和管頭放入管體的第一開口端，使管體的連續(xù)壁部分軸向地伸出管頭的圓形邊緣。另一個步驟包括在用型芯的砧表面支承管頭的同時，將連續(xù)的壁部分鍛壓至管頭的外肩表面上，形成管體的鍛壓端。再一個步驟包括用超聲將管體的鍛壓端封接在管頭的外肩表面上，以便閉合管體的第一開口端。
本方法還包括如下步驟將產(chǎn)品裝入軟管包裝的第二開口端，壓扁第二開口端，將第二開口端封閉。本方法還可包括將能量集中環(huán)熔入鍛壓端和外肩表面之間的封接界面的步驟?？稍趯⒐茴^封接至管體上以前或者將管頭封接至管體以后，將可重復閉合的封蓋連結(jié)至管頭上。
附圖簡述盡管本說明書以具體并明確提出本發(fā)明范圍的權(quán)利要求書結(jié)尾，但是相信下列結(jié)合附圖的較好實例的描述有助于更好地理解本發(fā)明。附圖中相同的元件使用同一標號。


圖1是本發(fā)明軟管包裝的較好實例的部件分解正視圖，說明了封蓋、管頭和管體；圖2是用于封接管頭和管體的較好方法的型芯的正視圖；圖3是圖1所示的封蓋和管頭裝配和安裝在型芯上后的正視圖；圖4是一個剖面圖，顯示在焊接前管頭在管體第一開口端中的位置；圖5是圖4虛環(huán)線5部分的放大的視圖，顯示一個凸出于管頭錐形肩的超聲波能量集中環(huán)；圖6是與圖4相似的剖面圖，顯示超聲波集聲器在用型芯支承管頭的同時將管體的第一開口端鍛壓至管頭的外肩表面，并將鍛壓的第一開口端焊接至管頭的肩上；圖7是圖6虛線環(huán)7部分的放大的視圖，顯示管體和管頭間焊接的界面；圖8是圖1軟管包裝裝配后的部分剖面圖，顯示倒置并填充的軟管；圖9是側(cè)視圖，顯示用封接夾具壓扁管體的第二開口端并封閉之。
本發(fā)明的詳細描述現(xiàn)參照附圖，具體地說參照圖1，這是本發(fā)明第一個較好的實例，它提供了一個總括地標為10的軟管包裝。以部件分解方式顯示的包裝10包括可重復閉合的封蓋12，總括地標為14的管頭和管體16。管頭具有肩18(該肩具有圓形邊緣20、外表面22和內(nèi)表面23(圖1中未顯示))和帶螺紋的配件24。配件24具有孔25(圖1中未顯示)，當包裝10裝配后孔25與管體16流體相通。管頭14還最好具有用于將管頭14以超聲方法焊接至管體16的能量集中環(huán)26。管頭14最好是注塑的；但是，熱定形管頭(包括配件)，為向管頭中加入防滲層提供了一條途徑。
管體16具有第一開口端28和第二開口端30。圖中顯示管體16具有一條重疊的接縫32，但是管體16可以是無縫管，例如，可以是由塑料擠出或吹塑法制得的塑料管。
管頭14和管體16各自最好由塑料制成。它們既無需包含用于感應封接的昂貴的金屬疊層或金屬顆粒，又無需使用電介質(zhì)封接所必須的極性分子塑料制成。僅需要使用與超聲波振動的熱焊接相容的材料即可。
圖2顯示用于放置并將管頭14焊接至管體16上標號為34的型芯。型芯34具有與管體16內(nèi)徑松配合的芯體36，最好兩者間具有0.003-0.010英寸(0.076-0.254mm)的空隙。型芯34還具有臺階38、肩部40和定心細柱42。當型芯34插入管體16時，臺階38用于放置第二開口端30。定心細柱42將配件24定位于型芯上，假定配件24位于管頭14的中心位置上。如果配件24不在管頭14的中心位置上，則需要繞細柱42調(diào)整管頭的位置以插入管體16。
肩部42的造型與管頭14的內(nèi)肩表面23的造型基本相同，以便作為砧表面用于將管體16焊接至外肩表面22上。肩部40可具有用于將管頭固定在型芯34上的真空孔(圖中未顯示)。同樣，也可使用按扣配合將管頭固定在型芯34上。
圖3顯示了預裝配至管頭14上的封蓋12，并且兩者都滑入型芯34的定心細柱42上。在這種情況下，型芯34插入第二開口端30，穿過管體16將管頭14安置在第一開口端28。但是，也可以使用幾種其它的裝配次序。首先，在部件焊接在一起之后或緊接在填充軟管包裝10之前才將封蓋12安置在管頭14上。其次，可將型芯34插入管體16，隨后將管頭14置于定心細柱42上。由于管頭14最好滑入管體16并與之適配，因此可將其放入第一開口端28并置于型芯34之上。較好的裝配次序是圖3和圖4所示的裝配次序。
圖4是顯示管體16在型芯34上位置、管頭14在型芯34上的位置和管頭14在第一開口端28鍛壓前和管體16之間的關系的剖面圖。管體16的連續(xù)壁部分27最好沿軸向伸出管頭14的圓形邊緣20約2-4mm。虛環(huán)線5標明了放大的視圖5的位置。圖5更清楚地顯示在管頭14的外肩表面22上的能量集中環(huán)26。盡管超聲波焊接無需環(huán)26，但是環(huán)26可改善超聲波封接并降低超聲波集聲器對型芯定位所需的精度，以便圍繞整個管頭14產(chǎn)生良好的封接。例如，如果型芯34是四個如刻度輪(indexing wheel)上等距離輻條那樣輻射狀安裝的型芯中的一個，并且超聲波集聲器安裝在該輪的外面，則各個型芯或各個刻度與集聲器會有一定的定位差異。
圖6顯示超聲波集聲器44降落在由型芯34支承的管頭14上。集聲器44最好是中空的，環(huán)繞管頭14的封蓋12和配件24而不與它們接觸。超聲波集聲器能在十分之幾秒內(nèi)使封接界面發(fā)熱，而無需通過一個部件或其它部件進行熱傳導。同時，由于是冷工具而非加熱工具，因此，通常由鋁制成的超聲波集聲器從軟化的封接界面上吸收熱量，從而能使焊縫快速固化。因此，使用超聲波集聲器44所需要的生產(chǎn)時間最少。
集聲器44具有內(nèi)臺階46，該臺階將連續(xù)的管壁部分27鍛壓至外表面22上，在管體16上形成鍛壓端48。該鍛壓步驟是在集聲器44降落在連續(xù)的管壁部分27時發(fā)生的。當鍛壓發(fā)生時，型芯34的臺階38支承著管體16的第二開口端30。在該過程中在鍛壓端48產(chǎn)生褶皺。但是，當工具44的內(nèi)臺階46將鍛壓端48壓向管頭14的外肩表面22時，該褶皺被壓平了并且鍛壓端48被焊接在表面22上，這最好參見圖7，圖7是圖6虛環(huán)線部分的放大的視圖。
圖7還顯示了被型芯34的肩部40支承著的管頭14的內(nèi)肩表面23。箭頭50表示集聲器44的振動方向。能量集中環(huán)26被熔化并流入封接界面52，這發(fā)生在鍛壓端48和外肩表面22之間。當焊接完成后，在鍛壓端48的頂端最好形成邊緣變薄的過渡段。
圖8表示管頭14焊接在管體16上并且封蓋12安裝在管頭14上。如上所述，可在管頭14和管體16焊接在一起之前或之后安裝封蓋12。圖8部分剖開地顯示產(chǎn)品54從第二開口端30裝入倒置的軟管包裝10中。在產(chǎn)品54上方應留出足夠的空間以便壓扁并閉合第二開口端30。
圖9顯示第二開口端30沿與管體16基本垂直的方向被壓扁。最好用一對對置的封接模頭56和58將第二開口端30壓扁并閉合?？稍谘b入產(chǎn)品前封閉第二開口端30，此時產(chǎn)品可通過管頭14上的孔52裝入，但是，相對于第二開口端30較小尺寸的孔52會增加產(chǎn)品裝填時間。因此，最好由第二開口端30裝入產(chǎn)品。同時，可以在不與管體16縱向軸對準或垂直的平面上封閉第二開口端30。但是這種情況是不對稱的。另外，管體16和型芯34無須是圓柱形的，但是最好是圓柱形的以避免管頭定位問題。
在本發(fā)明最好的實例中，管頭14由低密度聚乙烯模塑而成，在焊接處圓錐形肩18的厚度為0.020英寸(0.51mm)。環(huán)26從外肩表面22至與軸的夾角為90°的那一點約升高了0.017英寸(0.43mm)。肩18與管頭旋轉(zhuǎn)軸的夾角約45°。在圓形邊緣20管頭14的直徑約為1.07英寸(27.18mm)。
管體16由低密度聚乙烯、乙烯-乙烯醇共聚物和直鏈低密度聚乙烯襯里層壓而成。該層壓物的目錄號為GS6268，由American National Can of Washington，NJ制造。管體16的壁厚為0.011英寸(0.28mm)。管體16的內(nèi)徑(此處膜重疊并接縫)約1.08英寸(27.43mm)。
型芯34由硬質(zhì)鋼制成，主體直徑與管頭14相同。型芯34的肩部或砧表面40與型芯的旋轉(zhuǎn)軸的夾角為45°。
超聲波封接是用Branson Ultrasonics of Danbury，CT制Branson 401型20kHz超聲波封接機進行的。在約0.8秒振動時間和0.5秒保持時間內(nèi)在焊接區(qū)域形成約4000psi(275.8巴)的壓力。振幅估計為0.002英寸(0.051mm)。集聲器44由2024 T351鋁制成，內(nèi)臺階與集聲器的旋轉(zhuǎn)軸的夾角約為45°。
盡管對本發(fā)明具體實例進行了說明和描述，但是在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，各種變化和改進對本領域中的熟練技術人員來說是顯而易見的，在所附的權(quán)利要求中包括所有這些在本發(fā)明范圍內(nèi)的改進。
權(quán)利要求
1.具有可重復閉合的封蓋的軟管包裝，其特征在于a)具有第一開口端和第二開口端的管體；以及b)具有外肩表面和圓形邊緣的管頭；所述管頭恰好位于所述管體的第一開口端之內(nèi)，使得所述管體的連續(xù)壁部分軸向地伸出所述管頭的所述圓形邊緣，所述連續(xù)的壁部分被鍛壓并用超聲封接至所述外肩表面上，所述管體的所述第二開口端被壓扁并被封閉。
2.具有可重復閉合的封蓋的軟管包裝，其特征在于a)具有第一開口端和第二開口端的管體，所述管體是由其中無金屬疊層的塑料制成的；以及b)由其中無金屬疊層的塑料制成的管頭，所述管頭具有外肩表面和圓形邊緣；所述管頭恰好位于所述管體的第一開口端之內(nèi)，使得連續(xù)的壁部分，所述連續(xù)的壁部分被鍛壓并用超聲封接至所述外肩表面上，所述管體的所述第二開口端被壓扁并被封閉。
3.如權(quán)利要求1或2所述的軟管包裝，其特征在于所述管頭具有熔入連續(xù)壁部分和外肩表面之間的封接界面的能量集中環(huán)。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的軟管包裝，其特征在于所述管體和所述管頭是由其中無金屬疊層和金屬顆粒的可焊接、非極性的塑料制成的。
5.具有可重復閉合的封蓋的軟管包裝制造方法，其特征在于包括如下步驟a)制造管體，所述管體具有第一開口端和第二開口端；b)制造具有內(nèi)肩表面和外肩表面以及圓形邊緣的管頭；c)將所述管頭置于型芯上，所述型芯具有與所述內(nèi)肩表面適配的砧表面；d)將所述型芯和所述管頭放入所述管體的所述第一開口端，使所述管體的連續(xù)壁部分軸向地伸出所述管頭的所述圓形邊緣；e)將所述連續(xù)的壁部分鍛壓至所述管頭的所述外肩表面上，形成所述管體的鍛壓端，所述管頭被所述型芯的所述砧表面所支承；以及f)用超聲將所述管體的所述鍛壓端封接在所述管頭的所述外肩表面上，以便閉合所述管體的所述第一開口端。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于還包括將能量集中環(huán)熔入所述鍛壓端和所述外肩表面之間的封接界面的步驟。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于所述管體的所述連續(xù)的壁部分伸出所述管頭的所述圓形邊緣2-4mm。
8.如權(quán)利要求5-7中任何一項所述的方法，其特征在于還包括將產(chǎn)品裝入所述軟管包裝的所述第二開口端的步驟。
9.如權(quán)利要求5-8中任何一項所述的方法，其特征在于還包括a)壓扁所述第二開口端，和b)將所述第二開口端封閉的步驟。
10.如權(quán)利要求5-9中任何一項所述的方法，其特征在于所述管體和所述管頭是由其中無金屬疊層和金屬顆粒的可焊接、非極性塑料制成的。
全文摘要
一種具有可重復閉合的封蓋(12)的軟管包裝(10),包括具有第一開口端和第二開口端的管體(16)。還包括具有外肩表面(22)和圓形邊緣(20)的管頭(14)。管頭(14)恰好位于管體(16)的第一開口端之內(nèi),使得管體(16)的連續(xù)壁部分(27)軸向地伸出管頭(14)的圓形邊緣(20)。連續(xù)的壁部分(27)被鍛壓并用超聲封接至外肩表面(22)上。管體(16)的第二開口端被壓扁并被封閉。管頭(14)具有熔入連續(xù)壁部分(27)和外肩表面(22)之間的封接界面的能量集中環(huán)(26)。并且管體(16)和管頭(14)是由其中無金屬疊層和金屬顆粒的可焊接、非極性的塑料制成的僅有的兩種單獨的部件。
文檔編號B29L23/20GK1173853SQ96191899
公開日1998年2月18日 申請日期1996年1月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月13日
發(fā)明者W·P·德克辛, D·P·格倫伯洽 申請人:普羅克特和甘保爾公司