無菌包用鋁箔的質(zhì)量分析與控制

郝風(fēng)昌， 陳 凱

（上海神火鋁箔有限公司，上海 201319）

無菌包保質(zhì)期長(zhǎng)，安全性高，是現(xiàn)代乳、飲品企業(yè)采用的最先進(jìn)和最常用的包裝材料[1]。隨著人們對(duì)現(xiàn)代生活高品質(zhì)的追求，無菌包愈來愈受到大眾的喜愛和使用[2]。無菌包由鋁箔與紙、聚乙烯（polytene，PE）等多層材料復(fù)合在一起[3]，然后印刷制成，如圖1所示。由于鋁箔薄而輕，且具有防潮性好、無毒、無味、遮光性和隔熱性好等優(yōu)點(diǎn)[4]，所以它是無菌包中不可或缺的材料；又由于無菌包材料生產(chǎn)時(shí)的復(fù)合速度很快，因而對(duì)鋁箔質(zhì)量要求苛刻，其被視為技術(shù)門檻最高的鋁箔產(chǎn)品。

1 無菌包產(chǎn)品的特殊要求

高端無菌包產(chǎn)品最大的特點(diǎn)是：對(duì)生產(chǎn)過程中斷帶要求極高。由于其復(fù)合速度快，設(shè)備機(jī)列長(zhǎng)，一旦斷帶，會(huì)造成紙和PE的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且重新開機(jī)前需要徹底清理整個(gè)機(jī)列，耗時(shí)又耗錢，停機(jī)一次40 min左右，損失上萬元。經(jīng)分析，無菌包材料在復(fù)合過程中易造成斷帶的主要原因是：

（1）鋁箔接頭不牢固，在復(fù)合過程中斷裂；

（2）生產(chǎn)過程中有設(shè)備潤滑油等液壓油甩到鋁箔表面，經(jīng)退火工序后，油污燒結(jié)，將兩層鋁箔粘在一起，打開時(shí)將鋁箔撕破而造成斷帶。

圖 1 無菌包各層材料圖Fig.1 Diagram for each layer materials of aseptic package

2 焊接質(zhì)量影響及控制

2.1 焊接原理

鋁箔超聲波焊接是先將交流工頻電流轉(zhuǎn)化成高頻電能，電能再通過換能器轉(zhuǎn)化成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而把能量傳遞給焊盤，焊盤對(duì)鋁箔加壓并傳遞振動(dòng)能量，使得兩層鋁箔表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合，從而達(dá)到焊接的效果[5]。鋁箔獨(dú)特的金屬特性，使它對(duì)焊接性能要求極高，表現(xiàn)為壓力和振幅等參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，就會(huì)造成鋁箔斷裂或者孔洞，致使鋁箔接頭抗拉強(qiáng)度不夠，造成后續(xù)加工時(shí)斷帶。

2.2 焊接試驗(yàn)

材料為8079 鋁合金，規(guī)格為0.006 mm×1 625 mm，在分切機(jī)上進(jìn)行焊接試驗(yàn)。通過對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)焊接接頭質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，從而確定雙零鋁箔接頭焊接過程中的工藝參數(shù)。

2.2.1 振幅

振幅是鋁箔焊接過程的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如同電烙鐵的溫度，溫度達(dá)不到就會(huì)熔接不上，溫度高就會(huì)使原材料氧化或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)破壞而強(qiáng)度變差[6]。

超聲波焊接機(jī)振幅通過調(diào)節(jié)旋鈕使振幅在額定振幅的30%～100%變化，同時(shí)對(duì)應(yīng)額定焊接輸出功率在6%～100%變化。圖2顯示了焊接機(jī)輸出功率和振幅調(diào)節(jié)范圍的關(guān)系：增大焊接機(jī)的振幅，焊接機(jī)的輸出功率將相應(yīng)變化[7]。

圖 2 焊接機(jī)輸出功率與振幅的關(guān)系Fig. 2 Relation between output power and amplitude of welding machine

2.2.2 焊接壓力

由焊接裝置上的氣缸來完成在焊接過程中對(duì)焊盤加壓、保壓等壓力工作，從而控制焊盤與鋁箔的接觸壓力。焊接壓力與輸出功率的關(guān)系如圖3所示[7]。

在分切機(jī)上生產(chǎn)合金為8079、規(guī)格為0.006 mm×1 650 mm的雙零鋁箔，焊接速度設(shè)為25%，壓力分別設(shè)置為 0.05，0.07，0.09 和 0.11 MPa，進(jìn)行焊接測(cè)試，每組焊接5個(gè)樣品，接頭焊接后取樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1。從表1中可以看出，雙零鋁箔接頭焊接時(shí)應(yīng)將焊接壓力控制在一定范圍之內(nèi)。過大的施加壓力將導(dǎo)致焊件接口變形，不利于焊接結(jié)合[8]。

2.2.3 焊接速度

在分切機(jī)上生產(chǎn)合金為8079、規(guī)格為0.006 mm×1 625 mm的雙零鋁箔，焊接壓力統(tǒng)一設(shè)定為定值0.09 MPa，焊接速度分別設(shè)置為10%，20%和40%，接頭焊接后取試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2。從表2中可以看出，在焊接壓力一定時(shí)，焊接速度不宜過快。

2.2.4 焊盤及其操作

焊盤是由特殊材料制成的、形狀如碟盤般并將機(jī)械振動(dòng)能直接傳輸?shù)叫鑹汉虾附愉X箔間的一種聲學(xué)裝置。其表面要求圓滑，無凹坑，無磨損。焊接時(shí)，上下兩張鋁箔要拉平，防止卷取時(shí)接頭處起皺或串層；同時(shí)，左右兩條（或多條）鋁箔拉的松緊要一致，如有扒料，要保證扒料后兩側(cè)直徑一致；焊接好后，撕邊留下的重疊部分寬窄要均勻，不能有撕邊缺陷等，重疊量要小。

圖 3 焊接壓力與焊接功率的關(guān)系Fig. 3 Relationship between welding pressure and welding power

表 1 壓力與焊接質(zhì)量的關(guān)系Tab.1 Relationship between pressure and welding quality

表 2 焊接速度與焊接質(zhì)量的關(guān)系Tab.2 Relationship between welding speed and welding quality

2.3 焊接效果

通過以上試驗(yàn)摸索，制定出鋁箔焊接的合適工藝，經(jīng)焊接的接頭抗拉強(qiáng)度在退火前可大于130 MPa，退火后可大于70 MPa，遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50 MPa。產(chǎn)品送到客戶處使用效果好，5年中僅發(fā)生一次焊接接頭造成的鋁箔斷帶。

3 表面油污的分析及控制

鋁箔生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過軋機(jī)、合卷機(jī)、分切機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備使用的液壓油和潤滑油有很多種。如果這些油密封及擋油處理不好，油被甩到鋁箔表面，經(jīng)退火后油污被燒結(jié)，會(huì)在鋁箔打開時(shí)造成鋁箔斷帶，見圖4和圖5。

圖 4 某輥軸承油污油滲出Fig. 4 Oil leakage from a roll bearing

圖 5 油點(diǎn)造成的撕裂Fig. 5 Tear caused by oil spots

3.1 油污來源查找

取樣品做電鏡掃描（見圖6），并進(jìn)行圖譜分析（見表3），與設(shè)備上使用到的各種油脂、高壓油、低壓油的圖譜進(jìn)行對(duì)比，按照官能團(tuán)圖譜，可判斷出油污的來源[9-10]。

3.2 鋁箔表面油污產(chǎn)生的原因分析

采用魚骨圖的分析方法，從人機(jī)料法環(huán)五方面進(jìn)行分析，結(jié)果見圖7。

圖 6 某樣品能譜圖Fig. 6 Energy spectrum of a sample

圖 7 表面油污主因素分析Fig.7 Analysis of the main factors for surface oil pollution

表 3 樣品化學(xué)成分分析Tab.3 Chemical composition analysis of the sample

3.3 糾正預(yù)防措施與控制

（1）制定詳細(xì)的關(guān)鍵控制點(diǎn)清單，對(duì)軋機(jī)、合卷機(jī)、分切機(jī)的所有錐頭、導(dǎo)輥、液壓管路等提出清潔標(biāo)準(zhǔn)及檢查方法，嚴(yán)格執(zhí)行。

（2）操作人員若發(fā)現(xiàn)擋油防護(hù)板在使用過程中出現(xiàn)松動(dòng)或者掉落的情況，應(yīng)及時(shí)報(bào)修當(dāng)班機(jī)械維修人員處理，防止有油點(diǎn)甩到鋁箔表面。

（3）試驗(yàn)各個(gè)輥潤滑油的最低供應(yīng)量，摸索膠輥、焊接輥的加油頻次，找出能滿足潤滑的最低用油量。

（4）每天檢查潤滑情況，發(fā)現(xiàn)密封失效的，報(bào)設(shè)備人員及時(shí)進(jìn)行處理。

（5）人員培訓(xùn)，對(duì)設(shè)備加油人員進(jìn)行技能培訓(xùn)，防止油品加錯(cuò)等；對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，學(xué)會(huì)如何擦油及遇到問題時(shí)如何處置。

（6）檢查設(shè)備出入口橫梁以及煙罩，保證無凝結(jié)油滴，定期清理衛(wèi)生。

（7）檢查設(shè)備內(nèi)部橫梁以及各位置，要求定期清理。

圖 8 表面檢測(cè)裝置顯示屏幕截圖Fig. 8 Screen capture of the display screen in surface inspection device

（8）在分切機(jī)安裝表面檢測(cè)裝置。用表面檢測(cè)裝置（圖8）對(duì)鋁箔表面可能的蚊蟲、油污等進(jìn)行在線測(cè)量，并將缺陷分類、統(tǒng)計(jì)、分析，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，為后續(xù)工藝改進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量提升提供數(shù)據(jù)支持。

3.4 效果驗(yàn)證

經(jīng)過采取以上措施，無菌包表面油污等問題造成的斷帶明顯降低，無斷帶運(yùn)行米數(shù)增加到以前的5 倍以上（見圖 9）。

圖 9 鋁箔在客戶處無斷帶運(yùn)行米數(shù)匯總表Fig.9 Summary of the aluminum foil running meters without break at the customer's place

4 結(jié) 論

無菌包用鋁箔的質(zhì)量主要在于焊接質(zhì)量和表面油污的控制，而焊接質(zhì)量主要取決于焊接壓力、焊接速度和焊盤質(zhì)量及焊接操作諸方面。本文采用0.06～0.10 MPa的壓力，采用15%～45%的焊接速度，能達(dá)到很好的焊接質(zhì)量；油污控制主要是防止泄漏和加裝擋油板。經(jīng)過以上一系列的措施，無菌包用鋁箔質(zhì)量可以得到明顯提升。對(duì)于客戶最重視的斷帶問題，本文作者曾采用上述工藝和方法使產(chǎn)品斷帶間運(yùn)行米數(shù)提高到了開始時(shí)的5倍，還曾創(chuàng)造過客戶無斷帶運(yùn)行米數(shù)的記錄。