金屬制罐工藝與機械設備發展現狀*

顧晉禾，黃旭彬，王 鵬，王雙喜，趙永杰※

（1.汕頭大學工學院機械電子工程系，廣東汕頭 515063；2.廣東旭日電器設備有限公司，廣東汕頭 515064；3.汕頭輕工裝備研究院，廣東汕頭 515061）

0 引言

金屬罐是一種傳統的儲存、運輸包裝容器，經國標GB13040-91定義為“用金屬薄板制成的容量較小的容器”[1]。金屬罐可用于內容物的暫時儲存、運輸流通和長期保存，相較于塑料、紙類、玻璃等包裝容器，不僅具有強度大、不易破裂、剛性好等優勢，還具有阻隔性、阻氣性、遮光性、防潮性、保香性、密封性等特點。目前，金屬罐已成為包裝行業中不可替代的一部分，廣泛應用于食品、化工、醫藥等行業[2]。

隨著金屬包裝下游行業食品、飲料、化工等行業的迅猛發展，包裝領域對金屬罐產品的需求呈旺盛態勢。傳統制罐行業企業規模小、生產效率低，設備老化、技術落后，生產集約程度低，亟待快速加強金屬制罐行業建設。根據相關的文獻報道，在金屬制罐技術領域中，日本、美國、中國占有重要地位[3]，這些國家在金屬制罐主要技術的專利申請分布如圖1所示[4]。

針對以上問題，本文從金屬罐的種類、材料、加工工藝及機械設備4個方面，較為系統地闡述了金屬制罐的材料特性、工藝特點、設備功能及其研究現狀，以期為金屬制罐行業人員提供有益參考，發展先進的機械設備與完善的工藝技術，推動行業自動化發展，提高技術創新能力，增加企業競爭力。

1 金屬罐的分類

我國國標GB 13040-91對金屬罐定義為用金屬薄板制成的容量較小的容器。由于在GB 13040-91中沒有“薄板”和“容量”的定量概念[1]，所以本文的金屬罐定義包含所有相同工藝、機械設備所制成的金屬包裝容器。由于分類方法不同，罐的種類各不相同。如表1所示。

表1 金屬罐的分類

1.1 按制造方法分類

按制造方法分類，金屬罐可分為三片罐與二片罐，三片罐是由罐身、罐底和罐蓋3部分組成，其中罐身有接縫，通常有3種方法使罐身接縫合一：傳統的錫焊法、電阻焊法與粘接法。最后使罐身與罐蓋、罐底分別卷封成型。二片罐是隨著制罐技術的快速發展，在20世紀中葉問世，其由罐身與罐蓋兩部分組成，其中罐身不需要搭接，直接由一塊金屬薄板通過沖床拉伸成型。二片罐和三片罐在性能和生產工藝方面各有優劣。二片罐的罐身是包含罐底的整體成型沒有接縫，規避了三片罐焊接接縫的鉛污染風險，擁有良好的密封性能，提高了美觀度有利于設計包裝，同時在工藝過程中較三片罐更為簡便。二片罐發展時間短，生產過程中對其材料性能與制罐設備的可靠性及技術工藝要求都比較高，這使二片罐的生產成本大大提高。同時由于二片罐罐身成型時受到了拉伸變形，其壁厚較薄易碰撞變形，不適用于對剛度要求較高的場合。總的來說，三片罐的生產工藝更為成熟，應用場合也更為廣泛。

1.2 按形狀分類

按罐的橫截面分類，金屬罐可以分為圓罐和異形罐兩類。其中圓罐是應用多、適宜加工的罐形，已成為罐頭食品的主流罐形。生活中的飲料罐、奶粉罐等都是圓罐。異形罐是非圓罐的總稱，罐形異形化是制罐技術發展的另一方向，尤其表現在飲料行業。早在1996年，日本就開發出異形鐵罐。1997年日本知名企業大和公司憑借異形罐在Cannex展覽會上贏得年度制罐獎。在美國，皇冠瓶蓋公司于1997年開始測試異形鋁罐，到1999年春季，該公司為Heineken研發、生產的異形飲料罐已經在美國市場流行。在中國，受行業大環境、市場需求、技術上存在壁壘與成本相對偏高的影響，異形金屬罐發展遲緩[5]。

圓罐相較于異形罐制造工藝簡單，對制罐機械的加工適應性要求不高，因此，在傳統金屬制罐領域中占有主要地位。但是，當今經濟發展迅速，人們生活水平不斷提高，異形罐為消費者滿足個性化的追求，為產品帶來更加美觀的效果，為公司提高品牌知名度，在未來有很大的發展空間，將成為金屬包裝的重要組成部分。

2 金屬罐材料的特性

金屬罐誕生至今，其制造材料從單一金屬材料到復合材料，發展出很多種不同的種類。這些材料各有優劣，通常通過綜合考慮其應用場合所需性能要求與所需成本要求，來選擇采用不同的材料。本文結合金屬材料的發展過程，按時間順序主要介紹馬口鐵、無錫鋼板和覆膜鐵這3種金屬。

2.1 馬口鐵

馬口鐵又稱鍍錫鐵，是指表面鍍有一層金屬錫的冷壓薄鋼板。由于錫自身防生銹和腐蝕的特性，馬口鐵具有強度高、耐腐蝕、良好的密封性和加工適應性等特點，被廣泛應用于食品、飲料、油漆、油墨、石油與天然氣的包裝容器之中，做成各式食品罐、油脂罐、化學罐和噴霧罐等。

馬口鐵在最早起源于波希米亞，該地盛產金屬，加工成型工藝先進，14世紀時期就開始生產馬口鐵，但當時生產條件受限，生產效率并不高。后來英國、德國的鍍錫板技術相繼得到快速發展，在1730年英國成為世界上第一個鍍錫板出口國，1934年德國實現第一個電鍍錫鋼板的工業化生產。鍍錫板的大力發展促進馬口鐵罐的出現，在19世紀初期英國杜蘭德使用鍍錫板制作食品包裝容器，相比傳統保存食物的方法具有更好的阻隔密封性和抗壓能力。但當時馬口鐵罐是由人工使用剪刀和烙鐵等工具制作，制造效率極低，人均日制罐量僅60~70個[6]，遠低于現代自動化生產量。總之，馬口鐵罐的出現不僅讓食品的保存時間增長，為食品的運輸提供便利，也為金屬制罐行業的發展奠定基礎。

2.2 無錫鋼板

無錫鋼板是指表面沒有鍍錫層的表面處理鋼板，是在金屬錫資源稀缺、成本昂貴的條件下研制出的一種新型制罐材料，通常分為鉻系無錫鋼板（表面鍍鉻）和鎳系無錫鋼板（表面鍍鎳），現在市面上多為鉻系無錫鋼板，在錫資源緊缺的情況下，能代替部分鍍錫鋼板完成產品制作，未來前景非常廣闊[7]。

鍍鉻工藝最早起源于20世紀初期GJSargent在實驗中通過對鉻酸溶液添加少量硫酸來提取出鉻鍍層，是鍍鉻溶液的初始配方，為鍍鉻技術的深入發展奠定基礎。鍍鉻工藝的迅速發展也推動其他行業的創新發展，在20世紀40年代初，美國的公司開始研究鍍鉻鋼板，海因茨工業公司和鋼鐵公司分別采用鉻酸進行化學浸潰處理鋼板和電解磷酸鹽處理鋼板的方法來生產鍍鉻鋼板。隨后日本于1955年開始研究鋼板的電解鉻酸處理，產出許多技術成果。

無錫鋼板的產品結構與鍍錫鋼板類似，包括4層結構，分別為油膜、鉻氧化物膜、金屬鉻層、基板。如圖2所示。

圖2 鍍鉻板結構

因此，無錫鋼板的工藝過程、結構性能及應用途徑與鍍錫板大致相同。在價格上比錫板要稍微便宜一些，鍍著量也比相同性能的鍍錫板要少，但防腐蝕能力較鍍錫板差，在酸性環境下更容易發生腐蝕，一般會在內外表面進行涂料來提高防腐蝕能力。其結構組成及特性如表2所示[8]。由于鉻及其氧化物與硫和堿型物質都不反應，具有很強的耐堿性和抗硫性，所以鍍鉻板適用于堿型環境。

表2 鍍鉻板的結構組成及特性

與鍍錫鋼板相比，無錫鋼板的應用相對較少，主要用于食品罐蓋、罐端和玻璃容器的真空封裝，較少直接用于制作食品罐。因為無錫鋼板如今在食品罐的應用上主要還存在耐腐蝕性和制造工藝這兩個問題，由于它的耐酸性能力較差，只能用于弱酸性和堿性類食品的包裝，像魚類、肉類、禽類、乳制品、蔬菜及一些飲料等；在制作工藝方面因為鍍鉻板的韌性差，缺乏沖制潤滑劑，在沖撥工藝方面還存在不少難題。

2.3 覆膜鐵

覆膜鐵是一種兼有塑料薄膜和金屬板材雙重特性的金屬材料，制罐性能比傳統的馬口鐵產品好，是金屬包裝產業未來的發展方向[9]，覆膜鐵技術最早起源于日本且該技術一直被日本的公司所壟斷，目前日本仍然是世界上覆膜鐵生產工藝技術性能最為成熟的國家。比如日本新日鐵、JFE、東洋制罐等公司都一直在對覆膜鐵進行研發和技術輸出。在其他國家研發此技術的代表公司相對較少。表3所示為亞歐部分覆膜鐵生產廠家。

表3 亞歐部分覆膜鐵生產廠家

鍍鉻板有著優良的表面附著力和價格優勢，但又存在鍍鉻層過脆、過硬的缺陷，導致其在深沖飲料罐的應用受到制約。覆膜鐵技術大多采用鍍鉻鐵TFS作為基板，大多選擇PP（聚丙烯）和PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）作為覆膜鐵薄膜，具有成型性好、優良的可殺菌性和能兼容不同罐裝物質等特性。其覆膜工藝主要有兩種，分別為高溫高壓下的擠壓工藝法和低溫狀態下的粘合工藝法，第一種方法采用了高溫覆膜和急冷重結晶等技術，覆膜牢度非常高，多被日本及歐美國家所采用。因此，覆膜鐵具有耐深沖、耐磨、耐腐蝕的特性，可彌補鍍鉻板的缺陷，使其在金屬制罐領域的發展前景可期，圖3所示為覆膜鐵的各種應用。

圖3 覆膜板的應用

3 關鍵制罐工藝特點

3.1 三片罐的生產工藝

三片罐工藝本文總結為3個主要部分：罐身加工工藝、罐蓋加工工藝以及罐身與罐蓋組合成型的加工工藝。其工藝流程如圖4所示[10]，左側為罐身的加工過程，右側為罐蓋的加工過程。

圖4 三片罐工藝流程

加工完成的罐身和罐蓋通過封罐機對封口凸緣進行雙重卷邊封口處理，即完成一個空罐的加工過程。空罐完成以后可根據需要進行其他處理，如生產花籃桶裝接提手即可，生產罐頭則需要灌裝內容物再進行另一端的罐蓋卷邊封口處理。

在三片罐的生產工藝流程中，搭接罐身縱縫的生產工序隨著制罐技術的進步發展出3種方法，分別為錫焊法、電阻焊法與粘接法。這3種方法各不相同，或面臨淘汰，或有著廣闊的發展前景。

3.1.1 錫焊法

錫焊法中，焊接前需要將罐身板料進行切角處理，即一端兩角切去，另一端切制兩個鈍角，使罐身鉤合形成縱縫時，罐身兩端縱處只有兩層板料搭接，以利于后續的翻邊、封口處理，同時也有利于焊料滲入罐內接縫。這種方法所需的錫焊料一般由98%的鉛和2%的錫組成，存在鉛污染問題。因此，在制罐行業中，尤其食品罐領域已基本被淘汰。

3.1.2 電阻焊法

隨著無錫薄鋼板的出現與金屬制罐工業對規避鉛污染的需要，電阻焊開始走進金屬制罐領域，并逐漸替代錫焊制罐，成為現在金屬制罐的主流工藝方法，現如今我國的電阻焊機也已發展到國際水平。

電阻焊的工作原理是利用低電壓大電流通過焊接材料間的電阻，使材料發熱融化并施加穩定的壓力壓合而成。其焊縫與罐身板材厚度相近，約1.3~1.5倍，便于后續的翻邊、縮頸、封口等工序，涉及的主要參數是電流及壓力的穩定性[11]。在制罐領域中常作為馬口鐵的焊接方法，靠焊接電流通過焊機輪系流過馬口鐵，使之產生熱量讓搭接處馬口鐵變成塑熔狀態，同時馬口鐵上的電錫鍍層可以促進金屬鐵的擴散，使得在較小的能量下，兩片馬口鐵更容易地被焊在一起。

與錫焊罐相比，電阻焊罐的罐身縫焊不用附加填充材料和焊料進行釬焊，從根本上解決焊料所帶來的的鉛污染問題，且焊接過程比較容易機械化，能廣泛地應用于各種焊接場合。同時，電阻焊焊出的焊縫窄但強度高，密封性好，使罐身外形更加美觀，還保證其本身的功能完整。

3.1.3 粘接法

粘接法制罐出現在電阻焊法制罐之后，其加工過程中采用高分子粘合劑粘合，如聚乙烯、尼龍等，將粘合劑加熱至熔點130~150℃，使其變成熔融狀態，再將粘合劑涂在罐身的搭接鉤合處，再進行加熱、加壓和冷卻處理，使接縫緊密粘合。

粘接法也規避了鉛污染的風險，可實現滿板印刷，利于罐身包裝設計，同時粘合劑熔點較低，耗能小，降低加工成本。但因粘合劑特性，粘接罐的耐熱和耐水性都比較差，目前主要用于固體或粉狀內容物的包裝。現代先進的三片罐制罐方法大都采用電阻焊法和粘接法，有著廣闊的發展前景，在歐美、日本等先進國家已淘汰了錫焊法制罐[12]。

3.2 二片罐的生產工藝

隨著鋁材在包裝上的廣泛應用，出現了二片罐。由于沒有焊縫，其結構整體性強，有著比三片罐更大的印刷面積，利于包裝印刷的美觀，很快占領飲料包裝市場。鋁的生產需消耗大量電能，使其成本增高。隨著制罐工藝的不斷改進，用鍍錫薄鋼板和無錫薄鋼板也成功地生產出二片罐。在工業生產上，二片罐已采用自動化生產線，制罐效率大幅度提高，應用前景樂觀。

兩片罐的罐身按加工工藝的不同可分為淺拉深罐、深拉深罐（DRD罐）與變薄拉深罐（DWI罐）3種。其工藝流程如圖5所示[10]。

圖5 二片罐工藝流程

3.2.1 淺拉深罐工藝

淺拉深罐常用于食品罐裝，多采用馬口鐵材料，由于拉深的高徑比（罐高與罐徑之比）小于1，只要一次拉深即可成型。拉深前的涂黃和印鐵可以經受拉深中的變形、摩擦等過程。因此，淺拉深罐在拉深前進行涂黃和印鐵，采用特殊的變形印刷，通過對金屬薄板在拉深金屬包裝物品及容器技術標準應用手冊過程中的變形分析，用計算機繪制出變形印劇圖案，待拉深后圖形恢復正常。拉深切邊完后的兩片罐的后續工序與三片罐一樣，設備可以通用。

3.2.2 深拉深罐（DRD罐）工藝

深拉深罐常用于食品罐，采用低碳鋼板馬口鐵材料，拉深的高徑比大于1，往往需要兩次或兩次以上的拉深才可成型。涂黃或印刷很難經受高徑比如此大的拉深變形，所以深拉深與下面所述的變薄拉深均在拉深后進行全內噴和罐身印刷工藝。

3.2.3 變薄拉深罐（D罐）工藝

變薄拉深罐用于帶氣的碳酸類或充氮飲料罐，采用鋁材或低碳鋼板（馬口鐵、TULC板等），其拉深的高徑比大于1。與深拉深罐的區別在于：深拉罐的壁厚較厚且均勻一致，變薄拉深罐的底和罐口的材料較厚，罐壁的厚度卻薄至0.14 mm（鋁板）或0.1 mm（鋼板）。為適應大批量飲料的生產需要，變薄拉深罐制造設備的自動化程度很高，生產速度非常快，拉深模具與前面兩種兩片罐制造模具區別較大，因此設備也要龐大復雜許多。

4 典型機械設備功能

本文根據制造工藝將三片罐生產線制造設備分為主要成型設備及其他輔助設備兩種。主要成型設備有：焊接設備、罐身縮頸翻邊設備和卷封設備。其他設備有：開卷設備、切板設備、印刷設備、堆垛打包設備等。二片罐的主要成型設備為沖壓設備及卷封設備，其余輔助設備和三片罐一致。

4.1 電阻焊接設備

制罐工藝中的電阻焊根據其接頭形式結合工藝方法可分為點焊和縫焊及對焊3種，制罐領域中大部分是運用點焊與縫焊兩種方法。其中點焊主要用作罐附件的焊接，比如焊接用于安裝提梁的桶耳等，縫焊則負責罐身縱縫的焊接[13]。

4.1.1 點焊設備

大部分金屬罐罐身或罐蓋都裝有提梁或提環，比如油漆罐，其罐蓋上裝有提環，密封的同時更方便使用者打開。還有鋼提桶，罐身上裝有提梁，便于使用者移動。這些提環或提梁都是通過焊接在罐蓋或罐身上的提手耳來進行安裝的，焊接這些提手耳的方法就是點焊。

點焊時，工件間靠尺寸不大的焊點形成牢固接頭。板件由銅合金電極壓緊后通電加熱，至工件內部形成應有尺寸的熔化核心為止，切斷電流，核心冷卻凝固后去除壓力即完成一次點焊焊接。圖6所示為一臺花籃桶中頻焊耳提手組合設備，可全自動點焊提手耳并裝穿提手，采用伺服電機驅動控制，定位精準、高速穩定。配置人機界面、操作方便。具有高效節能、集成化、適用性廣、智能化等特點[14]。

圖6 花籃桶中頻焊耳提手組合設備

4.1.2 縫焊設備

圖7所示為瑞士公司的一臺三片罐縫焊設備，其成圓、推罐、焊接、銅線運行均采用伺服電機控制，精度高，穩定性能好。同時在操控系統配置觸摸屏，操作人機界面，故障自診斷并顯示，實現自動化操作及運行狀態監控，主傳動等傳動系統采用變頻調速裝置。具有操作簡便、生產穩定等特點[15]。

圖7 三片罐縫焊設備

在電阻焊縫焊設備中，焊機焊輪加壓一般分為氣缸式和彈簧式。其中，氣缸式焊機焊輪加壓通過調節氣壓來調節焊接壓力，自動化程度高，但對第一個罐身的第一個焊點沖擊大，第一個罐易裂口，成本上對氣源要求高，并且由于氣缸活塞摩擦力大導致其加壓隨動性差，焊接時會出現進出罐焊接壓力不穩定，導致焊縫質量不穩定；彈簧式焊機焊輪加壓靠彈簧的變形調節壓力，雖然結構簡單、故障少、無靜態摩擦力、壽命長、且對第一個罐身的第一個焊點沖擊小，但是彈簧式加壓結構在工作過程中易產生自振，工作時需要另設手動機構實現上焊輪升降。所以在目前的研究中，傾向于把氣缸與彈簧聯合作為焊接加壓的方式，利用氣壓對彈簧振蕩的阻尼作用，改善加壓的隨動性，使焊縫質量穩定性提高[16]。

4.2 罐身縮頸翻邊滾筋設備

對罐身進行縮頸加工有兩個目的：一是為了使罐的外形進行迭代變得更加美觀，二是為了節約材料。罐身縮頸后與之搭配的蓋需要的直徑會減小，使得蓋的幾何尺寸也隨之變小，相應蓋的落料尺寸也會減小。擴頸工序與縮頸工序恰恰相反，它使罐徑外擴，與縮頸工序的罐體變形方向相反。擴頸工序通常大量應用于午餐肉、寵物罐頭等金屬罐中。罐徑的外擴避免內容物取出時因小于罐徑的罐口限制而被弄破不完整等情況，確保產品使用的便捷性。

滾筋工序可以增加罐身的剛度和強度，以彌補現在因為技術發展與材料節約越來越薄的罐身剛度不足的情況。現在的滾筋機大多不做成單機，而是和翻邊工序合在一臺設備上進行操作。隨著自動化、一體化需求的出現，一些縮頸翻邊滾筋三工位組合機在制罐行業中逐漸普及。

4.3 卷封設備

由于封罐要求及金屬罐種類的不同，封罐機可分為多種類型。根據自動化程度，一般可分為手動封罐機、半自動封罐機和自動封罐機[17]，圖8所示為一臺全自動連續封罐機。

圖8 全自動連續封罐機

手動封罐機是一種單工位的機器，可以通過腳踏驅動或者電動機驅動，封罐時需要用手把罐蓋和罐身放到對應的封口工位上，然后人工啟動封罐過程。

半自動封罐機是電動機驅動的單工位機器，也是手工將罐身和蓋置于封口工位，但按下啟動按鈕或操作桿后，封罐過程就會自動進行。

自動封罐機可以是單工位的，也可以是多工位的，罐體由傳送帶送到封口工位，由帶有均勻分布的凸片或傳輸鏈將罐等距安置在傳送帶上，傳送帶與封罐機上的封口裝置聯動，全程無需人工干涉。

4.4 沖杯設備

沖壓設備為二片罐在進行拉伸工藝時所用的設備，主要有坯料供給裝置，一定噸位的壓力機床和配套的模具（常采用多工位組合模具）等。二片拉伸罐是通過凸模向凹模的沖壓作用將板材拉伸而形成的整體結構。當凸模在沖床的曲軸帶動下進入凹模時，板材受到沖壓，按照沖模的形狀形成所設計的容器。

圖9所示為國產CNC型兩片罐生產線設備。其生產過程由沖杯拉伸、二次拉伸、罐口修邊、包裝等工序組成。該機采用數字式信息控制，全觸摸屏操作，伺服送料、沖壓。實現了從整張馬口鐵材料到成品的全自動化生產。材料利用率高，節料效果明顯。生產效率高，按落料尺寸不同，可裝2~4副模具快速沖壓，實際最大生產能力約300只∕min以上。設備具有防雙張、防過載、防疊打等完整的保護功能，控制系統模塊功能配備齊全，采用PLC可編程序控制器集中控制，具有抗干擾、精確、可靠性高等特點[18]。

圖9 兩片罐生產線

5 發展趨勢

為改善傳統金屬制罐行業中存在的企業規模小、生產效率低，設備老化、技術落后，生產集約程度低的現狀，加快企業自動化生產線的升級發展、提高產品質量、降低經濟成本，進一步加深行業創新能力、自動化程度、品種豐富程度是未來發展的必然趨勢。想要實現這些，機械設備研究向高效化、智能化及集成化發展是今后發展的重點。

（1）機械設備生產呈高效化趨勢。傳統制罐機械設備產能較低，通過研究制罐技術，揚長避短，降低制罐設備的產品不合格率，提升適用性。如三片罐制罐技術中的焊接技術，電阻焊技術較錫焊技術更能廣泛地應用于各種焊接場合，提高機械設備的產值。

（2）機械設備操作呈智能化趨勢。機械設備常配置人機界面、操作方便。幫助使用者更準確、更簡便、更迅速地操作機械設備，也能使機械設備發揮最大的效能并延長使用壽命。

（3）機械設備功能呈集成化趨勢。單一的設備功能會造成較高的能源浪費，采取多種功能工位集成與一體的方法，是一直以來的研究熱點。如圖6的花籃桶中頻焊耳提手組合設備，將桶體自動定位工位、點焊工位、補涂和提手裝配工位集成銜接，其同步性能良好，高質高效節能，完美適配上下游工序的配套生產，大大提高了產能。

6 結束語

本文將金屬罐分成不同的類型進行介紹，并概括了各類型在各場合的應用情況。結合金屬材料的發展過程，介紹了馬口鐵、無錫鋼板和覆膜鐵這3種金屬材料的特性。根據制造方法的不同，對比了三片罐和兩片罐不同的工藝原理和特點。最后根據制造工藝將金屬罐生產線制造設備分為主要成型設備及其他輔助設備兩種，重點論述了主要成型設備的主要功能和原理。提出金屬罐生產線主要成型設備具有多樣的功能、穩定可靠的性能和集成化自動化的特點，并朝著高效化、智能化、集成化的方向發展，具有十分廣闊的應用前景。