CN106794635A - 在第二物体中锚固第一物体的方法 - Google Patents

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Abstract

第一物体(1)被锚固在第二物体(2)中。第一物体包括具有热塑性能的材料，第二材料包括是固体并可被处于液化状态的第一材料渗透的材料。第二材料包括插入面(22)和在插入面(22)中具有口部的开口(23)，第一物体具有用于锚固的插入部(12)，其进入所述开口或围绕其口部设置。为了锚固，适于液化第一材料的一定量的能量冲击一段足够的时间，以至少部分液化第一材料且使第一材料和第二材料相互渗透。第二物体(2)围绕开口(23)具有关于垂直于开口轴线(25)的力的各向异性强度。垂直于开口轴线(25)的开口横截面和插入部(12)的横截面和取向彼此适配，使得当插入部插入开口时插入部和开口的彼此相对的表面区域通过压力彼此挤压，沿第二物体(2)的强度较小第一方向作用的彼此相对的表面区域之间的压力小于沿强度较大第二方向作用的压力。

Description

在第二物体中锚固第一物体的方法
技术领域
本发明属于机械工程和建筑领域，涉及接合两个物体的方法。第一个物体包括插入部，另一个物体包括开口，并且对于待接合的两个物体，插入部锚固在开口中，其中一个物体包括具有热塑性的固体材料，并且另一个物体包括能够被具有热塑性的、液化的材料所渗透的固体材料。
背景技术
从例如出版物WO96/01377(Createc)、WO98/042988(Woodwelding)和WO2006/002569(Woodwelding)或WO2008/080238(Woodwelding)中知道了将包括热塑性材料的插入件锚固在纤维或多孔材料如刨花板或木材中的第一种方法。对于这样的锚固，插入件相对于开口定位，然后特别是超声波振动的机械振动和定向为将插入件压入开口中的力同时被施加于插入件。在定位插入件的步骤中没有使用相关的力，即在施加振动能量时，已定位的插入件将自由振动，或将由于将其压靠在纤维或多孔材料上的所述力而将振动能量传递给后者。在施加振动和力的步骤中，由于摩擦热，具有热塑性能的材料至少在热塑性材料与纤维或多孔材料接触的部位液化并通过开口的壁渗透到纤维或多孔材料中，且当再凝固时与多孔材料或纤维材料形成连接。根据例如在PCT/EP2015/061853中公开的第二种替代方法，第二物体(包括可被热塑性材料渗透的第二材料)可选择为包括开口，且第一物体(包括是具有热塑性能的固体材料的第一材料)可选择为包括插入部，其中开口和插入部彼此适配以使插入部以过盈配合定位在开口中。在这种情况下，第一材料和第二材料构成以过盈配合彼此压靠的插入部和开口的相对表面区域的至少一部分。然后可以通过将插入部放置在开口中并施加干涉力来建立过盈配合，然后仅通过以下方式将插入部锚固在开口中，即在一段充足时间内将一定量的适于液化第一材料的能量转移到所述相对表面区域附近以使在所述相对表面区域附近的第一材料液化且第一材料和第二材料彼此渗透，并停止传递能量足够的时间以使在锚固步骤期间液化的第一材料再凝固。该能量可以是机械振动能，尤其是超声波振动。
特别是在第二种替代方法(在锚固步骤前形成过盈配合)中，但也在第一种方法的某些实施例中，第二物体可能承受相当大的机械载荷，在所述实施例中，如WO2008/080239所描述的，在施加振动和力的步骤中，插入件的稍大尺寸部分被压入开口中。取决于第二物体的可渗透材料或可能的其它材料的组成，在锚固步骤之前将插入部引入开口可能导致开裂或其它损坏(例如部分剥落)风险，因为插入部将趋向于扩大第二物体中的开口的宽度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于上述第一方法或第二方法来接合两个物体的方法，其中如果插入部具有稍大的横截面，使由插入部插入第二物体的开口所导致的损害第二物体的风险最小化。
根据本发明的一个方面，提供将第一物体锚固在第二物体中的方法，所述方法包括以下步骤：
提供包括第一材料的第一物体并提供包括第二材料的第二物体，其中第一材料是固体并具有热塑性能，且第二材料是固体并能被处于液化状态的所述第一材料渗透，
第二物体具有插入面，
其中第二物体包括在插入面中具有口部的开口，所述开口具有开口轴线，
其中第二物体围绕所述开口具有关于垂直于所述开口轴线的力的各向异性强度，
且第一物体还包括插入部；
将第一物体相对于所述第二物体放置，使得插入部进入所述开口或围绕其口部放置，
通过在一段充足时间内将一定量的适于液化所述第一材料的能量传递至所述第一物体以便至少部分液化所述第一材料且在彼此相对的表面区域附近使第一材料和第二材料相互渗透，将所述第一物体的所述插入部锚固在所述开口中；
停止传递能量足够的时间以使在锚固步骤期间液化的第一材料再凝固，
其中，所述开口的垂直于开口轴线的横截面和插入部的横截面和取向彼此适配，使得当所述插入部插入时，第一材料和第二材料构成插入部和开口的相对表面区域的至少一部分，所述相对表面区域通过绕开口的周长变化的压力彼此挤压(该压力通常沿垂直于插入轴线的方向作用)，其中，相对表面区域之间的沿第二物体的强度较小的第一方向作用的压力小于沿强度较大的第二方向作用的压力。
第二物体可例如包括具有宽表面的部分，其中插入面与宽表面成一角度，例如成一直角或者例如45°的另一角度。然后，第一方向可以是垂直于宽表面的方向，第二方向可以是平行于宽表面的方向。
例如，可能的情况是，开口比任何侧表面更接近宽表面。其中的侧表面可以被限定为与宽表面和插入面两者成一角度的表面，通常在一个方向上的延伸远大于宽表面的延伸。
特别地，第二物体的部分可以是限定两个通常平行的宽表面的板形部分，插入面是两个宽表面之间的窄侧面。宽表面和插入面之间的角度可以例如为约90°；不排除其它角度，例如45°。
通常，插入面可以是在共同边缘处与物体的另一表面相接的物体的面。那么强度较小方向往往是开口最靠近边缘的方向。
在一个示例中，插入面不必是板状物体的窄侧面。在一个实施例中，插入面也可以是具有正方形横截面的物体的表面，其中所述开口布置成靠近与所述插入面成一角度并且在共同边缘处与所述插入面相接的另一面。然后，沿朝向开口靠近该边缘处的方向，强度将特别小，因为在开口和另一个面之间残留的材料强度特别低。
存在较小强度方向的其它原因可能是第二物体的材料不均匀性或由于插入面与两个宽表面成非垂直角度、如用于形成斜接头所导致的各向异性。
根据本发明的这种方法可能起初看起来有些违反直观，因为它可能导致插入部沿着侧面(面内)方向更明显的锚固，而在家具工业和其它行业中，机械载荷通常可能沿垂直于宽表面的方向作用。然而，已经发现根据本发明的方法增强了锚固的强度，对于沿平行于强度较小方向、即如果适用的话垂直于宽表面作用的力也是如此。
其主要原因是已经发现，如果第二物体是板状的并且如果开口处于窄侧面，则沿垂直于板平面(宽表面平面)方向的诸如裂纹或部分剥落的损坏风险特别高；即第二物体倾向于沿垂直于宽表面平面的方向屈服，从而产生大致平行于宽表面平面的裂纹。还发现，除了可能的美学缺点之外，这种损害也对锚固强度有不利影响。然而，由于根据本发明的方法，插入部的插入/锚固时的机械载荷沿第一方向减小，并且损害发生的趋势显著降低。因此，本发明的方法降低了第二物体的裂缝和可见凸起的风险。此外，由于在该方向即第一方向上的压力较低，其中例如为板的第二物体在该方向上具有最低的机械强度，板的内部结构不会恶化。
在实施例中，与开口相比，在至少一个轴向深度的至少一个径向方向上，插入部的横截面是过大的。更具体地，在这样的实施例中，与开口相比，沿面内方向(关于宽表面的平面)、即沿第二方向，横截面的开口是过大的。根据可能性，与开口相比，沿面内方向，横截面是过大的，而沿面外方向、即沿第一方向不是过大的或是稍大。
因为在这些实施例中，插入部的横截面在至少一个轴向深度的至少一个径向方向上是大尺寸的，如果将其插入到开口中而仍然尺寸稳定(即，尚未使材料液化)，则它可能(取决于它超大多少)适合于过盈配合的开口。这并不一定意味着确实建立了过盈配合。
在实施例中，插入部可以具有就绕插入轴线旋转90°而言是非对称的性质。更具体地，插入部可以在垂直于插入轴线(当插入第一物体时的开口轴线的轴线)的横截面中具有长轴和短轴，其中满足以下条件中的至少一个：
-插入部沿长轴具有比沿短轴的更大的延伸。例如插入部可以是具有圆形边缘的椭圆形或大致矩形。
-沿长轴的刚度(抵抗(弹性和/或塑性)变形的机械阻力)大于沿短轴的刚度。
前者可以意味着插入部的主体具有非圆形横截面和/或可以包括从主体向外延伸的肋或凸起形式的能量导向器不均匀分布或尺寸不等的可能性。
对于后者，存在各种各样的可能性：
根据第一示例，插入部包括沿插入部在轴向上延伸的至少一个槽。
在此“在轴向上延伸”并不意味着所述至少一个槽严格地平行于插入轴线。相反，例如也可以是稍微螺旋形的形状；通常角度不应相对于轴线超过约30°。所述槽具有相当大的深度，因此超出了能量导向器的特征尺寸。例如，所述槽可以具有插入部的平均轴直径的至少15％，更优选至少30％或至少50％的深度。
第一示例的实施例包括具有例如以交错方式布置的多个槽的实施例。例如，槽可以交错布置在插入部的相对侧面上。这种槽可以具有在该位置处的插入部的横向延伸部e的至少30％，至少40％或至少50％且至多80％的基本深度dg。特别地，在实施例中，插入部的横截面可以大致为S形。
根据第二示例，插入部可以被切成至少两个部分，其中狭缝从远端沿轴向延伸。
第一示例或第二示例的实施例可包括使插入部的由狭缝/槽分开的部分通过压力被压在一起，并且可选地通过所传递的能量的作用被焊接在一起。
根据第三示例，插入部可以包括从远端向近侧延伸的孔，其中孔不是旋转对称的，使得插入部的材料强度不均匀。特别地，沿短轴方向的材料强度可以大于沿长轴的材料强度，由此沿短轴的刚度小于沿长轴的刚度。
存在另外的可能性，例如具有不均匀的材料组成或具有不均匀的密度(例如在多孔的第一物体材料的情况下)等。
这些示例和可能性的组合存在于例如不同的轴向位置；也可以将槽或狭缝与开口结合，由此开口形成槽或狭缝的一部分。
在具有不对称插入部的实施例中，根据选择，该方法可以包括进一步的步骤，即相对于开口定位第一物体，从而定向第一物体，使得长轴与第二方向例如相对于宽表面的面内方向对齐，短轴与第一方向例如面外方向对齐。
第二物体中的开口可以是圆形的横截面。圆形开口具有易于例如通过钻孔制造的优点。
在另一组实施例中，第二物体中的开口可以是非圆形的。特别地，开口可以是椭圆形的，其中椭圆主轴沿第二方向例如相对于宽表面的面外方向定向。如果开口不是圆形的，则根据一个可能的实施例，第一物体的插入部可以相对于绕其轴线的旋转而对称，除了能量导向器沿其外表面之外并不需要以特别的插入方式定向。
如上所述，在实施例中，开口和插入部彼此适配，使得插入部以过盈配合插入。
开口和插入部在尺寸上适合于彼此过盈配合(压合)的事实意味着与开口相比，插入部至少局部地过大，导致当插入部在开口内具有期望的位置时，至少在插入部和开口壁之间产生局部压力，即导致插入部和/或开口壁的弹性压缩。其中，所述的第一材料和第二材料至少在这种材料压缩的部分区域内彼此相对布置。
特别地，开口和插入部可以彼此适配，使得插入部至少在相对于宽表面的面内尺寸上过大。因此，沿长轴彼此间隔开的插入部的至少相对表面部分受到压力。
根据上述第二种方法，这个特点是，插入部和开口彼此适配，以便插入部能够通过过盈配合定位在开口中，但是不需要用于在锚固步骤之前建立过盈配合。然后，该方法还包括通过将插入部放置在开口中并施加干涉力来建立过盈配合的步骤，以及在建立过盈配合的步骤之后实施锚固插入部的步骤。
在替代实施例中，在锚固步骤之前不建立过盈配合，但是插入部和开口彼此适配以使插入部通过过盈配合定位在开口中的事实仅意味着如果插入部进一步被压入开口中，则可以建立过盈。在这些实施例中，在锚固步骤之前，插入部相对于开口仅放置到不需要大力的程度。在锚固步骤期间，插入部例如通过进一步被压入开口中而进一步相对于开口移动，直到插入部和开口的相对表面区域彼此接触，而同时第一材料的一部分被液化。这些替代实施例基于上述第一种方法。
第二物体可以是木质材料的板，如下面进一步解释的。第二物体可尤其是板或更复杂的部件，其中板形部分是待组装的家具的一部分。不排除其它类型的第二物体，包括家具行业以外的其它行业的物体。
除了将插入部的横截面和开口的横截面以本文所述的方式彼此适配之外，可以采取进一步措施来防止第二物体部分破裂、剥落或膨胀。特别地，该方法可以包括进一步的步骤，即将插入部至少部分地插入到开口中的同时向第二物体施加夹紧力，夹紧力作用在夹紧元件之间，夹紧元件作用在宽表面和相对表面上，夹紧力沿不平行于开口轴线的方向作用，基本上如PCT/EP2015/061855中详细描述的那样。
在本发明的实施例中，第一材料是固体(在环境温度下)并且包含热塑性质(即，借助热能是可液化的；在下文中，该材料被称为“热塑性材料”)。
第二材料也是固体，并且当第一材料处于液化状态时，第二材料可以被第一材料渗透(即第二材料是纤维或多孔的，它包括可渗透的表面结构或者它不能在压力下完全抵抗这种渗透)。可渗透材料尤其是刚性的且基本上无弹性(无弹性体特性)。它还包括(实际的或潜在的)空间，液化的材料可以流入其中或被压入其中以用于锚固。其例如是纤维状或多孔的或包括可渗透的表面结构，它们例如由适当的加工或涂层(实际渗透空间)制成。或者，可渗透材料能够在液化的热塑性材料的液体静压力下显露出这样的空间，这意味着在环境条件下，它可能不是可渗透的或仅在非常小的程度上可渗透。该性质(具有潜在的渗透空间)意味着例如在机械阻力方面不均匀。具有这种性质的材料的一个示例是其孔由能被从孔中压出的材料填满的多孔材料、软质材料和硬质材料或非均匀物质材料(如木材)的组合物，其中组分之间的界面粘合力小于由渗透液化材料所施加的力。因此，通常，渗透材料在结构方面(“空的”空间如毛孔、空洞等)或在材料成分(可置换材料或可分离材料)方面包含不均匀性。
特别地，第二材料不仅在环境温度下是固体，而且至少在很大程度上不会在第一材料渗入表面结构所适用的条件下熔融。例如，第二材料可以是不具有热塑性能的材料，即不同于热塑性材料的材料。第二材料还可以是这样的，即其不经历可逆液化过程或者其熔融温度基本上高于第一材料开始液化的温度。例如，如果第二材料是可熔融的，例如如果它是金属泡沫，其熔融温度或玻璃化转变温度可以高于第一材料的玻璃化转变温度或熔融温度至少50℃或至少80℃或至少100℃。
如上所述，在锚固步骤中液化热塑性材料所需的能量可以被提供给两个物体中的任一个。在实施例中，这是以诸如机械振动(特别是超声波振动)的机械能的形式进行的，以在插入部和开口的壁之间的界面处转变成摩擦热。振动例如具有与插入部和开口壁的所述相对表面平行的主振动方向。因此，优选地，用于实现横向锚固，基本上平行于开口的深度的纵向振动或具有基本上平行于开口的深度的轴线的旋转振动。
特别是，振动能量可以经由面向近端的端面耦合到第一物体中，该端面之后用作耦合面。超声波发生器的远端外耦合面可以被压靠在该耦合面上，同时机械振动作用在其上。由此，可以在进行锚固的同时将第一物体进一步压入开口中。特别地，耦合面可以是第一物体的头部的近端面。由头部形成的朝向远端的肩部可以用作止挡面，其针对通过超声波发生器的推力作用使第一物体进一步移动到第二物体中的运动。
可以用作耦合面的近端面可以作为附件附接到头部，并且可以包括具有与所述非对称插入部明确定向的取向关系的对准特征。为了对齐插入部的长轴，用于实施该过程的机器的对准装置与这种对准特征配合。
除机械振动能量之外的其它类型的能量，例如用适合的吸收装置的电磁能照射在过盈配合活动的位置，或者也可应用相应的加热(例如电感加热或电阻加热)。
参与锚固件的热塑性材料和可渗透材料可以仅存在于插入部的选定表面和开口的壁上。例如，插入部可以包括非热塑性材料的芯和由热塑性材料制成的涂层。然而，它们也可以构成两个物体的较大部分，其可以包括不同材料的另外部分，或者可以完全由热塑性材料或可渗透材料构成。
在所述相对表面区域附近，被压在一起的两个表面中的一个可以包括用作能量导向器的结构，即从主表面突出的点状或线状元件。
如上所述，第二物体可以包括木质材料如刨花板、碎料板、纸板如为高密度纤维板(HDF)和中密度纤维板(MDF)的纤维板或木材(也呈胶合板的形式)。在本文中，“刨花板”也用于将任何形状的木材颗粒与粘合剂混合制造的任何复合材料，与产品的形状无关，包括例如定向刨花板。
因此，第二材料(可渗透材料)的示例包括上述木质材料，并且还包括金属泡沫或陶瓷泡沫、多孔玻璃、烧结陶瓷、玻璃材料或金属材料、混凝土砖材料或基于非热塑性(热固性)聚合物的可能的开放多孔结构材料，其中这种材料包括热塑性材料可以渗透的空间，该空间最初填充有空气，或者填充有其它可置换或可压缩材料。一类特殊的第二物体是“夹层材料”物体，其中一层较不致密的材料夹在两层较致密的材料之间。
在传递能量之前的条件下，适用于第一物体的热塑性材料在上述对于可渗透材料的意义上也是固体的。它优选包括从固体转变成液体或在临界温度范围以上可流动的聚合物相(特别是基于C，P，S或Si链)，例如通过熔融，并且当再次冷却到临界温度范围以下时，重新转变为固体材料，由此固相粘度比液相粘度高几个数量级(至少三个数量级)。热塑性材料通常将包含未交联的聚合物组分，其交联方式使得当加热至或高于熔融温度范围时交联键可逆地打开。聚合物材料还可以包含例如为纤维或材料颗粒的填料，其不具有热塑性或具有包括下述熔融温度范围的热塑性，该熔融温度范围显著高于基础聚合物的熔融温度范围。
适用于根据本发明的方法的热塑性材料的示例是热塑性聚合物、共聚物或填充聚合物，其中基础聚合物或共聚物是例如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺(尤其是聚酰胺12、聚酰胺11、聚酰胺6或聚酰胺66)、聚甲醛、聚碳酸酯聚氯酯、聚碳酸酯或聚酯碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈(ASA)、苯乙烯聚烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚砜(PSU)、聚(对苯硫醚)(PPS)、液晶聚合物(LCP)等。LCP是特别有意义的，因为它们在熔融期间的粘度急剧下降使得它们能够渗透在可渗透材料中的非常细小的空间中。
通常要被接合的两个物体中的任一个需要能够将振动能量优选以最小能量损失从施加有振动工具的近端物体侧传递到布置有插入部或开口的远端侧。如果该物体完全由热塑性材料制成，则后者将需要至少0.5GPa或优选至少1.0GPa的弹性系数(在环境温度下)。
适用于根据本发明的方法的机械振动或振荡优选地具有处于2至200kHz(甚至更优选10至100kHz，或20至40kHz)之间的频率和活性表面的每平方毫米0.2至20W的振动能量。振动工具(例如超声波发生器)是例如设计成使得其接触面主要沿工具轴线(纵向振动)方向振荡，并且振幅在1至100微米之间，优选地在30至60微米的范围内。这种优选的振动是由例如超声波焊接领域已知的例如超声波装置产生的。
本发明还涉及一种用于实施该方法的机器。这种机器包括能够将插入部至少部分地插入开口中的插入机构、能够将适合于液化第一材料的能量传递至第一物体或第二物体或两者的用于锚固步骤的锚固工具。其中，插入机构可选择性地能够使第一物体相对于第二物体以这种方式定向，即使沿第一方向即垂直于宽表面的方向作用的压力小于沿第二方向即平行于宽表面的方向作用的压力。特别地，如果插入部具有如上所定义的长轴和短轴，则插入机构可以被配备用于将插入部至少延伸到开口中，其中长轴定向成与第二方向例如相对于宽表面的面内方向对准。
机器可以选择性进一步包括能够在插入期间或锚固期间或两者同时向第二物体施加夹紧力的夹紧机构。
机器可以包括从其分离的插入工位和锚固工位，其中所述夹紧机构能够至少在所述锚固工位中施加夹紧力。
或者，机器可以被配备用于实施在同一工位处插入和锚固的步骤。在这样的实施例中，机器可以包括适于将第一物体保持在适当位置以用于例如无需大力插入的夹持装置，其中所述锚固工具适于接触与所述夹持装置相邻的所述第一物体并且适于将所述插入部插入所述开口中。
为了针对在相同(或可能不同)的第二物体的不同锚固位置处的不同第一物体(例如配件)同时实施该过程，机器可以包括多个插入位置和锚固位置。为了实施用于不同的第二物体的方法，插入位置和锚固位置之间的距离可以是可调节的。
本发明还涉及适用于上述方法的接合件。尤其是该接合件包括用于在物体中深入锚固的插入部以及插入部近侧的头部、头部例如具有面向远侧的肩部或在所述头部与所述锚固部之间的界线，该接合件至少在锚固部的表面上包括热塑性材料，其中，插入部沿长轴具有比沿短轴更大的刚度，如上所述。
如本文所述并如图所示的概念的应用包括家具行业、特别是客户设计用于自组装的家具。在此，第一物体可以是配件，第二物体可以是具有板形部分的家具部件。
其它应用包括机械工程和建筑的其它分支，包括汽车、航空和造船行业，其中该方法可能适合将锚固件锚固在任何组合物、建筑工业等的轻量板上。
本文中，术语“径向”和“轴向”应理解为与插入轴线(插入部轴线)和开口轴线相关，在本文中也称为“z”轴。插入部或开口的“长轴”和“短轴”通常是垂直于插入轴线/开口轴线的轴线。“面内”和“面外”是指相对于宽表面的方向。
附图说明
结合所有示意性附图更详细地描述本发明及其实施例。相同的附图标记表示相同或类似的元件。在附图中：
图1示出了基本构型；
图2示出了示例的插入部的横截面和开口的横截面；
图3a至图3f示出了具有长轴和短轴的插入部的不同实施例；
图4示出了具有开口的实施例，该开口不具有圆形对称性；
图5至图11示出了具有长轴和短轴的插入部的另外的实施例，其中沿着长轴的刚度不同于沿着短轴的刚度；
图12示出了具有轴向分离部分的第一物体；
图13示意性示出了用于实施该方法的机器，该机器包括两个工位；和
图14示出了用于定向第一物体的替代机构。
具体实施方式
图1示出作为第一物体例子的装配件1。该装配件具有头部11和插入部12。头部11具有侧向外表面，其被成形为接合到另一物体的凹形件的对应结构中，使得锚固有装配件的第二物体和该另一物体可以彼此组装。尤其是侧向外表面具有能与凹形件形成形状配合连接的结构，其方式是在形状配合方式中能在头部11和凹形件之间传递轴向力(与摩擦配合不同，在形状配合连接中，连接力具有垂直于表面的分量-连接的物体彼此交错)。特别是在本实施例和本文所讨论的任何其它实施例中，头部可根据WO2013/104422的教导来成形并可具有用作其中描述的接头的凸形件的功能。
所述头部限定了当装配件被锚固在第二物体中时用作止挡面的朝向远侧的肩部18。
装配件1包括例如聚酰胺的热塑性材料，根据一个实施例，该装配件完全或几乎完全由该热塑性材料制成，而在替代实施例中，其可包括具有热塑性材料涂层的非热塑性材料的芯。特别是，至少插入部12的外表面由热塑性材料制成。插入部12的外表面可以包括例如肋或凸起或其它结构的能量导向器19。在所示实施例中，能量导向器包括轴向延伸的肋。
第二物体是例如刨花板的板2。所述板具有两个相对的宽表面21、两个侧表面24和具有开口23的一个窄侧面22(或两个窄侧面，图1未示出的相对的窄侧面)。开口23具有当装配件1被锚固时与插入部12的插入轴线(或插入部轴线)同轴的开口轴线25，因此对应于插入轴线。
图1还示出了在本说明书中使用的坐标系，其中，z方向平行于开口轴线，且x和z是面内方向(即，平行于宽表面的方向)，但y与宽平面垂直。在所示出的构型中，x和y平行于窄侧面22。
与开口23相比，插入部12具有至少在平行于x轴线的面内方向上稍微过大的横截面，使得在例如通过沿轴线25作用的推力引入插入部12后，该插入部以过盈配合保持在开口23中。由于过盈配合，插入部12和开口23的彼此相对的表面区域相互挤压。在随后的锚固步骤中使用振动工具即超声波发生器3，将机械振动能量耦合输入装配件1中以液化装配件1的热塑性材料的一部分，然后使其渗透到板2的结构中并在能量输入停止之后产生上述锚固。
如上所述，所述开口和插入部以相对于x-y平面中的不同方向是非对称的方式彼此适配。特别是，它们彼此适配，使得沿平行于x方向的第二方向(即沿±x方向上的面内方向作用的)相对表面区域之间的按压力大于沿平行于y方向的第一方向、即面外方向(±y方向)的力。
图2示出开口23的横截面和插入部12的相应适配横截面的示例。开口23具有圆形横截面，且插入部具有大致对应于开口直径的面外径向尺寸(在y方向上的尺寸)，但具有较大的面内径向尺寸(x方向上的尺寸)，因此除了能量导向器19之外，截面大致为椭圆形。因此，插入部具有长轴45和短轴46，其中，长轴45与面内方向(x方向)对齐。
图3a至3f示出均适用于具有圆形横截面的开口23的插入部12的横截面的不同变型。在所有这些图中，长轴水平定向。
在图3a所示的变型中，插入部12具有圆形横截面，其直径大约对应于开口23的直径，但其能量导向器19集中在定向成指向面内方向(在+/-x方向)的相对两侧面上。该方法与图2的方法的组合(即具有非圆形整体截面和不均匀分布的能量导向器的插入部)是可能的。
图3b示出插入部12的变型，该插入部具有大致椭圆形状的主体，但具有不同尺寸的能量导向器，使得外包络面16具有大致圆形横截面。外包络面的直径将被选择为大于开口的直径。利用这种布置方式，当将插入部12插入圆形开口时，在面外方向(y方向)上的接触力将低于在面内方向(x方向)上的接触力。
相反，图3c示出具有圆形主体的插入部12，类似于图3a的实施例，但外包络面16具有椭圆形横截面。主体的直径将对应于开口的直径或稍小于开口的直径。
图3d示出具有大致圆形横截面并且具有相同尺寸的均匀分布的能量导向器19的插入部12。然而，为不可液化材料(例如金属)的硬芯70不是圆形对称的且导致各向异性。具体说，长轴是硬芯和外表面之间存在较少热塑性材料的地方。同样，在这种布置方式中，当将插入部12插入圆形开口时，在面外方向(y方向)上的接触力将低于在面内方向(x方向)上的接触力。
图3d的实施例是许多可能的示例之一，其中，第一物体1不是由热塑性材料而是由不同材料的不同部分组成。另外或作为硬芯的替代方案，第一物体还可以具有头部、连接结构(例如套管)或除热塑性材料之外的为其它材料的其它功能件。
图3e示出具有扁平部71的实施例。插入部12的横截面尤其可以使得在扁平部71的位置处插入部和开口壁之间没有物理接触。在锚固步骤期间，这为液化材料提供了流动空间以在面外方向(y方向)松弛接触力。
图3f示出类似于图3e的实施例的变型，但是由于横截面包括浅凹部72而不是扁平部，在插入开口中时，插入部内的内部应力更均匀分布，因为在凸曲面和凹曲面之间的边缘周围，材料可赋予弹性。
图3e和3f的变型当然也可以包括能量导向器(图中未示出)。
这些实施例的概念的任意组合是可能的。例如，实施例可具有带非圆形横截面和尺寸不等的能量导向器的主体，以及与图3b相反的非圆形的外包络面。同样，任何实施例可以具有硬芯(具有圆形横截面或具有如图3d所示的非圆形横截面)和/或扁平部或凹部等。
在图4的实施例中，开口23具有非圆形横截面。具体说，它是椭圆形的，椭圆的长轴沿面外方向、即沿y方向取向。然后插入部12可以具有基本圆形的横截面。在所示的构造中，插入部12的直径大致对应于开口23沿面外方向(即y方向)的延伸，使得相对于面内方向，即x方向，插入部12略大。利用这种布置方式，当将圆形插入部12插入椭圆形开口23时，在面外方向(y方向)上的接触力低于在面内方向(x方向)上的接触力。
图4的变型有以下优点：无需使插入部12相对于“滚动角度(roll angle)”(即围绕插入轴线的角度)保持特定取向，而仅需要与开口轴线对准。
另外或作为具有相对于开口沿面内方向、即沿x方向过大而沿面外方向、即沿y方向不过大或不太过大的横截面的替代方案，插入部12可以包括用于实现沿面内方向的挤压力大于沿面外方向的挤压力的其它措施。
更具体地，插入部可以具有与弹性(和/或可能的塑性)变形有关的刚度，并且沿面内(x-)轴的刚度大于沿面外(y-)轴的刚度。(通常，刚度可以由刚度张量表示，其中变形力矢量F和变形矢量x在线性(＝小变形)近似中通过F＝κ*x彼此相关，其中κ是刚度张量，然后状态是对于对角元素κxx和κyy的绝对值，保持Abs(κxx)大于Abs(κyy)的关系)。
图5a和5b示出这种类型的第一物体(仍旧是装配件1)的第一示例。图5b示出图5a中的平面B-B的截面。插入部12朝向远端被切成两个插脚31，其间具有狭缝32。如图5a中的实线所示，狭缝32可以仅沿插入部的一部分延伸，或者如虚线所示，它可以沿插入部的整个长度延伸。
由于插入部被切割，其在沿对应于图5a中的绘图平面的轴线(短轴)的刚度小于沿垂直于图5a中的绘图平面的轴线(长轴)的刚度。当将插入部相对于开口定位然后被推入其中时，因此，插入部的短轴由此被定向成与面外轴线y对准。
图5a示出任一第一物体的另一个可选特征。该另一个可选特征与图5a所示的第一物体的布局无关(特别是与其插入部12无关)，并且可选地在任意第一物体(尤其是具有非对称插入部的第一物体)中实现。该另一个可选特征是例如为近侧槽的插入部对准结构34，其作为附加件附接至头部。这种插入部对准结构34具有与插入部12明确的方位关系，因此可以用于第一物体1与第二物体2的取向对准，以在将插入部12插入开口23之前确保插入部12相对于开口23的正确取向。因此，插入部对准结构34被附接到头部11，但与头部11的功能无关。相反，从功能性角度来看，对准结构34被连接至插入部12。例如，如果对准结构是近侧槽，则近侧槽将与宽表面的平面平行对齐或垂直于宽表面的平面。许多替代形状是可能的，包括矩形槽或具有不等长臂的横截面等，唯一的条件是形状不是90°旋转对称的。
图6示出另一种可能性。插入部具有中心孔36，其沿插入部长度的至少一部分轴向延伸，尤其是延伸到其远端，例如沿其全长延伸或甚至进一步延伸进头部。中心孔的横截面不是90°旋转对称的。在所示实施例中，中心孔是椭圆形的。由此，与沿与插入轴(图中所示取向的上下方向)垂直的一个轴(短轴)变形有关的插入部的刚度小于沿与其垂直的轴(长轴)变形有关的刚度。有关第二物体的相应取向也由图6所示的x轴和y轴示出。
在图7和图8中示出其它可能性，其示出设有轴向延伸的槽37的插入部的两种不同变型。所述槽又优选延伸到远端并可以沿插入部的整个长度延伸。在图7的实施例中，所述槽通向上述类型的孔36，该孔本身可以具有圆形横截面或椭圆形横截面，并可视为属于所述槽，该槽随后具有底切。在图8中同样一个槽37，但没有孔。
由于槽37，相应的插入部还具有短轴(平行于y方向定向)和长轴(平行于x方向取向)。
图9a和9b示出基于插入部设置有狭缝32的理念的更进一步的变型，但同时插入部12还包括轴向延伸的中心孔36，使得其包括横截面均为半壳的形状的两个部件。
该变型以及包括槽或狭缝的例如图7变型的其它变型的可选特征示出在图9b中。可以选择狭缝32(或槽)的延伸，使得当插入部12被压入开口时它被封闭。通过能量转移和被压在一起的部件的联合作用，在部件之间产生焊缝38。图9b还示出被向外挤压并进入第二物体的周围材料以进行锚固的液化材料部分39。
如图所示的方法的组合是很可能的，例如在不同的轴向深度上具有不同的横截面。
在图10的实施例中，插入部12的横截面大体为S形，因此具有从相对侧延伸到插入部体积中的相当深度的两个交错槽37。
特别是，所示构造中的槽延伸深至穿过中间平面(垂直于槽的方向)，即槽深dg大于该位置处的本地延伸e的50％。通常，还涉及具有至少一个槽37的其它构造，所述槽37的深度将是明显的，例如所述延伸的至少30％或至少40％或至少50％。
通过该设计，形成主梁41和两个侧梁42、43，其相对于沿长轴45(x方向)方向作用的载荷提供显著的刚度，而与完整的圆柱体相比，降低了沿短轴46(y方向)的刚度。
该教导可以容易地推广到仅一个槽(图8)或推广到多于两个的交错槽37(例如，如图11所示)，对于更多数量的槽，沿短轴方向的稳定性越来越低。
图10还示出可选的能量导向肋19。
具有槽或轴向延伸孔的设计的另一个优点在于：与具有圆形横截面的设计相比，由于固体部分的厚度大致均匀，它们具有更好的材料强度均匀性。已经发现这有利于注射成型。在注射成型中，特别是体积大的部件，空隙形成可能是个问题。然而，如果注射成型部件的横截面(不仅取决于轴向位置，并且在横截面中)是均匀的，则容易避免空隙。特别地，如果相对的模具壁之间的距离比较均匀，这对注射成型工艺可能是有利的。
在所有实施例中，插入部(可能除能量导向器以外)和开口可以是圆柱形的，即相对于沿插入轴线的平移对称。但不一定是这样的。而是，对于开口和/或插入部也可以是稍微圆锥形和/或阶梯形或其它轴向结构化的形状。
图12示意性示出一个例子。插入部12被分成近端部分81和远端部分82。近端部分81包括能量导向器19并构成第一液化区。第二液化区可由在锚固过程中压靠开口23底部的远端部分82构成。获得针对本文中的第一物体1的实施例(参见例如图2、图3a-图3f、图5a-图11等)所讨论的各向异性的状态(不是90°旋转对称的)在各种替代实施例中可例如由近端部分81保持，而远端部分82可以可选地具有基本上圆形的横截面。
图13示出用于实施根据本发明方法的实施例的机器48。所示机器包括两个工位，即将第一物体(装配件1)插入到第二物体(这里：板2)的开口23的插入工位50和超声波发生器3向装配件1施加机械振动能的锚固工位60。在插入工位50处将装配件1插入板2之后，将板2移动到执行锚固过程的锚固工位60。
在此，对于装配件在插入部12的横截面中具有各向异性的实施例，例如图2、图3a-图3f、图5a至图11所示的那些实施例，至少插入工位50可以可选地被配备用于以明确的方位关系相对于第二物体放置第一物体。例如，插入工位50的夹持和放置工具51可以包括与上述类型的插入部对准结构34配合的引导结构54(图5a)，引导结构54适于在将插入部12插入开口23之前相对于开口23将插入部12相对于x方向和y方向上的取向转动到期望位置。作为替代，至少当开口不对称时，插入部12可以具有当进入开口时使其转动的端部结构。
可选地，也可以使超声波发生器3设置有与第一物体1的相应插入部对准结构34配合的相应引导结构56，使得相应的插入部12可以在锚固工位60中沿x方向和y方向转动到期望位置，作为替代或结合，在插入工位50中将插入部12转动到期望位置。
机器48还可以包括在其中形成有开口23的钻孔工位(未示出)。
作为具有两个工位的机器或多个工位的机器的替代方案，用于执行该过程的机器也可以是具有单个工位的机器。然后，放置步骤和锚固步骤在相同位置相继进行。同样在这样的实施例中，夹持和放置工具和/或超声波发生器可以包括使第一物体相对于第二物体的取向对准的结构，这些结构包括例如在第一物体上的插入部对准结构34以及在夹持和放置工具上和/或在超声波发生器上的引导结构54、56。
在实施例中，作为第一物体的近侧接触面的对准结构的替代，该机器可实现用于限定插入部取向的其它机构。图14中非常示意性地示出了一个示例。该示例中的机器包括定向板91，其上放置第一物体，视需要机械地略微摇动，这里第一物体以图3a所示类型的装配件1的实施例形式示出。如图14所示，由于重力，插入部12具有确定的位置，其是用于插入第二物体的在x方向和y方向上的期望位置。当然，这种可选的对准过程仅在插入部12具有适当特性的情况下是可行的，而不是例如适用于如图3d所示的实施例。

Claims (36)

1.一种将第一物体锚固在第二物体中的方法，所述方法包括以下步骤：
提供包括第一材料的第一物体(1)并提供包括第二材料的第二物体(2)，其中所述第一材料是固体并具有热塑性能，且所述第二材料是固体并能被处于液化状态的所述第一材料渗透，
所述第二物体(2)具有插入面(22)，
其中所述第二物体包括在所述插入面(22)中具有口部的开口(23)，所述开口具有开口轴线(25)，
其中所述第二物体(2)围绕所述开口(23)具有关于垂直于所述开口轴线(25)的力的各向异性强度，
且所述第一物体还包括插入部(12)，
将所述第一物体相对于所述第二物体放置，使得所述插入部(12)进入所述开口(23)或围绕其口部放置，
通过在一段充足时间内将一定量的适于液化所述第一材料的能量传递至所述第一物体以便至少部分液化所述第一材料且在彼此相对的表面区域附近使所述第一材料和第二材料相互渗透，将所述第一物体的所述插入部(12)锚固在所述开口(23)中；
停止传递能量足够的时间以使在锚固步骤期间液化的所述第一材料再凝固，
其中，所述开口(23)的垂直于所述开口轴线(25)的横截面和所述插入部(12)的横截面和取向彼此适配，使得当所述插入部(12)插入所述开口(23)时，插入部和开口的彼此相对的表面区域通过围绕所述开口(23)的周长变化的压力相互挤压，沿所述第二物体(2)的强度较小方向(y)作用的彼此相对的表面区域之间的压力小于沿强度较大方向(x)作用的压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二物体(2)具有限定宽表面(21)的部分，所述插入面(22)与所述宽表面(21)成一角度，其中与所述宽表面(21)平行的方向(x，z)是强度较大方向，垂直于所述宽表面(21)的方向(y)是强度较小方向。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述开口(23)比与所述宽表面和所述插入面(22)成角度的任何侧表面(24)更靠近所述宽表面(21)。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第二物体(2)的所述部分是限定两个宽表面(21)的板形部分，所述插入面(22)是在所述两个宽表面之间的窄侧面。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述插入部(12)就绕插入轴线旋转90°而言是非对称的，由此所述插入部(12)在垂直于所述插入轴线(25)的平面中具有长轴(45)和短轴(46)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述插入部(12)沿所述长轴(45)具有比沿所述短轴(46)更大的延伸。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述插入部(12)沿所述长轴具有比沿所述短轴更大的刚度。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，所述插入部(12)包括沿所述插入部(12)轴向延伸的至少一个槽(37)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，所述插入部包括从其远端延伸并将所述插入部(12)分成至少两个部分的分隔狭缝(32)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，包括使最初由所述槽(37)或狭缝(32)分开的部分焊接在一起的步骤，优选是在通过传递适于液化所述第一材料的能量将所述插入部(12)锚固在所述开口(23)中的步骤中。
11.根据权利要求5至10中任一项所述的方法，其中，所述插入部具有从其远端起并沿所述插入部(12)的中心轴线延伸的非圆形孔(36)。
12.根据权利要求5至11中任一项所述的方法，包括以下步骤：在传递能量之前，将所述插入部(12)的所述长轴(45)与所述第二物体(2)的强度较大方向(x)对准，优选包括在将所述插入部(12)插入所述开口(23)之前使所述长轴(45)与所述第二物体(2)的强度较大方向(x)对准。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的方法，其中，所述开口(23)具有圆形横截面。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述开口(23)具有非圆形横截面，并且在垂直于所述开口轴线(25)的平面中所述开口沿所述第二物体(2)的强度较小方向(y)具有比沿强度较大方向(x)更大的延伸。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述开口(23)和所述插入部(12)彼此适配，以使所述插入部沿所述开口(23)周长的至少一部分通过过盈配合定位于所述开口中。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述能量是机械能。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述能量是机械振动能。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，传递所述能量包括当所述插入部(12)延伸入所述开口(23)时将振动超声波发生器压在所述第一物体(1)的近端面上。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，并且当所述插入部(12)至少部分插入所述开口(23)中时向所述第二物体(2)施加夹紧力，所述夹紧力沿所述第二物体(2)的强度较小方向(y)作用，所述夹紧力在与所述开口轴线(25)不平行的方向上作用。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二物体具有多个开口(23)，提供所述第一物体(1)的步骤包括提供相应数量的第一物体(1)，并且对于不同的第一物体(1)同时或依次进行锚固所述插入部的步骤。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二材料是包括可渗透表面结构的纤维材料、多孔材料之一，并且不能在施加压力时完全抵抗渗透。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二材料是刨花板、木材、纤维板、胶合板、碎料板和纸板之一。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一材料包括具有至少0.5GPa的弹性系数的热塑性聚合物。
24.一种用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的机器，包括能将所述插入部(12)至少部分插入所述开口(23)的插入机构、能将适于液化所述第一材料的能量传递至所述第一物体(1)或所述第二物体(2)或两者的用于锚固步骤的锚固工具(3)。
25.根据权利要求24所述的机器，其中，所述插入机构包括用于在能量传递步骤之前将所述插入部(12)的长轴与所述第二物体(2)的强度较大方向(x)对准的装置(54，56，91)。
26.一种借助热塑性材料和机械振动被锚固在能由液化的热塑性材料渗透的材料制成的物体(2)中的接合件(1)，所述接合件包括用于在所述物体(2)中深入锚固的插入部(12)以及所述插入部(12)的近侧的头部(11)，所述头部具有面向远侧的肩部(18)或在头部(11)和所述插入部(12)之间的界线，所述接合件至少在所述插入部(12)的表面上包括热塑性材料，其中所述插入部(12)沿长轴(45)具有比沿短轴(46)更大的刚度。
27.根据权利要求26所述的接合件(1)，其中，所述插入部(12)包括轴向延伸的至少一个槽(37)，所述槽的深度为所述插入部的直径的平均值的至少15％，优选至少50％。
28.根据权利要求27所述的接合件，所述锚固部(12)包括以交错布置方式在轴的相对两侧上的多个槽(37)。
29.根据权利要求28所述的接合件，其中，所述插入部在垂直于由近及远的插入部轴线的截面中具有基本呈S形的横截面。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的接合件，包括从其远端延伸并将所述插入部(12)分成至少两个部分(31)的狭缝(32)。
31.根据权利要求26至30中任一项所述的接合件，其中，所述插入部具有从其远端起并沿所述插入部(12)的中心轴线延伸的非圆形孔(36)。
32.根据权利要求26至31中任一项所述的接合件，其中，所述插入部(12)具有横截面为非圆形的主体。
33.根据权利要求32所述的接合件，包括从所述主体向外延伸的多个能量导向器(19)。
34.根据权利要求26至33中任一项所述的接合元件，其中，所述插入部(12)具有主体和从所述主体向外延伸的多个能量导向器(19)，其中所述能量导向器(19)不均匀分布和/或尺寸不等。
35.根据权利要求26至34中任一项所述的接合元件，其中，所述插入部(12)具有近端部分(81)和远端部分(82)，且至少针对所述近端部分(81)保持所述插入部沿所述长轴(45)比沿所述短轴(46)具有较大刚度的状况。
36.根据权利要求26至35中任一项所述的接合元件，其中，所述插入部(12)包括插入部对准结构(34)，该插入部对准结构优选布置成与所述头部(11)相邻以将所述插入部(12)转动至相对于第二物体(2)的期望位置。
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