CN109476088A - 将物体彼此紧固 - Google Patents

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J·奎斯特
M·莱曼
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Abstract

提供将第二物体(2)紧固到纤维复合材料部件(1)的方法，该纤维复合材料部件包括嵌入基质材料中的纤维结构，该方法包括：提供包括附接表面的纤维复合材料部件，其中纤维结构的一部分在所述附接表面处露出；提供第二物体；在树脂(3)在附接表面与连接件之间处于可流动状态的情况下将第二物体相对于纤维复合材料部件放置；将第二物体和纤维复合材料部件彼此压靠并引起机械振动作用于第二物体或纤维复合材料部件或两者，从而使树脂渗透到露出的纤维结构中并活化树脂以交联；由此树脂在交联之后将第二物体固定到纤维复合材料部件上。

Description

将物体彼此紧固
技术领域
本发明属于机械工程和建筑领域，特别是机械结构领域例如汽车工程、飞行器制造、铁路车辆制造、造船，机械制造、建筑工业，玩具制造等。更具体地涉及将物体彼此紧固的过程。
背景技术
在汽车、航空和其它工业中，已经倾向于弃用钢结构而使用轻型材料，例如纤维复合材料，尤其是碳纤维增强聚合物来代替。
虽然纤维复合材料部件可以在给定足够高的纤维含量和平均纤维长度并且给定适当的纤维取向的情况下被制造成具有相当大的机械强度，但是将另外的物体例如连接件(销钉或类似物)机械紧固其上是一项挑战。传统的铆接技术尤其归因于纤维复合材料的小延展性仅在有限范围内适用。而且，由于这种连接需要在要附接另外的物体的位置处进行预钻孔，特别是如果要将彼此连接的多个部件附接到纤维复合材料部件上，那么定位精度可能是一个问题。粘合剂连接可以很好地起作用，但是具有这样的缺点，即结合强度不可能大于最外层的强度和它与部件其余部分的附接强度。此外，可固化粘合剂总是需要一定的固化时间来进行交联。这将大大增加工业生产的生产时间。为了解决这个问题，已经提出使用倾向于比热固化粘合剂更快地固化的紫外线(UV)固化粘合剂。然而，它们需要至少部分透明的连接件以使固化辐射到达可固化粘合剂。另外，胶合线将总是对层厚度和胶分布均匀性敏感。
除了纤维复合材料之外的其它材料，包括诸如金属片的传统材料，也越来越多地用于轻质材料变型体，相应地降低了机械强度。因此，越来越多地避免使用例如通过孔或类似物而需要使材料削弱的紧固方式。
除了紫外线固化之外，现有技术还包括通过感应加热来加速粘合剂固化的方法。但是，这种方法仅限于涉及金属部件的连接。而且，感应加热是相对不明确的，并且由于限制而并非总是可选的。
因此，提供一种将另外的第二物体(例如连接件)紧固到第一物体的方法将是有利的，该方法克服了现有技术方法的缺点并且尤其形成了牢固可靠的机械结合。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种将第二物体紧固到第一物体的方法，该方法包括：
-提供包括附接表面的第一物体；
-提供第二物体；
-在树脂在附接表面与第二物体之间呈可流动状态的情况下将第二物体相对于第一物体放置(在此，树脂可为从头开始可流动或至少通过机械振动的作用可流动，参见下文)；
-当树脂与第一附接表面和第二附接表面接触时，尤其是在将第二物体和第一物体彼此压靠时，例如通过振动工具引起机械振动作用在第二物体上或第一物体上或两者上，从而活化树脂以交联；
-由此树脂在交联后将第二物体固定到第一物体上。
在本文中，“树脂”表示至少在该过程的一个阶段可流动(通常是粘性液体)并且能够通过树脂分子之间和/或树脂分子与其它物质之间产生的共价键永久硬化的任何物质。例如，树脂可以是包含单体或多种单体的组合物或处于可流动状态的预聚物，其能够通过固化不可逆地变成聚合物网络。
根据本发明的紧固方法的明显优势在于，因为所得到的结合为纯粘合剂结合，所以第一和第二物体不必被削弱。而且，特别是如果其中一个物体相对较薄，例如是金属片，那么该方法的优点是在该物体中不必形成贯通开口，因此不必采取措施来密封、电绝缘等。而且，紧固与预定义的结构无关，并且这允许以非常直接的方式补偿公差失配(x-y位置调整)。
发明人已经发现机械振动具有双重效果：第一，它使树脂均匀分布并完全润湿/互相渗透，并且如果可行的话，将任何结构嵌入附接表面，从而使树脂相对深地渗透到这种结构中。
第二，机械振动能量主要在第一物体与第二物体之间的界面以及树脂中被吸收，从而加快固化过程。更确切地说，已发现树脂相当有效且主要在界面处固化。如果附接表面设置有相应的结构，则在硬化处理之后，树脂除了引起材料连接(即粘合结合)之外还由于其已渗入该结构的事实而形成形状配合连接，该结构可能包括底切。在实践中，已经发现(例如使用市售的双组分环氧粘合剂作为树脂)，与未施加超声振动的速度相比，固化过程至少加速了一个数量级。从经验来看，温度升高约10℃使凝固时间减少50％。在实践中，可以观察到短期的超声引起温度升高约50℃或甚至100℃。在实施例中，第二物体在附接表面处并非仅具有平面结构。相反，附接表面处的表面可具有明显的波纹状。特别地，在实施例中，第二物体具有包括底切的结构。因此，在重新凝固之后，由机械振动辅助渗入结构的树脂材料将通过形状配合连接固定到第二物体上。
在实施例中，第一物体包括纤维复合材料部件，该纤维复合材料部件包括嵌入基质材料中的纤维结构。在一组实施例中，纤维复合材料部件将特别包括在附接表面处露出的一部分纤维结构。可流动的树脂材料接下来渗入纤维结构，材料中可能存在的空洞逸出。振动还可以引起纤维本身的小范围运动，这有助于防止一些位置完全不被浸渍。露出的纤维结构初始就包括限定底切的结构，由此无需任何附加的措施就能实现上述形状配合连接。
特别地，该方法可以包括特别是通过去除基质的最外侧部分而使部分纤维结构露出的步骤。
附加地或替代地，在第一和/或第二物体具有与纤维复合材料不同的材料的实施例中，该方法可包括使这种物体的附接表面通过为此目的已知的方法，例如通过机械磨蚀、蚀刻等形成表面粗糙度。
在这些实施例中使用的树脂可具有与纤维复合材料部件的基质材料相同或不同的化学组成。
纤维复合材料部件本身可以构成第二物体要固定到的第一物体，或者它可以构成第一物体的一部分，该第一物体可以包括连接到纤维复合材料部件的附加部分。
纤维结构在附接表面处露出的事实意味着该结构缺乏完全嵌入纤维的基质材料的均匀分布，使得树脂材料能够流入在纤维之间和/或纤维下面形成的结构。
为了使部分纤维结构在附接表面处露出，该方法可包括在将第二物体相对于纤维复合材料部件放置之前从附接表面去除基质材料以暴露部分纤维结构。
这种去除基质材料的步骤可包括任何适用的材料去除步骤。例如，这样的步骤可包括对附接表面进行喷砂处理。另外或作为替代方案，该步骤可包括化学蚀刻。另外或作为又一替代方案，该步骤可包括研磨。在任何一种情况下，该步骤可以包括提供防护罩和仅使表面的那些部分暴露于由于期望纤维结构暴露而去除的材料的子步骤。
作为纤维复合材料部件的替代，其它材料也是第一物体的适用材料。在一组实施例中，这种材料尤其包括多孔或其它不均匀的结构。这种材料的一个示例是金属泡沫。另外或作为替代，第一物体可包括附接表面处的表面不规则性，该表面不规则性在消融过程(机械、通过辐射、化学蚀刻等)或在添加(涂覆)过程中形成。
作为露出的纤维结构的类似物，在金属或陶瓷第一物体中，露出的结构可以是通过化学蚀刻或蚀刻几何形状的生成而暴露的晶界。
总之，该方法可以包括在附接表面处为第一物体提供表面不规则性，该表面不规则性可以借助不均匀的消融过程或借助添加过程通过部分纤维结构的露出而构成。
作为补充或替代，该方法可以包括例如通过添加过程或消融过程(涂层(例如药水处理)、活化等)影响第一和/或第二物体的表面化学性，例如用于形成OH基团或NH基团的足够的表面浓度。
在下文描述的许多示例中，第一物体是纤维复合材料部件。然而，该教导也适用于其它第一物体，包括金属泡沫、金属片或其它金属部件(有或没有粗糙表面)、多孔或无孔陶瓷、多孔或无孔塑料或例如提供表面不规则性的任何物体。
根据本发明的方法的另一个优点是，使第二物体与第一物体接触之前的步骤在定位方面不需要任何精度。在附接表面处去除基质材料以暴露部分纤维结构的步骤(见下文)或其它表面准备步骤仅需要在进行附接的位置附近进行。如果需要第二物体相对于纤维复合材料部件精确定位，那么此精度可以通过将第二部件直接布置在期望位置来实现。这与例如由预钻孔限定相对位置的方法形成对比。
这在考虑到由于根据本发明的方法引起的快速固化的事实时是特别有利的，该方法可以轻松集成在采用相应设备来将物体相对于彼此放置的工业生产过程中，并且公差问题可以直接消除。
第二物体可以是连接件，从而用于将另一物体紧固到第一物体上。为此，第二物体可包括连结结构，例如螺纹部分、螺母部分、部分卡口或部分夹持连接件或任意其它连接结构。或者，第二物体可以是框架或壳体或任何其它待紧固到第一物体上的物体。
在一组实施例中，第二物体包括第二纤维复合材料，如果可行，可以是与纤维复合材料部件相同或不同的组合物。在这些实施例的子组中，第二物体的部分增强纤维结构在施压步骤之前露出，由此树脂也渗透第二物体的纤维结构，具有与本文所述的纤维复合材料部件类似的效果。
在其它实施例中，第二物体在第二附接表面处包括与纤维复合材料不同的材料。例如，它可以是具有或不具有粗糙表面的金属、玻璃、陶瓷、聚合物基材料等。在一组具体实施例中，第二物体包括粗糙和/或多孔表面结构。
在实施例中，第二物体包括例如面向远侧的第二附接表面，其在将第二物体相对于第一物体放置的步骤中被放置成抵靠第一物体的附接表面(“第一附接表面”)，树脂处于附接表面之间。
在实施例中，这种第二附接表面设置有至少一个凹口(凹槽/通道、孔或类似物)，当第二附接表面压靠第一附接表面时，形成腔，该腔可以用作多余树脂材料的缓冲容量并引导树脂流动。特别地，至少一个凹口可以形成例如有效地引导流动的径向延伸通道的通道系统。更一般地，第二附接表面可以设置有至少一个凹口或突起，从而形成在界面处留出限定深度的空间的宏观结构。在一个示例中，该宏观结构可以由突起(间隔物)形式构成，其形成限定厚度的粘合间隙，其中振动确保可靠地填充该间隙，此外还改善分布和润湿。
另外，这种结构倾向于增加表面，从而改善附接。这种结构可以例如构成形状配合结构，以进一步加强连接。
在一组具体实施例中，在面向第一物体的一侧上的第二物体可包括几何构造的热塑性接触部分。当机械振动作用时，这种几何结构可以用作能量定向器，并且热塑性材料的液化过程可以局部地开始。因此，在热塑性材料与树脂之间产生互相渗透网络，该网络一方面甚至可以增强附接强度，另一方面可以补偿几何不规则性。通过热塑性材料进一步加速固化过程、通过吸收振动能量产生进一步的附加热量。最后，特别是由于热塑性材料的延展性，互相渗透网络形成抗冲击中间层，其允许通过树脂补偿粘合剂连接的脆性。
可选地或另外地，该概念可以应用于在第一附接表面处包括热塑性材料的第一物体。
作为第二附接表面的(多个)凹口的补充或替代，可以在第一附接表面上设置包括至少一个凹口(通道、凹槽、孔)的结构。第一物体中的这种凹口可以是预先制造的(例如在已经制备纤维复合材料部件的树脂传递模塑工艺中)和/或可以通过去除步骤制造，例如采用不仅影响基质材料而且影响纤维的手段(喷砂、蚀刻或类似)去除材料的步骤。
在施压步骤期间，第一物体或(如果机械振动作用在第一物体上那么)第二物体可以抵靠支撑件尤其非振动支撑件放置。还可以选择从两侧施加振动，即将振动工具压靠在第二物体和第一物体两者上。
在本文中，术语“纤维复合材料部件”通常是指包括纤维结构的部件，例如纤维束的结构、纤维的织物结构或任何其它纤维结构，以及纤维嵌入其中的基质材料。通常，在这种结构中，纤维是所谓的“连续纤维”，即长度可以超过10mm的纤维。该纤维将例如是碳纤维。这种纤维复合材料通常被称为“碳纤维复合材料”或“碳纤维增强聚合物”或“碳纤维增强塑料”，通常也像“碳”一样。不排除除碳纤维之外的其它纤维，例如玻璃纤维、陶瓷纤维或聚合物纤维。
在一组实施例中，第二物体是具有锚固板(或“紧固件头部”)和结合到锚固板的紧固元件的紧固件。该紧固元件可以具有现有技术紧固件的任何特征，例如是螺纹螺栓(具有外螺纹和/或内螺纹)、没有螺纹但是例如具有粘合剂通道的螺栓、销、螺母、钩、孔眼、卡口连接的底座等。该组实施例中的紧固件可以基本上类似于以商标名“bighead”销售的紧固件，并且用于粘合到另一个物体的表面上。
该组紧固件的锚固板可以作为上文讨论的第二附接表面具有至少一个通孔的可选结构的附加或替代。在此过程中，部分树脂接下来渗透到(多个)通孔中，从而有助于紧固效果。
在该组的实施例中，锚固板设置有从第二附接表面突出的至少一个间隔件。这种间隔件限定第一附接表面与第二附接表面之间的最小距离，从而控制树脂层的厚度。一方面间隔件尺寸和附接的树脂成分和要求(例如热延伸失配补偿)可以在其中彼此适配。
该(多个)间隔件尤其可以布置在(多个)开口附近，例如形成围绕(多个)开口的套环。在该实施例中，(多个)间隔件具有辅助控制通过按压力和振动的作用向近侧流回的树脂量的附加效果。
用于将振动耦合到组件中的振动工具可适配于第二物体(紧固件)，以使工具直接被压靠到锚固板的面向近侧的表面。在许多实施例中，尤其包括但不限于振动是纵向振动的实施例，振动工具因此适于压靠在锚固板的面向近侧的表面上。
为此，振动工具可包括用于紧固元件的接收凹口，并且与锚固板有力且振动传递接触。
振动工具的接收凹口或其它结构可以配备为与紧固元件配合的定向结构，以相对于振动工具定向第二物体。这种定向结构可以被构造为与紧固元件配合的紧固结构，以将第二物体紧固到振动工具。或者，它可以是未固定的定向结构，例如在相对于轴向相对运动解耦时横向定向紧固元件。
可能的问题是在该过程中限制可能最初相对可流动的树脂，特别是因为机械振动最初增强了树脂的流动性。
横向限制的第一选择是为第二物体和/或第一物体提供外围限制特征，该外围限制特征在将第二物体和第一物体彼此压靠并引起机械振动作用的步骤期间限制树脂。这种外围限制特征可例如包括第二物体的外围环形朝向远端的套环，其例如具有与(多个)间隔物(如果有的话)相同或相似的延伸部分。这种外围环形套环可以替代地(仅)用作间隔件。还可以为第二物体和/或第一物体提供在树脂的位置处远离树脂侧凸出的表面形状，即第二物体朝向近侧凸出和/或第一物体朝向远侧凸出。由此，为树脂形成袋。通过这种形状的限制可以使得袋朝向横向封闭或打开，由此树脂流出袋和/或流入袋的某些减少的横向流动仍然是可能的。
横向限制的第二种选择是为振动工具提供外围限制特征。这种外围限制特征可以包括在第二物体的外围并朝向第一附接表面突出的环形突起。
根据第三种选择，可以使用单独的限制元件，其至少部分地围绕第二物体(如果适用，例如锚固板)以限制树脂。
所述选择可以任意组合。
在将附接表面放到一起之前分配树脂可以包括使用分配工具将树脂分配在第一附接表面上和/或第二附接表面上。
在一组实施例中，该方法包括在将第二物体相对于第一物体放置并且通过机械振动活化树脂以交联之前，将树脂施加到其中一个物体的相对大部分表面上。
该组特别适用于第二物体(例如也是第一物体)是平面和片状或至少具有平面片状部分的实施例。
如果具有相对大的共用表面的两个物体通过粘合剂结合彼此结合，则根据现有技术，在将第一和第二物体放在一起之后而附接表面之间具有粘合剂的制造过程中，该过程必须等到粘合剂充分硬化。或者，采用铆钉临时稳定第一物体和第二物体的相对位置，直到粘合剂充分硬化。铆钉连接具有在本文的介绍部分中简要讨论的众所周知的优点。
根据所提到的实施例组，仅对离散位置或多个离散位置选择性地执行活化，其中树脂在不同于离散位置的位置处保持不受影响。因此，在(多个)离散位置处的树脂可以临时稳定第一物体和第二物体的组装，直到粘合剂材料例如在等待时间或加热步骤之后完全硬化。因此，该组实施例带来了临时稳定(具有进一步处理组件的可能性)的优点，而没有铆钉或类似(螺纹等)连接的缺点。
在该组实施例中，可能的挑战可能在于，取决于第二物体的刚度，可能难以选择性地将振动通过第二物体耦合到期望的位置中而没有太多的振动能量通过第二物体朝向侧面例如沿着第二物体平面消散。
在子组实施例中，第二物体是局部足够柔韧的材料，以选择性地将振动耦合到紧邻振动工具下方的树脂部分，该振动工具将振动耦合到第二物体中。
另外或作为替代，第二物体包括局部变形，例如具有能量定向特性的压纹。例如，这种局部变形可以包括波纹结构，由此波纹用作能量定向器。
另外或作为另一替代，第二物体可包括围绕离散位置(例如凹槽)的振动解耦结构(其以接头状方式工作)。
作为可选地与所提及的可能性组合的另一替代，辅助元件被放置在第一物体与第二物体之间的离散位置处。这种辅助元件用作机械振动能量的吸收器，从而有针对性地加热周围的树脂材料。为此目的，辅助元件可包括能量定向器。这种辅助元件可包括热塑性材料。
在实施例中，这种辅助元件可以是热塑性弹性体。然后，可将E模量调节至树脂的相应模量(交联后)。然后，机械性能将受到最小程度的影响。
在实施例中，这种辅助元件可以与树脂一起沉积。例如，如果树脂通过相应的自动化工具沉积为树脂滴，则该辅助元件可以通过工具与该滴一起沉积。
在实施例中，辅助元件的形状可被设计为在第一物体与第二物体之间的大部分界面上延伸，例如通过作为柔性平面结构，例如网或类似物，形成分布在大表面上的例如呈规则图案的能量定向结构。柔性平面结构在本文中是平面结构，其可在没有显著的力输入的情况下变形且没有显著的回弹效应，例如为一块织物、网、箔等。在一些实施例中，代替是柔性平面结构，辅助元件也可以是刚性平面结构。
在具有延伸的辅助元件的实施例中，辅助元件的沉积不一定必须具有精确定位，即使需要精确地定义由振动触发的快速硬化的粘合剂连接的位置，因为这种精确的定义接下来可能是由施加振动的工具的位置引起的。
根据可能性，辅助元件的位置可以由第一物体或第二物体的相应结构限定，例如与辅助元件的相应突起配合的第一物体/第二物体的定向凹口(定向孔)。
如果辅助元件包括在该过程中变得可流动的热塑性材料，则其流动部分除了加热效果之外还可以导致材料流动，从而具有对树脂搅拌的功能并形成有助于树脂紧固效果的附加结构。
辅助元件除了用作吸收器之外还可以具有作为间隔件的功能，从而限定出第一物体与第二物体之间的树脂厚度。
在一组实施例中，第一物体或第二物体至少部分地由热塑性材料制成，而另一个物体(第二物体或第一物体)具有刺穿部分，该刺穿部被配置为在施加压力和机械振动的步骤中分别刺入第一物体或第二物体的热塑性材料中。
该刺穿部分可包括刺穿尖端，并且可选地可包括相对于轴向的底切。
在该过程中的刺穿部分充当振动能量定向器，并且通过振动能量的影响使热塑性材料局部可流动。这首先具有允许刺穿部分渗透到第一物体中的作用，由此在可流动热塑性材料部分再固化之后实现(除了树脂的作用之外)附加的锚固。而且，第一物体材料中的可能的破裂通过可流动的热塑性材料被弄平(愈合效果)。作为第二个效果，吸收的机械振动能量导致组件围绕刺穿部分与第一物体之间的界面的局部加热，由此树脂如上文所述经受附加的局部活化。
即使不是整个树脂都被硬化，上述原因的穿孔部分也提供了快速和初步的稳定性。这在其中组件需要快速具有足够的稳定性以进行下一个制造步骤的制造过程中是重要的。
在另一组实施例中，第二物体和/或第一物体至少部分地由热塑性材料制成并且包括至少一个能量定向特征，例如形成尖端状或刀刃状的突起，在该过程期间，其分别与第一物体或第二物体接触。当振动和压力耦合到组件中时，能量将在(多个)能量定向特征的(多个)位置处被局部吸收。这将导致能量定向特征的热塑性材料变得局部可流动并且将导致变形。由于突起处的能量吸收，树脂将在突起周围经受附加的局部活化，导致局部硬化区域，其在即使整个树脂尚未硬化的情况下也能确保最初稳定位置。
在这些实施例中，能量引导特征周围的可流动材料可以可选地另外具有有助于该过程和/或紧固效果的功能，例如为通过对相应的其它物体进行焊接(如果相应地选择材料)，以形成形状配合连接等，和/或通过有助于过程控制，例如通过限定第一物体与第二物体之间的距离等，在该距离处，彼此相对移动的机械阻力变高等。
在实施例中，第二物体和/或第一物体的形状被设计为使得树脂除了粘合结合之外还能形成形状配合连接。为此，第二和/或第一物体可以设置有供树脂以这样的方式流入的结构，即在重新固化之后形成底切。在这样的实施例的子组中，如果第二物体/第一物体具有相对薄的片状部分，则这种结构可以包括位于该第二物体/第一物体中的开口，部分树脂可以通过该开口逸出并流入该开口之外的开放空间，即具有该开口的第二物体部分的近侧和/或具有该开口的第一物体部分的远侧。由此，在树脂硬化之后形成按扣状形状配合连接。
施加振动的工具可以是耦合到用于产生振动的装置的超声波发生器。这种装置可以例如是手持式电动装置，其包括适当的机构例如压电传感器，以产生振动。
机械振动可以是纵向振动，施加振动的工具可以基本垂直于表面部分振动(并且该工具也沿纵向受压)，这不排除工具中例如用于使工具在表面部分上移动的横向力。
在其它实施例中，振动是横向振动，即主要与近远侧轴线呈角度(例如垂直)地振动，因此例如平行于第一附接表面和第二附接表面。其中的振动能量和振幅可近似于纵向振动的参数。
在另一组可被视为具有横向振动的实施例的子组实施例中，振动可以是旋转振动，即振动物体以前后扭转运动振动。
在许多实施例中，振动工具用于在振动作用的同时将第二物体压靠在第一物体上。为了向第一物体施加反作用力，可使用非振动支撑件(即振动工具将第二物体和第一物体压在非振动支撑件上)。这种非振动支撑件可例如是工作台或者由保持第一物体的框架等构成。
在一组实施例中，控制箔用于该方法。这种控制箔(或辅助箔)可以存在于非振动支撑件与第一物体之间和/或工具与第二物体之间(或者通常在工具与被压靠的物体之间)和/或非振动支撑件与压在其上的物体之间。
这种控制箔可以例如是在该过程中施加的条件下不会变得可流动的塑料，例如聚四氟乙烯(PTFE)或纸。
该箔可能具有以下功能：
-力冲击分布：特别是如果第一物体和/或第二物体是片状的，它们将具有它们自己的振动行为，其共振频率和波长通常分别不等于耦合振动的频率和波长。这将导致仅在某些接触位置而不是在整个接触表面上引起耦合并导致损耗。相对较软的箔将平衡这种不匹配(将平衡阻抗不匹配)，从而改善耦合性能。
-防止热量流动：通常，适用的超声波发生器和/或适用的非振动支撑件(例如工作台)是金属或其它良好的导热体。一方面超声波发生器/支撑件与另一方面第二/第一物体之间的紧密直接接触将导致大量热量流入超声波发生器/支撑件。结果，该过程的效率下降。控制箔具有大大减少了热量流动的绝热效果。
其中的控制箔用作辅助元件，在该过程之后将其移除。为此，控制箔是不粘附到第二物体/第一物体的材料。
可选地，控制箔可作为振动工具/非振动支撑件的涂层存在。
机械振动可以是超声波振动，例如振动频率在15KHz与200kHz之间，特别是在20KHz与60kHz之间。对于典型尺寸的第二物体(例如具有约1cm的特征横向尺寸)和复合材料部件的尺寸，例如用于汽车工业(车身部件)，约100-200W的功率已证明是足够的，虽然被应用的功率可能会因应用而有很大差异。
在任何实施例中，存在通过包括自动控制压力的工具执行该方法的选择。例如，该装置可以被构造为仅在施加特定的最小按压力时切换振动，和/或一旦达到某个最大按压力就切断振动。特别是后者可能对于必须避免不希望的变形的部件(例如某些车身部件)是有益的。
为此，根据第一选择，可以使用压电换能器测量施加压力的能力。根据第二种选择，可以在装置中存在特殊机构。例如，包括换能器并且工具(超声波发生器)附接到其上的单元可以抵抗弹簧力在壳体内滑动地安装。该装置可以被构造成使得仅当该单元移位一定的最小位移时和/或仅当其移位不超过某一最大位移时才能接通振动。为实现这一点，可以使用本领域公知的机构，例如光栅、滑动电触点、位置敏感开关或其它机构。此外，可折叠套管或下文所述类型的类似元件可包括或操作触点或开关或类似物以控制按压力。
振动频率可以影响振动的作用方式。较低的频率将形成较长的波长。通过使波长适应要完成的部件的尺寸，操作者可以影响振动效果最强的深度以及能量是否主要在“近场”状态、“远场”状态或中间状态下被吸收。
本发明还包括用于实施该方法的套件，该套件包括树脂材料(确切地说：树脂材料的原料，其可以例如包括两种待混合的组分以产生树脂)，以及第二物体和振动施加工具(例如超声波发生器)，其具有适于第二物体的面向近侧的耦合输入面的远侧外耦合面。该套件还可包括材料去除装置，例如喷砂装置。
附图说明
在下文中，参考附图描述实现本发明的方式和实施例。附图是示意性的。在附图中，相同的附图标记表示相同或类似的元件。附图显示出：
图1a-图1d是在将第二物体附接到纤维复合材料部件的方法的不同步骤中，纤维复合材料部件的各截面图；
图2是具有制备的露出位置的纤维复合材料部件；
图3是具有第二物体和超声波发生器的纤维复合材料部件的替代构造；
图4-图6是不同的第二物体的仰视图和剖视图；
图7是具有包括多个组件的第二物体的构造；
图8是构成第二物体的紧固件；
图9是通过图8所示种类的紧固件的锚固板的局部剖视图；
图10-图14是其它构造的局部剖视图；
图15是超声波发生器的视图；
图16是第一物体和第二物体的组件；
图17和图18是通过第一物体、第二物体和超声波发生器的组件的剖视图，其中树脂滴分配在第一物体与第二物体之间；
图19是第二个物体的示例；
图20是通过具有辅助元件的结构的剖视图；
图21-图23是辅助元件的实施例的俯视图；
图24是具有定向接头的辅助元件；
图25是另一个第二物体的仰视图；
图26是又一个第二物体的局部仰视图；
图27是通过第一物体、第二物体和超声波发生器的组件的剖视图，其中树脂滴分配在第一物体与第二物体之间；
图28是第一物体和第二物体的结构的变型；
图29是通过第一物体、第二物体和超声波发生器的组件的另一剖视图，其中树脂滴分配在第一物体与第二物体之间并且具有辅助元件；
图30是辅助元件的局部俯视图；
图31再次以剖视图示出在该过程期间的结构，其中该结构还包括控制箔；
图32是通过第一物体、第二物体和超声波发生器的组件的另一剖视图，其中树脂分配在第一物体与第二物体之间；
图33是具有形状配合连接的结构的剖视图；
图34是图33的结构的第二物体的局部俯视图；
图35和图36示出了通过第一物体、第二物体和超声波发生器的组件又一剖视图，其中树脂分配在第一物体与第二物体之间；
图37是在图36所示的过程之后得到的组件；
图38是没有超声波发生器的图36的组件的变型；和
图39是第二物体的局部仰视图。
具体实施方式
图1a以剖视图示出了纤维复合材料部件1，其具有嵌入硬化树脂基质12中的纤维11的结构。出于说明目的，在所有描述的示例中假设纤维复合材料部件具有大致扁平的形状，例如车身部件或飞机壁等。然而，本发明的所有示例也适用于并非平坦而是具有任意其它形状的第一物体。
图1a示意性地示出了将基质材料从附接表面(面向近侧的表面；图1a中所示取向的顶面)上的位置去除的步骤。喷砂装置40产生磨料颗粒的射流42，该射流42去除基质材料，但其能量不足以系统地损坏纤维11。
在图1a的构型中，防护罩41用于覆盖表面上不被喷砂的部分。代替使用防护罩，可使喷砂装置瞄准，从而仅在所需位置处去除基质材料。
图1b示出了在露出部分纤维结构的步骤之后的纤维复合材料部件1：基质材料沿着暴露纤维11的暴露表面部分13基本上被至少去除了一定深度。在实践中，深度可以是几十微米或更大，例如大于50微米。
接下来，将树脂部分3放置在暴露的表面部分13上(图1c)。该树脂可例如为树脂的双组分混合物，例如环氧树脂或聚酯树脂。树脂部分可选择性地完全覆盖暴露的表面部分13，但这不是必需的。
作为在纤维复合材料部件1上分配树脂部分的补充或替代，树脂也可以分配在第二物体上。
此后，如图1d所示，纤维复合材料部件和第二物体1彼此挤压，树脂位于各自的附接表面(由第二物体2的面向远侧的表面和纤维复合材料部件的面向近侧的表面构成)之间。
在所描绘的构造中，第二物体包括多个凹口，即第二附接表面中的通道21。由于压力，树脂将至少部分地填充这些通道21。
另外(这是与第二物体是否包括凹口无关的选择)，第二物体2是纤维增强复合材料，纤维24暴露在将与树脂接触的位置。
在施压步骤中，超声波发生器6使第二物体2压靠于纤维复合材料部件1，纤维复合材料部件1之后抵靠在非振动支撑件(图1d中未示出)上。同时，机械振动尤其是超声波振动被耦合到第二物体中。通过振动作用，使树脂有效地渗透纤维复合材料部件的暴露纤维，并且如果可行，渗透第二物体的纤维。同时，吸收的机械振动能量将使树脂在纤维复合材料部件与第二物体之间的界面处被局部加热。因此，固化过程在这些位置处基本上加速，由此放置步骤和为使连接机械稳定的充分固化步骤之间的时间跨度明显减小，例如从几分钟(没有振动)减小到几秒(振动)。这不会影响除了附接位置之外的旁边的树脂的可能剩余部分，因此在过程之后此剩余部分可被轻易去除。
超声波发生器6包括与第二物体的定向凹口26配合的可选的定向突起65。此种配合定向特征是所有实施例的选择。
图2描绘的阶段对应于图1b所示阶段，其示出了具有多个不同层12的纤维复合材料部件。可执行根据本发明的过程使得纤维11在附接位置处的暴露深度小于或等于最近层的厚度，或者可以如图所示进行使得几个层12的纤维露出。
图3示出的构造与图1d的构造类似。示出了以下附加特征，这些特征彼此独立并且可以单独实现或以任意组合方式来实现。
-第二物体2是异质的并包括塑料材料的部分25(例如纤维增强复合材料)并且还包括不同材料的部分26，例如金属。作为另一替代，未在图3中示出，第二物体可以是同质的或异质的，以及例如金属的(铝、钢、压力铸造镁)，或热塑性的例如注塑成型的，或陶瓷的，或任何其它合适的材料，或这些材料的组合。
-第二物体2作为连接件包括用于将另一物体紧固到第二物体(并由此紧固到纤维复合材料部件1)的紧固结构。为了具体化，在所示实施例中，紧固结构由螺母部分的内螺纹构成，该螺母部分在所示实施例中构成不同材料的部分26。更一般地，异质物体中的紧固结构可由任何一个部件形成，或者通过组合形成。紧固结构也可以存在于同质的第二物体中。
-第二物体2具有加厚的(中心)部分和较小厚度的(图3中的外围)部分。这在需要一定深度的情况下可能是有利的(例如对于紧固结构)，但是应该使整体尺寸最小化。归因于厚度较小的部分，在给定了第二物体体积的情况下，附接位置的所占面积可能更大。
超声波发生器6的形状适形于第二物体2的形状。特别地，在所示的构造中，超声波发生器包括中心凹口和外围外耦合表面，由此在该过程期间仅外耦合表面与第二物体接触。
-通道21是径向通道，使得即使没有精确选择分配材料的量，也可以控制树脂材料的材料流动。
图4示出了具有径向延伸通道21的第二物体(连接件)的示例。另外的近远侧通道28不限于第二附接表面，而是从近侧的附接表面引出并且构成贯穿的纵向孔。它可以用于使树脂流动均衡或甚至用于在定位第二物体之后分配树脂。
近远侧通道28和第二物体(连接件)的远侧表面的(多个)通道彼此独立，即在远侧表面中具有通道的任何第二物体不需要近远侧通道28，反之亦然。
在图5所示的变型中，通道21不是径向的而是周向的。
在图25的变型中，周向通道21通过径向连接121连接，由此可能形成剪切流，并且与具有如图5所示的未连接的周向通道的构造相比，树脂暴露于空化效应的情况减少。
在图6的实施例中，凹口由布置成图案的盲孔29形成。
作为更进一步的替代，径向和周向通道可以组合，形成突起(小块状和/或足状结构)图案。更一般地，任意形状的这种突起的布置(用作例如相同厚度的间隔物)可以通过它们的高度限定树脂层的最小总厚度，该最小厚度可以选择在0.05毫米至1毫米之间，例如在0.1毫米至0.5毫米之间。
通常地，与第一/第二物体的形状无关，并且与第一物体是否包括纤维复合材料无关，作为所讨论的(多个)结构的补充或替代，可以选择以下方法：
-第二物体和/或第一物体包括沿相应附接表面的热塑性材料。
-树脂作为制备成分施加，该制备成分除树脂外还包括热塑性颗粒，特别是混合到树脂中的热塑性粉末。因此，颗粒尺寸将首先限定结合间隙的厚度。此外，除了加速固化过程之外，机械振动将使热塑性颗粒变得可流动并且沿着附接表面焊接到相应的热塑性材料上。再次(如在上文讨论的方法中)，形成了互相渗透的网络，产生抗冲击、强结合的中间层。
图7示出了同时或顺序地将第二物体附接在多个附接位置的原理。例如，第二物体可具有多个附接部分，其相对于彼此的空间关系被精确地限定。在现有技术方法中(胶接除外)，这要求在对应于附接位置的位置处非常精确地向纤维复合材料部件内钻孔。归因于根据本发明的方法，仅在接近进行附接的位置处提供暴露的表面部分13就足够了。然后附接位置被同时(或一个接一个地、或以子组、以上文讨论的方式)附接。
在图7的实施例中，第二物体2包括多个第二物体锚固部件2.1、2.2、2.3，其相对于纤维复合材料部件1固定主体部分2.10。在所示实施例中，锚固部件例如通过夹持连接可拆卸地连接到主体部分2.10。为了固定主体部分2.10，代替必须精确地定位锚固部件(如传统的销钉的情况)以适配主体的连接位置的形状，第二物体2可以随着附接锚固部件而相对于复合材料部件1布置。此后，可以执行紧固过程，接下来如果需要，例如如果希望该主体部分不暴露于随后的制造步骤，那么可以可逆地移除主体部分2.10。
图8描绘了第二物体2，其是具有锚固板31(或“紧固件头部”)和结合到其上的紧固元件32的紧固件。图9示出了穿过图8的锚固板31的局部横截面。紧固元件可具有现有技术紧固件的任何特征，例如螺纹螺栓(如图所示)、没有螺纹的螺栓、销、螺母、钩、孔眼、用于卡口连接的基座等。在此，紧固件可以基本上构造成类似于以商品名“bighead”出售的紧固件。
根据本发明的方法的实施例可以特别用于通过粘合树脂将这种紧固件结合到任何物体上，包括但不限于，包括嵌入聚合物基质中的纤维结构的物体。
在第一组实施例中，紧固件被构造为类似于现有技术的紧固件，其具有基本上为平面的锚固板31，该锚固板例如具有多个通孔33。
在另一组实施例中，紧固件具有适合于该过程的结构。特别地，锚固板31可配备有远侧间隔元件35，该远侧间隔元件35从锚固板的远侧表面平面朝远侧突出。这种间隔元件35可以限定第一物体的表面与锚固板的远端表面之间的最小距离，由此确保在过程之后在第一物体与第二物体之间保留具有特定最小厚度的树脂层。
除了间隔元件之外或作为间隔元件的替代，锚固板31的面向远侧的表面可包括类似于参考图3-图6或图1d描述的结构。
在实施例中，考虑到根据本发明的方法，确保在施加机械振动期间持续存在特定最小厚度的树脂部分的结构可能具有特殊重要性。这是因为与作为粘合剂的树脂的常规用途相比，通过机械振动可显著增加粘合剂树脂的流动性。
在所示的构造中，间隔元件35是围绕通孔33的凸缘状突起。然而，间隔元件35也可能为其它布置，包括分布在锚固板的远侧表面上的离散间隔件的图案，或者包括沿着锚固板的周边延伸并且从其向远侧突出的单个外围套环，从而也限定了树脂。
图26示出了围绕通孔33的离散间隔元件35的选择，而不是连续套环。
在其中第二物体是具有锚固板和紧固元件的紧固件并且其中该紧固元件具有从锚固板向近侧突出的部分的实施例中，用于将机械振动耦合到第二物体中的工具可尤其适用。
图10示意性地示出了第一种可能性。超声波发生器具有容置凹口61，该容置凹口61在远侧外耦合面中具有开口，当远侧外耦合面压靠在锚固板上时，紧固元件32被容置在该凹口中。由此，工具(超声波发生器)和第二物体彼此适配，以使工具直接压靠在锚固板的面向近侧的表面上。
该工具可以配备有定向结构，例如面向内侧的定向突起62，以使第二物体相对于工具被定向。这种定向结构可尤其接合于紧固元件，如图10所示实施例示意性示出的定向突起62的情况。
在实施例中，定向结构可以被构造为与紧固元件配合的紧固结构，以将第二物体2临时紧固到超声波发生器。这种可能性在图11中示意性地示出。在图11的示例中，第二物体/紧固件具有固定(例如焊接)到锚固板的螺母36，并且该螺母用作紧固结构。工具6包括匹配于螺母36的内螺纹的螺纹突起65，由此对于该过程而言，紧固件可以拧到工具上。
对于其它紧固元件也可以采用类似的构造，例如具有内螺纹的凹口，用于与紧固件的螺纹杆配合。
图12解决了将树脂限定在第一物体与第二物体接触的附接表面上的位置(附接位置)的可能问题。
在上文中已经提到了第一种可能性，即为第二物体提供限制特征，例如外围套环。
图27示出了该概念的变型。第一物体1和/或第二物体2具有朝向树脂3侧的凹口131(这里是向外凸起)，由此形成用于树脂的袋132。此袋可以朝向侧面封闭，或者如图27所示朝向侧面敞开，由此树脂3的某种横向流动仍然是可能的。
在图27所示的实施例中，第一物体和第二物体都被示为金属片，其中相应的凹口131形成为远离树脂侧(即朝向第一物体的远侧，并朝向第二物体的近侧)的凸起。当然，取决于第一/第二物体的特性，还有其它方式来形成所示类型的袋，例如通过压铸、模制等。
图28非常示意性地示出了该原理，即如果第一和第二物体1、2均具有用于形成袋的凹口131，则凹口可以可选地相对于彼此横向偏移/移位，由此可以减少空化效应。
第二种可能性在图12中示出。工具6具有朝向远侧突出并且由此限制树脂3的外围套环66。如此选择套环尺寸，使得在适用的条件下，例如考虑到上述类型的间隔元件(如果存在的话)，套环66在该过程中不会与第一物体表面直接物理接触。
第三种可能性是例如在图13中所示的单独的限制元件53。此单独的限制元件例如可以是例如包围工具6但是与工具6振动解耦的短管元件。在分配树脂3之前或之后，此单独的限制元件可以定位成围绕附接位置并且可以例如抵接于第一物体1的面向近侧的表面。
这三种可能性可彼此独立地应用，或者也可以任意子组合的形式组合使用。
在实施例中，第二物体具有通孔，例如锚固板31的通孔33。在这些实施例中，树脂材料可以朝向近侧流经通孔。这可起到通过产生形状配合效果而有助于附接性能的效果，第二物体在树脂材料硬化之后部分地嵌入树脂材料中。
在第二物体具有通孔的实施例中，采取措施以防止树脂材料在该过程之后粘附到工具的表面。第一种这样的措施是使工具的面向远侧的外耦合表面例如通过具有相应的抗粘涂层而具有防止此种粘附的性质。
第二种可选措施在图13中非常示意性地示出。该工具可以在对应于通孔位置的位置处具有凹口67。该选项与在图13中所示的其它功能无关；特别是它可独立于限制元件53应用。
图14示出了一种构造的示例，其与上述实施例相反，振动是横向振动而不是纵向振动。图14的超声波发生器6配备用于横向振荡。它包括构造为容置紧固结构32的接收开口61。特别地，在图14中，容置开口被示出为具有适配于为螺纹杆的紧固结构的螺纹的内螺纹，紧固件例如如图8所示。超声波发生器6具有环形裙部68，其在该过程中被压靠在锚固板31的外围部分上，从而连同接收开口一起，将压力与机械振动耦合到锚固板31中。出于对称原因，图14中所示的超声波发生器6除了压靠在锚固板上的远侧环形裙部68之外还具有近侧环形裙部68。由此，可并行地执行两个组件的过程，超声波发生器被夹持在两个第一物体之间，这两个第一物体压靠从相对侧引入的相应第二物体。在超声波发生器的相对侧上可以存在两个以上的耦合位置，该耦合位置平行于图14的绘图平面。
在图15中示出了另一种超声波发生器6，其例如呈“楔形簧片”状构造，例如适用于横向振荡。超声波发生器包括用于容置紧固结构(例如螺纹杆)的容置开口61。类似于图11和图14的实施例，该容置开口可以可选地被配备用于与紧固结构连接。超声波发生器被配备并安装用于远端部分的横向振动，例如被从侧向作用并且引起超声波发生器弯曲振荡的耦合器结合到超声波发生器中的振动，如图15中示意性地所示。
所描绘的实施例中的超声波发生器包括多个用于将振动耦合到锚固板的侧部的翼69来替代环形裙部。可容易地适应具有如图14中的外耦合裙部或具有另一个耦合面的超声波发生器。
重要的是要注意，参考图14和图15所讨论的横向振动的概念可使用振动工具(超声波发生器)与相应的第二物体之间的适当的耦合工具而也转用至本文中描述的其它第二物体/连接件和其它紧固概念，而不仅仅是图14所示的紧固件。
图16非常示意性地示出了本发明实施例的可能应用。第一物体1和第二物体通过粘合连接彼此结合，其中第一物体和第二物体都相对较大。在制造过程中，物体之间的粘合剂硬化直到该粘合足够强以用于会导致显着的延迟的进一步的加工步骤。因此，根据本发明实施例的方法在多个离散位置81处使用本文所述的紧固方法以在这些位置处活化树脂。由此，在快速过程中使该粘合足够稳定。此后，离散位置81之间的树脂部分可以缓慢地硬化，同时第一和第二物体的组件经受进一步的处理步骤。
图17描绘了第一物体1、第二物体2和位于它们之间的树脂部分3的结构。第二物体2(在图17中，第一物体1也类似地)是相对薄的片状物体，例如金属片。假设第一物体和第二物体两者都具有相对大的平面(x-y)内延伸，树脂部分大范围地施加在至少一个物体的表面上，或者例如通过相应的机器人施加在延伸的粘合剂凹坑中。例如参照图16所示，树脂的表面可能过大而不能在由粘合剂覆盖的整个区域上大范围地施加机械振动，并且硬化可以仅在离散位置处发生。粘合剂的其余部分此后可以更慢的速率和/或通过加热诱导而硬化。
在此可能存在的挑战是，取决于膜(金属片)的刚度，可能难以选择性地将振动通过第二物体耦合到期望位置，而没有太多的振动能量通过横向流失而消散。
-在实施例中，第二物体是一种材料(例如膜状薄片材料)，其局部足够柔韧以选择性地将振动耦合到树脂的紧邻超声波发生器下方的部分，该超声波发生器将振动耦合到第二物体。
-在其它实施例中，第二物体包括局部变形，例如具有能量定向特性的压纹。
在图17中，压纹形成局部凹口/凹坑91。如图18所示，其在沿垂直于图17的截面平面的截面中描绘了图17的构造，凹口在底部呈波纹状。由此可实现多种效果：
-凹口作为整体，尤其是波纹状，提供了具有能量定向特性的明显结构，例如边缘。振动能量在这些结构处以强化的方式被吸收。结果，硬化过程围绕这些结构进行，如图18中的区域95所示。
-该结构影响振动行为并且可以在一定程度上将凹口91中的区域与凹口91周围的区域分离。
-当第一物体和第二物体彼此压靠且树脂仍然可流动时，具有该结构的凹口用作内部距离保持器，从而在该过程之后限定粘合剂部分的厚度。
图19以横截面图(上方图)和俯视图(下方图)描绘了第二物体2，示出了具有凹口的结构的变型(其可以可选地设置有附加结构，类似于图18)，在该变型中，凹进区域被压纹凹槽97包围，压纹凹槽97用作接头状结构，用于主要使被凹槽所包围的部分发生振动。
上文讨论的图27-图28的实施例是包括选择性地将振动通过第二物体耦合到期望的位置而没有太多的振动能量通过横向流失而消散的实施例的进一步示例，类似于图17-图19的实施例，但是不同之处在于粘合剂没有侧向移动，而是由于第二和/或第一物体的向外凸起而保持在适当位置。
图20中示出了将振动能量选择性地耦合到期望位置的问题的另一种可能的解决方案。在第一物体1与第二物体2之间定位辅助元件101。辅助元件用作距离保持器，从而限定树脂部分3的厚度。它包括能够通过机械振动能量液化的热塑性材料。当机械振动能量在辅助元件101的位置处例如局部地施加到第二物体，同时第二物体2和第一物体1彼此压靠时，辅助元件的热塑性材料尤其由于外部和/或内部摩擦而吸收振动能量，从而局部受热。由此，热量也传递到周围的树脂材料3。
在实施例中，如图20中所示，辅助元件101具有能量定向件102、103，例如是脊、尖端或其它突起。图20示出了在第一物体1的界面处的第一能量定向件102相比于在与第二物体的界面处的第二能量定向件103更加明显，以补偿由于所描绘的实施例中的振动将被耦合到第二物体而不是直接耦合到第一物体中的事实所引起的不对称性。
图20示出了能量定向件周围的区域，在其中树脂材料的活化占主导地位。
图21-图23示出了不同辅助元件的俯视图，从而示出了可能的辅助元件形状。通常，在实施例中，如果辅助元件具有不同于仅仅为盘的形状，使得侧表面更大，并且从而与树脂的界面更大，则这可能是有利的。
图24再次示出了一个截面，描绘了为辅助元件101提供与第一物体1的定向孔111配合的定向接头112的选择，以限定辅助元件相对于第一物体的精确位置。
作为热塑性材料的补充或替代，辅助元件也可包括其它材料。在实施例中，例如，辅助元件可包括弹性材料。弹性材料通常不是热塑性的，但仍吸收振动能量，因此通过内部摩擦加热。
图29示出了网状形式的辅助元件101，例如弹性体网。这种网具有的优点是它可以放置在第一物体与第二物体之间用于该过程，而不需要任何精确的放置。例如，辅助元件101可以沿着胶合线布置成条带，例如即通过相同的系统在从相应喷嘴施加胶滴之前或之后立即布置。
网可被选择为使得自由体积(即保持在股线141之间的体积，参考图30)较大，并且例如对应于总体积的至少70％或至少80％。
树脂3可分布在大表面上，或者如图29所示选择性地分布在所需位置，例如适配于第一物体和/或第二物体的形状，例如借助分配工具。如果选择性地放置树脂，则可以将其放置在网上或者也可以选择性地仅放置在股线141之间的空间142中。
图29的实施例还具有(可选的)第一和/或第二物体的凹口131，图29中为第二物体的凹口131，其具有参考图27和图28和/或参考图17-图19描述的功能(解耦和/或限定厚度)。
图31示出了控制箔153、155的使用原理。这种箔153、155可以放置在振动工具(超声波发生器6)与第二物体2之间，或者放置在非振动支撑件151与第一物体1之间或两个位置均可放置，在该非振动支撑件151上放置组件以用于该过程。
图31示出了位于超声波发生器6与第二物体之间的第一控制箔153，以及位于非振动支撑件151与第一物体1之间的第二控制箔155。
这种控制箔可包括在该过程施加的条件下不会变得可流动的塑料。这种箔材料的一个示例是聚四氟乙烯(PTFE)。另一种适用材料是纸。
已经示出图31所示类型的控制箔明显提高了实验效率，尤其对于硬的非振动支撑件。代替第一控制箔153和/或第二控制箔155，可以分别使用超声波发生器6和/或支撑件151的涂层。
图32示出了一种结构，其中第一物体1至少部分为热塑性的并且其中第二物体2包括远侧刺穿部分161，该远侧刺穿部分161被配备成在该过程期间刺入第一物体。
在实施例中，与图32的实施例类似，至少一个远侧刺穿部分161从锚固板31或其它面向远侧的止挡表面向远侧突出。
远端刺穿部分可以例如包括具有或不具有底切的锥形尖端(图32示出相对于轴向的底切)。
在该过程中的刺穿部分充当振动能量定向件，使由刺穿部分穿透的热塑性材料局部液化。振动能量的局部吸收导致了组件在刺穿部分与第一物体之间的界面周围局部加热，由此树脂如上所述受到额外的局部活化。
即使并非整个树脂都被硬化，上述原因的刺穿部分也提供了快速和初级的稳定性。这在其中组件需要快速具有足够的稳定性以移至下一个制造步骤的制造过程中是重要的。
作为第一物体至少部分是热塑性的并且第二物体在第一物体是热塑性的位置处具有刺穿部分的替代，该概念可以用于以下替代构造中：
-第二物体(在这些实施例中，振动被耦合到其中)至少部分是热塑性的，并且第一物体包括在第二物体是热塑性的位置处的刺穿部分，
-第一物体或第二物体是多孔的或能够在流体静压下形成孔，并且第二物体或第一物体分别包括热塑性材料的刺穿部分。由于机械振动能，热塑性材料液化并渗透到相应的其它物体的孔中，由此在重新凝固之后形成形状配合连接。此外，这将为初级稳定性提供快速稳定的连接。
图33示出了除了粘合剂结合之外还采用树脂3形成形状配合连接的原理。为此，第二物体和/或第一物体设置有供树脂以这样的方式流入的结构，即在重新凝固之后得到底切。在图33的实施例中，该结构由第二物体2的适当布置的通孔33构成，树脂受压通过该通孔33向近侧流回，以在凝固之后形成按钮状特征件171。
如图34所示，可以存在这种通孔33的图案。作为第二物体2的补充或替代，这些通孔中的至少一个也可以存在于第一物体1中。
图35示出了具有在第二物体的近侧的粘合剂储存器并且具有可选的压力释放孔173的超声波发生器。如果在第一物体中存在(多个)通孔，则非振动支撑件(图35中未示出)可设有具有粘合剂储存器和可选的压力释放孔的相应结构。
在特定实施例中，参考图33-图35讨论的具有回流的概念可以可选地应用于根据参考图11和图12讨论的原理的构造。
图36示出了组件的另一种选择，其中第二物体2的形状被设计为在局部粘合位置处实现连接的快速最初稳定性。然而，与图32的实施例相反，第二物体不刺穿第一物体。
图36中的第二物体是热塑性的，具有多个突起181，所述突起181的远端例如呈尖端状或刀刃状。当振动和压力被耦合到第二物体2中时，在这些突起与第一物体(其可以是硬质材料，例如金属或纤维增强复合材料)的界面处，能量将被吸收从而导致突起181局部熔化。由此突起将会变形(图37)以形成距离保持间隔物结构182，并且抵抗第二物体2朝向第一物体1的进一步运动的机械阻力将逐渐增加。而且，由于突起处的能量吸收，树脂3将在突起周围经受额外的局部活化，形成局部硬化区183，即使整个树脂尚未硬化，也能确保最初的稳定位置。
图38示出了在实现参考图36和图37描述的原理的实施例中，通孔33是可选的，可选地具有参考图33-图35描述的功能。
附加地或替代地，可以选择将刺穿部分161添加到第一物体1和/或如果例如在第二物体具有一部分热塑性材料的情况下添加到第二物体。
图39示出了除了具有也是平坦的尖端状或刀刃状的第一种突起181(在图39中，突起被示出为具有远侧刀刃状的细长形)，可以存在远侧延伸距离小于第一种突起的距离保持突起185。在图39中，它们被示出为呈星形并且离散地分布在表面上。也可能为其它布置，例如具有第一种离散突起和/或具有细长的距离保持突起。总之，可分布突起以优化所有：
-在过程期间立即活化树脂的位置的布置和分布(最初稳定性点)
-在该过程期间控制树脂流动
-在该过程中统一的机械支撑和距离限定。

Claims (59)

1.一种将第二物体紧固到第一物体的方法，该方法包括以下步骤：
-提供包括第一附接表面的第一物体；
-提供第二物体；
-在所述第一附接表面与第二物体的第二附接表面之间有树脂的情况下相对于所述第一物体放置所述第二物体，；
-当所述树脂与所述第一附接表面和所述第二附接表面接触时，使机械振动作用在所述第二物体或所述第一物体或两者上，由此活化所述树脂以交联；
-所述树脂由此在交联后将所述第二物体固定至所述第一物体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一物体包括纤维复合材料部件，所述纤维复合材料部件包括嵌入基质材料中的纤维结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述纤维复合材料部件包括在所述第一附接表面处露出的所述纤维结构的一部分。
4.根据权利要求3所述的方法，包括在相对于所述纤维复合材料部件放置所述第二物体的步骤之前去除基质材料以露出所述纤维结构的一部分的步骤，此时处于可流动状态的树脂在所述第一附接表面与所述第二物体之间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中去除基质材料的步骤包括喷砂。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中将所述第二物体和所述第一物体彼此压靠并引起机械振动作用的步骤使所述树脂渗透到外露的纤维结构中。
7.根据权利要求2至6中任一项的方法，其中该树脂包含与基质材料相同的材料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述振动是纵向振动。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二物体是配备用于将另一物体紧固到所述第一物体的连接件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二物体包括纤维复合材料。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二物体是异质复合材料，并且除所述纤维复合材料外还包括一部分不同材料。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述第二物体在所述第二附接表面处具有露出的一部分纤维结构，由此所述树脂能够渗透到所述纤维结构的这部分中。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在相对于所述第一物体放置所述第二物体的步骤中，所述第二附接表面被放置成抵靠所述第一附接表面，此时所述树脂位于这些附接表面之间。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二附接表面包括至少一个凹口或突起。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述凹口形成径向通道或周向通道。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二附接表面包括突起图案。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述机械振动的频率在15kHz与200kHz之间。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二物体是具有锚固板和固定到所述锚固板的紧固元件的紧固件。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述锚固板具有至少一个通孔。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中所述锚固板包括从远侧锚固板表面突出的间隔元件，所述远侧锚固板表面形成所述第二附接表面。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述紧固元件包括螺纹杆、销、螺母、钩、孔眼、用于卡口连接的基座中的至少一个。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其中将所述第二物体和所述第一物体彼此压靠并引起机械振动作用的步骤包括将所述机械振动耦合输入所述锚固板。
23.根据权利要求22所述的方法，其中将所述机械振动耦合输入所述锚固板包括将振动工具压靠在所述锚固板的近侧耦合面上。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中该振动工具和第二物体彼此适配，以便在该振动工具具有用于容置所述紧固元件的容置凹口的情况下将该工具直接压靠在所述锚固板的面向近侧的表面上。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其中所述振动工具包括定向结构，所述定向结构与所述紧固元件配合以相对于所述振动工具引导所述第二物体。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述定向结构被构造成与所述紧固元件配合以将所述第二物体紧固到所述振动工具的紧固结构。
27.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第二物体外围限制特征，所述第二物体外围限制特征在将所述第二物体和所述第一物体彼此压靠且引起机械振动作用的步骤期间限制所述树脂。
28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述第二物体和所述第一物体彼此压靠并使机械振动作用的步骤包括将振动工具压靠在所述第二物体的近侧耦合面上。
29.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述振动工具具有工具外围限制特征，所述工具外围限制特征在将所述第二物体和所述第一物体彼此压靠并引起机械振动作用的步骤期间限制所述树脂。
30.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在将所述第二物体和所述第一物体彼此压靠并引起机械振动作用的步骤期间使用至少部分围绕所述第二物体的限制元件来限制所述树脂。
31.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在引起机械振动作用的同时将所述第二物体和所述第一物体彼此压靠。
32.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述第一附接表面与所述第二附接表面之间有树脂情况下相对于所述第一物体放置所述第二物体的步骤中，所述树脂处于可流动状态。
33.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平面片状部分。
34.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在引起机械振动作用并由此活化树脂以交联的步骤中，仅一部分树脂被活化交联，而另一部分树脂实质上不受机械振动的影响。
35.根据权利要求34所述的方法，其中对于包括第一物体、第二物体和树脂的组件的多个离散位置，重复使机械振动作用并由此活化树脂以交联的步骤。
36.根据权利要求34或35所述的方法，其中所述第二物体具有凹进部分，并且在引起机械振动作用的步骤中，振动工具与所述凹进部分接触。
37.根据权利要求34至36中任一项所述的方法，其中所述第二物体具有波纹部分，并且在引起机械振动作用的步骤中，振动工具与所述波纹部分接触。
38.根据权利要求34至37中任一项所述的方法，其中所述第二物体具有环形接头结构，并且在引起机械振动作用的步骤中，振动工具与该环形接头结构的径向内侧的区域接触。
39.根据权利要求34至38中任一项所述的方法，还包括具有热塑性材料的辅助元件，其中在引起机械振动作用的步骤中，所述辅助元件被放置在所述第一物体与所述第二物体之间并吸收机械振动能量，从而加热所述辅助元件附近的树脂材料。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述辅助元件包括至少一个能量定向器。
41.根据权利要求39或40所述的方法，其中所述辅助元件是柔性平面结构。
42.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一物体和所述第二物体中的一个至少部分由热塑性材料构成并且另一个具有刺穿部分，所述刺穿部分被配备为在施加压力和机械振动的步骤中分别刺入所述第一物体或第二物体的所述热塑性材料中。
43.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二物体和/或所述第一物体至少部分由热塑性材料构成并且包括至少一个能量定向器，在加工过程中使所述能量定向器分别与所述第一物体或第二物体接触。
44.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二物体和/或所述第一物体的形状被设计为使所述树脂在硬化之后除了形成粘结外还形成形状配合连接。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述第二物体和/或所述第一物体分别具有通孔，所述树脂的一部分能通过所述通孔逸出并流入所述通孔之外的开放空间，由此在树脂硬化之后能实现按扣状形状配合连接。
46.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中引起机械振动作用的步骤包括使用振动工具将所述第二物体压靠在所述第一物体上，同时将所述第一物体压靠在非振动支撑件上。
47.根据权利要求46所述的方法，包括将控制箔定位在所述振动工具与所述第二物体之间和/或所述第一物体与所述非振动支撑件之间，所述方法还包括在引起机械振动作用的步骤之后从所述第一物体和所述第二物体的组件移除所述控制箔的步骤。
48.一种用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的套件，包括所述树脂的原材料、至少一个第二物体以及能将振动施加到所述第二物体的振动施加工具，其中所述振动施加工具具有适配于所述第二物体的面向近侧的耦合输入面的远侧外耦合面。
49.根据权利要求48所述的套件，还包括材料去除装置如喷砂装置。
50.一种紧固件，包括锚固板和结合至所述锚固板的紧固元件，其中所述锚固板具有第二附接表面和相对的表面以及至少一个通孔，并且其中所述锚固板还包括远离附接平面突出的间隔件，其中所述锚固板能够固定到具有第一附接表面的第一物体上，此时所述间隔件抵靠所述第一附接表面且在所述第一附接表面与所述第二表面之间有树脂层。
51.根据权利要求50所述的紧固件，其中所述相对表面的形状被设计成耦合输入面用于将机械振动从与所述耦合输入面物理接触的振动工具耦合输入所述锚固板中。
52.一种用于紧固到具有热塑性材料的第一物体上的紧固件，所述紧固件包括锚固板，其中所述锚固板具有近侧表面和远侧附接表面，并且其中所述紧固件具有刺穿部分，该刺穿部分从附接表面向远侧突出并被配备成刺入第一物体的热塑性材料，由此所述锚固板能被固定到所述第一物体上，此时该刺穿部分刺入所述第一物体以及在所述第一物体与所述锚固板之间有树脂层。
53.根据权利要求52所述的紧固件，其中满足以下条件中的至少一个：
-所述锚固板包括至少一个通孔；
-所述锚固板包括远离附接平面突出的间隔件，由此所述锚固板能够被固定到所述第一物体，此时所述间隔件抵靠所述第一物体并且在所述锚固板与所述第一物体之间有树脂层；
-所述刺穿部分相对于轴向具有底切；
-所述紧固件还包括紧固元件。
54.一种用于紧固到第一物体上的紧固件，所述紧固件包括锚固板，其中所述锚固板具有近侧表面和远侧附接表面，并且所述锚固板包括热塑性材料和至少一个热塑性能量定向器，所述能量定向器定位成与所述第一物体物理接触并从所述附接表面向远侧突出，由此在加工过程中，所述锚固板能够在第一物体与锚固板之间存在树脂层的情况下被固定到所述第一物体上，所述加工过程包括将机械振动能量耦合输入紧固件中，同时所述能量定向器压靠所述第一物体直到能量定向器的热塑性材料变得可流动，因为在所述能量定向器处的局部能量吸收而造成所述能量定向器周围的树脂被加热。
55.一种套件，包括根据权利要求51至54中任一项所述的紧固件以及适配于所述紧固件以将所述机械振动耦合输入所述锚固板的超声波发生器。
56.根据权利要求55所述的套件，其中所述超声波发生器被配备成机械接合到所述紧固元件。
57.一种用在将第二物体固定到第一物体的方法中的辅助间隔元件，其中所述方法包括将第二物体压靠在第一物体上，此时所述辅助间隔元件和树脂位于第一物体与第二物体之间，以及引起机械振动作用在第二物体上以活化所述树脂以交联，其中所述辅助间隔元件的形状被设计为放置在第一物体与第二物体之间，并且当所述第二物体压靠所述第一物体时保持第一物体与第二物体之间的距离，所述辅助间隔元件包括能够吸收机械振动能量的热塑性材料，由此通过作用在所述第二物体上的振动，所述间隔件被加热并能够将热量分配给其周围的树脂材料。
58.根据权利要求57所述的辅助间隔元件，包括至少一个能量定向器。
59.将根据权利要求48或49所述的套件、根据权利要求50至54中任一项所述的紧固件、根据权利要求55或56所述的套件或根据权利要求57至58所述的辅助间隔元件用在根据权利要求1至47中任一权所述的方法中的用途。
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