CN109982831A - 包括栓钉和工具的系统以及借助该工具将该栓钉固定到物体的方法 - Google Patents

包括栓钉和工具的系统以及借助该工具将该栓钉固定到物体的方法 Download PDF

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CN109982831A
CN109982831A CN201780062128.2A CN201780062128A CN109982831A CN 109982831 A CN109982831 A CN 109982831A CN 201780062128 A CN201780062128 A CN 201780062128A CN 109982831 A CN109982831 A CN 109982831A
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J·迈尔
G·埃克哈德
P·博世内尔
M·莱曼
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Woodwelding AG
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Abstract

本发明公开了一种借助于机械振动能量进行栓钉固定的系统和方法，该机械振动能量施加到栓钉上并且用于局部液化或至少塑化基于热塑性聚合物的材料，并且该材料是由栓钉(至少远侧栓钉端)和/或物体(至少在固定部位)包括的材料，其中远端栓钉端同时压靠在物体的固定部位上。根据栓钉(远侧栓钉端)和物体(固定部位)的材料对，这在液化后的或塑化后的材料的再固化时导致远端栓钉端嵌入物体中(例如形状配合连接)，远端栓钉端和物体之间的焊接连接，或者栓钉材料局部穿透到物体中(例如形状配合连接)。根据本发明的系统和方法特别适用于将栓钉固定到薄壁聚合物管道上，该固定的栓钉特别适用于固定绝缘垫到管道。

Description

包括栓钉和工具的系统以及借助该工具将该栓钉固定到物体 的方法
技术领域
本发明涉及机械工程和建筑技术领域。它涉及一种包括栓钉和工具的系统，并且还涉及一种借助于该工具将该栓钉固定到物体的方法。根据本发明的系统和方法的主要应用是将栓钉固定到由聚合物材料制成的薄壁管道(例如空调系统的空气管道、水管、冷却/加热介质管道)，其中栓钉用于将垫(例如绝缘垫)固定到管道的外表面上。然而，根据本发明的系统和方法不限于所提到的主要应用，而是也适用于其它应用，比如例如为将栓钉固定到非薄壁和/或不是由聚合物材料制成的物体上，其中已固定的栓钉可用于任何所需目的。
背景技术
根据现有技术，绝缘垫(例如由泡沫塑料例如聚苯乙烯、聚氨酯或聚乙烯制成，或由矿棉、玻璃填料制成，或由植物或动物纤维制成的材料而制成)借助于薄金属栓钉(通常为钢或铜)被固定到由金属(例如厚度为几毫米的钢、铝)板构成的管道，在垫外侧为该薄金属栓钉设置板状头部。栓钉的长度约等于垫材料的厚度(通常为20至100毫米)，并且其直径(通常为2至5毫米)尽可能小，但仍使栓钉具有足够的刚度以能够被推压穿过垫而不需要提供穿过其中的开口。板状头部由任何适用材料制成，并且具有平坦扩展部以固定足够大的垫区域，使得每个区域单元的栓钉数量可保持很小。
金属栓钉通常通过栓钉焊接技术使用手动焊枪固定到金属管道，该手动焊枪通过电缆连接到通常移动的控制和电力单元。在第一步骤中将栓钉焊接到管道上。在第二步骤中，通过将垫推到固定的栓钉上来使其抵靠管道定位，并且在第三步骤中，将头板固定到从定位的垫突出的自由栓钉端部。或者，首先将垫抵靠管道定位，然后将栓钉推压穿过定位好的垫并焊接到管道上，其中可能使用带头部的栓钉。还可以提供已经将栓钉定位在其中的垫，并相对于管道将垫和管道定位在一起。使用指定的方法将金属栓钉固定到金属管道上，并使用良好的设备和经验丰富的人工焊接，可实现每小时固定高达150-200个栓钉的性能。
为了将绝缘垫固定到建筑物墙壁上，例如使用螺栓与膨胀聚合物套管相结合，其中对于每个螺栓而言需要至少在建筑物墙壁中设置孔，并且为了安装，螺栓需要旋入到孔中，这使得固定过程比上述简要描述的栓钉焊接过程明显更耗时。
目前，在建筑和其它行业中以及通常在机械结构中，越来越多的部件由热塑性聚合物制成，例如由PPS(阻燃聚丙烯)制成。目前由热塑性聚合物制成的物体的一个例子是空气管道。这种空气管道的壁厚与金属管道的壁厚相当，通常在3到10毫米之间。为了借助于栓钉将垫固定到这种聚合物管道上，上述指出的栓钉焊接过程是不适用的。类似的考虑适用于由热塑性材料制成的其它相对薄的壁部分。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括栓钉和工具的系统，以及借助于该工具将该栓钉固定到物体的方法。其中，根据本发明的系统和方法特别适用于将栓钉固定到薄壁聚合物管道上，该栓钉特别适用于固定例如绝缘垫到管道。利用根据本发明的系统和方法实现的固定过程与如上所述用于将金属栓钉固定到金属管道上的栓钉焊接过程相当。这尤其意味着一个工具和相同的工艺参数或窄范围内的工艺参数适用于许多不同几何形状的栓钉(特别是栓钉长度)、栓钉材料和应用。进一步意味着，使用根据本发明的系统和方法将获得与栓钉焊接过程所获得的结果相当的结果，特别是在管道侧面无需预备步骤、固定的质量和准确性、易于处理栓钉和工具、固定过程所需的时间和力、栓钉制造过程的简单性以及栓钉材料的可用性。
然而，根据本发明的系统和方法不仅能应用于栓钉在薄壁聚合物管道上的固定，而且能应用于将栓钉固定到特别是非薄壁的和/或并非由包含热塑性聚合物的材料组成的其它物体上。这种其它物体和应用的例子是壁的镶板、具有厚TP或PVC箔的包层、例如毡垫或其它纤维垫在汽车的塑料或金属车身部件上的固定。
这些目的通过根据本发明的栓钉和工具的系统以及方法实现。
一般而言，根据本发明的栓钉固定借助于机械振动能量(特别是超声波振动能量)来实现，该机械振动能量被施加到栓钉并且用于局部液化或至少塑化材料，该材料基于热塑性聚合物并且由栓钉(至少远侧栓钉端)和/或由物体(至少在固定部位)所包含，其中，远侧栓钉端被同步压靠在物体的固定部位上。根据栓钉(远侧栓钉端)和物体(固定部位)的材料对，这会在液化或塑化材料的再固化时导致远侧栓钉端嵌入物体中(例如形状配合连接)，导致在远侧栓钉端和物体之间形成焊接连接，或者导致栓钉材料局部穿透到物体中(例如形状配合连接)。
根据本发明的系统的工具优选地是超声波手持件，其由操作人员或可能由机器人操作，并且包括具有例如压电元件和传输元件、超声焊极的振动源。超声焊极可能通过变幅杆连接到振动源。手持件通过电缆连接到控制和电力单元，该控制和电力单元可以是固定的或可移动的。然而，手持件本身可以包括控制和电力单元的元件，或者它可以是完全独立的电池驱动装置。振动源设计为由50至500瓦和10至100千赫(例如20或40千赫)范围内的交流电供电。变幅杆和超声焊极的布置优选地为在超声焊极的远端面处的10至100微米(例如60微米)范围内的纵向振动振幅设计，其中振动系统优选地为在该远端面处的最大振动振幅设计。然而，超声焊极的振动也可以具有垂直于超声焊极轴线的主方向，或者可以是围绕超声焊极轴线定向的旋转振动。
根据本发明的系统的栓钉包括细长轴杆和凸缘。轴杆具有远端和近端。凸缘在沿着纵向轴线的位置中以直角或可能从轴杆周围倾斜地延伸，使得近侧轴杆部分延伸超过凸缘的近侧面。该凸缘的近侧面用于将用于固定过程的振动和按压力耦合到栓钉中。凸缘可以附加地或替代地用于限制在固定过程期间远侧栓钉端穿入物体中的深度，和/或用于横向稳定固定的栓钉。优选地，栓钉仅由一个材料制成，即轴杆和凸缘是一个整体件。优选地，栓钉材料是基于聚合物的材料，但它也可以是金属。栓钉材料和栓钉几何形状的其它特征取决于固定的栓钉的功能、栓钉要固定到的物体以及固定方法的特征。
根据本发明的系统的工具的超声焊极具有适配于栓钉的几何形状，使得远侧超声焊极面可以与近侧凸缘面接触，并且优选地使得栓钉可以由超声焊极保持，用于将栓钉相对于待固定其上的物体定位。为了容纳延伸超过近侧凸缘面的近侧轴杆部分，超声焊极包括在远侧超声焊极面处开放的轴向通道。远侧超声焊极面(或者对于管状超声焊极而言是超声焊极横截面)适配于近侧凸缘面，从而实现有效的振动和力传递。超声焊极通道的轴向长度优选地足以处理选择的待处理的栓钉，也是具有最长的近侧轴杆部分的栓钉。超声焊极通道的横截面适配于近侧轴杆部分的横截面，使得栓钉可以由超声焊极牢固地保持和引导。
在例子中，超声焊极可以被配备为保持和/或引导近侧轴杆部分，不仅用于固定过程，而且用于将栓钉相对于待固定栓钉的物体上的固定部位定位。该系统可以包括用于相对于超声焊极保持和/或引导栓钉的(近侧)轴杆部分的保持机构。为此目的，至少一个保持元件可以布置在超声焊极通道内。为了防止从这种保持元件到栓钉的近侧轴杆部分的不期望的振动传递，保持元件可以是弹性元件。该弹性元件可以例如布置在超声焊极的构成了振动节点(最小振动能量或振幅的位置)的轴向位置。在示例中，弹性元件可以是弹性体，例如弹性环或类似物；它还可包括多个弹性体。在另一个例子中，保持元件可以包括弹簧安装的保持体，即弹性接下来处于弹簧中。
特别是在其中保持元件的轴向位置不处于振动节点的实施例中，保持元件可以构造成允许保持元件相对于超声焊极和/或相对于栓钉的有限的相对轴向运动。例如，保持元件借助于限制了相对运动的有限的轴向延伸被安装在结构(例如凹口，例如凹槽)中。该结构可以例如使得轴向间隙至少在所施加的振幅的区域中。作为选择，保持元件可以包括弹簧安装体，其允许克服弹簧力的一些轴向运动，该轴向运动可选地也被限制为至少接近施加的振幅。因此，在这样的例子中，保持元件允许通过超声焊极保持栓钉用于定位，同时防止通过保持元件的振动耦合。
在其它实施例中，保持机构可包括抽吸装置以在通道中产生负压，用于相对于超声焊极保持栓钉。
同样，通常来说，根据本发明的方法包括将栓钉以其远端面向物体的固定部位地定位的步骤，以及借助于振动能和通过超声焊极同时施加至栓钉的按压力将栓钉远端固定到固定部位的步骤。其中，垫或必须固定到物体上的其它材料在栓钉定位和固定时借助于栓钉抵靠物体定位，即被推到栓钉上。然而，栓钉也可以通过已经抵靠物体定位的垫被定位和固定，或者该垫可以设置有定位在其中的栓钉，并且在将包括栓钉的垫抵靠物体定位之后固定栓钉。
根据本发明的方法可以特别地包括使用根据本发明的系统的任何实施例或例子，因此，这里提到的用于描述该系统的特征也适用于该方法，反之亦然。
根据本发明的第一示例性实施例，栓钉固定步骤包括将栓钉的远侧尖端嵌入物体材料中，该物体材料基于热塑性聚合物并且借助于提供给栓钉的振动能量是可液化的。这意味着物体(至少在固定部位)包括热塑性聚合物，并且它还意味着整个栓钉或至少远侧栓钉端由在该过程条件下不会由于振动而液化或塑化的材料制成。因此，例如由金属(钢、铜或铝合金)、填充或未填充的热固性聚合物材料(例如玻璃纤维增强环氧树脂或聚酯树脂)、填充或未填充的热塑性聚合物材料(例如PEEK、芳香族聚酰胺、PET、PA66)组成的栓钉由于具有更高的填料浓度(例如填充20％至50％的纤维)而相比于栓钉远端将嵌入其中的物体材料具有相对较高的熔化温度范围(至少50℃)或相对较高(例如两倍)的弹性模量。
除了包括延伸超过近侧凸缘面的近侧轴杆部分之外，适用于本发明第一示例性实施例的栓钉还包括远侧轴杆部分，该远侧轴杆部分延伸超过远侧凸缘面并且优选地包括便于将其推入固定部位的材料内的远端(例如一个锥形尖端、多个锥形尖端、锥形环)。此外，远侧轴杆部分或至少其尖端优选地包括底切表面结构或适合于与该远侧轴杆部分所嵌入其中的材料形状配合连接的几何形状。
本发明的第一实施例特别适用于如上文详细说明的优选应用，即用于将栓钉固定到由热塑性聚合物(例如PPS、PP、PVC或PTFE等)制成的薄壁管道上，栓钉适于将垫(例如绝缘垫)固定在管道上，其中在定位垫之前将栓钉固定到管道上。对于这种应用，栓钉例如是由填充或未填充的聚合物材料例如PEEK、芳香族聚酰胺、PET或PA66制成。为了具有足够小的横截面积并且仍然具有足以轻松地穿透垫的机械稳定性，栓钉的轴杆可以包括纵向加强肋，其优选地具有适于切穿垫材料的窄或甚至尖锐的外边缘。栓钉的凸缘例如邻近轴杆的远侧尖端的近端定位，并且不仅用于将振动和按压力耦合输入栓钉(近侧凸缘面)中，而且也用于限制穿透深度(远侧凸缘面)，这种穿透深度对于限制栓钉固定到薄壁物体特别重要，其中太深的穿透意味着物体的损坏。
根据本发明的第一实施例，使用如上所述的栓钉用于在薄壁聚合物管道上的垫固定的优选应用，栓钉的近侧轴杆部分被引入超声焊极通道，使得远侧超声焊极面接触近侧凸缘面并且使得栓钉由超声焊极保持。然后将轴杆(尖端)的远端抵靠物体的固定部位定位(定位步骤)。对于固定步骤，然后将栓钉压靠在固定部位上，通过人或机器人操作者相应地将手持件压靠在物体上，将按压力通过超声焊极施加到栓钉的凸缘上。最迟当栓钉尖端压靠在固定部位时，启动振动源，并且由于振动栓钉和固定部位之间的摩擦，固定部位的热塑性材料开始被加热，并且由此被液化或至少塑化，允许栓钉尖端通过手持件的进一步前进而进入该材料中。由此，另外的热塑性材料被液化并围绕栓钉尖端填充设置在尖端上的任何底切保持结构。一旦远侧凸缘面抵靠物体表面，就实现了所需的嵌入深度，即振动源将被停用。操作者或相应的传感器装置通过相对于物体表面抵接的凸缘引起的栓钉的进一步前进的阻力的相关增加来感测振动源停用的时间点。手持件在相同位置保持更长时间，即热塑性材料再固化所需的时间足以能够牢固地承载栓钉。然后移除手持件。
如果借助于如上所述固定的栓钉将垫固定到物体上，则通过推动多个固定的栓钉来定位垫，其中近侧轴杆部分需要具有约等于或大于垫厚度的长度。然后通过将头板固定到从垫突出的自由栓钉端将定位的垫固定到物体上。这可以通过任何已知和合适的方法实现，例如通过将头板卡入设置在栓钉端上的凹槽中或者通过将聚合物材料的头板超声波焊接到栓钉的端面上。
上文简要描述的本发明的第一实施例可以以下列方式变型：
·栓钉由金属(例如钢、铝或铜合金)制成，并且由于其材料的较高的强度和模量可以足够硬而没有加强肋。此外，由于通过金属栓钉更好地散热，缩短了固结时间，即用于再固化或液化材料的时间。
·栓钉的凸缘在轴杆上布置在更近端的位置，远侧轴杆部分的长度对应于穿透深度和垫厚度的总和，其中栓钉通过定位的垫被定位和固定，或者设置在垫内并与垫一起定位，其中凸缘可以用作头板。这种栓钉不允许使用远侧凸缘面控制穿透深度，除非栓钉包括邻近轴杆尖端设置并构成远侧凸缘面的另一凸缘部分。或者，穿透深度可以通过手持件控制，为此目的手持件可以包括连接到工具壳体的多个突起，当达到所需的穿透深度时，该多个突起与物体表面邻接，或者包括弹簧管，其与物体表面接触并抵抗弹簧力向近侧移动。在这两种情况下，实现所需的穿透深度的特征在于提高克服进一步前进的阻力，其可以用作自动停止振动的信号。
在本发明的第二示例性实施例中，栓钉通过被超声波焊接到固定部位而被固定到物体上。这意味着栓钉的材料(远侧栓钉端)和物体的材料(固定部位)都基于热塑性聚合物并且应选择为可焊接的，即具有相似范围的熔化温度并且能够相互润湿。这两种材料可例如基于相同的热塑性聚合物(例如PPS)，该热塑性聚合物可以相似或不同浓度填充相似或不同的纤维或颗粒。此外，为了获得足够的固定稳定性，需要比本发明第一实施例的情况更大的固定区域。因此，凸缘布置在轴杆的远端(没有远侧轴杆部分延伸超过远侧凸缘面)，并且远侧凸缘面焊接到物体上。为此目的，远侧凸缘面优选地配备有能量导向器，该能量导向器例如具有从主表面突出的点或线的图案。栓钉优选地完全由基于可焊接热塑性聚合物的材料制成，并且因此可以包括如上所述的用于本发明第一实施例的栓钉的纵向加强肋。
如果要借助于固定的栓钉将垫固定到物体上，则如上面对本发明第一实施例所述将垫推到固定的栓钉上并且将头板固定到近端栓钉端。
上文简要描述的本发明的第二实施例可以以下列方式变化：
·仅栓钉的凸缘或仅远侧凸缘面包括热塑性聚合物，其中，根据轴杆的材料，不需要提供加强肋。
根据本发明的第三实施例，栓钉或至少远侧栓钉端包括基于热塑性聚合物的材料，并且物体或至少物体的固定部位包括可被液化栓钉材料穿透的材料，即它是多孔或纤维材料(例如木材、刨花板、胶合板、泡沫金属、聚合物泡沫、多孔陶瓷材料)，或者它包括适合于这种穿透的优选底切表面结构(例如合适的粗糙度、颗粒涂层、空腔或凹槽的图案)。
如上所述的本发明第一实施例的所有进一步的特征和变化也适用于本发明的第三实施例。
附图说明
结合附图更详细地说明和描述本发明，其中：现
图1示出了根据本发明的示例性系统；
图2A/B/C示出了示例性栓钉和适用于与该栓钉配合的超声焊极，栓钉和超声焊极应用于本发明第一和第三实施例；
图3A至C示出了适用于本发明第一实施例的栓钉的尖端的进一步细节；
图4-7进一步示出了具有适用的栓钉的其它例子的本发明的第一和第三实施例；
图8-11示出了具有示例性栓钉的本发明第二实施例的变型；
图12A至D示出了适用于本发明第三实施例的栓钉尖端的示例性实施例；
图13-15示出了具有不同保持机构的示例性系统的细节。
具体实施方式
在下面的所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件或具有类似功能的元件。
从下面的附图和相应的描述中可以清楚地看出，在根据本发明的方法中，分别使用相同的工具或相同的超声焊极可以处理大量不同的栓钉。类似的参数组也适用于本发明的三个实施例，只要栓钉的整体尺寸保持在指定范围内即可。
图1非常示意性地示出了根据本发明的示例性系统，该系统包括工具1，该工具1具有超声波手持件2和通过电缆4连接的控制和电力单元3。手持件2包括位于壳体内的振动源(未示出)，超声焊极5以本身已知的方式连接或能连接到该振动源。如上面已经进一步提到的，手持件可以包括控制和电力单元的其它元件，例如发电机，或者它甚至可以是完全独立的电池驱动单元。如下面进一步详细描述的，超声焊极5包括纵向通道，该纵向通道容纳栓钉6的近侧部分，栓钉6的远端(凸缘和可能的远侧轴杆部分)突出超过超声焊极远侧面。
图2A、2B和2C示出了适用于本发明第一实施例的栓钉6和超声焊极5(仅示出了超声焊极远端)配合对的例子，其中图2A是超声焊极5的轴向截面，其中图2B是栓钉6的轴向截面(超声焊极5以虚线表示)，并且其中图2C以稍大的比例示出了对着近侧凸缘面14所观察的栓钉6(如图2B所示的观察方向A，虚线所示的超声焊极5)。
栓钉6包括轴杆10(近侧轴杆部分11和远侧轴杆部分12)和具有近侧凸缘面14和远侧凸缘面15的凸缘13。栓钉6还可包括围绕近侧轴杆部分11布置的多个(例如四个)纵向加强肋16，其中肋16的外边缘17距纵向栓钉轴线的径向距离沿着肋的长度变化或者恒定。在如图2B和2C所示的栓钉6的优选实施例中，肋16接合入近侧凸缘面14中，邻近近侧凸缘面14具有的最大径向范围与凸缘13的径向范围基本相同。
栓钉6的远侧轴杆部分12的形状被设计为锥形尖端，并且有利地包括底切结构，比如例如为颈部12.1，其半径小于更远侧的尖端部分。具有底切结构的栓钉尖端的其它示例性实施例示于图3A至3C中。
图2A至2C所示的超声焊极5包括轴向通道20，该轴向通道20在远侧超声焊极面21处是开放的并且可具有闭合或开放的近端。通道20的尺寸被设计为用于容纳近侧轴杆部分11，并且如果适用的话，包括用于容纳肋16的径向延伸部22。远侧超声焊极面21适形于近侧凸缘面14，即对于所示的例子，包括配合在肋16之间的四个区段21.1。
为了将栓钉6的近侧轴杆部分11牢固地保持在超声焊极5的通道20内，在超声焊极通道20的内侧上布置至少一个弹性元件25，(多个)弹性元件25的尺寸被设计为用于将近侧轴杆部分11弹性地保持在相对于超声焊极的通道20同轴的位置。如图2C所示，对于当前例子，四个弹性元件25布置成可在多个肋16之间定位。
如果超声焊极的通道20具有闭合的近端，则显然也可以处理具有长于超声焊极的通道20的近侧轴杆部分11的栓钉6。其中，栓钉定位在超声焊极的通道中，其近侧轴杆端抵接闭合的通道端，并且振动和按压力从闭合的通道端传递到近侧轴杆端。这意味着栓钉的凸缘不具有传递功能并且可以被省去。然而，可为上述穿透深度控制提供凸缘。
图3A至3C示出了底切结构的另外的示例性实施例，该底切结构可以设置在根据图2A至2C的栓钉的尖端(远侧轴杆部分12)上。这些结构根据图3A是周向肋，其可以在垂直于轴杆的轴线的平面中或螺旋地(螺纹状)延伸，根据图3B是底切腔31，并且根据图3C是通孔32。
图4示出了用于将垫40固定到薄壁物体41上的本发明第一实施例的应用，所述薄壁物体41由基于热塑性聚合物的材料构成，例如固定到热塑性空气管道。栓钉6与前面的图中所示的基本相同，应用的超声焊极也与前面的图中所示的相同，但未在图4中示出。图4的上方示出了以其尖端12抵靠在物体上的固定部位来定位的栓钉6，该栓钉6准备执行固定过程，即准备施加将栓钉尖端嵌入物体的材料中所需的按压力F和超声波振动US。
图4的中间示出了被固定到物体41上的栓钉6，即栓钉6的尖端12嵌入物体41的热塑性材料中，并且远侧凸缘面15抵接物体41的表面。尖端12在热塑性材料中的穿透深度d1分别对应于远侧轴杆部分12或尖端的轴向长度，即由远侧凸缘面15控制。这种控制被证明是准确和足够的，以便可靠地省去完全穿透薄壁物体(壁厚d2)，即使对于d1和d2之间的差值必须小到例如1至3毫米的情况。图4的中间部分还示出了抵靠物体定位的垫材料40，其中垫将在栓钉固定之后定位。
图4的下方示出了固定到近侧栓钉端以最终将垫40固定在物体41上的头板42。
图5示出了适于固定到根据本发明的第一实施例的物体41并用于将垫40固定到物体上的栓钉6的另一个示例，其中如结合图2A至2C所描述的超声焊极是适用的。包括底切尖端的远侧轴杆部分12的长度足以穿透垫40，并且凸缘13定位在垫40的外侧。这意味着，凸缘可以构成头板42，并且栓钉6可以通过被推动穿过已经定位好的垫40而抵靠固定部位定位，或者栓钉可以与垫一起设置和定位。这进一步意味着远侧凸缘面15不能用于如上所述地控制穿透深度，除非垫40在机械上足够稳定以具有足够良好限定的厚度。
在如图5所示的实施例中，可能使用超声焊极5并且还可能使用由振动源提供的振动能量，其不仅用于栓钉固定，而且用于推动远侧轴杆部分12穿过垫。
图6示出了适于固定到根据本发明的第一实施例的物体41并用于将垫40固定到物体上的栓钉6的另一实施例，其中例如结合图2A至2C所描述的超声焊极是可用的。根据图6的栓钉6与结合前面的图所描述的栓钉不同，区别之处在于它包括远侧凸缘部分13D和近侧凸缘部分13P，其中远侧凸缘部分13D带有可用于限制穿透的远侧凸缘面15，并且其中近侧凸缘部分13P带有近侧凸缘面14，该近侧凸缘面14用于耦合输入振动和按压力并且还可用作头板42。在两个凸缘部分13D和13P之间延伸的中间轴杆部分10.1的轴向长度基本上对应于将借助于栓钉固定的垫40的厚度，其中在定位和固定栓钉的步骤之前，栓钉被定位在垫中。此外，中间轴杆部分10.1可以带有加强肋16。
如图2A-C、3、4、5和6所示的所有栓钉优选完全由聚合物材料(如上进一步说明的热固性或热塑性)制成，其中肋16可用于实现足以满足指定应用的机械栓钉稳定性。这种栓钉可以通过注射成型容易地制造。
图7以与图2A和2B相同的方式示出了适用于本发明的第一实施例的栓钉6和超声焊极5(仅示出了远侧超声焊极部分)的配合对。其中栓钉6由金属制成，因此对于大多数应用而言在不需要加强肋的情况下将具有足够的机械稳定性。这意味着，该栓钉具有非常简单的形式，并且可以在与金属棒材制造螺钉的过程类似的工艺中由金属棒材制得。这尤其有效，因为对于金属栓钉，凸缘可以具有比基于聚合物的栓钉的情况更小的半径，并且仍然提供令人满意的振动和力传递。如果栓钉的相关尺寸与例如根据图2A至2C的栓钉的尺寸相当，那么根据图7的栓钉可以使用与图2A至2C所示相同的超声焊极固定。然而，如图7所示，可以使用具有恒定横截面(没有用于容纳肋的延伸部)的超声焊极通道20的更简单的超声焊极，其中弹性元件25例如是简单的O形环。
为了固定其凸缘13由金属制成的栓钉6，超声焊极的金属面抵靠金属凸缘振动，这可能引起不希望的噪音。为了防止这种噪音，为远侧超声焊极面或近侧凸缘面提供阻尼层28或例如聚醚醚酮(PEEK)或特氟龙(商品名)的阻尼涂层可能是有利的。
以上结合图3A至3C、4、5和6描述的所有特征也适用于根据图7的栓钉。
图7示出了如上进一步所述的超声焊极通道的闭合近端。可以使用该闭合的通道端代替远侧超声焊极面，以将振动和按压力传递到栓钉的近侧轴杆端，该栓钉的近侧轴杆部分比超声焊极通道的轴向长度长。
图8示出了可应用于本发明的第二实施例的栓钉6和超声焊极5(仅示出了远侧超声焊极端)的配合对，根据此实施例栓钉的远侧凸缘面15被超声波焊接到物体上。栓钉6的凸缘13布置在轴杆11的远端，即没有远侧轴杆部分延伸超过远侧凸缘面15，并且该远侧凸缘面15优选地配备有能量引导结构，例如从主表面突出的凸起、点或肋的图案或有限数量的这些点。图9示出了为远侧尖端15.1和环15.2形式的另外的示例性能量导向器，其向远侧渐缩形成尖锐边缘。
图10和11示出了适用于本发明第二实施例的栓钉6的其它例子。这些栓钉因为包括加强肋16(图10)和/或包括远侧凸缘部分13D和近侧凸缘部分13P而与图8的栓钉有所不同。这些特征在上文进行了进一步的描述，其中描述涉及本发明的第一实施例，但对第二实施例也是有效的。
以上针对适用于本发明第一实施例的系统描述的所有特征对于适用于本发明第三实施例的系统也是有效的，除了根据本发明第三实施例的情况至少栓钉的尖端需要包括基于可通过振动能量液化的热塑性聚合物的材料之外。该尖端不需要底切结构，而是其形状将被设计为促进液化。图12A至12D示出了适用的栓钉尖端(远侧轴杆部分12)，其渐缩例如到一点(图12A，从侧面看)，到多个点(图12B，从侧面看)，到图12C的线(对着远侧尖端观察)，或者到多个线(图12C，对着远侧尖端观察)。
图13示出了适合作为第一实施例以及第二和第三实施例的例子的系统的细节。图13的例子以及下面描述的图14和15的例子解决了以下问题：在一些构造中，如果例如在图2A中所示的弹性元件25被布置在构成振动节点的轴向位置，则它可以距离远侧超声焊极面21更远。而且，由于变化的共振条件(例如如果栓钉6承受大的压缩力，则波长可能下降)，振动节点的轴向位置可能在加工中变化。
因此，对于一些例子，可能期望具有不依赖于被布置在构成振动节点的位置的用于保持轴杆部分11的弹性元件的构造。
在图13的示例中，轴杆部分保持元件包括多个接合在轴杆部分的引导凹口54(或可能是周向引导凹槽)中的弹簧安装的保持体51(这里是保持球)。对于具有保持体51的弹簧52，超声焊极包括保持架53(这里使用架板55形成)或相应的周向保持凹槽，在该保持架53或该保持凹槽中，保持体51可以克服径向弹簧力而移位。所描绘的实施例中的引导凹口54具有浅的底面并且由此其形状可被设计为使得栓钉6和超声焊极5之间的相对运动是可能的，图13中的虚线示出了引导凹口54相对于所示保持体的可能移位。在移位期间，特别是在由于振动振幅产生振动期间，栓钉可以相对于保持体51移位，或者保持体可以经受轻微的滚动运动。
补充于或替代于由浅的导向凹口54限定的所示间隙，保持体51可以以这样的方式安装，它们可以相对于超声焊极5在一定程度上克服弹力而轴向移动(图13中未示出)。
可能的变型：
-保持体可以具有非球形的其它形状。
-代替(多个)引导凹口，轴杆部分可包括接合入保持体的凹进结构内的引导突起。
-更一般地，栓钉的轴杆部分可以具有与一个保持体/多个保持体配合的任何引导结构。
-保持体可以由弹簧本身的内端构成。
弹簧安装的保持体的数量可以例如是三个或四个，例如围绕轴杆的外周均匀分布。
图14示出了一个示例，其中保持元件由弹性元件25构成，弹性元件例如围绕轴杆部分延伸。引导元件被布置在超声焊极5的周向凹槽63中。周向凹槽63的轴向尺寸大于弹性元件25的直径(图14中示出了上部和下部空间61)，因此当栓钉6承受机械振动时，粘在轴杆部分11上的弹性元件可以相对于超声焊极5沿轴向移动。为此目的，弹性元件的外半径可以使得它不会压靠在凹槽63的底部，即使得在弹性元件25和凹槽63的底部之间可例如具有一个小间隙62。在传送期间，取决于取向，弹性元件25可以位于凹槽63的远侧表面64上，或者位于相对的表面上，或者以另一种方式将栓钉大致保持就位。
如果保持元件牢固地位于超声焊极上并且相对于栓钉6松动，例如通过具有至少一个引导凹口的栓钉，则可以实现与参照图14描述的解决方案类似的解决方案。而且，在两种构造中，代替一个周向弹性元件，可以存在多个弹性元件，每个弹性元件均具有座。
图15示出了一个示例，其中保持机构包括真空抽吸装置来替代明显不同的保持元件。通过真空端口71，空气被抽出以在轴向通道20中产生负压，因此栓钉6例如在其传送至固定部位期间相对于超声焊极被保持。在固定过程中也可任选地进行抽出。远侧超声焊极面和凸缘之间的界面不是完全气密的，尤其是在施加振动期间。然而，只要抽出功率足以在轴向通道20中产生相当大的负压，保持效果就足够了。
虽然图13-15的例子被示出为没有加强肋，但是这些加强肋也是这些实施例的选择，其中保持元件不是周向的(但是在加强肋之间存在多个保持元件)，或者(多个)保持元件处于与加强肋的轴向位置不同的轴向位置。
例子
用于实验的工具包括Branson LPE手枪(20千赫，750瓦)和外径为10毫米的铝超声焊极以及直径为5.6毫米的通道(在远侧超声焊极面处的最大振动振幅为60微米)。该工具用于将PPS GF40％(具有40％玻璃纤维填充的PPS)的栓钉固定到根据本发明的第一和第二实施例的PPS物体上。对于金属栓钉，在超声焊极面和近侧凸缘面之间设置厚度为1.5毫米的PEEK阻尼元件。
铝栓钉的轴向长度为50毫米，轴杆直径为3.5毫米，凸缘直径为10毫米，凸缘厚度为1.5毫米。远侧轴杆部分具有3至4毫米的轴向长度，并且是具有近端直径为3毫米的尖端和周向凹槽，或者是包括通孔或周向凹槽的外径为6.5毫米的管。为了嵌入(本发明的第一实施例)远侧轴杆部分直到PPS物体中的远侧凸缘面，振动栓钉以15至20千克(功率输出约250瓦)的按压力压靠在物体上7至8秒。然后停止振动，将栓钉附加地保持在物体上例如20秒。
PPS栓钉的总长度为50毫米，轴杆直径为5毫米，凸缘直径为10毫米，凸缘厚度为3毫米。栓钉没有远侧轴杆部分，远侧凸缘面的形状如图9所示。为了将远侧凸缘面焊接到物体上(本发明的第二实施例)，振动栓钉以5至10K的按压力(功率输出约250瓦)压靠在物体上4至5秒。然后停止振动，将栓钉附加地保持在物体上例如20秒
如上所述的两种栓钉在其固定形态中稳定地附接到物体上并且完全适于被推压穿过绝缘垫。

Claims (31)

1.一种借助于基于热塑性聚合物的材料的液化或至少塑化将栓钉(6)固定到物体(41)的系统，该栓钉(6)或物体(41)包含所述材料，该系统包括：
栓钉(6)，其包括细长的轴杆(10)，所述细长的轴杆具有远端、近端和位于所述远端和近端之间的纵向轴线以及自所述轴杆(10)径向延伸的凸缘(13)，所述凸缘具有远侧凸缘面(15)和近侧凸缘面(14)并且以近侧轴杆部分(11)延伸超过所述近侧凸缘面(14)的方式布置在所述轴杆(10)上，
工具(1)，其包括能提供机械振动能量的振动源以及具有近侧超声焊极端和远侧超声焊极面(21)的超声焊极(5)，其中所述近侧超声焊极端被耦合到或能耦合到所述振动源，其中所述超声焊极被设计用于从所述近侧超声焊极端到所述远侧超声焊极面(21)的振动传递，并且其中所述超声焊极还包括在所述远侧超声焊极面(21)处开放的轴向通道(20)，
其中所述轴向通道(20)的尺寸被设计用于容纳所述近侧轴杆部分(11)，并且其中所述远侧超声焊极面(21)适配于所述近侧凸缘面(14)，以允许振动和按压力从所述超声焊极(5)传递到所述栓钉(6)。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括保持机构，所述保持机构被构造成将所述轴杆部分(11)保持在所述轴向通道中。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述保持机构包括所述超声焊极的保持元件，所述保持元件被布置在所述通道(20)中。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述保持元件是弹性元件(25)。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述弹性元件(25)被布置在构成振动节点的轴向位置。
6.根据权利要求3所述的系统，其中所述保持元件包括通过弹簧相对于所述轴杆的超声焊极安装的保持体，所述保持体与所述轴杆部分(11)的引导结构配合。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述保持体具有至少部分球形的表面和/或其中所述引导结构包括凹口。
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述保持机构包括用于在所述通道(20)中产生负压的抽吸装置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述凸缘(13)由远侧凸缘部分(13D)和近侧凸缘部分(13P)构成，其中所述近侧凸缘部分(13P)构成所述近侧凸缘面(14)，并且其中所述远侧凸缘部分(13D)构成所述远侧凸缘面(15)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中所述栓钉(6)包括布置在所述轴杆(10)上的纵向加强肋(16)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中所述凸缘(13)在所述轴杆(10)上被布置成使远侧轴杆部分(12)延伸超过所述远侧凸缘面(15)。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述远侧轴杆部分(12)包括一个锥形尖端、多个锥形尖端或是管状的。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其中至少所述远侧轴杆部分(12)包括不能由所述振动能量液化的材料，并且还包括适于与它所嵌入的基于热塑性聚合物的所述材料形成形状配合连接的表面结构或几何形状。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述表面结构或几何形状包括表面粗糙度、肋、盲孔或通孔中的至少一个。
15.根据权利要求11或12所述的系统，其中至少所述远侧轴杆部分(12)包括基于热塑性聚合物的所述材料。
16.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中所述凸缘(13)被布置在所述轴杆(10)的远端上，其中至少所述远侧凸缘面(15)包含基于热塑性聚合物的所述材料，并且其中所述材料是能超声焊接的。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述远侧凸缘面(15)包括能量导向器。
18.根据权利要求13或14所述的系统，还包括所述栓钉(6)待固定至的所述物体(41)，其中至少在固定部位处所述物体(41)包括基于热塑性聚合物的所述材料。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述物体(41)是由基于热塑性聚合物的所述材料制成的薄壁管道。
20.根据权利要求15所述的系统，还包括所述栓钉(6)待固定至的所述物体(41)，其中至少在固定部位处所述物体(41)包括能被处于液化或塑化状态的、由远侧轴杆部分(12)包含的基于热塑性聚合物的所述材料穿透的材料或表面结构。
21.根据权利要求16或17所述的系统，还包括所述栓钉(6)待固定至的所述物体(41)，其中至少在固定部位处所述物体(41)包括基于另外的热塑性聚合物的另外材料，所述另外材料能焊接至由远侧凸缘面(15)包含的基于热塑性聚合物的所述材料。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的系统，还包括垫(40)，其中所述垫(40)和所述栓钉(6)彼此适配，以便所述轴杆(10)的至少一部分能被推压穿过所述垫(40)而不需要在所述垫中设置开口。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述近侧轴杆部分(11)能被推压穿过所述垫(40)。
24.根据权利要求22或23所述的系统，其中所述远侧轴杆部分(12)能够被推压穿过所述垫(40)。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的系统，其中所述超声焊极被设计用于在所述远侧超声焊极面(21)处具有最大振幅。
26.一种适用于根据权利要求1至25中任一项所述的系统的栓钉(6)，所述栓钉(6)包括细长的轴杆(10)，所述细长的轴杆具有远端、近端和位于所述远端和所述近端之间的纵向轴线以及自所述轴杆(10)径向延伸的凸缘(10)，所述凸缘具有远侧凸缘面(15)和近侧凸缘面(14)并且以近侧轴杆部分(11)延伸超过所述近侧凸缘面(14)的方式布置在所述轴杆(10)上。
27.一种适用于根据权利要求1至25中任一项所述的系统的超声焊极(5)，所述超声焊极(5)包括近侧超声焊极端和远侧超声焊极面(21)，其中所述近侧超声焊极端能与所述振动源连接，其中所述超声焊极被设计用于从所述近侧超声焊极端到远侧超声焊极面(21)的振动传递和在所述远侧超声焊极面(21)处的最大振幅，并且其中所述超声焊极还包括在所述远侧超声焊极面(21)处开放的轴向通道(20)。
28.根据权利要求27所述的超声焊极，其中，所述轴向通道(20)具有闭合的近端，所述近端也被设计用于振动传递。
29.一种借助于由栓钉(6)或物体(41)包含的基于热塑性聚合物的材料的液化或至少塑化将栓钉(6)固定到物体(41)的方法，该系统包括以下步骤：
提供所述栓钉(6)，所述栓钉包括细长的轴杆(10)，所述细长的轴杆(10)具有远端、近端和位于所述近端和所述远端之间的纵向轴线以及自所述轴杆(10)径向延伸的凸缘(13)，所述凸缘具有远侧凸缘面(15)和近侧凸缘面(14)并以近侧轴杆部分(11)延伸超过所述近侧凸缘面(14)的方式布置在所述轴杆(10)上，
提供包括能够提供机械振动能量的振动源的工具(1)和具有近侧超声焊极端和远侧超声焊极面(21)的超声焊极(5)，其中所述近侧超声焊极端能与所述振动源耦合，其中所述超声焊极被设计用于从所述近侧超声焊极端到所述远侧超声焊极面(21)的振动传递，其中所述超声焊极(5)还包括在所述远侧超声焊极面(21)处开放的轴向通道(20)，其中所述轴向通道(20)的尺寸被设计为容纳所述近侧轴杆部分(11)，并且所述远侧超声焊极面(21)适配于所述近侧凸缘面(14)，以允许将振动和按压力从所述超声焊极(5)传递到所述栓钉(6)，
将所述近侧超声焊极端耦合到所述振动源，
将所述近侧轴杆部分(11)定位在所述轴向通道(20)中，使得所述近侧凸缘面(14)抵接所述远侧超声焊极面(21)，
借助所述工具(1)将所述远侧轴杆端抵靠所述物体(41)上的固定部位定位，
将振动和按压力通过所述超声焊极(5)施加到所述栓钉(6)一段充足时间以液化或至少足以塑化基于热塑性聚合物的所述材料，以便将远侧轴杆端嵌入所述固定部位以穿透由固定部位包含的另外材料，或用于将所述远侧凸缘面(15)焊接到所述固定部位。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括以下步骤：用所述轴杆(10)的至少一部分穿透垫(40)并借助所述栓钉(6)将所述垫(40)固定到所述物体(41)的步骤。
31.根据权利要求30所述的方法，其中穿透所述垫(40)的步骤在将所述栓钉(6)固定到所述物体(41)之前或之后进行。
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