PL200505B1 - Sposób łączenia elementów przy pomocy termotopliwego elementu łączącego, element łączący do zastosowania w tym sposobie oraz połączenie wykonane według tego sposobu - Google Patents

Abstract

Wynalazek dotyczy sposobu laczenia elementów przy pomocy termotopliwego elementu lacz acego, w którym element lacz acy pod wp lywem zorientowanej si ly naciska na co najmniej jeden element, przy czym wzbudzenie me- chaniczne jest generowane w taki sposób, ze podczas penetracji co najmniej jednego elementu przez element lacz acy ruch post epowy utrzymuje si e za pomoc a si ly zorientowanej, zas stapianie podtrzymuje si e przez mecha- niczne wzbudzenie tak, ze stopiony materia l jest hydrau- licznie przemieszczany do otoczenia. Sposób wed lug wyna- lazku polega na tym. ze przed wzbudzeniem mechanicz- nym powierzchni e co najmniej jednego elementu przebija si e elementem lacz acym przez dzia lanie na niego si l a zorientowan a. Ponadto, wynalazek dotyczy elementu la- cz acy do zastosowania w sposobie wed lug wynalazku. Element lacz acy wed lug wynalazku jest wykonany z mate- ria lu termoplastycznego, ma kszta lt trzpienia i posiada co najmniej jeden obszar o mniejszym przekroju i co najmniej jeden obszar o wi ekszym przekroju, przy czym w co naj- mniej jednym z tych obszarów element lacz acy posiada elementy do ukierunkowywania dzia lania energii w kszta lcie pod luznie rozci agaj acych si e zeber. Przedmiotem wynalaz- ku jest ponadto po laczenie wykonane sposobem wed lug wynalazku przy u zyciu co najmniej jednego elementu la- cz acego wed lug wynalazku, w którym stopiony materia l elementu lacz acego jest utwardzony w strukturze spraso- wanego materia lu pod loza elementu. PL PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy sposobu łączenia elementów przy pomocy termotopliwego elementu łączącego, a także elementu łączącego do zastosowania w tym sposobie oraz połączenia wykonane według tego sposobu. Sposób łączenia według wynalazku znajduje zastosowanie do trwałego łączenia elementów z różnorodnych materiałów.

Oszczędne łączenie elementów jest jednym z najważniejszych napotykanych problemów w produkcji przemysłowej. W szczególności materiały porowate, takie jak drewno, klejone płyty, porowate skały i im podobne są trudne do przetwarzania. Obok konwencjonalnych sposobów, w których wykorzystuje się mechaniczne elementy mocujące, znane są również inne techniki. Jako przykład można wymienić klejenie. Metody termiczne oparte na stapianiu niektórych materiałów stają się coraz bardziej popularne. W tym przypadku powierzchnie przeznaczone do połączenia ze sobą dociska się do siebie i, na przykład, poddaje wzajemnemu tarciu, co sprawia, że pod działaniem ciepła wytwarzanego wskutek tarcia materiał, z którego wykonana jest jedna z łączonych części albo materiał dodatkowy, ulega stopieniu i w rezultacie obie części zostają ze sobą mocno połączone. Znane obecnie procesy mają jednak szereg wad. Połączenia mechaniczne, takie, jak wkręty lub gwoździe, które głównie wykorzystują siłę tarcia lub tworzą zaczepienie i wykorzystywane są przy wielu złożonych metodach wytwarzania, poddawane są silnemu działaniu efektu karbu i po upływie dłuższego okresu czasu niektóre z nich wypadają a niektóre obluzowują się. Szczególny problem może stanowić wypadanie lub obluzowywanie się elementów mocujących, łączących ze sobą fragmenty mebli wykonanych z płyt klejonych lub podobnych materiałów. Może to wynikać z wystę powania dużego nacisku punktowego lub niekorzystnego skupienia obciążenia.

Przybijanie gwoździami, które jest znane od dawna, ma znaczące zalety. Gwóźdź można wbić łatwo, w krótkim czasie i bez jakiegokolwiek dodatkowego przygotowania.

Wadą jest jednak to, że w przypadku gwoździa jest to połączenie wykorzystujące tylko siłę tarcia, które w związku z tym może przenosić tylko względnie niewielkie obciążenie. Dodatkowo, takie połączenia polegające na wypieraniu materiału podłoża często powodują pękanie elementów, które miały być połączone.

Nierozdzielne połączenie materiałów w miejscu łączenia, jakie występuje, na przykład, w przypadku klejenia, nie ma tendencji do wywoływania pękania lub rozszczepiania łączonych elementów. Ma jednak inne wady, które obejmują, na przykład, długi czas przestoju niezbędny do połączenia części, niewielką głębokość wnikania kleju w łączone elementy oraz trudności z kontrolowaniem ilości podawanego kleju, którego nadmiar często wypływa na zewnątrz.

Procesy termiczne, które polegają na topieniu materiałów, zgodne z tendencjami zmierzającymi do oszczędnej produkcji, mogą być z grubsza podzielone na dwie grupy. Pierwsza grupa obejmuje takie sposoby, kiedy, na przykład, powierzchnie dwóch części, z których jedna zawiera termoplastyczne tworzywo sztuczne, są dociskane do siebie i wprawiane w równoległy ruch względny obu powierzchni w taki sposób, że powstaje ciepło tarcia. Dzięki temu termoplastyczne tworzywo sztuczne ulega stopieniu, a następnie stygnąc tworzy nierozdzielne połączenie z materiału zaczepionego do obu części. Zaczepienie materiału ogranicza się jednak tylko do powierzchni tych części. Przenikanie stopionego materiału w głąb i stosowane siły zawsze są niewielkie i w rezultacie te połączenia mogą przenosić tylko bardzo ograniczone obciążenia. Stosowne rozwiązanie znane jest, na przykład, z treś ci opisu GB 2 061 183.

Druga grupa procesów termicznych oparta jest na sposobie, kiedy, na przykład, kołki ustalające lub podobne elementy, zwykle wykonane z topliwego tworzywa sztucznego, wprowadza się do wcześniej wykonanych otworów i następnie topi się przy pomocy mechanicznego wzbudzenia i nacisku. Stosowny sposób znany jest, na przykład, ze zgłoszenia PCT/EP95/02527 (publikacja WO/1996/001377). Duże znaczenie ma fakt, że części łączone przy pomocy kołków koniecznie muszą mieć odpowiednio wywiercone i wyczyszczone otwory przed wprowadzeniem do nich kołków i połączeniem ich z bocznymi ściankami w z góry określonych punktach (pewne strefy na końcu otworu i wzdłuż kołka) przez stopiony materiał. Potrzebna energia cieplna wytwarzana jest przez promieniowanie lub powstaje w wyniku tarcia wywoł anego przez wzbudzenie przy pomocy ultradź więków. Ze wzglę du na konieczność wcześniejszego precyzyjnego wywiercenia otworów jest to proces, który wymaga kilku operacji.

W zgłoszeniu PCT/CH98/00109 (publikacja WO/1998/042988) przedstawiono sposób łączenia dwóch części za pośrednictwem elementu łączącego. Element łączący umieszczany jest luźno

PL 200 505 w otworze. Następnie element łączący jest częściowo nagrzewany do stanu nadtopienia, co w efekcie umożliwia wytworzenie połączenia powierzchniowego.

Z opisu EP 0 268 957 znany jest sposób łączenia folii. W tym przypadku zaostrzony na koń cu element łączący wykonany z tworzywa termoplastycznego przebija folię względnie płytę, po czym pod wpływem nagrzewania są one doprowadzane do stanu częściowej plastyczności. W sposobie wykonania gwóźdź wbija się przez folię znajdującą się w stanie częściowo uplastycznionym w nietermoplastyczne podłoże. Sposób ten nie jest odpowiedni do wzajemnego łączenia części o większych wymiarach.

Z kolei w opisie US 5,795,121 ujawniono zestaw elementów łączących przeznaczonych do wbijania, stosowany w standardowych urządzeniach do łączenia elementów w ten sposób. Elementy łączące mają kształt gwoździ lub klamer, i są wykonane z materiałów kompozytowych o wysokiej wytrzymałości, zawierających tworzywa sztuczne, np. tworzywa termoplastyczne lub tworzywa termoutwardzalne.

Celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie sposobu oszczędnego łączenia elementów przy pomocy termotopliwego elementu łączącego z uniknięciem niepożądanego skupienia nacisku. Jednocześnie sposób taki powinien umożliwiać optymalne przenoszenie obciążenia nawet w przypadku bardzo porowatych materiałów.

Przedmiotem wynalazku jest zatem sposób łączenia elementów przy pomocy termotopliwego elementu łączącego, w którym element łączący pod wpływem zorientowanej siły naciska na co najmniej jeden element, przy czym wzbudzenie mechaniczne jest generowane w taki sposób, że podczas penetracji co najmniej jednego elementu przez element łączący ruch postępowy utrzymuje się za pomocą siły zorientowanej, zaś stapianie podtrzymuje się przez mechaniczne wzbudzenie tak, że stopiony materiał jest hydraulicznie przemieszczany do otoczenia. Istotą sposobu według wynalazku jest to, że przed wzbudzeniem mechanicznym powierzchnię co najmniej jednego elementu przebija się elementem łączącym przez działanie na niego siłą zorientowaną. W jednym z korzystnych wariantów realizacji sposobu według wynalazku wzbudzenie mechaniczne stosuje się po osiągnięciu przez element z góry ustalonej głębokości penetracji jednego z elementów i/lub po osiągnięciu przez zorientowaną siłę z góry ustalonej wartości. Szczególnie korzystnie wzbudzenie mechaniczne przeprowadza się przy pomocy ultradźwięków lub wzbudzenie mechaniczne przeprowadza się przy pomocy ruchu obrotowego.

W innym korzystnym wariancie realizacji sposobu wedł ug wynalazku na penetrację jednego z elementów przez element łączący nakłada się ruch wtórny, wspomagający penetrację, przy czym w szczególnie korzystnym przypadku ruch wtórny jest ruchem obrotowym.

W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku przy pomocy elementu łączącego łączy się co najmniej dwa elementy. W szczególnie korzystnym wariancie wykonania sposobu pomiędzy powierzchniami kontaktu łączonych elementów umieszczona jest dodatkowa warstwa topliwego materiału, który wskutek wzbudzenia mechanicznego ulega stopieniu i tworzy lub uszczelnia połączenie mechaniczne pomiędzy dwoma elementami. W innym szczególnie korzystnym wariancie wykonania sposobu jeden z elementów zaopatrzony jest w otwór do wprowadzania weń elementu łączącego.

W dalszym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku co najmniej jeden z łączonych elementów składa się z materiału porowatego.

Przedmiotem wynalazku jest również element łączący do zastosowania w sposobie według wynalazku, przy czym element ten jest wykonany z materiału termoplastycznego, ma kształt trzpienia i posiada co najmniej jeden obszar o mniejszym przekroju i co najmniej jeden obszar o większym przekroju. Istota wynalazku polega na tym, że w co najmniej jednym z tych obszarów element łączący posiada elementy do ukierunkowywania działania energii w kształcie podłużnie rozciągających się żeber. W jednym z korzystnych wariantów realizacji element łączący według wynalazku ma przekrój kołowy co najmniej na części swojej długości. W innym korzystnym wariancie realizacji element łączący według wynalazku posiada zaostrzoną lub spłaszczoną końcówkę do wciskania przebijania strefy powierzchniowej. W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji element łączący według wynalazku posiada ostrą krawędź, poprawiającą skuteczność cięcia przy przebijaniu warstwy powłoki. W następnym korzystnym wariancie realizacji element łączący według wynalazku zawiera część cylindryczną, posiadającą powierzchnię czołową, na której to powierzchni centralnie umieszczony jest zaostrzony element, otoczony rozmieszczonym wokół niego pierścieniem elementów. W szczególnie korzystnym wariancie realizacji elementu łączącego według wynalazku rozmieszczone w postaci okręgu elementy

PL 200 505 B1 mają krawędzie służące do przebijania powierzchni. W innym szczególnie korzystnym przypadku element łączący według wynalazku służy do połączenia z elementem mocującym lub zawiasem.

Przedmiotem wynalazku jest ponadto połączenie wykonane sposobem według wynalazku przy użyciu co najmniej jednego elementu łączącego według wynalazku, charakteryzujące się tym, że stopiony materiał elementu łączącego jest utwardzony w strukturze sprasowanego materiału podłoża elementu.

Sposób według wynalazku korzystnie przeznaczony jest do łączenia porowatych materiałów, a zwłaszcza do kotwienia punktów przenoszenia obciążenia w porach - oraz w innych materiałach. Połączenia tworzone przy pomocy tego sposobu opierają się zarówno na materiale, jak i na pewnym zaczepieniu. Elementy łączące, zwykle wykonane z topliwego tworzywa sztucznego, dociskane są do powierzchni w taki sposób, że przebijają się przez nią i wnikają w materiał znajdujący się pod nią. Po osiągnięciu określonego poziomu obciążenia albo po osiągnięciu pewnej głębokości penetracji elementy łączące - przy utrzymywanym obciążeniu zewnętrznym - są mechanicznie wzbudzane, zwykle przy pomocy ultradźwięków, co sprawia, że w kontrolowany sposób ulegają częściowemu stopieniu. Mechaniczne wzbudzenie może być również osiągnięte, na przykład, przez ruch obrotowy. Topienie następuje z reguły wewnątrz otworu, który został utworzony przez element łączący wprowadzony poprzez powierzchnię w głąb materiału bazowego. Podobnie jak tłok w cylindrze hydraulicznym niestopiona części elementu łączącego tkwi w otworze i zamyka go w taki sposób, że go całkowicie uszczelnia. Ponieważ stopiony materiał elementu łączącego nie może nigdzie wydostać się przez otwór, pod wpływem zewnętrznego obciążenia wewnątrz powstaje wysokie ciśnienie hydrauliczne. Wysokie ciśnienie i ultradźwiękowe drgania sprawiają, że roztopiony materiał wtłaczany jest w istniejące i nowo utworzone komory w materiale bazowym. Głębokość osiąganej penetracji zależna jest od rodzaju materiału bazowego, ilości ciepła, częstotliwości, amplitudy, szybkości (szybkości zagłębiania), zewnętrznej siły działającej na element łączący, geometrii elementu łączącego oraz materiału z jakiego jest wykonany. Poprzez objętość topliwego elementu łączącego można określać ilość materiału wtłaczanego w materiał bazowy. Jeśli potrzebna jest bardzo duża ilość materiału albo nieznana jest ilość rozmiary komór w materiale bazowym, wówczas konieczne jest użycie elementu łączącego, który jest podawany w sposób ciągły bez ograniczenia.

W wyniku mechanicznego nacisku elementu łączącego dodatkowo uzyskuje się sprężenie materiału bazowego, które ma korzystny wpływ na wytrzymałość. W normalnych warunkach wysokie wartości naprężeń wytwarzanych przez przemieszczany i ściskany materiał mogą prowadzić do pękania tego materiału. W wyniku zarówno ściśle określonych, odpowiednio dobranych ultradźwięków i mechanicznego nacisku zewnę trznego, jak i zastosowania elementów łączących według wynalazku, osiąga się to, że powstające naprężenia są obniżane i elementy, które mają być połączone, nie ulegają zniszczeniu. Powstające mimo to komory i pęknięcia są natychmiast wypełniane przez roztopiony materiał. Dzięki temu sposób według wynalazku umożliwia w ramach jednej operacji głębokie kotwienie elementów mocujących bez wcześniejszego wykonywania otworów w materiałach, szczególnie w materiał ach porowatych, jak drewno, klejone p ł yty, beton komórkowy i ich kombinacje. Poprzez kontrolowane sprężenie materiału wewnątrz przestrzeni sąsiednich stref osiąga się to, że elementy łączące uzyskują bardzo mocne zakotwienie nawet w bardzo porowatych materiałach. W rezultacie wyrwanie takiego elementu wymaga przyłożenia bardzo dużej siły. Dodatkowo, w wyniku przestrzennego wnikania pod powierzchnią bazowego materiału roztopionego materiału pod wysokim ciśnieniem pochodzącego z elementu łączącego w ściśnięte strefy kotwienia i strefy sąsiadujące, uzyskuje się to, że ściśnięty materiał strefy kotwienia jest zestalany. To zapewnia optymalne rozłożenie przenoszonych obciążeń i obniżenie górnych wartości szkodliwych naprężeń. W ten sposób po raz pierwszy możliwe jest, na przykład, wprowadzenie trwałego i odpornego na obciążenie punktu kotwienia dla punktu przenoszącego obciążenie, nawet dla klejonej płyty z melaminową okładziną, w ramach jednej operacji i bez wcześniejszego wiercenia otworów. Pod wpływem ciepła i ciśnienia drewno jest odkształcane plastycznie, wewnętrzne naprężenia zostają znacznie zredukowane albo zniesione.

Inaczej niż to ma miejsce we wcześniejszych rozwiązaniach, przedstawione tutaj elementy łączące według wynalazku działają nie tylko w powierzchniowej strefie łączonych elementów, ale głównie w ich wnętrzu. Dzięki temu wstępne wykonywanie otworów w łączonych elementach nie jest konieczne, co ma szczególnie korzystny wpływ na ekonomiczne aspekty produkcji, a dodatkowo osiąga się to, że punkty kotwienia, inaczej niż to ma miejsce we wcześniej znanych sposobach, które wymagały wcześniejszego wywiercenia otworów w łączonych częściach, są w stanie przenosić większe obciążenia. Poza tym unika się w całości albo w dużym stopniu powstawanie pyłu podczas produkcji.

PL 200 505

W wyniku zamierzonego ograniczenia maksymalnych wartości naprężeń powstających w bazowym materiale możliwe jest kotwienie bardzo grubych elementów łączących w bardzo cienkim materiale bez wcześniejszego wiercenia otworów. Z praktycznych doświadczeń wynika, że na przykład elementy łączące według wynalazku o grubości 8 mm mogą być kotwione bez wcześniejszego wiercenia otworów na krawędzi klejonej płyty o grubości 20 mm. Dlatego kotwienie punktów przenoszących obciążenie lub punktów połączeń w materiałach porowatych jest znacznie ułatwione. Ponieważ wcześniejsze wiercenie otworów nie jest już konieczne, a jeśli jest potrzebne, wykonywane jest w ramach tej samej operacji, na przykład w taki sposób, że element łączący zanim zostanie stopiony służy do wykonania otworu, to po pierwsze, oszczędza się czas, po drugie, nie są potrzebne drogie maszyny i po trzecie, wysokie wymagania odnoś nie precyzyjnego wykonania wcześ niej wierconych otworów są znacznie złagodzone. Przy pomocy przedstawionego tutaj sposobu części mogą być łączone w podobnie łatwy sposób jak, na przykład, przy pomocy gwoździ. Po umieszczeniu łączonych części jedna na drugiej, w ramach jednej operacji zostają one mocno połączone przy pomocy materiału i pewnego, zazębionego, nierozdzielnego połączenia. Ale to połączenie, inaczej niż to ma miejsce w przypadku gwoździ, gwarantuje optymalne rozłożenie sił w połączonych częściach.

Sposób według wynalazku nie wyklucza, że jeśli to jest potrzebne, jedna z łączonych części może mieć wcześniej wywiercone otwory. Rezultat jest taki, że pełnią one rolę prowadnic dla elementów łączących. Łączenie części z wcześniej wykonanymi otworami z częścią nie posiadającą wcześniej wykonanych otworów stanowi znaczne uproszczenie w porównaniu z sposobami znanymi w technice, ponieważ nie trzeba przestrzegać wysokich wymagań odnoszą cych się do wykonania dwóch otworów, które muszą sobie dokładnie odpowiadać.

Zalety wzbudzenia elementów łączących przy pomocy ultradźwięków (lub równoważnych środków) polegają na tym, że pomiędzy pocieranymi o siebie powierzchniami powstaje bardzo silny efekt ścinający, w zasadzie równoległy do głównego kierunku łączenia. Daje to taki wynik, że materiały przeznaczone do stopienia, którymi z reguły są tworzywa termoplastyczne, stają się płynne, co zapewnia głęboką penetrację w łączone części. Stanowi to znaczącą zaletę w porównaniu ze sposobami znanymi ze stanu techniki, które, na przykład, bazują na tarciu wywołanym przez rotację (zgrzewanie tarciowe), przy którym występuje względnie niewielki efekt ścinający. Dodatkowo, pionowy ruch generowany podczas zgrzewania tarciowego jak wiadomo ma negatywny wpływ na głębokość kotwienia.

W sposobie wedł ug wynalazku stosuje się elementy łączą ce wykonane z termoplastycznego tworzywa sztucznego. Tworzywa termoplastyczne mają bardzo dużą zdolność wygaszania drgań, co powoduje nieodwracalne absorbowanie energii. Ze względu na małą przewodność cieplną tworzyw termoplastycznych to absorbowanie energii staje się szczególnie widoczne w przypadku komponentów, które są wzbudzane z bardzo dużą częstotliwością (np. przy pomocy ultradźwięków) tak bardzo, że ulegają stopieniu w sposób niekontrolowany. Poprzez dodanie materiałów, które w specjalny sposób wpływają na mechaniczne tłumienie drgań, możliwe jest uniknięcie niekontrolowanego topienia elementów łączących. Dzięki te elementy łączące uzyskują podczas produkcji możliwość przenoszenia większego obciążenia. W szczególności możliwe jest uzyskanie elementów łączących o mocniejszej budowie, co ma znaczenie przy przebijaniu zewnętrznej warstwy, a także przynosi drugi efekt w postaci późniejszego zwiększenia mechanicznej wytrzymałości elementu łączącego. Szczególnie korzystne są takie materiały, jak mielone wapno i drzewny pył, które mają izotropowe właściwości, lub inne materiały, jak wzmacniające włókna i inne, które mają anizotropowe właściwości. Zależnie od ilości dodawanych komponentów, można ściśle określać właściwości elementów łączących. Elementy łączące mogą również mięć większą koncentrację dodatkowych komponentów w określonych częściach lub strefach. Dzięki temu strefy topienia materiału mogą być dodatkowo kontrolowane.

Charakterystyka drgań elementów łączących może być regulowana przy pomocy takich środków, jak częstotliwość, geometria, rozłożenie masy, a także przez skład materiału. W celu uzyskania szczególnie dużych wychyleń elementów łączących częstotliwość ultradźwięków dobiera się w taki sposób, aby element łączący wpadał w drgania rezonansowe - odpowiednie drgania naturalne. Charakterystyki drgań, a w szczególności charakterystyki drgań rezonansowych, mogą ponadto być optymalizowane i wspomagane przez geometrię. Na przykład przez koncentrację masy lub zmiany gęstości w odpowiednich punktach można osiągnąć to, że elementy łączące będą się zachowywały w sposób podobny do sprężyny albo masywnego wahadła z jedną lub kilkoma sprężynami i różnymi masami. Wykorzystując na elementy łączące w celowy sposób materiały anizotropowe można osiągnąć to, że przepływ dźwięku będzie zależał od kierunku. Otrzymane w ten sposób mostki dźwiękowe umożliwiają doprowadzanie energii dźwięku w określone miejsca i koncentrowanie jej, jeśli to jest potrzebne. Mostki dźwiękowe

PL 200 505 B1 mogą być tworzone, na przykład, przy pomocy włókien wzmacniających. Przez miejscową zmianę składu materiału, można wywierać wpływ na mechaniczne tłumienie, które jest miarą częściowej absorpcji energii przez materiał. Wynik jest taki, że elementy łączące nagrzewają się tylko w nieciągłych, z góry okreś lonych punktach. Takie rozwiązanie ma dalsze istotne zalety. Inaczej niż ma to miejsce we wcześniejszych rozwiązaniach możliwe jest to, że elementy łączące rozgrzewane są nie przy pomocy ciepła powstającego w wyniku tarcia dociśniętych do siebie dwóch powierzchni, ale w wyniku wewnętrznego nagrzewania. Elementy łączące o własnościach opisanych powyżej mogą być produkowane, na przykład, metodą wytłaczania z tworzywa termoplastycznego wzmacnianego włóknem lub metodą wieloskładnikowego formowania wtryskowego. W szczególności możliwe jest stosowanie w elementach łączących znanych ze stanu techniki rozwiązań kierunkowego przepływu energii.

Przy pomocy takich środków, jak częstotliwość ultradźwięków i geometria, możliwe jest czynne określanie postaci drgań elementów łączących oraz wpływ na charakterystykę topnienia. Z tego względu ma sens sterowanie głębokością wnikania elementu łączącego w taki sposób, aby strefa topienia, w której element łączący ulega stopieniu, znajdowała się w optymalnym miejscu pod powierzchnią materiału bazowego. Optymalna częstotliwość dobierana jest, na przykład, poprzez czujnik pomiarowy, który umożliwia ciągłą regulację długości drgań elementu łączącego. Do generowania drgań ultradźwiękowych może być wykorzystane dostępne w handlu urządzenie do tarciowego zgrzewania. Urządzenie może być zmodyfikowane i dostosowane do potrzeb czynnego kontrolowania częstotliwości.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania przedstawiono na rysunku, na którym:

Figura 1 przedstawia podstawowe etapy sposobu łączenia według wynalazku, w widoku w przekroju; Figura 2 przedstawia różne rozwiązania elementów łączących;

Figura 3 przedstawia kolejne rozwiązanie elementu łączącego;

Figura 4 przedstawia podstawowe etapy sposobu łączenia z użyciem elementu pokazanego na Fig. 2;

Figura 5 przedstawia przykład połączenia dwóch części;

Figura 6 przedstawia kolejny przykład łączenia dwóch części;

Figura 7 przedstawia sposób kontrolowania osadzanie elementu łączącego;

Figura 8 przedstawia schematyczny widok materiału bazowego w przekroju;

Figura 9 przedstawia powiększenie fragmentu z Fig. 8;

Figura 10 przedstawia wykres typowych zależności pomiędzy efektem ścinającym (oś x) i lepkością (oś y) termoplastycznego tworzywa sztucznego.

Figura 1 schematycznie przedstawia podstawowe etapy sposobu łączenia według wynalazku w widoku w przekroju. Element łączą cy, który w tym przypadku ma kształ t wydł u ż onego koł ka 1, jest kotwiony w porowatym materiale bazowym 10, takim jak drewno, klejona płyta lub beton komórkowy po głębokim wprowadzeniu w ten materiał. Widoczny jest uchwyt 2, zwykle wykonany z metalu, z wgłębieniem 3, które jest dostosowane do chwilowego podtrzymywania koł ka 1. Wgłębienie 3 wykonane jest w taki sposób, że kołek 1 jest w nim osadzony i na pewnym odcinku przez nie prowadzony, by nie wypadł w trakcie osadzania (kołek 1 może być również podtrzymywany przez zewnętrzne urządzenia). Szczególnie ważne jest to, aby wgłębienie i połączenie kołka 1 i uchwytu 2 wykonane było w taki sposób, aby kołek 1 nie zaczął się topić w niekontrolowany sposób. Generator ultradźwięków (nie przedstawiony na rysunku) oraz urządzenie dociskające (nie przedstawione na rysunku) są bezpośrednio połączone z uchwytem 2. Urządzenie dociskające służy do wywierania siły F na kołek 1 za pośrednictwem uchwytu 2.

W pierwszym etapie, przedstawionym na Fig 1a, uchwyt 2 z kołkiem 1 ustawiany jest ponad powierzchnią 4 materiału bazowego 10 w taki sposób, aby jeden koniec kołka 1, oznaczony na rysunku jako punkt 5, spoczywał na powierzchni 4. Następnie przy pomocy urządzenia dociskającego (nie przedstawionego na rysunku) przykładana jest siła F. Daje to taki wynik, że punkt 5 kołka 1 przebija powierzchnię 4 materiału bazowego 10 i zagłębia się w materiale bazowym 10. W efekcie materiał bazowy w tej strefie zostaje ściśnięty. Po osiągnięciu przez punkt 5 kołka 1 pewnej głębokości penetracji (patrz Fig. 1b) i/lub po osiągnięciu przez siłę F określonej wielkości, przy pomocy generatora ultradźwięków połączonego z uchwytem 2, kołek 1 wprawiany jest w drgania, w tym przypadku wzdłuż osi z. Ten proces sygnalizowany jest przez strzałki 12. Następnie częstotliwość dopasowywana jest do geometrii kołka 1, a w szczególności do jego długości, rodzaju materiału i rozłożenia masy. W rezultacie osiąga się to, że we wcześniej określonej strefie 13 pod powierzchnią 4 kołek 1 zaczyna się topić. Jak to jest dokładnie przedstawione na Fig. 1b kołek 1 tkwi w otworze 11 jak korek, uszczelnia go i zachowuje się podobnie jak tł ok w cylindrze hydraulicznym. Stopiony materiał pochodzą cy z koł ka 1

PL 200 505 nie może wypływać i znajduje się pod wysokim ciśnieniem w wyniku działania siły F na kołek 1.W efekcie roztopiony materiał z kołka 1 wciskany jest w materiał bazowy 10 i wszystkie istniejące komory są wypełniane (patrz Fig. 1c). Generowane drgania ultradźwiękowe i ciepło topnienia działają wspomagająco.

Przedstawione rozwiązanie dotyczy ciągłego topienia kołka 1 w strefie 13. Ciągłe wtłaczanie kołka 1 w otwór 11 do strefy 13 przy pomocy siły F sprawia, że ciśnienie pod powierzchnią jest utrzymywane. Na strefę topienia 13 ma wpływ częstotliwości drgań i inne parametry procesu. Długość L kołka 1 gra tutaj pewną rolę, ponieważ między innymi ma związek z charakterystyką drgań. W wyniku topienia w strefie 13 i ciągłego wtłaczania kołka 1 w otwór długość L kołka 1 ulega zmianie. Z tego względu, jeśli zachodzi taka potrzeba, inne parametry procesu są monitorowane w funkcji zmieniającej się wartości, na przykład długości L i zmieniane są w trakcie procesu, jeśli zachodzi taka potrzeba. Długość L jest mierzona przy pomocy czujnika pomiarowego (nie przedstawionego na rysunku) i wykorzystywana jako parametr kontrolny częstotliwości ultradźwięków. W ten sposób osiąga się optymalne topienie kołka 1.

Figura 2 przedstawia sześć przykładowych rozwiązań elementów łączących 20. Poszczególne wykonania przeznaczone do różnych zastosowań o dla różnych materiałów. Jest oczywiste, że projekty mogą w zasadniczy sposób różnić się od form przedstawionych na rysunku. Biorąc pod uwagę różne materiały i dziedziny zastosowania, elementy łączące mogą być adaptowane i dostosowywane do określonego celu. Można przyjąć, że przedstawione na rysunku elementy łączące są podczas procesu kotwienia przytrzymywane i prowadzone za końcówkę 21 umieszczoną w uchwycie (nie przedstawionym na rysunku). Optymalny skład materiału zależy od zastosowania i jest odpowiednio dobierany. Celem uzyskania wpływu na mechaniczne tłumienie drgań, elementy łączące 20 zawierają dodatkowe składniki, jak na przykład wapno mielone lub włókna wzmacniające. Te składniki dodatkowo mają pozytywny wpływ na proces kotwienia, tak duży, że mogą być stosowane większe obciążenia albo bardziej smukłe i dłuższe elementy łączące. Sposób wykonania końcówki 22 ma istotny wpływ na charakterystykę elementu łączącego 20 i ma również wpływ na późniejsze rozłożenie materiału w materiale bazowym. To wykonanie w szczególnoś ci ma jednak zwią zek z materiał em bazowym. Płaska końcówka 22 (patrz Fig. 2a i 2d) ma większą tendencję do pchania materiału przed sobą i formowania mocno sprężonej strefy przed elementem łączącym 20, która ma udział we wspomaganiu rozprowadzania roztopionego materiału na boki. Ostra krawędź 23 i ostre zakończenia 24 zwiększają właściwości tnące elementu łączącego 20 podczas przebijania powierzchniowej warstwy 4 materiału bazowego 10 (patrz Fig. 1). Ponadto ma to wpływ na charakterystykę topienia elementu łączącego 20. Elementy służące do kierunkowania przepływu energii, w tym przypadku w formie żeber 25 biegnących równolegle do wzdłużnej osi elementu łączącego 20, w przypadku mechanicznego wzbudzenia, na przykład przy pomocy ultradźwięków, prowadzą do koncentracji energii, co powoduje miejscowe topienie materiału. Poprzez miejscową koncentrację materiału, na przykład przez zgrubienia 26, można mieć wpływ na charakterystykę drgań elementu łączącego 20. W tym sensie możliwa jest również stosowanie koncentracji masy wewnątrz elementu łączącego 20.

Figura 3 przedstawia kolejne rozwiązanie elementu łączącego 30 składającego się z cylindrycznej części 31 oraz ostro zakończonego elementu 32, który jest umieszczony centralnie. Ten element wyposażony jest w żebra 33 i służy do przebijania powierzchni (patrz Fig. 4). Rozmieszczone na obwodzie elementy 34 również służą do przebijania powierzchni (patrz Fig. 4). Element 34 ma ostre krawędzie 35, które mają pewne własności tnące. Element może być częścią składową zawiasy lub, na przykład w przypadku mebli, służyć do przymocowania zawiasy (nie przedstawionej na rysunku) albo innych punktów przenoszących obciążenie lub innych elementów wykonanych z klejonej płyty lub też sam może pełnić inne funkcje. W szczególności może również służyć jako baza dla innych elementów, na przykład wkrętów itp. Szczególnie korzystne jest kotwienie w materiałach porowatych, takich jak drewno, beton komórkowy lub podobnych, takich jak beton lub tworzywa sztuczne. W tych przypadkach wstępne wiercenie otworów w powierzchniach, do których elementy są przytwierdzane, nie jest konieczne. Element łączący 30 wykonany jest z termoplastycznego tworzywa sztucznego. Dodatkowo zawiera materiały wypełniające, które mają wpływ na wewnętrzne mechaniczne tłumienie drgań. Przy ich pomocy można kontrolować charakterystykę topienia i mieć na nią wpływ. Elementy łączące najkorzystniej jest produkować metodą formowania wtryskowego. W wyniku wykorzystywania kilku składników osiąga się możliwość stopniowania własności elementów łączących 30, co umożliwia dobranie odpowiedniego elementu łączącego do każdego materiału bazowego, z którym ma być połączony. W celu umożliwienia łączenia z trudnymi materiałami, elementy 32 i 34 mogą być również wykonane w taki sposób, aby zwiększyć ich własności tnące przez ruch wtórny. Mogą być, na przykład,

PL 200 505 B1 wykonane w taki sposób, że do wgłębiania ich w materiał bazowy wykorzystany jest ruch obrotowy. Tak działający element łączący 30 musi być wykonany w taki sposób, aby nie ulegał stopieniu w wyniku tego ruchu wtórnego.

Figura 4 przedstawia schematycznie w widoku z boku trzy etapy procesu kotwienia elementu łączącego 30 zgodnego z Fig. 3. Jest oczywiste, że rysunek przedstawia tylko zasadę ogólną. Oczywiście element łączący 30 może mieć inną geometrię, może być również połączony z innymi elementami, takimi, na przykład, jak wzmocnienia lub małe elementy ozdobne, inne mocowane elementy albo zawiasy. W pierwszym etapie element łączący 30 (patrz Fig.4a) umieszczany jest na powierzchni 40 bazowego materiału 41. Materiał bazowy w tym przypadku jest materiałem porowatym, który ma większą gęstość wzdłuż brzegów niż w części rdzeniowej (jest oczywiste, że może to być również materiał o stałej gę stoś ci). Warstwa pokrywają ca 44 tworzy zewnę trzną powł okę bazowego materiał u. Element łączący 30 umieszczony na powierzchni 40 jest do niej dociskany z siłą F (patrz Fig. 4b) w taki sposób, że elementy 32 i 34 przebijają się przez nią i wnikają w bazowy materiał 41 na pewną głębokość. Głębokość penetracji zależna jest miedzy innymi od bazowego materiału 41, konstrukcji elementów 32 i 34 i od siły F. Penetracja elementu łączącego 30 moż e być wspomagana przez ruch wtórny w postaci, na przykład, ruchu obrotowego. Po osiągnięciu pewnej głębokości penetracji element łączący 30 jest mechanicznie wzbudzany przy pomocy ultradźwięków, co jest zaznaczone przy pomocy strzałek

12. Najkorzystniejsza jest sytuacja, kiedy wzbudzenie mechaniczne przyjmuje kierunek prostopadły do powierzchni 40. W wyniku tarcia i/lub wewnętrznego mechanicznego tłumienia drgań, element łączący 30 nagrzewa się. Prowadzi to w konsekwencji do tego, że elementy 32 i 34 ulegają kontrolowanemu topieniu pod powierzchnią 40. W wyniku działania siły F element łączący 30 zagłębia się dalej, więc materiał nieustannie się topi i pod wysokim ciśnieniem jest wciskany w bazowy materiał 41. Stopiony materiał elementu łączącego 30 wypełnia wszystkie istniejące komory, w wyniku czego bazowy materiał 42 jest dodatkowo wzmocniony. W wyniku drgań ultradźwiękowych, nagrzewania i ciśnienia bazowy materiał 42 jest ściskany i wzmacniany, a dodatkowo osiąga się to, że element łączący 30 łatwiej wnika w bazowy materiał. Zakotwienie elementu łączącego 30 w bazowym materiale 41 zostało schematycznie przedstawione na Fig. 4c.

Figura 5 schematycznie przedstawia połączenie dwóch elementów 50, 51, wykonanych, na przykład, z drewna, przy pomocy wydłużonego elementu łączącego 52. Element 51 zaopatrzony jest w otwór 53, którego wykonanie nie jest bezwzglę dnie konieczne. Dwa elementy 50 i 51 w pierwszym etapie umieszczane są jeden nad drugim (patrz Fig. 5a), co wyjaśnia strzałka 54 i blokowane w tym położeniu. Następnie do otworu 53 wprowadzany jest element łączący 52 (patrz Fig. 5b). Przy pomocy głowicy dociskającej 55, która jest w sposób bezpośredni połączona z urządzeniem dociskającym (nie przedstawionym na rysunku) oraz generatorem ultradźwięków (nie przedstawionym na rysunku), na element łączący 52 wywierana jest siła F, która powoduje przebicie przez niego powierzchni elementu 50. Po osiągnięciu przez siłę F i/lub głębokość penetracji wcześniej ustalonej wartości, element łączący 50 zostaje wzbudzony mechanicznie (na co wskazują strzałki 12) przy pomocy generatora ultradźwięków (nie przedstawionego na rysunku). W rezultacie element łączący 52 zaczyna się w kontrolowany sposób topić i wnikać w element 50 (patrz Fig. 5c). W tym czasie materiał elementu 50 jest ściskany a wszystkie istniejące komory są wypełniane przez roztopiony materiał pochodzący z elementu łączącego 52. Żebra 56 lub inne elementy o podobnym działaniu umieszczone na elemencie łączącym 52 sprawiają, że po osiągnięciu przez element łączący 52 pewnej głębokości penetracji w element 50, element 51 i element łączący 52 zostają ze sobą połączone. Po osiągnięciu przez element łączący 52 żądanej głębokości, elementy 50 i 51 zostają ze sobą mocno połączone. Ponieważ wcześniejsze wykonywanie otworów nie jest potrzebne, połączenie można wykonać w bardzo oszczędny sposób w ramach jednej operacji. Jeśli to jest potrzebne, element łączący 52 może być na swojej powierzchni zaopatrzony w inne elementy. To sprawia, że przez wtórny ruch elementu łączącego 52 (na przykład ruch obrotowy wokół wzdłużnej osi) pod działaniem siły F, biorąc pod uwagę powstawanie wiórów, penetracja następuje łatwiej. Ten wtórny ruch nie może jednak doprowadzać do niekontrolowanego topienia elementu łączącego 52. W celu wzmocnienia połączenia pomiędzy dwoma elementami 50 i 51 albo w celu uzyskania szczelności korzystne jest pokrycie powierzchnie 59 i 60 topliwym tworzywem sztucznym. Jednakże ta warstwa również może być umieszczana w tym miejscu dodatkowo. Ultradźwiękowe drgania przekazywane poprzez element łączący 52 lub bezpośrednio sprawiają, że ta warstwa w wyniku tarcia i/lub wewnętrznego mechanicznego dławienia drgań ulega stopieniu. W rezultacie połączenie dwóch elementów 50 i 51 przy pomocy elementu łączącego 52 zostaje dodatkowo wzmocnione i uszczelnione. Przedstawiony sposób jest szczególnie przydatny, na przykład,

PL 200 505 przy łączeniu ram okiennych lub podobnych elementów. Z tego względu możliwe jest bez wcześniejszego precyzyjnego wiercenia otworów łączenie w ramach jednej operacji bardzo cienkich, smukłych elementów w taki sposób, że przenoszone jest maksymalne obciążenie mechaniczne.

Figura 6: Fig 6a przedstawia pierwszy element 65, drugi element 66 i element łączący 67. Pierwszym elementem 65 jest drewniana belka a drugim elementem 66 jest mur, na przykład, z betonu komórkowego. Element łączący 67 wykonany jest z termoplastycznego tworzywa sztucznego i, jeśli to jest konieczne, zawiera dodatki, które regulują wewnętrzne mechaniczne tłumienie drgań przez termoplastyczny materiał. Figura 6b przedstawia element łączący 67 i elementy 65 i 66 w przekroju w trakcie operacji łączenia. W przedstawionej sytuacji, która jest migawkowym zdjęciem, element łączący 67 przeszedł przez pierwszy element 65 i zagłębia się w drugi element 66. Na element łączący 67 działa siła F. Równocześnie element łączący 67 jest mechanicznie wzbudzony przy pomocy ultradźwięków (o czym informuje strzałka 12) w kierunku zgodnym z osią wzdłużną. W rezultacie element łączący ulega kontrolowanemu stopieniu wewnątrz drugiego elementu 66 w strefie 68. W celu uzyskania wspomagającego prowadzenia elementu łączącego 67 możliwe jest wcześniejsze wywiercenie otworu w pierwszym elemencie 65. Rdzeń 69 elementu łączącego 67 początkowo pozostaje lity podczas procesu topienia, co sprawia, że bazowy materiał drugiego elementu 66 w strefie 71 jest w kontrolowany sposób ściskany bez wywoływania szkodliwych naprężeń. Pod działaniem siły F element łączący 67 jest nieustannie wtłaczany, co sprawia, że stopiony materiał elementu łączącego 67 strefie 68 znajduje się pod ciśnieniem hydraulicznym, przedstawionym przy pomocy strzałek P, i wtłaczany jest do wnętrza drugiego elementu 66. Wynikiem tego oraz mechanicznego wzbudzenia przy pomocy ultradźwięków jest celowa redukcja szkodliwych naprężeń w bazowym materiale drugiego elementu 66. Zaprezentowany element łączący 67 zawiera elementy 70, które zapewniają ukierunkowanie energii (patrz 6a) i które po uzyskaniu pewnej głębokości penetracji sprawiają, że element łączący ulega miejscowemu stopieniu w strefie pierwszego elementu 65 i łączy się z tym elementem przez zaczepienie materiałowe. Wyjaśniają to strzałki P na schemacie. Po ochłodzeniu stopionego materiału element łączący 67 połączony jest z elementami 65 i 66 przez zaczepienie materiałowe, co zapewnia mechaniczne połączenie zdolne przenosić bardzo duże obciążenia. Celem zgrzania powierzchni styku pierwszego elementu 65 i drugiego elementu 66 i zabezpieczeniu jej przed zewnętrznymi wpływami, te powierzchnie mogą być pokryte termotopliwym lakierem lub zaopatrzone w inne pokrycie, które ulega stopieniu w wyniku mechanicznego wzbudzenia przy pomocy ultradźwięków. Uzyskuje się to, że powierzchnie styku są dodatkowo zaopatrzone w połączenie zgrzewane. Figura 6c przedstawia kolejne rozwiązanie elementu łączącego 75, który może być wykorzystany do połączenia elementów 65 i 66. Element łączący 75 jest inny niż element łączący 67 (patrz 6a) i wykazuje pewne podobieństwo do wiertła. Końcówka 76 elementu łączącego 75 wykonana jest w taki sposób, że po nałożeniu ruchu wtórnego pomaga w penetracji co najmniej jednego z elementów 65 i 66. Tym ruchem wtórnym może być, na przykład, wprowadzenie w ruch obrotowy wokół osi wzdłużnej, który nie powinien jednak prowadzić do niekontrolowanego topienia elementu łączącego 75. Po osiągnięciu pewnej głębokości penetracji w jednym z elementów, element łączący 75 wymaga takiego samego dalszego postępowania jak element łączący 67 (patrz Fig. 6a i 6b).

Figura 7 schematycznie przedstawia możliwości optymalnej kontroli systemu według wynalazku w sytuacji, w której element łączą cy 80 przebił się przez powierzchnię 81 elementu 82. Mierzone wartości, które mają istotne znaczenie dla przebiegu procesu, to między innymi długość L' wolnego odcinka elementu łączącego 80, temperatura stopionego materiału i temperatura otoczenia. Te wartości w decydującej mierze są uzależnione od wielkości siły F, energii drgań ultradźwiękowych (częstotliwości, amplitudy) sygnalizowanych przez strzałkę 12 i szybkości postępowej, z jaką element łączący 80 wtłaczany jest pod powierzchnię 81. Celem zapewnienia optymalnego wykorzystania elementu łączącego 80 te wartości są monitorowane w trakcie procesu i wykorzystywane do wprowadzenia wymaganej zmiany parametrów. Określanie temperatury T, przeważnie pośrednio, i wolnej długości L' schematycznie przedstawiają strzałki 83.1 i 83.2. Parametry mierzone są przez komputer obsługujący proces i wykorzystywane do regulowania siły F (strzałka 85.1), szybkości postępowej (nie przedstawionej na rysunku) elementu łączącego 80, częstotliwości i amplitudy ultradźwięków (strzałka 85.2). W rezultacie uzyskuje się optymalne, efektywnie zagłębione połączenie pomiędzy elementem łączącym 80 i elementem 82.

Figura 8 w schematyczny i mocno uproszczony sposób przedstawia hydrauliczny tryb działania wynalazku w oparciu o perspektywiczny widok w przekroju. Zaznaczony jest element łączący 1, który wnika w element 6 poprzez powierzchnię 4. Wewnątrz elementu 6 znajduje się komora 7, z którą łączą się

PL 200 505 B1 cienkie kanaliki lub kapilary 8, i która jest zamknięta przez element łączący 1. Kanaliki 8 i komora 7 wypełnione są przez stopiony materiał 14. Podłużne fale ze sprzężonego generatora ultradźwięków (nie przedstawionego na rysunku) przenoszone są na element łączący 1. Przy dużej niejednorodności w rozkładzie naprężeń i przy maksymalnej koncentracji naprężeń w tych strefach, w których ma być uzyskane połączenie, w wyniku przemiany energii mechanicznej generowane jest ciepło. Ciepło wytwarzane jest zwykle w wyniku strat, na przykład histerezy (strat histerezowych) lub tarcia. Przy uderzeniu elementu łączącego w niejednorodną lub porowatą powierzchnię w elemencie łączącym 1 w mikroskopowej skali występuje zjawisko silnego wewnę trznego ściskania (patrz Fig. 9). To zjawisko ściskania w połączeniu ze wzrostem temperatury daje taki efekt, że materiał elementu łączącego 1 ulega stopieniu i ma miejsce duży spadek lepkości stopionego materiału. Przez zastosowanie ultradźwięków według prezentowanego wynalazku możliwe jest wytworzenie wewnątrz optymalnej przestrzeni bardzo swoistego stopionego materiału o niskiej lepkości, który pod wysokim ciśnieniem hydraulicznym wnika w najmniejsze pory, pęknięcia i puste przestrzenie kapilarne (strzałki 9). Stopiony materiał jest zwykle anizotropowy, zatem jego właściwości są kierunkowo zależne. Szczególnie w przypadku zastosowania ultradźwięków można zaobserwować, że lepkość stopionego materiału, inaczej niż to ma miejsce innych sposobach znanych ze stanu techniki, może być zmniejszona o kilkadziesiąt procent. To znaczące upł ynnienie w połączeniu z ciśnieniem hydraulicznym powstającym w wyniku wtłaczania elementu łączącego 1 do komory 7 sprawia, że stopiony materiał dobrze wnika w mikroskopowej skali w porowatą strukturę łączonego materiału. Stopiony materiał elementu łączącego 1 w gruncie rzeczy wnika w porowatą strukturę bazowego materiału 10 zgodnie z jej ukierunkowaniem i zestala i wzmacnia ten materiał. W rezultacie powstaje podobna do kompozytu mieszanka z płynnym przejściem od bazowego materiału 10 do elementu łączącego 1 z celowo tworzonym zestaleniem w strefie otaczającej komorę 7 i mocnym, jednorodnym rdzeniem. Powstające mieszanki są dużo lepsze w porównaniu z konwencjonalnymi sposobami łączenia znanymi z wcześniejszych rozwiązań, szczególne w odniesieniu do wytrzymałości mechanicznej. Figura 9 przedstawia powiększony fragment Fig. 8.

Figura 9 przedstawia w powiększeniu wycinek 18 schematycznego widoku z Fig. 8. Na rysunku zaznaczony jest element łączący 1, komora 7 i kanaliki 8, które rozciągają się w bazowym materiale. Stopiony materiał 14, na który działa ciśnienie hydrauliczne ilustrowane przez strzałki 15, wypełnia komorę 7 i kanaliki 8. Przez mechaniczne wzbudzenie elementu łączącego i przy pomocy ultradźwięków formuje się strefę topienia 13, w której materiał w wyniku silnego efektu ścinającego jest nagrzewany i ulega stopieniu. Ruchy elementu łączącego 1 w wyniku mechanicznego wzbudzenia i wywoływany przez nie efekt ścinający schematycznie przedstawiają strzałki 12. Wysokiego ciśnienie hydrauliczne, które powstaje w wyniku wtłaczania elementu łączącego 1 do komory 7, powoduje przemieszczanie stopionego materiału, między innymi do kanalików 8. Pomiędzy stopionym materiałem, przemieszczonym materiałem i materiałem w sposób ciągły wtłaczanym z zewnątrz ustala się równowaga, której wynikiem jest ciągły przebieg procesu.

Figura 10 na podstawie trzech krzywych 46, 47, 48 przedstawia typowe zależności zachodzące pomiędzy efektem ścinającym (oś x) i lepkością (oś y) termoplastycznego tworzywa sztucznego użytego, na przykład, na element łączący 1. Trzy krzywe 46, 47, 48 przedstawiają charakterystyki dla różnych temperatur. Krzywa 46 przedstawia charakterystykę w najniższej temperaturze, krzywa 47 w wyż szej temperaturze, a krzywa 48 w najwyższej temperaturze. Widać , że w miarę wzrost efektu ścinającego (oś x) i temperatury zmniejsza się lepkość (oś y). Innymi słowami, czym wyższa temperatura i większy efekt ścinający, tym bardziej płynne staje się tworzywo sztuczne. W przypadku omawianego wynalazku oznacza to, że przez zwiększenie mechanicznego wzbudzenia przy pomocy ultradźwięków za pośrednictwem częstotliwości i amplitudy uzyskuje się wpływ na właściwości topionego materiału. Ponieważ z reguły nie jest używane żadne zewnętrzne źródło energii, temperatura wewnątrz komory 7 (patrz Fig. 8 i Fig. 9) zależy od parametrów mechanicznych i od przewodności cieplnej otoczenia. Proces ustawiony jest w taki sposób, że otoczenie i materiał elementu łączącego wykazują optymalne właściwości, i że nie występuje niekontrolowane topienie elementu łączącego 1.

Claims (18)

1. Sposób łączenia elementów przy pomocy termotopliwego elementu łączącego, w którym element łączący pod wpływem zorientowanej siły naciska na co najmniej jeden element, przy czym wzbudzenie mechaniczne jest generowane w taki sposób, że podczas penetracji co najmniej jednego elementu przez element łączący ruch postępowy utrzymuje się za pomocą siły zorientowanej, zaś stapianie podtrzymuje się przez mechaniczne wzbudzenie tak, że stopiony materiał jest hydraulicznie przemieszczany do otoczenia, znamienny tym, że przed wzbudzeniem mechanicznym powierzchnię co najmniej jednego elementu (41, 50, 51, 65, 66) przebija się elementem łączącym (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) przez działanie na niego siłą zorientowaną (F).

2. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e wzbudzenie mechaniczne stosuje się po osiągnięciu przez element łączący (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) z góry ustalonej głębokości penetracji jednego z elementów (41, 50, 51, 65, 66) i/lub po osiągnięciu przez zorientowaną siłę (F) z góry ustalonej wartości,

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wzbudzenie mechaniczne przeprowadza się przy pomocy ultradźwięków.

4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, ż e wzbudzenie mechaniczne przeprowadza się przy pomocy ruchu obrotowego.

5. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e na penetrację jednego z elementów (41, 50, 51, 65, 66) przez element łączący (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) nakłada się ruch wtórny, wspomagający penetrację.

6. Sposób wedł ug zastrz. 5, znamienny tym, ż e ruch wtórny jest ruchem obrotowym.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przy pomocy elementu łączącego (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) łączy się co najmniej dwa elementy (41, 50, 51, 65, 66).

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że pomiędzy powierzchniami kontaktu (59, 60) łączonych elementów (41, 50, 51, 65, 66) umieszczona jest dodatkowa warstwa topliwego materiału, który wskutek wzbudzenia mechanicznego ulega stopieniu i tworzy lub uszczelnia połączenie mechaniczne pomiędzy dwoma elementami (41, 50, 51, 65, 66).

9. Sposób wedł ug zastrz. 7, znamienny tym, ż e jeden z elementów (41, 50, 51, 65, 66) zaopatrzony jest w otwór (53) do wprowadzania weń elementu łączącego (52).

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej jeden z łączonych elementów (41, 50, 51, 65, 66) składa się z materiału porowatego.

11. Element łączący do zastosowania w sposobie określonym w zastrzeżeniu 1, który to element łączący jest wykonany z materiału termoplastycznego, ma kształt trzpienia i posiada co najmniej jeden obszar o mniejszym przekroju i co najmniej jeden obszar o większym przekroju, znamienny tym, że w co najmniej jednym z tych obszarów element łączący (20) posiada elementy do ukierunkowywania działania energii w kształcie podłużnie rozciągających się żeber (25, 33).

12. Element łączący według zastrz. 11, znamienny tym, że ma przekrój kołowy co najmniej na części swojej długości.

13. Element łączący według zastrz. 11 albo 12, znamienny tym, że posiada zaostrzoną lub spłaszczoną końcówkę do wciskania przebijania strefy powierzchniowej.

14. Element łączący według zastrz. 11 albo 12, znamienny tym, że posiada ostrą krawędź (23), poprawiającą skuteczność cięcia przy przebijaniu warstwy powłoki (4).

15. Element łączący według zastrz. 11, znamienny tym, że zawiera część cylindryczną (31), posiadającą powierzchnię czołową, na której to powierzchni centralnie umieszczony jest zaostrzony element (32), otoczony rozmieszczonym wokół niego pierścieniem elementów (34).

16. Element łączący według zastrz. 15, znamienny tym, że rozmieszczone w postaci okręgu elementy (34) maj ą krawędzie (35) służące do przebijania powierzchni (40).

17. Element łączący według zastrz. 15 albo 16, znamienny tym, że element łączący (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) służy do połączenia z elementem mocującym lub zawiasem.

18. Połączenie wykonane według sposobu określonego w zastrzeżeniu 1, przy użyciu co najmniej jednego elementu łączącego określonego w zastrzeżeniu 11, znamienne tym, że stopiony materiał elementu łączącego (67) jest utwardzony w strukturze sprasowanego materiału podłoża elementu (66).