CN113696488B - 在物体内锚固连接元件的方法 - Google Patents

Abstract

一种带有锚固部(12)的连接元件(1)，该元件位于锚固部相对于插入轴线(10)的近端，可用于深入固定于物体和头部(11)。该头部具有侧向外表面，外表面的结构被明确定义，尤其是定义了严格的公差。通过采用将锚固部(12)插入物体的开口(3)中或放置在接近物体口部处的方法，连接元件可相对于由非液化材料构成的物体(2)放置。之后将连接元件压向远端方向，从而将锚固部压入开口中，并且同时，通过工具(6)将一定量的机械振动能耦合入连接元件中，并保持足够的时间，从而使部分热塑性材料液化，并渗入物体的结构当中。该方法要求头部的侧向外表面保持完好，从而不会受到压力和振动的影响。

Description

在物体内锚固连接元件的方法

本申请是申请号为201580066299.3、申请日为2015年10月2日、发明名称为“在物体内锚固连接元件的方法”且具有优先权日为2015年10月2目的PCT申请PCT/CH2015/000149进入中国国家阶段申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及机械工程和建筑领域，尤其是家具结构领域，特别是涉及将连接元件锚固在物体内的方法和相应的连接元件以及包括此类连接元件的组件。

背景技术

在例如为家具工业的机械结构中，不同部件之间的连接是一个重要的问题。这种连接元件中的一些包括在待连接的至少一个部件上的连接元件，其包括深入锚固部(在下文中称为“锚固部”)和通常称为“头部”的突起部分。深入锚固部可例如被螺纹旋入部件中，头部可包括能与另外一个部件连接的装置。为此，另一个部件可能包括与连接元件的第一部分配合使用的第二连接元件。

由Inter Ikea Systems B.V提出的WO2013/104422中公开了一种连接，其中待连接的第一家具部件具有与第二家具部件中的一个或多个的凹部件配合的一个或多个凸部件。在此该凸部件可以是具有钩状深入锚固部和头部的连接元件。钩状的深入锚固部粘接到第一家具部件内。

WO2013/104422所公开的连接依靠均带有多个槽的凸部件和头部的凹部件，其中在组装过程中，凸部件和凹部件相对于彼此运动，并且凸部件和凹部件中的至少一个的槽是倾斜的，以使当相对于凹部件移动凸部件时，家具部件被朝向彼此按压。

在此，也在其它包括带有突出(凸的)部分的连接元件中，突出部分的形状有重要作用。在WO2013/104422的系统中，如果凸部件和凹部件的槽不能足够精确匹配，则很难或者不可能合适地导入凸部件，或者不能实现朝向彼此按压家具部件的效果，从而不能得到足够的稳定性。

与用于家具或其它物体的连接相关的另一个重要问题在于加工成本，既有连接元件的制作成本，也有向部件提供连接元件的成本。虽然例如带有螺纹锚固部的金属连接元件，可被设计为使其头部的形状足够满足其稳定性需求，但加工费用也相对较高。同样，如果在工厂里完成相应部件的锚固(与消费者自行安装相反)，这是相当费时且成本较高的。

因此，已在WO2013/104422提出，采用注射成型方法来制作塑料连接元件并通过胶粘入家具部件的预制作的开口来完成锚固部的锚固。但此类锚固的缺点在于，胶量须与刨花板的孔隙率相匹配。如果注入的胶太少，那么由于胶会浸到木头中而使界面缺胶，但如果注入过多的胶，就会形成阻止对连接元件的深度位置精确定位的液态垫层。而且，胶粘需要清洁工作，同时由于胶必须在一定时间后才能固化，因此胶粘步骤相对来讲是比较浪费时间的。同样胶粘连接的本质在于胶只和相应部件的表面相连。即使胶的强度很高，但如果部件本身材料只有有限的稳定性，那么胶粘连接也只能提供有限的固定稳定性，例如如果该部件是一个相对较脆的刨花板。

在WO98/042988(Woodwelding)中已知了将包括热塑性材料的连接元件锚固到例如刨花板或木材的纤维状或多孔状材料内。对于此类锚固，前部(远端部)被置于开口中以深入锚固，然后同时将尤其是超声振动的机械振动以及指向用于将连接元件压入开口的力施加到连接元件的最后面(近侧)耦合输入面。在施加振动和力的步骤中，在摩擦热的作用下，热塑性材料至少在其与纤维材料或多孔材料接触的部位液化，之后渗入开口壁上的纤维材料或多孔材料内，并在其再凝固后与纤维材料或多孔材料形成形状配合连接。

在未公开的国际专利申请PCT/EP2015/061853中公开了一种将两个物体连接的方法，其中具有热塑性材料的、两个物体之一的插入部以过盈配合的方式被插入两个物体中另一个的开口内，之后将一定量的适于液化第一种材料的能量尤其是机械振动能耦合进物体内并保持足够的时间，从而使热塑性材料液化并在界面处内渗入材料内，在那里由于过盈配合使两物体互相压靠。

尽管这些方法与胶接相比能实现更好地深入锚固连接元件并且能够以相当高精度定位和高速度地被实施，但这些方法需要将能量输入和相当的力施加到连接元件的后端(近侧)，能量与力的结合可能会导致突起部(头部)变形。因此以上方法并不适用于锚固这样的可液化材料的连接元件，该连接元件的头部需具有预定的形状和位置。

发明内容

本发明的目的在于提供将连接元件锚固在液态的热塑性材料可渗透的材料制成的物体内的方法，该材料尤其为多孔材料和/或在施加静态压力时产生空洞的材料，例如木材复合材料或木材或固体泡沫，该方法适于以上所讨论类型连接元件，该连接元件的头部(突起部)必须要与另一个物体的凹结构相匹配以朝另一物体按压该物体。

在本发明第一方面所述的方法中提供了一种连接元件，该连接元件具有深入锚固在物体内的锚固部和相对于插入轴线布置在锚固部的近侧的头部(突起部)。头部的侧向外表面具有结构并且被尤其明确限定在精密的公差范围内。例如侧向外表面可被构造成与另一物体的对应结构相匹配，以这种方式使连接元件上的轴向拉力可通过结构被传递，因此该结构包括相对于轴向的底切。例如该侧向外表面可包括至少一个槽和/或至少一个脊，还可以成为与脊交替布置的至少一个槽。尤其是外表面需明确限定在例如小于1mm，尤其是小于0.6mm或甚至小于0.2mm的精密公差范围内。

连接元件至少在锚固部的表面上包含热塑性材料(即，具有热塑性能的材料)。在实施例中，连接元件可由热塑性材料制成。该方法包括相对于物体这样定位连接元件的另一步骤：使锚固部到达物体的开口内或放置在开口的口部附近，朝远侧方向将连接元件(进一步)按压入开口，并且同时通过工具将一定量的适于液化热塑性材料的一部分的机械振动能耦合进连接元件内并保持足够的时间，以使热塑性材料渗透入物体的结构中，其中该方法包括使头部的侧向外表面保持完好，从而不受按压和振动的影响。

在按压和将能量耦合入连接元件的步骤后，停止能量输入并使热塑性材料再凝固，以形成牢固的形状配合连接。可将工具移走。

在本文中，“远侧”方向通常指施加按压力的方向。“近侧”方向指相反的方向。常常对于实施该方法的人员而言，“远侧”方向是指“前进”方向，“近侧”方向是指“后退”方向。和“前进”和“后退”不同，“近侧”和“远侧”不仅指方向，也指位置(相对)。

如WO98/042988中所教导地，按压和将能量耦合入连接元件的步骤会使连接元件朝向远侧方向移动。但是这并不是什么问题。根据PCT/EP2015/061853中所教导，也可能由于过盈配合和/或其它力的作用，使得连接元件基本保持静止。在这些实施例中，按压力主要在振动工具和连接元件之间起到机械连接的作用。

根据连接元件的使用方式，也可能形成不同的基本结构。对于第一种类型的许多结构而言，插入轴线(可选地为锚固部的对称轴线)和头部的轴线(沿该轴线施加上述轴向拉力)是重合或平行的，从而形成共同的连接元件轴线。在该基本结构中，耦合面基本上垂直于连接元件的轴线，锚固有连接元件的物体的表面将基本垂直于连接元件的轴线并因此基本平行于耦合面。

在一些情况下，连接元件将锚固在带有明确限定的平面的物体(诸如具有大的水平侧边和窄表面的板)内。通常情况或特别在头部自身不绕轴对称的情况下，头部的轴线可以限定为沿垂直于平面表面的方向穿过头部的中心的轴线，在该平面表面上具有开口且头部延伸自该平面表面。

本文中头部的“侧向外表面”可能是相对于头部轴线的侧向表面，相对于该轴线具有一个底切。该轴线可能为头部的对称轴线。

在许多实施例中，将机械振动施加到连接元件的朝向近侧的耦合输入面，并将其传递到连接元件的更远侧的区域，包括例如连接元件的远端。据发现为达到此目的，对于应用在家具和建筑行业(带有例如为1cm-20cm的连接器长度)的连接元件的特征尺寸而言，适用的振动频率在5kHz或10kHz和100kHz之间，尤其是在15-50kHz之间，特别是在18kHz-30kHz之间，较高的频率适于在界面处的局部液化(由超声焊接中已知)。为了将振动传递到更远端的区域，可以形成工具(超声波发生器)和连接元件共同振动的系统。为了这样做，需在工具和连接元件的界面上施加相对较大的例如10⁵N/m²或更大的压力；若施加较小的压力，那么工具和连接元件之间的耦合就会变得脆弱，经受振动的工具会对耦合面进行敲击，而不是将导致大部分能量在界面上被吸收的振动耦合进连接元件内。

对于耦合了足够的压力和频率(例如大约10-50kHz)的共同振动系统而言，距离耦合面几毫米内的区域都属于近场区域。在下文中称距离耦合面1-2mm内的区域为“界面区域”。

据发现，即使对于可以在工具和连接元件之间形成相当好的耦合的相当高的压力，但是在现实条件下，一些能量将不可避免地被界面区域所吸收。这会导致界面区域的材料变热，并且由于必须的高压(对于较低的压力，耦合会变弱，在界面区域的能量流失会变得更多，导致材料更热)，导致通过材料在侧向-径向方向上的泄漏所产生的塑性变形。图1a和图1b表示一种对比构造(不是基于本发明)，其中的由热塑性材料制成的连接元件201锚固在物体202(例如刨花板)内。图1a表示最初状态，其中连接元件位于物体的开口203内，超声波发生器206用于朝远侧方向按压连接元件同时经受振动。图1a中界面区域的小箭头表示耦合进连接元件内的压力。图1b表示根据WO98/042988中的锚固过程末期的构造。液化主要发生在具有较大外部摩擦的位置，即远端的附近，在那里热塑性材料会内渗入物体内，并在锚固区域208内形成期望的锚固。但是，由于界面区域的软化以及压力的作用，即使在该区域中并没有发生液化，界面区域内的热塑性材料也会产生微小的变形。这会引起材料向侧方不可控的泄漏，如图1b中小圈209所示。由于不能准确预测高度减小值Δx和径向延伸的扩大值ΔR，这随后导致与最终尺寸有关的不确定性。

因此，根据现有方法无法保持侧向外表面完好，因此也不再能被明确限定。因此，包括将机械振动施加到朝向近侧的接触面以液化热塑性材料的锚固物体的方法到目前为止还被认为是不适于锚固在此讨论的连接元件。与上述方法不同，本发明在采用机械振动来液化热塑性材料以对锚固部进行深入锚固的同时，还可以保持头部侧向外部分的完好。

根据本发明的第一个方面，用于朝向远侧方向按压连接元件(大体压靠物体)并将机械振动耦合进连接元件的多种不同的构思是可行的。

根据第一种构思，通过将工具压靠头部的近端面，由工具施加压力和机械振动。如果可以将头部视为一个“头”，那么第一种构思的特征在于将连接元件压在头上并将机械振动耦合到头内。在第一种构思的实施例中，将头部装备成防止结构化的侧向外表面的功能部分产生任何变形。

根据第二种构思，头部包括开口朝向近侧的凹槽。工具将压力和机械振动施加到凹槽内的耦合面上。耦合面包括位于凹槽底部的凹槽端面。附加或替代地，耦合面可包括位于凹槽内的肩部。附加地或另一种替代地，耦合面可包括不与插入轴线平行的倾斜的或弯曲的表面部分。

根据第二方面的内容，因此将压力和振动施加到头部内(头内)，或甚至施加到锚固部内-压力和振动被耦合在内的耦合面相对于头部的近端面错位布置。

在实现第二种构思的实施例中，工具的外形需与凹槽的形状相匹配，以使工具可自动地与连接元件对准，并且在过程中对连接元件进行导向和/或承载。

通常情况下凹槽有一定深度。凹槽的高宽比至少为0.5或至少为1。

第二种构思和第一种构思以及第三种构思基于这样的想法：首先经由振动工具被压靠的耦合面被耦合的机械振动为纵向振动并且将在连接元件中在向前的方向上传播，因此为向远侧传播，第二，损耗或外部摩擦产生最终将会导致变形的热，液化现象主要在承受机械应力的元件位置形成。第二种构思可导致侧向外表面成为一个应力减小的区域。

在此，可采用优化应力分布的方式来使凹槽的形状和尺寸与头部的几何形状相匹配。尤其是凹槽的高宽比(凹槽的深度和宽度的比值)要足够大，例如至少为0.5，或至少为1，或至少为1.5。

根据第三种构思，压力和机械振动不是施加到头部，而是施加到锚固部的基表面，因此例如围绕头部但除头部之外地施加。换句话说，不是连接元件的最近侧部分承受压力和机械振动，而是连接元件除头部之外具有近向耦合面，因此工具(超声波发生器)也要相应地调整。

该耦合面可尤其具有与头部和锚固部之间的平面相对应的轴向位置。因此，在将连接元件压向远侧并且同时使用工具将机械振动能耦合进连接元件内的步骤中，可包括当头部突于该表面的上方时，施加压力直到耦合面与物体表面平齐或者是低于物体表面。

同样第三种构思也将会使头部的侧向外表面的功能部成为应力减小的区域。实际上在第三种构思的实施例中，整个头部都是应力减小的。

根据可能与第一种、第二种、第三种构思中任意一方面相结合的第四种构思的内容，可采用模具以在将机械能耦合进头部内的至少一段时间内保持头部的侧向外部形状。为此，将带有形状对应于侧向外表面的互补形状的表面部的该模具与头部的侧向外表面表面接触并且例如保持在那里直至停止施加将连接元件朝向远侧方向按压的按压力。

在实施第一种构思的第一组实施例中，提供的头部包括变形受控的最近侧区域。

在第一组实施例中，连接元件的近端面将垂直于插入轴线，该轴线也通常是头部的轴线，或至少与头部的轴线平行。如果连接元件所锚固的物体具有平表面，近端面将通常大体平行于带有开口的表面。

在第一组实施例中，因此该方法包括：

-提供尤其是以上讨论的类型的连接元件，其包括深入地锚固在物体内的锚固部，以及相对于插入轴线布置在锚固部近侧的头部，其中头部具有侧向外表面，例如带有底切或适用于与不同部分一起形成键孔功能的其它结构的侧向外表面，其中连接元件至少在锚固部的表面上包含热塑性材料，

-这样地相对于物体定位该连接元件：使锚固部到达物体的开口内，或者放置在开口的口部附近，

-朝远侧方向按压连接元件并且同时通过工具将一定量的适于液化热塑性材料的一部分的机械振动能耦合进连接元件内并保持足够的时间，以使热塑性材料渗透入物体的结构中，

-其中在按压的步骤中，将工具的耦合输出面压靠到连接元件的近端面，在耦合输出面和近端面之间形成工具-连接元件的界面，其中界面的径向延伸小于头部的径向延伸。

因此在第一组实施例中，由径向延伸小于头部的径向延伸的工具-连接元件的界面形成变形受控区域，即该界面并没有达到侧向外表面的功能部。这可以采用径向延伸小于头部的工具来实现，或者是通过下文将要讨论的连接元件的近端突起来实现，或者同时采用两者。

在第一组实施例的第一子组中，提供作为变形受控区域的近端突起，其径向延伸要小于头部的径向延伸，即该变形区域并没有径向延伸到达侧向外表面的功能部。

在第一组实施例的第二子组中，工具的耦合输出面的径向延伸小于头部的径向延伸。

许多实施例既属于第一子组又属于第二子组。

尤其是在第二子组的实施例中，工具的耦合输出面可是非水平的，并且以类似模具的方式使变形受控成为可能。

假使头部围绕插入轴线旋转对称(头部基本上呈回转体)，变形受控区域可能为环形或圆盘形。该区域的轴向延伸t可能在0.1mm-2mm之间，尤其在0.2mm-1mm之间。

根据第二组实施例，连接元件包括可液化部和不可液化部。

在第二组实施例的许多例子中，该方法包括使连接元件带有由不可液化部组成的朝向近侧的耦合面，其中关于将机械振动能耦合进连接元件内的步骤，当工具振动时，将工具压靠到耦合面。

在第二组实施例的这些例子中，将连接元件锚固在物体内的方法包括：

-提供尤其是以上讨论的类型的连接元件，其包括深入地锚固在物体内的锚固部，以及相对于插入轴线布置在锚固部近侧的头部，其中头部具有带有底切的侧向外表面，其中连接元件至少在锚固部的表面上包含热塑性材料，

-这样相对于物体定位该连接元件：使锚固部到达物体的开口内，或者放置在开口的口部附近，

-朝远侧方向按压连接元件并且同时通过工具将一定量的适于液化热塑性材料的一部分的机械振动能耦合进连接元件内并保持足够的时间，以使热塑性材料渗透入物体的结构中，

-其中在按压的步骤中，该连接元件带有由不可液化材料制成的朝向近侧的耦合面，其中关于将机械振动能耦合进连接元件内的步骤，当工具振动时，将工具压靠到耦合面。

第二组实施例中包括实施第一种构思的实施例、实施第二种构思的实施例和实施第三种实施例的实施例。

在本文中，通常“不可液化材料”是指在过程中达到的温度下(因此特别是热塑性材料的液化温度下)不液化的材料。这并不排除该材料在未在过程中达到的温度下液化的可能性，通常该温度要远高于(例如至少为80℃)热塑性材料的液化温度(用于无定形热塑性材料的结晶聚合物的熔融温度要高于使其能充分流动的玻璃态转化温度，有时也称玻璃态转化温度为流动温度(有时可定义为可被挤压的最低温度)，例如在此温度下材料的黏度会降到10⁴Pa*s以下(在实施例中，尤其是实质上没有纤维增强的聚合物，黏度小于10³Pa*s))。例如，该不可液化材料可是金属如铝、钢，也可能是木材或硬塑料，例如增强的或未增强的热固性聚合物，例如增强的或未增强的热塑性塑料，其熔融温度和/或玻璃态转化温度相当地高于可液化部的熔融温度/玻璃态转化温度，例如熔融温度和/或玻璃态转化温度至少要高50℃或80℃。

在第二组实施例第一子组的例子中，头部的至少一部分(尤其具有结构化的侧向外表面的至少一部分)由不可液化材料制成。然后连接元件包括该不可液化部同时也包括可液化部，该可液化部包括锚固部的至少一个外表面。

在第二组实施例第二子组的例子中，头部的结构化侧向外表面由可液化热塑性材料制成，并且含有不可液化材料的部分是结合在可液化部中的插件。

在实施例中，尤其是第二子组的实施例中(同样也在在此描述的其他小组或组的实施例中)，耦合面可相对于连接元件的近端面错位布置。尤其是，根据前文所述第二种构思的内容，头部可包括在近端面中的凹槽，并且耦合面可布置在凹槽内，尤其是布置在凹槽的底部。在具体的实施例中，凹槽的高宽比可至少为0.5或者甚至至少为1。

在第二子组实施例的示例中，不可液化部(整体部件)可包括耦合板。例如实施第二种构思的该耦合板可被设置在可从近侧接近的凹槽的底部，工具接合在凹槽中。

可替代地，根据第一种构思，该耦合板可提供为最近侧的板。在此，该板的径向(侧向)延伸小于整个头部的径向延伸。

在第二子组实施例的另一示例中，不可液化部可能包括从耦合面向远侧延伸的销部分。例如该销部分可从在头部中的耦合面向远侧延伸到锚固部。该带销部分的一体式不可液化部可带来也抵销剪切力的附加的强度。

该销部分延伸进入的可液化部的内腔可是延伸到远端的通孔。这些实施例的优点在于通过通孔可便于可液化部的注射成型，从而更加容易避免形成空洞(例如气泡)。

在第二组实施例的示例中，可液化部和不可液化部可通过以下至少一种方法被接合在一起：

-压配合；

-粘接；

-由可液化部内渗入不可液化部的结构所形成的形状配合连接。

根据第一可选方式，可液化部和不可液化部可构成整体的预制连接元件。例如，两部分可注射成型在一起，即可将可液化部注射成型并置于不可液化部上(嵌件成型/包覆成型)。同样也可通过独立于注射成型步骤的加工步骤来进行预组装，例如胶粘步骤。

根据第二可选方式，可在方法本身的期间和作为方法的一部分实现连接在一起。这样，连接元件的可液化部和不可液化部可被提供为单独的部件。

在可液化部和不可液化部之间需要形状配合连接的实施例中，则不可液化部包括带有适于与可液化材料形成形状配合连接的底切的表面结构(通过至少一个凹口等)。在将连接元件朝向远侧按压并且同时将机械振动能耦合进连接元件内的步骤中，在机械振动能被耦合进不可液化部和/或可液化部时可液化部和不可液化部被彼此压靠，直至与不可液化部接触的可液化部材料液化，渗入结构内，从而在再凝固后，可与不可液化部形成形状配合连接。

补充或替代地，可液化部和不可液化部之间可通过压配合连接，也可通过施加并将振动能耦合入连接元件的步骤与粘接组合使用。

更通常地，根据第二组的一些实施例，该方法包括将可液化部和不可液化部由最初的单独部件组装在一起的步骤，尤其是通过在单独的方法步骤中施加机械能或附加的机械能或可能的热来实现。同样，也可通过夹持等方法将部件组装在一起。

另外，在第一子步骤中，通过振动和按压来锚固可液化部是可能的，且在单独的子步骤后，组装不可液化部和可液化部是可能的。

在第三组实施例中，用热塑性材料制成的耦合面实施第二种构思。

尤其是在第二种构思的实施例中，连接元件可是由热塑性材料制成的一体件。

在第三组实施例的示例中，可使用压靠连接元件的近端面且带有耦合面的超声波发生器，耦合面包括在凹槽内的第一耦合面部分和围绕凹槽的圆周的第二耦合面部分。在此，根据第一种构思，如果第二耦合面部分并未延伸达到头部的侧向延伸，这是优选的。

实施第二种构思时，该方法包括：

-提供尤其是以上讨论的类型的连接元件，其包括深入地锚固在物体内的锚固部，以及相对于插入轴线布置在锚固部近侧的头部，其中头部具有带有底切的侧向外表面，其中连接元件至少在锚固部的表面上包含热塑性材料，并且其中头部包括开口朝向近侧的凹槽，

-这样地相对于物体定位该连接元件：使锚固部到达物体的开口内，或者放置在开口的口部附近，并且将工具相对于连接元件定位成使工具到达凹槽内，

-将工具的耦合输出面压靠到连接元件的耦合面，连接元件的耦合面由凹槽的表面构成，从而朝向远侧方向按压连接元件并且同时通过工具将一定量的适于液化热塑性材料的一部分的机械振动能耦合进连接元件内并保持足够的时间，以使热塑性材料渗透入物体的结构中。

在第三组实施例的示例中，除了锚固部的表面外，热塑性材料还至少布置在耦合面处。

在第四组实施例中，实施第三种构思。为此，连接元件包括用作为耦合面的朝向近侧的锚固部的基部表面。这可意味着连接元件形成有在头部和锚固部之间的肩部。

在第四组实施例中，因此该方法包括：

-提供尤其是以上讨论的类型的连接元件，其包括深入地锚固在物体内的锚固部，以及相对于插入轴线布置在锚固部近侧的头部，其中头部具有带有底切的侧向外表面，其中连接元件至少在锚固部的表面上包含热塑性材料，

-这样地相对于物体定位该连接元件：使锚固部到达物体的开口内，或者放置在开口的口部附近，并且将工具相对于连接元件定位成使工具到达凹槽内，

-将工具的耦合输出面压靠到连接元件的耦合面，从而朝向远侧方向按压连接元件并且同时通过工具将一定量的适于液化热塑性材料的一部分的机械振动能耦合进连接元件内并保持足够的时间，以使热塑性材料渗透入物体的结构中。

该头部可从锚固部起向近侧延伸并由此从耦合面向近侧延伸。

尤其是，实施按压和耦合能量的步骤直至耦合面与物体表面平齐或低于表面，使头部从物体中突出。

在一个例子中，连接元件可能包括位于头部远侧的锚固部主体，该锚固部主体形成肩部并因此包括耦合面。在主体的远侧，锚固部可包括在锚固过程中或者在物体的至少一个预制的对应开口中突出，或者通过物体的开口被压入物体的一个或多个突起。

在第四组实施例的示例中，至少一个突起可大体布置在耦合面的侧向位置，即突起仅轴向地与耦合面间隔开且不在例如头部中心的下方。这使通过通过轴向声波传递直接将机械振动耦合进突起内成为可能，从而特别简化了连接元件的设计。

对于许多应用而言，不希望连接元件中除头部外的其它部件的突出高于其被固定到的物体的表面。因此，该方法可包括提供带有开口的物体，该开口的侧向尺寸适配于锚固部主体的侧向尺寸，并且其深度对应于主体的高度或者稍低于该高度或大于该高度，并且实施按压和将振动耦合进工具的步骤直至耦合面与物体的表面平齐或者低于该表面，例如由于预制的沉孔。

用于将压力和振动耦合入连接元件的工具需要对其形状进行适形。它尤其可包括远向耦合输出面，耦合输出面的形状对应于耦合面的形状，并留有用于头部近侧地突出在锚固部主体上方的空间。例如超声波发生器大体呈圆顶状且带有环形耦合面和为头部保留的中空空间。

第四组实施例中的示例也可能属于第二组实施例，即包括不可液化材料的部件。尤其是锚固部主体可通过板或类似物被强化，和/或头部可包括，例如甚至由用于增加机械强度的不可液化材料组成。

在第五组实施例中，实现了第四种构思。为此，将例如可包括从相对的侧向接近头部的两个壳体的模具相对于头部放置至少一定的时间，在该期间，将按压力作用到连接元件上。例如，在施加机械振动和压力的全区段中应用该模具。

在第五组实施例中，因此该方法包括：

-提供尤其是以上讨论的类型的连接元件，其包括深入地锚固在物体内的锚固部，以及相对于插入轴线布置在锚固部近侧的头部，其中头部具有带有底切的侧向外表面，其中连接元件至少在锚固部的表面上包含热塑性材料，

-这样相对于物体定位该连接元件：使锚固部到达物体的开口内，或者放置在开口的口部附近，

-朝向远侧方向按压连接元件并且同时通过工具将一定量的适于液化热塑性材料的一部分的机械振动能耦合进连接元件内并保持足够的时间，以使热塑性材料渗透入物体的结构中，

-其中在按压步骤中，至少部分时间内，形状对应于头部的侧向外表面的至少一互补部分的模具保持贴靠头部的侧向外表面。

在此，尤其是超声波发生器仍然只作用在连接元件上，并且在插入过程中与模具的近侧面没有振动接触。

根据第五组实施例的方法可单独使用，也可能作为第一组、第二组、第三组和/或第四组实施例中的任意示例的补充手段，在这些实施例中侧向外表面由热塑性材料制成。

根据发明第一方面(也根据其在后描述的第二方面)的本发明还涉及在本文中限定且所描述类型的连接元件，其带有参考根据本发明的方面和构思的方法的各个实施例所描述的特征。本发明还涉及在此描述且要求保护的连接元件和此类工具(超声波发生器)的组件。

根据本发明的第一方面连接元件，用于借助热塑性材料和机械振动被锚固在物体内，因此连接元件可包括：

-深入地锚固在物体内的锚固部，

-锚固部近侧的头部，

-连接元件至少在锚固部的表面上包含热塑性材料，其中满足至少一个下述的条件：

-头部的近端突起的径向延伸小于头部的径向延伸(条件A)；

-头部包括开口朝向近侧的凹槽，凹槽宽度足以使工具在凹槽内接合连接元件以将机械振动耦合入连接元件，使得在锚固部表面附近的热塑性材料部分被液化，而头部的侧向最外表面部分仍保持完好(条件B)；

-连接元件包括可液化部和不可液化部，不可液化部形成用于通过工具将机械振动耦合入连接元件的近向耦合输入面(条件C)；

-锚固部包括锚固部主体和朝向远侧远离锚固部主体的至少一个突起，其中锚固部主体形成了在头部附近的近向耦合面(条件D)。

例如可通过将连接元件置于胶合板物体的安装孔内并使用装入凹槽的超声波发生器来测试条件B，该超声波发生器承受频率为20kHz的机械振动，被相当于5*105N/m²的按压力以约40μm的幅度按压。如果即使在较长的时间内(例如达到20s)施加机械振动，但仍未产生液化或仅围绕超声波发生器局部地液化，则该凹槽的尺寸不满足条件B的要求，或者是定位销的长度不适合在共振中振动。但是如果在锚固部-胶合板的界面处开始液化，则满足条件B。

本发明的第二方面可以应用在第一方面注射成型的连接元件或任何其它适于通过与在横截面上的截面(因此在垂直于插入轴线的截面中)有关的机械振动被锚固的连接元件的任意实施例中。制作含有热塑性材料的连接元件的常用经济的方法为注射成型。尤其对于大块部件，在注射成型中可能遇到的问题为生成空洞。

本发明在这方面已意识到，如果注射成型的部件的横截面是匀质的，则可防止空洞形成，这不仅是轴向位置的作用，也是横截面的作用。尤其是，如果距模具壁最内部的距离之间的差值是相当均匀的，则对于注射成型过程是有利的。

在许多实施例中，连接元件通常呈带有头部和形成杆的细长销状锚固部的细长形状。

例如在根据本发明的第二方面的实施例中，提供了一种用于锚固在由可透材料制成的物体内的连接元件，该连接元件包括用作深入地锚固在物体内的锚固部的杆，以及带有朝向远侧的肩部或在头部和锚固部之间的边界线的头部，连接元件至少在锚固部的表面上包含热塑性材料，其中满足至少一个下述的条件：

-头部包括开口朝向近侧的凹槽，该凹槽基本轴向延伸穿过整个头部(第一条件)，尤其是穿过整个头部甚至可能更远，超出头部并进入杆部；

-锚固部包括沿轴向延伸的至少一个槽，该槽的深度至少为杆平均直径的15％(第二条件)。

在此“在轴向上延伸”并不意味着所述至少一个槽严格地平行于插入轴线。相反，例如也可以是稍微螺旋形的形状；通常角度不应相对于轴线超过约30°。

第一条件意味着，凹槽的平均侧向延伸基本相当于头部的侧向延伸；例如它可为头部直径的40％或50％。凹槽的轴向延伸(深度)相当于头部的轴向延伸的至少约80％，通常为100％甚至更多。

在第二条件中，槽由于其深度，明显有别于现有的连接元件的能量导向肋之间形成的槽。除槽外的表面部分(如果存在多个槽，位于槽之间)通常呈平滑凸出状，并可能另外形成能量导向件。该除槽外的表面部分可具有明显的周向延伸。

该槽可在锚固部的整个轴向长度上延伸。

在第二方面的一组实施例中，杆的侧表面通常为起伏的，能量导向件可位于起伏的峰部上。

在另一组实施例中，锚固部包括交错地布置在杆的相对侧处的多个槽。在该位置处，槽的深度dg为该位置处的侧向延伸e至少30％、至少40％或至少为50％，至多为80％。

尤其是，在另一组实施例中，横截面大体呈S形。

在另一组实施例中，尽管由于槽导致材料量减少，但是连接元件相对于沿着平行于槽的主轴方向作用的载荷具有相当大的机械强度，然而沿着垂直于槽的短轴方向的机械强度相比实心圆筒有所降低。由于多个交错布置的槽导致与T形杆或(多个T形杆)设计相当的效果。

同样，在该组实施例中，如果对槽的深度和形状进行相应选定，那么材料强度均匀性会特别高。

本发明还涉及到用于实施本发明在前描述方法的设备。为此，该设备包括用于相对于物体定位连接元件的连接元件定位装置、用于夹持物体的夹持装置和用于朝远侧方向按压物体超声波发生器，超声波发生器同时将一定量的适于液化热塑性材料的一部分的机械振动能耦合进连接元件内并保持足够的时间，以使热塑性材料渗透入物体的结构中，其中该设备被进一步构造成使头部的侧向外表面保持完好。

例如通过一旦满足预定条件就停止产生波发生器的任何向前运动(撞击连接元件)的机构来实现使头部侧向外表面保持完好的功能。该预定条件可尤其是超声波发生器的耦合输出面已经到达距物体预定距离的位置-例如相当于头部的轴向延伸的距离，可能减掉由连接元件被锚固在其中的物体的微小变形所产生的或者由近端突起15变形所产生的微小行进距离(例如小于1毫米)。

补充地或替代地，该设备可能包括能够实施根据前述的第五组实施例的方法的模具。

通常情况下，在本发明的所有方面和构思中，至少在将被连接元件锚固的物体位置处的材料需要是可以被热塑性材料渗透。至少在根据本发明的方法的条件下，适用于根据本发明的方法的可渗透材料是固态的。它还包括(实际的或潜在的)空间，液化的材料可以流入其中或被压入其中以用于锚固。其例如是纤维状或多孔的或包括可渗透的表面结构，它们例如由适当的加工或涂层(实际渗透空间)制成。或者，可渗透材料能够在液化的热塑性材料的液体静压力下显露出这样的空间，这意味着在环境条件下，它可能不是可渗透的或仅在非常小的程度上可渗透。该性质(具有潜在的渗透空间)意味着例如在机械阻力方面不均匀。具有这种性质的材料的一个示例是其孔由能被从孔中压出的材料填满的多孔材料、软质材料和硬质材料或非均匀物质材料(如木材)的组合物，其中组分之间的界面粘合力小于由渗透液化材料所施加的力。因此，通常，渗透材料在结构方面(“空的”空间如毛孔、空洞等)或在材料成分(可置换材料或可分离材料)方面包含不均匀性。

可用于根据本发明的方法中的可渗透材料的示例为固态材料，例如木材、胶合板、刨花板、纸板、混凝土砖材料、多孔玻璃、金属泡沫、陶瓷、聚合物材料、烧结陶瓷、玻璃或金属材料，其中这种材料包括热塑性材料可以渗透的空间，该空间最初填充有空气，或者填充有其它可置换或可压缩材料。另外的示例为具有上述特性的复合材料或者表面具有合适的粗糙度的材料，合适的机加工后的表面结构或者合适的表面涂层(例如由颗粒组成)。如果可渗透材料具有热塑性能，那么在锚固步骤期间保持足够的机械强度是有必要的，这或者通过包含机械稳定相，或者通过通过材料具有比在锚固步骤中液化的热塑性材料高得多的熔融温度来实现。

适用于根据本发明的方法的材料在室温下(或在该方法实施的温度下)为固态。它优选包括从固体转变成液体或在临界温度范围以上可流动的聚合物相(特别是基于C，P，S或Si链)，例如通过熔融，并且当再次冷却到临界温度范围以下时，重新转变为固体材料，由此固相粘度比液相粘度高几个数量级(至少三个数量级)。热塑性材料通常将包含未交联的聚合物组分，其交联方式使得当加热至或高于熔融温度范围时交联键可逆地打开。聚合物材料还可以包含例如为纤维或材料颗粒的填料，其不具有热塑性或具有包括下述熔融温度范围的热塑性，该熔融温度范围显著高于基础聚合物的熔融温度范围。

适用于根据本发明的方法的热塑性材料的示例是热塑性聚合物、共聚物或填充聚合物，其中基础聚合物或共聚物是例如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺(尤其是聚酰胺12、聚酰胺11、聚酰胺6或聚酰胺66)、聚甲醛、聚碳酸酯聚氨酯、聚碳酸酯或聚酯碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈(ASA)、苯乙烯聚烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚砜(PSU)、聚(对苯硫醚)(PPS)、液晶聚合物(LCP)等。LCP是特别有意义的，因为它们在熔融期间的粘度急剧下降使得它们能够渗透在可渗透材料中的非常细小的空间中。

在某些应用中，尤其是如果机械振动将在热塑性材料中传播可观的距离，至少为0.5GPa，或优选至少1.0Gpa的弹性系数(环境温度下)时是有利的。

适用于根据本发明的方法的机械振动或振荡优选地具有处于2至200kHz(甚至更优选10至100kHz，或20至40kHz)之间的频率和活性表面的每平方毫米0.2至20W的振动能量。振动工具(例如超声波发生器)是例如设计成使得其接触面主要沿工具轴线(纵向振动)方向振荡，并且振幅在1至100微米之间，优选地在30至60微米的范围内。这种优选的振动是由例如超声波焊接领域已知的例如超声波装置产生的。

附图说明

下文结合示意附图，对本发明的原理和实施例进行了进一步详细的描述。在附图中，同样的标号代表着相同或相似的元件。附图表示：

图1a和1b为表示根据现有技术对连接元件进行锚固的纵向剖面图(在平行于轴线的平面上的截面图)；

图2a-2e为表示根据本方明的方法对连接元件进行锚固的纵向剖视图；

图3为图2a中连接元件的变型例；

图4a-4b为根据本发明的方法锚固另一个连接元件的放大的纵向剖视图；

图5为根据本发明的方法锚固又一个连接元件的纵向剖视图；

图6-7为示出了再一个连接元件的纵向剖视图；

图8为根据本发明的方法锚固复一个连接元件的纵向剖视图；

图9-10为图8中连接元件的变型例；

图11为示出了将连接元件锚固在板内的纵向剖面图，其中连接元件的端面不垂直于板平面；

图12为根据本发明的方法锚固另一连接元件的纵向剖面图；

图13为图13中连接元件的变型例；

图14为包含有两个独立部件的连接元件的纵向剖视图；

图15a-15b为锚固包含有两个独立部件的另一连接元件的纵向剖面图；

图16为锚固包含有两个独立部件的又一连接元件的纵向剖面图；

图17a-17c连接元件部件之间的连接的放大的纵向剖面图；

图18-19示出了另一个连接元件部件之间的连接，以及锚固后的另一个连接元件；

图20-21为又一个由两个部件组成的连接元件的纵向剖面图；

图22为将图20中所表示的连接元件锚固在板内，该连接元件的端面不与板平面垂直；

图23a-25为又一个连接元件的俯视图和纵向剖面图，以及用于锚固连接元件的超声波发生器的俯视图；

图26-29为连接元件的另一个实施例的锚固部的横向剖视图(剖视图垂直于插入轴线)；

图30-32为第一组实施例中另一个实施例的放大图；

图33a和图33b为第三组实施例中连接元件的实施例；

图34为第五组实施例的应用原理；

图35a和图35b为连接元件的再一个实施例；和

图36和37为用于实施该方法的装置的原理图。

具体实施方式

图2a中表示，连接元件1包括头部11和锚固部12。在头部和锚固部之间形成有朝向远端的肩部18，在以下将描述的锚固过程中，该肩部可用作为止动面。

可能除了锚固部12的外表面的诸如肋或凸起部的能量集中件外(图2a中未示出)，连接元件1基本上围绕其轴10旋转对称。

头部11具有侧向外表面，其被成形为接合到另一物体的凹形件的对应结构中，使得锚固有装配件的物体和该另一物体可以彼此组装。尤其是，侧向外表面具有能与凹形件形成形状配合连接的结构13，其方式是在形状配合方式中能在头部11和凹形件之间传递轴向(相对于轴10)的力(与摩擦配合不同，在形状配合连接中，连接力具有垂直于表面的分量-连接的物体彼此交错)。

更特别的是，在所描述的实施例中，该头部具有至少一个槽14。

在本实施例和本文所讨论的任何其它实施例中，头部可根据WO2013/104422的教导来成形并可具有用作其中描述的接头的凸形件的功能。

头部11还具有环状的且厚度(轴向延伸)通常为2毫米或者更小的近端突起15。近端突起15的径向延伸比头部11的侧向最外表面14的延伸明显小d例如至少0.5毫米或至少1毫米。可选除了可用于将连接元件与超声波发生器对齐(如通过与超声波发生器的相应的引导突起61配合)的导向孔16外(可选地比示出地更加轴向地延伸进入头部且甚至可能进入锚固部)，由近端突起构成的朝向近端的耦合表面垂直于轴10并且为平坦的。

在图2a的实施例中，连接元件是由热塑性材料制成的一体件。

可采用超声波发生器6来实施在图2b中示出的锚固过程。超声波发生器的远端耦合面的形状与连接元件近端面的形状相适应。

为了实施该过程，以将锚固部12突入物体的开口3的方式相对于物体2放置连接元件。开口可定尺寸为，如图2b中的示意说明及例如在WO98/042988中所教导的，其径向延伸稍大于锚固部的径向延伸，使得能够基本上无作用地插入锚固部。或者，还可以将开口定尺寸为当导入连接元件时，正如例如以其整体通过援引引入到本文中的瑞士专利申请00824/14中所教导的那样，在连接元件和物体之间形成过盈配合。

图2b中也表示出了物体的表面20，开口3在表面20上具有口部，即开口可以自表面20延伸进入物体2的内部。

在过程期间，如图2c所示，超声波发生器6可在远端方向上将连接元件压靠在物体上，这时来自超声波发生器6的振动通过耦合面耦合到连接元件直至热塑性材料在振动和压力的作用下开始液化，并被压入物体的结构中。这将形成热塑性材料渗入物体中的区域8，该区域在再凝固后在连接元件1和物体2之间形成形状配合连接。

锚固部12可包括诸如远端尖头19和/或径向肋或凸起部或其它结构的能量导向器，例如。如图2c所示，远端附近的能量导向器(位于远端附近和头部远端的连接元件的区域可被称为“杆部分”)可能会导致液化，并最终导致侧向围绕杆部分的渗入区域8。

由于在超声波发生器6和连接元件近端表面之间在紧邻耦合面的接口区域的不完美的耦合，以及由于接触压力，在固定过程中热塑性材料可能会产生变形。由于压力的作用，这将导致在侧向上压出热塑性材料。由于该变形区域，使得已经流出的材料部分9不会与结构化的侧向最外侧表面干涉。

同样，由于带有接口的结构没有径向地达到侧向最外侧表面，作用于最接近超声波发生器6的侧向最外侧表面的区域19的机械载荷是相对较小的(图2d中的箭头示意表示了机械载荷)，因此不会出现任何发生变形的趋势。

如图2e所示，在实际操作中，(可选用的)导向突起61的相关尺寸和头部11的(也可选用的)导向孔16的相关尺寸是相适应的，使得导向突起就不会接触到导向孔61的底面。因此，可以明确地限定，只能通过突起15来将压力和振动耦合进连接元件，而没有耦合进导向孔的底部的部分，这特别明确地定义了系统。

图3示出了图2a中的连接元件的变型例的最近端部分。在该变型例中，首先导向孔16变得更大。其次，导向孔呈圆锥形。再次，在导向孔的侧壁和近端耦合面之间形成了圆滑过渡。该圆滑过渡为表面的弯曲部分31。由于该弯曲部分，进一步减小了作用于界面区域上的压力。

图4a示出了带有非平面耦合面的变型例。连接元件1的耦合面连续地弯曲以与超声波发生器6的相应弯曲的耦合输出面配合使用。同时该设计形成了在界面处没有局部应力集中的应力分布。

另外，按照前述实施例，超声波发生器的宽度WS小于头部的宽度WH。因此，如图4b表示，由变形区域内的热塑性材料局部软化造成的已流出的材料部分9因此不会再与头部11的最外表面部分的结构干涉。

图30示出了带有非平面耦合面的另一变型例。与图4a和4b中所述的实施例相比，连接元件11的耦合面采用凸出弯曲代替凹陷弯曲，且超声波发生器6用凹陷弯曲代替凸出弯曲。

图31示出了与图2a中实施例相似的又一实施例。在图31的实施例中，连接元件具有与超声波发生器6的导向凹口63相配合而不是相对的导向突起17。

在图32所示的实施例中，连接元件没有近端突起。而是，例如通过将导向突起61与连接元件相应的导向凹口16配合使用，将超声波发生器6的侧向延伸相对于连接元件1位置明确地布置，以确保头部的外侧向表面保持完好。为此，差值d约等于或大于侧向外表面的凹口的深度f，使得超声波发生器不能在头部的切口上施加任何力。因此在一些实施例中，保持d＞＝f的状况。

根据又一变型例(参见例如如下的图36)，超声波发生器可不具有导向件。尤其是，在连接元件上带有近端突起15的实施例中，远端超声波发生器的耦合输出面的侧向延伸可能稍大于近端突起15的表面。然后，相对于连接元件准确定位超声波发生器以防止头部的侧向外表面变形则不是必需的。

参考图2a-4b所描述的实施例为采用第一种构思的第一组实施例中的实施例。

图5所示的例子为采用第一种构思的第二组实施例中的实施例。与前述实施例相反，该连接件不是一体件，而是包括可液化部22和不可液化部这两个部件。不可液化部21近乎呈指甲状，其最近端部分形成耦合面。头部11的侧向最外侧部分和锚固部都是由可液化部21构成。

在一个例子中，不可液化部是由金属或木头或热固性塑料或玻璃态转化温度大体高于可液化部的玻璃态转化温度的热塑性材料构成。

图6所示的实施例为第二组实施例中的又一个例子。在此例子中，头部(头)完全属于不可液化部21，且例如由木头或不可液化材料构成。

所描述实施例中的不可液化部还包括延伸入锚固部的杆部分，可液化部基本上用作杆部分的涂层。

图7示出带有不可液化材料的耦合面的连接元件的另一实施例。该耦合面由不可液化部21的板部25构成，非液化部件还包括从板部处向远端延伸的且加强不可液化材料和可液化材料之间的机械连接的尖部26。

图8表示采用第二种构思的第三组实施例的一个实施例。连接元件1是由热塑性材料构成的一体件。它具有开口朝向近端侧的凹槽33，凹槽底部限定为用于超声波发生器6的耦合面30，超声波发生器6被定尺寸为其远端可经由其远端的耦合输出面压靠在耦合面30上来插入凹槽33中。

凹槽的高宽比例如至少为0.5或至少为1，在所述实施例中约为1.5。

图9表示的实施例与图8中的实施例的区别在于，图9中的凹槽33不是圆柱形而是具有在轴向区段上弯曲的成形表面。耦合面30是由凹槽内连接元件的内表面(或其不与轴线平行的部分)构成，其具有不太陡峭的部分和与较陡峭的部分相比经受更大压力的凹槽底部的部分。由于凹面形，这自动地形成保护头部的更多近端和侧向区段的力的分布。

图10为另一变型例。凹槽33为台阶状表面，耦合面33遍布凹槽的台阶和底面。

在图9和图10所例举的实施例中，凹槽延伸到头部的相当大的部分中，这样头部就成为了一个近似管状体，该管状体的材料强度s可在一定的范围内变化。基于该设计，连接元件1的形状可优化为适于注射成型。在注射成型时存在的潜在问题为，固化腔很难在没有气泡形成的情况下被完全填充。如图9和图10中表述的设计(也是图8的设计的变型例，该凹槽基本轴向延伸穿过整个头部)，解决了在头部区域中的这一问题。

与图9和图10中的一个同样的设计因此在连接元件为注射成型的一体件的实施例中具有明显的优势。

与图8-10中的一个同样的设计也可用于这样的实施例：其中凹槽33主要用作超声波发生器还作用在近端面时的导向孔，尤其是第一组实施例中的实施例。当然，也可以是组合件，其中耦合面可能部分地由围绕凹槽边缘的近端面构成且部分地由凹槽的底面和/或侧面和/或肩部构成。

同样在图11所示的变型例中，连接元件1是由热塑性材料制成。和图8中所示的实施例相比，在图11的变型例中，锚固部12具有相对减小的轴向延伸和/或较大的径向宽度。同样，凹槽33也进一步延伸入连接元件。以上的不同之处(即锚固部轴向延伸变小，增大的径向宽度，增大的凹槽的轴向长度)可能是单独实施，也可能是任意组合地实施。

较大的径向宽度可能至少部分地补偿由于锚固部变短所引起的固定强度降低。由于超声波发生器位于液化位置附近，因此可不引起头部变形风险地以更大的能量和/或更大的频率来操作，使得在某些构造中，凹槽33深度的增加可以使液化后的热塑性材料在一定程度上更容易分布在锚固部的整个宽度上。

同图11中示例一样，具有更短的锚固部的实施例可能尤其适用于将连接元件锚固在相对较细物体2内的结构和/或连接元件必须沿着边缘被锚固在板状物体内的情况，在那里沿着边缘的窄侧表面并不垂直于板平面，如图11所示，该角度可例如为45°，更通常的情况下在30°-60°之间，尤其是在35°-55°之间。

图33a和图33b分别为第三组实施例中另一个实施例的主视图和横截面图。除了参考图8所描述的结构外，在这些附图中还示出了能量导向器29。该能量导向器可能为肋、凸起部或台阶，并且可能具有特别明显吸收机械振动能量的功能，从而在该处引起液化现象，该点与超声焊接中的已知的能量导向器一样。

图12表示第三组实施例中的另一个变型例。该实施例也属于第二组实施例。和图8中所示的实施例相反，该耦合面是由不可液化部21形成的表面，即位于凹槽33的底部的耦合板。

在图13所示的实施例中，不可液化部21的耦合板具有板部25和从板部向远端延伸的尖部26。

通常，具有可液化部和不可液化部的实施例可通过在不可液化部中将可液化材料注射成型(嵌入成型/包覆成型)的方法来制作。然而也可以是单独地制作可液化部和不可液化部，之后再将两者组装。

图14中的变型例示出了这种情况。液化部件除了包括凹槽33之外，还包括自其向远端延伸的用于不可液化部21的阶梯状开口，该开口包括用于板部25的较宽部34和用于尖部26的较窄部35。

板部25上还具有用于超声波发生器的导向孔16(该导向孔对于其它实施例是一个可选用的特征)。

尽管参考图14和下列特征中的一些在本文中阐明了在制作后再组装液化部件和非液化部件的可选方式，这种方式对于其它实施例是可选的。另一方面，也可通过嵌件成型/包覆成型或类似方法来制作具有在图14中阐明的特征的或者具有下文所描述的连接元件的形状和/或耦合结构的连接元件1。

参考图14中的实施例，又阐明了另一个可选的特征：开口33、34和35可轴向穿过整个可液化部直至远端。该种插管在制作工艺上具有优点，即它可防止在注射成型过程中形成空洞。该优点与连接元件1是否采用嵌件成型/包覆成型制作或是否随后步骤中进行装配无关。

图14中的实施例的插管也可在其它实施例中采用，既适用于由热塑性材料制成的一体式连接元件，也适用于包括多个部件的元件。

再次参考包括多个最初为独立部件的连接元件，可选地，通过部分热塑性材料所造成的物体的结构相互渗透的步骤后，完成多个部件的组装。在此，朝远端方向按压连接元件的步骤和将机械振动能耦合入连接元件的步骤涉及仅由热塑性材料制成的部件。

图15a和图15b示出了相应的实施例。可液化部22是由热塑性材料构成的一体件。它具有用于插入物体2上的开口并且锚固在那里的杆部36以及用于与不可液化部21的相应的耦合结构39配合的耦合部37。在所描述的实施例中，还包括一个加宽部38，它可在物体表面附近形成辅助锚固和/或用作限定锚固深度的止动部。

在所描述的实施例中，可液化部22和不可液化部21的耦合是机械卡扣配合连接。在锚固过程中，可液化部最近端部分的微小变形不会以任何方式使耦合失效。

如果选用其它具有更重要机制的耦合，在本文中所描述的手段(诸如受控的变形区域，错位的耦合面等)可用于可液化部22以保持与不可液化部连接的部分的功能性。

作为插入前组装部件和在锚固后组装部件的替代，也可以在操作过程中进行组装。图16描述了该原理。当超声波发生器将可液化部和不可液化部压在一起，并且在耦合入振动时将两部分压靠到物体时，可液化部22相对于物体2就位，不可液化部21相对于可液化部就位。

例如可液化部22包括近端凹槽，例如圆锥形或圆柱形凹槽41，在定位步骤中，不可液化部的相应的远端突起42就位在近端凹槽中。

在压力和振动的作用下，不仅可液化部的热塑性材料会液化渗入物体的结构中，还会产生可液化部和不可液化部之间的连接。

图17a和图17b示意表示，在安装过程结束后，可液化部和不可液化部间的连接的两种变型例的放大图。不可液化部中包括形成例如孔44、凹槽等底切的结构，其中可液化材料在变成流动状态后被压入以上结构中。在可液化材料再凝固后，在可液化材料和不可液化材料之间形成形状配合连接。

图17c表示可液化部22的热塑性材料，在施加的机械振动能的作用下液化并渗入物体2的结构内和不可液化部21内。

补充地或替代地，如图18中示意说明，该连接可能为压配合连接。为此，不可液化部包括具有轻微锥度的突起42(在图中，所画的圆锥的开口角度有所夸大)，并被压入可液化部的尺寸略小的相应开口内。图18表示了在施加力之前的情况，其中存在距离d。由于按压，不可液化部21相对于可液化部至多前进距离d并从而形成压配合。可能出现的轻微弹性变形会有助于该压配合。例如表面粗糙度或粘性等附加作用也可有助于该配合。

参考图17a和图17b中描述的形状配合方法也可能组合使用。

图19为图16-18中所描述类型的连接元件被锚固在物体内的实施例。

图20中所述的实施例为预制作型(模制；在锚固之前组装)，或者是在参考图17-19中所描述的加工过程期间在现场组装。代替相当小的孔或槽，不可液化部的杆部分带有至少一个朝向近端的肩部，在本图所示的实施例中表示为槽44的远端。与图17-19中所示的实施例一样，此种肩部能够在可液化部和不可液化部之间形成形状配合连接。

图20所示的实施例中有相对短和相对宽的锚固部，其上带有至少一个环形的、用作能量导向器的远端突起。作为本文在前描述的环状突起或尖头，远端的能量导向器可能具有其它的形状，例如包括多个肋、凸起部等。正如在其它所有的实施例中，作为补充或替代，可能在锚固部杆的侧表面上设有能量导向器。

图21所表示实施例和图20所表示实施例的区别在于，图21中锚固部要更长并且带有远端尖头。

通常，更宽和更短的锚固部适宜锚固在大平板或有限深度的其它物体上，或者如图22所示，适宜以和大表面(直边；板平面)成非垂直角度地锚固在较窄侧，适于图21所示类型的连接元件。更长的锚固部适宜锚定在体积大的物体上，或者在窄边垂直于直边的情况下，锚固在平板的较小侧。

图23a和23b描述了第四组实施例中的实施例。该锚固部包括带脊状的远端突起52的锚固部主体51。锚固部主体51通常呈圆盘形状，其头部与锚固部主体51同心，并且头部11的宽度要小于锚固部主体的宽度。耦合面57围绕头部11形成。

与第四组实施例中的其它实施例一样，远端突起轴向上位于耦合面57的下方，而不是在例如头部11的中心下方。

单个脊状突起围绕头部的侧向位置形成环，也可能形成多个同心的突起环。

物体内的开口3的平面内(侧向)尺寸要与锚固部主体51的相应尺寸匹配。开口的深度与没有突起的锚固部主体的厚度大体相当。

锚固部主体51在侧端可能有更多的能量导向器，对于所有实施例而言，这都是一个可选特征。

图24a和图24b示出了超声波发生器6的例子，它既适用于图23a和图23b中的连接元件1，也适用于以下描述的图25中的连接元件。该超声波发生器通常为圆顶状，其上开放空间62的尺寸定尺寸为容纳头部11。

远端面形成了超声波发生器的耦合输出面7。在固定过程中，连接元件被定位成锚固部主体位于开口3的口部上方或位于开口3内，超声波发生器相对于连接元件定位置为，耦合输出面7抵靠耦合面57并且头部突入开放空间62内。该超声波发生器也可能包括位于开放空间近端的可选用的导向突起(未标示)，该导向突起在与头部11的近端导向孔配合以准确足位。

在压力和机械振动的共同作用下，会引起突起52的热塑性材料和侧向能量导向器的热塑性材料(如果存在的话)液化，从而将连接元件锚固在物体2中。

图25还示出了另一个实施例。该锚固部可例如包括位于锚固部主体51的远端，并围绕头部规则布置的多个尖状突起52。

图34表示第五组实施例中的实施例。为了进行锚固过程，相对于连接元件1使包括两个壳体91的模具90就位，每个壳体都有对应于头部11的凹形的侧向外表面结构13的表面部92。在按压步骤期间，模具90的表面部与表面结构13保持接触。当连接元件可能向前方运动时，模具也会跟着做同样的运动。例如，为此模具壳体91可接合到也承载超声波发生器所接合的传感器的框架。如果在按压步骤期间，头部11产生了任何的软化或熔化，头部11的外表面结构13仍保持不受模具的影响，并且该模具优选仅在头部11再凝固后打开，从而保持期望的外表面结构13。

作为图34描述内容的替代，连接元件可能选择性地包括前文描述的第一组、第二组、第三组或第四组实施例的特征。

在下文中，参考均示出了垂直于插入轴线的锚固部的横截面的图26-29，在参考图9、10、11和14的讨论以外，还讨论了根据第二方面对注射成型的连接元件的设计进行优化的构思。

尤其是在锚固部有相当长和/或相当厚的杆的实施例中，防止在注射成型部分内形成空洞的问题，在锚固部区域也需要考虑。该教导因此适用于所有带由热塑性材料制成的锚固部的实施例，该锚固部大体细长且在轴向区域远离头部延伸，例如在图2a-5，7-22中示出的实施例。

图26示出了穿过锚固部的杆的横截面。该横截面偏离大体圆形形状(点线)在于该横截面包括多个叶片71，其叶片之间带有轴向延伸的槽72。槽72与能量导向肋之间的仅有空间的区别在于槽72的深度更大(例如它们的深度为杆直径的至少10％、至少15％、至少20％或至少25％)，并且在槽72之间的叶片71的锐边上不存在峰值(当然此处并没有排除在此类叶片上存在一个或更多的能量导向肋或类似物)。同样在插入开口3时，槽就处于由开口径向延伸所限定的空间内。在锚固过程后，该槽可选择性地保持为空的状态并且限定有中空部。

在注射成型期间，根据机械强度和优化流动间所想达到的平衡，可以将叶片71设计为不同的形状。图27示出了一个相应的替代横截面。

通过包括叶片之间带有槽的叶片的设计，实质上减小了位于杆中心的材料部分和模具壁之间的距离，这优化了注射成型过程。

在图28所示的实施例中，穿过杆部的横截面通常是呈S状，因此带有从相反侧延伸进入杆的空间的具有相当深度的两个交错槽。

特别是，所示构造中的槽延伸深至穿过中间平面(垂直于槽的方向)，即槽深dg大于该位置处的本地延伸e的50％。通常，所述槽的深度将是明显的，例如为所述延伸的至少30％或至少40％或至少50％。

该设计具有明显的优点。首先，对槽的形状和深度进行合理的设定，在以上所讨论的例子中的材料强度均匀性(最内部分到模具壁的距离间的差值是相当均匀的)可以被设计到几乎完美。其次，通过该设计，形成了为在沿长轴85的方向上作用的载荷提供足够机械强度的主梁81和两个侧梁82和83，然而，和实心圆筒相比，沿短轴86的机械强度有所降低(长轴和短轴都是面内轴线，不要与图28中所示的垂直于图平面的插入轴线混淆)。在此，机械稳定性可以相当于T形杆或(多个T形杆)设计的机械稳定性。

该教导已经可以容易地应用到例如图29中图示的仅有一个槽或者是多于两个的交错排列的槽，槽的数量越多，代价是沿短轴方向的稳定性逐渐降低。

图28也示出了可选用的能量导向肋54。可选地，将杆设计为沿短轴方向稍微过大，如果热塑性材料在插入温度下略微有些弹性，那么该结构会提供将侧梁82和83压靠到开口的壁上的弹簧效应。

在使用时，如图29所教导的带有各向异性的杆横截面的连接元件在锚固/定位步骤中，主轴被定向为沿轴线方向，在该方向上期望有平面内的主要机械载荷。通常在家具行业和建筑业，可以使用该方法对方向进行明确定义。

图35a和35b表示结合了本发明的第一方面和第二方面的另一个实施例的示例。图35b为连接元件的纵向剖面图，其中选择的剖面平面可以穿过图35a中可见的轴向延伸槽28。连接元件1是由热塑性材料制成。连接元件1是根据本发明第一方面的第一组实施例所配置，并且包括前文所描述类型的近端突起15。本实施例中的凹槽33不是用来定位超声波发生器(可选地，而非必需作为导向凹口使用)，而是延伸穿过整个头部11，来实现本发明第二部分的教导。

图35a和35b中的实施例也具有能量导向器29。图36非常示意地表示了为实施该方法而使用的设备100。该设备的定位装置101可以相对于物体2、物体2内的开口3和超声波发生器6定位连接元件1。另外设备的控制器103可以控制超声波发生器6和定位装置101。该设备也具有在锚固过程中夹持物体2的夹持装置104。该设备可能具有其他的装置，例如可用来传递物体2的传输装置、可用制备开口3的钻孔装置、可用来存储连接元件的胚料的存储器，可用来送进连接元件1的送进装置等。

而且，设备100包括与控制器103连接的、可适于对超声波发生器6和物体2之间的距离DS进行测量的距离传感器102，更特别地，在示出的实施例中测量超声波发生器6的耦合输出面和物体的表面20之间的距离。该距离传感器102可基于任何适用的原理，例如激光距离测量、雷达距离测量、超声距离测量和机械距离测量。当通过距离传感器103检测到，超声波发生器6和物体2之间已经到达预先设定的距离DS*，那么这就意味着连接元件1已经到达了其正确的最终安装位置，控制器103会停止超声波发生器6的进一步移动和振动动作。

更特别的是，当振动和压力与连接元件1耦合时，控制器103被设置为可以控制超声波发生器6的向前(远端)运动。尤其是，当耦合输出面处于距与开口3在其上具有口部的表面20预先设定的距离DS＝DS*时，控制器103被设置为停止超声波发生器6的向前运动。更具体的是在实施例中，一旦肩部18(如果有)到达表面20，就停止超声波发生器的向前运动。该预先设置的距离DS*可例如相当于轴向延伸e，可能减掉由物体表面20的微小变形所产生的并且由近端突起15变形所产生的微小多余距离。

可被设置用来停止超声波发生器6的向前运动的预先设定条件的替换条件可以是机械阻力的突然增加(由于肩部18抵靠到表面20)或是也由肩部18抵靠到表面20引起的振动吸收特性的突然变化。

该用于自动地阻止超声波发生器向前运动的装置也是防止头部在侧向外表面产生变形的另一种手段。

图37还非常示意性地表示了，该设备可能具有用于实施不同步骤的不同的空间分离的工位。例如，该设备可能具有一个定位工位111和锚固工位112，连接元件或多个连接元件1在定位工位处例如过盈配合地插入物体2内，一个或多个超声波发生器6在锚固工位处作用到连接元件1。

Claims (13)

1.一种在物体(2)内锚固元件(1)的方法，该方法包括以下步骤：

-提供元件(1)，该元件包括深入锚固在该物体内的锚固部(12)以及在锚固部近侧的头部(11)，该头部具有带有明确限定的结构的侧向外表面，该元件至少在该锚固部的表面上包含热塑性材料,该元件包括不可液化部(21)和含有热塑性材料的可液化部(22)，其中所述头部(11)的至少一部分包括由不可液化部构成的结构化侧向外表面(13)的至少一部分，并且其中可液化部(22)和不可液化部(21)作为单独部件提供；

-这样相对于该物体(2)定位该元件(1)或者可液化部，即该锚固部进入该物体的开口(3)内或被放置在该开口的口部附近；和

-朝远侧方向按压该元件(1)或者可液化部且同时通过工具(6)以适量且适于液化热塑性材料的一部分的时间将机械振动能耦合入该元件或可液化部以使该热塑性材料渗透入该物体(2)的结构中；

-其中该方法包括使该头部(11)的侧向外表面(13)保持完好无损；

其中所述方法还包括在按压和将振动能耦合入元件的步骤之后组装所述可液化部和不可液化部。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述元件是连接元件。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中插入轴线(10)被定义为从近到远的轴线，沿该轴线施加按压力，其中该物体(2)的具有包括口部的开口(3)的表面(20)是平面，其中在锚固后，该头部的轴线被限定为垂直于该物体的平面表面，并且该头部的轴线与该插入轴线(10)重合。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中该头部关于头部轴线是旋转对称的。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过将该工具(6)压到该头部(11)的近端面来施加压力和机械振动。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在按压步骤中，该工具的耦合输出面压到该元件的近端面，在所述耦合输出面和近端面之间形成工具-元件界面，其中该界面的径向延伸尺寸小于该头部(11)的径向延伸尺寸。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中该不可液化部(21)包括近向耦合面，其中在朝远侧方向按压元件(1)并将机械振动能耦合入元件(1)的步骤中将该工具(6)压到该耦合面并同时使其振动。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中该可液化部(22)和不可液化部(21)通过以下方式中的至少一种能接合

-压配合；

-粘接；

–由可液化部内渗入不可液化部的结构所形成的形状配合连接。

9.根据权利要求1或2所述的方法，包括在导致热塑性材料渗入该物体(2)的结构内的振动能和压力的作用下使该可液化部的另一部分材料被液化并渗入该不可液化部的结构内，以便在再凝固后形成在所述可液化部和不可液化部之间的形状配合连接。

10.根据权利要求1或2所述的方法，包括在按压和将振动能耦合入元件的步骤之后将所述可液化部和不可液化部组装在一起的步骤，其中朝远侧方向且同时将机械振动能耦合入该元件或可液化部的步骤被实施至可液化部，且在之后的单独子步骤中将不可液化部与可液化部组装在一起。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中不可液化部包括形成底切的结构，其中液化部的处于流动态的可液化材料在将不可液化部与可液化部组装在一起的步骤期间渗入该底切，以使得在重新固化后，在液化部和不可液化部之间形成形状配合连接。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中在将机械振动能耦合入元件的步骤中，使该工具以在10kHz-50kHz之间的频率振动。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中在按压步骤中通过该工具向该元件施加至少为10⁵N/m²的机械压力。