CN112512781A - 连接器和方法 - Google Patents

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CN112512781A
CN112512781A CN201980034868.4A CN201980034868A CN112512781A CN 112512781 A CN112512781 A CN 112512781A CN 201980034868 A CN201980034868 A CN 201980034868A CN 112512781 A CN112512781 A CN 112512781A
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CN
China
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connector
proximal
anchoring skirt
thermoplastic material
distal
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CN201980034868.4A
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M·通杰尔
J·迈尔
G·埃克哈德
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Multimaterial Welding AG
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Multimaterial Welding AG
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  • Standing Axle, Rod, Or Tube Structures Coupled By Welding, Adhesion, Or Deposition (AREA)

Abstract

提供一种连接器(10)，其被配置成锚固在具有热塑性材料的第一物体中。该连接器限定近远轴线，并且包括板部(12)，该板部(12)围绕近远轴线延伸并且具有近侧面和远侧面，近侧面适于将工具压抵在近侧面上。连接器还包括从板部的近侧可接近的附接结构(11)和/或包括传感器和/或致动器的相互作用元件。锚固裙部朝向远侧且径向朝向外侧从板部向远侧突出，由此在板部的远侧面和锚固裙部的近侧面之间形成径向朝向外侧开口的外袋(17)，和在锚固裙部(15)的径向向内侧形成朝向远侧开口的内袋(18)。板部(12)比锚固裙部在径向上延伸得更远。能够通过使工具压抵板部的近侧面(13)，同时锚固裙部与第一物体物理接触并且同时，例如从工具，将机械能耦合到连接器中，直到第一物体的热塑性材料相对于连接器流动并使其流入外袋(17)和内袋(18)中，使连接器相对于第一物体被锚固。

Description

连接器和方法
发明领域
本发明属于机械工程和结构领域，特别是机械结构领域，例如汽车工程、飞机结构、造船、机械结构、玩具结构等。
发明背景
在汽车、航空和其他行业中，已经出现了一种趋势，即远离钢结构，转而使用轻质材料如铝或镁金属片材或聚合物如碳纤维增强的聚合物或玻璃纤维增强的聚合物或没有增强的聚合物，例如聚酯、聚碳酸酯等。
新材料在这些材料的粘结元件方面带来了新的挑战，尤其是在将扁平物体粘结至其他物体时。
为了应对这些挑战，汽车、航空和其他行业已开始大量使用粘合剂粘结。粘合剂粘结可以是轻且强有力的，但是具有不能长期控制可靠性的缺点，因为例如由于脆化粘合剂而导致的粘合剂粘结下降几乎不可能在没有完全释放粘结的情况下检测。
FR 1519111教导了一种通过将高频振动施加至热塑性主体以移动热塑性物质并使其在固定元件的内部腔中流动而将螺钉或类似的固定元件紧固至热塑性体的方法。
WO 2016/071335教导了方法，所述方法用于通过用与第二物体的耦合输入结构物理接触的工具将第二物体压抵在第一物体上，将具有侧凹表面部分的第二物体粘结至包含热塑性材料的第一物体，同时将机械振动耦合到工具中直到第一物体的热塑性材料的流动部分被液化并流入第二物体的耦合结构中，其中在热塑性材料重新固化之后，通过贯穿所述耦合结构的液化并重新固化的流动部分形成第一物体和第二物体之间的形状配合(positive fit)连接。
WO 2016/071335中教导的方法很好地用于将金属物体固定在热塑性部分中。但是，如果第一物体(热塑性部分)相对薄，则WO 2016/071335中教导的固定将导致与附接第二物体的侧(下侧)相对的第一物体的变形侧，或者第一物体的相对大的表面积必须经受附接过程。两者可能都不令人满意，如果例如相对的表面在最终产品中可见或具有其他功能，则前者可能不令人满意；如果没有足够的空间和/或如果期望最终产品经受显著的温度变化，由于热塑性材料和第二物体的材料之间的热膨胀系数不同，则后者可能不令人满意。
一个示例是，如果第二物体是用于另一部件的附接锚固件(连接器)，其中这样的另一部件可被附接到连接器，或者可以与连接器预先组装在一起。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种用于被附接到包含热塑性材料的第一物体的连接器，该连接器克服了现有技术连接器的缺点。本发明的另一个目的是提供一种将第二物体，特别是这种连接器，粘结到第一物体的方法，该方法克服了现有技术方法的缺点。
根据本发明的一个方面，提供了一种连接器，该连接器被配置为被锚固在具有热塑性材料的第一物体中，该连接器限定近远轴线并且包括：
-围绕近远轴线延伸并具有近侧面和远侧面的板部，
-从板部的近侧可接近的附接结构和/或包括传感器和/或致动器的相互作用元件，
-朝向远侧且径向向外侧从板部向远侧突出的锚固裙部，由此在板部的远侧面与锚固裙部的近侧面之间形成径向朝向外侧开口的外袋，并且在锚固裙部的径向向内侧形成朝向远侧开口的内袋；
-其中能够通过使工具将所述连接器压抵所述第一物体，同时所述锚固裙部与所述第一物体物理接触并且同时，例如从所述工具，将机械能耦合到所述连接器中，直到所述第一物体的热塑性材料相对于所述连接器流动并使其流入所述外袋和内袋中，使连接器相对于第一物体被锚固。
锚固裙部朝向远侧和径向向外侧从板部向远侧突出，在其近侧形成外袋，这意味着锚固裙部的外部面面向外侧和近侧，即，其法线指向径向外侧和近侧。外部面上的法线与连接器的轴线(在锚固过程期间该轴线将垂直于第一物体表面)之间的角度将至少在一个位置上与待形成的外袋的90°基本不同。例如，外部面上的法线与轴线之间的最小角度将最大为75°，例如可以为30°至70°。
锚固裙部的内部面将面向远侧且径向向内侧。它可以是圆锥形或拱形的，尤其是凹拱形的。然而，不排除作为替代方案内部面可近似平行于轴线。
在实施方案中，板部比锚固裙部径向延伸得更远。
板部的远侧面，特别是如果板部比锚固裙部径向延伸得更远的话，可在将包括锚固裙部的连接器的远侧部分推进到第一物体的材料中的过程中用作止挡件。然而，为此，远侧面不必需要基本上垂直于近远轴线，而是例如可以是锥形的。
近侧面可适于将工具，例如超声焊极或超声焊极与近侧面之间的耦合元件压抵近侧面并由此用作用于作为涉及的工具的超声焊极(或耦合元件)的耦合输入表面。为此，近侧面或至少其外部可以是基本平面的并且基本上垂直于近远轴线。然而，圆形的或略微锥形的耦合输入表面也是可以的，尤其是超声焊极具有相应形状(圆形、锥形)的表面。
在超声焊极和耦合输入表面之间***耦合元件例如可以是为了防止从连接器返回到超声焊极的临界声反馈。用于这种耦合元件的合适材料包括纸如多层纸、纸板等。更一般地，耦合元件可以包括纸、纸板和/或热塑性塑料或热固性塑料。
在实施方案中，热塑性垫圈用作这种耦合元件。特别地，这种热塑性垫圈可以由能够被焊接到第一物体的材料，例如与第一物体相同的材料构成。除了在锚固过程中用于引导连接器之外，这种热塑性垫圈还可以确保在与第一物体接触的区域中的另外的固定。
除了提供另外的耦合和结构稳定性之外，该任选的构思还可以产生提供密封的功能。例如，在涉及水分会影响电化学腐蚀的碳纤维增强的热塑性材料的结构中，密封可能是有利的。
作为又一替代方案，可以通过第一物体从远端侧而非从近端侧将能量耦合到布置中。为此，当能量从第一物体的(远侧)表面耦合到第一物体中时，连接器和第一物体可以彼此压抵，该第一物体的(远侧)表面与连接器所抵靠的(近侧)表面相对。在一个实例中，锚固步骤可包括通过将第一物体和连接器定位在超声焊极和连接器被安装至其的第三物体之间，将第一物体和连接器彼此压抵。
同样在根据该替代方案的实施方案中，可以使用待***超声焊极和(第一物体的)耦合输入表面之间的耦合元件，以便消除或至少减少源自超声焊极在第一物体上的痕迹。
所述外袋围绕锚固裙部延伸，被该锚固裙部限制为朝向径向内侧和朝向远侧，被板部限制为朝向近侧(并且也可能径向向内侧)，并且朝向径向外侧开口。
锚固裙部可以围绕裙部轴线不间断地延伸，即，形成不间断的延伸360°的领部。供选择地，锚固裙部可以被中断并且由多个离散的锚固裙部部分形成。在一个实例中，这种离散的锚固裙部部分可以形成3个脚，每个形成约60°的段，在它们之间有60°的间隙。裙部轴线可以是连接器的近远轴线，在这种情况下，连接器可包括一个单个锚固裙部。供选择地，裙部轴线可以偏离中心，但是平行于近远轴线。可能的是，连接器可包括多个锚固裙部，每个锚固裙部围绕轴线不间断地或可能间断地延伸。
已经发现，这种构造使得连接器特别适合于被锚固在具有热塑性材料的物体中，特别是但不仅限于，如果该物体或其热塑性部分相对薄，即沿近远轴线的延伸小的话。
首先，所述外袋和内袋可容纳被所述锚固裙部取代的热塑性材料。由此，特别是内袋用于防止该过程期间的静水压力变得太高。这种高的静水压力将具有不利于稳定锚固和/或引起第一物体的内应力和/或变形的可能。
其次，已经发现，通过朝向远侧且径向向外侧延伸的锚固裙部，仅需很少地渗透到第一物体的材料中就可以实现可靠的锚固。一方面，这使得相对短的处理时间成为可能。其次，由于连接器的这种构造，第一物体的远端侧的表面趋于不受影响或仅受到很小的影响。然而，占用面积相对较大，且因此连接器与第一物体的连接不仅会承受轴向力，而且在一定程度上还会承受倾斜力。如果板部被成形为使得其形状导致其被第一物体支撑，特别是在径向***位置，则会增强该承受倾斜力的效果。
在第一组实施方案中，锚固裙部是旋转对称的，例如围绕(中央)近远轴线延伸。
在第二组实施方案中，锚固领部关于近远轴线不是旋转对称的，由此，连接器在锚固之后，通过形状配合连接相对于第一物体被固定也阻止扭转运动。
例如，锚固裙部可以以领状方式围绕近远轴线延伸，但是可具有包括至少一个径向凹陷或突起或者作为圆周角的函数被中断的结构。供选择地，其可以具有不遵循圆形轮廓而是例如多边形、多叶形、椭圆形等的基本结构。另外或作为甚至另外的替代方案，连接器可以具有多个锚固裙部，每个锚固裙部绕其锚固裙部轴线(对称地或以非对称方式)延伸，其中至少一个锚固裙部轴线与连接器的中心近远轴线不重合。
在实施方案中，锚固裙部在边缘向远侧终止，由此连接器在与第一物体的近侧面向的平面表面接触时沿着由该边缘限定的线接触第一物体。这样该边缘首先可以作为能量引导器。其次，该边缘可用于分别将可流动的热塑性材料的体积部分(volume portions)向内和向外引导。在许多实施方案中，由锚固裙部形成的远侧边缘将是连接器的最远侧特征。通过沿轮廓(如前面讨论的，该轮廓可以是圆形或非圆形)延伸，在锚固过程开始时，所述远侧边缘还相对于第一物体限定用于连接器的支撑体，至少对于具有一般平坦的近侧表面部分的第一物体。
在实施方案中，在内袋的近侧形成延伸到连接器主体中的流孔。这种流孔可以用作热塑性材料的一种溢流容积，该热塑性材料在锚固过程期间被液化并且被锚固裙部向内移动。这样的流孔的内(近侧)端可以是在该过程结束时第一物体的近侧表面的近侧，尤其在其中要避免热塑性材料上的静水压力的实施方案中，例如，如果第一物体相对薄和/或近侧表面和/或另一(远侧)表面需要保持无变形，并且热塑性材料可在该过程中朝向近侧向后流动。根据应用，流孔也可以是通孔，因此是没有内端的孔。
连接器可以任选地在内袋的区域中和/或，如果适用，在流孔中具有相对于轴向方向可能侧凹的结构，并且热塑性材料可以流入该结构中以在重新固化之后提高连接器和第一物体之间的连接的拉伸稳定性。这样的侧凹结构可以是宏观的和/或可以由例如Ra＞10μm的基本表面粗糙度形成(Ra是标准平均粗糙度)。
尤其是，在锚固裙部中的这种结构可能是有效的，因为在锚固过程中，锚固裙部将是相对热的，因此，甚至细小的结构也可能被可流动的热塑性材料渗入。
在实施方案中，这种侧凹结构由至少一个由所述流孔形成的颈部限定，例如邻近其远侧口的。
如果连接器相对于第一物体被锚固，连接器可具有适合用于将另一第三物体紧固至第一物体的附接结构。由此，连接器可以用作用于该第三物体的锚固件/紧固件。这种附接结构的一个实例是螺纹杆，该螺纹杆例如与包括板部的连接器主体是一体的，并且所述锚固裙部也可以与该主体是一体的。还可能有供选择的附接结构，包括螺母、卡扣结构、卡口连接件等。在许多实施方案中，包括具有螺纹或卡口连接件或卡扣结构的实施方案中，所述附接结构相对于轴向方向的侧凹。附接结构可以从近端侧被接近，以使第三物体与其接触。
在许多实施方案中，附接结构例如螺纹杆、具有内螺纹(螺母)的杆等，该附接结构从板部的近侧面上方向远侧突出。特别地，板部可以相对薄并且主要用于在锚固过程之后稳定以抵抗倾斜移动。然后，连接器在被紧固至第一物体时可具有与第一物体的近侧表面几乎齐平(flush)或完全齐平的板部，并且所述附接结构从第一物体与板部的组件向近侧突出。
在实施方案中，板部可不与锚固裙部为一体而是由不同的材料，尤其是热塑性材料组成。例如，板部的这种热塑性材料可以被焊接至第一物体(例如，所述热塑性材料可以与第一物体的热塑性材料相同)。在这些实施方案中，除了锚固裙部的锚固之外，锚固过程还可以导致第一物体与板部之间的焊接。
用于将按压力和机械振动能耦合到连接器中的超声焊极(或其他工具)可以具有用于容纳附接结构的轴向通道，耦合输出表面围绕轴向通道延伸。任选地，超声焊极可进一步包括用于将轴部分保持在轴向通道中的保持机构。这种保持元件可以是布置在通道中的构成振动节点的弹性元件，例如布置在轴向位置中的弹性元件。供选择地，其可以包括通过弹簧相对于超声焊极安装的保持主体，该保持主体与连接器的引导结构配合，该连接器的引导结构属于延伸到超声焊极的轴向通道中的连接器的部分。这样，保持主体可具有至少部分球形的表面和/或引导结构可包括凹陷。另外地或作为进一步的替代方案，保持机构可包括用以在通道中产生负压的抽吸装置。
在实施方案中，超声焊极具有超声焊极主体和具有远侧耦合输出面和轴向通道的可更换的超声焊嘴。这种可更换的超声焊嘴可具有用于附接到超声焊极主体的螺纹或其他特征。这允许将通用的超声焊极主体与几个特定的连接器和不同的超声焊嘴组合在一起。而且，它允许在遭受相当大的磨损之后更换超声焊嘴，而不必更换整个超声焊极。
代替附接结构或作为附接结构的替代选择，所述连接器可包括待紧固至第一物体的部分，例如以作为传感器和/或致动器的相互作用元件的形式。
相对于第一物体锚固连接器的方法包括以下步骤：提供本文所述的连接器，相对于第一物体定位连接器，使得锚固裙部与第一物体的热塑性部分接触，将连接器压抵在第一物体上并将机械能耦合到连接器和/或第一物体中，直到第一物体的热塑性材料变得可流动并流入第一和第二袋中，以及停止能量输入，由此在热塑性材料的流动部分重新固化之后，通过将锚固裙部嵌入第一物体的重新固化的热塑性材料中，使连接器相对于第一物体被锚固。
使流动部分在其中可流动主要是由在一侧经受机械能输入的连接器与在另一侧的第一物体的表面之间的摩擦所引起的，该摩擦表面地加热第一物体。
将能量压入和耦合到连接器中可以至少部分地同时进行。在许多实施方案中，在能量输入停止之后，按压力被保持一段时间。
机械能可以是机械振动能。然后，按压力和能量都可以通过被压抵在板部的近侧面上的超声焊极被耦合到连接器中。
供选择地，机械能可以是机械旋转能。然后，用旋转地耦合到连接器的旋转工具将能量和按压力耦合到连接器中。
连接器或至少其锚固裙部可以由不可液化的材料组成。该限定包括该材料在比第一物体的材料显著更高的温度，例如高至少50°的温度下可液化的可能性。另外地或作为替代方案，可保持这样的条件：在第一物体的热塑性材料可流动的温度下，连接器的材料的粘度比第一物体的热塑性材料的粘度高几个数量级，例如至少103至105倍。除了包含具有不同液化温度和/或不同玻璃化转变温度的不同可液化基体材料之外或作为其替代方案，这也可以通过更高填充级的例如纤维填料来实现。
特别地，在实施方案中，连接器或至少其锚固裙部可以由金属和/或其他硬质材料(玻璃、陶瓷等)和/或热固性塑料和/或热塑性材料组成，热固性塑料和/或热塑性材料在整个过程期间保持低于它们的玻璃化转变温度。
本发明还涉及如本文所述的连接器以及适于将机械振动能和按压力耦合到连接器或保持工具中以将反作用力与按压力耦合的超声焊极或超声焊嘴(然后将按压力与振动一起从远侧施加到第一物体上)的套件。特别地，这样的超声焊极、超声焊嘴或保持工具可具有用于容纳连接器的任何中心部分，特别是附接结构，的轴向通道，而超声焊极、超声焊嘴或保持工具的***部分与板部的近侧面配合。超声焊极、超声焊嘴或保持工具可进一步配备有前面提涉的保持机构。
在本文中，对于结晶聚合物，将液化温度或热塑性材料变得可流动的温度假定为熔融温度，而对于无定形热塑性材料，在该温度下变得足够可流动的高于玻璃化转变温度的温度，有时被称为“流动温度”(有时被定义为可以进行挤出的最低温度)，例如粘度降到低于104Pa*s(在实施方案中，尤其是对于基本上没有纤维增强的聚合物，降至低于103Pa*s)的温度。
为了对按压力施加反作用力，可以将第一物体抵靠支撑物，例如非振动支撑物放置。根据第一种选择，这样的支撑物可包括与第一物体被压抵其上的部位相对的支撑表面，即该部位的远侧。该第一种选择可以是有利的，因为即使第一物体本身没有足够的稳定性来承受按压力，也可以在没有实质变形或甚至缺陷的情况下进行粘结。
根据第二种选择，可以例如通过沿着侧面或类似物保持第一物体来暴露第一物体的远侧。第二种选择的特征在于以下优点：如果连接器没有到达远侧，则远侧表面将不会被负载并且不会受到影响。
在实施方案中，第一物体被放置成抵靠在支撑物上，而在支撑物和第一物体之间没有弹性元件或屈服元件，使得支撑物刚性地支撑第一物体。
在一组实施方案中，第一物体是扁平物体如聚合物板，例如聚合物盖。
在本文中，表述“能够通过例如机械振动使其流动的热塑性材料”或简称为“可液化的热塑性材料”或“可液化的材料”或“热塑性”用于描述包含至少一种热塑性组分的材料，当被加热时，特别是当通过摩擦被加热时，即当被布置在彼此接触并相对于彼此振动运动的一对表面(接触面)中的一个表面上时，该材料变为液体(可流动的)，其中振动的频率具有上文讨论的性质。在一些情况下，例如，如果第一物体本身必须承载大量的负荷，如果材料的弹性系数大于0.5GPa，则这可能是有利的。在其他实施方案中，弹性系数可以低于该值，因为第一物体热塑性材料的振动传导性质在该过程中不起作用。上述条件，例如大于0.5GPa的弹性系数，对于上述讨论的类型的垫圈或热塑性板部而言可能也是有利的。
热塑性材料在汽车和航空工业中是众所周知的。为了根据本发明的方法的目的，尤其可以使用已知应用于在这些工业中的热塑性材料。
适于根据本发明的方法的热塑性材料在室温下(或在执行该方法的温度下)为固体。它优选包含聚合物相(特别是基于C、P、S或Si链的聚合物相)，该聚合物相例如通过熔融从固体转变为液体或在临界温度范围以上可流动，并且在再次冷却至低于临界温度范围时，例如通过结晶，重新转变为固体材料，由此固相的粘度比液相的粘度高几个数量级(至少三个数量级)。热塑性材料通常将包含未共价交联或以如下方式交联的聚合物组分：交联键在加热至或在高于熔融温度范围时可逆地打开。聚合物材料可进一步包含填料，例如没有热塑性性质或具有热塑性性质的纤维或材料颗粒，填料的熔融温度范围明显高于基础聚合物的熔融温度范围。
在本文中，一般地“不可液化的”材料是在该过程中达到的温度下不液化的材料，因此特别是在第一物体的热塑性材料被液化的温度下不液化的材料。这不排除不可液化的材料将能够在该过程中未达到的温度下液化的可能性，该温度通常远高于在该过程中液化的热塑性材料或多种热塑性材料的液化温度(例如，高至少80℃)。液化温度是结晶聚合物的熔融温度。对于无定形热塑性材料，液化温度是高于玻璃化转变温度的温度，在该液化温度下其变得足够可流动，有时被称为“流动温度”(有时被定义为可能进行挤出的最低温度)，例如热塑性材料的粘度降至104Pa*s以下(在实施方案中，特别是对于基本上不具有纤维增强的聚合物而言，降至103Pa*s以下)的温度。
例如，不可液化的材料可以是金属如铝或钢，或木材，或硬塑料，例如增强的或未增强的热固性聚合物、或熔融温度(和/或或玻璃化转变温度)明显高于可液化部分的熔融温度/玻璃化转变温度，例如熔融温度和/或玻璃化转变温度高出至少50℃或80℃的增强的或未增强的热塑性材料。
热塑性材料的具体实例是：聚醚酮(PEEK)，聚酯如聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，聚醚酰亚胺，聚酰胺，例如聚酰胺12、聚酰胺11、聚酰胺6或聚酰胺66、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛或聚碳酸酯氨基甲酸酯、聚碳酸酯或聚酯碳酸酯、或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯酸酯(acrylester)-苯乙烯-丙烯腈(acrylnitril)(ASA)、苯乙烯-丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯或这些的共聚物或混合物。
在第一物体和连接器两者都包含热塑性材料的实施方案中，选择材料搭配使得连接器材料的流动温度显著高于第一物体材料的流动温度，例如高至少50℃。合适的材料搭配例如用于第一物体的聚碳酸酯或PBT和用于连接器的PEEK。
除了热塑性聚合物之外，热塑性材料还可包含合适的填料，例如增强纤维如玻璃和/或碳纤维。纤维可以是短纤维。长纤维或连续纤维可特别用于第一物体和/或连接器的在该过程中不液化的部分。
纤维材料(如果有的话)可以是已知用于纤维增强的任何材料，尤其是碳、玻璃、凯夫拉尔纤维、陶瓷，例如莫来石、碳化硅或氮化硅，高强度聚乙烯(Dyneema)等。
不具有纤维的形状的其他填料也是可能的，例如粉末颗粒。
适用于包括将机械振动能耦合到连接器中的根据本发明的方法的那些实施方案的机械振动或振荡，优选地频率为2到200kHz(甚至更优选地为10到100kHz，或者20至40kHz)，并且每平方毫米有效表面的振动能量为0.2至20W。振动工具(例如，超声焊极)例如被设计为使得其接触面主要在工具轴线的方向上振荡(纵向振动)，且振幅为1至150μm或100μm，优选为约30或50至100μm，例如约60至90μm。这种优选的振动例如由如从超声波焊接的已知超声波装置产生。
在本文中，术语“近侧”和“远侧”用于指代方向和位置，即“近侧”是连接器背对第一物体的一侧，而远侧是相反的一侧。“轴线”是近远锚固轴线，在按压步骤中沿着该近远锚固轴线施加按压力。在许多实施方案中，机械振动是相对于轴线的纵向振动。
附图简述
在下文中，参照附图对用于实现本发明和实施方案的方式进行了描述。这些附图是示意性的。在附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。附图显示：
图1是连接器的侧视图；
图2为图1的连接器的局部剖视图；
图3是另一连接器的侧视图；
图4为图3的连接器的局部剖视图；
图5是又一连接器的视图；
图6是又一连接器的视图；
图7是第一物体、连接器和超声焊极的结构的剖视图。
图8是相对于第一物体锚固的图7的连接器；
图9是又一连接器的示意性仰视图；
图10是相对于第一物体锚固的连接器的变型的局部剖视图；
图11是另一连接器的(局部)视图；
图12是又一连接器的局部剖视图；
图13是超声焊极与连接器的示意性横截面图；
图14是连接器、第一物体和超声焊极的供选择的结构的剖视图；
图15和16是另外的连接器的截面视图；
图17是连接器、物体和超声焊极、进一步与垫圈的又一结构的截面结构；
图18是在锚固过程之后不具有超声焊极的图17的结构的剖视图；
图19是又一混合连接器的剖视图；和
图20和21是沿轴线延伸的平面的剖面描绘的超声焊嘴的视图。
优选实施方案的描述
图1和图2的连接器10用作锚固件，用于将第三物体(未示出)紧固至具有热塑性材料的第一物体。为此，连接器10具有螺纹杆形式的附接结构11。螺纹杆相对于近远轴线20居中布置并且从板部12向近侧延伸。
该连接器例如是金属的或塑料的(热固性或热塑性的)或可能是陶瓷的。如果连接器是可液化的，则液化温度使得其在第一物体的热塑性材料可流动的温度下不可流动。例如，连接器的材料可以变为可流动的温度，如果有的话，比第一材料的熔融温度高至少50℃或至少80℃。
板部12形成近侧面13，该近侧面13可用作用于超声焊极的耦合输入表面，通过该耦合输入表面将按压力和机械振动耦合到连接器中。板部12还形成远侧面14。
近侧面13具有基本上是平面的并且垂直于近远轴线20的外部，由此与超声焊极的耦合特别有效。然而，圆形的或略微锥形形状的耦合输入表面也是可以的。
在板部12的远侧，锚固裙部15朝向远侧且径向向外侧突出。锚固裙部向远侧终止于边缘16。在锚固过程中，边缘首先用作能量导向器。其次，边缘用于将可流动的热塑性材料的体积部分(volume portions)分别朝向内侧和外侧引导。分别从内侧和从外侧通向边缘的内部面181和外部面172的锥度的倾斜角α、β可以是相似的，如实施方案中所示的，但是也可以不同。例如，在根据图2的限定中，倾斜角可以为20°至60°，和/或它们可以彼此相差不超过20°。也可能的是，至少一个角度，尤其是角度β大于60°，例如最高达90°或甚至大于90°(当然，只有角度α，β之一可以大于90°)。
边缘16的锐度，即角度180°-α-β也是潜在的重要参数。已经发现尖锐边缘角180°-α-β使得在没有任何不期望的(取决于具体应用)角度情况下的固定更容易实现。例如，在实施方案中，边缘角可以选择为至多120°，至多90°或例如(在与图4所示的实施方案不同的实施方案中)甚至至多60°，至多50°或更小。
在板部12与锚固裙部之间，特别是在远侧面14与锚固裙部15的外部面171之间，形成外袋17。外袋17围绕锚固裙部15延伸，并由锚固裙部限制为朝向径向内侧和朝向远侧，由板部限制为朝向近侧和径向向内侧(远侧面14的内部部分)，并且朝向径向外侧开口。
为了与板部15一起形成袋17，锚固裙部的外部面171面向外侧和近侧，即，其法线指向径向外侧和近侧。
在锚固裙部的径向向内侧，形成内袋18。内袋被锚固裙部15限制为朝向径向外侧并且朝向远侧开口。朝向近侧，内袋被板部部分地限制。然而，流孔19(具有流孔口191)从内袋朝向近侧延伸到连接器的主体中。流孔19用于容纳第一物体的材料，该第一物体的材料已经通过锚固裙部向内移位。在图2中，描绘了连接器相对于第一物体被锚固到的水平线30(水平线30显示锚固过程后第一物体相对于连接器面向近侧的表面的大致位置，该水平线主要是由连接器的形状限定)。流孔19的内端通常在水平线的近侧，从而可以存在通过锚固裙部朝向内侧移位的材料的朝向近侧回流。
内袋和/或流孔的另一功能可以是通过提供热塑性材料可流入其中并且在重新固化之后产生进一步的形状配合的结构来产生另外的抗拉强度。在图1和图2中以及在下文中描述的图3和图4中，示出了流孔的轻微侧凹29。通过热塑性材料渗透其中，会产生这种另外的抗拉强度(抵抗轴向拉力的连接强度)。内袋和/或流孔可包括另外的侧凹结构，如下文所解释的。
图3和图4的变型与图1和图2的实施方案的区别主要在于，流孔进一步朝向近侧延伸，由此，基本上不存在对向内移位和被引起回流的热塑性材料的体积的限制。与图1和图2的实施方案相比，该实施方案适合于将连接器锚固在第一物体中的更深一些的地方(见水平30)。
在图5的实施方案中，锚固裙部15不是圆形的(关于近远轴线不是圆形对称的)，而是具有一般多边形形状，即三角形形状。例如在将第三物体紧固到第一物体的过程中，在连接器不仅必须承受相对于第一物体的轴向载荷而且还可能绕着近远轴线扭转的情况下，关于近远轴线不对称的任何形状都可能是有利的。
同样，图6的实施方案具有锚固裙部15，该锚固裙部15的形状关于近远轴线不是圆形对称的。更具体地讲，锚固裙部具有径向凹陷和突起的图案的内部结构21。
另外地或作为替代方案，锚固裙部也可以具有外部的这种结构。
在图7和8中，非常简明地示出了相对于第一物体1锚固连接器10的过程。所示第一物体1为相对薄的热塑性材料板。
图7和图8中所示的连接器10具有使其不同于图1-4的实施方案的以下特征：
-附接结构11不包括具有外螺纹的杆，而是具有内螺纹。一般地，附接结构可以以任何合适的方式形成。作为(外或可能是内)螺纹的替代方案，附接结构还可以成形为用于卡口连接、卡扣连接等。
-近侧面13不垂直于近远轴线，而是略微倾斜。
这些特征彼此独立，并且下文描述的过程与它们是独立的。该过程可以适用于本文中提到的连接器的所有实施方案。
为了锚固，具有用于容纳附接结构11的轴向通道61并且具有适于连接器的近侧面13的耦合输出面的超声焊极6将连接器压抵第一物体，而锚固裙部15与第一物体物理接触，同时机械振动是通过超声焊极耦合到连接器中的。这样做直到与连接器接触的第一物体的热塑性材料变得可流动，并通过按压力使之相对于连接器流动，见图7中的箭头。在通过机械振动输入的机械能停止之后，可使用超声焊极6施加一些后压力，例如直到可流动部分至少在一定程度上重新固化。
图8示出了在该过程之后锚固的连接器，重新固化后的热塑性材料以形状配合的方式将连接器固定至第一物体。尤其，流入外袋17中的材料固定连接器防止其朝向近侧的轴向移动。热塑性材料的(重新固化的)流动部分8包括已回流至第一物体的近侧表面(水平线30/图2和4)的近侧的材料。
图9示出了具有板部12和多个锚固裙部15的实施方案，每个锚固裙部15围绕锚固裙部轴线22延伸。附接结构(在图9中不可见)可以类似于上文描述的实施方案中的关于中央近远轴线20对称。
然而附图中所示的实施方案具有附接结构，替代地或除此之外，连接器还可以具有作为传感器和/或致动器的集成的相互作用元件。
相对于第一物体锚固连接器的方法可包括将机械能以振动能的形式耦合到连接器中，如参照图7所述。这种振动可以是纵向振动。供选择地，振动可包括旋转振动，其中，连接器通过绕近远轴线来回旋转而振动。作为又一替代方案，机械能可以是机械旋转能，其中使连接器相对于第一物体经受绕近远轴线的旋转运动。在上述实施方案中，除了图5和图9的连接器之外，所有实施方案都潜在地适合于锚固过程的这种变型。
图10示出了相对于第一物体1锚固的连接器2的局部截面。板部12具有周向的远侧突起24，该远侧突起24形成用于已朝向近侧回流的热塑性材料的膛23。因此，可以通过以下中的至少一种增强抗倾斜力的稳定性：
-锚固后，周向远侧突起本身抵靠第一物体；
-已经流到如板部那么远的热塑性材料因此例如基本上填充所述膛，使得在热塑性材料重新固化之后，板部抵靠热塑性材料。
图11示出了连接器的实施方案，该连接器与先前描述的实施方案的不同之处在于，锚固裙部15不围绕整个周向延伸，而是被中断以具有多个锚固裙部部分51、52、53、54。
图11还示出了独立于该特征的如下所述的可选凹陷25、26。
图12示意性地示出了连接器的局部截面，其示出了可能增加锚固的稳定性的可能的侧凹结构。朝向外袋开口的第一凹陷25布置在锚固裙部15的径向外部部分上。朝向内袋开口的第二凹陷26布置在锚固裙部15的径向内部部分上。第三凹陷27围绕流孔布置。至少第二和第三凹陷可以相对于轴向方向被侧凹。
一般地，连接器可具有第一凹陷、第二凹陷和/或第三凹陷，即，这些结构可能是彼此独立的。而且，除了凹陷之外或作为凹陷的替代，可以存在其他结构如突起(例如，周向脊)，粗糙部等。
图13示出了用于相对于超声焊极6保持连接器2的保持机构。在所示的实施方案中，该保持机构包括布置在轴向位置的弹性元件63，该弹性元件63构成振动节点。
图13还示出了独立于保持机构的插在超声焊极6和耦合输入表面之间的耦合元件，例如一张(例如多层)纸或纸板。这种片材还可用于例如在涉及锚固许多连接器的工业过程中临时安装多个连接器。
图14示出了在连接器2和第一物体1保持彼此抵靠时通过使超声焊极6从对面的远侧撞击在第一物体上将机械振动能耦合到***中的选择。如果在该过程之后第一物体的远侧表面不必具有完美的品质，而是例如被隐藏在待生产的最终制品中，则该选择可能尤其有吸引力。然而，在第一物体的远侧表面是例如A类表面，例如第一物体和超声焊极之间的保护箔的情况下，则使用适当的措施其也可以使用此选择。实际上，实验已经表明，在一些情况下，通过将超声焊极撞击在第一物体上而不是撞击在连接器上，将机械能从远侧耦合到组件中的该选择，在使得在远侧的第一物体表面上没有任何痕迹的锚固成为可能方面甚至更安全。在其中连接器用于将另一个第三物体固定至第一物体1的实施方案中，从远端侧输入能量的结构可以具有以下优点：在锚固过程之前，可以将连接器(多个连接器)预安装在第三物体3上。例如，如果第三物体3和连接器之间的连接是螺纹连接，则可以将多个连接器2直接拧入第三物体的相应锚固位置中/拧到第三物体的相应锚固位置上，这在连接器已被锚固之后不再可能。图14示出了具有固定孔的第三物体3，该固定孔具有内螺纹并且连接器的螺纹杆11被拧入该固定孔中。
除了通过螺纹连接的保持之外的其他保持方法也是可能的。一般地，在许多实施方案中，保持应确保连接器相对于保持它的工具或第三物体的方向稳定性，以及连接器与工具/第三物体之间的良好耦合。
图15描绘了连接器10，其与先前描述的实施方案相比，具有以下特性：
-流孔19是延伸通过整个附接结构11到达连接器的近侧端的通孔。
-流孔具有限制部192，由此，像在图4和图12的实施方案中一样，形成相对于轴向方向的侧凹。因此，在锚固过程中，在重新固化之后越过(beyond)限制部192回流至流孔中的热塑性材料通过形成正配合连接而有助于锚固。
这两个特征可以彼此独立地实现。尤其，也可以对不是通孔而是仅在远侧口191开口的盲孔的流孔19进行侧凹。类似地，可以具有是通孔但未被侧凹的流孔19。
在图16所示的变型中，与图15相比，流孔19的限制部(颈部)不是连续的而是阶梯状的，使得在流孔内形成面向近侧的肩部。
一般地，流孔的限制部(颈部)可以邻近远侧口191。除了邻近远侧口的颈部之外或作为其替代，也可以使限制部在更近侧。
引起相对于轴向方向的形状配合的其他结构也是可能的，其它结构包括例如一系列周向脊、面向内的***的布置或内螺纹。
图15和图16的实施方案两者的另一个任选特征(该特征再次独立于这些实施方案的其他特征)是远侧边缘16相对尖锐，因为角度180°-α-β是锐角并且例如小于60°。在所示的实施方案中，连接器在锚固裙部的近侧外部面171附近具有浸渍器(steeper)例如圆柱形的。
在图17所示的实施方案中，除了上文描述的元件之外，还使用垫圈71用于锚固。在该实施方案中，垫圈由与第一物体1相同的热塑性材料制成，或者由不同的热塑性材料制成，但是该不同的热塑性材料可焊接至第一物体的材料。
为了锚固，通过垫圈将机械振动耦合到连接器中，该垫圈抵靠近侧面13并且被振动的超声焊极压抵在近侧面13。这将由作为能量导向器的远侧端处的尖锐边缘16引发而引起第一物体1的热塑性材料的局部液化和以上参照图7和图8描述的效果。当在该过程中和在锚固裙部15已经贯穿入第一物体中后远侧面14被压抵在第一物体的表面时，机械阻力增大。在图17所示的实施方案中，仍然保持按压力和振动，直到垫圈71的材料变得可流动为止。这可以继续直到垫圈的材料和第一物体1的材料围绕板部12的***被彼此焊接(焊缝72)，如图18中所示。这除了对紧固强度有贡献之外还将使得板部和第一物体之间的界面被密封。
图18还示出了位于限制部192近侧的流孔19中的流动部分8的一部分。
任选使用垫圈71，例如导致围绕板部15的***的焊接的垫圈71，是本发明的所有实施方案的选择，并且不限于图17和18中所示的连接器的特定形状和特征。
非均质材料组成的连接器10的实施方案在图19中示出。在该实施方案中，连接器具有形成附接结构11和锚固裙部15的金属体，并且还具有(在图19中通过金属体的外螺纹)牢固地轴向连接至金属体的热塑性板部12。热塑性板部可以由与第一物体相同的热塑性材料制成，或者可以由可焊接到第一物体的热塑性材料的其它热塑性材料制成。
这种混合连接器10的锚固过程类似于上文描述的连接器的过程进行。在初始阶段期间，当振动通过近侧面13耦合到组件中时，由于能量引导性质，与相对尖锐的边缘接触的第一物体的热塑性材料被液化。一旦机械阻力变得更高，热塑性板部的材料也会被液化，可能导致板部和第一物体之间的焊接。如图18中所示，该焊接的优点可以与采用热塑性垫圈的焊接的优点相当，尽管没有图18的实施方案的金属板部引起的另外的锚固强度。在锚固过程期间，尤其朝向其端部的锚固过程期间，由于在与金属体的界面处板部的热塑性材料变得可流动，所以金属体和热塑性板部之间的连接可能在某种程度上松动。重新固化后，这种连接将再次变得紧密。
图20和21示出了另一任选原理：超声焊极可具有可更换的超声焊嘴69，该超声焊嘴69形成远侧耦合输出面(在图19和20的右手侧)并且具有用于容纳附接结构的轴向通道61。轴向通道61可以是朝向远侧开口的盲孔(图19)，或者是轴向延伸的通孔(图20)。
这样的超声焊嘴36可例如通过超声焊嘴螺纹68安装在例如通用超声焊极主体上。

Claims (21)

1.一种连接器，其被配置为锚固在具有热塑性材料的第一物体中，所述连接器限定近远轴线，并且其包括：
-围绕近远轴线延伸且具有近侧面和远侧面的板部，所述近侧面适于将工具压抵在近侧面上；
-从板部的近侧可接近的附接结构和/或包括传感器和/或致动器的相互作用元件；
-朝向远侧且径向朝向外侧从板部向远侧突出的锚固裙部，由此在板部的远侧面与锚固裙部的近侧面之间形成径向朝向外侧开口的外袋，并且在锚固裙部的径向向内侧形成朝向远侧开口的内袋；
-其中能够通过使工具将所述连接器压抵所述第一物体，同时所述锚固裙部与第一物体物理接触并且同时将机械能耦合到连接器中，直到第一物体的热塑性材料相对于连接器流动并使其流入所述外袋和内袋中，使连接器相对于第一物体被锚固。
2.根据权利要求1所述的连接器，其中，所述锚固裙部形成延伸360°的不间断的领部。
3.根据权利要求1或2所述的连接器，其中，所述锚固裙部围绕所述近远轴线延伸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中，所述锚固裙部不是旋转对称的。
5.根据权利要求4所述的连接器，其中，所述锚固裙部是多边形的和/或包括径向凹陷和/或突起的图案。
6.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中，所述锚固裙部形成远侧边缘，所述远侧边缘被成形为沿着由该边缘限定的接触线抵靠平坦的第一物体表面。
7.根据权利要求6所述的连接器，其中，所述边缘的边缘角度最大为120°。
8.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其包括所述内袋中的具有口的流孔，所述流孔从所述口朝向近侧延伸。
9.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中，所述附接结构包括具有外螺纹的附接杆。
10.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中，所述板部比所述锚固裙部径向延伸得更远。
11.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中，所述内袋或所述内袋中的具有口的流孔包括至少一个相对于轴向方向侧凹的结构。
12.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中，所述附接结构从所述板部的所述近侧面向近侧突出。
13.根据前述权利要求中任一项所述的连接器，其中，所述板部与所述锚固裙部是一体的。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的连接器，其中，所述板部由热塑性材料制成，并且所述锚固裙部由非热塑性材料或由第二热塑性材料制成，所述第二热塑性材料比所述板部的热塑性材料具有显著更高的液化温度。
15.一种将连接器粘结至具有热塑性材料的第一物体中的方法，该方法包括以下步骤：
-提供根据前述权利要求中任一项所述的连接器；
-相对于所述第一物体定位连接器，使得所述锚固裙部与所述第一物体的热塑性材料接触，以产生包括连接器和第一物体的组件；
-使用工具将机械能和按压力耦合到所述组件中，直到所述第一物体的热塑性材料的流动部分相对于所述连接器流动并使其流入所述外袋和内袋，并停止机械能，由此在流动部分重新固化之后，通过将所述锚固裙部嵌入所述第一物体的重新固化的热塑性材料中，使所述连接器相对于所述第一物体被锚固。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述机械能是机械振动能。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述工具是超声焊极，并且其中，将所述机械能和按压力耦合到所述组件中包括：在所述超声焊极振动的同时，使所述超声焊极的耦合输出面压抵所述板部的近侧面。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述工具是超声焊极，并且其中，将所述机械能和所述按压力耦合到所述组件中包括：在所述超声焊极振动的同时并且在保持连接器抵靠第一物体的同时，使所述超声焊极的耦合输出面压抵所述第一物体的远侧表面。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，在将机械能和按压力耦合到所述组件中的步骤中，由待固定至所述第一物体的第三物体保持所述连接器。
20.一种套件，其包括根据权利要求1至14中任一项所述的连接器，并且还包括超声焊极或超声焊嘴，所述超声焊极或超声焊嘴具有适于通过板部的近侧面将机械振动和按压力耦合到所述连接器中的耦合输出面。
21.根据权利要求21所述的套件，其中，所述超声焊极或超声焊嘴具有用于容纳所述附接结构的轴向通道。
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