ES2240102T3

ES2240102T3 - Elemento de union integral.

Info

Publication number: ES2240102T3
Application number: ES00934832T
Authority: ES
Inventors: Marcel Aeschlimann; Elmar Mock; Laurent Torriani
Original assignee: Woodwelding AG
Current assignee: Woodwelding AG
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2005-10-16
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: PL200505B1; DE50009925D1; MXPA01013153A; WO2000079137A1; EP1190180B1; CH694058A5; HUP0201801A2; HU229013B1; CZ20014455A3; ATE292248T1; PT1190180E; JP2003502602A; US20070062628A1; CZ299129B6; BR0012297A; AU5056500A; US20050126680A1; PL354290A1; JP4713035B2; US7160405B2

Abstract

Procedimiento para unir cuerpos (41, 50, 51, 65, 66) mediante la fusión térmica de un elemento de unión (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80), donde el elemento de unión (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) se introduce a presión por medio de una fuerza orientada (F) en por lo menos uno de los cuerpos (41, 50, 51, 65, 66), mientras que se genera una excitación mecánica tal que durante la penetración del elemento de unión (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) en por lo menos uno de los cuerpos (41, 50, 51, 65, 66) se mantiene el avance por medio de la fuerza dirigida (F) y la fusión por la excitación mecánica, para que el material fundido pueda penetrar hidráulicamente por el entorno, caracterizado porque el elemento de unión se hace pasar a través de la superficie de uno de los cuerpos mediante la fuerza orientada y antes de la excitación mecánica.

Description

Elemento de unión integral.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la unión de varios cuerpos utilizando elementos de unión.

La unión racional de piezas en la fabricación industrial representa uno de los problemas principales. Especialmente los materiales porosos tales como madera, tableros de aglomerado, piedras porosas u otros materiales, son difíciles de trabajar. Además de los métodos usuales, basados en elementos de fijación mecánicos, se conocen también otras técnicas. Por ejemplo, se puede mencionar aquí el preencolado.

Los procedimientos térmicos basados en la fusión de determinados materiales gozan cada vez de mayor popularidad. En estos las superficies que se trata de unir se comprimen entre sí, por ejemplo aplicando fricción, de manera que o bien una de las materias básicas de las piezas que se trata de unir u otra materia se funde, debido al calor de fricción, con lo cual las piezas quedan finamente unidas entre sí. Los procedimientos que se conocen hoy día presentan diversos inconvenientes. Las uniones mecánicas, tales como tornillos o clavos, basados principalmente en un ajuste positivo o ajuste por fricción, resaltan en parte complejos de realizar, presentan un alto efecto de entalladura, se desgarran con facilidad o se aflojan a lo largo del tiempo. Aquí hay que mencionar especialmente la problemática de los puntos de fijación que se desgarran o se aflojan en los muebles de tableros de aglomerado o materiales similares. Esto debe achacarse a las excesivas concentraciones de tensiones y a las concentraciones de carga desfavorables.

La unión por medio de clavos, conocida desde antiguo, presenta una ventaja importante: un clavo se puede colocar de forma sencilla, sin ninguna preparación adicional y en muy corto tiempo. Sin embargo, el inconveniente es que en el caso de un clavo se trata de una unión basada exclusivamente en un ajuste por fricción, y que por lo tanto sólo admite una carga relativamente reducida. Estas uniones además dan lugar a menudo al agrietamiento de las piezas que se trata de unir, debido al desplazamiento del material base.

Las uniones mediante ajuste del material, como las que se forman, por ejemplo, por medio de encolado, no tienden a que se agrieten las piezas que se han de unir, pero están caracterizadas por otros inconvenientes. Estos consisten, por ejemplo, en el largo tiempo de sujeción necesario para ensamblar las piezas, en la reducida profundidad de penetración del adhesivo en las piezas que se trata de unir o en la dificultad de controlar las cantidades de adhesivo (escurrimiento).

Los procedimientos térmicos que están basados en la fusión de materiales apuntan tendencialmente en una dirección correcta, en lo que se refiere a una transformación racional, y se pueden subdividir a grandes rasgos en dos grupos. El primer grupo consiste en que, por ejemplo, se compriman entre sí las superficies de dos piezas, una de las cuales es un plástico termoplástico, y se desplacen paralelas (relativas) entre sí, de manera que se produce calor de fricción. El plástico fundido de esta manera forma después de enfriar una unión con ajuste de material entre las dos piezas. Ahora bien esto está limitado en la práctica a la superficie de las piezas. La profundidad de penetración del material fundido y las presiones de apriete son siempre reducidas, por lo que estas uniones solamente admiten una carga muy limitada. La correspondiente aplicación se conoce, por ejemplo, por la patente GB 2 061 183.

El segundo grupo de los procedimientos térmicos está basado en que se encajan por ejemplo tacos o elementos similares, típicamente de un plástico que se pueda fundir, en unos orificios previamente realizados, y que a continuación se funden por excitación mecánica y presión. Un procedimiento correspondiente se conoce por ejemplo por la PCT/EP95/02527. Lo significativo en este caso es que las piezas que se han de unir se han de pretaladrar o premecanizar forzosamente para el alojamiento de los tacos, antes de poder introducir los tacos en el orificio, y quedar unidos por fusión con las paredes laterales en unos puntos predeterminados (determinadas zonas en el fondo del orificio y a lo largo del taco). La energía térmica necesaria para esto se genera por radiación o por fricción excitada por ultrasonido. Debido al pretaladrado (de precisión) necesario, se trata en este caso de un procedimiento que exige varias operaciones de trabajo.

La patente WO 9842988 A muestra un procedimiento para unir dos cuerpos por medio de un elemento de unión. El elemento de unión se introduce suelto dentro de un orificio. A continuación se provoca la fusión parcial del elemento de unión de manera que se obtenga una unión superficial.

Por la patente EP 0 268 957 se conoce un procedimiento para unir láminas de plástico. En éste se hace pasar un elemento de unión afilado de un material termoplástico, a través de una lámina o plancha, una vez que ésta haya adquirido un estado parcialmente plástico mediante calentamiento. Una forma de realización muestra un clavo que se hace pasar a través de una lámina, que se encuentra en un estado parcialmente plástico, a una base no termoplástica. El procedimiento no es adecuado para unir entre sí piezas de mayor envergadura.

El objetivo de la invención que aquí se debate es mostrar un procedimiento mediante el cual se puedan preparar racionalmente uniones entre cuerpos, evitando concentraciones de tensiones perjudiciales y logrando una transmisión de carga óptima, incluso en materiales muy porosos. Este objetivo se resuelve mediante la invención definida en las reivindicaciones.

La invención que aquí se manifiesta está basada en un procedimiento para unir materiales porosos o para anclar puntos de transmisión de carga en materiales porosos yotros. Las uniones obtenidas mediante este procedimiento están basadas en un ajuste de material y de forma. Para ello se comprimen unos elementos de unión, preferentemente de un material plástico fundible, sobre una superficie de tal manera que la atraviesan y penetran en la zona del cuerpo situada debajo. Después de alcanzar un nivel de carga definido y/o después de alcanzar una determinada profundidad de penetración, los elementos de unión se excitan mecánicamente, preferentemente mediante ultrasonido, pero manteniendo la carga exterior, de manera que se produzca una fusión parcial controlada de los mismos. Obviamente, la excitación mecánica se puede conseguir también, por ejemplo, mediante rotación. La fusión tiene lugar en todos los casos en el rebaje que se ha formado por la penetración del elemento de unión a través de la superficie en el material base. De forma semejante al émbolo en un cilindro hidráulico, la parte del elemento de unión que no se ha fundido está encajada en el orificio, y lo llena provocando el sellado. Como el material fundido del elemento de unión ya no puede escapar fuera del rebaje, debido a la carga exterior se va formando una presión hidráulica alta. Ésta y las oscilaciones de ultrasonido dan lugar a que el material fundido se introduzca a presión en las oquedades existentes y/o de nueva formación del material base. La profundidad de penetración depende de la composición del material base, del calor, de la frecuencia, de la amplitud, de la velocidad de aproximación (avance), de la fuerza que actúa desde el exterior sobre el elemento de unión, de la geometría y del material del elemento de unión. Por medio del volumen fusible del elemento de unión se puede determinar la cantidad de material introducido a presión en el material básico. En el caso de que se llegara a necesitar una cantidad grande de material o si se desconoce el tamaño y el número de oquedades existentes en el material base, existe la posibilidad de utilizar elementos de unión que se vayan realimentando de forma continua y sin fin.

Debido a la introducción mecánica a presión del elemento de unión se consigue además que se logre una compresión del material base que repercute ventajosamente en la resistencia. En circunstancias normales, las puntas de tensión formadas por el material desplazado y comprimido darían lugar al agrietamiento del material. Mediante la aplicación controlada y conjuntada de ultrasonido y presión mecánica exterior y mediante la configuración de los elementos de unión conforme a la invención se logra, sin embargo, que se eliminen las tensiones que aparezcan y no se produzca la destrucción de los elementos que se trata de unir. Las oquedades y grietas que a pesar de ello se puedan formar se van rellenando inmediatamente con el material fundido. La invención aquí descrita permite por lo tanto por primera vez anclar elementos de fijación en materiales, en particular en materiales porosos tales como madera, tableros de aglomerado u hormigón celular y sus combinaciones, en profundidad y sin necesidad de taladrado previo, en una sola fase de trabajo. Gracias a la compresión de material controlada y por zonas, en las zonas contiguas se consigue que los elementos de unión tengan una retención muy fuerte incluso en material muy poroso. De este modo se logran unas fuerzas de extracción mecánicas muy altas. Mediante el entremezclado adicional dimensional de la zona de anclaje comprimida y de las zonas contiguas con el material fundido del elemento de unión bajo alta presión, debajo de la superficie del material, se consigue una consolidación adicional del material comprimido de la zona de anclaje. De este modo se asegura una distribución óptima de las cargas transmitidas y una eliminación de las juntas de tensión nocivas. Así, por ejemplo, se tiene por primera vez la posibilidad de realizar, incluso en un tablero de aglomerado dotado de una capa de melanina, un anclaje duradero y resistente a las cargas de puntos de transmisión de carga sin pretaladrado y en una sola fase del trabajo. Mediante el calor y la presión se produce la deformación plástica de la madera y las tensiones internas se reducen notablemente o se igualan.

A diferencia del estado de la técnica, los elementos de unión de la invención aquí descrita no solamente actúan en la zona de la superficie de los elementos que se trata de unir sino preferentemente en su interior. Al no ser necesario efectuar un pretaladrado de todas las piezas que se trata de unir, lo cual repercute especialmente de modo favorable en la economía del procedimiento, se logra además que, a diferencia de los procedimientos conocidos según el estado de la técnica, que exigen el pretaladrado de las piezas que se tratan de unir, los puntos de anclaje puedan soportar una carga superior. Además se evita en gran medida o en su totalidad la formación de polvo durante el proceso de mecanizado. Mediante la eliminación controlada de las puntas de tensión que aparezcan en el material base se tiene la posibilidad de anclar, sin taladrado previo, incluso elementos de unión muy gruesos en elementos muy delgados. En los ensayos se ha comprobado que, por ejemplo, un elemento de unión conforme a la invención que tenga un grosor de aprox. 8 mm se puede anclar sin taladrado previo en la superficie del canto de un tablero de aglomerado que tenga un espesor de unos 20 mm. El anclaje de puntos de transmisión de carga o unión en materiales porosos se racionaliza por lo tanto drásticamente. Por el hecho de que ya no sea necesario efectuar un taladrado previo de las piezas, o que éste esté integrado, en caso necesario, en la misma operación, por ejemplo, porque el elemento de unión sirve para efectuar el taladrado previo antes de fundirse, se ahorra en primer lugar tiempo, en segundo lugar se pueden evitar máquinas costosas y en tercer lugar, se reducen los rigurosos requisitos de precisión que generalmente son necesarios para el taladrado previo. Y es que con el procedimiento aquí mostrado se pueden unir piezas de manera muy sencilla, de forma parecida a si se utilizarán, por ejemplo clavos: después de colocar una sobre otra las piezas que hay que unir, éstas se unen firmemente en una sola operación de trabajo, con una unión de ajuste de materiales y positiva. A diferencia del clavado, esta unión garantiza entre otras cosas una transmisión óptima de fuerzas en las piezas que se trata de unir.

El procedimiento objeto de la invención no excluye que en caso de necesidad haya que pretaladrar una de las piezas que se trata de unir. De este modo se consigue que esto cumpla un efecto de guiado para el elemento de unión. La unión de una pieza pretaladrada con otra sin pretaladrar representa una racionalización importante respecto al procedimiento conocido según el estado de la técnica, ya que no es necesario cumplir los rigurosos requisitos en materia de precisión de dos taladrados, que han de coincidir exactamente entre sí.

La ventajosa excitación de los elementos de unión mediante ultrasonido (a un medio equivalente) da lugar a que entre las superficies que rozan entre sí se logre un efecto de cortadura muy elevado, en particular en dirección paralela a la dirección de unión principal. Esto da lugar a que los materiales destinados a ser fundidos, que por lo general son materiales termoplásticos, adquieran un estado líquido fluido, lo que garantiza una penetración profunda en las piezas que se trata de unir. Esto representa una ventaja determinante con respecto a los procedimientos conocidos según el estado de la técnica, que se basan, por ejemplo, en la fricción causada por la rotación (soldadura por fricción) y que por lo tanto presentan sólo un efecto de cortadura relativamente reducido. Además, en la soldadura por fricción se genera un movimiento perpendicular a la dirección de soldadura, lo que repercute negativamente en la profundidad de anclaje, como es bien sabido.

Convenientemente se emplean elementos de unión de materiales termoplásticos. Los materiales termoplásticos presentan una amortiguación mecánica muy elevada, que se manifiesta en una absorción de energía irreversible. Debido a la mala conductividad térmica de los plásticos, esto se manifiesta especialmente en los componentes excitados con una frecuencia muy elevada (por ejemplo ultrasonido), que se funden de modo incontrolado. Mezclando con sustancias que controlen de manera selectiva la amortiguación mecánica, se tiene por primera vez la posibilidad de evitar la fusión incontrolada de los elementos de unión. Así se puede conseguir una mayor capacidad de carga mecánica de los elementos de unión en la elaboración. Especialmente al atravesar mecánicamente las capas de cubierta se puede lograr una mayor robustez, que repercute secundariamente también en la futura capacidad de carga mecánica de los elementos de unión. Resultan especialmente ventajosos materiales tales como cal en polvo, harina de madera, que tienen un comportamiento isótropo, o bien materiales tales como fibras de refuerzo, etc., con un comportamiento anisótropo. En función de la cantidad de componentes adicionales del material se pueden ajustar selectivamente las características de los elementos de unión. Los elementos de unión pueden presentar también de modo parcial o por zonas una concentración más alta del componente del material adicional. De este modo se pude lograr un control adicional de las zonas de fusión.

El comportamiento vibratorio de los elementos de unión se puede controlar por medio de la frecuencia, la geometría, la distribución de las masas y la composición del material. Para conseguir unas desviaciones especialmente grandes de los elementos de unión se elige la frecuencia del ultrasonido de tal manera que los elementos de unión oscilen con su frecuencia de resonancia o frecuencia propia. Mediante la geometría se optimiza y favorece adicionalmente el comportamiento a las vibraciones, en particular el comportamiento a las vibraciones propias. Por ejemplo, mediante concentraciones de masa o variaciones de densidad en puntos adecuados se logra que los elementos de unión se comporten de forma similar a unos péndulos de muelle/masa con uno o varios muelles y masas. Mediante la anisotropía controlada de los materiales de los elementos de unión se consigue que la transmisión acústica dependa de la dirección. Los puentes acústicos obtenidos de esta manera permiten que la energía acústica se conduzca a lugares determinados, y se concentre según necesidad. Se pueden formar posibles puentes acústicos, por ejemplo, mediante fibras. Mediante la variación local de la composición de materiales se puede influir en la amortiguación mecánica, que entre otras cosas representa también una medida de la absorción parcial de energía del material. De esta manera se consigue que los elementos de unión se calienten únicamente en unos puntos discretos, predeterminados. Esta disposición ofrece otra ventaja importante: a diferencia del estado de la técnica se puede conseguir que los elementos de unión no se calienten debido al calor de fricción entre dos superficies que se rozan entre sí, sino por calentamiento interno. Los elementos de unión que presenten las características antes citadas se pueden fabricar, por ejemplo, mediante extrusión de fibras con una matriz termoplástica o por fundición inyectada multicomponente. En particular, los elementos de unión correspondientes se pueden equipar con elementos determinantes de la energía tal como se conocen por el estado de la técnica.

Por medio de la frecuencia de ultrasonido y de la geometría se pueden determinar activamente entre otras cosas las formas de oscilación de los elementos de unión y se puede influir en su comportamiento de fusión. Por eso es conveniente controlar en caso de necesidad la frecuencia, en función de la profundidad de penetración del elemento de unión, de tal manera que la zona de fusión en la que se vaya a fundir el elemento de unión esté situada en una posición óptima, debajo de la superficie del material base. La frecuencia óptima se determina, por ejemplo, por medio de un sensor que determine continuamente la longitud vibrante del elemento de unión. Para generar las oscilaciones de ultrasonido se puede emplear un equipo comercial de soldadura por ultrasonido. Para el control activo de la frecuencia es necesario modificarlo.

A continuación se describe detalladamente la invención sirviéndose de figuras. Se sobreentiende que la idea de la invención no está limitada a la formas de realización que están representadas.

Las figuras muestran:

Figura 1 las fases esenciales del procedimiento objeto de la invención, sirviéndose de una representación en sección,

Figura 2 diversas formas de realización de elementos de unión,

Figura 3 otra forma de realización del elemento de unión,

Figura 4 las fases esenciales del procedimiento empleando el elemento de unión según la figura 3,

Figura 5 cómo se unen entre sí dos piezas,

Figura 6 cómo se unen entre sí otras dos piezas,

Figura 7 cómo se coloca un elemento de unión de forma controlada,

Figura 8 una sección esquemática a través de un cuerpo,

Figura 9 un detalle de la figura 8,

Figura 10 un diagrama.

La figura 1 muestra esquemáticamente las fases esenciales del procedimiento objeto de la invención, en una representación en sección. Un elemento de unión, en este caso presente la forma de un taco alargado 1, se ancla a profundidad en un material base poroso 10, tal como madera, tablero de aglomerado u hormigón celular. Se observa una sujeción 2, preferentemente metálica, con un orificio 3 adecuado para alojar temporalmente el taco 1. El orificio 3 está realizado de tal manera que el taco 1 tenga en el mismo una cierta sujeción y un cierto guiado, de manera que durante el trabajo no se caiga (se sobreentiende que el taco 1 también puede estar sujeto por medios exteriores). En particular es conveniente que el orificio y el acoplamiento entre el taco 1 y la sujeción 2 estén realizados de tal manera que el taco 1 no comience a fundirse de forma incontrolada. Un generador de ultrasonido (que no está representado) y un dispositivo de prensado (que no está representado) están en conexión activa con la sujeción 2. El dispositivo de prensado sirve para ejercer sobre el taco 1 una fuerza F a través de la sujeción 2.

En una primera fase, representada en la figura 1a), se sitúa la sujeción 2 con el taco 1 encima de una superficie 4 del material base 10, de manera que un extremo del taco 1, que en este caso tiene forma de punta 5, llegue a apoyar sobre la superficie 4. A continuación se genera la fuerza F mediante el dispositivo de prensado (que no está representado). Esto da lugar a que la punta 5 del taco 1 atraviese la superficie 4 del material base 10 y penetre en el material base 10. Por este motivo, el material base 10 queda comprimido en esta zona. Una vez que la punta 5 del taco 1 haya alcanzado una determinada profundidad de penetración (véase la figura 1b) y/o la fuerza F haya alcanzado una cierta magnitud definida, se activa la vibración del taco 1 por medio del generador de ultrasonido (que no está representado) que se encuentra en unión activa con la sujeción 2, en este caso en la dirección del eje Z. Este proceso está simbolizado por las flechas 12. La frecuencia está ajustada a la geometría del taco 1, en particular a su longitud, composición del material y distribución de la masa. De esta manera se consigue que el taco 1 se funda en este caso en una zona determinada 13 debajo de la superficie 4. Tal como muestra la figura 1b), el taco 1 está colocado como un tapón en un orificio 11 y lo rellena sellándolo, de forma semejante a un émbolo de un cilindro hidráulico. El material fundido del taco 1 no puede escapar, y debido a la fuerza F que actúa sobre el taco 1 se encuentra sometido a alta presión. Esto provoca que el material fundido del taco 1 se introduzca a presión en el material base 10, rellenando eventuales oquedades (véase la figura 1c). Las vibraciones por ultrasonido y el calor de fusión que se produce actúan como ayuda.

En la forma de realización que aquí está representada se trata de una fusión continua del taco 1 en la zona 13. Al seguir empujando el taco 1 a través del orificio 11 hacia la zona 13 y debido a la fuerza F se consigue que se mantenga la presión debajo de la superficie. La frecuencia de oscilación así como otros parámetros del proceso influyen en la zona de fusión 13. La longitud L del taco 1 juega aquí un cierto papel, puesto que entre otras cosas está relacionado con el comportamiento a las vibraciones. Debido a la fusión en la zona 13 y al empuje continuo del taco 1 a través del orificio 11 va variando la longitud L del taco 1. Por este motivo se vigilan en caso de necesidad los demás parámetros del proceso en función de las magnitudes que van variando, como por ejemplo la longitud, y se van adaptando en caso de necesidad durante el proceso. Por este motivo se mide la longitud L, por ejemplo, mediante un sensor (que no está representado) y se emplea como magnitud de regulación de la frecuencia del ultrasonido. De esta manera se consigue la fusión óptima del taco 1.

La figura 2 muestra a título de ejemplo cinco formas de realización diferentes de elementos de unión 20. Las diferentes formas de realización son adecuadas para distintas aplicaciones y materiales. Es obvio que la realización puede diferir notablemente de las formas que aquí están representadas. Para tener en cuenta los diferentes materiales y campos de aplicación se adaptan selectivamente los diferentes elementos de unión. Los elementos de unión que aquí están representados se sujetan y controlan por lo general durante el mecanizado en un extremo 21 de una sujeción (que no está representada con mayor detalle). La composición óptima del material varía de una aplicación a otra y por lo tanto se adapta. Para influir en la amortiguación mecánica, los elementos de unión 20 contienen materiales adicionales, como por ejemplo polvo de cal o fibras de refuerzo. Estos repercuten en parte adicionalmente de forma positiva sobre la capacidad de carga mecánica durante el mecanizado, por lo que se pueden realizar cargas superiores o elementos de unión más esbeltos y largos. El diseño de los extremos 22 es importante para el comportamiento de los elementos de unión 20, y determina también la futura distribución de material en el material base. Por lo tanto están adaptados especialmente a los materiales base. Los diseños más planos de los extremos 22 (véanse las figuras 2a y 2d) tienden más bien a empujar el material por delante de ellos, formando una zona fuertemente comprimida delante del elemento de unión 20. Esto a su vez favorece la distribución lateral del material fundido. Las aristas vivas 23 y las puntas 24 aumentan el efecto de corte de los elementos de unión al atravesar una capa de cubierta 4 de un material base 10 (véase la figura 1). Estos también actúan sobre el comportamiento de fusión de los elementos de unión 20. Los elementos que determinan la dirección de la energía, en este caso los nervios 25 que transcurren paralelos al eje longitudinal del elemento de unión, dan lugar, durante la excitación mecánica, por ejemplo, por ultrasonido, a concentraciones que favorecen la fusión local. Mediante las concentraciones de masa locales, por ejemplo, por medio de regruesamientos 26, se influye en el comportamiento de vibraciones del elemento de unión 20. En este sentido existe también la posibilidad de realizar las concentraciones de masa en el interior de los elementos de unión 20.

La figura 3 muestra otra forma de realización de un elemento de unión 30, consistente en una parte cilíndrica 31 y un elemento puntiagudo 32 situado en el centro de aquel. Éste tiene unos nervios 33 y sirve para atravesar una superficie (véase la figura 4). Los elementos 34 dispuestos en círculo también sirven para atravesar la superficie (véase la figura 4). Los elementos 34 tienen unas aristas 35 que provocan un cierto efecto de corte. El elemento de unión es, por ejemplo, parte de una bisagra y sirve por ejemplo para fijar una bisagra (que no está representada con mayor detalle) u otro punto de transmisión de cargas en muebles u otros cuerpos de tableros de aglomerado o materiales similares, o incluso puede satisfacer por sí mismo funciones adicionales. En particular, puede servir también para alojar otros elementos, por ejemplo tornillos, etc. El anclaje en materiales porosos tales como madera, hormigón celular o materiales similares, tales como hormigón o plásticos, resulta especialmente ventajoso. Para ello no es necesario el pretaladrado de las superficies que se trata de unir. El elemento de unión 30 es de un material termoplástico. Éste lleva materiales de carga adicionales que influyen en la amortiguación mecánica interna. Con ello se controla el comportamiento a la fusión y se influye en él. El elemento de unión se fabrica convenientemente por fundición inyectada. Al mecanizar varios componentes se logra que resulte una graduación en el elemento de unión 30, que está ajustado a los materiales de base que se trata de unir. Para que resulte posible el mecanizado de materiales difíciles, los elementos 32 y 34 también pueden estar realizados de tal manera que su efecto de corte se incremente mediante un elemento secundario. Por ejemplo, pueden estar realizados de tal manera que mediante la rotación se rompa como ayuda el material base. Para ello el elemento de unión 30 está realizado convenientemente de tal manera que no se funda debido al movimiento secundario.

La figura 4 muestra esquemáticamente el mecanizado de un elemento de unión 30, según la figura 3, en tres fases, en una representación en sección. Es obvio que aquí únicamente se muestra el principio de funcionamiento. El elemento de unión 30 puede representar naturalmente también una geometría distinta o estar unido a otros elementos, como por ejemplo herrajes, otros elementos de fijación o bisagras. En una primera fase el elemento de unión 30 se coloca encima de una superficie 40 de una material base 41 (véase la figura 4a). El material base es en este caso un material poroso que en las zonas del borde 42 presenta mayor densidad que en la zona del núcleo 43 (naturalmente se puede trabajar también con materiales que presenten una densidad constante). Unas capas de cubierta 44 forman un remate exterior del material base. El elemento de unión 30 posicionado encima de la superficie 40 se comprime contra la superficie 30 mediante una fuerza F (véase la figura 4b) tal que los elementos 32 y 34 la atraviesan y penetran hasta una cierta profundidad dentro del material base 41. La profundidad de penetración depende entre otras cosas del material base 41, del diseño de los elementos 32 y 34 y de la fuerza F. Un movimiento secundario, por ejemplo en forma de rotación, puede favorecer la penetración del elemento de unión 30. Una vez que se haya alcanzado una determinada profundidad de penetración se excita mecánicamente el elemento de unión 30 por medio de ultrasonido, que está indicado por medio de las flechas 12. La excitación mecánica se efectúa preferentemente en dirección perpendicular a la superficie 40. Debido a la fricción y/o a la amortiguación mecánica interna se produce un calentamiento en el elemento de unión 30. Esto da lugar a que los elementos 32 y 34 se fundan de modo controlado debajo de la superficie 40. A causa de la fuerza F, el elemento de unión sigue penetrando, de manera que continuamente se va fundiendo material que se va prensando a alta presión dentro del material base 41. El material fundido del elemento de unión 30 rellena entonces las eventuales oquedades, con lo cual se produce una consolidación adicional del material base 42. Debido a las oscilaciones ultrasónicas, al calor y a la presión se compacta el material base adquiriendo mayor fuerza, y además se consigue que el elemento de unión 30 penetre con mayor facilidad. El anclaje del elemento de unión 30 en el material base 41 está representando esquemáticamente en la figura 4c).

La figura 5 muestra esquemáticamente la unión entre dos cuerpos 50, 51, por ejemplo de madera, utilizando un elemento de unión alargado 52. En este caso, el cuerpo 51 ya tiene un taladro 53, el cual sin embargo no es absolutamente necesario. En una primera fase se colocan los dos cuerpos 50 y 51, uno sobre el otro (figura 5a), lo que está indicado por la flecha 54, y se ancla en su posición definitiva. A continuación se introduce el elemento de unión 52 en el orificio 53 (véase la figura 5b). Mediante un cabezal de prensado 55, que está en comunicación activa con un dispositivo de prensado (que no está representado con mayor detalle) y un generador de ultrasonido (que no está representado con mayor detalle), se ejerce sobre el elemento de unión 52 una fuerza F, de manera que éste se introduce a presión en la superficie del cuerpo 50. Una vez que la fuerza F y/o la profundidad de penetración han alcanzado un cierto valor predeterminado, se excita mecánicamente el elemento de unión 52 mediante el generador de ultrasonido (que no está representado con mayor detalle) (representado por las flechas 12). De este modo, el elemento de unión 52 empieza a fundirse de forma controlada y a penetrar dentro del cuerpo 50 (véase la figura 5c). De este modo, el material del cuerpo 50 se compacta de forma controlada y las eventuales oquedades se rellenan con el material fundido del elemento de unión 52. Los nervios 56, o unos elementos de efecto similar en el elemento de unión 52, dan lugar a que una vez que el elemento de unión 52 haya alcanzado una cierta profundidad de penetración en el cuerpo 50, tenga lugar la unión entre el cuerpo 51 y el elemento de unión 52. Una vez que el elemento de unión haya alcanzado la profundidad deseada, se tiene una unión firme entre los dos cuerpos 50 y 51. Por el hecho de que no es necesario proceder al taladrado previo en ambos cuerpos, se puede efectuar la unión en una sola fase de trabajo, de la forma más racional. En caso de necesidad, el elemento de unión 52 puede estar provisto en su superficie de elementos adicionales. Estos dan lugar a que mediante un movimiento secundario del elemento de unión 52 (por ejemplo una rotación alrededor del eje longitudinal) y sometido a la fuerza F se obtenga una penetración más fácil, a costa de una eventual formación de rebaba. Este movimiento secundario sin embargo no da lugar a una fusión incontrolada del elemento de unión 52. Para ayudar a la unión entre los dos cuerpos 50 y 51 o para conseguir un cierto efecto de estanqueidad, es conveniente dotar las superficies 59 y 60 de una capa de un material fusible. Esta capa también se puede aplicar adicionalmente. Mediante las oscilaciones ultrasónicas aportadas a través del elemento de unión 52 o de forma directa, se consigue que esta capa se funda debido al rozamiento y/o a la amortiguación mecánica interna. De este modo se favorece adicionalmente la unión entre dos cuerpos 50 y 51 por medio del elemento de unión 52, y se sella. El procedimiento aquí representado resulta, por ejemplo, especialmente adecuado para la unión de marcos de ventana o de elementos similares. Con ello se tiene por primera vez la posibilidad de unir entre sí cuerpos esbeltos muy delgados sin necesidad de un taladrado previo de precisión, de tal manera que se consigue una capacidad de carga mecánica máxima.

Figura 6: La figura 6a) muestra un primer cuerpo 65, un segundo cuerpo 66 y un elemento de unión 67. En este caso, el primer cuerpo 65 es un tablón de madera, y el segundo cuerpo 66 es una obra de fábrica, por ejemplo hormigón celular. El elemento de unión 67 es de un material termoplástico, que en caso de necesidad lleva un aditivo que regula la amortiguación mecánica interna del material termoplástico. La figura 6b) muestra el elemento de unión 67 y los cuerpos 65 y 66 representados en sección durante el proceso de mecanizado. En el estado aquí representado, que es una instantánea, el elemento de unión 67 ha atravesado el primer cuerpo 65 y está penetrando en el segundo cuerpo 66. Sobre el elemento de unión 67 actúa una fuerza F. Al mismo tiempo se excita el elemento de unión 67 mecánicamente en la dirección de su eje longitudinal por medio de ultrasonido, representado por una flecha 12. Por este motivo, el elemento se funde de modo controlado en el interior del segundo cuerpo 66, en una zona 68. Para conseguir un efecto de guiado mejor para el elemento de unión 67 se tiene la posibilidad de pretaladrar el primer cuerpo 66. Una zona del núcleo 69 del elemento de unión 67 se mantiene por ahora sólida durante el proceso de fusión, lo que entre otras cosas da lugar a que el material base del segundo cuerpo 66 se comprima de forma controlada en una zona 71, sin que se vayan formando tensiones nocivas. Mediante la fuerza F se va efectuando el seguimiento continuo del elemento de unión 67, de manera que el material fundido del elemento de unión 67, situado en la zona 68, está sometido a presión hidráulica, representada por flechas P, y es inyectado a presión en el interior del segundo cuerpo 66. Por ello y debido a la excitación mecánica mediante ultrasonido se evitan selectivamente tensiones nocivas en el material base del segundo cuerpo 66. El elemento de unión 67 presenta en este caso unos elementos 70 (véase la figura 6a) que determinan la dirección de la energía, y que después de alcanzar una determinada profundidad de penetración dan lugar a que el elemento de unión 67 se funda parcialmente en la zona del primer cuerpo 65 y se una en cuanto a ajuste de material con aquel. Esto está representado esquemáticamente mediante las flechas 72. Una vez que el material fundido se haya enfriado, el elemento de unión 67 está unido a los cuerpos 65 y 66 con ajuste de material y positivo, lo que da lugar a unas uniones mecánicas capaces de soportar cargas elevadas. Para impermeabilizar las superficies de contacto entre el primer cuerpo 65 y el segundo cuerpo 66 frente a las influencias del medio ambiente, se puede aplicar sobre las superficies de contacto un esmalte termofusible u otro tipo de recubrimiento, que se funda al excitarlo mecánicamente por ultrasonido. De este modo se consigue que las superficies de contacto se unan además de forma estanca. La figura 6c) muestra otra forma de realización de un elemento de unión 75 que es adecuado para unir entre sí los cuerpos 65 y 66. A diferencia del elemento de unión 67 (véase la figura 6a), el elemento de unión 75 tiene una cierta semejanza con una broca helicoidal. En un extremo 76, el elemento de unión 75 presenta una forma que facilita la penetración parcial en por lo menos uno de los cuerpos 65 y 66, al superponer un movimiento secundario. Este movimiento secundario se puede realizar, por ejemplo, mediante una rotación alrededor del eje longitudinal, la cual sin embargo no da lugar a la fusión incontrolada del elemento de unión 75. Una vez que se haya alcanzado una determinada profundidad de penetración en una de las piezas se procede con el elemento de unión 75 de la misma manera que con el elemento de unión 67 (véanse las figuras 6a y 6b).

La figura 7 muestra esquemáticamente una posibilidad para regular de modo óptimo el procedimiento objeto de la invención, en el que un elemento de unión 80 penetra en una superficie 81 de un cuerpo 82. Las magnitudes de medida relevantes para el proceso de mecanizado son entre otras la longitud libre L' del elemento de unión 80 y la temperatura T del material fundido y la del entorno. Éstas vienen determinadas por la magnitud de la fuerza F, la energía de las oscilaciones ultrasónicas (frecuencia, amplitud) representadas por una flecha 12, y por la velocidad de avance mediante la cual el elemento de unión penetra en la superficie 81. Para asegurar el mecanizado óptimo del elemento de unión 80 se vigilan estas magnitudes durante el proceso y se emplean para determinar las magnitudes de ajuste necesarias. La determinación de la temperatura T, preferentemente de forma indirecta, y la de la longitud libre L', están representadas esquemáticamente por las flechas 83.1 y 83.2. Las magnitudes de ajuste se calculan en un ordenador de proceso adecuado 84 y se emplean para regular la fuerza F (flecha 85.1), la velocidad de avance (que no está representada con mayor detalle) del elemento de unión 80, la frecuencia ultrasónica y la amplitud (flecha 85.2). De esta manera se consigue una unión óptima en profundidad entre el elemento de unión 80 y el cuerpo 82.

La figura 8 muestra de forma esquemática y muy simplificada el funcionamiento hidráulico de la invención, sirviéndose para ello de una representación en perspectiva. Se reconoce un elemento de unión 1, que ha penetrado a través de una superficie 4 en el interior de un cuerpo 6. En el interior del cuerpo 6 hay una oquedad 7 que está en comunicación con delgados canales o capilares 8, y que está cerrada por el elemento de unión 1. Los canales 8 y la oquedad 7 están llenos de material fundido 14. Las ondas longitudinales de un generador de ultrasonido (que no está representado con mayor detalle), se acoplan con ajuste positivo o de fricción al elemento de unión 1. Mediante unas importantes faltas de homogeneidad en la distribución de tensiones, con concentraciones de tensiones máximas en las zonas en las que se desea lograr una unión, se genera calor mediante la transformación de energía mecánica. El calor se produce típicamente por medio de perdida, por ejemplo histéresis mecánica (pérdidas por histéresis o fricción). Al aplicar el elemento de unión 1 sobre una superficie no-homogénea o porosa se forma en la zona microscópica del elemento de unión un intenso efecto interno de cortadura (véase la figura 9). Este efecto de cortadura junto con el aumento de temperatura, provocan que se funda el material del elemento de unión 1, produciéndose una disminución muy importante de la viscosidad de la masa fundida. Mediante la aplicación de ultrasonido conforme a la invención se tiene la posibilidad de obtener una masa fundida de baja viscosidad, de forma muy controlada y en una zona óptima, que sometida a la presión hidráulica penetra en los poros más finos, grietas y orificios capilares (flechas 9). La masa fundida es típicamente anisótropa, es decir que presenta propiedades que dependen de la dirección. Especialmente en la aplicación del ultrasonido se observa que la viscosidad de la masa fundida se puede reducir en varias potencias de 10, a diferencia de otros procedimientos conocidos por el estado de la técnica. Esta intensa licuación, junto con la presión hidráulica que se obtiene al calar a presión el elemento de unión 1 en la oquedad 7, permite que el material fundido penetre hasta las zonas microscópicas en la estructura porosa del material a unir. Para ello, la masa fundida del elemento de unión 1 sigue esencialmente la orientación del material base 10, lo solidifica y lo arma. Como resultado se obtiene una unión de tipo "composit" con una transición fluida entre el material base 10 y el elemento de unión 1, con una solidificación selectiva en la zona que rodea la oquedad 7, y un núcleo sólido homogéneo. Las correspondientes uniones son muy superiores a los métodos de unión convencionales, conocidos por el estado de la técnica, especialmente en lo referente a los valores de resistencia. En la figura 9 está representado ampliado un detalle de la figura 8.

La figura 9 muestra a mayor escala un detalle 18 de la consideración del modelo de la figura 8. Se reconocen el elemento de unión 1, la oquedad 7 y los canales 8 que se extienden al interior del material base 10. El material fundido 14 rellena la oquedad 7 y los canales 8, y está sometido a presión hidráulica, lo que está representado por las flechas 15. Debido a la excitación mecánica del elemento de unión 1 mediante ultrasonido se forma una zona fundida 13, en la que el material se calienta y funde debido a un intenso efecto de cortadura. El movimiento del elemento de unión 1 debido a la excitación mecánica y el efecto de cortadura provocado por ésta está representado esquemáticamente por las flechas 12. Debido a la elevada presión hidráulica que resulta al introducir a presión el elemento de unión 1 en la oquedad 7, el material fundido se desplaza entre otros al interior de las oquedades 8. Entre el material que se funde, el material desplazado y el material que se sigue empujando desde el exterior se consigue un estado de equilibrio, de manera que se obtiene un proceso continuo.

La figura 10 muestra mediante tres curvas, 46, 47 y 48, una relación típica entre el efecto de cortadura (eje X) y la viscosidad (eje Y) de un material termoplástico, tal como se utiliza por ejemplo para un elemento de unión 1. Las tres curvas 46, 47 y 48 muestran el comportamiento a distintas temperaturas. La curva 46 muestra el comportamiento a una temperatura más baja; la curva 47 a una temperatura superior y la curva 48 a la temperatura más alta. Se observa que la viscosidad (eje Y) disminuye según aumenta el efecto de cortadura (eje X) y según aumenta la temperatura. Dicho de otra manera, el plástico se hace más fluido a temperaturas más altas y para mayores efectos de cortadura. En el caso de la invención que aquí se expone esto significa que al aumentar la excitación mecánica mediante ultrasonido, a través de la frecuencia y la amplitud, se influye en el comportamiento del material que se trata de fundir. Dado que por lo general no se emplea ninguna fuente de energía térmica exterior, la temperatura en el interior de la oquedad 7 (véanse las figuras 8 y 9) se estabiliza debido a los parámetros mecánicos y a la conductividad térmica del entorno. El comportamiento se ajusta de tal manera que el entorno y el material del elemento de unión muestren un comportamiento óptimo y no tenga lugar la fusión incontrolada del elemento de unión 1.

Claims

1. Procedimiento para unir cuerpos (41, 50, 51, 65, 66) mediante la fusión térmica de un elemento de unión (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80), donde el elemento de unión (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) se introduce a presión por medio de una fuerza orientada (F) en por lo menos uno de los cuerpos (41, 50, 51, 65, 66), mientras que se genera una excitación mecánica tal que durante la penetración del elemento de unión (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) en por lo menos uno de los cuerpos (41, 50, 51, 65, 66) se mantiene el avance por medio de la fuerza dirigida (F) y la fusión por la excitación mecánica, para que el material fundido pueda penetrar hidráulicamente por el entorno, caracterizado porque el elemento de unión se hace pasar a través de la superficie de uno de los cuerpos mediante la fuerza orientada y antes de la excitación mecánica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la excitación mecánica comienza una vez que el elemento de unión (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) ha alcanzado una profundidad de penetración predeterminada en uno de los cuerpos (41, 50, 51, 65, 66) y/o una vez que la fuerza orientada (F) ha alcanzado un nivel de carga predeterminado.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la excitación mecánica se efectúa por medio de ultrasonido.

4. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la excitación mecánica se efectúa mediante rotación.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque a la penetración de un elemento de unión (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) en uno de los cuerpos (41, 50, 51, 65, 66) se superpone un movimiento secundario que favorece la penetración.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque el movimiento secundario representa una rotación.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se unen entre sí por lo menos dos cuerpos (41, 50, 51, 65, 66) por medio de un elemento de unión (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80).

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque entre las superficies comunes (59, 60) de los cuerpos a unir (41, 50, 51, 65, 66) hay una capa adicional de un material fusible, que se funde como consecuencia de una excitación mecánica y que favorece, respectivamente, sella la unión entre los cuerpos (41, 50, 51, 65, 66).

9. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque uno de los cuerpos (41, 50, 51, 65, 66) presenta un taladro (53) para alojar un elemento de unión (52).

10. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque por lo menos uno de los cuerpos que se trata de unir (41, 50, 51, 65, 66) es de un material poroso.

11. Elemento de unión para su empleo en el procedimiento según la reivindicación 1, cuyo elemento de unión (20) es de un material termoplástico, tiene forma de espiga y presenta por lo menos una zona con una sección menor y por lo menos una zona con una sección mayor, caracterizado porque el elemento de unión presenta por lo menos en una de las zonas unos elementos orientadores de la energía en forma de nervios longitudinales (25, 33).

12. Elemento de unión según la reivindicación 11, caracterizado porque el elemento de unión (20, 30) presenta al menos en parte de su longitud una sección redonda.

13. Elemento de unión según una de las reivindicaciones 11 ó 12, caracterizado porque el elemento de unión (20) presenta un extremo en punta o un extremo plano para atravesar una superficie.

14. Elemento de unión según una de las reivindicaciones 11 ó 12, caracterizado porque el elemento de unión (20) presenta una arista aguda (23) que incrementa el efecto de corte al atravesar una capa de cubierta (4).

15. Elemento de unión según la reivindicación 11, caracterizado porque el elemento de unión (30) presenta una parte cilíndrica (31), en cuya superficie extrema está situado centrado un elemento en punta (32), que está rodeado de un anillo de elementos (34) dispuestos en círculo.

16. Elemento de unión según la reivindicación 15, caracterizado porque los elementos (34) dispuestos en círculo presentan aristas (35) que sirven para atravesar una superficie (40).

17. Elemento de unión (30) según una de las reivindicaciones 15 ó 16 caracterizado porque el elemento de unión (1, 20, 30, 52, 67, 75, 80) sirve para alojar un elemento de fijación o una bisagra.

18. Unión establecida según el procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1 a 10, mediante uno o varios elementos de unión según una de las reivindicaciones 11 a 17, caracterizada porque el material fundido de un elemento de unión (67) está endurecido dentro de la estructura de un material base comprimido de un cuerpo (66).