固定在结构材料中的构件和固定方法

摘要

本发明的方法适合于将固定构件固定在物体内，此固定构件在周向的固定构件表面和压缩轴线间的距离局部扩大的状态下，可沿压缩轴线的方向压缩。该固定构件包含用来将机械振动耦合到固定构件内的耦合输入面，其不平行于该压缩轴线。固定构件还包含热塑材料，它在周向表面扩大区域处形成该固定构件表面的至少一部分。该方法包括以下步骤：在物体内设置孔；将固定构件置于孔内；通过耦合输入面把压缩力和机械振动耦合到已定位的固定构件内，因此，固定构件被压缩且由于所述距离的扩大而至少局部地压靠着孔的侧壁，同时与侧壁接触处热塑材料至少部分地被熔化并被压入物体的结构内，从而在重新固化后与侧壁形成形状配合连接。本发明还涉及一种固定构件。

说明书

本申请是国际申请日为2007年9月19日，优先权日为2006年9月2 0日且进入中国国家阶段日期为2009年5月18日的中国申请号为200780 042731.0的名为“固定在结构材料中的构件和固定方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及结构领域，尤其是建筑工业、木质构造结构、家具工业和 机械结构，而且涉及将固定构件固定到结构材料的物体内的方法，此物体 具有多孔型或结构型表面，固定构件被固定在其中的物体表面为木材，木 材复合件(如刨花板、碎料板、定向结构刨花板等)，硬纸板，混凝土， 砖，石膏，石头(如砂岩)或工业硬泡沫材料，已熔化的材料在压力下可 以渗透到此物体内。本发明还涉及将要被固定在物体内的相应的固定构件 和相应的装置。

背景技术

在WO98/00109、WO00/79137和WO2006/002569等专利出版物中， 介绍了借助机械振动将连接部件固定在纤维性和多孔性建筑材料内的方 法。按照这些方法，是将连接部件置于预制的物体开口内；或通过定向力 压靠到物体的表面上，继而由此产生开口。当力沿开口的轴线方向作用于 连接部件时，该部件被机械振动所激励。此连接部件的至少一个表面由热 塑材料构成，所述至少一个表面在这个过程中与物体的材料相接触。机械 振动的能量被设定成可以用机械振动使得预定固定点区域内的热塑材料 熔化，并通过在开口壁和连接部件之间的固定点处建立的压力将材料压入 物体的微孔或表面结构内，从而形成最有效的大范围固定。

但是，在有些场合下，按现有技术通过机械振动固定连接部件尚嫌不 够，或者是由于不容易接近开口，因而不可能用足够的振动能量激励现有 的连接部件来确保现有方法能提供可靠的固定。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种固定构件(在本文中，此术语表示 直接固定在物体内的连接部件或其它构件)的方法，及迄今现有技术中这 样的固定是不可能或极其困难的条件下仍适合于固定在物体材料内的相 应的固定构件。

本发明的第一种形式提供一种固定构件，它适用于借助机械振动固定 在构件材料物体的开口内。此固定构件能够在选定的压缩轴线方向上被压 缩，且周向固定构件表面和所述压缩轴线之间的距离(沿垂直于压缩轴线 方向测量)有局部扩大的效果。此固定构件包含耦合输入面(用来将压缩 力和机械振动耦合到固定构件内)和热塑材料(它在上述距离扩大区域内 形成固定构件表面的至少一部分)。将这类固定构件固定在物体内的方法 包括以下步骤：

*在物体内设置开口；

*将固定构件置于开口内，使压缩轴线基本平行于开口轴线伸展；

*通过耦合输入面将压缩力和机械振动耦合到已定位的固定构件内， 从而使固定构件被压缩，且由于距离的扩大从而至少局部被压靠到开口的 侧壁上，使热塑材料至少在它与侧壁接触处局部熔化并被压进物体结构 内，以在重新固化后形成形状配合连接。

本发明的另一个目的是提供用这种方法固定的固定构件。

本文中“固定构件”一词用来表示被制成用于固定在结构材料物体内 的任何部件。这个术语主要用于连接部件，即用来连接该物体和别的物体 的部件。这类连接部件的使用方式与常规的螺钉、榫钉、钉子、钩子等类 似，但术语“固定构件”也表示它同样被固定在物体内且不需要进一步的 附接。

其中固定有固定构件的物体-这也适用于本发明的所有形式-至少 部分由刚性和多孔材料构成，它包含结构化的表面(即带不平的补片，多 开口孔或例如由机械加工制成的类似结构的表面)，和/或在压力下它可被 已熔化的材料所渗透。这种物体最好至少部分由木材或类似材料(如由木 碎片或刨花或包含刨花的复合件制成的材料)构成。但该材料也可以是硬 纸板(或纸板)、混凝土、金属化泡沫材料、硬塑料泡沫、砖、石头或者 适用于结构工程并符合上述定义的任何其它材料。

本文中“热塑材料”用来表示至少包含一种热塑成分的材料，这些成 分在和硬表面接触时能被机械振动熔化。此热塑材料构成固定构件的至少 一部分，也可以形成整个固定构件。除热塑性塑料外，热塑材料还可以包 含非热塑成分，例如加强纤维、加强夹板、填充材料等。非热塑元件可以 均匀地分布在热塑材料中或以不同的浓度存在。固定构件还可包括不含热 塑材料的区域。这些区域可以具有金属、玻璃、陶瓷材料或非热塑材料， 或者比基底热塑材料的可熔化的温度高很多的热塑材料。

机械振动的机械频率-这也适用于本文所述的本发明所有形式-往 往在2KHz和200KHz之间，且其振幅在10μm左右，即1μm和100μm 之间。倘若热塑材料具有承载的功能且只在指定的接触区域熔化，则需要 具有0.5GPa以上的弹性系数和200℃以内，200至300℃或300℃以上的 软化温度。

物体内的开口-不论是通孔还是盲孔-其中安置了为后续固定所需 的固定构件，在以后被称为“孔”。当然，按照本发明的固定也可以是发 生在不是为特定目的专门钻出的开口内，而是，比如说，也可发生在在物 体的自然状态下所包含或者是为其它原因而开的开口内。术语“孔”的使 用也不限于由某种特定技术所产生的开口，而是涵盖由冲压、激光切割、 或借助粒子辐射的切割等产生的开口，以及包含在物体的自然状态下带有 的开口。

按照本发明第一种形式的大多数实施例中，虽然不是必须的，压缩造 成外截面在与压缩轴线垂直的方向上的局部扩大。术语“外截面”是指垂 直于压缩轴线切割形成的构件外轮廓所包围的横截面积，也就是说，在该 固定构件内可能存在的腔洞不算作外截面。在许多情况下-虽然不一定- 外截面的扩大表示由固定构件本体的凸形周边(凸形外壳)所包围的横截 面积的扩大。

耦合输入面最好至少部分是平面，且垂直于压缩轴线伸展。在本文中 “与压缩轴线成角度”表示“不与压缩轴线平行”。与压缩轴线垂直(成 直角)的耦合输入面特别有利。通常希望压缩轴线与耦合面之间的角度至 少为45°，至少60°更好。

选定的压缩轴线一般是固定构件的特有的轴线，也就是说，固定构件 被加工成这样：使得沿此压缩轴线的压缩被明确地界定和控制，并产生在 周向表面和压缩轴线之间的距离的所希望的局部扩大，也即横截面的所希 望的局部扩大。特别是，在给定的(小的)压缩力下沿压缩轴线的压缩效 应可以比沿其它轴线大得多。沿其它轴线(例如垂直于选定压缩轴线)的 压缩或者用它来代替沿压缩轴线的压缩，都不能产生垂直于选定轴线的横 截面积的扩大，不能以可控制的方式进行，和/或只能以极高的能量来进行。 在某些实施例中，压缩轴线可以是对称轴，例如，固定构件相对于压缩轴 线可以是近似旋转对称的。

术语“熔化”表示热塑材料的一种状态，在此状态下这种材料是塑性 化到这样的程度：当在压力下时它可以渗透尺寸比固定构件的特征尺寸小 至少一个数量级的微孔。在这种意义上，“熔化”也适用于粘度比较高(例 如高达10⁴mPa.s)的热塑材料。

按照第一种形式，本发明采取与现有技术不同的新途径。现有技术普遍 采用的方法是：在物体内设有开口，且接着通过把固定构件(例如，大致 为大头针形状)置于开口内并加上超声振动，使它固定在开口内。在此过 程中，固定构件的热塑材料可能在固定构件的周向表面上熔化，并在可能 时沿孔壁渗透到微孔内。但我们发现，这种不加压而渗透到孔隙的固定效 果往往很一般。按照现有技术，可以通过把孔做成锥形而产生横向压力， 但很费功夫。相比之下，按照本发明，横向压力可通过压缩和随之产生的在 压缩轴线和固定构件周向表面之间距离的扩大而增加。这样一方面增加了 在周向的固定构件表面上产生的摩擦力，同时使能量通过机械振动耦合至 固定构件内，使得热塑材料精确地在沿周表面的横向区域熔化。另一方面， 横向压力还把已熔化的材料驱入已有的横向微孔或孔的其它结构(表面结 构，空腔等)内，从而产生特别稳固的固定。

因此，按照本发明的固定构件可以把压力加到孔的横向表面上。这样， 即使在压力不能加到孔底(例如因为物体很脆和/或很薄)或因孔是通孔而 无孔底的场合下，也能将固定构件固定。在这种情况下，必须提供其它的 吸收压缩力的装置。这些装置将在后面详细讨论。

可以按不同方式设计固定构件，其中固定构件的压缩也通过相应不同 的方式进行：

*固定构件由至少两个分离的元件组成，这时由于它们的几何形状， 各元件在压缩力的作用下彼此相对移位。发生移位的表面既不与压缩轴线 平行也不与其垂直，而是相对于它倾斜地伸展。例如可以把固定构件设计 成锥形和/或楔形系统，或者带分离器元件的系统，后者不一定必需包含热 塑材料，而且例如可以是在包含热塑材料的固定构件元件之前放进孔内。 横截面积的扩大可以通过固定构件元件(如楔形系统)间的彼此相互移位， 或者通过固定构件元件的彼此相互移位和同时使它们张开(如锥形系统) 来实现。

*固定构件包括至少两个元件，它们通过预定的断裂点或预定的熔化 点相链接，这两个元件在加上压缩力且可能还加上机械振动时相互分开。 所要求的横截面积的扩大可以如上例子中所述，通过固定构件元件间彼此 相互移位来实现。

*一个分开的元件被置于孔内以施加抗衡压缩力的力，这个元件包含 与压缩轴线倾斜的表面部分。固定构件的压缩轴线和周向表面间距离所要 求的局部扩大，可通过使该固定构件或它的元件沿指定表面移位来实现， 其中被移位的元件可能或者可能未被张开。

*固定构件由一件构成且包含可被压缩力的作用所延伸的一部段。此 固定构件形状例如可以是空心截锥体、空心楔块、帽形或管形，且最好包 含一些槽以便扩张开。抗衡压缩力的反力可通过垂直于压缩轴线的表面， 或与压缩轴线斜交的表面来施加。后一情形构成与上述三个实施例中一个 的组合。

*固定构件至少包含一个弯折处，设计用作机械上的脆弱点(例如孔， 槽、壁厚减小的区域)或当节点用。这些局部脆弱区域在固定过程中被软 化，使得各脆弱部分之间的固定构件部分在压缩力的影响下彼此相向倾 斜。

换句话说：压缩力可以或者只造成固定构件或固定构件元件的移位 (如楔形系统)，或者是移位及变形的组合(例如具有可张开元件的多部 件式固定构件)或者仅仅是变形(例如能弯折或可延伸的单件固定构件)。 其中移位和/或变形可由适当形状的工具和/或分开的辅助元件来支持。在 多部件固定构件的情况下，最好设计一些元件可沿之彼此相对移位的元件 表面，这样可以在固定过程中把它们熔接在一起。在将要变形的多个固定 构件或多个固定构件元件的情况下，最好让变形引起的张力在固定状态下 被消除。

在任何实施例中，固定构件或者固定构件元件中至少一个可包含弹性 易弯的(例如金属的)芯子，这个芯子可以是金属片形状并包括一个边缘， 后者在压缩过程中径向向外运动并因此切入物体内，以提供额外的固定。

“与压缩轴线斜交”意味着相对于压缩轴线成小于90°大于0°的角 度。最好让倾斜表面在固定前与固定构件形成20°至70°之间的角度。

固定构件在固定时最好没有张力，即没有抵抗变形的力，这可通过使 变形发生在热塑材料还是软的而且在变形之后再固化来实现。

从物理上说，对任何作用力都有反力。如果物体内的孔是盲孔，则反 力可由孔底部的物体材料施加。但是，按照本发明第一种形式(同时也按 照下面要讲到的第二和第三种形式)，本发明特别适用于这样一些情况： 物体不可能或者不希望吸收压缩力(或者，换句话说，施加反力)。在许 多相关的实施例中，压缩力被加在工具和平衡构件(保持构件)之间。平 衡构件被置于并保持在这样的位置：它不将力传递给该物体，而且力是由 负责固定过程的装置或人、辅助物、或适当的保持器、或者其它装置或弹 簧构件等来施加。

固定构件的优选实施例全部由热塑材料组成。不过也可能包括不熔化 的芯子但仍可被压缩，例如当芯子包括几个可伸缩的套管时。

本发明的第二种形式提供将固定构件固定到物体内的方法，它要借助 于包括有近侧和远侧的工具，其中工具远侧包含耦合输出面。此固定构件 包含耦合输入面和可被机械能量熔化的材料，机械振动通过该输入面被耦 合到固定构件内，所述材料形成固定构件表面的至少一部分。该工具的耦 合输出面与固定构件的耦合输入面相配，并能使力和机械振动从工具传递 到固定构件内。这种方法包括以下步骤：

*在所述物体内提供孔；

*将固定构件置于该物体上，使得固定构件的热塑区域与物体的表面 接触；

*借助耦合输入面将力和机械振动耦合到已定位的固定构件内，从而 使可熔化材料孔壁相接触的至少一部分熔化，并将它压入物体内，以使在 重新固化后与壁形成形状配合连接，

其中力和机械振动借助于工具被耦合到固定构件内，工具的近侧被设 计成能使机械振动耦合到该工具内，同时工具的远侧包含耦合输出面，通 过它把机械振动耦合到固定构件内，其中或者耦合到工具内的力是拉伸力 (力的方向从工具的远侧朝向工具的近侧)，或者是提供有适于施加反力 的平衡构件(保持构件)，通过这个反力将平衡构件置于拉伸力作用之下。

本发明的第二种形式还提供应用这种方法的装置。此装置包括适于借 助机械振动及工具(例如声极)固定在物体内的固定构件。此固定构件包 括耦合输入面(通过此输入面机械振动被耦合到该固定部构件内)和可由 机械能量熔化的材料，后者形成固定构件表面的至少一部分。固定构件的 耦合输入面与工具的耦合输出面相配。工具和固定构件之间的耦合被设计 成承受拉伸力。固定构件借助于机械振动和拉伸力(在工具内造成拉伸负 荷)被固定在孔内，其中热塑材料在与物体相接触处至少部分地被熔化， 并被压入该物体内，以在重新固化后与物体形成形状配合连接。

与现有的技术中将压缩力(从工具近侧朝工具远侧的方向)加在工具 上而使力耦合到固定构件内不同，按照本发明的第二种形式，是将拉伸力 加在工具上而使力耦合到固定构件内。这个很简单的措施开拓了许多新的 可能性，下面对其中一些稍加介绍：

*固定在很难进入的位置：本发明的第二种形式在某些情况下可以从 无法进入的一侧进行固定。

*有利于不让物体材料受力的过程：将拉力加到固定构件上并用普通 的平衡构件(例如普通的穿有孔的板)来抗衡它，实际上可以消除作用于 该物体上的所有力。

*可以使用新研发出来的固定构件和工具(声极)。

例如，工具的耦合输入面“朝后”，也即朝向工具近侧。这种情况也 就是当耦合输出面的法线近似平行于拉伸力的方向延伸时。

另外一种情况是，固定构件被拉过物体内的孔，即将拉力加到固定构 件上并将固定构件移至孔内某个范围。

特别有利的是本发明第一和第二形式的组合，也即将按照第一种形式 的可压缩固定构件用于按照第二种形式的装置内，该装置被设计成工作时 拉伸力作用于工具上。

按照本发明的第三种形式，固定构件被工具所扩张开，也即通过工具 沿轴向在固定构件内运动，从而使它在横向局部扩张开，从而让固定构件 的侧壁压靠到结构材料物体内的孔壁上。

相应地，本发明第三种形式提供一种借助于使用工具所产生的机械振 动将固定构件固定在结构材料物体内方法。此固定构件包含轴线和可被机 械振动熔化的材料，它形成固定构件表面的至少一部分，此方法包括以下 步骤：

*在物体内设置孔；

*将固定构件置于孔内；

*提供具有近端部分和远端部分的工具；

*将工具置于与固定构件接触；

*将机械振动耦合到工具内并同时让工具相对于固定构件沿轴向运 动，工具的一部分在固定构件内部运动，并因此使固定构件扩张开并把它 至少部分地压靠在孔的侧壁上，同时由于所述扩张开和从工具耦合到固定 构件内的机械振动的作用，热塑材料在与孔壁接触处至少部分地被熔化而 产生已熔化的热塑材料，并将已熔化的材料压入结构材料内，以在重新固 化后与壁形成刚性连接。这意味着本发明的第三种形式是依据这样的事 实：借助于工具，热塑材料在固定构件的周向区域(最好也在轴向伸展的 凹入区域)被熔化或塑化，并被径向朝外推压。正像按照第一种形式的过 程中那样，在这个过程中固定也是通过渗透到物体中的孔的侧壁内的物体 结构而实现的。本发明第一种形式的相关优点和设计自由度也适用于本发 明的第三种形式。

按照本发明第三种形式的优选实施例，固定构件完全由热塑材料构 成。

特别有利的是本发明第二种形式与第三种形式的组合，也就是说，过 程是按照第三种形式的思想，其中力作为拉伸力被耦合到工具内。

按照本发明第三种形式另一个实施例，被工具扩张开并因而压靠到孔 的侧壁上的固定构件，不是通过熔化的材料固定在这些侧壁上，而是通过 其它方式，例如通过起倒剌作用的表面结构。

在本发明三种形式的任何一种的各实施例中，在固定后可将工具取 走，或者保留在原位，并通过在固定过程中至少部分熔化的重新固化材料 固定在固定构件上。在后面的情况下，工具在固定后可用作固定构件的功 能部件。它可以按承载方式使用并可能包含将另一个构件与它固定的装 置，例如形成刚性连接的结构(如螺纹、卡口式固定、孔眼、或者可以把 其它构件胶合或焊接或钎焊等的结构)，或者紧固件封头冲压或别的将另 一构件压到物体上面的突起等。

在所述工具保留在原位且与固定构件相固定的实施例中，工具(在固 定过程中作为声极)可具有如“螺钉”、“钉子”、紧固销、紧固螺丝等紧 固件的功能，其中固定构件本身可看作是一种紧固件的“榫钉”。按照另 一种形式，本发明很概括地描述将紧固件紧固在结构材料物体上的原理， 此方法包括以下步骤：

-让包含热塑材料的固定构件和所述物体接触，

-让紧固件和固定构件接触，

-把机械振动耦合到紧固件内并使它们从该紧固件被传递到固定构 件内，并在同时将转移力耦合到紧固件内并使得这个转移力作用于固定构 件上，

-机械振动和该力的联合作用使得热塑材料的至少一部分熔化从而 与结构材料物体相接触且进入该物体的孔内(此孔是预制成的或由机械振 动和力的联合作用产生的)，及

-在机械振动耦合过程中将紧固件与固定构件相固定。

将紧固件固定到固定构件可以通过机械振动和力的联合作用的效应 (例如可让固定构件熔接到紧固件上)和/或通过其它刚性连接装置(如倒 刺形紧固件结构等)实现。该紧固件至少部分由不被机械振荡熔化的材料 (如金属或硬塑料)构成。

这另一种形式的原理最好与本发明上述三种形式中任何一种相组合。 由于这三种形式全部都展示了在固定过程中让工具触及固定构件或穿过 固定构件(而不仅是让它碰到固定构件的近端面)的方法，因此把这另一 种原理与该三种形式相组合是特别优选的。另外，本发明的三种形式(及 组合)展示了(如上面讨论过的)将固定构件固定到特别脆或薄弱的结构 材料的物体(如石膏板、硬纸板等)的方法，同时它们特别适合于这样的 实施例，此时固定构件作为一个整体保持在建筑材料物体表面的“下面” (远端)。这些实施例中，如希望的话，工具/紧固件在固定后可以伸出该 表面之上。

三种形式中任何一种的优选实施例可以具有一个附加的功能，即通过 弹簧构件或其它适当的机构在固定过程中把力自动加到固定构件上。例 如，可将弹簧构件安置成在固定构件和平衡构件(保持构件)之间施加明 确确定的弹簧力。这个功能的好处是可以事先确定成功地固定所需的力， 而且固定过程的成功不是仅仅依靠于运用这种方法的专业人员的技能，同 时专业人员不需要用力。倘若要安置许多固定构件，这种方法较不费劲。 利用弹簧产生作用力的变型与本发明第二种形式相结合特别有利，因为弹 簧可置于结构材料物体表面(或与物体表面相接触的平衡构件)和工具近 端部分(或与工具近端连接的物体)之间，因而工具被弹簧力拉向近端， 而且在固定之前和之后的力及工具位置两者都可以事先确定。

在具有自动施加作用力的实施例，以及用手工施加力的其它实施例 中，需要的话，可以用止挡来限定固定过程中工具的行程。

本发明的讨论主题，还包括执行按照本发明三种形式中一种的方法的 一些零件组。这包括至少一个工具(如声极)和一个，或最好是多个，固 定构件。此外，该组可能包括产生机械振动的装置，固定的操作规程，平 衡构件，如上面讨论的具有倾斜表面区域的分离构件和/或其它零件。

附图说明

下面结合附图对本发明各实施例加以说明，其中相同或等效的部件用 相同的参考数字代表。附图中：

图1a和1b是按照本发明第一形式的第一实施例；

图2a和2b为按照图1a和1b的实施例处在物体的孔中的截面图，用 来说明它的功能；

图3a至3c是按照本发明第一种形式另一些实施例的截面图；

图4是按照图3a的实施例呈构型时的截面图，它也相当于本发明的 第二种形式；

图5是固定构件处在物体的孔内的另一个实施例的截面图；

图5a是固定构件处在物体孔内的再一个实施例的截面图；

图6是本发明第一种形式另一个实施例的截面图；

图7表示另一组实施例的功能特点；

图8a和8b表示按照本发明第一种形式的另一个实施例；

图9表示按照本发明第一种形式的另一个实施例；

图10表示按照本发明第一种形式的另一个实施例，其中固定部件包 含非熔化芯子；

图11表示本发明另一个实施例；

图12a至12d示出了按照本发明第二种形式的装置和方法的原理；

图13，14a，14b表示按照本发明第二种形式的另一些实施例；

图15和16表示本发明第二和第三种形式的组合的一些实施例；

图17表示本发明第三种形式的另一个实施例；

图17a表示在固定过程之后的图17实施例；

图18表示远端平衡构件的原理；

图19表示适合于传递拉力的耦合方式；

图20表示通过弹簧施加反力的原理；

图21说明按照本发明第一种形式的固定构件和方法的另一个变型；

图22a和22b表示本发明另一个实施例；

图23a和23b表示本发明第三种形式的另一个实施例；

图24a和24b表示本发明第三种形式的另一个实施例；

图25表示图24a和24b的实施例的一种变型；

图26a和26b说明利用本发明第一和第二种形式的组合将紧固件紧固 在板上的方法；

图27说明利用本发明第二和第三种形式的组合将紧固件紧固在板上 的方法；

图28和29表示本发明第三种形式另一种应用的两个变型。

具体实施方式

按照图1a的固定构件1是按照本发明第一种形式的第一个例子，它 适合于用作将连接件附接在物体上的耦合套筒。此固定构件基本上是由热 塑材料构成的管状件，并包含近端面1.1和远端面1.2。此固定构件还包含 至少一个缝12，它近似平行于此固定构件的轴线11伸展；有两个，三个 或多于三个大致按等距离安置的缝更好。由于这些缝12(一个或几个)， 此固定构件可被平行其轴线方向作用的压缩力4压缩(按照图1a，管状固 定构件的轴线11也是它的压缩轴线)。图1b显示此固定构件处于压缩状 态。

显然，为达到所要求的压缩，必须有力(“力和反力”)从相对的两侧 作用于固定构件上，其中反力往往是由止挡面施加的。在图1a和1b所示 的实施例中，压缩力作用于近端面1.1和远端面1.2。但是，在下面的叙述 中，只在使用工具的地方才指出力。专业人员明白，为实现所要求的效果， 必须有反力存在。

按照本发明，固定构件被设计成这样，即它的压缩使得固定构件的周 向表面和压缩轴线11之间的距离产生局部扩大，在这儿就是垂直于压缩 轴线11的外横截面的局部扩大。所述扩大可以发生在近端面1.1和远端面 1.2之间的任何地方。在图1a和1b的例子中，由于固定构件的对称性， 在两个端面之间的中间位置上的扩大最大。在图1a和1b中，外横截面(它 也包括在固定构件内的空腔)的直径在非压缩状态下用C标示最大截面点， 而在压缩状态下用C’标示。通过压缩，缝12变宽了。

为了将固定构件1固定就位于物体21中的孔21.1内。如图2a所示， 此孔可以是盲孔。或者此孔是通道型，也即贯穿该物体(详情见下文)。 特别是，该孔可以是容易加工的圆柱形。孔的直径至少等于最初外截面的 直径C，且可以稍大一些，如图2a中所示。

当固定构件被置于孔21.1中时，沿其轴线11施加力4，且在该力4 起作用的同时机械振动5被耦合到该固定构件内。这是通过包含耦合输出 面3.1的工具3来实现的，此输出面与固定构件的耦合输入面协同作用。 在所示例子中，耦合输入面和近端面1.1相对应而且等同。如图中所示， 耦合输出面3.1可以完全覆盖耦合输入面和固定构件的内腔，但也可以是 环状且与其近端面1.1准确匹配。工具3在其近端3.2上与振动装置(未 示出)有效地连接。这类装置通常是已知的，且例如可参见WO02/069817。

图2b表示施加所述压缩力和振动之后的固定构件1。固定构件的横截 面由于压缩力4而扩大，如图1b所示。一旦固定构件在横截面扩大区域 与孔的侧壁相接合，压缩力4产生了作用在侧壁上压力。在那里振动引起 摩擦，且热塑材料被局部熔化并被压入物体材料中的微孔或其它腔室内。 这种效应在图2b中用水平箭头标明。当然，同样的情况也发生在固定构 件的远端面区域。

一旦完成预定的压缩，振动则被关掉和/或工具3被移去。已经被熔化 的热塑材料重新固化，并且使得固定构件1通过与侧壁结构的形状配合连 接而被固定。

如图2b所示的、利用已经熔化而处于熔化状态并渗透到腔室中(与 所述孔相比，在所述物体中设有小尺寸的微孔、其它腔室用于固定所述的 构件)而使固定构件固定的方法，在本发明所有实施例中都用到。在下面 每个图中，用标明热塑材料渗透到腔室内的方向的箭头来说明这种效应。

在按照本发明第一种形式的所有实施例中，最好但不是必需在固定过 程中将固定构件的热塑材料加热到这样的程度：使得固定过程之后没有张 力，也就是说，不再有抵抗固定构件变形的力。在这种情况下可以同时停 止压缩力和机械振动，因为固定构件在重新固化之前或之后都不松弛。

按照图3a的固定构件1包括多个元件。所示例子包括三个元件1.11、 1.12、1.13，它们相对于围绕其轴线(该轴线也对应于压缩轴线11)的任 何转角是近似旋转对称的。第一元件1.11(从远端看)基本具有截头锥体 的形状，并包含贯穿它的轴向孔。第二元件1.12基本具有帽形，此处带中 心轴向孔。此帽形结构界定出内表面1.12a和外表面1.12b。第三元件1.13 具有柱形，并包含同轴的锥形腔室和轴向孔。第一，第二和第三元件的中 心孔相互同轴且直径近似相等。

在偏离旋转对称时，在可能的情况下，至少中央元件1.12，而且也许 还有第三元件1.13和第一元件1.11，最好开槽(图3a中未示出)。由于有 槽，相关的元件容易张开，且固定构件作为一个整体可以用相对较小的压 缩力沿压缩轴线压缩。当施加压缩力4时，元件1.11，1.12，1.13沿与压缩力 斜向(即以既不平行也不垂直的角度)伸展的表面彼此相对移位。在所示 的实施例中，这些表面具有截头锥体壳形状，即它们是锥形的。还有另外 一些表面也具有张开的效果。

在所示的实施例中，第一元件1.11外表面1.11a的张角大于第二元件 1.12内表面1.12a的张角，且第二元件1.12外表面1.12b的张角大于第三 元件1.13内表面1.13a的张角。对于此结构的张开效果有利的是，至少一 个外表面的张角大于该外表面所伸入到的内表面的张角。

当把固定构件置于孔(该孔的直径与压缩前固定构件元件1.11，1.12， 1.13的外直径大致相当)内，且施加上压缩力和机械振动时，将发生以下 现象：

*由于有压缩力，第二和第三元件1.12，1.13是张开的，使得第二和第 三元件、从而因此整个固定构件的外横截面面积被扩大。

*由于这种张开，第二和第三元件1.12，1.13的外表面被压靠在孔的侧 壁上。由于机械振动使热塑材料在这些表面区域内熔化，并渗透到物体21 材料的微孔(或其它腔室)内。

*振动还导致了在表面1.11a，1.12a，1.13a之间产生摩擦力，引起热 塑材料熔化，进而使第一，第二和第三元件熔接在一起。

按照图3a，固定构件的近端面1.1或远端面1.2可用作耦合输入面。 固定构件的近侧和远侧可以互换(也就是说，固定构件可以“从后至前” 地使用)。

图3b表示按照本发明的固定构件的另一个实施例，就压缩和固定而 言，此固定构件与图3a的实施例很相似。相同的元件用同样的参考数字 标明。该固定构件是多部件式的固定构件，并包括任何选定数目(例如， 图中所示的三个)的相同元件，所有元件设计用于张开(如空心锥体或空 心楔块)，而且一个元件松弛地置于另一个元件之内。压缩力4将可张开 的元件推到一起并使它们张开。如果需要，要使用的工具的远端部分被设 计作为张开构件，如图11所示。在图3b的实施例中，如图11所示，所 有相对压缩轴线倾斜的表面都可以是平行的(即相等的张角)，固定构件 的各元件沿这些表面彼此相对移位。这样做的好处是，固定构件的尺寸可 由选定的相同元件的数目确定。

图3c的实施例是以图3a的实施例为基础。但是不像图3a的实施例， 此固定构件包括多个模块(图中所示为两个模块)，每一个模块至少包含 一个元件1.11，1.12，1.13，1.14(图中每个模块有两个元件)。模块之间有间 隔构件61(如图中所示的金属环)，它不必是热塑材料。这个实施例适合 于固定在物体中孔的侧壁内的两个或更多个位置。各位置之间的距离由间 隔构件确定。这些包含两个模块的固定构件的实施例最好与工具3或平衡 构件31结合使用，后者的作用将会在下面详细讨论。如图3c所示，工具 或平衡构件3、31包含穿过到固定构件的中心凹入的轴。其它的引导装置 引导间隔元件也可以想到的。

除了图3a，3b，3c所示的实施例之外，下面一些实施例(当然其它 还有很多)也是可以想到的：

*每个元件可包括不可熔化的芯子，第二和第三元件的芯子是可弹性 或塑性变形的。该芯子(例如可以包括金属或金属合金等)可构成截面的 基本部分并形成固定构件的承载部分。

*第一元件不一定需要包含热塑材料。

*第一元件在固定之后可以移去(在此情况下，它不是固定构件的一 部分，而是例如工具或分离元件的一部分)。

*等效的实施例，不是三个元件，而是只包括两个元件(例如，没有 中心元件1.12)，或者4个或者多于4个元件(例如，与中心元件1.12类 似的另外的帽形元件)。

*各元件的形状可以变化，这时必需提供一些与压缩轴线倾斜的表 面，各元件可沿这些表面彼此相对移位。

*各元件不必是近似旋转对称的。可以不用中心孔。

*各元件可以在固定之前通过预定的断裂点连结，这将在下面更详细 地讨论。

*各元件不必是帽形，而且不需要能够张开，但各元件可以彼此相对 横向位移，这将在下面更详细地讨论。

*为使热塑材料在要求位置有选择地熔化，可沿至少一个元件的周向 设置至少一个能量导向器。

*按照图3a至3c的实施例，与下面要讲到的按照本发明第一种形式 的实施例一样，可包含可延展的芯子，其材料在固定中下是不可熔化的。 至少那些具有帽形或空心楔形的元件的固定构件可以用片状金属等做成， 该片状金属上开槽并涂覆热塑材料，其中金属片可以从固定构件的元件径 向突出。在压缩过程中，金属片张开并穿过孔的侧壁切入物体内。固定构 件可以额外加上起到倒剌的作用的元件。金属片的切入作用提供附加的固 定。

*可以把一些指定的实施例任意选定来组合。

图4中示出了在结构上与本发明第二种形式相对应的根据图3的固定 构件1。在这种结构中，没有力在孔的底部上作用于物体上。作用于固定 构件上的振动和压缩力从处在拉伸力下的工具3被耦合到固定构件内。因 此，按照图4的结构也适合用于类似隧道那样穿过物体的孔的应用中。

由于工具3除其它作用外还用来将振动从振动装置(未示出)耦合到 固定构件内，故也可把它称作“声极”，它包括轴3.4和底板3.5。工具的 耦合输入面3.1是面朝工具近侧的底板3.5的表面。轴3.4延伸穿过固定构 件元件1.11，1.12，1.13的中心孔，并从固定构件近端和物体内的孔伸出。工 具近端被设计用来耦合到振动装置，这种耦合适合于传递拉伸力。

在固定过程中，拉伸力被施加到工具3(力4)上，同时机械振动5 与它相耦合。作为压缩力的力4和机械振动被耦合到固定构件内。平衡元 件31防止固定构件完全移出物体内的孔。在所示实施例中，该平衡元件 31被设计成一块板。

在固定过程之后，可以按不同的方式处理工具3：

*工具可以保留在固定位置。这种实施例在工具被设计成起其它作用 时特别有利。这时工具可用来将其它元件固定到固定构件上。

*如果物体内的孔是通孔，工具可以与振动装置分离并从固定构件的 远端侧取走。

*工具可以从近端侧取走。在这种情况下，工具和固定构件内的贯穿 的凹入(在固定过程中轴3.4从其中延伸穿过)不可以是圆的横截面(即 对任何旋转角度不是旋转对称的)。固定构件内的相应开口将会在下文进 行更详细的讨论。

像图1至3的固定构件那样，按照图5至10的固定构件是按照本发 明第一种形式设计的，而且可以与适当工具一起用在按照本发明第二种形 式的结构中。

按照图5的固定构件1像图3的一实施例一样包含多个元件 1.11，1.12，1.13，它们被设计成沿着倾斜于压缩力(也即成一个角度，或者 既不平行也不垂直)伸展的表面彼此相对移位。这些元件可以被设计成几 乎就像按照图3的实施例及其变型中的固定构件元件，尤其是第二和/或第 三元件，因而这里不再详述。与按照图3的实施例相反，这里采用分离的 张开元件32，其中张开元件不必包含热塑材料。如图所示，在引入固定构 件之前将张开元件置于物体21内的孔的底部上。张开元件至少包含一个 移位表面32.1，它相对于压缩轴线是倾斜的，并与后者形成大于固定构件 相应内表面1.13a的张角的角度。由于张开元件的作用，元件1.11，1.12，1.13 被压缩力4张开，同时在它们的周边区域被压靠到物体内孔的侧壁上。在 固定过程中，张开元件可以熔接到包含热塑材料的元件1.11，1.12，1.13上， 从而成为固定构件的一部分。张开元件也可以保持分开，这取决于表面的 特性。在所示结构中，张开元件保持在物体内的孔中，这里它可能有或者 可能没有别的作用。在另一些结构中，可以把它从孔中取出。

在固定过程中，张开元件(不论它是否包含在固定过程中可熔化的材 料)可选地可做成在固定时与固定构件1相连接(并成为它的一部分)， 例如通过熔化和/或别的形成连接的方法。

除上述实施例外，还可想象有下面一些实施例：

*不是三个元件而可以是单个元件，两个元件或者4个或更多个元件， 且至少在周边区域包含热塑材料。

*也可以倒过来安置固定构件，只要张开元件作相应的调整。

*可以与图3实施例中所述各种变型相结合。

图5a表示图5的一种变型。它的不同之处在于张开元件1.12(固定 构件的第二部分)是由热塑料制成，并在固定过程中与第一固定构件部分 1.11熔接在一起。此第一固定构件部分1.11包含两条腿1.21，1.22，它们被 张开元件1.12张开。

所示第一固定构件部分1.11在其近端还包含热塑固定构件头，其截面 大于固定构件主要部分。

当然，也可以把图5和图5a的方法相组合，比方说，具有张开的两 条腿1.21，1.22的第一固定构件部分可以与非热塑材料的张开元件相组合， 或者热塑材料的张开元件1.12可以与具有切口的帽形远端部分的第一固 定构件部分相组合，等等。

图6显示按照图5的实施例的另一种变型。它与后者的不同之处在于 不包含具有对压缩轴线倾斜的表面部分的分离(张开)元件。而是通过固 定构件1的形状和通过固定构件被推到抵靠着例如垂直于压缩轴线的水平 表面(此表面可能是如图所示的物体中的孔的底面，或者是分离元件的表 面)来实现张开。在所示的例子中，固定构件是帽形，且压缩力4使边缘 向外挤，从而将它们压靠到孔的侧壁上。该帽形固定构件最好包含如前所 描述的一个或多个槽。具有其它可张开形状(例如空心楔形)的变型也是 可能的。

图6进一步显示，工具3可以是与耦合输入面1.1适配的特定形状帽 形，在这里，至少在远端侧是管状的。此特定形状可以让机械振动的能量 有效地耦合到固定构件内。

按照图7的固定构件1实施例包括两个元件。第一近端元件1.11通过 连接翼片1.21与第二远端元件1.12相连接。翼片比固定构件的尺寸要薄。 在固定构件压缩过程中翼片1.21破裂或熔化，也就是说，它们象征预定的 断裂或熔化点。第一元件1.11和第二元件1.12为楔形，每个包含斜坡1.11a 和1.12a，当这些元件被沿压缩轴线11作用的压缩力压向对方时，所述斜 坡沿着彼此侧向滑动。

在连接翼片1.21碎裂后，固定构件元件1.11，1.12在压缩力的影响下 彼此相对移位。因而图7的实施例是包含几个元件1.11，1.12的固定构件的 另一个例子，所述元件可沿着倾斜于压缩力伸展的表面(即斜坡)彼此相 对运动。在此实施例中，固定构件的外直径同样被压缩力引起的横向移位 所扩大。

如已经说过的那样，像连接翼片1.21这样用作预定的断裂或熔化点的 连接，也可以用于前面已讨论过的多零件实施例。

与压缩轴线11斜交的移位表面作为斜坡的设计(在各元件之间有或 者没有连接)也可以与图3和图5的实施例的特点相结合。

特别是，固定构件的元件中的一个可以用分离元件代替，这个元件不 必包含热塑材料，且具有像图5的张开元件类似的功能。

除了所示的实施例之外，按照图7的固定构件还可设计成热塑性的和 带水平(即垂直于圆柱体轴线)或倾斜切口的基本柱形(例如圆柱体)， 这些切口并不完全穿过此固定构件，而留下一些截面减小的区域。这些区 域用作预定的断裂或熔化点。此实施例可能对生产有利。

图8a显示按照本发明的固定构件1的另一个实施例。与前述各实施 例不同，在这个实施例中，固定构件的周向表面和压缩轴线之间距离的局 部扩大不一定是由于外截面面积的扩大。但是，在这个和其它类似的实施 例中，至少外表面沿压缩轴线的投影是扩大的。

固定构件基本上为销钉形状，但包含横向切口14，15和相应的收缩段 1.4，1.5。在固定过程中，这些收缩段起预定的熔化点的作用。当它们由于 机械振动的作用而熔化或至少软化时，压缩力使各收缩段之间的固定构件 部分向着彼此倾斜，从而使周向的固定构件表面和压缩轴线之间的距离局 部扩大，如图8b所示，此图示意地表示在固定之后的固定构件形状。被 压到物体内孔的侧壁上的区域用水平箭头标明。

或者，固定构件也可以只包含一个收缩段14，或具有不同截面的两个 收缩段(或可能多于两个收缩段)。特别是，固定构件可以包含更靠近耦 合输入面的较宽的收缩段。这可以使远离耦合输入面的收缩段在更靠近耦 合输入面的收缩段之前熔化，并可防止更靠近耦合输入面的收缩段在其它 收缩段之前熔化，从而防止机械振动向其它收缩段进一步传递。

图9显示按照本发明的固定构件1的实施例，它被设计成手风琴的样 式，其中用节点1.32连接的部分1.31在压缩力4的作用下被移到相对于 压缩轴线11更陡的位置。因此，固定构件的外截面被局部扩大。在图示 的实施例中，整个固定构件1为单一的部件，所以只需依靠固定构件本体 的形状就能产生节点1.32；也可以采用其它的节点装置。在某些场合下， 可采用一些措施来使机械振动被传到远离耦合输入面的区域。这些措施包 括提供刚性比热塑材料好得多的不熔化芯子。

图10中也显示这样的芯子，这个实施例与图3中的一个实施例类似。 等同于图3实施例的相应元件的元件将不再在这里详细说明。该芯子包括 两个可以相对运动的芯子元件41，42，第一芯子元件42在所示的实施例中， 包含基板42.2和毗邻的套管形段42.1。基板42.2的外面或内表面可用作 机械振动的耦合输入面。第二芯子元件41这里被设计成可在第一芯子元 件的套管形段42.1内运动的套管。在固定构件被压缩的同时，一个芯子元 件在另一个芯子元件内滑动。

除了两部件芯子，也可以是单件芯子或多部件芯子。单件芯子不延伸 穿过固定构件的整个长度(相对于压缩轴线11而言)，因为这将使固定构 件不可能被压缩。

图11显示按照本发明中图5所示的那类固定构件1的结构。与后者 不同，这里没有分离的张开元件，而且工具3包含楔形或斜坡形耦合输出 面3.1，后者是由直径比轴部分3.4大的远端部分3.7形成的。楔形或斜坡 形耦合输入面3.1用来将机械振动和压缩力耦合到固定构件内以及使固定 构件张开。

而且，在图11的结构中使用了工具3在拉伸力作用下的原理。因此 图11的结构也适用于具有底部的孔(所述底部不适合于承受负载)，或如 图11所示的通孔(隧道)。

使工具承受拉伸力负载的、将力耦合到固定构件的原理对应于本发明 第二种形式。此原理也可用于不被所述的力压缩的固定构件。下面结合图 12至16来说明这类结构。

图12a和12b用截面图和顶视图显示物体21，它包括槽形(不是圆形) 孔21.1，它像隧道从一个表面伸至相对的表面。图12a还显示带轴3.4和 伸出部分的工具3。在所示的实施例中，伸出部分是方位垂直于轴的横梁 3.6。两个热塑材料的固定构件(可以是带实心的非热塑芯子)按可倒置的 方式固定在横梁3.6上。

如图12a所示，其上附接着固定构件的工具3，首先从物体的近侧运 动穿过孔运动直至固定构件1完全处在该物体外面(也即在物体的远侧)。 接着，如图12c所示，工具绕着它的轴3.4所界定的轴线旋转例如90°。 然后，如前述各实施例所述，力被耦合到固定构件内，从而将固定构件的 热塑材料压靠到该物体上。这是通过将工具向回拉而将固定构件压靠到物 体的后侧而实现的。在力作用于固定构件的同时，机械振动通过工具的耦 合输出面3.1耦合到固定构件内，此输入面在这里由固定构件固定在其上 的横梁的近侧表面提供。这使得固定构件的热塑材料部分熔化并被压入该 物体内。在机械振动停止之后，热塑材料重新固化并形成与物体的形状配 合连接。

接着如图12d所示，通过轻轻一推使工具从现在固定在物体上的固定 构件脱离，从而使该工具被移去。然后，使工具回到原来的方位，在该方 位伸出段可相匹配地穿过孔21.1并缩回。或者，对于图示的实施例的替代， 也可以让工具在固定后留在物体内并在那儿承担别的任务。也可以仅仅取 下工具的一部分(例如轴)，而保留其它部分(例如伸出部分)并承担别 的任务。在此情况下，该工具不是单一单元，而是按可逆的方式将轴和伸 出部分相互附接起来(例如用螺纹附接在一起)。

示于图12a至12d的本发明实施例也适合于从“后面”(也即从不容 易接近的一侧)连接两个件以形成一物件，这两个件在固定之前是彼此完 全分开，或只通过弱连接而相接的。在这种情况下，工具不是像图1b所 示那样引入孔中，而是通过所述两个件之间的间隙引入。工具的伸出部分 在固定后留在原位，并用作刚性连接该物体的这两个件的桥梁。

在所示的实施例中，在施加机械振动之前，在物体内不提供用来安置 固定构件的开口。物体内的孔21.1只用来安置工具。固定构件是通过作用 于其上的力而被推进物体内，其中固定构件的尖端和/或轴向伸展的刃口 (最好不用可熔化材料制成)帮助固定构件穿入物体内。

可以在机械振动之前施加将固定构件推入物体材料(例如，木材或类 似材料)内的力。或者代替图示的结构，也可以在物体内提供一些开口， 这些开口的直径小于固定构件的直径。

可以提供以下的变型：

*代替图示的两个固定构件，此方法也可以是只有单个固定构件或两 个以上的固定构件。

*工具的伸出部分可以是对其功能及振动和力的传递优化过的任意 形状。

*根据情况，可以从后面(也即从远侧)引入工具以及固定构件，这 样就只需要让轴通过孔。

图13显示本发明另一个实施例。在物体21内设置具有恒定截面的通 孔(例如，具有圆截面的通孔)。自远侧至近侧逐渐变细的固定构件1从 后面引入，也即从远侧引入孔内。固定构件借助于工具3(它与固定构件 的近侧接合)被拉入孔内。这时拉伸力作用在工具上(工具受到拉伸力负 荷)。在拉伸力起作用的同时，机械振动被耦合到固定构件内。此振动和 稍带锥形的固定构件引起固定构件周向表面区域中的热塑材料熔化，并被 压进物体中的孔的侧壁上的微孔或其它腔室内。

在此实施例中，拉伸力不仅影响工具，而且也影响固定构件，故需将 工具和固定构件牢固地连接，下面将对此作详细说明。

作为一种变型(但通常不是优选的)，在固定构件为(旋转)圆柱形 时，把孔做成朝着近侧逐渐变细。

作为另一种变型，物体内的孔可以是阶梯形，这时远侧的宽度比近侧 宽。相应的固定构件可包含在固定过程中与孔的台阶相接合的台肩。

通过拉力来固定的固定构件的另一些实施例是可以想到的。

图14a的结构具有稍带锥形的固定构件1，它借助于沿着物体内孔的 轴线的工具3而被移动，就像按照图13的固定构件，其中耦合到固定构 件的力将工具置于拉伸力负荷之下，也即作用于固定构件上的力是指向振 动发生器相反的方向。不过，与图13的结构相反，作用于固定构件1的 力为压力(也就是推力)。为此目的，固定构件包含中心孔1.9，在所示的 结构中，它在固定过程中沿着平行于物体内孔的轴线伸展。带基板3.5的 工具轴3.4穿过孔1.9。与图4所示相同，耦合到固定构件的力和机械振动 从工具通过基板传至固定构件。在固定之后有三种处理工具的方法。

首先，只要物体内的孔是通孔，则把工具与振动发生器分开并从远侧 移去。其次，工具还是与振动发生器分开，并和固定构件保持在一起，在 这种情况下完成预定的功能，例如用来附接另一些物件。第三，工具在固 定后被拆掉，例如，将轴3.4与底板3.5分开。

还可以有下面一些变型：

*物体内的孔和固定构件的截面不是圆形。

*如果凹孔1.9和基板3.5的截面不是圆形，且基板3.5能在一个特定 的旋转位置运动穿过凹孔1.9，则工具可作为一个整体从近侧移去。

*固定构件不一定是锥形。因而物体中的孔可以是朝近侧变窄。虽然 提供这样的孔通常很困难，但仍然有些情况下这样做比较好。

*固定构件和物体中的孔也可以是圆柱形等，即它们的截面沿其轴线 保持不变。此外，固定构件的截面比物体中的孔稍大，因而固定构件通压 紧配合保持在孔内。摩擦力足够强，以足够充当被工具耦合到固定构件中 的力的反力。或者也可以在此实施例中使用反向元件。

图14b显示另一个实施例。固定构件1有台肩1.10，它在固定过程中 被压在物体的相应台肩上。在图示情况下是孔的口形成物体的台肩，但它 也可以设计成阶梯形或其它的变宽形式。图14b是本发明第二种形式实施 例的另一个例子，这时固定不一定发生在孔的侧壁内。

下面的图15至17显示按照本发明第三种形式的实施例。按照图15 和16例子的结构也对应于本发明第二种形式。

在图15的结构中，在物体21内设有通孔或盲孔，在固定之前固定构 件被引入该物体内。固定构件1包含贯通的或不通的凹槽。工具3包括轴 3.4和从远侧向近侧(它在这儿附接到所述轴)逐渐缩小的楔块3.7。在固 定过程中拉力4将楔块拉过固定构件1的凹槽，因而使固定构件扩大。固 定构件的周边区域压靠在物体内的孔的侧壁上。同时耦合到固定构件内的 机械振动造成热塑材料熔化，并在熔化处与物体相接触且被压入物体中的 腔室内。更有利的是，机械振动还使热塑材料至少在凹槽和周边区域之间 软化。这种软化使得固定构件在工具取出后没有张力，从而防止力径向向 内作用于固定在物体内的周边区域上。

在拉力作用于工具的同时，平衡构件31防止固定构件从孔中被拉出。 在所示的例子中，固定构件1包含辅助设备(这儿是尖角形的能量定向器 1.8)，它有助于可熔化材料的熔化。按照本说明书所述的本发明其它实施 例，也可以将能量定向器装在固定构件上。

图16表示与图15类似的实施例，不过其中工具的形状有所不同。工 具的远端部分不是楔形，而做成例如球形隆起3.7的样子。在固定过程中 这个远端部分被牵拉穿过固定构件，与此同时热塑材料被熔化，并引起有 利的固定构件的塑性扩张，如图15的例子所示。

或者，该工具包含的不是轴3.4，而是非刚性构件，例如线或缆索， 用来牵拉远端部分穿过固定构件。此远端部分同样可以是像图16中的球 形。

还可以有其它的替代方案：

*工具的加厚远端部分3.7可以具有许多不同的形状；该远端部分最 大的截面必须总大于固定构件中凹入的最小截面，并小于物体内的孔的截 面。

*固定构件1的凹入不一定是贯通的；另外，工具可以是在固定过程 之前已经被置于设计成盲孔的凹口内，然后在固定过程中移动深入到该凹 入内或从此凹入取出来。这种结构的好处是，可以将适当的工具和固定构 件一起销售和贮藏，且该工具还可以帮助固定构件定位。

*物体内的孔既可以是通孔，也可以是盲孔。

*在固定过程中固定在该物体上的另一个物体，可以被安置在工具和 固定构件之间，或者固定构件和物体内孔的侧壁之间，这也适用于按照本 发明第三或第一种形式的其它实施例。

图17是按照本发明第三种形式的另一实施例，其中在固定过程中用 来扩张固定构件的力当作压缩负荷作用在工具上。虽然在按照图15和16 中一个的实施例中，固定构件的远端部分3.7必须包含截面从近侧到远侧 逐渐增大的元件，但在如图17的实施例中，其中工具处于压缩负荷之下， 则使用截面从远侧至近侧逐渐增大的远端部分更为有利。在所示的实施例 中，工具的远端部分就是这样设计的。

对于使固定构件扩大的力作为压缩负荷作用于工具上的那些实施例， 不需要把工具远端部分加厚来实现朝着近侧逐渐变细。它可以是例如圆柱 形，甚至可以是朝着远侧逐渐变细。

图17所示的实施例中，工具呈杯形并靠在物体内孔的底部。固定构 件也可以是管形或包含凹槽的其它形状。

图17所示的实施例中，工具3可以做成在固定后可将它取出的形状， 例如，把它做成朝远侧逐渐变窄。或者，也可以把工具做成这样的形状， 让它包含夹持结构(在所示实施例中为凸肩)，且在固定过程之后它本身 就用作固定构件。图17a中的工具包含螺纹3.21，它与另一个元件91的 螺纹91.1相配合，此元件在图中示意地用螺母表示，它将板92固定在结 构物体21上。

按照图11实施例的工具除了压缩固定构件的作用外，在某种程度上 还具有扩大作用。因此，按照图11的结构与本发明的第一和第二及第三 种形式相一致。

按照本发明第三种形式的固定构件最好全部用热塑材料制成。非热塑 元件可以设在例如杯形固定构件的基部，或不希望它扩大的区域的周缘， 或设计成加强元件并置于不妨碍扩大的地方。对于管形或杯形固定构件的 情况，这样的加强装置可以是细长的形状，并沿轴向在固定构件的周向表 面上延展。

在按照本发明第一和第三种形式的所有实施例中，固定构件内的开口 (如果有的话)不一定要在中央。可以采用相应的非对称性结构，以按特 定方式使固定构件一侧的热塑材料比另一侧更早地熔化或塑化，或者让热 塑材料只在一侧熔化或塑化。

*另外，在工具处于压缩负荷的情况下，可以采用平衡构件31。此元 件作用在固定构件的远侧，例如用穿过工具中心的轴固定，如图18所示， 该图示出了按照本发明第一种形式的例子。在此类情况下，对于按照本发 明第一种形式的各实施例，工具3在力4耦合到其中时不一定必须要运动， 而将反力51耦合到固定构件内的平衡构件31在固定过程中可以运动。也 可以是工具和平衡构件的组合运动。还可以把平衡构件31设计成工具， 因而它也把机械振动耦合到固定构件内，也即机械振动是从两侧被耦合到 固定构件内。最后，平衡构件也可以用非刚性元件(如线或绳)从近侧保 持住。也可以把多零件的固定构件实施例(如图3a、3b、3c中的一个) 的远端部分1.11；1.14用这种非刚性元件固定，后者例如延伸穿过固定构 件的远端元件内的孔眼。这种结构的好处是，在固定之后，该非刚性元件 可以通过切断且随后从近侧将它拉出从而被移去。

在所有按照本发明第二种形式设计的实施例中，将耦合到固定构件内 的力4是作用于工具3上或者如需要的话在平衡构件31上(如图18的结 构所示)的拉伸力。这要求在振动装置上有适当的耦合装置，它不仅需要 适合于拉伸力负荷，而且还适合于在拉伸力负荷下进行机械振动的传递。 这类耦合装置本专业技术人员都熟悉。它们常常是基于形状配合(如螺纹 连接，按扣，卡口式连接等)或材料配合(胶粘，焊接或钎焊连接)或摩 擦配合(夹紧连接)。这里不再对这类大家都熟悉的耦合装置作进一步讨 论。形状配合的耦合装置的原理示于图19。这种耦合可以采用按图所示的 形式或者别的形式。振动装置包含伸到工具3近端缝隙内的扩展件，它朝 远端方向变宽，所以可传递拉伸力。为把工具耦合到振动装置内，它们垂 直于图19的平面彼此相对运动。也可考虑做成燕尾型或类似的变型。在 如图13所示的实施例中，也可以用这些或其它的耦合装置将拉伸力从工 具3传至固定构件1。

固定过程要求将力加到固定构件上。在本发明第二和第三种形式的大 多数实施例及第一种形式的许多实施例中，而且当然还有它们的联合形式 的实施例中，这个力是加到工具3和平衡构件之间，而不是工具和物体本 身之间。按照本发明的特定原理(它可适用于力加在固定构件和平衡构件 之间的所有场合)，这个力可由使用此方法的人用手施加。或者力也可以 利用某种机械(只需要由人启动它)来施加。另外，这类装置可提供非常 明确的力。

这类机构的例子是如图20很粗略地显示的弹簧机构。在图20的实施 例中，工具3在固定之后保持在原位，并具有另外的功能。在固定后可熔 化材料粘在工具上的实施例中，可以把此工具看作固定后的固定构件的一 部分。在图20中固定构件1只画成管形；但它可以包含缝并具有如图1a 至2b所示的结构。工具和固定构件两者可以是本文或本发明任何其它实 施例所示工具和/或固定构件的结构。在固定过程中刚性连接到工具3的超 声装置81和固定构件1之间安置了弹簧82。弹簧将力施加在固定构件和 (经超声装置81)工具之间。弹簧的结构应使力足以满足固定过程的需要， 因而在施加机械振动时工具被这个力压靠在固定构件上。这种方法对于在 固定过程中力应该明确确定的场合有利。

在本发明显示的“施力机构”实施例形式中，弹簧与固定构件直接接 触，弹簧的远侧表面被用作平衡构件。但是，可以在弹簧和固定构件(未 示出)之间安置分隔用的(例如板形)平衡构件。有了板形平衡构件还有 另外的好处，即固定构件的近端位置在固定过程中是被限定的。

图20的实施例的另一个特点(它可在本发明其它实施例，特别是第 二和第三种形式的实施例中实现，而且与“施力机构”无关)，是工具3 具有钻孔功能。为此目的，工具3包含远端表面3.10，其结构设计成可打 入结构材料内。此远端表面可以是尖形，而且还可以包含铰孔装置，例如 WO2005/079696中所介绍的。

在固定后工具3保留在原位的实施例中，工具往往具有较大的截面的 远侧部，此远侧部被安置在固定构件主要部分的远侧(见图4，图20)。 在所需的力作为压缩力施加在工具上的实施例中，往往不作这样的选择， 因为在固定过程中那时工具已被“向前”移动，也即向着远侧移动。图21 表示这种“向前”移动的实施例，但其中工具在固定后可以保持在固定时 的原位。为此目的，工具设有保持机构3.13使得工具在固定后被固定构件 1保持住。图21还显示了线索3.12，它可以用来将某些其它物体固定在固 定构件上。

图22a和22b显示本发明第二种形式的另一个实施例，它特别适合于 将固定构件固定在板形物体上。工具3带铰孔装置3.14，其外直径大于轴 3.4的直径。此工具首先利用铰孔装置在物体上钻孔。然后将管状固定构 件1推到轴上。固定构件1的外径和内径可使它通过所述孔，但紧靠在铰 孔装置3.14上。为了固定，通过拉拔工具3将固定构件压靠在平衡构件 31上，固定构件被压缩在工具和平衡构件之间。可熔化材料在与物体材料 接触时熔化，且若这种结构材料是没有多少孔隙的硬材料，它可能泄漏到 物体的远侧上，形成鼓起并因而成盲铆钉的样式。

工具可以不包含铰孔装置，而是包含末端扩大部分，力可通过它作用 于工具上，且物体内的孔可以用不同于此工具的器械打出。

参见图23a，23b，24a，24b和25，它们显示本发明第三种形式其它一 些例子。这里所示的固定构件1实施例包括由热塑材料组成的固定构件段 (在所示两个实施例中，固定构件都由所述段组成)，在固定过程中工具3 的远端部分伸入该段的内部，同时在固定过程中使该固定构件段从内部张 开。这样就在固定构件和物体表面之间的交界面上产生横向力，从而改善 结构材料侧壁的固定情况。所示的实施例显示固定构件被工具从内部张开 的两种可能性：

-在固定过程中工具3被驱入到固定构件内，从而使外截面扩大(图 23a、23b)。所示实施例中的工具包括倒剌形结构，以使工具在固定后牢 固地保持在固定构件内。

-工具不是旋转对称的并在固定过程中旋转，同时不让固定构件旋转 (图24a、24b，25)。在图24a，24b中，工具包含多个偏心体3.11，而在 图25中工具和固定构件内的开口两者都是平移对称的而不是旋转对称的， 同时在所示实施例中截面为六角形。图中的固定构件1包含倒剌形凸起 1.31，以防止旋转。

图21-23的实施例是本发明这样的实施例的所有(其它)例子：其 中工具3在固定过程后保留在原位，且可用作紧固件。因此，这些图的实 施例也对应于本发明上述其它形式。图26-29显示其它的变型，其中本 发明的第一、第二和/或第三种形式可用来将紧固件固定到结构物体上，同 时紧固件用作工具3，它在固定过程中将机械振动和力耦合到固定构件内。

示于图26a的固定构件1属于例如图3a和4所述的那一类。它被固 定在例如由比较软和/或脆的材料(如石膏和木材复合板)制成的板21上。 因为板21是通过间隔支座102固定在壁101上，故在板后面有一个空腔。 按照本发明的方法可以将工具3(它在固定后用作紧固件，图中是利用螺 纹3.21来实现)牢固地固定在比较薄弱的板上，因为在固定过程中已熔化 材料主要被压到横向方向，并不会引起板在与固定构件的交接界面上被撕 裂。图26b表示在固定过程之后的情形。

图26a还表示在平衡构件31和工具3之间通过弹簧构件82产生力的 情形，在所示实施例中，包含许多由弹簧导向件83引导的弹簧。

图27的装置的不同之处在于，工具3和固定构件对应于本发明的第 三种形式，而且是如图11或17所示的那一类(不过，是按照第二种形式 的“向后”固定)。

图26a，26b和27显示，按照本发明三种形式中任何一种的方法，特 别适合于将紧固件固定在例如带有比较薄弱的壁的空心物体上。

图28和29显示本发明第三种形式的实施例，用来将紧固件/带紧固件 头(“钉子”)的工具3固定到结构材料物体21上。此工具在固定过程中 让固定构件1张开并被熔接到上面。由于本发明的方法是把固定构件作为 一种榫钉以固定紧固件3，当钉子被驱入进去时，也可以把紧固件固定在 通常会撕裂和/或剥落的材料(例如纸板，质量差的木材混合料，石膏等) 中。这是因为熔化材料渗透到液体状态的材料结构内(因此没有剪切力)， 而且在重新固化后被固定在材料内比较深的地方。

在所示各实施例中，是利用紧固件将板106钉到物体上，这当然决不 是紧固件的唯一用途，而只是一个示例而已。

图29的实施例与图28的基本实施例的不同之处在于，除了用固定构 件1的刚性配合外，工具3也被紧固，就像普通钉子或销钉通过尖端3.31 被驱入结构材料21，同时固定构件和工具的结构使得固定构件还沿向前的 方向(如图中箭头所示)被压入结构材料内。

按照本发明所有形式的所示或其它实施例的固定构件、装置和固定方 法，在固定构件和物体间的牢固连接很重要的各种情况下可以广泛应用。 具体应用可参阅其内容被本说明书引用作参考的专利申请出版物 WO98/42988，WO00/79137和WO2006/002569。