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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zum Anfügen von Magnesium an Magnesium oder zum Anfügen von Magnesium an ein anderes Metall- oder Nichtmetallsubstrat unter Verwendung eines Polymerpropfens.
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HINTERGRUND
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Dieser Abschnitt betrifft Hintergrundinformation in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung, der nicht unbedingt Stand der Technik ist.
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Metallbleche werden aneinander gefügt, um bauliche Komponenten, kosmetische Komponenten zu formen oder für andere Zwecke. Um eine beispielhafte bauliche Komponente zu formen, können die Bleche durch Verwendung von Befestigungseinrichtungen, wie Schrauben und Nieten, aneinander gefügt werden, die aus rostfreiem Stahl oder einem anderen Material hergestellt sein können.
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Bei Kraftfahrzeuganwendungen werden verschiedene Typen von Metallblechen für verschiedene Zwecke verwendet. Beispielsweise kann Magnesium als das Metallblech aufgrund seiner hohen Festigkeit und seinem relativ geringen Gewicht gewählt werden. Jedoch besteht, wenn zumindest ein Magnesiumblech verwendet wird, ein Problem in einer galvanischen Korrosion an der Grenzfläche einer Nicht-Magnesium-Befestigungseinrichtung und dem Magnesiumblech oder an der Grenzfläche des Magnesiumblechs und irgendeinem anderen Nicht-Magnesiumblech, das an das Magnesiumblech angefügt ist. Somit bestehen Beschränkungen bei der Herstellung unter Verwendung von Magnesium und Magnesiumlegierungen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung dar und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollständigen Schutzumfangs oder all ihrer Merkmale.
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Gemäß verschiedenen Aspekten sehen die vorliegenden Lehren Verfahren zum Anfügen eines Magnesiumsubstrats an ein zweites Substrat vor. Ein Bereich des Magnesiumsubstrats wird mit einem Bereich des zweiten Substrats ausgerichtet, um eine Überlappung bereitzustellen. Ein Bereich der Überlappung wird verformt, um eine Fügestelle bereitzustellen. Ein Polymermaterial wird in die Fügestelle angeordnet.
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Gemäß anderen Aspekten sehen die vorliegenden Lehren Verfahren zum Anfügen eines Magnesiumsubstrats an ein zweites Substrat vor. Ein Bereich des Magnesiumsubstrats und ein Bereich des zweiten Substrats werden ausgerichtet, um eine Überlappung bereitzustellen. Die Überlappung wird zwischen einer ersten Matrize und einer zweiten Matrize positioniert. Ein Polymer wird von der ersten Matrize zu der Überlappung eingespritzt, um zu bewirken, dass sich die Überlappung zu der zweiten Matrize verformt und mit einer Fläche der zweiten Matrize in Kontakt tritt. Das Polymer wird dann verfestigt, um das Magnesiumsubstrat und das zweite Metallsubstrat zu verriegeln. Die neu geformte Baugruppe wird von dem Matrizensatz entfernt.
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Gemäß noch weiteren Aspekten sehen die vorliegenden Lehren Verfahren zum Anfügen eines Magnesiumsubstrats an ein zweites Substrat vor. Ein Bereich des Magnesiumsubstrats und ein Bereich des zweiten Substrats werden ausgerichtet, um eine Überlappung bereitzustellen. Das Magnesiumsubstrat und/oder das zweite Substrat umfassen eine nicht leitende Beschichtung, die mit dem anderen jeweiligen Substrat in Kontakt steht. Ein Bereich der Überlappung wird verformt, um eine Fügestelle bereitzustellen, während die Überlappung intakt gelassen wird. Ein Polymermaterial wird in die Fügestelle angeordnet.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorgesehenen Beschreibung offensichtlich. Die Beschreibung und spezifische Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
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ZEICHNUNGEN
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken gewählter Ausführungsformen und nicht aller möglicher Implementierungen und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
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1A–1F zeigen einen beispielhaften Prozess zum Anfügen eines Magnesiumsubstrats an ein zweites Substrat gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Lehren,
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2A–2C zeigen einen beispielhaften Prozess zum Anfügen eines Magnesiumsubstrats an ein zweites Substrat unter Verwendung hydrostatischer Kraft von einem strömenden Polymer gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Lehren; und
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3A–3C zeigen einen beispielhaften Prozess zum Anfügen eines Magnesiumsubstrats an ein zweites Substrat, wobei die Substrate eine Zwischenschicht besitzen, gemäß den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehren.
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Entsprechende Bezugszeichen geben über die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen hinweg entsprechende Teile an.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es sind beispielhafte Ausführungsformen vorgesehen, so dass diese Offenbarung vollständig ist und den Schutzumfang dem Fachmann vollständig vermittelt. Es sind zahlreiche spezifische Details dargestellt, wie Beispiele spezifischer Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein vollständiges Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Es ist dem Fachmann offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können, und nicht so ausgelegt werden sollen, dass der Schutzumfang der Offenbarung beschränkt wird. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen sind gut bekannte Prozesse, gut bekannte Vorrichtungsstrukturen und gut bekannte Technologien nicht detailliert beschrieben.
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Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht zur Beschränkung bestimmt. Wie hier verwendet ist, können Singularformen ”ein”, ”eine” und ”der, die, das” dazu bestimmt sein, genauso die Pluralformen zu enthalten, sofern es der Kontext nicht anderweitig deutlich angibt. Die Begriffe ”umfassen”, ”umfassend”, ”einschließlich” und ”mit” sind inklusive und legen daher die Anwesenheit festgelegter Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Betriebsabläufe, Elemente und/oder Komponenten fest, schließen jedoch nicht die Anwesenheit oder den Zusatz eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Betriebsabläufe, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen daraus aus. Die Verfahrensschritte, Prozesse sowie Betriebsabläufe, die hier beschrieben sind, sind nicht so auszulegen, dass sie ihre Ausführung in der bestimmten Reihenfolge, die diskutiert oder veranschaulicht ist, unbedingt erfordern, sofern sie nicht als Reihenfolge der Ausführung speziell festgelegt ist. Es sei auch zu verstehen, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
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Wenn ein Element oder eine Schicht als ”an”, ”in Eingriff mit”, ”verbunden mit” oder ”gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben ist, kann sie sich direkt auf dem anderen Element oder der anderen Schicht, in Eingriff damit, verbunden damit oder gekoppelt damit befinden oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Im Gegensatz dazu braucht, wenn ein Element als ”direkt auf”, ”direkt in Eingriff mit”, ”direkt verbunden mit” oder ”direkt gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben ist, keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Ein anderer Wortlaut, der zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet ist, sei auf eine ähnliche Weise zu interpretieren (beispielsweise ”zwischen” gegenüber ”direkt zwischen”, ”benachbart” gegenüber ”direkt benachbart”, etc.). Der hier verwendete Begriff ”und/oder” umfasst jede und alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Objekte.
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Obwohl die Begriffe erstes, zweites, drittes, etc. hier dazu verwendet sein können, verschiedene Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe beschränkt sein. Diese Begriffe können nur dazu verwendet werden, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Die Begriffe, wie ”erstes”, ”zweites” und andere numerische Begriffe, wenn sie hier verwendet sind, implizieren keine Abfolge oder Reihenfolge, sofern es durch den Kontext nicht deutlich angegeben ist. Somit kann ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, wie unten beschrieben ist, als ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt ohne Abweichung von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden.
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Räumlich relative Begriffe wie ”innere”, ”äußere”, ”unterhalb”, ”unten”, ”untere”, ”oben”, ”obere” und dergleichen können hierin zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren gezeigt ist. Räumlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, unterschiedliche Orientierungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Orientierung zu umschließen. Zum Beispiel sind, wenn die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, Elemente, die als ”unter” oder ”unterhalb” anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben sind, dann ”über” den anderen Elementen oder Merkmalen orientiert. Somit kann der beispielhafte Begriff ”unten” eine Orientierung von sowohl oben als auch unten umschließen. Die Vorrichtung kann anders orientiert (um 90 Grad gedreht oder in anderen Orientierungen) sein und die räumlich relativen Deskriptoren, die hierin verwendet sind, entsprechend interpretiert werden.
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Bei verschiedenen Aspekten sehen die vorliegenden Lehren Verfahren zum Sichern eines Magnesiumsubstrats an einem zweiten Substrat vor, während einer galvanischen Korrosion entgegengewirkt wird. Der hier verwendete Begriff ”Magnesiumsubstrat” umfasst ein Werkstück oder Unterteil, das zumindest etwa 75 Gewichts-% Magnesium aufweist. Das zweite Substrat ist entweder ein anderes Magnesiumsubstrat oder ein verschiedenes Substrat, wie ein Metall- oder ein Nicht-Metall-Substrat, wie als nicht beschränkende Beispiele ein verstärkter Thermoplast. Das Werkstück ist ein Blech bzw. Flächenelement des Materials, das für die bestimmten Herstellzwecke geeignet ist. Beispielsweise ist bei Kraftfahrzeuganwendungen die Dicke des/r Blechs/e so gewählt, ob das Blech einen Abschnitt einer Türtafel oder einen Abschnitt einer Motorkomponente oder einer anderen Komponente bildet.
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”Blech” oder ein ”Flächenelement” der vorliegenden Lehren besitzen eine Dicke, die als eine Stärke gemessen wird, allgemein eine Stärke von 0 bis 36. Bei der Alternative besitzt das Blech oder das Flächenelement eine Dicke von größer als oder gleich etwa 0,1 Millimeter bis kleiner als oder gleich etwa 8,0 Millimeter, einschließlich aller Unterbereiche. Wenn mehrere Metallbleche verwendet werden, besitzen die Bleche entweder dieselbe Dicke oder verschiedene Dicken. Während bei der vorliegenden Offenbarung Blech detailliert ausgeführt ist, sind auch andere zu aneinander anzufügende Metallaufbauten (wie Rohre, Blöcke, Wicklungen, etc.) ebenfalls zum Sichern unter Verwendung der vorliegenden Lehren geeignet.
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Wenn ein Nichtmetall-Flächenelement verwendet wird, sind die Dicken dieselben, wie diejenigen, die oben detailliert dargestellt sind.
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Die ”galvanische Korrosion”, der gemäß verschiedenen Aspekten entgegengewirkt wird, betrifft ein Phänomen, bei dem ein weniger edles Metall (korrosionsanfälliger) als eine Anode wirkt und ein edleres Metall (weniger korrosionsanfällig) als eine Kathode wirkt, um eine Zelle oder Batterie zu bilden, bei der das unedlere Metall bevorzugt korrodiert. Wenn beispielsweise ein Magnesiummetall (unedel) in Kontakt mit rostfreiem Stahl (edler) gebracht wird, korrodiert bevorzugt das Magnesiummetall. Wenn das Magnesiummetall in Kontakt mit Nickel gebracht wird, das noch edler als rostfreier Stahl ist, wäre die Rate an galvanischer Korrosion aufgrund der erhöhten relativen Differenz des Edelmetallcharakters größer.
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Diese galvanische Korrosion bewirkt Lochfraß und anderen Oberflächenschaden. Wenn dieser Schaden an Nähten oder Grenzflächen zwischen Unterkomponenten eines Teiles auftritt, kann er die Langlebigkeit reduzieren, unerwünschte Risse oder Brüche bewirken und/oder in einer verminderten Leistungsfähigkeit des Teils resultieren. Eine galvanische Korrosion sollte verhindert werden, um eine vorzeitige und/oder unerwünschte Degradation von Komponenten zu vermeiden.
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Da Magnesium besonders für galvanische Korrosion anfällig ist, muss jedes benachbarte Substrat oder müssen jegliche benachbarten Befestigungseinrichtungen, die dazu verwendet werden, die Substrate aneinander zu sichern, sorgfältig gewählt werden. Bei den vorliegenden Lehren verwenden die Verfahren Polymerbefestigungseinrichtungen im Gegensatz zu Metallbefestigungseinrichtungen, da Polymere mit dem Magnesiumsubstrat allgemein nicht reaktiv sind und besonders für die offenbarten Fixierungstechniken geeignet sind. Folglich sehen die Verfahren ein unter geringem Gewicht erfolgendes Aneinanderfügen von Magnesiumstücken ohne die Verwendung von Stahlnieten vor, die eine ernsthafte galvanische Korrosion unterstützen können. Dies verhindert Rissbildung des Magnesiums, die gelegentlich während eines Einsetzens selbststanzender Stahlnieten auftritt. Zusätzlich zu dem Verhindern der Rissbildung verhindert die Verwendung der Polymerbefestigungseinrichtungen der vorliegenden Lehren ferner das bauliche Verrotten, das durch galvanische Korrosion bewirkt werden kann.
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Bezug nehmend auf die 1A–1D ist ein beispielhaftes Verfahren gemäß den vorliegenden Lehren unter Verwendung einer Baugruppe 100 gezeigt. Wie in 1A gezeigt ist, sind ein erstes Substrat 10 und ein zweites Substrat 12 ausgerichtet, um eine Überlappung 14 bereitzustellen. Während nur zwei Substrate 10, 12 gezeigt sind, sei zu verstehen, dass mehr als zwei Substrate innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren verwendet werden können. Ferner können das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 12 verschiedene Größen, Formen oder Dicken besitzen.
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Die Überlappung 14 ist in einer Matrize 20 angeordnet. Die Matrize 20 ist in einer allgemein geformten Matrize gezeigt, die einen oberen Abschnitt 22 und einen unteren Abschnitt 24 aufweist. Der untere Matrizenabschnitt 24 definiert einen Matrizenhohlraum 26, der durch die innere Matrizenwand 28 definiert ist.
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Die Überlappung 14 ist zwischen dem oberen Matrizenabschnitt 22 und dem unteren Matrizenabschnitt 24 eingespannt. Wie in 1B gezeigt ist, ist die Überlappung 14 durch den oberen Matrizenabschnitt 22 vollständig umgeben. Während die vollständig umgebene Überlappung 14 in den vorliegenden Lehren detailliert dargestellt ist, sei zu verstehen, dass die Überlappung 14 einen Teilumfang herum, wie durch die Kontur des oberen Matrizenabschnitts 22 und/oder des unteren Matrizenabschnitts 24 beispielsweise an diskreten Punkten (d. h.: zwei oder mehr separate Punkte, die voneinander beabstandet sind) oder als eine getrennte Form (d. h. eine J-Form oder einen Halbkreis als nicht beschränkende Beispiele) besitzen kann.
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Das Ausrichten des ersten Substrats 10 mit dem zweiten Substrat 12, um die Überlappung 14 zu bilden, erlaubt ein Sichern des ersten Substrats 10 an dem zweiten Substrat 12. Als ein nicht beschränkendes Beispiel zum Sichern ist Vernieten zur Verwendung beiden vorliegenden Lehren geeignet. Das Vernieten wird dazu verwendet, Substrate, wie Metallbleche und Nichtmetall-Flächenelemente aneinander zu befestigen. Das Vernieten umfasst ein Prägen oder anderweitiges Formen entsprechender Vertiefungen in zumindest zwei gestapelten Blechen, um die Bleche mechanisch aneinander anzupassen.
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Bei gewählten Aspekten wird entweder der obere Matrizenabschnitt 22 oder der untere Matrizenabschnitt 24 elektrisch oder thermisch mit einer Wärmequelle verbunden, um entweder das erste Substrat 10 und/oder das zweite Substrat 12 oder beide zu erwärmen. Durch Erwärmen eines oder beider der Substrate wird der für die Verformung erforderliche Kraftbetrag aufgrund der wärmeinduzierten Formbarkeit des ersten Substrats 10 und/oder des zweiten Substrats 12 reduziert. Die Erwärmung kann bis zu einer Erweichungs- oder Verformungstemperatur des jeweiligen Metall- oder Nichtmetallsubstrats erfolgen. Wie hier verwendet ist, ist die Erweichungs- oder Verformungstemperatur eine Temperatur, die kleiner als der Schmelzpunkt des jeweiligen Metalls, jedoch größer als die Temperatur ist, bei der das jeweilige Metall fest ist, wie es dem Fachmann bekannt ist.
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Durch Erwärmen der Substrate 10, 12 ist die Wahrscheinlichkeit zur Rissbildung stark reduziert.
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Beispielsweise beträgt mit der Magnesiumlegierung AZ31B die Schmelztemperatur etwa 630 Grad C, um eine flüssige Legierung bereitzustellen. Die Erweichungstemperatur ist eigentlich ein Bereich von Temperaturen, der kleiner als der Schmelzpunkt ist. Eine beispielhafte Erweichungs- oder Verformungstemperatur der AZ31B-Magnesiumlegierung liegt zwischen etwa 250 Grad C bis etwa 500 Grad C einschließlich aller Unterbereiche.
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Die Überlappung 14 sieht die Bereiche des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 12 vor, die verformt werden. Bei gewählten Aspekten wird die Überlappung 14 verformt und nicht durchstochen oder anderweitig zerstört.
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Bezug nehmend auf 1C ist eine knollige Spitze 40 so gezeigt, dass sie gegen die Überlappung 14 in einem kreisförmigen Muster gedrückt wird, das durch die Pfeile 42 und 44 angegeben ist. Wenn die knollige Spitze 40 gedreht wird und einen Druck auf das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 12 ausübt, wird die Überlappung 14 zu der Innenwand 28 der Matrize 20 vorgeschoben. Wenn die Überlappung in engem Kontakt mit der Innenwand 28 steht, presst die knollige Spitze 40 die Überlappung 14 gegen die Innenwand 28, die ihrerseits der Kraft von der knolligen Spitze 40 widersteht, um die Überlappung 14 zu formen und zu bewirken, dass diese mit den Konturen einer Innenwand 28 der Matrize 20 in Kontakt tritt. Gemäß anderen Aspekten passt die knollige Spitze zumindest einen Abschnitt der Form der Innenwand 28 der Matrize 20 an.
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Die mehreren kreisförmigen Muster, die durch Pfeile 42 und 44 gezeigt sind, stellen sicher, dass die verformte Gestalt der Überlappung 14 mit der Gestalt der Innenwand 28 zusammenpasst. Die kreisförmige (oder andere gerichtete) Bewegung der knollige Spitze 40 wird fortgesetzt, bis das gewünschte Niveau an Konturierung erreicht ist. Ferner ist die knollige Spitze 40 in der Lage, sich aufwärts und abwärts zu bewegen, um die Überlappung 14 gegen die Innenwand 28 zu drücken. Das Formen der Überlappung 14 resultiert in einer Befestigung der Bleche 10 und 12 und insbesondere des Blechs 12, das eine Hinterschneidung besitzt, um ein Abziehen zu verhindern.
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Wie oben angemerkt ist, werden das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 12 und optional zumindest ein Abschnitt der Matrize 20 (und somit zumindest ein Abschnitt des ersten Substrats 10 oder des zweiten Substrats 12) in gewählten Aspekten erhitzt, um eine Verformung der Überlappung 14 durch die knollige Spitze 40 leichter zu ermöglichen. Die verformte Überlappung 14, wie in 1C gezeigt ist, bildet eine Vertiefung für einen Polymerpropfen 50, wie in 1D gezeigt ist. Der Polymerpropfen 50 hält die Form der Vernietung und verhindert auch eine Migration von Feuchtigkeit und Schmutz. Zunächst ist eine allgemeine Beschreibung des Polymerpropfens 50 vorgesehen, gefolgt durch beispielhafte Materialien, die zum Gebrauch als Polymerpropfen 50 geeignet sind.
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Der Polymerpropfen 50 sichert die Fügestelle 60. Bei verschiedenen Aspekten wird der Polymerpropfen 50 in der Fügestelle 60 platziert oder in der Fügestelle 60 komprimiert, so dass er in verschiedenen Orientierungen in Bezug auf das erste Substrat 10 oder das zweite Substrat 12 sitzt. Wie in 1D gezeigt ist, sitzt der Polymerpropfen 50 in Bezug auf die obere Fläche 34 des zweiten Substrats 12 hervorstehend. Wie in 1E gezeigt ist, sitzt der Polymerpropfen 50 in Bezug auf die obere Fläche des zweiten Substrats 12 hervorstehend und erstreckt sich auch über einen Bereich des ersten Substrats 10. Diese Erstreckung 52 sieht eine zusätzliche Barriere für die Grenzfläche des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 12 vor. Wie in 1F gezeigt ist, sitzt der Polymerpropfen 50 bündig mit der oberen Fläche 34 des zweiten Substrats 12. Ungeachtet der relativen Höhe des Polymerpropfens 50 ist die Fügestelle 60 vor ungewollter Migration von Wasser oder anderem Schmutz aufgrund von Kompression oder Härten des Propfens, wie später hier beschrieben ist, geschützt.
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Das zweite Substrat 12 weist eine obere Fläche 34 und eine untere Fläche 36 auf, während das erste Substrat 10 eine obere Fläche 30 und eine untere Fläche 32 aufweist. Die Orientierung des Polymerpropfens 50 in Bezug auf die obere Fläche 34 des zweiten Substrats 12 oder die obere Fläche 30 des ersten Substrats kann durch Komprimieren des Polymerpropfens 50 modifiziert werden, sobald er in der Fügestelle 60 platziert wird. Die Orientierung des Polymerpropfens 50 ist auch durch Füllen der Fügestelle 60 mit mehr oder weniger von dem Polymer modifizierbar.
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Bei verschiedenen Aspekten ist das Polymer aus einem thermoplastischen Polymer oder einem warm gehärteten bzw. duroplastischen Polymer gewählt. Wenn das Polymer thermoplastisch ist, kann es leicht bei einer Temperatur geformt werden, die größer als die Glasübergangstemperatur oder Schmelztemperatur des Polymers ist, während eine maximale Festigkeit bei Umgebungstemperatur oder etwa 25 Grad C beibehalten wird. Geeignete Thermoplaste umfassen Polyamid oder Polypropylen für gewählte Anwendungen. Bei Strukturen, die dem Kraftfahrzeugfarben-Brennzyklus (160 bis 200 Grad C für zumindest 20 Minuten) ausgesetzt sind, können Hochleistungs-Thermoplaste mit relativ hoher Glasübergangs- oder Kristallisationstemperatur verwendet werden, wie Polyphthalamid, Polyphenylensulfid, Polyamidimid, Polyethersulphon und Polyarylenketon sowie andere.
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Duroplastische Polymere (Duroplaste) sind auch zur Verwendung bei den vorliegenden Lehren geeignet. Im Vergleich zu Thermoplasten demonstrieren Duroplaste eine überlegene Kriechbeständigkeit und Abmessungsstabilität und sind auch dafür geeignet, höheren Temperaturen ausgesetzt zu werden. Bei gewählten Aspekten sind dies Epoxide der B-Stufe oder ein quervernetzbarer Duroplast unterhalb seiner Glasübergangstemperatur. Epoxide der B-Stufe umfassen diejenigen, bei denen nur eine begrenzte Reaktion zwischen dem Harz und dem Härter stattgefunden hat, so dass das Produkt sich in einem halb gehärteten, hochviskosen, jedoch verformbaren Zustand befindet. Bei verschiedenen Aspekten wird die Verformung bei leicht erhöhten Temperaturen erleichtert. Abhängig von ihrer Formulierung findet die teilweise Härtung derartiger Epoxide der B-Stufe bei Raumtemperatur, etwa 25 Grad C, oder bei erhöhteren Temperaturen statt.
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Geeignete Beispiele umfassen: Epoxidharze, wie Diglycidylether von Harz auf Bisphenol-A-Basis (wie diejenigen, die von Momentive Specialty Chemicals of Columbus, Ohio mit der Handelsbezeichnung Hexion Epon 828 vertrieben werden) oder Harz auf Novalac-Basis (wie diejenigen, die von Momentive Specialty Chemicals of Columbus, Ohio mit der Handelsbezeichnung Hexion Epon SU-2.5 vertrieben werden), gehärtet mit einem Amin-, einem Anhydrid- oder Imidazol-Härtemittel; nicht gesättigte Polyesterharze, wie diejenigen basierend auf Propylenglykol, das mit einem Peroxid gehärtet und optional mit Magnesiumoxid verdickt ist; und ein Vinylesterharz (wie diejenigen, die von Ashland Composite Polymers of Covington, Kentucky, mit der Handelsbezeichnung Derakane vertrieben werden), das mit Peroxid gehärtet und optional mit Magnesiumoxid verdickt ist.
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Polymerpropfen 50, die aus duroplastischen Polymeren hergestellt sind, können eine Härtung bei erhöhter Temperatur erfordern, so dass sie bei Raumtemperatur oder etwa 25 Grad C eingesetzt und gestaucht werden können. Nach Einsetzen und Stauchen erlaubt zumindest eine lokale Aufbringung von Wärme auf dem Polymerpropfen 50 ein Härten des Polymers und ein Entwickeln einer maximalen Festigkeit, um die Fügestelle 60 zu sichern oder zu verriegeln. Das Härten wird durch Verwendung von Wärmelampen, erhitztem Werkzeug oder durch Bringen der Fügestelle 60 (und des Werkstücks) in einen Ofen oder einen Brennofen, beispielsweise einen Farbbrennofen, durchgeführt. Beliebige Härteprozesse, die in der Technik bekannt sind, sind zur Verwendung bei den vorliegenden Lehren geeignet, einschließlich einem Aussetzen zu ultravioletter Strahlung oder einem Aussetzen zu Elektronenstrahlen.
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Optional weist das Polymer Faserverstärkungen auf. Geeignete Faserverstärkungen können Glas- und Aramidfasern umfassen. Kohlefasern sind ebenfalls geeignet, vorausgesetzt, sie können sicher von dem Magnesium isoliert werden. Gemischte Fasern sind ebenfalls geeignet und werden als eine Verflechtung, ein Bündel, eine Gruppe oder als einzelne Fasern bereitgestellt. Wenn Kohlefasern verwendet werden, werden die Fasern in dem Inneren einer geflochtenen Aramid- oder Glasfaserhülse als nicht beschränkende Beispiele positioniert, um eine Isolierung der Kohlefasern sicherzustellen. Die Fasern sind über den Körperquerschnitt gleichförmig verteilt oder beispielsweise selektiv positioniert, um eine selektive Verstärkung bereitzustellen oder ein Stauchen mit minimalem Faserschaden zu unterstützen, oder wie in dem Fall von Kohlefasern, um diese außerhalb eines möglichen Kontakts mit dem/den Werkstück(en) zu bringen. Natürliche Fasern, wie Bastfasern, einschließlich Hanf und Jute sind ebenfalls zur Verwendung mit den vorliegenden Lehren geeignet.
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Bei gewählten Aspekten werden das Polymer oder die Polymer- und Fasermaterialien zur Formung in den Propfen 50 auf eine Temperatur vorerhitzt, die größer als die Glasübergangstemperatur des Polymers ist, bei der ein thermoplastisches Polymer verwendet wird. Andererseits können Duroplaste, wie Epoxide der B-Stufe und andere quer vernetzbare Duroplaste, bei Umgebungstemperaturen eingesetzt werden, solange wie die Temperatur sich unterhalb der Glasübergangstemperatur befindet.
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Faserverstärkungen können entweder kurze Fasern (allgemein kleiner als 2 mm) oder lange Fasern (zwischen etwa 2 mm bis zu der vollen Länge des Propfens) sein. Ein mit langer Faser verstärkter Propfen 50 kann leicht unter Verwendung von Pultrusion oder Extrusion zur Bildung einer erweiterten Länge des faserverstärkten Materials und dann Schneiden der erweiterten Länge geformt werden, um Körper mit geeigneter Länge zu bilden. Obwohl der Körper bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt besitzen kann, sind sowohl Pultrusion als auch Extrusion zur Vorbereitung von Körpern mit einem anderen Querschnitt, als kreisförmig, einschließlich unregelmäßigen Querschnittsformen, wenn bevorzugt, geeignet.
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Alternativ dazu können kurze Fasern verwendet werden, die mit dem polymeren thermoplastischen oder duroplastischen Harz gemischt werden, wenn es sich über seiner Schmelztemperatur befindet.
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Die Abmessungen des Propfens 50 sollten so gewählt sein, dass die Fügefestigkeit verbessert wird. Bei verschiedenen Aspekten wird das Polymer unter Druck verfestigt. Dies erlaubt, dass der Polymerpropfen 50 seine Form hält und eine Barriere für die Fügestelle 60 bereitstellt. Der Druck kann einen Druck aufweisen, während das Polymer härtet oder kühlt. Der verfestigte Polymerpropfen 50 sichert die Fügestelle 60 und sieht die bauliche Integrität für das System vor. Da der Polymerpropfen 50 verwendet ist, kann ein Magnesiumsubstrat als zumindest das erste Substrat 10 oder das zweite Substrat 12 eingesetzt werden.
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Sobald sich der Polymerpropfen 50 an der Stelle befindet und gehärtet oder abgebunden ist, verriegelt dieser die Fügestelle 60. Der Polymerpropfen 50 verhindert eine Korrosion an der Grenzfläche des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 12. Die Fügestelle 60 ist derart verriegelt, dass das Werkstück, das die Fügestelle 60 aufweist, strukturell fehlerfrei ist und in der beabsichtigten Weise funktioniert. Es sei angemerkt, dass die Trennung in der unteren Matrize 40, wie am besten in den 1A und 1C gezeigt ist, ermöglicht, dass die untere Matrize zur Entfernung von der geformten Vernietung getrennt wird.
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Bezug nehmend auf die 2A–2C weisen gemäß anderen Aspekten, und wie mit Baugruppe 200 angemerkt ist, Verfahren zum Aneinanderfügen des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 12 das Formen der Fügestelle 60 auf, während gleichzeitig der Polymerpropfen 50 platziert wird. Ein Bereich des ersten Substrats 10 und ein Bereich des zweiten Substrats 12 werden ausgerichtet, um die Überlappung 14 zu bilden. Die Überlappung 14 ist zwischen dem oberen Matrizenabschnitt 22 und dem unteren Matrizenabschnitt 24 angeordnet. Ein Polymer, wie diejenigen, die oben detailliert dargestellt sind, wird von dem oberen Matrizenabschnitt 22 durch einen Durchgang 70, der durch den oberen Matrizenabschnitt 22 definiert ist, eingespritzt. Das Polymer wird vorerhitzt, so dass es beim Verlauf durch den Durchgang 70 entlang des Pfades 72 geschmolzen ist, oder das Polymer wird erhitzt, sobald es sich in der Matrize 20 befindet.
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Das Polymer wird zu der Überlappung 14 mit einem ausreichenden Druck und einer geeigneten Geschwindigkeit vorgeschoben, um die Überlappung 14 zu dem unteren Matrizenabschnitt 24 zu drücken und damit zu bewirken, dass die Überlappung mit der inneren Fläche 28 der Matrize 20 in Kontakt tritt. Der Betrag des Drucks und der Geschwindigkeit, die erforderlich sind, um die Überlappung 14 zu verformen, hängt von der Dicke des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 12 und der Größe der gewünschten Fügestelle 60 ab. Ferner bestimmt die Temperatur des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 12 auch teilweise die Beständigkeit gegenüber Verformung. Um eine Formung zu unterstützen, werden zumindest eines des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 12 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehren erhitzt. Eine dickere Überlappung 14 wäre erforderlich, damit das Polymer mit einer größeren Kraft vorgeschoben wird, als eine relativ dünnere Überlappung 14. Das Polymer füllt den Hohlraum 26 und bewirkt, dass die Überlappung 14 dieselbe Kontur wie die Innenfläche 28 des unteren Matrizenabschnitts 24 besitzt.
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Die Lieferung des Polymers durch den Durchgang 70 wird beendet, wenn die gewünschte Menge an Polymer geliefert ist. Beispielsweise kann zur Vorbereitung eines Polymerpropfens 50, der so beabsichtigt ist, dass er bündig mit der oberen Fläche 34 des zweiten Substrats 12 ist, wie in 1F gezeigt ist, eine frühere Beendigung der Polymerlieferung im Vergleich zu der Vorbereitung eines Polymerpropfens 50 erfordern, der dazu bestimmt ist, um die Schulter 52 zu bedecken, wie in 1E gezeigt ist.
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Der Polymerpropfen 50 wird dann verfestigt, wie oben dargestellt ist, um das erste Substrat 10 mit dem zweiten Substrat 12 zu verriegeln. Für ein duroplastisches Polymer werden verschiedene Nachbearbeitungsschritte einschließlich Härten mit einer Wärmelampe, Durchgang durch einen Ofen, Exposition zu UV-Licht oder Exposition zu einem Elektronenstrahl, wie oben detailliert dargestellt ist, nach Bedarf auf den Polymerpropfen 50 aufgebracht, um die Fügestelle 60 zu sichern. Ein thermoplastischer Propfen wird durch Kühlen unterhalb die Glasübergangstemperatur oder Schmelztemperatur verfestigt.
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Gemäß noch weiteren Aspekten weist das erste Substrat 10 oder das zweite Substrat 12 eine nichtleitende Beschichtung 80 auf, wie mit Baugruppe 300 angemerkt ist. Mit Bezug auf die 3A–3C steht die nichtleitende Beschichtung 80 mit zumindest einem der Substrate in Kontakt und dient als eine Barriere zwischen zumindest einem Abschnitt des ersten Substrats 10 und des zweiten Substrats 12. Wie in 3A gezeigt ist, befindet sich die nichtleitende Beschichtung 80 auf der oberen Fläche 30 des ersten Substrats 10. Somit steht die nichtleitende Beschichtung 80 mit der unteren Fläche 36 des zweiten Substrats 12 in Kontakt und ist schichtartig zwischen dem ersten Substrat 10 und dem zweiten Substrat 12 angeordnet, wenn sie innerhalb der Matrize 20 eingeschränkt sind.
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Die nichtleitende Beschichtung besteht aus einem beliebigen geeigneten Material. Ein beispielhafter Satz von Materialien für die nichtleitende Beschichtung umfasst Materialien mit hoher Dehnung, einschließlich denen, die als Polyolefin, ein Dien, Polystyren, ein Polyamid, ein Polyester, ein Polyurethan, ein Elastomer vom Fluortyp, ein Elastomer vom Siliziumtyp und dergleichen, die allein oder in Kombination verwendet werden, als nicht beschränkende Beispiele klassifiziert sind. Noch weiter kann ein Keramikmaterial gemäß verschiedenen Aspekten als die nichtleitende Beschichtung 80 verwendet werden.
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Obwohl die nichtleitende Beschichtung 80 mit derselben Länge wie das erste Substrat 10 gezeigt ist, liegt es innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren, dass die nichtleitende Beschichtung 80 kürzer als oder länger als das erste Substrat 10 und/oder das zweite Substrat 12 ist.
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Es liegt auch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren, mehr als eine nichtleitende Beschichtung 80 in dem System zu haben.
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Die nichtleitende Beschichtung 80 dient als die Barriere, um eine galvanische Korrosion des Magnesiums zu verhindern, während dennoch der Gebrauch der Materialien mit leichtem Gewicht und hoher Festigkeit optimiert wird. Die nichtleitende Beschichtung 80 kann insbesondere nützlich sein, wenn eines von dem ersten Substrat 10 und dem zweiten Substrat 12 aus Magnesium besteht und das andere ein anderes Metall ist.
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Wie vorher detailliert dargestellt wurde, wird das Polymermaterial in der Fügestelle 60 angeordnet, um das erste Substrat 10 und das zweite Substrat 12 zu verriegeln. Das Polymermaterial umfasst die duroplastischen und thermoplastischen Materialien, wie oben detailliert dargestellt ist. Optional werden die oben dargestellten Fasern in die Polymermaterialien integriert, wie oben dargestellt ist. Das Polymer wird nach Formung der Überlappung 14 geliefert, um mit den Konturen von zumindest einem Abschnitt der Matrize 20 gemäß verschiedenen Aspekten in Kontakt zu treten, beispielsweise durch Formen mit einer knolligen Spitze, wie in 3B gezeigt ist. Gemäß noch weiteren Aspekten wird das Polymer durch den Durchgang 70 entlang des Pfades 72 geliefert, wie in den 2A–2C gezeigt ist, um das erste Substrat 10, die nichtleitende Beschichtung 80 und das zweite Substrat 12 zu formen. Bei gewählten Aspekten ist zumindest eines von der Matrize 20, dem ersten Substrat 10 und dem zweiten Substrat 12 mit einer Quelle für elektrische oder thermische Wärme verbunden, um zumindest eines von dem ersten Substrat 10 und dem zweiten Substrat zu erweichen, wie oben detailliert dargestellt ist.
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Der Polymerpropfen 50 wird dann verfestigt, wie oben detailliert dargestellt ist, um das erste Substrat 10 mit dem zweiten Substrat 12 zu verriegeln. Verschiedene Nachbearbeitungsschritte einschließlich Härten mit einer Wärmelampe, Durchgang durch einen Ofen, Exposition zu UV-Licht oder Exposition zu einem Elektronenstrahl, wie oben detailliert dargestellt ist, werden nach Bedarf auf dem Polymerpropfen 50 angewendet, um die Fügestelle 60 zu sichern.
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Zusammenfassend sehen die vorliegenden Lehren Verfahren zum Zusammenfügen eines Magnesiumsubstrats mit einem zweiten Metallsubstrat vor. Ein Bereich des Magnesiumsubstrats und ein Bereich des zweiten Substrats werden ausgerichtet, um eine Überlappung bereitzustellen. Ein Bereich der Überlappung wird verformt, um eine Fügestelle bereitzustellen. Ein Polymermaterial wird in der Fügestelle angeordnet. Die Überlappung wird in einer Matrize angeordnet. Ein Verformen eines Bereichs der Überlappung umfasst ferner ein Konturieren der Überlappung, um mit einer Oberfläche der Matrize in Kontakt zu treten. Das Verformen eines Bereiches der Überlappung ist aus Heißvernieten und Formen mit einer knolligen Spitze gewählt. Wenn die Überlappung mit einer knolligen Spitze geformt ist, wird die Matrize optional erhitzt, um einen Bereich der Überlappung zu erhitzen.
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Das Polymer wird optional geschmolzen und dann unter Druck verfestigt. Das Polymermaterial wird gehärtet oder gekühlt, um einen Propfen zu bilden. Die Fügestelle ist mit dem Propfen gesichert. Die obere Fläche des Propfens ist im Wesentlichen bündig mit einer oberen Fläche der Überlappung gemäß verschiedenen Aspekten. Das zweite Substrat ist dasselbe Material wie das Magnesiumsubstrat, oder das zweite Substrat ist ein anderes Material als das Magnesiumsubstrat.
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Gemäß noch weiteren Merkmalen der vorliegenden Lehren umfasst ein Verfahren zum Zusammenfügen des Magnesiumsubstrats mit einem zweiten Metallsubstrat ein Ausrichten eines Bereiches des Magnesiumsubstrats und eines Bereiches des zweiten Substrats, um eine Überlappung bereitzustellen, wobei die Überlappung zwischen einer ersten Matrize und einer zweiten Matrize angeordnet ist. Ein Polymer wird von der ersten Matrize zu der Überlappung eingespritzt, um zu bewirken, dass sich die Überlappung zu der zweiten Matrize verformt und mit einer Fläche der zweiten Matrize in Kontakt tritt. Das Einspritzen des Polymers von der ersten Matrize zu der zweiten Matrize erzeugt eine Fügestelle, die das Magnesiumsubstrat an das zweite Metallsubstrat anfügt. Das Polymer wird verfestigt, um das Magnesiumsubstrat mit dem zweiten Metallsubstrat zu verriegeln.
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Das Magnesiumsubstrat und das zweite Substrat werden über eine Verformungstemperatur erhitzt. Das Erhitzen kann durch Erhitzen zumindest einer der ersten Matrize und der zweiten Matrize oder irgendeines anderen geeigneten Mittels erreicht werden.
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Gemäß noch weiteren Aspekten der vorliegenden Lehren umfassen Verfahren zum Zusammenfügen eines Magnesiumsubstrats mit einem zweiten Metallsubstrat ein Ausrichten eines Bereiches des Magnesiumsubstrats und eines Bereiches des zweiten Metallsubstrats, um eine Überlappung bereitzustellen, wobei zumindest eines von dem Magnesiumsubstrat und dem zweiten Metallsubstrat eine nichtleitende Beschichtung aufweist, die mit dem anderen jeweiligen Substrat in Kontakt steht. Die nichtleitende Beschichtung umfasst ein Material mit Dehnungseigenschaften, die hoch genug sind, um die Verformung des Werkstücks aufzunehmen. Ein Bereich der Überlappung wird verformt, um eine Fügestelle bereitzustellen, während die Überlappung intakt gelassen wird. Ein Polymermaterial wird in die Fügestelle angeordnet.
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Wenn die Überlappung zwischen einer ersten Matrize und einer zweiten Matrize angeordnet ist, wird ein Polymer von der ersten Matrize zu der Überlappung eingespritzt, um zu bewirken, dass sich die Überlappung zu der zweiten Matrize verformt und mit einer Fläche der zweiten Matrize bei gewählten Merkmalen in Kontakt tritt. Gemäß weiteren Merkmalen wird die Überlappung in einer Matrize gesichert und unter Verwendung einer knollenförmigen Spitze verformt. Gemäß noch weiteren Merkmalen wird das Polymermaterial verfestigt, um das Magnesiumsubstrat mit dem zweiten Metallsubstrat zu verriegeln.
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Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsformen ist zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt worden. Es ist nicht beabsichtigt, dass diese erschöpfend ist oder die Offenbarung beschränkt. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind allgemein nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern, wenn anwendbar, sind gegenseitig austauschbar und können in einer gewählten Ausführungsform verwendet werden, sogar, wenn es nicht spezifisch gezeigt oder beschrieben ist. Dies kann auch auf verschiedene Wege variiert werden. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Modifikationen sind dazu bestimmt, in dem Schutzumfang der Offenbarung eingeschlossen zu sein.
