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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Herstellen eines Überlapp-Verbundmaterials aus Blech mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie es aus der
WO 2015/043951 A1 bekannt ist. In der Elektroindustrie werden beispielsweise Überlapp-Verbundmaterialen aus Kupfer und Aluminium verwendet, wenn es darum geht, schweres und teures Kupfer zu einem Teil durch leichteres und kostengünstigeres Aluminium zu ersetzen.
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Ein Problem bei der Herstellung von solchen Überlapp-Werkstoffverbunden ist die Haftung zwischen den beiden Blechen. Dieses Problem ist besonders ausgeprägt bei Metallen wie Kupfer oder Aluminium, da sich auf deren Oberflächen sehr schnell passivierende Deckschichten wie beispielsweise Oxidschichten bilden. Diese ver- oder behindern Kontakt zwischen bindungsfähigen Metallatomen der Fügepartner.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie bei der Herstellung eines Überlappverbundmaterials die Haftung zwischen den verwendeten Blechen verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Überlappverbundmaterials aus Blech werden ein erstes Blech aus einem ersten Material und ein zweites Blech aus einem zweiten Material, das eine geringere Festigkeit, insbesondere eine geringere Fließgrenze, als das erste Material hat, in einem Randbereich überlappend aufeinander gelegt und dann durch Walzen verbunden. Das erste Blech hat dabei einen im Querschnitt keilförmigen Rand, der beispielsweise durch abtragende Bearbeitung des Blechs, etwa durch Fräsen oder Schleifen, gebildet werden kann. Das zweite Blech wird dann mit seinem Rand an eine von dem keilförmigen Rand gebildete Seitenfläche des ersten Blechs angelegt und danach durch Walzen verbunden. Die von dem keilförmigen Rand des ersten Blechs gebildete Seitenfläche hat dabei eine größere Breite als eine Seitenfläche des Randes des zweiten Blechs, der mit dem ersten Blech verbunden wird, so dass der Randbereich des zweiten Blechs bei dem anschließenden Walzvorgang stärker verformt wird als das erste Blech.
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Wichtig ist dabei, dass das zweite Blech mit seinem Rand an eine geneigte Seitenfläche des ersten Blechs angelegt wird, die von dessen keilförmigem Rand gebildet ist. Das zweite Blech liegt also nicht auf einer in dem Randbereich des ersten Blechs gebildeten Stufe oder Aussparung, sondern an einer geneigten Seitenfläche des keilförmigen Randes an.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der relevanten Seitenflächen der Bleche bewirkt eine Erhöhung der Scher- und Druckspannung zwischen den beiden Materialien während des Walzens und damit zum einen eine Erhöhung der lokalen Formänderung der Randbereiche durch Scherung in den Materialien der beiden Bleche, zum anderen die verbesserte Extrusion von bindungsfähigen Metallatomen in die Verbindungszone durch wirksame Druckspannungen. Insbesondere werden bei dem Walzvorgang eine erhebliche Oberflächenvergrößerung und damit ein Aufreißen von Oxidschichten oder sonstigen Passivierungs- und Deckschichten in den Randbereichen der beiden Bleche erreicht.
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Der Randbereich des zweiten Blechs wird beim Walzen über dem keilförmigen Rand des ersten Blechs plastisch verformt. Die zunächst relativ schmale Seitenfläche des zweiten Blechs wird dabei verbreitert, bis beide aneinander anliegenden Seitenflächen gleich groß sind. Indem die Breite der zunächst relativ schmalen Seitenfläche durch den Walzvorgang vergrößert wird, reißen eventuelle Oxid- oder sonstigen Deckschichten auf dieser Seitenfläche auf, so dass darunter liegendes Metall an die Oberfläche und in Kontakt mit dem ersten Blech gelangt. Zudem wird beim Walzen das Material des Randbereichs des zweiten Blechs gegen die keilförmige Seitenfläche des ersten Blechs gedrückt und fließt gewissermaßen auf der keilförmigen Seitenfläche. Dabei werden eventuell vorhandene Passivierungsschichten des ersten Blechs an der Seitenfläche aufgerissen, so dass das unter den Passivierungsschichten liegende Metall des ersten Blechs mit dem Metall des zweiten Blechs in Kontakt kommt und eine gut haftende Verbindung eingehen kann.
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Im Vergleich zu dem aus der
WO 2015/043951 A1 bekannten Verfahren wird dadurch eine verbesserte Verbindung der beiden Bleche erreicht. Dies wird darauf zurückgeführt, dass bei dem aus der
WO 2015/043951 A1 bekannten Verfahren das zweite Blech nicht an eine geneigte Seitenfläche, sondern auf eine Stufe der Seitenfläche aufgelegt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird deshalb ein höherer Umformgrad erreicht.
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Bevorzugt hat die von dem keilförmigen Rand des ersten Blechs gebildete Seitenfläche eine Breite, die wenigstens doppelt so groß ist wie die Breite der Seitenfläche des zweiten Blechs. Die Breite einer Seitenfläche ist dabei jeweils von einer Vorderseite des betreffenden Blechs bis zu dessen Rückseite zu messen. Die Breite einer Seitenfläche entspricht also dem Abstand einer Kante an einer Vorderseite eines Blechs zu der benachbarten Kante an der Rückseite des Blechs.
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Die Breite der Seitenfläche des keilförmigen Randes des ersten Blechs ist grundsätzlich umso größer, je flacher der Keil ausgebildet ist. Die Breite der Seitenfläche des zweiten Blechs ist minimal, wenn die Seitenfläche des zweiten Blechs rechtwinklig zur Vorder- und Rückseite des Blechs verläuft und entspricht dann der Blechdicke. Je mehr die Seitenfläche zur Vorder- bzw. Rückseite des Blechs geneigt ist, desto größer ist die Breite der Seitenfläche.
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Im einfachsten Fall kann die relevante Seitenfläche des zweiten Blechs rechtwinklig zur Vorder- und Rückseite des Blechs verlaufen, so dass die Breite der Seitenfläche der Blechdicke entspricht und minimal ist. Bessere Ergebnisse lassen sich aber erzielen, indem diese Seitenfläche des zweiten Blechs etwas vergrößert wird, also eine leichte Neigung aufweist. Dann hat das zweite Blech einen Randbereich, in dem die Blechdicke ausgehend von der vorderseitigen Kante, die an den keilförmigen Rand des ersten Blechs angesetzt wird, zu der rückseitigen Kante des Randbereichs abnimmt. Bevorzugt ist dabei, dass sich der Rand des zweiten Blechs im Querschnitt gesehen über eine in der Blechebene zu messende Länge verjüngt, die nicht mehr als ein Viertel der maximalen Dicke des zweiten Blechs beträgt, vorzugsweise über eine Länge, die zwischen einem Fünftel und einem Zwanzigstel der maximalen Dicke des zweiten Blechs beträgt. Beispielsweise kann die Seitenfläche mit einer der Seitenfläche des ersten Blechs zugewandten Vorderseite des zweiten Blechs einen Winkel von 80° bis 89°einschließen, insbesondere 86° bis 89°. Die Seitenfläche muss aber nicht als eine ebene Fläche ausgebildet sein, sondern kann beispielsweise auch eine gekrümmte Fläche sein oder aus mehreren ebenen Flächen zusammengesetzt sein.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Seitenfläche des keilförmigen Rands des ersten Blechs eine Breite hat, die mehr als das Doppelte der Dicke des ersten Blechs beträgt. Beispielsweise kann die Seitenfläche eine Breite haben, die das Zwei- bis Vierfache der Dicke des ersten Blechs beträgt.
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Die von dem keilförmigen Rand des ersten Blechs gebildete Seitenfläche kann eine ebene Fläche sein, die mit einer Rückseite des ersten Blechs einen spitzen Winkel einschließt, beispielsweise einen Winkel zwischen 10° und 30°, insbesondere 15° bis 25°. Allerdings ist eine solche Form nicht optimal, da in einem Endabschnitt eines solchen Keils das Verhältnis zwischen der Dicke des festeren Materials zu der Dicke des weicheren Materials immer ungünstiger wird und damit das festere Metall zunehmend weniger umgeformt wird. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht deshalb vor, dass der keilförmige Rand eine Dicke hat, die im Querschnitt gesehen von einem Anfang zu einem Ende an der Keilspitze hin abnimmt, wobei die Dicke in dem Endabschnitt pro Längeneinheit schneller abnimmt als in einem an den Endabschnitt angrenzenden Hauptabschnitt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Kante zwischen der Rückseite des ersten Blechs und der Seitenfläche abgestumpft wird. Im Querschnitt gesehen wird also die Spitze des Keils abgestumpft.
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Die Seitenfläche des keilförmigen Randes des ersten Blechs kann als eine gekrümmte Fläche geformt sein. Eine einfache Möglichkeit eine geeignete Seitenfläche herzustellen, besteht darin, diese durch mehrere ebene Flächen zu begrenzen. Beispielsweise kann ein Hauptabschnitt der Seitenfläche von einer ersten ebenen Fläche begrenzt werden, die mit der Rückseite des ersten Blechs einen Winkel zwischen 10° und 30°, insbesondere 15° bis 25°, einschließt, und ein daran angrenzender Endabschnitt von einer steiler abfallenden Kurve oder einer Fläche begrenzt werden, beispielsweise einer Fläche, die mit der Rückseite des ersten Blechs einen Winkel zwischen 25° und 50°, insbesondere 35° bis 45°, einschließt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Endabschnitt in einem an den Hauptabschnitt angrenzenden Bereich zunächst nur etwas steiler abfällt als der Hauptabschnitt, beispielsweise mit der Rückseite des ersten Blechs einen Winkel von 35° bis 45° einschließt und erst am Ende des Endabschnitts ein größerer Winkel mit der Rückseite des Blechs eingeschlossen wird.
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Bevorzugt reduziert sich die Dicke des keilförmigen Randes in dem Hauptabschnitt um wenigstens drei Fünftel, beispielsweise um 60 % bis 90 %, insbesondere 70% bis 80%. Beispielsweise kann jede Tangente an den Hauptabschnitt mit der Blechebene einen Winkel von 30° oder weniger einschließen. Tangenten an den Endabschnitt der Seitenfläche schließen dann mit der Blechebene größere Winkel ein, beispielsweise Winkel von 40° oder mehr. Bevorzugt nimmt der Winkel, den Tangenten an den Endabschnitt mit der Blechebene einschließen zur Spitze des Keils hin zu, beispielsweise auf Werte von 35° oder mehr, bevorzugt 35° bis 45°.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Blech an den keilförmigen Rand des ersten Blechs an eine Stelle angesetzt wird, an welcher der Rand eine Dicke hat, die mehr als die Hälfte der maximalen Dicke des ersten Blechs beträgt, beispielsweise zwischen 55% und 90% der maximalen Dicke des ersten Blechs, insbesondere 70% bis 90%. Diese Stelle ist dabei durch den Punkt bzw. die Linie definiert, an dem bzw. an der das erste Blech beim Ansetzen Kontakt zu dem zweiten Blech bekommt, wenn die beiden Bleche parallel orientiert sind. Überraschender Weise ist es nicht ideal, das zweite Blech so auf den Rand des ersten Blech aufzusetzen, dass jeweils eine Hälfte der Blechdicke vor und hinter der Kontaktstelle liegt. Bessere Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das zweite Blech so angesetzt wird, dass von der Kontaktstelle zur Spitze des keilförmigen Randes ein größerer Abstand ist als zu der Basis des keilförmigen Randes. Dabei kann das zweite Blech so an das erste Blech angesetzt werden, dass das zweite Blech den Anfang des keilförmigen Randes überlappt. Bessere Ergebnisse lassen sich häufig aber erzielen, wenn - im Querschnitt gesehen - ein Anfangsbereich des keilförmigen Randes des ersten Blechs vor Beginn des Walzvorgangs nicht mit dem zweiten Blech überlappt, beispielsweise kann dieser nicht mit dem zweiten Blech überlappende Anfangsbereich eine Breite haben, die zwischen einem Fünftel und der Hälfte der Dicke des ersten Blechs beträgt, insbesondere zwei Fünftel bis die Hälfte der Dicke des ersten Blechs beträgt.
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Das erste Blech kann beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung bestehen. Das zweite Blech kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumbasislegierung bestehen. Aluminium hat eine wesentlich geringere Festigkeit als Kupfer, lässt sich durch Walzen also leichter plastisch verformen als Kupfer.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Dicke des hergestellten Überlapp-Verbundmaterials nicht mehr als 60% der Dicke des ersten Blechs vor dem Walzen beträgt. Beispielsweise kann die Dicke des Überlapp-Verbundmaterials die Hälfte oder weniger der Dicke des ersten Blechs vor dem Walzen betragen, insbesondere 30% bis 40%. Die Bleche werden beim Walzen also stark plastisch verformt, was für eine gute Haftung in dem überlappenden Randbereich vorteilhaft ist.
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Die verwendeten Bleche haben bevorzugt eine im Rahmen ihrer Fertigungstoleranzen gleiche Dicke. Es können aber auch unterschiedlich dicke Bleche verwendet werden. Im Allgemeinen bereitet es keine Probleme, wenn die Dicke des ersten Blechs zwischen dem Doppelten und der Hälfte der Dicke des zweiten Blechs beträgt. Bevorzugt weichen die Dicken der beiden Bleche aber nur um 20 % oder weniger voneinander ab.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung von Blechen zur Herstellung eines Überlapp-Verbundmaterials;
- 2 die in 1 gezeigten Bleche vor dem Walzen;
- 3 eine Detailansicht zu 1;
- 4 eine Schnittansicht des Überlapp-Verbundmaterials; und
- 5 eine Detailansicht zu 4.
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In 1 sind zwei erste Bleche 1, beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung, und ein zweites Blech 2 dargestellt, aus denen der in 4 dargestellten Überlapp-Verbundwerkstoff hergestellt wird. Bei dem gezeigten Beispiel haben die ersten Bleche 1 und das zweite Blech 2 im Rahmen der Fertigungstoleranz dieselbe Dicke. Die Bleche 1, 2 können aber auch unterschiedlich dick sein, beispielsweise um 20% voneinander abweichende Dicken haben.
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Eines der ersten Bleche 1 von 1 ist in 3 detailliert dargestellt. Das erste Blech 1 hat einen keilförmigen Rand der Breite bF1. Dieser keilförmige Rand bildet eine geneigte Seitenfläche 3, an die das zweite Blech 2 mit seinem Rand angelegt wird, wie es in 2 dargestellt ist. Die Breite der Seitenfläche 3 des ersten Blechs 1 ist größer als die Breite der entsprechenden Seitenfläche 4. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Breite der Seitenfläche 3 mehr als doppelt so groß wie die Breite der Seitenfläche 4.
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Die Breite bF1 des keilförmigen Randbereichs sowie die als Bogenlänge gemessene Breite der Seitenfläche 3 betragen mehr als das Doppelte der Dicke des ersten Blechs 1. Die Breite des keilförmigen Randes gemessen von der Keilspitze kann auch wesentlich mehr als das Doppelte der Blechdicke betragen. Eine Breite von mehr als dem 4-fachen der Blechdicke hat aber in der Regel keine Vorteile.
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In der Schnittansicht von 3 hat der keilförmige Randbereich eine abgestumpfte Spitze. Mit anderen Worten nimmt die Dicke des Blechs 1 in dem keilförmigen Randbereich also in einem an die Spitze angrenzenden Endabschnitt schneller ab als in einem Hauptabschnitt, auf den der größte Teil der Breite des keilförmigen Randbereichs entfällt.
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Die Seitenfläche 3 kann konvex geformt sein, mit anderen Worten also frei von Aushöhlungen oder Einbuchtungen sein. Die Abnahme der Dicke des ersten Blechs 1 in dem keilförmigen Randbereich ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel streng monoton.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Seitenfläche in dem Hauptabschnitt eine Ebene, die mit der Blechebene einen Winkel α1 einschließt, der beispielsweise zwischen 10° und 30°, insbesondere 15° und 25°, liegen kann und in 3 etwa 20° beträgt. In dem Endabschnitt ist die Seitenfläche stärker geneigt, beispielsweise zunächst mit einem Winkel β1 und anschließend mit einem Winkel γ1. Der Winkel β1 kann z.B. zwischen 25° und 50°, bevorzugt 35° bis 45°, liegen und beträgt bei dem gezeigten Beispiel 40°. Der Winkel γ1 ist größer als der Winkel β1, beispielsweise zwischen 45° und 80°, insbesondere 55° bis 65°, und beträgt bei dem gezeigten Beispiel 60°.
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Bei dem gezeigten Beispiel ist die Seitenfläche 3 durch ebene Teilflächen gebildet. Die Seitenfläche 3 kann aber auch gekrümmt ausgebildet sein. Allgemeiner lässt sich die Form der Seitenfläche deshalb dahingehend beschreiben, dass im Querschnitt gesehen jede Tangente an die Seitenfläche 3 in dem Hauptabschnitt mit der Blechebene einen Winkel von höchstens 30°, vorzugsweise höchstens 20° einschließt, während jede Tangente in dem Endabschnitt mit der Blechebene einen Winkel von wenigstens 30°, vorzugsweise wenigstens 35°, beispielsweise 40° oder mehr einschließt. Der Winkel, den eine Tangente an den Endabschnitt mit der Blechebene einschließt, nimmt zu Spitze hin zu, beispielsweise auf Werte von 50° oder mehr. Beispielsweise kann in einem ersten Teil des Endabschnitts jede Tangente mit der Blechebene einen Winkel von weniger als 50°, z.B. 35° bis 45°, einschließen und so die Dicke von einem Wert hβ1 auf einen Wert hγ1 abfallen. Ab dieser Dicke schließt dann jede Tangente mit der Blechebene einen Winkel von mehr als 50° ein, beispielsweise 55° bis 80°. Der Wert hβ1 kann beispielsweise 10% bis 40%, insbesondere 20% bis 30%, der maximalen Dicke des ersten Blechs 1 betragen, der Wert hγ1 beispielsweise 5% bis 15%, insbesondere 5% bis 10%.
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Der Hauptabschnitt kann dabei unmittelbar an den Endabschnitt angrenzen. Es kann aber zwischen dem Hauptabschnitt und dem Endabschnitt auch ein Übergangsabschnitt sein.
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In dem Hauptabschnitt reduziert sich die Dicke des Randabschnitts um drei Fünftel oder mehr, beispielsweise um 60% bis 90%, insbesondere 70° bis 80°. Der Hauptabschnitt hat eine Breite, die wenigstens so groß ist wie die maximale Dicke des ersten Blechs 1. Vorzugsweise hat der Hauptabschnitt eine Breite die wenigstens das 1,5-fache der maximalen Dicke des ersten Blechs 1 beträgt. Der Endabschnitt hat eine Breite, die z.B. zwischen einem Fünftel und einem Siebtel des Hauptabschnitts beträgt
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Wie die 1 und 2 zeigen hat die von dem keilförmigen Rand des ersten Blechs 1 gebildete Seitenfläche 3 eine wenigstens doppelt so große Breite hat wie die Seitenfläche 4 des Rands des zweiten Blechs 2, der an diese Seitenfläche 3 des ersten Blechs 1 angelegt wird. Die Seitenfläche 4 ist geneigt. Das zweite Blech 2 verjüngt sich als von der Stelle aus, mit der es an das erste Blech 1 angelegt wird. Mit anderen Worten gesagt, hat das zweite Blech 2 einen Rand, der sich im Querschnitt gesehen ausgehend von der Kante, die an den keilförmigen Rand des ersten Blechs 1 angesetzt wird, verjüngt. Beispielsweise kann sich der Rand im Querschnitt gesehen über eine in der Blechebene zu messende Länge verjüngen, die nicht mehr als ein Viertel der maximalen Dicke des zweiten Blechs beträgt, vorzugsweise über eine Länge, die zwischen einem Fünftel und einem Zwanzigstel der maximalen Dicke des zweiten Blechs beträgt. Der Randbereich des zweiten Blechs 2 ist also schmal und die Dicke des zweiten Blechs 2 reduziert sich über eine Breite, die zwischen einem Fünftel und einem Zwanzigstel der Dicke des Blechs 2 beträgt, auf Null.
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Die Seitenfläche 4 kann eine ebene Fläche sein, die mit der Blechebene einen Winkel von 80° bis 89° einschließt, z.B. 86° bis 89°. Die Seitenfläche 4 kann aber auch gekrümmt sein.
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2 zeigt wie die Bleche 1, 2 aneinander angesetzt werden. Das zweite Blech 2 wird an den keilförmigen Rand des ersten Blechs 1 bevorzugt an einer Stelle angesetzt wird, an welcher der Rand eine Dicke hat, die mehr als die Hälfte der maximalen Dicke des ersten Blechs 1 beträgt, beispielsweise zwischen 70% und 90%. In 2 berührt das zweite Blech 2 die Seitenfläche 3 des ersten Blechs 1 an einer Stelle, an der die Dicke des Blechs 1 zwischen 85% und 90% der maximalen Dicke des ersten Blechs 1 beträgt.
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Nachdem die Bleche 1, 2 gemäß 2 aneinander angelegt wurden, werden sie durch Walzen miteinander zu dem in 4 gezeigten Überlapp-Verbundmaterial verbunden. Die Bleche 1, 2 werden dabei stark verformt, so dass das Verbundmaterial eine Stärke hat, die typischer Weise nicht mehr als drei Fünftel der maximalen Dicke des ersten Blechs 1 vor dem Walzen beträgt. Bei dem gezeigten Beispiel hat das Verbundmaterial eine Dicke, die weniger als 40% der ursprünglichen Dicke des ersten Blechs 1 beträgt.
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Beim Walzen wird der Randbereich des zweiten Blechs 2 besonders stark verformt, so dass er sich an die Kontur des Randbereichs des ersten Blechs 1 anpasst. 5 zeigt schematisch die Verbindungszone zwischen dem ersten Blech 1 und dem zweiten Blech 2 des fertigen Überlapp-Verbundmaterials.
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Vor der Durchführung des beschriebenen Verfahrens werden die Bleche 1, 2 entfettet und gereinigt. Danach können die Bleche 1, 2 geglüht, um einen definierten Werkstoffzustand einzustellen, insbesondere bei dem festeren Material. Alternativ oder zusätzlich können die Bleche 1, 2 vor der Durchführung des Verfahrens noch gebürstet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/043951 A1 [0001, 0009]
