Erweiterung der Formgebungsgrenzen von Aluminiumblechwerkstoffen durch eine lokale lasergestützte Wärmebehandlung in mehrstufigen Umformprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die Anwendung einer lokalen, zwischengeschalteten Laserwärmebehandlung zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen von ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierungen in mehrstufigen Umformprozessen. Im Rahmen einer umfassenden Werkstoffcharakterisierung wurde der Einfluss der Wärmebehandlung auf die resultierende Streckgrenze, Zugfestigkeit und Gleichmaßdehnung von unterschiedlich vorgedehnten Blechen untersucht. Die Materialeigenschaften korrelieren stark mit der maximalen Temperatur der Wärmebehandlungszone und der umformungsbedingten Kaltverfestigung. Die identifizierten Effekte können durch die Auflösung von MgSi-Clustern oberhalb von 200°C sowie Erholungseffekten ab 300°C erklärt werden, wodurch das Material entfestigt wird. Der Grad der Entfestigung ist dabei von der Vordehnung und der Wärmebehandlung abhängig. Die Gleichmaßdehnung weist einen diskontinuierlichen Verlauf auf, der durch komplexe Ausscheidungsmechanismen erklärt werden kann. Neben der Auflösung von MgSi-Clustern bilden sich bei Temperaturen von 300°C ß’’ und ß’-Ausscheidungen. Die Untersuchung der r-Werte zeigt, dass diese durch die Wärmebehandlung nicht signifikant beeinflusst werden, da die Anisotropie in erster Linie aus der kristallographischen Orientierung und dem Walzprozess resultiert. Die Verallgemeinerbarkeit der Erkenntnisse konnte durch die Analyse unterschiedlicher Chargen und Legierungen belegt werden. Als weiterer Einflussfaktor auf die mechanischen Eigenschaften wurde die Wärmeeinflusszone (HAZ), welche an die tatsächliche Wärmebehandlungszone angrenzt, untersucht. Hierbei wurde ebenfalls der Einfluss der Vordehnung auf die Wärmeeinflusszone analysiert, um den Prozess besser zu verstehen und robuster zu gestalten. Die Simulation der lokalen Wärmebehandlung mit einem Laser wurde mit Hilfe einer entwickelten Subroutine in der Software ABAQUS abgebildet und anschließend mit experimentellen Ergebnissen validiert. Hierbei zeigt sich eine gute Übereinstimmung. Eine Vordehnung des Blechs führt grundsätzlich zu höheren maximalen Temperaturen und einer breiteren Wärmeeinflusszone im Vergleich zu nicht-vorgedehnten Blechen. Die aus der Materialcharakterisierung und Analyse der Wärmeeinflusszone gewonnen Erkenntnisse wurden schließlich zur numerischen Auslegung einer lokalen Laserwärmebehandlung in einem mehrstufigen Umformprozess genutzt. In diesem Zusammenhang konnten mit einer neu entwickelten und übertragbaren numerischen Methodik die Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit der Ergebnisse der ersten Umformstufe und der zwischengeschalteten Wärmebehandlung in der Simulation berechnet werden. Die Eignung der entwickelten Wärmebehandlungslayouts wurde durch die experimentelle Abpressung und Laserwärmbehandlung der simulierten Geometrie validiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Enhancement of formability of aluminum alloys in multi-stage forming operations by a local intermediate heat treatment. Prod. Eng. Res. Dev. 6 (2012)6, S. 541-54
Merklein, M.; Lechner, M.; Kuppert, A.
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Comprehensive material characterization for an intermediate heat treatment. Key Eng. Mater. 549(2013), S. 39-44
Lechner, M.; Kuppert, A.; Merklein, M.
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Influence of Pre-straining and Heat Treatment on the Yield Surface of Precipitation Hardenable Aluminum Alloys. Physics Procedia 56 (2014), S. 1400-1409
Lechner, M.; Hofmann, M.; Kuppert, A.; Merklein, M.
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Process Design of Aluminum Tailor Heat Treated Blanks. Materials 8 (2015)12, S. 8524-8538
Kahrimanidis, A.; Lechner, M.; Degner, J.; Wortberg, D.; Merklein, M.
