Improvement of formability of extruded aluminium profiles by a local short-term heat treatment

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Olaf Keßler; Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein
• Subject Area: Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing ; Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2013 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 246974870

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Im Rahmen der Untersuchungen wurde die lokale Kurzzeitwärmebehandlung zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen von Aluminiumstrangpressprofilen untersucht. Die Analyse der Ausscheidungskinetik mittels DSC-Messungen konnte dazu genutzt werden, ein grundlegendes Verständnis für den Zusammenhang zwischen Maximaltemperatur, Aufheizund Abkühlgeschwindigkeit und den resultierenden Ausscheidungs- und Auflösungsvorgängen herzustellen. Um dabei die hohen Erwärmgeschwindigkeiten einer Laserwärmebehandlung abbilden zu können, wurde eine neue indirekte Methode zur Analyse von Erwärmgeschwindigkeiten über 5 Ks-1 entwickelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen konnten in Zeit-Temperatur-Auflösungsdiagrammen dargestellt werden. Zudem ließ sich anhand der Analyse unterschiedlicher Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten eine frühere Entfestigung bei höheren Heiz- und Abkühlraten identifizieren. Ergänzend zu diesen Erkenntnissen wurde das anisotrope Werkstoffverhalten über den bereits bekannten Einsatz miniaturisierter Probengeometrien und einem neuen inversen numerisch-experimentell gekoppelten Ansatz identifiziert. Die durch diese Verfahren ermittelten richtungsabhängigen Materialkennwerte konnten durch den Abgleich simulativer Ergebnisse und experimenteller Werte validiert werden. Für die Simulation der Kurzzeitwärmebehandlung wurde ein neuartiges thermomechanisches Werkstoffmodell entwickelt, welches neben der Temperaturabhängigkeit auch den Erwärm- bzw. Abkühlpfad berücksichtigt. Die aus der Wärmebehandlung resultierenden Spannungen, Dehnungen und die Phasenzusammensetzung wurden auf das Profilhalbzeug in der Biegesimulation übertragen. Durch eine entwickelte Subroutine wurden in Abhängigkeit der Phasen Materialkarten vergeben, welche die wärmebehandlungsinduzierte Entfestigung, die Kaltauslagerung sowie das richtungsabhängige Materialverhalten in die Simulation implementieren. Die durchgängige Simulationskette wurde anhand experimenteller Abgleiche validiert, wodurch eine präzise Abbildung des Umformverhaltens und Auslegung der Wärmebehandlungslayouts sichergestellt wird. Für die Auslegung von Wärmebehandlungslayouts für Biegeprozesse an Hohlprofilen wurde eine spannungs- und dehnungsabhängige Methode erarbeitet, mit deren Hilfe eine zielführende Verteilung der Entfestigungszonen anhand der auftretenden Dehnungen in den druckspannungsdominierten Bereichen und anhand der Spannungen in den umformkritischen, zugspannungsdominierten Bereichen ermöglicht. Dadurch lassen sich sowohl die risskritischen Bereiche am Biegeaußenradius entlasten als auch Querschnittsdeformationen wie die Faltenbildung am Innenradius und die seitliche Ausbauchung reduzieren. Die Auslegungsmethodik konnte anhand experimenteller Versuche validiert werden und eine Übertragbarkeit auf andere Biegeoperationen durch die Abstrahierung auf die Spannungs- und Dehnungsverteilungen ermöglicht werden. Abschließend wurden zur Verbesserung der finalen Bauteileigenschaften zielführende Stabilisierungsglühparameter für die untersuchten Aluminiumstrangpresslegierungen identifiziert, mit denen ein stabiler, schnellaushärtbarer Zustand hergestellt werden kann. Die so hergestellten Legierungszustände ermöglichen eine vollständige Aushärtung der Legierungen während der verkürzten Warmauslagerung, welche beim Lackeinbrennprozess in der Automobilindustrie verwendet wird. Dadurch lassen sich neue Prozessrouten erschließen, welche die Anwendungsbereiche von Aluminiumstrangpresslegierungen zusätzlich zur Erweiterung der Formgebungsgrenzen durch den Einsatz einer lokalen Wärmebehandlung erweitern. Insbesondere im Themengebiet dieser schnellaushärtbaren Materialzustände liegt noch Forschungsbedarf in Bezug auf die legierungsabhängige Ausscheidungskinetik und das Zusammenspiel mit den nachfolgenden Wärmebehandlungsprozessen vor. Auch eine Kombination mit einer lokalen Kurzzeitwärmebehandlung erscheint nach ersten Versuchen möglich, um eine lokal maßgeschneiderte Warmauslagerung der Profile zu erreichen, wodurch sich komplett neue Fragestellungen und Möglichkeiten bezüglich der Prozessauslegung ergeben.

Publications

• Influence of a local laser heat treatment on the bending properties of aluminium extrusion profiles. Procedia CIRP 2018, 74, 780-784
  Graser, M.; Pflaum, N.; Merklein, M.
  
• A Phenomenological Mechanical Material Model for Precipitation Hardening Aluminium Alloys, Metals 2019, 9, 1165
  Fröck, H.; Kappis L. V.; Reich, M.; Kessler, O.
  
• On the Inverse Identification of Lankford Coefficients using Geometrical Changes under Quasi-Biaxial Loading. Int J Mater Form 2019
  Graser, M., Lenzen, M. & Merklein, M.
  
• Scanning Rate Extension of Conventional DSCs through Indirect Measurements. Materials 2019, 12, 1085
  Fröck, H.; Reich, M.; Milkereit, B.; Kessler, O.