Verfahren zum Umformen eines flächigen Metallwerkstückes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umformen eines flächigen Metall Werkstückes, insbesondere eines Aluminiumbleches, wobei das Werkstück im Bereich der Umformung thermisch behandelt wird.

Aus der Patentliteratur ist die DE-AS 23 32 287 (B 21 D 37/16) bekannt ge¬ worden, die ein Verfahren zum Tiefziehen von Stahlblechen beschreibt, wo¬ bei im Bereich der Formgebung während der Umformung eine Temperaturerhöhung vorgenommen wird. Dies geschieht mit hohen apparativem Aufwand. In der Beschreibungseinleitung dieser Auslegeschrift ist auf „Fertigungstechnik", 1957, Heft 1 , Seiten 1 - 6, verwiesen, woraus des weiteren bekannt ist, bei Leichtmetallen, also z, B. auch Aluminium, das Werkstück im Bereich der Formgebung zu erwärmen.

Aus „Maschine und Werkzeug", 1950, Nr. 17, Seite 6, ist ein Sondertiefzieh- •verfahren für Aluminium bekannt geworden, bei welchem ebenfalls aus¬ schließlich die Verformungszone des Bleches erwärmt wird.

Aluminium weist gegenüber Stahl ein gänzlich anderes Umformverhalten auf. Dies zeigt sich z. B. in einer niedrigeren Brucheinschnürdehnung, einer geringeren Fähigkeit zum Ausgleich von Spannungskonzentrationen und in einer tieferliegenden Kurve im Grenzformänderungsschaubild. Hierdurch bedingt lassen sich einige Umformoperationen, insbesondere auf dem Ge¬ biet der Blechumformung, schwerer durchführen als bei Stahlblechen. Prin¬ zipiell werden aber bei der Herstellung von Blechformteilen aus Aluminium¬ legierungen die gleichen Verfahren eingesetzt, wie bei Stahlblechen, näm¬ lich z. B. Tiefziehen, Streckziehen, Biegen und Falzen. In der Praxis müssen jedoch andere Verfahrensparameter sowie Werkzeuggeometrien verwendet werden, um die Versagensgrenzen des Werkstoffes nicht zu überschreiten. Dies ist auch in der Regel mit höheren Kosten und mit höherem Aufwand verbunden.

Aufgrund ökologischer Aspekte wird im Automobilbau in zunehmendem Maße Aluminium anstatt Stahl eingesetzt. Vor allem die Vereinigung von

Leichtbauweise und Recycling ist in wirtschaftlicher Weise mit der Verwen¬ dung von Aluminium zu erzielen. Dies insbesondere beim Einsatz von Alu¬ miniumlegierungen zur Gestaltung der Fahrzeugkarosserie.

Das Biegen bzw. Falzen, ein häufig angewendetes Verfahren zum Verbin¬ den von Karosserie-Einzelteilen, das im Vergleich zum Tiefziehen nur eine räumlich eng begrenzte (entlang einer Biege-/Falzkante) Umformzone auf¬ weist, im Bereich der Stahlfeiπbleche ausgereift ist und in der betrieblichen Praxis kaum Probleme aufwirft, verlangt bei Verwendung von Aluminium¬ feinblech differenzierte Bearbeitungsparameter. So müssen z. B. größere Biegeradien (Fig. 1 a) als bei Stahlblech (Fig. 1 b) vorgesehen werden, um die Bildung von Rissen in der Biegezone zu vermeiden. Neben dem ferti¬ gungstechnischen Mehraufwand hierfür ist insbesondere auf den mit dieser Maßnahme einhergehenden negativen optischen Eindruck zu verweisen.

Zwar sind nicht aushärtbare Legierungen (AlMn, AlMg, AlMgMn) in der Re¬ gel leichter umformbar als aushärtbare Aluminiumlegierungen (AlMgSi, AlCu, AICuMg, AlZnMg); sie weisen aber bei der Blechumformung Fließfigu¬ ren auf und sind somit nicht für Karosserie-Außenhautteile geeignet. Vielfa¬ che Verwendung im Automobilbau findet daher die Aluminiumlegierung AlMg 0,4 Si 1 ,2 - k.a.

Aluminiumbauteile aus aushärtbaren Aluminiumlegierungen, z. B. der Legierungstypen AlMgSi (6xxx) und AICuMg (7xxx), sind durch Lösungsglühen und nachfolgendes schnelles Abkühlen kalt und warm aushärtbar. Hierbei erhöhen sich die Festigkeitswerte, während die Dehnungswerte und somit die Kaltumformbarkeit geringer wird. Ein Anheben der Festigkeitswerte bei Absinken der Dehnungswerte ergibt sich auch bei der Kaltumformung von Aluminiumwerkstoffen.

Vor einer kritischen weiteren Umformung erscheint daher eine Zurückbildung der durch Kalt- bzw. Warmaushärtung sowie ggf. durch eine Kaltumformung erreichten Festigkeits- und Dehnungswerte sinnvoll, um eine möglichst hohe Umformbarkeit, wie sie im Zustand „lösungsgeglüht und abgeschreckt" gegeben ist, wieder zu erhalten. Eine derartige Glühbehandlung ganzer Bauteile ist, wie eingangs erwähnt, Stand der Technik. Auch ist das Glühen bestimmter großflächiger Zonen eines Bleches vor der weiteren Umformung bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahrensweise zum Um¬ formen (z. B. Falzen) eines flächigen Metallwerkstückes mit thermischer Be¬ handlung einer räumlich relativ eng begrenzten Umformzone des Werkstückes aufzuzeigen, die bei geringem apparativem Aufwand einen flexiblen Fertigungsprozeß ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 zu sehen.

Die gezielte Erwärmung eines schmalen Bereiches entlang einer Linie, so daß die zugeführte Wärme zwar lokal zur gewünschten Entfestigung führt, jedoch durch schnelles Abfließen der Wärme eine grobe Ausscheidung z. B. bei AlMgSi-Legierungen von Magnesiumsilizid oder gar eine

Rekristallisation vermieden wird, ist ein wesentlicher Teil der Erfindung.

Es wird gerade so viel Wärme eingebracht, daß die Verfestigung durch Kalt¬ oder Warmauslagerung sowie ggf. durch Kaltumformung zurückgebildet wird und somit erhöhte Dehnungswerte und somit bessere Umformbarkeit gegeben sind. Durch eine minimale linienförmige Wäremeeinbringung und durch die gute Wäremleitfähigkeit von Aluminium bedingt ergibt sich eine schnelle Abkühlung der wärmebeeinflußten Zone, so daß der Werkstoff nach Abkühlung wieder in etwa den Zustand „lösungsgeglüht - abgeschreckt" aufweist und somit wieder kalt- oder warm aushärtbar ist.

Durch die Verwendung von Strahlwerkzeugen (z. B. Laser, Elektronenstrahl) ist es möglich, die im Werkstoff durch die Kalt- oder Warmaushärtung bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen vorhandene Härte gezielt und mit steu¬ erbarer Wärmeleistung örtlich zurückzubilden, so daß sich eine erhöhte Umformbarkeit aufgrund der damit einhergehenden Zunahme der Deh¬ nungswerte ergibt.

Da diese erhöhten Dehnungswerte sich nicht sofort mit dem Erkalten des Werkstückes, sondern erst nach geraumer Zeit zurückbilden, kann in vorteilhafter Weise die eigentliche Umformung ohne weiteres auch erst zeitlich nach der Wärmebehandlung vorgenommen werden. Dies macht den Fertigungsprozeß flexibel. Denkbar ist danach sogar, daß die Wärmebehandlung beim Blech-Ratinenhersteller erfolgt, während die spä¬ tere Umformung beim Verarbeiter der so vorbehandelten Platinen geschieht.

Um einer Kaltaushärtung mit der damit verbundenen Verringerung der Dehnungswerte und somit der Umformbarkeit zuvorzukommen, sollte die der Wärmebehandlung folgende Kaltumformung möglichst in einem Zeitraum erfolgen, in dem noch keine Verringerung der Dehnungswerte und somit der Umformbarkeit gegeben ist. Dies ist in etwa bis 12 h nach der Wärmebehandlung der Fall. Anschließend an die Kaltumformung kann dann das Werkstück kalt- oder warm ausgehärtet werden, um möglichst hohe Endfestigkeiten zu erzielen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beansprucht. Die Erfindung ist nachstehend anhand von Beispielen im einzelnen weiter erläutert. Auf die zugehörige Zeichnung wird Bezug genommen. Diese zeigt in

Fig. 1 mögliche Falzformen bei Verwendung von Stahlblech (Fig. 1 a) und Aluminiumblech (Fig. 1 b) nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 Härteverlauf auf Innen- und Außenseite eines einseitig laserbehandel¬ ten Aluminiumbleches im Bereich einer Biegekante nach der Erfin¬ dung,

Fig. 3 Verlauf der „neutralen Faser" nach thermischer Behandlung der Alu¬ miniumblech-Innenseite und

Fig. 4 thermische Bearbeitung von Außen- und Innenfläche des Aluminium¬ bleches im Bereich der Biegezone.

Fig. 5 Rückbildung der Dehnungswerte, d. h. erneute Aushärtung des ther¬ misch behandelten Aluminiumwerkstoffes in Abhängigkeit von der La¬ gerzeit,

Fig. 1 zeigt beispielsweise im Automobilbau gängige Falzverbindungen. Da¬ bei wird die Verbindung zweier Bleche dadurch hergestellt, daß ein Außen¬ blech 2 um die Kante 3 eines Innenbleches 1 herumgelegt wird. Handelt es sich dabei um Stahlbleche (Fig 1 a), so ist es aufgrund des günstigen Um¬ formverhaltens sogar möglich, den Biegeschenkel 4 des Außenbleches 2 flachzudrücken (Innenradius = 0). Handelt es sich hingegen um eine Alumi¬ niumlegierung (Fig. 1 b), so war es bisher erforderlich, aufgrund des un¬ günstigen Umformverhaltens einen Tropfenfalz 5 auszubilden. Mit der Erfin-

dung wird es u. a. im Ergebnis möglich sein, trotz Verwendung von Alumini¬ umlegierungen für Innen- und Außenblech 1 ,2 einen Falz herzustellen, wie er in Fig, 1 a dargestellt ist. Hierzu wird folgendermaßen vorgegangen:

Zum Einbringen einer definierten Wärmemenge im Bereich einer Biegezone 6 (vgl. Fig. 1 a, 2 und 4) wird als eine in der Leistung steuerbare Wärme¬ quelle ein Strahlwerkzeug eingesetzt. Denkbar wäre hierbei die Verwendung eines auf der Basis-Elektronenstrahlen-arbeitenden Gerätes. Als besonders vorteilhaft ist aber die Verwendung eines Nd : YAG-Lasers anzusehen. Auch der Einsatz eines Diodenlasers ist als günstig anzusehen. Die Leistungsübertragung (z. B. max 2 kW, Wellenlänge 1 ,06 μm) vom im Auf¬ bau an sich bekannten Laser zur Bearbeitungsoptik erfolgt vorteilhafterweise über eine Glasfaser mit einem Durchmesser von 1 mm. Zur Fokussierung des Strahls ist eine Optik mit einem Abbildungsverhältnis von 1 :1 empfeh¬ lenswert. Aufgrund der hohen Reflektion von Aluminium soll die Optik schräg angestellt werden, damit eine Rückkopplung mit dem Laser verhindert wird. Bei einem Laserstrahldurchmesser von 1 mm (Faserdurchmesser = 1 mm, Abbildungsverhältnis = 1 : 1 ) ergibt sich bei einer Leistung von 2 kW eine Leistungsintensität von ca. 2,5 x 10 ⁵ Watt pro cm ² .

Die tatsächliche Erwärmung des Aluminiumbleches hängt insbesondere ab von dessen Absorptionsgrad (abhängig wiederum von Blechtemperatur, Wellenlänge, Polarisation und Einstrahlwinkel), von der eingeregelten La¬ serleistung und letztlich auch von der Bearbeitungsgeschwindigkeit (Laservorschub). Jedenfalls darf die Wärmeeinbringung nur so hoch sein, daß die Werkstückoberfläche nicht aufgeschmolzen wird.

Wie sich die Energieeinbringung mittels des Lasers auf die Härte der Alu¬ minium-Legierung auswirkt, ist anhand eines Abschnittes des Außenbleches 2 (Blechdicke = 1 ,25 mm) mit zugeordnetem Härteverlauf-Diagramm in Fig. 2 verdeutlicht. Dabei wurden entlang der späteren Falzlinie so viele (nämlich 3) Laserspuren 7 aufgebracht, und zwar ausschließlich auf der der Kante 3 des Innenbleches 1 zugewandten Innenseite 8 des Außenbleches 2, damit die gesamte Biegezone 6 erfaßt ist. Die Wärmebehandlung erfolgte mit 0,5 m/Minute Vorschubgeschindigkeit und einer Laserleistung von ca. 690 Watt.

Fig. 2 zeigt dabei den Härteverlauf (Vickershärte), wobei aufgrund der nicht vollständigen Durchwärmung auf der dem Laser abgewandten Außenseite 9 des Außenbleches 2 die Zunahme der Dehnungswerte (Abbau der Härte)

nicht in gleicher Weise erfolgt ist, wie dies auf der Innenseite 8 der Fall ist. Eine nahezu durchgehende Enthärtung der Blechdicke (von der Innenseite 8 bis zur Außenseite 9 reichend) erbringt, wie dies Versuche bei der Anmel¬ derin gezeigt haben, optimale Arbeitsergebnisse beim Falzen.

Wie aus Fig. 1 a ersichtlich, ist die innere Bogenlänge (Biegezone 6) be¬ trächtlich kürzer als eine äußere Bogenlänge 6.1. Da zudem Biegespannun¬ gen und -dehnungen über den gebogenen Bereich hinausreichen, sollte für die thermisch zu behandelnde Biegezone auf die äußere Bogenlänge 6.1 Bezug genommen werden. Damit wäre sichergestellt, daß die Werkstoffent¬ härtung in jedem Falle den gesamten Bereich auftretender Biegespannun¬ gen und -dehnungen erfaßt. Soweit hierfür drei Laserspuren nicht ausrei¬ chend sein sollten, kann ohne weiteres eine vierte oder auch fünfte Laser¬ spur hinzugefügt werden.

Die Vorgehensweise, die Laserspuren 7 auf der Innenseite 8 anzuordnen, basieren auf folgender Überlegungen:

Wenn die Härte des wärmebeeinflußten Bereiches gegen 0 ginge, dann ent¬ spräche dieser Bereich einer Flüssigkeit, die den Biegevorgang nicht behin¬ dern würde. Das Material der Härte 0 (Vickers) kann anhand dieser Überle¬ gung aus dem Aluminiumblech herausgeschnitten gedacht werden. Dieser Bereich ist in Fig. 3 mit Bezugszeichen 13 gekennzeichnet. Die sogenannte „neutrale Faser" 10, die beim Biegen weder Zug noch Druckspannungen ausgesetzt ist, würde sich dann zur Außenseite 9 hin verschieben. Der Bie¬ geradius vergrößert sich dadurch und die Spannungen an der Oberfläche gehen zurück. Bei der Anmelderin durchgeführte Versuch haben dies bestä¬ tigt. Es war klar ersichtlich, daß die besten Umformergebnisse mit einer Blechinnenseitenbearbeitung zu erreichen waren. Aber auch mit einer aus¬ schließlichen Laserbeaufschlagung der Außenseite 9 waren die Ergebnisse noch deutlich besser, als die von nicht behandelten Blechen.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist in Fig. 4 angedeutet. Dabei sind zu¬ sätzlich zu den auf der Innenseite 8 angebrachten Laserspuren 7 jeweils links und rechts außerhalb der Biegezone 6 auf der Außenseite 9 weitere drei Laserspuren 11 ,12 aufgebracht. Mit dieser weitergehenden Wärmebe¬ handlung wird erreicht, daß diese außenliegenden Laserspuren 11 ,12 den Randbereich der Biegezone 6 weiter enthärten, so daß dieses enthärtete Material beim Biegevorgang in die Biegezone 6 hineinfließen und dort die

plastische Verformung reduzieren kann. Diese an sich mit größerem Auf¬ wand verbundene Vorgehensweise kann im Einzelfall sinnvoll sein.

Mit der Erfindung ist es also möglich, eine örtlich begrenzte und gezielte Wärmebehandlung des umzuformenden Aluminiumwerkstoffes durchzufüh¬ ren derart, daß

- eine vorhandene Kaltverfestigung des Materials bedingt durch einen vor¬ herigen Umformvorgang rückgängig gemacht wird und die Dehnungswerte angehoben werden, bzw.

- die durch Kalt- oder Warmaushärtung bei aushärtbaren Aluminiumlegie¬ rungen vorhandene Härte durch gezielte Wärmebehandlung örtlich zurück¬ gebildet wird, so daß sich eine erhöhte Umformbarkeit aufgrund der Zu¬ nahme der Dehnungswerte ergibt.

Der Werkstoff kann also gezielt in den Zustand

- weich (naturharte Legierung) und

- Lösungsgeglüht / abgeschreckt (aushärtbare Legierungen)

gebracht werden. Der Zustand lösungsgeglüht / abgeschreckt ist nur relativ kurze Zeit gegeben und geht dann fließend über in den Zustand - kalt aus¬ gehärtet -. Die Festigkeit der behandelten Zone nimmt also in Abhängigkeit der Auslagerungszeit bis zum Erreichen des Ausgangszustandes wieder zu.

Dieser in Fig. 5 schematisiert in einem Diagramm Härte / Lagerzeit verdeut¬ lichte Umstand hat den positiven Effekt, daß der eigentliche Umformprozeß (Biegen / Falzen) noch innerhalb von Stunden oder ggf. auch Tagen nach der Wärmebehandlung erfolgen kann. In dieser Zeit können die zuvor behandelten Bleche 2 von einer Bearbeitungsstation zur nächsten verbracht bzw. auch zwischengelagert werden. Selbstverständlich wäre auch denkbar, den Umformprozeß unmittelbar an die Wärmebehandlung anzuschließen, sofern dies sinnvoll ist und die anlagetechnischen Voraussetzung hierfür ge¬ geben sind.

Die Erfindung ist in der Anwendung weder auf das Umformverfahren Bie¬ gen/Falzen noch auf den Werkstoff - Aluminium - beschränkt.