Charakterisierung, Modellierung und Simulation des Verbundverhaltens beim Walzplattieren von Aluminiumlegierungen

Verbundwerkstoffe werden eingesetzt, um Produkte zu fertigen, die den steigenden Anforderungen der Anwendungen, bspw. Crashsicherheit bei gleichzeitigem Leichtbau im Automobilsektor, gerecht werden. Für die kontinuierliche Produktion hoher Tonnagen von Verbundwerkstoffen wird das Walzplattieren eingesetzt. Bei diesem Prozess entsteht ein metallurgischer Verbund zwischen den Plattierpartnern, sodass das finale Produkt die Eigenschaften der Plattierpartner kombiniert. Man unterscheidet dabei je nach Temperatur zwischen dem Warm- und Kaltwalzplattieren. Während das Kaltwalzplattieren ein weit verbreitetes, etabliertes Verfahren in der Industrie ist, kommt dem Warmwalzplattieren bisher eher eine Nischenrolle zu. Der Grund dafür ist u.a. die einfachere Prozessführung in einem einzelnen Stich, bessere Oberflächenqualität und leichtere Handhabung der Werkstoffe beim Kaltwalzplattieren. Beim Warmwalzplattieren stehen eine reduzierte Anlagenlast, die Möglichkeit der Einstellung metallurgischer Eigenschaften im Prozess und eine Verbeiterung des Produktspektrums der schlechteren Oberflächenqualität, der Notwendigkeit mehrerer Stiche und dem damit verbundenen komplexeren Materialverhalten mit den resultierenden Herausforderungen bei der Prozessführung entgegen. Die Herausforderungen entstehen, weil es sich bei Verbundwerkstoffen um einen Verbund mehrerer Werkstoffe handelt, der während des Prozesses erzeugt werden muss und nicht wieder aufbrechen darf. Die s.g. Verbundfestigkeit beschreibt dabei den Spannungszustand, bei dem der Verbund aufbricht, welcher also nicht im Prozess überschritten werden darf. Der Unterschied zwischen Kalt- und Warmwalzplattieren wird dadurch verstärkt, dass für das Kaltwalzplattieren diverse Modelle, Charakterisierungsmethoden und Simulationsmöglichkeiten zur Ermittlung und Beschreibung der Verbundfestigkeit verfügbar sind, während es für das Warmwalzplattieren nur unzureichende Möglichkeiten gibt. Die Ziele dieser Arbeit sind daher für das Warmwalzplattieren eine experimentelle Umgebung zur reproduzierbaren und zuverlässigen Charakterisierung der Verbundeigenschaften zu schaffen, daraus ein Modell abzuleiten und zu validieren sowie das Modell in einer FE Simulation einzusetzen.
Zur Erreichung dieser Ziele wurden zunächst Versuche auf einem Torsionsplastometer konzipiert, die die Charakterisierung der Einflussfaktoren beim Warmwalzplattieren ermöglichen. Dazu gehören, neben den auch beim Kaltwalzplattieren wirkenden Faktoren, wie bspw. die Oberflächenvergrößerung, vor allem Änderungen der Temperatur, unterschiedliche Umformgeschwindigkeiten, Pausenzeiten zwischen Umformungen sowie mehrfache Umformung. Diese zusätzlichen Einflussfaktoren entstehen, weil der industrielle Prozess, im Gegensatz zum Kaltwalzplattieren, in mehreren Stichen durchgeführt wird. Bei allen Versuchen, s.g. Kegelstumpfversuchen, wurden zwei zylindrische Proben unterschiedlicher Aluminiumlegierungen, mit konischer Verjüngung im Bereich der Kontaktzone, während des Versuchs an den Stirnflächen verbunden und getrennt, um über die zur Trennung notwendigen Kräfte bzw. Momente die Verbundfestigkeit zu ermitteln. Während des Versuchs können u.a. Oberflächenvergrößerung, Temperatur, Umformgrad, Anzahl der Umformungen und Umformgeschwindigkeit nahezu beliebig eingestellt und vor allem deren Einfluss auf die Verbundfestigkeit unabhängig voneinander bestimmt werden. Aus den experimentellen Ergebnissen wurde im Anschluss ein Modell zur Beschreibung der Verbundfestigkeit entwickelt. Das Modell basiert auf der Annahme, dass sich die Verbundfestigkeit analog zur Fließspannung verhält und damit relativ zur Fließspannung beschrieben werden kann. Der Faktor zur Berechnung der Verbundfestigkeit aus der Fließspannung läuft im Modell mit steigender Oberflächenvergrößerung, je höher die Temperatur desto schneller, exponentiell in eine Sättigung. Weitere Einflussfaktoren, wie Pausenzeiten, werden über ergänzende Gleichungen berücksichtigt. Die Modellparameter wurden anhand der experimentellen Ergebnisse parametriert, sodass alle relevanten Einflussfaktoren des Warmwalzplattierens im Modell berücksichtigt werden. Dieses Modell wurde abschließend in FE Simulationen der Kegelstumpfversuche und dem Warmwalzplattieren im Labormaßstab angewendet. Das Modell wird für die FE Simulationen mithilfe von Subroutinen in Abaqus implementiert und berechnet die Verbundfestigkeit in der Kontaktzone.
Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse untereinander zeigte, dass die Reproduzierbarkeit mit einer mittleren Abweichung von ca. 5 % gegeben ist. Das Modell konnte die gemessenen Ergebnisse im Mittel mit einer Abweichung von etwa 10 % vorhersagen, während die Simulation mit ungefähr 11 % eine vergleichbare Abweichung lieferte. Damit konnten die Ziele der Schaffung einer reproduzierbaren und zuverlässigen Charakterisierungsmethodik der Verbundeigenschaften, der Ableitung und Validierung eines Modells und dem Einsatz des Modells in einer FE Simulation erreicht werden. Eine Übertragung der Erkenntnisse auf das Warmwalzplattieren im Labormaßstab konnte darüber hinaus erfolgreich umgesetzt werden. Mit den verfügbaren Methoden und Modellen kann hierdurch in Zukunft der industrielle Warmwalzplattierprozess modellhaft bzw. simulativ beschrieben werden, sodass eine Prozessauslegung und Prozessoptimierung möglich werden.