Formning efter värmebehandling - IVF
Formning efter värmebehandling - IVF
Formning efter värmebehandling - IVF
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Delrapport 15<br />
<strong>Formning</strong> <strong>efter</strong><br />
<strong>värmebehandling</strong><br />
Håkan Thoors, IM<br />
Thomas Skåre, IUC<br />
2002-09-09<br />
ACCRA Teknik AB<br />
AK-Konsult<br />
Amada/Promecam AB<br />
AvestaPolarit AB<br />
Bendiro AB<br />
Chalmers Tekniska Högskola<br />
-Institutionen för byggnadsmekanik<br />
Ferruform AB<br />
Kanthal AB<br />
IM – Institutet för Metallforskning AB<br />
<strong>IVF</strong> Industriforskning och utveckling AB<br />
ORTIC AB<br />
PRESS & PLÅTINDUSTRI AB<br />
Scandinavian CAD AB<br />
SSAB Tunnplåt AB<br />
Volvo Personvagnar AB<br />
VINNOVA
VAMP15 - FORMNING AV ULTRAHÖGHÅLLFASTA STÅL<br />
Delrapport 15<br />
FORMNING EFTER VÄRMEBEHANDLING<br />
Håkan Thoors, IM<br />
Thomas Skåre, IUC
INNEHÅLLSFÖRTECKNING<br />
INLEDNING 1<br />
MATERIAL 2<br />
VÄRMEBEHANDLINGAR 3<br />
METODER FÖR LOKAL VÄRMEBEHANDLING 5<br />
INDUKTIV VÄRMNING 5<br />
VÄRMNING MED IR-PANELER 6<br />
UPPVÄRMNNG MED LASER 6<br />
TEST A - LDH-TEST AV RONDELLER 8<br />
KOMMENTARER PÅ RESULTATEN 16<br />
SLUTSATSER LDH-PROVNING 16<br />
FALL B - BOCKNING EFTER LASERBEHANDLING 17<br />
FALL C - KRAGNING AV VÄRMEBEHANDLAT MATERIAL 20<br />
FALL D - EFTERFORMNING AV HATTPROFIL 23<br />
SLUTSATSER AV "TILLPLATTNING AV BALKÄNDE" 29<br />
FALL E - HYDROFORMNING AV RÖR EFTER VÄRMEBEHANDLING 30<br />
BAKGRUND 30<br />
EXPERIMENTELL UTRUSTNING 31<br />
EXPERIMENTELLA FÖRUTSÄTTNINGAR 32<br />
RESULTAT 33<br />
SLUTSATSER-HYDROFORMNING AV RÖR 35<br />
SLUTSATSER 36<br />
REFERENSER 37
INLEDNING<br />
En av de främsta drivkrafterna för att öka användningen av höghållfast kolstål och rostfritt<br />
stål i nya plåtkonstruktioner är möjligheten att minska vikten. Detta i sin tur drivs av<br />
förväntade miljövinster. Miljövinsterna är oftast kopplade till minskad bränsleförbrukning för<br />
konstruktionen som sådan (bilar/lastbilar/tåg/buss etc) eller för transporter av slutprodukterna<br />
(containers).<br />
Lättare konstruktioner med höghållfast stål åstadkoms typiskt genom att minska<br />
plåttjockleken. Genom den högre hållfastheten kan konstruktionens hållfasthet bibehållas eller<br />
förbättras trots att plåttjockleken minskas. Dock kan ej egenskaper som beror av materialets<br />
elastiska egenskaper (styvhet) bibehållas utan att ändra produktutformningen.<br />
Projektet fokuserades mot att använda ultrahöghållfasta kolstål och rostfria stål för<br />
tillverkning av balkar. Som formningsmetoder användes rullformning, kantbockning och<br />
djupformning. Material med brottgränser upp till 1500 MPa har undersökts.<br />
Denna rapportdel behandlar formning <strong>efter</strong> lokal <strong>värmebehandling</strong>. Vissa utvalda höghållfasta<br />
stål som ingått i projektet har detaljstuderats. En stor förstudie har tidigare utförts på snabba<br />
<strong>värmebehandling</strong>ar av UHS-material, både kolstål och rostfritt [ref1, ref2]. I förstudien<br />
användes saltbad <strong>efter</strong>som detta är en process med mycket snabba uppvärmningsförlopp där<br />
temperaturen kan styras mycket noggrant. Hela provkropparna värmdes för att bestämma<br />
materialens respons på <strong>värmebehandling</strong>. Från förstudien erhölls kombinationer av tid och<br />
temperatur för <strong>värmebehandling</strong>en som gav intressanta egenskaper.<br />
I denna rapportdel är tanken att bara lokalt värmebehandla det material som utsätts för stora<br />
töjningar och där risk för brott eller defekta slutprodukter eller undermåliga egenskaper<br />
annars föreligger och att i de zonerna uppnå de riktvärden på hårdhet som erhölls under<br />
förstudien med tre olika metoder.<br />
En sådan <strong>värmebehandling</strong> skulle i ett verkligt scenario kunna utföras då detaljens form i<br />
princip är färdig till exempel för att göra en mindre prägling eller utföra en kragning, bocka en<br />
balkform eller stuka till en balkända för att skapa en fogyta mot ett annat element.<br />
De metoder som använts här är<br />
1-värmning med IR-paneler [ref3],<br />
2-värmning med induktionselement [ref4],<br />
3-värmning med laser [ref5,6] och<br />
4-värmning i saltbad.<br />
Metoderna kommer kort att beskrivas och försöken finns i detalj beskrivna i ovan nämnda<br />
referenser.<br />
UHS-material som utsatts för lokal <strong>värmebehandling</strong> har formbarhetstestats i flera olika fall.
I fall A har rondeller med en diameter på 80 mm tagits fram och sträckpressbarheten testats i<br />
ett modifierat erichséntest där maximalt pressdjup till brott registreras.<br />
I fall B utfördes bockningsprov på laserbehandlat material.<br />
I fall C utfördes en kragningstest på värmebehandlat och utgångsmaterial.<br />
Fall D är ett produktionsliknande exempel där breda remsor klipps av UHS material och<br />
kantbockas till hattprofiler. Ena änden av hattprofilen värmebehandlas medan den andra<br />
änden får vara referensmaterial. I ett speciellt framtaget enkelt verktyg plattas sedan<br />
hattprofilen med olika svårighetsgrad till så att taket hamnar i nivå med brättena.<br />
I fall E formades rör av UHS och testades före och <strong>efter</strong> <strong>värmebehandling</strong> i ett<br />
hydroformningsverktyg.<br />
MATERIAL<br />
Materialen presenteras mer i detalj under respektive test.<br />
Ett antal varianter av HyTens metastabila austenitiska rostfria stål har ingått i försöken. De<br />
betecknas utgående från brottgräns så att HyTens1200 har en brottgräns på 1200 MPa.<br />
Materialen kan kallvalsas upp till mycket höga hållfasthetsnivåer och kan bilda martensit<br />
under kalldeformationen. Materialens brottgräns har i projektet varierat mellan 1000 och<br />
1800 MPa.<br />
Kolstålen i projektet benämns DP vilket står för Dual Phase, en blandning av ferrit och<br />
martensit. Även för DP-stålen finns en siffra som kan relateras till en ungefärlig brottgräns.<br />
DP1000 och DP1400 fanns med här.<br />
I de allra mest höghållfasta varianterna är formbarheten mycket låg medan de mindre extrema<br />
varianterna kan uppvisa förvånansvärt goda formningsegenskaper.<br />
2
VÄRMEBEHANDLINGAR<br />
Här berörs kort de inledande <strong>värmebehandling</strong>arnas resultat.<br />
I Figur 1 nedan visas resultat av <strong>värmebehandling</strong>ar i saltbad av ett HyTens rostfritt material.<br />
Genom kallvalsning och viss modifiering av analysen hos HyTens-materialen kan brott- och<br />
framförallt sträckgränsen höjas hos materialet. Den svarta kurvan motsvarar det kallvalsade<br />
tillståndet. Genom <strong>värmebehandling</strong> vid högre och högre temperatur närmar man sig<br />
egenskapsmässigt mer och mer den röda 1050°C-kurvan som kan sägas motsvara ett normalt<br />
leveranstillstånd hos ett glödgat rostfritt 301-material. Framförallt är det sträckgränsen och<br />
brottförlängningen som påverkas genom <strong>värmebehandling</strong>en.<br />
Teknologisk spänning [MPa]<br />
2000<br />
1800<br />
1600<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
800<br />
Material: HyTens1700<br />
0<br />
0% 10% 20% 30% 40% 50%<br />
Brottförlängning, A80<br />
Figur 1 Resultat av 15s <strong>värmebehandling</strong> i saltbad.<br />
3<br />
obehandlad<br />
800°C<br />
870°C<br />
1000°C<br />
1050°C<br />
Redan vid 800°C är brottförlängningen över 20%, nästan 10 ggr ursprungsvärdet. Denna<br />
temperatur/tid-kombination bedömdes som intressantast för de kommande lokala<br />
<strong>värmebehandling</strong>arna. Vid än högre temperaturer sänks sträckgränsen mycket. De testade<br />
HyTens-varianterna uppvisade också en platå i hårdhetsvärdena runt denna testade vilket kan<br />
vara gynnsamt då det kan bli enklare att få fram upprepbara, robusta resultat, Figur 2.<br />
Dessutom visade det sig att de olika materialens hårdheter sammanföll till en nivå på c:a<br />
330 HV0.5 för alla testade HyTens-material.
Hårdhet HV0.5<br />
550<br />
500<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
Intressant område<br />
Hålltid: 14 s<br />
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200<br />
Värmebehandlingstemperatur, °C<br />
Figur 2 Hårdheter vid intressant mellantemperatur<br />
4<br />
316<br />
HyTens1200<br />
HyTens1500<br />
HyTens 1700<br />
Utgående från saltbadsförsöken bestämdes att prova formningsegenskaperna för kallvalsat<br />
material och för helt glödgat samt vid en mellantemperatur på c:a 800°C. Även kolstålens<br />
respons på <strong>värmebehandling</strong> undersöktes. i Figur 3 nedan visas slutgiltigt valda egenskaper.<br />
Här sammanfaller kurvorna för materialen för den valda temperaturen, c:a 850°C.<br />
Teknologisk spänning [MPa]<br />
1600<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
DP1400-leveranstillstånd<br />
DP1000-leveranstillstånd<br />
Teknologisk töjning [%]<br />
DP1000-VB<br />
DP1400-VB<br />
0 5 10 15 20 25<br />
Figur 3 Resultat av dragprovning på värmebehandlat Dual Phase-material..<br />
För alla materialen skulle önskvärda mekaniska egenskaper styras genom att en viss hårdhet<br />
uppnås med de olika lokala <strong>värmebehandling</strong>smetoderna.
METODER FÖR LOKAL VÄRMEBEHANDLING<br />
Induktiv värmning<br />
Denna metod bygger på att man leder en mellan- eller högfrekvent ström genom en<br />
kopparspole s k induktor. Kring denna induktor uppstår då ett magnetfält. Om spolen placeras<br />
nära ett ferromagnetiskt material kommer ström att induceras i detta. Därmed sker värmning<br />
med hög verkningsgrad dels genom resistiva förluster och dels genom hysteresförluster som<br />
uppstår i det ferromagnetiska materialet. För att hålla ett konstant kopplingsavstånd, d v s<br />
avstånd mellan induktor och plåt, användes en keramisk platta som mothåll på baksidan av<br />
plåten.<br />
Figur 4 Induktiv strålare med hållare för testplåt och keramisk platta som<br />
Testytan för LDH-provning skulle vara en rondell med diametern 80.<br />
5
Värmning med IR-paneler<br />
IR-strålaren bestod av ett meanderformat värmeelement monterat på en reflektor av keramisk<br />
fiber. Strålarens värmeavgivande yta var rektangulär, 120 x 70 mm.<br />
Mitt emot strålaren placerades ett eldfast tegel som motstrålare. Spalten mellan reflektor och<br />
tegel var 10 –12 mm. Den tillförda effekten styrdes av en tyristor och temperaturregulator.<br />
Temperaturen i spalten var inställd på 1350°C som ansågs vara ett optimalt värde.<br />
Värmningen startades vid en så hög temperatur som möjligt utan att överskrida den högsta<br />
tillåtna elementtemperaturen i slutet av värmningen för att få en så snabb värmning som<br />
möjligt.<br />
Vid värningen hölls plåtarna med en polygriptång i läge mellan strålaren och motstrålaren<br />
under tider enligt Tabell 2 nedan.<br />
Med påsvetsade termoelement på plåtarna bestämdes värmningstiderna experimentellt för att<br />
uppnå måltemperaturerna.<br />
Testytan för LDH-provning skulle vara en rondell med diametern 80.<br />
Figur 5 Uppställning vid IR-försöken.<br />
Uppvärmning med laser<br />
Vid laser<strong>värmebehandling</strong> tillförs värme till den yttersta ytan av det bestrålade området.<br />
Effekttäthet och interaktionstid avgör hur mycket värme som genereras och hur snabbt detta<br />
sker. Värmespridningen i plåten (i praktiken uppvärmnings och svalningshastighet) bestäms<br />
av värmeledningsförmågan samt plåttjockleken.<br />
6
För att kunna utföra laser<strong>värmebehandling</strong> av plåt på ett riktigt sätt måste följande väsentliga<br />
aspekter beaktas: plåten måste genomglödgas, en jämn temperaturprofil måste erhållas genom<br />
hela tjockleken och rätt temperatur måste uppnås. I praktiken innebär det en anpassning av<br />
energitäthet samt interaktionstid. Kylningshastigheten styrs av värmeledning till<br />
omkringliggande material och är i praktiken omöjlig att påverka.<br />
Laserbehandlingarna har utförs med hjälp av en pulsad högeffektlaser, Nd:YAG, med 800 W<br />
medeleffekt. Lasern är utrustad med ett numeriskt kontrollerat x-y bord för mycket noggrann<br />
förflytning av laserstrålen över arbetsytan.<br />
Fördelen med Nd:YAG laser är det att den våglängd som används (1,064µm) kommer att<br />
absorberas betydlig bättre än längre våglängder (t.ex. CO2-lasrar). Följaktligen kan<br />
laserbehandlingarna utföras utan absorptionshöjande beläggningar som t. ex. grafit eller svart<br />
lack.<br />
Försöken har utförs i spår parallella med valsriktningen. Genom en speciell optik formades<br />
laserstrålen till rektangulär form, 5,5x5,5mm.<br />
Laserbehandlingarnas effekt på formbarheten testades på raka spår där materialet bockades.<br />
Figur 6 Principskiss av laseruppvärmningen<br />
7
TEST A - LDH-TEST AV RONDELLER<br />
Rondeller med en diameter på 80 mm klipptes ut ur A4-stora plåtar, lokalt värmebehandlade<br />
med induktion och IR.<br />
Nedan visas den värmebehandlade zonens storlek i förhållande till och provstorleken för en<br />
IR-värmd detalj för LDH-testning.<br />
Figur 7 Form hos värmebehandlad zon för IR-proven i förhållande till provrondellen.<br />
I detta försök ingick fyra olika material som redovisas i Tabell 1 nedan. Riktvärden på<br />
hårdheter att uppnå <strong>efter</strong> <strong>värmebehandling</strong> framgår också av tabellen.<br />
Tabell 1 Riktvärden för temperatur och hårdhet HV0.5 att uppnå för olika processer/material.<br />
Material Temperatur Hårdhet Utgångshårdhet<br />
HyTens 1200 max 800 335 392<br />
HyTens 1200 1050 220 392<br />
HyTens 1700 max 800 355 496<br />
HyTens 1700 1050 240 496<br />
Docol 1000 DP 800-900→850 197 354<br />
Docol 1400 DP 800-900→850 205 473<br />
Hårdhetsmätningar gjordes på behandlat utklippt material. I Tabell 2 redovisas de uppmätta<br />
hårdheterna på proverna.<br />
8
Tabell 2 Uppmätta temperaturer och hårdheter vid försök A.<br />
(1) Temperaturen styrs med tiden vid konstant strålning,<br />
(2) Medelhårdhet i homogen behandlad zon, se Figur 8, (3) ref 4<br />
Material Hårdhet (3) , temp/tid, Hårdhet, tid (1) ,<br />
induktion<br />
induktion<br />
9<br />
IR (2)<br />
IR<br />
tjocklek<br />
[mm]<br />
HyTens 1200 325 800/30 - 10 0.5<br />
HyTens 1200 235 1050/28 202 14 0.5<br />
HyTens 1700 370 800/24 392 10 0.5<br />
HyTens 1700 255 1050/23 228 14 0.5<br />
Docol 1000 DP 210 860/26 - 15 0.8<br />
Docol 1400 DP 240 840/23 260 15 0.8<br />
I Figur 8-Figur 11 visas några hårdhetsprofiler för induktions och IR-uppvärmda prover. En<br />
gradient i hårdhet uppstår för båda materialen och ibland är den värmebehandlade zonen med<br />
låg hårdhet mindre än avsedda 80 mm.<br />
Hårdhet [HV0.5]<br />
500<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
0 10 20 30 40 50<br />
Avstånd från centrum [mm]<br />
Figur 8<br />
DP1400-värmebehandlat<br />
IR. Genomsnittshårdhet<br />
262 på en 40 mm diameter.<br />
IR-<strong>värmebehandling</strong>en av material DP1400 i Figur 8 har gett bra resultat, en sänkning av<br />
hårdheten på c:a 200 HV0.5 ner till nära avsedd hårdhet, men kanske inte på en tillräckligt<br />
stor yta. Detta är fallet generellt. Rondellerna är 80 mm i diameter, öppningen i verktyget c:a<br />
50 mm. Längdaxeln ligger här på den värmebehandlade zonens minsta sida så vinkelrätt mot<br />
denna riktning är den homogena zonen förmodligen större.
Hårdhet [HV0.5]<br />
Hårdhet [HV0.5]<br />
Hårdhet<br />
550<br />
500<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
0 10 20 30 40 50<br />
Avstånd från centrum [mm]<br />
550<br />
500<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
-10 0 10 20 30 40 50<br />
Avstånd från centrum [mm]<br />
150<br />
-10 0 10 20 30 40 50<br />
Avstånd från centrum [mm]<br />
10<br />
Figur 9<br />
HyTens1700-1050°C<br />
En rondell med diameter<br />
på c:a 50 mm är värmebehandlad<br />
ner till bra<br />
hårdhetsnivå, 228HV.<br />
Figur 10<br />
Effekten av värmning till<br />
den lägre temperaturen<br />
~800 °C har varit för<br />
liten, från ~500HV till<br />
~400HV. Det syns ingen<br />
gradient i hårdhet på den<br />
värmebehandlade zonen<br />
vilket är bra men hårdhetsnivån<br />
är lite för hög,<br />
~400 HV0.5 i st f avsedda<br />
355HV0.5.<br />
Figur 11<br />
HyTens1200-1050°C.<br />
Även för detta material är<br />
hårdheten rejält sänkt för<br />
den höga temperaturen.<br />
Den värmebehandlade<br />
homogena zonen är c:a 50<br />
mm i diameter.<br />
Medelhårdheten ligger på<br />
c:a 202 HV0.5.<br />
Samtliga lokalt värmebehandlade prover, även laserbehandlade, uppvisar stor deformation<br />
pga en kombination av restspänningar, materialanisotropi och värmeutvidgning i samband<br />
med uppvärmningen, se Figur 12. En bula uppkommer mitt i den behandlade zonen. Det är<br />
förmodligen mycket svårt att styra riktningen på utbuktningen. Det verkar som om stor
kallvalsningsgrad och hög <strong>värmebehandling</strong>stemperatur ger en större bula. Då alla metoderna<br />
är känsliga för att korrekt avstånd bibehålls kommer utbuktningen om den inte kan<br />
kontrolleras att påverka uppnådd temperatur. Docol-materialet visar lägre bulor vilket också<br />
kan sammanhänga med större plåttjocklek. De klippta rondellerna lades med bulan uppåt vid<br />
LDH-provningen. Eftersom materialet har haft möjlighet att bukta ut så kan man anse att det<br />
är odeformerat. Det blir då viktigt att på något sätt hitta nollan, då stämpeln träffar plåten.<br />
Figur 12 visar också förhållandet mellan den värmebehandlade zonens storlek och storleken<br />
på rondellen och den bula som dras vid provningen, Ø=50mm.<br />
1050°C 800°C<br />
Figur 12 Induktionsvärmd zon för material HyTens1700.<br />
Figur 13 Jämförelse av utseende för induktionsvärmda zoner<br />
11
Utvärdering av materialens sträckpressbarhet utfördes i ett verktyg för modifierad Erichsénprovning.<br />
Höjden till brott registrerades. Smörjning gjordes med två lager av teflonfilm med<br />
ett lager fett emellan.<br />
Figur 14 Ritning för verktyg för modifierat Erichsen [28].<br />
Φp= 33mm, Φa= 49mm, Φb= 40mm, R= 4,5mm.<br />
Testade rondeller av de induktivt värmda rostfria materialen visas i Figur 15 nedan.<br />
obehandlad<br />
11.3<br />
800ºC<br />
11.7(+4%)<br />
1050ºC<br />
20.3(+80%)<br />
12<br />
obehandlad<br />
9.1<br />
800ºC<br />
11.1 (+23%)<br />
Figur 15 Resultat av LDH-provning för HyTens 1200 (vänster) och HyTens 1700 (höger).<br />
1050ºC<br />
18.3 (+102%)<br />
Ökningen vid mellantemperaturen var mycket liten, speciellt för HyTens 1200 medan det<br />
<strong>värmebehandling</strong>en till fullt glödgat material gav betydligt större ökningar.<br />
De induktivt värmda kolstålen DP1000 och DP1400, rostfria materialen visas i Figur 16.
11.1 13.9 (+25%) 10.6 12.3 (+16%)<br />
13<br />
Figur 16<br />
Kolstålen:<br />
DP1000-två första<br />
kolumnerna och DP1400kolumn<br />
3 och 4.<br />
Första kolumnen -<br />
obehandlat,<br />
andra kolumnen - <strong>efter</strong><br />
850°C.<br />
En skillnad i pressdjup på mellan 16 och 25% uppmättes för de induktivt värmebehandlade<br />
proverna.<br />
Endast en representant från varje variant visas för de IR-uppvärmda proverna nedan.<br />
obehandlad T1=800ºC eller 850ºC 1050ºC<br />
Figur 17 Resultat av LDH-test på IR-värmda rondeller.<br />
Övre raden: HyTens1200, mellanraden: HyTens1700, nederst: DP1400.<br />
I Tabell 3 - Tabell 5 anges uppmätt LDH i dessa försök och i saltbadsförsöken.
Tabell 3 Max höjd [mm] <strong>efter</strong> före och induktionsuppvärmning<br />
OB 800°C 1050°C ökning1 ökning2<br />
DP1000 11.1 13.9 25%<br />
DP1400 10.6 12.3 16%<br />
HyTens1200 11.3 11.7 20.3 4% 80%<br />
HyTens1700 9.1 11.1 18.3 23% 102%<br />
Tabell 4 Max höjd <strong>efter</strong> IR-Uppvärmning<br />
OB 800°C 1050°C ökning1 ökning2<br />
DP1000 11.1 14.9 35%<br />
DP1400 10.6 12.6 19%<br />
HyTens 1200 11.3 13.7 20.8 21% 85%<br />
HyTens 1700 9.1 11.0 18.3 21% 102%<br />
Tabell 5 Resultat - LDH och hårdhet - vid referensprovningar i saltbad<br />
Material egenskap obehandlat 700ºC 800ºC 870ºC 1050ºC<br />
HyTens 1200 LDH 12.3 13.0 15.1 17.6 22.9<br />
HyTens 1700 LDH 9.0 10.7 13.8 17.1 21.0<br />
HyTens 1200 HV05 395 360 334 254 218<br />
HyTens 1700 HV05 496 401 356 245 240<br />
HyTens 1200 ökat LDH 0% 6% 23% 43% 86%<br />
HyTens 1700 ökat LDH 0% 18% 52% 89% 133%<br />
Ökning av LDH<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
HyTens1200<br />
HyTens1700<br />
HyTens1700-induktion<br />
HyTens1700-IR<br />
HyTens1200-induktion<br />
HyTens1200-IR<br />
Mellan 700 och 1050 grader<br />
0 100 200 300 400 500<br />
Hårdhet [HV0.5]<br />
Figur 18 Försöken vid låga <strong>värmebehandling</strong>stemperaturer för HyTens ger sämre LDH-resultat än<br />
vid saltbadsförsöken trots att hårdheten för induktionsfallet blivit lägre än avsett.<br />
14
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
140%<br />
120%<br />
100%<br />
80%<br />
60%<br />
40%<br />
20%<br />
0%<br />
HT1700salt<br />
HT1700salt<br />
HT1700ind<br />
obehandlat<br />
800°C<br />
1050°C<br />
HT1700ind<br />
HT1700IR<br />
HT1700IR<br />
HT1200salt<br />
HT1200salt<br />
HT1200ind<br />
HT1200ind<br />
HT1200IR<br />
HT1200IR<br />
DP1400salt<br />
DP1400salt<br />
15<br />
DP1400ind<br />
800°C<br />
1050°C<br />
Figur 19 LDH i mm (överst) och relativ förändring <strong>efter</strong> <strong>värmebehandling</strong> (nedre)<br />
DP1400ind<br />
DP1400IR<br />
DP1400IR<br />
DP1000salt<br />
DP1000salt<br />
DP1000ind<br />
DP1000ind<br />
DP1000IR<br />
DP1000IR
Kommentarer på resultaten<br />
Skillnaderna mellan LDH-värdena kan tyckas små i jämförelse med de stora skillnader som<br />
uppmätts i brottförlängning A80 men små skillnader i LDH kan motsvara stora skillnader i<br />
maximal töjning. Detta illustreras i Figur 20 som visar resultat från tidigare körningar i<br />
samma verktyg där man mätt töjningarna utgående från påetsade cirkulära mönster. Materialet<br />
är mässing (stort deformationshårdnande och FCC-struktur som det rostfria materialet) med<br />
mindre plåt-tjocklek än i vårt fall.<br />
Slutsatser LDH-provning<br />
16<br />
Figur 20<br />
Figuren illustrerar effekten av en<br />
ökning från 14 till 18.7 mm i LDHvärdet.<br />
Tjocklekstöjningarna mitt på<br />
stämpeln ökar från c:a 15% till 30%.<br />
Den ökning på 2 till 2.4 mm som<br />
erhålls vid <strong>värmebehandling</strong> till<br />
mellantemperaturen kan alltså<br />
motsvara c:a 10% mer brottöjning.<br />
Försöken visar att det är fullt möjligt att värmebehandla lokalt både med IR och induktion<br />
men att mer intrimning av data behövs.<br />
För HyTens-materialen uppnåddes stora förbättringar vid de höga temperaturerna medan<br />
mellantemperaturerna gav .Att glödga fullt ut verkar också vara mindre känsligt än att försöka<br />
hitta en platå med mellanresultat.
FALL B - BOCKNING EFTER LASERBEHANDLING<br />
Bockningsprov har utförts hos SSAB på samma material som använts i de inledande<br />
<strong>värmebehandling</strong>sförsöken i saltbad. Tre olika <strong>värmebehandling</strong>ar gjordes för HyTens1700, 1<br />
och 2 skiljer sig åt genom kombinationen av effekttäthet i laserstrålen och interaktionstid<br />
(draghastighet), vilket antingen ger ett helt glödgat material och eller ett motsvarande<br />
värmning till c:a 800ºC.<br />
Tabell 6 Testade variant av bockprover. Draghastighet i lasern i mm/min.<br />
namn Material Värme- effekt drag- Hårdhet Hopslagning<br />
behandling W hastighet HV0.5<br />
A HyTens1700 2 390W 300 250-260 Ja<br />
B HyTens1700 1 360W 300 360 Ja<br />
C HyTens1200 1 360W 300 210-220 Ja<br />
D Docol 1000 DP 1 300W 300 230 Ja<br />
E Docol 1400 DP 1 300W 300 260 Ja, större radie än<br />
DP1000<br />
F HyTens1700 "smal" vb1 140W 800 - Nej, 90 grader<br />
För F har lasern flyttats längre från provet och draghastigheten har ökats för att hindra värmen<br />
från att sprida sig i materialet i syfte att åstadkomma en så smal zon som möjligt.<br />
Figur 21 A4-stora plåtar användes och laserbehandlades dels med normal zonstorlek, dels i ett fall<br />
med smalare zon (höger)<br />
Under provningen bockas materialet med kniv med c:a 1 mm radie, till c:a 120 grader.<br />
Där<strong>efter</strong> kläms bocken ihop till 180 grader mellan plana verktyg. Då blir innerradien nära<br />
noll. Alla varianterna gick att slå ihop till 180 grader till mycket liten innerradie utom variant<br />
F, HyTens1700 (smal zon), där ett försök gjorts att få en smalare påverkad zon. Zonen blir så<br />
smal att all deformation koncentreras till ett mycket litet område med brott som följd. Även<br />
17
med större kniv blir bockradien högst 1 mm. Det är alltså möjligt att styra bockradien med<br />
laserbehandlingen. Även variant F kan bockas till 90 grader och då med en mycket skarp<br />
radie se Figur 22. Inte heller variant E, DP1400, får en skarp innerradie.<br />
18<br />
Figur 22<br />
Samtliga hopslagna prover<br />
A-HyTens1700<br />
B-HyTens1700<br />
C-HyTens1200<br />
D-Docol 1000 DP<br />
E-Docol 1400 DP<br />
F-HyTens1700-smal zon, klarar inte<br />
hopslagning<br />
Innerradien för DP1400 blir också avsevärt större än övriga fall, Figur 23. Tjockleken för DPmaterialen<br />
är 0.8 mm jämfört med 0.5 mm för HyTens-materialen.<br />
Figur 23 Hopslagna prover av DP1000 och DP1400 <strong>efter</strong> laserbehandling, radien blir betydligt<br />
större för DP1400.<br />
Inga tecken på sprickbildning ses på plåtens yta vid ändarna eller i mittpartiet, Figur 24.<br />
Figur 24 Det syns inga sprickor på bockens utsida eller i kanterna. Uppifrån: Prov A, B, C, D och E.<br />
I bilden kan man se oxider bildade vid laserbehandlingen som flagnat av vid bockningen.<br />
Det går alltså att uppnå bra resultat för bockning med laservärmda prover, både när värmning<br />
sker till motsvarande 1050ºC och till 800ºC eller 850ºC (kolstål). Genom att styra zonens<br />
bredd kan man också begränsa den värmepåverkade zonen och göra mycket fina bockar.
Detta kräver förstås att man träffar mycket precist med kniven. Att däremot värmebehandla<br />
större ytor blir mycket mer komplicerat då värme från det ena spåret påverkar tidigare värmt<br />
material och material som värms i nästa spår. Detaljutvärdering kan ske i snitt, se Figur 25.<br />
Prov D. Docol 1000 DP. Liten spricka. Prov E. Docol 1400 DP. Stor radie, inga sprickor.<br />
Prov A. HyTens1700, VB2, sprickor Prov B. HyTens1700, VB1, sprickor<br />
Prov C. HyTens1200, inga sprickor<br />
Figur 25 Snittade sammanslagna plåtar. Radierna skiljer sig ganska mycket åt. Sprickor uppträder<br />
på innerradien för den skarpaste bocken, HyTens1700, för båda <strong>värmebehandling</strong>arna.<br />
19
FALL C - KRAGNING AV VÄRMEBEHANDLAT MATERIAL<br />
Kragningsförsök har utförts på HyTens-material i en 200-tons Lagan-press på SSAB Tunnplåt<br />
i Borlänge. Testplåtarnas storlek var 100x100mm och hade en tjocklek på 0,5 mm.<br />
Figur 26 Ritning av stämplarna för kragningsprovet<br />
Försöken utfördes i två serier, en med liten stämpeldiameter, 25mm, och en med stor, 50mm.<br />
De koniska stämplarnas geometrier visas i Figur 26.<br />
Hål med varierande diameter stansas normalt ut ur plåtarna som ska testas. För den lilla<br />
stämpeln används hål med diameter mellan 13 och 22mm, vilket ger dragförhållande mellan<br />
1,14 och 1,92. För den stora stämpeln erhålls samma dragförhållanden med hål från 26 till<br />
44mm.<br />
Plåt med hål placeras på stämpeln, <strong>efter</strong> smörjning med lämpligt smörjmedel. I dessa försök<br />
användes Aral Ropa 4093.<br />
Plåten pressas ned över stämpeln genom att dynan rör sig nedåt med en hastighet på ca<br />
25mm/s. Olika dynor används för de olika stämpeldiametrarna. För den mindre stämpeln<br />
används en dyna med kantradien 0,5mm och öppningen 29,2mm. Motsvarande värden för den<br />
stora stämpeln är 0,5mm och 51,8mm. Detta ger en spalt som är 2,1mm för den lilla stämpeln<br />
och 0,9mm för den stora. När plåten är pressad betygssätts kragkanten från noll till fyra med<br />
20
hjälp av en mall. Noll eller ett bedöms som godkänt och allt däröver icke godkänt. Där<strong>efter</strong><br />
avgörs vilket dragförhållande det godkända provet med minst utgångsdiameter har, vilket ger<br />
det största möjliga dragförhållandet. Provning görs både med och mot klippkanten från<br />
stansningen av hålet.<br />
I ett första försök testades HyTens1200 värmebehandlat i 14 sekunder vid 700, 750, 800 och<br />
1050 grader. De maximala dragförhållanden som erhölls vid försöket visas i Tabell 7.<br />
Tabell 7 Minsta godkända dragförhållande vid kragning. ”Lilla serien mot” betyder den serie där<br />
den mindre stämpeln används och att klippgraden vänts nedåt, mot stämpeln.<br />
T Lilla serien Lilla serien Stora serien Stora serien<br />
mot från mot från<br />
0 1.14 1.14 1.25 1.25<br />
700 1.14 1.14 1.19 1.14<br />
750 1.14 1.14 1.19 1.14<br />
800 1.14 1.14 1.19 1.14<br />
1050 1.32 1.14 1.25 1.14<br />
Ingen förbättring kunde registreras vid <strong>värmebehandling</strong> för den lilla serien, utom för 1050<br />
grader, med klippgraden mot stämpeln. För den stora serien ger det obehandlade materialet<br />
bäst resultat, tillsammans med 1050 grader, klippgrad mot stämpeln.<br />
Anledningen till det dåliga resultatet antas vara att stansverktyget var oskarpt vid provtillfället<br />
och att plåten var lite för tunn jämfört med de plåtar som normalt stansas så att spelet blir<br />
större. Dessa faktorer kan tillsammans med det stora deformationshårdnandet ge stora grader<br />
och kalldeformation i klippkanten med åtföljande sprickor i kragen.<br />
I ett kompletterande försök borrades hålen därför ut och avgradades så att ingen grad fanns<br />
kvar. Material HyTens1200 testades både i hårt, obehandlat tillstånd och <strong>efter</strong><br />
saltbadsvärmning till 700 respektive 1100 grader i 15s.<br />
Alla tre varianterna kunde nu dras till det högsta möjliga dragförhållandet, 1.92, i verktyget.<br />
Försöket visar att det är fullt möjligt att göra HyTens-materialen kragbara om man lägger ner<br />
omsorg på håltagningen. Att borra och avgrada är förmodligen överarbetat åt ena hållet<br />
medan stansningen i det första försöket representerar den andra änden av skalan.<br />
Bilder på färdiga kragningar visas i Figur 27.<br />
21
Figur 27 Maximal kragningshöjd utan sprickbildning erhölls både för<br />
HyTens1200 och HyTens1700 <strong>efter</strong> noggrann håltagning.<br />
Även för Docol 1000 DP och 1400 DP testades kragbarheten [ref1]. Här stansades hålen ut på<br />
normalt sätt. Kragningen utfördes med den stora stämpeln, Ø=50 mm. Resultaten<br />
sammanfattas i Tabell 8.<br />
Tabell 8 Resultat av kragning [ref1].<br />
Material Värme- D/D0 grad mot D/D0 grad mot Kommentar<br />
behandlat stämpel stämpel<br />
Docol 1000 DP Nej 1.19 1.14<br />
Docol 1000 DP Ja 1.32 1.32<br />
Docol 1400 DP Nej X X spricker i radien<br />
Docol 1400 DP Ja 1.32 1.25<br />
Även resultaten för kolstålen skulle förmodligen förbättras avsevärt om håltagningen gjordes<br />
så att hål utan grader och kallbearbetning erhölls. Effekten av <strong>värmebehandling</strong>en är i alla fall<br />
att minska effekten av graden och öka det möjliga dragförhållandet till acceptabel nivå.<br />
22
FALL D - EFTERFORMNING AV HATTPROFIL<br />
Fyra material testades, kolstålen Docol 1000 DP och Docol 1400 DP samt två nya rostfria,<br />
HyTens1000 och HyTens1600, samtliga i tjocklek 0.8 mm<br />
Hattprofiler formades genom kantpressning i hårt tillstånd. Profilerna gjordes 600 mm långa<br />
och har 25 mm långa brätten, en höjd på 20 mm och en takbredd på 50 mm, Figur 28.<br />
Figur 28 Hattprofiler formades av band.<br />
Till en första provomgång formades en 3 mm ytterradie på hattprofilen utan problem 1 (vid<br />
detta tillfälle var de rostfria varianterna desamma som i LDH-provningen med en tjocklek av<br />
0.5 mm). Då fler profiler skulle tas fram på annan ort och i en annan maskin klarade man inte<br />
detta utan materialet brast och man fick gå till 4.5 mm i stället. De slutliga proverna togs fram<br />
i denna maskin med denna radie.<br />
1 Kördata för omgång 1:<br />
verktyg Mod 10.20 60º R.2 6002 (övre)<br />
Mod. 71. 45º (undre)<br />
3mm/s, 150kN<br />
Materialen värmebehandlades i saltbad. För Docol 1000 och Docol 1400 i 830ºC i 14s följt av<br />
luftsvalning medan de rostfria HyTens1000 och HyTens1600 kördes i två varianter:<br />
1) - 800ºC i 14s och 2) - 1050ºC i 14s följt av kylning i varm olja.<br />
I de flesta fall värmebehandlades bara den ena änden av profilen medan den andra fick vara<br />
referens. Anledningen till att saltbad användes var att det blev för komplicerat att snabbt få<br />
fram en IR-panel som kunde ge en jämn värmning på hela profilen. Själva formningsmetodiken<br />
tog ganska lång tid att få fram och det var länge oklart exakt var den största<br />
formbarheten skulle behövas.<br />
Försök gjorde att simulera en formning där hattbalken i ett eller två slag kunde plattas till och<br />
spridas ut. Detta visade sig för svårt och tidskrävande för projektet och vanliga plåtformningsmodeller<br />
fungerade sämre för detta formningsfall som närmar sig smidning.<br />
23
På Press och plåtindustrier i Oskarshamn tog man fram en metodik som visade sig<br />
genomförbar med en uppsättning ganska enkla verktyg, Figur 29. Hattprofilen trycks fast över<br />
en stålkärna D som fasas ner i slutet och fungerar som dyna. Profilen fixeras med ett<br />
öververktyg A lika brett som takbredden plus c:a 1 mm. I denna fixturöverdel görs ett urtag<br />
där en stämpel med en lutande fas kan tryckas ner mot taket. Då stämpeln B träffar profilens<br />
tak och rör sig nedåt mot brättets plan rullas väggarna nedåt utan att deformeras så mycket att<br />
brott uppstår. Stämpelns lutning kan varieras och man kan också använda ett mellansteg med<br />
en förformningsstämpel C med en mindre botten- och fasyta för att variera svårighetsgraden<br />
hos formningen. På så sätt kan flera svårighetsgrader av formningen testas för att uppnå en<br />
klarare ranking av material och <strong>värmebehandling</strong>sresultat.<br />
<strong>Formning</strong>en gjordes i tre olika svårighetsgrader:<br />
1 Två stämplar, 15° lutning, formning i två steg<br />
2 En stämpel med 15° lutning, formning i ett steg<br />
3 En stämpel med 45 ° lutning, formning i ett steg.<br />
Figur 29 Verktygsuppsättning för 15º lutning på fasen. A-öververktyg, B-slutformningsstämpel,<br />
C-förformningsstämpel och D- underverktyg<br />
Verktygsdelar för en tvärare avfasning, brantare lutning, på 45º visas i Figur 30.<br />
24
Figur 30 Verktygsdelar för en 45º lutning på fasen. Både dynan A och stämpeln B ändras. Blecken<br />
C sätts in för att kontrollera för att styra hur väggen rullar ner.<br />
På bilden finns också två bleck som användes för att få den dubbla väggen mera lodrät. De är<br />
dock här gjorda i för mjukt material och deformeras själva. En viss vägghöjd blir kvar, mellan<br />
12 och 16 mm.<br />
Figur 31 Uppsättning i maskin. Lägg märke till blecken för styrning av profilväggen.<br />
25
Figur 32 Exempel på lyckade slutformer där en fogyta skapats i brättets plan och materialet rullats<br />
ner vid radien mellan vägg och tak. Fas med 15 graders lutning.<br />
Till vänster-DP1000 <strong>efter</strong> 830ºC. Till Höger: HyTens1600 <strong>efter</strong> 1050ºC.<br />
En bra fogyta skapas av det som tidigare var tak och de båda brättena. Deformationen<br />
koncentreras till bocken mellan tak och vägg och material i väggen som rullas ner. Det är<br />
svårt att med det enkla verktyget få de dubbla väggarna parallella. Därför sattes små bleck in<br />
för att styra materialet.<br />
Figur 33 DP1400-materialet format med tre olika svårighetsgrader. Då materialet värmebehandlats<br />
klarar det alla tre formningarna, utan <strong>värmebehandling</strong> inte ens den enklaste varianten i<br />
övre vänstra hörnet med 15° lutning i 2 steg.<br />
26
Material DP1000 och DP1400 uppförde sig likadant i testerna. Formbarheten är för låg för att<br />
klara ens den enklaste av de tre formningstyperna medan man <strong>efter</strong> <strong>värmebehandling</strong>en kan<br />
klara alla tre, Figur 33.<br />
Figur 34 HyTens1600-detaljer i olika svårighetsgrader.<br />
Testserien är utslagsgivande och visar på tydliga skillnader i formbarhet dels mellan<br />
materialen, dels mellan obehandlat och värmebehandlat material.<br />
HyTens1000 som inte är något extremt höghållfast material i "HyTens-familjen" visar god<br />
formbarhet och klarar alla tre formningstyperna även i obehandlat tillstånd. Det ska också<br />
observeras att små förbättringar i verktygen gjordes under provningarnas gång och att<br />
samtliga prover utom ett ändå klarat sig trots att HyTens1000 köredes först i provserien.<br />
Former av material HyTens1600 visas i Figur 34. Här fås en gradvis förbättring av<br />
formbarheten där det obehandlade materialet inte klarar någon form medan det <strong>efter</strong> värmning<br />
till mellantemperaturen 800 grader kan formas med 15 graders-verktyget i två steg och det<br />
<strong>efter</strong> 1050 grader är möjligt att klara alla tre formerna.<br />
27
Figur 35 och Figur 36 illustrerar en fördel hos det rostfria materialet som kan värmebehandlas<br />
till ett mjukare mer formbart tillstånd för att sedan återfå en del av hållfastheten vid den<br />
kalldeformation som formningen ger.<br />
HV0.5<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
kallvalsatbockat<br />
kallvalsat VB-800°C<br />
Historik<br />
VB-1050°C<br />
28<br />
kalldeformerat i vägg<br />
position 1<br />
kalldeformerat i vägg<br />
position 2<br />
Figur 35 Utvecklingen av hårdheten (hållfastheten) hos HyTens1000 då materialet bockas,<br />
värmebehandlas och sedan kalldeformeras i olika grad på olika positioner i profilen.<br />
Figur 36<br />
Snittad deformerad hattprofil i<br />
material HyTens1000. Från den<br />
värmebehandlade grundhårdheten<br />
(1050ºC, 200 HV0.5)<br />
stiger hållfastheten beroende på<br />
olika grad av kalldeformation i<br />
profilens vägg.<br />
Figur 36 illustrerar hur materialet deformerats och hårdheten ökats från det värmebehandlade<br />
odeformerade tillståndet vid tillplattningsoperationen. Man kan anta att man vid den höga<br />
temperatur som rått fått en utjämning av hårdheten även i bocken och att all hårdhetsökning<br />
därför är ett resultat av den lokala deformationen.<br />
Resultaten av alla formningarna redovisas nedan i Tabell 9.
Tabell 9 Sammanställning av tillplattning av hattprofilände;<br />
- ej testad; gul - godkänd; röd - brott; ob - obehandlad<br />
Lättast<br />
<strong>Formning</strong>styp<br />
15° två steg<br />
Medelsvår<br />
<strong>Formning</strong>styp<br />
15° ett steg<br />
29<br />
Svår<br />
<strong>Formning</strong>styp<br />
45° ett steg<br />
Materialvariant godkänd brott godkänd brott godkänd brott<br />
HyTens1000-ob - - -<br />
HyTens1000-800°C - - - prov31<br />
HyTens1000-1050°C - - - -<br />
HyTens1600-ob - -<br />
HyTens1600-800°C - - -<br />
HyTens1600-1050°C - - -<br />
DP1000-ob<br />
DP1000-830°C<br />
DP1400-ob<br />
DP1400-830°C<br />
Slutsatser av "tillplattning av balkände"<br />
<strong>Formning</strong>segenskaperna för det mjukare av de två rostfria stålen, HyTens1000, är mer än<br />
tillräcklig för testdetaljerna.<br />
Det andra rostfria materialet, HyTens1600, klarar inte någon formning i obehandlat hårt<br />
tillstånd men förbättras betydligt med en mellanhög temperaturbehandling och klarar då den<br />
enklaste formningen. Den blir dock ännu bättre <strong>efter</strong> 1050ºC och klarar då både den<br />
mellansvåra och den svåraste formningen.<br />
Även kolstålen svarar bra på <strong>värmebehandling</strong>arna. I obehandlat tillstånd klarar de ingen av<br />
formningarna men <strong>efter</strong> <strong>värmebehandling</strong> vid 830ºC går alla tre formningarna bra.
FALL E - HYDROFORMNING AV RÖR EFTER VÄRMEBEHANDLING<br />
Tomas Skåre, IUC<br />
Bakgrund<br />
Föreliggande studie avser att undersöka formbarheten hos rör genom hydroformning.<br />
Undersökta material har inskränkts till att omfatta Docol 1000 DP i hårt och värmebehandlat<br />
tillstånd (saltbad). Svårigheten för Corus, Holland att tillverka lasersvetsade rör i materialet<br />
har medfört att endast 15 tester kunde utföras med erhållen mängd rörmaterial. Fem tester<br />
utfördes med obehandlat hårt material och tio tester med värmebehandlat Docol 1000 DP.<br />
Fördelningen av försöken med 5 till 10 beror på att svetsens kvalitet styr formbarheten hos<br />
röret för ursprungskvaliteten, dvs svetsen var alltid den svagaste linjen och medförde brott<br />
mitt i svetsen eller i den värmepåverkade zonen benämnd HAZ (fr. eng. Heat Affected Zone).<br />
Därför valdes att göra fler försök med värmebehandlat material.<br />
Figur 37.<br />
Figuren visar rör formade till brott för dels<br />
materialkvaliteten Docol 1000 DP och dels Docol<br />
1000 DP värmebehandlad i 30 sekunder vid<br />
temperaturen 850˚ C. Den skillnad i egenskaper som<br />
erhålls i röret genom <strong>värmebehandling</strong> är att svetsen<br />
erhåller grundmaterialets egenskaper och att<br />
grundmaterialets formbarhet innan brott ökar.<br />
30
Experimentell utrustning<br />
Under försöken användes utrustningen i Figur 38. Röret expanderades till brott genom raka<br />
töjningsvägar. Undersökta töjningsförhållanden var β = {0 (plan töjning), -0.125, -0.25, -<br />
0.375}. Principen för försöken framgår enligt Figur 39. Under försöken detekterades rörets<br />
slutliga längd och diameter samt maximalt tryck vid brott. Momentana värden för kraft, tryck<br />
och lägen detekterades ej främst på grund av det låga antal försök som kunde utföras. En<br />
orimligt stor arbetsinsats krävs för att trimma in utrustningen innan relevant information kan<br />
erhållas, vilket medförde att endast de statiska slutvärdena vid brott detekterades.<br />
Utgående ifrån rörets längd, form och diameter kan sedan rörets töjning skattas i två<br />
huvudtöjningsriktningar. Riktning 1 sammanfaller med rörets radie och riktning 2<br />
sammanfaller med rörets effektiva längd enligt sambandet nedan, där indexen 0 och 1<br />
beskriver före och under formning. Vidare beskriver r rörets radie, l rörets effektiva längd, t<br />
materialtjockleken, β töjningsförhållandet och ϕ sann töjning i riktning 1, 2 och 3.<br />
r1<br />
ϕ1<br />
= ln<br />
r<br />
<br />
0<br />
<br />
l<br />
ϕ<br />
2 = βϕ1<br />
= ln<br />
<br />
l<br />
t1<br />
ϕ =<br />
3 ln<br />
t0<br />
1<br />
0<br />
Detta under förutsättning att vi kan betrakta rörmaterialet som tunt och att plant<br />
spänningstillstånd gäller. För att styra rörets form längs en rak töjningsväg med hjälp av<br />
innertrycket i p och kraften FAxiell mot rörets ändyta krävs att följande samband utnyttjas, vilka<br />
beskriver sambanden mellan rörets geometriska form, rörmaterialets egenskaper och aktuella<br />
maskinparametrar.<br />
31
p<br />
n<br />
n−1<br />
n<br />
2 <br />
−<br />
<br />
2<br />
= − α + α <br />
<br />
i ti<br />
i<br />
• 1<br />
• K • ti<br />
•<br />
•<br />
2 − α <br />
<br />
0 − t0<br />
d<br />
<br />
ln<br />
d<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2 ( − )<br />
<br />
α di<br />
ti<br />
t0<br />
FAxiell = pi<br />
π • 1−<br />
• − • 0 3<br />
<br />
d − i ti<br />
<br />
+<br />
2 4<br />
1 α • <br />
<br />
2ρ<br />
2 <br />
<br />
<br />
<br />
ρ2<br />
= <br />
∞<br />
<br />
<br />
t<br />
t<br />
i = 0 •<br />
32<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2<br />
<br />
<br />
di<br />
− t<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
( 2d<br />
− t )<br />
• 0<br />
2 ( − 2r<br />
) + ( d − t ) − ( d − t )<br />
( )<br />
l f d i i 0 0<br />
d 0<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
di<br />
<br />
( 1+<br />
β )<br />
8h<br />
2<br />
om<br />
om<br />
β < 0<br />
β = 0<br />
I uttrycken beskriver p vätsketrycket i röret, α förhållandet mellan spänningar, n är en<br />
konstant, K deformationshårdnande, d diameter, ρ radie, FAxiell axiell kraft mot rörände,<br />
l f rörets fria längd och h en sträcka. I övrigt se förklaring ovan.<br />
Figur 38. Experimentell utrustning använd under försöken.<br />
Experimentella förutsättningar<br />
Hydroformningsutrustningen styrs med ett ständigt ökande vätsketryck inne i röret ända till<br />
dess att brott erhålls. Axialtrycket följer de samband som visas ovan, så att linjära<br />
töjningsvägar erhålls. Vid brott uppmäts rörets form. Formen beskriver rörets töjning i två<br />
riktningar.<br />
i<br />
+<br />
α<br />
ρ<br />
2
Rördimension: Diameter 60 mm, längd 300 mm, materialtjocklek 0.8 mm.<br />
Friformningszon: 120 mm.<br />
Smörjmedel: Iloform 180 BWN.<br />
Tabell 10Kemisk sammansättning för materialet Docol 1000 DP [ref1]<br />
C Si Mn P S N Cr Ni Cu o Al Nb V Ti B.<br />
0.144 0.54 1.52 0.10 0.001 0.003 0.04 0.05 0.01 0.02 0.043 0.017 0.01 0.01 0.0002<br />
Figur 39. Materialkaraktärisering av ett material syftar till att beskriva ett materials formbarhetsgräns<br />
för olika töjningsförhållanden och materialets sanna spännings-töjningskurva för samma<br />
förhållanden.<br />
Resultat<br />
De experimentella försöken kan visas i Figur 40. Figuren beskriver materialets töjning vid<br />
brott. Fyra olika kombinationer visas. För det första resultaten erhållna från försöken med rör<br />
och hydroformning dels i kvaliteten Docol 1000 DP och dels i samma kvalitet men<br />
värmebehandlad i saltbad med en hålltid av 30 sekunder vid temperaturen 850˚ C. För det<br />
andra visar båda materialsorterna från försök utförda med plan plåt och användande av<br />
Nakazimametoden för bestämning av formgränsen. Författaren av föreliggande arbete har<br />
endast ägnat sig åt att undersöka formbarheten hos rör medan resultaten utförda på plan plåt är<br />
hämtade från ett arbete utfört av Björn Carlsson, SSAB Tunnplåt AB [ref1].<br />
33
I Figur 40 framgår att den plana plåten visar en generellt högre formbarhet än röret, vilket är<br />
väntat <strong>efter</strong>som rörets återstående formbarhet måste vara lägre än den plana plåten på grund<br />
av att röret är format utgående ifrån den plana plåten. En uppskattning av erforderlig<br />
effektivtöjning för att tillverka ett rör utgående ifrån en plan plåt kan beräknas och uppskattas<br />
genom följande samband:<br />
ϕeffektiv<br />
=<br />
4 t<br />
⋅ ln 1<br />
3 <br />
+<br />
d<br />
0<br />
<br />
<br />
=<br />
<br />
4 0.<br />
8 <br />
⋅ ln1+<br />
<br />
3 60 <br />
0 ≈<br />
0.<br />
015<br />
Skillnaden mellan plåtens och rörets formbarhet kan bara till en liten del förklaras av detta<br />
samband. Ytterliggare en skillnad är att plåtens formgränskurva är detekterad i plåtens<br />
valsriktning medan rörets formgränskurva är<br />
uppmätt vinkelrätt mot valsriktningen. Här förutsätts att rörets valsriktning är i rörets<br />
utsträckning, vilket skall bekräftas av Corus. Tyvärr har endast den plana plåten undersökts i<br />
valsriktningen, så en jämförelse mellan plåtens formbarhet i och vinkelrätt mot valsriktningen<br />
kan ej utföras.<br />
Ur Figur 40 framgår också att den utförda <strong>värmebehandling</strong>en klart ökar materialets<br />
formbarhet både för de undersökta rören och den undersökta plana plåten. Ytterliggare en<br />
fördel med <strong>värmebehandling</strong>en är att svetsen får samma egenskaper som grundmaterialet. I de<br />
relativt få genomförda försöken kunde ingen skillnad visas mellan grundmaterialets och<br />
svetsens formbarhet medan för de tester som utfördes med rör som ej värmebehandlats var<br />
alltid svetsen den del av röret som visade minst formbarhet.<br />
34
Major true strain [-]<br />
0.35<br />
0.3<br />
0.25<br />
0.2<br />
0.15<br />
0.1<br />
0.05<br />
Estimated Forming Limit: Docol 1000 DP<br />
Sheet: Heat treatment 850 o C<br />
Tube: Heat treatment 850 o C<br />
Sheet: No heat treatment<br />
tube<br />
sheet<br />
tube (heat treatment)<br />
sheet (heat treatment)<br />
Tube: No heat treatment<br />
0<br />
-0.12 -0.1 -0.08 -0.06<br />
Minor true strain [-]<br />
-0.04 -0.02 0<br />
Figur 40. Figuren beskriver skattad formbarhetsgräns vid brott för dels rör och dels plan plåt.<br />
Försöken är utförda med Docol 1000 DP både utan och med en <strong>värmebehandling</strong> i saltbad<br />
med en hålltid av 30 sekunder vid temperaturen 850˚ C. Heldragen ren linje (———) visar<br />
formbarhetsgränsen utan <strong>värmebehandling</strong> och heldragen plusmärkt linje (—+—)<br />
formbarhetsgränsen med <strong>värmebehandling</strong>. Streckprickad blå linje visar aktuella<br />
töjningsvägar och (*) visar resultaten av gjorda försök.<br />
Slutsatser-hydroformning av rör<br />
Resultatet av undersökningen visar att en <strong>värmebehandling</strong> av Docol 1000 DP i saltbad med<br />
en hålltid av 30 sekunder vid en temperatur av 850˚ C ger en ökad formbarhet som kan<br />
utnyttjas för att lokalt eller för en hel detalj öka formbarheten. Den procentuella ökningen av<br />
formbarheten är 1167 % för röret och 225 % för plåten, det vill säga 5.18 gånger större för<br />
röret. Detta beror på den begränsade formbarhet som svetsen uppvisade utan<br />
<strong>värmebehandling</strong>.<br />
35
SLUTSATSER<br />
De här testade UHS-materialen visar förvånansvärt goda formningsegenskaper i förhållande<br />
till sin höga hållfasthet.<br />
<strong>Formning</strong>spotentialen kan ökas ordentligt genom (lokal) <strong>värmebehandling</strong>.<br />
Både induktion, laser och IR har visat goda resultat men ytterligare arbete krävs för att<br />
värmebehandla mer komplexa former och styra sluttemperaturerna och de resulterande<br />
egenskaperna.<br />
Problem finns med formförändringarna vid värmningen, framförallt gäller detta de kallvalsade<br />
mest höghållfasta HyTens-materialen.<br />
Lokal <strong>värmebehandling</strong> visade sig även ta bort negativa effekter från spröda svetsar.<br />
36
REFERENSER<br />
[ref1] Björn Carlsson, SSAB Tunnplåt AB:<br />
"Formbarhet <strong>efter</strong> <strong>värmebehandling</strong> – kolstål".<br />
Delrapport 11-Vamp15-<strong>Formning</strong> av UHS.<br />
[ref2] Hanna Kallerhult, Håkan Thoors, IM:<br />
"Optimering av formbarhet hos ultrahöghållfasta rostfria stål".<br />
Delrapport 3-Vamp15-<strong>Formning</strong> av UHS.<br />
[ref3] Lars-Göran Johansson, Kanthal: "Lokal <strong>värmebehandling</strong> av UHS med IR"<br />
Delrapport 14-Vamp15-<strong>Formning</strong> av UHS.<br />
[ref4] Hans Kristoffersen, Eva Hasselström, Lars-Olof Ingemarsson, Lenny Andersson, <strong>IVF</strong>:<br />
"Värmebehandling av UHS med induktion".<br />
Delrapport 12-Vamp15-<strong>Formning</strong> av UHS.<br />
[ref5] Jozefa Zajac, IM:<br />
"Laser Annealing of Cold Rolled Sheets: A Literature Review"<br />
Delrapport 1-Vamp15-<strong>Formning</strong> av UHS.<br />
[ref6] Jozefa Zajac, IM:<br />
" Lokal <strong>värmebehandling</strong>-Rekristallisation- och mjukglödgning med hjälp av laser"<br />
Delrapport 4-Vamp15-<strong>Formning</strong> av UHS.<br />
37