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EFB-Forschungsbericht Nr. 249

Analyse unterschiedlicher Herstellungsverfahren längsnahtgeschweißter Rohre mit Optimierung für das Innenhochdruck-Umformen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Peter Groche, Dipl.-Ing. Gerrit v. Breitenbach, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU), Technische Universität Darmstadt, Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus-Jürgen Matthes, Dr. rer.nat. Ulrich Semmler, Insitut für Fertigungs- und Schweißtechnik (IFS), Technische Universität Chemnitz, Chemnitz

220 Seiten (sw 142, teilweise farbige Abb., 29 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-209-0

Preis (Digital) EUR 70,00

Preis (Print) EUR 79,00

Zusammenfassung

Beim Innenhochdruck-Umformen (IHU) werden vorzugsweise geschlossene Profile eingesetzt, die entweder direkt oder nach zum Teil sehr komplexen Biegeoperationen durch Innendruck umgeformt werden. Dabei können verfahrenstechnisch entweder nahtlose, gezogene oder geschweißte Rohre eingesetzt werden. Wegen der deutlich niedrigeren Fertigungskosten kommen überwiegend längsnahtgeschweißte, durch Walzprofilieren hergestellte Rohre zum Einsatz.

Je nach Anforderungen an Umformvermögen und geometrische Maßgenauigkeit geschweißter Rohre, werden die Rohre direkt als sog. maschinenfertige Rohre verarbeitet oder vor der eigentlichen Weiterverarbeitung entweder geglüht, gezogen und geglüht oder nur gezogen. Um durch die höhere Maßgenauigkeit eine höhere Prozessstabilität in der Produktion zu erreichen, werden gegenwärtig für anspruchsvolle Bauteile vorwiegend gezogene Rohre nach DIN 2393 verarbeitet. Die hohen Kosten der Ziehoperation machen diese IHU-Rohre zu einem teuren Zukaufteil.

Verbesserte Einform- und Herstellmethoden von Rohren mit einer höheren Grundmaßgenauigkeit und einem höheren Formänderungs-vermögen bringen der IHU-Technologie einen deutlichen Wettbewerbsvorteil, wenn es gelingt, maschinenfertige Rohre nach DIN 2394 herzustellen, die Eigenschaften ähnlich DIN 2393 aufweisen.

Zur Herstellung von Rohren existieren zahlreiche unterschiedliche Einformverfahren, um ein ebenes Blechband stufenweise zu einem Rohr umzuformen. Bei der Auslegung eines Einformverfahrens werden auf dem Markt übliche Auslegungshilfen eingesetzt. Unbekannt und bislang wissenschaftlich kaum erforscht ist jedoch die mit jedem Einformverfahren verbundene Formänderung und Kaltverfestigung im Bauteil. Weiterhin ist über den Einfluss unterschiedlich hergestellter Schweißnähte auf die mechanischen und technologischen Eigenschaften der Rohre beim Umformen wenig bekannt.

Unter Verwendung von vier Einformgeometrien wurden Simulationsmodelle zur Abbildung vier realer Rohreinformprozesse aufgebaut. Mit diesen können die Veränderungen der Halbzeugeigenschaften während der Rohrherstellung im Hinblick auf die Auswirkungen auf nachfolgende IHU-Prozesse untersucht werden. Folgende Forschungsinhalte wurden im Rahmen des Projektes untersucht und durchgeführt:

  • Aufbau von FE-Simulationsmodellen zur Abbildung von Walzprofilier- und Rohrschweißprozessen einschließlich des Schabens der Schweißwülste
  • Untersuchung der Auswirkung einzelner Rohreinformgeometrien auf die resultierenden Rohreigenschaften auf Basis der FEM
  • Einbindung des HF-Schweißens in die Gesamtsimulation der Rohrherstellung
  • Optimierung einer Rohreinformsimulation
  • Experimentelle Untersuchungen:
    o Rohreinformversuche unter Verwendung der zuvor simulierten Einformgeometrien
    o Berstversuche zur Identifikation der mechanischen Rohreigenschaften beim IHU
    o Wanddickenmessungen am Coil und am Rohr
    o Härtemessungen am eingeformten Rohr
  • Zusammenfassen der Ergebnisse und Ableiten von Empfehlungen zur Einformung maschinenfertiger Rohre für das IHU mit verbesserten Eigenschaften

Das Forschungsvorhaben "Analyse unterschiedlicher Herstellungsverfahren längsnahtgeschweißter Rohre mit Optimierung für das Innenhochdruck-Umformen" wurde unter der Fördernummer AiF 13681N von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 249 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Summary

Tube hydroforming (THF) is an established technology among metal tube forming processes. It is the technology used to form closed sections, hollow parts with different cross-sections by applying an internal hydraulic pressure and sometimes additional axial compressive loads to force a tubular blank to conform to the shape of a given die cavity. Material properties have a significant influence on the process stability. Often roll-formed, non-heat-treated tubular materials with longitudinally oriented welding lines are used in tube hydroforming.

Different production processes involve a change of the material properties from the initial flat sheet to the hydroformable tube. FE analysis of the roll forming process seeks to improve the hydro-formability of tubular semi-finished products. Testing methods such as tensile tests and conventional forming limit diagrams do not accurately reflect the state of stress and strain conditions seen in the tubular blank during the hydroforming process.

Material properties significantly influence the stability of forming processes, particularly in tube hydroforming (THF). In THF, tubular material with longitudinally oriented welding lines and a constant wall-thickness distribution along the circumference is primarily used.

The prediction of the hydro-formability of roll-formed tubes is nowadays often based on estimations using tensile test data.

Different complex production processes, such as roll-forming, and subsequent processes such as the dressing of tubular semi-products, involve pre-strains and hardening effects. Also the used welding technology influences the material. Therefore, the geometrical and mechanical properties of the tubular semi-finished product differ from the ones of the virgin sheet material.

Based on analytical and experimental methods, the subsequent work packages were successfully performed within this project:

  • Set-up of a simulation model for the computation of the tube forming and welding process including the paring of the welding seam
  • Analysis of different tube forming strategies in regard of the resulting tube properties based on FEA
  • Inclusion of the welding process into the complete FE-simu7lation of the tube forming process
  • Optimization of one tube forming simulation
  • Experimental analysis:
    o Tube forming tests according to the simulated tool geometries.
    o Free bulge tests for the characterization of the mechanical tube properties in hydroforming
    o Geometric tube and split strip characterization
    o Micro hardness measurements
  • Recommendations for the production of tubes with enhanced properties for hydroforming

Inhalt

A Inhaltsverzeichnis
B Abbildungsverzeichnis
C Tabellenverzeichnis
D Formelzeichen, Abkürzungen und Symbole
1 Zusammenfassung
2 Summary
3 Einleitung
4 Stand der Technik
4.1 Walzprofilieren
4.2 HF-Schweißen
4.3 Innenhochdruck-Umformen
5 Simulation der Prozesskette Walzprofilieren
5.1 Voruntersuchungen zum Aufbau eines geeigneten FE-Modells zur
Abbildung des Walzprofilierprozesses
5.2 Voruntersuchungen zur Softwareauswahl und zum Aufbau eines
geeigneten FE-Modells zur Abbildung des HF-Schweißens
5.3 Vorgehen zur Auswertung der Walzprofiliersimulationen
5.4 Simulation der Einformstrategien nach Benteler
5.4.1 Benteler Konventionell
5.4.2 Benteler „W“-Einformung
5.5 Simulation der Einformstrategien nach Jansen
5.5.1 Jansen Konventionell
5.5.2 Jansen „W“-Einformung
5.6 Optimierungsrechnung am Beispiel der Benteler W-Einformstrategie
5.7 Zusammenfassung der Ergebnisse der Walzprofilier-Simulation
5.8 FE-Simulation des HF-Schweißens
5.8.1 Vernetzungsstrategie
5.8.2 Modellbildung des HF-Schweißens
5.8.3 Modellierung des Schabens
5.8.4 Anforderungen an die Thermomechanisch gekoppelte Simulation
5.8.5 Modellierung der Wärmequelle
5.8.6 Modellierung der Kühlstrecke
5.9 Simulation der Prozesskette Walzprofilieren unter Berücksichtigung des HF-Schweißens
5.9.1 Einfluss des HF-Schweißens auf die mechanischen Spannungen, plastischen Deformationen und Wanddickenänderungen
5.9.2 Temperaturfelder
5.9.3 Berechnung der Schweißwülste
5.9.4 Schlussfolgerungen aus den Simulationsergebnissen des HF-Schweißens und der Schweißwulstbildung
6 Experimentelle Untersuchungen
6.1 Rohreinformversuche bei den Rohrherstellern (Jansen, Benteler)
6.2 Wanddickenmessung zur geometrischen Charakterisierung der
Rohreigenschaften beim IHU
6.2.1 Wanddickenverteilung Ausgangsblech
6.2.2 Ergebnis Wanddickenmessung Versuchsrohre Benteler
6.2.3 Ergebnis Wanddickenmessung Versuchsrohre Jansen
6.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der Wanddickenmessung
6.3 Berstversuche zur mechanischen Charakterisierung der Rohreigenschaften beim IHU (PTU)
6.3.1 Versuchsrohre „Benteler Konventionelle Einformung, Kalibriert, DD11“
6.3.2 Versuchsrohre „Benteler Konventionelle Einformung, Unkalibriert,  DD11“
6.3.3 Versuchsrohre „Benteler Konventionelle Einformung, Kalibriert, S500MC“
6.3.4 Versuchsrohre „Benteler Konventionell, Unkalibriert, S500MC“
6.3.5 Versuchsrohre „Benteler W-Einformung, Kalibriert,  DD11“
6.3.6 Versuchsrohre „Benteler W-Einformung, Unkalibriert,  DD11“
6.3.7 Versuchsrohre „Benteler W-Einformung, Kalibriert, S500MC“
6.3.8 Versuchsrohre „Benteler W-Einformung, Unkalibriert, S500MC“
6.3.9 Versuchsrohre „Jansen W-Einformung, Kalibriert,  DD11“
6.3.10 Versuchsrohre „Jansen W-Einformung, Kalibriert, S500MC“
6.3.11 Zusammenfassung der Ergebnisseaus den Berstversuchen
6.4 Optische Dehnungsanalyse
6.4.1 Optische Dehnungsmessung Versuchsrohre „Benteler Konventionell, Kalibriert,  DD11“  (B1K_ DD11)
6.4.2 Optische Dehnungsmessung Versuchsrohre „Benteler Konventionell, Unkalibriert,  DD11“ (B1_ DD11)
6.4.3 Optische Dehnungsmessung Versuchsrohre „Benteler Konventionell, Kalibriert, S500MC“ (B1K_S500MC)
6.4.4 Optische Dehnungsmessung Versuchsrohre „Benteler Konventionell, Unkalibriert, S500MC“ (B1_S500MC)
6.4.5 Optische Dehnungsmessung Versuchsrohre „Benteler W, Kalibriert,  DD11“ (B2K_ DD11)
6.4.6 Optische Dehnungsmessung Versuchsrohre „Benteler W, Unkalibriert,  DD11“ (B2_ DD11)
6.4.7 Optische Dehnungsmessung Versuchsrohre „Benteler W, Kalibriert, S500MC“ (B2K_S500MC)
6.4.8 Optische Dehnungsmessung Versuchsrohre „Benteler W, Unkalibriert, S500MC“ (B2_S500MC)
6.4.9 Optische Dehnungsmessung Versuchsrohre „Jansen W, Kalibriert,  DD11“ (J2K_ DD11)
6.4.10 Optische Dehnungsmessung Versuchsrohre „Jansen W, Kalibriert, S500mc“ (J2K_S500MC)
6.4.11 Zusammenfassung der Ergebnisse der Optischen Dehnungsmessung
6.5 Grenzformänderungs-Analyse Und Rohr-Grenzformänderungsschaubilder
6.6 Mikrohärtemessungen am eingeformten Rohr
6.7 Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse
7 Zusammenfassung
8 Literaturnachweis