HighPa-Shock - Increasing reproducibility of the spring-back angle of thin metal sheets by inducing residual compressive stress with laser shock
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde erstmals ausführlich eine neuartige Verfahrenskombination aus Laser-Peening ohne Opferschicht (LPwC) und anschließender Umformung untersucht und erarbeitet. Die Charakteristika der Laser-Kurzpulsbearbeitung ermöglichte es über das Ausnutzen thermischer als auch athermischer Effekte, den Eigenspannungszustand von Blechen einzustellen. In den Blechen wurden dazu in der Biegezone auf der stempelzugewandten Seite die Eigenspannungen derartig mittels LPwC verändert, sodass die Auswirkungen der im Lieferzustand vorhandenen Eigenspannungen nur noch eine untergeordnete Rolle spielten. Anhand der Experimente wurde der Nachweis erbracht, dass sich in der Randzone der Bleche das Eigenspannungsniveau mittels LPwC reproduzierbar einstellen lässt und dadurch die Streuungen der Eigenspannungen im Vergleich zum Ausgangszustand reduziert werden. Zur Bestimmung der eingebrachten Eigenspannungen aus der einfach bestimmbaren Durchbiegung der Rohteile wurde ein analytisches Modell erarbeitet. Die mittels Kurzpuls-Laserbearbeitung eingebrachten Eigenspannungen lassen sich anhand des Härte-Tiefenverlaufs und der Veränderung der Durchbiegung ermitteln. Durch das Modell und den Vergleich mit den Experimenten konnte gezeigt werden, dass die dominanten Wirkmechanismen verstanden worden sind: Für ein reproduzierbares Umformergebnis muss einerseits der Betrag der Eigenspannungen und andererseits die Übergangstiefe möglichst groß sein. Als Grundvoraussetzzungen müssen für das Einbringen eines betragsmäßigen Maximalwertes der Eigenspannungen erfüllt sein: Eine hohe Pulsenergie von 1 mJ, eine hohe Pulsfrequenz von 200 kHz und zwischen 8400 Pulse/mm² und 16800 Pulse/mm². Anwendungspotenziale für die Verwendung des LPwC als zusätzlichen Prozessschritt ergeben sich insbesondere für die Umformung dünner Stahlbleche (0,2 mm ≤ t ≤ 1,0 mm) in der Massenproduktion. Durch den Laserprozess mit kleinem Fokusdurchmesser ist es möglich, lokal in der Biegezone definiert die Eigenspannungen mit hoher Prozessgeschwindigkeit zu verändern. LPwC ließe sich damit insofern industriell gewinnbringend einsetzen, dass eine die robustere Fertigungsprozesskette die Ausschussraten reduziert.
Publications
- Reducing scattering in bending angle by a laser shock peening pretreatment. Journal of Laser Applications 33/4 (2021) 042016
Valentino, T.; Stephen, A.; Radel, T.
(See online at https://doi.org/10.2351/7.0000468) - A Simple Approach to Predict the Residual Stress-Depth-Profile of Thin Sheet Metal Processed by Laser Shock Peening Without Coating. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 1135 (2022) 012025
Valentino, T.; Stephen, A.; Radel, T.
(See online at https://doi.org/10.1088/1757-899X/1135/1/012025)
