Influence of Aging in the Warm Forming of 6xxx series Aluminum Alloys

Abstract

The transport industry faces sustainability challenges that demand vehicles’ weight reduction, while safety requirements impose the increase of their structural strength. One of the approaches adopted to address this goal is the continuous development of lightweight materials and their manufacturing technologies. Within lightweight materials, the aluminum alloys are characterized by presenting medium strength and good formability. However, when compared with the metallic alloys traditionally used in sheet metal forming operations, they present lower formability and higher springback. In this context, warm forming was proposed as a solution to solve these problems, with good acceptance, first, in the research community and, nowadays, in industry. However, the warm forming of heat treatable aluminum alloys is still a challenge, since the recommended range of temperature is similar to the one used for heat treatments. Thus, warm conditions can result in heat treatment changes during the forming operation, which need to be predicted during the process virtual try-out to avoid defects in the production line. Moreover, heat treatable alloys are prone to natural aging, which can lead to variability and defects in the production line. Thus, the main goal of this work is to analyze the warm forming conditions of heat treatment aluminum alloys, taking into account the natural aging, in order to propose solutions that can contribute to the increase of robustness of sheet metal forming operations. Two heat treatable Al-Mg-Si (6xxx series) alloys were selected for the study: the EN AW 6016-T4 (natural aging) and the EN AW 6061-T6 (artificial aging). Their thermo-mechanical behavior was characterized using uniaxial tensile tests between room temperature (RT) and 300 ºC at 0, 45 and 90 º to the rolling direction, in a strain rate range from 2x10-4 to 2x10-2s-1, with heating time of 20 seconds. This tests were performed in a Gleeble 3500 machine under monotonic load and with stress-relaxation stages. Additional uniaxial monotonic tensile tests were performed in an Instron 4505 machine coupled with a classical furnace, at RT and 200 ºC, enabling the analysis of heat-holding times of 10 and 30 minutes. The strain field was measured using optical 3D deformation analysis (gom-aramis 4M system). The cylindrical cup tests were performed in a Zwick/Roell Amsler BUP200 sheet metal testing equipment, adapted with specific tools for warm forming. The adoption of this geometry enabled the study springback using the split ring test. All warm forming tests were performed considering non-isothermal conditions, with the die and the blank-holder heated up to the desired temperature, while the punch is refrigerated to keep its temperature close to RT. The cylindrical cup tests were performed between RT and 250 ºC, for punch (ram) speeds between 0.1 and 10 mm/s and heat-holding times of 1, 10 and 30 minutes. During each test, the punch force and its displacement, the blank-holder force and the temperature were acquired, as a function of time. After the forming operation the cup thickness and the cup height were measured, as well as the springback. Finally, the influence of natural aging was evaluated for the period from 1 to 18 months, which required the duplication of some tests. Globally, it is possible to correlate the thermo-mechanical results with the ones obtained in the forming tests, validating the macroscopic approach adopted for the results analysis. The EN AW 6061-T6 mechanical behavior shows a small natural aging effect, while it has a strong effect for the EN AW 6016-T4 alloy, leading to an increase of the yield stress and tensile strength and, consequently, of the springback. In this context, warm forming tests considering a heat-holding time of 1 minute, at 200 and 250 ºC, prove to be an effective solution to reduce the variability caused by natural aging in: forming forces, formability and springback. The orthotropic behavior is not affected by the temperature increase or natural aging. Both alloys present a negligible strain rate sensitivity at RT, while it is positive for warm temperatures. The warm forming tests performed at 200 ºC (heat-holding time of 1 minute), show that high punch speeds are advantageous. Formability and springback remained stable or improved with the punch speed increased. In fact, low punch speeds lead to high exposure time and, consequently, to tools thermal equilibrium that counteract the effects of the non-isothermal conditions, and promotes dynamic precipitation hardening on the EN AW 6016-T4 alloy that leads to strength and springback increase. The tensile tests with stress-relaxation stages were extremely useful on understanding the dynamic precipitation phenomena at warm temperature. Moreover, whatever the punch speed adopted the variability caused by natural aging was negligible at warm forming, which validate the effectiveness of this solution. Concerning the analysis of heat-holding time at 200 ºC, globally the results show that for the EN AW 6061-T6, the increase of the heat-holding time up to 50 minutes has a negligible impact on the material behavior and, consequently, the formability and springback warm forming results are independent of this process variable. For the EN AW 6016-T4 the increase of the heat-holding time up to 30 minutes leads to an increase the yield stress and tensile strength, while the total elongation reduces, as a result of a heat treatment change from natural aged to artificial aging condition. Consequently, the warm forming test performed with similar conditions shows a reduced formability and a springback increase. Moreover, a heat-holding time of 30 minutes leads to the known negative-effect of natural aging in artificial aging, for a storage time of 18 months. Thus, the heating system selected for the warm forming must guarantee a high heating rate, which is also advantageous from the production point of view. Throughout this work the split-ring test was used to evaluate springback. In this context, a numerical study was performed, in order to improve knowledge concerning the impact of the ironing stage in the circumferential residual stresses in the ring. Globally, the results show that the introduction of an ironing stage changes the characteristic distribution of the residual stress component throughout the vertical wall, even for relatively small ironing strains. This change affects the trend observed for the opening value of the rings located at different heights. This study was important to the results analysis since it explained the lower sensitivity of the ring located in the top of the cup (ironed zone) to the changes in material and process conditions. The analysis of the other rings clearly shows that warm forming contributes to springback reduction, when performed under non-isothermal conditions, with high punch speeds and heating rates.

A indústria dos transportes enfrenta desafios de sustentabilidade que exigem a redução de peso dos veículos, ao mesmo tempo que os requisitos de segurança impõem o aumento da resistência estrutural. Uma das abordagens adotadas para atingir estes objetivos é o contínuo desenvolvimento de materiais de elevada resistência e das suas tecnologias de fabrico. As ligas de alumínio pertencem a este conjunto de materiais, onde se caracterizam por apresentarem uma resistência média e boa formabilidade. No entanto, quando comparadas com as ligas metálicas tradicionalmente utilizadas nas operações de conformação de chapas metálicas, apresentam menor formabilidade e maior retorno. A conformação a temperaturas moderadas foi proposta como alternativa para ultrapassar estes problemas, primeiro na comunidade científica e, atualmente, na indústria. No entanto, a utilização deste processo para ligas de alumínio tratáveis termicamente é ainda um desafio, uma vez que a gama de temperaturas recomendada é semelhante à utilizada nos seus tratamentos térmicos. Assim, a conformação nesta gama de temperaturas pode conduzir a alterações do tratamento térmico, que devem ser previstas na conceção virtual para evitar a ocorrência de defeitos na linha de produção. Além disso, as ligas tratáveis termicamente são propensas a envelhecimento natural, que pode introduzir variabilidade e defeitos na linha de produção. O principal objetivo deste trabalho é analisar as condições de conformação a temperaturas moderadas deste tipo de ligas de alumínio, incluindo o efeito de envelhecimento natural, a fim de propor soluções que possam contribuir para aumentar a robustez das operações de estampagem de chapas metálicas. Foram selecionadas duas ligas Al-Mg-Si (série 6xxx) tratáveis termicamente: a EN AW 6016-T4 (envelhecimento natural) e a EN AW 6061-T6 (envelhecimento artificial). O seu comportamento termo-mecânico foi caracterizado com recurso a ensaios de tração uniaxial, realizados entre a temperatura ambiente (TA) e 300 ºC, com provetes orientados a 0, 45 e 90 º, em relação à direção de laminagem, para uma gama de velocidades de deformação de 2x10-4 a 2x10-2s-1 e um tempo de aquecimento de 20 segundos. Estes ensaios fora realizados num equipamento Gleebe, em condições de carga monótona crescente e incluindo estágios de relaxação de tensão. Foram também realizados ensaios monótonos de tração uniaxial numa máquina Instron, equipada com um forno, a TA e a 200 ºC, o que permitiu estudar tempos de permanência a 200 ºC de 10 e 30 minutos. O campo de deformação foi medido com um sistema ótico de análise (gom-aramis 4M system). Foram ainda realizados ensaios de estampagem de taças cilíndricas, num equipamento Zwick/Roell Amsler BUP200, com recurso a ferramentas adaptadas para conformação a temperaturas moderadas. A adoção desta geometria permitiu o estudo do retorno elástico, com base no ensaio de corte de anel. Todos os ensaios foram realizados em condições não-isotérmicas, com a matriz e o cerra-chapas aquecidos, até à temperatura desejada, e o punção refrigerado para manter uma temperatura próxima da TA. Estes ensaios de estampagem foram realizados entre TA e 250 ºC, para velocidades de deslocamento do punção compreendidas entre 0.1 e 10 mm/s e tempos de manutenção à temperatura de aquecimento de 1, 10 e 30 minutos. Em cada ensaio, foram adquiridos os resultados correspondentes à evolução com o tempo, da força e do deslocamento do punção, da força do cerra-chapas e da temperatura. Após a operação de conformação, foi medida a evolução da espessura ao longo da parede da taça, bem como o perfil das orelhas e o retorno elástico. Finalmente, foi avaliada a influência do envelhecimento natural para o período de 1 a 18 meses, o que exigiu a duplicação de alguns ensaios. Globalmente, a abordagem macroscópica adotada para a análise de resultados foi validada pela correlação entre os resultados dos ensaios de caracterização termo-mecânica e os de conformação. O comportamento mecânico da liga 6061-T6 é pouco sensível ao envelhecimento natural, enquanto a liga 6061-T6 apresenta um aumento da tensão limite de elasticidade e máxima não desprezável, que resulta no aumento do retorno elástico. Neste contexto, a conformação a quente a 200 e 250 ºC, com um tempo de manutenção de 1 minuto, revela-se uma solução eficaz para reduzir a variabilidade induzida pelo envelhecimento natural na força de estampagem, na formabilidade e no retorno elástico. O comportamento ortotrópico não é afetado pelo aumento da temperatura nem pelo envelhecimento natural. As ligas apresentam uma sensibilidade à velocidade de deformação negligenciável à TA, que passa a ser positiva para 200 ºC. Os testes de conformação realizados a esta temperatura (tempo de manutenção de 1 minuto) mostram que a utilização de uma velocidade do punção elevada pode ser vantajosa, uma vez que a formabilidade e o retorno elástico permanecem estáveis ou melhoram. De facto, velocidades do punção reduzidas conduzem a tempos de exposição elevados que conduz ao equilíbrio térmico das ferramentas, o que neutraliza os efeitos pretendidos com as condições não-isotérmicas e promove o endurecimento por precipitação dinâmica da liga EN AW 6016-T4, i.e. a força e o retorno elástico aumentam. Os ensaios de tração com estágios de relaxação de tensão permitem uma melhor compreensão dos fenómenos de precipitação dinâmica em função da temperatura. Além disso, qualquer que seja a velocidade seccionada para o punção, a variabilidade causada pelo envelhecimento natural é negligenciável para 200 ºC, o que valida a eficácia desta solução. Em relação à influência do tempo de manutenção a 200 ºC, para a liga EN AW 6061-T6, o aumento deste tempo até 50 minutos tem um impacto negligenciável no comportamento mecânico do material e, consequentemente, a formabilidade e retorno elástico são independentes desta variável de processo. Para a liga EN AW 6016-T4, o aumento do tempo de manutenção até 30 minutos resulta num aumento da tensão limite de elasticidade e máxima, com a redução do alongamento total, como resultado da alteração do tratamento térmico de envelhecimento natural para artificial. Logo, o ensaio de conformação realizado em condições semelhantes apresenta uma formabilidade reduzida e um aumento de retorno elástico. Além disso, um tempo de manutenção de 30 minutos resulta no efeito negativo do envelhecimento natural no envelhecimento artificial, para a liga EN AW 6016-T4 com um tempo de armazenamento de 18 meses. Assim, o sistema de aquecimento selecionado para a conformação a temperaturas moderadas deve garantir uma velocidade de aquecimento elevada, o que também é vantajoso do ponto de vista industrial. Ao longo deste trabalho, o ensaio de corte de anel foi utilizado para avaliar o retorno elástico. Neste contexto, foi realizado um estudo numérico, para melhorar o conhecimento sobre o impacto da etapa de estiramento na distribuição das tensões residuais circunferenciais no anel. Os resultados mostram que a introdução da etapa de estiramento altera a distribuição característica das tensões residuais ao longo da parede vertical, mesmo para deformações reduzidas. Esta alteração afeta a tendência observada para o valor de abertura dos anéis cortados a diferentes alturas. Este estudo foi importante para a análise dos resultados, uma vez que justifica a menor sensibilidade do anel localizado no topo do copo (zona estirada) às mudanças nas condições de comportamento do material e de processo. A análise dos outros anéis mostra claramente que a conformação a temperaturas moderadas, em condições não isotérmicas, contribui para a redução do retorno elástico, se realizada com velocidades do punção e de aquecimento elevadas.