How to obtain quality profile surfaces Come ottenere una superficie

extrusion
How to obtain quality profile surfaces
Come ottenere una superficie estrusa di qualità
Pietro Alfredo Bevilacqua Fazzini, [email protected]
Stefano Bellotti, [email protected] - Marco Rompato, [email protected]
This report is the summary of a survey by Compes s.p.a. (www.compes.
it) Research & Development Office
Die design solutions to avoid weld
streaks
in collaboration with Pandolfo Alluminio (www.pandolfo.it). The aim of
this study was to develop die design
solutions for the production of extruded sections without longitudinal
Soluzioni progettuali per eliminare
le bande di saldatura
welds streaks.
As everyone knows this is the
age of light metal and nowadays
extruded aluminium sections are
used in many different fields (e.g.
automotive, architecture and
components). Consequently, the
quality standards demanded are
continually becoming stricter.
The customer's demand for ‘perfect sections’ compel extrusion
die makers to analyse the process defects and look for design
solutions that minimize imperfections.
Good extrusion product quality is
based on the satisfaction of five
basic requirements:
1. good surface finish
2. good transverse and longitudinal welds (the latter only in
hollow shapes)
3. conformity with the specified
mechanical properties
4. conformity with the specified
dimensional tolerances
5. product integrity
If even one of these requirements is missed, the extrusion
is considered out of specification
and rejected.
Many variables affect the extrusion process and it is therefore difficult to establish the
causes of a production defect.
Furthermore, some parameters
are interdependent and if one is
changed, others too will change
and in turn still others will be
affected. In practice a 'domino
effect' takes place, making it difficult to determinate the relation
between cause and effect, because the same imperfection can
be produced by from different
combinations of variables.
In the present case study the
focus is on the surface damage associated with the longitudinal weld seams produced
when hollow shapes are formed.
The streaks (Fig. 1), that appear
on sections after post-extrusion
processes (cooling and anodizing), are the problem.
These imperfections are caused
by metallurgic phenomena
La relazione tecnica di queste pagine è il riassunto di un lavoro svolto
dall'Ufficio Ricerca & Sviluppo di
Compes s.p.a. (www.compes.it) in
collaborazione con Pandolfo Alluminio (www.pandolfo.it). L'obiettivo era
la ricerca di soluzioni progettuali di
matrici per l'estrusione, che garantissero l'eliminazione delle striature che
si formano sui prodotti estrusi, causate dalla saldatura longitudinale.
L'utilizzo degli estrusi in alluminio è ormai esteso a molteplici
campi, dall'automotive all'edilizia passando per la componentistica più svariata; per questo
gli standard di qualità del prodotto sono sempre più elevati.
L'esigenza di una perfezione
sempre maggiore del profilo co-
1
A typical fault in an extruded
section.
Estruso rovinato da una evidente
striatura.
6 2008
Al 6-2008 021.indd 81
stringe i produttori di matrici
per l'estrusione ad una analisi
dei difetti che possono formarsi
durante il processo e a studiare
degli accorgimenti progettuali
che garantiscano l'eliminazione
di tali imperfezioni.
La definizione di ottima qualità
del prodotto estruso si basa
sul soddisfacimento di cinque
richieste fondamentali:
1. buona finitura superficiale;
2. buona riuscita delle saldature
di giunzione e dei lembi (nei
profilati cavi);
3. rispetto dei previsti valori delle proprietà meccaniche;
4. rispetto delle tolleranze dimensionali previste;
5. integrità del prodotto.
Il profilo viene considerato fuori
standard e quindi scartato se
viene violato anche uno solo di
questi punti.
Il processo d'estrusione è influenzato da una notevole quantità di variabili, quindi è complicato individuare le cause che
generano un errore produttivo.
Inoltre tanti parametri sono connessi tra loro, quindi variarne
uno implica un cambiamento
anche degli altri, che, a loro
volta, modificano quelli ad essi
collegati. In pratica s'instaura
un effetto a catena, che rende
difficile la determinazione precisa del binomio causa-effetto
in quanto lo stesso difetto ri-
alluminio e leghe
81
17-12-2008 9:59:22
c
Under the microscope
areas of different
metallurgical composition
are clearly visible.
2
3
Al microscopio le zone
a diversa composizione
metallurgica appaiono
chiaramente.
that arises on the longitudinal
weld seams. During extrusion
the aluminium phase is always
solid (super plasticity condition)
and union between the aluminium flows is assured by a solid
welding mechanism. To obtain
a good joint the mean stress
must reach values such that the
grains comes closer together
than 2-3 nm; this distance in
fact permits electrons from adjacent atoms to be shared, and a
good metal-to-metal weld bond is
therefore formed. Many param-
Process parameters used
for simulations.
Parametri di processo utilizzati
nelle simulazioni.
eters influence this mechanism:
the material (alloy composition,
temperature, flow stress, strain
and strain rate); welding chamber geometry and dimensions;
hydrostatic pressure and contact
time of flows, etc.
Obviously, solid welding is accompanied by many phenomena, such as change of grains
directions and dimensions, formation of micro cracks, Mg2Si
precipitation zones and β-AlFeSi
accumulation points which create regions with different metallurgical composition (Fig. 2). The
surface streaks appear because
these areas react to post-extrusion processes in a different
way. Many people have studied
longitudinal welding paying at-
Table 1
Billet temperature
450
°C
Equipment temperature
450
°C
Main ram velocity
9.72
mm/s
Material equipment
H13
sulta da differenti combinazioni
delle variabili. In questo lavoro
si sono analizzati i difetti superficiali causati dalla saldatura
longitudinale, che consente la
formazione dei profili cavi. Il
problema principale è la formazione di striature sulla superficie
(Fig. 1) durante le fasi di lavorazione successive all'estrusione
(raffreddamento del profilo e
anodizzazione). La causa principale di queste imperfezioni è
da ricercarsi nei fenomeni metallurgici, che intervengono nelle zone soggette alla saldatura
longitudinale. Il meccanismo che
garantisce la giunzione dei flussi d'alluminio è la saldatura allo
stato solido (durante il processo
d'estrusione il materiale è sempre in fase solida, condizione di
superplasticità). Questo fenomeno avviene se la pressione
idrostatica raggiunge dei valori
sufficienti a mantenere i grani
del materiale ad una distanza
dell’ordine dei 2-3 nm, distanza
che consente una mobilità suf-
Table 2
Project
Main stress
MPa
Δ%
Standard deviation
Original
-
16.20
Remake
-
+0.6
15.63
Pear web
-
-0.8
16.48
Blade web
-
-0.8
13.55
New chamber
-
+3.8
15.51
Convergent
-
-0.7
14.06
High chamber
-
+6.1
16.89
Divergent
-
-1.6
14.33
Eight webs
-
-3.4
16.09
82
Al 6-2008 021.indd 82
ALUMINIUM AND ITS ALLOYS
Continuous façade profile
chosen for the study.
Profilo di una facciata continua
scelto per lo studio.
ficiente degli elettroni e quindi
una saldatura efficace. Le condizioni che permettono la saldatura all’interno della matrice sono
influenzate da vari parametri: il
materiale (composizione della
lega, temperatura, tensione di
flusso, deformazione, velocità di
deformazione), geometria delle
camere e loro dimensioni, pressioni di saldatura del materiale,
tempi di contatto, etc.
Ovviamente questo processo
genera una serie di fenomeni,
quali variazione dell'orientamento e/o delle dimensione dei grani, formazione di micro cricche
e di zone favorevoli alla precipitazione di Mg2Si o all'accumulo
di β-AlFeSi, che causano la formazione di zone a diversa composizione metallografica (Fig. 2).
Le striature si formano perché in
queste zone il materiale reagisce alle lavorazioni successive
in modo differente.
In molti hanno studiato il fenomeno della saldatura longitudinale dal punto di vista delle qualità meccaniche che deve soddisfare, senza curarsi dell'aspetto
estetico che questo fenomeno
comporta. In realtà i due punti di
vista sono strettamente correlati; infatti è dimostrato che l'omo-
Mean stress simulations
results.
Pressione idrostatica ricavata
dalle simulazioni.
6 2008
17-12-2008 9:59:25
extrusion
tention only or predominantly to
the mechanical characteristics,
while underestimating the aesthetic problem. In reality the two
are directly connected, because
the metallurgic homogenization
guarantees a good mechanical
property and a perfect surface.
The literature mentions various
‘weld criteria’ (e.g. Donati-Tomesani [1], Akeret [2], Piwnik-Plata
[3], Burqui-Huber [4], Maier [5],
Jo-Lee-Kim [6]) that should ensure a good longitudinal welding
if they are satisfied. All this rules
are correct, but too complex to be
used in everyday die design, because they are based on production process data (for example
aluminium flow stress or pressure on the die surface). However, a single parameter recurs in
every criterion: the mean stress
on the aluminium in the welding
chamber. Thus, it can be said
that if the hydrostatic pressure
in welding chamber increases,
the weld quality is better and the
profile streaks disappear.
The aim of the present research
On the left the longitudinal
weld streak on the ‘Original’
section is clear; on the right
the line on the ‘Remake’
section is less visible,
but still present.
A sinistra la linea di saldatura
sull'estruso ricavato dalla matrice
‘Originale’ è evidente;
a destra su quello ricavato
dal ‘Rifacimento’ il segno è
attenuato, ma ancora presente.
was to verify this proposition
and find design solutions that
assure a hydrostatic pressure
increase, therefore leading to
sections without streaks.
Research plan
The first step was to identify a die
project in which the extrusions
were affected by longitudinal
welding streaks. Pandolfo Alluminio supplied a continuous
facade section (Fig. 3) affected
by this problem and experimental data about two different die
design (one called ‘Original’; the
other called ‘Remake’, in which
the welding chamber height is
increased by 10 mm).
On the basis of the ‘Original’
project a number of new die designs were developed:
‘Pear web’ (the central web was
designed as ‘pear’ shaped)
‘Blade web’ (the central web was
designed as ‘blade’ shape)
‘New chamber’ (the welding
chamber profile was modified)
‘Convergent’ (ports and welding chamber form a convergent
pipe)
‘High chamber’ (the welding
chamber height was increased
by 20 mm)
‘Divergent’ (ports and welding
chamber form a divergent pipe)
‘Eight webs’ (the central web was
replaced with two).
All these geometries were tested
with FEM simulation software
(Tab. 1) to understand the project
behaviour and to measure the
mean stress in the welding cham-
geneità metallurgica implica un
miglioramento delle caratteristiche meccaniche, una diminuzione dei siti di facile propagazione
delle cricche da fatica e una
buona finitura superficiale.
Nel corso degli anni sono stati
proposti diversi 'criteri di saldatura', che, se verificati, dovrebbero garantire una buona saldatura longitudinale (ad esempio
Donati-Tomesani [1], Akeret [2],
Piwnik-Plata [3], Burqui-Huber
[4], Maier [5], Jo-Lee-Kim [6]).
Tutte queste regole sono corrette, ma complicate da utilizzare
in fase progettuale in quanto si
basano su dati (ad esempio tensione di flusso o pressione sulla
superficie della matrice) che si
ricavano dal processo di produzione. Tuttavia, analizzandoli
in modo approfondito, si nota
che il parametro principale è la
pressione idrostatica del materiale. Quindi in modo semplice
e pratico si può affermare che,
aumentando la pressione nella
camera di saldatura, si migliora
la qualità della saldatura longitudinale, e quindi anche della
superficie dell'estruso. La ricerca svolta si poneva l'obiettivo
di verificare questo principio e
di proporre soluzioni progettuali
che garantissero l'eliminazione
della banda di saldatura.
Attività di ricerca
Nella prima fase del lavoro si è
cercato un progetto il cui estruso presentasse il problema della
banda di saldatura. La Pandolfo
Alluminio ha fornito una facciata
continua (Fig. 3) ed i risultati
della prova alla pressa di due
progetti (uno definito ‘Originale’;
l'altro ‘Rifacimento’, con l'altezza della camera di saldatura
aumentata di 10 mm).
Sulla base del progetto ‘Originale’ sono state sviluppate altre
soluzioni progettuali:
- ‘Razza a pera’ (realizzata la
razza centrale con il modello
‘a pera’);
- ‘Razza blade’ (realizzata la
razza centrale con il modello
‘blade’);
- ‘Nuova camera’ (modificato il
profilo della camera di saldatura);
- ‘Convergente’ (entrate e camera di saldatura formano un
condotto convergente);
- ‘Camera alta’ (altezza della
camera di saldatura aumentata
di 20 mm);
- ‘Divergente’ (entrate e camera
di saldatura formano un condotto divergente);
- ‘Otto razze’ (sostituita la razza
centrale con due).
Tutte le geometrie sono state
testate con un simulatore FEM
(Tab. 1), per vedere il loro comportamento e verificare l'andamento della pressione idrostatica all'interno della camera di
saldatura.
Il valore della pressione idrostatica viene calcolato come media
dei valori puntuali misurati nella
camera di saldatura (è stato
considerato un punto ogni 5 mm
in entrambe le direzioni). Oltre
4
6 2008
Al 6-2008 021.indd 83
alluminio e leghe
83
17-12-2008 9:59:28
Under the microscope the
‘Original’ section (on the left)
shows more precipitation
compared with the ‘Remake’
section (on the right).
Al microscopio si rileva una
concentrazione di precipitato
maggiore nell’estruso ‘Originale’
(a sinistra) rispetto a quello
‘Rifacimento’ (a destra).
ber. The hydrostatic pressure
value is calculated as the average of point measurements
(considering one point every 5
mm in each direction).
The standard deviation is used
to estimate the pressure distribution in the welding chamber:
it is uniform, if the variable tends
towards zero.
Results
At a first sight (Tab. 2) it is clear
that only three projects show
an increase in welding chamber
mean stress, while all the others
produce the opposite effect.
The ‘Remake’ version results in
a slight mean stress increase
(0.6%), which is not enough to
From left to right the mean
stress increases: the blue
shade is always more full.
Da sinistra a destra la pressione
nella camera aumenta: la tonalità
di blu è sempre più intensa.
5
eliminate the streak.
This was demonstrated by extrusion tests: on a section extruded
wit the ‘Original’ die, the weld
streak is clear; on one produced
with the ‘Remake’ die, the streak
is not so pronounced, but is still
present (Fig. 4). Metallurgical
analyses too confirmed this evolution: in the second extrusion
there is lower concentration of
precipitation (Fig. 5).
The ‘High chamber’ designed
is the best, in fact the pressure
results increased by 6%. Looking at the FEM images (Fig. 6)
it can be seen that there is the
same colour shade for ‘Original’
and ‘Remake’, but in ‘High chamber’ design produces a more
intensely coloured result.
The other successful design was
6
84
Al 6-2008 021.indd 84
ALUMINIUM AND ITS ALLOYS
al valore medio è stata calcolata la deviazione standard, che
fornisce un indice della distribuzione della pressione all'interno
della camera (un valore basso
di questo parametro indica una
distribuzione uniforme).
Risultati
Da una visione panoramica dei
risultati (Tab. 2) si vede chiaramente che solo tre progetti hanno portato l'effetto desiderato,
cioè l'aumento della pressione in
camera. Tutti gli altri hanno comportato una diminuzione della
pressione nella camera di saldatura, quindi vengono bocciati. Il
progetto ‘Rifacimento’ indica un
aumento (0,6%) della pressione
idrostatica, ma non è sufficiente
per eliminare il problema. La
controprova è fornita dai
test in pressa dei due progetti: nel caso ‘Originale’
la linea di saldatura risulta
evidente; nel ‘Rifacimento’
risulta attenuata, ma ancora presente (Fig. 4). Anche
l'analisi metallografica (Fig.
5) conferma il miglioramento: nel secondo estruso la
concentrazione di precipitato è minore.
Il progetto ‘Camera alta’ ha
riportato il risultato migliore, infatti la pressione è
aumentata del 6%. Nelle
immagini (Fig. 6) si nota
come la tonalità del colore
sia invariata nelle matrici ‘Originale’ e ‘Rifacimento’, mentre in
quella ‘Camera alta’ è decisamente più forte.
L'altro progetto promosso è il
‘Nuova camera’ sia perché la
pressione è aumentata (+3,8%)
(Fig. 7) e sia perché risulta distribuita in modo più uniforme
(diminuisce la deviazione standard). Dal punto di vista strutturale i risultati mostrano che
il carico massimo non subisce
variazioni significative (<2%).
Come previsto i progetti che
hanno comportato una modifica
all'ancoraggio del cuore (‘Nuova
camera’ e ‘Divergente’, in cui la
razza centrale è stata allungata;
‘Rifacimento’ e ‘Camera alta’,
nei quali diminuisce l'altezza
della razza centrale) presentano
una deformazione maggiore.
La soluzione ad otto razze non
comporta alcun vantaggio di resistenza meccanica in quanto
sia carico sia spostamento sono
allineati agli altri progetti. La
temperatura raggiunta dalla matrice risulta pressoché invariata.
Come controprova finale è stato sviluppato un nuovo progetto, chiamato ‘Verifica’, unendo
quello ‘Camera alta’ e quello
‘Nuova camera’.
I risultati ottenuti sono in linea
con quanto ci si aspetta: la pressione cresce dell'11% (243,77
MPa) e risulta avere una distribuzione più uniforme (deviazione standard pari a 15,35); la
temperatura e il carico massimo
sono praticamente uguali e la
deformazione è la maggiore ottenuta. Purtroppo al momento di
andare in stampa non erano noti
i risultati della prova in pressa.
Conclusioni
Al termine del presente lavoro
si può affermare che la pressione idrostatica all'interno della
camera di saldatura aumenta
ingrandendo la camera di saldatura, sia in altezza sia in larghezza; quindi per migliorare
la saldatura bisogna modificare
l'area della camera di saldatura.
6 2008
17-12-2008 9:59:31
extrusion
the ‘New chamber’, because the
pressure increase substantially
(+3.8%) (Fig. 7) and because
the distribution is more homogeneous (the standard deviation
decreases). From the structural point of view
the simulation results show that
the maximum stress does not
undergo significant changes. As
expected a higher displacement
is found in the designs where the
mandrel anchorage has been
modified (‘New chamber’ and ‘Divergent’, the central web is longer; ‘Remake’ and ‘High chamber’,
the central web is shorter).
The ‘Eight webs’ solution gives
no advantage: the data are in
line with the other designs. The
working die temperature is the
same for all the tests.
To check the results a new die
design (called ‘Verify’) was developed, which is a fusion between the ‘High chamber’ and the
‘New chamber’ versions.
The FEM results agree with
those expected: the mean stress
increases by 11% (value: 243.77
Mpa, standard deviation: 15.35),
the temperature and maximum
stress were about equal and the
displacement was the highest
measured. Unfortunately experimental data about the last design
(‘Verify’) are not yet available at
the time of writing.
Conclusions
In conclusion it can be said that
mean stress into the welding
chamber increases if its volume
increases. In addition if the welding chamber volume increases,
so also does the contact time
between the aluminium flows
(another parameter that occurs
in various ‘weld criteria’) and this
helps to improve the situations.
In other words, to obtain sections
without weld streaks the welding chamber must be sufficiently
large.
The drawback is that the mandrel
displacement is then greater,
and tis may lead to fatigue or die
life problems.
The other important result is that ‘Eight webs’
design was useless because the mean stress
decreased, producing two lines instead
of one on the section
surface. In reality with
this die design the aluminium flows change
completely, and it is
therefore impossible
to know, by the use of
simulations, if the metallurgic phenomena
7
would be different and
the lines can disappear.
This research raises a new question: what happens if the welding
chamber pressure is homogeneous? Is the longitudinal welding
better? Or is this parameter not
relevant?
Ingrandire la camera di saldatura inoltre dovrebbe innalzare
il tempo di contatto tra i lembi
(un altro parametro del processo di saldatura che ricorreva in
molti criteri) aiutando a migliorare ulteriormente la situazione.
Nel progetto ‘Nuova Camera’
(a destra) l’intensità del colore
è maggiore rispetto a quello
‘Originale’ (a sinistra).
References / Bibliografia
K. Laue, H. Stenger, ‘Extrusion’, (1981) American society for metals
T. Sheppard, ‘Extrusion of aluminium alloys’, (1999) Kluwer Academic
Publishers{1}
[1] L. Donati, ‘Modellazioni FEM e verifiche sperimentali di processi di
estrusione di leghe di alluminio per la determinazione delle caratteristiche
meccaniche delle saldature e della qualità superficiale’, (2004) Università
politecnica delle Marche
[1] L. Donati, L. Tomesani, ‘Simulation of welding conditions in porthole die
extrusion’, (2002) Amst conference; published on 'Advanced manufacturing systems and technology' (N. 437)
[1] L. Donati, L. Tomesani, ‘The prediction of seam welds quality in aluminium extrusion’, (2004) Journal of materials processing technology
[1] L. Donati, L. Tomesani, ‘Evaluation of a new finite element method
(FEM) criterion for seam welds quality prediction in aluminum extruded
profiles’, (2004) Proceedings: eighth international aluminum extrusion
technology seminar. (Vol. II), Aluminum Extruders Association
[2] R. Akeret, ‘Extrusion welds - quality aspects are now center stage’,
(1992) Proceedings: fifth international aluminum extrusion technology
seminar. (Vol. I), Aluminum Extruders Association
[3] M. Plata, J. Piwnik, ‘Theoretical and experimental analysis of seam
weld formation in hot extrusion of aluminium alloys’, (2000) Proceedings:
seventh international aluminium extrusion technology seminar. (Vol. I),
Aluminum Extruders Association
[4] Bourqui, A. Huber, C. Moulin, A. Brunetti, Alcan, M. Plata, Y. Krähenbühl, MTD, ‘Improved weld seam quality using 3d fem simulation in correlation with practice’, (2002), The first EAA extruders division congress
[5] B. Meier, ‚Werkzeuggestaltung und werkstoff - fluss’, (1989) in Journal
'Baumyartner ' ed. ‚Strangpressen’ dgm informationsgesellschaft
[6] H.H. Jo, C.S. Jeong, S.K. Lee, B.M. Kim, ‘Determination of welding
pressure in the non-steady-state porthole die extrusion of improved al7003
hollow section tubes’, (2003) Journal of materials processing technology
(N. 139)
[6] H.H. Jo, S.K. Lee, S.B. Lee, B.M. Kim, ‘Prediction of welding pressure
in the non-steady state porthole die extrusion of al7003 tubes’, (2002)
International journal of machine tools and manufacture (N. 22)
6 2008
Al 6-2008 021.indd 85
In the ‘New chamber’ design
(on the right) the colour
tone is higher compared with
‘Original’ (on the left).
In altre parole si può dire che,
per evitare di avere problemi
di bande di saldatura, bisogna
progettare una camera sufficientemente grande. Questa
modifica, tuttavia, comporta che
il cuore sia soggetto a spostamenti maggiori (essendo meno
vincolato), quindi è possibile
l'insorgere di problemi legati alla
resistenza a fatica e alla durata
della matrice. L'altro risultato
importante è che sembra inutile aumentare il numero delle
razze (progetto ‘Otto razze’), in
quanto la pressione diminuisce
e quindi risulterebbero due righe
invece che una. In realtà questo
progetto varia completamente il comportamento dei flussi
e quindi potrebbero variare i
processi metallurgici all'interno
della camera eliminando in questo modo la linea di saldatura.
Purtroppo questa verifica non è
eseguibile con delle simulazioni.
La ricerca lascia spunti per nuovi lavori: migliorando l'uniformità
della pressione nella camera si
migliora la saldatura? Oppure
questo non è un parametro importante?
alluminio e leghe
85
17-12-2008 9:59:32