JultikaUniversity of Oulu repository

Teräslaatuja kehitettäessä yhä lujemmiksi niiden muovaus on osoittautunut entistä haasteellisemmaksi. Paikallinen laserlämpökäsittely on oivallinen menetelmä pehmentää aihiota, saada hieno ja tasa-akselinen raerakenne ja hävittää suorasammutetuissa laaduissa mahdolliset tekstuurit, jolloin saavutetaan parempi muovattavuus haluttuihin kohtiin. Laserlämpökäsittely on kuitenkin prosessina monitahoinen ja haasteellinen, minkä vuoksi optimaalisten prosessiparametrien hakeminen aihion lämmittämiseksi tiettyyn lämpötilaan ja tietyn levyiseltä alueelta, on laboratoriokokein kallista ja aikaa vievää. Työn tavoitteena oli kehittää FE-analysointimalli, jolla optimaaliset prosessiparametrit voidaan määrittää nopeasti, olipa kyseessä sitten materiaalien muovattavuuden tutkiminen laboratorio-olosuhteissa tai käytännön sovellus teollisuudessa. Työn teoriaosuudessa perehdytään muovauksen ja muovattavuuden teoriaan, lämpökäsittelyn ja laserlämpökäsittelyn teoriaan sekä elementtimenetelmiin lämmönsiirtymisongelman ratkaisussa. Työn kokeellisessa osiossa kerrotaan, mitä asioita tulee huomioida, kun lämpökäsittelyä mallinnetaan FEM-ohjelmalla ja esitetään mallin muodostaminen LS-DYNA -ohjelmalla. Tulosten tarkastelussa verrataan FE-mallilla saatuja tuloksia laboratoriokokeilla saatuihin tuloksiin maksimilämpötilojen, lämpögradienttien, kuumennus- ja jäähtymisnopeuksien sekä austenoituneiden ja pehmenneiden alueiden leveyksien osalta. Työn tuloksena saatiin kehitettyä FE-malli, joka ennustaa hyvällä tarkkuudella paikallisen laserlämpökäsittelyn maksimilämpötilat sekä austenoituneiden ja pehmenneiden alueiden leveydet. Lämpögradienttien sekä kuumennus- ja jäähtymisnopeuksien osalta mallilla saadaan suuntaa antavia, mutta hyödynnettävissä olevia tuloksia. Kokonaisuutena todettiin, että FE-analyysin käyttäminen paikallisen laserlämpökäsittelyn prosessiparametrien hakemiseen on nopea ja kohtuullisen tarkka menetelmä. Laboratoriokokeisiin verrattuna FE-analyysillä saadaan lisätietona levyn ylä- ja alapinnan maksimilämpötilajakaumat, jotka auttavat ymmärtämään laserlämpökäsittelyssä tapahtuvaa lämmöntuontia ja hahmottamaan mikä vaikutus prosessiparametreilla on lämpötiloihin. Tämä puolestaan helpottaa lämpökäsittelyjen suunnittelua, koska sovelluskohteet voivat vaihdella hyvinkin voimakkaasti materiaalin, levyn vahvuuden ja käsiteltävän alueen leveyden osalta.

While steel grades are developed stronger and stronger, their formability has proven to be more complex and demanding than with the conventional steel grades. One answer to this challenge is a local laser heat treatment that is an excellent method in order to soften the material, gain fine and uniaxial grain structure, lose possible texture in direct quenched steel grades and thus achieve better formability to desired areas. The laser heat treatment is, though, a very exacting process; to find the optimal process parameters to treat the blank to certain temperature at certain width is expensive and time-consuming with laboratory tests. The object of this thesis was to develop a finite element analyzing model which can be used to determine the optimal process parameters at short notice, whether the question is the examining of the formability of materials in the laboratory conditions or practical application in the industry. Theory part of the thesis covers the main issues about forming, formability, heat treatment, laser heat treatment process and use of a finite element method in heat transfer analysis. In the practical part, the modeling of the heat treatment process is explained extensively and a FE-model is built using a commercial finite element software LS-DYNA. The results of analysis are compared with the laboratory tests in relation to maximum temperatures, temperature gradients, heating and cooling rates and width of austenitized and softened areas. As a result of the thesis, a practical FE-model of a local laser heat treatment process was developed that can predict maximum temperatures and width of austenitized and softened areas with good precision. With temperature gradients and heating and cooling rates the results were approximate but still usable. Altogether, it could be found that for determining the optimal process parameters in local laser heat treatment, the use of the FE-analyzing is a time saving and a reasonable precise method. As additional information compared with laboratory tests, FE-analysis gives the maxi-mum temperature distributions of upper and lower surface of the plate which helps to understand the heat input of the heat treatment process and to perceive the relation of process parameters to temperatures. As for, this facilitates the planning of heat treatments because the target of application can vary strongly by material, plate thickness and desired width of treated area.