【技术帖】激光热处理对超高强度钢扩孔性能的影响

2021年3月，中国政府提出了2030年前实现“碳达峰”和2060年前实现“碳中和”的目标。汽车排放的二氧化碳约占我国排放总量的1/10，在“双碳”目标牵引下，节能减排已成为汽车工业亟待解决的重要问题。在汽车车身制造中使用汽车轻量化材料是实现节能减排的重要途径，超高强度钢具有高强度、高碰撞吸能性等优点，在实现汽车轻量化方面发挥着重要作用[1-3]。然而，超高强度钢厚度薄、延展性低，在冷冲压成形过程中极易出现回弹变形、起皱开裂、尺寸精度差等问题[4]。激光热处理技术具有激光光斑小、能量密度大、加热时间短及加工灵活等优点，适用于改善材料局部成形性能，在调控材料局部组织和性能上具有巨大的潜力[5-7]。

边部开裂行为反映了材料的边部拉伸性能，扩孔实验通常用来表征超高强度钢的边部拉伸性能[8]。诸多相关研究表明，在成形前对超高强度钢进行激光热处理能够改变其局部组织，改善其局部塑性、韧性，提升其局部成形性能。LAPOUGE P 等[9]研究了激光热处理温度对马氏体钢和高马氏体含量双相钢力学性能的影响，发现两种钢的伸长率在Ac3温度附近热处理后达到峰值，激光热处理后双相钢的伸长率较基材增加2.8倍，马氏体钢的伸长率较基材增加3倍。KARAAGAC I等[10]通过V形弯曲实验对激光局部热处理后的DP800板材的成形性能和回弹性能进行了研究，结果表明由于马氏体含量的降低，激光热处理后DP800的硬度下降到237 HV，回弹值下降39.3%。JRVENP A等[11]对DQ960结构钢和WR500钢进行激光局部软化，并对其弯曲性能进行研究。发现两种钢的抗拉强度分别降低26%和15%，R/t值分别降低93%和83%。CARLSSON B等[12]对抗拉强度为1200 MPa的马氏体钢进行800 ℃的激光热处理，发现伸长率从5%增加到20%，并对比了热处理后和无热处理的侧面防撞梁的冲压结果，结果显示无热处理的防撞梁冲压后出现裂纹，且回弹量大于局部热处理后冲压的板料。

现有研究主要聚焦于超高强度钢激光热处理后的拉伸性能和整体成形性能，鲜有针对激光热处理对扩孔性能的影响的研究，而超高强度钢冲压成形件边缘破裂是亟待解决的重要问题之一。本文以DP1180和MS1500两种超高强度钢为研究对象，通过单向拉伸实验和显微硬度测试获得激光热处理零件的力学性能并确定最优激光热处理工艺参数，基于该参数研究激光热处理对两种超高强度钢扩孔性能的影响，为激光热处理在改善超高强度钢局部成形性能的应用上提供指导。

1.1 材料

实验所采用的材料为超高强度钢DP1180和 MS1500，厚度分别为1.6和1.2 mm。DP1180为冷轧双相钢，室温下微观组织为马氏体和铁素体。MS1500 为马氏体钢，室温下微观组织为全马氏体。图1为DP1180和MS1500基材沿轧制方向RD的工程应力-工程应变曲线。表1为DP1180 和MS1500 基材的基本力学性能参数。

表1 DP1180和MS1500基材的基本力学性能参数

Tab.1 Basic mechanical property parameters of DP1180 and MS1500 base materials

图1 DP1180和MS1500基材的工程应力-应变曲线

Fig.1 Engineering stress-strain curves of DP1180 and MS1500 base material

1.2 实验方法

1.2.1 激光热处理

激光热处理实验平台如图2所示，主要包括KUKA工业机器人、光纤激光器、激光头以及红外热像仪等。光纤激光器为MFSC系列4 kW单模连续光纤激光器，最大输出功率为4 kW，最小稳定输出功率为400 W。激光头型号为ZF-HH003A，固定在工业机器人的末端，聚焦激光光斑为15 mm×1 mm的矩形光斑。实验时机器人带动激光头按照指定的速度和方向运动，实现对试样的激光热处理。实验过程中通过红外热像仪实时记录试样表面的温度历程。采用如表2所示的一系列激光工艺参数对DP1180和MS1500拉伸试样的标距段进行激光热处理，其中，温度为激光热处理过程中红外热像仪测得的试样上表面最高温度的平均值。

表2 激光工艺参数

Tab.2 Laser process parameters

图2 激光热处理实验平台

Fig.2 Laser heat treatment experimental platform

1.2.2 单向拉伸实验

根据GB/T 228.1—2021[13]，在MTS万能试验机上对DP1180、MS1500基材和激光热处理后的试样进行单向拉伸实验，拉伸试样及激光扫描区域示意图如图3所示，拉伸速率为3 mm·min-1(应变速率约6.7×10-4 s-1)。每个激光工艺参数下的拉伸实验重复3次，以确保测得的力学性能的重复性。实验时通过数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)技术获取拉伸试样表面的全场应变分布，使用Vic-3D后处理软件对试样关心区域的应变进行计算。

图3 拉伸试样及激光扫描区域示意图

Fig.3 Schematic diagram of tensile specimen and laser scanning area

图4 扩孔实验模具示意图

(a)扩孔前 (b)扩孔后

Fig.4 Schematic diagrams of hole expansion experimental die

(a) Before hole expansion (b) After hole expansion

1.2.3 显微硬度测试

采用线切割方法从DP1180和MS1500拉伸后试样的标距段内切取硬度测试试样，镶嵌、打磨、抛光后对其横截面进行显微硬度测量。利用维氏显微硬度计分别从距DP1180和MS1500试样横截面上表面(激光辐照面)0.16和0.12 mm的位置开始进行硬度测量，在每个试样横截面中线沿厚度方向等距离测试9个压痕点，载荷为300 g，加载时间为10 s。

1.2.4 扩孔实验

基于单向拉伸实验和显微硬度测试结果确定激光热处理DP1180和 MS1500扩孔试样的激光工艺参数。根据标准BS ISO 16630—2017[14]在MTS成形极限试验机上进行扩孔实验，扩孔实验原理如4所示，实验所用冲头为60°锥形冲头，其最大直径Dp=Φ70 mm，冲头运动速度为3 mm·min-1，凹模内径Dd=Φ100 mm，试样预制孔直径D0=Φ10 mm。Dh为扩孔后的孔径。扩孔实验设备如图5所示，通过高清相机实时观察实验过程中试样孔边部的状态，当孔边部出现贯穿厚度方向的裂纹时，立即停止实验并对扩孔后试样的孔径进行测量。

图5 扩孔实验设备

Fig.5 Hold expansion experiment equipments

2.1 激光热处理对拉伸性能的影响

DP1180和MS1500激光热处理后的力学性能如 6所示(BM-UTS为基材的抗拉强度，BM-ε为基材的断裂伸长率)。图6a和图6c分别为DP1180和MS1500试样经过不同温度激光热处理后的工程应力-工程应变曲线，随着温度的升高，DP1180和MS1500的强度逐渐下降，伸长率逐渐上升。图6b和图6d分别具体展示了DP1180和MS1500的抗拉强度和断裂伸长率随温度的变化情况。温度为600 ℃时，DP1180的抗拉强度和断裂伸长率无明显变化，和基材近似。温度在823 ℃以上时，DP1180 的断裂伸长率随温度升高不断增大，抗拉强度随温度升高不断减小，在激光功率为700 W，温度为1215 ℃时，得到了最大的断裂伸长率13.0%和最低的抗拉强度855 MPa，此时，激光热处理后的DP1180断裂伸长率较基材上升约86.2%，抗拉强度较基材下降约 28.4%。激光热处理后的MS1500断裂伸长率随温度升高逐渐增大，抗拉强度随温度升高逐渐下降。在激光功率625 W，温度为1330 ℃时，得到了最大的断裂伸长率12.4%和最低的抗拉强度715 MPa，此时，激光热处理后的MS1500断裂伸长率较基材上升约142.5%，抗拉强度较基材下降约 50.4%。材料的伸长率直接决定其在拉伸变形中的冲压性能，伸长率值越大，表明材料的塑性变形能力越好。因此，当采用合适的激光工艺参数时，激光热处理超高强度钢可以有效改善其塑性。

图6 激光热处理后的力学性能

(a)DP1180工程应力-工程应变曲线 (b) DP1180抗拉强度和断裂伸长率随温度的变化 (c)MS1500工程应力-工程应变曲线 (d)MS1500抗拉强度和断裂伸长率随温度的变化

Fig.6 Mechanical properties after laser heat treatment

(a) Engineering stress-engineering strain curves of DP1180 (b) Variation of tensile strength and fracture elongation with temperature of DP1180 (c) Engineering stress-engineering strain curves of MS1500 (d) Variation of tensile strength and fracture elongation with temperature of MS1500

2.2 激光热处理对显微硬度的影响

DP1180和MS1500基材的显微硬度分别为403和511 HV。激光热处理后DP1180和MS1500试样厚度方向平均显微硬度随温度的变化如图7所示，由图可知，激光热处理后的DP1180和MS1500试样厚度方向平均显微硬度值随温度升高而逐渐下降。在温度为1215 ℃时，DP1180试样厚度方向平均显微硬度值最低，较基材下降约24.3%。在温度为1330 ℃时，MS1500 试样厚度方向平均显微硬度值最低，较基材下降约48.8%。因此，在激光功率700 W、扫描速度5 mm·s-1热处理后DP1180试样的软化效果最好；在激光功率625 W、扫描速度5 mm·s-1热处理后MS1500试样的软化效果最好。材料的显微硬度大小与微观组织密切相关，DP1180基材的微观组织为铁素体和马氏体，MS1500基材的微观组织为全马氏体。在激光热处理过程中，马氏体会转变为脆性较小的回火马氏体，马氏体内部过饱和的碳会以高度弥散的渗碳体和碳化物的形式析出[15]。激光热处理过程中马氏体的回火转变是造成DP1180和MS1500显微硬度下降的主要原因。因此，可以认为DP1180和MS1500分别在激光功率700和625 W、扫描速度5 mm·s-1热处理后试样内部的马氏体含量最低。

图7 厚度方向平均显微硬度随温度的变化

Fig.7 Variation of average microhardness in thickness direction with temperature

2.3 激光热处理对扩孔性能的影响

超高强度钢的扩孔性能与微观组织密切相关，扩孔性能会受到马氏体的含量、尺寸、形态和分布的影响[16]。PUSHKAREVA I等[17]研究表明，扩孔率会随马氏体体积分数的变化而发生显著变化，并发现回火可以显著提高双相钢的扩孔率，扩孔率随铁素体含量的增加而减小。刘辉[18]研究发现先进高强钢的扩孔率随材料强度的升高而下降，且基材组织中马氏体含量越多，扩孔率越低。由单向拉伸实验结果和显微硬度测试结果可知，DP1180 试样在激光功率700 W、扫描速度5 mm·s-1热处理后的强度和硬度最低，说明此工艺参数下试样内部马氏体含量最低。MS1500试样在激光功率625 W、扫描速度5 mm·s-1热处理后的强度和硬度最低。因此，基于上述两组工艺参数分别对DP1180和MS1500扩孔试样进行激光热处理并进行扩孔实验。

为避免孔边部裂纹对孔径测量精度的影响，在互相垂直的两个方向上对扩孔后试样的孔径进行测量，扩孔率λ的计算公式如式(1)所示。

(1)DP1180和MS1500 基材和激光热处理后的扩孔率如图8所示。激光热处理后DP1180和MS1500两种超高强度钢的扩孔性能均显著提升。对于DP1180，基材的扩孔率为68.4%，激光功率700 W、扫描速度5 mm·s-1热处理后的扩孔率为85.8%，较基材增加约25.4%。对于MS1500，基材的扩孔率为47.1%，激光功率625 W、扫描速度5 mm·s-1热处理后的扩孔率为63.3%，较基材增加约34.4%。

图8 基材和激光热处理后试样的扩孔率对比

Fig.8 Comparison of hole expansion rate between base material and specimens after laser heat treatment

对两种超高强度钢基材和激光热处理后的扩孔试样的边部裂纹形态进行观察，如图9所示。DP1180的基材和激光热处理后试样在扩孔过程中孔壁均只出现1～2处宏观裂纹，如图9a和图9b所示。MS1500基材在孔膨胀过程中孔壁仅出现1处裂纹，如图9c所示。经过激光热处理的 MS1500 孔壁出现多处裂纹，产生的裂纹相互竞争并进一步扩展，直至其中一处或多处裂纹贯穿试样孔壁厚度(图9d)。由图8可知，MS1500基材的扩孔率低于DP1180基材，MS1500组织为全马氏体，而马氏体属于脆性相，无法有效阻断孔膨胀过程中裂纹的扩张，这也是导致MS1500扩孔率较低的原因。激光热处理后的DP1180和MS1500具有低的强度、硬度和高的伸长率，同时，激光热处理后DP1180和MS1500的扩孔率均较基材有所提升。因此，认为激光热处理后试样内部马氏体的减少是导致扩孔率提升的原因，当采用合适的激光工艺参数时，激光热处理DP1180和MS1500可以有效提升其局部成形性能。

图9 扩孔后的裂纹形态

(a)DP1180基材 (b)激光热处理后的DP1180 (c)MS1500基材 (d)激光热处理后的MS1500

Fig.9 Crack morphology after hole expansion

(a)Base material of DP1180 (b)DP1180 after laser heat treatment (c) Base material of MS1500 (d) MS1500 after laser heat treatment

(1)激光功率700 W，扫描速度5 mm·s-1热处理后DP1180的断裂伸长率较基材上升约86.2%，抗拉强度较基材下降约28.4%，厚度方向平均显微硬度较基材下降约24.3%。激光功率625 W，扫描速度5 mm·s-1热处理后MS1500的断裂伸长率较基材上升约142.5%，抗拉强度较基材下降约50.4%，厚度方向平均显微硬度较基材下降约48.8%。

(2)DP1180在激光功率700 W、扫描速度5 mm·s-1热处理后的扩孔率为85.8%，较基材增加约25.4%。MS1500在激光功率625 W、扫描速度5 mm·s-1热处理后的扩孔率为63.3%，较基材增加约 34.4%。当采用合适的激光工艺参数时，激光热处理工艺可以有效提升DP1180和MS1500的扩孔性能。