汽車專用板材的質(zhì)量是影響汽車整體質(zhì)量的重要因素之一。擴(kuò)孔率反映了材料的擴(kuò)孔性能，可直接表征汽車專用板材在擴(kuò)孔時(shí)的孔邊成形能力。擴(kuò)孔率的測(cè)量過程為：將中心帶孔的試樣放置在擴(kuò)孔試驗(yàn)機(jī)中心凸模上，向試樣邊部施加一定夾持力，然后以一定的速率上升凸模，使試樣中心的預(yù)制孔不斷擴(kuò)大，直到試樣預(yù)制孔的邊緣出現(xiàn)裂紋為止。在實(shí)際的擴(kuò)孔率測(cè)量試驗(yàn)中，改變部分試驗(yàn)條件會(huì)對(duì)測(cè)得的擴(kuò)孔率產(chǎn)生較大影響。
激光切割、視覺識(shí)別等技術(shù)在冶金行業(yè)板材試樣自動(dòng)化加工中應(yīng)用廣泛，這些技術(shù)可實(shí)現(xiàn)板材試樣的自動(dòng)加工、提高加工效率和質(zhì)量、降低人工作業(yè)強(qiáng)度、提升安全作業(yè)系數(shù)等，推動(dòng)了生產(chǎn)工藝的高質(zhì)量發(fā)展。激光打孔是最早實(shí)際應(yīng)用的一項(xiàng)激光加工技術(shù)，現(xiàn)已成為諸多制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，激光打孔特別適合加工高硬度的材料。激光打孔技術(shù)具有極高的加工精度、強(qiáng)大的適應(yīng)性、高效率、低成本，以及顯著的經(jīng)濟(jì)效益。研究人員使用激光打孔和沖孔機(jī)沖孔技術(shù)分別對(duì)780DP鋼和980DP鋼冷軋汽車板試樣進(jìn)行中心孔加工，分析了不同擴(kuò)孔技術(shù)對(duì)材料擴(kuò)孔率的影響，研究結(jié)果可為評(píng)價(jià)鋼材的成形性能提供理論基礎(chǔ)。
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
1.1 試樣制備
選取不同厚度的780DP鋼和980DP鋼冷軋板，在鋼板的中部沿軋制方向連續(xù)取12個(gè)試樣，分別編號(hào)為試樣1~12，其中奇數(shù)編號(hào)的試樣使用激光打孔的方式，偶數(shù)編號(hào)的試樣采用沖孔機(jī)沖孔的方式，分別加工直徑為10mm的預(yù)制中心孔。試樣的具體加工方式如表1所示。
1.2 試驗(yàn)方法
使用Erivhsen杯狀成型試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行擴(kuò)孔試驗(yàn)，設(shè)備配備自動(dòng)光學(xué)測(cè)量擴(kuò)孔裂紋，系統(tǒng)分辨精度為40μm，軟件檢測(cè)到擴(kuò)孔試樣中心孔邊緣局部出現(xiàn)最小破裂開口后自動(dòng)停止，自動(dòng)計(jì)算得到每個(gè)試樣的擴(kuò)孔率。采用掃描電鏡（SEM）和光學(xué)顯微鏡觀察試樣中心孔的微觀形貌和顯微組織。
依據(jù)GB/T 24524—2021 《金屬材料 薄板和薄帶 擴(kuò)孔試驗(yàn)方法》，擴(kuò)孔率計(jì)算方法如式（1）所示。
2 試驗(yàn)結(jié)果
2.1 極限擴(kuò)孔率測(cè)試
試樣的極限擴(kuò)孔率測(cè)試結(jié)果如表2 所示。由表2可知：對(duì)于相同材料和厚度的試樣，激光打孔試樣的極限擴(kuò)孔率遠(yuǎn)優(yōu)于沖孔機(jī)沖孔試樣的極限擴(kuò)孔率。
2.2 SEM分析
激光打孔試樣和沖擊機(jī)沖孔試樣的中心孔截面SEM形貌分別如圖1，2所示。由圖1，2可知：激光打孔試樣中心孔截面較為光滑；沖擊機(jī)沖孔試樣的中心孔截面出現(xiàn)分層現(xiàn)象，一部分為光滑、明亮的光亮帶（光面），一部分為粗糙、有斜度的斷裂帶（毛面）。
在使用激光打孔過程中，激光由激光器產(chǎn)生后，經(jīng)反射鏡反射，再通過聚集鏡照射到加工物品上，使加工物品表面的溫度急劇升高，進(jìn)而使其迅速融化或汽化，以達(dá)到切割的目的。激光打孔形成的孔截面通常不會(huì)出現(xiàn)明顯的光亮帶和斷裂帶，孔截面表面較為光滑，因此在擴(kuò)孔試驗(yàn)中，不易出現(xiàn)裂紋先在切應(yīng)力的作用下擴(kuò)大，隨后沿整個(gè)厚度方向擴(kuò)展的情況。
在使用沖孔機(jī)沖孔過程中，當(dāng)沖頭接觸材料時(shí)，材料開始發(fā)生初步塑性變形。此時(shí)，材料在沖頭的作用下開始形成孔的初步形狀。隨著沖頭繼續(xù)下壓，材料在沖頭和模具的剪切作用下，逐漸沿著預(yù)定的路徑形成孔。這個(gè)階段，材料在沖頭周圍的區(qū)域會(huì)發(fā)生顯著的塑性變形。當(dāng)沖頭下壓到一定深度時(shí)，材料在沖頭刃口附近的應(yīng)力達(dá)到其斷裂強(qiáng)度，從而使其發(fā)生斷裂分離。此時(shí)，孔已經(jīng)完全形成。其中，光亮帶是材料在剪切作用下形成的整齊切斷面，而斷裂帶則是由材料在斷裂分離過程中發(fā)生的不規(guī)則撕裂形成的粗糙面。
在擴(kuò)孔試驗(yàn)中，由于預(yù)制孔截面斷裂帶的表面粗糙，存在許多不規(guī)則的擴(kuò)展裂紋，這些裂紋在試驗(yàn)過程中會(huì)首先在切應(yīng)力的作用下逐漸擴(kuò)展，并貫穿整個(gè)材料厚度方向，導(dǎo)致實(shí)際觀測(cè)到的孔徑尺寸變小，且限制了材料在擴(kuò)孔試驗(yàn)中的延伸變形，使其變形不充分。因此，計(jì)算得出的極限擴(kuò)孔率也會(huì)相應(yīng)減小。
2.3 金相檢驗(yàn)
激光打孔試樣和沖擊機(jī)沖孔試樣中心孔截面的顯微組織形貌分別如圖3，4所示。由圖3，4可知：采用兩種不同加工方式，試樣中心孔邊部產(chǎn)生了不同的硬化層。
使用激光打孔方式加工時(shí)，在激光輻射的作用下，試樣形成熔渣層的同時(shí)，還會(huì)形成一層熔化和疏松的金屬層，厚度約為75μm，金屬層和其銜接的一小部分金屬之間出現(xiàn)明顯脫碳現(xiàn)象，在抵抗變形時(shí)，材料會(huì)表現(xiàn)出較好的延展性。
使用沖孔機(jī)沖孔時(shí)，在沖壓過程中，沖針在連續(xù)下降過程中不斷地對(duì)試樣表面施加向下的剪切力，當(dāng)剪切力累計(jì)到一定程度后，試樣隨沖針方向發(fā)生塑性變形，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié)，使晶粒拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，致使端面發(fā)生撕裂而形成沖壓孔，孔邊部會(huì)產(chǎn)生厚度為80~100μm的冷加工硬化層和沖壓毛刺。在試驗(yàn)過程中，冷加工硬化層和沖壓毛刺會(huì)率先產(chǎn)生裂紋，隨著試驗(yàn)沖頭的不斷上升，裂紋逐漸擴(kuò)大，直至貫穿整個(gè)試樣截面，導(dǎo)致材料的擴(kuò)孔性能降低。
3 結(jié)論
不同的加工工藝對(duì)材料的擴(kuò)孔性能有很大影響。使用激光打孔的方式加工試樣的擴(kuò)孔性能優(yōu)于使用沖孔機(jī)沖孔方式加工的試樣。
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