分享：ER70S-6焊絲拉拔斷裂原因

氣體保護焊絲是最常用的焊絲產(chǎn)品之一,廣泛應(yīng)用于石油化工、車船制造等領(lǐng)域。為了滿足工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)要求,要保證焊絲用盤條原料成分均勻、潔凈度好、對夾雜物控制嚴(yán)格,確保其優(yōu)良的綜合性能滿足多道次拉拔需求,同時又要求拉絲工藝控制精準(zhǔn),拉拔應(yīng)力及拉拔速率都滿足材料加工需求。其中,ER70S-6焊絲的焊接效果好、質(zhì)量高[1]。焊絲在拉拔及使用過程中會出現(xiàn)拉拔斷絲現(xiàn)象,給下游企業(yè)造成較大的經(jīng)濟損失[2]。 

某ER70S-6盤條產(chǎn)品的軋制工藝為：采用880 ℃以下預(yù)熱,110~960 ℃加熱,1 100~1 150 ℃均熱的步進式加熱爐進行加熱,出鋼溫度為980~1 030 ℃,加熱時間為90 min。經(jīng)過高壓水除磷,采用85~90 m/s的速率進行軋制,將精軋溫度控制為（900±10） ℃,吐絲溫度控制為（870±10） ℃,首端輥道速率控制為0.15 m/s。盤條成品直徑為5.5 mm。 

該ER70S-6焊絲的生產(chǎn)工藝過程如圖1所示,在拉拔過程中,焊絲產(chǎn)品發(fā)生斷裂現(xiàn)象。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗、掃描電鏡（SEM）分析等方法對ER70S-6拉拔斷裂焊絲進行分析,結(jié)果可為生產(chǎn)工藝改進提供建議。 

圖  1  ER70S-6焊絲的生產(chǎn)工藝過程

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂ER70S-6焊絲宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：焊絲表面較為光滑,橢圓度良好,沒有裂紋等表面缺陷；焊絲斷口呈尖凹狀形貌,表面光亮無明顯劃傷。 

圖  2  斷裂ER70S-6焊絲宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對斷裂焊絲進行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：該ER70S-6焊絲的化學(xué)成分滿足ASME SFA-5.18《氣體保護焊用碳鋼焊絲和填充絲標(biāo)準(zhǔn)》的要求。 

1.3   金相檢驗

將盤條試樣進行切割、鑲嵌、磨拋,制備成金相試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察。盤條夾雜物等級如表2所示。由表2可知：盤條試樣中未觀察到大型超標(biāo)夾雜物,滿足產(chǎn)品需要。 

用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將腐蝕后的試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：試樣組織為大致均勻的鐵素體+珠光體,心部存在一定程度的偏析；焊絲斷口處及遠離斷口處組織為均勻的變形鐵素體+硬相組織,對其進行顯微硬度分析,得到平均硬度為390 HV,判斷硬相組織為過渡態(tài)粒狀貝氏體；鐵素體流變方向沿焊絲拉拔方向,且繞著過渡態(tài)貝氏體周圍形成滯留形態(tài)；遠離斷口處組織為貝氏體+鐵素體,未發(fā)現(xiàn)明顯大尺寸夾雜。 

圖  3  盤條及斷裂焊絲顯微組織形貌

1.4   掃描電鏡分析

將焊絲斷口置于無水乙醇溶液中,利用超聲清洗儀反復(fù)清洗、吹干后,放入掃描電鏡中觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：焊絲外表面未發(fā)現(xiàn)缺陷,斷口呈現(xiàn)尖凹狀形貌,斷口呈變形軔窩狀形貌,在斷面上分布著明顯的二次裂紋。 

圖  4  焊絲斷口SEM形貌

將盤條及焊絲斷裂金相試樣放在掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：盤條試樣心部組織為鐵素體+珠光體,同時伴隨有小顆粒夾雜物,夾雜物與基體間存在小的孔隙[見圖5a）]；焊絲組織為變形的鐵素體+粒狀貝氏體,鐵素體在加工過程中繞過貝氏體,沿著拉拔方向變形,與貝氏體之間存在孔洞[見圖5b）]。 

圖  5  盤條和焊絲試樣SEM形貌

2.   綜合分析

焊絲的化學(xué)成分符合產(chǎn)品技術(shù)要求。盤條組織為鐵素體+珠光體,心部或接近心部位置存在一定程度的成分偏析,在后續(xù)拉拔過程中,心部偏析會遺傳到下游產(chǎn)品中。 

經(jīng)過冷拉拔的焊絲組織為鐵素體+貝氏體,與其盤條組織存在很大差別,材料只有經(jīng)過高溫處理才會發(fā)生組織變化,而冷拉拔焊絲在拉絲前并未經(jīng)過高溫處理,推斷焊絲在冷拉過程中存在材料升溫現(xiàn)象。 

在拉拔力的作用下,盤條從拉絲模具孔中拉出,在模具應(yīng)力的作用下,金屬與母孔發(fā)生塑性變形,原來大尺寸直徑的盤條原料在應(yīng)力的作用下發(fā)生塑性變形,形成小斷面金屬絲。在拉拔過程中,必須控制好截面拉拔力的閾值,閾值既要大于孔內(nèi)待變形金屬的變形抗力,使其完成塑性變形,又要將其控制在小于金屬絲的屈服極限范圍內(nèi),以防止金屬絲在連續(xù)變形過程中被拉斷,影響其穩(wěn)定性。同時要控制好拉拔速率,并且確保拉拔過程中模具孔型良好,以免在拉拔過程中金屬與模具間摩擦力過大。 

金屬與模具之間發(fā)生摩擦?xí)r,如果拉速和應(yīng)力參數(shù)調(diào)整不當(dāng),會由于摩擦力過大,金屬在變形過程中,其機械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能,溫度急劇升高,在冷拉拔過程中,材料溫度超過奧氏體溫度的時候,原始盤條中的組織開始發(fā)生變化。原始盤條中的組織開始向奧氏體轉(zhuǎn)變,鐵素體和珠光體的奧氏體轉(zhuǎn)變速率有差異,珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的速率增大幅度更大,盤條先進行奧氏體過程轉(zhuǎn)變,鐵素體還未完全轉(zhuǎn)變時,材料已經(jīng)降溫,由于材料的尺寸很小,降溫速率較快,原來的珠光體區(qū)域剛剛完成奧氏體化甚至未完全奧氏體化就開始快速降溫,材料整體形成鐵素體加貝氏體或過渡態(tài)貝氏體組織。在后續(xù)的繼續(xù)拉拔變形過程中,鐵素體變形度極大,而貝氏體硬度及強度大,鐵素體在極大的變形過程中繞過貝氏體,由于二者變形程度存在差異,在鐵素體和貝氏體之間形成孔隙,成為斷裂起始點[3-4]。 

盤條材料本身存在一定程度的偏析,所以在相變過程中,偏析位置的應(yīng)力較其他位置更明顯,缺陷萌生點更多,在拉拔過程中,材料首先發(fā)生斷裂,而靠近外部位置較心部位置的變形滯后,導(dǎo)致最后斷裂面呈尖凹狀。 

3.   結(jié)語及改進措施

拉拔焊絲的斷裂原因為盤條材料本身存在一定程度偏析,在焊絲拉拔過程中,材料與孔徑之間的摩擦力和拉拔速率等參數(shù)與材料本身的形變需求不匹配,導(dǎo)致摩擦力過大而內(nèi)能急劇升高,材料內(nèi)部組織發(fā)生變化；材料在變形過程中發(fā)生加工硬化,整體硬度增大,而心部為最薄弱位置,首先產(chǎn)生更多的斷裂源萌生點,在后續(xù)拉拔過程中,心部首先發(fā)生斷裂,最終導(dǎo)致焊絲斷裂。 

可以采用優(yōu)化連鑄工藝及對原材料進行高溫預(yù)處理等方法,緩解材料的心部偏析；建議調(diào)整和控制拉絲過程中的工藝參數(shù),將加工應(yīng)力和拉拔速率調(diào)整在閾值范圍內(nèi),確保材料塑性變形過程中不被過度拉細、拉斷,且材料不會由于過度摩擦而產(chǎn)生相變,以防焊絲在拉拔過程中斷裂。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)