SWRH82B盤條對(duì)焊缺陷分析

趙學(xué)剛，張 楠，劉學(xué)森

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301）

0 引言

高碳鋼盤條在預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)電阻對(duì)焊的方式將不同卷盤條焊接在一起，以保證連續(xù)生產(chǎn)。鋼絞線生產(chǎn)時(shí)，盤條要經(jīng)過(guò)80%以上的大變形量拉拔冷加工處理，對(duì)盤條的組織性能提出了較高的要求。如果焊接過(guò)程中各環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，盤條在后續(xù)拉拔過(guò)程中將會(huì)在焊接接頭處發(fā)生斷裂，若重新焊接，既會(huì)增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度，又降低了生產(chǎn)效率，提高了生產(chǎn)成本[1-2]，因此，對(duì)焊接常見的缺陷進(jìn)行分析十分必要。本文以生產(chǎn)過(guò)程中的焊接接頭包括失效斷裂接頭、頂鍛對(duì)焊焊接接頭、焊后熱處理接頭為研究對(duì)象，分析了焊接工藝、焊接過(guò)程中的非正常情況及焊接金相組織等，找出引起焊接接頭斷裂的原因，并提出了一些改進(jìn)措施和建議，為改進(jìn)焊接接頭質(zhì)量提供充足的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

采用同一爐次生產(chǎn)的規(guī)格Φ12.5 mm的SWRH82B盤條為焊接原料，其成分如表1所示，抗拉強(qiáng)度為1 180 MPa，斷面收縮率為34%。

表1 SWRH82B盤條化學(xué)成分 wt/%

鋼絞線生產(chǎn)過(guò)程中焊接工藝流程主要包括：盤條端頭處理→頂鍛對(duì)焊→焊花打磨→焊后熱處理。有文獻(xiàn)指出多次焊后熱處理對(duì)焊接接頭有益[3-4]，本文進(jìn)行了一次熱處理和二次熱處理試驗(yàn)。熱處理工藝分別為：850℃保溫60 s后空冷的一次熱處理；850℃保溫60 s后空冷降溫至300℃后，再次升溫至700℃保溫40 s后空冷的二次熱處理。

對(duì)該爐次盤條拉拔生產(chǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，觀察其焊接過(guò)程，收集焊接接頭失效斷口，制備頂鍛對(duì)焊試樣、一次熱處理試樣、二次熱處理試樣。采用光學(xué)顯微鏡，顯微硬度計(jì)等進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1“打火”現(xiàn)象導(dǎo)致斷裂

2.1.1 對(duì)焊“打火”

在頂鍛對(duì)焊時(shí)，通過(guò)焊接夾鉗夾緊待焊盤條兩端，隨后通電進(jìn)行焊接?，F(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，焊接過(guò)程中，夾鉗端部出現(xiàn)“打火”放電現(xiàn)象，對(duì)此類焊頭取樣，如圖1（a）所示，在焊縫一側(cè)或兩側(cè)對(duì)稱位置出現(xiàn)孔洞，呈月牙狀。對(duì)焊頭進(jìn)行正常的焊花打磨，如圖1（b）所示，孔洞較深，打磨后仍不能完全消除，將成為斷裂源，導(dǎo)致后續(xù)拉拔斷裂。

圖1 頂鍛對(duì)焊接頭“打火”缺陷

該種孔洞主要是因焊接夾鉗表面臟污或夾鉗松弛導(dǎo)致導(dǎo)電性能不良時(shí)，局部放電，導(dǎo)致“打火”現(xiàn)象。頂鍛對(duì)焊的過(guò)程中，焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或焊接溫度過(guò)高，導(dǎo)致盤條軟化長(zhǎng)度過(guò)大，夾持部位的盤條也處于熔融狀態(tài)，在夾持力作用下，接觸表面變形引起電流密度發(fā)生變化，進(jìn)一步導(dǎo)致“打火”放電產(chǎn)生的沖擊力使軟化區(qū)域產(chǎn)生月牙狀孔洞。因此，為防止發(fā)生此類斷裂，應(yīng)控制焊接溫度不宜過(guò)高，焊接時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，且應(yīng)定期清理夾鉗，保證夾鉗夾緊，避免“打火”放電。

2.1.2 焊后熱處理“打火”

在熱處理階段，通過(guò)夾鉗夾持待熱處理盤條兩端，隨后通電加熱。加熱及保溫過(guò)程中，夾鉗處出現(xiàn)多次“打火”放電現(xiàn)象，對(duì)此進(jìn)行了取樣分析。如圖2（a）所示，經(jīng)1道次拉拔后，在距焊縫10 cm左右位置，表面產(chǎn)生橫向裂紋。該處橫截面金相組織如圖2（b）所示，灰色區(qū)域?yàn)檎５乃魇象w組織，測(cè)量其硬度為320 HV，白亮區(qū)域底部呈圓弧狀，深度為500 μm左右，測(cè)量其硬度值為795 HV。經(jīng)多道次拉拔的斷口如圖2（c）所示，表面存在三角狀缺陷。金相組織如圖2（d）所示，白亮區(qū)域底部呈圓弧狀，深度為500 μm左右，測(cè)量其硬度值為778 HV。圖2（b）和2（d）中的白亮區(qū)硬脆組織均產(chǎn)生在焊后熱處理夾鉗位置。

圖2 焊后熱處理“打火”缺陷

此類斷裂主要是因?yàn)樵跓崽幚砑訜岜仉A段，熱處理夾鉗表面沾有盤條表層磷化膜而被污染[5-6]，同時(shí)盤條本身具有磷化膜，導(dǎo)致夾持部位導(dǎo)電性較差，另外夾鉗經(jīng)長(zhǎng)期使用出現(xiàn)變形，與盤條表面接觸不良，為加熱保溫，需反復(fù)點(diǎn)動(dòng)電源開關(guān)，出現(xiàn)頻繁的“斷路”和“通路”，從而導(dǎo)致夾鉗部位出現(xiàn)多次“打火”放電現(xiàn)象?！按蚧稹笔贡P條產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，同時(shí)該區(qū)域面積小、冷速快，形成硬脆性組織，拉拔時(shí)不易變形產(chǎn)生缺陷導(dǎo)致斷裂。因此，為了防止發(fā)生此類斷裂，應(yīng)保持夾鉗清潔，對(duì)盤條與夾鉗接觸部位適當(dāng)修磨，合理控制熱處理保溫時(shí)電源開關(guān)點(diǎn)動(dòng)次數(shù)，保證夾持部位接觸良好，避免“打火”放電。

2.2 頂鍛對(duì)焊殘留夾雜物導(dǎo)致斷裂

頂鍛對(duì)焊過(guò)程中盤條端頭打磨時(shí)會(huì)殘留砂輪上的顆粒物等雜質(zhì)形成夾雜物，也會(huì)因頂鍛對(duì)焊的高溫使端頭處形成氧化物。一般通過(guò)頂鍛的方式將含有的氧化物等雜質(zhì)擠出，殘存在焊花處，再通過(guò)焊花打磨處理，避免了雜質(zhì)在后續(xù)拉拔變形過(guò)程中引起斷裂。但頂鍛不充分時(shí)，部分夾雜物會(huì)殘留于焊接表面，產(chǎn)生拉拔缺陷。因此，應(yīng)優(yōu)化設(shè)置合理的頂鍛參數(shù)，包括焊接時(shí)的頂鍛壓力、鉗口距離、夾緊力等，保證將氧化物完全擠出。

2.3 異常組織導(dǎo)致斷裂

經(jīng)頂鍛對(duì)焊和熱處理后，焊接接頭處的組織狀態(tài)、強(qiáng)度和塑性等性能指標(biāo)與原盤條基本趨于一致時(shí)，則焊接接頭發(fā)生斷裂的可能性會(huì)大幅減小，若該處組織控制不當(dāng)不利于拉拔時(shí)，則會(huì)成為拉拔斷裂的重要因素，為此對(duì)失效斷口及焊接和焊后熱處理等不同階段的金相組織進(jìn)行了觀察分析。

2.3.1 失效焊接斷口的金相組織

對(duì)拉拔過(guò)程中斷裂失效的焊接斷口進(jìn)行金相分析，如圖3所示，基體組織以索氏體為主，晶粒粗大，晶粒邊界處有析出的白色網(wǎng)狀組織，局部區(qū)域呈現(xiàn)魏氏組織形態(tài)。該種金相組織下的綜合力學(xué)性能差，塑性變形能力低，脆性傾向增加，拉拔過(guò)程中組織難以協(xié)調(diào)變形，最終導(dǎo)致拉拔斷裂。要防止發(fā)生此類斷裂，應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)合理的頂鍛對(duì)焊及焊后熱處理工藝，避免或消除盤條中的粗大晶粒、網(wǎng)狀組織、魏氏組織等不利于拉拔的組織形態(tài)。

圖3 焊頭處斷裂組織

2.3.2 頂鍛對(duì)焊后的組織分析

為了查明焊頭斷裂處異常組織產(chǎn)生的原因，對(duì)經(jīng)1 220℃焊合8s頂鍛完成的頂鍛對(duì)焊后的組織進(jìn)行了檢測(cè)，如圖4所示，并對(duì)各處組織進(jìn)行了顯微硬度測(cè)試。由圖4（a）所示，金相腐蝕后焊縫中心呈梭形，對(duì)梭形區(qū)進(jìn)行金相觀察的結(jié)果如圖4（b）和4（c）所示，梭形區(qū)內(nèi)的晶粒組織粗大，晶粒內(nèi)部為馬氏體組織，硬度值為600 HV。晶界處為鐵素體態(tài)魏氏組織，硬度值為280 HV左右。圖4（d）為梭形區(qū)周圍的金相組織，為馬氏體，硬度值為750 HV左右。

焊接時(shí)焊縫處溫度過(guò)高，晶粒快速長(zhǎng)大，導(dǎo)致晶界處脫碳，形成了鐵素體態(tài)魏氏組織。焊縫區(qū)域小、冷速過(guò)快導(dǎo)致梭形區(qū)及其周圍形成了硬脆的馬氏體組織。頂鍛對(duì)焊后的組織難以滿足拉拔要求，需通過(guò)合理的焊后熱處理消除頂鍛對(duì)焊形成的粗大晶粒、魏氏組織和馬氏體。

2.3.3 熱處理后的組織分析

為消除頂鍛對(duì)焊后形成的馬氏體和鐵素體態(tài)魏氏組織，先后進(jìn)行了兩次焊后熱處理，兩次熱處理后梭形區(qū)周邊金相組織如圖5所示?？梢钥闯鼋?jīng)一次熱處理后，馬氏體組織均已經(jīng)轉(zhuǎn)變成了索氏體和少量珠光體組織。

從圖5（c）可以看出，經(jīng)一次熱處理后，梭形區(qū)晶粒組織仍然較為粗大，且形成了網(wǎng)狀形態(tài)的鐵素體，局部仍保留魏氏組織形態(tài)。如圖5（d）所示，經(jīng)二次熱處理后焊縫位置晶粒組織細(xì)小，鐵素體形態(tài)由網(wǎng)狀變?yōu)閴K狀分布，魏氏組織不復(fù)存在。

圖4 頂鍛對(duì)焊金相組織

由此可知，經(jīng)一次熱處理和二次熱處理后，均會(huì)使頂鍛對(duì)焊階段產(chǎn)生的脫碳區(qū)域產(chǎn)生鐵素體組織。而二次熱處理能使鐵素體成塊狀形態(tài)，比網(wǎng)狀形態(tài)利于拉拔。但因鐵素體強(qiáng)度較低，該組織仍不利于拉拔。因此，防止發(fā)生斷裂的措施是防止焊接溫度過(guò)高，產(chǎn)生嚴(yán)重脫碳。

圖5 熱處理后金相組織

3 改進(jìn)措施

進(jìn)一步規(guī)范焊接過(guò)程，定期修磨夾鉗，清理油污等，保證操作規(guī)范，不出現(xiàn)非正常情況。控制焊接溫度不宜過(guò)高，時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)；焊后熱處理應(yīng)選擇合適溫度進(jìn)行多次回火。

4 結(jié)論

為防止“打火”導(dǎo)致的拉拔焊接斷裂，應(yīng)定期修磨變形的夾鉗，打磨接觸面污漬，保持夾鉗清潔，保證夾持部位與盤條的良好導(dǎo)電性。為避免因焊接產(chǎn)生的氧化物等夾雜導(dǎo)致拉拔焊接斷裂，應(yīng)優(yōu)化設(shè)置合理的頂鍛壓力、鉗口間距、夾持力等頂鍛工藝參數(shù)，保證將夾雜物完全擠出。對(duì)于焊接形成的粗大晶粒、網(wǎng)狀組織及魏氏組織，可以通過(guò)焊后熱處理消除，但鐵素體組織無(wú)法消除，需防止焊接溫度過(guò)高，產(chǎn)生嚴(yán)重脫碳。