70 kg級(jí)焊絲用盤(pán)條拉拔斷絲分析

陳占杰 鄭建道 楊曉奇 丁蘭峰

（安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司）

0 前言

高強(qiáng)度焊絲以其優(yōu)良的焊接性能和工藝適應(yīng)性能，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)結(jié)構(gòu)工程、橋梁、壓力容器和鋼結(jié)構(gòu)建筑等行業(yè)，且用量呈逐年增加的趨勢(shì)[1]。安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司第一煉軋廠（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“安鋼第一煉軋廠”）有多年生產(chǎn)焊絲用盤(pán)條的經(jīng)驗(yàn)，目前生產(chǎn)60 kg、70 kg、80 kg級(jí)焊絲用盤(pán)條，產(chǎn)品的殘余元素少，有害氣體含量低，實(shí)物得到了用戶(hù)認(rèn)可。考慮環(huán)保、成本等因素，部分下游用戶(hù)在使用70 kg級(jí)焊絲用盤(pán)條不再進(jìn)行退火處理，而是直接拉拔至Φ1.2 mm成品。但在拉拔過(guò)程中卻出現(xiàn)斷絲率高的問(wèn)題，大大降低了焊絲的生產(chǎn)效率。筆者通過(guò)FEI QUANTA 200掃描電子顯微鏡、ZEISS Observer A1m光學(xué)顯微鏡等儀器對(duì)斷裂試樣進(jìn)行了斷口掃描和顯微組織檢測(cè)，以分析其產(chǎn)生斷裂的原因，達(dá)到改進(jìn)焊絲用盤(pán)條的生產(chǎn)工藝和提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的，同時(shí)為下游用戶(hù)的使用提供參考。

1 試驗(yàn)材料

焊絲常用的加工工藝過(guò)程：機(jī)械剝殼→粗拔→細(xì)拔→鍍銅→分卷→包裝。斷絲主要出現(xiàn)在細(xì)拔工序，斷絲規(guī)格為Φ1.2～1.5 mm。

安鋼第一煉軋廠生產(chǎn)的70 kg級(jí)焊絲熱軋盤(pán)條的化學(xué)成分穩(wěn)定，其成分控制見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分控制（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

拉拔斷絲試樣如1圖所示。斷絲試樣宏觀形貌可以分為兩種：一種為杯錐狀斷口，另一種為斜茬狀斷口。杯錐斷口也稱(chēng)子母斷口，試樣一端端頭凸起，另一端凹陷；斜茬斷口一般邊部起裂，隨著拉拔加工的進(jìn)行，邊部裂紋擴(kuò)展后斷裂，宏觀可見(jiàn)。

圖1 焊絲拉拔斷絲試樣

2 顯微組織分析

試樣經(jīng)切割鑲嵌制樣后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，利用ZEISS Observer A1m光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金 相組織觀察（斷口放大不同的倍數(shù)），如圖2所示。

圖2 試樣金相組織

從圖2可以看出，杯錐狀斷口橫向組織（放大50倍）和縱向組織（放大200倍）的心部已經(jīng)出現(xiàn)裂紋，裂紋的存在和擴(kuò)展造成杯錐狀斷絲。高強(qiáng)度焊絲用盤(pán)條化學(xué)成分合金含量高，部分合金元素在推遲相變的同時(shí)改變了珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域，組織控制較難[2]。在生產(chǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)異常組織，心部存在貝氏體、馬奧島組織，屬于硬相組織，拉拔時(shí)不易變形[3]。隨著拉拔加工的進(jìn)行，邊部和心部組織變形能力不同，造成心部先產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展最終形成杯錐狀斷絲。拉拔過(guò)程中，鐵素體等基體組織隨著拉拔進(jìn)行被拉長(zhǎng)、變細(xì)，而馬奧島等硬相組織不變形，在其周邊產(chǎn)生小裂紋，裂紋會(huì)隨著拉拔的進(jìn)行而進(jìn)一步擴(kuò)展（杯錐狀斷口縱向組織放大500倍）。斜茬狀斷口橫向組織（放大200倍）的邊部已存在裂紋，裂紋均為撕裂形貌，存在部分金屬流變現(xiàn)象，從表面向里擴(kuò)展，隨著拉拔的進(jìn)行，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最后形成斜茬狀斷口。

3 電鏡觀察

針對(duì)表面裂紋引起的拉拔斷裂，進(jìn)一步分析產(chǎn)生的原因，利用Quanta 200掃描電子顯微鏡對(duì)斜茬狀斷絲試樣斷口進(jìn)行檢測(cè)。試樣經(jīng)切割后進(jìn)行超聲波清洗，然后觀察其斷口及附近表面情況，形貌如圖3所示。

圖3 斜茬斷絲電鏡觀察

從圖3可以看出，1#斷絲斷口附近表面已出現(xiàn)裂紋；進(jìn)一步放大觀察倍數(shù)，可以看到表面有較多的“人字形”裂紋；在2#試樣的斷絲表面處觀察到對(duì)應(yīng)的裂紋缺陷。裂紋形貌為單側(cè)連續(xù)規(guī)律性“人字”裂紋，為常見(jiàn)拉拔缺陷，產(chǎn)生的原因?yàn)椴牧蠞M(mǎn)足不了加工工藝要求或者材料拉拔接觸表面潤(rùn)滑不良、模具有擦碰材料、道次壓縮率過(guò)高、拉拔角度偏斜的情況等[4]。值得注意的是盤(pán)條在拉拔過(guò)程中，模具局部潤(rùn)滑不良、擦碰、拉拔角度偏斜等問(wèn)題均易造成材料表面產(chǎn)生律性“人字”裂紋。隨著拉拔的進(jìn)行，表面裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終發(fā)展成斜茬斷口。

4 分析與討論

下游用戶(hù)在使用高強(qiáng)度焊絲時(shí)，根據(jù)盤(pán)條的表面質(zhì)量狀況和抗拉強(qiáng)度，選擇合適的退火處理工藝和拉拔加工工藝。70 kg級(jí)焊絲用盤(pán)條在生產(chǎn)控制中，由于合金對(duì)組織轉(zhuǎn)變的影響，在緩慢冷卻條件下也會(huì)生成硬相的貝氏體或馬奧島組織，且心部的硬相組織含量更多。在不退火處理拉拔過(guò)程中，易變形的基體組織在硬相組織周?chē)苄粤鲃?dòng)時(shí)，產(chǎn)生較大的張力，使基體與硬相組織界面的連接斷裂或者脆硬組織自身斷裂形成顯微裂紋。隨著拉拔的進(jìn)行，盤(pán)條心部大量的顯微裂紋在拉應(yīng)力的作用下，不斷聚集、長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致心部首先發(fā)生斷裂，產(chǎn)生杯錐狀斷絲。70 kg級(jí)焊絲用盤(pán)條在拉拔過(guò)程中，盤(pán)條的抗拉強(qiáng)度高、變形抗力大，拉拔較難于進(jìn)行。這就對(duì)拉拔模具及潤(rùn)滑條件等的要求更加苛刻。高強(qiáng)度焊絲用盤(pán)條在拉拔過(guò)程中，因模具局部潤(rùn)滑不良、擦碰、角度等問(wèn)題造成表面產(chǎn)生裂紋時(shí)，裂紋隨著拉拔會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展斷絲，造成斜茬狀斷絲。

盤(pán)條在拉拔加工過(guò)程中，生產(chǎn)工藝不合理也會(huì)造成斷裂，如拉拔力、拉拔速度、拉絲模角度和壓縮率等參數(shù)選擇不當(dāng)。因此，拉拔工藝的制定應(yīng)充分考慮各種工藝參數(shù)的合理配置[5]。

對(duì)高強(qiáng)焊絲因硬相組織造成的杯錐狀斷口，建議退火處理后再進(jìn)行拉拔使用。如不進(jìn)行退火處理加工，建議用戶(hù)采用增加相應(yīng)的拉拔道次和降低拉拔速度來(lái)減小道次變形量或變形速率。同時(shí)，通過(guò)在高強(qiáng)盤(pán)條生產(chǎn)軋制時(shí)對(duì)其進(jìn)行控制冷卻，避免或減少硬相組織、減少同圈抗拉強(qiáng)度差值等，提高焊絲產(chǎn)品的可加工性能。通過(guò)相應(yīng)的生產(chǎn)試驗(yàn)和用戶(hù)工藝的完善，降低了裂紋出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，減少了高強(qiáng)焊絲生產(chǎn)斷絲率。

5 結(jié)語(yǔ)

70 kg級(jí)高強(qiáng)度合金焊絲用盤(pán)條在不退火處理下使用出現(xiàn)斷絲，主要有杯錐狀斷絲和斜茬狀斷絲。針對(duì)杯錐狀斷絲，建議增加拉拔道次、降低拉拔速度等手段來(lái)減少斷絲發(fā)生率。改善潤(rùn)滑條件，避免出現(xiàn)斜茬狀斷絲。