圖 1ER70S-6焊絲的生產工藝過程
氣體保護焊絲是最常用的焊絲產品之一,廣泛應用于石油化工、車船制造等領域。為了滿足工業產品的品質要求,要保證焊絲用盤條原料成分均勻、潔凈度好、對夾雜物控制嚴格,確保其優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,拉拔應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、質量高[1]。焊絲在拉拔及使用過程中會出現拉拔斷絲現象,給下游企業造成較大的經濟損失[2]。
某ER70S-6盤條產品的軋制工藝為：采用880℃以下預熱,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90min。經過高壓水除磷,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5.5mm。
該ER70S-6焊絲的生產工藝過程如圖1所示,在拉拔過程中,焊絲產品發生斷裂現象。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、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,結果可為生產工藝改進提供建議。
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 化學成分分析
采用直讀光譜儀對斷裂焊絲進行化學成分分析,結果如表1所示。結果表明：該ER70S-6焊絲的化學成分滿足ASME SFA-5.18《氣體保護焊用碳鋼焊絲和填充絲標準》的要求。
Table 1.ER70S-6焊絲的化學成分分析結果
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夾雜物,滿足產品需要。
Table 2.盤條夾雜物等級
用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將腐蝕后的試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖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,且繞著過渡態貝氏體周圍形成滯留形態；遠離斷口處組織為貝氏體+鐵素體,未發現明顯大尺寸夾雜。
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清洗、吹干后,放入掃描電鏡中觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：焊絲外表面未發現缺陷,斷口呈現尖凹狀形貌,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
焊絲的化學成分符合產品技術要求。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,在后續拉拔過程中,心部偏析會遺傳到下游產品中。
經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,材料只有經過高溫處理才會發生組織變化,而冷拉拔焊絲在拉絲前并未經過高溫處理,推斷焊絲在冷拉過程中存在材料升溫現象。
在拉拔力的作用下,盤條從拉絲模具孔中拉出,在模具應力的作用下,金屬與母孔發生塑性變形,原來大尺寸直徑的盤條原料在應力的作用下發生塑性變形,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,以防止金屬絲在連續變形過程中被拉斷,影響其穩定性。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。
金屬與模具之間發生摩擦時,如果拉速和應力參數調整不當,會由于摩擦力過大,金屬在變形過程中,其機械能轉換為內能,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生變化。原始盤條中的組織開始向奧氏體轉變,鐵素體和珠光體的奧氏體轉變速率有差異,珠光體轉變為奧氏體的速率增大幅度更大,盤條先進行奧氏體過程轉變,鐵素體還未完全轉變時,材料已經降溫,由于材料的尺寸很小,降溫速率較快,原來的珠光體區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貝氏體組織。在后續的繼續拉拔變形過程中,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,材料首先發生斷裂,而靠近外部位置較心部位置的變形滯后,導致最后斷裂面呈尖凹狀。
3. 結語及改進措施
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與材料本身的形變需求不匹配,導致摩擦力過大而內能急劇升高,材料內部組織發生變化；材料在變形過程中發生加工硬化,整體硬度增大,而心部為最薄弱位置,首先產生更多的斷裂源萌生點,在后續拉拔過程中,心部首先發生斷裂,最終導致焊絲斷裂。
可以采用優化連鑄工藝及對原材料進行高溫預處理等方法,緩解材料的心部偏析；建議調整和控制拉絲過程中的工藝參數,將加工應力和拉拔速率調整在閾值范圍內,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