焊絲層繞斷裂分析與改進

董孟憲，劉玉愛，孫衍國

(山東廣富集團有限公司，山東 濱州 256217）

某公司生產的ER50-6焊絲，在大盤層繞為成品小盤過程中，在小盤上突然崩斷數節，兩側焊絲甩出，極易擊傷作業人員。發生工傷事故誰來擔責？未用盤條和已生產焊絲能否繼續使用？問題的嚴重性和緊迫性都很強。本文僅從技術層面予以分析。

焊絲斷口呈“筆尖狀”，斷面發黑，僅外圓區可見新鮮斷面，應為酸洗前裂紋已透至表面，浸入酸液、堿液所致。斷口鄰近區段約400mm范圍內，用手彎折即斷，見圖1。

其基本生產工藝為：φ5.5mm盤條開卷—機械脫鱗—酸洗硼化—粗拉拔—精拉拔—酸洗、堿洗—鍍銅—大盤卷繞—小盤層繞—檢驗包裝—入庫。

圖1 焊絲的斷口形貌

1 化學成分分析

斷絲的主成分用濕法分析，與同批次的熔煉成分（直讀光譜分析，簡稱成分）相近，見表1。

表1 焊絲的化學成分Wt（%）

（續表1）

化學成分合格。

2 金相分析

2.1 斷裂焊絲分析

筆尖狀斷口的匹配斷面（見圖1左）底部有見底與不見底（孔洞）兩種形式。縱截面上二者的非金屬夾雜物含量均較低，見底斷口樣的中心區帶分散孔隙較少，兩邊有呈周期性分布的錐形裂面，而不見底樣的心部有密集分布的孔隙，底部區孔隙發達，約呈雙45°方向裂開。在其鄰近的孔隙帶上，也有斜45°方向、串起孔隙的微裂紋，見圖2、圖3。

圖2 焊絲不同的斷裂形貌

圖3 φ1.2mm焊絲孔隙帶中的裂紋

在ER50-6盤條中，孔隙是不存在的。160mm方坯熱軋成φ5.5mm盤條，總的軋制比達1078，任何結晶過程中產生的疏松性“空隙”均能夠被軋合；鋼液精煉中保證充分地脫氧，強化造白渣操作，鋼液氧含量均控制在20ppm～35ppm；冶金原輔料、保護渣、大包、中包等正常烘烤到位，基本不會出現氧氣泡和氫氣泡的情況，而且也不應出現在心部。這種孔隙只能在冷態拉拔中產生。

腐蝕后的金相組織均為變形態的鐵素體+索氏體（黑色）+塊狀馬氏體（淺黃色）。

拉拔中，作為主體相的鐵素體被劇烈拉長，尺寸細小的索氏體離解成帶狀鐵素體及其上碎斷、彌散分布的滲碳體，這正是軋后控冷所期望達到的效果，而包裹于索氏體區域的馬氏體相性硬而脆，要么碎裂沿變形方向分布，要么成為大的“孤島”，二者均會阻礙、割裂軟相流變，原結合區逐漸解離形成“孔隙”。見圖4、圖5。

兩種斷口的差異在于馬氏體的塊度與孔隙的大小及其集中程度。

宏觀而言，拉伸軸向的45°方向面是最大剪應力面，抗剪切強度低，孔隙的存在促進在該方向上的裂紋形成和擴展連接，進而造成“筆尖”狀破壞。

圖4 焊絲錐形開裂的組織

圖5 硬相區的孔隙形貌

關于硬相組織的定性問題，有的論文定性為馬氏體[1]，而有的論文則定性為貝氏體[2]。如何定性，要看具體的金相特征。圖6為ER50-6鋼的“CCT”轉變曲線，較快冷速的盤條則可能落入B或B+M組織區域。粒狀貝氏體為條、塊狀的鐵素體內分布著眾多小島狀的復相組織，組織黑白分明；而馬氏體相在微區內板束特征不明顯，為黃色相。在拉拔中B中的復相小島趨于鏈狀聚集，變形性能遠優于M。

圖6 ER50-6鋼的動態CCT曲線

2.2 同批次盤條檢驗

取同批ER50-6盤條檢驗，組織致密，未見孔隙，金相組織為：鐵素體+索氏體+少量塊狀馬氏體，見圖7。在拉拔中，隨著直徑的減小和前兩相的伸長變形，馬氏體相呈現逐步顯露和集中的趨勢。

圖7 同批盤條的組織

3 分析討論

ER50-6盤條具有優良的拉拔性能，行業內不少廠家生產的盤條可拔細至φ0.80mm而不斷裂，這種斷裂肯定有其工藝、技術方面的原因。

對于焊絲層繞斷裂的問題，在大盤焊絲（注：直徑為φ370mm～φ620mm）轉換為小盤焊絲（注：直徑為φ140mm～φ270mm）過程中增加了彎曲角度和彎曲應力，層繞僅起到了誘發作用，把前道工序的裂紋進一步擴展、延伸至表面，導致最后崩斷。

在拉拔變形中，φ5.5mm盤條逐步減細至φ1.2mm，總的變形量較大，但拉拔道次多，粗拉和精拉各經過6道次，粗、精拉的最大減徑量分別為φ0.70mm和φ0.27mm，依次遞減，精拉的末道次減徑量僅為φ0.10mm。一方面，材料的冷變形、硬化在不斷累積，另一方面，在連續的拉拔中，裸線經過冷拔模因摩擦熱和變形熱的作用，使裸線溫度在300℃左右循環，相當于去應力退火的回復、消解過程也在不斷進行，在某種程度上保證了拔細作業的持續進行。

ER50-6焊絲基于滿足拔細性能以及后續焊接中熔池脫氧冶金、保證焊縫強度等要求，化學成分按低碳、高硅、高錳進行設計，同時考慮生產的波動和不同組分配比而劃定了一定的變化范圍。本例中碳、錳、硅均取中限，強化了奧氏體的穩定性，提高了鋼的淬透性，使其“CCT”轉變曲線向右、下方移動（參見圖6），生產中需要接近等溫的方式冷卻，避開B或B+M轉變區。在保溫罩總長度一定的情況下，需要適當降低吐絲溫度（稍高于相變點）、降低輸送輥道速度，在保溫罩內完成組織轉變。同時，采用輥道幾次突然加速、抖開搭接點的高溫區帶，保證盤條的通條性。

在實際控制中，工藝要求按照參照YB/T169-2014[3]的方法控制索氏體含量，圖6中珠光體區帶十分窄狹、靠右，再細分珠光體、索氏體、屈氏體區已十分困難，而且規格僅φ5.5mm，控制不當極易落入B或M區，而該組織遠比索氏體危害大。即使產生珠光體，其片層也不可能充分發育，在高度拉拔中滲碳體薄片也可以碎化，這種控制不但無益徒增困擾，試驗出來的工藝適用范圍窄，經不起環境溫度、初軋溫度、水溫、水壓等方面的變化。應用上，控制硬化相的量實際效果更好。

據查，發生脆斷盤條的生產日期為1月份，時至寒冬，部分批次又為降雪的夜間生產。環境的變化需要及時調整生產參數，如適當提高吐絲溫度、改變控冷條件等來保證組織、性能。

通過前述分析，提出針對性地改進措施，通過生產試驗，達到了理想效果，類似問題不再發生。