ER70S-6焊絲彎折脆斷原因

田 偉, 王 興, 雷 洋, 李 娜, 林生秀

(陜鋼集團產業創新研究院有限公司, 漢中 723000)

ER70S-6是國外常用的CO2氣體保護焊絲牌號,相當于國內生產的ER50-6焊絲[1],由于該焊絲化學成分中的碳元素含量較低,Mn、Si元素含量較高,故在焊接時ER70S-6焊絲具有較好的電弧穩定性和焊縫強度,在國內外得到普遍應用[2-3]。

在對某鋼廠生產的ER70S-6鍍銅焊絲進行冷拉成形后,焊絲容易在彎折試驗時發生脆斷。該焊絲用鋼下游的生產工藝為機械磨光→粗拉→細拉→鍍銅。筆者采用一系列理化檢驗方法分析鍍銅焊絲彎折脆斷的原因,為ER70S-6焊絲的生產優化提供了方向。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

彎折脆斷焊絲的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:鍍銅和未鍍銅焊絲的斷口都呈筆尖狀,焊絲在彎折時未發生塑性變形而直接斷裂,說明材料的塑性較差[4]。

圖1 彎折脆斷焊絲的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

取經拉拔成形的鍍銅和未鍍銅焊絲,使用砂紙對鍍銅焊絲進行預處理,采用直讀光譜儀對焊絲的化學成分進行分析[5-6]。彎折脆斷焊絲的化學成分分析結果如表1所示。由表1可知:該彎折脆斷焊絲的化學成分符合GB/T 3429—2015 《焊接用鋼盤條》的要求。

表1 彎折脆斷焊絲的化學成分分析結果 %

1.3 金相檢驗

在鍍銅和未鍍銅彎折脆斷焊絲的斷口上縱向截取試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖2所示。由圖2可知:在斷口附近均無非金屬夾雜物聚集,并且整個截面分布的非金屬夾雜物都較少,根據GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》測得脆斷焊絲中非金屬夾雜物的級別,結果如表2所示。由表2可知:在沿變形方向的中心區域均存在細小孔洞和V形裂紋,其中鍍銅焊絲中V形裂紋比較密集。腐蝕后焊絲基體呈纖維狀F(鐵素體)+P(珠光體),并分布有大量難變形的淡黃色馬氏體與貝氏體復合組織(M-B)[7-8],斷口和V形裂紋附近的顯微組織均與圖2相同。

表2 彎折脆斷焊絲中非金屬夾雜物級別 級

圖2 彎折脆斷焊絲的微觀形貌

對彎折正常焊絲試樣的縱向截面進行腐蝕,再將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知:彎折正常焊絲的顯微組織為F+P,沿拉拔方向呈纖維狀分布,未發現異常組織。淡黃色的M-B非平衡組織是影響焊絲彎折脆斷的主要因素,加上冷變形過程中加工硬化的累積,造成焊絲發生彎折脆斷。

圖3 彎折正常焊絲的顯微組織形貌

1.4 不同熱處理工藝焊絲的顯微組織

采用JMatPro軟件計算出ER70S-6焊絲平衡狀態的組織轉變曲線(見圖4),得出材料的奧氏體化平衡轉變溫度點A3=875 ℃,共析平衡轉變溫度點A1=700 ℃。在ER70S-6熱軋盤條上截取5.5 mm×20 mm(直徑×長度)試樣,用箱式電阻爐對試樣進行熱處理,熱處理工藝曲線如圖5所示。

圖4 ER70S-6焊絲平衡狀態組織轉變曲線

圖5 熱軋態ER70S-6焊絲不同熱處理工藝曲線

ER70S-6鍍銅氣保焊絲一般為冷拉成形,再通過硫酸銅水溶液對其進行電解鍍銅,整個過程不存在為相變提供的熱力學條件。為進一步明確焊絲的M-B非平衡組織產生的環節,在熱軋態ER70S-6焊絲用鋼盤條上截取試樣,加熱溫度為900 ℃,保溫8 min,然后分別采取水冷、空冷和爐冷至350 ℃后空冷3種方式進行冷卻,以模擬ER70S-6焊絲用鋼精軋的控冷環節。不同熱處理后試樣的顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知:在900 ℃×8 min條件下,以不同冷卻方式對試樣進行熱處理,得到試樣的顯微組織分別為M+Ar(殘余奧氏體),F+P+M-B,F+P,即在空冷狀態下便可以產生淡黃色的M-B非平衡組織,說明ER70S-6焊絲中的淡黃色M-B非平衡組織是由精軋后控冷工藝不符合條件所致。

圖6 不同熱處理后試樣的顯微組織形貌

2 改進措施

ER70S-6焊絲用鋼盤條的生產工藝流程為:轉爐+LF(鋼包精煉爐)精煉+連鑄+熱軋。在軋制時采用控軋控冷工藝,加熱溫度為1 200 ℃,將開軋溫度控制為1 020 ℃,精軋溫度控制為900 ℃,進保溫罩溫度為820 ℃,輥道速率為0.1～0.3 m/s,出保溫罩溫度為540～660 ℃[9]。由于該材料的A1為700 ℃,在輥速一定的前提下,在溫度不大于660 ℃時,盤條接點面積較大的地方容易出現實際溫度在A1線附近,使得空冷狀態下極易生成M-B組織,則應該保證出罩溫度不大于600 ℃。

3 結論

(1) ER70S-6焊絲彎折脆斷的主要原因是材料中存在淡黃色的M-B非平衡組織,加上冷變形過程中加工硬化的累積,導致彎折脆斷的發生。

(2) 淡黃色M-B非平衡組織是由ER70S-6焊絲用鋼盤條在精軋后控冷工藝不符合條件產生的。

(3) 在試樣進入保溫罩進行緩冷時,在保溫罩內盤條溫度冷卻到A1點(700 ℃)條件下,通過控制調節部分風機開口率可以提升過冷度,減小珠光體片層間距,并保證出罩溫度不大于600 ℃,從而提高材料的塑性,并防止產生M-B組織。