焊丝层绕断裂分析与改进

董孟宪，刘玉爱，孙衍国

(山东广富集团有限公司，山东 滨州 256217）

某公司生产的ER50-6焊丝，在大盘层绕为成品小盘过程中，在小盘上突然崩断数节，两侧焊丝甩出，极易击伤作业人员。发生工伤事故谁来担责？未用盘条和已生产焊丝能否继续使用？问题的严重性和紧迫性都很强。本文仅从技术层面予以分析。

焊丝断口呈“笔尖状”，断面发黑，仅外圆区可见新鲜断面，应为酸洗前裂纹已透至表面，浸入酸液、碱液所致。断口邻近区段约400mm范围内，用手弯折即断，见图1。

其基本生产工艺为：φ5.5mm盘条开卷—机械脱鳞—酸洗硼化—粗拉拔—精拉拔—酸洗、碱洗—镀铜—大盘卷绕—小盘层绕—检验包装—入库。

图1 焊丝的断口形貌

1 化学成分分析

断丝的主成分用湿法分析，与同批次的熔炼成分（直读光谱分析，简称成分）相近，见表1。

表1 焊丝的化学成分Wt（%）

（续表1）

化学成分合格。

2 金相分析

2.1 断裂焊丝分析

笔尖状断口的匹配断面（见图1左）底部有见底与不见底（孔洞）两种形式。纵截面上二者的非金属夹杂物含量均较低，见底断口样的中心区带分散孔隙较少，两边有呈周期性分布的锥形裂面，而不见底样的心部有密集分布的孔隙，底部区孔隙发达，约呈双45°方向裂开。在其邻近的孔隙带上，也有斜45°方向、串起孔隙的微裂纹，见图2、图3。

图2 焊丝不同的断裂形貌

图3 φ1.2mm焊丝孔隙带中的裂纹

在ER50-6盘条中，孔隙是不存在的。160mm方坯热轧成φ5.5mm盘条，总的轧制比达1078，任何结晶过程中产生的疏松性“空隙”均能够被轧合；钢液精炼中保证充分地脱氧，强化造白渣操作，钢液氧含量均控制在20ppm～35ppm；冶金原辅料、保护渣、大包、中包等正常烘烤到位，基本不会出现氧气泡和氢气泡的情况，而且也不应出现在心部。这种孔隙只能在冷态拉拔中产生。

腐蚀后的金相组织均为变形态的铁素体+索氏体（黑色）+块状马氏体（浅黄色）。

拉拔中，作为主体相的铁素体被剧烈拉长，尺寸细小的索氏体离解成带状铁素体及其上碎断、弥散分布的渗碳体，这正是轧后控冷所期望达到的效果，而包裹于索氏体区域的马氏体相性硬而脆，要么碎裂沿变形方向分布，要么成为大的“孤岛”，二者均会阻碍、割裂软相流变，原结合区逐渐解离形成“孔隙”。见图4、图5。

两种断口的差异在于马氏体的块度与孔隙的大小及其集中程度。

宏观而言，拉伸轴向的45°方向面是最大剪应力面，抗剪切强度低，孔隙的存在促进在该方向上的裂纹形成和扩展连接，进而造成“笔尖”状破坏。

图4 焊丝锥形开裂的组织

图5 硬相区的孔隙形貌

关于硬相组织的定性问题，有的论文定性为马氏体[1]，而有的论文则定性为贝氏体[2]。如何定性，要看具体的金相特征。图6为ER50-6钢的“CCT”转变曲线，较快冷速的盘条则可能落入B或B+M组织区域。粒状贝氏体为条、块状的铁素体内分布着众多小岛状的复相组织，组织黑白分明；而马氏体相在微区内板束特征不明显，为黄色相。在拉拔中B中的复相小岛趋于链状聚集，变形性能远优于M。

图6 ER50-6钢的动态CCT曲线

2.2 同批次盘条检验

取同批ER50-6盘条检验，组织致密，未见孔隙，金相组织为：铁素体+索氏体+少量块状马氏体，见图7。在拉拔中，随着直径的减小和前两相的伸长变形，马氏体相呈现逐步显露和集中的趋势。

图7 同批盘条的组织

3 分析讨论

ER50-6盘条具有优良的拉拔性能，行业内不少厂家生产的盘条可拔细至φ0.80mm而不断裂，这种断裂肯定有其工艺、技术方面的原因。

对于焊丝层绕断裂的问题，在大盘焊丝（注：直径为φ370mm～φ620mm）转换为小盘焊丝（注：直径为φ140mm～φ270mm）过程中增加了弯曲角度和弯曲应力，层绕仅起到了诱发作用，把前道工序的裂纹进一步扩展、延伸至表面，导致最后崩断。

在拉拔变形中，φ5.5mm盘条逐步减细至φ1.2mm，总的变形量较大，但拉拔道次多，粗拉和精拉各经过6道次，粗、精拉的最大减径量分别为φ0.70mm和φ0.27mm，依次递减，精拉的末道次减径量仅为φ0.10mm。一方面，材料的冷变形、硬化在不断累积，另一方面，在连续的拉拔中，裸线经过冷拔模因摩擦热和变形热的作用，使裸线温度在300℃左右循环，相当于去应力退火的回复、消解过程也在不断进行，在某种程度上保证了拔细作业的持续进行。

ER50-6焊丝基于满足拔细性能以及后续焊接中熔池脱氧冶金、保证焊缝强度等要求，化学成分按低碳、高硅、高锰进行设计，同时考虑生产的波动和不同组分配比而划定了一定的变化范围。本例中碳、锰、硅均取中限，强化了奥氏体的稳定性，提高了钢的淬透性，使其“CCT”转变曲线向右、下方移动（参见图6），生产中需要接近等温的方式冷却，避开B或B+M转变区。在保温罩总长度一定的情况下，需要适当降低吐丝温度（稍高于相变点）、降低输送辊道速度，在保温罩内完成组织转变。同时，采用辊道几次突然加速、抖开搭接点的高温区带，保证盘条的通条性。

在实际控制中，工艺要求按照参照YB/T169-2014[3]的方法控制索氏体含量，图6中珠光体区带十分窄狭、靠右，再细分珠光体、索氏体、屈氏体区已十分困难，而且规格仅φ5.5mm，控制不当极易落入B或M区，而该组织远比索氏体危害大。即使产生珠光体，其片层也不可能充分发育，在高度拉拔中渗碳体薄片也可以碎化，这种控制不但无益徒增困扰，试验出来的工艺适用范围窄，经不起环境温度、初轧温度、水温、水压等方面的变化。应用上，控制硬化相的量实际效果更好。

据查，发生脆断盘条的生产日期为1月份，时至寒冬，部分批次又为降雪的夜间生产。环境的变化需要及时调整生产参数，如适当提高吐丝温度、改变控冷条件等来保证组织、性能。

通过前述分析，提出针对性地改进措施，通过生产试验，达到了理想效果，类似问题不再发生。