稀土Ce在埋弧焊焊縫金屬中的作用研究

謝國峰

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430074）

海洋平臺是一種大型，復(fù)雜的海上焊接結(jié)構(gòu)，它結(jié)構(gòu)應(yīng)力和拘束度都很大，并長期工作在條件惡劣的海洋環(huán)境中。為了保證平臺結(jié)構(gòu)使用的安全可靠，對鋼材及其焊接接頭都提出了較高的要求。本次試驗(yàn)采用的是在焊接性能、焊接材料和焊接工藝等方面均能滿足中華人民共和國船舶檢驗(yàn)局《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》的要求的E36鋼。

埋弧焊作為一個(gè)重要的焊接方法一直在制造業(yè)中占有重要地位，研究和探討以稀土元素作為添加劑時(shí)對焊縫金屬機(jī)械性能的影響及其在焊接冶金中的過渡機(jī)理及規(guī)律，無論從經(jīng)濟(jì)效益上還是從焊接冶金理論上看，都具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 埋弧焊

埋弧焊固有的焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)率高、無弧光及煙塵很少等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種自動(dòng)電弧焊方法，廣泛應(yīng)用于造船，鍋爐，橋梁，化工容器，起重機(jī)械及冶金機(jī)械等制造業(yè)中。本實(shí)驗(yàn)采用的是型號為MZ1000的埋弧自動(dòng)焊機(jī)。

1.1.1 實(shí)驗(yàn)用母材 試驗(yàn)采用的鋼板是E36鋼，碳當(dāng)量計(jì)算結(jié)果，CE小于等于0.46%（平臺規(guī)范），也小于0.45（IIW），說明E36的可焊性良好。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)用焊絲 埋弧焊時(shí)焊絲和焊劑都直接參加焊接過程中的冶金反應(yīng)，因此它們的化學(xué)成分和物理性能對焊縫金屬的化學(xué)成分，組織和性能都有重要影響。正確選用焊絲和焊劑的配合，是埋弧焊技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本次試驗(yàn)采用的是直徑為4.0mm的表面鍍銅的H08MnA焊絲。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)用焊劑 埋弧焊劑按制造方法可分為熔煉焊劑、燒結(jié)焊劑和陶質(zhì)焊，本實(shí)驗(yàn)使用的焊劑是自主配置的燒結(jié)焊劑。在基本焊劑里加入不同含量的稀土鈰，分別添加2%和4%。先是配比了4組焊劑分別焊接，觀察焊縫選出最好的一組再添加稀土。這四組基本焊劑及焊接現(xiàn)象列表如表1所示。綜合分析，選定4號為基礎(chǔ)焊劑加入稀土繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.1.4 實(shí)驗(yàn)中焊接工藝參數(shù)

埋弧焊中的焊接工藝參數(shù)主要有焊接電流，電弧電壓和焊接速度等。由于本實(shí)驗(yàn)的焊接線能量較大，為防止第一道焊縫焊穿，本實(shí)驗(yàn)先用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊堆焊了一層打底，在接著后面的焊接，打底使用的焊機(jī)是脈沖MAG/MIG氣體保護(hù)焊機(jī)NBM-5000（A11-500P）。

1.2 金像實(shí)驗(yàn)

焊接金相的研究，主要是是通過解剖試樣直接在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，分析，或通過物理方法的測試檢查。焊接金相的研究，有它自身的特殊性，由于焊接熱過程復(fù)雜，是焊接金相的研究比一般金相更為困難。焊接金相的分析目的是要研究焊接工藝和金相組織的關(guān)系，所以焊接金相要還要照顧到焊接接頭的特點(diǎn)，焊接工藝特點(diǎn)來制取。

表1 基本焊劑的各種成分的百分比（%）和現(xiàn)象

表3 沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

1.3 焊縫金屬的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中通過對研究焊縫的沖擊性能，進(jìn)而確定稀土鈰的加入對焊縫強(qiáng)度的影響。我們采用的是夏比（V型缺口）沖擊實(shí)驗(yàn)，按GB/T 2975的規(guī)定執(zhí)行，試樣個(gè)數(shù)為3，V型缺口均是開在距離焊縫表面2mm處的焊縫位置。查閱有關(guān)資料，該實(shí)驗(yàn)最好是在-20°和-40°分別沖擊，考慮到實(shí)驗(yàn)成本的要求， 本次實(shí)驗(yàn)采用的是最大沖擊能量是300J和150J型號為JXB-300的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)在25°常溫下沖擊。過程主要分為三步，即：取板；推銷；沖擊。按國家標(biāo)準(zhǔn)GB2649 -89要求截取焊接接頭沖擊試樣，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB2650 -89金屬夏比（V形缺口）沖擊試驗(yàn)方法，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3所示

添加2%和4%稀土焊縫的沖擊數(shù)據(jù)記錄入表3所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 稀土對焊縫金屬顯微組織的影響

不同含量鈰（分別是0%，2%和4%，）的試樣的焊縫金屬組織在晶粒大小和組織構(gòu)成比例上有明顯的不同。對比未加稀土鈰的和加了稀土鈰的焊縫金屬組織，可知，焊縫金屬中稀土鈰的添加明顯使晶內(nèi)出現(xiàn)大量的細(xì)小均勻的針狀鐵素體，針狀鐵素體的含量增大，晶粒細(xì)小化，焊縫金屬組織逐步得到細(xì)化，從而顯著改善焊縫金屬的微觀組織；對比稀土鈰含量從2%增加到4%時(shí)的焊縫金屬組織，含量2%的晶粒更為細(xì)小，而且共析鐵素體的含量相對更低，對提高焊縫的力學(xué)性能更為有益。

2.2 稀土對金屬夾雜物成分的影響

實(shí)驗(yàn)表明，未加稀土的焊縫金屬中主要是硅酸鹽夾雜和FeS-MnS夾雜，且夾雜物數(shù)量較多、顆粒較大、形狀不規(guī)則、分布不均勻。加入稀土后，焊縫金屬中的夾雜物為ReAlO3、稀土硫化物和稀土硫氧化物。稀土的加入使焊縫金屬夾雜物的數(shù)量減少，夾雜物的尺寸減小，由不規(guī)則的形狀變?yōu)榧?xì)小的點(diǎn)球狀。呈彌散分布。結(jié)論就是稀土能有效的保護(hù)Ti的過渡，從而對焊縫金屬顯微組織產(chǎn)生明顯影響，加入稀土含量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，才有明顯的凈化效果，之后，再怎么增加稀土含量，也不再起作用，所以，必須控制好加入稀土的量，可以使稀土過渡并起到凈化作用。否則，可能不會起到作用甚至于會污染焊縫，得不償失。

2.3 稀土對焊縫力學(xué)性能的影響

研究表明，稀土鈰的加入量在2%附近沖擊功出現(xiàn)最大值，沖擊韌性最佳。也就是說，當(dāng)稀土的加入量達(dá)到最佳點(diǎn)以前，隨著稀土加入量的增加，沖擊功隨之增加，沖擊性能提高，但是當(dāng)加入量到達(dá)最佳值以后，隨著稀土量的增加，沖擊功降低，沖擊韌性變差。這說明稀土對焊縫的沖擊韌性的改善存在一個(gè)適度的問題，加入的量過多或者過少，都會影響到稀土對沖擊性能的提高。只有添加的稀土最適量的時(shí)候，才會對沖擊性能有最佳的改善效果。

結(jié)論

（1）稀土作為添加劑，可以將稀土元素過渡到焊縫中去，過渡到焊縫金屬中的稀土元素可以有效細(xì)化焊縫微觀組織，降低熔敷金屬中擴(kuò)散氫的含量，降低硫的含量。

（2）在焊縫金屬中加入適量的稀土元素，可以明顯改善焊縫夾雜物的形態(tài)、大小和分布，較大尺寸的夾雜物的密度變小，體積百分?jǐn)?shù)減少，平均直徑減小，平均間距變大.但當(dāng)焊縫中稀土元素加入量過多時(shí)，會污染焊縫晶界，使之失去抑制晶界先共析鐵素體的作用，反而會降低了焊縫金屬的低溫沖擊韌性。即稀土氧化物的添加量有一個(gè)最佳值，少于或多于此最佳值，稀土氧化物的有效作用都變差。

（3）在焊縫金屬中加入適量的稀土元素，稀土元素富集在Ti-Mn硅酸鹽中使夾雜物球化增加了尺寸介于0.2～0.8μm之間的夾雜物數(shù)量，即增加了誘發(fā)針狀鐵素體形核的夾雜物數(shù)量，抑制了先共析鐵素體的形成，增加了針狀鐵素體的數(shù)量，使焊縫金屬組織得到細(xì)化，焊縫金屬的低溫沖擊韌性大大地提高。

[1]王世亮，等.采用重稀土改善焊縫韌性的研究[J].焊接學(xué)報(bào)，1986，7（02）:55-62.

[2]中華人民共和國船舶檢驗(yàn)局.海上固定平臺人級與建造規(guī)范[S].