稀土Ce在埋弧焊焊縫金屬中的作用研究

謝國峰

（武漢職業技術學院機電學院，湖北 武漢 430074）

海洋平臺是一種大型，復雜的海上焊接結構，它結構應力和拘束度都很大，并長期工作在條件惡劣的海洋環境中。為了保證平臺結構使用的安全可靠，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局《海上固定平臺入級與建造規范》的要求的E36鋼。

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

1 實驗過程

1.1 埋弧焊

埋弧焊固有的焊接質量穩定、焊接生產率高、無弧光及煙塵很少等優點，是目前工業生產中最常用的一種自動電弧焊方法，廣泛應用于造船，鍋爐，橋梁，化工容器，起重機械及冶金機械等制造業中。本實驗采用的是型號為MZ1000的埋弧自動焊機。

1.1.1 實驗用母材 試驗采用的鋼板是E36鋼，碳當量計算結果，CE小于等于0.46%（平臺規范），也小于0.45（IIW），說明E36的可焊性良好。

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

1.1.3 實驗用焊劑 埋弧焊劑按制造方法可分為熔煉焊劑、燒結焊劑和陶質焊，本實驗使用的焊劑是自主配置的燒結焊劑。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象列表如表1所示。綜合分析，選定4號為基礎焊劑加入稀土繼續實驗。

1.1.4 實驗中焊接工藝參數

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

1.2 金像實驗

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系，所以焊接金相要還要照顧到焊接接頭的特點，焊接工藝特點來制取。

表1 基本焊劑的各種成分的百分比（%）和現象

表3 沖擊實驗數據記錄

1.3 焊縫金屬的力學性能實驗

本實驗中通過對研究焊縫的沖擊性能，進而確定稀土鈰的加入對焊縫強度的影響。我們采用的是夏比（V型缺口）沖擊實驗，按GB/T 2975的規定執行，試樣個數為3，V型缺口均是開在距離焊縫表面2mm處的焊縫位置。查閱有關資料，該實驗最好是在-20°和-40°分別沖擊，考慮到實驗成本的要求， 本次實驗采用的是最大沖擊能量是300J和150J型號為JXB-300的擺錘式沖擊試驗機在25°常溫下沖擊。過程主要分為三步，即：取板；推銷；沖擊。按國家標準GB2649 -89要求截取焊接接頭沖擊試樣，按國家標準GB2650 -89金屬夏比（V形缺口）沖擊試驗方法，進行沖擊試驗。

1.3.1 實驗數據記錄如表3所示

添加2%和4%稀土焊縫的沖擊數據記錄入表3所示。

2 實驗結果分析

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出現大量的細小均勻的針狀鐵素體，針狀鐵素體的含量增大，晶粒細小化，焊縫金屬組織逐步得到細化，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%時的焊縫金屬組織，含量2%的晶粒更為細小，而且共析鐵素體的含量相對更低，對提高焊縫的力學性能更為有益。

2.2 稀土對金屬夾雜物成分的影響

實驗表明，未加稀土的焊縫金屬中主要是硅酸鹽夾雜和FeS-MnS夾雜，且夾雜物數量較多、顆粒較大、形狀不規則、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量減少，夾雜物的尺寸減小，由不規則的形狀變為細小的點球狀。呈彌散分布。結論就是稀土能有效的保護Ti的過渡，從而對焊縫金屬顯微組織產生明顯影響，加入稀土含量達到一定數值時，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%附近沖擊功出現最大值，沖擊韌性最佳。也就是說，當稀土的加入量達到最佳點以前，隨著稀土加入量的增加，沖擊功隨之增加，沖擊性能提高，但是當加入量到達最佳值以后，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候，才會對沖擊性能有最佳的改善效果。

結論

（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化焊縫微觀組織，降低熔敷金屬中擴散氫的含量，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、大小和分布，較大尺寸的夾雜物的密度變小，體積百分數減少，平均直徑減小，平均間距變大.但當焊縫中稀土元素加入量過多時，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之間的夾雜物數量，即增加了誘發針狀鐵素體形核的夾雜物數量，抑制了先共析鐵素體的形成，增加了針狀鐵素體的數量，使焊縫金屬組織得到細化，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].焊接學報，1986，7（02）:55-62.

[2]中華人民共和國船舶檢驗局.海上固定平臺人級與建造規范[S].