稀土Ce在埋弧焊焊缝金属中的作用研究

谢国峰

（武汉职业技术学院机电学院，湖北 武汉 430074）

海洋平台是一种大型，复杂的海上焊接结构，它结构应力和拘束度都很大，并长期工作在条件恶劣的海洋环境中。为了保证平台结构使用的安全可靠，对钢材及其焊接接头都提出了较高的要求。本次试验采用的是在焊接性能、焊接材料和焊接工艺等方面均能满足中华人民共和国船舶检验局《海上固定平台入级与建造规范》的要求的E36钢。

埋弧焊作为一个重要的焊接方法一直在制造业中占有重要地位，研究和探讨以稀土元素作为添加剂时对焊缝金属机械性能的影响及其在焊接冶金中的过渡机理及规律，无论从经济效益上还是从焊接冶金理论上看，都具有重要意义。

1 实验过程

1.1 埋弧焊

埋弧焊固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，是目前工业生产中最常用的一种自动电弧焊方法，广泛应用于造船，锅炉，桥梁，化工容器，起重机械及冶金机械等制造业中。本实验采用的是型号为MZ1000的埋弧自动焊机。

1.1.1 实验用母材 试验采用的钢板是E36钢，碳当量计算结果，CE小于等于0.46%（平台规范），也小于0.45（IIW），说明E36的可焊性良好。

1.1.2 实验用焊丝 埋弧焊时焊丝和焊剂都直接参加焊接过程中的冶金反应，因此它们的化学成分和物理性能对焊缝金属的化学成分，组织和性能都有重要影响。正确选用焊丝和焊剂的配合，是埋弧焊技术的一项重要内容。本次试验采用的是直径为4.0mm的表面镀铜的H08MnA焊丝。

1.1.3 实验用焊剂 埋弧焊剂按制造方法可分为熔炼焊剂、烧结焊剂和陶质焊，本实验使用的焊剂是自主配置的烧结焊剂。在基本焊剂里加入不同含量的稀土铈，分别添加2%和4%。先是配比了4组焊剂分别焊接，观察焊缝选出最好的一组再添加稀土。这四组基本焊剂及焊接现象列表如表1所示。综合分析，选定4号为基础焊剂加入稀土继续实验。

1.1.4 实验中焊接工艺参数

埋弧焊中的焊接工艺参数主要有焊接电流，电弧电压和焊接速度等。由于本实验的焊接线能量较大，为防止第一道焊缝焊穿，本实验先用二氧化碳气体保护焊堆焊了一层打底，在接着后面的焊接，打底使用的焊机是脉冲MAG/MIG气体保护焊机NBM-5000（A11-500P）。

1.2 金像实验

焊接金相的研究，主要是是通过解剖试样直接在金相显微镜下进行观察，分析，或通过物理方法的测试检查。焊接金相的研究，有它自身的特殊性，由于焊接热过程复杂，是焊接金相的研究比一般金相更为困难。焊接金相的分析目的是要研究焊接工艺和金相组织的关系，所以焊接金相要还要照顾到焊接接头的特点，焊接工艺特点来制取。

表1 基本焊剂的各种成分的百分比（%）和现象

表3 冲击实验数据记录

1.3 焊缝金属的力学性能实验

本实验中通过对研究焊缝的冲击性能，进而确定稀土铈的加入对焊缝强度的影响。我们采用的是夏比（V型缺口）冲击实验，按GB/T 2975的规定执行，试样个数为3，V型缺口均是开在距离焊缝表面2mm处的焊缝位置。查阅有关资料，该实验最好是在-20°和-40°分别冲击，考虑到实验成本的要求， 本次实验采用的是最大冲击能量是300J和150J型号为JXB-300的摆锤式冲击试验机在25°常温下冲击。过程主要分为三步，即：取板；推销；冲击。按国家标准GB2649 -89要求截取焊接接头冲击试样，按国家标准GB2650 -89金属夏比（V形缺口）冲击试验方法，进行冲击试验。

1.3.1 实验数据记录如表3所示

添加2%和4%稀土焊缝的冲击数据记录入表3所示。

2 实验结果分析

2.1 稀土对焊缝金属显微组织的影响

不同含量铈（分别是0%，2%和4%，）的试样的焊缝金属组织在晶粒大小和组织构成比例上有明显的不同。对比未加稀土铈的和加了稀土铈的焊缝金属组织，可知，焊缝金属中稀土铈的添加明显使晶内出现大量的细小均匀的针状铁素体，针状铁素体的含量增大，晶粒细小化，焊缝金属组织逐步得到细化，从而显著改善焊缝金属的微观组织；对比稀土铈含量从2%增加到4%时的焊缝金属组织，含量2%的晶粒更为细小，而且共析铁素体的含量相对更低，对提高焊缝的力学性能更为有益。

2.2 稀土对金属夹杂物成分的影响

实验表明，未加稀土的焊缝金属中主要是硅酸盐夹杂和FeS-MnS夹杂，且夹杂物数量较多、颗粒较大、形状不规则、分布不均匀。加入稀土后，焊缝金属中的夹杂物为ReAlO3、稀土硫化物和稀土硫氧化物。稀土的加入使焊缝金属夹杂物的数量减少，夹杂物的尺寸减小，由不规则的形状变为细小的点球状。呈弥散分布。结论就是稀土能有效的保护Ti的过渡，从而对焊缝金属显微组织产生明显影响，加入稀土含量达到一定数值时，才有明显的净化效果，之后，再怎么增加稀土含量，也不再起作用，所以，必须控制好加入稀土的量，可以使稀土过渡并起到净化作用。否则，可能不会起到作用甚至于会污染焊缝，得不偿失。

2.3 稀土对焊缝力学性能的影响

研究表明，稀土铈的加入量在2%附近冲击功出现最大值，冲击韧性最佳。也就是说，当稀土的加入量达到最佳点以前，随着稀土加入量的增加，冲击功随之增加，冲击性能提高，但是当加入量到达最佳值以后，随着稀土量的增加，冲击功降低，冲击韧性变差。这说明稀土对焊缝的冲击韧性的改善存在一个适度的问题，加入的量过多或者过少，都会影响到稀土对冲击性能的提高。只有添加的稀土最适量的时候，才会对冲击性能有最佳的改善效果。

结论

（1）稀土作为添加剂，可以将稀土元素过渡到焊缝中去，过渡到焊缝金属中的稀土元素可以有效细化焊缝微观组织，降低熔敷金属中扩散氢的含量，降低硫的含量。

（2）在焊缝金属中加入适量的稀土元素，可以明显改善焊缝夹杂物的形态、大小和分布，较大尺寸的夹杂物的密度变小，体积百分数减少，平均直径减小，平均间距变大.但当焊缝中稀土元素加入量过多时，会污染焊缝晶界，使之失去抑制晶界先共析铁素体的作用，反而会降低了焊缝金属的低温冲击韧性。即稀土氧化物的添加量有一个最佳值，少于或多于此最佳值，稀土氧化物的有效作用都变差。

（3）在焊缝金属中加入适量的稀土元素，稀土元素富集在Ti-Mn硅酸盐中使夹杂物球化增加了尺寸介于0.2～0.8μm之间的夹杂物数量，即增加了诱发针状铁素体形核的夹杂物数量，抑制了先共析铁素体的形成，增加了针状铁素体的数量，使焊缝金属组织得到细化，焊缝金属的低温冲击韧性大大地提高。

[1]王世亮，等.采用重稀土改善焊缝韧性的研究[J].焊接学报，1986，7（02）:55-62.

[2]中华人民共和国船舶检验局.海上固定平台人级与建造规范[S].