大熱輸入埋弧焊含Ce焊縫金屬及其熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變行為研究.pdf

1、大熱輸入焊是一種重要的焊接方法，由于焊接線能量高，使得焊接熔池高溫停留時間長，焊縫的晶粒迅速長大，造成焊縫金屬的韌性大幅度降低，出現(xiàn)嚴(yán)重粗晶脆化現(xiàn)象，使得焊縫金屬的韌性不能滿足使用要求。在大熱輸入多層多道焊情況下，還會形成焊縫金屬粗晶熱影響區(qū)（Coarse Grain Heat Affected Zone；CGHAZ）。在焊縫金屬CGHAZ中，由于大熱輸入焊焊接熱循環(huán)的作用，導(dǎo)致奧氏體晶粒組織嚴(yán)重粗化，在隨后的冷卻過程中，焊縫金屬CGH

2、AZ內(nèi)粗大的奧氏體晶粒組織可能轉(zhuǎn)變成為塊狀鐵素體、粒狀貝氏體和M-A組元，導(dǎo)致焊縫金屬CGHAZ產(chǎn)生局部脆化，韌性大大降低。
　　使用了測溫設(shè)備研究了大熱輸入焊的焊接熱循環(huán)特征，得出結(jié)論：FCB法三絲埋弧焊熱作用并不是單絲焊熱作用的簡單疊加，根據(jù)焊接過程中形成熔池的情況，F(xiàn)CB法三絲埋弧焊熱影響區(qū)會經(jīng)歷單次熱循環(huán)或者多次熱循環(huán)且多次熱循環(huán)的峰值溫度不同。雙絲多層焊焊縫金屬會經(jīng)歷多次熱循環(huán)，其中焊縫金屬 CGHAZ熱循環(huán)升溫速度快，

3、峰值溫度高，對焊縫金屬組織性能帶來不利影響。
　　對焊接熔池內(nèi)可能存在的含 Ce夾雜物進(jìn)行了熱力學(xué)分析計算，在焊接熔池中，當(dāng)a[O]/a[S]<0.213時，Ce2O3反應(yīng)生成Ce2O2S，否則Ce2O3穩(wěn)定存在；當(dāng)a[S]<0.0055并且a[O]/a[S]<1.92×10-5時，可以生成CeS；當(dāng)0.00550.105并且a[O

4、]/a[S]<1.59×10-4時，可以生成Ce2S3。當(dāng)a[Ce]/a[Al]>0.08時，Ce能與Al2O3反應(yīng)生成CeAlO3。
　　使用三絲FCB法埋弧自動焊得到了不同Ce含量的焊縫金屬，分析和討論了Ce對焊縫金屬的夾雜物及組織與性能的影響，結(jié)果表明：CeO2在焊接電弧作用下，發(fā)生分解、電離同時釋放出氧，增加焊縫金屬中的氧含量，降低C、Si、Mn的含量。過渡到焊縫金屬中的Ce使焊縫金屬直徑小于1.0μm的夾雜物比例明顯增加

5、，夾雜物的直徑減小。焊縫金屬中的夾雜物轉(zhuǎn)變成Al2O3、MnO、SiO2、TiO、Ce2S3、CeS、Ce2O2S、Ce2O3的復(fù)合物。針狀鐵素體優(yōu)先在奧氏體晶內(nèi)Ce的氧硫夾雜物上形核，抑制焊縫金屬先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素的形成，促進(jìn)針狀鐵素體的形成，提高焊縫金屬中針狀鐵素體比例，減少共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體。當(dāng)焊縫金屬中的Ce為0.038％時，焊縫中的針狀鐵素體達(dá)76.7%以上。稀土Ce細(xì)化了焊縫金屬晶粒，提高了焊縫金屬中針狀鐵素體的

6、比例，因而提高了FCB埋弧焊焊縫金屬的韌性。含稀土Ce的大熱輸入焊縫金屬中針狀鐵素體的形成機(jī)理是夾雜物中的Ce2O3、CeS、Ce2O2S和Ce3S4與α-Fe的錯配度小，針狀鐵素體在夾雜物上形核造成的畸變能較小，Ce2O3、CeS、Ce2O2S和Ce3S4能誘導(dǎo)出大量的針狀鐵素體。
　　研究了焊縫金屬CGHAZ中的夾雜物和組織，并對焊縫金屬進(jìn)行了熱模擬試驗(yàn)，探討了Ce對雙絲自動埋弧焊焊縫金屬CGHAZ內(nèi)夾雜物和組織的影響，結(jié)果表

7、明：大熱輸入雙絲焊含 Ce焊縫金屬內(nèi)夾雜物的主要類型為 Al2O3、MnO、SiO2、TiO、Ce2S3、CeS、Ce2O2S、Ce2O3等，在焊接熱循環(huán)的作用下，夾雜物表面的Ce的氧硫化物會發(fā)生局部溶解或分解，但在冷卻過程中發(fā)生擴(kuò)散的合金元素重新向夾雜物聚集，因此，焊縫金屬 CGHAZ內(nèi)的夾雜物成分和類型并沒有發(fā)生變化。熱循環(huán)結(jié)束后，夾雜物會發(fā)生輕微的粗化，但這種粗化行為并不會阻礙夾雜物誘導(dǎo)針狀鐵素體形核的能力。大熱輸入焊焊縫金屬 C

8、GHAZ內(nèi)的針狀鐵素體分為三種類型：一、Ce的氧硫化物誘導(dǎo)形核產(chǎn)生的針狀鐵素體；二、原位析出的針狀鐵素體；三、感生針狀鐵素體。三種針狀鐵素體的形成機(jī)制不同：夾雜物誘導(dǎo)形核的針狀鐵素體的形成機(jī)制是由于Ce的氧硫化物與鐵素體間存在較小的錯配度；原位析出的針狀鐵素體是以奧氏體晶粒內(nèi)存在的大量針狀鐵素體核心為主導(dǎo)形成的；感生針狀鐵素體的形成是因?yàn)樵晃龀龅尼槧铊F素體之間、夾雜物誘導(dǎo)形核的針狀鐵素體之間均存在高位錯密度。含Ce焊縫金屬CGHAZ內(nèi)

9、存在的高比例針狀鐵素體提高了焊縫金屬CGHAZ的強(qiáng)度。
　　使用雙絲自動埋弧焊得到了不同Ce含量的焊縫金屬，并使用高溫激光掃描共聚焦顯微鏡（High Temperature Laser Scanning Confocal Microscopy；HTLSCM）對不同Ce含量的焊縫金屬CGHAZ的組織轉(zhuǎn)變行為進(jìn)行了原位觀察。在焊接金屬CGHAZ熱循環(huán)過程中，稀土Ce能減小夾雜物半徑，提高夾雜物的體積分?jǐn)?shù)，因此增加了奧氏體晶粒長大的釘扎