扩散氢的测定

基础知识

在焊接过程中，液态金属所吸收的大量的氢，一部分在熔池结晶过程中逸出，一部分来不及逸出而留在固态金属中。

焊缝中的氢大部分是以原子或离子状态存在的。由于氢的原子和离子半径都很小，所以其中一部分氢可以在焊缝金属的晶格中自由扩散，也可逸出焊缝，称为扩散氢。还有一部分氢扩散聚集到金属的晶格缺陷、显微裂纹及非金属夹杂物边缘的空隙中，结合成氢分子。因其半径增大，不能自由扩散，称为残余氢。

焊缝中的氢可产生许多有害作用。一类是暂态现象，如脆性、白点、硬度增高等；一类是永久现象，如气孔、组织改变、显微斑点及危险性极大的冷裂纹等。氢致缺陷能明显降低金属强度、韧性及疲劳强度或直接导致焊件破坏。

焊接时氢主要来自焊接材料中的水分、电弧周围的空气、焊丝、母材表面的油污铁锈等含氢物质。焊缝金属的含氢量除与焊丝、焊件的清理质量、焊条的烘干情况、工件的预后热情况、环境湿度及温度等因素有关外，还与焊接方法、工艺参数、焊接电流的种类、极性等因素有关。

焊缝金属中扩散氢含量的测定，是评定焊接材料内在质量的重要指标之一，也是进行氢对焊接接头影响研究的重要依据。

测定方法及其测量精度对材料氢致缺陷的研究具有重要意义。

任务实施

测定焊缝金属中扩散氢含量的方法有液体置换法（包括水银法、甘油法、乙醇法）、排液法、色谱法、真空法、硅油置换法等多种。水银法是国际标准中规定的方法，它准确、可靠，但有毒有污染；甘油法、乙醇法操作方便、无污染，但精度低；色谱法、真空法精度高、无污染，但仪器价格昂贵、操作复杂；一般实验采用排液法，该法具有精度高、操作方便、仪器价廉、无公害等优点。

图10-1  PY法测定器装置结构示意图

1－外盖  2－内盖  3－筒体4－试件  5－甘油  6－连通器7－密封螺母  8－读数管

排液法所用测定器结构如图10-1所示，该结构为一密封的连通器。实验时，先在测定器中注入测定介质——甘油，放入恒温箱中，加热至实验温度318 K保温待用，而后焊接试件。焊后将试件立即冷却、除水放入测定器中，盖好有橡皮密封圈的内盖，再旋紧外盖，以保证测定器的筒体密封。此时只有与连通管连接的读数管与外界大气相通。此后再立即将测定器置于318 K的恒温箱中，记录测定器读数管中甘油液面的初始读数。随着试件焊缝中的扩散氢不断地逸出，将同体积的甘油排入读数管内，因此读数管内液面不断上升。经过24 h，扩散氢基本不再逸出，此时记录读数管甘油液面终了读数，再进行简单换算，就可得出标准状态下焊缝金属中扩散氢含量的数值。

拓展提高

一、排液法的试验详细内容及步骤

1.实验方法

实验包括以下内容:

（1）用未烘焙的E4303焊条，在直流反接下堆焊，测氢；

（2）用未烘焙的E5015焊条，在直流反接下堆焊，测氢；

（3）用烘焙200℃×2 h的E4303焊条，在直流反接下堆焊，测氢；

（4）用烘焙350℃×2 h的E5015焊条，在直流反接下堆焊，测氢。

每种情况做三个试件。

2.实验步骤

（1）焊前准备 ①将试板、引弧板、熄弧板用钢丝刷和砂纸除锈，再用丙酮除油；称出试板原始质量W1（精确到0.1 g）；再放入烘箱中加热200℃×2 h去氢。②将6根 E4303焊条烘焙 200℃×2 h；将6根E5015焊条烘焙350℃×2 h。

（2）焊接 将试板、引弧板、熄弧板各一块置于水冷夹具上进行堆焊，焊接时采用短弧焊，不允许中间断弧，焊接规范1～3组为：I=160 A；4组为：I=150 A；U=21～23 V；v焊= 80 mm/min。

（3）水冷 焊后立即拉开夹具，使试件落入水中，且不停地拉合夹具，使水下铜网中的试件摆动冷却，10 s后取出试件。

（4）清理 迅速敲除试件上的药皮，敲断引弧板和收弧板；再用乙醇为试件除水，用冷风吹干试件。

（5）测甘油液面初始读数Vh1将清理好的试件迅速放入测定器中，将测定器内、外盖旋紧，使甘油液面高于玻璃读数管的0刻度；再将测定器放入恒温箱，立刻测取甘油液面读数Vh1，并记录之；同时，记录测定器放入恒温箱的时间。

注意，测定器拿出恒温箱的时间不应大于15 s，试件从焊后到放入测定器，读出甘油液面初始读数的时间不应大于60 s。

（6）测甘油液面终了读数Vh2试件在318 K恒温下放置24 h，则可认为扩散氢基本不再逸出。此时可测取、记录甘油液面终了读数Vh2，并记录恒温箱内实验温度T、实验环境大气压P。

（7）称重 把试件从测定器中取出，清洗干净、吹干，再称出试件焊后质量W2（精确到0.1 g）。

二、实验数据整理及结果分析

1.实验数据整理

（1）填写表10-1

表10-1 焊缝中扩散氢含量测定数据表

（2）数据处理 计算出每个试件在标准状态下（273 K，760 mm汞柱），100 g熔敷金属中析出的扩散氢含量［H ］扩：

×100（m L/100 g）

式中 ［H ］扩—标准状态下100克熔敷金属中扩散氢的含量；m L/100g；

Vh1—甘油液面初始读数；

Vh2—甘油液面终了读数；

P0—标准大气压：760 mm Hg；

P—实验环境大气压（mm Hg）；

T0—标准温度：273 K；

T—实验温度：318 K；

W1—试板原始质量；

W2—试板焊后质量。

每种情况下扩散氢含量最终数据取三个试样的扩散氢含量的平均值［H］ 扩。

［H ］扩= ×100（m L/100 g）

2.实验结果分析

将四种情况的数据进行比较，分析其产生原因；综述影响[H]扩的因素。

任务三  腐蚀试验

基础知识

腐蚀试验是检测焊缝金属与环境发生相互作用而引起的化学或物理（或机械）的化学损伤过程的试验。腐蚀试验是掌握材料与环境所构成的腐蚀体系的特性，了解腐蚀机制，从而对腐蚀过程进行控制的重要手段。焊缝和焊接接头的腐蚀破坏的形式有：总体腐蚀、晶间腐蚀、刀状腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀、海水腐蚀、气体腐蚀和腐蚀疲劳等。腐蚀试验的目的是确定在给定的条件下金属抗腐蚀的能力，估计产品的使用寿命，分析腐蚀的原因，找出防止或延缓腐蚀的措施。腐蚀试验的具体方法要根据产品对焊接结构耐腐蚀性能的要求而定。常用的方法有不锈钢晶间腐蚀试验、应力腐蚀试验、腐蚀疲劳试验、大气腐蚀试验、高温腐蚀试验等。

任务实施

一、试验目的

1.在给定的环境中确定各种防蚀措施的适应性、最佳选择、质量控制途径和预计采取这些措施后构件的服役寿命。

2.评价材料的耐蚀性能。

3.确定环境的侵蚀性，研究环境中杂质、添加剂等对腐蚀速度、腐蚀形态的作用。

4.研究腐蚀产物对环境的污染作用。

5.在分析构件失效原因时作再现性试验。

6.研究腐蚀机制。

二、试验方法分类

焊接结构的耐蚀性能并不是一种可脱离所处环境来研究的特性，而是与环境的成分、温度、辐照、流体的流速等化学、物理、机械等因素密切相关的。因此，在腐蚀试验中必须注意试验体系与实际工作条件尽可能有良好的一致性。为比较焊接结构的耐蚀性能，常需要制订标准试验方法来概括可能的工作条件。然而，由于实际腐蚀体系的复杂性，这种方法只能近似和相对地比较所得结果。

1.按试验目的分

（1）研究接头腐蚀机制的基础性试验；

（2）为选材和制定工艺进行的生产性试验；

（3）分析结构事故起因的专门试验。

2.按试验对象分

（1）用试样的试验；

（2）用结构和工艺上相似的构件或结构模型进行的模拟试验；

（3）结构的实体试验。

3.按采用不同评定指标的腐蚀指标分

表10-2列出了不同腐蚀类型和评定指标的试验项目。

表10-2 不同腐蚀类型和评定指标的试验项目

对于深度腐蚀，一般采用失重率法或腐蚀深度法。为此，试样分别取自母材、热影响区+焊缝、母材+热影响区等区段，试样尺寸取25 mm×70 mm或50 mm×70 mm，面积为热影响区的5～10倍。对于有局部腐蚀或集中腐蚀的接头，一般采用深度法，并配合力学性能的测定。

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不锈钢的晶间腐蚀试验

1.试样的选取

（1）焊接试样从产品钢材相同而且焊接工艺也相同的试板上选取。

（2）试样尺寸及选取方法见表10-3。

表10-3 试样尺寸及选取方法

2.试样的制备

（1）试样用锯切取，如用剪刀时，应通过切削或研磨方法除去剪刀的影响部分。

（2）试样上有氧化皮时，要通过切削或研磨除掉。需要敏化处理的试样，应在敏化处理后研磨。

（3）试样切取及表面研磨时，应防止过热，被试验的试样表面粗糙度Ra必须小于0.08 μm。不能进行研磨的试样，根据具体加工协议也可采用其他方法处理。

3.试验设备

（1）容量为1～2 L带回流冷凝器的启口——锥形烧瓶。

（2）使试验溶液能保持微沸状态的加热装置。

4.试样的敏化处理

敏化处理是指已经经过固溶处理的奥氏体不锈钢，在500℃～850℃加热，将铬从固溶体中以碳化铬的形式析出，造成奥氏体不锈钢的晶界腐蚀敏感性，它是用来衡量奥氏体不锈钢晶界腐蚀倾向的，是一种检测手段。

（1）试样的敏化处理在研磨前进行。

（2）敏化处理前试样用适当的溶剂或洗涤剂（非氧化物）去油并干燥。

（3）把焊接试样直接以焊后状态进行试验。对焊后还要经过350℃以上热加工的焊接件，试样在焊后还应进行敏化处理。

5.试验条件和步骤

（1）试验溶液 将100 g硫酸铜溶解于700 m L蒸馏水或离子水中，再加入100 m L硫酸，用蒸馏水或去离子水稀释至1 000 m L，配制成硫酸—硫酸铜溶液。

（2）试验前将试样用适当的溶剂或洗涤剂（非氯化物）去油并干燥。

（3）在烧瓶底部铺一层铜屑（纯度不小于 99.5%）,然后放置试样。保证每个试样与铜屑接触的情况下，同一烧瓶中允许放几层同一钢种试样。但是试样之间要互不接触。

（4）试验溶液应高出最上层试样20 mm以上，每次试验都应使用新试验液。

（5）将烧瓶放在加热装置上，通以冷却水，加热试验溶液，使之保持微沸状态，试验连续16小时。

（6）试验后取出试样、洗净、干燥、弯曲。

6.试验报告

（1）记录试样种类，热处理制度等。

（2）记录试样弯曲角度及10倍放大镜观察后，晶间腐蚀倾向结果。

（3）如用金相法判定时，应记录晶间腐蚀深度值。