焊缝金属中扩散氢测定.doc

焊缝金属中扩散氢的测定、实验目的（一）了解手工电弧焊时影响焊缝中扩散氢含量的因素;（二）掌握甘油法测定扩散氢含量的方法实验装置及实验材料（一）测氢仪1台（二）集气管12个（三）交流电焊机1台（四）直流电焊机（或整流器）1台（五）试件夹具1个（六）烘箱（0~450C）1台（七）吹风机、钳子、榔头、钢丝刷、瓷盘、绒布、丙酮、乙醚、酒精等（八）试件低碳钢板20X70x10mm35块20X40X10mm70块（九）焊条04mm结422焊条25根04mm结507焊条15根氢不仅能在焊缝中生成气孔，而且是产生冷裂纹的往往使焊件在工作一段时间以后开裂，因而其危险虽然这些微观缺陷不致于直接导致焊件的破坏，但三、实验原理氢对焊接接头机械性能的影响极大主要原因之一氢致裂纹常带有延迟性，性更大氢也引起金属的微裂和发裂等却能明显地降低金属的强度、屈服极限、冲击韧性、延伸率、断面收缩率，尤其对疲劳强度有较大的影响氢主要来自水和有机物水可能以水汽的形式吸附在焊丝和工件的表面或混杂在保护气体内，也可以其它多种形式包含在金属表面的氧化膜、铁锈和焊接材料中有机物可能是焊条药皮中的木屑、纤维素或淀粉等造气剂，也可能是沾染在工件或焊丝表面的油污。

水和有机物在焊接高温下分解出氢，氢再以原子或质子的形式进入熔池，使焊缝金属或多或少地含有氢因此，焊缝金属的含氢量受到许多因素的影响如大气温度与湿度，保护气体的含水量，木族soaISO別0图2氢在不同金属中的扩散系数D与温度的关系焊丝及工件的清理质量，焊接材料的型号、烘焙温度、保温时间和存放条件，所用的焊接方图1焊条烘干温度对焊缝含氢量H0的影响（低氢型低合金钢焊条，烘干时间均为两小时）法、工艺参数、焊接电流的种类和极性、以及焊件的焊后热处理情况等，都能影响焊缝金属的含氢量图1表示焊条烘焙温度对于焊缝金属含氢量的影响氢对于不同金属材料的危害性是不同的在焊接中碳钢、低合金高强钢和中合金钢时，更容易产生氢致裂纹一定的金属材料在一定条件下焊接，焊接接头最终是否发生裂纹，与整个焊接过程中溶入焊缝的氢量以及从液、固态金属中析出的氢量多少有关焊缝金属中总的含氢量可以用下式表示：［H］总=［H］扩十［H］残式中［H］总一一焊缝金属中总的含氢量mL/100g；［H］扩一一金属凝固后氢的扩散析出量mL/100g;［H］残一一残留在固态金属中的残余氢量mL/100g显然，［H］扩和［H］残是氢致裂纹的主要根源，［H］扩随着固态金属的冷却不断地由金属内部扩散至表面而逸出，其扩散过程和扩散量的多少对裂纹的发生和发展都有很大的影响。

残余氢则以氢的固溶或氢化物的形式存在，对裂纹的产生也有一定的影响焊缝中氢的扩散是一个复杂的过程，氢在各种金属内的扩散系数D不同表示氢在不同金属中有不同的扩散性能（图2）扩散系数D又都随温度的降低而减小在78—200C温度范围内氢在铁中的扩散系数D与温度的关系可用下式表示6.75D=1.8210_2e组织铁素体、珠光体索氏体托氏体马氏体奥氏体-7-7-7-7-124.0X103.5X103.2X102.5X102.1X10而且氢在同一金属的不同组织结构中也具有不同的扩散性能，如表1—1所示表1氢在不同组织中的扩散系数由于扩散氢的量很少（每100g金属中最多含有几十毫升）,通常采用气体排液法把扩散氢收集到一个密闭的集气管内量测（图3）由金属表面扩散逸出的微小氢气泡必须通过收集介质浮升到集气管顶部，为使氢气泡通过介质时不至于对量测的氢有所影响，必须要求收集介质具有一定的物理和化学性能，这些要求是：对氢的溶解度较小，具有低的蒸气压力，化学稳定性好，对人体无害和液体的低粘度值当然，也要求价格低廉目前试验用的介质一般有甘油、石腊油、酒精、水银、20m01•K2CO3以及硅油等甘油和石腊油的主要缺点是粘度较大；水银有害健康、且价格昂贵；酒精则可能溶解氢且易挥发。

现在还没有一种介质能同时满足上述各项要求甘油虽然有缺点，但其它条件基本上符合要求，并且甘油法的操作也较简单，所以在我国和日本甘油法获得广泛应用但是，扩散氢收集介质较多地采用水银，现在国际焊接学会（IIW）和国际标淮组织（1SO）亦规定用水银作为收集介质因为水银的比重大于一般试件材图3气体收集器料，为防止试件浮出水银表面，气体收集器需要特别设计水银有毒，操作时必需严格防止水银蒸汽外溢甘油作为介质时，氢气泡的上浮条件及浮升速度都较水银介质差，部分微小的气泡悬浮在甘油中或粘附于试件表面和试管壁，而不能浮升到集气管顶部这些悬浮和粘附的气泡约占扩散氢逸出总量的30—50%，所以甘油法测得的〔H〕扩要比水银法测得的［H］扩约少40%因此，甘油法测定的结果不够准确，只能把测得的扩散氢量作相对比较表2列出了我国关于用甘油法测定扩散氢的技术条件表3为扩散氢的评定标准测得的扩散氢体积（mL）首先要换算成温度为0C、标准大气压（760mm汞柱）下的氢体积，再算出100g熔敷金属中析出的扩散氢含量，其计算公式如下：式中［H］扩一一标准状态下100g熔敷金属中的扩散氢含量;V――集气管中收集的扩散氢气体量（mL）;P0标准大气压（760mm汞柱）；P――试验环境大气压（汞柱高mm）；表-2测定扩散氢的技术条件编号标准试验材料材料处理试片尺寸（mm）弓1、收弧板I中国国家标准修订小组GB-700-65250C6〜8小时10X20X70有n哈尔滨焊接研究所低碳钢同上同上有试片数焊条焊接规范入水前时间（s）型号直径(mm)烘干要求U(V)1(A)堆焊缝长度/消耗焊条长度3T42〜5504按说明书要求烘干，使用前120C保温21〜25按使用说明取取大值100/15023结5070403.221〜23210〜220100〜110100/1305冷却清理时间（S）收集介质收集时间（h）60甘油（45C）24120同上24表1-3扩散氢的评定标准评定标准堆焊金属的含氢量（mL/100g）高>15中《15,但》10低《10,但》5很低《5[H]扩=100()G1_G0PToPT(mL/100g)T0――标准大气的温度（273K）；T――集气管内的温度（K）；G0——试件原始重量（g）；G1——试件焊后的重量（g）。

四、实验方法及步骤测氢试验的基本操作过程和步骤如下：焊前准备一一焊接一一水冷清洗一一吹干并放入气体收集器一）焊前准备将尺寸为20X70x10mm的试件和20X40x10mm的引弧板及收弧板先在250±10C加热6—8小时作去氢处理，然后清理表面，去除氧化物，用乙醇去水，乙醚去油，吹于冷却把每个试件打钢印编号，然后用感量为1/10g的天平称出每件的重量G二）焊接将试件及引弧板、收弧板放在试件夹具台上进行焊接（图4）焊接过程尽可能采用短弧焊，绝不允许中间灭弧，以免产生弧坑如发生灭弧，则该试件作施焊时建议采用表4的焊接规范图4测氢试件夹具示意图1-引弧板；2-试板；3-收弧板；4-弹簧;5-手把；6-铜垫板；7-夹具支架；表4焊接规范焊条直径（mm）电流（A）电压（V）4170~18021~23（三）水冷停焊后5s内立即将试件投入0〜20C的水中急冷并摆动试件，避免局部温度过高，10s以后取出四）清洗试件从水中取出后，迅速清除焊渣及其它脏物，然后用铁锤敲断引孤板和收弧板，把中间的一段试件擦干并用酒精去水、乙醚去油五）吹干和放入气体收集器将去水和除油的试件擦净并吹干（注意吹于时一定要用冷风，以免焊缝中氢的逸出），立即放入气体收集器内。

试件从焊完到放入收集器的全部操作过程，要求在60s内完成试件在45C恒温下放置24h，便可认为扩散氢已大致全部逸出根据集气管中甘油柱液面的刻度，就可以读出扩散氢量V这时，要记录恒温集气箱的温度t,实验现场的气压P把试件从收集器中取出，清洗吹干，称出重量G1根据前述的公式（1-1），计算出［H］扩以同样的条件和规范按上述程序重复做二次，测定结果取三个试件扩散氢量的平均值为了解工艺因素对于［H］扩的影响，实验应包括以下内容：1•用未烘焙和以250C保温2小时烘焙的结422焊条，分别以交流和直流反接在试件上堆焊，测定熔敷金属的［H］扩2•用未烘焙和以350C保温2小时烘焙的结507焊条，分别在未经清理的和经过严格清理的试件上堆焊，测定熔敷金属的［H］扩3.用未经烘干的结422焊条以直流反接在未经清理的和经过严格清理的试件上堆焊，以及用未经烘焙的结422焊条在未经清理的试件上进行直流反接长弧堆焊，测定熔敷金属的［H］扩五、实验结果的整理和分析实验可分组进行，把实验数据和结果填入表5中要求对全部试验数据和结果进行整理分析表5编号G(g)G(g)W(g)规范试验条件(s)(s)(s)(h)(C)(mnL测定结果(mL/100g)备注I(A)U(V)焊条牌号电流种类(5试件清理）个平均根据列表整理的熔敷金属中的扩散氢含量［H］扩，绘图表示出焊条种类、烘干程度、清理程以及长弧焊和短弧焊等对［H］扩的影响，并对以上的试验结果进行简要分析。

六、思考题（一）用甘油法测得的熔敷金属中［H］扩的精度及影响精度的因素二）在甘油法测氢操作过程中，有哪些程序对［H］扩的测定结果有较大影响，在操作时必须严格掌握？。