焊縫金屬中擴(kuò)散氫的測(cè)定

1、焊縫金屬中擴(kuò)散氫的測(cè)定、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄒ唬┝私馐止る娀『笗r(shí)影響焊縫中擴(kuò)散氫含量的因素；（二）掌握甘油法測(cè)定擴(kuò)散氫含量的方法。二、實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)材料（一）測(cè)氫儀1臺(tái)（二）集氣管12個(gè)（三）交流電焊機(jī)1臺(tái)（四）直流電焊機(jī)（或整流器）1臺(tái)（五）試件夾具1個(gè)（六）烘箱（0450 C ）1臺(tái)（七）吹風(fēng)機(jī)、鉗子、榔頭、鋼絲刷、瓷盤、絨布、丙酮、乙醛、酒精等（八）試件低碳鋼板 20 X70 X10mm3520X40X10mm70 塊（九）焊條。4mm結(jié)422焊條25根（f）4mm 結(jié)507焊條15根三、實(shí)驗(yàn)原理氫不僅能在焊縫中生成氣孔，而且是產(chǎn)生冷裂紋的往往使焊件在工作一段時(shí)間以后開裂，因而其危險(xiǎn)雖然這些微觀缺

2、陷不致于直接導(dǎo)致焊件的破壞,氫對(duì)焊接接頭機(jī)械性能的影響極大。 主要原因之一。氫致裂紋常帶有延遲性， 性更大。氫也引起金屬的微裂和發(fā)裂等。卻能明顯地降低金屬的強(qiáng)度、屈服極限、沖擊韌性、延伸率、斷面收縮率，尤其對(duì)疲勞強(qiáng)度 有較大的影響。氫主要來自水和有機(jī)物。水可能以水汽的形式吸附在焊絲和工件的外表或混雜在保護(hù)氣體內(nèi)，也可以其它多種形式包含在金屬外表的氧化膜、鐵銹和焊接材料中。有機(jī)物可能是焊條上將MQ 33$ 狷。EM 5的圖2氫在不同金屬中的擴(kuò)散系數(shù)D與溫度的關(guān)系藥皮中的木屑、纖維素或淀粉等造氣劑， 也可能是沾染在工件或焊絲外表的油污。水和有機(jī)物在焊接高溫下分解出氫，氫再以原子或質(zhì)子的形式進(jìn)入熔池

3、，使焊縫金屬或多或少地含有氫。因此，焊縫金屬的含氫量受到許多因素的影響。如大氣溫度與濕度，保護(hù)氣體的含水量，焊絲及工件的清理質(zhì)量，焊接材料的型號(hào)、烘焙溫度、保溫時(shí)間和存放條件，所用的焊接方圖1焊條烘干溫度對(duì)焊縫含氫量 H0的影響（低氫型低合金鋼焊條，烘干時(shí)間均為兩小時(shí) ）法、工藝參數(shù)、焊接電流的種類和極性、以及焊件的焊后熱處理情況等，都能影響焊縫金屬的含氫量。圖1表示焊條烘焙溫度對(duì)于焊縫金屬含氫量的影響。氫對(duì)于不同金屬材料的危害性是不同的。在焊接中碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼和中合金鋼時(shí)，更容易產(chǎn)生氫致裂紋。一定的金屬材料在一定條件下焊接，焊接接頭最終是否發(fā)生裂紋，與整個(gè)焊接過程中溶入焊縫的氫量以及從液

4、、固態(tài)金屬中析出的氫量多少有關(guān)。焊縫金屬中總的含氫量可以用下式表示：時(shí)總=H擴(kuò)十H殘式中H總一一焊縫金屬中總的含氫量mL/100g ;H擴(kuò)一一金屬凝固后氫的擴(kuò)散析出量mL/100g ;H殘殘留在固態(tài)金屬中的剩余氫量mL/100g。顯然，H擴(kuò)和H殘是氫致裂紋的主要根源，H擴(kuò)隨著固態(tài)金屬的冷卻不斷地由金屬內(nèi)部擴(kuò)散至外表而逸出，其擴(kuò)散過程和擴(kuò)散量的多少對(duì)裂紋的發(fā)生和開展都有很大的影響。剩余氫那么以氫的固溶或氫化物的形式存在，對(duì)裂紋的產(chǎn)生也有一定的影響。焊縫中氫的擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜的過程，氫在各種金屬內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)D不同表示氫在不同金屬中有不同的擴(kuò)散性能（圖2）。擴(kuò)散系數(shù)D又都隨溫度的降低而減小。在7820

5、0。C溫度范圍內(nèi)氫在鐵中的擴(kuò)散系數(shù)D與溫度的關(guān)系可用下式表示。6.75D 1.82 10 2e 而且氫在同一金屬的不同組織構(gòu)造中也具有不同的擴(kuò)散性能，如表1 1所示。表1氫在不同組織中的擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系鐵素體、珠光體索氏體托氏體馬氏體奧氏體4.0 X1Q-73.5 X10-73.2 X10-72.5X10-72.1 X10-12由于擴(kuò)散氫的量很少每100g金屬中最多含有幾十毫升），通常采用氣體排液法把擴(kuò)散氫收集到一個(gè)密閉的集氣管內(nèi)量測(cè)圖3。由金屬外表擴(kuò)散逸出的微小氫氣泡必須通過收?qǐng)D3氣體收集器集介質(zhì)浮升到集氣管頂部，為使氫氣泡通過介質(zhì)時(shí)不至于對(duì)量測(cè) 的氫有所影響，必須要求收集介質(zhì)具有一定的物理和

6、化學(xué)性能， 這些要求是：對(duì)氫的溶解度較小，具有低的蒸氣壓力，化學(xué)穩(wěn)定 性好，對(duì)人體無害和液體的低粘度值。當(dāng)然，也要求價(jià)格低廉。目前試驗(yàn)用的介質(zhì)一般有甘油、石臘油、酒精、水銀、20m01 K2CO3以及硅油等。甘油和石臘油的主要缺點(diǎn)是粘度較大； 水銀有害 XX、且價(jià)格昂貴；酒精那么可能溶解氫且易揮發(fā)。現(xiàn) 在還沒有一種介質(zhì)能同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求。甘油雖然有缺點(diǎn)， 但其它條件根本上符合要求，并且甘油法的操作也較簡(jiǎn)單，所以 在我國和日本甘油法獲得廣泛應(yīng)用。但是，擴(kuò)散氫收集介質(zhì)較多 地采用水銀，現(xiàn)在國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）和國際標(biāo)淮組織（1SO）亦規(guī)定用水銀作為收集介質(zhì)。因?yàn)樗y的比重大于一般試件材料，為

7、防止試件浮出水銀外表，氣體收集器需要特別設(shè)計(jì)。水銀有毒，操作時(shí)必需嚴(yán)格防止水銀蒸汽外溢。甘油作為介質(zhì)時(shí)，氫氣泡的上浮條件及浮升速度都較水銀介質(zhì)差，局部微小的氣泡懸浮在甘油中或粘附于試件外表和試管壁，而不能浮升到集氣管頂部。這些懸浮和粘附的氣泡約占擴(kuò)散氫逸出總量的3050%,所以甘油法測(cè)得的H擴(kuò)要比水銀法測(cè)得的H擴(kuò)約少40%。因此，甘油法測(cè)定的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，只能把測(cè)得的擴(kuò)散氫量作相比照擬。表2列出了我國關(guān)于用甘油法測(cè)定擴(kuò)散氫的技術(shù)條件。表3為擴(kuò)散氫的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)得的擴(kuò)散氫體積（mL）首先要換算成溫度為0C、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760mm汞柱）下的氫體積，再算出100g熔敷金屬中析出的擴(kuò)散氫含量，其計(jì)算公

8、式如下:V 、PT0H擴(kuò) 100（-）0 （mL/100g）（ 1 1 ）3 Gi Go PoT式中H擴(kuò)一一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下100 g熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量;V一一集氣管中收集白擴(kuò)散氫氣體量（mL）;P0標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760mm汞柱）；P試驗(yàn)環(huán)境大氣壓（汞柱高mm）;表-2測(cè)定擴(kuò)散氫的技術(shù)條件編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)材料材料處理試片尺寸（mm）引、收弧板I中國國家標(biāo)準(zhǔn)修訂小組GB-700-65250 c68小時(shí)10X20X70有nXX焊接研究所低碳鋼同上同上有試片數(shù)焊條焊接標(biāo)準(zhǔn)入水前時(shí)間（s）型號(hào)直徑(mm)烘干要求U(V)I(A)堆焊縫長(zhǎng)度/消耗焊條長(zhǎng)度3T4255按說明書要 求烘干，使 用前120 c保溫21

9、 25按使用說明取最大值100/15023結(jié)507（|）3.221 23210220100110100/1305冷卻清理時(shí)間s收集介質(zhì)收集時(shí)間h60甘油45 C24120同上24表1-3擴(kuò)散氫的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)堆焊金屬的含氫量mL/100g高 15中?15,但？10低?10/1?5很低?5T0 標(biāo)準(zhǔn)大氣的溫度（273K）;T一一集氣管內(nèi)的溫度（K）;G。試件原始重量（g）;G1試件焊后的重量（g）。四、實(shí)驗(yàn)方法及步驟測(cè)氫試驗(yàn)的根本操作過程和步驟如下：焊前準(zhǔn)備一一焊接一一水冷清洗一一吹干并放入氣體收集器。一焊前準(zhǔn)備將尺寸為20 X70 X10mm的試件和20X40X10mm的引弧板及收弧板先在2

10、5010C加熱68小時(shí)作去氫處理，然后清理外表，去除氧化物，用乙醇去水， 乙醛去油，吹于冷卻。把每個(gè)試件打鋼印編號(hào)，然后用感量為 1/10g的天平稱出每件的重 量G。（二）焊接將試件及引弧板、收弧板放在試件夾具臺(tái)上進(jìn)展焊接（圖4 ）。焊接過程盡可能采用短弧焊，絕不允許中間滅弧，以免產(chǎn)生弧坑。如發(fā)生滅弧，那么該試件作施焊時(shí)建議采用表4的焊接標(biāo)準(zhǔn)。圖4測(cè)氫試件夾具示意圖1-引弧板；2-試板；3-收弧板；4-彈簧;5-手把；6-銅墊板；7-夾具支架；表4焊接標(biāo)準(zhǔn)焊條直徑mm4電流A170180電壓V2123（三）水冷停焊后5s內(nèi)立即將試件投入 020 c的水中急冷并擺動(dòng)試件，防止局部溫度過高，10s

11、以后取出。（四）清洗試件從水中取出后，迅速去除焊渣及其它臟物，然后用鐵錘敲斷引孤板和收弧 板，把中間的一段試件擦干并用酒精去水、乙醛去油。（五）吹干和放入氣體收集器將去水和除油的試件擦凈并吹干注意吹于時(shí)一定要用冷風(fēng)，以免焊縫中氫的逸出，立即放入氣體收集器內(nèi)。試件從焊完到放入收集器的全部操作過程，要求在60s內(nèi)完成。試件在 45c恒溫下放置24h,便可認(rèn)為擴(kuò)散氫已大致全部逸出。根據(jù)集氣管中甘油柱液面的刻度，就可以讀出擴(kuò) 散氫量V。這時(shí)，要記錄恒溫集氣箱的溫度t ,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的氣壓P。 把試件從收集器中取出，清洗吹干，稱出重量 G1。根據(jù)前述的公式（1 1）,計(jì)算出H擴(kuò)。以同樣的條件和標(biāo)準(zhǔn)按上述程序

12、重復(fù)做二次，測(cè)定結(jié)果取三個(gè)試件擴(kuò)散氫量的平均值。為了解工藝因素對(duì)于H擴(kuò)的影響，實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括以下內(nèi)容：.用未烘焙和以250 c保溫2小時(shí)烘焙的結(jié)422焊條，分別以交流和直流反接在試件 上堆焊，測(cè)定熔敷金屬的H擴(kuò)。.用未烘焙和以 350 c保溫2小時(shí)烘焙的結(jié)507焊條，分別在未經(jīng)清理的和經(jīng)過嚴(yán)格 清理的試件上堆焊，測(cè)定熔敷金屬的H擴(kuò)。.用未經(jīng)烘干的結(jié)422焊條以直流反接在未經(jīng)清理的和經(jīng)過嚴(yán)格清理的試件上堆焊， 以及用未經(jīng)烘焙的結(jié) 422焊條在未經(jīng)清理的試件上進(jìn)展直流反接長(zhǎng)弧堆焊，測(cè)定熔敷金屬的H擴(kuò)。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和分析實(shí)驗(yàn)可分組進(jìn)展，把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果填入表5中。要求對(duì)全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)展整理分

13、析。表5編號(hào)G0(g)Gi(g)W(g)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件焊 接 時(shí) 問(s)停 焊 至 入 水 時(shí) 間 (s)停 焊 至 入 儀 時(shí) 間 (s)氣 體 收 集 時(shí) 間 (h)收集管環(huán)境溫度9收 集 氣 體 體 積(mL)測(cè)定結(jié)果(mL/100g)備注I(A)U(V)焊條牌號(hào)電流種類烘干溫度9試件清理單個(gè)試件平 均根據(jù)列表整理的熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量H擴(kuò)，繪圖表示出焊條種類、烘干程度、清理程以及長(zhǎng)弧焊和短弧焊等對(duì) H 擴(kuò)的影響，并對(duì)以上的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)展簡(jiǎn)要分析。 六、思考題(一)用甘油法測(cè)得的熔敷金屬中H擴(kuò)的精度及影響精度的因素。(二而甘油法測(cè)氫操作過程中，有哪些程序?qū)擴(kuò)的測(cè)定結(jié)果有較大影響，在操作

14、時(shí)必須嚴(yán)格掌握？(三)長(zhǎng)弧焊和短弧火時(shí)測(cè)出的H擴(kuò)有何不同？并說明理由。(四)試分析比擬結(jié)422和結(jié)507焊條的抗銹能力。七、附錄：KQ 2型測(cè)氫儀這種儀器專用于甘油法恒溫收集和測(cè)定熔敷金屬中擴(kuò)散氫量，可以同時(shí)進(jìn)展十二個(gè)試樣的擴(kuò)散氫量的測(cè)定。該裝置能保持甘油的溫度恒定，并有控制溫度的“報(bào)警和“切斷裝置。裝 置的電路原理見圖5。電熱絲R0供甘油加熱用，工作電流受到可控硅SCR-2的控制。甘油的溫度是由水銀接點(diǎn)溫度計(jì)去控制可控硅的導(dǎo)通或關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫調(diào)節(jié)。當(dāng)甘油的溫度到達(dá)給定值(450C )時(shí),接點(diǎn)溫度計(jì)的接點(diǎn)導(dǎo)通，使單結(jié)晶體管BT33D的發(fā)射極短路，那么脈沖變壓器無脈沖輸出， 可控硅即被關(guān)斷而停頓加熱。當(dāng)甘油溫度下降到給定溫度(45C)以下時(shí)，接點(diǎn)溫度計(jì)的接點(diǎn)斷開，那么可控硅又被觸發(fā)導(dǎo)通，對(duì)甘油加熱，甘油開場(chǎng)升溫。這樣就能保持甘油的溫度恒SCR”.圖5測(cè)氫儀電氣原理圖圖5的右側(cè)為故障報(bào)警局部的電路。如果可控硅元件被擊穿而甘油溫度繼續(xù)升高，當(dāng)升至給定值時(shí)，可控硅 SCR3導(dǎo)通，電鈴DL進(jìn)展報(bào)警。如在夜間工作，那么工作人員 可把開關(guān)K置于“關(guān)斷位置。假設(shè)電路發(fā)生故障，繼電器ZTi把電源切斷，以防止事故發(fā)生。使用該儀器前，應(yīng)完成以下的工作：把溫度計(jì)上邊的磁鋼頂絲旋松，