焊縫金屬中擴散氫的測定

1、焊縫金屬中擴散氫的測定、實驗?zāi)康模ㄒ唬┝私馐止る娀『笗r影響焊縫中擴散氫含量的因素；（二）掌握甘油法測定擴散氫含量的方法。二、實驗裝置及實驗材料（一）測氫儀1臺（二）集氣管12個（三）交流電焊機1臺（四）直流電焊機（或整流器）1臺（五）試件夾具1個（六）烘箱（0450 C ）1臺（七）吹風(fēng)機、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、實驗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間以后開裂，因而其危險雖然這些微觀缺

2、陷不致于直接導(dǎo)致焊件的破壞,氫對焊接接頭機械性能的影響極大。 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度、屈服極限、沖擊韌性、延伸率、斷面收縮率，尤其對疲勞強度 有較大的影響。氫主要來自水和有機物。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。水和有機物在焊接高溫下分解出氫，氫再以原子或質(zhì)子的形式進入熔池

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，保護氣體的含水量，焊絲及工件的清理質(zhì)量，焊接材料的型號、烘焙溫度、保溫時間和存放條件，所用的焊接方圖1焊條烘干溫度對焊縫含氫量 H0的影響（低氫型低合金鋼焊條，烘干時間均為兩小時 ）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于焊縫金屬含氫量的影響。氫對于不同金屬材料的危害性是不同的。在焊接中碳鋼、低合金高強鋼和中合金鋼時，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：時總=H擴十H殘式中H總一一焊縫金屬中總的含氫量mL/100g ;H擴一一金屬凝固后氫的擴散析出量mL/100g ;H殘殘留在固態(tài)金屬中的剩余氫量mL/100g。顯然，H擴和H殘是氫致裂紋的主要根源，H擴隨著固態(tài)金屬的冷卻不斷地由金屬內(nèi)部擴散至外表而逸出，其擴散過程和擴散量的多少對裂紋的發(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，對裂紋的產(chǎn)生也有一定的影響。焊縫中氫的擴散是一個復(fù)雜的過程，氫在各種金屬內(nèi)的擴散系數(shù)D不同表示氫在不同金屬中有不同的擴散性能（圖2）。擴散系數(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散性能，如表1 1所示。表1氫在不同組織中的擴散系數(shù)擴散系鐵素體、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散氫收集到一個密閉的集氣管內(nèi)量測圖3。由金屬外表擴散逸出的微小氫氣泡必須通過收圖3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)時不至于對量測 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：對氫的溶解度較小，具有低的蒸氣壓力，化學(xué)穩(wěn)定 性好，對人體無害和液體的低粘度值。當(dāng)然，也要求價格低廉。目前試驗用的介質(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是粘度較大； 水銀有害 XX、且價格昂貴；酒精那么可能溶解氫且易揮發(fā)?，F(xiàn) 在還沒有一種介質(zhì)能同時滿足上述各項要求。甘油雖然有缺點， 但其它條件根本上符合要求，并且甘油法的操作也較簡單，所以 在我國和日本甘油法獲得廣泛應(yīng)用。但是，擴散氫收集介質(zhì)較多 地采用水銀，現(xiàn)在國際焊接學(xué)會（IIW）和國際標(biāo)淮組織（1SO）亦規(guī)定用水銀作為收集介質(zhì)。因為水銀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。水銀有毒，操作時必需嚴(yán)格防止水銀蒸汽外溢。甘油作為介質(zhì)時，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散氫逸出總量的3050%,所以甘油法測得的H擴要比水銀法測得的H擴約少40%。因此，甘油法測定的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，只能把測得的擴散氫量作相比照擬。表2列出了我國關(guān)于用甘油法測定擴散氫的技術(shù)條件。表3為擴散氫的評定標(biāo)準(zhǔn)。測得的擴散氫體積（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散氫含量，其計算公

8、式如下:V 、PT0H擴 100（-）0 （mL/100g）（ 1 1 ）3 Gi Go PoT式中H擴一一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下100 g熔敷金屬中的擴散氫含量;V一一集氣管中收集白擴散氫氣體量（mL）;P0標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760mm汞柱）；P試驗環(huán)境大氣壓（汞柱高mm）;表-2測定擴散氫的技術(shù)條件編號標(biāo)準(zhǔn)試驗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)入水前時間（s）型號直徑(mm)烘干要求U(V)I(A)堆焊縫長度/消耗焊條長度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冷卻清理時間s收集介質(zhì)收集時間h60甘油45 C24120同上24表1-3擴散氫的評定標(biāo)準(zhǔn)評定標(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、實驗方法及步驟測氫試驗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。把每個試件打鋼印編號，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上進展焊接（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建議采用表4的焊接標(biāo)準(zhǔn)。圖4測氫試件夾具示意圖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 散氫量V。這時，要記錄恒溫集氣箱的溫度t ,實驗現(xiàn)場的氣壓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）,計算出H擴。以同樣的條件和標(biāo)準(zhǔn)按上述程序

12、重復(fù)做二次，測定結(jié)果取三個試件擴散氫量的平均值。為了解工藝因素對于H擴的影響，實驗應(yīng)包括以下內(nèi)容：.用未烘焙和以250 c保溫2小時烘焙的結(jié)422焊條，分別以交流和直流反接在試件 上堆焊，測定熔敷金屬的H擴。.用未烘焙和以 350 c保溫2小時烘焙的結(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，測定熔敷金屬的H擴。.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)清理的試件上進展直流反接長弧堆焊，測定熔敷金屬的H擴。五、實驗結(jié)果的整理和分析實驗可分組進展，把實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果填入表5中。要求對全部試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果進展整理分

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

14、時必須嚴(yán)格掌握？(三)長弧焊和短弧火時測出的H擴有何不同？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型測氫儀這種儀器專用于甘油法恒溫收集和測定熔敷金屬中擴散氫量，可以同時進展十二個試樣的擴散氫量的測定。該裝置能保持甘油的溫度恒定，并有控制溫度的“報警和“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溫度計去控制可控硅的導(dǎo)通或關(guān)斷來實現(xiàn)自動恒溫調(diào)節(jié)。當(dāng)甘油的溫度到達給定值(450C )時,接點溫度計的接點導(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，接點溫度計的接點斷開，那么可控硅又被觸發(fā)導(dǎo)通，對甘油加熱，甘油開場升溫。這樣就能保持甘油的溫度恒SCR”.圖5測氫儀電氣原理圖圖5的右側(cè)為故障報警局部的電路。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，可控硅 SCR3導(dǎo)通，電鈴DL進展報警。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：把溫度計上邊的磁鋼頂絲旋松，