李興霞，崔國明，翟德梅，吳金杰

(河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校 材料工程系，河南 新鄉(xiāng) 453002)

0 前言

擴(kuò)散氫是導(dǎo)致焊接冷裂紋的主要原因之一，因此應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量，使其盡可能低[1-3]。擴(kuò)散氫含量是評價(jià)焊接材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)，近年來，隨著大板厚、高拘束焊接結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)鋼的應(yīng)用，由擴(kuò)散氫引起的開裂時(shí)有發(fā)生。所以測試熔敷金屬擴(kuò)散氫的含量十分必要[4-5]。國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)將水銀真空法列為測定熔敷金屬中擴(kuò)散氫的標(biāo)準(zhǔn)方法，但由于汞害的影響，這種方法實(shí)際很少采用，多數(shù)仍采用甘油法和色譜法。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3965-1995熔敷金屬中擴(kuò)散氫測定方法，甘油置換法與其他方法比較，其設(shè)備簡單，操作方便，對人體無害，安全系數(shù)高，在擴(kuò)散氫測定中被廣泛應(yīng)用[6-10]。

研究焊接接頭擴(kuò)散氫行為，對于高強(qiáng)鋼制定焊接規(guī)范，選擇合適的工藝參數(shù)，降低擴(kuò)散氫對接頭質(zhì)量的影響都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究旨在通過一系列高強(qiáng)鋼熔敷金屬擴(kuò)散氫含量測試實(shí)驗(yàn)，研究焊縫熔敷金屬擴(kuò)散氫的逸出規(guī)律，我國高強(qiáng)鋼焊接時(shí)普遍采用焊后消氫處理，又不確定消氫開始時(shí)間是否合適，以及消氫工藝是否可以取消以降低成本、提高生產(chǎn)效率等問題，提供一定的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試板尺寸

依照GB3965-1995，試板采用4號試樣，尺寸為100 mm×25 mm×12 mm，引弧板、引出板尺寸為25 mm×25 mm×12 mm。

1.2 施焊環(huán)境

溫度23.5℃，相對濕度78%

1.3 焊接工藝及測氫方法

（1）母材：20MnTiB。

（2）焊接方法：GMAW（熔化極氣體保護(hù)焊）。

（3）測試方法：甘油法。

（4）焊絲型號：AWSA5.28 100S。

（5）焊絲直徑：φ1.2 mm。

（6）保護(hù)氣體組成：φ(Ar)80%+φ(CO2)20%。

（7）試板去氫處理：300℃，4 h；引弧板、引出板去氫處理：650℃，1 h。

（8）焊接電壓24.4 V，焊接電流260 A，線能量：12.7 kJ/cm，焊接速度30 cm/min。

1.4 試驗(yàn)方法及過程

（1）室溫下在焊接水槽上焊接。

（2）試板焊后2 s內(nèi)放入水槽內(nèi)擺動(dòng)冷卻，冷卻約10 s后立即取出，用機(jī)械方法去除引弧板及引出板（榔頭敲掉），清除飛濺物和熔渣，用抹布擦干，放入已充滿甘油的收集器內(nèi)，從試板焊完到放入收集器內(nèi)，應(yīng)在90 s內(nèi)完成。

（3）收集擴(kuò)散氫中，甘油溫度須保持45℃±1℃。

（4）0.5 h，1 h，2 h，3 h，6 h，12 h，24 h，36 h，48 h，72 h時(shí)，準(zhǔn)確讀取氣體量。在讀數(shù)之前20 min，持續(xù)搖動(dòng)收集器30～40 s，以便于成功收集吸附在收集器管壁和試樣上的擴(kuò)散氫。

1.5 測試裝置及輔助設(shè)備

本研究按照GB3965-1995推薦的擴(kuò)散氫測試方法進(jìn)行，采用甘油法進(jìn)行測試。測試裝置見圖1。為了保證焊接試板的焊接質(zhì)量和冷卻速度，試板焊接在專用焊接裝置上進(jìn)行，所采用的焊接裝置見圖2。該焊接裝置上的試板夾持塊采用內(nèi)部帶有水冷通孔的銅板制作，可以保證焊接過程中的良好冷卻。試驗(yàn)中試板的焊接采用焊接機(jī)器人完成，有效保證了焊接過程中的焊接參數(shù)的穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熔敷金屬質(zhì)量

焊前、焊后對試板質(zhì)量進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。

圖1 恒溫水箱與收集器Fig.1 Picture of thermostatic water tank and gas collector

圖2 焊接水槽Fig.2 Picture of welding sink

表1 熔敷金屬質(zhì)量Tab.1 Deposited metal weight

3.2 焊后不同收集時(shí)刻的氣體體積數(shù)

詳細(xì)記錄三個(gè)試樣在不同時(shí)刻收集的氣體體積，見表2。

表2 焊后不同放置時(shí)間收集的氣體體積數(shù)VTab.2 Volume of collected gas with different resting time after welding 單位：mL

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依照GB3965-1995試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)推薦的公式進(jìn)行計(jì)算

式中 HGL為甘油置換法測定的熔敷金屬擴(kuò)散氫含量（單位：mL/100g）；V0為收集的氣體體積換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每100 g熔敷金屬中氣體的體積數(shù)（單位：mL）；V為收集的氣體體積數(shù)（單位：mL）；W為熔敷金屬質(zhì)量（焊后試樣質(zhì)量-焊前試樣質(zhì)量）（單位：g）；精確到0.01 g；T0=273K；T=(273+t)（單位：K）；t為室溫（本次實(shí)驗(yàn)為23.5℃）；P0=101 kPa；P為實(shí)驗(yàn)室氣壓（單位：kPa，簡化為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)

（1）甘油置換法測定的熔敷金屬擴(kuò)散氫含量。

利用式（1）對不同時(shí)間的測試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 甘油置換法測定的熔敷金屬擴(kuò)散氫含量Tab.3 diffusib le hydrogen content of deposited metal measured by Glycerine method 單位：mL/100g

（2）熔敷金屬中擴(kuò)散氫逸出規(guī)律。

為了明確表達(dá)表1～表3中的測試結(jié)果，將測試結(jié)果做成圖3。從圖3中可以看出在試板裝瓶后0.5～12 h時(shí)，擴(kuò)散氫的逸出速度是很快的，逸出量也是比較大，可以達(dá)到總逸出量的90%，在12～24 h這一時(shí)間區(qū)間內(nèi)，擴(kuò)散氫逸出速度變慢。在24～72 h時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散氫逸出量基本維持不變。由此說明，在焊接后24 h內(nèi)，熔敷金屬中的擴(kuò)散氫已經(jīng)逸出怠盡。

4 結(jié)論

（1）本研究中采用的擴(kuò)散氫測試方法為甘油測試法，由于甘油法本身的測試精度問題，所獲得的擴(kuò)散氫含量絕對值可能存在一定的偏差，但在一定時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)散氫逸出規(guī)律是比較準(zhǔn)確的。

圖3 熔敷金屬中擴(kuò)散氫隨時(shí)間逸出曲線Fig.3 Escaping curve of diffusible hydrogen content of deposited metal with time

（2）通過甘油法研究，發(fā)現(xiàn)焊后焊接接頭中的擴(kuò)散氫含量隨放置時(shí)間的延長而變化，0.5～12 h時(shí)間區(qū)間時(shí)，擴(kuò)散氫的逸出速度很快，逸出量比較大，可以達(dá)到總逸出量的90%；在12～24 h這一時(shí)間區(qū)間內(nèi)，擴(kuò)散氫逸出速度變慢；在24～72 h時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散氫逸出量基本維持不變。

（3）本研究結(jié)果對高強(qiáng)鋼焊后是否需要消氫處理有重要參考意義。結(jié)果表明如果進(jìn)行消氫處理則必須在焊后盡快進(jìn)行，否則消氫處理的意義不大。

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