一種新型甘油法擴(kuò)散氫測(cè)試技術(shù)研究

張藝程 蔣應(yīng)田 溫黎明 向凱 楊立春

摘要：根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)散氫的測(cè)試方法主要有甘油法、水銀法、氣相色譜法和熱置換法四種。其中，甘油法的應(yīng)用最普遍，使用時(shí)間最長(zhǎng)，測(cè)試成本最低，安全性最好，因此長(zhǎng)期在標(biāo)準(zhǔn)中得到應(yīng)用。但是，甘油法的測(cè)試精度較低，特別是超低氫情況下，更是很難滿足要求。最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不推薦使用。在天津大學(xué)排液法基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，從而研發(fā)了一種新型甘油法擴(kuò)散氫測(cè)試技術(shù)。通過(guò)與國(guó)內(nèi)通用設(shè)備KQ-3型甘油法擴(kuò)散氫測(cè)量裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，測(cè)試結(jié)果表明，在焊條電弧焊中使用堿性焊條E5015（天津大橋），測(cè)量精度比KQ-3型設(shè)備高24%～28%，使用CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，測(cè)量精度高28%，使用氬弧焊時(shí)，測(cè)量精度高28.7%。

關(guān)鍵詞：新測(cè)試方法;擴(kuò)散氫;甘油法

中圖分類號(hào)：TG44 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）05-0071-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.13

0 ? ?前言

焊接技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝，目前通過(guò)焊接生產(chǎn)的產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度要求越來(lái)越高、工作的環(huán)境溫度越來(lái)越低、制造規(guī)模越來(lái)越大，因此焊接制造對(duì)于工件材料和焊接材料的要求越來(lái)越高。高強(qiáng)鋼焊接最大的難點(diǎn)就是焊縫產(chǎn)生冷裂紋，而冷裂紋產(chǎn)生的因素之一是焊縫金屬中存在擴(kuò)散氫。為了防止氫致裂紋的產(chǎn)生，控制焊接材料的含氫量是焊接生產(chǎn)中的一個(gè)必要環(huán)節(jié)。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的擴(kuò)散氫測(cè)試方法主要是甘油法、水銀法、氣相色譜法以及熱置換法四種[1]。其中甘油法是最傳統(tǒng)的測(cè)試方法，具有測(cè)試成本低、安全性好、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。但是，超低氫型材料在測(cè)試中僅有極少部分氫氣逸出，不能匯集成氣泡，并且甘油在測(cè)試溫度下具有一定的粘度，較小的氣泡無(wú)法上浮，僅分散地停留在集氣管壁和試件表面，從而難以準(zhǔn)確讀出擴(kuò)散氫的含量，因此，在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中被列入淘汰方法[2]。由于測(cè)試成本低，安全性好，在國(guó)內(nèi)很多高校的焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍然使用甘油法。水銀法具有測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是目前標(biāo)準(zhǔn)推薦的主要測(cè)試方法[3]。但在測(cè)試過(guò)程中安全性較差，測(cè)試成本高，只能在一些非常專業(yè)和權(quán)威的測(cè)試機(jī)構(gòu)使用。氣相色譜法是一種高科技測(cè)試方法，是利用氫氣與載氣（氬氣）較大的熱物理性能（熱焓值）差值進(jìn)行測(cè)量，該方法測(cè)試精度可以和水銀法相媲美[4]，但設(shè)備投資較高，測(cè)試程序較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)高校采購(gòu)此種設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，很少用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此相比較而言應(yīng)用量很少。熱置換法是一種新型測(cè)試方法，是將帶焊縫試件加熱到一定高溫下進(jìn)行測(cè)量，這樣加速了擴(kuò)散氫的逸出速度，減少了測(cè)試時(shí)間[5]。

20世紀(jì)80年代初，天津大學(xué)張文鉞[6]等人利用擴(kuò)散氫逸出后在密閉容器內(nèi)占據(jù)一定體積從而產(chǎn)生液位高度的變化，發(fā)明了一種排液法擴(kuò)散氫測(cè)法，其測(cè)試結(jié)果可與水銀法等量換算[6]。該方法一度在國(guó)內(nèi)部分高校得到應(yīng)用，但由于未被納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，沒有得到廣泛的推廣應(yīng)用。本研究是在天津大學(xué)排液法的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)當(dāng)前高校教學(xué)和科研測(cè)試需要，重新設(shè)計(jì)了排液法測(cè)試設(shè)備的結(jié)構(gòu)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利方法[7]。利用本研究設(shè)計(jì)的擴(kuò)散氫測(cè)量裝置，采用控制變量法測(cè)量了SMAW、CO2、TIG三種不同焊接方法下擴(kuò)散氫含量，并與傳統(tǒng)的甘油法測(cè)氫設(shè)備KQ-3型測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

1 集氣管及測(cè)量部分的設(shè)計(jì)思路

（1）為了滿足教學(xué)過(guò)程中能夠直觀的觀察擴(kuò)散氫的逸出過(guò)程，集氣管部分或全部材料需要選用透明材料。

（2）為滿足生產(chǎn)和科研，測(cè)試不同含氫量的焊接材料，液位顯示管的精度應(yīng)可調(diào)或變換。

（3）為防止擴(kuò)散氫通過(guò)收集介質(zhì)甘油從測(cè)量顯示管逸出，則需要對(duì)測(cè)量顯示管進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（4）為避免在集氣管入料口密封過(guò)程中產(chǎn)生初始液位誤差，需要在入料口頂蓋設(shè)置歸零閥。

（5）要合理設(shè)計(jì)集氣管密封結(jié)構(gòu)，減少密封時(shí)間，使整個(gè)操作能夠在規(guī)定范圍內(nèi)完成。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前述思路，利用軟件Inventor進(jìn)行立體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。由圖1可知，擴(kuò)散氫測(cè)定裝置由密閉集氣筒以及與集氣筒相連的液位顯示管兩部分組成。密閉集氣筒是由收集器筒體（石英管或有機(jī)玻璃管）、不銹鋼下底座、不銹鋼上部連接法蘭、不銹鋼頂蓋以及內(nèi)部不銹鋼密封浮蓋及膠圈組成。

連接法蘭內(nèi)部設(shè)有密封平臺(tái)，并在內(nèi)浮蓋與密封平臺(tái)間增加密封膠圈實(shí)現(xiàn)集氣管的密封。在內(nèi)浮蓋中心預(yù)留φ2 mm的歸零孔，保證初始液位與集氣管內(nèi)液面持平，通過(guò)頂蓋中心的密封螺桿對(duì)歸零孔進(jìn)行最后密封，這樣顯示管的液位初始值為零或某一固定值。不銹鋼頂蓋與上部連接法蘭采用螺紋配合連接。為了減少螺紋旋緊時(shí)間，設(shè)計(jì)采用了多頭螺紋方式。

集氣管由透明筒體、底座、頂部法蘭組成，透明筒體采用石英管，底座和頂部法蘭采用不銹鋼材料，且與透明筒體采用壓蓋螺紋膠圈密封形式。由于石英管外表面非常光滑，其與膠圈之間的摩擦力較小，難以確保連接強(qiáng)度，為此在石英管上、下端面與不銹鋼之間可涂敷一定量的粘接膠劑，既可以連接又起到二次密封的作用。

集氣管與液位顯示管間通過(guò)一個(gè)U型不銹鋼管連接，目的是防止擴(kuò)散氫逸出集氣管外，而液位顯示管與U型不銹鋼管的連接則采用透明筒體與底座連接相同的方式。保證液位顯示管的外徑大小，通過(guò)改變液位顯示管的內(nèi)徑大小，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量精度的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)不同材料擴(kuò)散氫含量的測(cè)試。液位顯示管的刻度線可通過(guò)氫氟酸腐蝕劃線，以滿足測(cè)量管透明要求。

3 擴(kuò)散氫的測(cè)試原理及技術(shù)要求

由于在電弧高溫加熱下，電弧區(qū)域內(nèi)的含氫物質(zhì)受熱裂解為氫原子或質(zhì)子溶入液態(tài)金屬中，在冷卻凝固過(guò)程中大部分會(huì)以氣泡形式逸出。而固態(tài)金屬處于高溫狀態(tài)下仍具有很大的溶氫量，隨著溫度下降，特別是在二次組織轉(zhuǎn)變后，溶氫量大幅下降，這時(shí)大部分溶解的氫將會(huì)以原子擴(kuò)散至焊縫外，稱之為擴(kuò)散氫。由于在高溫組織（奧氏體）時(shí)氫的擴(kuò)散速度較慢，而常溫組織（鐵素體）時(shí)氫的擴(kuò)散速度較快，因此，為保證最大程度收集擴(kuò)散氫，焊后應(yīng)立即對(duì)試件進(jìn)行快冷和凈化處理，并迅速將焊接試件放入收集器中進(jìn)行擴(kuò)散氫收集。因此按照標(biāo)準(zhǔn)要求，焊后2 s內(nèi)試件進(jìn)行冷卻，冷卻10 s后進(jìn)行試件清理，最終在60 s內(nèi)將試件放入集氣管內(nèi)。根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)散氫的收集需要在恒溫45 ℃下進(jìn)行72 h。為防止集氣管內(nèi)殘留空氣因溫度引起液位變化，要求集氣管內(nèi)的殘留空氣量最小化，可以將甘油在集氣管內(nèi)的液位保留在與內(nèi)浮蓋相接觸處。收集結(jié)束后，根據(jù)收集體積讀數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化折算。根據(jù)這一要求，需要將裝入試件的集氣管放入到恒溫箱內(nèi)靜置72 h。每個(gè)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)可以放置12個(gè)集氣管。因此，本研究專門設(shè)計(jì)一個(gè)利用智能溫控器進(jìn)行控溫的恒溫箱，如圖2所示，其溫度可以控制在±1 ℃。如果該裝置用于教學(xué)擴(kuò)散氫測(cè)試，可以用水替換甘油。為防止水蒸發(fā)造成液位顯示管下降，可以在測(cè)量管端部設(shè)置一個(gè)膠皮帽進(jìn)行覆蓋，減少水分蒸發(fā)。

4 對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

為了對(duì)比新型擴(kuò)散氫測(cè)試裝置與國(guó)標(biāo)型號(hào)KQ-3的精度差別，文中選用了常見的三種焊接方法進(jìn)行比較，分別是SMAW、CO2及TIG，其中SMAW采用堿性焊條，正接和反接兩種形式。焊接參數(shù)如表1所示。

4.2 擴(kuò)散氫測(cè)試實(shí)驗(yàn)的基本操作過(guò)程及步驟

4.2.1 焊前準(zhǔn)備

（1）焊接試樣。加工出尺寸130×20×12的試件和20×12×40的引弧板與收弧板。并進(jìn)行250 ℃×

7 h烘干，去除試件表面的氧化物。

（2）試樣編號(hào)及稱重。對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行編號(hào)，使用精度為0.1 g的電子秤測(cè)量試件的初始重量G0。

（3）測(cè)氫裝置的準(zhǔn)備。KQ-3型測(cè)氫設(shè)備需要將集氣管內(nèi)充滿甘油;新型測(cè)試裝置需要提前在集氣管內(nèi)裝一定量的甘油，并使甘油液面與液位顯示器U型管部位持平，同時(shí)將U型管內(nèi)裝滿甘油。

4.2.2 焊接

將試件放置在有銅鑲塊的工作臺(tái)上，在試件兩端放置引弧板和收弧板，在工作臺(tái)邊緣放置冷卻水槽。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，按照規(guī)定弧長(zhǎng)要求進(jìn)行焊接，并且注意在焊接過(guò)程中不能出現(xiàn)滅弧，否則需換新試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.2.3 冷卻及清理

焊接停弧后2 s內(nèi)立即將試件投入到冷水中，并擺動(dòng)冷卻，待冷卻10 s后取出試件。用鐵錘敲擊掉兩端的引弧板與收弧板，隨后清理焊縫表面的殘留熔渣，使用脫脂棉沾取少量丙酮擦拭試件表面并使用冷風(fēng)吹干試件。

4.2.4 氫氣量收集及折算

將處理干凈的試件在60 s內(nèi)放入集氣筒中并完成裝置密封，將測(cè)氫裝置放置在45 ℃恒溫環(huán)境保存72 h。KQ-3型直接讀取刻度數(shù)值即可，自制測(cè)氫裝置則計(jì)算液位高度差得到數(shù)值。根據(jù)測(cè)得的擴(kuò)散氫量、試件重量的差值、測(cè)試點(diǎn)的大氣壓及溫度測(cè)試值等按照式（1）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值換算。

式中 [H]擴(kuò)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下100 g熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量;V為集氣管中收集的擴(kuò)散氫氣量;P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760 mmHg）;P為試驗(yàn)環(huán)境大氣壓;T0為標(biāo)準(zhǔn)大氣的溫度（273 K）;T為集氣管內(nèi)的溫度（單位：K）;G0為試件原始重量（單位：g）;G為試件焊后的重量（單位：g）。以同樣的規(guī)范和條件按上述程序重復(fù)4組實(shí)驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果取4個(gè)試件擴(kuò)散氫量的平均值為最終測(cè)量值。

4.2.5 4種焊接工藝方法擴(kuò)散氫含量對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用兩種測(cè)氫方法對(duì)4種焊接工藝的焊縫擴(kuò)散氫含量進(jìn)行測(cè)量見表2～表7?？梢钥闯?，在SMAW（正接和反接）、CO2、TIG等不同的焊接方法下，自制設(shè)備所測(cè)得的擴(kuò)散氫量均高于KQ-3型測(cè)氫儀。

4.2.6 新型測(cè)氫儀在擴(kuò)散氫逸出速度測(cè)試中的應(yīng)用

擴(kuò)散氫的存在直接影響到高強(qiáng)鋼延遲裂紋的產(chǎn)生，因此在很多情況下，擴(kuò)散氫的擴(kuò)散過(guò)程也是研究者的關(guān)注點(diǎn)。甘油法雖然能夠觀察到氫氣的逸出過(guò)程，且根據(jù)逸出氫氣泡的數(shù)量大致確定在焊后某個(gè)時(shí)段的逸出量，但是要準(zhǔn)確標(biāo)定某一時(shí)段氫氣的逸出速度，甘油法以及其他實(shí)驗(yàn)方法都難以實(shí)現(xiàn)。而本研究設(shè)計(jì)的擴(kuò)散氫設(shè)備則可以根據(jù)某一時(shí)段的液位變化量折算出相應(yīng)時(shí)段氫氣的逸出速度。兩種焊條焊后24 h內(nèi)焊縫氫氣逸出量如表8、表9所示，酸性焊條和堿性焊條焊后焊縫逸出氫氣量隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。由表8、表9可知，擴(kuò)散氫的逸出過(guò)程主要是在焊后10個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生，在18 h左右可以認(rèn)定為全部逸出。由圖3可知，0～5 h擴(kuò)散氫逸出速度最快，在前5 h內(nèi)擴(kuò)散氫逸出量達(dá)到總量的75%～80%，在18 h后曲線趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1）為了適應(yīng)超低氫型焊接材料發(fā)展的需要，在天津大學(xué)排液法的基礎(chǔ)上創(chuàng)新研發(fā)了一種新型的擴(kuò)散氫測(cè)量裝置。

（2）采用堿性焊條電弧焊（正接和反接）、CO2氣體保護(hù)焊和鎢極氬弧焊三種常用焊接工藝，與傳統(tǒng)擴(kuò)散氫測(cè)試設(shè)備KQ-3進(jìn)行精度對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自制設(shè)備的測(cè)量精度比KQ-3型設(shè)備分別高24%～28% （焊條電弧焊，堿性焊條），28%（CO2焊）和28.7% （TIG焊），在超低氫材料測(cè)試方面存在優(yōu)勢(shì)。

（3）自制擴(kuò)散氫設(shè)備測(cè)試成本低，操作簡(jiǎn)單，既能直觀地觀察氫氣逸出過(guò)程，又能準(zhǔn)確測(cè)量擴(kuò)散氫的逸出速度，適合應(yīng)用于教研，尤其是本科教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

宋北，馬青軍，楊子佳，等.熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)試方法的研究進(jìn)展[J].機(jī)械制造文摘—焊接分冊(cè)，2016（1）：41-43.

GB/T 3965-2012，熔敷金屬中擴(kuò)散氫測(cè)定方法 [S].

王移山，尹士科.水銀法測(cè)定焊縫擴(kuò)散氫的影響因素[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2002，11（1）：59-62.

漆廷邦，劉景美，雷素范. HD-2擴(kuò)散氫測(cè)定儀[J].冶金分析，1994（1）：55-57.

羅雪梅，卜華全.熱導(dǎo)法測(cè)定熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量[J].石油化工設(shè)備，2013（1）：75-77.

張文鉞，杜則裕，許玉環(huán)，等.排液法測(cè)定熔敷金屬中擴(kuò)散氫的研究[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1982（4）：77-92.

遼寧石油化工大學(xué).焊縫熔敷金屬擴(kuò)散氫測(cè)試器[P].中國(guó)專利，CN201220115440.8. 2012.10.3.