工艺条件对熔敷金属中扩散氢影响的试验研究

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  摘要:采用热导法对低氢型焊条进行了扩散氢含量检测,探讨了焊接热输入、焊材烘干条件、强度等级以及试件消氢处理等因素对焊条扩散氢含量的影响。结果表明,随着热输入的增大,焊条扩散氢含量升高;碱性焊条在400℃/1h烘干工艺下,扩散氢含量最低;试件在650℃/1h条件下消氢效果更明显;随着焊条强度等级的升高,扩散氢含量降低。
  关键词:扩散氢;热输入;烘干条件;消氢;强度等级
  
  
  引言
  氢不仅在焊缝中能够引起氢脆、白点和气孔,同时也是冷裂纹形成的三大因素之一。氢的复杂性及危害性一直受到国内外学者普遍的重视[1~5]。尤其是低温钢、高强钢焊接时,降低焊缝中氢含量已成为获得优质焊接接头的关键所在。
  焊缝中的氢分为扩散氢和残余氢两种,其中扩散氢溶于金属晶格,具有自由扩散能力,在应力集中及组织的不均匀条件下极易诱发氢致裂纹,对焊接接头性能的危害极大。因此,开发超低氢焊材、选择合理的焊接热输入、焊条烘干条件等措施成为控制氢致裂纹的有效途径[6~7]。针对以上工艺因素如何影响扩散氢的分布,在实际生产中如何利用这些规律降低焊缝中扩散氢含量,则是需要我们具体研究和解决的问题。
  对此,本文采用GB/T3965-2012《熔敷金属中扩散氢测定方法》中规定的热导法,针对焊接热输入、焊条烘干条件、焊材强度等级以及试件消氢条件四个因素对焊缝中扩散氢的影响规律分别进行了试验研究,进而给出了实际生产中降低扩散氢的实用方法,为降低焊缝扩散氢含量、提高焊接质量提供理论依据。
  
  1.试验方法及试验设备
  1.1 试验材料
  试验选用GB/T3965-2012《熔敷金属中扩散氢测定方法》推荐的B型试件组合,由中心试板、引弧板、息弧板组成。试块材质为Q345R。试件尺寸:中心试块30mm×15mm×10mm,引弧板和息弧板50mm×15mm×10mm。所选用试块的成分及性能见表1。
  焊接材料分别选用J507RH(φ4.0mm、φ5.0mm)、J507(φ5.0mm)J557(φ5.0mm)焊条。焊条药皮均无松散、开裂现象。按指定温度进行烘干。试验焊条成分及性能见表2。
  
  表1 Q345R化学成分及力学性能
   化学成分% 力学性能
  材质 C Mn Si S P Cr Ni Rm(MPa) A(%)
  Q345R 0.15% 1.44 0.36 0.008 0.014 0.025 0.008 595 30
  
  表2 试验焊材的化学成分及力学性能
   化学成分% 力学性能
  牌号 C Si Mn S P Ni Rm(MPa) Rp(MPa) A(%)
  J507RH 0.079 ≥0.8 ≥1.0 0.011 0.017 ≥0.5 ≥490 / ≥22
  J507 0.082 / ≤0.75 ≤0.02 ≤0.03 ≤0.3 490-590 ≥400 ≥22
  J557 0.075 0.5 1.25 0.012 0.018 / 590 480 27
  
  
  1.2试验方法及设备
  (1)焊接工艺:试验采用焊条电弧焊,电流按制造厂推荐最大电流值的90%选用;电压22-26V;焊接速度25-28cm/min,约为每10mm焊缝消耗12mm-13mm焊条。
  (2)试验方法:分别采用φ4.0mm、φ5.0mm的J507、J507RH焊条测试热输入对扩散氢含量的影响;分别采用不烘干、烘干350℃/1h和烘干400℃/1h的J507RH(φ5.0mm)焊条测试烘干温度对扩散氢含量影响;采用J507(φ5.0mm)、 J557(φ5.0mm)焊条测试强度等级对扩散氢含量的影响;采用不消氢试件、消氢350℃/6h和650℃/1h的试件测试试件预处理条件对扩散氢含量的影响。
  试验采用热导法,标样气体为氦气。在检测仪中将试样加热至400℃,进行扩散氢的收集和测定。
  
  (3)试验设备:试验采用LECO DH603型美国力可氢含量检测仪,另需准备冰块,液氮筒、数显天平等试验仪器设备。
  2.试验过程
  扩散氢试验步骤如下[8~9]:
  1) 将经过指定消氢处理的试件加工至规定尺寸后,在中心试件背面做好标记,并清除油污,在数显天平上进行称重,精确到0.01g,记录数据。
  2) 将试件组合固定于铜制工装上,采用短弧焊接,运条保持稳定。
  3) 焊接息弧后3~5S内松开卡具,将试件组合放入冰水混合物中搅拌(20±2)S,然后立即转入液氮保温桶中存储。
  4) 至少2分钟后取出,将引弧板与息弧板敲断并清理熔渣,测量焊缝长度,保证去掉引弧板及息弧板和清理过程时间不超过60S,
  5) 若不能保证,需要重新放回低温液氮中。
  6) 从低温液氮中取出中心试块,放入蒸馏水中,清掉试块表面冰渣,并在丙酮溶液中清洗,风干后再次进行称重,记录数据。
  7) 将试件放入检测仪中,进行扩散氢的收集测量。
  
  
  3.试验结果及分析
   3.1 焊接热输入对熔敷金属扩散氢的影响
  焊接热输入对焊条扩散氢含量有较大影响。由于采用短弧焊接,焊接电压对扩散氢的影响可忽略不计,焊接热输入对扩散氢的影响主要体现在焊接电流对扩散氢含量的影响方面。试验分别选用不同直径的J507、J507RH焊条进行测试,检测数据如图1所示。
  
  (a)J507RH焊条
  
  (b)J507焊条
  图1 不同焊条直径与扩散氢变化关系
  由图1可知,在相同条件下,J507焊条、J507RH焊条均随着焊条直径的增加,焊接电流增大,焊接热输入增大,其扩散氢含量也随之增加。其主要原因分析如下:随着焊接电流的增大,加剧了电弧中的氢和水蒸气的分解程度,增大了电弧气氛中的氢分压,导致扩散氢含量的升高;另一方面,电流增大使氢在熔池中存在的时间增长,溶解度增大,从而提高了熔敷金属中扩散氢含量 [10-11] 。
  因此在实际生产中,对于扩散氢敏感的低温钢及高强钢焊接时,要尽量使用小电流、小规范焊接,以尽量降低焊缝中扩散氢含量,保证焊接质量。
  3.2 焊材烘焙制度对扩散氢含量的影响
  试验对J507RH(φ5.0mm)焊条在不烘干、烘干400℃/1h和烘干350℃/1h三种条件下测量扩散氢含量,测试结果如图2所示:
  
   图2烘焙制度与焊条扩散氢含量变化关系
  图中所示条件1为350℃/1h烘干工艺,条件2为不烘干条件工艺,条件3为350℃/1h烘干工艺。由图可知:J507RH(φ5.0mm)焊条在不烘干条件下,扩散氢含量明显高于400℃/1h烘干条件下的扩散氢含量; 350℃/1h烘干条件下高于400℃/1h 条件下的扩散氢含量。
  主要原因如下:焊条药皮中的水分是扩
  散氢的主要来源,其主要由自由水、结晶水和结构水组成。未经烘干的焊条药皮中自由水(包括附着水和吸附水)及部分结晶水在
  在电弧热的作用下分解出大量的氢,这部分氢进入焊接熔池,增大了电弧气氛中的氢分压,从而大大提高了焊条扩散氢的含量。而经过烘干条件下的焊条,随着烘干温度的升高,药皮中的自由水及部分结晶水在烘干过程中就得以去除,其进入焊接电弧气氛中的几率大大降低,焊缝金属中的扩散氢含量随之减少。
  而不同的烘焙条件下对于焊条药皮扩散
  氢含量亦不相同。一般来说,焊条药皮中的结晶水加热至200-500℃时会失水,但失水并不充分,400℃/1h烘干相对350℃/1h 烘干去除结晶水的程度更为彻底,对于E5515-G型焊条,适当提高烘焙温度,去除部分结晶水,将明显降低熔敷金属中的扩散氢含量[12]。
  但当烘焙温度超过400℃时,或者保温时间过长,将会引起合金元素的烧损,从而影响焊缝金属的机械性能和化学成分,因此,对于碱性焊条烘焙工艺以400℃/1h为宜[13]。在此烘干工艺下,其扩散氢含量达到最低。在实际生产中,既要尽量降低焊条中扩散氢含量,又要兼顾药皮性能,建立完善的焊条烘干及使用制度尤为重要,确保焊条随烘随用。
  3.3 强度等级对焊条扩散氢含量的影响
   分别选用φ4.0mm、φ5.0mm的J507、J557焊条,在其他条件相同时检测扩散氢含量,对比结果如图3所示:
  
  (a) φ4.0mm焊条
  
  (b)φ5.0mm焊条
  图3 两种直径焊条的扩散氢含量
  随强度等级变化关系
  由图可知,相同规格的焊条扩散氢含量对比,低强度的J507焊条较高强度的J557焊条扩散氢含量增高。
  随着焊条强度等级的升高,扩散氢含量逐渐降低。强度越高,扩散氢越低,焊条抗裂性能越好,才能有效避免氢致裂纹的产生。
  3.4 试件热处理条件对焊材扩散氢的影响
   扩散氢试验用试件热处理条件对扩散氢含量也有较大影响。分别对试件采用不消氢工艺、消氢350℃/6h/工艺、消氢650℃/1h工艺,检测其扩散氢含量。试验焊材为J507RH(φ5.0mm)焊条。结果如图4所示。
  
  图4不同的试件预处理条件对焊条扩
  散氢含量的影响
  图中条件1为350℃/6h消氢工艺,条件2为不消氢工艺,条件3为650℃/1h消氢工艺。由图可见,相同条件下,不消氢试件扩散氢含量明显高于消氢工艺,试件在经过350℃/6h和650℃/1h处理后,焊条扩散氢含量相差不大。其原因简述如下:
   试件在不消氢的条件下,本身含有一定的氢量,在焊接电弧热的作用下会进入焊接熔池中,因而其扩散氢的含量较高[10]。
  氢在钢中在高于200℃的条件下趋于活跃,有利于氢的逸出。经试验结果验证,对试件采取350℃/6h和650℃/1h的消氢处理,施焊后熔敷金属中扩散氢含量均达到了3-4ml/100g的水平,满足生产的低氢需要,完全能够达到消氢的目的。但温度越高,氢的扩散速度越快,当提高温度到650℃时,包括试件中的扩散氢和残余氢均得以消除[9],其消氢效果更为明显。因此,在条件允许的情况下,宜优先选用650℃/1h消氢工艺。
  4.结论
  由上述试验研究可得出如下结论:
  (1) 随着热输入的增加,焊条扩散氢含量增大;
  (2) 对于J507、J507RH焊条,烘干工艺在400℃/1h时扩散氢含量最低;
  (3) 试件消氢工艺在650℃/1h处理时,扩散氢含量最低,消氢效果更明显;
  (4) 焊条的强度等级越高,扩散氢含量越小,才能确保避免氢致裂纹的产生。
  在焊接生产中要控制焊缝金属中的扩散氢含量,可遵循上述结论予以实施,即:严格控制焊接热输入,使用短弧小电流焊接;制定严格的焊条烘干及使用制度、焊条做到随烘随用;可能的情况下,选择高强度匹配的焊条;,这些措施可有效地降低氢的有害影响。
  
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  作者简介:孔令伟,高级工程师,从事特种设备研究,E-mail: [email protected];
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
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