焊條原始狀態(tài)對焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量的影響

黃景鵬，徐學(xué)利，鄭梗梗，羅立輝

（西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710065）

焊條原始狀態(tài)對焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量的影響

黃景鵬，徐學(xué)利，鄭梗梗，羅立輝

（西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710065）

選用E5015、E8515和E9018三種焊條，分別在常溫、200℃×1h，400℃×1h三種烘焙溫度下分析研究焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量。結(jié)果表明：隨著焊條烘焙溫度的升高以及熔敷金屬抗拉強(qiáng)度的增大，焊縫金屬中擴(kuò)散氫的含量逐漸減少；常溫狀態(tài)下的焊條其焊縫中馬氏體和上貝氏體比烘焙條件下的多；E5015焊條和E8515焊條，其焊縫中板條狀鐵素體多于E9018焊條，而粒狀貝氏體少于E9018焊條。

低合金鋼；堿性焊條；烘焙溫度；熔敷金屬；擴(kuò)散氫

0 前言

氫致裂紋是石油管道高強(qiáng)鋼焊接過程中經(jīng)常遇到危害性極大的焊接缺陷，其中焊縫中的擴(kuò)散氫是其產(chǎn)生的主要原因[1]。

隨著現(xiàn)代石油管道工程中所用鋼材強(qiáng)度越來越高，采用低氫高韌性焊接材料可降低氫致裂紋的產(chǎn)生幾率，還能很大程度上降低對工藝條件的要求。近年來，國內(nèi)外都在著手于研究擴(kuò)散氫，并在擴(kuò)散氫的作用、測量方法及影響因素等方面取得了不少研究成果[2-5]。在此采用不同焊條在不同的烘焙溫度下測量熔敷金屬中的擴(kuò)散氫，并研究其對擴(kuò)散氫含量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB3965-83，采用甘油法測定焊接接頭中擴(kuò)散氫的含量。選用直徑4 mm的三種堿性焊條（E5015、E8515、E9018）以及三種烘焙溫度（常溫、200℃×1 h、400℃×1 h）作為實(shí)驗(yàn)條件。試板為Q235鋼，板厚4 mm。

1.1 試樣及其制備

按國家標(biāo)準(zhǔn)，引弧板試樣尺寸50 mm×20 mm× 4 mm，熄弧板試樣尺寸70 mm×20 mm×4 mm。焊前采用機(jī)械方法打磨試板、引弧板和熄弧板，清除表面的鐵銹和保護(hù)漆，得到光滑平整的表面。進(jìn)行擴(kuò)散氫實(shí)驗(yàn)前，采用精度為0.1 g的電子稱重儀對試樣進(jìn)行稱重，得到試樣的實(shí)際質(zhì)量m1。

將焊條E5015、E8515、E9018分別在同一溫度和濕度環(huán)境下進(jìn)行常溫、烘焙200℃×1 h、烘焙400℃×1 h，然后進(jìn)行焊接。

1.2 焊接

試驗(yàn)焊機(jī)為ZX7-400型焊條電弧焊機(jī)，電源接法為直流反接。焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 擴(kuò)散氫實(shí)驗(yàn)焊接工藝參數(shù)Table 1Welding parameters for the hydrogen diffusion experiment

將引弧板、試板和熄弧板依次放好并采用表1工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，焊接過程中不能斷弧，停焊10 s內(nèi)將試樣置入約15℃的冷水中10～20 s使其迅速冷卻，用機(jī)械方法去除引弧板和熄弧板。隨后用酒精清洗使其表面無殘余物質(zhì)，最后用鑷子取出并用吹風(fēng)機(jī)吹干試板。

1.3 擴(kuò)散氫的收集

將吹干的試板迅速放入充滿甘油的玻璃收集器內(nèi)（注：收集器和甘油之前已經(jīng)置于烘箱中），試樣從焊完到放入收集器內(nèi)所用時(shí)間不超過90 s，并保持烘箱溫度為45℃恒溫。試板放入收集器內(nèi)24 h后收集吸附在收集器管壁的氣泡并準(zhǔn)確讀取氫氣的體積V，最后用電子稱重儀測量逸出氫氣后試板的質(zhì)量m2。

1.4 擴(kuò)散氫含量的計(jì)算

式中HD為熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量（單位：mL/100g）；VD為收集的擴(kuò)散氫的體積（單位：mL）；T0=273 K；t為恒溫收集箱溫度，t=45℃；T為恒溫收集器溫度，T=318 K；m2為焊后中心試板質(zhì)量（單位：g）；m1為焊前中心試板質(zhì)量（單位：g）；P為實(shí)驗(yàn)室氣壓，P= 97.9 kPa；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 kPa。每組試驗(yàn)應(yīng)取算術(shù)平均值并保留一位小數(shù)作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊條烘焙溫度對焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量的影響

選用E5015、E8515和E9018三種焊條分別在常溫、200℃×1 h和400℃×1 h三種烘焙溫度下測定焊縫金屬中擴(kuò)散氫的含量。即共有9組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取4個(gè)試樣，擴(kuò)散氫含量取4個(gè)試樣測量結(jié)果的平均值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，可以看出隨著焊條烘焙溫度的增加，擴(kuò)散氫的含量逐漸減少。這是因?yàn)楹笚l藥皮中的水可分為自由水、結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水。自由水是指藥皮表面上的附著水以及藥皮內(nèi)部的吸附水，其特點(diǎn)是水分子可以自由運(yùn)動，并與周圍大氣環(huán)境的濕度相平衡，它與藥皮的結(jié)合不牢固，易烘干（一般在100℃～250℃保溫一定時(shí)間即可烘干去除）。藥皮原材料中的結(jié)晶水以中性水分子（H2O）的形式參與礦物的結(jié)晶構(gòu)造，并占有固定位置，一般加熱到200℃～500℃會失水，但失水并不完全充分。結(jié)構(gòu)水以H+，OH-，H3O+離子狀態(tài)加入礦物晶格構(gòu)造。這些離子在礦物晶格中占有一定位置，結(jié)合得比結(jié)晶水更加牢固，必須破壞含水物質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)才能去除水分。通常焊條在正常烘焙溫度下難以去除結(jié)構(gòu)水，只有在600℃～1 000℃條件下，才能因晶格破壞而逸出。

圖1 三種焊條隨烘焙溫度的增加擴(kuò)散氫含量的變化Fig.1Three electrode with the increase of the baking temperature diffusion hydrogen volume changes

2.2 焊縫金屬抗拉強(qiáng)度對擴(kuò)散氫含量的影響

采用萬能試驗(yàn)機(jī)分別測定E5015、E8515和E9018三種焊條焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度，測定結(jié)果如表2所示。材料強(qiáng)度與其化學(xué)成分有關(guān)。根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25777—2010規(guī)定，以及全譜直讀火花光譜儀的標(biāo)準(zhǔn)測定試樣的化學(xué)成分，標(biāo)樣的規(guī)格為：熔敷金屬的寬度大于等于16 mm，熔敷金屬的厚度大于等于1 mm。三種焊條熔敷金屬的主要化學(xué)成分及含量如表3所示。

表2 三種不同焊條焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度及平均擴(kuò)散氫含量Table 2Three different electrode weld metal tensile strength and average diffusion hydrogen content

表3 E5015、E8515和E9018三種焊條熔敷金屬的化學(xué)成分Table 3Three electrode E5015，E8515 and E9018 main chemical composition ％

在添加Si和Mn的焊縫金屬中，其抗拉強(qiáng)度主要與固溶強(qiáng)化、顯微組織和二次相顆粒尺寸有關(guān)[6]。由表3可知，三種焊條對應(yīng)的熔敷金屬Si、Mn含量逐漸上升，在含Mn元素的焊縫中，隨著焊縫金屬中Si含量的增加，焊縫金屬中針狀鐵素體數(shù)量增加，長寬比發(fā)生變化，二次相數(shù)量增加，三種焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度逐漸上升。另外隨著焊縫金屬中Mn含量的增加，焊縫金屬中針狀鐵素體的數(shù)量逐漸增加，先共析鐵素體和層狀組分的數(shù)量也相應(yīng)增加，同時(shí)焊縫的針狀鐵素體和粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)的顯微組織變得細(xì)小，使焊縫熔敷金屬抗拉強(qiáng)度上升[7]。

氟石和石英主要參與脫氫的化學(xué)反應(yīng)如下

生成的HF是較穩(wěn)定的氣體，高溫時(shí)不易分解。由式（5）可知，在含Mn元素的焊縫中，隨著焊縫金屬中Si含量的增加，焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度上升，脫氫效果越來越明顯。

2.3 焊接區(qū)組織特征分析

常溫和烘干400℃×1 h下，三種焊條的焊縫組織如圖2～圖4所示。在擴(kuò)散氫實(shí)驗(yàn)中，每種焊接接頭都在焊后進(jìn)行了水冷處理。結(jié)果表明，三種焊條的焊縫組織均由針狀鐵素體、板條狀鐵素體以及馬氏體、貝氏體組成，但各組織的含量有所不同。

圖2 E5015焊條的焊縫組織Fig.2Weld microstructure of E5015 welding rod

圖3 E8515焊條的焊縫組織Fig.3Weld microstructure of E8515 welding rod

圖4 E9018焊條的焊縫組織Fig.4Weld microstructure of E9018 welding rod

由于水冷比空冷冷卻速度快，焊縫中基本不出現(xiàn)先共析鐵素體，只有少量的針狀鐵素體和板條狀鐵素體。常溫狀態(tài)下的焊條其焊縫中馬氏體和上貝氏體多于烘焙條件下的；E5015焊條和E8515焊條，其焊縫中板條狀鐵素體多于E9018焊條焊縫中的，而粒狀貝氏體則少于E9018焊條焊縫中的。

3 結(jié)論

（1）隨著焊條烘焙溫度的升高，焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量減少。

（2）焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度越大，焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量越少。

（3）常溫狀態(tài)下的焊條其焊縫中馬氏體和上貝氏體多于烘焙條件下的；E5015焊條和E8515焊條，其焊縫中板條狀鐵素體多于E9018焊條焊縫中的，而粒狀貝氏體少于E9018焊條焊縫中的。

[1]張文鉞.焊接冶金學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[2]王曉東，文九巴.低合金高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼擴(kuò)散氫的研究進(jìn)展[J].洛陽工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23（2）：16-20.

[3]劉忠杰，肖桐.焊縫金屬中可擴(kuò)散氫含量的實(shí)驗(yàn)研究[J].兵器材料與工程，2003，26（5）：44-45.

[4]洪江波，熊征.高強(qiáng)焊條藥皮堿度對韌性與擴(kuò)散氫的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2008，29（5）：18-20.

[5]劉全印，暢保鋼.關(guān)于焊接材料擴(kuò)散氫含量檢測試驗(yàn)的討論[J].焊接技術(shù)，2011，40（4）：52-54.

[6]尹士科．焊接材料實(shí)用基礎(chǔ)知識[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[7]薛旭斌，王青云.E5015（J507）焊條藥皮中大理石的顆粒度對其熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能的影響[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2014，29（5）：7-9.

Impact of electrode primitive state on diffusible hydrogen content in the weld metal

HUANG Jingpeng，XU Xueli，ZHENG Genggeng，LUO Lihui
（School of Materials Science and Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

By choosing E5015,E8515 and E9018 three electrodes at three baking temperature，such as room temperature，at 200℃for 1 h，at 400℃for 1 h respectively，diffusible hydrogen content in weld metal are analyzed.The results show that with the increase of electrode baking temperature and tensile strength of deposited metal，the content of diffusible hydrogen in weld metal gradually reduces；under the normal temperature state of electrode in the weld on martensite and upper bainite are more than baking conditions；E5015 electrode and E8515 electrode，the weld than E9018 electrode medium plate strip ferrite in the weld，and granular bainite than in less E9018 electrode weld.

low alloy steel；alkaline welding rod；baking temperature；deposited metal；diffusible hydrogen

TG422.1

A

1001－2303（2017）01－0116-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.23

獻(xiàn)

黃景鵬，徐學(xué)利，鄭梗梗，等.焊條原始狀態(tài)對焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：116-119.

2016-06-08

西安石油大學(xué)《材料科學(xué)與工程》省級優(yōu)勢學(xué)科資助項(xiàng)目（ys37020203）

黃景鵬（1992—），男，陜西寶雞人，在讀碩士，主要從事焊接冶金學(xué)、金屬材料焊接性等研究工作。