低合金高强度焊接结构钢扩散氢的研究进展

基金项目::国防预研项目(590MPa 级船用高强钢配套焊接材料研究)作者简介:王晓东(1977-),男,浙江省平湖市人,硕士生收稿日期:2002-01-28文章编号:1000-5080(2002)02-0016-05低合金高强度焊接结构钢扩散氢的研究进展王晓东1,文九巴1,魏金山2(1.洛阳工学院材料科学与工程系,河南洛阳471003;2.洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471003)摘要:综述了国内外船用低合金高强度焊接结构钢扩散氢的研究现状和发展趋势,对扩散氢的作用、扩散氢的测量方法、扩散氢的影响因素等方面的研究成果进行了介绍和评价,并在此基础上提出了扩散氢今后的研究重点应放在焊缝有效扩散氢、扩散氢逸出特性以及影响扩散氢逸出特性的因素研究上。

关键词:低合金钢;焊接;结构钢;焊缝中图分类号:TG457.11 文献标识码:A0　前言现代造船业中为了减轻船体重量,提高构件的承载能力,普遍使用低合金高强度舰船结构钢[1]。

传统典型的船用高强度钢如美国的HY 系列,日本的NS 系列以及俄罗斯的AK 系列钢等都是经正火或淬火回火处理强化基体的高强钢,此类钢碳当量比较高,而焊件的焊接性及韧性与碳当量成反比[2],所以这些钢的焊接性能差,尤其是焊接HAZ 区容易淬硬,并且对氢致裂纹(HIC )敏感,在拘束应力较大时易出现冷裂纹。

冷裂纹产生的原因主要是由于焊缝金属及HAZ 区的淬硬性,有足够的扩散氢含量和较大的拘束应力,而且冷裂纹一般均出现在焊接热影响区[3～5]。

因此,防止冷裂纹的一个主要措施就是严格控制焊缝和HAZ 区中的氢含量。

早在20世纪40年代,人们就已经开始对钢中氢的行为进行研究,但由于焊接过程本身是一个非平衡过程,焊后焊缝组织是非平衡组织,焊缝中的氢扩散行为属于非平衡条件下的动态耗散结构,因而使得其扩散行为更为复杂[6]。

目前,关于焊接时氢的行为仍是国际上的重点研究课题之一。

1　国内外研究现状1.1　扩散氢的作用钢中氢的行为一般是指氢在钢中的扩散和聚集、溶解和逸出过程。

钢中的氢可分为扩散氢和残余氢两部分,扩散氢是指溶于金属晶格中的原子态以及离子态的、在金属中具有自由扩散能力以及被可逆陷阱所捕获的那部分氢[7]。

大部分体心立方金属与合金焊接时,进入焊缝和热影响区中的氢将会对接头产生极大危害。

主要是在焊缝中形成氢气孔和白点、在焊缝和热影响区中产生氢脆或氢致裂纹[6～8]。

(1)形成氢气孔、白点氢气孔是焊缝中常见的气孔之一,其主要原因是焊接时熔池吸收了大量的氢,在凝固时由于氢溶解度的突然下降,使氢在焊缝中处于过饱和状态,促使产生如下反应:2[H]=H 2,反应所生成的分子态氢不溶于金属而在液态金属中形成气泡,当焊缝金属晶粒的长大速度大于气泡的长大速度时,形成的气泡来不及逸出,便在焊缝中产生氢气孔。

显然在凝固温度,氢在固液相中的溶解度差别越大,则越容易产生氢气孔,在平衡状态下氢在铁中的溶解度凝固后为凝固前的1/3(凝固前后分别为25ml/100g 和8ml/100g ),若在焊接非平衡条件下,凝固前后的溶解度差别会更大,因而更利于氢气孔的生成[6]。

碳钢或低合金钢焊缝,若含氢量高,则常常在其拉伸或弯曲断面上出现银白色圆形局部脆断点,即所谓的白点[6]。

焊缝金属对白点的敏感性与含氢量、金属组织以及变形速度等因素有关。

一般来说,碳钢和用Cr 、Ni 、Mo 等合金化的焊缝对白点较敏感,焊缝中的气孔或夹杂物周围易形成白点,焊缝含氢量越多,出第23卷第2期2002年 6月洛　阳　工　学　院　学　报JournalofLuoyangInstituteofTechnology Vol.23　No.2June2002现白点的可能性越大。

(2)氢脆和氢致裂纹氢使焊缝在室温附近塑性严重下降,称为氢脆。

关于氢脆和氢致裂纹的研究比较多,如日本的铃木春羲等[9]在HY-80钢堆焊焊道区的横截面上,加以一定量的变形,连续观察热影响区氢裂的发生和扩展,结果表明,在塑性变形区的位错或空腔内积聚了大量的扩散氢,并在应力作用下产生了显微裂纹;另有研究表明[10],在给定应力状态和加载速率下氢在裂纹尖端区域是能动的,并且能激发不同的裂纹开裂方式,如微孔聚集开裂、沿晶断裂等,其类型取决于氢和应力集中状况。

我国在氢致裂纹机理方面也取得了突出成果,如张文钺等[11]通过显微镜下录像测氢法研究了几种国产低合金高强钢焊接区扩散氢动态分布的规律,认为焊接区氢陷阱的不均匀分布是造成扩散氢聚集以及导致开裂的主要原因;李晓泉等[12]通过氢的聚集试验表明,扩散氢含量的高低并不直接影响氢致裂纹的形成,而扩散氢与晶体缺陷交互作用导致氢气聚集,产生内压力才是形成氢致裂纹的本质因素。

总的来看,目前对氢致裂纹机理的研究主要有以下几种观点[13,14]:①氢原子在金属内部缺陷处聚集形成氢分子,产生局部氢压力;②吸附氢降低形成微裂纹所需的表面能;③氢对解理裂纹萌生和扩展有促进作用;④氢促进裂尖局部塑变从而促使断裂。

目前对钢中氢的行为的研究应根据焊接过程的特点分阶段研究氢的扩散行为和聚集特点,这对控制钢中氢的行为具有重大意义。

1.2　扩散氢的测量熔敷金属的扩散氢含量,是指焊后立即按标准方法测定并换算为标准状态下的含氢量。

为了使测氢准确和便于比较试验结果,许多国家都制订了测定熔敷金属中扩散氢的标准方法。

(1)水银法水银法是国际标准化组织规定的标准扩散氢测定法,英国、法国、德国等都采用此法[15]。

水银法测氢的主要优点是水银不吸收氢,测试精度非常高(可达0.05ml ),它是一种基准方法,可用于校验其它测氢方法的可靠性。

水银法也适于测定埋弧焊材料的扩散氢含量,目前我国对埋弧焊焊缝扩散氢含量的测定尚无标准[16],有待于通过各种测氢方法的相互比较来确定。

但由于水银对人体有害,而且会对环境造成污染,限制了它的实际应用范围。

目前,俄罗斯、日本等国的测氢标准均未采用水银法。

(2)甘油法甘油法自1949年由Stem 发明以来已使用50余年,至今仍是许多国家的标准测氢方法,如新的日本标准JISZ311821986规定氢含量在2ml/100g 以上仍可使用甘油法[17]。

甘油法的优点是设备简单,操作方便,对人体无毒害等。

但随着低氢和超低氢焊条的研制不断取得重大进展,焊缝中的扩散氢含量已经能够控制在很低的范围内(低于2ml/100g ),而甘油粘度大,从试样中逸出的小氢气泡往往附着在试样及测量管壁上或悬浮在甘油中,而且甘油能溶解部分氢,故甘油法测量准确性较差,只有水银法的50%～75%[15,18],因而不适用于测量低氢和超低氢焊接材料的扩散氢含量。

(3)气相色谱法气相色谱法实质上是分析化学领域中用气相色谱法分析多组分气体的具体应用,其原理就是利用氢敏色谱元件转为电讯号并用数字显示[19]。

该方法既克服了水银法的毒害和污染问题,又解决了甘油法测氢精度低的缺点(色谱法测试精度可达0.01ml ),而且可分辨多组分气体,实现多组分气体联测,数据处理自动化,是一种很有前途的测氢方法[20],在国外已广泛应用,甚至被列入国家标准,如美国、日本等。

但气相色谱法也存在一些缺点,如仪器价格高,操作复杂等。

(4)酒精法酒精法是前苏联20世纪60年代研制开发的测氢方法,至今仍在俄罗斯的科研生产中广泛应用。

酒精法的测氢原理和甘油法相同,只是用酒精来代替甘油。

但酒精法所采用的取样方式与其它测氢方法不同,取样的合理性对于准确测出扩散氢含量十分重要,目前各种测氢方法大都采用在母材上堆焊的方式制取试样,而酒精法采用在水冷铜模上直接堆焊的指状试样,其取样和操作十分方便,而且酒精粘度小,克服了甘油粘度大的缺点,因而可用来测试低氢和超低氢焊接材料的扩散氢含量。

酒精法的主要缺点是采用酒精作收集液来测定熔敷金属扩散氢含量,集气过程本身有一定的误差,其所测得的扩散氢含量低于水银・71・ 第2期王晓东等:低合金高强度焊接结构钢扩散氢的研究进展法和气相色谱法所测得的扩散氢含量[21]。

(5)排液法排液法是天津大学研制的新型测氢方法,基本原理是通过在特制的测定器中,由试件逸出的氢气所排挤出的测定介质-甘油的体积来间接测量扩散氢的体积[22]。

采用排液法测氢时,扩散氢的测定值只与试件中氢的逸出量有关,与氢气泡在测定器内的位置关系不大,这就从根本上解决了集气法中难于解决的气泡附着和悬浮问题。

此外,排液法用的甘油量少,大大减少了测氢过程中氢气在甘油中溶解的量,提高了测量扩散氢的准确性,而且设备简单,操作方便,没有公害,可用于超低氢焊接材料扩散氢的测定,具有很好的应用前景。

以上测氢方法都有一定的局限性,随着超低氢焊接材料的研制不断取得重大进展,研制更精确、可靠、简便、经济和没有公害的新型测氢方法显得尤为重要。

1.3　扩散氢含量的影响因素(1)焊接材料的选择对扩散氢含量的影响焊接材料对焊接质量的影响很大。

图1为不同类型的焊条在相同焊接条件下焊后熔敷金属的扩散氢含量[23]。

可见,低氢型焊条焊后扩散氢含量最少,而钛铁矿型焊条焊后扩散氢含量最多。

最近有研究表明[24]:对HSLA 钢采用奥氏体焊条焊接,焊后熔敷金属中的扩散氢含量较低,接头无任何裂纹。

焊接材料的成分对焊后扩散氢含量影响较大,例如改变焊剂中的CaF 2与SiO 2的比例,提高焊剂碱度,能有效降低熔敷金属的扩散氢含量,其原因是F-1在焊接电弧作用下与H+形成微溶于熔融铁水的HF 而逸出[25];随着CaCO 3的增加,扩散氢含量明显下降,是由于焊接时CaCO 3分解出CO 2气体,具有降氢作用,因此向焊剂中加入较多的CaCO 3是降氢的重要措施[26]。

而当药皮组成物确定之后,合适的烘焙工艺是降低焊缝金属扩散氢含量的关键,文献[27]指出,随着烘干温度的提高,焊缝扩散氢含量下降,当烘干温度达到450℃时,扩散氢含量最低,但烘干温度过高,药皮易变质从而失去保护作用。

目前,为降低焊缝金属的扩散氢含量,一般对焊接材料采取了4条措施[28]:①在药皮的组元中尽可能少加或不加含结晶水、化合水多的物质;②在粘结剂———水玻璃的使用中采取最佳的钾钠搭配,使其防吸湿效果最好,并加入一定量的海藻胶和氧化镁以改善压涂性能和增加焊条药皮表面的微密度,从而降低了药皮的吸湿量;③在药皮组元中采用了较强的脱氢物质;④对焊条进行适当而充分的高温烘焙。

(2)焊接参数选择对扩散氢含量的影响焊接热过程中各参数对焊后熔敷金属中扩散氢有重大影响,文献[29]指出,埋弧自动焊熔敷金属扩散氢含量随热输入的增加而减少,这是由于随热输入的增加,熔池在液态存在的时间增长,有利于扩散氢的逸出;从焊接条件看,热输入的增加主要是电流的增大,而电流的增加对熔池的作用力如电磁力、熔滴冲击力有所加强,使熔池金属中液态金属的流动速度和搅拌作用加强,亦有利于氢的逸出。