焊条原始状态对焊缝金属中扩散氢含量的影响

黄景鹏，徐学利，郑梗梗，罗立辉

（西安石油大学材料科学与工程学院，陕西西安710065）

焊条原始状态对焊缝金属中扩散氢含量的影响

黄景鹏，徐学利，郑梗梗，罗立辉

（西安石油大学材料科学与工程学院，陕西西安710065）

选用E5015、E8515和E9018三种焊条，分别在常温、200℃×1h，400℃×1h三种烘焙温度下分析研究焊缝金属中扩散氢含量。结果表明：随着焊条烘焙温度的升高以及熔敷金属抗拉强度的增大，焊缝金属中扩散氢的含量逐渐减少；常温状态下的焊条其焊缝中马氏体和上贝氏体比烘焙条件下的多；E5015焊条和E8515焊条，其焊缝中板条状铁素体多于E9018焊条，而粒状贝氏体少于E9018焊条。

低合金钢；碱性焊条；烘焙温度；熔敷金属；扩散氢

0 前言

氢致裂纹是石油管道高强钢焊接过程中经常遇到危害性极大的焊接缺陷，其中焊缝中的扩散氢是其产生的主要原因[1]。

随着现代石油管道工程中所用钢材强度越来越高，采用低氢高韧性焊接材料可降低氢致裂纹的产生几率，还能很大程度上降低对工艺条件的要求。近年来，国内外都在着手于研究扩散氢，并在扩散氢的作用、测量方法及影响因素等方面取得了不少研究成果[2-5]。在此采用不同焊条在不同的烘焙温度下测量熔敷金属中的扩散氢，并研究其对扩散氢含量的影响。

1 实验内容

根据标准GB3965-83，采用甘油法测定焊接接头中扩散氢的含量。选用直径4 mm的三种碱性焊条（E5015、E8515、E9018）以及三种烘焙温度（常温、200℃×1 h、400℃×1 h）作为实验条件。试板为Q235钢，板厚4 mm。

1.1 试样及其制备

按国家标准，引弧板试样尺寸50 mm×20 mm× 4 mm，熄弧板试样尺寸70 mm×20 mm×4 mm。焊前采用机械方法打磨试板、引弧板和熄弧板，清除表面的铁锈和保护漆，得到光滑平整的表面。进行扩散氢实验前，采用精度为0.1 g的电子称重仪对试样进行称重，得到试样的实际质量m1。

将焊条E5015、E8515、E9018分别在同一温度和湿度环境下进行常温、烘焙200℃×1 h、烘焙400℃×1 h，然后进行焊接。

1.2 焊接

试验焊机为ZX7-400型焊条电弧焊机，电源接法为直流反接。焊接工艺参数如表1所示。

表1 扩散氢实验焊接工艺参数Table 1Welding parameters for the hydrogen diffusion experiment

将引弧板、试板和熄弧板依次放好并采用表1工艺参数进行焊接，焊接过程中不能断弧，停焊10 s内将试样置入约15℃的冷水中10～20 s使其迅速冷却，用机械方法去除引弧板和熄弧板。随后用酒精清洗使其表面无残余物质，最后用镊子取出并用吹风机吹干试板。

1.3 扩散氢的收集

将吹干的试板迅速放入充满甘油的玻璃收集器内（注：收集器和甘油之前已经置于烘箱中），试样从焊完到放入收集器内所用时间不超过90 s，并保持烘箱温度为45℃恒温。试板放入收集器内24 h后收集吸附在收集器管壁的气泡并准确读取氢气的体积V，最后用电子称重仪测量逸出氢气后试板的质量m2。

1.4 扩散氢含量的计算

式中HD为熔敷金属中扩散氢含量（单位：mL/100g）；VD为收集的扩散氢的体积（单位：mL）；T0=273 K；t为恒温收集箱温度，t=45℃；T为恒温收集器温度，T=318 K；m2为焊后中心试板质量（单位：g）；m1为焊前中心试板质量（单位：g）；P为实验室气压，P= 97.9 kPa；P0为标准大气压101 kPa。每组试验应取算术平均值并保留一位小数作为试验结果。

2 实验结果与分析

2.1 焊条烘焙温度对焊缝金属中扩散氢含量的影响

选用E5015、E8515和E9018三种焊条分别在常温、200℃×1 h和400℃×1 h三种烘焙温度下测定焊缝金属中扩散氢的含量。即共有9组试验，每组试验取4个试样，扩散氢含量取4个试样测量结果的平均值。

实验结果如图1所示，可以看出随着焊条烘焙温度的增加，扩散氢的含量逐渐减少。这是因为焊条药皮中的水可分为自由水、结晶水和结构水。自由水是指药皮表面上的附着水以及药皮内部的吸附水，其特点是水分子可以自由运动，并与周围大气环境的湿度相平衡，它与药皮的结合不牢固，易烘干（一般在100℃～250℃保温一定时间即可烘干去除）。药皮原材料中的结晶水以中性水分子（H2O）的形式参与矿物的结晶构造，并占有固定位置，一般加热到200℃～500℃会失水，但失水并不完全充分。结构水以H+，OH-，H3O+离子状态加入矿物晶格构造。这些离子在矿物晶格中占有一定位置，结合得比结晶水更加牢固，必须破坏含水物质的晶格结构才能去除水分。通常焊条在正常烘焙温度下难以去除结构水，只有在600℃～1 000℃条件下，才能因晶格破坏而逸出。

图1 三种焊条随烘焙温度的增加扩散氢含量的变化Fig.1Three electrode with the increase of the baking temperature diffusion hydrogen volume changes

2.2 焊缝金属抗拉强度对扩散氢含量的影响

采用万能试验机分别测定E5015、E8515和E9018三种焊条焊缝金属的抗拉强度，测定结果如表2所示。材料强度与其化学成分有关。根据我国标准GB/T 25777—2010规定，以及全谱直读火花光谱仪的标准测定试样的化学成分，标样的规格为：熔敷金属的宽度大于等于16 mm，熔敷金属的厚度大于等于1 mm。三种焊条熔敷金属的主要化学成分及含量如表3所示。

表2 三种不同焊条焊缝金属的抗拉强度及平均扩散氢含量Table 2Three different electrode weld metal tensile strength and average diffusion hydrogen content

表3 E5015、E8515和E9018三种焊条熔敷金属的化学成分Table 3Three electrode E5015，E8515 and E9018 main chemical composition ％

在添加Si和Mn的焊缝金属中，其抗拉强度主要与固溶强化、显微组织和二次相颗粒尺寸有关[6]。由表3可知，三种焊条对应的熔敷金属Si、Mn含量逐渐上升，在含Mn元素的焊缝中，随着焊缝金属中Si含量的增加，焊缝金属中针状铁素体数量增加，长宽比发生变化，二次相数量增加，三种焊缝金属的抗拉强度逐渐上升。另外随着焊缝金属中Mn含量的增加，焊缝金属中针状铁素体的数量逐渐增加，先共析铁素体和层状组分的数量也相应增加，同时焊缝的针状铁素体和粗晶区、细晶区的显微组织变得细小，使焊缝熔敷金属抗拉强度上升[7]。

氟石和石英主要参与脱氢的化学反应如下

生成的HF是较稳定的气体，高温时不易分解。由式（5）可知，在含Mn元素的焊缝中，随着焊缝金属中Si含量的增加，焊缝金属的抗拉强度上升，脱氢效果越来越明显。

2.3 焊接区组织特征分析

常温和烘干400℃×1 h下，三种焊条的焊缝组织如图2～图4所示。在扩散氢实验中，每种焊接接头都在焊后进行了水冷处理。结果表明，三种焊条的焊缝组织均由针状铁素体、板条状铁素体以及马氏体、贝氏体组成，但各组织的含量有所不同。

图2 E5015焊条的焊缝组织Fig.2Weld microstructure of E5015 welding rod

图3 E8515焊条的焊缝组织Fig.3Weld microstructure of E8515 welding rod

图4 E9018焊条的焊缝组织Fig.4Weld microstructure of E9018 welding rod

由于水冷比空冷冷却速度快，焊缝中基本不出现先共析铁素体，只有少量的针状铁素体和板条状铁素体。常温状态下的焊条其焊缝中马氏体和上贝氏体多于烘焙条件下的；E5015焊条和E8515焊条，其焊缝中板条状铁素体多于E9018焊条焊缝中的，而粒状贝氏体则少于E9018焊条焊缝中的。

3 结论

（1）随着焊条烘焙温度的升高，焊缝金属中扩散氢含量减少。

（2）焊缝金属的抗拉强度越大，焊缝金属中扩散氢含量越少。

（3）常温状态下的焊条其焊缝中马氏体和上贝氏体多于烘焙条件下的；E5015焊条和E8515焊条，其焊缝中板条状铁素体多于E9018焊条焊缝中的，而粒状贝氏体少于E9018焊条焊缝中的。

[1]张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，1995.

[2]王晓东，文九巴.低合金高强度焊接结构钢扩散氢的研究进展[J].洛阳工学院学报，2002，23（2）：16-20.

[3]刘忠杰，肖桐.焊缝金属中可扩散氢含量的实验研究[J].兵器材料与工程，2003，26（5）：44-45.

[4]洪江波，熊征.高强焊条药皮碱度对韧性与扩散氢的影响[J].焊接学报，2008，29（5）：18-20.

[5]刘全印，畅保钢.关于焊接材料扩散氢含量检测试验的讨论[J].焊接技术，2011，40（4）：52-54.

[6]尹士科．焊接材料实用基础知识[M].北京：化学工业出版社，2004.

[7]薛旭斌，王青云.E5015（J507）焊条药皮中大理石的颗粒度对其熔敷金属化学成分及力学性能的影响[J].材料开发与应用，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

献

黄景鹏，徐学利，郑梗梗，等.焊条原始状态对焊缝金属中扩散氢含量的影响[J].电焊机，2017，47（1）：116-119.

2016-06-08

西安石油大学《材料科学与工程》省级优势学科资助项目（ys37020203）

黄景鹏（1992—），男，陕西宝鸡人，在读硕士，主要从事焊接冶金学、金属材料焊接性等研究工作。