熔敷金属中扩散氢测定方法标准化现状与分析

姜英龙 , 杨子佳 , 宋北 , 孙晓梅 , 袁红 , 贾蒙

(1.国家焊接材料质量监督检验中心，黑龙江，哈尔滨 150001；2.大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司，辽宁，大连 116000)

0 前言

焊接熔敷金属中扩散氢含量对焊接接头中氢含量分布具有重要影响，在相同拘束条件下的高强钢接头中，扩散氢含量越高越容易产生延迟裂纹，所以焊接熔敷金属中扩散氢含量的控制与检测愈加重要。目前，国内外现行有效，且具有代表性的熔敷金属中扩散氢含量测定的标准有GB/T 3965—2012《熔敷金属中扩散氢测定方法》、AWS A4.3—93(R2006)《马氏体、贝氏体和铁素体钢电弧焊焊缝金属中扩散氢含量测定的标准方法》、ISO 3690:2018《焊接及相关工艺—电弧焊焊缝金属中氢含量的测定》、JIS Z 3118:2007《钢质焊缝扩散氢含量测量方法》[1-3]。文中根据熔敷金属扩散氢含量测定的主要影响因素对上述四项标准进行对比分析。

1 标准化现状

中国国家标准GB/T 3965现行版本为2012版，修改采用ISO 3690:2000版本；美国AWS A4.3标准由原1986版本更新至1993版本后一直沿用至今；ISO于2012版本之后，在2018年发布了新版本；日本JIS Z 3118现行版本为2007年发布，也是修改采用ISO 3690:2000版本。上述四项标准检测的适用范围基本一致，为马氏体、贝氏体、铁素体组织的电弧焊焊缝。四种方法适用于电弧焊，只有JIS Z 3118:2007(以下简称JIS)规定不适用自保护药芯焊丝电弧焊和TIG焊。GB/T 3965—2012(以下简称GB)、ISO 3690：2018(以下简称ISO)中规定的基本测氢方法为水银法和热导法(包括色谱法/集氢法、载气热提取法)，AWS A4.3—93(R2006)(以下简称AWS)规定的基本测氢方法为水银法和色谱法，JIS中规定的基本测氢方法为气相色谱法，考虑环境污染问题一直没有采用水银法。

2 熔敷金属中扩散氢测定试验要求

2.1 试块要求

四项标准中选用母材及其相应化学成分要求(见表1)大体一致，材质均为碳素钢，除AWS外，其他三个标准对C，S元素提出了要求。试件组合为引弧板+中心试块+引出板。

表1 四项标准对扩散氢含量测定试验用试块母材及处理

其中去氢处理温度不同，比较试验结果，没有差异。其原因有几个方面：第一，由于钢材本身的含H量不高；第二，由于扩散氢主要存在于400 ℃以下，400 ℃以上为残余氢，对收集结果影响很小。

四项标准所用试样尺寸见表2，ISO 3690：2012[4]原本包含了AWS的尺寸(A型)，2018版本新增加D型试件组合后，即涵盖了JIS所用试样尺寸。在实际试验过程中，需要针对不同焊接方法选用对应类型的试件组合。

表2 四项扩散氢含量测定标准试件尺寸及称重精度

2.2 焊接工艺参数要求

四项标准中，AWS,ISO和GB标准对焊接材料的产品分类和检验两种情况进行了说明，JIS标准中未做区分。其中AWS标准中对焊接参数进行了统一说明：用于焊条、焊丝、埋弧焊材和其他按照熔敷金属扩散氢含量分类试验时，焊接参数(电流、电压等)应与相应的AWS焊接材料规程要求的分类拉伸试样所用的焊接试件制备用的参数完全一致，但此时采用直线焊接技术(不摆动)及相适应的焊接速度；分类之外的检验等其他情况，焊接参数由供需双方之间商定。每组焊剂仅适用于该组试验。

2.2.1用于产品分类的试验参数

按照产品分类GB,JIS,ISO三项标准的焊接工艺参数对比情况见表3、表4、表5。产品分类扩散氢含量测定试验焊接及环境等要求见表6。

表3 分类用焊条扩散氢含量测定试验参数

表4 分类用埋弧焊材扩散氢含量测定试验参数

表5 分类用气体保护实心焊丝和气、自保护药芯焊丝扩散氢含量测定试验参数

表6 产品分类扩散氢含量测定试验焊接及环境等要求对比

2.2.2 用于产品检验的试验参数

按照产品检验GB，ISO两项标准的焊接工艺参数对比情况见表7、表8、表9，产品检验通常采用焊接实际使用参数，如无特别要求一般按制造商推荐值。

表7 检验用焊条扩散氢含量测定试验参数

表8 检验用埋弧焊材扩散氢含量测定试验参数

表9 检验用气体保护实心焊丝和气、自保护药芯焊丝扩散氢含量测定试验参数

对于焊接热输入限制，GB要求所适用焊接方法的热输入均控制在3 kJ/mm以下；ISO仅规定埋弧焊的热输入控制在3 kJ/mm以下，其他适用的焊接方法正常规范的热输入基本不会超过3 kJ/mm。

2.3 试件焊后处理要求

焊接完成后，试件处理对比见表10。

表10 焊后试件处理对比

GB和ISO要求焊后试件检查时应保证焊道均匀，背面热影响区痕迹均匀、氧化未延伸至背面边缘。四项标准对测氢焊接数据记录表要求有效信息基本一致，包括焊接材料种类、规格、焊接参数、试块焊接前后重量、环境温度、环境湿度等。

2.4 试件焊接要求

四项标准对焊接铜夹具样式要求基本相同，采用铜为主体材料，夹紧试件受力均匀，能够快速松开试件；如需要，附带循环水冷却，但与试件组合接触面不能出现冷凝。可选薄铜片避免烧损铜夹具和容纳焊剂，GB使用1 mm厚度，AWS中使用厚度≤2 mm。铜箔经过退火并水淬后可在稀释的硝酸(10%)中去除氧化物，然后用蒸馏水清洗并干燥。GB，ISO和JIS要求每道焊缝施焊前夹具表面温度控制在室温～室温+25 ℃，AWS规定的是夹具表面温度控制在赤手可摸，不允许将夹具与试件一同放入水中冷却，入水冷却前应先将试块取下。

3 收集方法

3.1 水银法

JIS标准中不采用水银方法，其余三项标准均将水银法视为基本测定方法之一，具体要求见表11。

表11 水银法测氢要求对比

三项标准对水银法的计算方式相同，首先，将读数的氢气体积转换为标准状态下的体积，其次，将试块的前后重量相减，得出熔敷金属的重量，最后，将氢气体积装换为标准规定的每100 g熔敷金属中的扩散氢含量。

3.2 热导法

通常情况使用热导检测器的系统是以下两种类型之一：第一种是载气热提取法，常称为热导法，试样被加热到相对高的温度(最高至400 ℃)，扩散氢从试样释出并持续测量；第二种是集氢法，即将试样放入适宜的收集器中加热到相对较低的温度(一般采用45～150 ℃)，收集的氢由之后单独的步骤进行定量，典型地是使用气相色谱装置，一直习惯称为色谱法。

其中GB和ISO对这两种方法做了说明，均采纳为基本测定方法之一；AWS标准规定了使用气相色谱法作为基本测定方法之一，也可采用其他准确度和再现性相当的方法进行验证后用于扩散氢的检测；JIS标准只采纳气相色谱法，测氢的最大精度可达0.01 mL，对方法、设备等进行了详细描述，四项标准的对照差异见表12。

表12 热导法、气相色谱法各标准方法对比

总体而言，当水银法及气相色谱法使用B型试件组合，且收集条件为45 ℃×72 h，在相同条件下进行试验的水银法和气相色谱法可以视为等同的方法；载气热提取法使用A型试件组合且收集条件为400 ℃×0.35 h时，载气热提取法数值略低，其数值随着收集试件的增长而增加，并存在一个最佳收集时间，使得其测得的数值与水银法具有较好的一致性[5]。除此之外，在进行热导法试验时，对设备所处的环境温度也有要求，温度过高或温度过低会造成设备的不稳定，所以除需要对设备进行定期维护，还需保证设备在其最佳工作环境。

3.3 甘油法

甘油法作为测定焊缝金属扩散氢的方法已经应用多年。虽然使用甘油收集氢操作简单且成本低廉，但精度不够高，主要原因是扩散出来的氢在甘油中的弥散和溶解以及一些较细的气泡不好收集。所以现在甘油法已逐渐被淘汰，目前仅GB/T和ISO标准在资料性附录中做出了说明，AWS和JIS标准中已将甘油法去掉。

4 结论

文中主要阐述了四项国内外常用的熔敷金属扩散氢检测标准之间的差异，通过比较可知，由于GB和JIS制定的基础是参照ISO 3690:2000版本，所以这三项标准构架大体一致。ISO 3690:2018增加了D型试样尺寸，覆盖更广，收集规范细化、明确了要求以及强调了载气热提取法的最短收集时间要对应实际的试样自身温度，以免收集不充分，其他标准使用此方法时也应注意充分收集；AWS标准对细节之处的要求较其他标准相比较少；JIS标准仅采用气相色谱法，对其做了较为详尽的规定，包括校准、次数等细节；GB标准为符合国内情况，在附录中保留了甘油法测氢作为过渡。

各种方法的细节各有不同，实际操作过程中，根据产品的实际应用情况选择适用的标准和测定方法，并按照标准要求进行规范性操作。