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熔敷金属中扩散氢含量的测定宗杰;蒋志强【摘要】依据GB/T 3965-2012分别采用水银法和热导法对熔敷金属中的扩散氢含量进行了测定,对两种方法的测定结果进行了比较,并运用数理统计方法确定了两种方法测定结果之间的函数关系.结果表明:该两种方法均具有较高的测定精度,且两种方法的测定结果很相近,热导法的略小于水银法的;两种方法熔敷金属扩散氢含量测定结果的线性回归方程为y=1.0195x-0.1898,与y=x非常接近.%According to GB/T 3965 - 2012,the diffusible hydrogen content in deposited metals were determined by mercury method and thermal conductivity method respectively.The determination results by the two methods were compared,and the functional relationship between the determination results by the two methods was determined by using mathematical statistics method.The results show that both the two methods had high determination precision with similar determination results,and the determination results measured by thermal conductivity method were slightly smaller than those measured by mercury method.The linear regression equation between the determination results of diffusible hydrogen content in deposited metals measured by the two methods was y=1.0195x-0.1898 which was very close to y=x.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2017(053)012【总页数】3页(P879-881)【关键词】熔敷金属;扩散氢含量;水银法;热导法;数理统计;函数关系【作者】宗杰;蒋志强【作者单位】四川大西洋焊接材料股份有限公司检测所,自贡 643000;四川大西洋焊接材料股份有限公司检测所,自贡 643000【正文语种】中文【中图分类】TG406目前，常用的测氢方法主要有甘油法、水银法和色谱法。
在熔敷金属中进行扩散氢测定可以采用以下方法：
1.蒸汽相法（Steam Phase Method）：该方法通过将熔敷金属样品置于特定的温度下，使
含有水蒸气的气氛与样品接触。
水蒸气中的氢会扩散入样品中，随后可以使用氢传感器、质谱仪或导电检测器等设备来测量氢含量。
2.热解法（Thermal Desorption Method）：该方法利用高温热解技术将熔敷金属样品中的
吸附氢释放出来，并通过气相色谱仪等设备测量氢气的体积分数。
3.电化学法（Electrochemical Method）：该方法通过将熔敷金属样品作为电极，在一定的
电位下，利用氢在电极表面的反应来测定溶解在熔敷金属中的氢含量。
这种方法通常结合电化学循环伏安法或电化学交流阻抗法进行测量。
4.真空熔融法（Vacuum Fusion Method）：该方法将熔敷金属样品在真空条件下加热至高
温，使熔敷金属中的氢释放出来。
通过对抽取出的气体样品进行质谱分析，可以测定氢含量。
这些方法在熔敷金属中测定扩散氢时具有一定的应用，并根据不同的实验条件和设备可选用适合的方法。
需要注意的是，在使用这些方法时，应保证实验环境的严密性，避免外界氢的污染或干扰，以确保测量结果的准确性。
氢气在金属材料中的扩散行为研究氢气在金属材料中的扩散行为一直以来都备受关注，这种扩散现象不仅与金属材料的性能和稳定性有着密切的关系，还在工业生产和科学研究中具有重要作用。
氢气在金属材料中的扩散行为是一个复杂而值得深入研究的课题。
氢气在金属材料中的扩散行为受多种因素影响，其中包括温度、压力、金属晶体结构、氢气浓度等。
在高温高压下，金属内部的空隙会扩大，从而促进氢气的扩散。
此外，金属晶界的存在也会对氢气的扩散起到一定影响，晶界处更容易发生氢气的扩散现象。
研究发现，氢气在金属材料中的扩散行为并非单纯的线性扩散过程，而是受到金属材料内部结构和化学成分的影响。
例如，在不同温度下，氢气在不同金属中的扩散速度会有所不同，这与金属晶体结构的稳定性以及原子之间的相互作用有关。
另外，金属的晶体缺陷也会对氢气的扩散行为产生影响。
在金属材料中存在着各种缺陷，比如晶界、位错、空位等，这些缺陷会在氢气扩散过程中起到催化作用，加速氢气的扩散速度。
因此，通过研究金属材料的晶体缺陷与氢气扩散之间的关系，可以更好地理解氢气在金属中的扩散机理。
在实际工程中，氢气在金属材料中的扩散行为也会对材料的性能和稳定性产生一定影响。
以氢脆性为例，当金属中吸收了大量氢气后，会导致金属材料的脆性增加，从而影响金属材料的使用寿命和安全性。
因此，研究氢气在金属中的扩散行为对于提高金属材料的抗氢脆性具有重要意义。
此外，氢气在金属材料中的扩散行为还与储氢材料、氢能源等领域密切相关。
随着氢能源的不断发展，氢气在金属中的储存和释放成为了一个重要的研究课题。
研究氢气在金属中的扩散行为，有助于设计更高效、更安全的氢储存材料，促进氢能源的应用。
总结一下本文的重点，我们可以发现，是一个复杂而重要的课题，涉及金属材料的晶体结构、晶体缺陷、化学成分等多方面因素。
通过深入研究氢气在金属中的扩散行为，可以更好地理解金属材料的性能和稳定性，为氢能源的应用和发展提供技术支持。
第1篇一、实验目的本次实验旨在通过测定焊缝熔敷金属中的扩散氢含量，了解焊缝金属中扩散氢的存在形式及其对焊接质量的影响。
同时，通过实验学习水银法和热导法测定扩散氢含量的基本原理和方法。
二、实验原理焊缝金属中的扩散氢主要来源于焊接材料、保护气体和母材。
氢在金属中主要以H 原子、H2分子或H-离子形式存在。
当焊缝金属冷却时，氢会从金属中析出，形成氢脆，导致焊接接头出现延迟裂纹。
本实验采用水银法和热导法测定焊缝金属中的扩散氢含量。
1. 水银法水银法是通过将焊缝金属中的氢与水银反应，根据水银体积的变化来测定扩散氢含量。
实验过程中，将试样加热至一定温度，使氢从金属中析出，并与水银反应生成氢化汞。
通过测量水银体积的变化，计算扩散氢含量。
2. 热导法热导法是通过测量焊缝金属中氢含量对热导率的影响来测定扩散氢含量。
实验过程中，将试样加热至一定温度，使氢从金属中析出。
通过测量试样热导率的变化，计算扩散氢含量。
三、实验材料及仪器1. 实验材料低碳钢板（13020、21520）、焊条（自制焊条4.0、J422、J507）2. 实验仪器测氢仪、集气管、交流电焊机、直流电焊机、试件夹具、远红外电焊条烘干箱、吹风机、钳子、榔头、钢丝刷、瓷盘、绒布、丙酮、乙谜、酒精、秒表等四、实验步骤1. 焊接试样将低碳钢板切割成一定尺寸的试样，分别用不同类型的焊条进行焊接。
焊接过程中，保持焊接电流、电压等参数稳定。
2. 试样处理焊接完成后，将试样放入远红外电焊条烘干箱中烘干，去除表面水分。
3. 水银法测定扩散氢含量（1）将试样放入集气管中，连接测氢仪。
（2）打开测氢仪，预热至规定温度。
（3）将试样放入恒温甘油浴中，保持一定温度和时间。
（4）观察水银体积的变化，记录数据。
4. 热导法测定扩散氢含量（1）将试样放入集气管中，连接测氢仪。
（2）打开测氢仪，预热至规定温度。
（3）将试样放入恒温甘油浴中，保持一定温度和时间。
（4）观察试样热导率的变化，记录数据。
焊缝金属中扩散氢含量的测定一、实验目的1、掌握测定焊缝扩散氢含量的一种方法。
2、了解手工电弧焊时影响焊缝扩散氢含量的几个因素。
二、实验内容1、在正常焊接条件下，比较J422、J507两种焊条焊缝的扩散氢含量；2、比较J422、J507两种焊条不烘与焊前烘干温度为200℃×2h的扩散氢含量。
三、实验准备1、试样材质选择与试验焊条强度等级相近的钢材。
2、试样尺寸为130×25×12mm，尺寸精度为±1mm，每组三个试样。
3、试样预先做去氢处理：在650℃保温1小时或250±10℃保温6-8小时。
4、试样去除氧化皮和锈。
编号、乙醇去水、丙酮去油。
清洗后的试样不得接触油水等物，称重精确至0.1g，记为G。
四、实验方法与步骤方法：焊缝扩散氢含量的测定可以采用几种不同的方法。
如甘油法、水银法等。
我国国家标准规定采用甘油法（GB3965-83）。
本次实验即采用甘油法，其测定装置如图1。
在整个测试过程中应使甘油槽内的温度恒定为45±1℃。
步骤：1、准备好焊机选用Φ4直径的焊条，调整好焊接规范，焊接电流比焊条生产厂家推荐的最大电流低15A，误差为±5A。
2、在准备好的试样中间堆焊一道长为115mm、宽为4mm的焊缝，焊接时采用短弧，焊接过程中若灭弧，则该试样作废。
3、停焊后2秒内将试样投入0-20℃的冷却水里摆动冷却，10秒后立即取出。
4、试样取出后清除飞溅物和渣皮，丙酮清洗迅速吹干后放入收集管内。
自试样焊完至放入收集管中的时间不超过60秒。
5、24小时后读取所测得的氢的体积，以ml表示。
6、取出试样洗净吹干，冷却后再称重，精确至0.1g ，记为G 1。
图1 甘油法测定扩散氢含量装置示意图五、实验设备和仪器1、交、直流焊机2、甘油法测定扩散氢含量装置（图1）3、天平、烘箱、温度计图2 试样及焊缝尺寸六、实验及实验报告要求1、严格按照指导书有关内容进行实验。
钢铁材料中的氢扩散系数测试实验报告钢铁材料中的氢扩散系数测试(一)实验目的本实验用于测量钢铁中的原子氢含量及原子氢在钢铁中的迁移速度。
(二)实验原理1)金属中氢的危害石油天然气输送管线、锅炉酸洗过程由于腐蚀析氢使得原子氢在没有形成氢分子之前就已经渗入钢铁的内部，使其内部原子氢的浓度不断增加，原子氢在钢的内部积累导致钢制设备的韧性下降脆性增加。
尤其是当有S2-、CN-存在时，进入金属基体内部的氢原子更为可观，结果引起材料的脆裂——“氢脆”，引发突发性恶性破坏事故。
因此工业上需要有一种智能型原子氢探测技术来检测或监测钢铁结构中氢腐蚀的速率，钢铁中原子氢的含量，并显示设备内部由于氢的积集将要发生腐蚀破坏的危险性。
自从1962年电化学科学家Devanathan和Stachurski提出了一种电化学方法来研究氢在金属中的渗透速率以后[1]，人们不断开发许多适合于工程应用的原子氢电化学传感器，Yamakawa等设计的氢传感器是采用1mol/L的NaOH溶液为电解液,氧化汞电极为参比电极,在被测的金属构件表面镀镍用恒电位仪控制极化电位范围为0.15V(vs Hg/HgO)来进行氢渗透监测,在监测氢之前先要进行表面镀镍处理[2]。
2)氢扩散测量原理Devanathan-Stachurski发明测定金属中原子氢的扩散速率的电化学方法见图1所示[1]。
测量装置是由两个互不相通的电解池组成，左端是充氢室（阴极室）,电解++→，产充氢时试样的阴极面（C面）是施加的是阴极电流i c，发生反应H e H生原子氢一部分复合成分子氢放出，另一部分扩散进入试样内部；试样阳极面（A 面）是另一电解池的阳极，当加上阳极恒定电位后，从C面扩散过来的氢原子在试样的A面被电氧化，即H e H+ -→而产生阳极电流i a。
图1.氢渗透速率测量装置示意图如果不存在表面反应2H H H +→↑(通过在碳钢表面镀钯或镀镍以及加上足够大的阳极电位就可抑制表面反应的进行),则经过一定的时间后从阴极面产生的原子氢在到达阳极面后将全部被氧化,即试样阳极面上的原子氢的浓度c A =0,这时原子氢的氧化电流I a 达到最大值称为稳态电流密度用I max 表示,故达到稳态时，根据Fick 第一定律：10max I c c FD x-=-?式中:F 为法拉第常数;D 为扩散系数;Δx =L 为试样的厚度,c a =c 1=0因为阳极端H 原子已全部氧化成为H +;c 0=c C 是充氢端浓度,当充氢电流Ic 恒定时,它也是常数，此式也可写成:I max =FDc 0/L ,或c 0=L ?I max /DF通过测量渗氢电流密度I max ,即可由式(2)计算出钢中的原子氢的浓度[3]。
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【摘要】选用E5015、E8515和E9018三种焊条,分别在常温、200℃×1h,400℃×1 h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.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2017(047)001【总页数】4页(P116-119)【关键词】低合金钢;碱性焊条;烘焙温度;熔敷金属;扩散氢【作者】黄景鹏;徐学利;郑梗梗;罗立辉【作者单位】西安石油大学材料科学与工程学院,陕西西安710065;西安石油大学材料科学与工程学院,陕西西安710065;西安石油大学材料科学与工程学院,陕西西安710065;西安石油大学材料科学与工程学院,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TG422.1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。
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。
实验2 熔敷金属中扩散氢测定一、实验目的1、了解熔敷金属扩散氢含量的测试方法都有哪些。
2、掌握甘油置换法测定熔敷金属中扩散氢的含量的方法。
3、整理两种焊接方法获得扩散氢的量，分析原因。
二、实验内容采用甘油置换法测定手工电弧焊和CO2气体保护焊熔敷金属中扩散氢的含量。
三、实验步骤1、试板准备：1）试板及引弧板、引出板的材质为碳素结构钢或低合金钢。
试件低碳钢板：130×20×（10～12）引收弧板：40×20×（10～12）3）试板及引弧板、引出板预先作去氢处理，加热400-650℃，保温1h，然后再250±10℃情况下保温约6小时。
4）试板及引弧板、引出板的群补表面应进行加工，保证光滑和清洁。
2、焊接材料的准备1）选择直径为Φ3.2mm的焊条，并按照焊条制造厂推荐的条件进行烘干，焊条不能互相接触，不能与其它焊条混烘。
2）从烘箱中取出的焊条应立即使用。
3）焊丝选择Φ1.2mm或Φ1.6mm的焊丝。
4)保护气体选择混合气。
3、试样制备1）焊接前引弧板、试板引出板按照长度方向排列组成，用夹具固定，按照图1进行焊接。
中间个试样须做标记和称重（精确至0.1g）。
2）在室温下进行焊接，焊接规范按照下面的规定进行。
3）试件焊接完成后2s内放到冰水中摆动冷却，冷却10s后立即取出，用机械方法取出引弧板和引出板，清除飞溅物和熔渣，经丙酮清洗吹干后，放入充满甘油的收集器中，进行测定。
4、测氢试验的基本操作过程和步骤如下：焊前准备—焊接—水冷—清洗—吹干并放入气体收集器。
1）焊前准备将尺寸为20×130×12的试件和40×20×12的引、收弧预先在250±10℃加热6～8小时作去氢处理，然后清理表面，去除氧化物，用乙醇去水，乙谜去油，吹干冷却。
把每个试件打钢印编号，然后用感量为0.1g 的天平称出试件的原始重量G 0。
2）焊接将试件和引、收弧板放在试件夹具台上准备焊接。
工艺条件对熔敷金属中扩散氢影响的试验研究
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≥1.00.011 0.017 ≥0.5≥490/
≥22
J507 0.082 / ≤0.75≤0.02≤0.03≤0.3490-590 ≥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]。
