辽宁石油化工大学辽宁石油化工大学LNPU45甘油法测定焊缝金属中分散氢蒋应田蒋应田LNPU一、实验目的1、了解手工电弧焊时影响焊缝金属中分散氢含量的要素；2、掌握甘油法测定分散氢的方法；3、了解焊缝金属中分散氢测定的其他方法。LNPU二、实验安装及实验资料1、KQ-3型型测氢仪1台台2、集气管、集气管12根根3、交流、交流电焊机机BX3-300型型1台台4、直流、直流电焊机机ZX7-160型型1台台5、试件件夹具具1个个6、远红外外电焊条烘干箱条烘干箱1台台7、吹吹风机机、钳子子、榔榔头、钢丝刷刷、瓷瓷盘、绒布布、丙丙酮、乙乙谜、酒精、秒表等、酒精、秒表等8、试件件低碳低碳钢板板130201012引收弧板引收弧板402010129、焊条，自制条，自制焊条条4.0;J4224.0;J5074.0LNPU三、三、实验原理原理1、氢在在焊缝金属中存在方式及危害金属中存在方式及危害在在金金属属焊缝中中，氢大大部部分分是是以以H,H+或或H-方方式式存存在在的的，他他们与与焊缝金金属属构构成成间隙隙固固溶溶体体。由由于于氢半半径径小小，一一部部分分氢在在焊缝金金属属的的晶晶格格中中自自在在分分散散，而而成成为分分散散氢。剩剩余余部部分分分分散散聚聚集集到到晶晶格格缺缺陷陷、显微微裂裂纹和和非非金金属属夹杂物物边缘的空隙中，的空隙中，结合合为分子，而不能自在分散，称之分子，而不能自在分散，称之为剩余剩余氢。氢对构造构造钢的主要危害由两个方面：的主要危害由两个方面：I暂态性性危危害害，这类景景象象在在经过时效效处置置或或热处置置之之后后，可可以以消消逝逝。如如氢脆，脆，氢白点。白点。氢脆景象与低温脆性相比有以下明脆景象与低温脆性相比有以下明显特征：特征：氢脆脆只只出出如如今今较窄窄的的温温度度范范围内内低低合合金金高高强钢约为-6060，高高于或低于于或低于这个温度范个温度范围都将恢复塑性。都将恢复塑性。在在一一定定载荷荷下下，破破坏坏过程程与与应变速速率率具具有有延延迟特特征征，延延迟的的时长又又与与载荷大小有关。荷大小有关。氢脆景象与脆景象与氢在金属中固溶的程度及能否构成在金属中固溶的程度及能否构成氢化物等无关。化物等无关。低于低于100K-173时塑性反而开塑性反而开场恢复，并不再有恢复，并不再有氢脆出脆出现。II永永久久性性危危害害，这类景景象象一一旦旦产生生，那那么么是是不不能能消消除除的的，且且危危害害性性是是相相当当严重的，如气孔和冷裂重的，如气孔和冷裂纹。LNPU2 2、 氢的的产生及来生及来源源 由于焊接方法不同，导致氢向金属中溶解的途径也不一样。对于手弧焊，氢主要以两个途径进入焊缝金属中。氢经过气相与液相金属的界面以原子或质子的方式被吸附后溶入金属中。氢是经过熔渣层以分散方式溶入金属中。 焊接时，氢主要来源于焊接资料中的水分，含氢物质，电弧周围空气中的水蒸气和母材坡口外表上的铁锈油污等杂质。LNPU3 3、 焊接接接接头氢的瞬的瞬间分布于分散分布于分散焊缝金金属属中中的的氢含含量量，因因分分散散的的缘故故是是随随时间变化化的的，在在接接头不不同同部部位位，因因存存在在不不同同塑塑性性变形形量量，而而有有不不同同的的位位错密密度度，这样将将捕捕捉捉到到不不同同量量的的氢。研研讨阐明明，在在焊根根及及焊趾趾等等有有缺缺口口效效应部部位位往往往往存存在在氢的的聚聚集集，将将直直接接影影响响冷冷裂裂纹的的产生生。同同时还阐明明，氢的的聚聚集集开开场于于焊后后约6060秒秒室室温温下下板板厚厚20mm20mm约冷冷至至100100150150，在在焊后后1 12 2小小时到到达达最最大大值之之后后逐逐渐耗散。耗散。氢在在不不同同的的金金属属中中具具有有不不同同的的分分散散性性能能，这可可用用一一个个分分散散系系数数d d表表示示，且且d d是是一一个个随随温温度度变化化的的量量。在在7878200200温温度度范范围内，内，氢在在钢中的分散系数中的分散系数d d与温度具有如下关系：与温度具有如下关系：对于于同同一一种种金金属属的的不不同同组织构构造造而而言言，氢也也具具有有不不同同的的分分散散性能，下表所列性能，下表所列为钢的不同的不同组织中中氢的分散性能。的分散性能。 LNPU组织扩散系数铁素体（F）珠光体（B）索氏体（S）贝氏体（B）马氏体（M）奥氏体（A）（cm2/s）4.010-73.510-73.210-72.510-72.110-12LNPU式中【式中【H】扩】扩规范形状下规范形状下100g熔敷金属中的分散氢含量。熔敷金属中的分散氢含量。V集气管中搜集的分散氢气量；集气管中搜集的分散氢气量；P0规范大气压规范大气压760mmHgP实验环境大气压；实验环境大气压；T0规范大气的温度规范大气的温度273K；T集气管内的温度集气管内的温度K；G0试件原始分量试件原始分量gG试件焊后的分量试件焊后的分量gLNPU(4)、分散氢的丈量、分散氢的丈量目目前前，分分散散氢氢的的测测定定方方法法有有三三种种，即即甘甘油油法法，水水银银法法和和气气相相色色普普法法。目目前前，我我国国将将甘甘油油法法和和气气相相色色普普法法等等同同起起来来运运用用。三三种种测测试试方方法法各各有有优优劣劣。本本实实验验是是针对甘油法进展，对其他两种方法作一简介。针对甘油法进展，对其他两种方法作一简介。由由于于分分散散氢氢的的含含量量很很少少，因因此此常常用用气气体体排排液液法法把把分分散散氢氢搜搜集集到到一一个个密密闭闭的的集集气气管内丈量。如图管内丈量。如图1所示所示LNPU由由金金属属外外表表分分散散溢溢出出的的微微小小氢氢气气泡泡必必需需经经过过搜搜集集介介质质浮浮升升到到集集气气管管顶顶部部，为为使使氢氢气气泡泡经经过过介介质质时时不不至至于于对对丈丈量量结结果果有有影影响响，必必需需求求求求介介质质具具有一定的物理和化学性能。有一定的物理和化学性能。详详细细要要求求是是：对对氢氢的的溶溶解解度度较较小小，具具有有低低的的蒸蒸汽汽压压力力，化化学学稳稳定定性性好好，对对人人体体无无害害和和液液体体的的粘粘度值低及价钱廉价。度值低及价钱廉价。目目前前所所用用的的介介质质有有：甘甘油油，石石蜡蜡油油，酒酒精精，水水银银。20molK2CO3以及硅油等。以及硅油等。甘甘油油和和石石蜡蜡油油的的主主要要缺缺陷陷是是粘粘度度大大；水水银银有有害害于于人人体体安安康康，且且价价钱钱昂昂贵贵；酒酒精精那那么么能能够够溶溶解解氢氢且且容容易易挥挥发发，因因此此，没没有有一一种种介介质质能能完完全全满满足足要求。要求。LNPU甘甘油油是是国国内内和和日日本本广广泛泛运运用用的的介介质，主主要要在在于于操操作作简单，国，国际上多采用水上多采用水银，但需注重两个方面：，但需注重两个方面：搜集器需特殊搜集器需特殊设计，防止，防止试件浮在水件浮在水银外表。外表。操作操作时要要严厉防止水防止水银蒸汽外溢，以防中毒。蒸汽外溢，以防中毒。甘甘油油因因其其粘粘度度大大，使使氢气气泡泡的的上上浮浮条条件件及及浮浮升升速速度度都都较水水银介介质差差，且且又又因因部部分分微微小小的的气气泡泡悬浮浮在在甘甘油油中中或或粘粘附附于于工工件件外外表表和和集集气气管管壁壁，而而不不能能浮浮升升到到集集气气管管顶部部影影响响丈丈量量结果果。特特别对于于一一些些低低氢或或超超低低氢情情况况的的丈丈量量。针对这一一问题，天天津津大大学学从从搜搜集集方方式式加加以以处理，抑制了精度低的弊端，如理，抑制了精度低的弊端，如图2所示。所示。LNPULNPU有有关关研研讨讨阐阐明明：甘甘油油法法测测氢氢与与水水银银法法测测氢氢结结果果存在如下关系式存在如下关系式天大甘油测法与国标甘油测法存在如下关系天大甘油测法与国标甘油测法存在如下关系LNPU甘油法测试方法甘油法测试方法将将测测的的分分散散氢氢体体积积ml首首先先换换算算称称规规范范形形状状下下的的氢氢气气体体积积，再再算算出出100g熔熔敷敷金金属属中中析析出出的的分分散散氢氢含含量量，其计算公式如下：其计算公式如下：LNPUII甘油法分散氢测定的评定规范甘油法分散氢测定的评定规范评定标准熔敷金属中含氢量评定标准熔敷金属中含氢量高15低10但5中15但10很低5LNPU测定分散氢的技术条件测定分散氢的技术条件GB396583试板要求试板要求编编号号规范规范实验资料实验资料资料热处置资料热处置试件尺试件尺寸寸引、收弧引、收弧板板IGB396583试件材质试件材质与实验焊与实验焊条强度等条强度等级相近级相近650保温保温1小小时或时或25010保温保温68小时小时随炉冷却随炉冷却1302512有有试试片片数数焊条焊条焊接规范焊接规范入水前入水前时间时间型号型号直径直径U(V)I(A)堆焊长度堆焊长度/耗费焊条耗费焊条长度长度4E43034.04.02125引荐值引荐值+15115/15024E50154.04.02123同上同上115/1502测定分散氢的技术条件测定分散氢的技术条件GB396583 GB396583 焊条要求焊条要求 LNPU注：实验前焊条按消费厂的规定烘干，但不允许反复烘干运用；在实验前，试样应去除氧化皮和铁锈，用乙醇去水，丙酮去油，清洗后的试样不得接触油，水等物，随后进展编号。极性选择按阐明书规定，交直流两用的焊条采用交流焊接LNPUKQ3型测氢仪的任务原理及运用方法该仪器器公公用用甘甘油油法法恒恒温温搜搜集集和和测定定熔熔敷敷金金属属中中分分散散氢量量，可可以以同同时进展展十十二二个个试样的的分分散散氢量量的的测定定。该安安装装能能坚持持甘甘油油的的温温度恒定，并有控制温度的度恒定，并有控制温度的“报警和警和“切断安装。切断安装。安装安装电路如以下路如以下图所示。所示。电热丝阻阻R工工甘甘油油加加热用用，电流流遭遭到到可可控控硅硅SCR12的的控控制制。甘甘油油的的温温度度是是由由水水银触触电温温度度计去去控控制制可可控控硅硅的的导通通或或关关断断来来实现自自动恒恒温温调理理。当当甘甘油油的的温温度度到到达达给定定值45时，接接点点温温度度计的的接接点点导通通，使使单结晶晶体体管管DG的的发射射极极短短路路，DG停停顿导通通，那那么么脉脉冲冲变压器器无无脉脉冲冲输出出，可可控控硅硅即即被被关关断断而而停停顿加加热，反反之之，可控硅被触可控硅被触发导通，通，对甘油加甘油加热，这样能能坚持甘油的温度恒定。持甘油的温度恒定。图右右侧部部分分为缺缺点点报警警部部分分的的电路路，假假设可可控控硅硅元元件件被被击穿穿而而甘甘油油温温度度继续升升高高，当当升升到到48时温温度度计WJ2触触点点导通通，可可控控硅硅SCR3导通通，电铃DL进展展报警警，如如在在夜夜间，可可置置于于“关关断断位位置置，以防止以防止发惹事故。惹事故。LNPU测氢仪任务原理图测氢仪任务原理图测氢仪任务原理图测氢仪任务原理图LNPU运用方法：运用方法：把把温温度度计上上边的的磁磁顶丝放放松松，把把温温度度计调至至4545上上，把把报警温度警温度计调至至4848上。上。把把“控控制制部部分分断断开开，再再把把“报警警切切断断至至于于“报警警位位置置，用一根小用一根小导线将两个将两个报警端短路，警端短路，实验电铃能否响。能否响。把把仪器器平平放放于于任任务台台上上，油油槽槽内内注注入入甘甘油油，油油位位线应在在两两接接线柱柱以以下下101020mm20mm处为宜宜。开开照照顾明明开开关关，日日光光灯灯关关亮亮，表表示示已已接接通通电源源，开开启启电源源开开关关，绿色色和和红色色两两个个指指示示灯灯量，表示量，表示电热丝曾曾经开开场任任务，油温开，油温开场上升。上升。带油温升油温升值4545并并坚持持稳定，即可开定，即可开场进展展测氢实验。LNPU一、一、焊缝金属分散金属分散氢测定新技定新技术简介介气气相相色色普普法法测测定定分分散散氢氢是是一一个个新新技技术术，现现已已被被国国家规范所采用，正被日渐推行，它具有如下特点：家规范所采用，正被日渐推行，它具有如下特点：1、快快速速、灵灵敏敏、精精度度高高，测测定定范范围围宽宽，而而且且可可排排除除由由于于各种缘由混入的空气的干扰，测定结果准确可靠。各种缘由混入的空气的干扰，测定结果准确可靠。2、在在高高氢氢测测定定范范围围和和超超低低氢氢测测定定范范围围都都具具有有良良好好的的精精度度和准确度。和准确度。3、不存在任何环境污染和毒害操作者的物质。、不存在任何环境污染和毒害操作者的物质。LNPU一、气相色普法测定原理一、气相色普法测定原理利利用用不不同同物物质质在在两两相相中中具具有有不不同同的的分分配配系系数数或或吸吸附附系系数数、浸浸透透性性，当当两两相相物物质质作作相相对对运运动动时时，这这些些物物质质在在两两相相中中进进展展多多次次反反复复分分配配而而实实现现分分别别的的，因因流流动动相相为为气气体体，故称气相色普法。故称气相色普法。LNPU二、气相色普法测氢过程二、气相色普法测氢过程用用纯纯氩氩气气作作为为载载气气流流动动相相将将取取样样器器试试样样桶桶内内的的氢氢器器由由熔熔敷敷金金属属试试样样中中分分散散出出来来的的载载入入色色谱谱分分别别注注中中进进展展分分别别，分分别别出出的的氢氢被被进进一一步步载载入入热热导导池池进进展展检检测测，热热导导池池检检出出的的氢氢的的电电信信号号经经放放大大、积积分分和和灵灵敏敏度度调调整整等处置后，在数字电压表上显示被测氢的量。等处置后，在数字电压表上显示被测氢的量。LNPU三、三、HD3型分散型分散氢测定定仪的构的构成、任成、任务条件和校正条件和校正HD3型分散型分散氢测定定仪由取由取样器和公用气相色器和公用气相色谱仪构成。构成。取取样器器有有试样桶桶和和转换阀组成成，试样桶桶共共有有5个个，与与转换阀之之间有有通通道道衔接接，每每个个试样桶桶中中可可装装入入一一块402512mm的的试板板，其其中中四四个个试桶桶中中分分别装装入入一一块待待分分析析试板板，而而另另一一个个试样桶桶用用来来作作为气气相相色色谱仪的的载气气通通路路，此此桶桶中中装装入入一一块以以分分析析过的的试板板，目目的的在在于于使使仪器器在在校校正正和和分分析析时处于于同同样的的气气路路情情况况，提高分析的准确度。提高分析的准确度。LNPU公用气相色公用气相色谱仪典型的气相色典型的气相色谱仪由五个部分由五个部分组成：成：载气系气系统，包括气源和流量的，包括气源和流量的调理与丈量元件等理与丈量元件等进样系系统：包括取：包括取样器；器；分分别系系统：主要是色普柱；：主要是色普柱；检测、记录系系统，包括，包括检测器和器和记录器；器；辅助系助系统;包括温控系包括温控系统、数据、数据处置系置系统等。等。LNPU这里着重里着重讲一下分一下分别系系统和和检测、记录系系统。色色谱柱柱是是色色谱仪的的分分别系系统，试样中中各各组分分的的分分别是是在在色色谱柱柱中中进展展，因此是中心部分。因此是中心部分。色色谱柱柱主主要要有有两两类:填填充充柱柱和和毛毛细管管柱柱。现就就HD3型型中中用用的的分分别柱柱填充柱填充柱阐明明填填充充柱柱由由柱柱管管和和固固定定相相组成成，柱柱管管资料料为不不锈钢或或玻玻璃璃，内内径径为24mmHD3为5mm，长为13m2.5m,柱柱内内装装有有固固定定相相包包括括固固体体固固定定相相和和液液体体固固定定相相两两种种HD3型型中中填填充充3040目目5A分分子子筛固固体体吸吸附附剂。主主要要用用于于惰惰性性气气体体、H2、O2、N2、CO2、CH4等等普普通通气气体体及及低低沸沸点点有有机机物物的的分分析析，其其特特点点是是：吸吸附附容容量量大大，热稳定定性性好好，价价钱廉廉价价，但但柱柱效效低低，吸吸附附活活性性易易中中毒毒。因因此此运运用用前前要要进展展活活化化处置置，然然后后再再装装入入柱柱内内制制成成填填充充柱柱运运用用。或或化化处置置方方法法：粉粉碎碎过筛在在550600烘烤烘烤4小小时。LNPU检测系统：检测系统：从从色色谱柱柱流流出出的的各各个个组分分，经过检测器器把把浓度度信信号号变成成电信信号号，经放放大大后后送送到到记录器器得得到到色色谱图。HD3型型仪所所用用检测器器为热导检测器。器。热导检测器器TCD由由热导池池池池体体和和热敏敏元元件件组成成。热敏敏元元件件是是两两根根电阻阻值完完全全一一样的的金金属属丝钨丝或或铂丝，作作为两两个个臂臂接接入入惠惠斯斯顿电桥中中，由由恒恒定定的的电流流加加热。假假设热导池池只只需需载气气经过，载气气从从两两个个热敏敏元元件件带走走的的热量量一一样，两两个个热敏敏元元件件的的温温度度变化化是是一一样的的，其其电阻阻值变化化也也相相一一样，电桥处于于平平衡衡形形状状。假假设样品品气气混混在在载气气中中经过丈丈量量池池，由由于于样品品气气和和载气气热导系系数数不不同同，两两边带走走的的热量量不不相相等等，热敏敏元元件件的的温温度度和和阻阻值的的变化化也也就就不同，从而使得不同，从而使得电桥失去平衡，失去平衡，记录器上就有信号器上就有信号产生。生。被被测物物质与与载气气的的热导系系数数相相差差约大大，灵灵敏敏度度也也就就愈愈高高，载气气流流量和量和热丝温度温度对灵敏度也有灵敏度也有较大的影响。大的影响。HD3型型采采用用钨丝热导池池，电阻阻为4100，丈丈量量电桥任任务电流流为45mA。LNPU仪仪器校正器校正仪器器用用纯氩进展展校校正正，经过仪器器内内装装的的校校正正阀将将纯氩引引入入色色谱仪丈丈量量系系统。引引入入的的校校正正氩的的量量即即校校正正阀计量量腔腔的的容容积。经过温度和温度和压力校正后的力校正后的值，按下式算出：，按下式算出：式中式中V0校正校正氩气在气在规范情况下的体范情况下的体积，mlP1大气大气压PaT1室温室温V1校校正正氩气气载室室温温暖暖大大气气压下下的的体体积，即即校校正正阀计量量腔腔容容积，mlT0273KP0101325Pa校正校正时数字数字电压表上表上显示出的示出的值应是是V0的数的数值LNPULNPU一、一、实验方法及步方法及步骤测氢实验的根本操作的根本操作过程和步程和步骤如下：如下：焊前前预备焊接接水水冷冷清清洗洗吹吹干干并并放放入入气气体体搜集器。搜集器。焊 前前 预 备 将将 尺尺 寸寸 为 2013012的的 试 件件 和和402012的的引引、收收弧弧预先先在在25010加加热68小小时作作去去氢处置置，然然后后清清理理外外表表，去去除除氧氧化化物物，用用乙乙醇醇去去水水，乙乙谜去去油油，吹吹干干冷冷却却。把把每每个个试件件打打钢印印编号号，然然后后用用感感量量为0.1g的的天天平平称称出出试件的原始分量件的原始分量G0。LNPU焊焊接接 将将试试件件和和引引、收收弧弧板板放放在在试试件件夹夹具具台台上上预预备备焊焊接接。焊焊接接过过程程中中尽尽能能够够采采用用短短弧弧焊焊，绝绝不不允允许许中中歼歼灭灭弧弧，以以免免产产生生弧弧坑坑。假假设设发发生生灭灭弧弧，那那么试件作作废。么试件作作废。 焊接规范，见前面技术要求。焊接规范，见前面技术要求。LNPU水冷水冷 停停焊后后2 2秒秒内内立立刻刻将将试件件投投入入0 02020的的水水中中急急冷冷，并并摆动试件件，防防止止部分温度部分温度过高，高，1010秒后取出。秒后取出。LNPU清洗清洗 试试件件从从水水中中取取出出后后，迅迅速速去去除除焊焊渣渣及及其其它它脏脏物物，然然后后用用铁铁锤锤敲敲断断引引弧弧和和收收弧弧板板，把中间的一段试件擦干并用酒精去水，乙谜去油。把中间的一段试件擦干并用酒精去水，乙谜去油。LNPU吹干和放入气体搜集器吹干和放入气体搜集器将将去去水水何何除除油油的的试件件擦擦净并并吹吹干干留留意意吹吹干干时，一一定定要要用用冷冷风，以以免免焊缝中中氢的的溢溢出出。把把试件立刻放入气体搜集内。件立刻放入气体搜集内。试件件从从焊完完到到放放入入搜搜集集器器的的全全部部操操作作过程程，要要求求在在6060秒秒内内完完成成。试件件在在4545恒恒温温下下放放值7272小小时，便便可可以以为分分散散氢已已大大致致全全部部溢溢出出。根根据据集集气气管管中中甘甘油油柱柱的的液液面面随随对应的的刻刻度度，就就刻刻读出出分分散散氢量量V0,V0,这时，要要记录恒恒温温集集气气箱箱的的温温度度T,T,实验现场的的气气压P0,P0,把把试件件从从搜搜集集器器中中取取出出，清清洗洗干干净，吹干，称出，吹干，称出试件分量件分量G1G1。根据前述的公式，根据前述的公式，计算出算出HH扩。LNPU 为了了解工艺要素对为了了解工艺要素对HH扩的影响，实验应包括以下内容。扩的影响，实验应包括以下内容。 LNPU七、实验结果的整七、实验结果的整理和分析理和分析实验可分可分组进展，把展，把实验数据和数据和结果填入表果填入表18中，要求中，要求对全部全部实验数据和数据和结果果进展整理分析。展整理分析。根据列表整理的熔敷金属中的分散根据列表整理的熔敷金属中的分散氢含量含量H扩，绘图表示出表示出焊条种条种类，烘干温度，清理程度以及，烘干温度，清理程度以及长弧弧焊和短弧和短弧焊等等对H扩的影响，并的影响，并对以上的以上的实验结果果进展展简要分析要分析LNPU钢号G0（g）G1(g）W（g)规范实验条件焊接时间（S)停焊至入水时间(S)停焊至入仪时间(S)气体收集时间(S)收集管环境温度（）收集气体体积测定结果备注I(A）U（A）焊条牌号电流种类烘干温度（）试件清理单个试件(ml)平均(ml)LNPU八、八、思索题思索题一一、用用甘甘油油法法测测得得地地熔熔敷敷金金属属中中H扩扩的的精精度度及及影响精度的要素。影响精度的要素。二二、在在甘甘油油法法测测氢氢操操作作过过程程中中，有有哪哪些些程程序序对对H扩扩的的测测定定结结果果有有较较大大的的影影响响，需需求求在在操操作作时时严严厉厉掌掌握。握。三三、长长弧弧焊焊和和短短弧弧焊焊时时测测出出的的H扩扩油油和和不不同同？并阐明理由。并阐明理由。四、试分析比较四、试分析比较J422和和J507焊条的抗锈才干。焊条的抗锈才干。