高强度钢焊缝金属氢控制

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1、摘要  本文综述了对高强度钢焊接接头氢控制的现有方法，重点总结了高强度钢焊缝金属氢控制方面的一些研究进展。包括:选择合适的焊缝金属马氏体的转变温度，可以有效地促进氢为对氢致裂纹敏感的组织;利用钦忆等稀土元素在焊缝组织中制造强氢陷阱，可以固化大量的氢，从而减少焊缝金属中的扩散氢;焊接熔渣的溶氢能力的提高，可以减少氢向焊缝金属的分配，从而降低焊缝金属的扩散氢。  0前言  高强度钢焊接接头的氢致裂纹一直是人们关注的重要焊接性问题，随着钢强度级别的提高，如屈服强度超过590MPa高强度钢，为避免焊接接头的氢致裂纹，对焊

2、缝金属扩散氢的控制尤其重要。另外，取消预热或者降低预热温度是实现高效率、低成本的焊接的重要环节。而实现这一环节，除了降低高强度钢的碳当量以外，严格限制焊缝金属的扩散氢含量是极其重要的焊接冶金手段。  文中综述了高强度钢焊接接头氢致裂纹控制方面的有关研究进展。其中包括结合母材选择合适的焊缝金属的马氏体转变温度以降低焊接接头氢致裂纹敏感性;高强度钢焊缝中不可避免存在的残余奥氏体对控制焊缝金属氢的作用;在焊缝金属中制造不可逆氢陷阱以及通过提高焊接熔渣的溶氢能力以实现对氢的有效控制等。1焊缝金属降氢的传统冶金手段  当氢

3、通过气相向金属中过渡时，其溶解度取决于氢的状态。如果氢在气相中以分子状态存在，则它在金属中的溶解度符合平方根规律:图一1.1焊接熔渣的碱度  研究表明[1-4]，焊接熔渣的碱度对焊缝金属的扩散氢含量有着明显的影响。为了降低熔融金属的扩散氢的溶解度，必须降低氢的分压，熔渣碱度的增加提高，了熔渣中Oz一的活度，提高了熔渣的溶氢能力，这样就降低了焊缝中的氢含量。同时，也要指出熔炼焊剂仅靠CaFz除氢时，熔渣的碱度越大越不利，降低熔渣的碱度反而可降低焊缝中氢含量川。1.2焊接材料的氧化性    氧对扩散氢的作用，文献「5

4、-7」已经做了相应的研究，指出氧化性焊接材料能通过其较高的氧含量来降低焊缝金属的扩散氢，熔池中氢的平衡浓度可用图二表示:  因此，增加熔池的含氧量或气相的氧化性可以减少熔池中氢的平衡浓度，氧化性气体与氢生成较稳定OH，结果使气相中氢的分压减少。碱性焊条中有很多碳酸盐，受热分解的二氧化碳与氢反应，达到去氢的目的。实心焊丝的MAG焊焊缝金属具有极低氢以及用氢弧焊焊接时，为了消除氢气孔和改进工艺性能常在氢气中加人5%的氧，也是以此理论为基础的。1.3焊接材料中添加氟化物  在渣保护焊接材料如焊条药皮等中加人氟化物，如C

5、aFz,MgFz,BaFz,Na3A1F。等可以不同程度地降低焊缝的含氢量。其中常用的是CaFz，在药皮中加人7%一8%，即可急剧减少焊缝含氢量，再增加其含量，则去氢作用相对减少。CaFz在高温分解产生的F与电弧中的H反应，生成高温下较稳定的HF，故能降低焊缝的含氢量[3,8]。  关于氟化物去氢的机理目前有多种解释，比较有代表性的一种观点〔’〕认为，当熔渣中CaFz和SiOz共存时，生成的SiF4的沸点很低，将以气态存在，并与气相中的原子氢和水蒸气发生反应，生成气态HF逸出;另一种观点认为，在碱性焊条药皮中Ca

6、Fz和水玻璃发生反应，生成KF和NaF，同CaFz与氢和水蒸汽反应生成HF，上述反应生成的KF和NaF和HF反应生成NaHF:和KHF:进人焊接烟尘，从而达到去氢的目的。  研究表明〔9]，不同氟化物的去氢能力是不同的。如有的研究认为，药芯焊丝中添加Na3A1F。有比CaFz更有效的降氢效果，熔敷金属扩散氢可以降低到4ml/100g  研究还表明，药芯焊丝中复合添加氟化物对降氢具有更有效的效果，如复合添加NazSi凡、NazTiFb,KzSiFb和KzTiFb等可以将熔敷金属扩散氢降低到3.5一6.5mL/100

7、g2高强度钢氢控制研究的某些进展2.1合理选择焊缝金属的马氏体转变温度  焊接过程中焊缝金属将氢扩散到母材的能力，对高强度钢焊缝金属的氢含量有着重要的影响。由于氢原子在焊接冷却过程中的扩散要经过两个不同组织相:奥氏体和铁素体(马氏体)。奥氏体的氢溶解度较高，但氢的扩散速率很低。相反，铁素体(马氏体)的氢扩散速率虽比奥氏体要高得多〔”〕，但氢的溶解度较低。在焊接冷却过程中，钢的焊缝金属经历了从奥氏体到铁素体的转变过程，于是在相变过程中产生了两种不同的氢扩散，焊缝金属的氢分布也出现了不均匀性。  因此，通过焊接材料设

8、计，选择合适的合金成分系，让所形成的焊缝金属在焊接冷却过程中氢能最大限度地由焊接区扩散离去。要实现这一点，必须考虑母材的组织转变行为。对高强度钢来说，选择焊缝金属合金成分系的重要参数是其马氏体转变温度(M,).如果焊缝金属的Ms和母材的Ms匹配不当，将会造成焊接区氢的扩散困难，导致焊接区局部氢集中，增加氢致裂纹的危险。  (1)焊缝金属的从低于HAZ的从时，焊缝相对于母材