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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590 MPa高强度钢，为避免焊接接头的氢致裂纹，对焊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
2、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
3、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5-7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
4、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CaFz , MgFz , BaFz , Na3 A1F。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，
5、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CaFz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Na3 A1F。有比CaFz更有效的降氢效果，熔敷金属扩散氢可以降低到4 ml/100 g 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Naz Si凡、NazTiFb
6、 ,KzSiFb和KzTiFb等可以将熔敷金属扩散氢降低到3. 5一6.5 mL/100 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
7、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，焊缝相对于母材是高匹配”。由于焊缝金属比母材有高的合金含量，具有比母材高的强度，所以焊缝金属的马氏体转变温度会低于母材的马氏体转变温度。在这种情况下，HAZ先进行相变，转变后的组织的氢溶解度显著降低，扩散速率增加很大。如果HAZ的M:足够高
8、，氢就能很有效地从HAZ附近向母材扩散，这样就可以减少熔合线附近的脆硬组织的局部含氢量，降低氢致裂纹的危险。焊缝金属在随后发生相变，相变后的组织(铁素体和马氏体)将加快焊缝中的氢的扩散，这样可以相应地减少焊缝氢的含量。如果焊缝金属的Ms太低，则焊缝中氢的扩散系数会较低，扩散速率会下降，这样只能有少量的氢能通过热影响区扩散到母材，将造成氢的局部聚集。 (2)焊缝金属的从高于HAZ的M:时，焊缝相对于母材是低匹配z o HAZ的相变温度低于焊缝，发生在焊缝相变之后。焊缝金属发生相变后，HAZ还是奥氏体结构，溶解了大量的氢，且氢的扩散速率很低，此时，虽然发生相变的焊缝金属的氢扩散速率很高，但扩散到H
9、AZ时就会受到强烈的阻止，HAZ成了焊缝金属氢扩散的屏障。这样大量的氢就会聚集到HAZ与焊缝之间的熔合线附近。 因此，为了尽可能将焊缝金属的氢扩散到母材，焊缝金属的从要比HAZ的从高一点。另外，焊缝金属和HAZ的从都要有足够的高，促进氢的扩散，避免氢在焊接区的局部聚集。2. 2焊缝中残余奥氏体的作用 氢在钢中的扩散行为是个复杂的过程，它与氢原子的浓度和材料的温度有关，还与材料中应力场的分布有关。间隙氢原子在晶体中存在一应变场，而晶体缺陷和第二相(含杂质的)周围也存在应变场，两者相互作用，从而把氢吸引在自己周围。这种能捕获氢的缺陷(或第二相)就称氢陷阱。高强度钢焊缝金属在冷却过程中往往不可避免地
10、存在一定量的残余奥氏体。残余奥氏体表现出一种低的氢扩散和高的氢固化。一些研究13 ,14提到残余奥氏体作为氢陷阱对焊缝金属氢致裂纹有重要的影响:奥氏体结构对氢有高的溶解度，可以作为氢的扩散屏障阻止氢在裂纹尖端的积累;同时残余奥氏体是很强的不可逆氢陷阱，这些陷阱能很好地阻止氢从残余奥氏体扩散到马氏体相，可以减少氢致裂纹产生的可能性。 进一步研究表明，高强度钢残余奥氏体对氢致裂纹是有害的。Nelsons 5提出残余奥氏体在其存在的时间里，将会成为给马氏体岛连续提供氢的潜在组织。残余奥氏体是一种亚稳( meta一stable)相的组织结构，在低温和受外力发生应变都会转变成马氏体。在这种情况下，残余奥
11、氏体中捕捉的氢将会导致在马氏体组织附近有高的扩散氢含量。如Prioul等t6对镍钢进行的氢逸出试验，以1. 5 K/min的冷却速度，在300 K和226 K之间不能检测到有氢的逸出，而在温度226 K附近有一个突然的释放现象。这说明在此温度下镍钢的奥氏体组织进行了马氏体转变，原来被奥氏体组织固化的氢被大量的释放出来。又如对含20%和40%的奥氏体双相钢在冷轧后的氢逸出试验fnl，相比没有经过冷轧的同类型奥氏体双相钢，氢释放的峰值温度有所降低，且释放的氢总量有较明显的减少，说明经过冷轧的奥氏体双相钢有一定量奥氏体在塑性应变过程中转变成马氏体，作为强氢陷阱的残余奥氏体的固氢能力受到了削弱。因此，
12、焊接所产生的残余应力成了残余奥氏体转变马氏体的驱动力，这时残余奥氏体便成为了潜在的氢释放来源。尽管如此，高强度钢焊缝金属的残余奥氏体或M一A组元对氢致裂纹的影响还需进一步研究。2. 3强氢陷阱对控制氢的作用 氢陷阱结合能的大小反应了氢陷阱结合氢能力的强弱，结合能越高，热释放的峰值温度也越高，陷阱的稳定性也越好，强氢陷阱的氢热释放温度要充分的高于氢脆的敏感温度100左右，氢陷阱的结合能EB至少不低于A1N的65 kJ/mol。添加某些元素到焊缝金属形成氢陷阱，特别是强氢陷阱，是近年来关于高强度钢焊缝金属极低氢化的重要研究方向。如在气体保护金属粉型药芯焊丝的研究中，将稀土元素钦和忆过渡到焊缝金属以
13、制造所谓不可逆氢陷阱。研究表明，当焊缝金属中有2 000 ppm的忆时，相对于没有添加忆的情况几乎减少90%的扩散氢含量ml，甚至达到,1 mL/100 g的极低氢水平。这个结果说明添加忆能有效地减少焊缝金属的扩散氢，同时焊接接头的其它力学性能没有较大的改变。可见，在焊缝中制造强氢陷阱对高强度钢焊接的氢控制是很有潜力的控制手段。 国内也注意到运用稀土元素降氢的作用。杜则裕等人19也研究了Y,Te元素的降氢作用，认为Y,Te改变了熔池液态金属的表面性质，减少了熔池液态金属表面对电弧空间H原子的吸附，使焊缝金属的扩散氢降低。陈邦固等人2o的研究也认为，微量元素Y , Te的降氢机理为其作为表面活化
14、剂的作用。王晓东等人21研究了稀土含量对熔敷金属氢的析出特性和性能的影响，认为稀土元素在熔敷金属中可以形成氢化物，从而降低其扩散氢。2. 4焊接熔渣的溶氢能力的作用 氢由液态熔渣向熔敷金属转移取决于其在两者中的化学位。在转移过程中，在熔渣与金属的界面处氢向金属过渡伴随有H一O键的断开，其转移可用图三表示: 文献6指出，酸性熔渣溶解的氢少于碱性渣，氢在渣中的溶解度随Ca0含量的增大而上升。将碱性熔渣中的Ca0用Mg0代替，会显著降低氢的溶解度。换句话说，在总氢量一定的情况下，渣中Ca0的含量增大，其溶氢能力提高，熔敷金属的含氢量降低;而将碱性熔渣中的Ca0用Mg0代替，其熔渣的溶氢能力显著降低，
15、将显著增加熔敷金属的含氢量。王宗杰等zz 在研制新型高韧性、低氢Mg0一CaF:一A12 03一MnO渣系烧结焊剂时也发现同样的规律。N. De Risson。等人研究E6013手工焊条，在药皮配方中用硅灰石取代部分Si02，熔敷金属扩散氢可以从41. 1 mL/100 g降到23.5 mLl100 go 在熔渣中添加Fex O，对扩散氢影响的研究较多。 Medeiros0和Liu的研究2a发现，在水下湿法焊接中，药粉添加Fe203和改变Ca0/Si0:的质量分数比对焊缝金属扩散氢的含量都有影响。添加适量的Fe203能有效降低焊缝金属的扩散氢含量。对渣的X射线衍射分析，添加适量Fe203的渣中有相应的铁橄榄石(2Fe0Si02)生成。对于添加Fe203后焊缝金属的扩散氢的降低，文献24中解释，Fe0与酸性熔渣Si02结合形成晶体结构的铁橄榄石，在熔渣中是中性熔渣，提高了熔渣的碱度;同时，由于铁橄榄石的晶体结构，OH一的扩散将比在无组织形态的Fe0的扩散更加缓慢。 熔渣成分的改变，确实改变了其溶氢能力，从而影响氢向焊缝金属的过渡，但机理尚不十分清楚。3结束语 目前，围绕实现优质、高效、节省能源及低成本化焊接已经成为焊接材料的发展方向。对于高强度的焊接材料来说，实现这一目标要突破的关键技术之一是尽可能降低焊缝金属的扩散氢含量。文中对高强度钢氢控制的研究
