焊接材料熔敷金屬擴(kuò)散氫測試：保障焊接接頭安全與抗裂性的關(guān)鍵控制手段

為此，焊接材料熔敷金屬擴(kuò)散氫測試成為評(píng)估焊材質(zhì)量、優(yōu)化焊接工藝、預(yù)防焊接缺陷不可或缺的技術(shù)環(huán)節(jié)。本文將系統(tǒng)闡述擴(kuò)散氫的來源、危害、測試方法、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及其在工程實(shí)踐中的重要意義，助力企業(yè)提升焊接可靠性，確保重大裝備與基礎(chǔ)設(shè)施的長期安全運(yùn)行。

一、什么是擴(kuò)散氫？為何必須嚴(yán)格控制？

擴(kuò)散氫（Diffusible Hydrogen）是指在焊接過程中進(jìn)入熔池，并能在室溫或稍高溫度下在焊縫金屬中自由擴(kuò)散的氫原子或分子。這些氫主要來源于：

• 焊條藥皮、焊劑中的水分；

• 保護(hù)氣體中的濕氣；

• 母材或焊絲表面的油污、銹跡、吸附水；

• 環(huán)境濕度高等外部因素。

當(dāng)焊接完成冷卻后，部分氫會(huì)殘留在焊縫中。隨著溫度降低，氫的溶解度急劇下降，過量的氫會(huì)在晶界、夾雜物周圍聚集，形成局部高壓，誘發(fā)氫致延遲裂紋（又稱冷裂紋）。這種裂紋往往在焊后數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天內(nèi)出現(xiàn)，具有隱蔽性強(qiáng)、突發(fā)性高的特點(diǎn)，極難檢測和補(bǔ)救。

?? 特別提醒：對(duì)于高強(qiáng)度鋼、厚板結(jié)構(gòu)、拘束度高的接頭，即使微量的擴(kuò)散氫也可能引發(fā)災(zāi)難性斷裂。

因此，對(duì)焊接材料進(jìn)行熔敷金屬擴(kuò)散氫測試，是預(yù)防氫致裂紋、保障焊接質(zhì)量的第一道防線。

二、擴(kuò)散氫測試的國家標(biāo)準(zhǔn)與國際規(guī)范

為統(tǒng)一測試方法、確保數(shù)據(jù)可比性，國內(nèi)外建立了完善的擴(kuò)散氫測試標(biāo)準(zhǔn)體系。主要標(biāo)準(zhǔn)包括：

1. 中國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3965—2012《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測定方法》

該標(biāo)準(zhǔn)等效采用國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 3690:2000，規(guī)定了三種主流測試方法：

• 甘油法（GLY Method）

• 水銀法（Hg Method）

• 氣相色譜法（GC Method）

目前我國普遍采用甘油法，因其操作安全、成本較低且結(jié)果穩(wěn)定可靠。

2. 國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 3690:2000《Welding—Determination of hydrogen in deposited metal from arc welding processes》

被全球廣泛采納，適用于手工電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、氣體保護(hù)焊（GMAW/FCAW）等工藝所用焊材的氫含量測定。

3. 美國 AWS A4.3—2019《Standard Practices for Determination of the Diffusible Hydrogen Content of Martensitic Stainless Steel Weld Metals》

針對(duì)馬氏體不銹鋼焊縫制定的專用標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)低氫控制的重要性。

上述標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成了焊材質(zhì)量評(píng)價(jià)的技術(shù)依據(jù)，尤其在壓力容器、海上平臺(tái)、高鐵轉(zhuǎn)向架等高要求領(lǐng)域，擴(kuò)散氫含量已成為強(qiáng)制性技術(shù)指標(biāo)。

三、擴(kuò)散氫測試的主要方法詳解

根據(jù) GB/T 3965—2012，常用的測試方法如下：

方法一：甘油法（推薦用于常規(guī)檢測）

原理：將焊態(tài)試樣迅速浸入加熱至65±5℃的甘油中，焊縫中逸出的氫氣被收集于倒置量管中，通過排水集氣法測量體積，并換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每100g熔敷金屬中的氫含量（mL/100g）。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1. 制備試件：使用待測焊材在規(guī)定參數(shù)下堆焊一定長度的焊道；

2. 快速冷卻并切割取樣（通常為φ10×100mm圓柱試樣）；

3. 立即放入預(yù)熱的甘油收集裝置中；

4. 恒溫保持至少96小時(shí)，持續(xù)記錄氫氣析出量；

5. 計(jì)算總釋放氫量，得出擴(kuò)散氫平均值。

? 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、重復(fù)性好、適合大批量檢測
? 缺點(diǎn)：測試周期長（≥4天），甘油易老化需定期更換

方法二：氣相色譜法（GC法，高精度檢測首選）

原理：將焊后試樣置于密閉高溫爐中加熱脫氫，釋放的氣體經(jīng)載氣帶入氣相色譜儀分析，精確測定氫濃度。

優(yōu)勢：

• 測試時(shí)間短（數(shù)小時(shí)內(nèi)完成）；

• 靈敏度高，可檢測低至1 mL/100g以下的氫含量；

• 自動(dòng)化程度高，數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確。

適用于科研機(jī)構(gòu)、高端裝備制造企業(yè)及出口項(xiàng)目認(rèn)證。

方法三：水銀法（歷史方法，現(xiàn)已少用）

因水銀毒性大、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)高，除特殊研究外已基本淘汰。

四、擴(kuò)散氫含量等級(jí)劃分與工程應(yīng)用要求

根據(jù)氫含量水平，焊材可分為不同等級(jí)，直接影響其適用范圍：

例如：

• E7018低氫型焊條要求擴(kuò)散氫 ≤8 mL/100g；

• API 5L X80管線鋼焊接通常要求 ≤5 mL/100g；

• LNG儲(chǔ)罐用9%Ni鋼焊接材料甚至要求 ≤2 mL/100g。

? 行業(yè)共識(shí)：強(qiáng)度越高、板厚越大、拘束度越高的結(jié)構(gòu)，對(duì)擴(kuò)散氫的控制越嚴(yán)格。

五、影響擴(kuò)散氫含量的關(guān)鍵因素

盡管焊材本身是主要來源，但整個(gè)焊接系統(tǒng)都會(huì)影響最終氫含量：

1. 焊材類型與處理方式

• 堿性焊條（如E5015/E5018）吸濕性強(qiáng)，必須烘干（350–400℃保溫1–2小時(shí)）；

• 藥芯焊絲應(yīng)密封保存，使用中防潮；

• 燒結(jié)型焊劑需嚴(yán)格烘干并保溫使用。

2. 焊接工藝參數(shù)

• 線能量過高可能導(dǎo)致氫殘留增加；

• 多層多道焊時(shí)，前道焊縫未充分去氫會(huì)影響后續(xù)層間質(zhì)量。

3. 環(huán)境條件

• 相對(duì)濕度 >60% 顯著增加氫攝入風(fēng)險(xiǎn)；

• 雨季或潮濕車間應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施，必要時(shí)搭設(shè)防潮棚。

4. 母材與坡口清潔度

• 表面油污、氧化皮、水分是氫的重要來源；

• 建議采用機(jī)械打磨+丙酮清洗等方式徹底清理。

六、典型案例分析：某壓力容器裂紋事故溯源

背景：某化工廠一臺(tái)設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa的壓力容器，在焊后48小時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫出現(xiàn)貫穿性裂紋。

調(diào)查過程：

• 斷口分析顯示典型“臺(tái)階狀”特征，符合氫致裂紋形態(tài)；

• 對(duì)同批次焊條進(jìn)行擴(kuò)散氫復(fù)檢，實(shí)測值達(dá)18 mL/100g，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求（≤8 mL/100g）；

• 追溯發(fā)現(xiàn)焊條未按規(guī)程烘干，且現(xiàn)場濕度高達(dá)85%。

結(jié)論：未烘干的焊條引入大量氫，在高拘束條件下誘發(fā)冷裂紋。

整改措施：

• 更換為合格低氫焊條；

• 增設(shè)焊條烘干箱與保溫桶；

• 實(shí)施焊前預(yù)熱（≥150℃）與焊后消氫處理（300–350℃保溫2h）；

• 建立焊接環(huán)境監(jiān)控制度。

此次事件凸顯了擴(kuò)散氫測試在質(zhì)量管理中的決定性作用。

七、如何科學(xué)開展擴(kuò)散氫測試與質(zhì)量控制？

為有效防控氫致裂紋風(fēng)險(xiǎn)，建議采取以下綜合措施：

1. 建立進(jìn)場檢驗(yàn)機(jī)制

• 所有焊材入庫前必須提供第三方擴(kuò)散氫檢測報(bào)告；

• 關(guān)鍵項(xiàng)目實(shí)行“批批檢”或抽樣復(fù)驗(yàn)。

2. 規(guī)范儲(chǔ)存與使用管理

• 焊條、焊劑分類存放于干燥庫房；

• 使用專用烘干設(shè)備，嚴(yán)格執(zhí)行烘干曲線；

• 焊條取出后應(yīng)在4小時(shí)內(nèi)用完，否則重新烘干。

3. 優(yōu)化焊接工藝

• 合理選擇預(yù)熱溫度與層間溫度；

• 優(yōu)先采用低氫焊接方法（如SAW、FCAW-G）；

• 必要時(shí)實(shí)施焊后熱處理（PWHT）以去除殘余氫。

4. 推動(dòng)智能化檢測升級(jí)

• 引入自動(dòng)氣相色譜儀，提高檢測效率；

• 結(jié)合MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊材追溯與數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)管理。

八、未來展望：綠色低氫焊材與在線監(jiān)測技術(shù)

隨著高端制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)焊接接頭性能的要求不斷提升，擴(kuò)散氫控制正邁向更高水平：

• 新型低氫/超低氫焊材：如無鍍銅焊絲、納米改性藥皮、真空包裝焊條等，顯著降低初始含氫量；

• 原位脫氫技術(shù)：開發(fā)具有自除氫功能的焊劑配方；

• 在線氫監(jiān)測系統(tǒng)：利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接區(qū)氣氛濕度與氫分壓，實(shí)現(xiàn)過程預(yù)警；

• 數(shù)字孿生平臺(tái)：結(jié)合焊接仿真預(yù)測氫擴(kuò)散行為，提前優(yōu)化工藝方案。

此外，隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，環(huán)保型低能耗焊材的研發(fā)也成為趨勢，兼顧低氫、高效與可持續(xù)發(fā)展。

結(jié)語

焊接材料熔敷金屬中的擴(kuò)散氫，雖無形卻致命。一次微小的疏忽，可能埋下重大安全隱患。通過科學(xué)、規(guī)范的擴(kuò)散氫測試，我們不僅能精準(zhǔn)掌握焊材的本質(zhì)性能，更能從根本上預(yù)防氫致裂紋的發(fā)生，守護(hù)每一個(gè)焊接接頭的生命線。