一种快速准确测量焊缝金属中扩散氢含量的方法技术

本发明专利技术涉及一种快速准确测量焊缝金属中扩散氢含量的方法，属于钢铁理化检验技术领域。该方法通过把焊缝金属试样置入到高真空状态下的电气炉中加热，按照工艺要求的程序加热，使焊缝中扩散氢获得能量而加速扩散，同时用高精度质谱仪进行联测。实现了快速准确高效测量焊缝金属中扩散氢含量，克服了以前传统方法测量扩散氢含量周期长、精度低、毒性大、污染环境等缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种快速准确测量焊缝金属中扩散氢含量的方法
本专利技术公开了一种焊缝金属中扩散氢含量的方法，属于钢铁理化检验

技术介绍
焊接是现代工业中最常用的一种连接金属的方法。焊接过程中，会产生一定量的氢，其中一部分会在熔池冷却凝固过程中逸出，来不及逸出的氢则会保留到焊缝中。保留下来的氢多以原子或离子状态存在，因为其半径相对较小，可以在金属晶格中进行扩散，所以称为扩散氢。焊后随着放置时间的增加，一部分扩散氢会从焊缝中逸出，另一部分扩散氢则会扩散聚集到晶格缺陷、显微裂纹和非金属夹杂物边缘等孔隙处，结合成氢气分子，变为不易扩散氢，并且不断聚集积累。在应力作用下会导致焊缝敏感组织产生氢致裂纹，影响焊接接头的力学性能，对焊接结构造成潜在的危害。由于氢的扩散聚集需要时间，导致扩散氢造成的裂纹延迟出现，往往会对正在服役的焊接结构造成致命危害。扩散氢含量、残余应力、焊缝敏感组织三者是造成焊接结构裂纹的主要原因。控制扩散氢含量通常被认为是降低氢致裂纹危害最有效的手段。基于以上原因，快速准确测量出焊缝金属中扩散氢含量变得尤为重要。目前许多国家都制定了测定熔敷金属中扩散氢的标准方法，其中包括国际焊接学会标准IIW/ISO3690-2012、美国标准AWSA4.3-1993、日本的JISZ3113-2007D等，我们国家最新制定的测定熔敷金属中扩散氢的标准方法是GB/T3965-2012。以上这些标准对焊缝中扩散氢的测定过程都做了具体的规定。总体来说，主要有三中方法测定焊缝金属中扩散氢，分别为甘油法、水银法和气相色谱法。但这三种方法都有它的局限性和不足之处。甘油法由于甘油黏度大，导致部分氢气附着在试样及测量管壁上或悬浮在甘油中，使测量结果偏低，测量结果误差较大。水银法虽然较甘油法测量结果准确，但水银会污染环境、危害人体，实际应用受到很大限制。气相色谱法可以说比以上两种方法较先进，虽然克服以上两种方法的不足之处，被很多国家列为标准，但气相色谱法也有操作复杂、仪器价格昂贵、检出限高的不足之处。另外以上三种方法还都有测量周期长、精度低的缺点。基于以上原因，急需寻找一种快速准确测量焊缝金属中扩散氢含量新方法，来满足现今焊接发展的需要。本专利公开的一种快速准确测量焊缝金属中扩散氢含量新方法，很好的克服了以上三种方法的不足之处。另外，本专利技术的研究技术人员对已经公开授权美国波音公司的专利说明书及权利要求书（专利公开号：CN103454125测量样品中氢含量系统和方法）进行了仔细的阅读后，一致认为本次公开的方法是研究测量扩散氢领域的改型升级，与波音公司公开的的方法在实施过程上、使用领域和质谱仪构造及检测算法上都有所不同。其中最主要的区别就是：波音公司公开的方法实施过程中需要用到惰性气体做载气，载气与扩散出来的氢混合，然后被带到检测器进行检测，该方法检测的噪音很大，数据精确度不高，具体怎样实施检测及算法没有公开。本方法与之相比，最大的优点就是检测过程中不用载气。这样就可以避免载气纯度、气压背底等因素对检测结果的影响。并且操作简单，还可以减少有高纯度惰性气体使用带来的经济成本。波音公司公开的方法主要是用在结构材料为了防止环境腐蚀进行表面处理过程中所增的氢，主要是一些弱陷阱中的氢。而本次公开的方法主要是测量焊缝金属中的扩散氢，包括弱陷阱及深陷阱中的氢，针对性更强。本申请设计的快速准确测量焊缝金属中扩散氢含量的方法，很好的克服了以上三种方法的不足之处。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种快速准确测量焊缝金属中扩散氢含量的新方法，显著提高了检测速度，检出限更低，测量精度可达0.01ppm。本专利技术解决上述问题所采用的技术方案为：一种快速准确测量焊缝金属中扩散氢含量的方法，包括如下步骤，（1）取样和加工：对焊后金属材料在具有代表性的焊缝处取样，取样时用线切割法获得试样，之后用1200目以细的砂纸打磨试样，去除表面氧化层，整个试样处理过程，试样温度保持在室温范围，以免温度过高部分扩散氢逃逸；（2）试样清洗：把试样放入无水乙醇中，在超声波洗涤器中清洗10分钟以上，取出试样用吹风机冷风吹干；（3）试样称重：用高精度电子天平称取试样质量并记录下来，精确到0.0001克；（4）把清洗好的试样在高纯氮气保护下放入高精度电气炉中，关闭进样仓与电气炉之间的连接阀，用两级涡流分子泵对电气炉进行抽气，当电气炉炉膛内真空度达到超高真空状态后，关闭与电气炉相连的二级涡流分子泵，同时打开电气炉与质谱仪检测仓之间的连接阀，开启质谱仪的两级涡流分子泵和一级机械泵，待质谱仪检测仓内的真空度达到10-10pa以下并且稳定在一个值不变后，进行下一步操作；（5）加热脱氢：根据需要把电气炉加热速度和目标温度设定好，开始对试样加热，试样中的扩散氢因获得一定的能量而发生加速扩散析出；（6）扩散氢测定：把电气炉中扩散出来的氢用质谱仪内的涡流分子泵抽提到高精度四重级质谱仪中，采用质谱法进行测定含量，氢被抽提到质谱仪中，先被离子化，在磁场中加速，然后被分离到氢元素的质量检测器中检测，时时跟踪记录检测到的氢元素的质量信号强度，累计计算出扩散出来的氢的总质量，算法：计算机记录每5秒扩散出来的氢的质量，根据加热速率把时间换算成温度，记录成扩散氢质量与温度的对应变化曲线，对扩散氢曲线进行温度区间的定积分即可以计算出该温度区间的扩散氢含量；（7）数据处理：把质谱仪检测到的扩散氢质量结合试样的质量求出试样中扩散氢质量分数。电气炉中的真空度达10-10pa以下。作为选择，步骤5中电气炉加热速度50℃/h-100℃/h，目标温度300℃-600℃。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：解决了目前焊接金属焊缝中扩散氢难以快速准确测量的难题，在金属焊接性好坏评价方法中，扩散氢含量是焊缝冷裂纹敏感性的一个主要参数。所以测量焊缝金属中扩散氢含量显得尤为重要。本申请把焊缝金属试样置入到一种高真空状态下的电气炉中加热，按照工艺要求的程序加热，使焊缝中扩散氢获得能量而按照规律加速扩散，同时用高精度质谱仪进行联测。很好地实现了快速准确高效测量焊缝金属中扩散氢含量。克服了以前传统方法测量扩散氢含量周期长、精度低、毒性大、污染环境等缺点。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术作进一步详细描述。实例1（标准样品验证）标准试样是LECO公司生产的氢标样，标样1编号为：PARTNO502-457氢含量为：0.9±0.03ppm；标样2编号为：PARTNO501-529氢含量为：5.7±0.06ppm。这两种标样分别取两只，并编码为1、2、3、4。都分别用超声波洗涤器在无水酒精中洗涤15分钟后。取出用冷风吹干，然后用天平分别称量1、2、3、4号标样质量并记录下来。1号、3号试样用本专利技术测量方法测定氢含量。2号、4号试样用EMGA-821定氢仪测量。测量结果如表1所示：表1标样编码本专利技术测氢法EMGA-821定氢仪标准值标样10.76ppm1.37ppm0.9±0.03ppm标样25.53ppm6.18ppm5.7±0.06ppm通过以上测量结果可以看出，本专利技术方法测量出来的氢含量明显比标准值偏低。这是因为本方法测量的是试样中扩散氢含量，肯定会比氢总量低。而采用EMGA-821定氢仪测量原理是热导法，此方法测量的结果是试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速准确测量焊缝金属中扩散氢含量的方法，其特征在于：包括如下步骤，（1）取样和加工：对焊后金属材料在具有代表性的焊缝处取样，取样时用线切割法获得试样，之后用1200目以细的砂纸打磨试样，去除表面氧化层，整个试样处理过程，试样温度保持在室温范围，以免温度过高部分扩散氢逃逸；（2）试样清洗：把试样放入无水乙醇中，在超声波洗涤器中清洗10分钟以上，取出试样用吹风机冷风吹干；（3）试样称重：用高精度电子天平称取试样质量并记录下来，精确到0.0001克；（4）把清洗好的试样在高纯氮气保护下放入高精度电气炉中，关闭进样仓与电气炉之间的连接阀，用两级涡流分子泵对电气炉进行抽气，当电气炉炉膛内真空度达到超高真空状态后，关闭与电气炉相连的二级涡流分子泵，同时打开电气炉与质谱仪检测仓之间的连接阀，开启质谱仪的两级涡流分子泵和一级机械泵，待质谱仪检测仓内的真空度达到10

【技术特征摘要】
1.一种快速准确测量焊缝金属中扩散氢含量的方法，其特征在于：包括如下步骤，（1）取样和加工：对焊后金属材料在具有代表性的焊缝处取样，取样时用线切割法获得试样，之后用1200目以细的砂纸打磨试样，去除表面氧化层，整个试样处理过程，试样温度保持在室温范围，以免温度过高部分扩散氢逃逸；（2）试样清洗：把试样放入无水乙醇中，在超声波洗涤器中清洗10分钟以上，取出试样用吹风机冷风吹干；（3）试样称重：用高精度电子天平称取试样质量并记录下来，精确到0.0001克；（4）把清洗好的试样在高纯氮气保护下放入高精度电气炉中，关闭进样仓与电气炉之间的连接阀，用两级涡流分子泵对电气炉进行抽气，当电气炉炉膛内真空度达到超高真空状态后，关闭与电气炉相连的二级涡流分子泵，同时打开电气炉与质谱仪检测仓之间的连接阀，开启质谱仪的两级涡流分子泵和一级机械泵，待质谱仪检测仓内的真空度达到10-10pa以下并且稳定在一个值不变后，进行下一步操作；（5）加热脱氢：根据需要把电气炉加热速度和目标温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪磊，钱刚，许晓红，白云，范海东，
申请(专利权)人：江阴兴澄特种钢铁有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32