Материалы с низким содержанием диффузионного водорода


Иногда при выборе сварочных материалов заказчики требуют использовать «электроды с низким содержанием водорода». Такие электроды предназначены для снижения риска водородного растрескивания. В некоторых случаях их выбирают из-за того, что, как считается, они могут обеспечить гарантированно высокую ударную вязкость. Это действительно может быть так, но не следует принимать это как должное. В этой статье мы расскажем, какие сварочные материалы способны обеспечить стойкость к водородному растрескиванию и в то же время высокие механические характеристики.

Термин «с низким содержанием диффузионного водорода» употребляется уже более 60 лет. Вначале он использовался для выделения электродов с пониженным содержанием водорода в покрытии (например, E7018) среди всех остальных электродов для РДС (например, E6010). Они специально разработаны для сокращения риска водородного растрескивания в высокопрочных сталях, например, бронепластинах.

Использование термина
Хотя так называемые «электроды с низким содержанием водорода» выпускаются уже много лет, в этом термине есть определенная неясность. Это обозначение используется во многих кодексах и спецификациях, однако в пособии «Стандартные термины сварки» Американского общества сварщиков (AWS A3.0-94)2 термины «низкое содержание диффузионного водорода» и «электроды с низким содержанием диффузионного водорода» отсутствуют. Для многих это оказывается сюрпризом, особенно для инженеров, которые требуют использования «исключительно электродов с низким содержанием диффузионного водорода» или «процессов с обеспечением низкого содержания диффузионного водорода». Из-за отсутствия формального толкования «низкое содержание диффузионного водорода» понимается по-разному, что может приводить к разногласиям и спорам.

Link               

 

«Материалы с низким содержанием водорода» подразумевают электроды для РДС
Единственное, что можно назвать более-менее формальным толкованием электродов с низким содержанием диффузионного водорода, приведено в Спецификации присадочных металлов3 стандарта AWS A5.1. В этой спецификации перечислено несколько классов электродов «с низким содержанием водорода» в покрытии. Согласно AWS A5.1 такие электроды при температуре 980°C должны иметь содержание влаги в покрытии менее 0,6%. Такое содержание влаги соответствует достаточно низкому содержанию диффузионного водорода в наплавленном металле, обычно менее 16 мл/100 гр. Например, раздел AWS A4.3 под названием «Стандартные методы измерения диффузионного водорода4» гласит, что при сварке материала E7018 при температуре 21°C и относительной влажности 60% содержание влаги в покрытии электрода 0,6% приблизительно соответствует содержанию диффузионного водорода 12 мл/100 гр. Многие из современных материалов класса E7018 после извлечения из коробки имеют содержание влаги в покрытии намного ниже, чем максимально допустимые 0,6%. В Таблице 1 перечислены все указанные в A5.1 электроды для РДС с низким содержанием водорода в покрытии.

 Таблица 1. Электроды для РДС с низким содержанием
диффузионного водорода согласно AWS

 EXX15-x

 EXX16-x

 EXX18-x

 

 

Диффузионный водород: выбор присадочных материалов с низким содержанием диффузионного водорода  

Рисунок 1: Флокены на поверхности излома образца наплавленного металла 

Влияет ли водород на механические свойства металла?
Водород оказывает определенное влияние на результаты механического тестирования, однако это влияние весьма ограничено. Высокое содержание водорода в образце может привести к появлению «флокенов» на поверхности излома, как на Рисунке 1.

Наличие водорода также может привести к падению текучести (и, соответственно, относительного удлинения и поперечного сужения). Однако водород обычно не влияет на ударную вязкость, предел прочности и предел текучести металла. Это происходит только в самых крайних случаях.

Предполагается, что электроды с низким содержанием водорода в металле наплавления также должны обеспечивать определенный минимальный уровень ударной вязкости. Именно по этой причине некоторые заказчики требуют использовать «низководородистые» электроды, когда на самом деле им нужна ударная вязкость. Вместо этого лучше указывать необходимые требования к ударной вязкости, потому что не существует однозначного соотношения между содержанием диффузионного водорода в металле наплавления и показателями ударной вязкости. Более того, даже наплавленный металл с высоким содержанием водорода может иметь сравнительно высокую ударную вязкость. Например, класс E6010 (без требований по содержанию водорода, 30-50 мл/100 гр.) обеспечивает минимальную ударную вязкость 27 Нм при -29°C.

 

 

Использование термина в кодексах и спецификациях
Когда некоторые кодексы и спецификации указывают на ограниченное содержание водорода, обычно имеется в виду 1) требование использовать электроды с низким содержанием водорода в покрытии или 2) ограничения по содержанию диффузионного водорода в наплавленном металле. В разделе «Сталь» Кодекса по сварке конструкционной стали (AWS D1.1-20005) приведена Таблица 2 с данными по предварительному подогреву, в котором содержатся требования по содержанию диффузионного водорода. Согласно этой таблице, Категория A распространяется на ручную дуговую сварку с применением электродов без требований по содержанию водорода. Минимальная температура предварительного подогрева для Категории A выше, чем для Категории B, потому что категория B предназначена для «ручной дуговой сварки электродами с ограниченным содержанием водорода в покрытии, сварки под флюсом, сварки MIG/MAG и сварки порошковой проволокой».

В документе Промежуточные рекомендации: анализ, ремонт, модификации и проектирование сварных металлоконструкций6 от Федерального агентства США по чрезвычайным ситуациям (FEMA) проводится сравнение между электродами для РДС с контролируемым содержанием водорода и материалами для процессов FCAW и SAW. Согласно этому документу, «любая порошковая проволока (газозащитная и самозащитная) и проволока для сварки под флюсом считается имеющей низкое содержание водорода». При этом подразумевается, что процессы FCAW и SAW могут обеспечить такое же низкое содержание диффузионного водорода в наплавленном металле, как и электроды для РДС со специализированным покрытием.

Таблица 2: Обозначения содержания водорода

 

 Диффузионный водород,
мл/100 гр.

 H8

 8

 H4

 4

 H2

 2

 

Уровень диффузионного водорода в наплавленном металле
Как уже было сказано выше, не существует формального определения термина «наплавленный металл с низким содержанием диффузионного водорода». Слово «низкое» — достаточно неточное описание. Чтобы лучше контролировать содержание диффузионного водорода в наплавленном металле, рекомендуется использовать дополнительные обозначения содержания водорода, введенные Американским обществом сварки (AWS). Эти обозначения имеют форму суффикса в классификации электрода (например, H8, H4 и H2). Производитель сварочных материалов может использовать такое обозначение, если его электроды соответствуют требованиям по содержанию диффузионного водорода согласно применимой спецификации AWS A5.x. К сварочным материалам с такими обозначениями предъявляется несколько требований, например:

Во избежание водородного растрескивания содержание водорода в материале должно быть ниже определенного уровня. Это содержание зависит от чувствительности микроструктуры, сужения сечения и остаточного напряжения. Чувствительность микроструктуры к водородному растрескиванию часто увеличивается параллельно пределу прочности стали. Поэтому для стали с высоким пределом прочности требуется более низкое содержание диффузионного водорода. Проще говоря, указания «необходимо низкое содержание водорода» недостаточно. Например, «низкое» содержание для стали 350 МПа может не быть низким для стали 700 МПа. Поэтому вместо общей фразы «использовать только материалы с низким содержанием диффузионного водорода» инженерам и производителям рекомендуется указывать «использовать только сварочные материалы, способные обеспечить максимальное содержание диффузионного водорода 8 мл/100 гр. (H8)».

Кодовые обозначения
Кодекс сварки металлоконструкций AWS D1.1 также имеет несколько положений, где используются обозначения диффузионного водорода (например, H8). Например, категория D в таблице минимальных температур предварительного и промежуточного подогрева (Таблица 3.2) допускает только «…электроды или сочетания проволоки и флюса, способные обеспечить содержание диффузионного водорода не более 8 мл/100 гр. (H8)». Это пример правильного использования суффиксов-обозначений.

Кодекс AWS D1.1 также содержит альтернативный способ определения минимальной необходимой температуры предварительного подогрева (Приложение XI), в которых используется три различных уровня диффузионного водорода. В Приложении XI категория H1 называется «особо низкое содержание водорода» и имеет менее 5 мл/100 гр. Категория H2 называется «низкое содержание водорода» и имеет менее 10 мл/100 гр. Третья категория H3 не предъявляет никаких требований к содержанию диффузионного водорода. Хотя категория H2 имеет название «низкое содержание водорода», она не требует от таких электродов обязательно иметь менее 10 мл/100 гр. Вместо категорий H1, H2 и H3 для вычисления минимальной температуры предварительного подогрева также можно использовать фактическое содержание диффузионного водорода.

План контроля разрушений из Кодекса сварки мостов  AWS7 (AWS D1.5-95) — это еще один пример требований к содержанию диффузионного водорода. Для сварки критичных к разрушению элементов этот кодекс требует следующего:

    H16, H8 или H4 если минимальный предел прочности составляет 345 МПа или меньше
    H8 или H4, если минимальный предел прочности больше 345 МПа

Кроме того, согласно AWS D1.5 для прихваточной сварки без предварительного подогрева можно использовать электроды для РДС с обозначением H4.

Другие организации, например, Вооруженные силы США8 и Американское бюро судоходства9, также устанавливают свои требования к содержанию диффузионного водорода. Они оба используют ограничения 15, 10 и 5 мл/100 гр., а военные спецификации также предполагают для некоторых задач более жесткое требование 2 мл/100 гр. На сегодняшний день в США распространена логарифмическая система (например, H16, H8, H4 и H2).

Другие проблемы
Простое применение электродов H8 или даже H4 с контролируемым содержанием диффузионного водорода не гарантирует полного устранения проблем с водородом во время или после сварки. Кроме сварочных материалов, на содержание диффузионного водорода и риск растрескивания могут влиять несколько других факторов. Их тоже нужно учитывать.

    Состояние рабочей поверхности (наличие остатков смазки, масел, грязи, влаги, кислот, ржавчины и других веществ, содержащих водород,
      приведет к увеличению уровня диффузионного водорода)
    Относительная атмосферная влажность (во влажных условиях содержание водорода возрастает)
    Защитный газ (высокое содержание водорода в газе приведет к увеличению уровня диффузионного водорода)
    Условия хранения сварочных материалов (неправильное или слишком долгое хранение)
    Сварочная процедура (вылет электрода, напряжение дуги, скорость подачи проволоки и другие параметры также влияют на содержание водорода)

Заключение

  • «Электроды с низким содержанием диффузионного водорода» подразумевают только электроды для РДС с содержанием влаги в покрытии менее 0,6%.
  • Конкретное максимально допустимое содержание диффузионного водорода в наплавлении таких электродов вызывает споры, потому что электроды для РДС с низким содержанием водорода в покрытии не соотносятся с определенным уровнем водорода в наплавлении.
  • В спецификациях не следует указывать «требуется низкое содержание водорода», когда от наплавленного металла требуется высокая ударная вязкость. В этом случае требования к ударной вязкости следует указывать отдельно от ограничений по диффузионному водороду (если они есть).
  • В сварочных спецификациях нужно точно и ясно описывать требования по «диффузионному водороду». Составитель спецификации должен как можно яснее донести свои требования до подрядчика.
  • Если у подрядчика остаются какие-либо вопросы насчет замысла инженера или положений спецификации, он должен прояснить эти моменты перед тем, как приступить к работе. Например, если в контракте указано «использовать только материалы с низким содержанием диффузионного водорода», то подрядчику стоит уточнить: «Допускаются только электроды для РДС или можно использовать и другие процессы?»
  • Для уточнения определенного уровня диффузионного водорода в наплавленном металле рекомендуется использовать дополнительные обозначения (например, H8 и H4).
  • Наконец, бывают обстоятельства, когда не обязательно использовать материалы с низким содержанием водорода или когда предпочтительнее электроды для РДС без ограничений по водороду в покрытии, например, E6010. Поэтому общей фразы «материалы с низким содержанием водорода» следует избегать.

 

 Использованные материалы

   1. Robert O’Con. Welding with Low Hydrogen Electrodes: A Look at the Past with Tips for Today. Practical Welding Today. Март/апрель 2000, стр. 33-35.

   2. American Welding Society. Standard Welding Terms and Definitions. (ANSI/AWS A3.0-94), 1994.

   3. American Welding Society. Specification for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. (ANSI/AWS A5.1-91), 1994.

   4. American Welding Society. Standard Methods for Determination of Diffusible Hydrogen Content of Martensitic, Bainitic, and Ferritic Steel Weld Metal
       Produced by Arc Welding. (AWS A4.3-93), 1993,    стр. 16.

   5. American Welding Society. Structural Welding Code – Steel. (AWS D1.1:2000), 2000.

   6. Federal Emergency Management Agency. Interim Guidelines: Evaluation, Repair, Modification and Design of Welded Steel Moment Frame Structures. (FEMA
       267), август 1995, стр. 8-11.

   7. American Welding Society. Bridge Welding Code. (AWS D1.5-95), 1995.

   8. United States Military. Military Specification – Electrodes – Welding, Flux Cored, Ordinary Strength and Low Alloy Steel, (MIL-E-24403/1D), 14 ноября,
       1985.

   9. American Bureau of Shipping. Rule Requirements for Materials and Welding, Part 2, 1997.