[發明專利]一種焊接接頭微區氫擴散系數的測定裝置及其測定方法和應用

在審

• 申請號: 202110145219.0
• 申請日: 2021-02-02
• 公開（公告）號: CN114563341A
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 姜圓博;邸新杰;利成寧;王東坡
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N17/02
• 分類號: G01N17/02;G01N17/00;G01N13/00;G01N13/04
• 代理公司: 天津創智睿誠知識產權代理有限公司 12251
• 代理人: 王海濱

本發明提供一種焊接接頭微區氫擴散系數的測定裝置及其測定方法和應用，在陰極池內填充有陰極電解液，陰極池輔助電極通過導線與直流恒流電源的正極相連；在陽極池內填充有陽極電解液，陽極池輔助電極和陽極池參比電極均伸入陽極電解液內，并通過導線分別與電化學工作站相連，電化學工作站與計算機相連接；在陰極池和陽極池的側壁上分別相對開設圓臺型通孔，待測試樣設置在陰極池通孔和陽極池通孔之間，待測試樣通過導線分別與直流恒流電源的負極和電化學工作站相連。通過調整圓臺型通孔錐角范圍以及圓臺底面直徑來測試焊接接頭中微小區域的氫擴散系數，微區暴露于電解液的面積范圍為0.20?1.13cm²，與待測試樣相接觸的圓臺型通孔錐角范圍為30?70°。

技術領域

本發明涉及金屬腐蝕電化學測試技術領域，更具體地說涉及一種焊接接頭微區氫擴散系數的測定裝置及其測定方法和應用。

背景技術

金屬材料的腐蝕問題遍及國民經濟社會的各個領域，因腐蝕失效導致的直接或間接經濟損失往往不可估量，對人們的生產生活也會造成嚴重破壞。由于環境介質中無法避免氫的存在，所以氫脆是最常見的一種腐蝕失效形式。氫脆在斷裂之前無明顯征兆，一般為突發性破壞，并且是脆性斷裂，不易被察覺。在金屬焊接接頭的腐蝕破壞中，局部區域的氫致斷裂導致的突發事故案例數量尤為明顯。這是由于在焊接熱循環作用下，焊接接頭中的焊縫、熱影響區和母材等各微區具有不同的化學成分和微觀組織，各區域的力學性能也存在明顯差異。這種微觀組織和力學性能的不均勻性常常會導致焊接接頭各微區對氫的吸附和擴散行為有所不同。因此，對焊接接頭各微區的氫滲透及開裂機理給與更多關注，可以幫助研究人員采用更合適的焊接工藝或者更有效的防護手段來防止焊接接頭局部氫脆現象的發生。

氫擴散系數是表征氫滲透過程的主要參數。一般，測量氫擴散系數的方法主要有氣相法和電化學法兩種。相較于前者需要提供高真空環境、配備昂貴設備，后者是目前應用更廣泛、操作更簡便的一種氫滲透技術。電化學氫滲透方法測量氫的擴散系數最早是由Devanathan和Stachurski于1962年提出，采用雙電解池對材料進行充氫和檢測。隨著科技的進步，當前大多數電化學氫滲透裝置都是在Devanathan-Stachurski雙電解池法的基礎上進行了改進。這種改進的雙電解池技術原理是：測試材料作為工作電極夾在兩個自帶圓孔的電解池之間，并通過圓孔使工作電極的兩側分別暴露于電解質溶液中；陰極電解池作為充氫池，通過在工作電極和對應輔助電極(一般為鉑電極)之間施加恒電流使電解質內產生氫原子，吸附于工作電極表面并向材料內部擴散；陽極電解池作為檢測池，通過在工作電極和輔助電極之間施加恒電位使得從充氫池擴散過來的氫原子被電解，相應產生的電流會被實時記錄，從而繪制成氫擴散曲線。分析這條蘊含氫在材料中的擴散特征的時間-電流曲線，即可獲取相關的擴散動力學參數，尤其是氫擴散系數。

在眾多利用Devanathan-Stachurski雙電解池法對氫擴散特性的研究中，還沒有專門針對焊接接頭及其各微區進行過氫擴散行為的分析，尤其是對于厚度較小的平板或鋼管焊接接頭來說，各微區尤其是熱影響區受到尺寸的影響，提取的氫滲透試樣就會較小。然而，當前的大多數雙電解池裝置都是針對尺寸較大的均勻材料設計而成，雙電解池之間的圓孔直徑一般都較大。焊接接頭的熱影響區尺寸較小，無法使用這種孔徑較大的雙電解池。縮小電解池的圓孔直徑又會因在工作電極表面產生的氫氣泡無法及時排出圓孔而阻斷電解質和工作電極之間的電流通路，從而無法穩定地采集數據。

專利CN 104950024 A雖然公開了一種改進的Devanathan-Stachurski雙電解池裝置來測定氫擴散系數，但是因其圓孔直徑較大(約2.3cm)無法適用于尺寸較小的焊接熱影響區。

專利CN 109883942 A公開了一種基于顯微鏡的焊接接頭微區電化學測試的試驗方法，但是該方法只能測試微區的開路電位和極化曲線，并不能獲得各個微區的氫擴散系數。

發明內容