焊接工艺对管线钢焊接接头氢脆敏感性的影响
焊缝是长输氢气管道的薄弱部位，因此焊接方法的选择对氢气管道的安全性至关重要，不同的焊接工艺可能导致焊缝对氢脆的敏感性差异显著。尽管现有焊接接头氢脆方面的研究较多，但都主要采用了电化学氢渗透测试方法，其结果相对保守，难以完全反映实际氢输送环境下的情况。而且，大多数研究仅针对单一焊接方法的母材和焊缝展开，对比多种焊接工艺的系统性研究较少。因此，Zhang等人利用原位氢渗透实验和慢应变速率拉伸实验（SSRT）分别研究了三种焊接工艺的焊缝力学性能与断裂机制，并由此揭示了其抗氢脆性能得以提升的因素。
图1. 焊缝及焊层结构示意图
表2. 不同焊层的焊接参数
在研究中使用的母材为20号钢，对三种焊接工艺进行了测试，分别为：“以GTAW（钨极氩弧焊）打底，GMAW（气体金属电弧焊）填充盖面”；“以GTAW（钨极氩弧焊）打底，SMAW（手工电弧焊）填充盖面”；“以LHDW（低氢焊条向下焊）打底，CEDW（纤维素焊条向下焊）填充盖面”。
图2. 用于氢渗透测试和慢应变速率拉伸试验（SSRT）的试样取样示意图
不同焊接工艺下的氢渗透行为
图3为原位气态氢渗透测试装置，图4-10对比了两种打底焊和两种盖面焊的各项氢渗透行为各项数据（氢扩散系数 D、近表面氢浓度 C0、单位体积陷阱密度 N），可以看出在GTAW和LHDW这两种打底焊工艺中，LHDW焊缝具有更强的氢捕获能力，在SMAW和GMAW这两种盖面焊工艺中，GMAW焊缝具有更强的氢捕获能力。
图3. 原位气态氢渗透测试系统示意图
不同焊接工艺下的力学性能
采用SSRT实验在不同氢压（0.4、0.8、2、4MPaH₂）下研究了不同复合焊接工艺焊缝的力学性能。图10展示了GTAW+GMAW、GTAW+SMAW和LHDW+CEDW三种焊接工艺焊缝的应力–应变曲线。图11展示了上述三种焊缝在0、0.4、0.8、2、4MPa氢压下的应力–应变曲线。各焊缝的断面收缩率（RA）与氢脆指数（FH）结果如图12所示。对比发现，在相同氢压下，GTAW+SMAW焊缝的RA最大、FH最小，表现出更强的抗氢脆能力。
不同焊接工艺下的断口形貌
图13为GTAW+GMAW、GTAW+SMAW和LHDW+CEDW焊缝在4Mpa N₂环境下的断口形貌，三种焊缝均呈现明显的“杯-锥型”特征，具有纤维区与剪切唇带；断口中心与边缘均可观察到大量韧窝，但其数量、尺寸与深度因焊接工艺而有所不同。其中GTAW+GMAW焊缝中心与边缘的韧窝数量明显较少且较浅。根据图14可知，在氢气环境中，各焊缝均未呈现明显的“杯-锥”断裂特征。GTAW+GMAW与LHDW+CEDW焊缝表现出准解理断裂特征。高倍下可观察到中央区域存在分层与微孔聚集，GTAW+GMAW焊缝边缘可见明显的微裂纹与河流花样；LHDW+CEDW焊缝中央未见分层，但边缘呈解理面形貌，中心断裂区表现为微孔聚集型裂纹。GTAW+SMAW焊缝的断口形貌与前两者明显不同：中心区以韧窝为主，但尺寸较非氢环境下减小；核心周围出现少量微裂纹，试样边缘呈现带撕裂边的准解理断裂特征。综合断口分析可知，在4MPa纯氢环境下，GTAW+GMAW焊缝呈现典型的脆性断裂特征，以微孔聚集裂纹为主，韧窝数量与尺寸显著减少；而GTAW+SMAW焊缝中心仍保持以韧窝为主的断裂形貌，且在相同条件下，韧窝更大、更深、分布更密，在4MPa纯氢环境中的测试结果表明，这一焊接工艺的氢致脆化倾向显著降低，同时延展性更好。
分析与总结
根据应力–应变曲线及氢脆敏感性指数（FH）的结果，在气态氢环境中，GTAW+SMAW焊接接头表现出最优的抗氢脆能力。为了进一步揭示GTAW与SMAW焊缝的高抗氢脆性机理，研究通过EBSD对不同焊接工艺的显微组织进行了分析。图16显示了GTAW与LHDW根焊焊缝金属的显微组织。图17显示了GMAW与SMAW焊缝金属的组织结构。不同焊缝的微观组织各异：GTAW与SMAW焊缝分别以片状铁素体为主体（后者含少量树枝晶），LHDW焊缝主要由板条状、网状及多边形铁素体构成，而GMAW焊缝则呈现为板条状铁素体与少量粒状铁素体的混合组织。EBSD结果表明，不同焊接方法形成的焊缝在晶粒结构上存在明显差异。焊接过程的加热时间与温度直接影响晶粒尺寸，GTAW与SMAW中的晶粒尺寸较小，细晶可使氢在显微尺度上分布更均匀，降低局部聚集。因此，GTAW与SMAW焊缝中较细的晶粒结构是其抗氢脆性能优越的关键因素。此外，EBSD对不同焊接组织的晶界取向差分布进行了分析，其中GTAW与SMAW的高角度晶界HAGBs占比都较低，而高角度晶界（HAGBs）因高的氢结合能引发氢偏聚，造成晶界弱化，致使沿晶断裂，较低的HAGB含量（如GTAW和SMAW中）可降低氢陷阱密度并提高有效扩散率，是其抗氢脆性能优越的因素。GTAW与SMAW焊缝氢脆敏感性较低，可归因于其较高的几何必要位错（GND）密度。这些高密度位错作为可逆氢陷阱，其作用机制在于促进氢的均匀分布，以避免局部富集。因此，较高的GND密度是GTAW与SMAW抗氢脆性能优异的重要因素之一。较低的HAGB含量（如GTAW和SMAW中）可降低氢陷阱密度并提高有效扩散率，是其抗氢脆性能优越的因素之一。且在在多层焊缝中，氢原子倾向于在根焊与覆焊的界面处富集，因此，在今后的工程应用中，应充分考虑不同焊层间氢吸附能力差异所导致的氢致失效风险。
