金属焊接接头部位电偶腐蚀的测定装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开金属焊接接头部位电偶腐蚀的测定装置，电化学测量装置和计算机相连，电化学测量装置的工作端连接第一测试接头，电化学测量装置的接地端连接第二测试接头，测试探头包括第一测试探头和第二测试探头，在探头上盖、探头主体和探头下端连接成一体后，在其内部同轴连接成一体的溶液储存腔，以离子通道连通两个测试探头的溶液储存腔。在进行使用时，利用磁石和磁性固定栓将测试探头固定在待测样品的表面，在结合处使用绝缘材料进行防漏液处理，向溶液储存腔中加入预先配置的溶液，以模拟待测样品的不同工作状态，再利用离子通道连通两个测试探头的溶液储存腔中的溶液，即可实现测试，方便简洁。
【专利说明】
金属焊接接头部位电偶腐蚀的测定装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于电偶腐蚀的测定装置领域，尤其是金属焊接接头部位电偶腐蚀的 测定装置与测定方法。
【背景技术】
[0002] 电偶腐蚀，也称之为双金属腐蚀。当两种或两种以上不同金属或同种金属的不同 组织(如焊缝)在导电介质中接触后，由于各自电极电位不同而构成腐蚀原电池。在电解质 水膜下，形成腐蚀宏电池，会加速其中负电位金属的腐蚀。影响电偶腐蚀的因素有环境、介 质导电性、阴阳极的面积比等。电偶腐蚀一般取决于异种金属之间的电位差。这里的电位指 的是两种金属或同种金属的不同组织(如焊缝)分别在电解质溶液(腐蚀介质）中的实际电 位，即该金属在溶液中的腐蚀电位。其中，通常来讲，电位高的作为阴极，电位低的作为阳 极，特别是当阳极面积较小时会形成小阳极大阴极的电偶对，使腐蚀加剧。在其他条件不变 的情况下，电位差越大，腐蚀速度可能越大。这里说的可能是由于电位是热力学数据，通过 热力学数据无法确切的表述出腐蚀过程的快慢，甚至有时因为外界环境的差异还会出现相 反的结论。因此，对动力学过程的数据，即电偶腐蚀电流的测量就变得尤为重要。通过测量 得到的腐蚀电流能够计算出不同材料或不同组织之间腐蚀速度差异。从而判断设备在特定 环境中的腐蚀行为。
[0003] 焊接是工程制造中的重要工艺环节，许多零部件都是通过焊接连接在一起。由于 焊接过程中不可避免对焊接接头的组织产生影响，所以即使两个连接部件和焊材都是同种 材料，焊接接头也会因为组织不均匀在腐蚀环境中发生电偶腐蚀。研究金属焊接接头部位 腐蚀的方法主要有:盐雾试验，浸泡实验法(全浸、间浸等)和电化学实验法(电位测量、电偶 电流测量、极化测量、电化学阻抗测量等）。前者只能得到失重数据和表面腐蚀形貌，无法得 到腐蚀电流数据，耗时长。电化学方法虽然能得到电化学信息，但大多局限于分别研究单一 区域，对实验室制备的工作电极也有加工复杂耗时等缺点，更无法实现在线无损检测。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了金属焊接接头部位电偶腐蚀 的测定装置与测定方法，在线检测出金属焊接接头表面各区域之间的腐蚀电偶电流，从而 判断阳极区和阴极区，得到金属焊接接头表面各区域的电偶腐蚀程度，从而判断出其电偶 腐蚀敏感性。
[0005] 为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0006] 金属焊接接头部位电偶腐蚀的测定装置，包括测试探头，离子通道，电化学测量装 置和计算机，其中：
[0007]电化学测量装置和计算机相连，电化学测量装置将采集的电化学信号传递给计算 机，计算机以对采集的电流信号进行分析处理，输出测试时间内的电偶腐蚀电流的数值；
[0008]电化学测量装置的工作端和接地端分别连接两块待测焊接试样，用以采集信号； 测试探头包括第一测试探头和第二测试探头，两者结构相同且分别固定在两块待测焊接试 样上，由探头上盖、探头主体、探头下管和磁性固定栓组成，探头上盖下端与探头主体相连 并在两者的连接处设置密封圈，探头主体的下端面中央设置探头下管，探头主体的下端面 的四角对称设置磁性固定栓，在磁性固定栓的末端设置磁石，用于吸附在焊接测试区域;在 探头下管的下端面设置试样接触圆环;在探头上盖上且沿探头上盖的轴向设置贯穿探头上 盖的离子通道连接孔，在探头主体和探头下端的内部设置空腔，在探头上盖、探头主体和探 头下端连接成一体后，离子通道连接孔和空腔同轴连接成一体的溶液储存腔；
[0009] 离子通道的一端设置在第一测试探头的探头上盖的离子通道连接孔中，其另一端 设置在第二测试探头的探头上盖的离子通道连接孔中，以连通两个测试探头的溶液储存 腔。
[0010] 在上述技术方案中，在溶液储存腔中设置金属焊接接头实际工作环境下的溶液， 以模拟待测试部位的工作环境。
[0011] 在上述技术方案中，离子通道能够导通离子且无法导通电子，选用塑料管道并在 其中填充能够导通离子且无法导通电子的材料，例如海绵、溶液，凝胶，优选填充饱和氯化 钾凝胶的硅胶管作为离子通道。
[0012] 在上述技术方案中，测试探头整体上选用绝缘材料制备，例如聚四氟乙烯。
[0013] 在上述技术方案中，第一测试探头设置在待测试样品的母材区、热影响区或者焊 合区（即焊缝区）；第二测试探头设置在待测试样品的母材区、热影响区或者焊合区（即焊缝 区），这样一来，两个探头之间配合可分别测定焊缝区、热影响区；热影响区、母材;焊缝区、 母材之间的，不同的热影响区之间的电偶腐蚀电流。
[0014] 在进行使用时，按照下述步骤进行：
[0015] 步骤1，利用磁石和磁性固定栓将测试探头固定在待测样品的表面并紧密贴合，在 结合处使用绝缘材料(例如环氧树脂胶、白硅胶、502)进行防漏液处理，此时试样接触圆环 与待测样品的表面紧密贴合
[0016] 在步骤1中，若待测样品表面不平整，粗糙，或者属于无磁性的材料，使用白硅胶或 环氧树脂对测试探头直接给予固定。
[0017] 步骤2,向溶液储存腔中加入预先配置的溶液，以模拟待测样品的不同工作状态， 待测样品在试样接触圆环中的部分即为样品的测试面积，在这一区域上浸泡预先配置的模 拟溶液;再利用离子通道连通两个测试探头的溶液储存腔中的溶液。
[0018] 步骤3,将待测样品分别与电化学测量装置的工作端和接地端相连，开启电化学测 量装置进行测试，同时以计算机对信号予以记录。
[0019] 在上述技术方案中，第一测试探头设置在待测试样品的母材区、热影响区或者焊 合区（即焊缝区），且设置第一测试探头的待测试样品与电化学测量装置的工作端相连;第 二测试探头设置在待测试样品的母材区、热影响区或者焊合区（即焊缝区），且设置第二测 试探头的待测试样品与电化学测量装置的接地端相连;这样一来，两个探头之间配合可分 别测定焊缝区、热影响区；热影响区、母材;焊缝区、母材之间的，不同的热影响区之间的电 偶腐蚀电流。通过此方法测得的电偶腐蚀电流为导通状态下第一测试探头所覆盖区域组织 相对于第二测试探头所覆盖区域组织的腐蚀电流的差值，即I = Ii-I2。
[0020] 在上述技术方案中，在开始测量之前，设置第一测试探头的待测试样品与电化学 测量装置的工作端相连并形成导通状态，设置第二测试探头的待测试样品与电化学测量装 置的接地端处于断开状态，在开始测试时以得到连通瞬间的暂态脉冲电流。
[0021] 在上述技术方案中，由计算机记录电化学测量装置采集的信号，在设置第二测试 探头的待测试样品与电化学测量装置的接地端导通瞬间，由于电位差异所导致的瞬间暂态 脉冲电流，之后继续读取电偶腐蚀电流信号，待电偶腐蚀电流稳定之后，继续采集一段时间 后停止采集(例如200-1000s)。并将所得数据拷贝至TXT文档中或其他格式的记录文件中。 计算机对采集的电流信号进行分析处理，输出电偶腐蚀电流，根据电偶腐蚀电流时间图可 以确定焊接接头试样表面的阴阳极区域并判断焊接接头各部位的电偶腐蚀敏感性强弱。
[0022] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:该装置可以检测出金属焊接接头表 面各区域之间的腐蚀电偶电流，从而判断阳极区和阴极区，得到金属焊接接头表面各区域 的电偶腐蚀程度，从而判断出其电偶腐蚀敏感性。
【附图说明】
[0023] 图1为本实用新型的测试探头结构示意图；
[0024] 图2为本实用新型的热影响区对母材区的电偶腐蚀电流实验接线示意图；
[0025]图3为本实用新型的接线原理图示意；
[0026] 图4为本实用新型技术方案进行性能测试的热影响区对母材区的电偶腐蚀电流 图；
[0027] 图5为本实用新型技术方案进行性能测试的热影响区对焊合区的电偶腐蚀电流 图；
[0028] 图6为本实用新型技术方案进行性能测试的母材区对焊合区的电偶腐蚀电流图。
[0029] 其中1为离子通道连接孔，2为探头上盖，3为密封圈，4为探头主体，5为溶液储存 腔，6为探头下管，7为磁性固定栓，8为试样接触圆环，9为磁石，10为工作端，11为接地端，12 为焊合区，13为热影响区，14为母材区，15为第一测试探头，16为第二测试探头，17为第一测 试探头的工作圆环，18为第二测试探头的工作圆环，19为离子通道，20为电化学测量装置， 21为计算机。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图与具体的实施方式对本实用新型作进一步详细描述：
[0031] 如附图1 一3所示，本实用新型的金属焊接接头部位电偶腐蚀的测定装置，包括测 试探头，离子通道，电化学测量装置和计算机，其中：
[0032] 电化学测量装置和计算机相连，电化学测量装置将采集的电化学信号传递给计算 机，计算机以对采集的电流信号进行分析处理，输出测试时间内的电偶腐蚀电流的数值；
[0033] 电化学测量装置的工作端和接地端分别连接两块待测焊接试样，用以采集信号； 测试探头包括第一测试探头和第二测试探头，两者结构相同且分别固定在两块待测焊接试 样上，由探头上盖、探头主体、探头下管和磁性固定栓组成，探头上盖下端与探头主体相连 并在两者的连接处设置密封圈，探头主体的下端面中央设置探头下管，探头主体的下端面 的四角对称设置磁性固定栓，在磁性固定栓的末端设置磁石，用于吸附在焊接测试区域;在 探头下管的下端面设置试样接触圆环;在探头上盖上且沿探头上盖的轴向设置贯穿探头上 盖的离子通道连接孔，在探头主体和探头下端的内部设置空腔，在探头上盖、探头主体和探 头下端连接成一体后，离子通道连接孔和空腔同轴连接成一体的溶液储存腔；
[0034] 离子通道的一端设置在第一测试探头的探头上盖的离子通道连接孔中，其另一端 设置在第二测试探头的探头上盖的离子通道连接孔中，以连通两个测试探头的溶液储存腔 (及溶液）。
[0035] 在上述技术方案中，在溶液储存腔中设置金属焊接接头实际工作环境下的溶液， 以模拟待测试部位的工作环境。
[0036] 在上述技术方案中，离子通道能够导通离子且无法导通电子，选用塑料管道并在 其中填充能够导通离子且无法导通电子的材料，例如海绵、溶液，凝胶，优选填充饱和氯化 钾凝胶的硅胶管作为离子通道。
[0037] 在上述技术方案中，测试探头整体上选用绝缘材料制备，例如聚四氟乙烯。
[0038] 在上述技术方案中，第一测试探头设置在待测试样品的母材区、热影响区或者焊 合区（即焊缝区）；第二测试探头设置在待测试样品的母材区、热影响区或者焊合区（即焊缝 区），这样一来，两个探头之间配合可分别测定焊缝区、热影响区；热影响区、母材;焊缝区、 母材之间的，不同的热影响区之间的电偶腐蚀电流。
[0039] 在进行使用时，按照下述步骤进行：
[0040] 步骤1，利用磁石和磁性固定栓将测试探头固定在待测样品的表面并紧密贴合，在 结合处使用绝缘材料(例如环氧树脂胶、白硅胶、502)进行防漏液处理，此时试样接触圆环 与待测样品的表面紧密贴合
[0041] 在步骤1中，若待测样品表面不平整，粗糙，或者属于无磁性的材料，使用白硅胶或 环氧树脂对测试探头直接给予固定。
[0042] 步骤2,向溶液储存腔中加入预先配置的溶液，以模拟待测样品的不同工作状态， 待测样品在试样接触圆环中的部分即为样品的测试面积，在这一区域上浸泡预先配置的模 拟溶液;再利用离子通道连通两个测试探头的溶液储存腔中的溶液。
[0043]步骤3,将待测样品分别与电化学测量装置的工作端和接地端相连，开启电化学测 量装置进行测试，同时以计算机对信号予以记录。
[0044] 在上述技术方案中，第一测试探头设置在待测试样品的母材区、热影响区或者焊 合区（即焊缝区），且设置第一测试探头的待测试样品与电化学测量装置的工作端相连;第 二测试探头设置在待测试样品的母材区、热影响区或者焊合区（即焊缝区），且设置第二测 试探头的待测试样品与电化学测量装置的接地端相连;这样一来，两个探头之间配合可分 别测定焊缝区、热影响区；热影响区、母材;焊缝区、母材之间的，不同的热影响区之间的电 偶腐蚀电流。通过此方法测得的电偶腐蚀电流为导通状态下第一测试探头所覆盖区域组织 相对于第二测试探头所覆盖区域组织的腐蚀电流的差值，即I = Ii-I2。
[0045] 在上述技术方案中，在开始测量之前，设置第一测试探头的待测试样品与电化学 测量装置的工作端相连并形成导通状态，设置第二测试探头的待测试样品与电化学测量装 置的接地端处于断开状态，在开始测试时以得到连通瞬间的暂态脉冲电流。
[0046] 在上述技术方案中，由计算机记录电化学测量装置采集的信号，在设置第二测试 探头的待测试样品与电化学测量装置的接地端导通瞬间，由于电位差异所导致的瞬间暂态 脉冲电流，之后继续读取电偶腐蚀电流信号，待电偶腐蚀电流稳定之后，继续采集一段时间 后停止采集(例如200-1000s)。并将所得数据拷贝至TXT文档中或其他格式的记录文件中。 计算机对采集的电流信号进行分析处理，输出电偶腐蚀电流，根据电偶腐蚀电流时间图可 以确定焊接接头试样表面的阴阳极区域并判断焊接接头各部位的电偶腐蚀敏感性强弱。
[0047] 电偶腐蚀电流数据的处理。在分析腐蚀电流之前，首先应计算出腐蚀电流密度的 大小。腐蚀电流密度是腐蚀电流对腐蚀面积的乘积，其中，该面积为与电化学测量装置工作 端相连的待测试样上测试探头的试样接触圆环中与(模拟)溶液相接触的待测试样面积(即 试样接触圆环的面积），而非对电极端的工作面积(与电化学测量装置接地端相连的待测试 样上测试探头的试样接触圆环中与模拟溶液相接触的待测试样面积）。其腐蚀电流密度用 如下公式计算：
[0048] ID=I/s
[0049] s = JiR2
[0050]其中，Id为电偶腐蚀电流密度，I为电偶腐蚀电流，s为工作面积，R为测试探头工作 圆环半径(试样接触圆环的半径）。
[0051] 当使用多探头进行测试时，其工作面积为与电化学工作装置的工作端所连接的测 试探头的总工作面积(即每个试样接触圆环面积之和）。
[0052] 电偶腐蚀行为与腐蚀不均衡性的确定。在计算出电偶腐蚀电流密度之后，我们只 是知道了阴极区与阳极区腐蚀速度的差值，即ID=IPSD-I阴D。虽然通过该值得大小与正负也 可以判断出何者为阳极，何者为阴极，以及二者腐蚀速度的差异。但无法知道二者的腐蚀速 度的绝对值。然而，通常来讲当两种自腐蚀电位不同的材料发生电偶腐蚀时，电位高的被阴 极极化，腐蚀速度下降，电位低的被阳极极化，腐蚀速度上升。当二者的自腐蚀电位差异较 大时，可以认为Ip?远大于I咖，即Id~Ip?。而当二者的自腐蚀电位差异较小时，应结合极化 曲线等测试进行进一步的计算。
[0053] 金属焊接接头腐蚀速度的确定。当二者的自腐蚀电位差异较大时，通过腐蚀电流 密度可以计算出金属局部腐蚀的速度大小。
[0054] 其单位时间反应电量为Q = tID [0055] 单位时间反应总质量为m = QM/Fn
[0056]其中t为时间，n为反应物与生成物的化合价之差，F = 96500为法拉第常数，M为反 应原子摩尔质量。
[0057] 因此腐蚀速度A=m/ts
[0058] 其中A单位为g/m2h，s为电极反应面积(即计算腐蚀电流密度时采用的工作面积）。
[0059] 也可表示称腐蚀深度为B=(24*365A)/1000d [0060]其中B单位为mm/年，d为材料的密度，单位为g/cm3
[0061] 对上述公式，分别带入ID、IP0D和I阴D即可计算出不同区域的局部腐蚀速度的大小。
[0062] 第一焊接接头试样与第一测试探头的工作圆环中溶液的接触部分为工作电极，第 二焊接接头试样与第二测试探头的工作圆环中溶液的接触部分为对电极;探头下管中工作 圆环的直径选取应以不大于所测定组织的宽度为准，选取直径为5mm;工作圆环与金属试样 之间应通过调节磁性固定栓保证紧密接触并做好防漏液工作;探头主体溶液储存腔内应加 入焊接接头实验所需的溶液;离子导通管道粗细应与连接孔一致以防止溶液漏出；离子导 通管道选择柔性材料(硅胶管)与探头主体内部溶液保持良好接触。
[0063] 使用本实用新型的测试探头测试焊接接头不同组织之间的电偶腐蚀的电流的步 骤如下：
[0064] (1)将测试探头下管及磁性固定栓连接在探头主体上，并将第一测试探头与第二 测试探头分别使用磁性固定栓使工作圆环吸附在第一焊接接头与第二焊接接头的不同组 织上，本实施例分别测定了热影响区相对于母材区、热影响区相对于焊合区、母材区相对于 焊合区的电偶腐蚀电流的大小。故在每组试验下第一测试探头与第二测试探头的工作圆环 应吸附在相应的组织处。之后向探头主体的溶液储存腔内加入3.5wt%氯化钠水溶液(海水 模拟液）。本实施例中的试样为T4003不锈钢，表面已经过打磨处理，在实验过程中没有发生 溶液的漏出，故不需进一步的防漏液措施。注入溶液后再放入密封环并将探头上盖旋紧于 探头主体上部，之后将内部含有饱和氯化钾凝胶的硅胶管插入柔性离子导通管道连接孔 内，并保证与溶液密切接触，使两个探头间形成离子导通通道。
[0065] (2)测试探头与电化学工做站的连接:本实验的连线图如图2所示，图2为热影响区 对母材区的电偶腐蚀电流测试的接线图，对其他组织之间的电偶腐蚀电流测试，工作圆环 所覆盖的组织应有所不同。值得注意的是:为了得到不同组织之间导通瞬态的腐蚀电流，应 保证测试前电化学工作站工作端与第一焊接接头试样接触，并使电化学工作站接地端与第 二焊接接头试样断开。当测试开始后，再将电化学工作站接地端与第二焊接接头试样相连 接。
[0066] (3)试验参数的设置:本实验采用上海正方电气有限公司生产的的ZF-100电化学 工作站进行瞬态电偶电流测试，扫描频率为20Hz，扫描时间为15分钟。本实验对T4003不锈 钢焊接接头试样不同组织之间的电偶腐蚀电流图如图4-图6所示。通过图4-6中稳态电偶腐 蚀电流的大小可以得到该材料在该环境下不同组织平均腐蚀速率的差异。
[0067]通过测定计算，不同区域间的稳态电偶腐蚀电流的平均值的计算结果如下表所 示：
[0070] 在该电偶腐蚀电流测试中，若得到的电流为正值，则代表工作电极的腐蚀速度大 于对电极，即为第一测试探头工作圆环所覆盖的区域的腐蚀速度更快。而越大的电偶腐蚀 电流的值代表腐蚀速度的差异越大。由此，我们可以得出三种组织之间腐蚀速度的关系是： 热影响区>母材区>焊合区。
[0071] 测试初期，连通电化学工作站接地端与第二焊接接头的瞬间得到的瞬态电偶腐蚀 电流的方向与大小可以判断二者的电位关系与差值。在本实验中，三次测试得到的瞬态电 偶腐蚀电流为正值，则可以判断三种组织之间腐蚀电位的关系是：热影响区< 母材区 <焊 合区。通过以上关系可知，T4003不锈钢焊接接头不同组织之间耐蚀性的关系为：热影响区 <母材区 <焊合区。
[0072]以上对本实用新型进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例， 不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与 改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。
【主权项】
1. 金属焊接接头部位电偶腐蚀的测定装置，其特征在于，包括测试探头，离子通道，电 化学测量装置和计算机，其中： 电化学测量装置和计算机相连；电化学测量装置的工作端和接地端分别连接两块待测 焊接试样;测试探头包括第一测试探头和第二测试探头，两者结构相同且分别固定在两块 待测焊接试样上，由探头上盖、探头主体、探头下管和磁性固定栓组成，探头上盖下端与探 头主体相连并在两者的连接处设置密封圈，探头主体的下端面中央设置探头下管，探头主 体的下端面的四角对称设置磁性固定栓，在磁性固定栓的末端设置磁石;在探头下管的下 端面设置试样接触圆环;在探头上盖上且沿探头上盖的轴向设置贯穿探头上盖的离子通道 连接孔，在探头主体和探头下端的内部设置空腔，在探头上盖、探头主体和探头下端连接成 一体后，离子通道连接孔和空腔同轴连接成一体的溶液储存腔;离子通道的一端设置在第 一测试探头的探头上盖的离子通道连接孔中，其另一端设置在第二测试探头的探头上盖的 离子通道连接孔中。2. 根据权利要求1所述的金属焊接接头部位电偶腐蚀的测定装置，其特征在于，离子通 道为填充饱和氯化钾凝胶的硅胶管。3. 根据权利要求1所述的金属焊接接头部位电偶腐蚀的测定装置，其特征在于，测试探 头整体上选用绝缘材料聚四氟乙烯制备。4. 根据权利要求1所述的金属焊接接头部位电偶腐蚀的测定装置，其特征在于，第一测 试探头设置在待测试样品的母材区、热影响区或者焊缝区；第二测试探头设置在待测试样 品的母材区、热影响区或者焊缝区。
【文档编号】G01N17/02GK205593902SQ201620389241
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】高志明, 苗伟行, 刘永长, 胡文彬, 夏大海, 修妍
【申请人】天津大学