淺談幾個與氫元素有關的電銲規定

劉澤山 技師

在冶金或電銲中，都有ㄧ個基本的現象，那就是鐵融化成液體俗稱鐵水的東西。鐵水會如同水一般溶解一些其他成分，並於凝固時依其溶解物質的不同，成為固溶物或釋放出來，其中有ㄧ個成分叫作氫。鐵水在液態時可以溶解大量的氫；但在凝固時會釋放出來。如果凝固時未能釋放出來的氫就在分子的晶格中流竄、蓄積，並且造成晶格縫隙中的壓力。壓力過大時，擠破縫隙造成裂縫。一般在鋼液冷卻後一段時間，氫壓力上升至最大，如此造成的問題又被稱為「氫裂」或「氫脆」。所以在鋼結構銲道檢測的規範中，施作的時機點必須根據鋼材強度，於銲接後銲道冷卻至室溫或24小時不等的時間，檢測才算正確。軟鋼延展性佳，相對承受氫裂的能力較佳，但對於強度較高、硬度較硬的鋼材所能承受的壓力，相對來說就比較少了。因此控制氫氣的留存量是銲接ㄧ直以來重要的課題。

電銲中氫的來源有哪些呢？第ㄧ個來源是銲藥的組成成分。銲藥中含有的有機物質中含有大量的氫，所以在工地較惡劣的環境下，使用的銲條大都規定為「低氫素系銲條」。第二個主要來源就是水了。水的分子式H₂O，在電銲過程中離子化成氫溶解於鋼液中。但是現實環境中到處是水，空氣中、暴露的鋼材表面等；還有所謂的「低氫素系銲條」的銲藥，事實上吸濕能力也是超強。因此，在電銲前，對於銲接表面要先以火烤一下（不一定是預熱）來除去表面的溼氣（照片1），低氫素系銲條暴露於大氣中的時間加以規定等，都是保障電銲品質的基本要求。鋼結構施工規範^【1】要求預熱與低氫素系銲條暴露於大氣中的時間規定如附表1、2。

預熱的目的基本上主要是因為鋼鐵的導熱性佳，為了避免剛開始焊接時，由於給予的熱量還少，銲道的降溫速度過快，造成凝固的銲道淬火(產生過多麻田散鐵)，影響銲道品質。第二個原因則是因為銲道的降溫速度過快，氫氣來不及跑出來鐵水即已凝固，因而造成根部銲道的龜裂。所以從氫氣逸出的這個角度來說，還有需要時間的這個問題。AWS D1.8^【2】規定，每道銲道銲接前，前一道銲道的溫度需降至300℃（550℉，銲道旁一英吋處量測）才可繼續施銲。某種程度來說也是讓氫氣有機會逸出的一個方法。這與大家習慣的單純預熱與保持層間溫度，讓銲道在銲接中保持在一定溫度以上，具有不同的意涵。實務上與此類似的還有後熱的問題，常見對於容易龜裂的銲道或銲件，於銲接完成後加以包裹使溫度降低的速度減緩，也是類似的理由。

氫含量的試驗一般根據AWS A4.3^【3】的方法測定。含量一般以H開頭加上數字來表示。例如H5代表100g的銲道中含有5ml的氫。但實用上一般習慣均以2的乘數來表示，例如H2、H4、H8及H16等。美國相關耐震規定(AWS D1.8^【2】、FEMA 353^【4】)均規定銲道的氫含量等級最多為H16。

國內鋼結構施工規範^【1】僅對於被覆銲條暴露大氣的時間，有加以規定（附表2）。但對目前國內鋼骨大樓常使用的包藥銲接（FCAW）來說，則並未有特別的說明。實務上，一般人對於包藥銲線暴露於大氣的時間也未特別加以控管，但實際上包藥銲線某種程度上仍會吸收水分而導致問題。基本上在AWS D1.8^【2】的規定：除非經實驗認證能達H16以下之等級，否則暴露在大氣中的時間不得超過72小時。FEMA 353^【4】甚至只有24小時的使用時間。

電銲與氫元素的關係雖然是屬於金屬冶金的問題，但由於電銲中的許多規定或要求，與氫元素之間常有很重要的關係，因此，雖然自己也不是這方面的專家，但覺得有些基本的認識，對於了解這些規定，有其重要性。另外也藉此介紹相關的美國耐震規定，雖然國內採用的不多，但是相信一段時間後，會逐漸的被使用。故個人不耑愚陋給大家做個介紹。 

參考資料

1.      鋼結構施工規範，96年。

2.      AWS D1.8 Structural Welding Code- Seismic Supplement. Chap 6. 2005.

3.      AWS A4.3 Standard Methods for Determination of the Diffusible Hydrogen Content of Martensitic, Bainitic, and Ferrtic Steel Weld Metal Produced by Arc Welding. 1993.

4.      FEMA 353 Recommended Specifications and Quality Assurance Guidelines for Steel Moment-Frame Construction for Seismic Applications. Part I. 2000. 

附表1 預檢定預熱及道間溫度（鋼結構施工規範 表4.2-2）

附表2 低氫系被覆電銲條容許曝露大氣時間（鋼結構施工規範 表4.4-1）

照片1 腹鈑電銲前去除水氣