建筑鋼結構焊縫常見缺陷及磁粉檢測方法的應用

曾軍楓

（福州市閩建工程檢測有限公司，福建 福州 350107）

0 引言

隨著中國科學技術水平的發展和鋼產量的提高，越來越多的工業和民用建筑選用鋼結構，鋼結構工程的無損檢測技術也就變得越來越重要[1]。在《鋼結構工程質量驗收標準》（GB50205-2020）、《鋼結構焊接規范》（GB50661-2011）等國家技術標準中對鋼結構焊縫的無損檢測，主要采用四種方法：UT(超聲波檢測)、RT(射線檢測)、MT(磁粉檢測)和 PT(滲透檢測)。

目前建筑鋼結構焊縫檢測中采用較多的是超聲波檢測方法，有時再加上磁粉檢測方法。很多人認為對于焊縫只要進行了超聲波檢測就足夠了，覺得沒有必要對焊縫再進行磁粉檢測。其實這種理解并不正確，磁粉檢測在鋼結構的焊縫質量控制中非常重要。誠然，超聲波的主要特征就是探傷速度快、成本低、不損傷結構，而且可以對缺陷進行定位和定量。但由于超聲波探傷原理一般使用的都是A 型反射脈沖反射波法，反射波經處理之后在儀表熒屏上呈現的都是缺陷波形，而無法直接呈現缺陷形狀，要根據波形正確進行判別，易受主客觀條件限制，因此要求檢驗員必須具備豐富的經驗和技術能力。同時，超聲波檢測結果不易保存，不易檢查形狀復雜的構件，超聲波探傷僅適用于構件內部存在缺陷的構件檢測，對表面缺陷檢測效果較差。更加需要關注的是，對于危險性極大且剛開始只存在于構件表面的裂紋，超聲波探傷初期根本無法檢查出來。而隨著時間的推移，裂紋擴展，最后有可能造成構件破壞等嚴重后果。

為了豐富鋼結構焊縫缺陷檢測的方法，彌補超聲檢測的不足，人們對磁粉檢測方法在鋼結構焊縫缺陷檢測中的應用進行了研究。本文僅就建筑鋼結構焊縫常見缺陷及磁粉檢測方法的應用進行介紹。

1 建筑鋼結構焊縫表面和近表面常見缺陷

鋼結構構件在焊接過程中，受環境條件、焊工技術水平、焊接材料、焊接工藝、焊接設備等各方面因素影響，焊縫常出現各種缺陷，影響焊縫質量。建筑鋼結構焊接頭（近表面）常伴隨有氣孔、夾渣、未焊透現象、焊接冷裂紋和熱裂紋等問題。

1.1 氣孔

焊接過程中，由于金屬熔池吸收了太多的空氣，冷卻后空氣便無法逸出，就導致了焊接接頭產生氣孔。按照氣孔形成的部位不同，可分成表面氣孔、內部氣孔、以及密集氣孔。氣孔形成的最主要因素有：（1）焊材容易受潮，焊前沒有按照規范進行烘干，焊絲藥皮剝落、焊絲銹蝕；（2）構件表面不清潔，在焊接坡口附近也未能完全清洗干凈，以及焊接過程中外部環境濕度過高。

在一般非承壓容器構件中，氣孔缺陷往往被認為是非關鍵性缺陷，經常被忽視。而實際上氣孔將減少焊縫接頭的有效面積并形成應力集中，從而削減了焊縫接頭的硬度、塑性和疲勞強度。如果出現穿透性或連續性氣孔，還會導致焊接件的密封性嚴重降低。

1.2 夾渣

焊接過程中熔池內未能浮出殘留，在焊縫內的焊渣成為夾渣。焊接電流太小、焊接速度過快、多層焊接時，層間清理不干凈都可能導致焊縫夾渣。另外，由于焊工專業技能不嫻熟、焊絲選用不合理、焊縫坡口設計加工不合理、所用焊絲過粗、焊縫區域尚未打磨干凈、焊接材料和母材化學成份不配套等，都易產生焊縫夾渣。

由于金屬夾渣形狀多不規則，會大大降低焊接的塑性和強度，其尖角會造成較大的焊縫應力聚集，尖角頂點會導致裂紋形成，同時焊接用的針形氧化物和磷化物夾渣容易使焊接的金屬變脆，從而影響力學性能，氧化鐵和硫化鐵夾渣也會使焊接金屬形成脆性。

1.3 未焊透現象

未焊透現象是指由于母材金屬內部尚未熔化，焊縫金屬材料還不能深入連接部位根部而產生的缺陷。根據焊接方式可分為根部未焊透和中間未焊透。形成未焊透現象的主要原因包括：（1）焊縫參數設置不規范，焊縫電流過小，熔深淺；（2）焊條偏芯度太大；（3）焊縫的加工坡口和間隙形狀設計不當，鈍邊過寬；（4）層間和焊縫的根部未處理完畢；（5）磁偏吹的影響。

未焊透對鋼結構造成的后果之一是減少了焊接的有效面積，削弱了接頭強度；其次，未焊透部位也會產生應力集中，其帶來的不利影響比抗拉強度降低更甚；另外，疲勞強度的嚴重降低也是未焊透產生的不利后果；在交變荷載的作用下，未焊透缺陷的一些不規則邊緣會逐步發展成裂紋，是造成焊縫破壞的重要原因之一。

1.4 焊接裂紋

（1）焊接冷裂紋：焊接過程中，如果未嚴格按照工藝要求進行焊接，使焊縫中含有較高的氫元素或有較大的焊接殘余應力，或因措施不當導致焊縫中存在淬硬組織，則焊縫中易產生冷裂紋。其中較為常見的冷裂紋為延遲裂紋。顧名思義，延遲裂紋不是焊后立即形成，而是焊后延遲一段時間形成的，時間可能是焊后幾小時或者十幾小時甚至幾天。冷裂紋一般產生在100～300℃低溫范圍內的熱影響區（也可能在焊縫區）。

（2）焊接熱裂紋：是焊接過程的高溫高熱引起的，通常又稱為高溫斷裂，大致可以分成縱裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋。通常發生于在1100～1300℃高溫區域中的焊縫熔融金屬內。焊接熱裂紋在焊接完畢后就會形成。焊接裂紋也是所有焊縫缺陷中最危險的缺陷，它缺口根部曲率半徑接近于零，根部十分銳利，會導致顯著的應力聚集。當應力水平逐步達到并超越裂紋根部的強度極限時，應力將撕開裂紋，直至缺口貫穿整個焊縫截面而導致焊縫失效。處于脆性狀態的焊接接頭更會因裂紋擴展太快而出現脆性破裂事故。裂紋還會加劇焊接接頭疲勞破壞和應力腐蝕破壞。因此，焊接接頭絕不允許裂紋的存在。

2 磁粉檢測方法

2.1 磁粉檢測方法的原理

鐵磁性結構被外部磁場磁化后，磁感線就會在構件中形成磁路，但若與結構表層及近表面之間出現不連續，會使該部位的磁感線發生部分扭曲而形成漏磁。由于漏磁場的存在，通過吸附或施加于結構表層的鐵磁粉檢測后，在適當的光線條件下，會形成目視可見的磁痕，磁痕的位置、大小、形狀便可直接反應出缺陷的位置、大小和性質，進而根據顯示結果判斷缺陷性質及嚴重程度。需要注意的是，磁痕會放大不連續的顯示。

2.2 磁粉檢測方法的優勢

磁粉檢測方法的操作極其便利，并且檢測速度更快。同時，磁粉檢測裂紋具有很高的檢測靈敏度，可檢測微米級寬度的缺陷，裂紋形成初期便可有效探查。磁粉檢測基本不受構件大小和幾何形狀的限制，幾乎可以到構件表面的各個部位[2]。此外，磁粉檢測重復性好，檢測結果易于保存。

2.3 磁粉檢測方法的適用范圍

磁粉檢測適用于檢測鐵磁性材料，非磁性材料不適用。磁粉檢測對結構表層和近表層的裂紋（見圖1）、疏松、冷隔、氣孔和夾雜渣等問題具有極其優秀的檢測靈敏度，但不宜用來檢驗結構表層淺而大的劃痕、隱藏較深的內部裂縫和缺陷。

圖1 磁粉檢測裂紋示意圖

3 磁粉檢測方法在建筑鋼結構焊縫檢測中的應用

建筑鋼結構焊縫質量等級分為一級、二級和三級。不同質量等級的焊縫承載要求不同，凡是嚴重影響焊縫承載能力的缺陷都是嚴禁出現的。相關規范對建筑鋼結構的磁粉檢測做出了一些要求。根據鋼結構特點及現場條件，通常采用非熒光便攜式電磁軛法進行磁粉檢測。

3.1 磁粉檢測要求

質量等級為一級和二級的焊縫相當重要，其表面和近表面禁止有氣孔、夾渣、弧坑斷裂等問題的存在，相關標準規范都對磁粉檢測提出了要求。

《鋼結構焊接規范》（GB50661-2011）中要求，鐵磁性材料需開展磁粉檢驗的四種情形設計文件有要求：外觀檢測發現裂紋時，應對該批中同類焊縫全數百分百進行磁粉檢測；外觀檢測懷疑有裂紋缺陷時，應對懷疑的部位進行磁粉檢測；檢測人員認為有必要時。

《鋼結構工程施工質量驗收標準》（GB 50205-2020）對有疲勞驗算要求的一級和二級焊縫磁粉檢測也做出了若干規定：二級焊縫每批同類構件抽查10%，一級焊縫每批同類構件抽查15%，且不應少于3 件；被抽查構件中，每一類型焊縫應按條數抽查5%且不應少于1條；每條應抽查一處，總抽查數不應少于10處。

3.2 磁粉檢測方法

建筑鋼構磁粉檢驗中最廣泛采用的辦法是便攜式磁軛法（以下簡稱磁軛），利用磁軛的兩個磁極接觸構件表面，局部磁化構件部分區域，產生平行于兩磁極連線的磁力線，將很容易發現垂直于兩磁極連線的相關顯示。

磁軛上的兩個磁性極通常做成可動關節，磁極間距L 通常控制在（75～200）mm 比較合適。主要原因在于磁極的25mm區域內磁通密度太強會生成過度背景，從而導致該區域可能出現的相關顯示被過度背景掩蓋，所以，磁極最短間距L 不得小于75mm。反之，在磁通量不變的情形下，磁極距離L 越大，構件表面的磁場強度就越小，過小的磁場強度將導致不連續顯示無法形成磁痕，因此磁極距離L 也不能過大。磁軛的提升力應保證能提起質量至少為4.5kg 的鋼板，即提升力應不小于44N。

3.3 磁粉檢測程序

磁粉檢測應由取得相關門類等級資格的檢測人員操作。檢測人員在接到檢測任務后應根據設計文件及規范標準的要求開展檢測工作。

（1）準備工作：根據受檢構件的材料、規格、結構部位及表面狀況，確定相應的檢測工藝要求，準備相應的檢測設備及器材并確定檢測時機?，F場磁粉檢測主要采用電磁軛法磁化，并用濕法連續磁化技術。需要準備的主要檢測設備和器材包括：便攜式磁粉探傷機、磁懸液、標準試片、照相機、照度計、放大鏡、記錄紙等。

（2）預處理：清除被檢構件表面的鐵銹、氧化皮、焊接飛濺及其他污物并保持干燥。構件表面如果存在影響檢測結果正確性及完整性的不規則情況，應當進行適當修整，修整后構件表面粗糙度不大于25μm。

（3）磁化并施加磁懸液：首先使用靈敏度試片，使之粘附于被測構件表面，以此確認被測構件表面的有效磁場強度和方位是否正確，有效檢測范圍和磁化方式是否正確。驗證完畢后，開始磁化構件表面。檢測焊縫縱向缺陷時，將磁軛垂直跨過焊縫放置；檢測焊縫橫向缺陷時，將磁軛平行放置。為保證檢出各個方向的缺陷，針對同一部位必須至少做兩次互相垂直的檢測。磁化通電時間一般為1～3s，磁化區域每次至少重疊10%。

采用噴淋法施加磁懸液，施加前要先將磁懸液搖勻，應確保整個檢測面被磁懸液潤濕。為保證磁化效果，應先停止噴淋磁懸液，至少1s后方可停止磁化。

（4）磁痕的觀察與記錄：當磁痕形成后應立即進行磁痕的觀察與記錄。缺陷磁痕的觀察記錄應在可見光下進行，且構件表面處光照強度不小于1000lx。受現場條件限制，光照條件無法滿足要求時，可見光照度可以適當降低但不得低于500lx。缺陷磁痕的顯示記錄可采用照相、繪制示意圖等方式記錄。

（5）缺陷評定：磁痕顯示分為相關顯示、非相關顯示和偽顯示。檢測人員應根據設計文件及焊縫質量等級確定顯示的驗收等級，并判斷顯示是否可接受。

（6）退磁：建筑鋼結構磁粉檢測焊縫剩磁很低，除非有特殊要求，通常情況下可以不進行退磁。

3.4 焊縫缺陷磁痕顯示特征

由缺陷產生的漏磁場吸附磁粉形成的磁痕顯示稱為特征顯示。表1歸納總結了建筑鋼結構構件焊后焊縫表面、近表面常見缺陷產生的相關磁痕特征。熟悉這些特征，有助于檢測人員更準確判斷缺陷性質及危害。

表1 焊縫表面和近表面常見缺陷磁痕顯示特征

4 結束語

綜上所述，本文對磁粉檢測方法的原理、優勢和適用范圍進行了介紹，對氣孔、夾渣、未焊透和焊接裂紋等建筑鋼結構焊縫表面和近表面常見缺陷進行了闡述，并從磁粉檢測要求、檢測方法和檢測程序以及焊縫缺陷磁痕顯示特征四個方面介紹了磁粉檢測方法在建筑鋼結構焊縫檢測中的應用。希望本文總結的內容能引起相關人員對磁粉檢測方法在建筑鋼結構焊縫檢測中的應用引起重視，并對檢測工作的開展提供幫助。