曾軍楓

（福州市閩建工程檢測(cè)有限公司，福建 福州 350107）

0 引言

隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和鋼產(chǎn)量的提高，越來(lái)越多的工業(yè)和民用建筑選用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)工程的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也就變得越來(lái)越重要[1]。在《鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB50205-2020）、《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB50661-2011）等國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫的無(wú)損檢測(cè)，主要采用四種方法：UT(超聲波檢測(cè))、RT(射線檢測(cè))、MT(磁粉檢測(cè))和 PT(滲透檢測(cè))。

目前建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)中采用較多的是超聲波檢測(cè)方法，有時(shí)再加上磁粉檢測(cè)方法。很多人認(rèn)為對(duì)于焊縫只要進(jìn)行了超聲波檢測(cè)就足夠了，覺(jué)得沒(méi)有必要對(duì)焊縫再進(jìn)行磁粉檢測(cè)。其實(shí)這種理解并不正確，磁粉檢測(cè)在鋼結(jié)構(gòu)的焊縫質(zhì)量控制中非常重要。誠(chéng)然，超聲波的主要特征就是探傷速度快、成本低、不損傷結(jié)構(gòu)，而且可以對(duì)缺陷進(jìn)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(jīng)處理之后在儀表熒屏上呈現(xiàn)的都是缺陷波形，而無(wú)法直接呈現(xiàn)缺陷形狀，要根據(jù)波形正確進(jìn)行判別，易受主客觀條件限制，因此要求檢驗(yàn)員必須具備豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)能力。同時(shí)，超聲波檢測(cè)結(jié)果不易保存，不易檢查形狀復(fù)雜的構(gòu)件，超聲波探傷僅適用于構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷的構(gòu)件檢測(cè)，對(duì)表面缺陷檢測(cè)效果較差。更加需要關(guān)注的是，對(duì)于危險(xiǎn)性極大且剛開(kāi)始只存在于構(gòu)件表面的裂紋，超聲波探傷初期根本無(wú)法檢查出來(lái)。而隨著時(shí)間的推移，裂紋擴(kuò)展，最后有可能造成構(gòu)件破壞等嚴(yán)重后果。

為了豐富鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷檢測(cè)的方法，彌補(bǔ)超聲檢測(cè)的不足，人們對(duì)磁粉檢測(cè)方法在鋼結(jié)構(gòu)焊縫缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文僅就建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫常見(jiàn)缺陷及磁粉檢測(cè)方法的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫表面和近表面常見(jiàn)缺陷

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在焊接過(guò)程中，受環(huán)境條件、焊工技術(shù)水平、焊接材料、焊接工藝、焊接設(shè)備等各方面因素影響，焊縫常出現(xiàn)各種缺陷，影響焊縫質(zhì)量。建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接頭（近表面）常伴隨有氣孔、夾渣、未焊透現(xiàn)象、焊接冷裂紋和熱裂紋等問(wèn)題。

1.1 氣孔

焊接過(guò)程中，由于金屬熔池吸收了太多的空氣，冷卻后空氣便無(wú)法逸出，就導(dǎo)致了焊接接頭產(chǎn)生氣孔。按照氣孔形成的部位不同，可分成表面氣孔、內(nèi)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(méi)有按照規(guī)范進(jìn)行烘干，焊絲藥皮剝落、焊絲銹蝕；（2）構(gòu)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(guò)程中外部環(huán)境濕度過(guò)高。

在一般非承壓容器構(gòu)件中，氣孔缺陷往往被認(rèn)為是非關(guān)鍵性缺陷，經(jīng)常被忽視。而實(shí)際上氣孔將減少焊縫接頭的有效面積并形成應(yīng)力集中，從而削減了焊縫接頭的硬度、塑性和疲勞強(qiáng)度。如果出現(xiàn)穿透性或連續(xù)性氣孔，還會(huì)導(dǎo)致焊接件的密封性嚴(yán)重降低。

1.2 夾渣

焊接過(guò)程中熔池內(nèi)未能浮出殘留，在焊縫內(nèi)的焊渣成為夾渣。焊接電流太小、焊接速度過(guò)快、多層焊接時(shí)，層間清理不干凈都可能導(dǎo)致焊縫夾渣。另外，由于焊工專(zhuān)業(yè)技能不嫻熟、焊絲選用不合理、焊縫坡口設(shè)計(jì)加工不合理、所用焊絲過(guò)粗、焊縫區(qū)域尚未打磨干凈、焊接材料和母材化學(xué)成份不配套等，都易產(chǎn)生焊縫夾渣。

由于金屬夾渣形狀多不規(guī)則，會(huì)大大降低焊接的塑性和強(qiáng)度，其尖角會(huì)造成較大的焊縫應(yīng)力聚集，尖角頂點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致裂紋形成，同時(shí)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(xué)性能，氧化鐵和硫化鐵夾渣也會(huì)使焊接金屬形成脆性。

1.3 未焊透現(xiàn)象

未焊透現(xiàn)象是指由于母材金屬內(nèi)部尚未熔化，焊縫金屬材料還不能深入連接部位根部而產(chǎn)生的缺陷。根據(jù)焊接方式可分為根部未焊透和中間未焊透。形成未焊透現(xiàn)象的主要原因包括：（1）焊縫參數(shù)設(shè)置不規(guī)范，焊縫電流過(guò)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(shè)計(jì)不當(dāng)，鈍邊過(guò)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(duì)鋼結(jié)構(gòu)造成的后果之一是減少了焊接的有效面積，削弱了接頭強(qiáng)度；其次，未焊透部位也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，其帶來(lái)的不利影響比抗拉強(qiáng)度降低更甚；另外，疲勞強(qiáng)度的嚴(yán)重降低也是未焊透產(chǎn)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(guī)則邊緣會(huì)逐步發(fā)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(guò)程中，如果未嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)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(yīng)力，或因措施不當(dāng)導(dǎo)致焊縫中存在淬硬組織，則焊縫中易產(chǎn)生冷裂紋。其中較為常見(jiàn)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(shí)間形成的，時(shí)間可能是焊后幾小時(shí)或者十幾小時(shí)甚至幾天。冷裂紋一般產(chǎn)生在100～300℃低溫范圍內(nèi)的熱影響區(qū)（也可能在焊縫區(qū)）。

（2）焊接熱裂紋：是焊接過(guò)程的高溫高熱引起的，通常又稱(chēng)為高溫?cái)嗔?，大致可以分成縱裂紋、液化裂紋、多邊化裂紋。通常發(fā)生于在1100～1300℃高溫區(qū)域中的焊縫熔融金屬內(nèi)。焊接熱裂紋在焊接完畢后就會(huì)形成。焊接裂紋也是所有焊縫缺陷中最危險(xiǎn)的缺陷，它缺口根部曲率半徑接近于零，根部十分銳利，會(huì)導(dǎo)致顯著的應(yīng)力聚集。當(dāng)應(yīng)力水平逐步達(dá)到并超越裂紋根部的強(qiáng)度極限時(shí)，應(yīng)力將撕開(kāi)裂紋，直至缺口貫穿整個(gè)焊縫截面而導(dǎo)致焊縫失效。處于脆性狀態(tài)的焊接接頭更會(huì)因裂紋擴(kuò)展太快而出現(xiàn)脆性破裂事故。裂紋還會(huì)加劇焊接接頭疲勞破壞和應(yīng)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(cè)方法

2.1 磁粉檢測(cè)方法的原理

鐵磁性結(jié)構(gòu)被外部磁場(chǎng)磁化后，磁感線就會(huì)在構(gòu)件中形成磁路，但若與結(jié)構(gòu)表層及近表面之間出現(xiàn)不連續(xù)，會(huì)使該部位的磁感線發(fā)生部分扭曲而形成漏磁。由于漏磁場(chǎng)的存在，通過(guò)吸附或施加于結(jié)構(gòu)表層的鐵磁粉檢測(cè)后，在適當(dāng)?shù)墓饩€條件下，會(huì)形成目視可見(jiàn)的磁痕，磁痕的位置、大小、形狀便可直接反應(yīng)出缺陷的位置、大小和性質(zhì)，進(jìn)而根據(jù)顯示結(jié)果判斷缺陷性質(zhì)及嚴(yán)重程度。需要注意的是，磁痕會(huì)放大不連續(xù)的顯示。

2.2 磁粉檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)

磁粉檢測(cè)方法的操作極其便利，并且檢測(cè)速度更快。同時(shí)，磁粉檢測(cè)裂紋具有很高的檢測(cè)靈敏度，可檢測(cè)微米級(jí)寬度的缺陷，裂紋形成初期便可有效探查。磁粉檢測(cè)基本不受構(gòu)件大小和幾何形狀的限制，幾乎可以到構(gòu)件表面的各個(gè)部位[2]。此外，磁粉檢測(cè)重復(fù)性好，檢測(cè)結(jié)果易于保存。

2.3 磁粉檢測(cè)方法的適用范圍

磁粉檢測(cè)適用于檢測(cè)鐵磁性材料，非磁性材料不適用。磁粉檢測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)表層和近表層的裂紋（見(jiàn)圖1）、疏松、冷隔、氣孔和夾雜渣等問(wèn)題具有極其優(yōu)秀的檢測(cè)靈敏度，但不宜用來(lái)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)表層淺而大的劃痕、隱藏較深的內(nèi)部裂縫和缺陷。

圖1 磁粉檢測(cè)裂紋示意圖

3 磁粉檢測(cè)方法在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量等級(jí)分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。不同質(zhì)量等級(jí)的焊縫承載要求不同，凡是嚴(yán)重影響焊縫承載能力的缺陷都是嚴(yán)禁出現(xiàn)的。相關(guān)規(guī)范對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的磁粉檢測(cè)做出了一些要求。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)條件，通常采用非熒光便攜式電磁軛法進(jìn)行磁粉檢測(cè)。

3.1 磁粉檢測(cè)要求

質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)和二級(jí)的焊縫相當(dāng)重要，其表面和近表面禁止有氣孔、夾渣、弧坑斷裂等問(wèn)題的存在，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都對(duì)磁粉檢測(cè)提出了要求。

《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB50661-2011）中要求，鐵磁性材料需開(kāi)展磁粉檢驗(yàn)的四種情形設(shè)計(jì)文件有要求：外觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)，應(yīng)對(duì)該批中同類(lèi)焊縫全數(shù)百分百進(jìn)行磁粉檢測(cè)；外觀檢測(cè)懷疑有裂紋缺陷時(shí)，應(yīng)對(duì)懷疑的部位進(jìn)行磁粉檢測(cè)；檢測(cè)人員認(rèn)為有必要時(shí)。

《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50205-2020）對(duì)有疲勞驗(yàn)算要求的一級(jí)和二級(jí)焊縫磁粉檢測(cè)也做出了若干規(guī)定：二級(jí)焊縫每批同類(lèi)構(gòu)件抽查10%，一級(jí)焊縫每批同類(lèi)構(gòu)件抽查15%，且不應(yīng)少于3 件；被抽查構(gòu)件中，每一類(lèi)型焊縫應(yīng)按條數(shù)抽查5%且不應(yīng)少于1條；每條應(yīng)抽查一處，總抽查數(shù)不應(yīng)少于10處。

3.2 磁粉檢測(cè)方法

建筑鋼構(gòu)磁粉檢驗(yàn)中最廣泛采用的辦法是便攜式磁軛法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)磁軛），利用磁軛的兩個(gè)磁極接觸構(gòu)件表面，局部磁化構(gòu)件部分區(qū)域，產(chǎn)生平行于兩磁極連線的磁力線，將很容易發(fā)現(xiàn)垂直于兩磁極連線的相關(guān)顯示。

磁軛上的兩個(gè)磁性極通常做成可動(dòng)關(guān)節(jié)，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(qū)域內(nèi)磁通密度太強(qiáng)會(huì)生成過(guò)度背景，從而導(dǎo)致該區(qū)域可能出現(xiàn)的相關(guān)顯示被過(guò)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(gòu)件表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度就越小，過(guò)小的磁場(chǎng)強(qiáng)度將導(dǎo)致不連續(xù)顯示無(wú)法形成磁痕，因此磁極距離L 也不能過(guò)大。磁軛的提升力應(yīng)保證能提起質(zhì)量至少為4.5kg 的鋼板，即提升力應(yīng)不小于44N。

3.3 磁粉檢測(cè)程序

磁粉檢測(cè)應(yīng)由取得相關(guān)門(mén)類(lèi)等級(jí)資格的檢測(cè)人員操作。檢測(cè)人員在接到檢測(cè)任務(wù)后應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求開(kāi)展檢測(cè)工作。

（1）準(zhǔn)備工作：根據(jù)受檢構(gòu)件的材料、規(guī)格、結(jié)構(gòu)部位及表面狀況，確定相應(yīng)的檢測(cè)工藝要求，準(zhǔn)備相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備及器材并確定檢測(cè)時(shí)機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)磁粉檢測(cè)主要采用電磁軛法磁化，并用濕法連續(xù)磁化技術(shù)。需要準(zhǔn)備的主要檢測(cè)設(shè)備和器材包括：便攜式磁粉探傷機(jī)、磁懸液、標(biāo)準(zhǔn)試片、照相機(jī)、照度計(jì)、放大鏡、記錄紙等。

（2）預(yù)處理：清除被檢構(gòu)件表面的鐵銹、氧化皮、焊接飛濺及其他污物并保持干燥。構(gòu)件表面如果存在影響檢測(cè)結(jié)果正確性及完整性的不規(guī)則情況，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)修整，修整后構(gòu)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(cè)構(gòu)件表面，以此確認(rèn)被測(cè)構(gòu)件表面的有效磁場(chǎng)強(qiáng)度和方位是否正確，有效檢測(cè)范圍和磁化方式是否正確。驗(yàn)證完畢后，開(kāi)始磁化構(gòu)件表面。檢測(cè)焊縫縱向缺陷時(shí)，將磁軛垂直跨過(guò)焊縫放置；檢測(cè)焊縫橫向缺陷時(shí)，將磁軛平行放置。為保證檢出各個(gè)方向的缺陷，針對(duì)同一部位必須至少做兩次互相垂直的檢測(cè)。磁化通電時(shí)間一般為1～3s，磁化區(qū)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(yīng)確保整個(gè)檢測(cè)面被磁懸液潤(rùn)濕。為保證磁化效果，應(yīng)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(dāng)磁痕形成后應(yīng)立即進(jìn)行磁痕的觀察與記錄。缺陷磁痕的觀察記錄應(yīng)在可見(jiàn)光下進(jìn)行，且構(gòu)件表面處光照強(qiáng)度不小于1000lx。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，光照條件無(wú)法滿足要求時(shí)，可見(jiàn)光照度可以適當(dāng)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(píng)定：磁痕顯示分為相關(guān)顯示、非相關(guān)顯示和偽顯示。檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件及焊縫質(zhì)量等級(jí)確定顯示的驗(yàn)收等級(jí)，并判斷顯示是否可接受。

（6）退磁：建筑鋼結(jié)構(gòu)磁粉檢測(cè)焊縫剩磁很低，除非有特殊要求，通常情況下可以不進(jìn)行退磁。

3.4 焊縫缺陷磁痕顯示特征

由缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)吸附磁粉形成的磁痕顯示稱(chēng)為特征顯示。表1歸納總結(jié)了建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊后焊縫表面、近表面常見(jiàn)缺陷產(chǎn)生的相關(guān)磁痕特征。熟悉這些特征，有助于檢測(cè)人員更準(zhǔn)確判斷缺陷性質(zhì)及危害。

表1 焊縫表面和近表面常見(jiàn)缺陷磁痕顯示特征

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)磁粉檢測(cè)方法的原理、優(yōu)勢(shì)和適用范圍進(jìn)行了介紹，對(duì)氣孔、夾渣、未焊透和焊接裂紋等建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫表面和近表面常見(jiàn)缺陷進(jìn)行了闡述，并從磁粉檢測(cè)要求、檢測(cè)方法和檢測(cè)程序以及焊縫缺陷磁痕顯示特征四個(gè)方面介紹了磁粉檢測(cè)方法在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用。希望本文總結(jié)的內(nèi)容能引起相關(guān)人員對(duì)磁粉檢測(cè)方法在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用引起重視，并對(duì)檢測(cè)工作的開(kāi)展提供幫助。