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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○九年二月二十九日

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本期主筆:楊耀昇
執行編撰:李惠華
文字記者:許素梅

鋼結構銲道目視檢測介紹

陳正平 技師

一、前言

鋼材具有造型容易與可回收再製等優點,已廣泛用於高層房屋結構中。鋼結構構材間之接頭,須依賴銲接來接合,然而銲接是高入熱量之急熱急冷的製程,也常因周邊構材束制,衍生出銲接瑕疵與缺陷,繼而降低鋼結構強度與韌性。銲接缺陷的生成,除了與接頭型式、銲接順序及銲接方法因素有關外,也與鋼板母材材質的耐震性能有關,須藉非破壞檢驗方法,控管銲接品質。

鋼結構銲道檢測常用的非破壞檢測方法有:目視檢測法 (VT)、磁粒檢測法 (MT)、超音波檢測法 (UT)、液滲檢測法 (PT)及射線檢測法 (RT)等五種,其中又以銲道目視檢測法(VT),為評估銲接品質及完整性,最基本也是成本最低的品質控制方法,適用於檢查母材、銲道及熱影響區的表面瑕疵。鋼結構所有銲道,必須先執行目視檢測,且須滿足規範中接受基準之要求,目視檢測有缺陷時,則須經改善合格後,方可執行其他非破壞性檢測。

台灣位處於環太平洋地震帶上,地震的發生頻率頻繁,長久以來,國內雖然透過修訂相關建築法規與規範,以降低地震所帶來的災害,然而921集集大地震、331大地震,以及兩次的0206大地震,除了讓大眾對房屋結構安全失去信心外,同時也震出國內老舊鋼筋混凝土房屋結構施工品質粗劣的問題。有鍳於房屋結構之監造工作,未能有效落實,内政部建築研究所,綜合國外相關規範、並參考日本「中間檢査」,及美國IBC 2000(International Building Code 2000)特別監造,與國内之「建築結構委外審査」等相關制度,於民國92年度完成「耐震標章」認證制度,耐震性能的察證,包含「耐震設計品質」與「現場施工品質」。其中「現場施工品質」,係由「特別監督人」執行,鋼結構工程之特別監督人,須對所有銲道執行100%目視檢測工作,但國内工程師大部分對銲道目視檢測甚為陌生,故撰文以供先進參考。

二、目視檢驗流程

銲道表面缺陷目視檢測,是成本最低的檢測方法,也是一種很好的銲接品質控制工具,鋼構件可於製造過程提早發現缺陷,避免後續處理增加成本、或影響施工品質及工期。目視檢測者可利用適當工具,依據銲道目視檢測法之接受基準,評定銲接品質,並探討瑕疵發生的原因,同時建議搭配其他非破壞檢測方法、與品質管理措施,以確保銲道符合相關規範之品質要求。銲接前、中、後皆須檢查,每一檢驗停留點,須依計劃執行。

2.1銲接前檢驗與準備

銲接之前目視檢測項目,應包括以下項目:

 (1瞭解契約圖說和規範要求:瞭解銲道接合型式、尺寸細部、鋼結構使用材料、銲道檢測種類與頻率之要求、構件尺寸精度和相關資格等要求。

 (2)銲接程序和銲工資格檢定或審查:審查廠商所提送之銲接程序與銲工資格,以確保資格符合契約圖說規範的要求。

 (3)如有需要,應建立檢測停留點:檢測停留點,主要是檢測已完成之作業是否能符合要求,確保後續作業能接續進行。

 (4)制定目視檢測文件或記錄計畫:依據圖說要求之檢測項目,進行檢查結果之記錄,提供最終驗收所需的成果。

 (5)審查銲接材料證明:監督審查銲接材料證明之文件,查驗是否符合契約圖說規定之匹配銲材。

 (6)核對使用母材或鋼料:審查母材或使用鋼料之品質文件,是否符合契約規範要求,或依契約圖說規定辦理相關取樣與試驗作業。

 (7)構件接合及組立精度之檢查:銲接之前檢查構件接合部之組立精度,對後續品質相當重要,其項目應包括:開槽角度、根部間隙、對準精度、背襯板及導銲板組立、銲接接合面狀況、組立假銲銲道、預熱(需要時)與避免銲接變形之臨時支撐。

 (8)檢查銲接材料的儲放方式:檢查銲接材料的儲存,是否依據契約圖說規範或製造商的建議方式存放。

目視檢測人員,依據上述銲接前檢測項目執行檢測,可避免事後因前置作業品質不良,造成成本增加。並依據相關要求建立、製作完整記錄。

2.2銲接過程

目視檢查人員對銲接過程中進行目視檢測,應包括以下項目:

 (1)預熱及道間溫度控制與檢查:檢測人員須備有溫度測量裝置或設備,檢查預熱和道間溫度,符合契約圖說規範或銲接程序書要求。

 (2)銲接程序的查驗:於銲接過程中見證各項主要參數,是否符合銲接程序規範,如銲接材料匹配、電壓或電流電極特性,和銲接技術等。

 (3)根部銲道檢查:銲接過程中銲道根部最易產生缺陷,檢查銲道根部可避免後續缺陷產生及剷修。

 (4)層間銲道清理檢查:層間銲道清理檢查,可避免後續銲接工作缺陷產生。如夾渣、氣孔、熔合不良、裂紋產生。

 (5)銲道背面銲接前檢查:雙邊開槽銲道,第一面銲接完成後,另一面銲接前,須檢查其銲道根部是否徹底清理,以避免後續銲接工作瑕疵產生。如夾渣、氣孔、熔合不良、裂紋產生。

若忽略上述任何檢測項目,可能導致瑕疵產生,進而嚴重降低銲接的品質。

2.3銲接後

銲接完成冷却至室溫後,或如高張力鋼等須經一段時間後、整形 後或修補後,進行目視檢測,應包括以下項目:

 (1)銲道表面檢查:檢查銲道表面品質是否符合接受標準。

 (2)銲道尺寸檢測:檢查員需備有相關量具,以檢查銲道尺寸,是否能符合契約圖說規範或製作圖說要求。

 (3)構件尺寸精度檢測:構件尺寸精度,應符合契約圖說規範或製作圖說要求。

 (4)審查後續相關要求:目視檢測完成後,須審查契約是否有後續相關要求,例如銲後熱處理、非破壞性檢測或其他要求。

上述任何檢測項目,皆能影響整體結構安裝精度與品質。

三、目視檢測項目

銲道表面瑕疵,如:裂紋、氣孔、熔合不良、滲透不足、銲蝕、銲冠過高、塡角銲道過凸、搭疊、塡角銲脚長不等或過大、喉深不足、銲濺物、弧擊、未設置導銲板或未依圖説規定研磨平順、背襯板未依圖説規定移除等。各項表面瑕疵現象説明如下:

 1.裂紋:裂紋分冷裂紋及熱裂紋。所謂冷裂紋,係指鋼材銲後冷卻至室溫時,發生在銲道或熱影響區的裂紋;熱裂紋,係指鋼材於銲接熔池在結晶過程中的偏析現象,凝固以後強度較低,當銲接應力夠大時,就會將液態間層、或剛凝固不久的固態金屬,拉開形成熱裂紋。

 2.氣孔:氣孔為凝固過程中氣體所形成的孔洞瑕疵,大多呈圓球形,因此通常認定其危險程度較低。

 3.熔合不良:熔合不良是指銲道與母材熔合面、或相鄰銲道間未熔合,呈線性且具尖銳端,因此熔合不良屬嚴重的瑕疵。

 4.滲透不足:滲透不足是指銲道滲透深度,低於規範或設計的要求,僅發生於銲道根部,亦即單邊槽銲未滲透到根部。

 5.銲蝕:銲蝕是銲接時電弧能量造成熔池前端、或其邊緣的母材,產生溝槽的現象,銲蝕會造成應力集中現象。

 6.銲冠過高:銲冠僅適用於對接銲道,是超出銲口的銲道金屬。對接銲道,有單面銲及雙面銲兩種銲法,銲道兩面均有銲冠,分別為銲道表面銲冠及根部銲冠。銲道金屬過多,會在銲趾位置形成尖銳缺口,銲冠越高,缺口效應越大,造成銲接接頭疲勞強度急遽下降,大部分規範均有限制銲冠的高度。僅研磨銲冠減低銲冠高度,並無法改善其尖銳缺口的問題,必須研磨銲冠減少銲冠角度,使其與鄰接母材平順接合,才能改善銲冠過高的問題。

 7.塡角銲道過凸:銲道凸出量的定義,是填角銲道凸出面垂直於銲趾連線的最大距離,銲道凸出過大僅適用於填角銲道,其成因為銲接速度太慢或是銲接操控不當,造成過多的熔填金屬,未能與母材表面適當熔融。銲道凸出並非一定有害,事實上少量的銲道凸出,是有益於填角銲道的強度,但是如果超出限制範圍就成為缺陷。銲道凸出並非浪費銲條多寡的經濟效益問題,而是其造成填角銲道銲趾位置形成尖銳缺口,特別在疲勞負載的結構上,此缺口可能造成應力集中導致結構弱化,因此銲道凸出過大必須採取矯正措施,去除過多的銲道金屬,或於銲趾施銲使其與鄰接母材平順接合等。

 8.搭疊:搭疊屬表面瑕疵,為銲道金屬堆疊過多往下塌坍,突出超過銲趾或銲道根部且,未與鄰近的母材熔合,過多的金屬貼附在母材表面而未熔合,造成應力集中現象。

 9.塡角銲脚長不足或過大:塡角銲脚長不足會産生有效喉厚不足,而影響結構安全。塡角銲脚長過大會影響構材安裝,或造成銲道趾端角度過大,而降低抗疲勞強度。

 10.喉深不足:喉深不足或熔合深度不足與銲蝕類似,易於內部交角處産生未溶合的情形,屬於表面的瑕疵,都是斷面材料不足的現象。

 11銲濺物:銲濺物不屬於銲道,是在銲接過程中飛濺的金屬顆粒,貼附在鄰近銲道的母材表面。

 12.弧擊:弧擊屬嚴重的瑕疵,起因於有意或不慎,在銲口以外的母材表面起弧,造成母材局部熔化後急速冷卻。對高張力鋼而言,弧擊位置的熱影響區,可能含有麻田散體組織,容易生成裂紋。

 13.未依圖説規定未設置導銲板、或銲後未研磨平順:未設置導銲板,起弧位置在銲道内部易産生銲道内部瑕疵。銲後未研磨平順會影響抗疲勞強度。

 14.背襯板未依圖説規定設置或移除:未設置背襯板易産生銲道内部瑕疵;背襯板銲後未依圖説規定移除會影響抗疲勞強度。

四、目視檢測接受標準

鋼結構銲道目視檢測法接受基準,區分為受靜態力、受動能力及管狀結構等三種,分述如下:

4.1 靜態力結構

(1)銲道不得有裂縫或搭疊。

(2)銲道金屬層間及銲道與母材間必須完全熔合。

(3)整個銲道斷面之銲池必須塡滿,但斷續塡角銲道其有效長度以外之末端不在此限。

(4)填角銲道之外觀,最大突出不得超過表1之規定:

1 填角銲接之容許最大凸出

填角銲道之設計表面寛度(L)mm 最大凸出
(C)mm
L≦8 1.6
8<L≦25 3
25<L 5

 (5)對接銲道外觀之銲冠不得超過3mm,不同板厚之斜度不得超過12.5

 (6)母材厚度小於25mm者,其銲蝕深度不得超過1mm;但在300mm長的銲道內之銲蝕累積長度,若不超過50mm時,其銲蝕深度可允許至1.6mm。母材厚度大於或等於25mm者,其銲蝕深度不得超過1.6mm

 (7)填角銲道若有1mm以上之表面氣孔,在25mm長的銲道內,氣孔長徑的和,不得超過10mm,且在300mm長的銲道內,氣孔長徑的和不得超過19mm

 (8)單一連續填角銲道,其腳長不足或喉深不足,若小於設計尺度1.6mm以內,且此等銲接尺度不足的部分,不超過銲道長度的10%,可不必修補。在大梁末端相當於翼板寬度兩倍長之腹板與翼板之銲道,則不得有脚長不足或喉深不足。

 (9)承受與張應力垂直之全滲透對接開槽銲接,不得有表面氣孔。其他開槽銲道,若有1mm以上之表面氣孔,在25mm長的銲道內,氣孔長徑之和不得超過10mm,且在300mm長的銲道內,氣孔長徑的和不得超過19mm

 (10)銲接完成後冷卻至室溫,即可實施目視檢測,但需經淬火及回火之鋼種,應待銲接完成適當時間後,方可實施目視檢測。

4.2 動態力結構

 (1)銲道不得有裂縫或搭疊。

 (2)銲道金屬層間及銲道與母材間必須完全熔合。

 (3)整個銲道斷面銲池必須填滿,但斷續塡角銲其有效長度以外末端不在此限。

 (4)填角銲道之外觀,最大突出不得超過表1之規定。

 (5)對接銲道外觀之銲冠不得超過3mm,不同板厚之斜度不得超過12.5

 (6)銲道的銲蝕深度不得超過1mm;但主要構材承受與張應力垂直之銲道,其銲蝕深度不得超過0.25mm

 (7)填角銲道若有表面氣孔,在100mm長的銲道內,氣孔數量最多一個,且其直徑不得超過2mm。若為連接加勁板與腹板之填角銲道,在25mm長的銲道內,表面氣孔長徑之和不得超過10mm,且在300mm長的銲道内,表面氣孔長徑之和不得超過19mm

 (8)單一連續填角銲道其腳長不足或喉深不足,若小於設計尺度1.6mm以內,且此等銲接尺度不足的部分,不超過銲道長度的10%,可不必修補。在大梁末端相當於翼板寬度兩倍長之腹板與翼板之銲道,則不得有脚長不足或喉深不足。

 (9)承受與張應力垂直之全滲透對接開槽銲道,不得有表面氣孔。其他開槽銲道若有表面氣孔,在100mm長的銲道內,氣孔數量最多一個,且其直徑不得超過2mm

 (10)銲接完成後冷卻至室溫即可實施目視檢測,但需經淬火及回火之鋼種者,則應待銲接完成適當時間後,方可實施目視檢測。

4.3 管狀結構之接受基準同第4.2節動態力結構之接受基準。

五、結語

銲道目視檢測技術,是評估鋼結構銲道施工品質非常經濟有效的方法之一,其他諸如開槽尺寸、導銲板、背襯板等,有關銲道強度及疲勞的項目,亦應納入目視檢測的工作範圍。毎一位鋼結構之施工管理者,均應具備鋼結構銲道目視檢測技術之能力,才能有效提升高層房屋結構的施工品質。

參考資料

1.民國鋼結構協會(2018)。「鋼結構銲道目視檢査手册」。

2.朋畿、李家順(2014)。「鋼結構銲道目視檢測與缺失案例」。中華民國鋼結構協會鋼結構期刊,第52期。

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