談 鋼結構接合銲道之瑕疵與缺陷

一、前言

鋼材具有材質穩定、高強度、高韌性、施工快速、以及兼具造型容易與可回收再製等優點,已廣泛使用在廠房、橋梁及高層建築結構中,惟鋼結構構材間需賴銲接接合,然而銲接是一種急熱急冷的製程,容易衍生出銲接缺陷,銲接缺陷的發生會降低結構安全性能。銲接缺陷的生成,除了與接頭型式有關外,也與鋼板母材的材質有關。鋼結構之銲接施工品質,攸關鋼結構耐震安全,須藉非破壞檢驗方法控管。

所謂非破壞檢測,是指在不破壞構材原有形狀、品質及功能下,檢查表面或內部是否有瑕疵存在,加以評估構材之品質及完整性的測試技術。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,則需經改善合格後,方可執行其他非破壞性檢測方法。

二、銲道瑕疵與缺陷之定義

鋼材經過壓延製程、銲接加工後,或多或少,都會留下一些製造瑕疵。瑕疵是指在某一均勻銲道中的任一不連續現象。由於完美無瑕的製品需要相當高的成本,所以當瑕疵無礙於使用或美觀時,稱之為可接受瑕疵,超過可接受標準的瑕疵,則稱為缺陷。銲接檢驗人員必須明瞭這些瑕疵的特性、位置和嚴重程度,依可接受標準來評估瑕疵是否達缺陷的程度,當瑕疵的尺寸、種類或密度超出可接受標準,就判定是缺陷。有缺陷時,須予以退件,或經整修使其達到可接受標準。

三、 銲道瑕疵與缺陷分類

銲道瑕疵的接受標準,通常根據其用途、載重型式、安全、使用年限、經濟成本等,諸多因素來決定。國內外標準,都訂有銲道品質可接受標準供參考使用。銲接瑕疵和缺陷的類型,包含裂紋(如冷裂紋、熱裂紋)、氣孔、銲蝕、熔填不足、搭疊、銲道凸出過大、銲冠不良、弧擊、夾鎢、夾碴、銲濺物、層狀撕裂及滲透不足等。

3.1 裂紋

裂紋是最嚴重的銲接瑕疵,裂紋的尖端效應為脆性破壞的起始源,會減低結構物之負載的能力。所以在銲接過程中應儘量避免產生裂紋;對已存在的裂紋,則必須利用各種檢測方法將其檢出,以便進行修補。觀察銲件中裂紋發生的位置,可探討其生成原因,並採取有效的防治方法,裂紋依生成位置可分為:①銲疤裂紋 ②銲道橫向裂紋 ③熱影響區橫向裂紋 ④銲道縱向裂紋 ⑤銲趾裂紋 ⑥銲道下方裂紋 ⑦熔融界面裂紋 ⑧根部裂紋。

銲道裂紋形態,可分為縱向裂紋及橫向裂紋兩類,縱向裂紋是指裂紋平行於銲道,橫向裂紋則是指裂紋垂直於銲道,都是起因於銲接時所受的收縮應力,或由於母材衝擊韌性值較低所致。

根據裂紋生成時的溫度,可將其分成冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋及層狀撕裂等,針對其成因及改善對策說明如下:

(1)冷裂紋

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。例如高碳當量的鋼鐵,經過銲接之後,其熱影響區溫度已超過形成沃斯田鐵的溫度,因此在冷卻時會產生相變態,由沃斯田鐵轉變為麻田散鐵或其他硬脆組織。由於相變態會使銲道及熱影響區的體積發生變化,進而產生應變及相對應力,此應力加上熱漲冷縮的內應力,便成為產生裂痕的驅動力,最後促使硬脆組織之裂痕快速擴展,因而造成冷裂紋。裂紋發生的時間,有可能在銲後24小時內或延遲到數天後才發生,所以冷裂紋也稱為延遲裂紋。又因冷裂紋的發生與氫氣有關,所以也稱為氫裂。冷裂紋起始位置通常在銲道趾部或根部。

形成冷裂紋的基本條件是:銲接接合部形成淬硬組織、擴散氫的存在和濃度及銲接拉伸應力,這三個條件相互影響,導致冷裂紋的產生,其中擴散氫是誘發冷裂紋最活躍的因素。

(2)熱裂紋

銲道產生熱裂紋,起因於銲接熔池在結晶過程中的偏析現象,低熔點共晶和雜質,在結晶過程中以液態間層存在形成偏析,凝固以後強度較低,當銲接應力足夠大時,就會將液態間層、或剛凝固不久的固態金屬拉開形成裂紋。

此外,如果母材的晶界上也存有低熔點共晶和雜質,當熱影響區加熱溫度超過其熔點時,這些低熔點化合物將熔化而形成液態間層,如銲接拉應力夠大,也會被拉開而形成熱影響區液化裂紋。總之,熱裂紋的產生,是冶金因素和力學因素綜合作用的結果。由於熱裂紋大都產生於金屬高溫凝固的過程中,故屬於沿晶粒成長之裂紋,發生在銲道中心最後凝固的區域。另在破裂面的觀察中,可清楚的看到凝固樹枝狀結晶特徵,因此可判斷其形成之原因是在銲接金屬凝固末期,由於晶粒間低融點雜質的聚集,造成晶粒界面結合力不足,再加上銲接熱應力所引起的缺陷。至於影響熱裂紋產生的因素,有銲道成份、銲道凝固型態及銲接應變等三個因素。

3.2 熔合不良與滲透不足

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。通常此類狀況會與夾碴搭配產生,但實際上夾碴是由於道間除碴不確實所造成。熔合不良一般屬於銲道內部瑕疵,但也有可能發生在銲道表面。

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,亦即未滲透到根部層。當銲道滲透深度達到要求時,滲透不足可能被接受,但是如要求需全滲透則判定不合格。滲透不足的成因,有製程不當、接頭開槽型式加工不良及銲接面污染等。

3.3 氣孔

氣孔為凝固過程中氣體所形成的孔洞瑕疵,大多呈圓球體,因此通常認定其危險程度較低,但是如果銲道氣孔存在於儲存氣體或液體的壓力容器,相對就比較危險。

氣孔的成因,是銲接區域存在污染物或濕氣,這些污染物或濕氣可能來自銲條、母材、保護氣體或是周圍環境。在高溫銲接時,污染物或濕氣被分解,並溶於銲道之熔融金屬,在冷卻過程,氣體會逐漸的被排出,再以單獨分子或化合物的型態呈現,當壓力足夠時就會形成氣泡,先在熔融金屬內移動後再排出。但是,若熔融金屬之凝固速度比氣泡移動或排出之速度快時,氣泡就會殘留在凝固金屬內形成氣孔,圖1為銲道表面氣孔之外觀照片。

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圖 1 銲道表面氣孔

3.4 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,產生燒蝕溝槽的現象。成因是銲道形成時,由於冷卻條件或金屬熔液流動不順暢,使得熔融金屬於銲趾部,無法順利填滿導致留下溝槽,如圖2填角及對接銲道的典型銲蝕示意圖,

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圖 2 銲道銲蝕之外觀照片

3.5 熔填不足

熔填不足與銲蝕類似,屬於表面的瑕疵,都是斷面材料不足的現象。熔填不足發生在銲道金屬,銲蝕則是發生在鄰近銲道的母材。簡單說,熔填不足就是銲材熔填量不足以填滿銲口,圖3為銲道熔填不足的照片。熔填不足在銲道表面及根部均會發生,銲道熔填不足的主要原因,在於施銲人員的技術。另一種熔填不足的情況是開槽銲銲道二端,未設置導銲板,致二端熔填不足。

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圖 3 銲道熔填不足

3.6 搭疊

搭疊屬表面瑕疵,為銲道金屬突出超過銲趾或銲道根部,且未與鄰近的母材熔合,起因於銲工技藝不佳,也就是銲接速度太慢,銲材熔填過量超出銲口的需求,導致過多的金屬,貼附在母材表面而未熔合。在對接銲道的銲道表面或根部均可能發生。搭疊屬嚴重的瑕疵,因其在銲件表面產生尖銳缺口,可能在高應力狀態下長成裂紋。

3.7 銲道凸出過大

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,或者母材表面受到污染,導致形成搭疊。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,但是如果超出限制的範圍,就成為嚴重的缺陷。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上升導致結構弱化,因此銲道凸出過大必須採取矯正措施,如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。

3.8 銲冠不良

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。

3.9 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。從許多結構和壓力容器的破損分析中可觀察到,弧擊處通常是裂紋的起始點。弧擊起因於銲接技巧或觀念不當,應給予銲工弧擊嚴重性的教育,並嚴格管理禁止電弧點擊的行為。接地不確實或不正確,也會造成構件弧擊意外。

3.10 夾碴

多道銲接時,前一層銲碴未清除乾淨,或是銲接過程中銲碴與金屬熔液相互熔混,當熔池凝固時,熔碴未能浮出表面所造成。

3.11 夾鎢

夾鎢發生於氬銲製程,因其採用鎢電極產生電弧及熱來進行銲接,當鎢電極不慎接觸到熔池,電弧會熄滅且熔融金屬會凝固於鎢電極的尖端,若強行分離,鎢電極的尖端會斷在銲道內形成夾鎢。此外,如使用的電流超過鎢棒直徑的建議電流,若電流密度足以使鎢棒分解,併細化摻入銲道金屬中;或鎢棒不是順著鎢棒軸向磨耗,而是採圓周向磨耗,此周向磨痕可能因應力上升,而導致鎢電極的尖端斷裂摻入銲道金屬中,上述兩狀況亦可能造成夾鎢現象。

夾鎢很少發生在銲道表面,通常需經由RT照片才能檢出,因為鎢的密度高於常用的金屬材料,所以在RT照片中呈白色顯示。

3.12 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。其成因有銲接電流及入熱量太高、弧長太長或銲材受潮等。有些製程具有產生大顆粒銲濺物的特質,如氣體遮護金屬電弧銲(GMAW)製程中,短路和球滴移行會比噴弧移行產生較大顆粒的銲濺物,GMAW和包藥銲線電弧銲(FCAW)的保護氣體種類也會影響銲濺量的多寡,例如使用氬/CO2混合氣產生的銲濺量會比純CO2少。銲濺物會影響銲道外觀,但因不會損及接頭的性能,所以通常較不會在意。顆粒較大的銲濺物,所具有的熱量就有可能產生類似弧擊的效應,在母材表面產生熱影響區脆硬組織,導致局部應力上升誘發裂紋長成。在應力集中的腐蝕環境中,球形銲濺物在母材表面產生的裂紋,會導致應力腐蝕裂紋產生。

3.13 層狀撕裂

厚板T型及L型接頭銲接後,在厚度斷面產生沿軋延方向破裂的情形相當普遍,由於破裂之外觀呈現階梯狀型態,故稱為層狀撕裂。層狀撕裂之成因是由於母材中存在大量的非金屬介在物,如MnS,SiO2及Al2O3等,造成板厚方向的延展性不足,當厚度方向承受銲接收縮應力作用時引起母材撕裂。研究發現硫(S)含量對板厚方向之斷面收縮率有顯著的影響,因此鋼材硫含量越高時,層狀撕裂敏感性也越高。

四 結語

銲道或母材的不完美處,通稱為瑕疵,特定類型的瑕疵或瑕疵尺寸超出一定限度,可能使構件在使用環境下損壞。因此,檢驗所依據的規範,對各種不同的瑕疵,均有明確界定其接受標準,超出接受標準的瑕疵即視為缺陷,必須進行施工矯正。銲接是鋼結構施工時,不可或缺的接合方法,為了確保銲件品質,使其擁有優良使用性能,應儘可能避免銲接缺陷的發生。如1995年1月17日在日本阪神地區發生規模6.9級的大地震中,造成結構物倒塌、人員生命及財產蒙受重大損失,據事後之調查顯示,造成鋼構物倒塌的原因,大部份與銲接缺陷有關,顯示結構物耐震性,除與結構設計及使用鋼材有關外,更與銲接品質息息相關。工程師必須對銲道及鋼板母材瑕疵,以及瑕疵發生原因必須確實了解,才能有效解決銲接品質異常的問題,進而做到防止品質異常的發生。

參考文獻

1.中華民國鋼結構協會〔2018〕,「鋼結構銲道目視檢查手冊」。

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 


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