銲道目視檢驗與瑕疵修改準則介紹

一、前言

鋼結構之銲道目視檢驗之目的,係以目視檢測方法,檢測出存在於鋼結構銲道及熱影響區外觀之各種瑕疵。鋼材之材質雖然甚為穩定,但鋼結構構材間之接頭,須依賴銲接來接合,而銲接除了是高入熱量的製程,再加上周邊構材的束制,很容易産生銲接瑕疵與缺陷,繼而降低鋼結構之強度與韌性。

銲道目視檢測法,為評估銲接品質及完整性的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。厚度超過50 mm之鋼材,於銲接完成24小時後,始可執行目視檢測,其它厚度之鋼材,於銲接完成,在溫度降至室溫使龜裂先産生後,再執行目視檢測。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方法。反之,若先採其他較麻煩且花費較高的非破壞檢測方法完成檢測合格,仍然不見得可以通過目視檢測的接受標準。目視檢測應不只是CNS 13021所規定的項目,舉凡目視可及的項目均可包含在内,例如:開槽尺寸、導銲板(未設置導銲板之案例見照片1至3)、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。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,對於鋼結構工程,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,未來勢必會明訂,特別監督人須取得「目視檢測」受訓證照,才可擔任特別監督人,中華民國鋼結構協會考訓委員會,可協助特別監督人取得「目視檢測」證照。筆者特先撰文介紹,供參與「特別監督人」工程師參考。

二、檢驗標準與修改方法

以目視檢測方法,檢測出存在於鋼結構銲道及熱影響區之各種外觀瑕疵,針對不同缺陷類型的銲道瑕疵,提供適切有效的修改方法,使銲道符合接受標準。

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照片1 梁翼接入柱未設置導銲板之案例

 

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照片2 未設置導銲板僅有背襯板之案例

 

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照片3 梁續接未設置導銲板僅有背襯板之案例

1、 龜裂

銲道及熱影響區不得有龜裂,龜裂之現象如圖1所示,龜裂之修改方法,為標示出龜裂位置,在缺陷長度兩端各加50 mm範圍,予以磨除或剷除至確認裂紋已去除後,再進行補銲並磨順。

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圖1 龜裂現象示意圖

2、填角銲道腳長

銲道尺寸不足之連續填角銲道,符合下述條件者不須修補:實際銲道尺寸比設計尺寸(S)小時,其差異不得超過(U)值,且銲道尺寸不足部分之累積長度,不得超過銲道總長度的10%:(1)設計尺寸S 小於5mm時,許可差異値U = 0mm;設計尺寸S = 6或7時,許可差異値U 須小於2mm;設計尺寸S 大於8mm時,許可差異値U 須小於3mm。惟應注意大梁腹板與翼板間之組合銲道,銲道端部2倍翼板寬度內不得有尺寸不足情形。填角銲道腳長差異示意圖,見圖2所示。填角銲道腳長之修改方法,為腳長不足者補銲並予以磨順;腳長過大者予以磨順。

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圖2 填角銲道腳長差異示意圖

3、等邊填角銲道腳長偏斜

等邊填角銲道腳長偏斜之許可差e,為實際量測之短邊腳長Sa値之0.8,且不得大於8mm,示意圖見圖3。修改方法,為腳長不足者補銲並予以磨順;腳長過大者予以磨順。

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圖3 等邊填角銲道腳長偏斜差異示意圖

4、 銲道喉深

銲道喉深須大於設計腳長S之0.7,凹陷產生時修改方法,為喉深不足者補銲並予以磨順。示意圖見圖4。

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圖4 銲道喉深不凹陥示意圖

5、填角銲銲冠高度

填角銲銲冠高度C,單道銲道與多道銲道之銲道外觀,會明顯不同。在寛度W小於或等於8mm時,C≦2mm;當寛度W在8mm<W<25mm時,C≦3mm;當寛度W大於戓等於25mm時,C≦5mm。銲冠高度示意圖見圖5。修改方法為銲冠高度過大者予以磨順。

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圖5 填角銲銲冠高度示意圖

6、對接銲銲冠高度

對接銲銲冠高度R,在板厚t≦25mm時,R≦3mm;在25<t ≦50mm時,R≦5mm;在板厚t>50mm時,R≦6mm。對接銲銲冠高度示意圖見圖6,銲冠高度過大者予以磨順。

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圖6 對接銲銲冠高度示意圖

7、 銲道表面凹凸差及寬度差

銲道表面凹凸差e1於任一銲道長度25mm範圍內許可差e1≦2.5 mm。(2)銲道寬度於任一銲道長度150mm範圍內,許可差e2≦7mm。銲道表面凹凸差及寬度差示意圖見圖7,突出過大者予以磨順,凹陷者補銲並予以磨順。

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圖7 銲道表面凹凸差及寬度差示意圖

8、 熔合不良

銲道層間及銲道與母材間不得有熔合不良。缺陷長度兩端各加20 mm範圍剷除後,須依合適的銲接程序進行補銲。

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圖8 熔合不良示意圖

9、搭疊

銲道不得有搭疊,銲道搭疊現象示意圖見圖9。搭疊部分應予磨順。

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圖9 銲道搭疊現象示意圖

10、 銲池低陷或收弧坑

銲道不得有銲池低陷、或收弧坑(或稱收尾熔坑或銲疤收縮孔),斷續銲道有效長度以外之末端不在此限,收弧坑示意圖詳圖10。銲接收尾及搭接處應注意,若有銲池低陷或收弧坑,須依合適的銲接程序,進行補銲並磨順。

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圖10 收弧坑示意圖

11、 斷續填角銲道

斷續填角銲道長度及節距之分佈應依圖面指示,且應符合一般銲道品質要求。組立定位銲道尺寸應小於正式銲道尺寸,且需於正式銲道內。

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圖11 斷續填角銲道示意圖

12、 銲蝕

母材厚度小於25mm,銲蝕深度不能超過1mm;惟在任何300mm長內之累積銲蝕長度不超過50mm 時,其銲蝕深度可允許至2 mm。母材厚度大於或等於25mm,銲道全長任何位置的銲蝕,皆不得超過2mm。在主構材上,於任何設計載重狀況下,且銲道垂直於受拉應力方向時,銲蝕深度不得超過0.25mm。非上述情況下,銲蝕深度不能大於1mm。銲蝕現象示意圖見圖12。修補方式用直徑4mm以下銲條,依合適的銲接程序,進行補銲並磨順,惟耐震關鍵位置之銲接瑕疵不得任意修補,修補方法須經設計監造單位同意。

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圖12 銲蝕現象示意圖

13、銲道表面氣孔

對接接頭上,垂直於受拉應力方向之全滲透(CJP)槽銲道,不得有任何表面氣孔。對於其他所有的槽銲道與填角銲道,在銲道軸向任何25mm長度範圍內,直徑大於或等於1mm之表面,氣孔總和長度不得超過10mm,且任何300mm長度範圍內,氣孔總和長度不得超過20mm。填角銲道內氣孔出現的頻率,在銲道軸向任何100mm長度範圍內不得超過1處,且最大直徑不超過2.5mm。例外:連接於腹板之加勁板填角銲道,在銲道軸向任何25mm長度範圍內,表面氣孔總和長度不得超過10mm,且任何300mm長度範圍內,氣孔總和長度不得超過20mm。對接接頭上,垂於於受拉應力方向之全滲透(CJP)槽銲道,不得有任何表面氣孔。對於其他所有的槽銲道,其氣孔出現的頻率,在銲道軸向任何100mm長度範圍內不得超過1處,且最大直徑不超過2.5mm。銲道表面氣孔示意圖見圖13。修補方式於缺陷長度兩端各加20mm範圍剷除後,須依合適的銲接程序進行補銲。

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圖13 銲道表面氣孔示意圖

14、 銲道熔填不足

銲道不得有熔填不足,亦即銲道熔填高度不得低於母材表面。凹陷產生時,以電銲修補並予以磨順。銲道熔填不足示意圖見圖14。

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圖14 銲道熔填不足示意圖

15、 銲濺渣

銲道表面及周圍之銲濺渣,必須以除渣鎚去除之。銲濺渣示意圖見圖15。

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圖15 銲濺渣示意圖

16、 弧擊

銲道及周邊母材不得有弧擊,銲件有弧擊處應予以磨順。承受動態負荷、塑性鉸區或淬火回火鋼銲件若有弧擊,除磨順外,應以MT或PT,檢查母材金屬表面是否具完整性。弧擊示意圖見圖16。

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圖16 弧擊示意圖

三、內部缺陷修補原則

(一)龜裂之修補

(1)銲接裂紋的修補,應由銲接技術人員對裂紋的成因調查分析,並制訂適當的修補施工方案後進行。

(2)UT檢出之缺陷,應依檢測標定之龜裂起點、終點、深度,在標示長度兩端各加50mm範圍,自兩端向內以碳棒逐層剷除並確認裂紋已剷除後,再依適當之修補施工方案進行補銲、磨順。

(3)RT檢出龜裂之部位,應確認底片之銲道編號、位置,取白紙描繪底片之缺陷部位,依編號位置套用於銲道予以標示,在標示長度兩端各加50mm範圍,必要時須配合UT輔助判定缺陷深度,自兩端向內以碳棒逐層剷除並確認裂紋已剷除後,再依適當之修補施工方案進行補銲、磨順。

(二)熔合不良、滲透不足、夾渣及氣孔之修補

依前述方法標示位置後兩端各加20mm範圍,以碳棒逐層剷除並確認缺陷已剷除後,再依適當之修補施工方案進行補銲、磨順。

四、銲道與母材修改注意事項

1、銲道與母材修補前,應清潔欲補銲區域的表面。

2、銲道與母材的剷除,可利用機械加工、研磨,鏨削研磨、切削、碳精棒、火焰或其他剷除方式。上述修整方式,不得在周圍之銲道與母材上造成損傷;使用火焰剷除,僅適用於原態(as-rolled)熱軋鋼上,不得用於淬火回火鋼。

3、銲道搭疊、銲道表面凸出或銲冠過高等,應使用砂輪研磨或碳精棒去除多餘的銲道。

4、銲道或母材的裂紋,應採用適合之非破壞(NDT)檢測方式,確定裂紋所在的範圍與深度,並用砂輪研磨或碳精棒剷除裂紋、及其兩端各50mm長的完好銲道或母材。經研磨或碳精棒施工後,應採用MT或PT方法再確認裂紋是否徹底清除後再修補。

5、銲道應採逐層剷除方式進行,接近標示深度時應細心探查,確認瑕疵後再徹底予以剷除,避免瑕疵已被剷除而未發覺、或因剷除位置不正確未見瑕疵,誤認為檢測誤判,造成二次剷修。

6、補銲的預熱溫度,應該比相同條件下正常銲接的預熱溫度高約30~50℃,並須採用低氫系銲材及適合之銲接程序規範施銲。預熱溫度與道間溫度,須符合「鋼結構施工規範」第四章第4.2.4節表4.2-2之規定辦理。

7、如採用SMAW補銲時,銲條直徑應小於4.0mm。

8、銲道同一位置經兩次修補後,仍不合格時,須重定修補方案,並經監造單位認可後才可實施。

9、修補完成後的銲道品質,必須符合合格標準。

10、耐震關鍵位置之銲蝕瑕疵不得任意修補,輕微瑕疵以磨順為原則。修補方法須經設計監造單位同意。

五、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。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。另外,梁柱接頭處之梁翼板,應不得緊靠柱外緣,須退約100mm,以避開柱内隔板在角隅處無法銲接的缺陷範圍。

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」。

2.中華民國鋼結構協會〔2019〕。「鋼結構品質管制作業手册」。

 

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