建筑钢结构焊缝常见缺陷及磁粉检测方法的应用

曾军枫

（福州市闽建工程检测有限公司，福建 福州 350107）

0 引言

随着中国科学技术水平的发展和钢产量的提高，越来越多的工业和民用建筑选用钢结构，钢结构工程的无损检测技术也就变得越来越重要[1]。在《钢结构工程质量验收标准》（GB50205-2020）、《钢结构焊接规范》（GB50661-2011）等国家技术标准中对钢结构焊缝的无损检测，主要采用四种方法：UT(超声波检测)、RT(射线检测)、MT(磁粉检测)和 PT(渗透检测)。

目前建筑钢结构焊缝检测中采用较多的是超声波检测方法，有时再加上磁粉检测方法。很多人认为对于焊缝只要进行了超声波检测就足够了，觉得没有必要对焊缝再进行磁粉检测。其实这种理解并不正确，磁粉检测在钢结构的焊缝质量控制中非常重要。诚然，超声波的主要特征就是探伤速度快、成本低、不损伤结构，而且可以对缺陷进行定位和定量。但由于超声波探伤原理一般使用的都是A 型反射脉冲反射波法，反射波经处理之后在仪表荧屏上呈现的都是缺陷波形，而无法直接呈现缺陷形状，要根据波形正确进行判别，易受主客观条件限制，因此要求检验员必须具备丰富的经验和技术能力。同时，超声波检测结果不易保存，不易检查形状复杂的构件，超声波探伤仅适用于构件内部存在缺陷的构件检测，对表面缺陷检测效果较差。更加需要关注的是，对于危险性极大且刚开始只存在于构件表面的裂纹，超声波探伤初期根本无法检查出来。而随着时间的推移，裂纹扩展，最后有可能造成构件破坏等严重后果。

为了丰富钢结构焊缝缺陷检测的方法，弥补超声检测的不足，人们对磁粉检测方法在钢结构焊缝缺陷检测中的应用进行了研究。本文仅就建筑钢结构焊缝常见缺陷及磁粉检测方法的应用进行介绍。

1 建筑钢结构焊缝表面和近表面常见缺陷

钢结构构件在焊接过程中，受环境条件、焊工技术水平、焊接材料、焊接工艺、焊接设备等各方面因素影响，焊缝常出现各种缺陷，影响焊缝质量。建筑钢结构焊接头（近表面）常伴随有气孔、夹渣、未焊透现象、焊接冷裂纹和热裂纹等问题。

1.1 气孔

焊接过程中，由于金属熔池吸收了太多的空气，冷却后空气便无法逸出，就导致了焊接接头产生气孔。按照气孔形成的部位不同，可分成表面气孔、内部气孔、以及密集气孔。气孔形成的最主要因素有：（1）焊材容易受潮，焊前没有按照规范进行烘干，焊丝药皮剥落、焊丝锈蚀；（2）构件表面不清洁，在焊接坡口附近也未能完全清洗干净，以及焊接过程中外部环境湿度过高。

在一般非承压容器构件中，气孔缺陷往往被认为是非关键性缺陷，经常被忽视。而实际上气孔将减少焊缝接头的有效面积并形成应力集中，从而削减了焊缝接头的硬度、塑性和疲劳强度。如果出现穿透性或连续性气孔，还会导致焊接件的密封性严重降低。

1.2 夹渣

焊接过程中熔池内未能浮出残留，在焊缝内的焊渣成为夹渣。焊接电流太小、焊接速度过快、多层焊接时，层间清理不干净都可能导致焊缝夹渣。另外，由于焊工专业技能不娴熟、焊丝选用不合理、焊缝坡口设计加工不合理、所用焊丝过粗、焊缝区域尚未打磨干净、焊接材料和母材化学成份不配套等，都易产生焊缝夹渣。

由于金属夹渣形状多不规则，会大大降低焊接的塑性和强度，其尖角会造成较大的焊缝应力聚集，尖角顶点会导致裂纹形成，同时焊接用的针形氧化物和磷化物夹渣容易使焊接的金属变脆，从而影响力学性能，氧化铁和硫化铁夹渣也会使焊接金属形成脆性。

1.3 未焊透现象

未焊透现象是指由于母材金属内部尚未熔化，焊缝金属材料还不能深入连接部位根部而产生的缺陷。根据焊接方式可分为根部未焊透和中间未焊透。形成未焊透现象的主要原因包括：（1）焊缝参数设置不规范，焊缝电流过小，熔深浅；（2）焊条偏芯度太大；（3）焊缝的加工坡口和间隙形状设计不当，钝边过宽；（4）层间和焊缝的根部未处理完毕；（5）磁偏吹的影响。

未焊透对钢结构造成的后果之一是减少了焊接的有效面积，削弱了接头强度；其次，未焊透部位也会产生应力集中，其带来的不利影响比抗拉强度降低更甚；另外，疲劳强度的严重降低也是未焊透产生的不利后果；在交变荷载的作用下，未焊透缺陷的一些不规则边缘会逐步发展成裂纹，是造成焊缝破坏的重要原因之一。

1.4 焊接裂纹

（1）焊接冷裂纹：焊接过程中，如果未严格按照工艺要求进行焊接，使焊缝中含有较高的氢元素或有较大的焊接残余应力，或因措施不当导致焊缝中存在淬硬组织，则焊缝中易产生冷裂纹。其中较为常见的冷裂纹为延迟裂纹。顾名思义，延迟裂纹不是焊后立即形成，而是焊后延迟一段时间形成的，时间可能是焊后几小时或者十几小时甚至几天。冷裂纹一般产生在100～300℃低温范围内的热影响区（也可能在焊缝区）。

（2）焊接热裂纹：是焊接过程的高温高热引起的，通常又称为高温断裂，大致可以分成纵裂纹、液化裂纹、多边化裂纹。通常发生于在1100～1300℃高温区域中的焊缝熔融金属内。焊接热裂纹在焊接完毕后就会形成。焊接裂纹也是所有焊缝缺陷中最危险的缺陷，它缺口根部曲率半径接近于零，根部十分锐利，会导致显著的应力聚集。当应力水平逐步达到并超越裂纹根部的强度极限时，应力将撕开裂纹，直至缺口贯穿整个焊缝截面而导致焊缝失效。处于脆性状态的焊接接头更会因裂纹扩展太快而出现脆性破裂事故。裂纹还会加剧焊接接头疲劳破坏和应力腐蚀破坏。因此，焊接接头绝不允许裂纹的存在。

2 磁粉检测方法

2.1 磁粉检测方法的原理

铁磁性结构被外部磁场磁化后，磁感线就会在构件中形成磁路，但若与结构表层及近表面之间出现不连续，会使该部位的磁感线发生部分扭曲而形成漏磁。由于漏磁场的存在，通过吸附或施加于结构表层的铁磁粉检测后，在适当的光线条件下，会形成目视可见的磁痕，磁痕的位置、大小、形状便可直接反应出缺陷的位置、大小和性质，进而根据显示结果判断缺陷性质及严重程度。需要注意的是，磁痕会放大不连续的显示。

2.2 磁粉检测方法的优势

磁粉检测方法的操作极其便利，并且检测速度更快。同时，磁粉检测裂纹具有很高的检测灵敏度，可检测微米级宽度的缺陷，裂纹形成初期便可有效探查。磁粉检测基本不受构件大小和几何形状的限制，几乎可以到构件表面的各个部位[2]。此外，磁粉检测重复性好，检测结果易于保存。

2.3 磁粉检测方法的适用范围

磁粉检测适用于检测铁磁性材料，非磁性材料不适用。磁粉检测对结构表层和近表层的裂纹（见图1）、疏松、冷隔、气孔和夹杂渣等问题具有极其优秀的检测灵敏度，但不宜用来检验结构表层浅而大的划痕、隐藏较深的内部裂缝和缺陷。

图1 磁粉检测裂纹示意图

3 磁粉检测方法在建筑钢结构焊缝检测中的应用

建筑钢结构焊缝质量等级分为一级、二级和三级。不同质量等级的焊缝承载要求不同，凡是严重影响焊缝承载能力的缺陷都是严禁出现的。相关规范对建筑钢结构的磁粉检测做出了一些要求。根据钢结构特点及现场条件，通常采用非荧光便携式电磁轭法进行磁粉检测。

3.1 磁粉检测要求

质量等级为一级和二级的焊缝相当重要，其表面和近表面禁止有气孔、夹渣、弧坑断裂等问题的存在，相关标准规范都对磁粉检测提出了要求。

《钢结构焊接规范》（GB50661-2011）中要求，铁磁性材料需开展磁粉检验的四种情形设计文件有要求：外观检测发现裂纹时，应对该批中同类焊缝全数百分百进行磁粉检测；外观检测怀疑有裂纹缺陷时，应对怀疑的部位进行磁粉检测；检测人员认为有必要时。

《钢结构工程施工质量验收标准》（GB 50205-2020）对有疲劳验算要求的一级和二级焊缝磁粉检测也做出了若干规定：二级焊缝每批同类构件抽查10%，一级焊缝每批同类构件抽查15%，且不应少于3 件；被抽查构件中，每一类型焊缝应按条数抽查5%且不应少于1条；每条应抽查一处，总抽查数不应少于10处。

3.2 磁粉检测方法

建筑钢构磁粉检验中最广泛采用的办法是便携式磁轭法（以下简称磁轭），利用磁轭的两个磁极接触构件表面，局部磁化构件部分区域，产生平行于两磁极连线的磁力线，将很容易发现垂直于两磁极连线的相关显示。

磁轭上的两个磁性极通常做成可动关节，磁极间距L 通常控制在（75～200）mm 比较合适。主要原因在于磁极的25mm区域内磁通密度太强会生成过度背景，从而导致该区域可能出现的相关显示被过度背景掩盖，所以，磁极最短间距L 不得小于75mm。反之，在磁通量不变的情形下，磁极距离L 越大，构件表面的磁场强度就越小，过小的磁场强度将导致不连续显示无法形成磁痕，因此磁极距离L 也不能过大。磁轭的提升力应保证能提起质量至少为4.5kg 的钢板，即提升力应不小于44N。

3.3 磁粉检测程序

磁粉检测应由取得相关门类等级资格的检测人员操作。检测人员在接到检测任务后应根据设计文件及规范标准的要求开展检测工作。

（1）准备工作：根据受检构件的材料、规格、结构部位及表面状况，确定相应的检测工艺要求，准备相应的检测设备及器材并确定检测时机。现场磁粉检测主要采用电磁轭法磁化，并用湿法连续磁化技术。需要准备的主要检测设备和器材包括：便携式磁粉探伤机、磁悬液、标准试片、照相机、照度计、放大镜、记录纸等。

（2）预处理：清除被检构件表面的铁锈、氧化皮、焊接飞溅及其他污物并保持干燥。构件表面如果存在影响检测结果正确性及完整性的不规则情况，应当进行适当修整，修整后构件表面粗糙度不大于25μm。

（3）磁化并施加磁悬液：首先使用灵敏度试片，使之粘附于被测构件表面，以此确认被测构件表面的有效磁场强度和方位是否正确，有效检测范围和磁化方式是否正确。验证完毕后，开始磁化构件表面。检测焊缝纵向缺陷时，将磁轭垂直跨过焊缝放置；检测焊缝横向缺陷时，将磁轭平行放置。为保证检出各个方向的缺陷，针对同一部位必须至少做两次互相垂直的检测。磁化通电时间一般为1～3s，磁化区域每次至少重叠10%。

采用喷淋法施加磁悬液，施加前要先将磁悬液摇匀，应确保整个检测面被磁悬液润湿。为保证磁化效果，应先停止喷淋磁悬液，至少1s后方可停止磁化。

（4）磁痕的观察与记录：当磁痕形成后应立即进行磁痕的观察与记录。缺陷磁痕的观察记录应在可见光下进行，且构件表面处光照强度不小于1000lx。受现场条件限制，光照条件无法满足要求时，可见光照度可以适当降低但不得低于500lx。缺陷磁痕的显示记录可采用照相、绘制示意图等方式记录。

（5）缺陷评定：磁痕显示分为相关显示、非相关显示和伪显示。检测人员应根据设计文件及焊缝质量等级确定显示的验收等级，并判断显示是否可接受。

（6）退磁：建筑钢结构磁粉检测焊缝剩磁很低，除非有特殊要求，通常情况下可以不进行退磁。

3.4 焊缝缺陷磁痕显示特征

由缺陷产生的漏磁场吸附磁粉形成的磁痕显示称为特征显示。表1归纳总结了建筑钢结构构件焊后焊缝表面、近表面常见缺陷产生的相关磁痕特征。熟悉这些特征，有助于检测人员更准确判断缺陷性质及危害。

表1 焊缝表面和近表面常见缺陷磁痕显示特征

4 结束语

综上所述，本文对磁粉检测方法的原理、优势和适用范围进行了介绍，对气孔、夹渣、未焊透和焊接裂纹等建筑钢结构焊缝表面和近表面常见缺陷进行了阐述，并从磁粉检测要求、检测方法和检测程序以及焊缝缺陷磁痕显示特征四个方面介绍了磁粉检测方法在建筑钢结构焊缝检测中的应用。希望本文总结的内容能引起相关人员对磁粉检测方法在建筑钢结构焊缝检测中的应用引起重视，并对检测工作的开展提供帮助。