3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.

info

Welding
Welding is a core activity in the fabrication factory, undertaken by skilled, qualified operatives working to a welding
quality management system under the control of a Responsible Welding Coordinator. It is used to prepare joints for
connection in the shop and on site, and for the attachment of other fixtures and fittings. Different welding techniques
are used for different activities within the fabrication factory.
Essentially,  the  welding  process  uses  an  electric  arc  to  generate  heat  to  melt  the  parent  material  in  the  joint.  A
separate filler material supplied as a consumable electrode also melts and combines with the parent material to form a
molten  weld  pool.  As  welding  progresses  along  the  joint,  the  weld  pool  solidifies  fusing  the  parent  and  weld  metal
together. Several passes or runs may be required to fill the joint or to build up the weld to the design size.

               
Contents
Principles of metal arc welding

Types of welded connections
Butt welds
Fillet welds

Processes
Metal­active gas welding (MAG),
process 135
Manual metal arc welding (MMA),
process 111
Submerged arc welding (SAW),
process 121
Drawn arc stud welding, process
783

Weld procedure specifications Welding 
(Image courtesy of William Haley Engineering Ltd.)
Procedure tests

Hydrogen cracking

Welder qualification

Inspection and testing
Non­destructive testing
Destructive testing
Production testing of stud welding

Weld quality

References

Resources

Further reading

See also

Principles of metal arc welding

https://www.steelconstruction.info/Welding 1/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

Welding  is  a  complex

               
interaction  of  physical  and
chemical  science.  Correct
prescription  of
metallurgical  requirements
and  sound  practical
application is a prerequisite
for successful fusion welds.
The  metal  arc  welding
process  uses  an  electric  arc
to generate heat to melt the
parent material in the joint.
A  separate  filler  material
supplied  as  a  consumable
electrode  also  melts  and
combines  with  the  parent
material  to  form  a  molten Terminology of the weld area
weld  pool.  The  weld  pool  is
susceptible  to  atmospheric
contamination and therefore needs protecting during the critical liquid to solid freezing phase. Protection is achieved
either by using a shielding gas, by covering the pool with an inert slag or a combination of both actions.
Gas shielded processes receive gas from a remote source which is delivered to the welding arc through the gun or torch.
The  gas  surrounds  the  arc  and  effectively  excludes  the  atmosphere.  Precise  control  is  needed  to  maintain  the  gas
supply at the appropriate flow rate as too much can produce turbulence and suck in air and can be as detrimental as
too little.
Some processes use a flux, which melts in the arc to produce a slag covering which, in turn, envelops the weld pool and
protects it during freezing. The slag also solidifies and self releases or is easily removed by light chipping. The action of
melting the flux also generates a gas shield to assist with protection.
As  welding  progresses  along  the  joint,  the  weld  pool  solidifies  fusing  the  parent  and  weld  metal  together.  Several
passes or runs may be required to fill the joint or to build up the weld to the design size.
The  heat  from  welding  causes  metallurgical  changes  in  the  parent  material  immediately  adjacent  to  the  fusion
boundary or fusion line. This region of change is known as the heat affected zone (HAZ). Common terminology used in
the weld area is illustrated above right.
Welding  operations  demand  proper  procedure  control  delivered  by  competent  welders  to  ensure  that  design
performance  is  achieved,  to  minimize  the  risk  of  defective  joints  caused  by  poor  weld  quality  and  to  prevent  the
formation of crack susceptible microstructures in the HAZ.

Types of welded connections
Most structural welded connections are carried out in the fabrication factory, and are described as either butt welds or
fillet welds. Site welding is also feasible, and guidance on the considerations for site welding is available in GN 7.01.

Butt welds
Butt  welds  are  normally  either  in­line  joints  in  rolled sections,  or  in­line  plate  joints  in  webs  and  flanges,  either  to
accommodate a change of thickness or to make up available material to length. The positions of these butt welds are
allowed for in the design, although material availability constraints or the erection scheme may require agreement of
different or additional welds. Butt­welded Tee joints may be required where there are substantial loading or fatigue
considerations in transverse connections.

https://www.steelconstruction.info/Welding 2/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

Butt welds are full or partial penetration welds made between bevelled
               
or  chamfered  materials.  Full  penetration  butt  welds  are  designed  to
transmit the full strength of the section. It is generally possible to weld
these joints from one side but, as material thickness increases, welding
from  both  sides  is  desirable  to  balance  distortion  effects,  with  an  in­
process  back­gouging  and/or  back­grinding  operation  to  ensure  the
integrity of the weld root. Single­sided butt welds with backing strips,
ceramic or permanent steel, are common for joining large plate areas
(such  as  steel  deck  plates)  and  where  there  are  closed  box  sections,
tubes, or stiffeners,  which  can  only  be  accessed  for  welding  from  one
side. The design throat thickness determines the depth of penetration
required for partial penetration welds. Note that fatigue considerations
may limit the use of partial penetration welds, particularly on bridges.
Guidance on weld preparation is available in GN 5.01.
Every  effort  should  be  made  to  avoid  butt  welding  of  attachments
Macro of a vee butt weld
because of the costs associated with preparation, welding time, higher
(Image courtesy of Mabey Bridge Ltd.)
welder  skill  levels  and  more  stringent  and  time­consuming  testing
requirements.  In  addition,  butt  welds  tend  to  have  larger  volumes  of
deposited  weld  metal;  this  increases  weld  shrinkage  effects  and  results  in  higher  residual  stress  levels  in  the  joint.
Careful  sequencing  of  welding  operations  is  essential  to  balance  shrinkage  and  to  distribute  residual  stress,  thus
minimising distortion.
It  is  occasionally  necessary  to  dress  butt  welds  to  a  flush  finish  for  fatigue  reasons,  or  to  improve  drainage  on
weathering steel girders, or to improve the testing regime. Dressing flush for aesthetic reasons alone should be avoided
because it is difficult to dress the surface to match the adjacent as­rolled surface, and the result is often more visually
noticeable than the original weld. Also, grinding is an additional health and safety hazard that is best avoided as far
as possible. The dressing of butt welds to a flush finish is usually not required for building steelwork as typically it is
not subjected to fatigue. 

Example of a dressed butt weld with a flush finish and run­off plates

https://www.steelconstruction.info/Welding 3/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

(Images courtesy of Mabey Bridge Ltd.)

https://www.steelconstruction.info/Welding 4/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

Fillet welds
                Most welded connections in building and bridgework use fillet welds,
usually  in  a  Tee  configuration.  They  typically  include  end  plate,
stiffener,  bearing  and  bracing  connections  to  rolled  sections  or  plate
girders,  and  the  web  to  flange  connections  on  the  plate  girders
themselves.  These  are  relatively  simple  to  prepare,  weld  and  test  in
normal configurations, joint fit­up being the principal consideration.
In S275, steels full strength is also developed in fillet welds and partial
penetration  welds  with  overlying  fillets  provided  that  such  welds  are
symmetrical, made with the correct consumables and the sum of the
weld  throats  is  equal  to  the  thickness  of  the  element  that  the  welds
join.
Weld  sizes  must  be  detailed  on  the  project  design  drawings  together
with  any  special  fatigue  classification  requirements.  BS  EN  ISO
22553[1]  prescribes  the  rules  for  the  use  of  symbols  to  detail  welded

Macro of a single run fillet weld joints on drawings.
(Image courtesy of Mabey Bridge Ltd.) Attention is drawn to the fact that traditional UK practice has tended
to  use  leg  length  to  define  fillet  weld  size,  but  this  is  not  universal:
throat thickness is used in European practice and BS EN 1993­1­8[2]
gives  requirements  in  relation  to  throat  size,  not  leg  length.  The  designer  must  be  careful  to  ensure  that  it  is  clear
which dimension is specified and all parties need to be aware of what has been specified.

Processes
The important factors for the steelwork contractor to consider when selecting a welding process are the ability to fulfill
the design requirements and, from a productivity point of view, the deposition rate that can be achieved and the duty
cycle or efficiency of the process. (The efficiency is a ratio of actual welding or arcing time to the overall time a welder or
operator  is  engaged  in  performing  the  welding  task.  The  overall  time  includes  setting  up  equipment,  cleaning  and
checking of the completed weld.)

https://www.steelconstruction.info/Welding 5/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

The  four  main  welding  processes  in  regular  use  in  UK  steelwork  manufacturing  are  described  below.  The  process
numbers  are  defined  in  BS  EN  ISO  4063[3].  Variations  of  these  processes  have  been  developed  to  suit  individual
manufacturers’ practices and facilities, and other processes also have a place for specific applications but are beyond
the scope of this article.

Metal­active gas welding (MAG), process 135
MAG  welding  with  solid  wire  electrode  is  the  most  widely                
used manually controlled process for factory fabrication work;
it  is  sometimes  known  as  semiautomatic  or  CO2  welding.  A
continuous solid wire electrode is passed through a wire feed
unit to a ‘gun’, usually held and manipulated by the operator.
Power  is  supplied  from  a  rectifier  or  inverter  source  along
interconnecting  cables  to  the  wire  feed  unit  and  gun  cable;
electrical connection to the wire is made in a contact tip at the
end of the gun. The arc is protected by a shielding gas, which
is directed to the weld area by a shroud or nozzle surrounding
the  contact  tip.  Shielding  gases  are  normally  a  mixture  of
argon, carbon dioxide and possibly oxygen or helium.
Good  deposition  rates  and  duty  cycles  can  be  expected  with
the  process,  which  can  also  be  mechanised  with  simple MAG welding
motorised  carriages.  The  gas  shield  is  susceptible  to  being (Image courtesy of Kiernan Structural Steel Ltd.)
blown  away  by  draughts,  which  can  cause  porosity  and
possible  detrimental  metallurgical  changes  in  the  weld  metal.  The  process  is  therefore  better  suited  to  factory
manufacture, although it is used on site where effective shelters can be provided. It is also more efficient in the flat and
horizontal positions; welds in other positions are deposited with lower voltage and amperage parameters and are more
prone to fusion defects.

                 

Metal­active gas welding (MAG), process 135

https://www.steelconstruction.info/Welding 6/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

MAG_welding.mp4

Metal­active gas welding (MAG), process 135 
MAG welding with flux cored electrode, process 136 is a variation that utilises the same equipment as MAG welding,
except that the consumable wire electrode is in the form of a small diameter tube filled with a flux. The advantage of
using  these  wires  is  that  higher  deposition  rates  can  be  used,  particularly  when  welding  in  the  vertical  position
(between  two  vertical  faces)  or  the  overhead  position.  The  presence  of  thin  slag  assists  in  overcoming  gravity  and
enables  welds  to  be  deposited  in  position  with  relatively  high  current  and  voltage,  thus  reducing  the  possibility  of
fusion­type defects. Flux additions also influence the weld chemistry and thus enhance the mechanical properties of
the joint.

Manual metal arc welding (MMA), process 111
This  process  remains  the  most  versatile  of  all  welding  processes  but  its  use  in  the  modern  workshop  is  limited.
Alternating current transformers, DC rectifiers or inverters supply electrical power along a cable to an electrode holder
or tongs. A flux coated wire electrode (or "stick") is inserted in the holder and a welding arc is established at the tip of
the electrode when it is struck against the work piece. The electrode melts at the tip into a molten pool, which fuses
with the parent material forming the weld. The flux also melts, forming a protective slag and generating a gas shield to
prevent contamination of the weld pool as it solidifies. Flux additions and the electrode core are used to influence the
chemistry and the mechanical properties of the weld.
Hydrogen controlled basic coated electrodes are generally used. It is essential to store and handle these electrodes in
accordance  with  the  consumable  manufacturer’s  recommendations  in  order  to  preserve  their  low  hydrogen
characteristics. This is achieved either by using drying ovens and heated quivers to store and handle the product, or by
purchasing electrodes in sealed packages specifically designed to maintain low hydrogen levels.
The disadvantages of the process are the relatively low deposition rate and the high levels of waste associated with the
unusable  end  stubs  of  electrodes.  Nevertheless,  it  remains  the  main  process  for  site  welding  and  for  difficult  access
areas where bulky equipment is unsuitable.

https://www.steelconstruction.info/Welding 7/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

               

Manual metal arc welding (MMA), process 111

MMA_welding.mp4

Manual metal arc welding (MMA), process 111 

Submerged arc welding (SAW), process 121
This is probably the most widely used process for welding bridge web­to­flange fillet welds and in­line butt welds  in
thick plate to make up flange and web lengths. The process feeds a continuous wire via a contact tip, where it makes
electrical contact with the power from the rectifier, into the weld area, where it arcs and forms a molten pool. The weld
pool is submerged by flux fed from a hopper. The flux immediately covering the molten weld pool melts, forming a slag
and protecting the weld during solidification; surplus flux is collected and re­cycled. As the weld cools, the slag freezes
and peels away, leaving high quality, good profile welds.
The process is inherently safer than other processes, as the arc is completely covered during welding, hence the term
submerged arc. This also means that personal protection requirements are less. High deposition rates are a feature of
the process because it is normally mechanised on gantries, tractors or other purpose­built equipment. This maintains
control of parameters and provides guidance for accurate placement of welds.

https://www.steelconstruction.info/Welding 8/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

               

Operative submerged arc welding
(Image courtesy of Mabey Bridge Ltd.)

               

Submerged arc welding (SAW), process 121

https://www.steelconstruction.info/Welding 9/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

SAW welding

Submerged arc welding (SAW), process 121 

Drawn arc stud welding, process 783
Composite bridges  require  the  welding  of  shear  stud  connectors  to  the  top  flange  of  plate  or  box  girders  and  other
locations  where  steel  to  concrete  composite  action  is  required,  e.g.  at  integral  abutments.  In  buildings,  composite
beams require the welding of shear stud connectors to members, either directly to the top flange or more commonly
through permanent galvanized steel decking on composite floors, where the top flange of the beam is left unpainted.
 

Stud weld on a bridge girder Through deck stud welding
(Image courtesy of Mabey Bridge Ltd.) (Image courtesy of Structural Metal Decks Ltd.)

The method of stud welding is known as the drawn­arc process and specialist equipment is required in the form of a
heavy­duty rectifier and a purpose­made gun. Studs are loaded into the gun and on making electrical contact with the
work, the tipped end arcs and melts. The duration of the arc is timed to establish a molten state between the end of the
stud  and  the  parent  material.  At  the  appropriate  moment,  the  gun  plunges  the  stud  into  the  weld  pool.  A  ceramic
ferrule surrounds the stud to protect and support the weld pool, stabilise the arc and mould the displaced weld pool to
form  a  weld  collar.  The  ferrule  is  chipped  off  when  the  weld  solidifies.  Satisfactory  welds  typically  have  a  regular,
bright and clean collar completely surrounding the stud.

https://www.steelconstruction.info/Welding 10/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

               

Drawn arc stud welding, process 783

Weld procedure specifications
The  drawings  detail  the  structural  form,  material  selection  and  indicate  welded  joint  connections.  The  steelwork
contractor selects methods of welding each joint configuration that will achieve the performance required. Strength,
fracture  toughness,  ductility  and  fatigue  are  the  significant  metallurgical  and  mechanical  properties  that  must  be
considered. The type of joint, the welding position and productivity and resource demands influence the selection of a
suitable welding process.
The chosen method is presented on a welding procedure specification (WPS), which details the information necessary
to instruct and guide welders to assure repeatable performance for each joint configuration. An example format for a
WPS is shown in Annex A of BS EN ISO 15609­1[4]. Steelwork contractors may have their own corporate template but
all include the essential information to enable the proper instruction to be communicated to the welder.
It is necessary to support the WPS with evidence of satisfactory procedure tests  in  the  form  of  a  welding  procedure
qualification  record  (WPQR)  prepared  in  accordance  with  BS  EN  ISO  15614­1[5].  The  introduction  of  this  standard
states  that  welding  procedure  tests  made  to  former  national  standards  and  specifications  are  not  invalidated,
provided that there is technical equivalence; additional tests may be necessary to achieve this. The major UK steelwork
contractors have prequalified welding procedures capable of producing satisfactory welds in most joint configurations
likely to be encountered in the steel building and bridge industry.
For  circumstances  where  previous  test  data  is  not  relevant,  it  is  necessary  to  conduct  a  welding  procedure  test  to
establish and to confirm the suitability of the proposed WPS.
Guidance  on  typical  welding  procedure  specifications  for  structural  steelwork  is  available  in  BCSA  Publication  No.
58/18.

Procedure tests
BS EN ISO 15614­1[5] describes the conditions for the execution of welding procedure tests and the limits of validity
within  the  ranges  of  qualification  stated  in  the  standard.  The  welding  coordinator  prepares  a  preliminary  welding
procedure  specification  (pWPS),  which  is  an  initial  proposal  for  carrying  out  the  procedure  test.  For  each  joint
https://www.steelconstruction.info/Welding 11/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

configuration, either butt or fillet weld, consideration is given to the material grade and thickness and anticipated fit­
up tolerances likely to be achieved in practice. Process selection is determined by the method of assembly, the welding
position and whether mechanisation is a viable proposition to improve productivity and to provide consistent weld
quality.  Joint  preparation  dimensions  are  dependent  upon  the  choice  of  process,  any  access  restrictions  and  the
material thickness.
Consumables  are  selected  for  material  grade  compatibility  and  to  achieve  the  mechanical  properties  specified,
primarily in terms of strength and toughness. For S355 and higher grades of steel, hydrogen­controlled products are
used.
The risk of hydrogen cracking, lamellar tearing, solidification cracking or any other potential problem is assessed not
only  for  the  purpose  of  conducting  the  test  but  also  for  the  intended  application  of  the  welding  procedure  on  the
project. Appropriate measures, such as the introduction of preheat or post­heat, are included in the pWPS.
Distortion control is maintained by correct sequencing of welding. Back­gouging and/or back­grinding to achieve root
weld integrity are introduced as necessary.
Welding voltage, current and speed ranges are noted, to provide a guide to the optimum welding conditions.
The ranges of approval for material groups, thickness and type of joint within the specification are carefully considered
to  maximise  the  application  of  the  pWPS.  Test  plates  are  prepared  of  sufficient  size  to  extract  the  mechanical  test
specimens,  including  specimens  for  any  additional  tests  specified  or  necessary  to  enhance  the  applicability  of  the
procedure.
The plates and the pWPS are presented to the welder; the test is conducted in the presence of an examiner (usually
from  an  independent  examining  body)  and  a  record  maintained  of  the  actual  welding  parameters  along  with  any
modifications to the procedure needed.
Completed  tests  are  submitted  to  the  independent  examiner  for  visual  examination  and  non­destructive  testing  in
accordance with Table 1 of the Standard. Satisfactory test plates are then submitted for destructive testing, again in
accordance  with  Table  1.  Non­destructive  testing  techniques  are  normally  ultrasonic  testing  for  volumetric
examination and magnetic particle inspection for surface breaking imperfections.

                There  is  a  series  of  further  standards  detailing  with  the  preparation,
machining  and  testing  of  all  types  of  destructive  test  specimen.
Normally,  specialist  laboratories  arrange  for  the  preparation  of  test
specimens and undertake the actual mechanical testing and reporting.
Typical  specimens  for  an  inline  plate  butt  weld  include  transverse
tensile  tests,  transverse  bend  tests,  impact  tests  and  a  macro­
examination piece on which hardness testing is performed. For impact
tests,  the  minimum  energy  absorption  requirements  and  the  testing
temperature  are  normally  the  same  as  those  required  for  the  parent
material  in  the  joint.  It  is  wise  to  test  all  welding  procedures  to  the
limit  of  potential  application,  to  avoid  repeating  similar  tests  in  the
future.
Example of a weld procedure test piece
(Image courtesy of Mabey Bridge Ltd.) The  completed  test  results  are  compiled  into  a  weld  procedure
qualification  record  (WPQR)  endorsed  by  the  examiner.  A  typical
format is shown in Annex A of BS EN ISO 15614­1[5].
There  is  an  additional  general  requirement  concerning  welding  procedure  tests  that  where  paint  primers  are  to  be
applied to the work prior to fabrication, they are applied to the sample material used for the tests. In practice, careful
control of paint thickness is required to avoid welding defects.
BS EN ISO 14555[6] describes the method of procedure testing for drawn arc welded stud connectors.  The  standard
includes the test requirements necessary to prove the integrity of stud welds and it also specifies production testing
requirements to monitor in­process stud welding.  Qualification  based  on  previous  experience  is  also  permitted  and
most steelwork contractors can provide evidence to support this.
https://www.steelconstruction.info/Welding 12/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

Further guidance on weld procedure tests is available in GN 4.02.

Hydrogen cracking
Cracking can lead to brittle failure of the joint, with potentially catastrophic results. Hydrogen (or cold) cracking can
occur in the region of the parent metal adjacent to the fusion boundary of the weld, known as the heat­affected zone
(HAZ).  Weld  metal  failure  can  also  be  triggered  under  certain  conditions.  The  mechanisms  that  cause  failure  are
complex and described in detail in specialist texts.
Recommended  methods  for  avoiding  hydrogen  /  HAZ  cracking  are  described  in  BS  EN  1011­2[7],  Annex  C.  These
methods determine a level of preheating to modify cooling rates, which allows time for the hydrogen to migrate to the
surface and escape (particularly if maintained as a post heat on completion of the joint) instead of becoming trapped
in the hard, stressed zones. The pre­heat does not prevent the formation of crack –susceptible microstructures; it just
reduces one of the factors, hydrogen, so that cracking does not occur. Preheating also lessens thermal shock.

                One  of  the  parameters  required  to  calculate  preheat  is  heat
input. A notable change in the standard is to discontinue use
of the term arc energy in favour of heat input to describe the
energy  introduced  into  the  weld  per  unit  run  length.  The
calculation  of  heat  input  is  based  upon  the  welding  voltage,
current  and  travel  speed  and  includes  a  thermal  efficiency
factor; the formula is detailed in BS EN 1011­1[8].
High  restraint  and  increased  carbon  equivalent  values
associated  with  thicker  plates  and  higher  steel  grades  may
demand  more  stringent  procedure  controls.  Experienced
steelwork  contractors  can  accommodate  this  extra  operation
and allow for it accordingly.
BS EN 1011­2[7] confirms that the most effective assurance of
Preheat pads
avoiding hydrogen cracking is to reduce the hydrogen input to
(Image courtesy of Mabey Bridge Ltd.)
the weld metal from the welding consumables. Processes with
inherently  low  hydrogen  potential  are  effective  as  part  of  the
strategy,  as  well  as  the  adoption  of  strict  storage  and  handling  procedures  for  hydrogen­controlled  electrodes.
Consumable suppliers’ data and recommendations provide guidance to ensure the lowest possible hydrogen levels are
achieved for the type of product selected in the procedure.
Further informative Annexes in BS EN 1011­2[7] describe the influence of welding conditions on HAZ toughness and
hardness and give useful advice on avoiding solidification cracking and lamellar tearing.
Further guidance on Hydrogen / HAZ cracking is available in GN 6.04.

Welder qualification
BS EN 1090­2[9] requires welders to be qualified in accordance with BS EN ISO 9606­1[10]. That standard prescribes
tests  to  qualify  welders  based  upon  process,  consumable,  type  of  joint,  welding  position  and  material.  Welders
undertaking  successful  procedure  tests  gain  automatic  approval  within  the  ranges  of  qualification  in  the  standard.
Welding  operators  are  required  to  be  approved  in  accordance  with  BS  EN  ISO  14732[11],  when  welding  is  fully
mechanised  or  automatic.  This  standard  places  emphasis  on  testing  the  operator’s  ability  to  set  up  and  adjust
equipment before and during welding.
Welder  qualifications  are  time  limited  and  need  confirmation  of  validity  depending  on  continuity  of  employment,
engagement  on  work  of  a  relevant  technical  nature  and  satisfactory  performance.  Prolongation  of  a  welder’s
qualification depends on recorded supporting evidence demonstrating continuing satisfactory performance within the
original  test  range,  and  the  evidence  must  include  either  volumetric  destructive  testing  or  destructive  testing.  The
success  of  all  welding  operations  relies  on  the  workforce  having  appropriate  training  and  regular  monitoring  of
competence by inspection and testing.

https://www.steelconstruction.info/Welding 13/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

               

A qualified welder
(Image courtesy of Mabey Bridge Ltd.)

Inspection and testing
BS EN 1090­2[9] sets out the scope of inspection before, during and after welding and gives acceptance criteria related
to execution class. Most testing is non­destructive; destructive testing is only carried out on run­off plates.

Non­destructive testing
                Non­destructive testing is carried out in accordance with the
principles  in  BS  EN  ISO  17635[12].  For  constructional
steelwork,  the  principal  methods  are  visual  inspection  after
welding (see GN 6.06), magnetic particle inspection (usually
abbreviated to MPI or MT) for the surface inspection of welds
(see GN 6.02) and ultrasonic testing (UT) for the sub­surface
inspections  of  welds  (see  GN  6.03).  Radiographic  testing  is
also  mentioned  in  BS  EN  1090­2[9].  Radiography  demands
stringent  health  and  safety  controls;  it  is  relatively  slow  and
needs  specialist  equipment.  Use  of  the  method  has  declined
on constructional steelwork compared with the safer and more
portable  equipment  associated  with  UT.  Safety  exclusion
zones are required, in works and on site, when radiography is
in  progress.  However,  radiography  can  be  used  to  clarify  the
nature,  sizes  or  extent  of  multiple  internal  flaws  detected
ultrasonically.
Specialist  technicians  with  recognised  training  and
qualifications  in  accordance  with  BS  EN  ISO  9712[13]  are
required for all non­destructive testing methods.

Magnetic Particle Inspection (MPI) of a weld BS EN 1090­2[9] requires that all welds be visually inspected
(Image courtesy of Mabey Bridge Ltd.) throughout their length. From a practical point of view, welds
should  be  visually  inspected  immediately  after  welding,  to
ensure obvious surface defects are dealt with promptly.

https://www.steelconstruction.info/Welding 14/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

Further  non­destructive  testing  requirements  are  based  upon  performance  techniques  and  require  more  stringent
examination of the first five joints of new welding procedure specifications, to establish that the procedure is capable
of  producing  conforming  quality  welds  when  implemented  in  production.  Supplementary  non­destructive  testing
based  upon  types  of  joint,  rather  than  specific  critical  joints,  is  then  specified.  The  intent  is  to  sample  a  variety  of
welds based upon joint type, material grade, welding equipment and the work of welders and thereby maintain overall
performance monitoring.
Where  partial  or  percentage  examination  is  specified,  guidance  on  selections  of  test  lengths  is  given  in  BS  EN  ISO
17635[12]; where unacceptable discontinuities are found, the examination area is increased accordingly.
BS EN 1090­2[9] also tabulates minimum hold times prior to supplementary non­destructive testing based upon weld
size, heat input and material grade.
Recognising that where fatigue strength requirements are more onerous and a more stringent examination is required,
BS  EN  1090­2[9]  does  provide  for  the  project  execution  specification  to  identify  specific  joints  for  a  higher  level  of
inspection together with the extent and method of testing.
For  class  EXC3,  the  acceptance  criteria  for  weld  imperfections  is  quality  level  B  of  BS  EN  ISO  5817[14].  Where  it  is
necessary to achieve an enhanced level of quality to meet specific fatigue strength requirements, BS EN 1090­2[9] gives
additional acceptance criteria in terms of the detail category in BS EN 1993­1­9 [15] for the welded joint location.
Generally,  the  additional  acceptance  criteria  are  not  practically  achievable  in  routine  production.  Normal  welding
procedure  testing  and  welder qualification  tests  are  not  assessed  against  the  requirements  of  this  level.  Where  it  is
necessary to achieve this level of quality, the requirements should be focussed on the relevant joint detail, so that the
contractor  has  the  opportunity  to  prepare  welding  procedure  specifications,  to  qualify  welders  and  to  develop
inspection and test techniques accordingly.

Steel Fabrication: Non Destructive Testing

Non­destructive testing 

Destructive testing
There is no requirement in BS EN 1090­2[9]  to  carry  out  destructive  testing  for  transverse  joints  in  tension  flanges.
However, the scope to identify specific joints for inspection would allow the project specification to test, for example,
samples from "run­off" plates attached to in­line butt welds. Additionally, production tests may be specified on: steel
grades higher than S460; fillet welds where the deep penetration characteristics of the welding process are utilised; for
bridge orthotropic decks  where  a  macro  examination  is  required  to  check  the  weld  penetration;  and  on  stiffener­to­
stiffener connections with splice plates.

Production testing of stud welding
https://www.steelconstruction.info/Welding 15/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

Stud welds for shear connectors are examined and tested in accordance with BS                
EN ISO 14555[6]. The standard emphasizes the need to exercise process control
before,  during  and  after  welding.  Pre­production  testing  is  used  to  prove  the
welding  procedure  and,  depending  on  the  application,  includes  bend  tests,
tensile tests, torque tests, macro examination and radiographic examination.
Production weld tests are also required for drawn­arc stud welds. These should
be performed by the manufacturer before the beginning of welding operations
on  a  construction  or  group  of  similar  constructions,  and/or  after  a  specified
number  of  welds.  Each  test  should  consist  of  at  least  10  stud  welds  and  be
tested / assessed in accordance with the requirements of BS EN ISO 14555[6].
The number of tests required should be specified in the contract specification.

Bend test on a stud weld
(Image courtesy of Mabey Bridge
Ltd.)

Weld quality
The effect of imperfections on the performance of welded joints depends upon the loading applied and upon material
properties.  The  effect  may  also  depend  on  the  precise  location  and  orientation  of  the  imperfection,  and  upon  such
factors as service environment and temperature. The major effect of weld imperfections on the service performance of
steel structures is to increase the risk of failure by fatigue or by brittle fracture.
Types of welding imperfection can be classified under one of several general headings:

Cracks.
Planar imperfections other than cracks, e.g. lack of penetration, lack of fusion.
Slag inclusions.
Porosity, pores.
Undercut or profile imperfections.

Examples of weld defects

https://www.steelconstruction.info/Welding 16/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

Cracks or planar imperfections penetrating the surface are potentially the most serious. Embedded slag inclusions and
porosity  are  unlikely  to  initiate  failure  unless  very  excessive.  Undercut  is  not  normally  a  serious  problem  unless
significant tensile stresses exist transverse to the joint.
By selecting an execution class in BS EN 1090­2[9], acceptance criteria are established, beyond which the imperfection
is considered a defect.
Where defects are detected as a result of inspection and testing during production, post­weld dressing (see GN 5.02) or
other remedial measures are likely to be necessary, although in many cases the particular defect may be assessed on
the concept of ‘fitness for purpose’. Such acceptance is dependent upon the actual stress levels and the significance of
fatigue at the location. This is a matter for speedy consultation between the steelwork contractor and the designer for,
if acceptable, costly repairs (and the potential for introducing further defects or distortion) can be avoided.
Guidance on the control of weld quality and weld inspection is available in BCSA No. 54/12 and GN 6.01

References
1. BS EN ISO 22553:2013, Welding and allied processes. Symbolic representation on drawings. Welded joints. BSI.
2. BS EN 1993­1­8:2005, Eurocode 3. Design of steel structures. Design of joints, BSI
3. BS EN ISO 4063:2010, Welding and allied processes. Nomenclature of processes and reference numbers, BSI
4. BS EN ISO 15609­1:2019, Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding
procedure specification. Arc welding, BSI
5. BS EN ISO 15614­1:2017, Specification and qualification of welding procedures for metallic materials. Welding
procedure test. Arc and gas welding of steels and arc welding of nickel and nickel alloys, BSI

https://www.steelconstruction.info/Welding 17/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

6. BS EN ISO 14555:2017, Welding. Arc stud welding of metallic materials, BSI
7. BS EN 1011­2:2001, Welding. Recommendations for welding of metallic materials. Arc welding of ferritic steels,
BSI
8. BS EN 1011­1:2009, Welding. Recommendations for welding of metallic materials. General guidance for arc
welding, BSI
9. BS EN 1090­2:2018, Execution of steel structures and aluminium structures. Technical requirements for steel
structures, BSI
10. BS EN ISO 9606­1:2017 Qualification testing of welders. Fusion welding. Steels, BSI
11. BS EN ISO 14732:2013. Welding personnel. Qualification testing of welding operators and weld setters for
mechanized and automatic welding of metallic materials BSI
12. BS EN ISO 17635:2016, Non­destructive testing of welds. General rules for metallic materials, BSI
13. BS EN ISO 9712:2012. Non­destructive testing. Qualification and certification of NDT personnel, BSI
14. BS EN ISO 5817:2014, Welding. Fusion­welded joints in steel, nickel, titanium and their alloys (beam welding
excluded). Quality levels for imperfections, BSI
15. BS EN 1993­1­9:2005, Eurocode 3. Design of steel structures. Fatigue, BSI

Resources
Steel Buildings, 2003, (Publication No. 35/03), BCSA
Steel Bridges: A practical approach to design for efficient fabrication and construction, 2010, (Publication no. 51/10),
BCSA
National Structural Steelwork Specification (6th Edition), Publication No. 57/17, BCSA 2017 (https://www.steelcons
truction.org/shop/national­structural­steelwork­specification­for­building­construction­6th­edition­pdf)
Typical Welding Procedure Specifications for Structural Steelwork ­ Second Edition, 2018, (Publication No. 58/18),
BCSA (https://www.steelconstruction.org/shop/typical­welding­procedure­specifications­for­structural­steelwork­sec
ond­edition/)
Guide to Weld Inspection for Structural Steelwork, 2012, (Publication No. 54/12), BCSA
Hendy, C.R.; Iles, D.C. (2015) Steel Bridge Group: Guidance Notes on best practice in steel bridge construction
(6th Issue). (P185). SCI
Guidance Note 4.02 Weld procedure tests
Guidance Note 5.01 Weld preparation
Guidance Note 5.02 Post­weld dressing
Guidance Note 6.01 Control of weld quality and inspection
Guidance Note 6.02 Surface inspection of welds
Guidance Note 6.03 Sub­surface inspection of welds
Guidance Note 6.04 Hydrogen / HAZ cracking and solidification cracking in welds
Guidance Note 6.06 Visual inspection after welding
Guidance Note 7.01 Site welding

Further reading
Steel Designer’s Manual (7th Edition), 2011, Chapter 26 ­ Welds and design for welding, The Steel Construction
Institute.

See also
Steelwork specification
Specification of bridge steelwork
Accuracy of steel fabrication
Material selection and product specification
Fatigue design of bridges

https://www.steelconstruction.info/Welding 18/19
3/31/2020 Welding ­ SteelConstruction.info

Shear connection in composite bridge beams
CE marking

Retrieved from ‘https://www.steelconstruction.info/index.php?title=Welding&oldid=10985’

About   Sitemap   Contact   Privacy Notice   Cookies   Disclaimer

https://www.steelconstruction.info/Welding 19/19