جوشکاری در ساختمانهای فولادی
جوش دادن عبارت از ایجاد پیوستگی مولکولی بین دو یا چند قطعه فلزی که دست کم یکی از آنها به طور موضعی تحت اثر حرارت خمیری یا مذاب درآمده باشد. این عمل ممکن است بدون فشار یا تحت فشار انجام پذیرد. متداولترین انواع جوش، جوش ذوبی است در یک اتصال جوش ذوبی دو قسمت کاملاً مجزا به چشم میخورد که شامل موارد زیر است.
- منطقه ذوب شده و نواحی بلافاصله همجوار آن
- فلز مبنا (فلز مورد جوش)
منطقه ذوب شده که از انجماد فلز مذاب به دست آمده است ضمن جوشکاری تغییر و تحولات بافتی، شیمیایی و فیزیکی مییابد. فلز مبنا اثر یک تحول حرارتی قرار میگیرد که نتایج آن در هر نقطه به عواملی مانند فاصله آن نقطه از محل اتصال، حرارت ایجاد شده در موقع جوشکاری، تواتر گرم و سرد شدن، نوع فلز و جز اینها بستگی دارد. تغییر و تحول منطقه ذوب شده و فلز مبنا ممکن است به نتایجی به شرح زیر منجر شود.
- تغییر مشخصات مکانیکی فلز
- افزایش تردی نوار جوش در درجه حرارت های متعارف یا درجه حرارتهای پایین
- افزایش حساسیت در مقابل ترک خوردگی
- ایجاد حبابهای هوا در نوار جوش
- تقلیل مقاومت در مقابل خورده شدن و زنگ زدن
شدت و ضعف اثرات فوق به نوع جوش و روش انجام آن، یعنی به طرز تامین حرارت لازم برای جوشکاری بستگی دارد. بر حسب منبع حرارتی مورد استفاده، انواع مختلف جوشکاری تشخیص داده میشود. جوشکاری با گاز که در آن شعلههای با درجه حرارت زیاد مورد استفاده قرار میگیرد. شعله از سوختن هیدروکربورها با کسیژن حاصل میشود. مهمترین و متداولترین این نوع جوشکاریها جوش اکسی استیلن است.
جوشکاری با استفاده از انرژی برق
این جوشکاری خود شامل دو نوع کاملاً متفاوت است.
- جوش قوس الکتریکی
- جوش مقاومتی
جوش قوس الکتریکی
جوش قوس الکتریکی با روشهای متعددی اجرا میشود که از بین آنها میتوان روشهای زیر را نام برد.
- جوش قوس الکتریکی با الکترود فولادی روکشدار (دستی)
- جوش قوس الکتریکی با الکترود گرافیت
- جوش قوس الکتریکی زیر حفاظ گازهای احیا کننده
- جوش قوس الکتریکی با الکترود فولادی بدون روکش زیر حفاظ گرد جوشکاری (خودکار یا نیمه خودکار)
به طور خلاصه منظور از جوش قوس الکتریکی با الکترود فولادی عبارت است از ایجاد و نگهداری یک قوس الکتریکی بین الکترود فولادی و قطعاتی که باید به هم جوش شود. حرارت حاصل از این قوس باعث ذوب الکترود و لبههای قطعات مورد اتصال گشته و فلز مذاب حاصل قطعات مزبور را به هم متصل مینماید.
جوشکاری
برش با قیچی
برش با قیچی برای قطعاتی که با جوش به هم وصل شده با رعایت شرایط زیر مجاز است.
- برای قطعات به ضخامت تا ۱۰ میلیمتر مشروط بر این که سطح برش تمیز شود.
- برای قطعات به ضخامت تا ۱۶ میلیمتر با روش مناسبی مانند سنگ زدن یا ماشین کاری از روی مقطع برداشته شود. در صورتی که تمام مقطع در تمام سطح مورد جوشکاری قرار گرفته و ذرات آسیب دیده فلز ذوب شود احتیاج به سنگ زدن یا ماشین کاری نیست.
برش با شعله
برش با شعله به شرطی مجاز است که سطح مقطع بریده شده را پس از برش تا به دست آوردن یک سطح صاف، سنگ زده و تمیز کنند. اگر برش با وسایل خودکار و نیمه خودکار به عمل آید احتیاج به سنگ زدن نیست. ولی اگر در مقطع بریده شده ناهمواریهایی دیده شود باید آنها را سنگ زده و صاف نمود.
مزیت استفاده از شعله برای برش این است که بعضی از معایب داخلی فلز مانند تاخوردگیها و ناخالصیها و غیره نمایان میشود. ولی اگر طول برش زیاد باشد قطعه گرم شده و تغییر شکل میدهد و تنشهای موضعی در آن به وجود میآید.
آماده کردن درزها
آماده کردن درزها را میتوان به کمک ماشین ابزار یا به کمک شعله انجام داد. در حالت اخیر باید شرایطی که در برش با شعله ذکر شده رعایت شود. در صورتی که استفاده از ماشین ابزار و شعله مقدور نباشد، میتوان برای آماده کردن درزها از مقدارهای مخصوصی که با هوای فشرده کار میکند استفاده نمود. ولی باید در آخر، سطح درز را سنگ زده و کاملاً صاف کرد. این وسیله باید تا آنجا که ممکن است مورد استفاده قرار نگیرد زیرا اغلب باعث ایجاد ترکهای بسیار ریز در فلز شده و ایمنی اتصال را تقلیل میدهد.
به وسیله سنگ زدن میتوان درزها را آماده کرد. ولی باید سنگ تا آنجا که ممکن است ریزدانه باشد. سنگ زدن با سنگهای زبر درشت دانه ترکهای بسیار ریزی در فلز ایجاد مینماید. بی نظمیهای درز و ترکها باعث ناهماهنگی ابعاد جوش و کاهش کیفیت مطلوب آن است.
جوش کردن درزها و شرایط فنی مربوط به جوشکاری
جوش کردن درزها باید طوری انجام گیرد که حداکثر استفاده از وسایل و مصالح و نیروی انسانی به عمل آید. حصول این منظور با افزایش هر چه بیشتر سرعت جوشکاری امکانپذیر است. به این ترتیب مطالعه طرز انجام کار به جستجوی راه حلهایی برای افزایش سرعت جوشکاری منجر میشود. عواملی که در سرعت جوشکاری موثر است به شرح زیر است.
- جوش پذیری فلز مبنا
- جفت کردن درزها
- جمع کردن تثبیت قطعات و آماده کردن آنها برای شروع جوشکاری
- تنظیم موقعیت درز برای جوشکاری
- انتخاب صحیح نحوه اجرا
شرایط محیطی در موقع جوشکاری
تا آنجا که ممکن است باید از جوشکاری در درجه حرارتهای پایین تر از ۵- درجه سانتیگراد خودداری شود. در صورتی که انجام جوشکاری در درجه حرارتهای پایین تر از ۵- درجه الزامی است، باید احتیاط خاص به عمل آید.
اگر درجه حرارت قطعات مورد اتصال بین صفر و ۵- درجه حرارت سانتیگراد، ضخامت ورقها کمتر از ۴۰ درجه میلیمتر است. قبل از شروع جوشکاری باید از اطراف درز تا فاصله ۴e با حرارتی معادل حرارت دست، گرم کرد و این درجه حرارت را تا پایان جوشکاری حفظ نمود. فاصله مرز منطقه گرم شده از درز هیچ جهت نباید از ۱۰ سانتیمتر کمتر باشد.
اگر ضخامت ورق های از ۴۰ میلیمتر بیشتر باشد، درجه حرارت آنها در موقع جوشکاری در هیچ حال نباید از ۱۰ سانتیمتر کمتر باشد.
در مواقع بارندگی یا مه غلیظ که سطح کار مرطوب است، یا وقتی که کار در معرض وزش باد شدید قرار می گیرد، باید عملیات جوشکاری متوقف شود، مگر اینکه کار و جوشکاری به نحو مناسبی حفاظت شوند.
عملیات بعد از اتمام جوشکاری
اصلاح حرارتی
برای بعضی کارهای دقیق، بعد از جوشکاری عملیات اصلاح حرارتی به عمل میآید. این عمل که به منظور تنشگیری انجام میگیرد در ساختمانهای متعارف به ندرت مورد پیدا میکند.
اصلاح قطعات به کمک گرم کردن
گاهی قطعاتی را که در اثر جوشکاری تغییر شکل داده گرم کرده و به شکل مطلوب در میآورند. برای این منظور گرم کردن قطعات حداکثر تا ۶۵۰ درجه مجاز است و فقط قطعاتی را میتوان با استفاده از گرمایش اصلاح کرد که زیر بار نباشد.
چکش کاری
در بعضی موارد جوش درزهای مرکب از پاسهای متعدد را ضمن جوشکاری چکش کاری میکنند. ریشه جوش و لایه سطحی جوش درز نباید چکش کاری شود. چکش کاری نباید آن قدر شدید باشد که باعث ور آمدن یا گسیختگی جوش شود.
رنگ کردن جوش درزها
- پس از اتمام عملیات جوشکاری، باید روباره جوش به کلی برداشته شود و گرده جوش با برس سیمی تمیز شده، و با رنگ مناسبی رنگ شود. باید توجه داشت که قبل از پذیرش مهندس ناظر هیچ جوش درزی با رنگ پوشانده نشود.
- اطراف جوش درز قبل از رنگ کاری باید از رنگ و ذارت پاشیده شده جوش تمیز شود.
مقررات مربوط به طرز جوشکاری
جوشکاری باید طوری انجام گیرد که سه منظور زیر بر آورده شود.
- حصول یک جوش سالم و بیعیب و دارای مشخصات مکانیکی مورد نیاز
- تامین نوار جوش به ابعاد و شکل مورد نیاز
- به حداقل رساندن تغییر شکلها و تنشهای پسمانده حاصل از جوشکاری
مقررات و قواعد مربوط به حصول یک جوش سالم
برای به دست آوردن یک جوش سالم باید شرایط زیر تامین شود.
- فلز جوش در ریشه و پهلوهای درز نفوذ کرده و با فلز مبنا ممزوج شود.
- برای این منظور باید درزها در مناسبترین وضع ممکن از حاظ جوشکاری و در بهترین شرایط دید قرار گیرد. و جوشکار به آن مسلط باشد. به علاوه طول قوس و شدت جریات و ولتاژ باید متناسب با نوع الکترود و نوع و ضخامت قطعات مورد اتصال تنظیم شود.
- اتصال قطعاتی که اختلاف ضخامت زیاد دارد، باید با دقت زیاد انجام گیرد. زیرا سرعت گرم شدن دو قطعه یکسان نبوده و شدت جریانی که برای ذوب لبه قطعه نازک کافی است قطعه ضخیمتر را ذوب نمیکند و نفوذ جوش ناقص است. بالعکس اگر شدت جریان برای ذوب قطعه ضخیم کافی باشد قطعه نازکتر را میسوزاند و برای رفع این اشکال در کارهای کم اهمیت میتوان قوس را بیشتر روی قطعه ضخمیتر متمرکز نمود. ولی در کارهای مهم باید قطعه ضخمیتر را زیر پیش گرمایش قرار داد، و درجه حرارت آن را در تمام مدت جوشکاری حفظ کرد.
- روباره یا ناخالصیهای دیگر در فلز جوش غوطه ور نشده و در روی آن جمع شود.
- فضاهای کوچک و بزرگ حاوی گاز در فلز جوش به وجود نیاید.
- در موقع سرد شدن به علت انقباض فلز جوش، در داخل فضاهای خالی ایجاد نشود.
- فلز جوش و مناطق مجاور آن ترک نخورد.
- در حاشیه جوش درز گود افتادگی و بیرون زدگی به وجود نیاید.
- در محل قطع قوس، گودهای انتهایی ایجاد نشود.
- وضع درز مورد توجه قرار گیرد، مثلاً در یک درز قائم برای تامین نفوذ کامل بهتر است پاس اول از بالا به پایین و پاسهای دیگر از پایین به بالا جوش داده شود.
- در صورتی که جوش لب در منطقهای قرار گیرد که تنشها حداکثر است یا در حالتی واقع شود که جوش لب اتصال کامل قطعات کار را تامین مینماید باید جوشکاری از دور انجام گیرد. قبل از شروع جوشکاری روی دیگر باید ریشه جوش سنگ زده شده و کاملاً برای پذیرش رشته جوش جدید آماده شود. اگر سنگ زدن ریشه جوش میسر نباشد، باید از پشت بند استفاده شود که حین جوشکاری ذوب شده و با فلز جوش مخلوط شود و سلامت جوش درز را تامین نماید.
مقررات و قواعد مربوط به تامین ابعاد صحیح جوش درز
رعایت ابعاد دقیق جوش درز در ساختمانهای فولادی بسیار مهم است. نه تنها ابعاد جوش نباید از آنچه در نقشهها داده شده است کمتر باشد، بلکه زیاد شدن ابعاد نیز صحیح نیست، حتی در بعضی موارد، مثلاً وقتی که جوش درز تحت اثر بارهای متناوب و مکرر قرار گرفته و در آن خستگی به وجود میآید. بیشتر شدن ابعاد جوش ممکن است ایمنی را به شدت کم کند زیرا هر تغییر مقطع ناگهانی باعث تمرکز تنش میشود.
- در اتصال لب به لب گرده جوش ممکن است اندکی برجستگی داشته باشد، ولی در هر حال سطح آن باید منظم و صاف باشد.
- برجستگی گرده لب باید به اندازهای باشد که مقطع کامل قطعههای مورد اتصال را در محل درز تامین نماید، ولی این برجستگی نباید از ۳ میلیمتر بیشتر شود، و امتداد گرده باید به نحو مطلوبی با سطح ورقهای مورد اتصال مماس میشود.
- اگر بر جستگی گرده زیاد باشد، باید مقدار اضافی فلز جوش را با وسیله مناسبی برداشت. اگر بر جستگی مقدار لازم را نداشته باشد، میتوان مجدداً به جوشکاری اقدام نمود. در این صورت قطر الکترود نباید از ۴ میلیمتر بیشتر شود.
- اگر لب دو ورق دارای ضخامتهای متفاوت به وسیله جوش به هم متصل شود، در صورتی که اختلاف ضخامت دو ورق قابل ملاحظه بوده و از نضف ضخامت ورق نازکتر بیشتر باشد، باید ورق ضخیم را ماشین کاری و لب آن را نازک کرده و سپس جوشکاری نمود. شیب قسمت ماشین کاری شده معمولاً ۱ به ۵ بوده، در صورت موافقت مهندس طراح میتواند تا ۱ با ۳ افزایش یابد. در صورتی که اختلاف ضخامت کم بوده و از نصف ورق نازکتر تجاوز نکند، باید سطح گرده جوش مورب بوده و سطوح دو ورق را به یکدیگر متصل نماید.
مقررات مربوط به تقلیل و تغییر شکلهای ناشی از جوشکاری
- جوشکاری باید طوری مرحله بندی شود که از پیچیدگی قطعات و ایجاد تنشهای موضعی در آنها در اثر حرارت و افت جوش جلوگیری شود. مرحله بندی نه تنها شامل درزهای مختلف میشود بلکه در یک درز نیز میتوان جوشکاری پاسهای مختلف یا حتی جوشکاری یک پاس ساده را مرحله بندی نمود.
- برای قطعات ضخیمتر از ۴۰ میلمیتر مرحله بندی عملیات جوشکاری اجباری است. روی یک قطعه درزهای موازی را باید تا حد امکان به طور همزمان جوش داد. حهت پیشرفت جوشکاری باید به دقت انتخاب شود. برای حصول نتیجه مطلوب باید جوشکاری از نقطهای آغاز شود که در آن نقطه، حرکت دو قطعه مورد اتصال نسبت به یکدیگر از سایر نقاط مشکلتر است.
- در صورتی که حذف تنشهای کششی موضعی جوش در محل امکانپذیر نباشد، باید تا حد امکان جوش درزها را از قسمت کششی حذف کرده و به قسمت فشاری منتقل نمود. ازدیاد تنشهای پسماند با حجم نوار جوش نسبت مستقیم دارد. برای کم کردن این تنشها باید تا آنجا که ممکن است در جوشهای گوشه به جای نوارهای کوتاه با بعد زیاد از نوارهای جوش طویل با بعد کم استفاده شود. در جوشهای لب برای ورقهای ضخیم نیز لازم است به جای درزهای جناغی و نیم جناغی از درزهای لالهای، لالهای دو طرف، جناغی دو طرفه یا نیم جناغی دو طرفه استفاده شود.
- این کار علاوه بر اینکه از مقدار تنشهای پسماند میکاهد، مقدار مصرف الکترود را نیز کاهش میدهد.
درجه بندی جوشکاری
درجه بندی جوشکاری با توجه به ضوابط زیر انجام میگیرد.
- کنترل جوش پذیری فلز مبنا
- کنترل تناسب آمادگی درزها با نوع کار
- مطالعه لوازم و مصالح جوشکاری با توجه به نحوه کار و فلز مبنا و طرز کار کردن قطعات
- کنترل صحت نتایج حاصل از مطالعه فوق در آزمایشگاه
- انتحان جوشکاران از نظر مهارت
- بررسی کامل جوش درزها و پس از اتمام کار به کمک آزمایشهای غیر مخرب
- کنترل جوش
کنترل جوش در ساختمانهای فلزی شامل دو قسمت است.
- کنترل ابعاد و اندازهها
- کنترل کیفیت و مشخصات مکانیکی جوش
رواداریها (Tolerances)
رواداریهای مربوط به آمادگی درزها و ابعاد جوش درزها در استانداردهای مربوط به انواع، اندازهها و رواداریهای درزها در جوشکاری دستی و انواع اندزاهها در رواداریهای درزها در جوشکاری خودکار و نیمه خودکار داده شده است.
اتصال لب به لب
در این نوع اتصال میزان نفوذ جوش بسته به سرعت حرکت الکترود و فاصله آن از قطعه کار، به نحوه چشمگیری تغییر میکند. بهترین نتیجه موقعی به دست میآید. که در وضع تخت الکترودهای با روکش ضخیم مورد استفاده قرار میگیرد. و ضمن جوشکاری لبه روکش الکترود به قطعه کار مماس شده و امتداد الکترود با جهت پیشرفت جوشکاری زاویهای بین ۶۰ تا ۸۰ درجه تشکیل میدهد. در این حالت الکترود باید به طور یکنواخت و نسبتاً سریع به جلو کشیده شود.
اتصال لب به لب با آمادگی
در این نوع اتصال نیز سرعت حرکت الکترود و فاصله آن از قطعه کار در کیفیت جوش نقش تعیین کننده دارد. در این نوع اتصالها باید ترتیبی اتخاذ شود که حوضچه مذاب در تمام مدت جوشکاری درست در زیر نوک الکترود قرار داشته و الکترود تا آنجا که ممکن است سریع حرکت نماید.
برای حصول بهترین نتیجه باید در وضع تخت برای اولین پاس جوش، لبههای الکترود به سطوح جانبی درز مماس شود و امتداد الکترود با جهت پیشرفت جوشکاری زاویهای بین ۶۰ تا ۸۰ درجه تشکیل دهد. حرکت جانبی الکتورد فقط برای پاسهای آخر درزهای عریض مجاز است. از این حرکت برای اولین پاس جوس باید اکیداً پرهیز شود.
اتصال سپری و لب روی هم
در این اتصالها که به کمک جوش گوشه انجام میگیرد باید تا حد امکان از الکترودهای با بازده زیاد که روکش آنها دارای گرد آهن است، استفاده شود. در مورد جوشهای گوشه یک پاسه در وضع تخت یا افقی اگر لبه روکش الکترود به ورقهای مورد اتصال چسبیده و الکترود در صفحه منصف دو ورق مورد اتصال قرار داشته باشد و با جهت پیشرفت جوشکاری زوایهای در حدود ۶۰ درجه تشکیل دهد، بهترین نتیجه از جوشکاری حاصل خواهد شد.
در صورتی که جوش گوشه چند پاسه باشد، باید جوش را با همان شرایط پاس اول با سرعت و شدت جریان زیادتری به انجام رسانده و به ایجاد گود افتادگی توجه نکرد. به این ترتیب نفوذ ریشه تامین شده و گودافتادگی هم در پاسهای بعدی جوش باید با شدت جریان مناسبی که گودافتادگی ایجاد نمیکند، انجام گیرد. برای آنها باید الکترود با صفحه افقی و جهت پیشرفت جوشکاری زاویهای در حدود ۷۰ تا ۸۰ درجه تشکیل دهد مگر برای رشتههایی که در جوار ورق قائم قرار میگیرد. در مورد رشتهها باید الکترود با هر دو ورق مورد اتصال زوایهای در حدود ۴۵ درجه تشکیل دهد.