این فایل در قالب فرمت Power Point قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد

انواع سیستم های اتصال در سازه های فلزی

 در انتخاب یک سیستم مناسب اتصال جهت انتقال بار، علاوه بر نگرش سازه ای، به قابل اجرا بودن آن نیز باید توجه کرد. انواع سیستمهای اتصال – پرچ، پیچ، جوش و اتصالات خاص – زمانی مناسب می باشد که از مطابقت آن با عملکرد سازه ای، تکنولوژی اتصال و اقتصاد آن اطمینان حاصل شود.

پرچ

پرچ از قدیمی ترین وسایلی است که از آن برای اتصال در سازه های فولادی استفاده می شود ولی امروزه کاربرد آن منسوخ شده است. پرچ شامل یک استوانه توپر فولادی است که سر آن شکل داده شده است. این قطعه بصورت گرم در سوراخ اتصال قرار داده شده سر دیگر آن بوسیله چکش بادی شکل داده می شود. پرچ پس از سرد شدن منقبض می شود و انقباض باعث فشردگی دو قطعه اتصال می شود. بدین صورت یک اتصال اصطکاکی کامل بدست می آید از آنجایی که میزان انقباض و نیروی بوجود آمده در پرچ قابل محاسبه نیست نمی توان از آن در محاسبات طراحی استفاده کرد.

پرچ را می توان بصورت سرد نیز کوبید که دیگر هیچ نیروی پیش تنیدگی در آن بوجود نمی آید.امروزه بدلایل زیر از پرچ در سازه های فولادی استفاده نمی شود :

  پیشرفت تکنولوژی جوشکاری

  تولید پیچ های با مقاومت بالا

  نیاز به نیروی انسانی زیاد و ماهر برای پرچکاری

  احتیاج به نظارت دقیق

  سر و صدای زیاد در حین اجرا

  خطر آتش سوزی در حین کار 

 پیچ

 پیچهایی که در اتصالات سازه های فولادی مورد استفاده قرار می گیرند، به دو دسته تقسیم می شوند : 1- پیچهای معمولی   2- پیچهای با مقاومت بالا

از پیچهای معمولی در اتصالاتی استفاده می شود که نیروهای موجود در اتصال کم باشد. از این پیچها که بصورت یاتاقانی یابرشی عمل می کنند در ساخت مهاربندیها، خرپاهای کوچک، لاپه ها و اعضای درجه دوم سازه های فولادی استفاده می شود. پیچهای با مقاومت بالا در هنگام تولید به منظور افزایش مقاومت، بصورت گرم نورد می شوند. نحوه اتصال و انتقال بار در این پیچ های با مقاومت بالا در سوراخهایی قرار می گیرند که قطر آن از قطر پیچ بیشتر است و در هنگام اتصال برای ثابت نگه داشتن پیچ و جلوگیری از سائیدگی قطعات فولادی، از واشر استفاده می گردد.

جوش

جوشکاری فرایندی است که در آن دو قطعه فلز بوسیله حرارت به یکدیگر جوش می خورند تا یک اتصال بوجود آید. عمل جوش در اتصالات ساختمان درست شبیه بستهای مکانیکی می باشد. جوشها برای ساخت اتصالات، جهت انتقال نیرو بین اعضای سازه و همچنین برای انتقال دادن تنشهای محاسباتی از یک قسمت عضو ساخته شده به قسمتهای دیگر به کار می روند. قوانین و ضوابط جوشکاری در ساختمان سازی بوسیله انجمن امریکایی جوشکاری " AWS " به صورت مدون گردآوری شده است. این مجموعه بصورت آیین نامه ای در زمینه جوشکاری در ساخت ساختمانهای فولادی     AWS(D1.0)  و همچنین مشخصات جوشکاری در پلها، بزرگراهها و راه آهن ها AWS (D.1.0 ) گردآوری شده است. مشخصات اتصالات جوش شده در ساخت ساختمانهای فلزی در AISC آورده شده است. AISC نیز در مواقع لزوم به استاندارد AWS(D.1.0) ارجاع می دهد.

انواع روشهای جوشکاری

الف) جوش قوس الکتریکی با الکترود روکشدار

جوش قوس الکتریکی با الکترود روکشدار از رایج ترین روشهای جوشکاری هستند که هم در جوشکاریهای کارخانه ای و هم در جوشکاریهای کارگاهی کاربرد دارند. 

ب) جوش قوس الکتریکی غوطه ور ( زیر پودری )

جوش قوس الکتریکی از مهمترین روشهای جوشکاری کارخانه ای است. این روش هم بصورت تمام خودکار و هم بصورت نیمه خودکار قابل اجراست.پودر نرم، روی محلی که باید جوشکاری شود ریخته می شود و الکترود به سمت آن روانه می گردد. هنگامی که قوس الکتریکی تشکیل می شود، قسمتی از پودر ذوب می شود و به صورت تفاله جوشکاری در می آید و روی فلز مذاب را می پوشاند. جوش قوس الکتریکی غوطه ور نسبت به جوش الکتریکی با الکترود روکشدار دارای نفوذ بیشتر و همچنین سرعت جوشکاری بیشتر می باشد. در این نوع جوشکاری، سطح جوشکاری شده صاف است و ترشحات جوشکاری تشکیل نمی گردد. لازم است گل جوش پس از انجام هر مرحله جوشکاری برداشته شود. پودر ذوب نشده نیز در جوشکاریهای بعدی قابل استفاده است. در روش تمام خودکار، دستگاه کنترل الکتریکی، پودر و سیم جوشکاری ( الکترود ) را از دو مجاری مجزا در حین حرکت در امتداد درز، تامین می کند.

ج) جوش قوس الکتریکی تحت حفاظت گاز

جوشکاری با روش قوس الکتریکی تحت حفاظت گاز به دلیل انطباق آن با تمام شرایط کاری، دارای اهمیت روز افزونی در جوشکاری کارخانه ای شده است. در این روش جوشکاری که ممکن است بصورت تمام خودکار یا نیمه خودکار انجام شود، از سیستم الکترود بدون پوشش با قوس الکتریکی و پوشش گازی استفاده می گردد. بوسیله تغییر دادن نوع گاز یا تعویض قطب قوس الکتریکی ، می توان مقطع عرضی فلز جوش شده را کنترل نمود. بدین ترتیب که می توان مقطع را بصورت عریض با نفوذ کم و یا عرض کم با نفوذ زیاد، در مرکز خط جوش در آورد. به جوشی که از دی اکسیدکربن به عنوان گاز محافظ استفاده می شود ، جوش CO2 گفته می شود.

د) جوش قوس الکتریکی با پودر مغزی

از این روش جوشکاری می توان بصورت خودکار یا نیمه خودکار در کارگاههای بزرگ یا کارخانه ها استفاده کرد. این روش شبیه جوشکاری به روش قوس گازی است با این تفاوت که الکترود ممتد فلزی آن لوله ای شکل بوده و مواد پودر در داخل آن لوله قرار دارد. البته این روش مزایایی نیز نسبت به روشهای قبلی دارد، بعنوان نمونه در این روش محافظ قوس الکتریکی تحت تاثیر وزش باد در فضای آزاد قرار نمی گیرد.

ه) جوش الکتروگاز

جوش الکترو گاز نوعی جوشکاری به روش قوس الکتریکی یا قوس الکتریکی با پودر مغزی می باشد که برای اتصالات قائم تا ضخامت 3 اینچ قابل اجرا است. این نوع جوشکاری بصورت تمام خودکار انجام می شود. این حفره می تواند بین دو لبه کار ( جوش تخت ) و یا بین لبه و سطح کار ( جوش گوشه ) باشد. صفحات مسی که بوسیله آب خنک می شوند، دو طرف حفره جوش را میپوشانند. داخل این حفره فلز مذاب جوش قرار دارد و با خنک شدن فلز جوش، صفحات مسی به تدریج و به این صورت جوشکاری از پایین به سمت بالا کامل می گردد. قوس الکتریکی و محافظ فلز جوش بوسیله گاز یا بخار ایجاد شده از پودر مغزی قابل تامین هستند.

و) جوش الکترو اسلاگ

در جوشکاری به روش الکترو اسلاگ، برای جوشهای تخت و یا گوشه، جوشها به صورت قائم و از پایین به بالا در حفره جوشکاری کامل می گردند. آب خنک کننده و صفحات مسی، دو طرف سطح اتصال را میگیرند و به صورت یک قالب مواد مذاب حاصل از عمل جوشکاری را در خود جای می دهند و به تدریج جوش را از پایین به بالا کامل می کنند. به خاطر توزیع یکنواخت گرما در اتصال، جوشکاری به روش الکترواسلاگ در مواردی مناسب است که حداقل تغییر شکل در اجزای اتصال، مورد نظر باشد. در صورتی عمل جوشکاری با موفقیت انجام می شود که اتصالات قائم ارتفاع قطعات اتصالی حداکثر 20 اینچ باشد.

ز) جوش گلمیخ

این نوع جوشکاری روشی است که بوسیله آن انتهای گلمیخها به اعضای سازه ای جوش داده می شوند. دستگاه نوع تفنگی با کنترلهای مخصوص، گلمیخ را در جای خودش نگه می دارد و پس از آن بین گلمیخ و عضو سازه ای قوس الکتریکی ایجاد می کند و هنگامی که درجه حرارت به نقطه ذوب رسید، به طور خودکار گلمیخ را به داخل حوضچه مذاب فشار می دهد.

ح) جوش مقاومتی

در جوش مقاومتی، گرمای لازم برای رسیدن به نقطه ذوب، بوسیله مقاومت الکتریکی جریان عبور داده شده از نقطه اتصال تامین می شود. هنگامی که فلز به دمای مناسبی رسید، دو نقطه به هم فشرده می شوند تا در محل اتصال بصورت یکپارچه درآیند. در کارهای ساختمانی، جوش مقاومتی اساسا" برای ساخت مقاطع کوچک و قطعات سبکتر بکار می روند ( مثل ساختن تیرچه های خرپایی ) 

سازه فولادی از مجموعه ای از اعضای باربرساخته شده از نیمرخهای فولادی یا ورق می باشد که به کمک اتصالات به یکدیگر متصل می گردند.با توجه به روشهای تکامل یافته ای که برای تولید نیمرخ های فولادی به  کار گرفته می شود این مقاطع غالبا رفتار در حد قابل انتظاری از  خود نشان می دهند. مساله بسیار مهم رفتار اتصالاتی است که  الف)   برای ساخت اعضای مرکب از نیمرخ و ورق برای یکپارچه نمودن  اعضا(شامل تیر و ستون و مهاربندها)در محل گره ها مورد استفاده قرار می گیرد.

وسایلی که برای ساخت اعضا  و اتصال آنها به  یکدیگر به کار می رود شامل پیچ و پرچ و جوش است.در این میان استفاده از جوش در ساختمان سازی متعارف در ایران بسیار رایج است.تا زمان وقوع زلزله نورث ریچ(1994)تصور بر این بود که در صورت رعایت اصول فنی در طرح و اجرای سازه های فولادی جوشی این سازه هادر زلزله عملکرد قابل قبولی از خود  نشان می دهند.اما وقوع این زلزله این فرض رازیر سوال برد.در این زلزله مشاهده شد که در بسیاری از اتصالات , در محل درز جوش اتصال , فلز مادر(Base metal) دچار ترک یا یعضا شکست شده است.اسن مساله باعث شد تا تحقیقات گسترده ای در مورد علت این پدیده صورت گیرد که این تحقیقات  تا به امروز ادامه دارد.از طرف دیگر مشاهده و تحقیق  درباره وضعیت ساخت و ساز ساختمانهای فولادی نشان می دهد که اتصالات جوشی متداول در ایران از کیفیت مناسبی برخوردار نیستند و با وجود سابقه نسبتا طولانی در استفاده از جوشکاری در صنعت ساختمان هنوز نقایص  زیادی در این زمینه مشاهده می شود.

 عملکرد  لرزه ای ساختمانهای فولادی

براساس تجربه های حاصل از زلزله های گذشته و مطالعات انجام گرفته سازه هایی در برابر زلزله دارای عملکرد بهتری هستند که بتوانند ضمن حفظ پایداری و انسجام کلی خود انرژی ناشی از زلزله را تا حد امکان جذب و مستهلک نمایند.با توجهبه منحنی نیرو-تغییر مکان  سازه ها و توجه به  این مطلب که سطح بین منحنی نیرو-تغییرمکان و محور تغییرمکان نشان دهنده میزان انرژی جذب شده توسط سازه است.هر چه سازه شکل پذیرتر باشد انرژی بیشتری را  هنگام زلزله جذب کرده و رفتار مطلوبتری دارد.فولاد نرمه به علت طبیعت شکل پذیر از این نظر ماده مناسبی می باشد و می تواند میزان زیادی انرژی جذب کند.اما تجربه نشان داده است  که در سازه  های فولادی  در صورت عدم استفاده از اتصالات مناسب عملکرد مناسب لرزه ای آنها مناسب و قابل قبول نخواهد بود و در اثر زلزله دچار شکست سازه ای و یا انهدام خواهد شد.در زلزله منجیل (1369) مشاهده شد که تعدادی از ساختمانهای فولادی دچار تخریب کامل شدند. رفتار این سازه ها در این زلزله  ثابت کرد که در بسیاری از موارد سازه های موجود دارای سیستم مقاوم زلزله مناسبی نیستند.استفاده  از تیرهای خورجینی(تیرهای سرتاسری در دو طرف ستون با اتصال نبشی) و عدم شناخت سیستم حاصل و مدل صحیح برای این اتصالات باعث شده این سیستم از نظر مهندسی زلزله بسیار آسیب پذیر تلقی گردد.درس حاصل از این زلزله کیفیت پایین ساخت و ساز شهری بودکه در سالهای اخیر تلاشهایی برای اصلاح آن به عمل آمده است.در زلزله نورث ریچ آمریکا مشاهده شد که در بسیاری ازساختمانهای فولادی  اتصال تیرها و ستونها دچار ترک و یا بعضا شکست شد.بیشتر این ترکها و شکستها در بال ستون اتفاق افتاده است.

 صنعت جوشکاری ساختمان در ایران

با گذشت 50 سال از استفاده از جوش در ساختمان دهه اخیر(80-1370)از نظر تعداد ساختمانهایی که  با سازه های فولادی طراحی و اجرا شده اند کاملا استثنایی به شمار می آید.در نیمه دوم این دهه دهها هزار سازه فولادی در تهران و شهرهای بزرگ ایرن به ناگهان سر از زمین برآورد.گسیل سرمایه ها به سوی ساخت و ساز شهری و تبدیل ساخت سرپناه به ماشین سرمایه گذاری جهت سودهای کلان باعث گردید تا رعایت اصول فنی و ایمن سازی ساختمانها در برابر زلزله در برابر منفعت طلبی صاحبکاران عملا مورد توجه قرار نگیرد.از طرف حجم عظیم ساخت و ساز نیروز انسانی زیادی اعم از مهندس و تکنسین و جوشکار احتیاج داشت که باعث ورود افراد غیرمتخصص به این جرگه گردید.تمامی این مسایل دست به دست هم داد تا طرح و اجرای ساختمانهای فولادی آنچنان که  باید از کیفیت  مطلوبی برخوردار نباشد.تخریب کلی ساختمانهای فولادی در زلزله منجیل موید پایین بودن کیفیت ساختمانهای فولادی کشور می باشد. از میان تمامی عوامل دخیل  در طرح  و ساخت سازه های  فولادی اتصالهای جوشی از نارساییهای بیشتری برخوردارند. علل اصلی پایین بودن کیفیت جوش درساخت و سازهای شهری را می توان  به صورت زیر بیان نمود :

      عدم انطباق اجرای معمول سازه های فولادی با آیین نامه ها  و دستورالعملها

     کیفیت پایین جوش به علت عدم آموزش کلاسیک کافی در این زمینه برای جوشکاران و مهندسان

     نبود نظارت اصولی و دقیق بر اجرای جوشکاری در ساختمانهای شهری در کشور

    عدم طرح دقیق اتصال جوشی با توجه به عملکرد مورد نظرآنها

 عدم انطباق اجرای معمول سازه های فولادی با آیین نامه ها  و دستورالعملها

 در بسیاری از موارد طرز اجرای متداول جوش باجزییات ارایه شده در آیین نامه تطابق ندارد.این موارد ناشی از موارد متعددی است که از میان آنها به موارد زیر می توان اشاره کرد:

الف) آشنا نبودن مهندسین سازه به مسایل اجرایی و در نتیجه ارایه نقشه ها و جزییات غیرقابل اجرا

 ب) گران تر بودن هزینه اجرای جزییات آیین نامه نسبت به روش سنتی اجرا

 پ)آگاه نبودن کارفرما و یا مهندس مجری طرح به جزییات آیین نامه و عدم      

      توانایی در تمیز دادن حالات مختلف از یکدیگر

بعد از اجباری شدن آیین نامه2800(1368) اهمیت وجود سیستم مقاوم در برابر زلزله از یک طرف و محدودیتهای معماری برای استفاده از سیستم مهاربندی از طرف دیگر باعث استفاده روزافزون از سیستم قاب خمشی در جهت عرضی ساختمانها شد.در این سیستم اتصال تیر به ستون از نوع  گیردار بوده یعنی باید توانایی انتقال برش و لنگراز تیر به ستون وجود داشته باشد.در این نوع اتصالات از ورقهای بالاسری و زیرسری که در محل اتصال به ستون برای ایجاد جوش نفوذی کامل خورده است استفاده می شود. اما از آنجاییکه متاسفانه عملیات جوشکاری در محل کارگاههای ساختمانی و نه در محل کارخانه صورت می گیرد کنترل  کیفیت جوش بخصوص در هنگام  مونتاژ درارتفاع زیاد از سطح زمین حتی به صورت عینی(Visual)  امکان پذیر  نمی  باشد. همچنین معمولا در محل  اتصال   ورق به ستون به جای  جوش نفوذی از  جوش گوشه استفاده می شود در نتیجه هنگام زلزله این نقاط  علاوه بر تحمل نیروی کمتر در   حالت تردشکن گیسخته خواهد شد. زمانی که در یک عضو فشاری ازدومقطع در کنار یکدیگر استفاده می شود باید هم پایداری کل عضوبه عنوان یک المان و هم پایداری تک تک مقاطع کنترل شود تاخیچکدان تحت تاثیر نیروی فشاری به طور جداگانه دچار کمانش نشوند.برای این منظور این مقاطع باید در فواصل مشخص به یکدیگر متصل شوند تاطول آزاد آنها کاهش یابد. بسیاری از اوقات بادبندهای دوبل در طول خود به یکدیگر وصل نمی شوند و در نتیجه دومقطع بایکدیگر عمل نمیکنند و بار بحرانی عضو کمتر از مقداری است که مهندس سازه در محاسبات خود منظور نموده است. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان حداکثر فاصله بین جوش دومقطع در ستونهای ترکیبی را مقرر نموده است.اما در موارد زیادی مشاهده می شود که فاصله بین جوش ستونها بیشتراز این مقدار است.

2-    کیفیت پایین جوش به علت عدم آموزش کلاسیک کافی در این زمینه برای جوشکاران و مهندسان

یکی از مهمترین اشکالات موجوددر اجرای ساختمانهای فولادی در کشور کیفیت پایین جوشکاری ساختمان می باشد.عوامل مختلفی در این امر تاثیر می گذارند.استفاده ازجوشهای کارگاهی حتی در مورد جوشهای نفوذی و اجرای کل جوشکاری درکارگاه ساختمانی و استفاده از نیروی انسانی غیرمجرب از عولمل اصلی پایین آمدن کیفیت جوشکاری ساختمان می باشد.در نتیجه عوامل برشمرده شده مشکلات عدیده ای گریبانگیر اتصالات جوشی می باشد.

در بسیاری از  موارد سطح فلز در حال جوش آلوده به روغن یا مواد نامناسب دیگر است و یا اینکهروی فلززنگ زده یا رنگ خورده جوش داده می شود.گاه در فاصله بین پاسهای متوالی جوش حتی از جدا نموده گل جوش نیز خودداری می شود و یابدون برداشتنگل جوشکاری اقدام به زدن رنگ ضدزنگ می شود.از انواع جوشهایی که در کارهای ساختمانی بسیار از آن استفاده می شود جوش سربالا می باشد. به علت سختی اجرا در غالب موارد این نوع جوش از کیفیت پایینی برخوردار است. در بسیاری از موارد در اثر استفاده از تکنیکهای نامناسب جوشکاری نقایصی چون تابیدگی و پیچش در قطعات اتفاق می افتد.

عیوبی نظیر نفوذ ناقص  بریدگی کناره جوش  اختلاط سرباره  تخلخل و وجود ترک درفلز مادر  باعث کاهش ظرفیت باربری قطعات می شود. یکی از متداولترین اشکال مقاطع مورد استفاده در سازه های فولادی تیرهای لانه زنبوری می باشد.بسیاری از مجریان طرح این تیرها را در وضعیت نامطلوبی در کارگاه  ساختمانی مونتاژ می کنند. در بسیاری از موارد جوش میانی تیر از کیفیت پایینی برخورداراست و با توجه به اهمیت عملکرد مناسب این قسمت و تقویتهای لازم درمجل تکیه گاه تیر و وسط آن صورت نمی پذیرد. متاسفانه طراحی و اجرای پلکانهای فولادی در ساختمانها نیز از کیفیت پایینی برخوردار است و با توجه به اهمیت عملکرد مناسب این قسمت ساختمان پس از زلزله دقت لازم در ساخت آن مبذول  نمی شود .

3-    نبود  نظارت اصولی و دقیق بر اجرای جوشکاری در ساختمانهای شهری در کشور

 با توجه به اهمیتی که شهرداری برای مسایلی از قبیل پارکینگ و نورگیرها و مسایلی از این دست قایل است مشاهده می شود که بیشتر توجه مهندسان نیز به این امور معطوف می باشد و توجه چندانی به مسایل سازه ای نمی شود.البته باید به این نکته نیز اشاره  شود که به علت عدم وجود آموزش جوشکاری در واحدهای درسی دانشجویان عمران مهندسینی که از دانشگاه فارغ التحصیل می شوند در این زمینه دارای اطلاعات کافی نیستند و به عنوان مهندس ناظر نمی توانند مسوولیت خود را به نحواحسن انجام دهند.البته باید به این موارد مساله سختی کار را نیز افزود.به علت جوشکاری در ارتفاع غالب مهندسین از انجام بازدید از این جوشها طفره می روند. در نهایت امر اینکه آنطور که از ظواهر امر مشخص است شهرداریها نیز در این زمینه کوچکترین نقشی ایفا نمی کنند و هیچگونه نظارتی بر اجرای ساختمانها ندارند.

 4-    عدم طرح دقیق اتصال جوشی با توجه به عملکرد مورد نظرآنها

بسیاری از کارفرمایان عمل طراحی سازه و ایجاد تمهیدات مقابله با زلزله  را یک امر زاید می دانند و تلاش می کنند  تا کمترین هزینه ممکن را صرف این  کار نمایند.از طرف دیگر شهرداریها کمترین نظارتی بر طرح و اجرای سازه ها نداشته فقط به مسایل معماری دقت می کنند. این عوامل دست به دست هم می دهد تا فقط حق امضای مهندسین سازه اهمیت داشته باشد و طرح از حداقل اهمیت برخوردار باشد به خاطر همین موضوع  مهندسین سازه  اغلب کمترین وقت را صرف این عمل می نمایند و بالطبع دقت لازم را در طرح اتصالات جوشی نبذول نمی شود. بعضی اوقات از اتصالات طرح شده برای یک ساختمان در نقشه های دیگر ساختمانها استفاده می شود. در بسیاری از موارد جزییات اتصالات  موجود در نقشه ها نامفهوم بی دقت و ناقص است.

  از بررسی های انجام شده بر روی ساخت وساز ساختمانهای فلزی در سطح تهران مشخص است که هنوز مشکلات زیادی در طرح و اجرای این سازه ها وجود دارد. و عمده مشکلات و نقایص مربوط به اتصالات جوشی است.اجرای جوش کارگاهی و نبود آموزش کافی برای مهندسان عمران و عدم نظارت کافی بر حسن اجرای جوش و ... مشکلاتی است که این صنعت را رنج میدهد.و برای رفع این  موارد بهترین راه

1-     در صورت امکان استفاده  از جوش در کارخانه به جای جوش کارگاهی

2-     بالابردن سطح آگاهی عمومی جامعه درباره زلزله بر ساختمانها

3-     آموزش جوشکاری به جوشکاران و دادن گواهینامه به جوشکاران ماهر ساختمانی

4-     آموزش جوشکاری به عنوان  واحد درسی به مهندسین عمران و یا ایجاد شاخه جدیدی

تحت  عنوان  بازرسی جوش اسکلت برای مهندسیت ناظر

5-     تقویت سیستم نظارتی موجود و ایجاد سیستم های نظارتی ناظربر کار مهندسین عمران

می باشد.

بیشتر سازه ها در صنعت از قطعات مختلف ( ریختگی ، آهنگری شده ، نوردی و ... ) تشکیل شده اند که با روش های گوناگونی بر یکدیگر متصل می شوند . روش های متفاوت اتصال فلزات به یکدیگر را برحسب نوع فرآیند و یا بنیان علمی آنها به دسته های مختلفی طبقه بندی نموده اند : الف ) روش های مکانیکی (پیچ ، پرچ ، پین ، خار و... ) ب) روش های متالورژیکی ( جوشکاری ، لحیم کاری و غیره ) ج) روش های شیمیائی ( چسب های معدنی و آلی ) و یا رده بندی بر اساس نوع اتصال : الف : روش های اتصال موقت ( پیچ و مهره ، پین و خار و....) ب : روش های اتصال نیمه موقت ( پرچ ، احتمالا لحیم کاری نرم و بعضی چسب ها ) ج : روش های اتصال دائم ( فرآیند جوشکاری و......) جوشکاری و رده بندی فرآیندهای جوشکاری : جوش ایده آل را می توان به محل اتصالی اطلاق نمود که نتوان آن موضع را از قسمت های دیگر قطعات جوش داده شده تشخیص داد .با وجود دست نیافتن به اینچنین مشخصات ، می توان خواص محل اتصال را چنان بالا برد که در عمل کاملا رضایتبخش باشد .نکته حائز اهمیت از نظر کارشناسی تشخیص نوع فلزی است که جوشکاری بر روی آن انجام می گیرد . نوع اتصال و کاربرد قطعه نیز به منظور انتخاب روش جوشکاری ، مواد لازم و نکات جانبی دیگر نیز از اهمیت زیادی برخوردار هستند . زیرا هر نوع جوش نمی تواند در تمام شرایط خواص مورد نظر را تامین نماید . انرژی مهمترین عامل در روش های جوشکاری برای اتصال دو قطعه است که می تواند از منابع شعله ای ، قوس الکتریکی ، مقاومت الکتریکی ، تشعشعی و یا مکانیکی تامین شده و به کار برده شود . به جز مواردی نظیر جوشکاری حالت جامد ، محل جوش از طریق ذوب شدن موضعی قطعات مورد جوش و اغلب همراه با ماده اضافی ( سیم جوش ) ، بوجود می آید . نکته حائز اهمیت دیگر تمیزی و عدم آلودگی سطح موضعی جوش است که باید عاری از هر گونه مواد اکسیدی و ناخالصی های دیگر باشد . این آلودگی ها می توانند بقایای مواد آلی ، گازهای جذب شده و یا ترکیباتی نظیر اکسید فلز باشند ، که رسیدن به خواص خوب اتصال مستلزم تمیز کردن این نوع آلودگی ها است . این پدیده که معمولا در هر نوع فرآیند جوشکاری پیش بینی می شود از طرق واکنش های شیمیایی ( سرباره ) ، پراندن ( از طریق قوس الکتریکی با جریان دائم و الکترود مثبت ) یا مکانیکی ( سائیدن یا مالیدن ) انجام یافته و ناخالصی ها از محل جوش زدوده می شوند . پس از حذف آلودگی های محل جوش ، این موضع باید در هنگام جوشکاری نیز از اکسیژن و ازت هوا دور نگهداشته شود چون هر کدام از این دو گاز می توانند تولید اکسید و نیترید در مذاب کرده و خواص جوش را به خطر بیاندازد . دور نگه داشتن محل جوش از هوا می تواند با استفاده از مواد پوششی نظیر فلاکس یا گازهای خنثی نظیر آرگون و یا گازهایی که نسبت به مذاب بی اثر هستند ، انجام گیرد . همچنین می توان از طریق تماس نزدیک دو سطح یا لبه ها و کاهش نسبی هوای محبوس در آنها نیز این عمل را انجام داد و یا اینکه به طور کلی جوشکاری در خلا انجام پذیرد . در بعضی فرآیندها سرعت جوشکاری آنقدر سریع و حرارت محدود است که فرصتی برای انجام واکنش های اکسیدی وجود ندارد و ممکن است محافظت محل جوش از هوا ضرورتی نداشته باشد . در برخی موارد و روش ها از مواد اکسیژن زدا نیز استفاده می شود تا اکسیژن و مواد اکسیدی جذب شده توسط مذاب را نیز بتوان از آن خارج نمود . ترکیب شیمیائی محل جوش نیز برای رسیدن به جوش با خواص رضایتبخش از عوامل اصلی محسوب می شود که در بعضی مواقع مانند ریخته گری لازم است که مواد اکسیژن زدا یا آلیاژی به جوش اضافه شود ، چون برخی آلیاژها در یک حد معین از ترکیب شیمیائی قابلیت جوشکاری دارند . بحث در این زمینه یعنی رابطه شرایط جوشکاری ، ترکیب شیمیائی تعیین کننده در ساختار مکانیکی و خواص مکانیکی و همچنین حساسیت جوش و منطقه جوش ، ساختار میکروسکوپی و خواص مهندسی آن موضوع متالورژی جوشکاری است که در مباحث بعدی بررسی خواهد شد . به طور خلاصه هر روش جوشکاری با چهار عامل ضروری زیر روبرو است و معمولا رده بندی روش ها بر مبنای این چهار عامل انجام می گیرد : 1- انرژی لازم 2- حذف و زدودن آلودگی ها از سطح جوش 3- محافظت سطح جوش در هنگام جوشکاری 4- خواص متالورژیکی جوش و کنترل های لازم ساده ترین روش جوشکاری که می توان در نظر گرفت آنست که سطح قسمت های مورد جوش بسیار صاف و قابل تطبیق باشند به طوریکه بعد از قرار دادن این دو سطح در خلا الکترونها بین اتمهای مجاور دو سطح حالت اشتراکی داشته باشند . هر چند این نوع اتصال در فضا نیز قابل اجراست اما در عمل آماده کردن آنچنان سطح یا خلا برای اتصال امکان پذیر نیست .در عمل دو راه برای اتصال و رسیدن به تماس اتمی بین دو سطح وجود دارد :

 اول : از طریق فشار ، که دو سطح تحت فشار در حالت پلاستیکی تماس لازم را پیدا می کنند .این عمل گاهی هم با حرارت اولیه برای نرم کردن فلز همراه است . دوم : دو قطعه توسط پلی از فلز مذاب به همدیگر متصل شوند . این تفاوت پایه اولیه تقسیم بندی در روش های جوشکاری است که در دو گروه فرآیندهای جوشکاری حالت جامد (Solid State Welding ) و گروه فرآیندهای جوشکاری ذوبی یا حالت مایع تفکیک می شوند . لحیم کاری سخت ( Brazing) و لحیم کاری نرم ( Soldering ) در بعضی منابع جزو فرآیندهای جوشکاری محسوب نمی شوند . در لحیم کاری معمولا اتصال توسط پلی از مذاب فلز پرکننده با نقطه ذوب پائین تر از فلز اصلی ، برقرار می شود و بر اساس خاصیت موئینگی انجام می گیرد . جوش برنج ( Braze Welding ) یا زرجوش فرآیندی است در میانه فرآیندهای جوشکاری ذوبی و لحیم کاری . فرآیند اتصال از طریق نفوذ سطحی یا نفوذ زنجیره ای نوع خاصی از اتصال در حالت جامد است دو سطح در خلا حرارت داده و بهم دیگر فشرده می شوند . در این شرایط دیفوزیون ( نفوذ) در سطح مشترک به سهولت انجام می گیرد . گاهی هم برای تسریع در عمل نفوذ ، از لایه نازک فلز واسطه ای که آسانتر در دو سطح مورد جوش نفوذ کند ، استفاده می شود . همانطور که اشاره شد یکی از پایه های تقسیم بندی روش های جوشکاری نوع و نحوه انتقال انرژی به موضع مورد جوش می باشد .

حرارت لازم به وسیله یکی از طرق زیر تولید می شود : 1) مکانیکی ، که می تواند در اثر ضربه یا مالش تولید شده و یا با تغییر فرم پلاستیکی و الاستیکی آزاد شود . 2) شیمیائی – حرارتی ، واکنش های حرارت زا در شعله و یا قوس پلاسما ( در قوس پلاسما واکنش شیمیائی انجام نمی شود اما نحوه انتقال حرارت شبیه سوختن گاز می باشد و بدین علت گاهی شعله پلاسما هم نامیده می شود ) 3) مقاومت الکتریکی ، حرارت در این روش می تواند مستقیماﹰ از طریق عبور جریان الکتریکی به فلزی که باید جوش داده شود بوجود آید و یا توسط جریانی که به داخل قطعه القا می شود تولید گردد . 4) قوس الکتریکی ، عبور جریان یکنواخت یا متناوب می تواند قوس الکتریکی بین الکترود و کار بوجود آورد . الکترود ممکن است ذوب شونده و یا ذوب نشدنی باشد . 5) انرژی تشعشعی ، این نوع انرژی شامل لیزر یا اشعه الکترونی و یا روش های مدرن دیگر است . با در نظر گرفتن تولید حرارت و نحوه محافظت محل جوش از اتمسفر و سایر نکات گفته شده دیگر ، می توان هفت گروه زیر را در فرآیندهای جوشکاری مجزا نمود : 1) فرآیندهای جوشکاری حالت جامد نظیر : فرآیند جوشکاری اصطکاکی Friction Welding ، فرآیند جوشکاری پتکه ای Forge Welding ، فرآیند جوشکاری فشاری Pressure Welding . 2) فرآیندهای جوشکاری شیمیائی – حرارتی ، نظیر : فرآیند جوشکاری با شعله یا گازGas Welding و فرآیند جوشکاری ترمیت Thermit Welding . 3) فرآیندهای جوشکاری مقاومتی ، نظیر : فرآیند جوشکاری مقاومتی نقطه ای Spot Resistance Welding ، فرآیند جوشکاری مقاومتی نواری Seam Resistance Welding ، فرآیند جوشکاری جرقه ای Flash Welding . 4) فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی نپوشیده ، نظیر : فرآیند جوشکاری قوس الکترود دستی Manual Metal – Arc Welding (MMAW) ، فرآیند جوشکاری الکترود مداوم Automatic Metal – Arc Welding . 5) فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی پوششی زیر لایه سرباره ، نظیر : فرآیند جوشکاری قوس مخفی ( زیر پودری ) Submerged Welding . 6) فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی پوشیده شده با گاز ، نظیر : فرآیند جوشکاری قوس الکترود تنگستن TIG ، فرآیند جوشکاری قوس – الکترود فلزی محفوظ در گاز MIG یا جوش CO2 . 7) فرآیندهای جوشکاری با انرژی تشعشعی ، نظیر : فرآیند جوشکاری با پرتو لیزر Laser Welding و فرآیند جوشکاری با پرتو الکترونی Electron Beam Welding . به طور کلی عملیات جوشکاری شامل مراحل زیر است : الف ) نگهداشتن طول مناسب قوس الکتریکی یا شعله و متناسب رساندن الکترود یا مفتول برای ذوب و مخلوط شدن در جوش ب ) حرکت و هدایت نوک الکترود ، مفتول و یا مشعل در سرتاسر جوش ج ) انتقال و حاضر کردن قطعاتی که باید بر روی آن جوشکاری شود . متالورژی جوشکاری : جوشکاری تلفیقی از علم و تجربه می باشد که با تنوع روزافزون در مصارف آلیاژی ، مسائل و مشکلات ناشی از آن نیز پیچیده تر و بیشتر است . اطلاع از دلایل وقوع این مشکلات و عیوب و تدابیر برای رفع و یا کاهش دادن آنها نیاز به دانستن متالورژی فرآیندهای جوشکاری دارد . به طور کلی متالورژی شامل دو قسمت است : 1) فرآیندهای احیا و استخراج فلزات از سنگ معدن ، تصفیه و تهیه آلیاژهای مختلف از آنها ، ریخته گری و شکل دادن فلزات برای تولید قطعات مختلف صنعتی و غیر صنعتی . 2) متالورژی فیزیکی یعنی شناسایی ساختمان فلزات و آلیاژها و خواص آنها و ارتباط ترکیب شیمیایی ، نحوه تولید ، ساختمان میکروسکوپی و خواص آنها به یکدیگر می باشد . متالورژی جوشکاری ارتباط به هر دو قسمت متالورژی دارد ، به عنوان مثال در فرآیندهای جوشکاری ذوبی که فلاکس یا سرباره ( شامل ترکیبات آهک ، سیلیس ، فلراسپار ، آلومینا و غیره ) بر روی فلز جوش مذاب حضور دارد . واکنش ها و تعادل های سرباره و فلز مذاب شبیه فولادسازی است .فقط زمان واکنش کوتاه تر ، حجم مذاب و سرباره کم تر و درجه حرارت بالاتر می باشد . همچنین در اغلب پوشش الکترودها ترکیبات آلیاژی نظیر فرومنگنز و فروسیلیسیم وجود دارد که ضمن عملیات جوشکاری قسمتی وارد مذاب فلز جوش شده و آلیاژ مورد نظر را بوجود می آورد و قسمت دیگر صرف اکسیژن زدایی مذاب می گردد که تا حدودی به عملیات تصفیه و آلیاژسازی شباهت دارد . مثال دیگر نحوه انجماد و رشد کریستال های جامد و تغییر فازها ضمن سرد شدن در حوضچه جوش و منطقه مجاور آن می باشد که شباهت بزدیکی با آنچه در ریخته گری فولاد یا قطعات دیگر اتفاق می افتد دارد ، با این تفاوت که حجم مذاب کم و سرعت سرد شدن سریع تر بوده و انجماد از دیواره های قالب ( ماسه ، گچ و مواد دیگر ....) انجام نمی گیرد بلکه از روی کریستال های جامد فلز قطعه کار شروع می شود . تاثیر عناصر آلیاژی و نحوه سرد شدن یا عملیات حرارتی پس از انجماد بر روی ساختمان میکروسکوپی و خواص مکانیکی فلز جوش با آنچه که در متالورژی فیزیکی و مکانیکی بحث می شود تفاوت چندانی ندارد . واضح است در جوشکاری فلزات و آلیاژهای آنها علاوه بر انتخاب صحیح فرآیند جوشکاری و طرح مناسب ، باید شناخت کامل از مسائل متالورژیکی مربوط داشت تا بتوان الکترود و فلاکس مناسب را انتخاب کرده و شرایط عملیات جوشکاری ، سرد شدن و احتمالا عملیات حرارتی پس از جوشکاری را به طریقی پیش بینی نمود تا جوش حاصله پاسخگوی نیاز و کاربرد قطعه باشد . محافظت حوضچه جوش : بیشتر فلزات تمایل به ترکیب با اکسیژن و یا اکسیده شدن دارند که این تمایل با بالا رفتن درجه حرارت به ویژه در حالت مذاب افزایش می یابد . نرخ ایجاد اکسید در فلزات مختلف متفاوت است . در فرآیندهای جوشکاری مخصوصا روش های ذوبی منطقه فلز جوش مذاب باید از تماس با اتمسفر دور نگه داشته شود ، چون اکسیده شدن مذاب و تشکیل لایه های اکسید مشکلاتی را بوجود می آورد که مهمترین آنها عبارتند از : 1) اکسیدها ضعیف ، ترد و شکننده هستند و محبوس شدن ذرات اکسید در داخل فلز جوش باعث کاهش خواص مکانیکی از جمله استحکام کششی ، استحکام ضربه ای و خواص خوردگی می شود . 2) در بعضی موارد لایه اکسید می تواند مانع عملیات اتصال دو قطعه گردد ( اکسید آلومینیوم در جوشکاری آلومینیوم ) . اکسیده شدن منطقه مجاور مذاب بر روی قطعه کار نیز در بعضی موارد موجب پوسته پوسته شدن آن می گردد که اغلب نا خواسته می باشد . البته نباید تاثیر ازت را در تماس با مذاب نادیده انگاشت . ترکیب نیترید ( محصول واکنش ازت با مذاب فلز ) محبوس شده در فلز جوش اکثرا نیز باعث تردی و کاهش خواص مکانیکی می شود . از طرف دیگر نیتروژن حل شده در درجه حرارت های بالای نقطه ذوب ضمن سرد شدن و انجماد می تواند به صورت مولکولی تکامل یافته و اگر حباب های آن در مذاب محبوس شود ایجاد خلل و فرج یا تخلخل و مک Porosity در جوش می کند . تدابیر مختلفی در روش های جوشکاری پیش بینی شده است تا عمل محافظت نوک الکترود ، قطرات مذاب در حال انتقال از الکترود به حوضچه جوش و حوضچه جوش را از اتمسفر محافظت کند .سرباره یا فلاکس ( به صورت جداگانه یا پوشش یا هسته الکترود ) کنترل اتمسفر به کمک گازهای خنثی ، کم اثر و احیائی و مواد اکسیژن زدا و تکنیک های خاص دیگر . در این رابطه مسائل متالورژیکی زیادی پیش می آید که در این جا به دو مورد مهم آن اشاره می شود : 1) واکنش فلز – مذابGas – Metal reaction : در فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی با محافظت گاز نظیر TIG و MIG یا جوشکاری با شعله ( اکسی استیلن یا جوش کاربید ) فلز مذاب در نوک الکترود یا در حین انتقال و یا در حوضچه جوش در تماس با گاز و یا گازهایی است . حتی در جوشکاری های قوس الکتریکی با محافظت سرباره نیز نوک الکترود و قطرات مذاب در حین انتقال در تماس با فضای گازی در ستون قوس قرار دارد .جذب گاز از قوس یا شعله و یا واکنش ها و محصولات حاصل از آنها با فلز مذاب یا با گازهای دیگر نکته قابل توجهی می باشد . البته این موضوع در روش های قوس الکتریکی که درجه حرارت فلز و گاز بالا بوده و حلالیت گاز در مذاب زیاد می باشد اهمیت بیشتری پیدا کرده است . واکنش های گاز– فلز ممکن است به دو صورت فیزیکی – شیمیائی ( حرارت گیر ) و شیمیائی ( حرارت زا ) انجام شود . واکنش های حرارت زا خود می تواند به سه دسته تقسیم شوند : آنهایی که محصول واکنش دارای حلالیت خوب هستند ، آنهایی که حلالیت متوسط در مذاب دارند و آنهایی که محصول واکنش غیر محلول است . واکنش های فیزیکی حل شدنی ممانعتی برای ایجاد حوضچه جوش نمی کنند ، اما معمولا باعث تردی و کاهش خواص مکانیکی اتصال می شوند ، نظیر حل شدن هیدروژن در بعضی فلزات نظیر آلومینیوم ، آهن، روی ، نیکل ، مولیبدن و غیره . از طرف دیگر فوق اشباع شدن حوضچه جوش با گازهای خاص یا واکنش بین دو گاز سبب خلل و فرج پس از انجماد می شود . در واکنش های ترکیب شیمیائی یا حرارت زا آنهایی که محصول واکنش دارای حلالیت خوب یا متوسط هستند معمولا تولید سرباره یا پوسته های مختصری بر روی مذاب می نمایند و تاثیرات کم فیزیکی در طول جوشکاری دارند . اما آندسته که محصول واکنش غیر محلول هستند به صورت پوسته جامد بر روی مذاب جوش قرار می گیرند که می تواند مانع از انجام عملیات جوشکاری و اتصال شود . مثال این نوع واکنش اثر اکسیژن با آلومینیوم و تولید اکسید آلومینیوم با نقطه ذوب بالا است . در این موارد باید از طریق جلوگیری از نفوذ گاز به مذاب و یا حضور بعضی ترکیبات روانساز ( تبدیل اکسید به فرمولی با نقطه ذوب پایین تر ) این پوسته را حل کرد . در فرآیند TIG با تغییر قطب ( الکترود مثبت ) می توان این پوسته جامد را شکسته و به اطراف منحرف کرد . در بعضی حالت ها محبوس شدن ذرات محصول اکسیداسیون در فلز جوش (inclusion ) نیز سبب کاهش خواص مکانیکی به ویژه استحکام ضربه ای و خواص خوردگی می شوند . مکانیسم واکنش های گاز – فلز مذاب در جوشکاری شامل مراحل زیر است : الف ) جذب absorbtion ب) واکنش reaction ج ) تکامل evolution و هر مرحله تابع قوانین ترمودینامیکی خاص خود می باشد . 2) واکنش های سرباره – فلز مذاب Slag – metal reaction : شرایط این واکنش ها تا حدودی با آنچه در ذوب فلزات وجود دارد متفاوت است و این به علت درجه حرارت بالاتر و زمان واکنش کوتاهتر در فرآیندهای جوشکاری است . به همین علت تحقیقات پیشرفت زیادی در درک واکنش ها نشان نداده است و اغلب با ادامه دادن منحنی های ترمودینامیکی حاصل از واکنش ها در فولادسازی تا درجه حرارت های بالاتر و از طریق تئوریکی پیش بینی و تحلیل هایی انجام می شود . این نکته لازم به تذکر است که در طول جوشکاری سه مرحله برای واکنش سرباره و مذاب وجود دارد که بر روی ترکیب شیمیائی نهایی جوش تاثیر می گذارد : مرحله اول ) زمان توقف قطره مذاب بر روی نوک الکترود ، که در تماس با گاز ها و سرباره در درجه حرارت بالا می باشد . مرحله دوم ) پریود عبور قطرات از ستون قوس ، زمان آن کوتاه ولی درجه حرارت بالای 2000 درجه سانتیگراد می باشد . مرحله سوم ) مرحله تماس مذاب فلز جوش و سرباره در حوضچه جو ش تا لحظه انجماد ،که زمان آن نسبتا طولانی و سطح تماس بیشتر اما درجه حرارت پایین تر از دو مرحله قبل است . مراحل اول و دوم و به ویژه مرحله اول از نظر واکنش ها مهمترین می باشند ، اما آلودگی و ورود بعضی عناصر و اکسیدها به مذاب بیشتر در مرحله سوم انجام می گیرد . با توجه به نکات بالا ، حالت های مختلف انتقال فلز از الکترود به مذاب ( انتقال ثقلی ، پرواز آزاد و ایجاد پل یا مداربسته ) بر روی زمان تماس سرباره و مذاب تاثیر گذاشته و در نتیجه نوع واکنش شیمیایی سرباره و مذاب را می تواند تحت تاثیر قرار دهد . به عنوان مثال در شدت جریان بالا قطرات کوچک با فرکانس و سرعت زیاد از الکترود جدا شده و در قوسی که درجه حرارت بالایی دارد عبور می کند . اما در شدت جریان های کم قطرات درشت تر شده و در بعضی مواقع حتی احتمال تماس آنها با اتمسفر وجود دارد و عمل محافظت سرباره به طور ناقص انجام می گیرد و از طرف دیگر زمان واکنش زیاد می گردد . با فرض اینکه حالت تعادلی بین ترکیبات و عناصر در سرباره و مذاب وجود داشته باشد می توان بعضی روابط تعادلی مفید بین پتانسیل شیمیایی یا اکتیویته عناصر و ترکیبات متشکله آنها در سه فاز ( سرباره – گاز – فلز ) نوشت . بنابر روابط موجود در منابع ، اکسیدهایی نظیر MnO و SiO2 و FeO هستند که می توانند نقش مهمی در واکنش های سرباره مذاب داشته باشند . به بیان دیگر درصد SiO2 در سرباره می تواند بر روی درصد اکسیژن در مذاب جوش تاثیر مستقیم داشته باشد . همچنین درصد SiO2 و MnO در سرباره درصد عناصر Si و Mn در مذاب را می تواند تحت الشعاع قرار دهد . به عنوان مثال اگر در روش جوشکاری زیر پودری (SAW ) دو نمونه جوش در شرایط کاملا یکسان ( از نظر پارامترهای جوشکاری ، فلز و الکترود ) با دو نوع سرباره یا پودر ( فلاکس اسیدی با درصد بالای SiO2 و MnO و فلاکس دوم بازی با درصد بالای CaO و MgO ) انجام شود ، سپس آنالیز شیمیائی جوش مطالعه شود ، به طور واضح ملاحظه خواهد شد که درصد اکسیژن و Si و Mn در جوش با فلاکس اولی (اسیدی ) بیشتر از با سرباره بازی است . مشخص است که افزایش درصد اکسیژن در مذاب منجر به ازدیاد ذرات اکسیدی (آخال) (Inclusion ) در جوش شده و خواص مکانیکی را به ویژه استحکام ضربه ای کاهش می دهد . نکته دیگر در سرعت واکنش و نرخ بالا آمدن و جدایش ذرات اکسیدی و یا به طور کلی محصول واکنش های سرباره – فلز مذاب است ، چون سرعت جدایش و بالا آمدن ذرات به اندازه آنها ، جنس و شرایط مذاب بستگی داشته و در همه شرایط و برای انواع اکسیدها یا ترکیبات دیگر یکسان نیست . در این واکنش ها تغییرات درصد عناصر در بعضی موارد که در حد بحرانی آن عنصر باشد حائز اهمیت است و می تواند بر روی خواص مکانیکی جوش تاثیر شدید بگذارد . به عنوان مثال غالبا تغییرات مقدار درصد منگنز در فلز جوش از فولاد کم کربن تا 8/1– 5/1 درصد تاثیر چندانی بر روی استحکام ضربه ای ندارد اما بعد از این حد با افزایش درصد منگنز به طور سریع نرمی( Ductility ) و استحکام ضربه ای کاهش می یابد ، و کربن در فلز جوش نیز همین مشخصه را دارد

اکثر سازه ها در صنعت عظیم تر و پیچیده تر از آنند که به صورت یکپارچه ساخته شوند . بنابراین قطعاتی  که به طریقه ریخته گری ، آهنگری ، ماشین کاری و ... آماده شده اند را برهم سوار کرده و سپس بوسیله اتصالات بصورت واحد کامل در می آورند . 

روشهای اتصال به گونه های مختلف تقسیم بندی شده است . از جمله :

اتصالات مکانیکی (گیره ، مهره ، پیچ ، پرچ)

اتصالات متالورژیکی (جوشکاری ، لحیم کاری)

اتصالات شیمیایی (انواع چسبهای معدنی و آلی)

نوع دیگر گروه بندی به صورت :

اتصالات موقت (پیچ و مهره ، پین ، خار ، کشو وزبانه )

اتصالات نیمه موقت (میخ و پرچ)

اتصالات دائم (جوشکاری ، لحیم کاری ، چسب )

تکنولوژی جوشکاری یکی از روشهای متداول اتصال دائم قطعات فلزی و بعضاً غیرفلزی بوده که از زمانهای دور به صورت گسترده‌ای بکار گرفته می شود. این تکنولوژی در زمان حال در بسیاری از شاخه های صنعت از جمله صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، ماشین سازی، خودروسازی، مخازن تحت فشار، پل سازی، اسکله های دریایی، نیروگاههای تولید برق و صنایع نظامی بطور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می گیرد. تکنولوژی جوشکاری یک دانش کاربردی بوده و امروزه بواسطه گستردگی آن، حوزه های مختلفی از قبیل خواص مواد ، متالورژی، مقاومت مصالح ، الکتروتکنیک و الکترونیک را در بر می گیرد . لذا لازم است که مهندسین طراح و فعال در این شاخه ، در حوزه های فوق الذکر از اطلاعات کافی برخوردار باشند . امروزه تکنولوژی جوشکاری از یک روش ابتدائی به روشهای مدرن با اتوماسیون بالا تحول یافته و بالغ بر 100 روش مختلف را شامل می شود . 

اتصالات جوشی نظیر سایر انواع اتصالات دارای محاسن و محدودیت‌هایی است که تا حد امکان باید آنها را مورد توجه قرار داد . به طور کلی محاسن اتصال جوشی را می توان آب‌بندی کامل، استحکام استاتیکی بالا، انعطاف پذیری بالا، وزن اتصال پایین و زمان کوتاه تولید عنوان کرد. از طرف دیگر اتصال جوشی ممکن است دارای عیوبی از قبیل ناخالصی، ترک، تنش های پسماند و تغییر شکلهای جوشی باشد . هر یک از عیوب گفته شده باعث کاهش خواص مکانیکی اتصال جوشی شده و مشکلاتی را در ارتباط با استفاده از تکنولوژی جوشکاری ایجاد می کند و می تواند موجب عدم کارایی دلخواه اتصال جوشی را فراهم سازد . در عمل ایجاد جوش کاملا سالم (بدون هیچگونه عیب و نقص) تقریباً غیر ممکن وغیر اقتصادی است. 

 بنابرآنچه گفته شد لزوما یک اتصال جوشی صد در صد طبق آنچه طراحی شده است رفتار نخواهدکرد بطوری که عیوب و مشکلات ایجاد شده ، رفتار سازه راتحت تاثیر قرارخواهد داد. بنابر این ضرورت دارد بعد از ساخت یک سازه جوشی، یک سری اقدامات جهت اطمینان از رفتار سازه وکیفیت جوش ایجادشده انجام گیرد. 

از جمله مهمترین و محسوس ترین عیوب جوشکاری تغییر شکلهای جوشی می باشد . سازه های جوشی پس از پایان عملیات جوشکاری دچار اعوجاج یا تغییر شکل می شوند . چنین تغییر شکلهایی علاوه بر اینکه دقت ابعادی قطعات را از بین می برند در هنگام مونتاژ آنها نیز می توانند مشکلات عدیده ای ایجاد نماید .

جهت کاهش تغییر شکلهای مزبور روشهای مختلفی از جمله پیشگرم ، پسگرم ، استفاده از قید و بند ، ترتیب مناسب انجام جوشکاری و ... بکار می رود که روشهای مزبور بطور مفصل در بخش روشهای سنتی بررسی خواهد شد . اما آنچه که مسلم است روشهایی که امروزه در صنعت برای پیشگیری و یا اصلاح تغییر شکلهای جوشی بکار می روند بسیار هزینه بر بوده و علاوه بر این نیاز به سعی و خطا و تجربه بسیار بالا دارند  همچنین در بسیاری از سازه های بزرگ این روشها معمولا غیر قابل استفاده می باشند برای مثال واضح است که در جوشکاری یک مخزن با قطر و ارتفاع  10 متر ساخت قید و بندی که بتواند این مخزن را کاملا مقید کند غیر عملی خواهد بود و یا انجام عملیات پیشگرم یا پسگرم روی چنین سازه عظیمی هزینه و زمان ساخت را به میزان چشمگیری افزایش می دهد . لذا اگر بتوان به گونه ای میزان و نوع تغییر شکلهای پس از جوشکاری را قبل از آغاز عملیات پیش بینی کرد ، می توان با استفاده از یک طرح مناسب برای ترتیب جوشکاری و نیز اصلاح پارامترهای جوشی به متعادل شدن توزیع حرارت و در نتیجه کاهش تغییرشکلهای جوشی کمک فراوانی کرد .

البته استفاده از فرمولهای ریاضی جهت پیش بینی نوع و اندازه تغییرشکلهای جوشی ، بدلیل پارامترهای بسیار زیادی که در فرآیند جوشکاری تاثیر گذار هستند ، در حال حاضر تقریبا غیر ممکن است . اما خوشبختانه روش المان محدود امکان این پیش بینی را با دقت بسیار بالا دراختیار مهندسین قرار داده است و همزمان با پیشرفت کامپیوترها کاربرد شبیه سازی جوش توسط نرم افزارهای المان محدود با سرعت بالایی در حال گسترش در صنایع مختلف بویژه صنایع نفت و گاز ، هواپیماسازی و کشتی سازی می باشد . 

ما نیز برآنیم تا با شبیه سازی فرآیند جوشکاری در کامپیوتر ، امکان پیش بینی تغییرشکلهای جوشی را فراهم کنیم . لازم به یادآوریست که اگر چنین کاری انجام شود به راحتی می توان پارامترهای جوشکاری را به دفعات نامحدود تغییر داد تا حداقل تغییرشکلهای جوشی حاصل شود حال آنکه انجام چنین سعی و خطایی در صنعت بسیار هزینه بر و کاملا غیر اقتصادی می باشد .

قوس الکتریکی

  اغلب سازه ها در صنعت از قطعات مختلف ( ریختگی ،آهنگری شده ، نوردی ، و ....)

 تشکیل شده اند که با روش های گوناگون به یکدیگر متصل  می شوند. 

روشهای متفاوت اتصال قطعات به یکدیگر را بر حسب نوع فرآیند و یا بنیان علمی آنها

 به دسته های مختلفی به شرح زیر طبقه بندی نموده اند :

الف : روش های مکانیکی ( پیچ ، پرچ ،پین ،کشو ، خار و ...)

 ب: روش های مکانیکی متالوژیکی (جوشکاری ،لحیم کاری و ....)

ج : روش های شیمیایی ( چسب های معدنی وآلی )

د : و یا رده بندی بر اساس نو ع اتصال 

روش های اتصال موقت (پیچ و مهره ،پین ، خار و ....)

 روش های اتصال نیمه موقت (پرچ ، احتمالا لحیم کاری نرم و بعضی چسب ها 

 رو شهای اتصال دائم ( فر آیندهای جوشکاری و لحیم کاری سخت و اغلب چسب ها )

جوشکاری عبارت است از اتصال دو قطعه فلزی یا غیر فلزی به یکدیگر در اثر عوامل خارجی مثل حرارت و فشار که امروزه به صورت یک علم پیشرفته و موثر در خدمت صنایع در آمده در روزگار پیشین یک هنر به حساب  می آمد تاریخ نویسان نخستین روش های اتصال را در شرق به چینی ها و در غرب به رومی ها باستان نسبت می دهند . چینی ها در سه هزار سال پیش از میلاد دانش اتصال برخی فلزات  وغیر فلزات را آموخته بودند و رومی ها از لحیم های بهره می بردند که امروزه با اندک تغییری در صنایع جدید به کار می رود.

مصریان ، فنیقی ها ، ایرانیان و پیشیان قوم آزنتک در مرکز به اصول و موازین اتصالات و به خصوص جوشکاری پی برده اندبا این حال شروع جوشکاری به صورت یک فن آوری از سال 1800 میلادی رقم خود و سال 1885 دو نفر انگلیسی به نامهای بناردز (benarodos) و اولزوسکی (olszewski) جوشکاری قوس الکتریکی را اختراع کردند.

در سال 1890 میلادی برای اولین بار از میله فولادی به عنوان پر کننده استفاده شد و در سال 1900 میلادی جوشکاری بااکسیزن و استیلین به وسیله مشعل انجام گرفت . در همین سال بود که جوشکاری فشاری برای اولین بار به صورت اصطکاکی انجام شده در سال1940 میلادی یک سو ئدی بنام اسکار شلبرگ (Oscar kjellberg) الکترود روکش دار را اختراع کرد که چون پایه گذار شرکت ESAB سوئد بود الکترودهای روکش دار اولیه را به این کمپانی نسبت داده اند.

امروزه نیز آن را با علامت اختصاری ok که مخفف نام مخترع آن است می شناسند.

با شروع فعالیت ها برای آغاز جنگ جها نی دوم ( 30-1920 ) وبا آغاز تلاشهایی برای ساخت ،تعمیر و تکمیل ، تانکها ، کشتی ها ، هواپیما ها،آتشبارها ،جوشکاری نیز _ اهمیت خود را بازیافت و در این راستا  کشورهای پیشرو که خود را در شعله های فروزان جنگ در گیر می د یدند با افزایش تو لیدات نظامی خود توجه خویش را به طراحی و ابداع روشهای ارزان سریع و مطمئن جوشکاری معطوف داشتند و در طی همین سالها بود که بسیاری از روشهای ما شینی و جدید جوشکاری طراحی و آ زمایش شد در سال 1930 روش استفاده از گازهای محافظ در اروپا و امریکا رایج ودر اواسط همین سال برای اولین بار تکنیک جوشکاری زیر پودری اختراع شد . در همان سالها استفاده از گازهای خنثی ما نند هلیو م و آرگون در امریکا و گاز  فعالco2  در اروپا مرسوم  گردید . و به این ترتیب در دهه 30 روشهای MIG/MAGدر اروپا و امریکا شیو ع پیدا کرد.

با فروکش کردن آتش جنگ ، فعالیت کارخا نجات و سرعت چرخش چرخ صنایع در شرق و غرب زیاد شد و با آغاز دوران سازندگی مطا لعه و تحقیق و علمی کردن جوشکاری در کشور های مختلف دنیا آغاز شد.

در اروپا و آلمان ،جوشکاری استا ندارد سازی شده و در صنایعی چون فولاد خودرو و ماشین آلات ارزش های خود را به نمایش گذارد.

در ا نگلستان صنایع نفت و کشتی سازی جوشکاری به شکل علمی و مدرن به کار گرفته شد ودر ا ندک زما نی رشد به سزایی نمود.

در سال 1960 میلا دی امریکا و شوروی نیز در مجموعه صنایع و به خصوص در صنایع خاص فضایی ، هواپیمایی و غیره اطلاعات  علمی و فنی جامعی در – باره جوشکاری بدست  آوردند و کاربرد جوشکاری در کلیه صنایع غیر قابل انکار شد ودر همین سالها بود که استفاده  از تشعشع الکترونی و لیزری مرسوم گردید.

امروزه بیشترین  کشورهای دنیا مطالعات  وسیعی درباره جوشکاری انجام مید هند و آن را به عنوان یکی از علوم ما در و پایه در دروس مدارس و موسسات و دانشگا ههای خود به شکل یک رشته تحصیلی مستقل در آورده اند.

در کشور ما نیز چند سالی است  که امکان تحصیل و تحقیق در رشته جوشکاری در چند دانشگاه ودر مفاطع عالی فراهم شده  که به همت اساتید  پیشکسوتان و علاقه مندان به این رشته  انجمن ها و مراکز آموزشی  و یزه ای نیز ایجاد گردید ه است.

حال با نگاهی دلسوزانه  و دقیق به امکانات و سطح دانش جوشکاری موجود در کشور ((در مقایسه با کشور های در حال توسعه صنعتی )) و با توجه پتانسیل فراوان کار و نیاز پروزه ها ی عظیم سازندگی و با سازی در صنایع نفت ، پالایش و پتروشیمی نیروگاهی خودرو ، هواپیما  ، تسحیلات و غیره نیاز مبرم به آ فزایش فضا و امکانات  فنی و ارتقا ء سطح کیفی و دانش جوشکاری  به گونه ای اجتناب ناپذیر مشخص  میگردد.

تقسیم بندی فرآیندهای جوشکاری :

با در نظر گرفتن تولید و نحوه حرارت و نحوه محافظت محل جوش  اتمسفر و سایر مواد می توان هفت گروه زیر را در فر آیند های جوشکاری مجزا نمود.

1-  فرآیند های جوشکاری حالت جامد نظیرفرآیند جوشکاری اصطکاکی

Friction welding 

فرآیند جوشکاری آهنگری forge welding      

فرآیند جوشکاری فشاری Pressure welding 

2- فرآیند جوشکاری شیمیایی – حرارتی : نظیر فر آیند جوشکاری با شعله یا گاز  

gas welding   و فر آیند جوشکاری ترمیت Thermit welding 

3- فر آیند های جوشکاری مقاومتی نظیر فر آیند جوشکاری نقطه ای  

  Spot Distance welding فرآیند جوشکاری نواری Seam resistance و

 فرآیند جوشکاری جر قه ای flush welding 

4- فرآیند های جوشکاری قوس الکتریکی نپوشیده نظیر فر آیند جوشکاری قوس الکترود دستی  Manual metal – arc welding  و فرآیند جوشکاری الکترود مداوم  Automatic metal – arc welding  

5- فر آیند جوشکاری قوس الکتریکی پوششی زیر لایه سرباره نظیر جوشکاری زیر پودری  Submerged – arc welding  

6- فر آیند های جوشکاری قوس الکتریکی پوشیده شده با گاز نظیر فر آیند جوشکاری قوس الکترود تنگستن TIG (Tungsten –inert gas arc welding ) فر آیند جوشکاری قوس 

الکترود فلزی محفوظ در گاز Metal inert gas – arc welding (MIG) و فر آند جوشکاری Co2 

7- فر آیند های جوشکاری با انرزی تشعشعی نظیر فر آیند جوشکاری با اشعه لیزر (LBW)  Laser Beam Welding و فر آیند جوشکاری با اشعه الکترونی (EBW) Electron Beam Welding  

انواع قوس الکتریکی در جوشکاری :

از نظر جوشکاری در نوع قوس الکتریکی بر حسب ذوب الکترود و یا عدم ذوب آن وجود دارد . گر الکترود از جنس کربن یا تنگستن باشد هنگام ایجاد قوس الکتریکی الکترود ذوب نشده و قوس یا الکترود را غیر مصرفی Non consumable می نامند . اما اگر الکترود از جنس فلز با نقطه ذوب پائین تر باشد همزمان با ایجاد قوس الکتریکی انتهای الکترود ذوب شده و قطرات فلز مذاب می تواند از الکترود جدا شده و در فاصله قوس الکتریکی به طرف حوضچه جوش با سرعت زیاد پلاسماجت منتقل شود در این حالت آنرا مصرفی consumable یا قوس الکتریکی فلزی Metal – arc  می نامند . چون  در روش قوس یا الکترود مصرفی قسمتی از جوش نتیجه ذوب الکترود است . معمولا ترکیب شیمیایی الکترود باید شبیه فلز مورد جوش باشد . در الکترود مصرفی مقداری حرارت مقاومتی در اثر عبور جریان برق در الکترود تولید می شود که در این حرارت باعث بالا رفتن نرخ ذوب الکترود شده و به حوضچه جوش بر می گردد . به همین دلیل مقدار بیشتری از حرارت تولید شده در قوس یا الکترود مصرفی به حوضچه جوش منتقل می شود و راندمان حرارتی در الکترود های غیر مصرفی (60-50 در صد ) کمتر از الکترود های مصرفی (90-75 در صد) است . بالال بودن راندمان حرارتی موجب باریک تر شدن منطقه متاثر از جوش شده واز نظر سرعت جوشکاری و اقتصادی نیز مقرون به صرفه می باشد.

شروع یا روشن کردن قوس الکتریکی  ARC initiation :

فقط با بکار بردن پتا نسیل لازم در الکترود سرد قوس الکتریکی بوجود نمی آید . قوس هنگامی می تواند ایجاد شود که یک کانال یونیزه شده یا هادی الکترود موجود باشد . این کانال می تواند به دو طریق عمده زیر آماده شود . 

الف) بکار بردن ولتاز خیلی بالا بین الکترودها که سبب دشارز یا خالی شدن بار الکتریکی شود .

ب) بوسیله لمس کردن و عقب بردن الکترود بر روی کار 

ولتاژ در حدود 10 به توان 4 ولت نیاز است تا در فاصله بین الکترودها و کار جرقه ایجاد شود . به محض ایجاد قوس ولتاژ کاهش یافته و جریان افزایش می یابد . این عمل در حدود چند ثانیه انجام می گیرد . البته برای نگهداشتن قوس نیاز به ولتاژ لازم می باشد . حالت پایداری که بین شدت جریان و ولتاژ پس از چند ثانیه بوجود می آید به علت گرم شدن الکترود و یا ایجاد حوضچه و یک تعادل حرارتی می باشد . در عمل استفاده ولتاژ بسیار بالا خطر ناک بوده و معمولا از دشارژ با فرکانس بالا استفاده به عمل می آید . همانطور که اشاره شد روش دیگر که بیشتر متداول است لمس کردن یا مالیدن الکترود به قطعه کار و عقب بردن آن است با این عمل نوک الکترود گرم و سپس ذوب موضعی میشود با عقب کشیدن الکترود قطره مذاب در نوک آن بین الکترود و قطعه کار پلی درست می کند که همزمان با باریک شدن آن این پل شکسته شده و بدین ترتیب بخار فلز می تواند کانالی برای ایجاد قوس موقت بوجود آورد . اگر نیروی مدار متناسب باشد این قوس پایدار خواهد ماند . روش های دیگری نضیر قرار دادن گلوله ای از پشم فولادی یا اتصال یک سیم نازک با طول و قطر مشخص به نوک الکترود را نیز می توان برای شروع قوس الکتریکی استفاده کرد.

نگهداشتن قوس الکتریکی     ARC Maint