انواع جوشکاری و اتصالات آن در سازه‌های فولادی

۲۴ خرداد ۱۳۹۶ اشتراک گذاری
انواع جوشکاری و اتصالات آن در سازه‌های فولادی

سازه‌ها از اعضای مختلفی تشکیل شده‌اند که با روش‌های گوناگونی به یکدیگر متصل می‌شوند. روش‌های اتصال اعضای یک سازه برحسب نوع فرآیند و یا فن اتصال را می‌توان به روش‌های مکانیکی از قبیل پیچ، پرچ و میخ وروش‌های شیمیایی نظیر چسب‌های معدنی وآلی و روش‌های متالورژیکی مانند جوشکاری و لحیم‌کاری طبقه‌بندی نمود.

نویسنده: فرانک هاشمی (کارشناس عمران، مدیر دفتر فنی و کنترل پروژه شرکت توس آزمون)

تعریف فرآیند جوشکاری

جوشکاری، اتصال دو یا چند قطعه‌ی فلزی توسط اعمال فشار، گرما و یا هردو، بدون استفاده از افزودن فلز پرکننده و یا به همراه آن است که در نهایت منجربه منطقه‌ای یکنواخت در مرز دو قطعه در اثر ذوب یا تبلور مجدد می‌شود.

اتصال جوشی خوب و ایده‌‌آل به اتصالی اطلاق می‌شود که در آن، خواص مکانیکی مصالح اولیه تحت تاثیر حرارت و ذوب شدن تغییری حاصل نشود.

جوش مذاب شامل جوش گازی و جوش قوس الکتریکی، از متداول‌ترین روش‌های جوشکاری در سازه‌های فولادی است. حرارت در جوش گازی توسط گاز و در جوش قوس الکتریکی توسط عبور جریان مستقیم و متناوب ایجاد می‌شود.

جوش گازی

در این روش ازترکیب گازهای اکسیژن و استیلن

با نسبت مساوی و از سیم جوش به عنوان ماده‌ی جوش استفاده می‌شود.گازها تحت فشار وارد مشعل جوش شده و باهم مخلوط می‌شوند و نازل جوش با دمای 3000 درجه‌ی سانتی‌گراد شعله‌ور شده و عملیات جوشکاری انجام می‌شود این روش به جوش کاربید نیز معروف است و در کارگاه‌های ساختمانی کوچک برای تعمیرات جزیی و اتصالات ورق‌ها با ضخامت پایین کاربرد دارد. 

جوشکاری توسط قوس الکتریکی

تخلیه‌ی بار الکتریکی بین دو الکترود در میان گاز یونیزه شده را قوس الکتریکی گویند، این روش منبع حرارتی مناسبی برای جوشکاری است و می‌توان آن را با شدت حرارت زیاد تولید کرد. اجرای این عملیات جوشکاری می‌تواند به روش‌های دستی،نیمه اتوماتیک و اتوماتیک انجام شود.

انواع فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی

جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روکشدار(SMAW)

جوشکاری قوس الکتریکی تحت گاز محافظ(GMAW)

جوشکاری قوس الکتریکی زیرپودری(SAW)

جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود توپودری(FCAW)

جوشکاری گاز الکتریکی (EGW)

جوشکاری سرباره الکتریکی(ESW)

سه روش اول متداول‌‌تر می‌باشد.

(SMAW) Shielded Metal Arc Welding

جوش قوس الکتریکی با الکترود روکشدار به نام جوشکاری با الکترود دستی نیز معروف است. در این روش جوشکاری با ذوب فلز پایه، فلز الکترود و روکش آن همراه است وفلز الکترود به عنوان یک ماده‌ی پرکننده عمل می‌کند در موقع برقراری قوس الکتریکی و ذوب شدن فلز مبنا و الکترود، قسمتی از پوشش الکترود به گاز محافظ و بخشی به گل یا سرباره‌ تبدبل می‌شود. این روش برای ورق‌ها با ضخامت پایین و کارگاه‌های ساختمانی کوچک کاربرد 

دارد.

مزایا

دارای تجهیزات ساده، ارزان و قابل حمل

حساسیت کمتر در مقابل وزش باد

در نواحی با دسترسی کم، پرکاربرد است

معایب:

نرخ رسوب نسبت به سایر روش‌های جوشکاری کمتر است

پیوستگی جوشکاری به علت تعویض الکترود مقدور نیست

سرعت جوشکاری پایین

عوامل موثر در کیفیت جوشکاری SMAW:

شدت جریان: شدت جریان جوشکاری متناسب با قطر الکترود مصرفی و وضعیت جوشکاری تنظیم می‌شود هر چه قطر الکترود بیشتر باشد، شدت جریان مصرفی بیشتر است.

طول قوس: به فاصله‌ی بین سر الکترود تا سطح قطعه‌ی مورد جوشکاری، طول قوس گفته می‌شود که با ولتاژ دو سر قوس رابطه‌ی مستقیم دارد.

سرعت پیشروی: این پارامتر با ضخامت فلز تحت جوشکاری، مقدار جریان، اندازه، شکل یا گرده‌ تغییر خواهد کرد.

زاویه‌ی الکترود: در جوشکاری اتصال لب به لب زاویه‌ی کار می‌بایست90 درجه و در اتصالات گوشه با 45 درجه مناسب‌ترین زاویه‌ی کار است.

Gas Metal Arc Welding (GMAW)

در روش جوش قوس الکتریکی با گاز محافظ از الکترود بدون پوشش(لخت) به صورت ممتد و گازی که به عنوان ماده‌ی محافظ از ورود هوا به حوضچه‌ی جوش جلوگیری می‌کند، استفاده می‌شود. الکترود سیمی از میان یک قرقره عبور کرده و هدایت آن همراه با گاز محافظ توسط یک تپانچه‌ی جوش انجام می‌گیرد. گاز به صورت غیر فعال در این روش با ایجاد سپری، حفاظت حوضچه‌ی جوش را انجام می‌دهد، گاز دی اکسیدکربن    که غیر فعال می‌باشد متداول‌ترین گاز مصرفی است. در کارگاه‌های ساختمانی و کارخانه‌های صنعتی و ساخت سازه‌های بزرگ کاربرد دارد.

مزایا

جوشکاری به صورت نیمه اتوماتیک و اتوماتیک

مناسب برای جوشکاری ورق‌های نازک

عدم وجود گل جوش سرباره و عیب حبس سرباره

جوشکاری به صورت ممتد است و کیفیت و بازدهی بیشتر می‌باشد

جوشکاری در وضعیت‌های افقی، تخت، عمودی و سقفی

معایب

در محیط‌های بسته صورت می‌گیرد

امکان جوشکاری در فواصل دور از دستگاه جوش وجود ندارد

هزینه‌ی بالای تجهیزات

عدم جوشکاری ورق‌های خیلی ضخیم

Submerged Arc Welding (SAW)

در روش جوش قوس الکتریکی زیر پودری از الکترود بدون روکش و پودر به عنوان ماده‌ی محافظ استفاده می‌شود. این روش ماشینی بوده و ماده‌ی حفاظت کننده به صورت یک نوار پودری روی درز جوش ریخته می‌شود و قوس الکتریکی توسط الکترود لخت در زیر این پودر واقع می‌شود و در حین جوشکاری دیده نمی‌شود. فلز الکترود با جریان برق و ایجاد قوس الکتریکی ذوب شده و عمل جوش انجام می‌شود.

در این روش پودر موجب پایداری و تثبیت قوس الکتریکی شده و حوضچه‌ی جوش را در مقابل هوا و سرد شدن سریع محافظت می‌کند، در واقع پودر نقش روکش الکترود را در این روش دارد و از پراکندگی، جرقه زدن و ایجاد دود جلوگیری می‌کند. در کارخانه‌های صنعتی و ساخت سازه‌های عظیم برای ورق‌های با ضخامت بالا کاربرد دارد.

مزایا

نفوذ جوش نسبت به سایر روش‌ها بیشتر است.

جوش از کیفیت یکنواخت و بالاتری برخوردار است

جوشکاری به صورت ممتد

جوشکاری به صورت اتوماتیک

ظاهر جوش یهتر

دود جوشکاری کم

اشعه‌ی قوس رویت نمی‌شود

پاشش وجود ندارد

معایب

برای ورق‌های نازک مناسب نیست

هزینه‌ی بالای تجهیزات

محل درز اتصال در حین جوشکاری قابل کنترل نیست.

جوشکاری جوش شیاری فقط در وضعیت تخت و جوش گوشه در وضعیت‌های تخت و افقی قابل انجام است.

Flux Core Arc Welding (FCAW)

در روش جوش قوس الکتریکی با الکترود توپودری به جای الکترود روکش‌دار از الکترود ممتد فلزی لوله‌ای شکل که مواد حفاظتی را در داخل خود جای می‌دهد، استفاده می‌شود. مواد حفاظتی همان نقش روکش در روش جوشکاریSMAW و یا پودر  در روشSAW را دارد.

Electro Gas Welding(EGW)

در جوشکاری با گاز الکتریکی می‌توان درزهای با وضعیت قائم در ورق‌های ضخیم را با یک عبور جوش پر کرد. این جوشکاری به صورت اتوماتیک است و در آن هم از الکترود ممتد سخت و هم از الکترود توپودری استفاده می‌شود. با دمیدن گاز و یا استفاده از الکترود پودری، جوش محافظت می‌شود. در این روش شیار جوش از دو طرف با دو کفشک که به وسیله‌ی جریان آب خنک نگه‌داری می‌شوند، محاط شده است.

Electro Slag Welding(ESW)

جوشکاری سرباره‌ی الکتریکی توسط حرارت حاصل از مقاومت سرباره‌ی جوش در مقابل جریان الکتریکی انجام می‌گیرد. سرباره‌ی مذاب علاوه بر حفاظت جوش موجب ذوب مفتول و لبه‌های ‌ورق می‌شود. برای شروع جوشکاری به حرارت قوس الکتریکی برای ذوب سرباره نیاز است، با این حال این روش به علت ایجاد حرارت اصلی از طریق مقاومت سرباره در برابر جریان الکتریکی، جزء روش قوس الکتریکی نمی‌باشند.

طرح اتصالJoint Deasign

عوامل تاثیرگذار بر طرح اتصال شامل؛ هزینه‌ی آماده‌سازی لبه‌ی مورد اتصال، امکان دسترسی به درز جوش، قابلیت پذیرش برای قطعه‌ی طرح شده و نوع نیروهای اعمال شده بر جوش و فرآیند جوشکاری می‌باشد.

انواع متداول اتصالات جوشی از نظر وضعیت قرارگیری قطعات به صورت زیر است:

اتصال لب به لب Butt Joint

برای اتصال ورق‌های مسطح با ضخامت‌های تقریبا یکسان از این اتصال استفاده می‌شود. تحت نیروهای استاتیکی کششی قوی بوده ولی هنگام کشش در اثر خمیده شدن و تمرکز تنش در ریشه‌ی جوش مناسب نیست. انواع لبه‌سازی‌های این اتصال شامل:

اتصال سربه‌سر گونیایی، اتصال سربه‌سر جناقی یک‌طرفه، اتصال سربه‌سر جناقی دو‌طرفه، اتصال سربه‌سر لاله‌ای یک‌طرفه، اتصال سربه‌سر لاله‌ای دوطرفه


اتصال روی‌هم Lap Joint

ساده‌ترین نوع اتصال است و نیازی به لبه‌سازی خاصی نداشته و اغلب با یک برش عادی توسط شعله می‌توان لبه‌ها را آماده‌ی جوشکاری کرد، هم‌چنین امکان اتصال ورق‌ها با ضخامت‌های متفاوت را فراهم می‌کند.در اتصال نبشی و ناودانی به ورق‌های اتصال پر کاربرد است.


اتصال سپری Tee Joint

برای ساخت مقطع I و T در تیرورق‌ها، اتصال سخت‌کننده‌ها، نشیمن‌گاه تیرهای فولادی اتصال اعضا به یکدیگر با زاویه انجام می‌شود، از اتصال سپری استفاده می‌شود.

اتصال گونیا(گوشه) Corner Joint

برای ساخت مقاطع قوطی شکل که دارای صلبیت و مقاومت مناسب در برابر لنگر پیچشی موجود در تیرها و ستون‌ها هستند استفاده از اتصال گونیا یا گوشه لازم است.

اتصال پیشانی Edge Joint

از این اتصال در موارد خاص برای نگه‌داری دو یا چند ورق در یک سطح استفاده می‌شود، معمولا این نوع اتصال نقش سازه‌ای ندارد.

انواع جوش Type of  Weld

جوش گوشه و شیاری (با نفوذ کامل و ناقص) از متداول‌ترین انواع جوش می‌باشد و جوش‌های کام و انگشتانه در سازه‌های فولادی کاربرد کمتری دارد. بر اساس عملکردی که از جوش انتظار می‌رود و نیز نیروهایی که باید متحمل شود نوع آن انتخاب می‌شود.بیش از 80 درصد اتصالات جوشی توسط جوش گوشه و حدود 15 درصد اتصالات، جوش شیاری و فقط 5 درصد به سایر جوش‌ها اختصاص دارد.

جوش گوشه        Fillet Weld 

در بسیاری از اتصالات روی‌هم و سپری از این جوش استفاده می‌شود، این روش از نظر اجرایی آسان و مقرون‌به صرفه بوده ونیازی به لبه‌سازی ورق‌های مصرفی ندارد.

جوش شیاری Groove Weld   

برای انتقال کامل نیروی اعضای متصل به هم از جوش شیاری با نفوذ کامل(Complete joint penetration groove weld - CJP) استفاده می‌شود(مانند اتصال بال تیرورق به بال ستون برای انتقال کامل نیروی فشاری و کششی). در صورتی‌که نیاز به انتقال کل نیرو به اعضا نباشد از جوش شیاری با نفوذ  ناقص(نسبی) (Partial joint penetration groove weld - PJP) استفاده می‌شود. در این روش با توجه به ضخامت ورق‌های مصرفی نیاز به پخ‌زنی و لبه‌سازی‌های متفاوت می‌باشد. برای اتصالات لب‌به‌لب، گوشه(گونیا) و سپری معمولا از جوش شیاری استفاده می‌شود.

جوش کام(Slot Weld) و جوش انگشتانه (Plug Weld

این جوش‌ها برای انتقال نیروی برشی و جلوگیری از لغزش ورق‌ها کاربرد دارد و هم‌چنین برای تقویت ورق و افزایش مقاوت ان در مقابل کمانش موضعی بسیار کارآمد است.در صورتی‌که جوشکاری جوش گوشه محدودیت اجرایی داشته باشد، استفاده از جوش کام یا انگشتانه راهکار مناسبی است. در اجرای این جوش‌ها باید توجه داشت که انتهای جوش باید به صورت نیم دایره یا قوسی با حداقل شعاع برابر با ضخامت جوش باشد. 

انواع وضعیت جوشکاری

نحوه‌ی قرار گرفتن موضع جوش نسبت به جوشکار به صورت زیر می‌باشد:

  • تخت(F)   Flat Position  : آسان‌ترین و ساده‌ترین وضعیت جوشکاری است.
  • قائم Vertical Position (V)  : نیاز به مهارت بالا و جوشکار مجرب دارد.
  • افقی(H)  Horizental Position : نیاز به مهارت کافی دارد.
  • سقفی یا سربالا (OH) Position  Overhead : بسیار مشکل و سخت می‌باشد و نیاز به مهارت بسیار بالایی دارد، این وضعیت کاربری بسیار محدودی دارد.

دستگاه و تجهیزات جوشکاری

ترانسفورماتور

این دستگاه از برق شهر تغذیه کرده و خروجی آن جریان متناوب با همان فرکانس برق شهر است. وظیفه‌ی اصلی دستگاه تغییر اختلاف سطح ولتاژ و شدت جریان(آمپراژ) است. به همین جهت هنگام شروع به کار ولتاژ را کاهش داده و شدت جریان را افزایش می‌دهد. از مزایای این دستگاه، قیمت پایین، کاهش مصرف انرژی، بازده‌ی زیاد و کاهش نیاز به مراقبت و نگه‌داری خاص است.

رکتیفایر (یکسوکننده)

دستگاهی است برای تبدیل جریان متناوب به مستقیم، دستگاه‌های یکسوکننده دارای طرح‌های متعدد برای مقاصد مخلتف است. این دستگاه قادر به تولید جریان با قطبیت مستقیم یا معکوس بوده و نیز قابل استفاده در روش‌های جوشکاری با الکترود روکشدار، جوشکاری تحت گاز محافظ و جوشکاری زیرپودری است.

دینام

برای از بین بردن فرکانس یا تناوب برق و ایجاد یک جریان مستقیم می‌توان از دینام استفاده کرد.

ویژگی‌های این دستگاه:

  • دارای قوس نفوذی قوی
  • دارای دوام و عمر طولانی
  • برای انواع فلزات قابل جوشکاری با قوس الکتریکی کاربرد دارد

موتور ژنراتور

در موتور ژنراتور، انرژی شیمیایی     انرژی حرارتی          انرژی مکانیکی           انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و از نظر بازدهی نسبت به سایر مولدهای جوشکاری کمتر است. این موتور با دو نوع سوخت می‌تواند تولید برق کند:

موتور دیزلی(موتور جوش دیزلی) و موتور بنزینی(موتور جوش دیزلی)

گازهای مصرفی متداول در روش جوش قوس الکتریکی تحت گاز محافظ(GMAW)، دی‌اکسیدکربن    و آرگون Ar و گاهی به صورت مخلوطی از دی‌اکسیدکربن و آرگون استفاده می‌شود که در کیفیت جوشکاری بسیار موثر است ولی استفاده از گاز آرگون برای سلامتی جوشکاران و سایر افراد فعال در کارگاه مضر می‌باشد.

الکترودهای مصرفی متداول:

الکترودهای جوشکاری با قوس الکتریکی از دو قسمت مفتول و روکش تشکیل شده‌اند. طبقه بندی الکترودها بر اساس نوع روکش به شرح زیر است:

  • الکترودها با روکش روتیلی
  • الکترودها با روکش روتیلی پودر آهن‌دار
  • الکترودها با روکش سلولزی
  • الکترودها با روکش قلیایی
  • الکترودهای سازگار و مشخصات آن طبق نشریه‌ی شماره‌ی 228 

گروه

مشخصات فلز پایه

روش جوشکاری و علامت الکترود

تنش تسلیم

مقاومت نهایی

1

فولاد نرمه در حد ST37

Fy =2000 -3000

Fu = 3400 - 4200

جوش قوسی دستی باالکترود روکش‌دار(SMAW)

E60XX

E70XX

E70XX-X

3450

4150

3900


جوش قوسی زیرپودری(SAW)

F6XX – EXXX

F7XX – EXXX

F7XX – EXX - XX

3300

4000

4200-5500

4900-6600

جوش قوسی با الکترود فلزی و تنگستن تحت گاز محافظ(GMAW,GTAW)

ER70S-X

4150

4900

جوش قوسی با الکترود توپودری(FCAW)

E6XT-X

E7XT-X

3450

4150

4200

4900

2

فولادهای پر مقاومت آلیاژدار در حد ST52

Fy =3000 -3800

Fu = 4200 - 4900

جوش قوسی دستی با الکترود روکش‌دار (SMAW)

E7015 , E7016

E7018 , E7028

E7015-X , E7016-X

E7018-X

4150

3900

4200

4900

جوش قوسی زیرپودری(SAW)

F7XX-EXXX

F7XX-EXX-XX

4900-6600

4000

جوش قوسی با الکترود فلزی و تنگستن تحت گاز محافظ(GMAW,GTAW)

ER70S-X

4150

4900

جوش قوسی با الکترود مغزدار(FCAW)

E7XT-X

4150

4900

3

فولادهای پر مقاومت

Fy =3800 - 4500

Fu = 4900 - 5600

جوش قوسی دستی با الکترود روکش‌دار (SMAW)

E8015-X , E8016-X

E8015-X

4600

5600

جوش قوسی زیرپودری(SAW)

F8XX-EXX-XX

4700

5600-6900

جوش قوسی با الکترود مغزدار(FCAW)

E8XTX-X

4700

5600-6900


منابع:

"آیین‌نامه‌ی جوشکاری ساختمان ایران" نشریه‌ی شماره‌ی 228

"طراحی سازه‌های فولادی" نویسندگان دکتر مجتبی ازهری، دکتر سید رسول میرقادری

"تکنولوژی جوشکاری" نویسنده امیرحسین کوکبی