خطاهای جوشکاری اتصالات در ساختمانهای فولادی

١- مقدمه
با وجود تجربه تلفات و خسارات سنگین زلزله های اخیر مانند زلزله های منجیل و بم (تصویر ١)، احتمال جدی وقوع زمین لرزه های بزرگ در بیش تر مناطق پر جمعیت کشور و نیاز جدی به اعمال کنترل کیفی در طراحی و اجرای ساختمانها ، متاسفانه هنوز توجه کافی به ساخت و ساز صحیح نشده است . از نظر علم مهندسی زلزله، در حال حاضر ساخت بناهای مقاوم در برابر زلزله امکان پذیر است ، لیکن عملا به دلیل یکسری مشکلات اجر ائی رسیدن به ساختمانهای مقاوم تضمین نمی گردد. 

 
مشکل اصلی آسیب پذیری لرزه ای ساختمانها حتی نمونه های جدید الاحداث در ایران، عدم استفاده صحیح از دانش فنی در مراحل طراحی و اجرا می باشد. دستورالعملهای اتصالات جوشکاری شده و ضوابط طراحی ساختمانهای فولادی، گاهی در طراحی و اجرا سهل انگاری می شود. لذا بایستی سطح معلومات فنی این افراد افزایش یافته و نیز مکانیزمی برای اعمال قاطعیت اجرایی و کنترل امر در نظرگرفته شود و البته طوری که حقوق مهندس ناظر حفظ شده و مسئولیتها به درستی تقسیم گردد[ ١ ].
ساختمانهای فولادی بخش قابل توجهی از ساخت و ساز در ایران را تشکیل میدهند و یکی از مهمترین موضوعات درهر ساختمان فولادی، کنترل جوشکاری آن میباشد (تصاویر ٢ و ٣).اهمیت این امر در زلزله های .( اخیر نشان داده شده است که خسارات اساسی پس از بریدن جوش اتصال   

مشکل اصلی آسیب پذیری لرزه ای ساختمانها حتی نمونه های جدید الاحداث در ایران، عدم استفاده صحیح از دانش فنی در مراحل طراحی و اجرا می باشد. دستورالعملهای اتصالات جوشکاری شده و ضوابط طراحی ساختمانهای فولادی، گاهی در طراحی و اجرا سهل انگاری می شود. لذا بایستی سطح معلومات فنی این افراد افزایش یافته و نیز مکانیزمی برای اعمال قاطعیت اجرایی و کنترل امر در نظرگرفته شود و البته طوری که حقوق مهندس ناظر حفظ شده و مسئولیتها به درستی تقسیم گردد[ ١ ].
ساختمانهای فولادی بخش قابل توجهی از ساخت و ساز در ایران را تشکیل میدهند و یکی از مهمترین موضوعات درهر ساختمان فولادی، کنترل جوشکاری آن میباشد (تصاویر ٢ و ٣).اهمیت این امر در زلزله های .( اخیر نشان داده شده است که خسارات اساسی پس از بریدن جوش اتصال عضو ساز های پدید م یآید(شکل ٤ )

 
جوشها درهمه بخشها بایستی منطبق بر اطلاعات نقشه بوده و از لحاظ بعد و طول جوش (شکل ٥) و کنترل کیفیت لازم بررسی گردد. در استاندارد ٢٨٠٠ ، آزمایشات اولتراسونیک و رادیوگرافی برای کنترل اتصالات جوشی قابهای خمشی ویژه اجباری شده است[ ٣] که البته بسته به تشخیص مهندس ناظر در سایر حالات حتی در ساختمانهای معمولی نیز باید انجام گردد. در این مقاله، ضمن مروری بر عیبهای معمول جوشکاری در اجرای ساختمانهای فولادی، روشهای بازرسی و کنترل کیفیت جوش ارائه میگردد.

 
٢. عیبها و ناپیوستگی های معمول در جوشکاری
یکی از مهمترین وظایف بازرس یا تیم کنترل کیفی جوش، ارزیابی حقیقی جوشها به منظور بررسی مناسب بودن آنها در شرایط بهره برداری و در واقع تعیین هر گونه کمبود و نیز نامنظمی درجوش یا قطعه جوشکاری شده که عمومًا ناپیوستگی نامیده می شود میباشد. در حالیکه یک ناپیوستگی، هر گونه اختلال در ساختار یکنواخت را بیان می کند، یک عیب ناپیوستگی ویژه است که مناسب بودن سازه یا قطعه را زیر سئوال می برد. شکل ناپیوستگی را میتوان به دو گروه کلی خطی و غیر خطی تقسیم نمود. ناپیوستگی های خطی طولی به مراتب بیش از پهنا دارند. زمانیکه در جهت عمود برتنش اعمالی قرار گیرند، یک ناپیوستگی خطی نسبت به غیر خطی شرایط بحرانی تری را ایجاد می کند، چرا که احتمال اشاعه و در نهایت تخریب آن بیشتر خواهد بود[ ٤ ].

٣. ناپیوستگیهای فلز جوش و فلز پایه 
1-3. ترکها
بحرانی ترین ناپیوستگی ها، ترکها هستند . شرایط اضافه بار باعث ایجاد ترکها و تمرکز تنش می شود . یک روش گروه بندی ترکها با مشخص کردن آنها به صورت گرم یا سرد است . همچنین ترکها را میتوان توسط جهت آنها نسبت به محور طولی جوش توصیف نمود . ترکهای طولی بعلت تنشهای انقباضی عرضی جوشکاری یا تنشهای سرویس ایجاد می شوند . ترکهای عرضی عمومًا به علت اثر تنشهای انقباضی طولی جوشکاری روی جوش یا فلز پایه با انعطاف پذیری کم ایجاد می شوند (شکل ٦). انواع مختلف ترک با توصیف دقیق موقعیتهای آنها نسبت به اجزا مختلف شامل : ترکهای گلویی، ریشه، کناره، چاله جوش، زیرگرده منطقه متاثر از حرارت و فلز پایه هستند .
ترکهای گلویی که از میان گلویی جوش یا کوتاهترین مسیر درسطح مقطع جوش گسترش می یابد ، از نوع ترکهای طولی بوده واغلب در طبقه بندی ترک گرم قراردارند.

 
ترکهای ریشه در فلز پایه یا در خود جوش نیز در زمره ترکهای طولی هستند . ترکهای کناره جوش در فلز پایه ایجاد شده و در کناره جوش توسعه می یابند . ترکهای چاله جوش درنقطه پایانی ردیفهای منفرد جوش در صورت عدم مهارت جوشکار ایجاد می شوند . دسته بعدی ترکها، ترک زیر جوش به علت حضورهیدروژن است . این نوع ترک بجای فلز جوش در ناحیه تحت تاثیر حرارت به موازات خط ذوب واقع هستند. 

٢-٣. ذوب و نفوذ ناقص
طبق تعریف، ذوب ناقص یک ناپیوستگی درجوش است که ذوب شدن بین فلز جوش وسطوح ذوب و یا لایه های جوش رخ نداده باشد . بعلت خطی بودن و انتهای نسبتًا تیزآن، ذوب ناقص از ناپیوستگی های بارز درجوش است و در وضعیتهای مختلف در منطقه جوش تشکیل می شود . نفوذ ناقص معرف حالتی است که فلز جوش به طور کامل در سراسر ضخامت ورق گسترده نشده باشد . موقعیت این عیب در مجاورت ریشه جوش است . ذوب و نفوذ ناکافی به علت عدم مهارت جوشکار، شکل نامناسب اتصال یا آلودگی اضافی ایجاد می شود. 

٣-٣. سرباره های محبوس شده
مناطقی در سطح مقطع یا در سطح جوش هستند که سرباره محافظ حوضچه جوش به طور مکانیکی درون فلز منجمد شده محبوس می شود. این سرباره منجمد شده بخشی از مقطع جوش را نمایش می دهد که فلز جوش بخوبی ذوب نمی شود. این پدیده خود سبب ایجاد بخشی ضعیف در نمونه خواهد شد . در حقیقت سرباره های
محبوس شده اغلب درارتباط با ذوب ناقص هستند. 

٤-٣. تخلخل  
این نوع ناپیوستگی درخلال انجماد جوش در اثر حبس گاز ایجاد می شود . بنابراین تخلخل را بسادگی میتوان، حفره های گاز درون فلز ج وش منجمد شده دانست . به علت طبیعت کروی شکل آنها، تخلخل کمترین خطر را در میان دیگر ناپیوستگی ها داراست ولی در زمانیکه جوش باید تحمل فشارهای بالا را داشته باشد حضور تخلخل خطرناک خواهد بود [ ٦]. منابع مختلفی برای حضور رطوبت یا آلودگی وجود دارد که میتوان الکترود فلز پایه، گازمحافظ یا محیط اطراف را در این میان نام برد، تغییر درتکنیک جوشکاری نیز می تواند سبب ایجاد تخلخل شود. 

٥-٣. بریدگی کنار جوش
بریدگی کنار جوش یک ناپیوستگی سطحی است که در فلز پایه مجاور فلز جوش رخ میدهد . در شرایطی عیب را داریم که فلز پایه شسته شد ه ولی با فلزی پرکننده جبران نمی شود . نتیجه ، ایجاد یک شیار خطی با شکلی نسبتًا تیز است که درفلز پایه تشکیل می شود . این عیب بعلت سطحی بودن ماهیت آن برای بارگذاری خستگی خطرناک است. بریدگی کنار جوش عمومًا به علت تکنیک جوشکاری نامناسب ایجاد می گردد ، به ویژه اگ ر سرعت حرکت جوش زیاد باشد . علاوه بر این اگر گرمای جوشکاری بسیار بالا باشد می تواند سبب ذوب شدن بیش ازحد فلز پایه گردد. 

٦-٣. پرشدن ناقص
این مورد مشابه بریدگی کنار جوش، یک ناپیوستگی سطحی است که به علت کمبود ماده در مقطع عرضی ایجاد می شود. تنها تفاوت دراین میان این است که پرشدن ناقص در فلز جوش ولی بریدگی کنار جوش درفلز پایه یافت می شود . به بیان ساده ، پرشدن ناقص ، زمانی رخ می دهد که فلز پرکننده به اندازه کافی برای پرکردن اتصال جوش در دسترس نباشد (شکل ٧). مشابه بریدگی کنار جوش، پرشدن ناقص نیز هم در سطح رویی و هم در ریشه جوش ظاهر می شود . دلیل اولیه پرشدن ناقص، تکنیک غلط جوشکاری است . مثلا سرعت زیاد جوشکاری اجازه پرشدن اتصال و هم سطح شدن آن با فلز را نمی دهد. 

 

٧-٣. سررفتن
نوع دیگر ناپیوستگی سطحی جوش که از تکنیک نامناسب جوشکاری (سرعت جوشکاری خیلی آرام ) ناشی می شود، سررفتن است که در آن ، فلز جوش روی فلز پایه مجاورش سر می رود و درکناره جوش، شیاری تیز را ایجاد می نماید . به علاوه اگر مقدار سررفتن به اندازه کافی زیاد باشد می تواند ترکی را که از این تمرکز تنش ایجاد می شود را مخفی نماید. 

٨-٣. تحدب بیش از حد
این ناپیوستگی مختص جوشهای گوشه است و طبق تعریف تحدب عبارت از حداکثر فاصله از رویه محدب یک جوش گوشه تا خط واصل بین کناره های جوش است . از نقطه نظراستحکام مقدار تحدب در جوش گوشه ضروری است ولی اگر از حدی بیشتر باشد، به عنوان یک عیب تلقی می شود. این مطلب هم از نقطه نظر اقتصادی (مصرف فلز پرکننده بیشتر ) و هم از نظر حضور مناطق تیز اطراف جوش به خصوص در بارگذاری خستگی مطرح می شود. دلیل ایجاد تحدب، آرام بودن سرعت جوشکاری یا تکنیک ناصحیح جوشکاری است.

٩-٣. لکه قوس و پاشش
لکه های قوس درنتیجه شرو ع قوس عمدًا یاتصادفی روی سطح فلز پایه دور از اتصال به وجود میآیند . در اثر این رخداد، منطقه ای متمرکز شده از سطح فلز پایه ذوب شده و سریعًا سرد و شکننده می شود . پاشش همان ذرات فلزی پراکنده ناشی از جریان بالای جوشکاری هستند که در تشکیل جوش نقشی ندارند . از نقط ه نظر بحرانی بودن، پاشش ممکن است زیاد مهم تلقی نشود، ولی درهر حال مقادیر زیاد پاشش میتوانند گرمای موضعی زیادی را به سطح فلز مشابه با اثر لکه قوس ایجاد کنند و حتی سبب تشکیل ناحیه تحت تاثیر حرارت شوند. 

١٠-٣ . اعوجاج 
خمیدگی یا اعوجاج از مشکلات مهم جوشکاری اس ت که باید برطرف گردد . این مسئله در اثر انقباض که به هنگام گرم و سرد شدن پس از عملیات جوشکاری در فلز پایه و جوش بوجود می آید ، شکل می گیرد . برای کنترل اعوجاج باید شرایط لازم برای جوشکاری شامل کنترل قبل، حین و بعد از جوشکاری تامین گردد. 

١١-٣  . تورق و پارگی سراسری
این ناپیوستگی ویژه مربوط به فلز پایه است . تورق در اثر حضور آلودگی و ناخالصی غیر فلزی موجود درزمان تولید فولاد ایجاد می شود . این ناخالصی ها به طور طبیعی اکسیدی هستند که در زمانیکه فولاد هنوز مذاب است تشکیل شده و در خلال عملیات بعدی نورد کشیده شده و موج ب تورق می شوند. نوع دیگر ناپیوستگی مربوط به پارگی سراسری است و زمانی رخ می دهد که در جهت تمام ضخامت دراثر جوشکاری تنشهای انقباضی بزرگی ایجاد شده باشد . پارگی عمومًا موازی سطح نورد شده زیر فلز پایه و معمولا موازی مرز ذوب جوش رخ می دهد .
پارگی سراسری یک ناپیوستگی است که مستقیمًا به طرز قرارگیری اتصال مرتبط می شود. 

١٢-٣  . جابجا شدن و ناپیوستگی های ابعادی
دراثر سوارکردن و مونتاژ غلط اجزای مورد جوش در کنار یکدیگر ، جابجایی بصورت هم محور نبودن دو سطح قطعه کار در جوشهای لب به لب است که در مواردی با برشکاری رفع می شود، اما در بیشتر مواقع باید جوش را بریده و مجددًا عملیات جوشکاری بادقت تکرار شود . ناپیوستگی های ابعادی، نقائص شکل یا ابعاد هستند و هم درجوش و هم در سازه جوش شده بروز می کنند. 

٤. آزمایشهای جوش 

١-٤. ارزیابی جوشکار
آزمونی که صلاحیت جوشکار را برای اجرای ضوا بط آیین نامه ای تایید می کند، آزمایش تشخیص صلاحیت یا ارزیابی جوشکار و یا آزمون کیفیت اجرا خوانده می شود . این ارزیابی مشخص می کند که آیا جوشکار دانش و مهارت لازم را در بکارگیری و اعمال دستورالعمل جوشکاری مدود در رابطه با رده بندی کاری خود دارد یاخیر . ارزیابی جوشکار ممکن است با تجهیزات جوشکاری دستی و یا با تجهیزات جوشکاری تمام اتوماتیک انجام شود .

- روشهای آزمایشی که کیفیت یک جوش را تعیین می کند، در سه طبقه بندی بسیار وسیع قرار می گیرد . ١- آزمایش های غیر مخرب، ٢- آزمایشهای مخرب و ٣- بازرسی عینی[ ٦و ٥ ]

٢-٤. آزمایشهای غیر مخرب
هدف از این آزمایشها، بازرسی و تشخیص عیوب مختلف جوش (سطحی وعمیق) و تاثید آن می باشد، بدون اینکه قطعه جوش داده شده غیر قابل استفاده شود . اگر آزمایش نشان دهد که محلی از جوش معیوب است می توان از طرفین محل مذکور به اندازه لازم برداشته وبا جوش مجدد اتصال کاملی به دست آورد [ ٥ ].

1-2-4. آزمون ذرات مغناطیسی
آزمون ذرات مغناطیسی یکی از آسانترین آزمایشهای غیر مخرب جوشکاری است . این روش جوش را برای معایبی از قبیل ترکهای سطحی، ذوب ناقص، تخلخل، بریدگی کنار جوش، نفوذ ناقص ریشه جوش و اختلاط سرباره کنترل می کند . این آزمایش محل ترکهای داخلی و سطحی بسیار ریز را برای رویت با چشم غیر مسلح آشکار میکند . قطعه مورد آزمایش با استفاده از جریان الکتریکی، یا قراردادن آن در داخل یک سیم پیچ مغناطیسی می گردد . سطح مغناطیسی شده قطعه با لایه نازکی از یک گرد مغناطیسی نظیر اکسید آهن قرمز پوشیده می شود و این لایه گرد در صورت وجود یک عیب سطحی یا داخلی در داخل حفره یا ترک مربوطه فرو می رود. 

٢-٢-٤. بازرسی با مواد نافذ
بازرسی با مواد نافذ یکی از شیوه های غیر مخرب برای محل یابی معایب سطحی می باشد . سطح مورد بازرسی باید ابتدا از لکه های روغن، گریس و مواد ناخالص و خارجی تمیز شود . سپس ماده رنگی مورد نظر بر روی سطح پاشیده شده و در داخل ترکها و سایر ناهمواریهای نفوذ می کند . رنگ اضافی از روی سطح پاک شده و سپس یک ماده فوق العاده فرار حاوی ذرات ریز سفیدرنگ بر روی سطح پاشیده می شود . تبخیر مایع فرار باعث برجای ماندن گرد خشک سفید رنگ بر روی ماده قرمز نفوذ کرده در ترک می گردد و بر اثر عمل مویینگی، ماده قرمز از ترک بیرون کشیده شده و پودر سفید کام ً لا قرمز می شود. 

٣-٢-٤. آزمون فراصوتی
آزمون فراصوتی قادر به تشخیص معایب داخلی بدون نیاز به تخریب قطعه جوش شده می باشد . موج های فراصوتی از داخل قطعه مورد آزمایش عبور داده می شوند و با هرگونه تغییر درتراکم داخلی قطعه منعکس می شوند. امواج منعکس شده (پژواک ها ) به صورت برجستگی هایی نسبت به خط مبنا، بر روی صفحه نمایش دستگاه ظاهر می شوند . هنگامی که عیب یا ترک داخلی توسط واحد جست و جو پیدا شود تولید ضربان سومی می کند که بین ضربان اول و دوم بر روی صفحه نمایش ثبت می شود (شکل ٨). بنابراین مشخص می شود که این عیب بین سطوح بالاو پایین مصالح (در داخل جسم مصالح ) می باشد.