عیوب اتصالات جوشى در ساختمان هاى فولادى

با وجود تجربه تلفات و خسارات سنگین زلزله هاى کشور، احتمال جدى وقوع زمین لرزه هاى بزرگ در بیشتر مناطق پرجمعیت و نیاز جدى به کنترل کیفى در طراحی و اجرای ساختمان ها، متاسفانه هنوز توجه کافی به ساخت و ساز صحیح نشده است. از نظر علم مهندسى زلزله، در حال حاضر ساخت بناهای مقاوم در برابر زلزله امکان پذیر است، ولی در عمل به دلیل برخی مشکلات، رسیدن به ساختمان های مقاوم در برابر زلزله تضمین نمی گردد. مشکل اصلی آسیب پذیرى لرزه ای ساختمان ها، حتی برخی ساخمان هایی که به تازگی احداث شده اند و نیز عدم استفاده صحیح از دانش فنی در مراحل طراحی و اجرا ساختمان است.

دستورالعمل ها و ضوابط طراحی و اجرای ساختمان های فولادی و اتصالات جوشی مربوطه تدوین شده اند اما گاهی در طراحی و اجرا سهل انگاری می شود. لذا می بایست سطح معلومات فنی افراد دخیل در این فرایند افزایش یافته و نیز مکانیزمی براى اعمال قاطعیت اجرایی و کنترل امور در نظر گرفته شود به طوری که حقوق حقه مهندس ناظر حفظ شده و مسئولیت ها نیز به درستی تقسیم گردد.

ساختمان های فولادی بخش قابل توجهی از ساخت و ساز در ایران را تشکیل می دهند و یکی از مهمترین موضوعات در هر ساختمان فولادی، کنترل اتصالات جوشی آن است. اهمیت این امر در زلزله های اخیر نشان داده شده است که خسارات اساسی پس از تخریب اتصالات جوشی پدید می آید. جوش ها در همه بخش ها می بایست منطبق بر اطلاعات نقشه بوده و از لحاظ بعد و طول جوش و  نیز کیفیت اجرا بررسی گردد.

در آیین نامه 2800، آزمون فراصوتی یا آلتراسونیک | UT و نیز آزمایش پرتونگاری یا رادیوگرافى | RT براى کنترل اتصالات جوشی قاب های خمشی ویژه اجباری شده است که البته بسته به تشخیص مهندس ناظر در سایر حالات حتی در ساختمان های معمولی نیز می بایست انجام گیرد. در این متن، ضمن مروری بر عیوب متداول جوشکاری در سازه های فولادی، برخی از روش های بازرسی و کنترل کیفیت جوش نیز معرفی می گردند.

ناپیوستگى ها و عیوب جوشکاری

یکی از مهمترین وظایف بازرس یا تیم کنترل کیفی جوش، ارزیابی جوش ها به منظور بررسی تناسب آنها با شرایط بهره برداری است. هرگونه غیریکنواختی در ساختار اتصال جوشی ناپیوستگى نامیده می شود. در حالی که ناپیوستگى، هرگونه اختلال در ساختار یکنواخت را بیان می کند، عیب ناپیوستگى ویژه ای است که مناسب بودن سازه یا قطعه را زیر سئوال می برد.

انواع ناپیوستگی ها در جوش

• ترک ها

بحرانی ترین نوع ناپیوستگى، ترک می باشد. شرایط اضافه بار باعث ایجاد ترک ها و تمرکز تنش می شود. یک روش گروه بندی ترک ها با مشخص کردن آنها به صورت ترک سرد | Cold Crack یا ترک گرم | Hot Crack است. همچنین ترک ها را می توان توسط جهت آنها نسبت به محور طولی جوش گروه بندی نمود. در این روش ترک ها به دو گروه کلی ترک های طولی و ترک های عرضی تقسیم می گردند. ترک ها را همچنین می توان بر اساس محل وقوع آنها در فلز جوش و منطقه متاثر از حرارت | HAZ گروه بندی نمود.

• ذوب ناقص

ذوب ناقص | LOF یکی از مرسوم ترین انواع ناپیوستگى جوش است که در آن فرایند ذوب و اتصال میان فلز جوش و سطوح فلز پایه یا بین لایه های متوالی جوش به طور کامل رخ نداده است. به علت وجود محل هایی با تمرکز تنش بالا، ذوب ناقص از عیوب پرخطر  جوش می باشد و در وضعیت های مختلف در منطقه جوش تشکیل می شود.

• نفوذ ناقص

نفوذ ناقص | LOP 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.

• ناخالصی سرباره

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

• تخلخل

این نوع عیب در خلال انجماد جوش در اثر حبس گاز ایجاد می شود. بنابراین تخلخل را به سادگى می توان، حفره های گاز درون فلز جوش منجمد شده دانست. به علت طبیعت کروى شکل آنها، تخلخل کمترین خطر را در میان دیگر ناپیوستگی ها داراست ولی در زمانی که جوش باید تحمل فشارهای بالا را داشته باشد، حضور تخلخل خطرناک خواهد بود.

• بریدگی کنار جوش

بریدگی کنار جوش از عیوب سطحی جوش است که در فلز پایه مجاور فلز جوش رخ می دهد. این عیب اغلب به شکل یک شیار خطی به نسبت تیز در کنار جوش ایجاد شده و به علت قرار داشتن در سطح و تیزی آن برای اتصالات جوشی تحت بارگذاری دوره ای یا اثرات خستگی عیبی پرخط محسوب می شود.

• 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 در این میان این است که پرشدن ناقص در فلز جوش ولی بریدگی کنار جوش در فلز پایه یافت می شود. به بیان ساده، پرشدن ناقص، زمانی رخ می دهد که فلز پر کننده به اندازه کافی براى پرکردن اتصال جوش در دسترس نباشد. مشابه بریدگی کنار جوش، پرشدن ناقص نیز هم در سطح رویى و هم در ریشه جوش ظاهر می شود. دلیل اولیه پرشدن ناقص، تکنیک غلط جوشکاری است. بطور مثال سرعت زیاد جوشکاری اجازه پرشدن اتصال و هم سطح شدن آن با فلز را نمی دهد.

• سررفتن جوش

نوع دیگر ناپیوستگی سطحی جوش که از تکنیک نامناسب جوشکاری (سرعت جوشکاری خیلی آرام) ناشی می شود، سررفتن است که در آن، فلز جوش روى فلز پایه مجاورش سر می رود و درکناره جوش، شیارى 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.

• تحدب بیش از حد

این ناپیوستگی مختص جوش های گوشه است و مطابق تعریف عبارت از حداکثر فاصله از رویه محدب یک جوش گوشه تا خط واصل بین کناره های جوش است. از نقطه نظر استحکام 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 دیدگاه حضور مناطق تیز اطراف جوش به خصوص در بارگذارى خستگى مطرح می شود. دلیل ایجاد تحدب، سرعت جوشکاری پایین یا تکنیک ناصحیح جوشکاری است.

• لکه قوس

لکه های قوس در نتیجه شروع قوس از روی سطح فلز پایه، دور از محل اتصال به وجود می آیند. در اثر این رخداد، منطقه کوچکی از سطح فلز پایه ذوب شده و به سرعت سرد می شود که این امر موجب به وجود امدن موضعی ترد و شکننده روی سطح فلز پایه می گردد.

• پاشش جوش

پاشش ذرات فلزی پراکنده ناشی از جوشکاری هستند که در تشکیل جوش نقشی ندارند. از نقطه نظر بحرانی بودن، پاشش ممکن است زیاد مهم تلقی نشود، ولی در هر حال مقادیر زیاد پاشش می توانند گرماى موضعی زیادی را به سطح فلز مشابه با اثر لکه قوس ایجاد کنند و حتی سبب تشکیل ناحیه متاثر از حرارت شوند.

• اعوجاج

خمیدگى یا اعوجاج از مشکلات مهم جوشکاری است که چنانچه مقدار آن بیش از محدوده های مجاز باشد، می بایست برطرف گردد. این مسئله در اثر انقباض که به هنگام گرم و سرد شدن پس از عملیات جوشکاری در فلز پایه و جوش به وجود می آید، شکل می گیرد. براى کنترل اعوجاج می بایست شرایط لازم براى جوشکاری شامل کنترل قبل، حین و پس از جوشکاری تامین گردد.

• تورق و پارگى

این ناپیوستگی ویژه مربوط به فلز پایه است. تورق در اثر حضور آلودگى و ناخالصى غیرفلزی موجود در زمان تولید فولاد ایجاد می شود. این ناخالصی ها به طور طبیعی اکسیدی هستند و در زمانی که فولاد هنوز مذاب است، تشکیل شده و در خلال عملیات بعدى نورد کشیده شده و موجب تورق می شوند. نوع دیگر ناپیوستگی مربوط به پارگی سراسری است و زمانی رخ می دهد که در جهت ضخامت در اثر جوشکارى تنش هاى انقباضى بزرگى ایجاد شده باشد. پارگی اغلب موازى سطح نورد شده زیر فلز پایه و موازى مرز ذوب جوش رخ می دهد. پارگی سراسرى یک ناپیوستگی است که بطور مستقیم به طرز قرارگیرى اتصال مرتبط می شود.

• ناهمراستایی

این عیب اغلب در اثر سوارکردن و مونتاژ نادرست اجزاى اتصال جوشی در کنار یکدیگر و هم سطح نبودن قطعات کار در جوش های لب به لب ایجاد می شود، ناپیوستگی هاى ابعادى، نقائص شکلی یا ابعادی هستند که هم در جوش و نیز در سازه جوشکاری شده بروز مى کنند.

آزمایشات جوش

• ارزیابى جوشکار

آزمونى که صلاحیت جوشکار را براى اجراى ضوابط آیین نامه اى تایید می کند، آزمایش تشخیص صلاحیت یا ارزیابى جوشکار و یا آزمون کیفیت اجرا خوانده می شود. این ارزیابى مشخص می کند که آیا جوشکار دانش و مهارت لازم را جهت ایجاد جوش مناسب، کاربری صحیح دستگاه جوشکاری و لوازم جانبی آن و نیز اعمال دستورالعمل جوشکارى |  Welding Procedure Specifications – WPS و یا روش های کاری | Work Methods دارد. ارزیابى جوشکار ممکن است با دستگاه جوشکارى دستى و یا تجهیزات جوشکارى نیمه خودکار انجام شود، چنانچه دستگاه از نوع مکانیزه و یا تمام اتوماتیک باشد، ارزیابی متصدی دستگاه جوشکاری | Operator مورد نیاز خواهد بود.

• آزمون های غیرمخرب جوش | NDT

هدف از این آزمون ها، بازرسى و تشخیص ناپیوستگی ها و عیوب مختلف جوشی و اصلاح آنها بدون غیرقابل استفاده شدن اتصال جوشی می باشد. اگر آزمایش نشان دهد که محلی از جوش معیوب است می توان از طرفین محل مذکور به اندازه لازم برداشته و با جوش مجدد اتصال کاملی را به دست آورد.

– بازرسی با ذرات مغناطیسى | MT

آزمون ذرات مغناطیسى یکى از آسان ترین آزمون های غیرمخرب جوش است. این روش جوش را براى معایبى از قبیل ترک هاى سطحى، ذوب ناقص، تخلخل، بریدگى کنار جوش، نفوذ ناقص ریشه جوش و اختلاط سرباره کنترل می کند. این آزمایش می تواند انواع عیوب سطحى را آشکار کرده و قابل رویت نماید. قطعه مورد آزمایش با استفاده از جریان الکتریکى، یا قراردادن آن در داخل یک سیم پیچ مغناطیسى می گردد. سطح مغناطیسى شده قطعه با لایه نازکى از یک گرد مغناطیسى نظیر اکسید آهن قرمز پوشده می شود و این لایه گرد در صورت وجود یک عیب سطحى یا داخلى در داخل حفره یا ترک مربوطه فرو می رود.

– بازرسى با مایع نافذ | PT

بازرسى با مواد نافذ از دیگر روش های آزمون غیرمخرب براى محل یابى معایب سطحى می باشد. سطح مورد بازرسى می بایست ابتدا از لکه هاى روغن، گریس و مواد ناخالص و خارجى تمیز شود. سپس ماده رنگى مورد نظر بر روى سطح پاشیده شده و در داخل ترک ها و سایر ناهمواری هاى نفوذ می کند. رنگ اضافى از روى سطح پاک شده و سپس یک ماده فوق العاده فرار حاوى ذرات ریز سفید رنگ بر روى سطح پاشیده می شود. تبخیر مایع فرار باعث برجاى ماندن گرد خشک سفید رنگ بر روى ماده قرمز نفوذ کرده در ترک می گردد که بر اثر عمل موئینگى، ماده قرمز رنگ از ترک بیرون کشیده شده و پودر سفید آغشته به رنگ قرمز می شود.

– آزمون فراصوتى یا تست آلتراسونیک | UT

آزمون فراصوتى قادر به تشخیص معایب داخلى بدون نیاز به تخریب قطعه جوش شده می باشد. موج هاى فراصوتى از داخل قطعه مورد آزمایش عبور داده می شوند و با هرگونه تغییر در تراکم داخلى قطعه منعکس می شوند. امواج منعکس شده (پژواک ها) به صورت برجستگى هایى نسبت به خط مبنا، بر روى صفحه نمایش دستگاه ظاهر می شوند. هنگامى که عیب یا ترک داخلى توسط واحد جست و جو پیدا شود، تولید ضربان سومی می کند که بین ضربان اول و دوم بر روى صفحه نمایش ثبت می شود. بنابراین مشخص می شود که این عیب بین سطوح بالا و پایین مصالح می باشد.

– آزمایش پرتونگاری یا تست رادیوگرافی | RT

پرتونگاری از موثرترین روش هاى آزمون غیرمخرب است که نوع و محل عیوب داخلى را نشان می دهد. پرتو رادیویى در ضخامت فلز نفوذ کرده و پس از عبور این ضخامت لکه اى بر روى صفحه فیلم ایجاد می کند. میزان جذب پرتوهاى رادیویى توسط مواد مختلف متفاوت است. عیوب جوش تراکم کمترى نسبت به فلز پایه سالم دارند، بنابراین در حوالى این قسمت ها پرتو بیشترى به سطح فیلم می رسد و عیوب فلز جوش، به صورت لکه هاى تاریکى بر روى فیلم ثبت می شوند.

نتیجه گیرى

ساختمان هاى فولادى بخش قابل توجهى از ساخت و ساز در ایران را تشکیل می دهند و یکی از مهمترین موضوعات در هر ساختمان فولادى به ویژه از نقطه نظر مقاومت لرزه اى، بازرسی اتصالات آن به ویژه اتصالات جوشی می باشد. جوش ها در همه بخش ها می بایست منطبق بر اطلاعات نقشه بوده و از لحاظ بعد و طول جوش و کنترل کیفیت لازم بررسى گردد. در آیین نامه 2800 ، آزمایش فراصوتی یا تست التراسونیک و آزمون پرتونگاری یا تست رادیوگرافى براى کنترل کیفیت اتصالات جوشکاری شده در قاب هاى خمشى اجبارى شده است که البته بسته به تشخیص مهندس ناظر برای سایر اتصالات جوشی نیز قابل انجام است.

از اینکه این مقاله را مطالعه نمودید متشکریم، اگر انتقاد و پیشنهادی در پیرامون این مقاله دارید در قسمت دیدگاه بنویسید.