1- مقدمه

با وجود تجربه تلفات و خسارات سنگين زلزله هاى اخير مانند زلزله هاى منجيل و بم (تصوير 1)، احتمال جدى وقوع زمين لرزه هاى بزرگ در بيشتر مناطق پر جمعيت كشور و نياز جدى به اعمال كنترل كيفى در طراحي و اجراي ساختمانها، متاسفانه هنوز توجه كافي به ساخت و ساز صحيح نشده است . از نظر علم مهندسى زلزله ، در حال حاضر ساخت بناهاي مقاوم در برابر زلزله امكان پذير است ، ليكن عملا به دليل يكسري مشكلات اجرائي رسيدن به ساختمانهاي مقاوم تضمين نمي گردد

شكل 1) تخريب شديد يك ساختمان فولادي در زمين لرزه بم به علت وجود طبقات نرم در امتداد نيروى جانبي زلزله .

مشكل اصلي آسيب پذيرى لرزه اي ساختمانها حتي نمونه هاي جديد الاحداث در ايران ، عدم استفاده صحيح از دانش فني در مراحل طراحي و اجرا مي باشد. دستورالعملهاي اتصالات جوشكاري شده و ضوابط طراحي ساختمانهاي فولادي، گاهي در طراحي و اجرا سهل انگاري ميشود. لذا بايستي سطح معلومات فني اين افراد افزايش يافته و نيز مكانيزمي براى اعمال قاطعيت اجرايي و كنترل امر در نظر گرفته شود و البته طوري كه حقوق مهندس ناظر حفظ شده و مسئوليتها به درستي تقسيم گردد.

ساختمانهاي فولادي بخش قابل توجهي از ساخت و ساز در ايران را تشكيل ميدهند و يكي از مهمترين موضوعات در هر ساختمان فولادي، كنترل جوشكاري آن ميباشد (تصاوير 2و 3). اهميت اين امر در زلزله هاي اخير نتمان داده شده است كه خسارات اساسي پس از بريدن جوش اتصال عضو سازه اي مديد ميآيد(شكل 4).

شكل 2) عمده ساختمانهاي بلند در تهران با اسكلت فولادي و اتصالات گيردار اجرا ميشوند كه نياز به تامين شرايط ويژه كنترل كيفي جوش دارند

شكل 3) ضعف جوشكاري اتصالات كه يكي از علل اصلي تخريب يك ساختمان فلزي قديمي در تهران بوده است .

جوشها در همه بخشها بايستي منطبق بر اطلاعات نقشه بوده و از لحاظ بعد و طول جوش (شكل 5) و كنترل كيفيت لازم بررسي گردد. در استاندارد 2800 ، آزمايشات اولتراسونيك و راديوگرافى براى كنترل اتصالات جوشي قابهاي خمشي ويژه اجباري شده است كه البته بسته به تشخيص مهندس ناظر در ساير حالات حتي در ساختمانهاي معمولي نيز بايد انجام گردد. در اين مقاله ، ضمن مروري بر عيبهاي معمول جوشكاري در اجراي ساختمانهاي فولادي، روشهاي بازرسي و كنترل كيفيت جوش ارائه ميگردد.

شكل 4) خسارت لرزه اي وارد بر يك ساختمان فولادي در زلزله بم كه پس از بريدن جوش اتصال عضو مهاربندي پديد آمده است .

شكل 5) جزئيات ضعف طول و كيفيت جوشكاري در يك ستون قوطى و اتصال گيردار تير به ستون ساختمان فلزي.

يكي از مهمترين وظايف بازرس يا تيم كنترل كيفي جوش ، ارزيابي حقيقي جوشها به منظور بررسي مناسب بودن آنها در شرايط بهره برداري و در واقع تعيين هر گونه كمبود و نيز نامنظمي در جوش يا قطعه جوشكاري شده كه عموما ناپيوستگى ناميده ميشود ميباشد. در حاليكه يك ناپيوستگى، هر گونه اختلال در ساختار يكنواخت را بيان مي كند، يك عيب ناپيوستگى وپژه است كه مناسب بودن سازه يا قطعه را زير سئوال مي برد. شكل ناپيوستگى را ميتوان به دو گروه كلي خطي و غير خطي تقسيم نمود. ناپيوستگى هاى خطي طولي به مراتب بيش از پهنا دارند. زمانيكه در جهت عمود بر تنش اعمالى قرار گيرند، يك ناپيوستگى خطي نسبت به غير خطي شرايط بحراني تري را ايجاد مي كند، چرا كه احتمال اشاعه و در نهايت تخريب آن بيشتر خواهد بود.

بحراني ترين ناپيوستگى ها، تركها هستند. شرايط اضافه بار باعث ايجاد تركها و تمركز تنش مي شود. يك روش گروه بندي تركها با مشخص كردن آنها به صورت گرم يا سرد است . همچنين تركها را ميتوان توسط جهت آنها نسبت به محور طولي جوش توصيف نمود. تركهاي طولي بعلت تنشهاي انقباضي عرضي جوشكاري يا تنشهاي سرويس ايجاد مي شوند. تركهاي عرضي عموما به علت اثر تنشهاي انقباضي طولي جوشكاري روي جوش يا فلز پايه با انعطاف پذيرى كم ايجاد مي شوند (شكل 6). انواع مختلف ترك با توصيف دقيق موقعيتهاي اجزا مختلف شامل : تركهاي گلويي، ريشه ، كناره ، چاله جوش ، زير گرده منطقه متاثر از حرارت و فلز پايه هستند.

تركهاي گلويي كه از ميان گلويي جوش يا كوتاهترين مسير در سطح مقطع جوش گسترش مي يابد، از نوع تركهاي طولي بوده و اغلب در طبقه بندي ترك گرم قراردارند.

شكل 6) تركهاي طولي و عرضي در جوشهاي شياري و گوشه تركهاي ريشه در فلز پايه يا در خود جوش نيز در زمره تركهاي طولي هستند. تركهاي كناره جوش در فلز پايه ايجاد شده و در كناره جوش توسعه ما يابند. تركهاي چاله جوش درنقطه پاياني رديفهاي منفرد جوش در صورت عدم مهارت جوشكار ايجاد مي شوند. دسته بعدي تركها، ترك زير جوش به علت حضور هيدرورن است .

اين نوع ترك بجاي فلز جوش در ناحيه تحت تاثير حرارت به موازات خط ذوب واقع هستند.

طبق تعريف ، ذوب ناقص يك ناپيوستگى در جوش است كه ذوب شدن بين فلز جوش و سطوح ذوب و يا لايه هاي جوش رخ نداده باشد. بعلت خطي بودن و انتهاي نسبتا تيز آن ، ذوب ناقص از ناپيوستگى هاي بارز در جوش است و در وضعيتهاي مختلف در منطقه جوش تشكيل مي شود. نفوذ ناقص معرف حالتي است كه فلز جوش به طور كامل در سراسر ضخامت ورق گسترده نشده باشد. موقعيت اين عيب در مجاورت ريشه جوش است . ذوب و نفوذ ناكافي به علت عدم مهارت جوشكار، شكل نامناسب اتصال يا آلودگي اضافي ايجاد مي شود.

مناطقي در سطح مقطع يا در سطح جوش هستند كه سرباره محافظ حوضچه جوش به طور مكانيكي درون فلز منجمد شده محبوس ميشود. اين سرباره منجمد شده بخشي از مقطع جوش را نمايش مي دهد كه فلز جوش بخوبي ذوب نمي شود. اين پديده خود سبب ايجاد بخشى ضعيف در نمونه خواهد شد. در حقيقت سرباره هاي محبوس شده اغلب در ارتباط با ذوب ناقص هستند.

اين نوع ناپيوستگي در خلال انجماد جوش در اثر حبس گاز ايجاد مي شود. بنابراين تخلخل را بسادگى ميتوان ، حفره هاي گاز درون فلز جوش منجمد شده دانست . به علت طبيعت كروى شكل آنها، تخلخل كمترين خطر را در ميان ديگر ناپيوستگي ها داراست ولي در زمانيكه جوش بايد تحمل فشارهاي بالا را داشته باشد حضور تخلخل خطرناك خواهد بود. منابع مختلفي براى حضور رطوبت يا آلودگى وجود دارد كه ميتوان الكترود فلز پايه ، گاز محافظ يا محيط اطراف را در اين ميان نام برد، تغيير در تكنيك جوشكاري نيز مي تواند سبب ايجاد تخلخل شود.

بريدگي كنار جوش يك ناپيوستگي سطحي است كه در فلز پايه مجاور فلز جوش رخ ميدهد. در شرايطي عيب را داريم كه فلز پايه شسته شده ولي با فلزي پر كننده جبران نمي شود. نتيجه ، ايجاد يك شيار خطي با شكلي نسبتا تيز است كه در فلز پايه تشكيل مي شود. اين عيب بعلت سطحي بودن ماهيت آن براى بارگذاري خستگي خطرناك است . بريدگي كنار جوش عموما به علت تكنيك جوشكاري نامناسب ايجاد مي گردد، به ويژه اگر سرعت حركت جوش زياد باشد. علاوه بر اين اگر گرماي جوشكاري بسيار بالا باشد مي تواند سبب ذوب شدن بيش از حد فلز پايه گردد.

اين مورد مشابه بريدگي كنار جوش ، يك ناپيوستگي سطحي است كه به علت كمبود ماده در مقطع عرضي ايجاد ميشود. تنها تفاوت در اين ميان اين است كه پرشدن ناقص در فلز جوش ولي بريدگي كنار جوش در فلز پايه يافت مي شود. به بيان ساده ، پرشدن ناقص ، زماني رخ مي دهد كه فلز پر كننده به اندازه كافي براى پركردن اتصال جوش در دسترس نباشد (شكل 7). مشابه بريدگي كنار جوش ، پرشدن ناقص نيز هم در سطح رويى و هم در ريشه جوش ظاهر مي شود. دليل اوليه پرشدن ناقص ، تكنيك غلط جوشكاري است . مثلا سرعت زياد جوشكاري اجازه پرشدن اتصال و هم سطح شدن آن با فلز را نمي دهد.

شكل7 پر شدن ناقص در فلز جوش .

نوع ديگر ناپيوستگي سطحي جوش كه از تكنيك نامناسب جوشكاري (سرعت جوشكاري خيلي آرام ) ناشي مي شود، سررفتن است كه در آن ، فلز جوش روى فلز پايه مجاورش سر ميرود و دركناره جوش ، شيارى تيز را ايجاد مي نمايد. به علاوه اگر مقدار سررفتن به اندازه كافي زياد باشد مي تواند تركي را كه از اين تمركز تنش ايجاد مي شود را مخفي نمايد.

اين ناپيوستگي مختص جوشهاي گوشه است و طبق تعريف تحدب عبارت از حداكثر فاصله از رويه محدب يك جوش گوشه تا خط واصل بين كناره هاي جوش است . از نقطه نظر استحكام مقدار تحدب در جوش گوشه ضروري است ولي اگر از حدي بيشتر باشد، به عنوان يك عيب تلقي مي شود. اين مطلب هم از نقطه نظر اقتصادي (مصرف فلز پركننده بيشتر) و هم از نظر حضور مناطق تيز اطراف جوش به خصوص در بارگذارى خستگى مطرح مي شود. دليل ايجاد تحدب ، آرام بودن سرعت جوشكاري يا تكنيك ناصحيح جوشكاري است .

لكه هاي قوس در نتيجه شروع قوس عمداً يا تصادفي روي سطح فلز پايه دور از اتصال به وجود ميآيند. در اثر اين رخداد، منطقه اي متمركز شده از سطح فلز پايه ذوب شده و سريعاً سرد و شكننده مي شود. پاشش همان ذرات فلزي پراكنده ناشي از جريان بالاي جوشكاري هستند كه در تشكيل جوش نقشي ندارند. از نقطه نظر بحراني بودن ، پاشش ممكن است زياد مهم تلقي نشود، ولي در هر حال مقادير زياد پاشش ميتوانند گرماى موضعي زيادي را به سطح فلز مشابه با اثر لكه قوس ايجاد كنند و حتي سبب تشكيل ناحيه تحت تاثير حرارت شوند.

خميدگى يا اعوجاج از مشكلات مهم جوشكاري است كه بايد برطرف گردد. اين مسئله در اثر انقباض كه به هنگام كرم و سرد شدن پس از عمليات جوشكاري در فلز پايه و جوش بوجود ميآيد، شكل مي گيرد. براى كنترل اعوجاج بايد شرايط لازم براى جوشكاري شامل كنترل قبل ، حين و بعد از جوشكاري تامين گردد.

اين ناپيوستگي ويژه مربوط به فلز پايه است . تورق در اثر حضور آلودگى و ناخالصى غير فلزي موجود درزمان توليد فولاد ايجاد مي شود. اين ناخالصي ها به طور طبيعي اكسيدي هستند كه در زمانيكه فولاد هنوز مذاب است تشكيل شده و در خلال عمليات بعدى نورد كشيده شده و موجب تورق مي شوند. نوع ديگر ناپيوستگي مربوط به پارگي سراسري است و زماني رخ مي دهد كه در جهت تمام ضخامت در اثر جوشكارى تنشهاى انقباضى بزرگى ايجاد شده باشد. پارگي عموما موازى سطح نورد شده زير فلز پايه و معمولآ موازى مرز ذوب جوش رخ مي دهد. پارگي سراسرى يك ناپيوستگي است كه مستقيما به طرز قرار گيرى اتصال مرتبط مي شود.

در اثر سواركردن و مونتاژ غلط اجزاى مورد جوش در كنار يكديگر، جابجايى بصورت هم محور نبودن دو سطح قطعه كار در جوشهاي لب به لب است كه در مواردى با برشكارى رفع مي شود، اما در بيشتر مواقع بايد جوش را بريده و مجددا عمليات جوشكاري بادقت تكرار شود. ناپيوستگي هاى ابعادى، نقائص شكل يا ابعاد هستند و هم درجوش و هم در سازه جوش شده بروز مى كنند.

آزمونى كه صلاحيت جوشكار را براى اجراى ضوابط آيين نامه اى تاييد مي كند، آزمايش تشخيص صلاحيت يا ارزيابى جوشكار و يا آزمون كيفيت اجرا خوانده مي شود. اين ارزيابى مشخص مي كند كه ايا جوشكار دانش و مهارت لازم را در بكارگيرى و اعمال دستورالعمل جوشكارى مدود در رابطه با رده بندى كارى خود دارد ياخير. ارزيابى جوشكار ممكن است با تجهيزات جوشكارى دستى و يا با تجهيزات جوشكارى تمام اتوماتيك انجام شود.

روشهاى آزمايشى كه كيفيت يك جوش را تعيين مي كند، در سه طبقه بندى بسيار وسيع قرار مي گيرد. 1-آزمايش هاى غير مخرب ، 2- آزمايشهاى مخرب و 3- بازرسى عينى .

هدف از اين آزمايشها، بازرسى و تشخيص عيوب مختلف جوش (سطحى وعميق ) و تاييد آن مي باشد، بدون اينكه قطعه جوش داده شده غير قابل استفاده شود. اگر آزمايش نشان دهد كه محلي از جوش معيوب است مي توان از طرفين محل مذكور به اندازه لازم برداشته و با جوش مجدد اتصال كاملي را به دست آورد .

آزمون ذرات مغناطيسى يكى از آسانترين آزمايشهاى غير مخرب جوشكارى است . اين روش جوش را براى معايبى از قبيل تركهاى سطحى، ذوب ناقص ، تخلخل ، بريدگى كنار جوش ، نفوذ ناقص ريشه جوش و اختلاط سرباره كنترل مي كند. اين آزمايش محل تركهاى داخلى و سطحى بسيار ريز را براى رويت با حشم غير مسلح آشكار ميكند. قطعه مورد آزمايش با استفاده از جريان الكتريكى، يا قراردادن آن در داخل يك سيم پيچ مغناطيسى مي گردد. سطح مغناطيسى شده قطعه با لايه نازكى از يك گرد مغناطيسى نظير اكسيد آهن قرمز پوشده مي شود و اين لايه گرد در صورت وجود يك عيب سطحى يا داخلى در داخل حفره يا ترك مربوطه فرو مي رود.

بازرسى با مواد نافذ يكى از شيوه هاى غير مخرب براى محل يابى معايب سطحى مي باشد. سطح مورد بازرسى بايد ابتدا از لكه هاى روغن ، گريس و مواد ناخالص و خارجى تميز شود. سپس ماده رنگى مورد نظر بر روى سطح پاشيده شده و در داخل تركها و ساير ناهمواريهاى نفوذ مي كند. رنگ اضافى از روى سطح پاك شده و سپس يك ماده فوق العاده فرار حاوى ذرات ريز سفيد رنگ بر روى سطح پاشيده مي شود. تبخير مايع فرار باعث برجاى ماندن گرد خشك سفيد رنگ بر روى ماده قرمز نفوذ كرده در ترك مي گردد و بر اثر عمل مويينگى، ماده قرمز از ترك بيرون كشيده شده و پودر سفيد كاملا قرمز مي شود.

آزمون فراصوتى قادر به تشخيص معايب داخلى بدون نياز به تخريب قطعه جوش شده مي باشد. موج هاى فراصوتى از داخل قطعه مورد آزمايش عبور داده مي شوند و با هرگونه تغيير درتراكم داخلى قطعه منعكس مي شوند. امواج منعكس شده (پژواك ها) به صورت برجستگى هايى نسبت به خط مبنا، بر روى صفحه نمايش دستگاه ظاهر مي شوند. هنگامى كه عيب يا ترك داخلى توسط واحد جست و جو پيدا شود توليد ضربان سومي مي كند كه بين ضربان اول و دوم بر روى صفحه نمايش ثبت مي شود (شكل 8). بنابراين مشخص مي شود كه اين عيب بين سطوح بالاو بايين مصالح (در داخل جسم مصالح ) مي باشد.

شكل 8) آزمون فراصوتى براى تشخيص معايب سطحى و نواقص داخلى فلز جوش و فلز پايه .

پرتونگاري يكى از روشهاى آزمايش غير مخرب است كه نوع و محل عيوب داخلى و بسيار ريز جوش را نشان ميدهد. پرتو راديويى در ضخامت فلز نفوذ كرده و پس از عبور اين ضخامت لكه اى بر روى صفحه فيلم ايجاد مي كند. ميزان جذب پرتوهاى راديويى توسط مواد مختلف متفاوت است . نفوذ گل ، حفره كازى، تركها، بريدگى هاى كناره جوش و قسمتهاى نفوذ ناقص جوش تراكم كمترى نسبت به فولاد سالم دارند. بنابراين در حوالى اين قسمتها پرتو بيشترى به سطح فيلم مي رسد و عيوب فلز جوش ، به صورت لكه هاى تاريكى بر روى فيلم ثبت مي شوند.

اين آزمايشهاى مكانيكى نمونه جوش شده جهت تعيين مقاومت و ساير خواص مكانيكى، نسبتا ارزان قيمت بسيار كاربردى هستند. به همين جهت در سطح وسيعى براى ارزيابى و تاييد دستوالعمل جوشكارى و صلاحيت جوشكار به كار مي روند.

ساختمانهاى فولادى بخش قابل توجهى از ساخت و ساز در ايران را تشكيل مي دهند و يكي از مهمترين موضوعات در هر ساختمان فولادى بويژه از نقطه نظر مقاومت لرزه اى، كنترل جوشكارى آن ميباشد. جوشها در همه بخشها بايستى منطبق بر اطلاعات نقشه بوده و از لحاظ بعد و طول جوش و كنترل كيفيت لازم بررسى گردد. در اين خصوص حتى ممكن است در يك ساختمان فولادى كوچك به انجام آزمايشات غير مخرب (NDT) بر روى جوش نياز باشد. در استاندارد ، 2800، آزمايشات اولتراسونيك و راديوگرافى براى كنترل اتصالات جوشى قابهاى خمشى ويژه اجبارى شده است كه البته بسته به تشخيص مهندس ناظر در ساير حالات نيز انجام ميگيرد.

شکلها را در ادامه مطلب نگاه کنید .

سید مهدی زهرایی