جوش فورجینگ میلگرد (GPW)؛ مراحل و ضوابط جوش سر به سر

در این مقاله چه می‌آموزیم؟

• 1. انواع روش وصله میلگرد
  • 1.1. وصله پوششی
    • 1.1.1. مزایا و معایب وصله پوششی
  • 2.1. وصله اتکایی
    • 1.2.1. مزایا و معایب وصله اتکایی
  • 3.1. وصله مکانیکی
    • 1.3.1. مزایا و معایب وصله مکانیکی
  • 4.1.  وصله جوشی(فورجینگ، gpw)
• 2. مراحل و نحوه اجرای جوش فورجینگ
  • 1.2. تمیزکاری سطوح میلگردها
  • 2.2. حرارت‌دهی
  • 3.2. اعمال فشار هیدرولیکی
• 3. وظایف ناظران و مجریان در اجرای فورجینگ
• 4. تست جوش فورجینگ
  • 1.4. بازرسی چشمی
  • 2.4. تست التراسونیک
  • 3.4. تست خمش
  • 4.4. تست کشش
• 5. کاربرد جوش فورجینگ
• 6. ضوابط و الزامات آیین‌نامه‌ای جوش فورجینگ
• 7. مزایا و معایب جوش فورجینگ
• 8. انواع روش جوشکاری میلگرد
• 9. پرسش و پاسخ
• 10. نتیجه گیری 
• 11. منابع

1. انواع وصله میلگرد

تلاش‌های مهندسین تا به امروز در راستای اجرای وصله‌های پوششی آرماتورها، کاهش میزان آرماتور مصرفی در خصوص اجرای وصله در سازه‌های بتنی بوده است. ازجمله روش‌های متداول و مورداستفاده برای وصله آرماتورها:

▪️وصله پوششی (lap splices)

▪️وصله جوشی (welded splices)

▪️وصله اتکایی (end-bearing splices)

▪️وصله مکانیکی (mechanical splices)

شکل 1- انواع وصله آرماتور

1.1. وصله پوششی

وصله پوششی آرماتور از متداول‌ترین نوع اتصال آرماتور در زمینه اجرای سازه‌های بتنی است. این روش با قراردادن دو میلگرد به‌صورت موازی و با طول مشخص (طول همپوشانی یا طول مهاری مستقیم آرماتور)، انجام می‌شود. استفاده از وصله پوششی، تنها برای آرماتورهای با قطر کمتر از 34 میلی‌متر مجاز است.

1.1.1. مزایا و معایب وصله پوششی

🔻مزایا:

سهولت در اجرا و عدم نیاز به تخصص اجرایی

🔻معایب:

1. وصله پوششی منجر به افزایش مصرف آرماتور تا 20 درصد می‌شود و به تبع هزینه مصالح مصرفی و وزن سازه را نیز افزایش می‌دهد.
2. تراکم بالای آرماتورها در محل وصله‌ها
3. خروج از مرکزیت محوری در مقطع به علت هم‌راستا نبودن آرماتورهای وصله‌شده به یکدیگر

2.1. وصله اتکایی

وصله اتکایی روشی است که توسط یک قطعه سخت فلزی انجام می‌شود. همان‌طور که در شکل زیر ملاحظه می‌کنید روی این قطعه تعداد زیادی پیچ قرار دارد و این پیچ‌ها قطعه فلزی را به دو سر آرماتور متصل می‌کند.

شکل 2- وصله اتکایی آرماتور با سایز یکسان

شکل 3- وصله اتکایی آرماتور با سایز متفاوت

1.2.1. مزایا و معایب وصله اتکایی

🔻مزایا:

1. مقاومت بالاتر نسبت به وصله پوششی
2. کاهش طول و مقدار مصرف آرماتور

🔻معایب:

1. محدودیت در قطر آرماتور برای وصله‌کردن
2. فقط برای میلگردهای تحت‌فشار مناسب است

3.1. وصله مکانیکی

در این روش ابتدا میلگردها در اندازه‌های مدنظر برش داده می‌شوند، دو سر آرماتورها رزوه شده و توسط کوپلرهای اتصال‌دهنده به یکدیگر متصل می‌شوند. این روش شامل؛ اتصال مکانیکی فشاری، کششی و کششی- فشاری می‌شود.

1.3.1. مزایا و معایب وصله مکانیکی

🔻مزایا:

1. کیفیت بالای وصله‌ها، چراکه این کار اغلب در کارخانه و بادقت بالا صورت می‌پذیرد.
2. برای آرماتورهای با سایز بالا نیز مناسب است.
3. مقدار آرماتور مصرفی کاهش می‌یابد و وزن سازه کم‌تر می‌شود.

🔻معایب:

1. اجرای آن به‌اندازه وصله پوششی ساده نیست.
2. برای تأیید صلاحیت وصله، اجرای برخی آزمایش‌ها لازم است.

4.1. وصله جوشی(فورجینگ، GPW)

وصله جوشی میلگردها با جوش‌دادن انتهای دو میلگرد به یکدیگر و به دو روش فورجینگ و جوش با قوس الکتریکی انجام می‌شود. امّا در روش فورجینگ، جوش سر به‌ سر میلگرد، مانند دیگر جوش‌های معمول از نوع فیوژن نیست؛ بلکه در این فرایند میلگردها کمی بیش‌تر از دمای تبلور مولکولی‌شان داغ می‌شوند. در این نقطه فلز اصطلاحاً وارد حالت پلاستیکی خود می‌شود، حالتی که با فلز ذوب‌شده هنوز فاصله زیادی دارد. سپس به‌وسیله فشار پیوند مولکولی بین مولکول‌های دو میلگرد ایجاد می‌شود.

شکل 4- جوش فورجینگ

­­­­­­­­­­­­­

2. مراحل و نحوه اجرای جوش فورجینگ

اجرای جوش فورجینگ نیاز به تخصص و مهارت بالا دارد. در جوش فورجینگ، تشکیل اکسید روی سطح لبه‌های میلگرد بسیار حائز اهمیت است؛ زیرا به دما و یکنواختی حرارت بستگی دارد و اگر اکسیدها وارد قسمت جوش‌داده‌شده شوند، به‌شدت در کیفیت و مقاومت نهایی جوش تأثیرگذار هستند.

1.2. تمیزکاری سطوح میلگردها

به‌منظور جلوگیری از اکسیداسیون در محل جوش، باید سطح میلگرد عاری از هرگونه زنگ‌زدگی، خوردگی و… باشد. یکی از راه‌های مورد اطمینان در امر تمیزکاری، استفاده از دستگاه‌های برش میلگرد است؛ تمیزکاری باید بلافاصله قبل از شروع عملیات حرارت‌دهی باشد تا از اکسیدشدن مجدد سطح جلوگیری شود.

شکل 5- برش آرماتور در عملیات جوش فورجینگ

2.2. حرارت‌دهی

حرارت‌دهی آرماتورها با استفاده از مشعل مخصوص و ترکیب گازهای اکسیژن و اکسی‌استیلن انجام می‌شود. مهم‌ترین نکته، تنظیم فشار گاز واردشده به مشعل و نازل‌ها است که باید طبق استانداردهای بین‌المللی و با تخصص کافی انجام شود. به‌صورت تجربی مقدار فشار اکسیژن بین ۵ تا ۷ بار (bar) و اکسی‌استلین مقداری برابر با 0.5 بار است.

پس از تنظیم فشار، حرارت‌دهی شروع و تا زمانی که دمای دو سر آرماتور به ۱۲۰۰ تا ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد و حالت خمیری پیدا کند ادامه می‌یابد. حرارت‌دهی باید یکنواخت باشد تا ساختار جوش شکننده و ترد نشود. زمان لازم برای انجام هر وصله وابسته به سایز آرماتور تقریباً بین ۴۰ ثانیه تا ۳ دقیقه ادامه دارد.

نکته مهم در این مرحله، ایمنی در کار است، بدان معنا که باید به‌صورت مستمر از سلامت نازل‌ها و کنترل‌کننده‌های روی مشعل اطمینان حاصل نمود تا از بروز خسارات جانی و مالی ناشی از انفجار پیشگیری کرد. در شکل (7) تجهیزات جوشکاری فورجینگ قابل‌مشاهده است.

شکل 6- تنظیم دقیق آرماتورها توسط گیره و حرارت‌دهی با مشعل

3.2. اعمال فشار هیدرولیکی

پس از خمیری‌شدن آرماتورها، به‌وسیله جک هیدرولیکی و با فشار مناسب، دو سر آرماتور با یکدیگر ادغام می‌شوند. نکته مهم در این مرحله، واردکردن فشار یکسان به انتهای دو میلگرد است که باید بامهارت و تجربه کافی و مطابق با استانداردهای جوش فورجینگ باشد. به‌صورت تجربی در ازای هر یک سانتی‌متر از طول میلگرد، فشار بین ۳۰۰ تا ۴۰۰ بار اعمال می‌شود.

شکل 7- تجهیزات جوش فورجینگ

3. وظایف ناظران و مجریان در اجرای فورجینگ

با گسترش استفاده از جوش فورجینگ در ساخت‌وسازهای عمرانی، داشتن اطلاعات کافی مهندسین و ناظرین در پروژه حائز اهمیت است و باید در مراحل مختلف، فاکتورهای زیر را به ترتیب مورد بررسی و نظارت قرار دهند.

1- پیش از شروع کار، ناظر باید صلاحیت شرکت یا شخص حقوقی که قصد انجام پروژه را دارد؛ اعتبارسنجی کند. کادر فنی گروه باید دارای تخصص در زمینه جوشکاری و متالوژی باشد که دال بر داشتن گواهینامه رسمی فنی و حرفه‌ای است. همچنین عضویت تیم اجرایی در انجمن صنفی و داشتن مدارک مبنی بر استاندارد و کالیبره بودن دستگاه‌ها، مهم است.

2- در طول اجرای پروژه، ناظر و مجری باید به نکاتی از قبیل هم‌سایز بودن میلگردها (در صورت اختلاف سایز، این اختلاف کم باشد)، تمیز بودن سطح، هم‌راستایی میلگردها و حرارت مناسب جوش توجه کنند. همچنین نسبت به نمونه‌برداری از جوش و ارسال آن به صورت مرحله‌ای به آزمایشگاه‌های معتبر اقدام نمایند. مطابق استاندارد ملی ایران به شماره 22442 جهت سنجش کیفیت جوش، آزمایشاتی نظیر تست خمش 90 درجه و در وهله دوم تست التراسونیک یا تست کشش مورد قبول می‌باشد.

3- در پایان، نتایج آزمایشگاه به همراه گواهینامه پیمانکار فورجینگ‌ و عضویت وی در انجمن صنفی و مدارک کالیبراسیون دستگاه‌ها باید در پرونده‌های پروژه بایگانی شود تا در صورت بروز مشکلات احتمالی، ناظر و مجری بتوانند از کار خود دفاع کنند.

4. تست جوش فورجینگ

کیفیت جوش فورجینگ را می‌توان با روش‌های ذیل ارزیابی کرد.

1.4. بازرسی چشمی

از جمله بازرسی‌های اولیه و مهمی که می‌تواند در محل اجرای پروژه صورت گیرد، بازرسی چشمی جوش فورجینگ است که تمرکز آن روی ابعاد و شکل قسمت برآمده، با استفاده از کولیس و خط‌کش است. در این بازرسی، مطابق استانداردهای صنعتی ژاپن (JIS) موارد ذیل مطرح است.

▪️هیچ‌گونه ترک، خم‌شدگی و ذوب‌شدگی نباید در محل جوش مشاهده شود.

▪️قطر و طول بخش برآمده باید به ترتیب، 1/4 و 1/1 برابر قطر استاندارد اسمی میلگرد باشد.

شکل 8- شناسایی قطر و طول محل جوش

▪️ مقدار دلتا باید بیشتر از  4 / 1  قطر استاندارد میلگرد باشد.

شکل 9- جابجایی سطح جوش فشاری

▪️ مقدار غیر هم‌مرکز بودن محورهای گذرنده از مرکز میلگردها باید کوچک‌تر از 5 /1  قطر استاندارد میلگرد باشد.

شکل 10- ناهم راستایی

شکل 11- بازرسی چشمی

2.4. تست التراسونیک

برای ارزیابی کیفیت و یکپارچگی اتصالات جوش فورجینگ به کار می‌رود که یک نوع روش غیرمخرب محسوب می‌شود. با قراردادن مبدل التراسونیک در محل جوش و استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا سپس بازگرداندن امواج به مبدل، نمایش بصری از ساختار داخل جوش نمایان می‌شود که با تحلیل نتایج، عیوبی نظیر ترک، عدم هم‌جوشی یا تخلخل شناسایی می‌شوند.

شکل 12- تست التراسونیک

3.4. تست خمش

از انواع روش‌های مکانیکی به شمار می‌رود. محل جوشکاری توسط دستگاه هیدرولیک، تحت‌فشار قرار می‌گیرد و تا تشکیل زاویه 90 درجه نباید هیچگونه ترک‌خوردگی یا شکستگی در میلگرد مشاهده شود. در روش دقیق‌تر، نمونه تحت خمش 3 نقطه‌ای و 4 نقطه‌ای توسط دستگاه کشش یونیورسال جهت تعیین مقاوت جوش در برابر خم‌شدگی به کار می‌رود. در آزمایش خمش، زمانی میلگرد از نظر خمش مورد تائید است که پس از خم کردن، ترکی در منطقه جوش شده به وجود نیامده باشد.

شکل 13- تست خمش 3 نقطه‌ای

شکل 14- تست خمش 4 نقطه‌ای

شکل 15- نمونه تست‌شده مورد تائید

4.4. تست کشش

نوع دیگری از روش‌های مکانیکی است که نمونه جوشکاری شده در معرض کشش محوری با افزایش تدریجی نیروی اعمالی قرار می‌گیرد تا میلگرد جاری شود؛ لذا محل جوش و مجاور آن نباید به نقطه جاری شدن و شکست برسد. به‌این‌ترتیب خواص مکانیکی مهم مانند استحکام کششی نهایی، استحکام تسلیم و افزایش طول میلگرد مورد ارزیابی واقع می‌شود.

شکل 16- تست کشش

شکل 17- نمونه تست‌شده مورد تائید

5. کاربرد جوش فورجینگ

▪️جوش فورجینگ در صنعت هوافضا نقش مهمی دارد؛ زیرا اکثر قطعات هواپیما توسط این جوش به هم متصل می‌شوند.

▪️انواع قطعات ماشین‌های کشاورزی، خودرو، کشتی و دوچرخه با جوش فورجینگ متصل می‌شوند.

▪️در تولید لوله‌های تفنگ شکاری مورداستفاده قرار می‌گیرد.

▪️انواع محفظه فشار، مقاطع تیرهای برق و بویلرها با استفاده از این روش ساخته می‌شوند.

از کاربرد جوش فورجینگ در صنعت ساختمان به مواردی از قبیل اتصال میلگردها در سازه‌های فلزی و بتنی، فونداسیون، دیوار برشی و شمع‌ها اشاره می‌شود. افزایش مقاومت سازه در برابر زلزله، کاهش تراکم میلگرد و یکپارچه‌سازی بتن، صرفه‌جویی در مصرف میلگرد از جمله عواملی است که باعث استفاده از جوش فورجینگ در صنعت ساختمان می‌شود.

6. ضوابط و الزامات آیین‌نامه‌ای جوش فورجینگ

مطابق با بند 9-21-4-7-1 مبحث نهم (ویرایش 1399)، استفاده از وصله جوشی را برای میلگردهای با قطر 20 میلی‌متر و بیش‌تر توصیه کرده‌است و در بند 2-7-4-21-9  به ارجحیت استفاده از اتصال سر به سر مستقیم با جوش نفوذی در وصله‌های جوشی برای میلگردهای با قطر زیاد توصیه می‌کند.

مطابق بند 3-7-4-21-9 وصله‌های جوشی باید الزامات ضوابط مبحث دهم مقررات ملی را اقناع نمایند. با استناد به بندهای فوق الذکر می‌توان دریافت که اتصال سر به سر مستقیم با جوش نفوذی همان اتصال جوشی ذوبی با الکترود از نوع اتصال جوشی نوک به نوک است که در ویرایش سال 92 مبحث نهم نیز به آن اشاره شده‌است.

در واقع مبحث نهم ویرایش 99 بر خلاف مبحث نهم قدیمی که در بند 9-21-4-1-6 به جوش فورجینگ با عنوان جوش نوک به نوک خمیری( جوش الکتریکی تماسی) اشاره کرده بود، در خصوص جوش فورجینگ اظهار نظر نکرده است.

در بندهای 9-22-6-1-1 و 9-22-12-4 در خصوص توجه طراح به نوع و موقعیت وصله‌های جوشی و سایر الزامات جوش میلگرد، وظیفه ناظر در مورد لزوم انجام آزمایش جوش‌پذیری اظهارنظر کرده‌است. در استاندارد ملی 22442 نیز روش آزمون و معیارهای پذیرش اتصال مطرح شده‌است.

در این بند از ویرایش 99 مبحث نهم به بررسی محدودیت‌های طراحی آرماتورهای طولی تیر و ستون می‌پردازیم.

7. مزایا و معایب جوش فورجینگ

🔻مزایا:

▪️با این روش راحت‌تر می‌توان میلگردهای کوتاه شده را به‌جای دور ریختن به‌عنوان ضایعات، به‌هم جوش داد و مجدداً استفاده کرد.

▪️صرفه‌جویی ۲۰ تا ۳۰ درصدی در مصرف میلگرد باتوجه‌به اینکه همپوشانی حذف می‌شود.

▪️کم‌شدن وزن سازه و صرفه‌جویی در هزینه‌ها

▪️استحکام بالای اتصال میلگرد

🔻معایب:

▪️جوش فورجینگ نیاز به تجهیزات و دانش فنی دارد.

▪️شرایط محیطی در این روش بسیار مهم است؛ چراکه وزش باد یا هوای سرد، کیفیت جوش را کاهش داده و جوش شکننده می‌شود.

▪️زمان دقیقی برای عملیات حرارت‌دهی مطرح نشده و فرد باید به‌صورت تجربی جوشکاری را انجام‌دهد.

▪️پارامترهای دخیل در کیفیت اتصال مانند: تمیزی سطح میلگرد، دمای جوشکاری و اعمال فشار در کیفیت نهایی جوش اثرگذارند.

مقایسه وصله آرماتورها با وصله پوششی، وصله مکانیکی و جوش فورجینگ

1. لازمه اجرای جوش فورجینگ، داشتن مهارت و تخصص است؛ اما دو روش دیگر، آسان‌تر اجرا می‌شوند.
2. سرعت اجرا به ترتیب در وصله پوششی، جوش فورجینگ و وصله مکانیکی از کم به زیاد طبقه‌بندی می‌شود.
3. میزان آرماتور مصرفی جوش فورجینگ و وصله مکانیکی کمتر از وصله پوششی هستند.
4. دمای مناسب محیط، استفاده از تجهیزات مخصوص فورجینگ، باعث سختی کار و گران‌تر شدن این روش می‌شود؛ هزینه دستمزدی وصله پوششی ناچیز است؛ ولی با افزایش مصرف میلگرد، باعث سنگین و غیراقتصادی شدن پروژه می‌شود. وصله مکانیکی نیز نیازمند کوپلر است. با این ‌حال باتوجه‌به اقتضای پروژه و خواست کارفرما درباره هزینه‌ها تصمیم‌گیری می‌شود.
5. در ایران وصله پوششی به دلیل پایین‌بودن هزینه، سرعت اجرا، آسان و در دسترس بودن همچنان موردتوجه قرار دارد.

8. انواع روش جوشکاری میلگرد

▪️جوشکاری قوس الکتریکی: جوشکاری با قوس الکتریکی بین الکترود و قطعه کار انجام می‌شود.

▪️جوشکاری با قوس محافظ گاز: در این جوش، از یک گاز بی‌اثر مانند آرگون یا هلیوم استفاده می‌شود.

▪️فرایندهای ترموشیمیایی: جوشکاری با سوزاندن اکسیژن و استیلن صورت می‌گیرد و برای جلوگیری از اکسیدشدن فلز پایه، یک شعله خنثی یا کاهنده به کار برده می‌شود و در آن، اتصال بدون ذوب کامل فلز پایه انجام می‌شود که علت استفاده این روش در وصله میلگردها این نکته است.

9. پرسش ‌و پاسخ

10. نتیجه‌گیری 

وصله آرماتور از موارد مهم و قابل‌توجه در سازه‌های بتن‌آرمه است و مباحث مقررات ملی و نشریه‌های گوناگون، در زمینه طراحی، اجرا و نظارت، ضوابط خاصی را مدنظر قرار داده‌اند تا بادقت و کیفیت مناسب انجام شود. روش‌های مختلفی برای وصله آرماتورها وجود دارد، از جمله وصله پوششی، مکانیکی، جوشی و اتکایی که در مورد مزایا و معایب هر یک از آنها در این مقاله به‌صورت کامل توضیحات ارائه شد. انتخاب روش مناسب وصله وابسته به نظر طراح، کارفرما، شرایط پروژه و… بستگی دارد و توجه به این امر می‌تواند به صرفه‌جویی در هزینه، مصالح، کاهش وزن سازه، زمان، کیفیت و استحکام سازه کمک کند.

11. منابع

1. بررسی انواع روش جوشکاری مانند جوشکاری ذوبی و زیر آبی
2. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1399.
3. بررسی تجهیزات جوشکاری مانند تجهیزات ایمنی
4. استاندارد ملی شماره 22442 – اتصال میلگردهای فولادی جوشکاری شده به روش فشاری گازی (فورجینگ)
5. آموزش اصول بازرسی جوش مخرب و غیرمخرب
6. طراحی ستون بتنی؛ محاسبه تعداد میلگرد در هر ستون
7. طراحی تیر بتنی؛ گام‌به‌گام محاسبه تعداد میلگرد تیر بتنی در ایتبس