طراحی جوش شیاری؛ اصول طراحی جوش شیاری مطابق آیین نامه همراه با 5 ویدئو جامع

در این مقاله چه می‌آموزید؟

• 1. جوش شیاری چیست؟
  • 1.1. فلسفه وجودی جوش شیاری
  • 2.1. انواع اتصال با جوش شیاری (Groove Weld)
  • 3.1. هندسه جوش شیاری (Groove Weld)
    • 1.3.1. تعریف دهانه یا بازشدگی ریشه (Root Opening)
    • 2.3.1. پاشنه ی پخ، پیشانی یا ضخامت ریشه
    • 3.3.1. زاویه شیار یا زاویه پخ (Groove Angle or Bevel Angle)
    • 4.3.1. عمق پخ (Depth of Bevel)
  • 4.1. آماده سازی لبه ها (Edge Preparation)
    • 1.4.1. روش های آماده سازی لبه ها
    • 2.4.1. انواع درز (Gap) برای جوش شیاری
      • 1.2.4.1. درز ساده، گونیا یا مربعی (Square Groove Weld)
      • 2.2.4.1. آماده سازی لبه های مورب (Scarf Groove Weld)
      • 3.2.4.1. اتصال لب به لب با پخ جناغی دو طرفه (X) و یک طرفه (V)
      • 4.2.4.1. جوش لب به لب با پخ های نیم جناغی
      • 5.2.4.1. جوش لب به لب با پخ لاله ای (U) و نیم لاله ای (J)
      • 6.2.4.1. جوش شیاری با پخ شیاری منحنی یک طرفه و دو طرفه (Flare)
    • 3.4.1. رواداری مجاز مونتاژ قطعات
  • 5.1. انتخاب تعداد پاسهای جوشکاری
  • 6.1. انواع جوش شیاری بر اساس میزان نفوذ فلزجوش
  • 7.1. مراحل اجرای جوش شیاری
  • 8.1. کاربرد قطعه ی پشت بند (Backing) در جوشکاری
  • 9.1. سوراخ های دسترسی برای جوشکاری و برش بال های تیر در محل اتصال
  • 10.1. علائم جوش شیاری در نقشه ها
• 2. ضوابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در مورد جوش شیاری
  • 1.2. تعاریف مربوط به جوش شیاری
  • 2.2. تعیین مقاومت انواع جوش شیاری
  • 3.2. موارد کاربرد جوش شیاری مطابق با مبحث دهم مقررات ملی ساختمان
• 3. نتیجه گیری

1. جوش شیاری چیست؟

جوش شیاری به عنوان یکی از مناسب ترین و سریع ترین روش های اتصال قطعات به یکدیگر در صنایع مختلف کاربرد دارد. در صنایع لوله سازی برای تولید لوله های طویل یا با اشکال مختلف، در صنایع نفت و پتروشیمی و در صنعت گاز برای اتصال خطوط لوله انتقال گاز از جوش شیاری استفاده می شود. در صنعت ساختمان بعد از جوش گوشه برای جوشکاری اتصالات سازه-های فولادی، استفاده از جوش نفوذی یا شیاری کاربرد بسیاری دارد.

همان طور که از نامش پیداست برای اجرای آن قبل از شروع جوشکاری باید لبه ی یک یا هر دو قطعه از یک یا هر دو طرف، با زاویه و فاصله ی مناسب و دقیق آماده شود. بر اساس میزان نفوذ مذاب جوشکاری، دو نوع جوش شیاری با نفوذ کامل(CJP) و جوش شیای با نفوذ نسبی(PJP) تعریف شده است.

جوش شیاری با نفوذ کامل به دلیل مقاومت بالا در برابر خستگی و بارهای دینامیکی، در اغلب اتصالات گیردار از پیش-تاییدشده مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، کاربرد دارد. از آنجا که هدف از اجرای جوش شیاری، انتقال کل نیروی قطعات متصل شونده به یکدیگر است؛ بنابراین باید مقاومت جوش بیشتر یا برابر با مقاومت فلز پایه باشد و برای این منظور باید با انجام آزمون های غیرمخرب، از نفوذ کامل فلز جوش اطمینان حاصل شود. در ادامه با جزئیات این نوع جوش آشنا خواهید شد.

1.1. فلسفه وجودی جوش شیاری

تفاوت جوش شیاری و جوش گوشه در چیست؟

به طورکلی هدف اصلی از فرایند جوشکاری، ایجاد اتصالی قوی بین قطعات است؛ به گونه ای که در برابر انواع بارگذاری و عوامل خارجی مانند یک جسم واحد عمل کنند و از هم گسسته نشوند. واضح است که هرچه میزان نفوذ عامل اتصال(مذاب جوش) در قطعات بیشتر باشد، این یکپارچگی بیشتر خواهد بود. با افزایش کیفیت جوشکاری و استفاده از روش اجرای مناسب، این هدف به درستی حاصل خواهد شد.

همان طور که در مقاله قبل گفتیم، جوش گوشه یک جوش با درز بسته(Close Root) است که عموماً نیاز به آماده سازی خاصی ندارد و تنها وظیفه انتقال بار را در سازه ها برعهده دارد. جالب است بدانید سازه پل طبیعت تهران با استفاده از جوش گوشه اجرا شده است. اما هنگامی که در یک اتصال، علاوه بر انتقال نیرو لازم است خود جوش نیز در تحمل نیروها مشارکت کند و به نوعی بخشی از فلز پایه تلقی گردد، جوش شیاری مطرح می گردد که درصورت رعایت همه ضوابط طراحی و جوشکاری، از استحکام بالایی برخودار است. برای دستیابی به این هدف لازم است با دقت لبه سازی انجام گیرد.

جوش شیاری یا جوش گوشه؟

از منظر اصول طراحی سازه، مهم ترین دلایل استفاده از جوش شیاری، تامین ظرفیت باربری بالا توسط اتصال جوشی در بارگذاری های تناوبی و دوام آن در برابر ضربه است. از طرفی در تعیین نوع و هندسه ی جوش شیاری باید به هزینه ی اجرایی طرح نیز توجه داشت.

در یک آزمایش، برای تامین جوش تمام قدرت با ظرفیت کامل(100%) در یک اتصال سپری، انتخاب های زیر از نظر هزینه ی اجرا با یکدیگر مقایسه شده اند:

1. جوش گوشه ی دوطرفه (ساق جوش حدود 75% ضخامت ورق اتصال)
2. جوش شیاری نیم جناغی دوطرفه با نفوذ کامل (زاویه پخ 45 درجه و دهانه ی ریشه 3 میلی متر)
3. جوش شیاری با نفوذ نسبی (زاویه پخ 60 درجه)

در تعیین هزینه ی اجرا، علاوه بر هزینه های مصالح و دستمزد اپراتور جوشکاری، باید به میزان زمان لازم برای اجرای طرح نیز توجه داشت. به طور مثال در قطعات نازک که با جوش گوشه ی دوطرفه جوابگو هستند، بهتر است سراغ جوش شیاری که نیاز به آماده سازی لبه ی ورق ها دارد، نرویم.

مقایسه ی هزینه های آماده سازی ورق و جوشکاری در آزمایش فوق نشان داده است که در اتصالاتی با ورق های نازک تر از 25 میلی متر، استفاده از جوش گوشه ی دوطرفه و برای ورق های با ضخامت بالای 25 میلی متر جوش شیاری با نفوذ نسبی، بهینه است. برای جوشکاری ورق های با ضخامت بالای 40 میلیمتر، استفاده از جوش شیاری نیم جناغی دوطرفه با نفوذ کامل، توجیه اقتصادی دارد.

بنابراین طراح سازه با داشتن یک دید اجرایی مناسب، می تواند طرحی اقتصادی و ایمن ارائه دهد. بنابراین در هر سازه باید تمامی جوانب کار توسط طراح سنجیده شود و با توجه به ضوابط آیین نامه طرح خود را ارئه نماید.

2.1. انواع اتصال با جوش شیاری (Groove Weld)

به کمک جوش شیاری اجرای انواع اتصالات با کیفیت مناسب امکان پذیر است. یکی از نکاتی که در تشخیص نوع اتصال باید به آن توجه داشت، این است که در اکثر موارد یک قطعه در نقش تکیه گاه عمل می کند و قطعه ی دوم به آن متصل می شود.

به عنوان یادآوری از مقالات قبلی جوش، انواع رایج اتصالات بر اساس نحوه قرارگیری قطعات را در ادامه مرور می نماییم:

1. اتصال لب به لب (Butt joint): در این حالت، دو ورق به صورت سر به سر در حالت افقی و در یک راستا قرار دارند.
2. اتصال پوششی (Lap joint): در این حالت، ورق دوم به صورت افقی مانند یک پتو روی قسمتی از ورق پایه را می پوشاند.
3. اتصال سپری یا گونیا (T-joint): در این حالت، ورق دوم با زاویه ی 90 درجه روی ورق پایه جوش می شود.
4. اتصال گوشه (Corner joint): این حالت مشابه اتصال سپری است با این تفاوت که گوشه ی ورق ها به هم جوش می شود.
5. اتصال لبه (Edge joint): این حالت مشابه اتصال پوششی است، با این تفاوت که لبه ی مشترک دو ورق به صورت همباد یکدیگر جوشکاری می شود.

شکل 1. اتصال لب به لب(Butt joint) با انواع جوش شیاری

با مشاهده ی این ویدئو، با انواع رایج اتصال به طورکامل آشنا خواهید شد.

3.1. هندسه جوش شیاری (Groove Weld)

همان طور که از نام این نوع جوش مشخص است، میزان نفوذ فلز جوش در این نوع نسبت به جوش گوشه بیشتر است. به همین دلیل نیاز است که پیش از شروع جوشکاری، قالب و بستر مناسب برای قرارگیری مذاب جوش را آماده نماییم. اصطلاحا باید درز(Gap/Joint) لازم بین قطعات اتصال تامین شود.

عدم دقت در آماده سازی لبه ها و هندسه ی درز بر اساس دستورالعمل جوشکاری(WPS)، به علت تاثیر در روند سرد شدن مذاب، منجر به ایجاد ترک های داخلی در جوش شیاری می گردد. شایان ذکر است که برای طراحی ابعاد و زوایای لبه ها بدون انجام آزمایش های غیرمخرب جهت تایید WPS، متناسب با فرآیند جوشکاری(دستی یا انواع ماشینی) باید به جوش درزهای از پیش تاییدشده مانند AWS D1.1 مراجعه شود.

درغیراین صورت، برای اطمینان از کیفیت طرح لازم است نمونه های آزمایشی (PQR)طبق استاندارد تهیه و بررسی شوند. در صورت استفاده از جداول استاندارد، باید تمامی ضوابط مربوط به طرح از قبیل سرعت جوشکاری، شدت جریان، نیاز یا عدم نیاز به قطعه ی پشت بند و … کاملا براساس رواداری های مجاز رعایت گردد. در هرصورت انجام آزمایشات تایید کیفیت الکترود برای ارزیابی WPS الزامی است.

نکته: دستورالعمل جوشکاری WPS: Welding Procedure Specification توسط پیمانکار جوشکاری تهیه می شود و شامل نام و کد جوشکار، کد سازنده یا خط، نوع فرایند جوشکاری، تمامی لوازم و وسایل مورد استفاده، چند پاسه بودن کار، نوع الکترود، گاز محافظ و ترکیب و فلوی آن، نوع آلیاژ و … است. جوشکار بر اساس WPS کار را اجرا نموده و بازرس(ناظر) کیفیت کار را کنترل می نماید.

نکته: یکWPS پس از انجام آزمون های PQR: Procedure Qualification Record (مخرب یا غیرمخرب) روی سازه آزمایشی و ارائه ی نتیجه مثبت، قطعیت پیدا می کند و قابل اجرا است.

جوش شیاری در ساختمان عموما برای یکپارچه نمودن ورق ها در تولید ستون های قوطی، تیرورق ها و اتصالات گیردار تیر به ستون کاربرد بیشتری دارد. دقت نمایید که هندسه ی درز، در کیفیت و اقتصاد جوش شیاری تاثیر زیادی دارد. برای درک این موضوع لازم است با اجزای مختلف شیار آشنا شویم.

در یک اتصال لب به لب، تمام حالت های مختلف جوش شیاری قابل اجراست. بخش های مختلف یک اتصال لب به لب با جوش شیاری عبارتند از:

میزان بازشدگی یا دهانه ی ریشه ی درز(Root Opening)
پیشانی ریشه(Root Face)
سطح شیار(Groove Face)
زاویه ی پخی لبه ی درز(Bevel angle)
زاویه شیار(Groove angle)
علامت نوع پخ(Symbol)
ضخامت ریشه(Plate Thickness)

شکل 8. بخش های مختلف یک اتصال لب به لب با جوش شیاری

1.3.1. تعریف دهانه یا بازشدگی ریشه (Root Opening)

به منظور امکان دسترسی الکترود به ریشه ی جوش شیاری، فاصله ی معینی بین دو قطعه ی اتصال در نظر گرفته می شود که به دهانه ی ریشه (R) معروف است. این فاصله باید به اندازه ای باشد که نوک الکترود دستی یا نازل جوشکاری گاز، قادر به رسیدن به ریشه و اجرای پاس ریشه باشند.

بین زاویه ی پخی لبه (Bevel angle) با دهانه ی ریشه (Root Opening)، یک رابطه ی معکوس برقرار است. یعنی هرچه زاویه پخی کمتر باشد، لازم است دهانه ی ریشه بیشتر شود تا جوشی با نفوذ مناسب تامین گردد. جالب است بدانید که دهانه ریشه خیلی بزرگ تاثیری بر کیفیت جوش شیاری ندارد اما غیراقتصادی است و باعث افزایش مصرف مصالح جوش، هزینه ها، احتمال اعوجاج و احتمال سوختن لبه ی اتصال می شود. وقتی دهانه ی ریشه زیاد و جوشکاری از یک طرف قطعات باشد، به منظور جلوگیری از ریزش جوش باید از قطعه ی پشت بند(Backing Strip/Bar) استفاده نمود. در کارخانه ها برای جلوگیری از ریزش مذاب در اجرای سمت اول جوش های شیاری دوطرفه، از تسمه های فاصله دهنده با ابعاد معین استفاده می شود.

نکته: در جوشکاری دستی با الکترود روکش دار(SMAW) در صورتی که دهانه ی ریشه بیش از 3 میلی متر باشد، به پشت بند نیاز داریم.
برای تعیین میزان دهانه ی ریشه (R) باید دقت داشت که دهانه ریشه، خیلی کوچک نباشد. زیرا در این صورت باید از الکترود باریک استفاده شود که سرعت جوشکاری را پایین می آورد. همچنین به دلیل پل زدن جوش در محل ریشه، تفاله و خاکستر جوشکاری پس از اتمام پاس اول جوشکاری باقی مانده و حذف آن برای اجرای پاس های بعدی سخت و زمان گیر است. در این حالت احتمال وقوع عیب عدم نفوذ کافی مذاب به ریشه نیز وجود دارد.

شکل 9. اهمیت کنترل دقیق هندسه درز قطعات

شکل 10. بخش های مختلف درز لاله ای و جناغی

انتخاب قطر الکترود یا سیم جوش متناسب با دهانه ریشه نیز حایز اهمیت است. در استاندارد AWS D1.1 به انواع مجاز الکترود اشاره شده است.
برای مثال، بر اساس کتاب راهنمای جوشکاری، برای اجرای پاس ریشه در وضعیت جوشکاری تخت، حداکثر قطر الکترود روکش دار برای جوشکاری دستی به 5 میلی متر بدون پشت بند و 6 میلی متر با پشت بند محدود شده است. مابقی حالات مطابق شکل 11 قابل استفاده است.

شکل 11 حداکثر قطر الکترود برای جوش شیاری AWS D1.1

نکته: در مناطق زلزله خیز، درصورت استفاده از فرایند جوشکاری با الکترود دستی(SMAW) برای جوش های نفوذی اتصالات قاب های خمشی ویژه و متوسط و تیر پیوند قاب های مهاربندی شده واگرا، استفاده از الکترودهای روتیلی یعنیE6013 و E7024 مجاز نیست. لازم است از الکترود های قلیایی یعنی E7018, E7016 یا E7028 استفاده شود. برای سایر اتصالات نیز باید از الکترودهای قلیایی استفاده شود، مگر این که الکترود روتیلی ویژه با ضمانت آزمون ضربه تهیه شده باشد.

در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان نیز در بند 10-4-6-1-2، حداکثر فاصله ی ریشه برای جوش شیاری با نفوذ نسبی به 5 میلی-متر محدود شده است که نشان دهنده ی اهمیت این مساله است.

2.3.1. پاشنه ی پخ، پیشانی یا ضخامت ریشه (Root Face)

به منظور پیش گیری از سوختن ریشه ی جوش و یا ریزش مواد مذاب جوش، به دلیل شیب سطح لبه، در محل ریشه ی جوش، قطعات را به صورت قائمه اجرا می نمایند. این ضخامت را اصطلاحا پاشنه پخ یا پیشانی یا ضخامت ریشه می نامند. وجود پاشنه ی جوش عامل کنترل کشش سطحی و ایجاد شکل سطح ریشه جوش مناسب و در برخی موارد، ایجاد تقعر در ریشه جوش است. وجود پاشنه ی جوش زیاد، موجب عدم نفوذ کافی فلز جوش و پاشنه جوش کم باعث ریزش مذاب خواهد شد.

شکل 14. عدم ریزش مواد مذاب با اجرای پاشنه در ریشه

اجرای پاشنه، سخت و زمان بر است و با استفاده از دو برش یا یک برش و یا سنگ زدن انجام می شود. در جوش های دوطرفه نفوذ کامل، به منظور اطمینان از امتزاج کامل جوش ریشه ی یک سمت با جوش طرف پشت قطعه، لازم است رواداری مجاز پیشانی ریشه رعایت گردد. در این اتصالات، قبل از شروع جوشکاری پشت قطعه، لازم است جوش ریشه ی روی قطعه، سنگ زده شود.

همان طور که در شکل 15 می بینید، در جوش نفوذی یک طرفه در صورت استفاده از پشت بند، نیازی به ضخامت ریشه نیست، زیرا موجب ایجاد حفره و تجمع گاز در جوشکاری می گردد.

شکل 15. عدم اجرای پیشانی ریشه با وجود پشت بند

برای تعیین میزان ضخامت ریشه بهتر است از جوش درزهای استاندارد از پیش تاییدشده استفاده نمود. این جداول براساس آزمایشات و تحقیقات، متناسب با فرآیند جوشکاری، ضخامت فلز پایه، نوع اتصال و وضعیت جوشکاری تهیه شده اند و کار با آنها آسان است. در ادامه نمونه هایی از این جداول استاندارد ارائه خواهیم نمود.

شایان ذکر است که در انتخاب هندسه ی درز باید رواداری های مجاز را رعایت کنیم؛ درغیراین صورت، قبل از انجام جوشکاری ملزم به انجام آزمایشات لازم روی نمونه، جهت تایید کیفیت طرح خواهیم بود.

برای استفاده از این جداول استاندارد لازم است مراحل زیر را طی کنیم:

1. تعیین نوع اتصال بر اساس نحوه ی قرارگیری قطعات در کنار یکدیگر
2. تعیین شکل درز (جناغی، لاله ای، مربعی یا …)
3. انتخاب روش جوشکاری(دستی یا ماشینی)
4. انتخاب وضعیت جوشکاری(تخت، افقی یا …)
5. انتخاب نوع جوش شیاری(نفوذ کامل یا نسبی)
6. مراجعه به جدول مربوطه و توجه به تذکرات هر طرح

نکته: برای دستیابی به این جداول استاندارد برای طراحی جوش شیاری نفوذ کامل و نسبی می توانید به فصل دوازدهم کتاب راهنمای جوش و اتصالات جوشی در ساختمان های فولادی ویرایش1390 و یا استاندارد جوشکاری امریکا (AWS D1 .1/D1 .1 M:2020) مراجعه نمایید. در ابتدای هر فصل، علامات اختصاری و تذکرات مربوطه ارائه شده است که باید به تمام آنها توجه شود.

برای جوشکاری قطعات ضخیم (بالای 40 میلی متر) که معمولا با چندین پاس جوشکاری تکمیل می شوند، باید دقت بیشتری نمود و از پیش گرمایش مطابق ضوابط مربوطه استفاده نمود. سرعت جوشکاری، شدت جریان و … همگی بر کیفیت جوش موثرند.

شکل 16. نمونه ای از جوش درز استاندارد برای طراحی هندسه درز (AWS D1.1/D1.1M:2020)

3.3.1. زاویه شیار یا زاویه پخ (Groove Angle or Bevel Angle)

هدف اصلی از تحمل هزینه و سختی آماده سازی لبه ها، ایجاد امکان نفوذ فلز جوش در تمام ضخامت ورق و حصول اطمینان از ذوب و امتزاج کامل بین فلزجوش و فلز پایه در تمام سطح اتصال است. این امر با افزایش زاویه ی پخ و یا افزایش دهانه ی ریشه و یا ترکیب هردو روش امکان پذیر است. انتخاب زاویه ی پخ مناسب، به محل کار و زاویه ی مانور الکترود در محل کار بستگی دارد.

در جوش های شیاری دوطرفه(Double Groove Weld)، ممکن است در دو طرف اتصال، از زوایای پخ متفاوت استفاده گردد. در هنگام آماده سازی لبه ها باید تعادلی بین زاویه ی پخ و دهانه ی ریشه ایجاد گردد. در کتاب راهنمای جوش و اتصالات جوشی برای اتصالات لب به لب، زاویه پخی حداقل 45 درجه توصیه شده است.

در جداول استاندارد برای هر نوع اتصال، زاویه و رواداری مجاز آن تعریف شده است و در توضیحات ابتدایی، محدوده مجاز تغییرات ارائه شده است. برای مثال در اتصال کنج، زاویه بین قطعات اتصال می تواند بین 45 تا 135 درجه و در اتصال سپری، بین 45 تا 90 درجه تغییر یابد، به شرط آنکه هندسه اصلی درز و ضخامت گلوگاه موثر حفظ شود. زوایای کمتر از 30 درجه که در جداول استاندارد موجود نیست، باید حتما آزمایش شوند.
نکته: معمولا برای ورق های با ضخامت کمتر از 6 میلیمتر، لبه ها پخ زده نمی شوند و درز ریشه حدود 2 میلیمتر کفایت دارد. این نوع به درز ساده، گونیا یا مربعی معروف است که در ادامه معرفی خواهد شد.

شکل 20. توضیحات جداول استاندارد درز جوش شیاری( راهنمای جوش و اتصالات جوشی)

نکته: جهت صرفه ی اقتصادی بهتر است زاویه ی پخ و دهانه ی ریشه در حداقل مجاز اجرا شده و از الکترود سازگار طبق دستورالعمل جوشکاری تاییدشده استفاده شود. به منظور پیشگیری از بروز ترک های داخلی، به صورت تجربی توصیه می شود که نسبت عرض جوش به عمق نفوذ مذاب جوش بین 1 تا 1/4 رعایت گردد.

4.3.1. عمق پخ (Depth of Bevel)

به فاصله ی عمودی از سطح فلز پایه تا شروع پاشنه ی جوش، عمق پخ گفته می شود که بیانگر عمق آماده سازی لبه ی اتصال می باشد. این فاصله با مذاب فلز جوش پر می شود و در جوش های شیاری با نفوذ نسبی حایز اهمیت است. در جوش های شیاری دوطرفه(Double Groove Weld)، ممکن است در دو طرف اتصال، از عمق پخ متفاوت استفاده گردد اما در هیچ شرایطی عمق شیار نباید کمتر از 25 درصد ضخامت قطعه نازک تر باشد. چنانچه در دستورالعمل جوشکاری(WPS)، عمق پخ و سایز جوش ذکر نشود، منظور اجرای جوش شیاری با نفوذ کامل است.

در ورق های نازک تر معمولا با جوشکاری از یک سمت، نفوذ کامل حاصل می شود اما قطعات ضخیم تر باید از دوطرف جوشکاری شوند تا در مصرف الکترود هم صرفه جویی شود. در جدول 10-4-6 مبحث دهم ویرایش 1392، رواداری های مجاز مونتاژ درزها برای اجرای جوش شیاری ارائه شده است. با رعایت این حدود رواداری می توان مقداری در طرح جداول استاندارد تغییر مجاز ایجاد نمود.

4.1. آماده سازی لبه ها(Edge Preparation)

همان طور که گفتیم، وجه تمایز جوش شیاری با گوشه علاوه بر میزان نفوذ مذاب جوش، نیاز به آماده سازی لبه ها قبل از شروع جوشکاری است. این مرحله حساس باید با دقت کامل و بر اساس دستورالعمل جوشکاری و توسط افراد متخصص و باتجربه انجام شود. چرا که عدم رعایت رواداری ها منجر به عیوب جوش خواهد شد. در ادامه بیشتر در مورد این مرحله خواهید آموخت.

1.4.1. روش های آماده سازی لبه ها

به منظور اجرای جوشی با دوام و کیفیت مطلوب، قبل از جوشکاری لازم است روغن، لایه های موم، رنگ یا هرنوع آلودگی به کمک روش‌های تراش و سایر روش‌های مکانیکی (حذف تراشه)، استفاده از برس فلزی، سندبلاست و لیزر از نقاط جوشکاری پاک سازی شود. لبه های برش خورده توسط ابزار مناسب، صاف شود و از مصرف مواد سردکننده یا روان کننده به منظور روان کاری فلز اجتناب گردد.

از طرفی بر اساس نقشه های اجرایی لازم است با استفاده از روش مناسب، لبه های اتصال شیاری آماده سازی شوند. از جمله روش-های متداول عبارتند از:

برش اکسی استیلن (هوا گاز): روشی متداول برای اتصالات فولادی به علت سرعت و سازگاری بالا، هزینه ی پایین
ماشین کاری: روشی دقیق برای آماده سازی درزهای به شکل J یا U و مناسب برای تولید انبوه قطعات
تراش کاری: مناسب برای تهیه قطعاتی که توسط فرایند ریخته‌گری تولید شده اند.
سنگ زنی: مناسب برای آماده سازی قطعات مقاطع کوچک
برش قوس کربن هوا: مناسب برای صنایعی که با فولادهای ضدزنگ، چدن یا فولادکربنی معمولی کار می کنند.

شکل 23. دستگاه اکسی استیلن دو منظوره(جوش و برش)

نکته: در صورتی که جنس مصالح قطعات اتصال، متفاوت باشد، قبل از عملیات جوشکاری قطعات به یکدیگر، می توان یک یا هر دو طرف درز را فلزکاری نمود. به این ترتیب که یک لایه از آلیاژ مشابه فلز پرکننده(الکترود) یا یک فلز پرکننده ی متفاوت به عنوان واسطه بین دو قطعه قرار می گیرد.

شکل 24. مراحل اجرای انواع پخ توسط دستگاه برش حرارتی

2.4.1. انواع درز(Gap) برای جوش شیاری

به طور کلی بر اساس شکل درز، انواع اتصالات با جوش شیاری به صورت زیر طبقه بندی می شوند:

1. اتصالات با درز یک طرفه(Single Bevel): جوشکاری فقط از یک سمت ورق انجام می شود.
2. اتصالات با جوش شیاری دو طرفه(Double Bevel): جوشکاری بر دو وجه پشت و روی ورق انجام می شود.
3. اتصالات با درز باز(Open Root): بین دو قطعه ی اتصال هیچ فاصله ای نباشد.
4. اتصالات با درز بسته(Close Root): بین دو قطعه درز وجود داشته باشد.

بر اساس ضخامت قطعه و نیز سهولت اجرا، آماده سازی درز با اشکال هندسی مختلفی صورت می گیرد. از جمله رایج ترین اشکال درز عبارتند از:

1. درز ساده یا مربعی
2. درز جناغی یک طرفه یا دوطرفه
3. درز نیم جناغی یک طرفه یا دوطرفه
4. درز لاله ای یک طرفه یا دوطرفه
5. درز نیم لاله ای یک طرفه یا دوطرفه

در ادامه با هر کدام از درزها آشنا خواهید شد.

1.2.4.1. درز ساده، گونیا یا مربعی(Square Groove Weld)

این حالت به دلیل عدم نیاز به آماده سازی لبه ها، اقتصادی ترین و ساده ترین نوع جوش شیاری است. در این نوع جوش شیاری، دو قطعه مسطح و موازی با یکدیگر(با محدودیت ضخامت ورق) با لبه های قائمه با زاویه ی 90 درجه به صورت سر به سر در کنار یکدیگر قرار گرفته و بدون آماده سازی، جوشکاری انجام می شود. این اتصال به صورت درز باز ( جوش یک طرفه) و درز بسته(جوش دوطرفه) قابل اجراست.

در قطعات نازک، با اجرای درز ریشه خیلی کم(2 میلی متر) در اثر حرارت جوشکاری، نفوذ کامل با جوشکاری از یک سمت امکان پذیر است. به همین دلیل اصطلاحا به جوش مربعی با درز باز معروف است. جوش شیاری لب به لب گونیایی باز(یک-طرفه) ترجیحاً برای قطعاتی با ضخامت کمتر از 6 میلی متر، مناسب است.

جوش شیاری مربعی بسته، درواقع یک نوع جفت شیار مربعی است و بدون فاصله بین قطعات اجرا می شود. جهت تامین امکان نفوذ کامل در اتصال لب به لب تخت با ریشه ی بسته، باید جوشکاری از هر دو طرف قطعه انجام شود. این نوع اتصال، توسط گاز و قوس الکتریکی جوشکاری می شود.

شاید بپرسید که با درز بسته عمل نفوذ مذاب چگونه صورت می گیرد؟ در واقع نکته اصلی مربوط به ضخامت کم قطعات است. مثلا وقتی کل ضخامت قطعه، 10 میلی متر باشد، با جوشکاری از هر طرف قطعه، نصف ضخامت قطعه تحت اثر حرارت، ذوب شده و با فلز جوش کاملا ممزوج می شود و با جوشکاری طرف دوم، عملا کل ضخامت، با جوش پر می شود. در کارخانه های تولید سازه های فولادی، استفاده از جوش شیاری لب به لب گونیایی بسته(دوطرفه) برای قطعاتی با ضخامت کمتر از in 3/8 یا 10 میلی متر به دلیل عدم نیاز به آماده سازی لبه ها به صرفه است.

تفاوت بین اتصالات لب به لب مربعی (بدون آماده سازی) با سایر اتصالات شیاری این است که در قطعات ضخیم برای نفوذ مذاب به کل ضخامت قطعات و قابلیت مانور الکترود باید لبه ها با زاویه ی مناسب پخ زنی شوند. طبیعتا در این حالت، امکان تکمیل جوشکاری با یک الکترود و یا یک عبور(پاس) وجود ندارد و باید در چند مرحله صورت گیرد.

2.2.4.1. آماده سازی لبه های مورب (Scarf Groove Weld)

همان طور که در بالا اشاره کردیم برای تامین مقاومت بالا و قابلیت انتقال کامل نیروها خصوصا در اتصالات ورق های ضخیم باید از جوش شیاری استفاده کنیم. اجرای برخی از انواع جوش شیاری از قبیل جناغی(یک طرفه یا دوطرفه) نیاز به ایجاد درز زاویه دار یا پخ(Bevel) دارد. به طور کلی جوش شیاری متناسب با نوع درز لبه ها، شناسایی می شود. هر یک از این روش ها به دلیل میزان نفوذ متفاوت، قابلیت تامین سطح مشخصی از ظرفیت مورد نیاز اتصال را دارند.

در ادامه با انواع مختلف این درزها آشنا خواهید شد.

3.2.4.1. اتصال لب به لب با پخ جناغی دوطرفه (X) و یک طرفه(V)

در این حالت، لازم است لبه های هر دو ورق اتصال، آماده سازی شوند. برای اتصال قطعات ضخیم تر، جوش شیاری جناغی دوطرفه (X) از استحکام بالاتری برخوردار است. زیرا به دلیل تقارن جوشکاری و ایجاد تعادل در تنش ها، از تمرکز تنش و اعوجاج قطعه جلوگیری می شود.

همچنین در مقایسه با جوش جناغی یک طرفه(V)، به دلیل هندسه ی درز، میزان مصالح جوش کمتری نیاز دارد و اقتصادی تر است. جوش شیاری لب به لب جناقی برای قطعاتی با ضخامت بیشتر از ۱۰ میلی متر مناسب است. هندسه ی درز براساس فرآیند جوشکاری، ضخامت ورق، حالت جوشکاری و میزان نفوذ مذاب براساس درزجوش استاندارد متفاوت است. متناسب با شرایط قطعه و ضخامت و … براساس جداول استاندارد، زوایای پخ مختلف از 20 تا 60 درجه قابل اجراست. در صورت استفاده از طرحی خارج از جداول استاندارد، انجام آزمایشات روی نمونه الزامی است.

4.2.4.1. جوش لب به لب با پخ های نیم  جناغی

در این حالت فقط لبه ی یکی از ورق ها آماده  سازی می شود. جوش لب به لب با پخ های نیم  جناغی یک  طرفه و دوطرفه قابل اجراست. استفاده از جوش لب به لب با پخ نیم  جناغی یک  طرفه با زاویۀ ° 45 با رعایت تذکرات جدول استاندارد، بدون پشت بند می تواند اجرا شود. در این صورت پاس ریشه باید لبه های اتصال را در پشت کار کاملا ذوب کرده و با فلزجوش یکپارچه نماید و برجستگی تقویتی(گرده) در پشت جوش ایجاد کند. بر اساس جداول استاندارد، زوایای 30 و 45 درجه با پشت بند نیز قابل اجرا است.
در مواردی که فاصله ی ریشه جهت استفاده از الکترود قطور و استحکام بالا جهت پیش  گیری از خمش در ریشه، مورد نیاز باشد، باید برای جوش نیم  جناغی یک  طرفه از پشت بند استفاده شود.

یکی از انواع رایج جوش شیاری نیم جناغی یک طرفه در اتصالات گیردار بال تیر به ستون است.

شکل 30. نمونه ای از کاربرد جوش شیاری نیم جناغی یک طرفه در اتصالات گیردار

5.2.4.1. جوش لب به لب با پخ لاله ای(U) و نیم لاله ای(J)

جهت حذف گوشه های تیز و جلوگیری از ایجاد تمرکز تنش در اتصال قطعات ضخیم با استحکام مورد نیاز بالا، از پخ های لاله-ای (Double U) و نیم  لاله ای (J) استفاده می شود. در مواردی که در قطعات ضخیم امکان دسترسی به ریشه فقط از یک  طرف وجود داشته و استحکام بالایی مورد نیاز باشد، با صرف هزینه ی بیشتر جهت آماده سازی لبه، از درز نیم  لاله ای (J) استفاده می شود. در مقابل، میزان مصرف الکترود و اعوجاج ناشی از تمرکز تنش کاهش می یابد. جوش دوطرفه ی نیم لاله ای(Double J) به دلیل آماده-سازی یک ورق، اقتصادی  تر از جوش لاله ای دوطرفه(Double U) است. اجرای درز U، گران ترین نوع آماده سازی لبه محسوب می شود و فقط برای قطعات ضخیم که سایر جوش ها جوابگو نباشند، توجیه اقتصادی دارد.

معمولا جوش شیاری لب به لب U شکل یک طرفه برای قطعاتی با ضخامت کمتر از ۱۸ میلی  متر و جوش شیاری لب به لب U شکل دو طرفه برای قطعاتی با ضخامت بیشتر از ۱۸ میلی  متر استفاده می شوند. این جوش در ساخت اسکلت سازه های فولادی رایج نیست. برای حالت های مختلف اتصالات و ضخامت های متفاوت به درز جوش های استاندارد رجوع شود.

شکل 31. اتصال لب به لب با جوش شیاری لاله ای دوطرفه(Double U)

شکل 32. اتصال لب به لب با جوش شیاری لاله ای دوطرفه(Single U)

اجرای یک درز J توسط دستگاه های برش  کاری مخصوص و یا با استفاده از سنگ زنی انجام می شود. هرچند که اجرای یک درز J از اجرای یک درز V مشکل تر و گران تر است، اما جوش شیاری با درز J روی قطعات با ضخامت 0.5in تا 3/4in با مصرف فلزجوش کمتر، اتصال قوی تری نسبت به جوش مشابه با درز V تامین می نماید.

6.2.4.1. جوش شیاری با پخ شیاری منحنی یک طرفه و دوطرفه(Flare)

در صورتی که یکی از لبه ها دارای انحنا باشد، برای پرشدن فاصله قطعات از جوش شیاری شیپوری استفاده می شود. در واقع هیچ گونه آماده  سازی لبه نیاز نیست چون هندسه ی ورق یا لوله فضای لازم برای نفوذ فلز جوش را ذاتا تامین نموده است. برای اتصال سپری یا گونیا استفاده از جوش شیاری با پخ شیاری منحنی یک طرفه و دوطرفه (Flare) به دلیل عدم نیاز به آماده سازی لبه ها، اقتصادی است.

شکل 33. اتصال با جوش شیاری با پخ شیاری منحنی یک  طرفه و دوطرفه (Flare)

3.4.1. رواداری مجاز مونتاژ قطعات

مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در بند 10-4-6 رواداری مجاز جوش را ارئه نموده است.
قطعاتی که توسط جوش شیاری با نفوذ نسبی در امتداد طولی به یکدیگر متصل می شوند، باید تا حد امکان در تماس با یکدیگر قرار گیرند. فاصلۀ ریشه بین دو قطعه نباید از 5 میلی متر بزرگتر گردد.

قطعاتی که با جوش شیاری به صورت لب به لب به یکدیگر متصل می شوند، باید با دقت با یکدیگر همباد و تراز شوند. حداکثر ناهمترازی بین دو قطعه، مساوی 10 درصد ضخامت قطعۀ نازکتر یا حداکثر 3 میلی متر می باشد. برای اصلاح ناهمترازی نباید شیبی بزرگتر از 12 میلی متر در 300 میلی متر به وجود آورد. اندازه گیری ناهمترازی باید برمبنای میانتار قطعات انجام شود، مگر این که در نقشه ها به نحو دیگری مشخص شود.

شکل 34. رواداری مجاز ناهمترازی لبه ها

رواداری های مربوط به زاویۀ شیار، فاصلۀ ریشه و ضخامت ریشه در شکل 10-4-1 نشان داده شده است. در صورتی که ابعاد و اندازه مقطع جوش اختلافی بیش از مقادیر ارائه شده درشکل (یا در ادامه) با اندازه نشان داده شده در نقشه ها داشته باشد، درز با شرایط زیر قابل  پذیرش است. در صورتی که اختلاف فاصلۀ ریشه با مقدار نقشه بزرگتر از رواداری مجاز مذکور در شکل 10-4-1 باشد ولی از دو برابر ضخامت ورق نازکتر و یا 20 میلی متر (هر کدام که کوچکتر باشند) بزرگتر نباشد، با استفاده از جوشکاری (قبل از جوشکاری درز اتصال) قابل  اصلاح است.

شکل 35. رواداری مجاز مونتاژ درزها

5.1. انتخاب تعداد پاس های جوشکاری

برای اجرای جوش شیاری با نفوذ کامل بخصوص درمورد قطعات ضخیم، باید از چند مرحله جوشکاری استفاده شود. این پاس ها به ترتیب؛ پاس ریشه، پاس داغ یا گرم، پاس پرکننده و پاس پوششی نام دارند. هم پوشانی لایه ها و ادغام آنها با یکدیگر باعث افزایش کیفیت و نفوذ کامل جوش می گردد.

پاس داغ معمولاً به چند دلیل عمده اجرا می شود:

1. خروج سرباره و ناخالصی های گازی محبوس در جوش که ممکن است در طول پاس ریشه ایجاد شده باشند.
2. کنترل دما برای اجرای پاس های بعدی و جلوگیری از سریع سرد شدن قطعات.

شکل 36. نام گذاری پاس های مختلف جوش شیاری

برای اجرای جوش ریشه دمای پیش  گرم و برای اجرای پاس های بعدی دمای بین پاسی باید در حد مجاز نگه  داشته شود. باید دقت داشت که پس از اتمام هر پاس، کنترل های لازم از لحاظ عیوب ظاهری جوش باید صورت گیرد و قبل از اجرای پاس بعدی، تمیزکاری لازم انجام شود. یکی از موارد لازم در تهیه WPS تعیین تعداد پاس ها و ارائه اطلاعات دقیق اجرایی است.

عوامل موثر در تعیین تعداد پاس های جوشکاری عبارتند از:

1. ضخامت قطعات اتصال
2. نوع فرایند جوشکاری(SMAW , SAW , GMAW)
3. نوع درز اتصال
4. ساختار کریستالی فلز پایه و میزان حساسیت به حرارت ورودی(فولادهای کربن بالا و عدم نیاز آنها به حرارت ورودی زیاد)
5. درجه آزادی قطعه جهت سرد شدن
6. پیچیدگی قطعه و حساسیت آن به تغییرات ابعادی
7. نوع درز اتصال از نظر باز یا بسته بودن
8. مهارت اپراتور جوشکاری
9. عملیات حرارتی (پیش گرمایش و بین پاسی)
10. وضعیت جوشکاری

با درنظرگرفتن مجموعه عوامل موثر بر کیفیت جوش، تعداد پاسهای جوشکاری تعیین و در WPS ارائه می گردد. ترتیب و توالی اجرای پاس ها (Bead) هم برای جلوگیری از اعوجاج(Distortion) قطعات بسیار اهمیت دارد. بهتر است یک حالت توازن و تقارن در جوش های دوطرفه ایجاد گردد. در فصل 13 کتاب راهنمای جوشکاری تعدادی از جداول استاندارد جهت جوشکاری چند پاسه ارائه شده است.

شکل 37. نمونه ای از ترتیب اجرای پاس های جوش برای پیشگیری از اعوجاج قطعه ضخیم

در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان به استفاده از عملیات حرارتی و یا الکترودهای کم هیدروژن جهت وصله ی لب به لب ورق-های با ضخامت بیشتر از 40 میلی متر تاکید شده است.

6.1. انواع جوش شیاری بر اساس میزان نفوذ فلزجوش

بر اساس هندسه ی درز و میزان نفوذ فلزجوش، دو نوع جوش شیاری تعریف شده است:

جوش شیاری با نفوذ کامل(Complete Joint Penetration/CJP): در این نوع، باید فلز جوش به طور کامل درز جوش را پر کند و از پشت قطعه دیده شود. این جوش از استحکام بالایی برخوردار است و در بارگذاری لرزه ای و تناوبی مطلوب است.

جوش شیاری با نفوذ نسبی(Portion Joint Penetration/PJP): در این حالت، متناسب با نوع طرح، بخشی از درز، توسط جوش پر می شود. بر اساس بند 10-2-9-2-1 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، در بارگذاری لرزه ای و تناوبی استفاده از این جوش، مجاز نیست.

نکته: جوش های شیاری بدون پشت بند که فقط از یک طرف جوش می شوند و جوش های شیاری دوطرفه که بدون لنجام عملیات شیارزنی ریشه از پشت(Bach Gouging) اجرا شده  اند، در رده  ی جوش شیاری با نفوذ نسبی قرار دارند.

نکته: تمام جوش های شیاری با نفوذ نسبی که توسط جوش قوسی تحت حفاظت گاز با الکترود فلزی(مدار بسته) و جوش قوسی تحت حفاظت گاز با الکترود تنگستن اجرا می شوند، باید آزمایش PQR داشته باشند.

نکته: برای طراحی هندسه درز جوش شیاری می توان از جوش درزهای استاندارد استفاده نمود.

7.1. مراحل اجرای جوش شیاری

برای اجرای جوش شیاری در صورتی که ضخامت ورق اتصال بالا باشد، ممکن است نیازمند جوشکاری چند پاسه و عملیات پیش-گرمایش باشیم. به طور کلی مراحل کار عبارتند از:

1. پاک سازی سطوح قطعات اتصال با استفاده از بخار، مواد شیمیایی، بلاست، لیزر، برس سیمی یا سنباده با توجه به جنس مصالح و اهمیت اتصال
2. پیش گرمایش(به ویزه برای قطعات با ضخامت بالای 40 میلی  متر)
3. آماده سازی لبه ها با استفاده از سنگ زنی، ماشین کاری، برش اکسیژن و …
4. در صورت لزوم، انجام آزمایشPT یاMT برای اطمینان از عدم وجود ترک در قطعات
5. اجرای خال جوش برای تثبیت درز قطعات
6. اجرای جوش پاس ریشه با استفاده از الکترود نازک
7. اجرای پاس های بعدی تا رسیدن به سطح ورق
8. سنگ زنی(Grinding) پشت ریشه در جوش های دوطرفه و نفوذکامل
9. اجرای جوش طرف پشت در صورت لزوم
10. عدم بارگذاری قطعه قبل از سردشدن
11. پاک  سازی قطعات
12. انجام بازرسی جوش و آزمایشات لازم
13. رنگ  آمیزی

در تمام مراحل فوق لازم است که نهایت دقت و مهارت صرف گردد تا جوش اجراشده کاملا مطابق با نقشه ها باشد. زیرا در غیراین  صورت باربری و استحکام اتصال زیرسوال خواهد رفت. پیشتر در مقاله ی عیوب جوش به این موارد پرداختیم.

شکل 38. اجرای جوش چندپاسه برای ایجاد نفوذ کامل

با مشاهده ی این ویدئو با نحوه ی آماده سازی لبه آشنا خواهید شد. آشنا خواهید شد.

با مشاهده  ی این ویدئو با مراحل مختلف اجرای جوش شیاری آشنا خواهید شد.

8.1. کاربرد قطعه ی پشت بند(Backing) در جوشکاری

برای رسیدن نوک الکترود با قطر بزرگ تر به ریشه  ی اتصال، یا باید دهانه ی ریشه بیشتر باشد یا زاویه ی اتصال بزرگ تر انتخاب شود. این موضوع مقرون به صرفه نبوده و می تواند موجب اعوجاج اتصال شود، لذا در موارد ضروری با استفاده از پشت بند(Back Strip/Backing) می توان دهانه ی ریشه را بزرگ تر درنظرگرفت.

همچنین در جوشکاری یک  طرفه با فاصله  ی زیاد لبه های اتصال، از پشت بند استفاده می شود. به طور کلی علل استفاده از پشت بند عبارتند از:

1. پیش گیری از اکسیداسیون مذاب موجود در شیار جوش
2. عدم ریزش مذاب از پشت قطعه
3. حصول اطمینان از پرشدن تمام فضای ریشه با مذاب جوش
4. جلوگیری از سوختن جوش ریشه

معمولاً وقتی که جوشکاری از یک طرف بوده و به پشت جوش دسترسی نیست و همچنین فاصله ی لبه ها نیز زیاد است، از پشت-بند استفاده می شود. جهت پیشگیری از ایجاد تفاله ی جوشکاری در ناحیه ی ریشه جوش، پشت بند باید کاملاً به قطعه کار بچسبد.

جنس پشت بند باید سازگار با فلزپایه باشد. قبل از شروع جوشکاری، پشت بند توسط خال  جوش های متناوب به زیر اتصال وصل می-شود. اگر این اتصال درست انجام نگیرد، موجب تجمع تفاله ی جوشکاری در ریشه می شود که مانع امتزاج کامل در ریشه توسط پاس اول جوش (جوش ریشه) است.

نکته: جوش های شیاری دوطرفه جزو جوش های همراه پشت بند محسوب می شوند. چنانچه پس از جوشکاری طرح اتصال شیاری یک طرفه، پاس ریشه سنگ زده و برداشته شود و جوش پشت اجرا گردد، فلز جوش به عنوان پشت بند لحاظ می گردد.

در صورت تایید نیاز به استفاده از پشت بند، باید جنس و نوع مواد آن در دستورالعمل(WPS) درج گردد. انواع رایج پشت بند عبارتند از:

1. تسمه های فولاد کربنی ساده
2. ورق های مس
3. سرامیک و الیاف شیشه ای(Fiber Glass)
4. جریان گازهای محافظ جوش(آرگون یا دی اکسیدکربن)
5. پودر محافظ جوش(Flux)

در صورت استفاده از پشت بند از نوع تسمه های فولاد کربنی ساده، موارد زیر باید رعایت گردد:

1. حتما باید پاس ریشه با پشت بند ممزوج گردد.
2. رعایت پیوستگی کامل تسمه ی پشت بند در سرتاسر طول جوش(مونتاژ تسمه ها به یکدیگر به صورت لب به لب با جوش شیاری با نفوذ کامل)
3. استفاده از تسمه هایی با ضخامت حداقل 5 میلی متر جهت پیشگیری از سوختن پشت بند در روش جوشکاری قوسی دستی با الکترود روکش  دار

شکل 39. نمونه ای از نوارهای پشت بند(Back Strip)

شکل 40. استفاده از نگهدارنده ی سرامیکی در اجرای جوش شیاری

در صورت استفاده از پشت بند، جهت افزایش امکان ذوب کامل ریشه و پشت بند، می توان دهانه  ی ریشه(Root Opening) را افزایش داد. در این حالت، سوختن ریشه محتمل نیست و نیازی به سنگ زدن ریشه از پشت کار نمی باشد. در صورت استفاده از پشت بند، پاشنه  ی ریشه جوش اجرا نمی شود، زیرا در این حالت، یک فضای خالی ایجاد می شود که در هنگام جوشکاری، درون آن از گاز پر می شود و باعث بروز عیب می گردد.

در صورت عدم استفاده از پشت بند، امکان سوختن ریشه در پاس اول وجود دارد. درصورتی  که امکان سنگ زدن یا برشکاری با قوس و هوای فشرده با استفاده از الکترود ذغالی(Gouging) ریشه از پشت کار وجود داشته باشد، ریشه سنگ خورده یا مقداری از فلز جوش و لبه های پشت کار برداشته می شود و پس از رفع عیب، یک پاس جوش اضافه نیز داده می شود. به این جوش که پشت یک جوش شیاری یک طرفه و پس از تکمیل آن اجرا می شود، جوش پشتی (Back Weld) می گویند.

در اعضایی که تحت بارهای استاتیکی قرار دارند، ورق پشت بند پس از جوشکاری برداشته نمی شود و به عنوان جزئی از اتصال باقی می ماند. در این صورت نیازی به اجرای جوش پیوسته بین پشت بند و اتصال نیست مگر طبق خواست مهندس مشاور.

تحقیقات نشان داده اند که در جوش های شیاری با بارگذاری عرضی دینامیکی، وجود تسمه های پشت بند، موجب ایجاد تمرکز تنش می شود. لذا در این موارد لازم است پس از جوشکاری، پشت بند برداشته شود و توسط سنگ زنی، پشت جوش هم  سطح ورق گردد. ولی لزومی به برداشتن تسمه های موازی امتداد تنش نیست، مگر طبق دستور مهندسین مشاور. در اعضاء تحت بارهای دینامیکی، در صورتی  که بخواهیم تسمه  ی پشت بند را با جوش خارجی به عضو متصل کنیم، این جوش باید در تمام طول تسمه پیوسته باشد.

تفاوت پشت بند (Backing) با نگهدارنده (Retainer) در چیست؟

در بخش(QG-109.2) از استاندارد ASME Sec. 9 دو تعریف مجزا بیان شده است.

نگهدارنده: (Retainer) عبارت است از ماده ای فلزی یا غیرفلزی که در اثر حرارت ناشی از فرایند جوشکاری ذوب نمی شود، فلزجوش در آن نفوذ نمی کند و در نهایت، جزئی از اتصال نمی شود.

پشت بند(Backing): عبارت است از ماده ای ذوب شدنی که ممکن است در اثر حرارت ناشی از فرایند جوشکاری ذوب شود، فلزجوش در آن نفوذ کند و جزئی از اتصال گردد و حذف آن از اتصال نیز به آسانی ممکن نباشد.

بنابراین توصیف ها، پشت بندهای غیرفلزی(سرامیکی، فایبرگلاس)، پودری(Flux) و پشت بندهای ذوب  نشدنی مسی از نوع نگهدارنده-ها و تسمه های فولادی از نوع پشت بندها محسوب می شوند. با وجود این تمایز، حتی در WPS های تهیه شده طبق استاندارد ASME Sec. 9 نیز نیازی به این تفکیک نیست و تنها بیان نوع ماده پشت بند یا نگهدارنده و فلزی یا غیرفلزی بودن آن کفایت می کند.

این در حالی است که استاندارد AWS D1.1 چنین تفکیکی قائل نشده و فقط از پشت بند نام برده شده است. در درزهای جناغی دوطرفه، اغلب از تسمه های فاصله  دهنده استفاده می شود. در این موارد قبل از جوشکاری طرف دوم، سنگ زنی ریشه لازم است.

تفاوت (Back Weld) با (Backing Weld) در چیست؟

برای حصول یک جوش نفوذکامل (تمام  قدرت) لازم است که مذاب جوش در تمام مقطع نفوذ کند و امتزاج کامل صورت گیرد. اگر در جوش شیاری یک  طرفه با نفوذکامل از پشت بند استفاده نشود، امکان سوختن ریشه در پاس اول جوشکاری وجود دارد که جزو عیوب جوش محسوب می شود.

برای برداشتن قسمت سوخته ومعیوب جوش ریشه می توان از روش های زیر استفاده نمود:

1. سنگ زنی(Grinding)
2. تراشکاری(Chipping)
3. شعله اکسی استیلن(Oxy Acetylen Gouging)

شیارزنی یا برشکاری با قوس و هوای فشرده با استفاده از الکترود ذغالی(Back Gouging) که پیشتر در معرفی انواع الکترود به آن پرداختیم.

نکته: بدون سنگ زنی یا شیارزنی، جوش طرف دوم، نفوذ کامل تلقی نمی گردد. عمق سنگ زدن ریشه باید درحدی باشد که مصالح اصلی جوش طرف اول، نمایان شود. شکل شیار پشت قطعه باید طوری باشد که فضای مناسب و کافی برای ورود الکترود مهیا گردد.

هدف اصلی در جوش شیاری نفوذ کامل، نفوذ کامل مذاب به کل ضخامت اتصال موردنظر است. گاهی موارد امکان دسترسی به پشت قطعه وجود ندارد مثل جوشکاری درز لوله های باریک، در این موارد جوشکار ماهر با اجرای صحیح پاس ریشه نفوذ اولیه را ایجاد می کند و پس از آن در جندین مرحله(پاس) ضخامت جوش را تکمیل می نماید. به جوشی که پس از جوش ریشه اجرا شده است اصطلاحا (Backing Weld) گفته می شود.

اما مواردی مانند اتصال گیردار تیر به ستون (با تعبیه ی سوراخ دسترسی) یا موارد مشابه که امکان دسترسی به پشت قطعه وجود دارد، پس از اجرای جوش یک سمت، پشت قطعه سنگ زنی شده و یک جوش تکمیلی در پشت ریشه اجرا می شود. به این جوش اصطلاحا (Back Weld) گفته می شود.

شکل 41. تفاوت (Back Weld) با (Backing Weld)

شکل 42. علائم استفاده از جوش پشتی در نقشه

آیا برداشتن پشت بند بعد از جوشکاری لازم است؟

براساس مشاهدات و مطالعات انجام شده پس از زلزله 1994 نورثریج، مشخص شده است که پشت بند ذوبی(فولادی دائمی)، باعث ایجاد آثار زخم در ریشه جوش بال تیر به بال ستون می شود. به طور طبیعی حتی در یک جوش با ذوب یکنواخت و سالم در ریشه، به دلیل سطح ذوب ناقص بین یک لبه ی پشت بند و بال ستون،، تمرکز تنش ایجاد می شود همچنین وجود پشت بند دائمی می تواند مانع آشکارسازی عیوب مهم احتمالی در ریشه جوش هنگام بازرسی فراصوتی گردد. به همین دلیل در مبحث دهم در بند 10-3-13-1 توصیه شده است که پشت بند اتصال مستقیم بال تحتانی تیر به ستون برداشته شود و ریشه با جوش گوشه به بعد حداقل 8 میلی  متر تقویت گردد.

درصورت لزوم برداشتن پشت بند ذوبی فولادی، باید توسط برش قوسی کربن-هوا(CAC-A )، شیارزنی قوسی پلاسما (PAC-G)، سنگ زنی، پلیسه برداری یا برش حرارتی انجام شود. روند کار باید برای به حداقل رساندن شیارزنی اشتباه کنترل شود.

برای اجرای جوش شیاری اتصالات کششی در نیمرخ های حجیم و سنگین و نیمرخ های مرکبی که از ورق های ضخیم تر از 40 میلی  متر ساخته می شوند، باید بعد از جوشکاری، تسمۀ پشت بند جوش را (در صورت موجود بودن) از جای خود برداشت و جوش-ها را با سنگ زدن صاف و یکنواخت کرد و در صورت لزوم از جوش پشت استفاده نمود.

9.1. سوراخ های دسترسی برای جوشکاری و برش بال های تیر در محل اتصال

مطابق بند 10-2-9-1-5 کلیۀ سوراخ هایی که به منظور دسترسی و تسهیل جوشکاری تعبیه می شود (مثل سوراخ دسترسی در جان به منظور جوش لب به لب بال)، برای قراردادن مصالح جوش در موضع موردنظر، باید دید کامل و فراخی کافی را داشته باشد. این سوراخ ها و نیز قسمت های برش داده بال در انتهای تیرها باید به صورتی کاملاً یکنواخت، با انحنای ملایم و بدون گوشه های تیز، تعبیه شود.

در مقاطع نوردشده و ساخته  شده از ورق که در آنها ایجاد سوراخ دسترسی پس از اتمام جوشکاری بال ها به جان صورت می گیرد، لبۀ جان باید از سطح بال تا سطح تورفتگی سوراخ دسترسی به صورت شیب دار، کاملاً یکنواخت و بدون گوشه های تیز باشد.

در مقاطع ساخته  شده از ورق که در آنها ایجاد سوراخ دسترسی قبل از تکمیل جوشکاری بال ها به جان صورت می گیرد، انتهای سوراخ دسترسی می تواند عمود بر بال باشد، مشروط بر آنکه انتهای جوش به اندازه بعد جوش از سوراخ دسترسی فاصله داشته باشد.

در نیمرخ های سنگین و مقاطع ساخته  شده از ورق که از ورق هایی به ضخامت بیش از 40 میلی  متر ساخته می شوند، لبه های برش-داده تیر یا سوراخ های دسترسی که توسط شعله بریده شده باشند را باید با سنگ زدن به صورت فلز صاف و براق درآورد. اگر قسمت های منحنی بریده شده در محل سوراخ دسترسی توسط عمل مته  کردن یا برقوزدن صورت گرفته باشد، به سنگ زدن و صاف کردن احتیاجی ندارد.

شکل 43. مشخصات هندسی سوراخ دسترسی برای جوش شیاری بال تیرها

10.1. علائم جوش شیاری در نقشه ها

همانطور که اشاره شد، برای پرهیز از خطا در اجرا لازم است زبانی مشترک در تمام نقشه ها وجود داشته باشد که برای تیم اجرا، نظارت و طراحی شناخته شده باشد. علائم جوشکاری به همین منظور تهیه شده  اند. برای جوش شیاری علائم زیر کاربرد دارند. از جمله مهم  ترین موارد در نقشه ها، تعیین زاویه ی پخ، ریشه، ضخامت پیشانی، نیاز به جوش پشت، نیاز به سنگ زنی، نیاز به پشت-بند، گرده جوش است که باید به دقت مشخص شوند.

شکل 44. جوش شیاری لب به لب(درز ساده یا مربعی)

شکل 45. جوش شیاری جناغی

شکل 46. نمونه ای از کاربرد علائم جوش شیاری

شکل 47. جوش شیاری نیم جناغی

شکل 48. جوش شیاری لاله ای(U)

شکل 49. جوش شیاری نیم لاله ای(J)

شکل 50. جوش شیاری جناغی گرد (Flare-V)

شکل 51. جوش شیاری نیم جناغی گرد (Flare- Bevel)

شکل 52. علائم کاربرد پشت بند جوش

شکل 53. نمونه هایی از علائم جوش شیاری با نفوذ کامل

با مشاهده ی این ویدئو، با نحوه ی اجرای پاس جوش ریشه و جوش شیاری نفوذ کامل آشنا خواهید شد.

2. ضوابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در مورد جوش شیاری

1.2. تعاریف مربوط به جوش شیاری

همان طور که در مورد جوش گوشه بیان شد، برای طراحی جوش لازم است از ابعاد موثر استفاده نماییم. تعاریف مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای جوش شیاری عبارتند از:

1. سطح مقطع موثر جوش: حاصل  ضرب طول موثر در ضخامت موثر
2. طول موثر جوش: طول قسمت جوش شده
3. ضخامت موثر جوش: بستگی به میزان نفوذ جوش و نوع اتصال قطعات دارد.
4. برای جوش نفوذ کامل در اتصال لب به لب: ضخامت قطعه  ی نازک  تر
5. برای جوش نفوذ کامل در اتصال کنج و سپری: ضخامت قطعه  ی متصل  شونده
6. برای جوش نفوذ نسبی: عمق شیار منهای 3 میلی  متر
7. جوش شیاری بین دو لبه ی گرد: نصف شعاع میلگرد یا لوله
8. جوش شیاری بین لبه تخت و گرد: یک  سوم شعاع لوله یا میلگرد

نکته: استفاده از جوش شیاری با نفوذ نسبی در بارگذاری های متناوب با اثر خستگی مجاز نیست، به همین علت در ضوابط لرزه ای مبحث دهم مربوط به اتصالات گیردار از پیش  تایید شده بر استفاده از جوش شیاری با نفوذ کامل تاکید شده است.

شکل 54. تعیین ضخامت موثر جوش شیاری با نفوذ کامل

شکل 55. تعیین ضخامت موثر جوش شیاری با نفوذ نسبی

شکل 56. بخش های اصلی جوش شیاری با نفوذ کامل

تنها محدودیتی که برای جوش شیاری با نفوذ نسبی باید رعایت گردد، مربوط به ضخامت موثر جوش است که به منظور اطمینان از نفوذ جوش به میزان مطلوب صورت میگیرد.

نکته: بر اساس تعریف ضخامت موثر برای جوش شیاری نفوذ نسبی، در مورد ورق های با ضخامت کمتر از 6 میلی متر، باید جوش شیاری با نفوذ کامل انجام داده شود تا حداقل ضخامت موثر موردنظر آیین نامه تامین گردد.

2.2. تعیین مقاومت انواع جوش شیاری

اگر به بند 1-2-9-2-4 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان رجوع نمایید، ملاحظه خواهید نمود که برخلاف جوش گوشه که موارد محاسباتی مربوط به خود را دارد، در مورد جوش شیاری محاسبات چندانی بیان نشده است. باید گفت که جوش شیاری با نفوذ کامل به جز تعیین هندسه ی درز، طراحی خاصی ندارد و تنها کافی است ضوابط کنترل  کننده ی آئین نامه رعایت گردد. بخش عمده ی مسئولیت تامین کیفیت جوش برعهده  ی تیم اجرا و نظارت است. در این حالت حتما باید کیفیت جوش اجرا شده توسط آزمایشات جوش تایید شود. پیشتر در مقاله ی کنترل و بازرسی جوش به این مقوله پرداخته ایم.

از آنجا که هدف از اجرای جوش شیاری با نفوذ کامل، قابلیت انتقال کامل نیروها بین اجزای اتصال است، به طور خلاصه می-توان گفت مقاومت جوش شیاری براساس میزان نفوذ فلز جوش عبارت است از:

برای جوش شیاری با نفوذ کامل: در تمامی حالات بارگذاری براساس معیار فلزپایه

برای جوش شیاری با نفوذ نسبی :

1. در حالت فشار یا کشش موازی با محور جوش یا فشار عمود بر محور جوش براساس معیار فلزپایه
2. در حالت کشش در امتداد عمود بر محور جوش یا برش در مقطع موثر بر اساس کوچکترین مقاومت فلزپایه و فلز جوش

با مشاهده ی این ویدئو در کلاس درس جوش شیاری شرکت خواهید نمود.

در ادامه با حل دو مساله، مفهوم جوش شیاری را بهتر درک خواهید نمود.

مثال 1: جهت مهارجانبی یک سوله ی صنعتی در برابر باد، به علت کم بودن نیروی اعضای مهاربندی، از میلگردی به قطر 20 میلی متر مطابق شکل استفاده شده است. حداقل ضخامت موثر جوش شیاری برای اتصال مهاربند چند میلی متر است؟

حل: اتصال لبه ی میلگرد به سطح تخت ورق برای هر ردیف جوش، با حداقل ضخامت موثر 0.3 R انجام گردد. بنابراین:

te =0.3R= 2*0.3*10=6mm

مثال 2: مطابق شکل زیر، دو ورق فولادی از نوع ST37به ابعاد 10*3 سانتی متر توسط جوش شیاری با نفوذ نسبی با شیاری به عمق 1.5cm به یکدیگر جوش شده اند. با فرض استفاده از الکترود از نوع E70 و بازرسی جوش درکارخانه و توسط بازرس ذی-صلاح، ظرفیت کششی این اتصال را تعیین نمایید.(𝐹𝑢=370Mpa و 𝐹𝑦=240Mpa)

حل: از روی شکل مشخص است که یک اتصال لب به لب با جوش شیاری جناغی یک  طرفه با زاویه 45 درجه است. ضخامت موثر جوش شیاری با نفوذ نسبی برابر است با:

t_e=D-3mm=15-3=12 mm

چون جوش شیاری با نفوذ نسبی در حالت کشش در امتداد عمود بر محور جوش قرارگرفته است، لازم است هم فلز پایه و هم فلز جوش بررسی گردد.

چون عرض ورق ها (طول جوش) نامشخص است، با فرض طول واحد مقاومت جوش را تعیین می نماییم.

For Weld Metal: R_n=βF_nwe A_we→φR_n=0.8*0.85*0.6*4900*12*1*10^-3=24 KN
For Base Metal: R_n=F_n BM A_BM→φR_n=0.75*3700*12*1*10^-3=33.3 KN
R_u=φR_n=min⁡(24,33.3)=24 KN

3.2. موارد کاربرد جوش شیاری مطابق با مبحث دهم مقررات ملی ساختمان

همانطور که در بخش قبل دیدیم، در مواردی که بارگذاری تناوبی بر اتصال جوشی اعمال می شود استفاده از جوش شیاری با نفوذ نسبی مجاز نبوده و فقط جوش شیاری با نفوذ کامل موردقبول است. به همین علت در بخش ضوابط لرزه ای مبحث دهم مقررات ملی در مواردی که تامین شکل پذیری و ظرفیت بالای اتصال مطرح است از این نوع جوش یاد شده است. از جمله این موارد عبارتند از:

1. وصله ی کلیه ی ستون هایی که به صورت لب به لب در کارخانه صورت می گیرند بر اساس تبصره ی بند 10-3-5-2-2
2. وصله مستقیم تیرهای باربر لرزه ای بر اساس قسمت ب از بند 10-3-5-4
3. اتصال ورق های مضاعف به بال ستون در شکل پذیری متوسط و زیاد بر اساس بند 10-3-8-4
4. اتصال ورق های پیوستگی به بال و جان ستون در شکل پذیری متوسط و زیاد بر اساس بند 10-3-5-8
5. اتصالات گیردار از پیش تایید شده که به تفکیک برای هر بخش تعریف شده است و در مقالات بعدی به طور مفصل بیان خواهند شد. بر اساس ضوابط لرزه ای AISC360 و مبحث دهم، تمامی جوش های اتصالات قاب های خمشی متوسط و ویژه باید آزمایش غیرمخرب شوند.

نکته: در مواردی که نیاز به مقاومت بالا است برای تقویت جوش شیاری نفوذ کامل یا بهبود هندسه ی اتصال، از جوش گوشه تقویتی استفاده می شود. از وظایف طراح، مشخص نمودن موقعیت دقیق این جوش ها روی نقشه است.

نکته: جهت طراحی برخی از جوش های اتصالات یا وصله های اعضای باربر جانبی که به جوش های نیاز بحرانی معروف هستند، باید به ضوابط استاندارد AWS D1.8: (SLRS) مراجعه شود. سایر جوش های این اعضا با ضوابط AWS D1.1 طراحی و ارزیابی می شوند. برای مثال جوش های ورق های پیوستگی و اتصال گیردار بال تیر به ستون در قاب های خمشی متوسط و ویژه با نیاز بحرانی هستند.

نکته: جوش های نیاز بحرانی بر اساس سطح تسلیم موردانتظار و یا تقاضای تنش بالاتر طراحی می شوند، یا درزهایی هستند که گسیختگی آنها منجر به افت قابل توجهی در مقاومت و سختی سیستم مقاوم لرزه ای می شود. این جوش ها مشمول نیازهای اضافی آیین نامه جهت کاهش احتمال شکست می باشند.

شکل 58. نمونه ای از جوش های نیاز بحرانی در اتصالات گیردار

در مجموعه مقالات آتی که به بررسی انواع مختلف اتصالات از پیش تایید شده خواهیم پرداخت، با کاربردهای متنوع جوش شیاری به طور جامع آشنا خواهید شد. پس همچنان با ما همراه باشید.

نتیجه گیری

برای تامین اتصال جوشی با ظرفیت باربری بالا به خصوص در بارهای تناوبی و لرزه ای، جوش شیاری با نفوذکامل بهترین گزینه است. برای این نوع جوش طراحی خاصی لازم نیست و فقط باید طراحی اتصال براساس معیار فلز پایه صورت گیرد. از طرفی به دلیل نیاز به نفوذ کامل جوش در تمام سطح اتصال، لازم است که پیش از جوشکاری، براساس ضوابط آیین نامه و دستورالعمل جوشکاری، لبه های اتصال با درز لازم توسط افراد ذی  صلاح آماده گردند. روش اجرای جوش شیاری و مهارت اپراتور جوشکاری تاثیر بسزایی بر کیفیت جوش نهایی دارد. لذا در تمام مراحل طراحی، اجرا و بازرسی جوش باید نهایت دقت به عمل آید.

منابع

1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1392.
2. دوره ی آموزشی دکتر مهدی شریفی از گروه سبزسازه
3. دوره آموزشی آمادگی برای محاسبات از گروه سبزسازه
4. کتاب راهنمای جوش و جوشکاری در ساختمان های فولادی، وزارت راه و شهرسازی، ویرایش 1390
5. آیین نامه جوشکاری ساختمانی ایران (نشریه 228)
6. AWS D1 .1/D1 .1 M:2020/Structural Welding Code -Steel
7. AWS D1.8 / Structural Welding Code-Seismic Supplement
8. آشنایی با ضوابط جوش در مناطق لرزه  خیز، علیرضا رضائیان، انجمن سازه های فولادی ایران