صفر تا صد جوش سر به سر میلگرد
امروزه به دلیل برتری‌های متعددی که روش جوش سر به سر میلگرد یا فورجینگ نسبت به دیگر روش‌ها دارد، از آن در بسیاری از صنایع استفاده میشود. در طول بیش از نزدیک به صد سال که از عمر این صنعت می‌گذرد، روش‌های متعددی هم برای کنترل کیفیت آن ایجاد شده است.
فورجینگ، از حدود سال‌های 1930 و برای اولین بار در کشور کانادا به کار گرفته شد. مهندسین این کشور از جوش سر به سر میلگرد، به‌ویژه در خطوط ریلی استفاده می‌کردند. جوش سر به سر میلگرد اما در کشورهای آمریکا و به‌خصوص ژاپن، بیشترین توسعه را یافته است. ژاپنی‌ها بخصوص راه‌های کنترل کیفیت خلاقانه‌ای برای فورجینگ ابداع کرده‌اند که به‌ویژه در 30 سال اخیر بسیار موفقیت‌آمیز بوده‌اند.
در ابتدای این مقاله، به تعریف جوش سر به سر میلگرد می‌پردازیم و بیان می‌کنیم که در این روش دقیقاً چه اتفاقی رخ می‌دهد. همچنین، تفاوت‌های آن را با دیگر جوش‌های میلگرد، بررسی خواهیم کرد. در قدم بعدی لازم است که با دستگاه‌ها و ابزارهای جوش سر به سر آشنا شویم که مقدمه‌ای برای توضیح روش انجام آن در قسمت بعدی است. مزایا و برتری‌های جوش فورجینگ را در بخش بعدی شرح خواهیم داد.
ازآنجاکه یکی از اصلی‌ترین کاربردهای جوش سر به سر، در ساختمان‌های مسکونی است، لازم است که کیفیت جوش آن ارزیابی شود. روش‌های کنترل کیفی جوش فورجینگ را هم در سرفصلی جداگانه توضیح می‌دهیم. درنهایت هم کاربردهای این تکنولوژی را در صنایع و سازه‌های مختلف، مرور می‌کنیم.
در پایان این مقاله صفرتاصد جوش سر به سر میلگرد را خواهید آموخت و می‌توانید در خصوص انتخاب این روش برای پروژه خود تصمیم‌گیری کنید. تا پایان مقاله با ما همراه باشید.
جوش سر به سر میلگرد چیست؟
به‌طورکلی سه روش زیر برای اتصال میلگرد وجود دارد:
• اتصال همپوشانی یا اورلپ (Lap Joint)
• اتصالات مکانیکی (Mechanical Joint)
• اتصالات جوش سر به سر یا فورجینگ
عملیات اتصال همپوشانی عمدتاً برای جوش میلگردهایی با قطر کمتر از 16 میلی‌متر، به کار می‌رود. درحالی‌که دو روش دیگر، برای اتصال میلگردها با مقاطع بیشتر از 16 میلی‌متر استفاده میشود.
از میان این دو اتصال هم جوش سر به سر یا فورجینگ، در بیش از 90 درصد پروژه‌ها به جوش مکانیکی یا کوپلینگ ترجیح داده میشود. دلیل این موضوع، به‌طور ساده، برتری کیفی و دیگر مزایای جوش سر به سر میلگرد نسبت به دیگر روش‌هاست که آنها را در بخشی جداگانه شرح خواهیم داد.
لازم به یادآوری است که جوش سر به سر نیز خود شامل روش‌های متنوعی است اما روشی که بیش از همه استفاده میشود، جوش با استفاده از فشار و حرارت است. درواقع امروزه منظور از جوش فورجینگ روشی است که ما در این مقاله شرح خواهیم داد.
ماهیت جوش سر به سر میلگرد
جوش سر به سر یا فورجینگ، ازنظر علمی، یک روش پیوند حالت‌جامد است. اساس این جوش بر پیوند مولکولی دو میلگرد، بنانهاده شده است و درواقع در این جوش هیچ ماده جدیدی تولید نمی‌شود اما نقطه اتصال دو سر میلگرد درصورتی‌که فرآیند به‌درستی انجام‌شده باشد، از دیگر نقاط میلگردها مقاوم‌تر و محکم‌تر است. عملیات فورجینگ سه مرحله اساسی دارد:
• قرار دادن دو سر میلگرد درست روبه روی یکدیگر
• حرارت دادن میلگردها تا موقعی که به حالت خمیری دربیایند
• متوقف کردن حرارت دهی و فشار دو میلگرد از دو طرف، به‌منظور ادغام قسمت‌های ذوب‌شده با یکدیگر
همان‌طور که گفته شد، جوش سر به سر میلگرد، مانند دیگر جوش‌های معمول، از نوع فیوژن نیست. در این فرآیند میلگردها، تاکمی بیش 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.
یکی از حساسیت‌های جوش سر به سر میلگرد این است که حتی در طول فرآیند جوش نیز ممکن است، اکسیدهای روی سطوح لبه‌های میلگردها تشکیل شوند. درواقع این اتفاق به کیفیت و پیوستگی حرارت دهی، دما و شرایط محیطی بستگی دارد. درصورتی‌که این اکسیدها وارد بافت منطقه جوش داده شده بشوند، به‌شدت بر کیفیت و مقاومت آن تأثیر خواهند گذاشت.
مزایای جوش فورجینگ یا سر به سر میلگرد
همان‌طور که گفته شد، بیش از نود درصد از پروژه‌های اتصال میلگرد با قطر بیش از 16 میلی‌متر، در کشورهای صنعتی مانند ژاپن، از روش جوش سر به سر میلگرد، استفاده می‌کنند. دلیل این استقبال گسترده مزایای زیر است.
ساده، آسان و قابل دسترس
اولین مزیت جوش سر به سر میلگرد، سهولت انجام آن، سادگی فرآیند و دسترسی آسان به آن است. کل این فرآیند ساده است اما باید این نکته را در نظر داشت که انجام بی‌عیب و نقص آن، بستگی زیادی به مهارت کارکنان و حساسیت و دانش آنها از شرایط ایده‌ال جوش سر به سر دارد.
وابستگی زیاد به مهارت اجراکنندگان را بسیاری به‌عنوان یکی از نقاط ضعف این روش در نظر می‌گیرند. در پاسخ باید گفت که در دیگر روش‌ها هم در صورت عدم مهارت جوشکارها، نتیجه لازم به دست نخواهد آمد.
اطمینان و امنیت بالا
درصورتی‌که جوش به‌دست‌آمده، مراحل کنترل کیفیت را به‌دقت و با حساسیت پشت سر بگذارد، می‌توان گفت که این روش بسیار مطمئن و کارآمد است. جوش حاصل‌شده از این روش، مقاومت فشاری و کششی بیشتری نسبت به دیگر قسمت‌های میلگردها دارد.
کاهش حجم محل جوش
در این روش، برخلاف روش‌های همپوشانی، مکانیکی یا روش‌های جوش فیوژن، محل اتصال دو میلگرد اختلاف سطح چندانی نسبت به خود میلگردها ندارد. این مزیت خود شامل مزیت‌های دیگری است. اول اینکه باعث کاهش وزن سازه شده که در امنیت آن مؤثر خواهد بود. دوم اینکه پیوند بین میلگردها و بتن بیشتر و یکنواخت‌تر خواهد شد که این موضوع هم باعث استحکام بهتر بتن و انتقال بهتر انواع فشار به میلگرد خواهد شد.
صرفه جویی در مصرف میلگرد
در دیگر روش‌ها همواره بخشی از طول میلگرد در فرآیند جوش از بین می‌رود. به‌طور تقریبی گفته میشود که در روش جوش فورجینگ مصرف میلگرد تا 30 درصد کاهش می‌یابد. علاوه بر این، با این روش راحت‌تر می‌توان میلگردهای کوتاه شده را به‌جای دور ریختن به‌عنوان ضایعات، به هم جوش داد و مجدداً استفاده کرد.
مقرون به صرفه بودن
یکی از مهم‌ترین مزیت‌های جوش فورجینگ میلگرد، مقرون‌به‌صرفه بودن آن است. ابزار این روش، معمول و فراوان است و سرعت آن نسبتاً بالاست. همچنین کاهش ضایعات و مصرف میلگرد نیز به اقتصادی‌تر شدن این روش افزوده است؛ در واقع نرخ میلگرد 12 متری تهیه‌شده از کارخانه در برندهای مختلف، نسبت به تکه‌های ضایعاتی آن بالا است. برای مثال قیمت میلگرد بناب در شاخه 12 متری نسبت به طول‌های کوتاه‌تر و به اصطلاح ضایعات آن، که می‌توان در عملیات جوش سر به سر استفاده کرد، بالاتر است.
روش‌های کنترل کیفیت جوش سر به سر میلگرد
همان‌طور که گفته شد، در جوش سر به سر میلگرد، حساسیت‌های زیادی وجود دارند. هرگونه عدم مهارت از سوی مسئول انجام عملیات، عوامل محیطی مخرب و یا عواملی که باعث بروز اکسیداسیون در محل اتصال دو میلگرد شوند، از کیفیت جوش خواهند کاست.
ازآنجاکه بیشتر مصارف میلگردهای جوش‌خورده با روش فورجینگ، در ساختمانسازی و ریل‌های خط آهن است، عدم کیفیت آنها می‌تواند، خسارات جبران‌ناپذیری به بار بیاورد. در اینجا، چند روش سنتی و جدید کنترل کیفیت جوش سر به سر میلگرد را مرور می‌کنیم.
روش های تخریبی (Destructive)
آزمایش‌های کشش یا خمش ازجمله این روش‌ها هستند. به دلیل اینکه ممکن است، در طول این آزمایش‌ها به میلگردها آسیب برسد، به آنها تخریبی می‌گویند. در روش کشش، دو سر سازه به‌دست‌آمده از جوش سر به سر میلگرد را تحت کشش‌های متفاوتی قرار می‌دهند. در صورتی که میلگردها از نقاط جوش از هم جدا شوند، کیفیت جوش پایین بوده و باید مجدداً به‌صورت استاندارد انجام شود.
در روش خمش هم سازه را از نقطه اتصال تا 90 درجه، خم می‌کنند. در صورت عدم شکست نقطه اتصال، می‌توان از کیفیت آن مطمئن بود. نقطه‌ضعف این روش‌ها این است که ممکن است، خود میلگردها از نقاط دیگری آسیب ببینند. همچنین، آنها مقاومت جوش سر به سر را در برابر عواملی مانند ضربه یا فشارهای شدید در زلزله‌ها، نمی‌توانند تضمین کنند.
روش های غیر تخریبی (Non-Destructive)
در زلزله‌ای که سال 1995 در ژاپن رخ داد، مشخص شد که بسیاری از ساختمان‌هایی که با میلگردهای فورجینگ ساخته شده بودند، به علت شکستگی میلگردها از نقطه اتصال، آسیب دیده‌اند. ازآن‌پس بسیاری از مهندسین به‌ویژه در ژاپن، سعی در ابداع روش‌هایی جدیدتر برای سنجش کیفیت جوش سر به سر میلگرد، داشته‌اند.
این روش‌ها مدرن‌تر از روش‌های تخریبی بوده و در آنها امکان آسیب رسیدن به خود میلگردها در نقاطی غیر از اتصال، وجود ندارد. آنها همچنین، مطمئن‌تر هستند و اطلاعات بیشتری در خصوص کیفیت نقطه اتصال به ما می‌دهند. دو روش اصلی غیر تخریبی را در این بخش معرفی می‌کنیم.
روش برش گرم یا Hot shearing
پس از جوش فورجینگ میلگرد، همواره محل اتصال، کمی برآمده‌تر از نقاط دیگر است و در دقایق اولیه همچنان حالت پلاستیکی دارد. دستگاه برش گرم این‌گونه عمل می‌کند که کمی از این سطح برآمده را از تیغه برش خود عبور می‌دهد. درصورتی‌که در حین یا پس از عبور این تیغه و جدا کردن قسمت برآمده از نقطه اتصال، ترکی روی محل اتصال ایجاد شود، مشخص میشود که کیفیت جوش پایین بوده و احتمالاً دچار اکسیداسیون شده است.
می‌توان دستگاه برش گرم را روی گیره‌های نگه‌دارنده دستگاه حرارت دهی نیز نصب نمود. این روش مزیت‌های فراوانی نسبت به دیگر روش‌ها دارد که عبارت‌اند از:
• اطمینان از استحکام محل جوش
• مقرون‌به‌صرفه بودن نسبت به دیگر روش‌های غیر تخریبی
• سرعت بالا
• سادگی در اجرا
• کاهش حجم نقطه اتصال و یک‌دست شدن آن با طول میلگردها و درنتیجه ادغام بهتر با بتن
روش اولتراسونیک
شاید بهترین و مطمئن‌ترین روش آزمایش کیفیت جوش سر به سر میلگرد، این روش باشد. در روش اولتراسونیک امواج نوری را به سمت نقطه اتصال سر به سر تابانده و از بررسی الگوهای موج‌های برگشتی و عبوری، کیفیت جوش را می‌سنجند. بااین‌حال، این روش علی‌رغم دقت بالایش محدودیت‌هایی دارد.
• برای انجام آن باید میلگردها را تا محل آزمایشگاه حمل کرد
• این روش نسبت به دیگر روش‌ها زمان بیشتری می‌برد
• هزینه اولتراسونیک نسبتاً بالاست
سخن آخر درباره جوش سر به سر
روش‌های متفاوتی برای اتصال میلگرد وجود دارد که جوش سر به سر میلگرد، به دلایل مختلف محبوب‌ترین آنها، به‌ویژه در ایران است. در نظام‌مهندسی کشور ما استفاده از جوش سر به سر میلگرد، به‌جای دیگر روش‌ها در بسیاری از موارد اجباری شده است. استحکام بالا، هزینه کم و کاهش مصرف میلگرد سه مزیت اصلی این روش هستند.
در جوش سر به سر، هیچ‌گونه تغییر شیمیایی یا ساختاری در نقطه اتصال، نسبت به دیگر نقاط اتفاق نمی‌افتد. این روش بر پیوند مولکولی بین مولکول‌های دو میلگرد، استوار است. این پیوند به‌گونه‌ای است که در صورت اجرای استاندارد جوش، مقاومتی بالاتر نسبت به خود میلگردها در برابر فشار، ضربه و کشش خواهد داشت.
در این روش از سه دستگاه استفاده میشود؛ دستگاه برش سرد، دستگاه حرارت‌دهی و دستگاه فشار هیدرولیکی. در ابتدا مقاطع دو سر میلگرد به‌منظور عاری شدن از آلودگی و زنگ‌زدگی توسط دستگاه برش سرد بریده می‌شوند.
در مرحله حرارت‌دهی، میلگردها توسط دو کپسول حاوی اکسیژن و اکسی‌استیلن و یک مشعل تا دمای بالاتر از دمای تبلورشان حرارت داده می‌شوند. این دما کمتر از دمای ذوب است و فلز در این حالت به شکل خمیری یا پلاستیکی درمی‌آید.
پس از پایان مرحله حرارت‌دهی، سریعاً دو میلگرد توسط دستگاه فشار هیدرولیکی در هم فرو می‌روند و جوش سر به سر میلگرد، تحت این فشار، شکل میگیرد.
این فرآیند، ازنظر کیفی، به‌شدت به مهارت مجریان عملیات و شرایط محیطی بستگی دارد؛ بنابراین باید از کیفیت آن مطمئن شد. انواع روش‌های تخریبی؛ مانند کشش و خمش و غیر تخریبی؛ مانند اولتراسونیک و برش گرم، برای ارزیابی کیفیت جوش سر به سر میلگرد وجود دارند. جوش سر به سر میلگرد کاربردهای فراوانی به‌ویژه در ساختن خطوط ریلی و ساختمانسازی دارد.
سوالات متداول
ماهیت جوش سر به سر چیست؟
یک روش پیوند حالت جامد، برای اتصال دو سر میلگرد به صورت بسیار محکم و مقاوم است.
مزیت‌های اصلی جوش سر به سر میلگرد نسبت به سایر جوش‌ها چیست؟
استحکام بالا، هزینه کم و کاهش مصرف میلگرد، سه مزیت اصلی این روش نسبت به سایر روش‌های جوش این مقطع فولادی هستند.
