مبانی فن جوشکاری
جوشکاری عبارت است از اتصال فلزات با ترکیب یکسان یا مشابه تحت اثر حرارت، با یا بدون افزودن فلزی با همان ترکیب یا مشابه. بهوسیله جوشکاری، قطعات بهگونهای جداییناپذیر به یکدیگر متصل میشوند که یک کل واحد بهوجود میآید. جوشکاری خوب مستلزم پیوندی صمیمی است که تنها زمانی حاصل میشود که در محل جوش، مادهٔ اصلی نیز ذوب شود (ناحیهٔ حوضچه جوش).
جوشکاری قوس الکتریکی
برای سازههای فولادی، در درجه نخست جوشکاری قوسی الکتریکی مطرح است که در آن گرمای لازم با قوس شعله الکتریکی بهدست میآید. قوس شعله بین قطعه اصلی و بهاصطلاح الکترود ایجاد میشود که در این فرآیند ذوب شده و ماده افزودنی را فراهم میکند. انتخاب درست ماده افزودنی (الکترود) بیشترین تأثیر را بر ویژگیهای اتصال جوش دارد. الکترودها بر اساس مقاومتهای مشخصه ماده اصلی که جوش داده میشود انتخاب میشوند. انتخاب الکترودها و تعیین شرایط جوشکاری مستلزم دانش تخصصی است و به همین دلیل نهادی از «مهندسان متخصص در فن جوشکاری» آموزشدیده ویژه ایجاد شده است که وظیفه آن، از جمله، نظارت بر کارهای جوشکاری و تکرار منظم گواهینامههای جوشکاران است.
جوشکاری و برش گازی
در جوشکاری گازی، گرمای لازم از سوختن گاز تولید میشود، بهطوری که مادهٔ پایه و مادهٔ افزوده ذوب میشوند. مهمتر، برش است. مشعل برش علاوه بر لولهٔ گرمایی که مانند حالت جوشکاری کار میکند، یک لولهٔ دیگر برای اکسیژنِ برش نیز دارد. فولادِ گرمشده با شعلهٔ داغ سوراخ و سپس با جریان اکسیژن دمیده میشود. برش، سطوحی صاف و دقیق بهدست میدهد که برای بسیاری از کاربردهای سازههای فولادی بدون عملیات بعدی کافی هستند.
قابلیت جوشکاری
برای ارزیابی اتصالات جوشی باید در نظر داشت که در جریان فرایند جوشکاری، ترکیب فلز افزوده و نیز فلز پایه میتواند بهطور قابلملاحظهای تغییر کند. تغییر ساختار نیز اهمیت زیادی دارد — میان درزِ ذوبشده و فلز پایهٔ تغییرنیافته، بسته به شدت اثر حرارتی، ناحیهای با ساختارهای گوناگون و در نتیجه خواص متفاوت وجود دارد. در کنار درز، بخشی قرار دارد که در آن فلز پایه ذوب شده است (ناحیهٔ جوشنفوذ) و در آن اتصال میان ناحیهٔ جوشکاری و فلز پایه برقرار میشود. ناحیهٔ پیرامونیِ ماده نیز به همان اندازه بهشدت گرم میشود، هرچند در آنجا دیگر نقطهٔ ذوب حاصل نشده است. در این ناحیهٔ بیشگرمشدگی تغییرات ساختاری بزرگی رخ میدهد، بهطوری که اغلب برای خواص کل اتصال جوشی تعیینکننده است.
ترکخوردگی درز به بروز ترکها در درز گفته میشود که بلافاصله پس از جوشکاری، هنوز در دمای بالا، یا شاید فقط هنگام سرد شدن در ناحیه سرخشدگی آبی (در حدود 300 درجهٔ سانتیگراد) پدید میآیند. ترکخوردگی تا حد زیادی از ویژگیهای الکترودهاست و تقریباً فقط در الکترودهای پوششدار رخ میدهد؛ همانهایی که برای سازههای فولادی اهمیت دارند. برای پدید آمدن ترکها لازم است دو شرط برقرار باشد، یعنی تنشهای زیاد ناشی از فرآیند جوشکاری یا دیگر عوامل خارجی، و نیز افزایش سختی ماده.
گذشته از تغییرات متالورژیکی در ترکیب و ساختار ماده، فرایندهای فیزیکی نیز مهماند که با مقادیر زیاد گرما، که هنگام جوشکاری به ماده داده میشود و با دماهای بالای حاصل از آن در ارتباط هستند. گرمکردن بهصورت یکنواخت انجام نمیشود، بلکه فقط در نواحی بهطور محدود و باریک. انبساط حرارتیِ ناشی از گرمکردن، توسط تنش داخلیِ ناحیهٔ گرمشده که از سوی مادهٔ گرمنشده اعمال میشود، مهار میگردد. علاوه بر آن، تنش خارجی نیز وجود دارد، زیرا قطعات هنگام جوشکاری باید محکم مهار شوند، ازاینرو در هنگام گرمشدن، فشردگیهای پلاستیک پدید میآید. هنگام سردشدن، درز و پیرامون آن بیشترین انقباض را دارند (جمعشدگی). در سردشدن، بهسبب جلوگیری از کشیدگی، باید تنشهای اجباری (تنشهای ناشی از جمعشدگی) ایجاد شوند. با پیشگرمکردن قطعاتی که قرار است جوش داده شوند تا 200 oC و تا 300 oC میتوان سردشدن را بهطور چشمگیری کند کرد. بهسبب کاهش اثر سختکاری، ساختار بهتری حاصل میشود و سختشدن کمتر میماند.
آزمایش مواد و کارهای جوشکاری
کلی: از آنجا که کیفیت کارهای جوشکاری به مجموعهای از شرایط وابسته است و در نهایت نیز به مهارت و اطمینانپذیری کارگر متخصص بستگی دارد، نظارت و آزمون دقیق همهٔ کارهای جوشکاری ضروری است. از آزمونها میتوان به آزمونهای تعیین قابلیت جوشکاری مواد و الکترودها، مقایسهٔ شرایط جوشکاری و روشهای جوشکاری برای یک مورد مشخص، آزمون نمونهها و غیره اشاره کرد.
شکل 1 - آزمونِ خمشِ درزِ جوش
آزمون خمشِ درز جوش: این آزمون، خمشِ یک تیر ساده با مقطع مستطیلی است (شکل 1) که در آن شیار طولیِ نیمدایرهپردازششده در الیاف کششی دوباره با یک لایه جوش داده میشود و آن هم در دمای اتاق. درز موجب کاهش شدید تغییرشکلپذیری میشود، بهطوریکه نمونهها اغلب بهصورت کاملاً ترد و ناگهانی میشکنند. زاویهٔ خمش در صفحات نازکتر بزرگتر است و با افزایش ضخامت صفحه کاهش مییابد.
چقرمگی شکاف: در آزمون خمشیِ درز، اغلب نخست ترکها در خود درز پدید میآیند، بهگونهای که شکست ترد رخ میدهد. مادهٔ پایه باید بتواند بارِ ناگهانیای را که در اثر شکافتن تردِ درز پدید میآید تحمل کند. باید خواست که ترک در ناحیهٔ جوش بهسرعت و از میان مادهٔ پایه گسترش نیابد، بلکه تنها بهآهستگی پیشروی کند. مادهٔ پایه باید بهاندازهٔ کافی چقرمه باشد تا این بار ناگهانی را تحمل کند و این توانایی باید تا حد کافی حتی در دماهای پایین نیز باقی بماند. چقرمگی شکاف، مانند دیگر خواص مکانیکی، تا حد زیادی به دمایی که آزمون در آن انجام میشود وابسته است. در دماهای پایین، برای مثال زیر 0 درجهٔ سانتیگراد، ممکن است به بخشی از مقدار آن در 20 درجهٔ سانتیگراد کاهش یابد. جایگاه این افت ناگهانی برای ارزیابی یک ماده اهمیت دارد. برای سازههای فولادی جوشی امروز مادهای با پایداری خوب در برابر پیرشدگی، یعنی استحکام بالای شکاف در ضربهٔ سردِ نمونههای کشیدهشده، مورد نیاز است.
شکل 2 - تغییرشکل در حالتهای تنشِ ناشی از شیار
سختی: پدیدههای سختی در ناحیهٔ جوشکاری اهمیت زیادی دارند. شناخت افزایش سختی مهم است، زیرا ازدیاد طول در لحظهٔ شکست با افزایش سختی بهسرعت کاهش مییابد (شکل 3), در حالی که مقاومت کششی σB تقریباً بهطور متناسب با سختی برینل HB افزایش مییابد. برای فولادهای ساختمانی تقریباً σB = 0,36*HB است. یک نمونه از سختیِ درز گوشهای اصلیِ تیر I در شکل 4 نشان داده شده است. در ناحیهٔ گذار، در فواصل بسیار کم، تفاوتهای بزرگی در سختی وجود دارد. روند سختی به ساختار شکلگرفته بستگی دارد. منحنی σ-ε-l نیز مانند حالت تنشِ بریدگی، بهطور مشابه با سختی تغییر میکند (شکل 2).
شکل 3 - سختی برینل و ازدیاد طول
شکل 4 - سختیها در ناحیه جوش در جانِ یک تیرآهن I جوشکاریشده
آزمایش غیرمخرب اتصالات جوشی آماده
پرتونگاری – در پرتونگاریِ ضخامتهای کم، میتوان تصویر پرتو ایکس را روی یک صفحه قابل رؤیت کرد. بهجای پرتوهای ایکس میتوان از پرتوهای گامای مواد رادیواکتیو استفاده کرد. تصویر پرتو ایکس اجازه میدهد درباره کیفیت جوش نتیجهگیری شود. سرباره یا تخلخلهای محبوس، و نیز عیوب اتصال و ترکها، به این ترتیب میتوانند مشخص شوند و در صورت لزوم برطرف گردند.
شار مغناطیسی – در بخشی از فولاد که مورد آزمایش قرار میگیرد میدان مغناطیسی ایجاد میشود و سپس برادههای پاشیدهشده بر حسب میدان مرتب میشوند. از هرگونه ناهنجاری در میدان مغناطیسی میتوان ترکها را آشکار کرد. این روش بهویژه برای یافتن ترکهای سطحی کارآمد است، اما نسبت به آخالهای سرباره و تخلخلها، و نیز نسبت به ترکهایی که درون ورقهای ضخیمتر قرار دارند، تا حدی کمحساس است.
آزمون با فراصوت – امواج صوتی فوقکوتاه نه تنها در سطوح مرزی، بلکه در سطوح جداکننده درون ماده نیز، مانند ترکها یا لایهلایهشدنها، بازتاب مییابند.