جوشکاری میلگرد فرآیندی است که طی آن دو یا چند قطعه میلگرد به‌صورت دائمی به یکدیگر متصل می‌شوند. این اتصال دائمی، برخلاف اتصالات مکانیکی یا اورلپ، یکپارچگی ساختاری بالایی را تضمین می‌کند. هدف اصلی از جوشکاری میلگرد شامل افزایش طول میلگردها، اتصال آن‌ها به سایر اجزای فولادی سازه نظیر صفحات فلزی یا پروفیل‌ها، و همچنین ایجاد اشکال خاص و پیچیده در آرماتوربندی است. به‌عنوان مثال، در سازه‌های بلندمرتبه، از این روش برای اتصال میلگردهای ستون در طبقات مختلف یا اتصال میلگرد به پلیت‌های انتظار در فونداسیون‌ها و دیوارها بهره گرفته می‌شود.
دلایل اصلی جوشکاری میلگرد
دلایل متعددی برای استفاده از جوشکاری میلگرد در پروژه‌های عمرانی وجود دارد که هر یک به افزایش استحکام، کارایی و انعطاف‌پذیری طراحی کمک شایانی می‌کنند:
- اتصال ستون‌ها و فونداسیون‌های سنگین:در سازه‌های بزرگ و با بارهای سنگین، اتصال قوی و مطمئن میلگردها در ستون‌ها و فونداسیون‌ها برای انتقال مؤثر بارها ضروری است.
- اتصال به سایر مقاطع فولادی:جهت اتصال میلگرد به تیرآهن، ناودانی، یا صفحات فلزی مدفون در بتن، جوشکاری تنها راهکار برای ایجاد اتصالی محکم و پایدار محسوب می‌شود.
- ترمیم سازه‌های بتنی:در صورت آسیب‌دیدگی یا نیاز به تقویت سازه‌های بتنی موجود، جوشکاری میلگرد می‌تواند برای اتصال میلگردهای جدید به میلگردهای قدیمی و بازیابی استحکام سازه به کار گرفته شود.
- اتصال قطعات پیش‌ساخته:در ساخت‌وسازهای مدرن که از قطعات بتنی پیش‌ساخته استفاده می‌شود، جوشکاری میلگرد برای اتصال این قطعات به یکدیگر و ایجاد یکپارچگی سازه‌ای امری ضروری است.
- ایجاد عناصر سازه‌ای خاص:برای ساخت المان‌های سازه‌ای با اشکال پیچیده یا نیاز به مقاومت بالا در نقاط خاص، جوشکاری امکان طراحی و اجرای خلاقانه‌تر را فراهم می‌آورد.
جوشکاری میلگرد مجاز است
به طور کلی جوشکاری میلگرد مجاز است اما تنها در شرایطی که ضوابط آیین‌نامه‌ای رعایت شود. مقررات ملی ساختمان ایران و آیین‌نامه‌های مرتبط تصریح می‌کنند که جوشکاری به صورت عمومی توصیه نمی‌شود، زیرا می‌تواند باعث افت مقاومت، ایجاد ترک‌های موضعی و تغییر در خواص مکانیکی میلگرد گردد. از این رو، استفاده از روش‌های جایگزین مانند بستن با سیم آرماتوربندی یا استفاده از وصله‌های مکانیکی در اولویت قرار دارد.
در شرایطی خاص، وقتی که نوع میلگرد از نظر ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی قابلیت جوش‌پذیری داشته باشد، امکان جوشکاری وجود دارد. در این موارد، میلگرد باید دارای آنالیز مناسب برای جوشکاری باشد و آزمایش‌های کنترل کیفی نیز بر روی آن انجام شود. علاوه بر این، فرآیند جوشکاری باید با رعایت استانداردها و تحت نظارت مستقیم مهندس ناظر انجام گیرد تا از کاهش مقاومت و بروز مشکلات احتمالی جلوگیری شود.
بنابراین می‌توان گفت که جوشکاری میلگرد نه به صورت مطلق ممنوع است و نه به طور کامل مجاز. بلکه این کار مشروط به شرایط خاص فنی، کنترل کیفیت و رعایت دقیق دستورالعمل‌های مقررات ملی ساختمان است. در غیر این صورت، بهترین و مطمئن‌ترین راه برای اتصال میلگردها استفاده از روش‌های مکانیکی و بستن با سیم آرماتوربندی خواهد بود.
میلگردهای جوش‌پذیر و غیرجوش‌پذیر
قابلیت جوشکاری میلگرد عمدتاً به ترکیب شیمیایی آن، به‌ویژه میزان کربن و کربن معادل (Carbon Equivalent) بستگی دارد. هرچه میزان کربن و کربن معادل در میلگرد کمتر باشد، قابلیت جوشکاری آن بهبود می‌یابد. به‌طور کلی، میلگردهایی با کربن معادل کمتر از ۰.۵۱% یا ۰.۵۶%، جوش‌پذیر تلقی می‌شوند. بر اساس استانداردها، میلگردهای گرید A1 (س ۲۴۰) بهترین قابلیت جوشکاری را دارا هستند. میلگردهای A2 (آج ۳۴۰) نیز معمولاً جوش‌پذیر هستند، اما میلگردهای A3 (آج ۴۰۰) به دلیل سختی و تردی بیشتر، عموماً برای جوشکاری توصیه نمی‌شوند، مگر آنکه از روش‌های خاص و کنترل‌شده‌ای نظیر جوش فورجینگ استفاده شود. میلگردهای A4 (آج ۵۰۰) نیز به دلیل کربن بالاتر، عموماً غیرجوش‌پذیر محسوب می‌شوند.
برای درک بهتر، می‌توان به ترکیب شیمیایی میلگردهای مختلف رجوع کرد. به‌عنوان مثال، در جدول ترکیب شیمیایی مذاب ریخته‌گری میلگرد ساده و آجدار (حداکثر مقادیر برحسب درصد جرمی)، میلگرد س ۲۴۰ (A1) حداکثر ۰.۲۲% کربن و میلگرد آج ۳۴۰ (A2) حداکثر ۰.۳۲% کربن دارد که نشان‌دهنده تفاوت در قابلیت جوشکاری آن‌هاست. هرچه درصد کربن و کربن معادل بالاتر باشد، نیاز به دقت بیشتری در فرآیند جوشکاری، از جمله پیش‌گرمایش و کنترل سرعت سرد شدن، افزایش می‌یابد.
| طبقه بندی | علامت مشخصه | کربن | سیلیسیم | منگنز | فسفر | گوگرد | نیتروژن | حداکثر کربن معادل |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ساده | س ۲۴۰ (A1) | 0.22 | 0.50 | 0.80 | 0.050 | 0.050 | 0.012 | 0.40 |
| آجدار | آج ۳۴۰ (A2) | 0.32 | 0.50 | 1.60 | 0.050 | 0.050 | 0.012 | 0.50 |
| آجدار | آج ۴۰۰ (A3) | 0.40 | 0.50 | 1.60 | 0.050 | 0.050 | 0.012 | 0.55 |
| آجدار | آج ۵۰۰ (A4) | 0.45 | 0.50 | 1.80 | 0.050 | 0.050 | 0.012 | 0.60 |
انتخاب روش جوشکاری میلگرد به عوامل مختلفی از جمله قطر میلگرد، نوع سازه و الزامات طراحی بستگی دارد. سه روش اصلی جوشکاری میلگرد عبارتند از:
- جوش سر به سر مستقیم (Direct Butt Welding):این روش برای میلگردهای با قطر بیش از ۱۹ میلی‌متر مناسب است. در این روش، دو سر میلگرد به‌صورت مستقیم و در یک راستا به یکدیگر جوش داده می‌شوند. این روش نیاز به هم‌راستایی دقیق میلگردها و آماده‌سازی مناسب لبه‌ها دارد تا جوش نفوذی کامل و یکنواخت حاصل شود. این نوع جوش برای اتصالات با اهمیت بالا در ستون‌ها و تیرها که نیاز به انتقال کامل نیروی محوری دارند، به کار می‌رود.
- جوش سر به سر غیرمستقیم (Indirect Butt Welding):در این روش، برای اتصال دو میلگرد، از یک قطعه واسط نظیر نبشی، ناودانی یا پلیت فولادی استفاده می‌شود. این قطعه واسط به دو میلگرد جوش داده می‌شود. این روش انعطاف‌پذیری بیشتری در هم‌راستایی میلگردها فراهم می‌آورد و می‌تواند برای اتصال میلگردهایی با قطرهای متفاوت یا در شرایطی که هم‌راستایی مستقیم دشوار است، به کار رود.
جوش فورجینگ میلگرد
جوش فورجینگ میلگرد، که به آن جوشکاری با گاز و فشار یا جوشکاری حالت جامد نیز گفته می‌شود، روشی پیشرفته برای اتصال میلگردهاست. در این فرآیند، دو سر میلگرد پس از آماده‌سازی دقیق، توسط شعله گاز (عموماً اکسیژن و استیلن) تا دمای خمیری شدن (حدود ۱۲۰۰ تا ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد) گرم می‌شوند. سپس، تحت فشار هیدرولیکی بالا، دو سر میلگرد به یکدیگر فشرده شده و اتصالی مولکولی، قوی و یکپارچه ایجاد می‌شود. نکته مهم این است که در این روش، هیچ فلز پرکننده‌ای (الکترود) استفاده نمی‌شود و اتصال از طریق پیوند مستقیم اتم‌های میلگردها صورت می‌گیرد. این فرآیند نیاز به تمیزکاری کامل سطوح، بازرسی دقیق برای عدم وجود ترک و آماده‌سازی دقیق لبه‌ها دارد.
مزایای جوش فورجینگ
جوش فورجینگ به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، مزایای قابل توجهی نسبت به سایر روش‌های اتصال میلگرد ارائه می‌دهد:
- صرفه‌جویی قابل توجه در مصرف میلگرد:با حذف طول همپوشانی (اورلپ) که در روش‌های سنتی مورد نیاز است، حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد در مصرف میلگرد صرفه‌جویی می‌شود.
- کاهش وزن سازه:با حذف اورلپ و کاهش تراکم میلگردها در محل اتصال، وزن کلی سازه کاهش می‌یابد.
- افزایش استحکام در محل اتصال:اتصال فورجینگ عموماً قوی‌تر از خود میلگرد اصلی است و نقطه ضعف ایجاد نمی‌کند.
- سرعت اجرای بالا:فرآیند جوشکاری فورجینگ نسبتاً سریع است و به افزایش سرعت پیشرفت پروژه کمک می‌کند.
- مقرون به صرفه بودن:با توجه به صرفه‌جویی در میلگرد و سرعت اجرا، این روش از نظر اقتصادی می‌تواند بسیار مقرون‌به‌صرفه باشد.
- قابلیت حمل تجهیزات:دستگاه‌های جوش فورجینگ عموماً قابل حمل هستند و می‌توانند به‌راحتی در محل پروژه جابجا شوند.
- تکنولوژی بومی‌شده:این تکنولوژی در ایران توسعه یافته و پشتیبانی می‌شود.
برای انجام جوش فورجینگ میلگرد، به تجهیزات تخصصی و باکیفیت نیاز است:
- دستگاه برش سرد میلگرد:برای ایجاد سطوح انتهایی صاف و تمیز در میلگردها که برای جوش فورجینگ ضروری است. استفاده از اره با دقت بالا توصیه می‌شود.
- گیره نگهدارنده میلگرد (کلمپ):برای ثابت نگه داشتن میلگردها در حین فرآیند جوشکاری و اعمال فشار. کیفیت بالای کلمپ‌ها برای جلوگیری از لغزش و حفظ هم‌راستایی حیاتی است.
- دستگاه اعمال فشار هیدرولیک:برای اعمال فشار لازم (تا ۴۰ مگاپاسکال با شیر قابل تنظیم) بر روی میلگردهای گرم‌شده.
- کپسول‌های گاز:کپسول اکسیژن (با فشار ۵ تا ۷ بار) و کپسول استیلن (با فشار ۰.۵ بار) برای تولید شعله.
- شیلنگ‌ها، شیرآلات و گیج‌های فشار:برای انتقال و کنترل جریان گازها.
- مشعل مخصوص جوش فورجینگ:مشعلی که برای این منظور طراحی شده و از آلیاژ مناسبی ساخته شده باشد تا از برگشت شعله استیلن جلوگیری کند.
الکترود مناسب برای جوشکاری میلگرد
انتخاب الکترود مناسب برای جوشکاری میلگرد از اهمیت بالایی برخوردار است و باید مطابق با مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و استانداردهای مربوطه صورت پذیرد. الکترود انتخابی باید با تنش تسلیم فلز پایه (میلگرد) سازگار باشد و مقاومت کششی نهایی آن حداقل برابر با مقاومت کششی نهایی میلگرد باشد. به‌عنوان مثال، برای میلگردهایی با تنش تسلیم تا ۳۰۰ مگاپاسکال و ضخامت کمتر از ۱۵ میلی‌متر، الکترودهایی با مقاومت کششی نهایی ۴۲۰ مگاپاسکال (نظیر الکترود E60 یا معادل آن) مناسب هستند. برای میلگردهایی با تنش تسلیم بین ۳۸۰ تا ۴۶۰ مگاپاسکال، الکترودهایی با مقاومت کششی نهایی ۵۶۰ مگاپاسکال (نظیر الکترود E80 یا معادل آن) توصیه می‌شوند. تدوین یک مشخصات رویه جوشکاری (WPS) برای هر پروژه و هر نوع جوشکاری میلگرد الزامی است تا تمامی جزئیات فرآیند جوشکاری، از جمله نوع الکترود، جریان، ولتاژ و سرعت جوشکاری، به‌دقت مشخص شوند.
| تنش تسلیم مصالح فلز پایه (MPa) | ضخامت (mm) | مقاومت نهایی کششی فلز الکترود (MPa) | نوع الکترود سازگار |
|---|---|---|---|
| ≤ 300 | ≤ 15 | 420 | E60 (یا معادل آن) |
| ≤ 300 | > 15 | 490 | E70 (یا معادل آن) |
| 300-380 | هر ضخامتی | 490 | E70 (یا معادل آن) |
| 380-460 | هر ضخامتی | 560 | E80 (یا معادل آن) |
آیین نامه جوشکاری میلگرد
آیین‌نامه جوشکاری میلگرد در ایران عمدتاً بر اساس مبحث نهم مقررات ملی ساختمان و همچنین ارجاع به آیین‌نامه‌های معتبر بین‌المللی مانند ACI 318 و استانداردهای جوشکاری نظیر AWS D1.4 تنظیم می‌شود. این آیین‌نامه‌ها مشخص می‌کنند که چه نوع میلگردهایی قابلیت جوشکاری دارند و تحت چه شرایطی این اتصال مجاز است.
طبق مقررات، تنها میلگردهایی با آنالیز شیمیایی مشخص و کربن معادل پایین (معمولاً کمتر از ۰.۵ درصد) مجاز به جوشکاری هستند. در غیر این صورت، جوشکاری می‌تواند باعث کاهش شدید مقاومت و ایجاد ترک در محل اتصال شود. به همین دلیل، در نقشه‌های سازه‌ای معمولاً توصیه می‌شود به جای جوشکاری، از وصله پوششی (overlap splice) یا اتصالات مکانیکی استفاده گردد.
آیین‌نامه همچنین بر لزوم کنترل کیفیت فرآیند جوشکاری تأکید دارد. این شامل انتخاب الکترود مناسب، اجرای جوش توسط جوشکار ماهر، رعایت پیش‌گرم در صورت نیاز، و بازرسی جوش پس از اجرا است. در تمامی موارد، انجام جوشکاری میلگرد باید با تأیید و نظارت مهندس ناظر و بر اساس دستورالعمل‌های مکتوب آیین‌نامه صورت گیرد.
رعایت ضوابط اجرایی دقیق برای اطمینان از کیفیت و ایمنی جوشکاری میلگرد حیاتی است:
- پیش‌گرمایش الزامی:پیش‌گرمایش میلگردها قبل از جوشکاری، به‌ویژه برای میلگردهای با کربن معادل بالا و قطرهای بزرگ، الزامی است. این کار به کاهش سرعت سرد شدن جوش و جلوگیری از تشکیل ساختارهای ترد و شکننده کمک می‌کند. دمای پیش‌گرمایش بر اساس کربن معادل و قطر اسمی میلگرد تعیین می‌شود. به‌عنوان مثال، میلگردهایی با کربن معادل تا ۰.۴۰% و قطر تا ۳۶ میلی‌متر ممکن است نیازی به پیش‌گرمایش نداشته باشند، در حالی که میلگردهایی با کربن معادل ۰.۵۶-۰.۶۵% و قطر ۳۶-۵۰ میلی‌متر به ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد پیش‌گرمایش نیاز دارند. جوشکاری در دمای کمتر از ۱۸- درجه سانتی‌گراد مجاز نیست و پس از جوشکاری، سرد شدن باید به‌صورت طبیعی انجام شود.
- کیفیت سطح:سطوح میلگردها در محل جوش باید کاملاً تمیز، عاری از هرگونه زنگ‌زدگی، رنگ، روغن، گل‌ولای و هرگونه آلودگی دیگر باشند. همچنین، نباید دارای شیار، برآمدگی، بریدگی یا سرریز جوش باشند.
- ذوب کامل:اطمینان از ذوب کامل بین فلز پایه (میلگرد) و فلز جوش (در صورت استفاده از الکترود) ضروری است تا اتصالی یکپارچه و قوی حاصل شود.
- قوانین خاص برای انواع اتصالات:برای هر نوع اتصال (سر به سر، پوششی و غیره)، باید قوانین و جزئیات اجرایی خاص آن رعایت شود.
- ایمنی:استفاده از تجهیزات حفاظت فردی (PPE) شامل دستکش‌های مقاوم در برابر حرارت، عینک یا ماسک جوشکاری، لباس کار مناسب و کفش ایمنی برای جوشکاران الزامی است. تهویه مناسب محل کار نیز برای جلوگیری از استنشاق دود و گازهای مضر ضروری است.
| کربن معادل (%) | قطر اسمی میلگرد (mm) | دمای پیش گرم (درجه سانتی‌گراد) |
|---|---|---|
| ≤ 0.40 | ≤ 36 | نیاز نیست |
| ≤ 0.40 | 36-50 | 50 |
| 0.41-0.55 | ≤ 36 | 50 |
| 0.41-0.55 | 36-50 | 100 |
| 0.56-0.65 | ≤ 36 | 100 |
| 0.56-0.65 | 36-50 | 150 |
جوش دادن میلگرد در آرماتور بندی
جوشکاری میلگرد در آرماتوربندی برای ایجاد یکپارچگی و استحکام در قفسه‌های میلگردی به کار می‌رود. این روش به‌ویژه در نقاطی که نیاز به اتصال محکم و دائمی میلگردها به یکدیگر یا به سایر عناصر سازه‌ای وجود دارد، کاربرد دارد. با این حال، باید به این نکته توجه داشت که بتن و فولاد دارای ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی هستند. جوشکاری می‌تواند باعث ایجاد تنش‌های حرارتی در میلگرد شود که در صورت عدم کنترل، ممکن است منجر به ترک‌خوردگی بتن اطراف یا کاهش مقاومت اتصال شود. برای کاهش این نگرانی‌ها، توصیه می‌شود از روش‌های جوشکاری با حداقل حرارت ورودی، کنترل دقیق دمای پیش‌گرمایش و پس‌گرمایش و همچنین خنک‌سازی طبیعی و تدریجی پس از جوشکاری استفاده شود. همچنین، طراحی دقیق محل جوش و اطمینان از پوشش بتنی کافی می‌تواند به مدیریت این تنش‌ها کمک کند.
جوشکاری میلگرد ستون
جوشکاری میلگرد در ستون‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا ستون‌ها عناصر اصلی تحمل‌کننده بار در سازه هستند. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان تأکید دارد که محل وصله میلگردهای ستون باید با دقت انتخاب شود و از قرار گرفتن تمام وصله‌ها در یک مقطع خودداری شود. برای جوش‌های سر به سر میلگردهای ستون، به‌ویژه در اتصالات کارخانه‌ای، حصول جوش نفوذی کامل (Full Penetration Weld) الزامی است تا انتقال نیرو به‌طور کامل و بدون ضعف انجام شود. این امر به معنای ذوب شدن کامل ضخامت میلگرد در محل اتصال و ایجاد اتصالی یکپارچه است که مقاومت کششی و فشاری میلگرد اصلی را حفظ کند.
رایج‌ترین اشتباهات در جوشکاری میلگرد چیست و چگونه می‌توان از آن‌ها اجتناب کرد؟
رایج‌ترین اشتباهات شامل عدم تمیزکاری صحیح سطوح، عدم پیش‌گرمایش کافی، استفاده از الکترود نامناسب، سرعت جوشکاری نامناسب (بیش از حد سریع یا آهسته) و عدم کنترل صحیح دمای پس از جوشکاری است. برای اجتناب از این اشتباهات، همیشه سطوح را کاملاً تمیز کنید، دمای پیش‌گرمایش را بر اساس استانداردها رعایت کنید، الکترود مناسب را انتخاب کرده و از WPS پیروی کنید. همچنین، آموزش کافی به جوشکاران و نظارت کیفی مستمر ضروری است.
