انواع سیستم های اتصال در سازه های فلزی

 در انتخاب یک سیستم مناسب اتصال جهت انتقال بار، علاوه بر نگرش سازه ای، به قابل اجرا بودن آن نیز باید توجه کرد. انواع سیستمهای اتصال – پرچ، پیچ، جوش و اتصالات خاص – زمانی مناسب می باشد که از مطابقت آن با عملکرد سازه ای، تکنولوژی اتصال و اقتصاد آن اطمینان حاصل شود.
پرچ
پرچ از قدیمی ترین وسایلی است که از آن برای اتصال در سازه های فولادی استفاده می شود ولی امروزه کاربرد آن منسوخ شده است. پرچ شامل یک استوانه توپر فولادی است که سر آن شکل داده شده است. این قطعه بصورت گرم در سوراخ اتصال قرار داده شده سر دیگر آن بوسیله چکش بادی شکل داده می شود. پرچ پس از سرد شدن منقبض می شود و انقباض باعث فشردگی دو قطعه اتصال می شود. بدین صورت یک اتصال اصطکاکی کامل بدست می آید از آنجایی که میزان انقباض و نیروی بوجود آمده در پرچ قابل محاسبه نیست نمی توان از آن در محاسبات طراحی استفاده کرد.

پرچ را می توان بصورت سرد نیز کوبید که دیگر هیچ نیروی پیش تنیدگی در آن بوجود نمی آید.امروزه بدلایل زیر از پرچ در سازه های فولادی استفاده نمی شود :
  پیشرفت تکنولوژی جوشکاری
  تولید پیچ های با مقاومت بالا
  نیاز به نیروی انسانی زیاد و ماهر برای پرچکاری
  احتیاج به نظارت دقیق
  سر و صدای زیاد در حین اجرا
  خطر آتش سوزی در حین کار 

 پیچ

 پیچهایی که در اتصالات سازه های فولادی مورد استفاده قرار می گیرند، به دو دسته تقسیم می شوند : 1- پیچهای معمولی   2- پیچهای با مقاومت بالا
از پیچهای معمولی در اتصالاتی استفاده می شود که نیروهای موجود در اتصال کم باشد. از این پیچها که بصورت یاتاقانی یابرشی عمل می کنند در ساخت مهاربندیها، خرپاهای کوچک، لاپه ها و اعضای درجه دوم سازه های فولادی استفاده می شود. پیچهای با مقاومت بالا در هنگام تولید به منظور افزایش مقاومت، بصورت گرم نورد می شوند. نحوه اتصال و انتقال بار در این پیچ های با مقاومت بالا در سوراخهایی قرار می گیرند که قطر آن از قطر پیچ بیشتر است و در هنگام اتصال برای ثابت نگه داشتن پیچ و جلوگیری از سائیدگی قطعات فولادی، از واشر استفاده می گردد.

جوش
جوشکاری فرایندی است که در آن دو قطعه فلز بوسیله حرارت به یکدیگر جوش می خورند تا یک اتصال بوجود آید. عمل جوش در اتصالات ساختمان درست شبیه بستهای مکانیکی می باشد. جوشها برای ساخت اتصالات، جهت انتقال نیرو بین اعضای سازه و همچنین برای انتقال دادن تنشهای محاسباتی از یک قسمت عضو ساخته شده به قسمتهای دیگر به کار می روند. قوانین و ضوابط جوشکاری در ساختمان سازی بوسیله انجمن امریکایی جوشکاری " AWS " به صورت مدون گردآوری شده است. این مجموعه بصورت آیین نامه ای در زمینه جوشکاری در ساخت ساختمانهای فولادی     AWS(D1.0)  و همچنین مشخصات جوشکاری در پلها، بزرگراهها و راه آهن ها AWS (D.1.0 ) گردآوری شده است. مشخصات اتصالات جوش شده در ساخت ساختمانهای فلزی در AISC آورده شده است. AISC نیز در مواقع لزوم به استاندارد AWS(D.1.0) ارجاع می دهد.
انواع روشهای جوشکاری
الف) جوش قوس الکتریکی با الکترود روکشدار
جوش قوس الکتریکی با الکترود روکشدار از رایج ترین روشهای جوشکاری هستند که هم در جوشکاریهای کارخانه ای و هم در جوشکاریهای کارگاهی کاربرد دارند. 
ب) جوش قوس الکتریکی غوطه ور ( زیر پودری )
جوش قوس الکتریکی از مهمترین روشهای جوشکاری کارخانه ای است. این روش هم بصورت تمام خودکار و هم بصورت نیمه خودکار قابل اجراست.پودر نرم، روی محلی که باید جوشکاری شود ریخته می شود و الکترود به سمت آن روانه می گردد. هنگامی که قوس الکتریکی تشکیل می شود، قسمتی از پودر ذوب می شود و به صورت تفاله جوشکاری در می آید و روی فلز مذاب را می پوشاند. جوش قوس الکتریکی غوطه ور نسبت به جوش الکتریکی با الکترود روکشدار دارای نفوذ بیشتر و همچنین سرعت جوشکاری بیشتر می باشد. در این نوع جوشکاری، سطح جوشکاری شده صاف است و ترشحات جوشکاری تشکیل نمی گردد. لازم است گل جوش پس از انجام هر مرحله جوشکاری برداشته شود. پودر ذوب نشده نیز در جوشکاریهای بعدی قابل استفاده است. در روش تمام خودکار، دستگاه کنترل الکتریکی، پودر و سیم جوشکاری ( الکترود ) را از دو مجاری مجزا در حین حرکت در امتداد درز، تامین می کند.
ج) جوش قوس الکتریکی تحت حفاظت گاز
جوشکاری با روش قوس الکتریکی تحت حفاظت گاز به دلیل انطباق آن با تمام شرایط کاری، دارای اهمیت روز افزونی در جوشکاری کارخانه ای شده است. در این روش جوشکاری که ممکن است بصورت تمام خودکار یا نیمه خودکار انجام شود، از سیستم الکترود بدون پوشش با قوس الکتریکی و پوشش گازی استفاده می گردد. بوسیله تغییر دادن نوع گاز یا تعویض قطب قوس الکتریکی ، می توان مقطع عرضی فلز جوش شده را کنترل نمود. بدین ترتیب که می توان مقطع را بصورت عریض با نفوذ کم و یا عرض کم با نفوذ زیاد، در مرکز خط جوش در آورد. به جوشی که از دی اکسیدکربن به عنوان گاز محافظ استفاده می شود ، جوش CO2 گفته می شود.
د) جوش قوس الکتریکی با پودر مغزی
از این روش جوشکاری می توان بصورت خودکار یا نیمه خودکار در کارگاههای بزرگ یا کارخانه ها استفاده کرد. این روش شبیه جوشکاری به روش قوس گازی است با این تفاوت که الکترود ممتد فلزی آن لوله ای شکل بوده و مواد پودر در داخل آن لوله قرار دارد. البته این روش مزایایی نیز نسبت به روشهای قبلی دارد، بعنوان نمونه در این روش محافظ قوس الکتریکی تحت تاثیر وزش باد در فضای آزاد قرار نمی گیرد.
ه) جوش الکتروگاز

جوش الکترو گاز نوعی جوشکاری به روش قوس الکتریکی یا قوس الکتریکی با پودر مغزی می باشد که برای اتصالات قائم تا ضخامت 3 اینچ قابل اجرا است. این نوع جوشکاری بصورت تمام خودکار انجام می شود. این حفره می تواند بین دو لبه کار ( جوش تخت ) و یا بین لبه و سطح کار ( جوش گوشه ) باشد. صفحات مسی که بوسیله آب خنک می شوند، دو طرف حفره جوش را میپوشانند. داخل این حفره فلز مذاب جوش قرار دارد و با خنک شدن فلز جوش، صفحات مسی به تدریج و به این صورت جوشکاری از پایین به سمت بالا کامل می گردد. قوس الکتریکی و محافظ فلز جوش بوسیله گاز یا بخار ایجاد شده از پودر مغزی قابل تامین هستند.
و) جوش الکترو اسلاگ
در جوشکاری به روش الکترو اسلاگ، برای جوشهای تخت و یا گوشه، جوشها به صورت قائم و از پایین به بالا در حفره جوشکاری کامل می گردند. آب خنک کننده و صفحات مسی، دو طرف سطح اتصال را میگیرند و به صورت یک قالب مواد مذاب حاصل از عمل جوشکاری را در خود جای می دهند و به تدریج جوش را از پایین به بالا کامل می کنند. به خاطر توزیع یکنواخت گرما در اتصال، جوشکاری به روش الکترواسلاگ در مواردی مناسب است که حداقل تغییر شکل در اجزای اتصال، مورد نظر باشد. در صورتی عمل جوشکاری با موفقیت انجام می شود که اتصالات قائم ارتفاع قطعات اتصالی حداکثر 20 اینچ باشد.
ز) جوش گلمیخ
این نوع جوشکاری روشی است که بوسیله آن انتهای گلمیخها به اعضای سازه ای جوش داده می شوند. دستگاه نوع تفنگی با کنترلهای مخصوص، گلمیخ را در جای خودش نگه می دارد و پس از آن بین گلمیخ و عضو سازه ای قوس الکتریکی ایجاد می کند و هنگامی که درجه حرارت به نقطه ذوب رسید، به طور خودکار گلمیخ را به داخل حوضچه مذاب فشار می دهد.
ح) جوش مقاومتی
در جوش مقاومتی، گرمای لازم برای رسیدن به نقطه ذوب، بوسیله مقاومت الکتریکی جریان عبور داده شده از نقطه اتصال تامین می شود. هنگامی که فلز به دمای مناسبی رسید، دو نقطه به هم فشرده می شوند تا در محل اتصال بصورت یکپارچه درآیند. در کارهای ساختمانی، جوش مقاومتی اساسا" برای ساخت مقاطع کوچک و قطعات سبکتر بکار می روند ( مثل ساختن تیرچه های خرپایی ) 
سازه فولادی از مجموعه ای از اعضای باربرساخته شده از نیمرخهای فولادی یا ورق می باشد که به کمک اتصالات به یکدیگر متصل می گردند.با توجه به روشهای تکامل یافته ای که برای تولید نیمرخ های فولادی به  کار گرفته می شود این مقاطع غالبا رفتار در حد قابل انتظاری از  خود نشان می دهند. مساله بسیار مهم رفتار اتصالاتی است که  الف)   برای ساخت اعضای مرکب از نیمرخ و ورق برای یکپارچه نمودن  اعضا(شامل تیر و ستون و مهاربندها)در محل گره ها مورد استفاده قرار می گیرد.
وسایلی که برای ساخت اعضا  و اتصال آنها به  یکدیگر به کار می رود شامل پیچ و پرچ و جوش است.در این میان استفاده از جوش در ساختمان سازی متعارف در ایران بسیار رایج است.تا زمان وقوع زلزله نورث ریچ(1994)تصور بر این بود که در صورت رعایت اصول فنی در طرح و اجرای سازه های فولادی جوشی این سازه هادر زلزله عملکرد قابل قبولی از خود  نشان می دهند.اما وقوع این زلزله این فرض رازیر سوال برد.در این زلزله مشاهده شد که در بسیاری از اتصالات , در محل درز جوش اتصال , فلز مادر(Base metal) دچار ترک یا یعضا شکست شده است.اسن مساله باعث شد تا تحقیقات گسترده ای در مورد علت این پدیده صورت گیرد که این تحقیقات  تا به امروز ادامه دارد.از طرف دیگر مشاهده و تحقیق  درباره وضعیت ساخت و ساز ساختمانهای فولادی نشان می دهد که اتصالات جوشی متداول در ایران از کیفیت مناسبی برخوردار نیستند و با وجود سابقه نسبتا طولانی در استفاده از جوشکاری در صنعت ساختمان هنوز نقایص  زیادی در این زمینه مشاهده می شود.
 عملکرد  لرزه ای ساختمانهای فولادی
براساس تجربه های حاصل از زلزله های گذشته و مطالعات انجام گرفته سازه هایی در برابر زلزله دارای عملکرد بهتری هستند که بتوانند ضمن حفظ پایداری و انسجام کلی خود انرژی ناشی از زلزله را تا حد امکان جذب و مستهلک نمایند.با توجهبه منحنی نیرو-تغییر مکان  سازه ها و توجه به  این مطلب که سطح بین منحنی نیرو-تغییرمکان و محور تغییرمکان نشان دهنده میزان انرژی جذب شده توسط سازه است.هر چه سازه شکل پذیرتر باشد انرژی بیشتری را  هنگام زلزله جذب کرده و رفتار مطلوبتری دارد.فولاد نرمه به علت طبیعت شکل پذیر از این نظر ماده مناسبی می باشد و می تواند میزان زیادی انرژی جذب کند.اما تجربه نشان داده است  که در سازه  های فولادی  در صورت عدم استفاده از اتصالات مناسب عملکرد مناسب لرزه ای آنها مناسب و قابل قبول نخواهد بود و در اثر زلزله دچار شکست سازه ای و یا انهدام خواهد شد.در زلزله منجیل (1369) مشاهده شد که تعدادی از ساختمانهای فولادی دچار تخریب کامل شدند. رفتار این سازه ها در این زلزله  ثابت کرد که در بسیاری از موارد سازه های موجود دارای سیستم مقاوم زلزله مناسبی نیستند.استفاده  از تیرهای خورجینی(تیرهای سرتاسری در دو طرف ستون با اتصال نبشی) و عدم شناخت سیستم حاصل و مدل صحیح برای این اتصالات باعث شده این سیستم از نظر مهندسی زلزله بسیار آسیب پذیر تلقی گردد.درس حاصل از این زلزله کیفیت پایین ساخت و ساز شهری بودکه در سالهای اخیر تلاشهایی برای اصلاح آن به عمل آمده است.در زلزله نورث ریچ آمریکا مشاهده شد که در بسیاری ازساختمانهای فولادی  اتصال تیرها و ستونها دچار ترک و یا بعضا شکست شد.بیشتر این ترکها و شکستها در بال ستون اتفاق افتاده است.
 صنعت جوشکاری ساختمان در ایران
با گذشت 50 سال از استفاده از جوش در ساختمان دهه اخیر(80-1370)از نظر تعداد ساختمانهایی که  با سازه های فولادی طراحی و اجرا شده اند کاملا استثنایی به شمار می آید.در نیمه دوم این دهه دهها هزار سازه فولادی در تهران و شهرهای بزرگ ایرن به ناگهان سر از زمین برآورد.گسیل سرمایه ها به سوی ساخت و ساز شهری و تبدیل ساخت سرپناه به ماشین سرمایه گذاری جهت سودهای کلان باعث گردید تا رعایت اصول فنی و ایمن سازی ساختمانها در برابر زلزله در برابر منفعت طلبی صاحبکاران عملا مورد توجه قرار نگیرد.از طرف حجم عظیم ساخت و ساز نیروز انسانی زیادی اعم از مهندس و تکنسین و جوشکار احتیاج داشت که باعث ورود افراد غیرمتخصص به این جرگه گردید.تمامی این مسایل دست به دست هم داد تا طرح و اجرای ساختمانهای فولادی آنچنان که  باید از کیفیت  مطلوبی برخوردار نباشد.تخریب کلی ساختمانهای فولادی در زلزله منجیل موید پایین بودن کیفیت ساختمانهای فولادی کشور می باشد. از میان تمامی عوامل دخیل  در طرح  و ساخت سازه های  فولادی اتصالهای جوشی از نارساییهای بیشتری برخوردارند. علل اصلی پایین بودن کیفیت جوش درساخت و سازهای شهری را می توان  به صورت زیر بیان نمود :
      عدم انطباق اجرای معمول سازه های فولادی با آیین نامه ها  و دستورالعملها
     کیفیت پایین جوش به علت عدم آموزش کلاسیک کافی در این زمینه برای جوشکاران و مهندسان
     نبود نظارت اصولی و دقیق بر اجرای جوشکاری در ساختمانهای شهری در کشور
    عدم طرح دقیق اتصال جوشی با توجه به عملکرد مورد نظرآنها
 عدم انطباق اجرای معمول سازه های فولادی با آیین نامه ها  و دستورالعملها
 در بسیاری از موارد طرز اجرای متداول جوش باجزییات ارایه شده در آیین نامه تطابق ندارد.این موارد ناشی از موارد متعددی است که از میان آنها به موارد زیر می توان اشاره کرد:
الف) آشنا نبودن مهندسین سازه به مسایل اجرایی و در نتیجه ارایه نقشه ها و جزییات غیرقابل اجرا
 ب) گران تر بودن هزینه اجرای جزییات آیین نامه نسبت به روش سنتی اجرا
 پ)آگاه نبودن کارفرما و یا مهندس مجری طرح به جزییات آیین نامه و عدم      
      توانایی در تمیز دادن حالات مختلف از یکدیگر
بعد از اجباری شدن آیین نامه2800(1368) اهمیت وجود سیستم مقاوم در برابر زلزله از یک طرف و محدودیتهای معماری برای استفاده از سیستم مهاربندی از طرف دیگر باعث استفاده روزافزون از سیستم قاب خمشی در جهت عرضی ساختمانها شد.در این سیستم اتصال تیر به ستون از نوع  گیردار بوده یعنی باید توانایی انتقال برش و لنگراز تیر به ستون وجود داشته باشد.در این نوع اتصالات از ورقهای بالاسری و زیرسری که در محل اتصال به ستون برای ایجاد جوش نفوذی کامل خورده است استفاده می شود. اما از آنجاییکه متاسفانه عملیات جوشکاری در محل کارگاههای ساختمانی و نه در محل کارخانه صورت می گیرد کنترل  کیفیت جوش بخصوص در هنگام  مونتاژ درارتفاع زیاد از سطح زمین حتی به صورت عینی(Visual)  امکان پذیر  نمی  باشد. همچنین معمولا در محل  اتصال   ورق به ستون به جای  جوش نفوذی از  جوش گوشه استفاده می شود در نتیجه هنگام زلزله این نقاط  علاوه بر تحمل نیروی کمتر در   حالت تردشکن گیسخته خواهد شد. زمانی که در یک عضو فشاری ازدومقطع در کنار یکدیگر استفاده می شود باید هم پایداری کل عضوبه عنوان یک المان و هم پایداری تک تک مقاطع کنترل شود تاخیچکدان تحت تاثیر نیروی فشاری به طور جداگانه دچار کمانش نشوند.برای این منظور این مقاطع باید در فواصل مشخص به یکدیگر متصل شوند تاطول آزاد آنها کاهش یابد. بسیاری از اوقات بادبندهای دوبل در طول خود به یکدیگر وصل نمی شوند و در نتیجه دومقطع بایکدیگر عمل نمیکنند و بار بحرانی عضو کمتر از مقداری است که مهندس سازه در محاسبات خود منظور نموده است. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان حداکثر فاصله بین جوش دومقطع در ستونهای ترکیبی را مقرر نموده است.اما در موارد زیادی مشاهده می شود که فاصله بین جوش ستونها بیشتراز این مقدار است.
2-    کیفیت پایین جوش به علت عدم آموزش کلاسیک کافی در این زمینه برای جوشکاران و مهندسان
یکی از مهمترین اشکالات موجوددر اجرای ساختمانهای فولادی در کشور کیفیت پایین جوشکاری ساختمان می باشد.عوامل مختلفی در این امر تاثیر می گذارند.استفاده ازجوشهای کارگاهی حتی در مورد جوشهای نفوذی و اجرای کل جوشکاری درکارگاه ساختمانی و استفاده از نیروی انسانی غیرمجرب از عولمل اصلی پایین آمدن کیفیت جوشکاری ساختمان می باشد.در نتیجه عوامل برشمرده شده مشکلات عدیده ای گریبانگیر اتصالات جوشی می باشد.
در بسیاری از  موارد سطح فلز در حال جوش آلوده به روغن یا مواد نامناسب دیگر است و یا اینکهروی فلززنگ زده یا رنگ خورده جوش داده می شود.گاه در فاصله بین پاسهای متوالی جوش حتی از جدا نموده گل جوش نیز خودداری می شود و یابدون برداشتنگل جوشکاری اقدام به زدن رنگ ضدزنگ می شود.از انواع جوشهایی که در کارهای ساختمانی بسیار از آن استفاده می شود جوش سربالا می باشد. به علت سختی اجرا در غالب موارد این نوع جوش از کیفیت پایینی برخوردار است. در بسیاری از موارد در اثر استفاده از تکنیکهای نامناسب جوشکاری نقایصی چون تابیدگی و پیچش در قطعات اتفاق می افتد.
عیوبی نظیر نفوذ ناقص  بریدگی کناره جوش  اختلاط سرباره  تخلخل و وجود ترک درفلز مادر  باعث کاهش ظرفیت باربری قطعات می شود. یکی از متداولترین اشکال مقاطع مورد استفاده در سازه های فولادی تیرهای لانه زنبوری می باشد.بسیاری از مجریان طرح این تیرها را در وضعیت نامطلوبی در کارگاه  ساختمانی مونتاژ می کنند. در بسیاری از موارد جوش میانی تیر از کیفیت پایینی برخورداراست و با توجه به اهمیت عملکرد مناسب این قسمت و تقویتهای لازم درمجل تکیه گاه تیر و وسط آن صورت نمی پذیرد. متاسفانه طراحی و اجرای پلکانهای فولادی در ساختمانها نیز از کیفیت پایینی برخوردار است و با توجه به اهمیت عملکرد مناسب این قسمت ساختمان پس از زلزله دقت لازم در ساخت آن مبذول  نمی شود .
3-    نبود  نظارت اصولی و دقیق بر اجرای جوشکاری در ساختمانهای شهری در کشور
 با توجه به اهمیتی که شهرداری برای مسایلی از قبیل پارکینگ و نورگیرها و مسایلی از این دست قایل است مشاهده می شود که بیشتر توجه مهندسان نیز به این امور معطوف می باشد و توجه چندانی به مسایل سازه ای نمی شود.البته باید به این نکته نیز اشاره  شود که به علت عدم وجود آموزش جوشکاری در واحدهای درسی دانشجویان عمران مهندسینی که از دانشگاه فارغ التحصیل می شوند در این زمینه دارای اطلاعات کافی نیستند و به عنوان مهندس ناظر نمی توانند مسوولیت خود را به نحواحسن انجام دهند.البته باید به این موارد مساله سختی کار را نیز افزود.به علت جوشکاری در ارتفاع غالب مهندسین از انجام بازدید از این جوشها طفره می روند. در نهایت امر اینکه آنطور که از ظواهر امر مشخص است شهرداریها نیز در این زمینه کوچکترین نقشی ایفا نمی کنند و هیچگونه نظارتی بر اجرای ساختمانها ندارند.
 4-    عدم طرح دقیق اتصال جوشی با توجه به عملکرد مورد نظرآنها
بسیاری از کارفرمایان عمل طراحی سازه و ایجاد تمهیدات مقابله با زلزله  را یک امر زاید می دانند و تلاش می کنند  تا کمترین هزینه ممکن را صرف این  کار نمایند.از طرف دیگر شهرداریها کمترین نظارتی بر طرح و اجرای سازه ها نداشته فقط به مسایل معماری دقت می کنند. این عوامل دست به دست هم می دهد تا فقط حق امضای مهندسین سازه اهمیت داشته باشد و طرح از حداقل اهمیت برخوردار باشد به خاطر همین موضوع  مهندسین سازه  اغلب کمترین وقت را صرف این عمل می نمایند و بالطبع دقت لازم را در طرح اتصالات جوشی نبذول نمی شود. بعضی اوقات از اتصالات طرح شده برای یک ساختمان در نقشه های دیگر ساختمانها استفاده می شود. در بسیاری از موارد جزییات اتصالات  موجود در نقشه ها نامفهوم بی دقت و ناقص است.
  از بررسی های انجام شده بر روی ساخت وساز ساختمانهای فلزی در سطح تهران مشخص است که هنوز مشکلات زیادی در طرح و اجرای این سازه ها وجود دارد. و عمده مشکلات و نقایص مربوط به اتصالات جوشی است.اجرای جوش کارگاهی و نبود آموزش کافی برای مهندسان عمران و عدم نظارت کافی بر حسن اجرای جوش و ... مشکلاتی است که این صنعت را رنج میدهد.و برای رفع این  موارد بهترین راه
1-     در صورت امکان استفاده  از جوش در کارخانه به جای جوش کارگاهی
2-     بالابردن سطح آگاهی عمومی جامعه درباره زلزله بر ساختمانها
3-     آموزش جوشکاری به جوشکاران و دادن گواهینامه به جوشکاران ماهر ساختمانی
4-     آموزش جوشکاری به عنوان  واحد درسی به مهندسین عمران و یا ایجاد شاخه جدیدی
تحت  عنوان  بازرسی جوش اسکلت برای مهندسیت ناظر
5-     تقویت سیستم نظارتی موجود و ایجاد سیستم های نظارتی ناظربر کار مهندسین عمران
می باشد.
بیشتر سازه ها در صنعت از قطعات مختلف ( ریختگی ، آهنگری شده ، نوردی و ... ) تشکیل شده اند که با روش های گوناگونی بر یکدیگر متصل می شوند . روش های متفاوت اتصال فلزات به یکدیگر را برحسب نوع فرآیند و یا بنیان علمی آنها به دسته های مختلفی طبقه بندی نموده اند : الف ) روش های مکانیکی (پیچ ، پرچ ، پین ، خار و... ) ب) روش های متالورژیکی ( جوشکاری ، لحیم کاری و غیره ) ج) روش های شیمیائی ( چسب های معدنی و آلی ) و یا رده بندی بر اساس نوع اتصال : الف : روش های اتصال موقت ( پیچ و مهره ، پین و خار و....) ب : روش های اتصال نیمه موقت ( پرچ ، احتمالا لحیم کاری نرم و بعضی چسب ها ) ج : روش های اتصال دائم ( فرآیند جوشکاری و......) جوشکاری و رده بندی فرآیندهای جوشکاری : جوش ایده آل را می توان به محل اتصالی اطلاق نمود که نتوان آن موضع را از قسمت های دیگر قطعات جوش داده شده تشخیص داد .با وجود دست نیافتن به اینچنین مشخصات ، می توان خواص محل اتصال را چنان بالا برد که در عمل کاملا رضایتبخش باشد .نکته حائز اهمیت از نظر کارشناسی تشخیص نوع فلزی است که جوشکاری بر روی آن انجام می گیرد . نوع اتصال و کاربرد قطعه نیز به منظور انتخاب روش جوشکاری ، مواد لازم و نکات جانبی دیگر نیز از اهمیت زیادی برخوردار هستند . زیرا هر نوع جوش نمی تواند در تمام شرایط خواص مورد نظر را تامین نماید . انرژی مهمترین عامل در روش های جوشکاری برای اتصال دو قطعه است که می تواند از منابع شعله ای ، قوس الکتریکی ، مقاومت الکتریکی ، تشعشعی و یا مکانیکی تامین شده و به کار برده شود . به جز مواردی نظیر جوشکاری حالت جامد ، محل جوش از طریق ذوب شدن موضعی قطعات مورد جوش و اغلب همراه با ماده اضافی ( سیم جوش ) ، بوجود می آید . نکته حائز اهمیت دیگر تمیزی و عدم آلودگی سطح موضعی جوش است که باید عاری از هر گونه مواد اکسیدی و ناخالصی های دیگر باشد . این آلودگی ها می توانند بقایای مواد آلی ، گازهای جذب شده و یا ترکیباتی نظیر اکسید فلز باشند ، که رسیدن به خواص خوب اتصال مستلزم تمیز کردن این نوع آلودگی ها است . این پدیده که معمولا در هر نوع فرآیند جوشکاری پیش بینی می شود از طرق واکنش های شیمیایی ( سرباره ) ، پراندن ( از طریق قوس الکتریکی با جریان دائم و الکترود مثبت ) یا مکانیکی ( سائیدن یا مالیدن ) انجام یافته و ناخالصی ها از محل جوش زدوده می شوند . پس از حذف آلودگی های محل جوش ، این موضع باید در هنگام جوشکاری نیز از اکسیژن و ازت هوا دور نگهداشته شود چون هر کدام از این دو گاز می توانند تولید اکسید و نیترید در مذاب کرده و خواص جوش را به خطر بیاندازد . دور نگه داشتن محل جوش از هوا می تواند با استفاده از مواد پوششی نظیر فلاکس یا گازهای خنثی نظیر آرگون و یا گازهایی که نسبت به مذاب بی اثر هستند ، انجام گیرد . همچنین می توان از طریق تماس نزدیک دو سطح یا لبه ها و کاهش نسبی هوای محبوس در آنها نیز این عمل را انجام داد و یا اینکه به طور کلی جوشکاری در خلا انجام پذیرد . در بعضی فرآیندها سرعت جوشکاری آنقدر سریع و حرارت محدود است که فرصتی برای انجام واکنش های اکسیدی وجود ندارد و ممکن است محافظت محل جوش از هوا ضرورتی نداشته باشد . در برخی موارد و روش ها از مواد اکسیژن زدا نیز استفاده می شود تا اکسیژن و مواد اکسیدی جذب شده توسط مذاب را نیز بتوان از آن خارج نمود . ترکیب شیمیائی محل جوش نیز برای رسیدن به جوش با خواص رضایتبخش از عوامل اصلی محسوب می شود که در بعضی مواقع مانند ریخته گری لازم است که مواد اکسیژن زدا یا آلیاژی به جوش اضافه شود ، چون برخی آلیاژها در یک حد معین از ترکیب شیمیائی قابلیت جوشکاری دارند . بحث در این زمینه یعنی رابطه شرایط جوشکاری ، ترکیب شیمیائی تعیین کننده در ساختار مکانیکی و خواص مکانیکی و همچنین حساسیت جوش و منطقه جوش ، ساختار میکروسکوپی و خواص مهندسی آن موضوع متالورژی جوشکاری است که در مباحث بعدی بررسی خواهد شد . به طور خلاصه هر روش جوشکاری با چهار عامل ضروری زیر روبرو است و معمولا رده بندی روش ها بر مبنای این چهار عامل انجام می گیرد : 1- انرژی لازم 2- حذف و زدودن آلودگی ها از سطح جوش 3- محافظت سطح جوش در هنگام جوشکاری 4- خواص متالورژیکی جوش و کنترل های لازم ساده ترین روش جوشکاری که می توان در نظر گرفت آنست که سطح قسمت های مورد جوش بسیار صاف و قابل تطبیق باشند به طوریکه بعد از قرار دادن این دو سطح در خلا الکترونها بین اتمهای مجاور دو سطح حالت اشتراکی داشته باشند . هر چند این نوع اتصال در فضا نیز قابل اجراست اما در عمل آماده کردن آنچنان سطح یا خلا برای اتصال امکان پذیر نیست .در عمل دو راه برای اتصال و رسیدن به تماس اتمی بین دو سطح وجود دارد :

 اول : از طریق فشار ، که دو سطح تحت فشار در حالت پلاستیکی تماس لازم را پیدا می کنند .این عمل گاهی هم با حرارت اولیه برای نرم کردن فلز همراه است . دوم : دو قطعه توسط پلی از فلز مذاب به همدیگر متصل شوند . این تفاوت پایه اولیه تقسیم بندی در روش های جوشکاری است که در دو گروه فرآیندهای جوشکاری حالت جامد (Solid State Welding ) و گروه فرآیندهای جوشکاری ذوبی یا حالت مایع تفکیک می شوند . لحیم کاری سخت ( Brazing) و لحیم کاری نرم ( Soldering ) در بعضی منابع جزو فرآیندهای جوشکاری محسوب نمی شوند . در لحیم کاری معمولا اتصال توسط پلی از مذاب فلز پرکننده با نقطه ذوب پائین تر از فلز اصلی ، برقرار می شود و بر اساس خاصیت موئینگی انجام می گیرد . جوش برنج ( Braze Welding ) یا زرجوش فرآیندی است در میانه فرآیندهای جوشکاری ذوبی و لحیم کاری . فرآیند اتصال از طریق نفوذ سطحی یا نفوذ زنجیره ای نوع خاصی از اتصال در حالت جامد است دو سطح در خلا حرارت داده و بهم دیگر فشرده می شوند . در این شرایط دیفوزیون ( نفوذ) در سطح مشترک به سهولت انجام می گیرد . گاهی هم برای تسریع در عمل نفوذ ، از لایه نازک فلز واسطه ای که آسانتر در دو سطح مورد جوش نفوذ کند ، استفاده می شود . همانطور که اشاره شد یکی از پایه های تقسیم بندی روش های جوشکاری نوع و نحوه انتقال انرژی به موضع مورد جوش می باشد .

حرارت لازم به وسیله یکی از طرق زیر تولید می شود : 1) مکانیکی ، که می تواند در اثر ضربه یا مالش تولید شده و یا با تغییر فرم پلاستیکی و الاستیکی آزاد شود . 2) شیمیائی – حرارتی ، واکنش های حرارت زا در شعله و یا قوس پلاسما ( در قوس پلاسما واکنش شیمیائی انجام نمی شود اما نحوه انتقال حرارت شبیه سوختن گاز می باشد و بدین علت گاهی شعله پلاسما هم نامیده می شود ) 3) مقاومت الکتریکی ، حرارت در این روش می تواند مستقیماﹰ از طریق عبور جریان الکتریکی به فلزی که باید جوش داده شود بوجود آید و یا توسط جریانی که به داخل قطعه القا می شود تولید گردد . 4) قوس الکتریکی ، عبور جریان یکنواخت یا متناوب می تواند قوس الکتریکی بین الکترود و کار بوجود آورد . الکترود ممکن است ذوب شونده و یا ذوب نشدنی باشد . 5) انرژی تشعشعی ، این نوع انرژی شامل لیزر یا اشعه الکترونی و یا روش های مدرن دیگر است . با در نظر گرفتن تولید حرارت و نحوه محافظت محل جوش از اتمسفر و سایر نکات گفته شده دیگر ، می توان هفت گروه زیر را در فرآیندهای جوشکاری مجزا نمود : 1) فرآیندهای جوشکاری حالت جامد نظیر : فرآیند جوشکاری اصطکاکی Friction Welding ، فرآیند جوشکاری پتکه ای Forge Welding ، فرآیند جوشکاری فشاری Pressure Welding . 2) فرآیندهای جوشکاری شیمیائی – حرارتی ، نظیر : فرآیند جوشکاری با شعله یا گازGas Welding و فرآیند جوشکاری ترمیت Thermit Welding . 3) فرآیندهای جوشکاری مقاومتی ، نظیر : فرآیند جوشکاری مقاومتی نقطه ای Spot Resistance Welding ، فرآیند جوشکاری مقاومتی نواری Seam Resistance Welding ، فرآیند جوشکاری جرقه ای Flash Welding . 4) فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی نپوشیده ، نظیر : فرآیند جوشکاری قوس الکترود دستی Manual Metal – Arc Welding (MMAW) ، فرآیند جوشکاری الکترود مداوم Automatic Metal – Arc Welding . 5) فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی پوششی زیر لایه سرباره ، نظیر : فرآیند جوشکاری قوس مخفی ( زیر پودری ) Submerged Welding . 6) فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی پوشیده شده با گاز ، نظیر : فرآیند جوشکاری قوس الکترود تنگستن TIG ، فرآیند جوشکاری قوس – الکترود فلزی محفوظ در گاز MIG یا جوش CO2 . 7) فرآیندهای جوشکاری با انرژی تشعشعی ، نظیر : فرآیند جوشکاری با پرتو لیزر Laser Welding و فرآیند جوشکاری با پرتو الکترونی Electron Beam Welding . به طور کلی عملیات جوشکاری شامل مراحل زیر است : الف ) نگهداشتن طول مناسب قوس الکتریکی یا شعله و متناسب رساندن الکترود یا مفتول برای ذوب و مخلوط شدن در جوش ب ) حرکت و هدایت نوک الکترود ، مفتول و یا مشعل در سرتاسر جوش ج ) انتقال و حاضر کردن قطعاتی که باید بر روی آن جوشکاری شود . متالورژی جوشکاری : جوشکاری تلفیقی از علم و تجربه می باشد که با تنوع روزافزون در مصارف آلیاژی ، مسائل و مشکلات ناشی از آن نیز پیچیده تر و بیشتر است . اطلاع از دلایل وقوع این مشکلات و عیوب و تدابیر برای رفع و یا کاهش دادن آنها نیاز به دانستن متالورژی فرآیندهای جوشکاری دارد . به طور کلی متالورژی شامل دو قسمت است : 1) فرآیندهای احیا و استخراج فلزات از سنگ معدن ، تصفیه و تهیه آلیاژهای مختلف از آنها ، ریخته گری و شکل دادن فلزات برای تولید قطعات مختلف صنعتی و غیر صنعتی . 2) متالورژی فیزیکی یعنی شناسایی ساختمان فلزات و آلیاژها و خواص آنها و ارتباط ترکیب شیمیایی ،