اصول و ضوابط جوشکاری میلگرد با الکترود (SMAW)

مقدمه

در مهندسی سازه، تامین پیوستگی (Continuity) در آرماتورهای فولادی یکی از حیاتی‌ترین پارامترها برای تضمین انتقال صحیح بار و عملکرد یکپارچه اعضای بتنی است. اگرچه روش‌هایی نظیر وصله‌های مکانیکی (کوپلر) و وصله‌های پوششی (Lap Splice) در پروژه‌های ساختمانی رایج هستند، اما «جوشکاری میلگرد با الکترود» به روش قوس الکتریکی دستی (SMAW)، به دلیل انعطاف‌پذیری عملیاتی و عدم نیاز به تجهیزات پیچیده در کارگاه، همچنان جایگاه ویژه‌ای دارد. با این حال، جوشکاری میلگرد صرفاً یک فرآیند اتصال ساده نیست؛ بلکه یک پدیده متالورژیکی پیچیده است که در صورت عدم رعایت ضوابط فنی، می‌تواند منجر به تردشکنی (Brittleness) و کاهش شدید مقاومت کششی مقطع گردد. در این مقاله تخصصی، به بررسی دقیق متدولوژی جوشکاری میلگرد، انتخاب الکترود مناسب بر اساس گرید فولاد و بازخوانی ضوابط آیین‌نامه‌های ملی و بین‌المللی می‌پردازیم.

۱. ماهیت متالورژیکی و مکانیزم جوشکاری میلگرد به روش الکترود دستی (SMAW)

جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روکش‌دار (Shielded Metal Arc Welding) که در متون فنی به اختصار SMAW نامیده می‌شود، پرکاربردترین متدولوژی برای اتصال میلگردها در محل پروژه است. در این فرآیند، قوس الکتریکی بین نوک الکترود و میلگرد ایجاد شده و دمای لازم برای ذوب لبه‌های اتصال و ماده پرکننده را فراهم می‌کند. نکته کلیدی در جوشکاری میلگرد، نرخ سرمایش (Cooling Rate) و تأثیر آن بر میکروساختار منطقه متأثر از حرارت (HAZ) است.

هنگامی که حرارت ورودی (Heat Input) به میلگرد اعمال می‌شود، ساختار کریستالی فولاد دچار تغییرات فازی می‌گردد. اگر میلگرد دارای درصد کربن بالایی باشد، سرمایش سریع پس از جوشکاری می‌تواند منجر به تشکیل فاز ترد «مارتنزیت» شود که ریسک شکست ناگهانی تحت بارهای لرزه‌ای را به شدت افزایش می‌دهد. از این رو، در جوشکاری با الکترود، کنترل آمپراژ و انتخاب صحیح قطر الکترود متناسب با قطر میلگرد اهمیت دارد. طبق استانداردهای مهندسی، پوشش (Flux) روی الکترود وظیفه تولید گاز محافظ و ایجاد سرباره (Slag) را بر عهده دارد تا حوضچه مذاب از اکسیداسیون توسط اتمسفر حفظ شود. در اتصالات حساس، استفاده از الکترودهای با هیدروژن کنترل شده برای جلوگیری از پدیده «ترک‌خوردگی هیدروژنی» الزامی است.

۲. طبقه‌بندی میلگردهای قابل جوش و تحلیل مفهوم معادل کربن (CE)

یکی از بزرگترین چالش‌ها در سایت‌های ساختمانی، اقدام به جوشکاری بر روی میلگردهایی است که اساساً «جوش‌ناپذیر» (Non-weldable) تلقی می‌شوند. بر اساس استاندارد ملی ایران (ISIRI 3132)، میلگردها به چهار دسته کلی تقسیم می‌شوند. میلگردهای S240 (A1) به دلیل کربن پایین، جوش‌پذیری بسیار خوبی دارند. اما چالش اصلی در میلگردهای S340 (A2) و به‌ویژه S400 (A3) نهفته است.

قابلیت جوش‌پذیری یک میلگرد مستقیماً با پارامتری به نام «معادل کربن» (Carbon Equivalent) سنجیده می‌شود. فرمول پیشنهادی انجمن جوشکاری آمریکا (AWS) برای محاسبه CE، مجموع درصدهای وزنی کربن، منگنز، کروم، مس، نیکل و مولیبدن را در نظر می‌گیرد. طبق ضوابط، اگر CE کمتر از ۰.۴۰ درصد باشد، فولاد جوش‌پذیر است. اگر بین ۰.۴۰ تا ۰.۵۵ درصد باشد، جوشکاری مشروط به پیش‌گرمایش (Preheating) است و در مقادیر بالاتر از ۰.۵۵، جوشکاری توصیه نمی‌شود. بسیاری از میلگردهای A3 تولید شده به روش «تر مکس» (Thermex) دارای هسته‌ای نرم و جداره‌ای سخت هستند که جوشکاری غیراصولی می‌تواند خواص مکانیکی حاصل از عملیات حرارتی آن‌ها را از بین برده و میلگرد را در محل جوش به شدت ضعیف کند.

۳. انتخاب الکترود بهینه براساس استانداردهای AWS و ویژگی‌های مکانیکی

انتخاب الکترود برای جوشکاری میلگرد باید با توجه به رده مقاومتی فولاد و شرایط محیطی پروژه صورت گیرد. مطابق استاندارد AWS A5.1، الکترودهای خانواده E60xx و E70xx بیشترین کاربرد را در این حوزه دارند. برای میلگردهای با مقاومت تسلیم معمولی، الکترود E6013 (معروف به الکترود همه کاره) به دلیل قوس پایدار و جدایش آسان سرباره استفاده می‌شود. اما در سازه‌های مهندسی و برای میلگردهای پرمقاومت (مانند S400)، استفاده از الکترود E7018 الزامی است.

الکترود E7018 یک الکترود قلیایی با پودر آهن و هیدروژن کنترل شده است. عدد "70" نشان‌دهنده حداقل استحکام کششی ۷۰ هزار پوند بر اینچ مربع است که با خواص مکانیکی میلگردهای گرید بالا همخوانی دارد. نکته اجرایی بسیار مهم در مورد این الکترود، حساسیت آن به رطوبت است. الکترودهای قلیایی باید قبل از مصرف در دمای ۳۰۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد خشک (Bake) شوند. نفوذ هیدروژن ناشی از رطوبت پوشش الکترود به داخل حوضچه مذاب میلگرد، اصلی‌ترین عامل ایجاد ترک‌های مویی زیرگرد (Underbead Cracks) است که می‌تواند در درازمدت منجر به گسیختگی اتصال تحت بارهای متناوب شود.

۴. ضوابط اجرایی و هندسه اتصالات در آیین‌نامه بتن ایران (آبا) و مبحث نهم

آیین‌نامه‌های طراحی، محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌ای برای هندسه و محل قرارگیری اتصالات جوشی قائل شده‌اند. طبق آیین‌نامه بتن ایران (آبا) و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، اتصالات جوشی میلگرد به دو دسته کلی «اتصالات غیرمستقیم» (اتصال با وصله پوششی جوش شده) و «اتصالات مستقیم» (جوش نوک‌به‌نوک یا Butt Weld) تقسیم می‌شوند.

در اتصالات غیرمستقیم، میلگردها نباید مستقیماً به هم جوش داده شوند مگر اینکه از میلگردهای واسطه یا نبشی استفاده شود. یکی از رایج‌ترین انواع جوش در کارگاه، «جوش پهلو به پهلو» (Lap Joint) با خط جوش طولی است. طبق ضوابط، طول خط جوش در این حالت نباید از ۱۰ برابر قطر میلگرد کمتر باشد (در حالت جوش یک‌طرفه). همچنین، جوشکاری در نقاطی که میلگرد تحت خمش شدید قرار گرفته (مانند درون خم‌ها) ممنوع است، زیرا تمرکز تنش در این نقاط همراه با تغییرات متالورژیکی ناشی از حرارت جوش، ریسک شکست ترد را به شدت بالا می‌برد. علاوه بر این، در ستون‌های تحت بار لرزه‌ای، فواصل اتصالات جوشی از گره‌های اتصال تیر به ستون باید مطابق با استانداردهای شکل‌پذیری رعایت شود.

۵. متدولوژی بازرسی فنی و معیارهای پذیرش در اتصالات آرماتوربندی

بازرسی جوش میلگرد یک فرآیند دو مرحله‌ای شامل «بازرسی چشمی» (VT) و «آزمایش‌های مخرب» (DT) است. برخلاف قطعات صنعتی، استفاده از تست‌های غیرمستقیم مانند سونوگرافی (UT) یا رادیوگرافی (RT) برای میلگردها به دلیل هندسه استوانه‌ای و وجود آج، بسیار دشوار و گاهی غیرممکن است. بنابراین، تمرکز اصلی بر بازرسی چشمی دقیق و تست نمونه‌های شاهد است.

در بازرسی چشمی، ناظر باید مواردی نظیر «بریدگی کناره جوش» (Undercut)، «نفوذ ناقص» (Lack of Penetration) و وجود تخلخل یا تروک‌های سطحی را بررسی کند. بریدگی کناره جوش در میلگرد بسیار خطرناک است زیرا باعث کاهش سطح مقطع موثر میلگرد در نقطه جوش می‌شود. برای اطمینان از کیفیت نهایی، طبق استاندارد باید از اتصالات انجام شده نمونه‌برداری شده و تحت «تست کشش» قرار گیرند. معیار پذیرش در این تست آن است که گسیختگی حتماً در بدنه‌ی اصلی میلگرد و دور از منطقه جوش (HAZ) رخ دهد. اگر میلگرد از محل جوش پاره شود، نشان‌دهنده تردی اتصال یا عدم نفوذ کافی ذوب است و کل سری ساخت باید مردود اعلام گردد.

۶. چالش‌های اجرایی و نکات کلیدی در بهسازی جوشکاری کارگاهی

اجرای جوشکاری در شرایط کارگاهی با چالش‌های محیطی متعددی روبروست که می‌تواند کیفیت اتصال را تحت‌الشعاع قرار دهد. وزش باد شدید، رطوبت بالا و دمای پایین محیط از جمله این موارد هستند. در دمای زیر ۵ درجه سانتی‌گراد، جوشکاری میلگرد بدون پیش‌گرمایش اکیداً ممنوع است. سرعت سرد شدن جوش در هوای سرد به قدری بالاست که باعث تشکیل ساختارهای شکننده در مرز جوش می‌شود.

یک نکته کلیدی دیگر، ممنوعیت سرد کردن سریع جوش با آب (Quenching) است. برخی از جوشکاران برای افزایش سرعت کار، بلافاصله پس از اتمام جوشکاری روی آن آب می‌ریزند که این عمل منجر به ایجاد تنش‌های پسماند شدید و ترک‌های ریز میکروسکوپی می‌شود. همچنین، تمیزکاری سطح میلگرد قبل از جوشکاری نباید نادیده گرفته شود. وجود زنگ‌زدگی، گل‌ولای یا لایه‌های سیمان روی آج میلگرد، باعث ورود ناخالصی به حوضچه مذاب و ایجاد پدیده «حبس سرباره» (Slag Inclusion) می‌گردد که مقاومت برشی اتصال را به شدت کاهش می‌دهد. استفاده از برس سیمی چرخشی برای رسیدن به سطح فلزی براق قبل از شروع فرآیند SMAW، از الزامات فنی است که دقت در اجرای آن، طول عمر سازه را تضمین می‌کند.

واکاوی ابهامات رایج اجرایی

۱. آیا می‌توان میلگردهای رده A3 (S400) را با الکترود معمولی جوش داد؟ خیر؛ میلگردهای A3 به دلیل معادل کربن بالاتر و فرآیند تولید خاص (تر مکس)، در برابر حرارت جوشکاری حساس هستند. برای جوشکاری این میلگردها حتماً باید از الکترودهای کم‌هیدروژن مانند E7018 استفاده کرد و در صورت نیاز، عملیات پیش‌گرمایش تا حدود ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام شود تا از ترک‌خوردگی جلوگیری گردد.

۲. حداقل طول جوش در اتصال پهلو به پهلو (Lap Weld) چقدر باید باشد؟ مطابق آیین‌نامه، در صورتی که جوش به صورت یک‌طرفه باشد، طول موثر خط جوش باید حداقل ۱۰ برابر قطر میلگرد (10d) باشد. در صورت جوشکاری دوطرفه، این مقدار می‌تواند به ۵ برابر قطر میلگرد (5d) در هر طرف کاهش یابد.

۳. چرا جوشکاری میلگرد در محل خم‌ها ممنوع است؟ در محل خم، فولاد دچار کارسرد (Work Hardening) شده و تنش‌های پسماند در آن بالاست. اعمال حرارت جوشکاری در این نقاط باعث تغییرات ناگهانی در دانه‌بندی فلز و کاهش شدید شکل‌پذیری می‌شود که تحت بارهای لرزه‌ای، منجر به شکست ترد و ناگهانی میلگرد از محل خم می‌شود.

۴. تفاوت اصلی جوشکاری با الکترود (SMAW) و جوش فورجینگ میلگرد چیست؟ در روش SMAW، از یک ماده پرکننده (الکترود) برای اتصال استفاده می‌شود و نوعی جوش ذوبی است. اما در جوش فورجینگ (GPW)، دو سر میلگرد با گاز استیلن داغ شده و بدون ماده پرکننده، با فشار هیدرولیکی در هم ادغام می‌شوند. فورجینگ نیاز به تجهیزات تخصصی دارد اما در صورت اجرای صحیح، پیوستگی مولکولی بهتری ایجاد می‌کند.
 

جمع‌بندی: از چالش‌های الکترود دستی تا ضرورت تحول در اتصالات

همانطور که در این مقاله بررسی شد، جوشکاری میلگرد به روش قوس الکتریکی دستی (SMAW)، هرچند روشی در دسترس و منعطف است، اما با چالش‌های متالورژیکی متعددی روبروست. حساسیت بالای میلگردهای پرمصرف (مانند A3) به حرارت، ریسک ایجاد فاز ترد مارتنزیت، نیاز مبرم به کنترل هیدروژن الکترود و محدودیت‌های سخت‌گیرانه آیین‌نامه‌ای در مورد طول خط جوش و محل اتصال، این روش را به فرآیندی «بسیار حساس و پرخطا» تبدیل کرده است. در واقع، کوچکترین اشتباه در انتخاب آمپراژ یا عدم رعایت پیش‌گرمایش، می‌تواند منجر به شکست ناگهانی سازه در هنگام زلزله شود.

جوشکاری فورجینگ سر به سر میلگرد (Gas Pressure Welding)

با توجه به نقاط ضعف وصله‌های پوششی (تراکم بالای آرماتور) و خطرات جوشکاری با الکترود (تغییر ماهیت فلز)، امروزه روش **«جوشکاری فورجینگ سر به سر میلگرد»** به عنوان استانداردی نوین و ایمن در صنعت مهندسی عمران شناخته می‌شود.

مکانیزم عملکرد:

در این روش که به نوعی جوش حالت جامد محسوب می‌شود، دو سر میلگرد به کمک مشعل‌های مخصوص با گاز استیلن تا دمای ۱۲۰۰ تا ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد (حالت خمیری) گرم می‌شوند. سپس، بلافاصله توسط یک جک هیدرولیکی، دو سر میلگرد با فشار بسیار بالا در هم ادغام (فورج) می‌شوند. در این فرآیند، برخلاف روش SMAW، از هیچ ماده پرکننده یا الکترودی استفاده نمی‌شود و اتصال در سطح مولکولی رخ می‌دهد.

چرا فورجینگ روشی «بسیار بهتر و مطمئن‌تر» است؟

۱. حذف واسطه‌ها و یکپارچگی کامل: در این روش، دو میلگرد به یک میلگرد واحد تبدیل می‌شوند. سطح مقطع در محل اتصال نه تنها ضعیف نمی‌شود، بلکه به دلیل برآمدگی ایجاد شده در محل فورج، مقاومت کششی نقطه اتصال معمولاً بیشتر از خودِ میلگرد پایه است.

۲.کاهش شدید تراکم آرماتور: بزرگترین معضل در ستون‌ها و فونداسیون‌ها، تراکم میلگرد در محل وصله‌های پوششی (Lap Splice) است که مانع بتن‌ریزی صحیح می‌شود. فورجینگ با حذف هم‌پوشانی، تراکم را به حداقل رسانده و کیفیت بتن‌ریزی را به شدت ارتقا می‌دهد.

۳.خواص متالورژیکی ایده‌آل: از آنجا که دمای فرآیند به نقطه ذوب کامل نمی‌رسد، ساختار کریستالی فولاد تخریب نمی‌شود و برخلاف جوش الکترود، میلگرد در محل HAZ دچار تردی و شکست نمی‌گردد.

۴.صرفه‌جویی اقتصادی و پایداری: این روش با حذف اورلپ (وصله پوششی)، مصرف میلگرد را بسته به نوع سازه بین ۱۵ تا ۳۰ درصد کاهش می‌دهد که علاوه بر سبک‌سازی سازه، هزینه‌های خرید آهن‌آلات را به طور چشم‌گیری پایین می‌آورد.

۵.مقاومت لرزه‌ای برتر: آزمایش‌های خستگی و کشش نشان می‌دهند که اتصالات فورجینگ در برابر بارهای دینامیکی و رفت‌وبرگشتی زلزله، عملکردی به مراتب مطمئن‌تر از وصله‌های مکانیکی (کوپلر) و جوش‌های سنتی دارند.

نتیجه‌گیری نهایی:

اگرچه جوشکاری با الکترود در موارد ترمیمی یا غیرسازه‌ای گره‌گشا است، اما برای مقاطع اصلی سازه که مسئولیت انتقال بارهای کلان را بر عهده دارند، **روش فورجینگ سر به سر میلگرد** به دلیل حذف خطای انسانیِ مرتبط با الکترود، تامین پیوستگی کاملِ مقطع و صرفه‌جویی در مصالح، روشی **بسیار فنی‌تر، ایمن‌تر و مهندسی‌تر** محسوب می‌شود. استفاده از این تکنولوژی، گامی حیاتی در جهت افزایش طول عمر مفید ساختمان‌ها و تضمین سلامت جانی ساکنان در بلایای طبیعی است.