بررسی جامع و فنی تجهیزات، مکانیزم‌ها و استانداردهای جوشکاری فشاری گازی (GPW) میلگردهای فولادی در صنعت ساختمان

1. چکیده 

جوشکاری فشاری گازی (Gas Pressure Welding - GPW) که در متون مهندسی ایران به عنوان «فورجینگ سر به سر میلگرد» شناخته می‌شود، یک فرآیند اتصال حالت جامد (Solid-State) است که پیوستگی متالورژیکی را بدون ذوب شدن فلز پایه فراهم می‌کند. این مقاله به تحلیل عمیق زیرساخت‌های فنی مورد نیاز برای این فرآیند می‌پردازد. تمرکز اصلی بر روی سیستم‌های هیدرولیک اعمال فشار، نازل‌های حرارتی چندگانه و ابزارهای آماده‌سازی سطحی است. همچنین، پارامترهای ترمودینامیکی موثر بر نفوذ اتمی در فاز آستنیت و تاثیر آن بر ریزساختار منطقه متاثر از حرارت (HAZ) بررسی شده است. هدف این مقاله ارائه یک مرجع فنی برای مهندسان ناظر، مجریان سازه و دانشجویان مهندسی مواد و عمران جهت درک دقیق تجهیزات و کنترل کیفیت این نوع جوش است.

2. مقدمه و ضرورت صنعتی

در پروژه‌های عمرانی مدرن، مدیریت تراکم آرماتور در نقاط حساس مانند اتصال تیر به ستون و هسته‌های برشی، یکی از بزرگترین چالش‌های مهندسی است. روش‌های سنتی مانند وصله پوششی (Lap Splice) نه تنها باعث هدررفت ۱۵ الی ۳۰ درصدی میلگرد می‌شوند، بلکه به دلیل ایجاد تمرکز تنش و اشغال فضای بتن‌ریزی، کارایی سازه را در برابر بارهای جانبی و لرزه‌ای کاهش می‌دهند.

جوشکاری GPW با حذف اورلپ، اجازه می‌دهد میلگردها در یک راستا و به صورت هم‌مرکز متصل شوند. این فرآیند که ریشه در استانداردهای صنعتی ژاپن (JIS) دارد، اکنون به عنوان یک راهکار استراتژیک در کاهش هزینه‌ها و افزایش سرعت اجرا شناخته می‌شود. موفقیت این روش مستلزم استفاده از تجهیزات کالیبره شده و درک دقیق رفتار مکانیکی فولاد در دماهای بالای ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد است.

3. مبانی علمی و تئوری متالورژیکی فورجینگ

فرآیند GPW بر پایه دو اصل حرارت (Thermal Energy) و فشار (Mechanical Pressure) بنا شده است.

در این روش، دمای میلگرد به محدوده ۱۳۰۰-۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. در این دما، فولاد در فاز آستنیت قرار دارد. اتم‌های آهن و کربن دارای انرژی جنبشی کافی برای عبور از مرز مشترک دو میلگرد هستند. فشار محوری اعمال شده، باعث می‌شود که ناهمواری‌های میکروسکوپی سطح از بین رفته و فواصل بین اتمی به کمتر از چند آنگستروم برسد، به طوری که پیوندهای فلزی بین دو قطعه برقرار گردد.

در اثر فشار محوری و تغییر شکل پلاستیک، دانه‌های کریستالی جدید در محل اتصال جوانه می‌زنند. این پدیده که تبلور مجدد نام دارد، باعث می‌شود مرز دانه‌های قدیمی از بین رفته و دانه‌های جدید به صورت مشترک بین دو میلگرد رشد کنند. این موضوع دلیل اصلی استحکام بالای جوش فورجینگ است؛ چرا که اتصال در سطح اتمی رخ داده است.

4. تحلیل تفصیلی تجهیزات و دستگاه‌های مورد نیاز

برای دستیابی به یک جوش استاندارد، سیستم تجهیزات باید بتواند پارامترهای دما، فشار و زمان را با دقت بالا کنترل کند.

یونیت هیدرولیک قلب تپنده عملیات فورجینگ است. این دستگاه باید توانایی تولید فشارهای بسیار بالا را به صورت یکنواخت داشته باشد.

• پمپ هیدرولیک: معمولاً از پمپ‌های پیستونی فشار بالا استفاده می‌شود که قادر به تولید فشار تا ۷۰۰ بار (۱۰,۰۰۰ psi) هستند.
• شیرهای کنترل فشار (Relief Valves): برای تنظیم دقیق فشار متناسب با سایز میلگرد (مثلاً فشار مورد نیاز برای میلگرد سایز ۲۰ با سایز ۳۲ متفاوت است).
• نمایشگر فشار (Pressure Gauge): باید دارای کالیبراسیون دوره‌ای باشد تا اپراتور از اعمال نیروی صحیح اطمینان حاصل کند.

این قطعه وظیفه تبدیل فشار هیدرولیک به نیروی مکانیکی محوری را دارد. جک فورجینگ باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:

• کورس حرکت (Stroke): باید به اندازه‌ای باشد که اجازه شکل‌گیری کامل تورم (Bulge) را بدهد.
• وزن کم و طراحی ارگونومیک: به دلیل کار در ارتفاع و فضاهای تنگ آرماتوربندی، جک‌ها باید توسط اپراتور قابل حمل باشند.

این ابزار وظیفه حفظ هم‌راستایی (Alignment) دو میلگرد را بر عهده دارد.

• فک‌های سخت‌کاری شده: این فک‌ها باید دارای دندانه‌هایی باشند که در آج میلگرد قفل شده و از لغزش آن تحت فشار چند ده تنی جلوگیری کنند.
• پیچ‌های تنظیم تراز: برای جلوگیری از خطای خروج از مرکزیت (Eccentricity) که طبق استاندارد نباید از ۰.۱ قطر میلگرد تجاوز کند.

توزیع یکنواخت حرارت در محیط میلگرد برای جلوگیری از تنش‌های حرارتی نامتقارن حیاتی است.

• حلقه مشعل (Heating Ring): شامل چندین نازل برنجی یا مسی است که شعله را به صورت متمرکز بر نقطه اتصال می‌تابانند.
• میکسر گاز: قطعه‌ای که وظیفه ترکیب بهینه اکسیژن و استیلن را بر عهده دارد. نسبت اختلاط باید به گونه‌ای باشد که شعله خنثی (Neutral Flame) تولید شود.

• کپسول‌های اکسیژن و استیلن: گاز استیلن به دلیل دمای شعله بالا (حدود ۳۱۵۰ درجه) تنها گزینه مناسب برای این فرآیند است. گازهایی مانند پروپان دمای لازم برای نفوذ سریع اتمی را فراهم نمی‌کنند.
• رگولاتورهای دبی بالا: برای حفظ ثبات شعله در طول فرآیند گرمادهی.
• فلاش‌بک آرستور (Flashback Arrestor): شیرهای یک‌طرفه برای جلوگیری از بازگشت شعله به درون کپسول و انفجار.

آماده‌سازی لبه‌ها حیاتی‌ترین بخش فرآیند است.

• اره دیسکی کاربایدی: برخلاف اره‌های آتشین یا سنگ فرز، اره‌های برش سرد باعث ذوب شدن لبه میلگرد یا ایجاد لایه‌های اکسیدی ضخیم نمی‌شوند. سطح مقطع باید کاملاً صاف، گونیا و بدون پلیسه باشد.

5. محاسبات مهندسی فشار و پارامترهای فرآیند

میزان فشار اعمالی توسط جک هیدرولیک تابعی از سطح مقطع میلگرد است. فرمول عمومی برای محاسبه نیروی لازم به شرح زیر است: $$F = \sigma \times A$$ که در آن:

• $F$: نیروی محوری (نیوتن)
• $\sigma$: تنش تسلیم گرم فولاد در دمای ۱۲۰۰ درجه (که معمولاً بین ۳۰ تا ۵۰ مگاپاسکال در نظر گرفته می‌شود).
• $A$: سطح مقطع میلگرد ($\pi r^2$).

به عنوان مثال، برای میلگرد سایز ۲۵، جک هیدرولیک باید نیرویی معادل تقریبی ۱۵ تا ۲۰ تن وارد کند تا تغییر شکل پلاستیک و تورم استاندارد ایجاد شود.

6. پروتکل اجرایی و متدولوژی گام‌به‌گام

۱. برش مقطع: میلگردها با اره برش سرد بریده می‌شوند. ۲. پاکسازی: سطح مقطع با برس سیمی یا مینی‌فرز تمیز می‌شود تا هرگونه آلودگی، چربی و اکسید حذف شود. (فاصله زمانی بین پاکسازی و جوشکاری نباید بیش از ۳۰ دقیقه باشد). ۳. بستن گیره‌ها: میلگردها در جک قرار گرفته و تراز می‌شوند. ۴. اعمال فشار اولیه: فشاری اندک برای بستن کامل درز بین دو میلگرد اعمال می‌شود تا هوا وارد نشود. ۵. گرمادهی مرحله اول: گرم کردن محل اتصال تا رسیدن به حالت سرخ شدن چری (Cherry Red). ۶. اعمال فشار نهایی و گرمادهی مرحله دوم: با رسیدن به دمای پلاستیک، فشار افزایش یافته و تورم (Bulge) ایجاد می‌شود. ۷. بازرسی چشمی: اپراتور ابعاد تورم را چک می‌کند.

7. کنترل کیفیت و استانداردهای بازرسی (QC & Inspection)

یک اتصال فورجینگ شده باید تحت پروتکل‌های سخت‌گیرانه تست شود:

• قطر تورم: باید حداقل ۱.۴ برابر قطر اصلی میلگرد باشد.
• طول تورم: باید حدود ۱.۱ تا ۱.۳ برابر قطر میلگرد باشد.
• تقارن تورم: شیب تورم نباید تند یا نامتقارن باشد.
• عدم سوختگی: سطح میلگرد نباید دارای ذوب‌شدگی یا حفره‌های ناشی از حرارت بیش از حد باشد.

• تست کشش: میلگرد باید از بدنه و دور از محل جوش گسیخته شود. استحکام کششی نباید کمتر از استانداردهای میلگرد پایه (مثلاً ۵۰۰ مگاپاسکال برای AII) باشد.
• تست خمشی: نمونه جوش شده باید ۹۰ درجه حول یک فک خم شود بدون آنکه در محل اتصال ترکی ایجاد گردد.

• تست التراسونیک (UT): برای شناسایی عیوب داخلی مانند "سطح صاف" (Flat Spot) که ناشی از عدم نفوذ اتمی در مرکز میلگرد است.

8. ایمنی و بهداشت حرفه‌ای (HSE)

کار با سیستم‌های فشار بالا و گازهای مشتعل خطرات خاص خود را دارد:

• استفاده از دستکش‌های نسوز و عینک‌های محافظ با درجه تیرگی مناسب (Grade 4 or 5) برای جلوگیری از آسیب اشعه مادون قرمز.
• اطمینان از سلامت شیلنگ‌های گاز و عدم وجود نشتی با تست کف صابون.
• آموزش اپراتورها برای مقابله با شرایط اضطراری "پس‌زدگی شعله".

9. چالش‌ها و محدودیت‌های اجرایی

• تأثیر باد: در ارتفاعات زیاد، وزش باد باعث اتلاف حرارتی می‌شود که منجر به "جوش سرد" می‌گردد. استفاده از حفاظ‌های ضد باد ضروری است.
• ترکیب شیمیایی میلگرد: میلگردهایی با درصد کربن بسیار بالا یا ناخالصی‌های گوگردی زیاد، قابلیت فورجینگ کمتری دارند و ممکن است در ناحیه HAZ دچار تردی شوند.
• محدودیت فضا: در ستون‌هایی با تراکم بسیار بالای آرماتور، فضای کافی برای قرارگیری جک و چرخش مشعل وجود ندارد.

10. روندهای آینده و توسعه تکنولوژی

تکنولوژی GPW به سمت هوشمندسازی پیش می‌رود:

• سیستم‌های کنترل عددی (NC): دستگاه‌هایی که مجهز به سنسورهای دمای لیزری هستند و فشار را دقیقاً بر اساس دمای لحظه‌ای تنظیم می‌کنند.
• جوشکاری القایی (Induction Forging): جایگزینی شعله با کویل‌های القایی برای حذف خطرات گاز و افزایش سرعت گرمادهی.

11. نتیجه‌گیری مهندسی

جوشکاری فورجینگ سر به سر میلگرد، فراتر از یک اتصال ساده، یک فرآیند مهندسی دقیق است که نیازمند هماهنگی کامل بین تجهیزات مکانیکی و اصول متالورژیکی است. استفاده از دستگاه‌های برش سرد، یونیت‌های هیدرولیک کالیبره و مشعل‌های چند‌نازله، سه رکن اساسی در تضمین کیفیت این جوش هستند. در صورت اجرای صحیح طبق استانداردهای AWS و JIS، این روش ایمن‌ترین، اقتصادی‌ترین و فنی‌ترین راهکار برای ایجاد پیوستگی در سازه‌های بتنی عظیم، پل‌ها و نیروگاه‌ها است.