چه استانداردهای آزمونی برای قطعات جوشکاری فلزی با کیفیت بالا اعمال می‌شود؟

کدهای اصلی جوشکاری که بر قطعات جوشکاری فلزی حاکم هستند

ASME Section IX در مقابل AWS D1.1: هدف، محدوده و کاربرد در قطعات جوشکاری فلزی

بخش IX کد ASME قوانین اساسی لازم برای صلاحیت‌دادن فرآیندهای جوشکاری و افراد انجام‌دهنده آن را تعیین می‌کند. این امر به حفظ کیفیت یکنواخت در سیستم‌هایی که ایمنی در آن‌ها اهمیت بالایی دارد، مانند خطوط لوله حامل گاز یا بویلرهای بخار، کمک می‌کند. استاندارد AWS D1.1 رویکردی متفاوت دارد و تمرکز اصلی آن بر این است که سازه‌ها در شرایط تنش سالم باقی بمانند. این استاندارد موضوعاتی مانند نحوه طراحی اتصالات، نوع بازرسی‌های لازم و زمانی که نقص‌های موجود در جوش هنوز قابل پذیرش برای استفاده واقعی در عناصری مانند تکیه‌گاه‌های پل یا قاب‌های ساختمانی هستند را پوشش می‌دهد. در مورد قطعات فلزی که نیاز به جوشکاری دارند، بخش IX به ما می‌گوید چگونه آزمایش کنیم که آیا یک جوش معیارهای استاندارد را برآورده می‌کند یا خیر، در حالی که D1.1 در اصل مشخص می‌کند چه چیزی پس از قرارگیری قطعات در محل، به عنوان جوش قابل قبول شناخته می‌شود. این دو استاندارد واقعاً به صورت مکمل یکدیگر عمل می‌کنند. یکی اطمینان حاصل می‌کند که همه افراد دقیقاً مراحل رویه مناسب را دنبال می‌کنند و دیگری بررسی می‌کند که آیا آن جوش‌ها در شرایط واقعی تحت نیروها و بارهای واقعی مقاومت خواهند کرد یا خیر.

استانداردهای خاص بخش: API RP 2X (فرا ساحلی)، CSA W47.1 (کانادا) و ISO 5817 (ساخت جهانی)

کاربردهای حیاتی نیازمند استانداردهای سفارشی‌سازی شده هستند که به الزامات منحصربه‌فرد محیطی و عملیاتی می‌پردازند:

• API RP 2X : آزمون‌های استحکام از جمله ارزیابی‌های وزن سقوطی و نمونه‌ی V-شکل چارپی را برای قطعات جوش فلزی در مهارتهای فراساحلی که در معرض فشارهای زیرآبی، بارگذاری دوره‌ای و کارکرد در دمای پایین هستند، الزامی می‌کند.
• CSA W47.1 : گواهی‌سازمانی رسمی را برای پروژه‌های سازه‌ای در کانادا الزامی می‌کند و بررسی مستند شده رویه‌های جوشکاری و نظارت توسط شخص ثالث بر جوشکاران تولیدی را مورد تأکید قرار می‌دهد.
• ISO 5817 : طبقه‌بندی نقص‌ها را به صورت هماهنگ در سطح جهانی فراهم می‌کند و ارزیابی حباب‌های گازی، عمق‌گیری نادرست، عدم ترازی و جوش‌نبستن را در زنجیره‌های تأمین ساخت بین‌المللی استاندارد می‌سازد.

این استانداردسازی لایه‌ای مطمئن می‌شود که قطعات جوشکاری شده فلزی در شرایط تنش‌زا، از محیط‌های خورنده دریایی تا رویدادهای لرزه‌ای و شرایط کریوژنیک، به‌صورت قابل اعتماد عمل کنند – بدون آن‌که برای کاربردهای با خطر کمتر بیش‌ازحد مشخصات تعیین شود.

روش‌های آزمون غیرمخرب (NDT) برای قطعات جوشکاری شده فلزی

آزمون غیرمخرب (NDT) امکان تشخیص عیوب حیاتی در قطعات جوشکاری شده فلزی را فراهم می‌کند، بدون آن‌که یکپارچگی ساختاری آسیب ببیند. این روش‌ها برای اعتبارسنجی کیفیت جوش در صنایع هوافضا، زیرساخت‌های انرژی و تولید سنگین ضروری هستند – جایی که پیامدهای شکست از توقف‌های گران‌قیمت تا حوادث تهدیدکننده‌ی زندگی متغیر است.

آزمون رادیوگرافی (RT) و آزمون اولتراسونیک (UT): قابلیت‌های تشخیص و الزامات ASTM E94/E164

آزمون رادیوگرافی یا به اختصار RT، با تاباندن پرتوهای ایکس یا گاما از میان مواد، مشکلات داخلی مانند حباب‌های کوچک هوا، ذرات سرباره گیرکرده یا نواحی که فلز به درستی به هم متصل نشده‌اند را شناسایی می‌کند. این روش در یافتن این نوع نقص‌ها بسیار مؤثر است، اما مستلزم الزامات جدی در زمینه ایمنی مواجهه با تشعشعات است و علاوه بر این، همواره تصاویر واضحی از آنچه در عمق‌های بیشتری از ماده رخ می‌دهد ارائه نمی‌دهد. از سوی دیگر، آزمون اولتراسونیک (UT) امواج صوتی با فرکانس بالا را منتشر می‌کند که می‌تواند نقص‌های بسیار کوچک را تا عمق حدود نیم میلی‌متر تشخیص دهد و این ویژگی آن را به‌ویژه در بررسی بخش‌های جوشکاری ضخیم مفید می‌سازد. هر دو روش هنگامی که مطابق استانداردهایی مانند ASTM E164 برای آزمون UT و ASTM E94 برای رویه‌های RT انجام شوند، دقتی بیش از ۹۵ درصد دارند. چیزی که این دو روش را در کنار هم مؤثر می‌کند، تفاوت در نقاط قوت آن‌هاست: RT تصاویر دائمی تولید می‌کند که بازرسان می‌توانند بعداً به آن‌ها مراجعه کنند، در حالی که UT بازخورد فوری درباره ضخامت قطعات و محل دقیق نقص‌ها ارائه می‌دهد؛ همین موضوع توضیح می‌دهد که چرا بسیاری از افراد ترجیح می‌دهند از UT در بازرسی‌های تعمیر و نگهداری مداوم و سیستم‌های بازرسی خودکار استفاده کنند.

بازرسی سطحی: بازرسی‌های بازرسی بصری (VT)، نفوذ مایع (PT) و ذرات مغناطیسی (MT)

روش‌های غیرمخرب متمرکز بر سطح، عیوب قابل دسترسی خارجی را با استفاده از اصول فیزیکی مجزا هدف‌گیری می‌کنند:

بازرسی بصری یا VT همچنان به عنوان روش اصلی بررسی کیفیت در صنایع مختلف در نظر گرفته می‌شود. بیشتر تأسیسات از استاندارد حداقل روشنایی 500 لوکس مطابق دستورالعمل‌های AWS B1.11 پیروی می‌کنند و بسیاری از آنها این کار را به عنوان بخشی از شیفت‌های تولیدی خود در نظر می‌گیرند. وقتی صحبت از یافتن ترک‌های ریز سطحی می‌شود، آزمون نفوذ مایع نتایج خوبی دارد. این فرآیند به عمل موئینگی متکی است که در آن مایع به داخل عیوب نفوذ می‌کند، اما همه چیز باید قبل از آن به طور کامل تمیز شود، همان‌طور که در استانداردهای AMS 2647 مشخص شده است. برای مواد مغناطیسی، آزمون MT با ایجاد یک میدان مغناطیسی در اطراف قطعات و سپس اعمال ذرات فلوئورسنت انجام می‌شود که هنگام وقوع شکست در جریان مغناطیسی، نور می‌دهند. این سه روش بازرسی فقط توصیه نشده‌اند، بلکه نیازمند گواهی‌نامه از بازرسان ASNT سطح دوم هستند که آموزش لازم برای تشخیص منظم مشکلات و کاهش اشتباهات در تفسیر را دارند.

آزمون تخریبی و اعتبارسنجی مکانیکی قطعات جوشکاری فلزی

آزمون‌های خمش هدایت‌شده و شکست عرضی: ارزیابی یکپارچگی ناحیه اتصال مطابق با استاندارد AWS B4.0

آزمون خمش هدایت‌شده بررسی می‌کند که یک ماده قبل از شکستن تا چه حد می‌تواند کشیده شود و اطمینان حاصل می‌کند که جوش در سراسر ناحیه اتصال به‌خوبی انجام شده است. بر اساس استانداردهای AWS B4.0، هنگامی که به خمش صفحه، خمش ریشه و خمش جانبی نگاه می‌کنیم، هرگونه ترک، مناطق بدون اتصال یا حباب در ناحیه تحت تأثیر حرارت به‌وضوح مشهود می‌شوند. این موضوع بسیار مهم است، به‌ویژه برای فولادهای کربنی و فولادهای آلیاژی کم که در آنها عیوب کوچک می‌توانند بعداً مشکلات بزرگی ایجاد کنند. اگر حتی یک ترک بزرگ‌تر از 3.2 میلی‌متر در نمونه‌ای به ضخامت 19 میلی‌متر وجود داشته باشد، نشان می‌دهد که فلز به‌قدری شکننده شده که دیگر از نظر ایمنی قابل قبول نیست. آزمون شکست لبه‌بریده همراه با این روش کار می‌کند. با ایجاد یک شیار در مرکز جوش و سپس ضربه زدن با چکش، بازرسان می‌توانند مشکلات پنهانی مانند سرباره‌های به‌دام افتاده یا حفره‌های ریز هوا که ممکن است در حین جوشکاری تشکیل شده باشند را مشاهده کنند. کد AWS B4.0 بیان می‌کند که مجموع عیوب روی سطوح شکسته‌شده نباید برای قطعاتی که واقعاً بار تحمل می‌کنند، از 1.6 میلی‌متر تجاوز کند. این آزمون‌های مخرب حدود 40 درصد کمتر از روش‌های پیچیده غیرمخرب هزینه دارند، با این حال همچنان اطمینان از اتصال مناسب را در بیش از 90 درصد از تمام جوش‌های سازه‌ای فراهم می‌کنند. علیرغم فناوری‌های جدیدتر، این روش‌های سنتی همچنان معیارهای ارزیابی رویه‌های جوشکاری در سراسر صنعت را تعیین می‌کنند.

آزمون کششی، ضربه و سختی: ارتباط دادن داده‌ها با عملکرد خدماتی و حاشیه‌های ایمنی

آزمون‌های کششی در مورد مقاومت نهایی و نقطه تسلیم مواد اطلاعاتی ارائه می‌دهند که هنگام بررسی انطباق جوش‌های خطوط لوله با استانداردهای API 1104 بسیار مهم است. مطابق این دستورالعمل‌ها، استحکاک نباید بیش از ۲۰٪ نسبت به فلز پایه کاهش یابد. آزمون دیگری به نام آزمون شکاف V-نمونه شارپی وجود دارد که میزان چقرمگی مواد در برابر ترک‌خوردگی در دماهای مختلف را بررسی می‌کند. قطعاتی که در محیط‌های فراساحلی استفاده می‌شوند باید بتوانند حداقل ۲۷ ژول انرژی را در دمای ۴۰- درجه سانتی‌گراد تحمل کنند تا در شرایط سخت دریایی دچار شکست ناگهانی نشوند. هنگام بررسی سطوح سختی در مناطق جوش با استفاده از اندازه‌گیری‌های HV10، به دنبال نقاطی هستیم که فلز به صورت محلی خیلی سخت شده باشد. اگر مارتنزیت در مناطقی که مقدار سختی بالاتر از ۳۵۰ HV باشد تشکیل شود، احتمال ایجاد ترک به ویژه در محیط‌های حاوی گازهای ترش طبق الزامات NACE MR0175 افزایش می‌یابد. تجمیع این داده‌ها به مهندسان تصویر روشن‌تری از عملکرد واقعی اتصالات جوشی در شرایط دنیای واقعی می‌دهد.

• استحکام کششی که با فلز پایه برابر یا بیشتر از آن باشد، اطمینان از حفاظت در برابر بار اضافی را فراهم می‌کند
• انرژی ضربه بیش از ۴۰ ژول، جلوگیری از گسترش ترک در شرایط خستگی با چرخه بالا را پشتیبانی می‌کند
• گرادیان سختی کمتر از ۱۰۰ ویکرز بر میلی‌متر، خطر ترک خوردگی ناشی از هیدروژن را در آلیاژهای مستعد کاهش می‌دهد

خواص مکانیکی مورد تأیید، حاشیه ایمنی قابل اندازه‌گیری را ایجاد می‌کنند و باعث کاهش ۶۳٪‌ای خرابی‌های میدانی در کاربردهای پرتنش مانند مخازن تحت فشار، تجهیزات بلندکردن و تکیه‌گاه‌های ماشین‌آلات دوار می‌شوند

معیارهای پذیرش عیوب جوش در استانداردهای کلیدی برای قطعات جوشکاری فلزی

استانداردهای بین‌المللی موجود قوانین مشخصی را در مورد اینکه چه چیزی به عنوان نقص در قطعات فلزی جوش‌داده شده قابل قبول است، تعیین می‌کنند. به عنوان مثال استاندارد ISO 5817 که کیفیت را به سه دسته اصلی تقسیم می‌کند. سطح B بالاترین رده است، سپس سطح C که متوسط است و در نهایت سطح D که مجوز بیشتری دارد. هر سطح قوانین متفاوتی در مورد مواردی مانند حفره‌های ریز در فلز (متخلخل بودن)، شیارهای کوچک در لبه (زیربریدگی) و میزان عدم تراز بودن قطعات (عدم هم‌ترازی) دارد. وقتی از سطح B صحبت می‌کنیم، این سطح مختص موارد بسیار مهمی مانند مخازن تحت فشار یا قطعات مورد استفاده در تأسیسات هسته‌ای است. این کاربردها تنها تحمل کمترین منافذ ریز، تقریباً غیرقابل مشاهده، را دارند و هرگونه زیربریدگی نباید در نقاط با بیشترین تنش از نیم میلی‌متر عمق تجاوز کند. سطح C اجازه وجود گروه‌های بزرگتری از منافذ، حدود یک میلی‌متر قطر، و زیربریدگی کمی عمیق‌تر را برای سازه‌های معمولی می‌دهد. استاندارد دیگری مانند AWS D1.1 نیز وجود دارد که بسته به نوع سازه مورد نیاز، حتی دقیق‌تر عمل می‌کند. به عنوان مثال، تکیه‌گاه‌های پل نسبت به ساختمان‌های معمولی که برای مقاومت در برابر زلزله طراحی نشده‌اند، قوانین سخت‌گیرانه‌تری در مورد ترک‌ها دارند. تمام این دستورالعمل‌های دقیق و فکر شده به جلوگیری از وقوع حوادث کمک می‌کنند و در عین حال اطمینان حاصل می‌شود که قطعات سالم فقط به خاطر نقص‌های جزئی دور ریخته نشوند. بنابراین، تولیدکنندگان می‌توانند بازرسی‌های کیفی خود را با آنچه واقعاً برای ایمنی مهم است، الزامات مقرراتی و عمر مورد انتظار محصول قبل از نیاز به تعویض تطبیق دهند.

تأیید صلاحیت فرآیند جوشکاری (WPQ/PQR) به عنوان پایه‌ای برای کیفیت یکنواخت قطعات جوشکاری فلزی

از تأیید صلاحیت تا تولید: چگونه رویه‌های معتبر، خرابی‌های در محل را جلوگیری می‌کنند

سیستم ثبت صلاحیت فرآیند جوشکاری (PQR) و مشخصات رویه جوشکاری (WPS) در اصل همان چیزی است که از فروپاشی تولید قطعات جوشکاری شده فلزی جلوگیری می‌کند. هنگام آماده‌سازی برای تولید انبوه، جوشکاران باید صفحات آزمایشی را تحت شرایط سخت‌گیرانه اجرا کنند و تمام پارامترهای مختلفی مانند سطح ورودی حرارت، نوع فلز پرکننده مورد استفاده، دمای مورد نیاز قبل از شروع (پیش‌گرم) و همچنین شکل واقعی اتصالی که جوش داده می‌شود را ثبت کنند. تمام این جزئیات در سند PQR ثبت می‌شوند. سپس مرحله آزمایش‌های تخریبی آغاز می‌شود که در آن نمونه‌ها بر اساس استانداردهای AWS خم، کشیده و اتچ می‌شوند تا بررسی شود آیا همه چیز با آنچه در مشخصات طراحی تعهد داده شده است، مطابقت دارد یا خیر. پس از تأیید، WPS این تنظیمات موفق را به دستورالعمل‌های گام به گامی برای کارهای تولیدی عادی تبدیل می‌کند. بر اساس تحقیقات انجمن ASM International در سال گذشته، پیروی از این فرآیند حدود ۷۲ درصد از مشکلات معمول جوشکاری که در عمل مشاهده می‌شود را از بین می‌برد. مواردی مانند نقاط نفوذ ناقص، ترک‌های هیدروژنی که بعداً ایجاد می‌شوند یا تغییر شکل بیش از حد قطعات در حین سرد شدن. کارگاه‌های ساخت که به طور دقیق به دمای پیش‌گرم و سرعت حرکت مشخص شده در زمان صلاحیت پایبند باشند، مشکلات تخلخلی که نیاز به بازکاری دارند را تقریباً ۹۱ درصد کاهش داده‌اند که این امر تأثیر بسیار بزرگی بر هزینه‌های نهایی دارد. هر جوش انجام‌شده باید بتواند به یک تنظیم آزمایش‌شده خاص در سوابق ارجاع داده شود. این امر قابلیت ردیابی کامل را ایجاد می‌کند و از انجام کار به صورت تصادفی جلوگیری می‌کند. اگر شرکت‌ها این پایه و اساس را نادیده بگیرند، نوسانات حرارتی تصادفی یا استفاده از مواد پرکننده نامناسب می‌تواند منجر به ضعف‌های پنهانی در فلز شود. این عیوب ممکن است تا زمانی که چیزی در حال استفاده شکسته شود، نمایان نشوند و خطرات جدی ایمنی ایجاد کنند و بالقوه صدها هزار دلار هزینه بازخرید به دنبال داشته باشند، همان‌گونه که در یافته‌های اخیر مؤسسه Ponemon مشاهده شده است. بنابراین یک نکته را روشن کنیم: PQR/WPS فقط یک بوروکراسی کاغذی نیست. در واقع اولین خط دفاع واقعی است که مهندسان برای جلوگیری از شکست‌ها پس از ورود محصولات به میدان عمل ایجاد می‌کنند.