جوش بات فیوژن که به آن جوش لب‌به‌لب نیز گفته می‌شود، فرآیند اتصال دو سر لوله یا اتصال ترموپلاستیکی (مانند پلی‌اتیلن) به یکدیگر از طریق حرارت دادن و ذوب کردن سر لوله‌ها و سپس اعمال فشار برای یکی‌شدن آنها است. این روش یکی از دو تکنیک اصلی اتصال حرارتی لوله‌های پلی‌اتیلن در خطوط گاز و آب محسوب می‌شود (در کنار روش الکتروفیوژن). جوش بات فیوژن به علت ایجاد اتصالی هم‌جنس با خود لوله، یک اتصال دائمی، اقتصادی و با کارایی هیدرولیکی بالا (بدون افت جریان) فراهم می‌کند. در واقع در صورت اجرای صحیح، استحکام و عملکرد محل جوش تحت فشار معادل خود لوله بوده و عملاً یک لوله‌ی یکپارچه و بدون نشتی حاصل می‌شود. همین یکپارچگی و استحکام بالا موجب شده است که جوش بات فیوژن به‌عنوان متداول‌ترین روش اتصال لوله‌های پلی‌اتیلن در پروژه‌های آبرسانی، گازرسانی و صنایع مختلف شناخته شود. این روش طی دهه‌های گذشته در طیف وسیعی از شرایط کاری آزمون خود را پس داده و اتصالاتی با عمر طولانی و عملکرد مطمئن ارائه داده است.
روش اجرا
برای اجرای جوش بات فیوژن، رعایت مراحل و شرایط صحیح اهمیت زیادی دارد. خلاصه مراحل اجرای این جوش به صورت زیر است:
- آماده‌سازی و تمیزکاری: ابتدا باید سطح انتهایی لوله‌ها کاملاً تمیز و عاری از هرگونه آلودگی (گرد و خاک، چربی، رطوبت) باشد. سرهای لوله که باید به هم جوش شوند با ابزار مخصوص (مانند دستمال آغشته به ایزوپروپانول) پاک‌سازی می‌شوند تا هیچ‌آلودگی روی سطح باقی نمانَد. وجود حتی مقدار کمی رطوبت یا گردوغبار می‌تواند کیفیت جوش را کاهش دهد.
- ثابت کردن و تراشیدن لوله‌ها: هر دو لوله در دستگاه جوش بات فیوژن توسط فک‌های ثابت‌کننده (کلمپ) محکم می‌شوند به طوری که در یک راستا قرار گیرند. یکی از فک‌ها معمولاً ثابت و دیگری متحرک است تا لوله‌ها را به هم نزدیک کند. سپس با استفاده از رنده‌ی مخصوص (صفحه تراشنده دوار)، سر دو لوله تراشیده می‌شود تا کاملاً صاف، عمود بر محور لوله و عاری از اکسیداسیون یا ناهمواری باشد. این کار تضمین می‌کند دو سطح کاملاً مماس و هماهنگ برای جوش داشته باشیم.
- تنظیم هم‌محوری: پس از تراش، دو سر لوله به هم مماس می‌شوند تا میزان هم‌محوری و انطباق آنها بررسی شود. در صورت وجود هرگونه زاویه یا فاصله، مجدداً تنظیم و در صورت لزوم مرحله تراشیدن تکرار می‌شود تا دو سر لوله کاملاً هماهنگ و بدون فاصله در کنار هم قرار گیرند.
- حرارت‌دهی (گرم کردن): در این مرحله، صفحه حرارتی دستگاه که به دمای مشخص (معمولاً حدود ۲۰۰-۲۲۰ درجه سانتی‌گراد برای پلی‌اتیلن) رسیده است، بین دو سر لوله قرار داده می‌شود. سپس سرهای لوله با فشار کنترل‌شده‌ای به سطح داغ صفحه حرارتی فشرده می‌شوند. ابتدا اعمال فشار باعث نرم شدن سطوح و تشکیل یک پَرز جوش کوچک در لبه‌های لوله می‌شود. سپس فشار کمی کاهش می‌یابد تا حرارت به عمق جداره لوله‌ها نفوذ کرده و سر لوله‌ها را کاملاً به حالت مذاب درآورد. مدت زمان حرارت‌دهی وابسته به ضخامت جداره و قطر لوله طبق دستورالعمل استاندارد تعیین می‌شود. این مرحله کلیدی است زیرا باید اطمینان حاصل شود که حرارت به طور یکنواخت در مقطع لوله نفوذ کرده است.
- برداشتن صفحه حرارتی و اعمال فشار جوش: پس از اتمام زمان گرم کردن، صفحه حرارتی به‌سرعت کنار گذاشته می‌شود و دو لوله بلافاصله با فشار مشخص به همدیگر چسبانده می‌شوند. این انتقال باید در حداقل زمان ممکن انجام گیرد تا سطح‌های مذاب بیش از حد خنک نشوند (چرا که سرد شدن می‌تواند موجب جوش سرد و اتصال ناقص شود). فشار اعمالی توسط سیستم هیدرولیک یا مکانیکی دستگاه جوش کنترل می‌شود تا دو سطح مذاب به طور کامل در هم ادغام شوند. با اتصال دو سر لوله، مواد مذاب در هم آمیخته و حلقه جوش در بیرون (و معمولاً داخل) لوله تشکیل می‌گردد که نشان‌دهنده ایجاد جوش است.
- خنک‌کاری: پس از اتصال، لوله‌ها همچنان در حالت بی‌حرکت داخل فک‌های دستگاه باقی می‌مانند تا ناحیه جوش به‌آرامی خنک شده و مواد دوباره جامد شوند. خنک‌شدن تحت فشار باعث می‌شود ساختار کریستالی پلی‌اتیلن در ناحیه جوش به شکل مناسبی شکل بگیرد. مدت زمان خنک‌سازی نیز بسته به ضخامت و قطر لوله تعریف شده و باید رعایت شود. در این مدت نباید به اتصال نیرو یا تنشی وارد شود.
- بازرسی و آماده‌سازی نهایی: پس از خنک شدن کامل، فک‌ها باز شده و لوله جوش‌خورده از دستگاه خارج می‌شود. در صورت نیاز، پرزهای جوش داخلی و خارجی با ابزار مناسب (مانند اسکنه یا تراشنده) برداشته می‌شوند. گاهی برای اطمینان از کیفیت، آزمون‌های غیرمخرب روی مهره جوش انجام می‌شود یا در پروژه‌های حساس، درصد کمی از جوش‌ها به صورت تصادفی بریده شده و تحت آزمون مخرب قرار می‌گیرند تا کیفیت جوش تأیید شود.
تجهیزات مورد نیاز برای اجرای جوش بات فیوژن شامل یک دستگاه جوش بات فیوژن (دستی یا هیدرولیک)، صفحه حرارتی برقی با کنترل دما، رنده/تراشنده جهت آماده‌سازی سطوح لوله و گیره‌ها یا فک‌های ثابت‌کننده برای نگه‌داشتن و هم‌راستا کردن لوله‌ها است. دستگاه‌های جوش در اندازه‌ها و انواع مختلف (دستی، نیمه‌هیدرولیک، تمام‌هیدرولیک یا CNC) موجودند که بسته به قطر لوله و میزان اتوماسیون مورد نیاز انتخاب می‌شوند. برای مثال دستگاه‌های کوچک دستی برای لوله‌های تا حدود ۱۲۵ میلی‌متر و دستگاه‌های هیدرولیک برای اقطار بزرگ‌تر به‌کار می‌روند. به طور معمول جوش بات فیوژن برای لوله‌های با قطر خارجی ۹۰ میلی‌متر و بالاتر توصیه می‌شود و برای اقطار کوچک‌تر روش‌هایی نظیر الکتروفیوژن یا جوش سوکتی کاربرد بیشتری دارد (اگرچه در شرایط کارگاهی کنترل‌شده، لوله‌هایی حتی تا ۶۳ میلی‌متر را نیز می‌توان بات فیوژن کرد).
نکته مهم در اجرای جوش بات فیوژن، کنترل صحیح سه عامل دما، زمان و فشار در تمامی مراحل است. طبق استانداردها، اگر هر یک از این سه عامل به‌درستی اعمال نگردد نتیجه جوش، اتصال ضعیف و زیر استاندارد خواهد بود. از این رو اپراتور دستگاه باید آموزش‌دیده و مجرب باشد و دستگاه جوش نیز تنظیمات دما و فشار دقیقی داشته باشد. شرایط محیطی نیز باید درنظر گرفته شود؛ برای مثال در دماهای بسیار سرد زمان حرارت‌دهی ممکن است افزایش یابد یا در باد شدید باید از سرد شدن سریع صفحه داغ و ناحیه جوش جلوگیری کرد. تمیزی سطوح، تراز بودن لوله‌ها و رعایت دقیق زمان‌های تعریف‌شده در دستورالعمل جوش، همگی برای دستیابی به یک جوش با کیفیت و مقاوم ضروری هستند.
مزایا و معایب جوش بات فیوژن
مزایا: جوش بات فیوژن به دلایل متعددی در صنعت لوله‌های پلی‌اتیلن محبوبیت دارد. مهم‌ترین مزیت این روش استحکام بالای اتصال آن است؛ یعنی استحکام محل جوش معادل استحکام خود لوله بوده و اتصال ایجاد شده توان تحمل فشار و تنش‌های کاری مساوی با لوله را دارد. در نتیجه، پس از جوشکاری، خط لوله به صورت یکپارچه عمل می‌کند و نیازی به سازه‌های مهار‌کننده نیروی انتهایی (مانند بلوک‌های مهار بتنی پشت زانویی‌ها یا سه‌راهی‌ها) وجود ندارد، چون جوش لب‌به‌لب خود قادر به تحمل تنش‌های داخلی است. از دیگر مزایای این روش می‌توان به دوام طولانی‌مدت اتصال اشاره کرد؛ اتصال حاصل به دلیل هم‌جنس بودن با لوله، در برابر خوردگی، ارتعاشات و تنش‌های ناشی از زمین‌لغزش یا نشست زمین مقاومت بالایی نشان می‌دهد و عمر آن به اندازه عمر خود لوله (چندین دهه) خواهد بود. همچنین از نظر اقتصادی در پروژه‌های بزرگ، هزینه اتصال هر جوش پایین تمام می‌شود زیرا به جز سرمایه‌گذاری اولیه برای دستگاه جوش، نیاز به استفاده از کوپلرها یا اتصالات گران‌قیمت نیست. سرعت اجرای جوش بات فیوژن برای لوله‌های با قطر متوسط و بزرگ نسبتاً مناسب است و معمولاً از الکتروفیوژن سریع‌تر انجام می‌شود. این به دلیل آن است که در روش بات فیوژن فقط یک بار گرم کردن و سرد کردن برای هر اتصال انجام می‌شود، در حالی که در روش‌های دیگر ممکن است مراحل بیشتری درگیر باشد. مزیت دیگر، عدم وجود مسیرهای نشتی در محل اتصال است؛ چون جوش کاملاً همگن است، احتمال نشت سیال از محل اتصال (برخلاف برخی اتصال‌های مکانیکی یا فلنجی) منتفی است و این موضوع برای خطوط انتقال آب و گاز بسیار حیاتی است. به طور خلاصه، جوش لب‌به‌لب پلی‌اتیلن اتصالی قوی، یکپارچه و بادوام ایجاد می‌کند که از نظر هیدرولیکی و سازه‌ای معادل خود لوله می‌باشد.
معایب: در کنار مزایا، روش بات فیوژن دارای محدودیت‌ها و ملاحظاتی نیز هست. اولین مورد، نیاز به تجهیزات تخصصی است. انجام این جوش صرفاً با داشتن دستگاه جوش مخصوص (صفحه داغ و گیره‌ها و غیره) ممکن است و این تجهیزات نسبتاً گران‌قیمت بوده و حمل آنها به محل پروژه خصوصاً برای اقطار بزرگ دشوار است. همچنین، اجرای صحیح این جوش نیازمند اپراتورهای ماهر و آموزش‌دیده است. تنظیم دقیق دما، زمان و فشار و نیز آمادگی برای واکنش سریع (مثلاً برداشتن صفحه حرارتی در زمان مناسب) مواردی هستند که تنها با تجربه و آموزش حاصل می‌شوند. هرگونه خطا در اجرای کار می‌تواند منجر به ایجاد جوش ناموفق (مانند جوش سرد یا سوخته) شود که باید بریده شده و مجدداً جوشکاری انجام گردد. محدودیت دیگر این روش، عدم انعطاف‌پذیری در اتصال لوله‌ها یا اتصالات غیرهمسان است. به بیان دیگر، جوش بات فیوژن معمولاً فقط برای لوله‌ها و اتصالات با قطر و ضخامت جداره یکسان (و از یک جنس مواد مثلاً هر دو PE100) به کار می‌رود. امکان جوشکاری مستقیم دو لوله با قطرهای متفاوت یا مواد پلی‌اتیلن با گریدهای مختلف با این روش وجود ندارد (در چنین حالتی باید از فلنج یا تبدیل‌های مکانیکی استفاده کرد). همچنین جوش لب‌به‌لب صرفاً اتصالات خطی را پوشش می‌دهد؛ برای نصب اتصالات شاخه‌ای (سه‌راهی، زانو، شیرآلات و غیره) معمولاً از قطعات و اتصالات پلی‌اتیلنی تزریقی و سپس جوش لب‌به‌لب آن قطعه به خط لوله استفاده می‌شود یا روش الکتروفیوژن به‌کار گرفته می‌شود. از دیگر معایب می‌توان به شرایط محیطی حساس اشاره کرد؛ اجرای این جوش در دماهای محیطی بسیار سرد یا بسیار گرم نیازمند تمهیدات خاص (پیش‌گرمایش لوله‌ها یا خنک‌کاری) است و در شرایط بارانی یا گردوخاک باید محیط کار محافظت شود تا کیفیت جوش آسیب نبیند. همچنین در فضاهای بسیار تنگ (مثلاً داخل یک ترانشه عمیق با حضور لوله‌های دیگر) ممکن است کار با دستگاه بات فیوژن و جفت کردن لوله‌ها دشوار باشد و در این مواقع روش الکتروفیوژن ترجیح داده می‌شود. خلاصه اینکه معایب جوش بات فیوژن شامل نیاز به تجهیزات مخصوص و نیروی کار ماهر، محدودیت در اتصال لوله‌های غیرمشابه و دقت بالا در کنترل شرایط اجرا است.
استانداردها و دستورالعمل‌ها
جهت اطمینان از کیفیت و ایمنی جوش‌های بات فیوژن در پروژه‌ها، استانداردها و دستورالعمل‌های فنی متعددی در سطح بین‌المللی و ملی تدوین شده است. این استانداردها پارامترهای مجاز جوشکاری (دما، فشار، زمان در مراحل مختلف)، روش‌های آماده‌سازی و الزامات آزمون جوش را مشخص می‌کنند تا اتصال حاصل همواره قابل اطمینان باشد. به طور کلی در اکثر کشورهای جهان، استاندارد ISO 21307 که توسط سازمان استاندارد بین‌المللی منتشر شده، مرجع اصلی برای روش جوش لب‌به‌لب پلی‌اتیلن است. این استاندارد چند روش جوشکاری تایید‌شده (از جمله روش فشار پایین تک‌مرحله‌ای، دو‌مرحله‌ای و روش فشار بالا) را برای ضخامت‌های مختلف لوله تعیین کرده است. همچنین استاندارد DVS 2207-1 مربوط به انجمن جوشکاری آلمان به عنوان یکی از قدیمی‌ترین مراجع جوشکاری پلیمر، به‌طور گسترده در دنیا شناخته شده و روی روش جوش فشار پایین تاکید دارد که طبق تحلیل‌ها می‌تواند اتصالی با عمر بیش از 100 سال ایجاد کند. در آمریکای شمالی یک استاندارد مستقل به نام ASTM F2620 تدوین شده است که روش جوشکاری با فشار بالاتر و زمان خنک‌کاری کوتاه‌تر را مطرح می‌کند. علی‌رغم تفاوت‌های جزئی بین این استانداردها، هدف همگی حصول یک جوش همگن با استحکام برابر لوله است. بسیاری از کشورها استاندارد ملی خود را بر پایه ISO 21307 یا DVS آلمان تنظیم کرده‌اند.
در ایران نیز سازمان ملی استاندارد و دستگاه‌های متولی، استانداردها و دستورالعمل‌هایی را برای جوشکاری لوله‌های پلی‌اتیلن منتشر کرده‌اند. از جمله می‌توان به استاندارد ملی ایران به شماره ۱۸۶۴۸ اشاره کرد که به روش جوش لب‌به‌لب پلی‌اتیلن اختصاص دارد (تجدیدنظر سال ۱۴۰۱). این استاندارد الزامات عملیاتی و کیفی جوشکاری لب‌به‌لب را برای کاربردهای مختلف مشخص می‌کند. همچنین استانداردهای دیگری نظیر استاندارد ملی ۱۷۳۰۵ مربوط به آزمون‌های جوش اتصالات الکتروفیوژن (سنجش کیفیت جوش الکتروفیوژن) تدوین شده است که در کنار استاندارد جوش لب‌به‌لب، مجموعه کاملی از دستورالعمل‌ها را برای اتصالات پلی‌اتیلن فراهم می‌آورند. علاوه بر استانداردهای ملی، دستورالعمل‌های سازمان‌های صنعتی نیز حائز اهمیت‌اند. برای مثال، شرکت ملی گاز ایران و وزارت نیرو (در بخش آب) معمولاً دستورالعمل‌های فنی ویژه‌ای برای جوشکاری لوله‌های پلی‌اتیلن در پروژه‌های خود منتشر می‌کنند که جزئیات اجرایی را منطبق بر استانداردها ارائه می‌دهد. در سطح بین‌المللی نیز نهادهایی مانند انجمن لوله‌های پلاستیکی (PPI) و برخی سازمان‌های گازرسانی، رویه‌های استاندارد و راهنمایی برای آموزش جوشکاران ارائه کرده‌اند. به طور کلی رعایت استانداردهای معتبر نظیر ISO 21307 یا معادل ملی آن و استفاده از اپراتورهای دارای گواهی‌نامه جوشکاری پلی‌اتیلن، تضمین‌کننده کیفیت و دوام جوش‌های بات فیوژن در پروژه‌ها است.
مقایسه جوش بات فیوژن با سایر روش‌ها
روش بات فیوژن تنها یکی از روش‌های اتصال لوله‌های پلی‌اتیلن است. روش‌های رایج دیگر شامل الکتروفیوژن (اتصال به کمک کوپلرهای الکتریکی) و جوش سوکتی (یا بوشنی، برای اقطار کوچک) هستند. هر یک از این روش‌ها مزایا و محدودیت‌های خود را دارند. در ادامه، جدول مقایسه‌ای بین جوش بات فیوژن و این روش‌ها از نظر هزینه، استحکام، زمان اجرا و تجهیزات موردنیاز ارائه شده است. شایان ذکر است که انتخاب روش به شرایط پروژه (قطر لوله، محل نصب، امکانات موجود و …) بستگی دارد.
| معیار | جوش بات فیوژن (لب‌به‌لب) | جوش الکتروفیوژن | جوش سوکتی (بوشنی) |
|---|---|---|---|
| هزینه | سرمایه‌گذاری اولیه برای دستگاه نسبتاً بالا، اما بدون نیاز به کوپلر گران؛ در پروژه‌های بزرگ بسیار اقتصادی. | هزینه بالای کوپلرهای الکتروفیوژن در هر اتصال به‌علاوه دستگاه منبع تغذیه؛ برای پروژه‌های کوچک یا تعمیرات مقرون‌به‌صرفه‌تر است. | هزینه پایین تجهیزات (هیتر) و اتصالات بوشنی ارزان برای قطرهای کوچک؛ برای خطوط طولانی با اتصالات متعدد ممکن است زمان‌بر شود. |
| استحکام اتصال | بسیار بالا – استحکام جوش برابر با لوله (اتصال همگن و یکپارچه با لوله). | بالا – در صورت اجرای صحیح، استحکام نزدیک به لوله؛ وابسته به کیفیت کوپلر و صحت جوش (اتصال دارای قطعه واسط است). | قابل قبول – برای اقطار و فشارهای پایین مناسب؛ استحکامjoint نزدیک به لوله ولی معمولاً کمی کمتر از بات فیوژن (به‌دلیل وابستگی به قطعه بوشن). |
| زمان اجرا | متوسط – شامل زمان گرم‌کردن و خنک‌سازی هر جوش؛ برای اقطار بزرگ‌تر زمان کل بیشتر است. | نسبتاً کوتاه – مراحل آماده‌سازی کمتر (فقط تمیزکاری و قراردادن کوپلر)؛ مناسب برای فضاهای محدود که جابجایی لوله سخت است. | کوتاه برای هر اتصال – گرم‌کردن سوکت و لوله در چند ده ثانیه و اتصال سریع؛ اما هر جوش باید به‌صورت تک‌به‌تک انجام شود که در تعداد زیاد زمان جمع‌شده قابل توجه است. |
| تجهیزات موردنیاز | دستگاه جوش بات فیوژن (دستی/هیدرولیک) شامل صفحه حرارتی، گیره‌ها و رنده؛ منبع برق یا موتور برق برای دستگاه. | دستگاه کنترل الکتروفیوژن (منبع تغذیه برق) + کوپلرهای الکتروفیوژن مخصوص هر قطر؛ ابزار تراش لوله برای آماده‌سازی سطوح. | هیتر سوکتی (صفحات گرم‌کن نری و مادگی متناسب با قطر)؛ اتصالات مادگی (بوشن، زانو، سه‌راهی) متناسب با لوله؛ ابزار ساده‌ی نگهدارنده برای تراز کردن دستی. |
در مجموع، جوش بات فیوژن به دلیل ایجاد اتصالات بسیار مستحکم و هم‌جنس لوله، انتخاب اول برای خطوط اصلی با قطر بالا و پروژه‌های بلندمدت است؛ در حالی که جوش الکتروفیوژن برای مواردی مانند تعمیر خطوط موجود، فضاهای تنگ (مانند ترانشه‌های کم‌عرض) یا اتصال لوله‌های با ضخامت جداره متفاوت مزیت دارد. از سوی دیگر جوش سوکتی عمدتاً در سیستم‌های لوله‌کشی سایز کوچک (معمولاً زیر ۱۱۰ میلی‌متر) مانند لوله‌کشی ساختمان‌ها یا انشعابات فرعی به‌کار می‌رود که در آنها سرعت اجرا و سادگی تجهیزات بر مزایای استحکامی اولویت دارد. با در نظر گرفتن شرایط عملیاتی، الزامات پروژه و هزینه‌ها می‌توان مناسب‌ترین روش جوشکاری پلی‌اتیلن را انتخاب کرد تا هم اتصال مطمئن حاصل شود و هم اجرای کار بهینه باشد.