جوشکاری زیر آب

یک فرایند جوشکاری در فشار بالا و به طور معمول در زیر آب است.

جوشکاری پر فشار هم می‌تواند به صورت مرطوب در آب یا خشک د‌ر داخل یک محفظه ویژه با فشار مثبت انجام شود.

به همین دلیل عنوان جوشکاری پر فشار برای انجام فرایند در یک محیط خشک و عنوان جوشکاری زیر آب برای جوشکاری در یک محیط مرطوب استفاده می‌شوند.

جوشکاری زیر آب چندان عجیب نیست.

جوشکاری ماهیت قوس الکتریکی دارد و امکان روشن شدن آن زیر آب نیز وجود دارد.

برای جوشکاری در خشکی، هوا یوینزه می‌شود و در آب‌، بخار آب یونیزه می‌شود.

کاربردهای جوشکاری پر فشار متنوع هستند و معمولاً برای تعمیر کشتی‌ها‌، سکوهای نفتی دریایی و خطوط لوله انجام می‌شود.

فولاد شایع‌ترین ماده جوش داده شده است.

د‌ر هنگام نیاز به جوشکاری با کیفیت بالا جوشکاری پر فشار خشک نسبت به جوشکاری مرطوب زیر آب در اولویت استفاده است.

دلیل آن هم افزایش امکان اعمال کنترل بر شرایط همانند استفاده از عملیات حرارتی مورد نیاز قبل و بعد از جوشکاری است.

این کنترل بسیار بالاتری در مقایسه با جوشکاری مرطوب می‌شود.

بنابراین هنگامی که به جوش با کیفیت بسیار بالا مورد نیاز است معمولاً از جوشکاری پر فشار خشک استفاده می‌شود.

پروسه ي جوشکاري مرطوب در زير آب طي مراحل زير صورت مي پذيرد:

قطعه کاري که قرار است جوش داده شود به يک طرف مدار الکتريکي متصل بوده و الکترود فلزي در طرف ديگر مدار. اين دو قسمت از مدار (الکترود و قطعه کار) کمي به يکديگر نزديک شده ولي بعد از مدتي از يکديگر فاصله مي گيرند. در حين نزديک شدن الکترود به قطعه کار، جريان الکتريکي وارد شکاف شده و باعث ايجاد يک جرقه الکتريکي پايستار مي شود(قوس) و باعث ذوب شدن فلز در آن ناحيه و شکل گرفتن حوضچه جوش مي شود. در اين زمان، نوک الکترود ذوب شده و ذره هاي کوچک فلز در حوضچه مذاب جمع مي شود. در طول اين عمل جريان مذابي، نوک الکترود را پوشش داده و روکش الکترود گاز محافظ را ايجاد مي کند. که موجب استحکام بخشيدن به قوس شده و همان طور که گفته شد از جريان فلز مذاب محافظت مي کند. قوس در يک منطقه حفره مانند ذوب مي شود و جوش را پديدار مي سازد.

این نوع جوشکاری به دو روش انجام می‌شود.

اول اینکه جوشکار در محل جوش و در جای خشک می‌باشد و دوم اینکه فقط محل جوش و دستان جوشکار در تماس با آب نمی‌باشند.

در کل در این روش محل جوش در تماس مستقیم با آب قرار نمی‌گیرد.

در جوشکاری خشک منطقه جوشکاری باید توسط محفظه مناسب آب‌بندی شود.

به همین دلیل یک اتاقک در اطراف سازه‌ای که قرار است جوش داده شود قرار می‌گیرد.

این اتاقک با هوای فشرده و قابل تنفس پر شده و یک لوله رابط آن را به کشتی متصل می‌کند و وسایل مورد نیاز را برای آن می‌فرستد.

جریان مخالف

دمای پایین

وقتی ضخامت فلز از 5 میلی متر کمتر است.

وقتی قطعات خوب به هم فیت نیستند. یک شکاف (گپ) 3 میلی متر حداکثر فاصله مجاز برای جوشکاری مرطوب با استفاده از تکنیک self-consuming و با الکترود 3 است.

با افزایش عمق، کار سخت تر می شود چون فشار هیدرواستاتیک افزایش می یابد.

وقتی دید بسیار کم می شود و غواص درز جوش را خوب نمی بیند.

دستگاه جوشکاری DC 400 آمپر

سوییچ ایمنی 400 آمپر 250 ولت

کابل جوش

انبر اتصال

انبر تست آمپر

ولت متر DC

انبر نگهدارنده الکترود

برس سیمی

چکش گل زنی

سوهان

الکترود عایق

دستکش

ماسک

الکترودهای مورد مصرف در جوشکاری‌ زیر آبی از انواع اصلاح شده الکترودهای دستی معمولی هستند. سیستم کدگذاری خاصی برای این الکترودها وجود ندارد و اغلب آنها بر اساس نام تجاری شناخته شده و بر اساس قابلیت و سهولت استفاده برای جوشکاران کاربرد یافته‌اند. پرمصرف‌ترین این الکترودها، الکترودهای مورد مصرف برای فولادهای کربنی/ منگنزی هستند. خواص مکانیکی جوش زیر آبی به شدت به عمق جوشکاری وابسته بوده و با افزایش عمق محل جوشکاری، این خواص کاهش می‌یابند. با افزایش عمق، فشار افزایش می‌یابد. این امر باعث ورود اکسیژن ناشی از تجزیه آب و افزایش مقدار آن و در نتیجه کاهش منگنز و سیلیکون و افزایش کربن در حوضچه جوش و ایجاد تخلخل در جوش هنگام سرد شدن آن می‌شود. همچنین ممکن است مقدار هیدروژن افزایش یابد که نتیجه آن ازدیاد تخلخل و کاهش پایداری قوس است چرا که در عمق‌های زیاد به دلیل پتانسیل یونیزاسیون بالای هیدروژن، پایداری قوس کاهش می‌یابد.

یکی دیگر از مشکلات قابل توجه در جوشکاری زیرآبی احتمال ایجاد ترک‌های هیدروژنی در اثر حضور آب و رطوبت است که ریسک این پدیده نیز با افزایش عمق، افزایش می‌یابد. این موضوع در حالتی که از الکترودهای با روکش اسیدی استفاده می‌شود از حساسیت بیشتری برخوردار است چراکه قابلیت جذب رطوبت در این نوع پوشش بیشتر بوده و هیدروژن تجزیه شده از این رطوبت به راحتی جذب فلز جوش مذاب می‌شود. به همین دلیل در جوشکاری زیر آبی استفاده از الکترودهای نوع روتیلی ترجیح داده می‌شود.

روكش این الكترودها حاوی مواد مختلفی برای بهبود شرایط جوشكاری و خواص جوش است. به عنوان مثال فرومنگنز به منظور جذب اكسیژن و كاهش تخلخل و تیتانیوم و بور بدلیل تشكیل ساختار فریت سوزنی و بهبود خواص مكانیكی، به مواد پوشش الكترود افزوده میگردد. همچنین گاهی نیكل به منظور بهبود چقرمگی به مواد پوشش افزوده می‌شود.

جوشكاری زیرآبی فو‌لادهایی با استحكام با‌لاتر معمو‌لاً با استفاده از الكترودهای زنگ نزن آستنیتی انجام می‌گیرد تا احتمال ایجاد ترك هیدروژنی كاهش یابد. اما در این حالت باید احتیاط‌های ‌لازم صورت گیرد تا از ایجاد ترك در ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) پیشگیری شود.

در الكترودهای دستی معمولاً بدلیل كمتر بودن سرعت سوخت پوشش الكترود نسبت به ذوب مغزی آن، یك چاله در سر الكترود تشكیل می‌شود كه قوس، درون آن گودی كه از اطراف توسط فالكس پوشش احاطه شده، ایجاد می‌شود. این پدیده به حفاظت از ذرات مذاب جدا شده از الكترود و همچنین كنترل انتقال آنها كمك می‌كند. چاله سر الكترود در بحث جوشكاری زیر آبی بسیار حائز اهمیت است.

با استفاده از این تكنیك جوشكاران می‌توانند حتی درصورت عدم وجود دید كافی با وارد آوردن كمی فشار به الكترود، بدون نیاز به كنترل طول قوس، با یك نرخ تغذیه ثابت جوشكاری را انجام دهند. یكی از وظایف پوشش الكترود تولید اتمسفر محافظ در اطراف حوضچه جوش است. در جوشكاری زیر آبی نیز این پدیده وجود دارد و به دلیل وجود آب، از اهمیت بسیار با‌لاتری برخوردار است. یكی از تفاوت‌های قوس زیر آب با قوس در هوا ایجاد حباب‌های گاز در ناحیه قوس است. رفتار این حباب‌ها در جوشكاری زیر آبی از اهمیت با‌لایی برخوردار است. این حباب‌ها علاوه بر ناپایدار كردن قوس می‌توانند باعث تلاطم حوضچه جوش نیز شوند.

مهمترین تفاوت ظاهری الكترودهای دستی معمولی با الكترودهای جوشكاری زیر آبی، پوشش ضد آب الكترودهای زیر آبی است. الكترودهای مورد مصرف در جوشكاری قوسی زیر آبی توسط یك موم یا پلاستیك ضد آب پوشش داده می‌شوند تا فلاكس روكش الكترود را تا زمان مصرف از تماس با آب محافظت كرده و یا حداقل نفوذ رطوبت را محدود سازد.

• مزاياي جوشکاري خشک

۱) ايمني غواص – جوشکاري در يک اتاقک صورت گرفته که موجب مصون ماندن جوشکار از جريانات اقيانوسي و يا احتمالاً موجودات دريايي مي شود. اين جايگاه خشک و گرم از روشنايي مطلوبي برخوردار بوده و از سيستم کنترل محيط خاصي نيز بهره مي گيرد(ESC)۶ .

۲) کيفيت خوب جوش – اين روش توانايي ايجاد جوش هايي را دارد که حتي مي توان آن را با جوش هاي موجد در فضاي باز و در مجاورت هوا مقايسه کرد. دليل اين امر اينست که ديگر آبي وجود ندارد که بخواهد جوش را خاموش و يا قطع کند. و نيز اينکه ميزان هيدروژن (H۲) توليدي آن خيلي کمتر از جوشکاري هاي مرطوب است.

۳) کنترل سطح– آماده سازي اتصال، هم ترازي لوله، بررسي آزمايش ضد مخرب (NDT)(۷) و غيره به صورت عيني کنترل و تنظيم مي شوند.

۴) آزمون غير مخرب ( NDT) – آزمون غير مخرب براي محيط خشک جايگاه تسهيل شده است.

اينکه عيب و کاستيِ ناشناخته اي پديدار شود، وجود دارد.

● معايب جوشکاري خشک

۱) اتاقک يا جايگاه جوشکاري تجهيزات پيچيده و خدمات پشتيباني زيادي را مستلزم مي داند و خود اتاقک به طرز غير متعارفي پيچيده است.

۲) هزينه و ارزش مالي اين اتاقک به صورت قابل ملاحظه اي بالا بوده و بسته به عمق محل کار هزينه آن افزايش مي يابد. عمق محل جوشکاري در کار تاثير مي گذارد، طوري که در اعماق بيشتر جمع کردن قوس و استفاده از ولتاژ هاي بالتر و متناسب با آن لازم و ضروري مي باشد. انجام يک کار جوشکاري بدين شکل هزينه اي بالغ بر ۸۰۰۰۰ دلار دارد. و نيز گاهي اوقات نمي توان از يک اتاقک براي چند کار مختلف استفاده کرد، که البته اين مشکل بستگي به نوع کارها و ميزان تفاوت آنها دارد.

● مزاياي جوشکاري مرطوب

جوشکاري مرطوب که در زير آب به صورت دستي صورت مي گيرد، در مرمت و بازسازي سازه هاي فراساحلي در سالهاي اخير به سرعت در حال رشد و گسترش است.

از جمله فوايد جوشکاري مرطوب مي توان به موارد زير اشاره کرد:

۱) چند کاره بودن و داشتن هزينه کمتر در جوشکاري مرطوب باعث شده که ميل و اشتياق بيشتري به اين روش وجود داشته باشد.

۲) برخورداري از سرعت مناسب در هنگام اجراي طرح از ديگر مزاياي اين روش است.

۳) در مقايسه با جوشکاري خشک هزينه کمتري دارد.

۴) در اين روش جوشکار مي تواند به قسمت هايي از سازه هاي فرا ساحلي دسترسي داشته باشد که با استفاده از روش هاي ديگر قابل جوشکاري نيست.

۵) احتياج به هيچ نوع محصور سازي نبوده و بنابراين زماني نيز براي آن تلف نخواهد شد. تجهيزات و دستگاههاي استاندارد مرسوم به آساني قابل استفاده است . به وسايل زيادي هم براي انجام يک کار جوشکاري مورد نياز نيست.

● معايب جوشکاري مرطوب

اگر چه جوشکاري مرطوب کاربرد گسترده اي پيدا کرده است ولي همچنان از وجود نواقصي رنج مي برد، از آن جمله مي توان به موارد زير اشاره کرد:

۱) آبديدگي سريع فلز جوشکاري– دليل اين آبديدگي آبي است که در اطراف آن وجود دارد. اگرچه آبديدگي نيروي تنش پذيري را در جوشکاري افزايش مي دهد ولي ميزان کش پذيري و موثر بودن جوش را کاهش داده، سختي و روزن داري آن را بالا مي برد.

۲) توليد زياد هيدروژن- حجم بسيار زيادي از هيدروژن در منطقه جوشکاري ايجاد مي شود که بر اثر تفکيک بخار آب در منطقه قوس به وجود آمده است.H۲ موجود در محيط تحت تاثير گرما (HAZ)(۸) در فلز جوشکاري حل مي شود که باعث ايجاد ترک خوردگي و شکاف هاي ميکروسکوپيک مي شود.

۳) از ديگر معايب آن ديد پذيري کم است. گاهي اوقات جوشکار نمي تواند به درستي منطقه مورد نظر را جوش دهد.

فرآیندهای قوسی در آب دریا نسبت به آب شیرین، قوس نرمتر و پایدارتری دارند که به علت وجود یون‌های پایدار کننده قوس در آب دریا می‌باشد.

این یون‌ها از تجزیه نمک‌ها در قوس حاصل می‌شود.

عمق آب یا فشار نیز اثر قابل توجهی دارد.

افزایش فشار باعث می‌شود که قوس متمرکز شده و دمای هسته قوس افزایش یابد.

در نتیجه میزان نفوذ و هم چنین سرعت انتقال حرارت به اطراف بالا می‌رود.

با توجه به این شرایط شدت جریان در مقایسه با جوشکاری در هوا حدود ۲۰ الی ۲۵ درصد بیشتر در نظر گرفته می‌شود.

هم چنین به خاطر افت قابل توجه ولتاژ به خاطر طولانی بودن کابل‌ها، توان بیشتری در دستگاه‌ها و تجهیزات در نظر گرفته می‌شود.

به خاطر تمرکز حرارتی در قوس مقداری از آب‌های اطراف قوس تجزیه شده و حباب‌های پایدار در اطراف قوس ایجاد می‌پکنند.

این حباب‌ها اثرات متفاوتی بر جوش دارند، از جمله می‌توانند به عنوان گاز محافظ برای قوس عمل کنند.

از طرفی، گاز موجود در حباب‌ها منبع اصلی تخلخل در جوش نیز می‌باشد.

به خاطر دمای بالای قوس، مقداری از هیدروژن موجود به صورت اتمی در می‌آید.

این هیدروژن پس از جذب ممکن است باعث ایجاد ترک سرد هیدروژنی در جوش یا منطقه کنار جوش شود.

به منظور بررسی دقیق‌تر تاثیر آب بر فرآیندهای جوشکاری بد نیست مقایسه بین جوشکاری زیر آب با جوشکاری در هوا انجام شود:

• سرعت جوشکاری در این دو حالت فرق چندانی با هم ندارد.
• در هر دو محیط، شدت جریان را می‌توان مهم‌ترین متغیر موثر بر نفوذ در نظر گرفت.

محیط جوشکاری و اندازه الکترود اثر کمرنگ‌تری دارند.

• نفوذ ناقص و بریدگی کنار جوش جزء رایج‌ترین عیوب حاصل هستند.
• ابعاد جوش در دو حالت فرق چندانی با هم ندارد.

شکل کلی جوش نیز از این اصل پیروی می‌کند.

بنابراین اثرات بحرانی آب در این مورد کمرنگ جلوه می‌کند.

• در ولتاژ ثابت، جوشکاری زیر آب نیاز به شدت جریان بیشتری دارد.
• در جوشکاری زیر آب درصد مواد موجود در مخلوط گازی اطراف قوس (حباب‌هایی تشکیل شده) در حال تغییر است.

دلیل آن گرمای حاصل از قوس و تبخیر آب و نیز خارج شدن حباب‌های بخار و گاز از آب است.

که فرکانس خروجی آنها حدودا ۱۵ حباب در ثانیه است.

• در جوشکاری زیر آب فشار در مخلوط گازی با فشار اطراف خود برابر است، یعنی با افزایش عمق این فشار هم زیاد می‌شود.
• با توجه به این که هدایت حرارتی در آب ۲۵ برابر و ظرفیت گرمایی ویژه آب نیز ۳۵۰۰ برابر هوا است.

جوش و منطقه تحت تاثیرش در محیط آب به سرعت سرد می‌شوند.

نکته مهم حرکت دائمی حباب‌های گاز و بخار آب به سمت بالا و تاثیر این پدیده بر تعادل قوس است.

الکترود‌های بدون پوشش و سیم جوش‌های معمولی به هیچ وجه در زیر آب کارآیی ندارند.

برای بالا نگهداشتن کیفیت جوش باید مواردی چون جرقه زدن، برقراری قوس الکتریکی، تعادل در قوس و آرام بودن پیشرفت مذاب در جوش را تضمین کرد.

در مورد گاز هیدروژن نیز باید گفت که درصد آن در مخلوط حباب‌های گاز – بخار آب که از سوختن الکترود به وجود می‌آید، ۷۰ درصد است.

از نظر قطب‌ها هم، در قطب مثبت یون‌های منفی کلر و در قطب منفی یون‌های مثبت نظیر H+ و Na+ مشاهده می‌گردند.

به دلیل بالاتر بودن سرعت سرد شدن جوش در آب نسبت به هوا، جنس فلز جوش باید حساسیت کمتری نسبت به حفره انقباضی و سخت شدن در اثر سریع سرد شدن داشته باشد.

در فولادهای فریتی استحکام کششی خط جوش به دلیل سختی زیاد بالاتر از استحکام کششی قطعه اصلی است.

ولی به دلیل نفوذ هیدروژن، چکش خواری خیلی پایینتر است.

طبق روابط تجربی استحکام کششی خط جوش زیر آب باید حدود ۸۰ درصد مقاومت در هوا و تغییر طول نسبی آن نیز ۵۰ درصد فلز جوش در هوا باشد.

جوشکاری زیر آب

جوشکاري قوس فلزي دستي مرطوب همچنان براي نوسازي و احياء سازه هاي زير آبي مورد استفاده قرار مي گيرد اما کيفيت آن کافي نبوده و مستعد شکست هيدروژني مي باشداز اين رو جوشکاري هاي بيش فشار خشک کيفيت بهتري نسبت بهجوشکاري هاي مرطوب دارند.امروزه گرايش و رويه ميل به سوي اتوماسيون دارد.THOR-۱ ۱۲ يا ربات تحت کنترل مدارِ بيش فشار که از گاز بي اثر تنگستن استفاده مي کند، توسعه بخشيده شد تا در جاهايي که غواص عمليات لوله کشي و نصب خط لوله را انجام مي دهد، بقيه پروسه کار را بر عهده گيرد.