جوشکاری زیر آب

جوشکاری زیر آب از زمان جنگ جهانی دوم هنگامی که کشتی‌های خسارت دیده باید سریعاً در آب تعمیر می‌شدند به وجود آمد. بیرون آوردن کشتی برای تعمیر کردن آن، هم اکنون هم بسیار هزینه بر است و صرفه اقتصادی ندارد.

بسیاری از مردم جوشکاری زیر آب را بسیار عجیب می‌دانند، چون ماهیت جوشکاری را از آتش می‌دانند.

ولی جوشکاری ماهیت قوس الکتریکی دارد و روشن شدن آن زیر آب کار عجیبی نیست. برای جوشکاری در خشکی، هوا یونیده می‌شود و در آب، بخار آب یونیزه می‌شود.

 

انواع جوشکاری زیر آب

دو روش متدوال برای جوشکاری زیر آب عبارتند از:

1. جوشکاری خشک

2. جوشکاری مرطوب.

آثار منفی جوشکاری مرطوب عبارت‌اند از ترک خوردگی هیدروژنی، افت شدید دما که باعث تغییرات ساختاری و متالورژیکی می‌شود و همچنین اکسیژن با عناصر آلیاژی ترکیب می‌شود و اکسید این آلیاژها در آب حل می‌شوند. جوشکاری خشک در یک اتاقک در داخل آب انجام می‌گیرد و داخل اتاقک هوای فشرده وجود دارد که فشار داخل و خارج اتاقک را بالانس می‌کند. اتاقک‌ها را دو تکه می‌سازند و داخل آب، و روی قطعه مورد نظر دو تکه را به هم وصل می‌کنند. یک لوله رابط بین کشتی و اتاقک است و وسایل مورد نیاز را به وسیله این لوله به اتاقک می‌فرستند. این روش برای اولین بار در آمریکا انجام گرفت اما چون بسیار پرهزینه و وقت گیر است دانشمندان سعی می‌کنند مشکلات جوشکاری مرطوب را حل کنند چون سریعتر و ارزانتر است. وسایل ایمنی همان وسایل ایمنی جوشکاری روی خشکی است بعلاوه تجهیزات غواصی.

جوشکاری زیر آب با صنعت نفت و گاز گره خورده‌ است.

خطرات این نوع جوشکاری زیر اب^[۱]

برای غواص یا جوشکار خطر شوک الکتریکی وجود خواهد داشت. اقدامات احتیاطی که انجام شده‌اند عبارتند از عایق بندی مناسب و در حد کافی تجهیزات جوشکاری، بسته شدن منبع الکتریسیته درست زمانی که قوس به پایان می‌رسد و نیز محدود کردن ولتاژ جوشکاری قوس فلزی دستی در مدار باز دستگاه جوشکاری، خطر دیگر تولید شدن هیدروژن و اکسیژن در جوشکاری مرطوب توسط قوس است.

 

منظور از جوشکاری مرطوب، جوشکاری زیر آب و در تماس مستقیم با رطوبت است.

انجام جوشکاری به این روش توسط نوعی الکترود مخصوص انجام می‌شود.

روند کار به صورت دستی و مانند جوشکاری بیرون از آب است.

جوشکار در انجام این جوشکاری آزادی عمل بالایی دارد.

به همین دلیل جوشکاری مرطوب یک جوشکاری کارآمد است که از نظر اقتصادی مقرون بصرفه می‌باشد.

منبع تغذیه این جوشکاری بر روی سطح قرار می‌گیرد و با استفاده از کابل‌های مخصوص به جوشکار متصل می‌شود.

پروسه‌ی جوشکاری مرطوب در زیر آب طی مراحل زیر صورت می‌پذیرد:

قطعه کاری که قرار است جوش داده شود به یک طرف مدار الکتریکی متصل بوده و الکترود فلزی در طرف دیگر مدار.

این دوقسمت از مدار (الکترود و قطعه کار) کمی به یکدیگر نزدیک شده ولی بعد از مدتی از یکدیگر فاصله می‌گیرند.

در حین نزدیک شدن الکترود به قطعه کار، جریان الکتریکی وارد شکاف شده و باعث ایجاد یک جرقه الکتریکی پایستار می‌شود.

(قوس)‌‌ باعث ذوب شدن فلز در آن ناحیه و شکل گرفتن حوضچه جوش می‌شود.

در این زمان، نوک الکترود ذوب شده و ذره‌های کوچک فلز در حوضچه مذاب جمع می‌شود.

در طول این عمل، جریان مذابی، نوک الکترود را پوشش داده و روکش الکترود گاز محافظ را ایجاد می‌‌کند.

که موجب استحکام بخشیدن به قوس شده ‌و از جریان فلز مذاب محافظت می‌کند.

قوس در یک منطقه حفره مانند ذوب می‌شود و جوش را پدیدار می‌سازد.

• چند کاره بودن و داشتن هزینه کمتر در جوشکاری مرطوب باعث شده که میل و اشتیاق بیشتری به این روش وجود داشته باشد.
• برخورداری از سرعت مناسب در هنگام اجرای طرح از دیگر مزایای این روش است.
• در مقایسه با جوشکاری خشک هزینه کمتری دارد.
• در این روش جوشکار می‌تواند به قسمت‌هایی از سازه‌های فرا ساحلی دسترسی داشته باشد که با استفاده از روش‌های دیگر قابل جوشکاری نیست.
• احتیاج به هیچ نوع محصورسازی نبوده و بنابراین زمانی نیز برای آن تلف نخواهد شد.
• تجهیزات و دستگاه‌های استاندارد مرسوم به آسانی قابل استفاده است‌.
• به وسایل زیادی هم برای انجام جوشکاری مورد نیاز نیست.

در جوشکاری مرطوب, فلز جوشکاری به سرعت آبدیده می‌شود.

هر چند این آبدیدگی نیروی تنش‌پذیری را افزایش می‌دهد اما از میزان کش‌پذیری جوش کاسته و آن را سخت می‌کند.

حجم بالای هیدروژن تولید شده در محل جوشکاری منجر به تفکیک بخار آب شده و در نتیجه قوس ایجاد می‌کند.

علاوه بر آن این هیدروژن تولید شده به علت گرما در فلز جوشکاری حل می‌گردد و شکاف‌های ریز و ترک خوردگی حاصل می‌شود.

دیدپذیری کم در جوشکاری زیر آب باعث می‌شود جوشکار نتواند منطقه مورد نظر را جوشکاری کند.

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.

• ایمنی غواص
• جوشکاری در یک اتاقک صورت گرفته که موجب مصون ماندن جوشکار از جریانات می‌شود.
• کیفیت خوب جوش
• ‌این روش توانایی ایجاد جوش‌هایی را دارد که حتی می‌توان آن را با جوش‌های موجود در فضای باز و در مجاورت هوا مقایسه کرد.

دلیل این امر این است که دیگر آبی وجود ندارد که بخواهد جوش را خاموش یا قطع کند.

نیز اینکه میزان هیدروژن تولیدی آن خیلی کمتر از جوشکاری‌های مرطوب است.

• کنترل سطح آماده‌سازی اتصال، هم ترازی لوله، بررسی آزمایش ضد مخرب و غیره به صورت عینی کنترل و تنظیم می‌شوند.
• آزمون غیر مخرب (NDT) آزمون غیرمخرب برای محیط خشک جایگاه تسهیل شده است.

• اتاقک یا جایگاه جوشکاری تجهیزات پیچیده و خدمات پشتیبانی زیادی را مستلزم می‌داند و خود اتاقک به طرز غیر متعارفی پیچیده است.
• هزینه و ارزش مالی این اتاقک به صورت قابل ملاحظه‌ای بالا بوده و بسته به عمق محل کار هزینه آن افزایش می‌یابد.
• عمق محل جوشکاری در کار تاثیر می‌گذارد، طوری که در اعماق بیشتر جمع کردن قوس و استفاده از ولتاژ‌های بالتر و متناسب با آن لازم و ضروری می‌باشد.

انجام یک کار جوشکاری بدین شکل هزینه‌ای بالغ بر ۸۰۰۰۰ دلار دارد.

نیز گاهی اوقات نمی‌توان از یک اتاقک برای چند کار مختلف استفاده کرد، که البته این مشکل بستگی به نوع کارها و میزان تفاوت آنها دارد.

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.

الکترودهای مورد مصرف در جوشکاری‌ زیر آب 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 زیرآب احتمال ایجاد ترک‌های هیدروژنی در اثر حضور آب و رطوبت است.

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 آب استفاده از الکترودهای نوع روتیلی ترجیح داده می‌شود.

روکش این الکترودها حاوی مواد مختلفی برای بهبود شرایط جوشکاری و خواص جوش است.

به عنوان مثال فرومنگنز به منظور جذب اکسیژن و کاهش تخلخل و تیتانیوم و بور بدلیل تشکیل ساختار فریت سوزنی و بهبود خواص مکانیکی، به مواد پوشش الکترود افزوده می‌گردد.

همچنین گاهی نیکل به منظور بهبود چقرمگی به مواد پوشش افزوده می‌شود.

در جوشکاری زیرآب فو‌لادهایی با استحکام با‌لاتر معمو‌لاً با استفاده از الکترودهای زنگ نزن آستنیتی انجام می‌گیرد تا احتمال ایجاد ترک هیدروژنی کاهش یابد.

اما در این حالت باید احتیاط‌های ‌لازم صورت گیرد تا از ایجاد ترک در ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) پیشگیری شود.

در الکترودهای دستی معمولاً بدلیل کمتر بودن سرعت سوخت پوشش الکترود نسبت به ذوب مغزی آن، یک چاله در سر الکترود تشکیل می‌شود که قوس، درون آن گودی که از اطراف توسط فالکس پوشش احاطه شده، ایجاد می‌شود.

این پدیده به حفاظت از ذرات مذاب جدا شده از الکترود و همچنین کنترل انتقال آنها کمک می‌کند.

چاله سر الکترود در بحث جوشکاری زیر آب بسیار حائز اهمیت است.

با استفاده از این تکنیک جوشکاران می‌توانند حتی درصورت عدم وجود دید کافی با وارد آوردن کمی فشار به الکترود، بدون نیاز به کنترل طول قوس، با یک نرخ تغذیه ثابت جوشکاری را انجام دهند.

یکی از وظایف پوشش الکترود تولید اتمسفر محافظ در اطراف حوضچه جوش است.

در جوشکاری زیر آب نیز این پدیده وجود دارد و به دلیل وجود آب، از اهمیت بسیار با‌لاتری برخوردار است.

یکی از تفاوت‌های قوس زیر آب با قوس در هوا ایجاد حباب‌های گاز در ناحیه قوس است.

رفتار این حباب‌ها در جوشکاری زیر آب از اهمیت با‌لایی برخوردار است.

این حباب‌ها علاوه بر ناپایدار کردن قوس می‌توانند باعث تلاطم حوضچه جوش نیز شوند.

مهم‌ترین تفاوت ظاهری الکترودهای دستی معمولی با الکترودهای جوشکاری زیر آب، پوشش ضد آب الکترودهای زیر آبی است.

الکترودهای مورد مصرف در جوشکاری قوسی زیر آبی توسط یک موم یا پلاستیک ضد آب پوشش داده می‌شوند.

تا فلاکس روکش الکترود را تا زمان مصرف از تماس با آب محافظت کرده و یا حداقل نفوذ رطوبت را محدود سازد.

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 از نظر محیط اطراف جوش به دو دسته جوشکاری مرطوب و جوشکاری خشک تقسیم می گردد.

عمده تحقیقات در مورد این دو روش از سال ۱۹۶۰ میلادی صورت گرفته است.

مهم‌ترین فرآیندهای جوشکاری که در حالت مرطوب مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از:

• جوشکاری قوسی با الکترود دستی
• جوشکاری قوسی با گاز محافظ
• جوشکاری اصطکاکی
• جوشکاری قوس پلاسما
• جوشکاری زائده‌ای
• جوشکاری انفجاری
• جوشکاری قوس با الکترود توپودری (FCAW)
• جوشکاری ترمیت

• جوشکاری تحت فشاری معادل فشار هیدرواستاتیک آب
• جوشکاری تحت فشار اتمسفری
•  

در این روش ممکن است جوشکار در معرض شوک‌های الکتریکی مختلفی قرار گیرد.

به همین دلیل تجهیزات جوشکاری باید ضدآب و عایق‌بندی شده باشند.

همچنین ارتباط مناسبی می‌بایست میان جوشکار و همیار خارج از آب او، به منظور پایش جریان جوشکاری وجود داشته باشد.

یک جوشکار زیر آب باید مهارت‌های غواصی را به طور کامل آموزش دیده و آگاهی کافی از مشکلاتی که می‌تواند در ارتباط با تنفس گازهای سمی برای جوشکار غواص به وجود آید، داشته باشد.

 

این مشکل زمانی ایجاد می‌شود که غلظت گازهای محلول بی اثر در داخل بدن، از شرایط تعادل بیشتر شده و تمایل به خروج از بدن به شکل حباب داشه باشند.

یکی از مشکلاتی که جوشکاران غواص آب‌های عمیق با آن مواجه هستند، فرایند فشارزدایی (Decompression) است.

عدم اجرای صحیح این فرایند می‌تواند منجر به مرگ غواص شود.

از این رو مراحل فشار زدایی می‌بایست با استفاده از عمق سنج و یا رایانه به دقت مورد پایش قرار گیرد.

 

به طور کلی فناوری جوشکاری زیر آب برای ساخت و تعمیرات سازه‌های دریایی که امکان انتقال آنها به خشکی و بیرون از دریا وجود ندارد به عنوان یکی از مناسب‌ترین و ایده‌آل‌ترین فرایندهای جوشکاری به حساب می‌آید.

 

از جمله موارد استفاده از این روش عبارت است:

• تعمیر بخش‌های زیرآب مانند کشتی‌ها، اسکله‌ها و پایه‌های سازه‌های دریایی
• نصب سکوهای حفاری نفت
• سکوهای استخراج
• نصب و تعمیرات خطوط لوله زیرآب
• تعمیر بدنه کشتی‌ها
• اجرای سازه‌های سنگین مانند خطوط انتقال نفت و گاز