جوشکاری زیر آب
در کارهای تولیدی که در زیر آب انجام می‌پذیرد، جوشکاری زیر آبی یک ابزار مهم و کلیدی به شمار می‌آید. سازه های فرا ساحلی از قبیل دکل‌های حفاری چاه‌های نفت، خطوط لوله و سکوهای ویژه‌ای که در آب‌ها احداث می‌شوند، در سال‌های اخیر به طرز چشمگیری در حال افزایش‌اند. بعضی از این سازه‌ها نواقصی را در عناصر تشکیل دهنده یا حوادث غیر مترقبه از قبیل طوفان تجربه خواهند کرد. در این میان هر گونه روش بازسازی و مرمت در این سازه‌ها مستلزم استفاده از جوشکاری زیر آبی است. جوشکاری زیر آب با صنعت نفت و گاز گره خورده‌است.
به دلیل دمای بسیار بالای ایجاد شده و همچنین فرآیند الکترولیز آب در جوشکاری و برشکاری زیر آب با برق، هیدروژن و اکسیژن آب از حالت مایع به حالت گاز تبدیل میشود.
چنانچه قبل از انجام عملیات برش و جوش تمهیداتی برای جلوگیری از افزایش این گازها صورت نپذیرد، با تجمع این گازها و قرار گرفتن در معرض دمای حاصل از عملیات برش یا جوش قطعاً غواص دچار صدمات ناشی از انفجار خواهد شد و بسته به میزان گاز جمع شده و فاصله غواص از محل تجمع گاز این صدمات می‌تواند از پاره شدن پرده گوش تا صدمات جدیتر و حتی مرگ غواص را در پی داشته باشد.
انواع جوشکاری زیر آب
جوشکاری زیر آب از نظر محیط اطراف جوش به دو دسته جوشکاری در حالت مرطوب و جوشکاری در حالت خشک تقسیم میشود. مهمترین فرآیندهای جوشکاری که در حالت مرطوب مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل 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) و جوشکاری ترمیت است.
جوشکاری مرطوب
نام جوشکاری مرطوب حاکی از آن است که جوشکاری که در زیر آب صورت می‌پذیرد، مستقیم در معرض محیط مرطوب قرار دارد. در این روش از جوشکاری، از نوعی الکترود ویژه استفاده میشود و جوشکاری به صورت دستی، درست همانند جوشکاری فضای بیرون آب انجام میشود. روش جوشکاری زیر آب مرطوب معمولاً نوعی از روش جوشکاری قوسی با الکترود فلزی و گاز نجیب یا SMAW است که از الکترودهای ضد آب استفاده میکند. فرایندهای جوشکاری دیگری که ممکن است استفاده شوند شامل جوشکاری قوسی با الکترود پوشش‌دار و جوشکاری اصطکاکی است. در هر یک از موارد، منبع تغذیه جوشکاری به وسیله کابل و شیلنگ به تجهیزات جوشکاری متصل است. این فرایند به دلیل ترک خوردگی ناشی از هیدروژن به ویژه در عمق بیشتر ، محدود به فولادهای کم کربن است.
آزادی عملی که جوشکار هنگام جوشکاری از این روش دارد، جوشکاری مرطوب را مؤثرتر و مقرون به صرفه کرده است. منبع تغذیه جوشکاری، روی سطح مستقر شده و توسط کابل‌ها و شیلنگ‌ها به غواص یا جوشکار متصل میشود.
در این روش از جریان مستقیم همراه الکترود منفی و نیز از نگهدارنده الکترود ویژه‌ای که در برابر آب عایق هستند استفاده میشود. نگهدارنده‌های الکترود جوشکاری که در زیر آب به کار گرفته می‌شوند از یک سر خمیده برای گرفتن الکترود و نگه داشتن آن در خود بهره می‌برند و ظرفیت پذیرش دو نوع الکترود را دارند.
مزايای جوشكاری مرطوب
- چند كاره بودن و داشتن هزينه كمتر در جوشكاری مرطوب باعث شده كه ميل و اشتياق بيشتری به اين روش وجود داشته باشد.
- برخورداری از سرعت مناسب در هنگام اجرای طرح از ديگر مزايای اين روش است.
- در مقايسه با جوشكاری خشك هزينه كمتری دارد.
- در اين روش جوشكار می‌تواند به قسمت‌هايی از سازه‌های فرا ساحلی دسترسی داشته باشد كه با استفاده از روش‌های ديگر قابل جوشكاری نيست.
- احتياج به هيچ نوع محصور سازی نبوده و بنابراين زمانی نيز برای آن تلف نخواهد شد.
- تجهيزات و دستگاه‌های استاندارد مرسوم به آسانی قابل استفاده است.
- به وسايل زيادی هم برای انجام جوشكاری مورد نياز نيست.
معایب جوشکاری مرطوب
اگر چه جوشكاری مرطوب كاربرد گسترده‌ای پيدا كرده ولی همچنان از وجود نواقصی رنج می‌برد. از آن جمله میتوان به موارد زير اشاره كرد.
- آبديدگی سريع فلز جوشكاری: دليل اين آبديدگی آبی است كه در اطراف آن وجود دارد. اگرچه آبديدگی نيروی تنش پذيری را در جوشكاری افزايش می‌دهد ولی ميزان كش پذيری و موثر بودن جوش را كاهش داده، سختی آن را بالا می‌برد.
- توليد زياد هيدروژن: حجم بسيار زيادی از هيدروژن در منطقه جوشكاری ايجاد میشود كه بر اثر تفكيك بخار آب در منطقه قوس به وجود آمده است. هیدروژن موجود در محيط تحت تاثير گرما در فلز جوشكاری حل میشود كه باعث ايجاد ترك خوردگی و شكاف‌های ميكروسكوپيك میشود.
- آثار منفی جوشکاری مرطوب شامل ترک خوردگی هیدروژنی: افت شدید دما که باعث تغییرات ساختاری و متالورژیکی است. اکسیژن با عناصر آلیاژی ترکیب میشود و اکسید این آلیاژها در آب حل می‌شوند.
- از ديگر معايب آن ديد‌پذيری كم است. گاهی اوقات جوشكار نمی‌تواند به درستی منطقه مورد نظر را جوش دهد.
نحوه عملكرد جوشكاری مرطوب
پروسه‌ی جوشكاری مرطوب در زير آب طی مراحل زير صورت می‌پذيرد.
قطعه كاری كه قرار است جوش داده شود به يك طرف مدار الكتريكی متصل بوده و الكترود فلزی در طرف ديگر مدار. اين دوقسمت از مدار (الكترود و قطعه كار) كمی به يكديگر نزديك شده ولی بعد از مدتی از يكديگر فاصله می‌گيرند. در حين نزديك شدن الكترود به قطعه كار، جريان الكتريكی وارد شكاف شده و باعث ايجاد يك جرقه الكتريكی پايستار میشود. (قوس) باعث ذوب شدن فلز در آن ناحيه و شكل گرفتن حوضچه جوش میشود. در اين زمان، نوك الكترود ذوب شده و ذره‌های كوچك فلز در حوضچه مذاب جمع میشود. در طول اين عمل، جريان مذابی، نوك الكترود را پوشش داده و روكش الكترود گاز محافظ را ايجاد میكند. كه موجب استحكام بخشيدن به قوس شده و از جريان فلز مذاب محافظت میكند. قوس در يك منطقه حفره مانند ذوب میشود و جوش را پديدار می‌سازد.
جوشکاری خشک
فرآیندهای جوشکاری خشک نیز به دو گروه عمده جوشکاری تحت فشاری معادل فشار هیدرواستاتیک آب و جوشکاری تحت فشار اتمسفری تقسیم می‌شوند. محل جوشکاری بايد با محفظه مناسبی آب بند شود. 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.
در نوعی از جوشکاری زیر آب که به جوشکاری با منطقه جزئی خشک شده معروف است. حالتی بین خشک و تر وجود دارد. در این روش قسمتی از سیستم شامل قوس و قسمت‌هایی از قطعه کار به وسیله محفظه کوچکی از گاز پر شده و از آب جدا می‌شوند. ولی جوشکار در آب می‌ماند و راه‌هایی برای دسترسی به قسمت مورد نیاز در محفظه تعبیه میشود. در این روش حتی قسمت پشت قطعه کار ممکن است در تماس با آب باشد.
زمانی جوشکاری زیر آب خشک به جوشکاری مرطوب ترجیح داده میشود که نیاز به کیفیت بالای جوش باشد زیرا میتوان کنترل بیشتری بر روی شرایط مانند پرداخت حرارتی قبل و بعد از جوشکاری اعمال کرد. کنترل شرایط محیطی منجر به بهبود کارایی فرایند و بالا رفتن کیفیت جوش نسبت به جوشکاری مرطوب میشود.
کاهش کیفیت مربوط به تغیییرات رفتار فیزیکی قوس الکتریکی در زمانی است که رژیم جریان گاز در اطراف قوس تغییر میکند و ریشه قوس انقباض می یابد و متحرک تر میشود. افزایش چشمگیر در ولتاژ قوس الکتریکی همراه با افزایش فشار است. در کل در صورت افزایش فشار قابلیت و کارایی جوشکاری کاهش می یابد.
مزايای جوشكاری خشك
- ايمنی غواص
- جوشكاری در يك اتاقك صورت گرفته كه موجب مصون ماندن جوشكار از جريانات میشود.
- كيفيت خوب جوش
- اين روش توانايی ايجاد جوش‌هايی را دارد كه حتی میتوان آن را با جوش‌های موجود در فضای باز و در مجاورت هوا مقايسه كرد. دليل اين امر اين است كه ديگر آبی وجود ندارد كه بخواهد جوش را خاموش يا قطع كند. و نيز اينكه ميزان هيدروژن توليدی آن خيلی كمتر از جوشكاری‌های مرطوب است.
- كنترل سطح آماده سازی اتصال، هم ترازی لوله، بررسی آزمايش ضد مخرب و غيره به صورت عينی كنترل و تنظيم می‌شوند.
- آزمون غير مخرب (NDT) آزمون غير مخرب برای محيط خشك جايگاه تسهيل شده است.
معايب جوشكاری خشك
- اتاقك يا جايگاه جوشكاری تجهيزات پيچيده و خدمات پشتيبانی زيادی را مستلزم می‌داند و خود اتاقك به طرز غير متعارفی پيچيده است.
- هزينه و ارزش مالی اين اتاقك به صورت قابل ملاحظه‌ای بالا بوده و بسته به عمق محل كار هزينه آن افزايش می‌يابد.
- عمق محل جوشكاری در كار تاثير می‌گذارد، طوری كه در اعماق بيشتر جمع كردن قوس و استفاده از ولتاژ‌های بالاتر و متناسب با آن الزام و ضروری است.
- گاهی اوقات نمی‌توان از يك اتاقك برای چند كار مختلف استفاده كرد، اين مشكل بستگی به نوع كارها و ميزان تفاوت آنها دارد.
جوشکاری پر فشار (hyperbaric welding)
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 شایع ترین 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 که دلیل آن 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 مصرفی جوشکاری زیر آب
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.
