مقدمه:
بیش از یك صد سال است كه قوس الكتریكی در جهان شناخته شده و بكار گرفته می شود. اما اولین جوشكاری زیر آب توسط نیروی دریایی بریتانیا انجام شد- در آن زمان یك كارخانه كشتی سازی برای آب بند كردن نشت های موجود در پرچ های زیر كشتی كه در آب واقع شده بود از جوشكاری زیر آبی بهره گرفت. در كارهای تولیدی كه در زیر آب انجام می پذیرد، جوشكاری زیر آبی یك ابزار مهم و كلیدی به شمار می آید. در سال 1946 الكترود های ضد آب ویژه ای توسط وان در ویلیجن1در هلند توسعه یافت. سازه های فرا ساحلی از قبیل دكل های حفاری چاه های نفت، خطوط لوله و سكوهای ویژه ای كه در آب ها احداث می شوند، در سالهای اخیر به طرز چشمگیری در حال افزایش اند. بعضی از این سازه ها نواقصی را در عناصر تشكیل دهنده اش و یا حوادث غیر مترقبه از قبیل طوفان تجربه خواهند كرد. در این میان هرگونه روش بازسازی و مرمت در این گونه سازه ها مستلزم استفاده از جوشكاری زیر آبی است.

- طبقه بندی
جوشكاری زیر آبی را می توان در دو دسته طبقه بندی كرد:
1.جوشكاری مرطوب
2.جوشكاری خشك
در روش جوشكاری مرطوب، عملیات جوشكاری در زیر آب اجرا شده و مستقیماً با محیط مرطوب سرو كار دارد. در روش جوشكاری خشك، یك اتاقك خشك در نزدیكی محلی كه می بایستی جوشكاری شود ایجاد شده و جوشكار كار خود را با قرار گرفتن در داخل اتاقك انجام می دهد.

- جوشكاری مرطوب:
نام جوشكاری مرطوب حاكی از آن است كه جوشكاری كه در زیر آب صورت می پذیرد، مستقیماً در معرض محیط مرطوب قرار دارد. در این روش از جوشكاری از نوعی الكترود ویژه استفاده می شود و جوشكاری به صورت دستی درست مانند همان جوشكاری كه در فضای بیرون آب انجام می شود، صورت می گیرد. آزادی عملی كه جوشكار در حین جوش كاری از این روش دارد، جوشكاری مرطوب را موثر تر و به روشی كارا و از نقطه نظر اقتصادی مقرون به صرفه كرده است. تامین كننده نیرویجوشكاری روی سطح مستقر شده است و توسط كابل ها و شیلنگ ها به غواص یا جوشكار متصل می شود.
در جوشكاری مرطوب MMA (جوشكاری قوس فلزی دستی)2دو مشخصه زیر بكار گرفته می شود:
تامین كننده نیرو: dc
قطبیت: قطبیت منفی
اگر از جریان DC و قطب + استفاده شود، برقكافت روی داده و سبب خرابشدگی و از بین رفتن سریع اجزاء فلزی نگهدارنده الكترود می شود. برای جوشكاری مرطوب از جریان AC نیز به دلیل عدم امنیت كافی و وجود مشكلاتی كه در حفاظت از قوس در زیر آب وجود دارد، استفاده نمی شود.

منبع تغذیه می بایستی یك دستگاه جریان مستقیم كه دارای رده بندی آمپر بین 300 تا 400 است، باشد. دستگاههای جوشكاری ژنراتور موتور اغلب برای جوشكاری مرطوب مورد استفاده قرار می گیرد. پیكره دستگاه جوشكاری می بایستی در پایین، زیر كشتی قرار داده شده باشد. مدار جوشكاری می بایستی شامل نوعی سوئیچ مثبت باشد كه معمولاً از یك كلید تیغه ای استفاده می شود و از جوشكار غواص فرمان می گیرد.

كلید تیغه ای در مدار الكترود می بایستی در تمام طول جوشكاری در برابر شكسته شدن مقاوم باشد و نیز از امنیت كافی برخوردار باشد. منبع تغذیه جوشكاری می بایستی در حین فرایند جوشكاری تنها به نگهدارنده الكترود وصل باشد. در این روش از جریان مستقیم همراه با الكترود منفی و نیز از نگهدارنده الكترود ویژه ای كه در برابر آب عایق هستند استفاده می شود. نگهدارنده های الكترود جوشكاری كه در زیر آب بكار گرفته می شوند از یك سر خمیده برای گرفتن الكترود و نگه داشتن آن در خود بهره می برند و ظرفیت پذیزش دو نوع الكترود را دارد.

نوع الكترودی كه به كار گرفته می شود بر طبق استاندارد AWS (انجمن جوشكاری امریكا)3در طبقه بندی E6013 قرار گرفته است. این الكترود ها می بایستی ضد آب باشند و تمامی اتصالات نیز باید طوری عایق بندی شده باشد كه آب نتواند با قسمت های فلزی كوچكترین تماسی داشته باشد.اگر عایق بندی شكستگی داشته باشد و یا قسمتی از آن ترك داشته باشد، آنگاه آب می تواند با فلز رسانا تماس پیدا كرده ، موجب ایجاد نقص و در نهایت كار نكردن قوس شود. به علاوه اینكه ممكن است خوردگی سریع مس در قسمتی كه عایق ترك خورده است، ایجاد شود.


- جوشكاری بیش فشار4 (جوشكاری خشك)
جوشكاری بیش فشار در اتاقك های پلمپ شده در اطراف سازه یا قطعه ای كه می خواهد جوشكاری شود، استفاده می شود. این اتاقك در یك فشار معمولی پر از گاز می شود (كه معمولاً از هلیوم حاوی نیم بار5 اكسیژن است). این جایگاه روی خطوط لوله قرار گرفته و با هوایی مخلوط از هلیو و اكسیژن كه قابل تنفس باشد پر شده و در فشاری كه جوشكاری آنجا صورت می پذیرد و یا فشاری بیشتر از آن اجرا می شود. در این روش در اتصالات جوش بسیار با كیفیتی ایجاد می شود به طوری كه با اشعه ایكس و دیگر تجهیزات لازم ایجاد می شود. فرایند جوشكاری قوس گاز تنگستن در این قسمت بكار گرفته خواهد شد. محوطه زیر جایگاه در معرض آب قرار دارد. بنابراین جوشكاری در محل خشكی صورت گرفته ولی در فشار هیدرو استاتیكی آب دریا كه در محیط مجاور آن قرار دارد.

- خطرات بغرنج
برای غواص یا جوشكار خطر شك الكتریك وجود خواهد داشت. اقدامات احتیاطی كه انجام شده اند عبارتند از عیق بندی مناسب و در حد كافی تجهیزات جوشكاری، بسته شدن منبع الكتریسیته درست زمانی كه قوس به پایان می رسد و نیز محدود كردن ولتاژ جوشكاری قوس فلزی دستی در مدار باز دستگاه جوشكاری. خطر دیگر تولید شدن هیدروژن و اكسیژن در جوشكاری مرطوب توسط قوس است.
اقدام های احتیاطی می بایستی در مورد بلند كردن كپسول های گاز نیز رعایت شود. به این دلیل كه آنها به صورتی بالقوه توانایی زیادی برای منفجر شدن دارا هستند. خطر بعدی ای كه سلامت یا جان جوشكار را تهدید می كند نیتروژنی است كه در فشار زیاد در معرض هوا قرار گرفته و می تواند به وی آسیب برساند. اقدامات احتیاطی شامل فراهم آوری یك منبع گاز یا هوای اضطراری می شود كه در كنار غواص قرار گرفته است و نیز اتاقك فشار زدایی برای جلوگیری از خفگی توسط نیتروژن كه بعد از اشباع شدن روی سطح پخش می شود.
در سازه هایی كه از جوشكاری مرطوبِ زیر آب استفاده می كنند، بازرسی بعد از جوشكاری ممكن است بسیار مشكل تر از جوشكاری هایی باشد كه در محیط بیرون و در معرض هوا انجام می پذیرد. اطمینان از بی نقص بودن چنین جوشكاری هایی به مراتب اهمیت بیشتری پیداكرده و در واقع احتمال اینكه عیب و كاستی ناشناخته ای پدیدار شود، وجود دارد.

- مزایای جوشكاری خشك
1.ایمنی غواص – جوشكاری در یك اتاقك صورت گرفته كه موجب مصون ماندن جوشكار از جریانات اقیانوسی و یا احتمالاً موجودات دریایی می شود. این جایگاه خشك و گرم از روشنایی مطلوبی برخوردار بوده و از سیستم كنترل محیط خاصی نیز بهره می گیرد(ESC)6 .
2.كیفیت خوب جوش – این روش توانایی ایجاد جوش هایی را دارد كه حتی می توان آن را با جوش های موجد در فضای باز و در مجاورت هوا مقایسه كرد. دلیل این امر اینست كه دیگر آبی وجود ندارد كه بخواهد جوش را خاموش و یا قطع كند. و نیز اینكه میزان هیدروژن (H2) تولیدی آن خیلی كمتر از جوشكاری های مرطوب است.
3.كنترل سطح­ – آماده سازی اتصال، همترازی لوله، بررسی آزمایش ضد مخرب (NDT)(7) و غیره به صورت عینی كنترل و تنظیم می شوند.
4.آزمون غیر مخرب (‌ NDT) – آزمون غیر مخرب برای محیط خشك جایگاه تسهیل شده است.

- معایب جوشكاری خشك
1.اتاقك یا جایگاه جوشكاری تجهیزات پیچیده و خدمات پشتیبانی زیادی را مستلزم می داند و خود اتاقك به طرز غیر متعارفی پیچیده است.
2.هزینه و ارزش مالی این اتاقك به صورت قابل ملاحظه ای بالا بوده و بسته به عمق محل كار هزینه آن افزایش می یابد. عمق محل جوشكاری در كار تاثیر می گذارد، طوری كه در اعماق بیشتر جمع كردن قوس و استفاده از ولتاژ های بالتر و متناسب با آن لازم و ضروری می باشد. انجام یك كار جوشكاری بدین شكل هزینه ای بالغ بر 80000 دلار دارد. و نیز گاهی اوقات نمی توان از یك اتاقك برای چند كار مختلف استفاده كرد، كه البته این مشكل بستگی به نوع كارها و میزان تفاوت آنها دارد.

- مزایای جوشكاری مرطوب
جوشكاری مرطوب كه در زیر آب به صورت دستی صورت می گیرد، در مرمت و بازسازی سازه های فراساحلی در سالهای اخیر به سرعت در حال رشد و گسترش است.
از جمله فواید جوشكاری مرطوب می توان به موارد زیر اشاره كرد:
1.چند كاره بودن و داشتن هزینه كمتر در جوشكاری مرطوب باعث شده كه میل و اشتیاق بیشتری به این روش وجود داشته باشد.
2.برخورداری از سرعت مناسب در هنگام اجرای طرح از دیگر مزایای این روش است.
3.در مقایسه با جوشكاری خشك هزینه كمتری دارد.
4.در این روش جوشكار می تواند به قسمت هایی از سازه های فرا ساحلی دسترسی داشته باشد كه با استفاده از روش های دیگر قابل جوشكاری نیست.
5.احتیاج به هیچ نوع محصور سازی 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 یك كار جوشكاری مورد نیاز نیست.

- معایب جوشكاری مرطوب
اگر چه جوشكاری مرطوب كاربرد گسترده ای پیدا كرده است ولی همچنان از وجود نواقصی رنج می برد، از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره كرد:
1.آبدیدگی سریع فلز جوشكاری- دلیل این آبدیدگی آبی است كه در اطراف آن وجود دارد. اگرچه آبدیدگی نیروی تنش پذیری را در جوشكاری افزایش می دهد ولی میزان كش پذیری و موثر بودن جوش را كاهش داده، سختی و روزن داری آن را بالا می برد.
2. تولید زیاد هیدروژن- حجم بسیار زیادی از هیدروژن در منطقه جوشكاری ایجاد می شود كه بر اثر تفكیك بخار آب در منطقه قوس به وجود آمده است.H2 موجود در محیط تحت تاثیر گرما (HAZ)(8) در فلز جوشكاری حل می شود كه باعث ایجاد ترك خوردگی و شكاف های میكروسكوپیك می شود.
3.از دیگر معایب آن دید پذیری كم است. گاهی اوقات جوشكار نمی تواند به درستی منطقه مورد نظر را جوش دهد

- نحوه عملكرد جوشكاری مرطوب
پروسه ی جوشكاری مرطوب در زیر آب طی مراحل زیر صورت می پذیرد:
قطعه كاری كه قرار است جوش داده شود به یك طرف مدار الكتریكی متصل بوده و الكترود فلزی در طرف دیگر مدار. این دوقسمت از مدار (الكترود و قطعه كار) كمی به یكدیگر نزدیك شده ولی بعد از مدتی از یكدیگر فاصله می گیرند. در حین نزدیك شدن الكترود به قطعه كار، جریان الكتریكی وارد شكاف شده و باعث ایجاد یك جرقه الكتریكی پایستار می شود(قوس) و باعث ذوب شدن فلز در آن ناحیه و شكل گرفتن حوضچه جوش می شود. در این زمان، نوك الكترود ذوب شده و ذره های كوچك فلز در حوضچه مذاب جمع می شود.
در طول این عمل جریان مذابی، نوك الكترود را پوشش داده و روكش الكترود گاز محافظ را ایجاد می كند. كه موجب استحكام بخشیدن به قوس شده و همان طور كه گفته شد از جریان فلز مذاب محافظت می كند. قوس در یك منطقه حفره مانند ذوب می شود و جوش را پدیدار می سازد.

- پیشرفت های حاصل در زمینه جوشكاری در زیر آب
مدت های مدیدی جوشكاری مرطوب به عنوان یك تكنیك جوشكاری، در زیر آب مورد استفاده قرار می گرفته و هنوز هم ابن روش مرسوم است. اخیراً با پیشرفت هایی كه در زمینه ساخت سازه های فرا ساحلی صورت گرفته، اهمیت جوشكاری زیر آبی را به طرز پیش بینی شده ای بالا برده است. این امر منجر به توسعه یافتن روش های جوشكاری دیگر از قبیل جوشكاری سایشی9، جوشكاری انفجاری 10 و جوشكاری عمودی 11 شده است كه هم اكنون مطالب قابل قبول و كافی در این زمینه برای ارائه وجود ندارد.

- گستره ی پیشرفت های آینده
جوشكاری قوس فلزی دستی مرطوب همچنان برای نوسازی و احیاء سازه های زیر آبی مورد استفاده قرار می گیرد اما كیفیت آن كافی نبوده و مستعد شكست هیدروژنی می باشداز این رو جوشكاری های بیش فشار خشك كیفیت بهتری نسبت به جوشكاری های مرطوب دارند.امروزه گرایش و رویه میل به سوی اتوماسیون دارد.THOR-1 12 یا ربات تحت كنترل مدارِ بیش فشار كه از گاز بی اثر تنگستن استفاده می كند، توسعه بخشیده شد تا در جاهایی كه غواص عملیات لوله كشی و نصب خط لوله را انجام می دهد، بقیه پروسه كار را بر عهده گیرد./

پی نوشت:
 Van der Willigen -1
Manual Metal Arc Welding (MMA -2)
American Welding Society (AWS -3)
4- خشك نگه داشتن محفظه تحت فشار زیاد
5- بار(Bar) واحد فشار بوده و هر یك بار برابر با یك میلیون dynes در سانتیمتر مربع است.
Environmental Control System (ECS -6)
Non-Destructive Testing (NDT -7)
Heat Affected Zone (HAZ -8)
Friction Welding -9
Explosive -10 Welding
Stud Welding -11
12- THOR – 1 (TIG Hyperbaric Orbital Robot)

منابع:
1) D. J Keats, Manual on Wet Welding.
2) Annon, Recent advances in dry underwater pipeline welding, Welding Engineer, 1974.
3) Lythall, Gibson, Dry Hyperbaric underwater welding, Welding Institute.
4) W.Lucas, International conference on computer technology in welding.
5) Stepath M. D, Underwater welding and cutting yields slowly to research, Welding Engineer, April 1973.
6) Silva, Hazlett, Underwater welding with iron – powder electrodes, Welding Journal, 1971.
7) Isfahan Institute of Technology (IUT) http://www.iut.ac.ir (http://www.iut.ac.ir/)
8) American Welding Society (AWS) http://www.AWS.com

منبع:

دانشنامه مرجع مهندسی ایران
www.smsm.ir

نوع مطلب : مهندسی مکانيک - ساخت و جوش
نوشته شده در جمعه ۲۸ آبان ۱۳۸۹ توسط SMSM |           |