جوش مرطوب زیر آب ۱۳۹۴ نوزدهم مهر

جوش مرطوب زیر آب

۲-۱- برنامه ریزی برای آزمایشهای تحقیقاتی

جوشکاری مرطوب در زیرآب در حال حاضر فقط با روش دستی قوس الکتریکی و با الکترود تکی انجام میشود. الکترودهایی که استفاده میشود به طور خاص و برای این منظور ساخته شده است و یا اینکه الکترودهای معمولی با تغییرات خاصی به الکترودهای زیر آب تبد یل میشود. الکترودهای معمولی که بایک پوشش لاک مخصوص برا زیر آب استفاده می شوند کارایی خوبی در هنگام جوشکاری ندارند. الکترودی که برای جوش مرطوب در زیر آب ساخته می شود بایستی در عمق زیاد عناصر آلیاژیش اکسید نشود. گاز هیدروژن داخل مذال به وجود می آمده در اثر جوشکاری با این اکترود نفوذ نکند وسرعت سرد شدن آن نیز خیلی زیاد نباشد.

در چهارچوب برنامه های تحقیقاتی گسترده برای پیشرفت جوشکاری مرطوب برنامه ای با رئوس زیر در اروپا پی ریزی شد:

• مقایسه و ارزیابی الکترود های موجود
  
• توسعهء پروسه جوشکاری
  
• توسعه و بهسازی الکترود جوشکاری
  

الکترودها از فولاد اوستنیتی وفریتی ساخته شدند. الکترودهای اوستنیتی می توانند هیدروژن را در حجم بالایی ذخیره نمایند ولی به دلیل اتصال خاص کریستالی که بین کربن در آنها وجود دارد در هنگام ذوب شده قابلیت خوردگی زیادی دارند. در عوض الکترودهای فریتی قابلیت این را دارندکه جوش تولید شده با آنها از لحاظ مقاومت خواص مکانیکی فولا د مورد نظر را داشته باشد. جوش ایجادشده با آنها از لحاظ خوردگی نیز مقاومت زیادی دارند.

آزمایش جوشکاری روی فولاد نوع St 52-3 N طبق DIN EN 10025 انجام شد قطعاتی که تحت جوشکاری قرار گرفتند دو صفحه افقی به صورت جوش روی هم و دو لوله با لبه های پخ زده شده بود. موقعیت جوشکاری دو لوله برمبنای اتصال k روی سکوهای دریایی انجام شد. ملاک ارزیابی جوش دستورالعمل ANSI/AWS D-3.6-89/93 قرار گرفت. علت انتخاب جنس فولاد ST 52-3N این بود که این فولاد با درصد کربن بالا فولادی مستعد بروز ترک در جوش شناخته شده است و در اکثر سازه های دریایی دریای شمال از این نوع فولاد ها استفاده شده است.

۲-۲- نتایج

۲-۲-a- هدایت روش اجرایی

تامدتهای زیادی ازالکترودهای فریتیک با قطر ۴ تا ۵ میلی متر برای جوشکاری زیر آب مرطوب استفاده میشد. این الکترودها معمولا” در جوشکاری زیر آب ایجاد ترکهای ریز و سرباره مخلوط در مذاب (bead) می نمایند. با توجه به این نکته کم کم ازاین نوع الکترود برای اتصالات موقت و خالجوشها در زیر آب استفاده شد. برای رفع این عیب و امکان به کار گیری الکترود در اتصالات جوش از روشهای خاصی استفاده شد که ذیلا” شرح داده می شود.

۲-۲-a-1– تکنولوژی استفاده از چند لایه جوش

آزمایشهای پیوسته و سیستماتیک جهت بهبودی کیفیت جوش و رفع ترکهای آن در روش جوشکاری مرطوب به این نقطه رسید که تکنولوژی جدیدی در سبک جوشکاری مرطوب با الکترود های فریتیک ایجاد گردد. مبنای این تکنولوژی استفاده از جوش به صورت لایه روی لایه است. به نحوی که ضخامت الکترود حداکثر ۳/۲۵ میلیمتر باشد. در این روش پاس جوش قبلی توسط پاس جوش جدید به نحوی گرم میشود که اتصالات شبکه کریستالی آن به صورت منظم در آمده ودر عین حال گازهیدروژن نفوذ کرده در آن از آن خارج میشود. نتیجه این عمل افزایش ویسکوزیته ( سیالیت ) جوش کاهش سختی آن و محدود کردن ذرات هیدروژن نفوذ کرده در ابعاد بسیار کوچک می باشد که این ذرات کوچک اثری روی جوش ندارند. با استفاده از این روش پهنای خط جوش به حدود ۲۰۰ mm میرسد. در جوشهای لب به لب از یک Backing (ورقه ای زیر دولبه کنارهم ) استفاده می شود. برای پاس ریشه از دوپاس موازی یکد یگر هریک به عرض ۴تا۵ mm استفاده میشود ادامه پاسهای جوش بدین صورت پیش می رود که پاسهای بعدی بعدی دقیقا” روی پاسهای جوش پیش آید آن پاس را به سرعت سنگ زده و به جای آن پاس دیگری را جوش می دهند: عدم اتصال صحیح دوپاس به یکدیگر بر آمده بودن بیش از حد پاس جوش به یک طرف تمایل داشتن پاس جوش نفوذ سرباره در مذاب نداشتن عمق نفوذ کافی در یک پاس جوش.

چنانچه این روش به درستی انجام شود در آن     صورت مقطع عرضی درز جوش انجام شده به صورت چند لایه رویهم و با اتصالات دانه بندی منظم دیده خواهد شد ( شکل ۱). این روش به خصوص برای دو مو قعیت جوشکاری مناسب تر می باشد. موقعیت تخت Flat Position و موقعیت عمودی از بالابه پائین (Vertical position)

۲-۲-A-2 روش Temper-bead

برای فولادهایی که در صدکربن آنها از حدی که قبلا” تعیین شده بیشتر باشد ازروش فوق برای جوشکاری زیر آب استفاده میشود. این روش ابتدا توسط دانشمندی به نام suga پیشنهاد گردید. بر اساس تحقیقات این دانشمند تولید ترکهای ریز در جوشکاری مرطوب در ۶۰ ثانیه اول پس از اتمام جوش به وجود میآید.چنانچه بتوان قبل از انقضای ۶۰ ثانیه پاس دوم را روی پاس جوش داده شده انجام داد تولید ترک جلوگیری به عمل خواهد آمد. روشی که بر مبنای این تئوری ایجا د شده به نام روش Temper – bead نامگذاری شده است.

مشکلاتی که در اجرا ی این روش وجود دارد یکی سرعت عمل جوشکار غواص است. وی باید درمدت ۶۰ ثانیه پاس اول را جوش داده و سرباره را بزداید و پاس دوم را بزند. دیگر ظرافت کار است که پاس دوم بایستی کاملا” روی پاس اول قرار گیرد و آن را بپوشاند. سوم آنکه دوپاس روی هم آنقدر برآمد گی پیدا نکند که مجبوربه سنگ زدن جوش شویم. لذا مهارت و تمرکز جوشکار غواص فوق العاده مهم است. داشتن دید کافی ومشاهده عبور ذرات وذرات مذاب ومسیر دقیق آنها ازیکدیگر عوامل موفقیت در این روش است. الکترودی که در این روش بکار برده میشود بایستی طوری باشد که سرباره ای که ایجاد می کندبه سرعت از روی جوش کنده شود تا فرصت برا ی زدن پاس بعدی کوتاه باشد.

۲-۲-a-3- تکنیک ایجاد لایه محافظ (Puffer-Technik)

محلی که در اثر جوشکاری ذوب می شود از نقاط بسیار حساس و مستعد بروز ترک در جوشکاری محسوب میشود. در این روش از یک لایه بسیار نازک اکسید یک فلز آلیاژی به عنوان لایه ای محافظ روی قطعه تحت جوشکاری در محل تحت تاثیر حرارت جوش استفاده میشود. این لایه با اولین پاس جوش که بسیار پاس نازک و فاقد استحکام لازم می باشد روی فلز پوشش داده میشود. این لایه محافظ بایستی خیلی نازک باشد و در عین حال باید طوری باشد که با پاس بعدی جوش ذوب شده به صورتی که با روپوش ذوب شده الکترود که معمولا” روتیلی است کاملا” مخلوط گردد.

با این تکنیک می توان به خط جوشی دست یافت که دارای کار در مقابل ضربه بالاو مقاومت کشتی خیلی خوب باشد. الکترودی که برای این منظوربه کارمیرود بایستی دارای ۲/۱% نیکل به عنوان عنصر آلیاژی باشد تا بتواند لایه محافظ فوق را ایجاد کند.

۲-۳- انتخاب الکترود

از تعدادی زیادی الکترود فریتی که تحت آزمایش قرار گرفته اند دو الکترود از بقیه مناسب تر بوده اند که هم بیشتردر دسترس بوده و هم کیفیت خوبی را درجوشکاری داشته اند. یکی از این الکترودها که تولید یک شرکت آلمانی است خواص مکانیکی در جوش ایجا د نمود که در جدول ۱ نشان داده شده است. و این الکترود مبنای آزمایشهای جوش زیر آب در عمقهای متفاوت گردید. در عمقی ۶ متری جوشی که با این الکترود انجام شد بدون هیچگونه پرز و حفره بوده و ترکی نیز در آن مشاهده نشد. مشخصات مکانیکی که در جدول ۱ ارائه شده محدوده ای است که برا ی جوشکاری سکوهای دریایی سدها و بنادر میتواند مناسب باشد.

این الکترود تحت آزمایش جوش زیر آب قرارگرفت و متد جوش لایه به لایه در این آزمایش اجرا شد. طبق نیازمندی کیفیتی ANSI/AWS D3.93 می بایستی جوشی ایجادشود که زایه خمشی برابر با ۱۸۰^۰مقاومت کششی معادل با جنس فولاد تحت جوشکاری و کار در مقابل ضربه برابر ۲۰ ژول در صفر درجه سانتی گراد داشته باشد ولی این الکترود نتوانست نیازمندی فوق را تاءمین کند ولذا تحقیقات بعدی روی الکترود لازم شد.

۲-۳-۱- تحقیقات و توسعه الکترودها

هدف از کار تحقیقاتی روی الکترودها دست یافتن به الکترودی بودکه بتواند جوش مرطوبی ایجاد کند که از لحاظ خواص مکانیکی معادل جنس فولاد تحت جوشکاری بلکه قوی تر از آن باشد. مواد آلیاژی که درالکترود اضافه می شود بایستی خواص زیر را در آن ایجاد نماید: اثر افزایش عمق در ایجاد حفره در جوش کاهش خواص مکانیکی نفوذ هیدروژن در جوش و ایجاد ترک در آن را از بین ببرد.

لذا هدف اصلی آزمایش تغییرات سیستماتیک در الکترود به منظور از بین بردن ترک ( دراثر نفوذ هیدروژن ) و حفره تعیین شد. در عین حال آزمایش های اضافی دیگری نیز به برنامه تحقیقاتی این الکترود اضافه شدکه از آن جمله آزمایش استحکام در مقابل ارتعاشات مداوم ( بارسیکلی) بود.

۲-۳-۱-a- الکترود های نیکلی

با توجه به قابلیت خوب جوشکاری با الکترودها اوستنیتی و نیکلی از طرف انستیتو های تحقیقاتی آزمایش های زیادی روی این الکترودها انجام گرفته است. نتایج آزمایشها نشان داده که این الکترودها برای کار تاعمق ۲۰ متر کاملا” مناسب هستند. از این عمق بیشتر در جوش حفره و ترک ایجاد می شود خصوصا” درالکترودهای اوستنیتی به دلیل تمرکز تنش زیاد خواص مکانیکی نامطلوبی پیش می آید که جوش را از کیفیت خارج می کند.

۲-۳-۱-b- الکترودهای فریتیک

به دلایلی که درقسمت ۲-۳-۱-a عنوان شده الکترودهای اوستنیتی در جوشکاری زیر آب مناسب نیستند. از این جهت روی الکترود های فریتی سرمایه گذاری صورت گرفت. الکترود های که دارای روپوش روتیلی باشند و از نوع فریتی دارای کیفیت خیلی خوبی در جوشکاری مرطوب هستند. در کار تحقیقاتی که روی این الکترودها انجام شد هم روی مغزی الکترود وهم روی روپوش آن کارشد و در هر دو قسمت تغییرات انجام شد. نتایج آزمایشها نشان داد که مهمترین عنصر آلیاژی آن زیرکونیم می باشد. ( در قالب سیلیکات زیر کونیم یا پودرزیر کان در الکترودوجود دارد).

از طرف غواصان جوشکار این الکترود برای تکنیک Temper-bead الکترود بسیار خوبی می باشد زیرا پاس جوش های این الکترود برآمدگی ندارند. حفره ای نیز در جوش مشاهده نمی شود. فقط نامناسب بودن این الکتروددر آن است که سرباره به سختی از آن جدا می شود که این مساءله برای روش Temper-bead مناسب نیست.

علیرغم آنکه با الکترود نوع A ( محتوی زیر کونیم ) نتایح خوبی از جوشکاری مرطوب به دست آمده است ولی از لحاظ اقتصادی

کاربرد این الکترود مقرون به صرفه نیست. زیرا زیرکونیم موجود در پوشش الکترود موجب اکسیداسیون سریع این فلز در درجه حرارتهای پایین ( حتی پایین تر از درجه حرارت خشک کردن الکترود) می شود. ( زیر کوینم در درجه حرارت حدود ۱۰۰^o_Cاکسید می شود ). این اکسیداسیون سریع با عکس العمل انفجار گونه همراه است. که این مسئله موجب آن است که برای ایمنی کار از تجهیزات خیلی مستحکم استفاده کنیم همین مسئله هزینمه فوق العاده ای در بر خواهد داشت.

به همین دلیل مراکز تحقیقاتی به دنبال فلز دیگری برای جایگزینی به جای زیرکونیم بودند که از لحاظ جوشکاری و کیفیت جوش خواص زیر کونیم را داشته است ولی عکس العمل حرارتی آن را نداشته باشد. برای این منظور فلز تینانیم در نظر گرفته شد. الکترودی که در روپوش آن تیتانیم به جای زیرکونیم جایگزین شده بودابتدا در عمق ۲۰ متری مورد آزمایش قرارگرفت. نتایج جوشکاری با این دو الکترود و تست جوش آنها در جدول شماره ۲ مقایسه شده اند. صرف نظر از پارامتر عمق کیفیت جوش های با الکترود B توانسته است نیازهای کیفیتی توع A جوشها ی زیر آب را بر طبق ANSI/AWS D3.6-93 در پارامترهای کشش پذیری و زاویه خمش تا۱۸۰^o_Cبرآورده نماید. قابلیت فرم یابی این جوش نسبت به آنچه که درنیازمندی فوق الذکر وجود دارد کمی کمتر است و این به علت نفوذ گاز هیدروژن می باشد. در آزمایش کشش که باالکترود تیتانیم انجام شد ترک در قطعه اصلی ایجاد شد. بدین مفهوم بودکه مقاومت جوش در حدی برابر بلکه بالاتر ازقطعه است یعنی از لحاظ کیفیت نیازمندی نوع A جوشهای زیر آب را تاءمین مینماید. الکترود محتوی زیر کونیم نمیتوانست این استحکام کششی را ایجاد نماید.

طبق جدول ۲ ماکزیمم سختی ایجاد شده در محل تاءثیر حرارت جوش در پاس آخر جوشکاری ایجاد شد زیزا پس از آن لایه جوش دیگری وجود نداشت. برای رفع سختی آخرین لایه جوش می توان آنرا سنگ زد و مشکل سختی و شکنندگی را از بین برد. با روش جوشکاری چند لایه ای سختی جوش را درعمق تا ۳۰۰HV10 ودر سطح تا۲۲۰HV10 پایین آوردند. سختی تا این حد با جوشکاری هیپر باریک خشک لوله های محتوی گاز ترش مطابقت دارد زیرا جوشکاری این لوله ها ضوابط سخت و پیچیده ای دارد.

۳– آزمایش استحکام درمقابل ارتعاشات مداوم ( بارسیکلی)

قبلا” متذکر شدیم که علیرغم آن که کیقیت جوشهای مرطوب خیلی بهتر شده است ولی به طور کلی جوش مرطوب آن مقبولیت عمومی را در بین شرکتهای دریایی ندارد. علت اساسی شاید در این باشد که تابه حال آزمایش خستگی در مورداین جوشها انجام نشده است. با توجه به اینکه آزمایشهای مکانیکی دیگر از قبیل آزمایش کشش شکست در مقابل ضربه و سختی استحکام و کیفیت این جوش را در حدی مشابه با جوش هیپر باریک تاءیید کرده است انجام آزمایش ارتعاشات مداوم ( بار سیکلی) ضروری به نظر می رسد.

نمونه یک لوله دو جداره که طبق ISO 6947 موقیعیت PE در آب جوش مرطوب داده شده در شکل ۲ نشان داده شده است. این نمونه تحت بار سیکلی قرار تازمانی که در آن ترک ایجاد شود مرطوب انجام شد روش جوش دستی و آماده سازی لبه ها از نوع ۱/۲v بود.

فرکانس بار سیکلی ۳۰ هرتز وبرای تغییرات آن ( توزیع گوس ) در نظر گرفته شد. منحنی SوN ترسیم گردید به نحوی که تغییرات بارسیکلی N برابر ۲ضرب در ۱۰۶ و۲ضرب در۱۰۴ وتنش با روش برون یابی extrapolation به دست آمد. ضریب زاویه منحنی احتمال برای ۵۰% احتمال بقا ء برابر K50=30 انتخاب شده و این بر مبنای پارامترهای دیگر از روی ضرایب تجربی که در IIW ویاEurocode, GL بوده است استخراج شده است.

نتایج آزمایشهای اولیه نشان داد که استحکام پاس ریشه بستگی به ضخامت root Face دارد. افزایش ضخامت riit face موجب عدم جوش خوردگی درست در پاس ریشه و سپس بروز ترک در اثر بار سیکلی با نتایج جوشکاری خشک در یک آتمسفر فشار مطابق است. نموداری که درتصویر شماره ۱ نشان داده با بار سیکلی ۱۰۰Mpa تعداد۲۹۵۲۰۰ سیکل را تحمل نموده است.

اگر root face خیلی نازک باشد یعنی ضخامت آن ازحد لازم کمتر باشد قوس الکتریکی قطعه را سوزانده و آنرا سوراخ مینماید.

آزمایشها نشان داد که وجود حفره های خیلی کوچک نمی تواند در مقاومت و استحکام قطعه در مقابل بار سیکلی تاءثیری داشته باشد یعنی تنش خستگی نسبت به حفره های ریز حساسیتی ندارد. البته باید سعی شود حتی الامکان از بروز حفره نیز در جوش جلوگیری به عمل آید.

جهت افزایش عمر جوش درمقابل خستگی و بر طرف شدن عیوبی از قبیل خوب جوش نخوردن پاس ریشه یا بروز ترکهای ریز میتوان پارامترهای زیررا تغییر داد:

• تغییر در فرم آماده سازی لبه ها یعنی زاویه برش V را تغییر داد.
  
• تغییر در ضخامت root face
  

۲-۱ جوشکاری خشک در اتاق جوشکاری زیر آب

۲-۱-۱ گسترش تکنولوژی و آزمایشهای اولیه در دریا

تا سال ۱۹۶۵ راه حلی برای افزایش یک شاخه لوله زیر دریایی به یک خط لوله یا تعمیرات خطوط لوله آسیب دیده د ر زیر آب وجود نداشت. در آن زمان در پروژه معروف به MAN IN THE SEA آزمایشهایی انجام گرفت که هدف از آنها انجام عملیات جوشکاری درزیر آب در یک اتاق فشار که فشارش هم ارز فشار در عمق مربوطه باشد بود. برای شروع ابتدا این آزمایشها در این اتاق فشار غواصی که تبدیل به اتاق جوشکاری شده بود در سطح زمین انجام گرفت. ترکیب هوا داخل اتاق ترکیبی از گاز ازت وبین ۴تا۶ درصد نیز گاز اکسیژن بود که این ترکیب با ترکیب هوای لازم برای تنفس غواص در زیر آب مطابقت داشت.

فشار اکسیژن نیز به نحوی تحت کنترل بود که آتش سوزی دراتاق رخ ندهد. غواص و کمک غواص به کمک یک ماسک مخصوص در این اتاق تحت تنفس هوای لازم که منطبق بر شرایط فشار در اتاق بود قرار داشتند و هوای بازدم آنهانیز از طریق ماسک به لوله هایی منتقل و به خارج از اتاق هدایت میشد.

آزمایشها با دوروش WIG و MIG انجام گرفت. ابتدا آزمایش در فشار۳۱ اتمسفر منطبق با ۳۰۰ متر عمق با دستگاه اتوماتیک بدون استفاده از نفر انجام شد وسپس به توسط جوشکار غواص صورت گرفت.

این آزمایشها نشان داد که تحت این شرایط جوش با روش WIG کیفیت بهتری از جوش با روش MIG دارد. با افزایش فشار ولتاژ جوشکاری بایستی بالا رود تا غواص بهتر بتواند تا محل جوش را تحت کنترل داشته باشد. با روش WIG کنترل جوشکار بر محل جوشکاری بهتر خواهد بود. آزمایشهای جوشکاری با روش WIG در فشاری معادل عمق ۵۰ متر برای جوشکاری لوله هایDN50 تا DN300 با ضخامت دیواره ۹/۳ تا ۱۶ میلی متر و با جنس

API-5LX از نوع کیفیتهای X42 تا X52 نشان داد که کیفیت جوش دقیقا” معادل با کیفیت آن در هوای معمولی بوده و با استاندارد API 1104 مطابقت می نماید.

شکل ۳یک اتاق فشار جوشکاری را که در سال ۱۹۶۷ساخته شده نشان میدهد. مشخصه این اتاق فشارجوشکاری آن بوده که در بدنه آن دو دریچه مقابل به هم برای ورود لوله وجود داشت. ابتدا دو قطعه برای اندازه شدن لوله ها روی بدنه اتاق که دوتکه ساخته شده نصب میشود سپس تکه اول در کف دریا مستقر شده و لوله ها روی آن سوار می شوند و بعد تکه دوم روی آن قرار می گیرد. با تزریق گاز فشرده آ ب داخل اتاق را خالی می کنند. برای آب بندی محل وود لوله به اتاق از لاستیک و لایی های بادشونده استفاده میشود. از طریق یک کشتی که در سطح آب قرار دارد فشارهوای لازم برای اتاق هوای لازم برای تنقس غواصان جریان برق لازم گاز محافظ برای جوشکاری گاز لازم برا بادکردن واشرهای آب بندی و سیستم تلفن از طریق لوله ها شلنگ ها و یا کابل به داخل اتاق فشار فرستاده وکنترل میگردد. اولین بار در این اتاق فشار جوشکاری درخلیج مکزیک به یک خط لوله زیر آبی در عمق ۳۳/۵ متر یک پایه جوش داده شد که این عمل بدون قطع نفت صورت گرفت. استاندارد جوش API 1104 بود.

مشخصات این جوش که به روش WIG انجام گرفت عبارت بود از:

قطر لوله ۲۷۳ میلی متر ضخامت دیواره لوله ۳/۹ میلی متر نوع جنس فولاد API- 5LX -52 قطر لوله پایه ۱۶۸/۳ میلی متر ضخامت دیواره لوله ۳/۹ میلی متر نوع جنس فولاد API- 5LX-52 قطر لوله پایه ۱۶۸/۳ میلی متر ضخامت لوله پایه ۸/۸ میلی متر جنس فولاد API-5LX-42 شدت جریان ۱۵۰ تا ۱۸۰ آمپر الکترود وصل به قطب منفی جریان مستقیم ولتاژ ۱۲ ولت برای پاس ریشه ۱۶ تا ۱۸ ولت برای پاسها بعدی محافظ ۴/۹ لیتر بردقیقه از آرگن و قطر الکترود ۲/۳ میلی متر. عملیات جوشکاری در مجموع دو روز به طول انجامیده است و مدت زمان مفید جوشکاری ۸ ساعت بوده است. ( ۸ ساعت جوشکاری خالص). نوعی اتاق با تجهیزات مخصوص در شکل ۴ نشان داده شده است که این اتاق در سال ۱۹۶۸ ساخته شده و برای تعمیر لوله های زیر آب بکار میرود. این تجهیزات مجهز به پایه بای نصب در کف دریا و اتصال به لوله های زیر آبی است.

۲-۱-۲ آزمایشها و تحقیقات اساسی در جهت بهبود جوشکاری با قوس الکتریکی تحت فشار

در کشورهای آمریکا روسیه سابق انگلستان و فرانسه وژاپن تحقیقاتی با روش MIGوWIG و در فشار ۳۲ آتمسفر که معادل عمق ۳۱۰ متر می باشد انجام گرفت. هدف از این آزمایشها که ابتدا با روش کنترل از را ه دور و بدون حضور انسان انجام گرفت آن بود که حتی الامکان زمان جوشکاری کوتاه باشد تا نتیجه گیری ساده گردد.

آزمایشها در یک اتاق فشار غواصی تبد یل شده به اتاق جوشکاری و تحت جریان گاز آرگن و هلیم انجام شد و نتایج زیررا در برداشت:

الف ) با افزایش فشار مقطع قوس الکتریکی تنگ تر میشود که این موجب کوچکتر شدن لکه آند (یا کاتد)میگردد.

ب) با تنگ شدن مقطع قوس الکتریکی ولتاژ آن بایستی افزایش یابد. به عنوان مثال درجوشکاری تنگستن WIG با جریان مستقیم باشدت ۱۵۰ آمپر و با سرعت ۱۰۰ میلی متر بر دقیقه و طول قوس الکتریکی ۲/۳میلی متر افزایش فشار از یک اتمسفربه ۳۲ اتمسفر موجب فزایش ولتاژ از۱۰ به ۲۴ ولت خواهد شد و این در شرایطی است که گاز محافظ آرگون باشد. چنانچه گاز محافظ هلیم باشد افزایش ولتاژ از ۱۵ به ۳۰ ولت خواهد بود.

ج) هر چه تنگ شدن مقطع قوس الکتریکی بیشتر باشدافزایش توان جوشکاری تراکم انرژی ودمای قوس الکتریکی بیشتر خواهد بود. چنانچه با افزایش فشار از یک اتمسفر به ۱۱ با شدت جریان و سرعت ثابت عمق جوش ۵۰ درصد افزایش می یابد ضمن آنکه پهنا ی گرده جوش ۱۴ درصد کم خواهد شد یعنی شعله متمرکز خواهد شد.

د) فرم هندسی نوک الکترود تنگستن نیز علاوه بر پارامترها ی دیگر ( فشارگاز شدت جریان سرعت جوشکاری طول قوس و… ) در کیفیت جوشکاری مؤثر می باشد. چنانچه نوک الکترود تنگستن دچار فرسایش شود قوس الکتریکی دچار عد م تعادل خواهدشد. این سایش در جوشکاری تحت حفاظت هلیم از فشار ۸ اتمسفر شروع و در فشار ۱۶ آتمسفر کاملا” مشاهده می شود و درجوشکاری تحت حفاظت آرگن از ۱۶ اتمسفر شروع ود ر ۳۲ اتمسفر کاملا” مشهود است.

ه) برای ایجاد جرقه جهت قوس الکتریکی با افزایش فشار از ۱۱۰/۰۱ به اتمسفر لازم است فاصله هوایی بین نوک الکترود و قطعه کار از ۱۰ MM به ۰/۳ MM کاهش یابد. چنانچه جوشکاری تحت حفاظت گاز آرگن باشد و فاصله بین الکترود و قطعه کار ۳/۲ میلی متر باشد در فشار ۴ آتمسفر هیچگونه جرقه ای ایجاد نخواهد شد و با حفظ همین فاصله در مجاورت گاز هلیم با فشار ۲ آتمسفر جرقه ای ایجاد نخواهد شد و بایستی فشار راپایین تر آورد.

۲-۱-۳ تحقیق روی جوشکاری MIG/MAG دراتاق فشار

در اتاق فشار با گاز آرگن محتوی ۲ درصد اکسیژن نتایج زیر حاصل میگردد:

الف) مشابه با جوشکاری WIG در جوشکاری MIG/MAG نیز افزایش فشار موجب تنگ شدن شعله خواهد شد. در این شرایط با اتصال الکترود به قطب مثبت و حفظ شدت جریان ثابت لکه کاتدی به داخل مذاب جوش هدایت خواهد شد و لکه آندی در اطراف الکترود رولی قرار میگیرد.

ب) با تنگ تر شدن مقطع قوس الکتریکی افزایش ولتاژ تراکم انرژی قوس الکتریکی و افزایش سرعت جریان گاز پلاسما همراه است به ویژه در هنگامیکه عبور فلز ذوب شده از نوک الکترود رولی به مذاب جوش در منطقه هسته قوس الکتریکی اتفاق بیفتد.

1. در رابطه با جوشکاری MIG تحت حفاظت آرگون با پارامتر های جوشکاری قطر الکترود ۱میلی متر الکترود متصل به قطب مثبت سرعت جوش ۲۰۰ میلی متر بر دقیقه سرعت پیشر وی الکترود رولی برابر با ۴ تا ۶/۵ متر بر دقیقه فاصله نوک مشعل تا قطعه کار ۱۵ میلی متر و ۰/۲۵ آتمسفر فشار گاز اکسیژن در آرگن با افزایش فشار آرگون به ۸ آتمسفر عمق جوشکاری زیاد تر خواهد شد. از این فشار به بعد به دلیل افزایش اندازه قطرا ت جوش ( مذاب) و نامتعادل شدن قوس الکتریکی عمق مذاب کاهش می یابد. افزایش فشار از این به بعد می تواند تا ۵۰ درصد افت در تزریق جوش ایجاد نماید.
   

1. تا به حال جوشکاری MIG در فشار گاز آرگن تا ۳۲ آتمسفر انجام گرفته است و این حد نهایی بوده است ( سال ۱۹۸۰). با افزایش فشار بیشتر تمرکز دود ناشی از سوختن روپوش الکترود بیشتر میشود و در نتیجه قدر ت دید به شدت افت می کند یعنی محل جوش را نمی توان دید.
   

در تکمیل جوشکاری MIG در اتاق فشار جوش MAG نیز در اتاق فشار تست گردیده آن هم با گازهای مخلوط هوا – نیتروژن و آرگن – نیتروژن در فشارهای ۱ تا ۹ آتمسفر و در گاز CO2 در فشارهای ۱تا ۲۰ آتمسفر.

۴-۱-۲ روشهای افزایش ظر فیت مذاب سازی جوشکاری

جوشکاری با الکترود پوشش دار در اتاق فشار انجام گرفته است نتایج به شرح زیر می باشد:

الف) الکترودهای با روپوش بازی ( قلیایی ) برای جوشکاری در جو هلیم – اکسیژن تا فشار ۳۲ اتمسفر نتایج خوبی نشان داده اند. به عنوان مثال با اتصال الکترود ۴ میلی متر ضخامت به قطب مثبت و با شدت جریان ۱۵۵ تا ۱۷۰ آمپر ولتاژ ۲۳ تا ۲۴ ولت سرعت جوشکاری ۱۸۰ میلی متر بر دقیقه و زاویه الکترود ۷۵ درجه نسبت به قطعه کار تا فشار ۳۲ آتمسفر خطوط جوش بسیار خوبی حاصل شده است. بر خلاف دو روش MIG و WIG در روش دستی باالکترود روپوش دار افزایش فشار نیازی به افزایش ولتاژ و یا در یک محدوده تا ولتاژ معین نیاز به افزایش فرکانس اتصال کوتاه ندارد.

1. الکترودهای با روپوش RUTIL ( اکسید تیتانیم ) با آنکه از لحاظ مشخصات قوس الکتریکی انتقال مذاب و روان بودن آن و تمرکز دودناشی از سوختن روپوش مشخصاتی مطابق با روپوش های قلیایی دارند ولی جوشکاری با آنها در فشارهای بالا موجب ایجا خلل و فرج در محل جوشکاری است.
   
   1. توسعه جوشکاری خشک تحت فشار در دریا
      

لیست ارائه شده از طرف یک کمپانی آمریکایی در مورد جوشکاری خشک زیر آب این کمپانی از سال ۱۹۶۸ تا ۱۹۷۵ نشان دهنده آن بودکه در آمریکا جوشکاری خشک زیر آب ازسال ۱۹۶۸ شروع شده و ابتدا به دو صورت جوشکاری MIG/MAG و جوش دستی قوس الکتریکی انجام شده است. با توجه به اینکه افزایش سرعت جوشکاری و همچنین میزان مذاب سازی جوش دردرجه اول اهمیت قرارداشت تدریجا” جوش دستی قوس الکتریکی با الکترودهای با پوشش قلیایی ازنوع AWS E 10018 جایگزین روش MIG/MAG گردید. تکامل این حرکت به مرحله ای رسید که جوشکاری خشک خطوط لوله در زیر آب برای پاس ریشه با روش WIG و برای پاسهای بعدی با روش قوس الکتریکی دستی انجام گرفت. با ترکیب این دو روش به این صورت زمان جوشکاری یک لوله DN 800 در یک جوش مدور ( دور لوله ) معادل با زمان جوشکاری یک لوله DN-250 با روش WIG به طور کامل ( پاس ریشه و پاسها ی بعدی) گردید. این نشان دهنده مناسب بودن روش دستی در جوشکاری خشک است. سپس آزمایشهای در اتاق فشار غواصی معادل با عمقهای متفاوت در بیرون از آب انجام گرفت.

نتایج آزمایشهای انجام یافته در اتاق فشار در بیرون از آب را جهت آزمایش عملی در آب انجام دادند.

در سال ۱۹۶۸ با الکترودی که روپوش قلیایی داشت لوله های زیر آب DN-800 و DN-259 با روش جوش دستی الکتریکی جوش داده شد که نتایج خوبی از آنها حاصل شد.

برای جوشکاری دستی در عمق ۵۰ متر در یک اتاق بسته تحت فشار گاز درون این اتاق بایستی طوری باشد که با گاز تنفسی لازم برای غواص در این عمق مطابقت داشته باشد. لذا برای این منظور تا عمق ۵۰ متر هوای درون اتاق هوای معمولی فشرده است ولی از عمق ۵۰ متری به پایین هوای داخل اتاق مخلوطی از هلیم و اکسیژن تحت فشار است. با افزایش عمق و فشار بیشتر درصد اکسیژن در این هوای مخلوط پایین می اید به نحوی که در فشارهای بالا فشار جزئی اکسیژن ۰/۳ آتمسفر خواهد شد.

به علت تولید گازها ی سمی CO2 و CO در اثر جوشکاری در اتاق فشار برای تنفس غواص شلنگ متصل به ماسک از یک سو و متصل به هوای تمیز از سوی دیگر برقرار می شود. در فرانسه سیستمی ساخته شده که هوای اتاق فشاررا تمیز می کند ولذا غواص نیازی به استفاده از ماسک ندارد این جوشکاری را در اتاق فشار در شرایط معادل ۳۶۶ متر عمق نیز آزمایش نموده اند.

یکی از مزایای جوشکاری خشک نسبت به جوشکاری مرطوب امکان پیش گرم کردن و عملیات حرارتی پس از جوش در محل جوشکاری شده است. برای این منظور بهتر است که اتاق جوشکاری از گاز هلیم پر شود زیرا قابلیت هدایت حرارتی هلیم ۶ برابر هوا است.

عملیات حرارت به منظور کاهش سختی محل جوش و افزایش قابلیت چکش خواری آن است. بایستی از تولید بخا رآب در اتاق جوشکاری جلوگیری نمود. به این منظور از سیستم تهویه مطبوع در اتاق استفاده می کنند و همچنین روپوش الکترود را کاملا” خشک نگه می دارند یا قبل از بردن به اتاق جوشکاری آنرا کاملا” خشک می کنند.

روشهای معمولی جوشکاری خشک تا عمق ۶۰۰ متر را پاسخگو بوده است ولی برا ی عمق بیشتر از آن سیستمی همانند آنچه در شکل ۶ آمده است لازم است. در اعماق خیلی زیاد روش جوش WP ( پلاسما) جواب بهتری داده است.

۲-۲ جوشکاری خشک در یک باکس زیر آب

روش جوشکاری خشک در یک باکس زیرآب به عنوان آلترناتیوی ساده تر و ارزانتر از جوشکاری خشک در اتاق جوشکاری زیرآب از حدودسال ۱۹۷۰ در روند توسعه تکنولوژی زیر آب مطرح شده است. در این روش جوشکاری در یک باکس ( جعبه محدود ) که از دیواره شفاف تشکیل شده انجام میشودغواص خودش داخل اب است و فقط دست او همراه جوشکاری داخل باکس مورد نظر که تحت هوای فشرده قرار دارد وارد می شود و جوشکاری می نماید. (شکل۲).

در این روش ترجیحا” از پروسه MIG/MAG برای جوشکاری استفاده می شود که شکل ۷ نشان دهنده این پروسه در این نوع جوشکاری است. گاز محافظتی که دراین مورد بکار برده می شود گاز آرگن با مخلوطی از ۵ درصد گاز CO2 می باشد. در صورتیکه از قوس الکتریکی جریان IMPULS استفاده شود درصد CO2 تا ۲ درصد پایین می آید. کار کردن با قوس الکتریکی جریان IMPULS علاوه برنداشتن اشکال فوق الذکر جریان مذاب را خیلی یکنواخت تر هدایت کرده برای جوشکاریهای مقاطع تنگ و محلهایی که دست گرفتن الکترود کمی مشکل است فوق العاده بهتر می باشد. برای جوشکاری فولادهای با درصد کربن کم مقایسه دو نوع الکترود کمی مشکل است فوق العاده بهتر می باشد. برای جوشکاری فولادهای با درصد کربن کم مقایسه دو نوع الکترود مصرف شده یکی از نوع SOLId و دیگری RATE HIGH DEPOSITION نشان داده است که استفاده از الکترود دوم علاوه بر ایجاد خط جوش بسیار محکم با جریان و ولتاژهای متفاوت تر و در محدوده آزادتری از ولتاژ و جریان می تواند کارکند که این خود مزیت دیگری بر استفاده از این نوع الکترود می باشد. در اولین مراحل استفاده از باکس برای جوشکاری خشک تا عمق ۴۳ متری جوشها ی بسیار خوبی در آن داده شد به نحوی که استاندارد API 1104 در مورد آنها صادق بود. جوشکاری در خطوط لوله از جنس فولاد لوله API-5LX و پایه سکوهای دریایی از جنس (BS 4360- GRADE 50D) و ST52-3N انجام گرفت. ضخامت خطوط لوله تا ۲۵/۴ میلی متر می رسید. در باکس جوشکاری عملیات حرارتی قبل و بعد از جوشکاری نیز انجام گرفت. همچنین در این باکس ها جوشکاری آلومینیوم نیز به نحو مطلوبی انجام گرفت.

با افزایش عمق بیش از ۴۳ متربرای جوشکاری در باکس زیر آب مشخص گردید که با روش MIG/MAG بعلت تولید دود زیاد و عدم کنترل بر مذاب جوشهای موفقی رانمی توان انجام داد. لذا در آزمایشهای در اتاق فشار مشابه با عمق ۱۸۳ متری از روش پلاسما و از الکترود روپوش دار CORED WIRE استفاده شد. سرانجام به این نتیجه رسیدند که برای اعماق بالاتر از ۴۳ متر با روش پلاسما و استفاده از الکترود فوق الذکر میتوان خطوط جوش مناسبی را تا عمق ۲۰۰ متری در باکس زیر آب انجام داد.

در تصاویر ۸ و ۹ یک اتاق جوشکاری خشک در زیر آب از نوع شناور و یک آزمایشگاه زیر آبی بنام HELGOLAND متعلق به انجمن تجهیزات هسته ای آلمان GKSS نشان داده شده است.

۲-۳ روش ها ی جوشکاری هیپر بار درزیرآب

۱-۲-۳ جوشکاری مرطوب و جوشکاری خشک هیپر بار با روش حمل تجهیزات توسط غواص به زیر آب

۱-۱-۲-۳ جوشکاری مرطوب

تاریخچه جوشکاری مرطوب در زیر آب به سال ۱۹۱۷ بر می گردد که در آن زمان به صورت جوش قوس الکتریکی دستی انجام گرفته است. استفاده عملی از این روش بیشتر به سالهای جنگ جهانی دوم بر می گرددکه برای بستن سوراخهای کشتیهای جنگی که دراثر عملیات آسیب می دیدند از جوشکاری مرطوب استفاده می شد. پس از آن با توسعه صنایع دریایی جوشکاری مرطوب در زیر آب با روش دستی قوس الکتریکی به عنوان یکی از روشهای متداول در تعمیرسازه های آبی سکوهای دریایی و همچنین خطوط لوله زیر آب شناخته شد. ابتدابرای اتصال PATCH (وصله) به نقاط فرسوده و یا آسیب دیده و با جوش رویهم استفاده شد که عمق آب در محلهای تعمیر تا ۵۰ متر می رسید. پس از آن عمق استفاده از جوش مرطوب افزایش یافت و غیر از یک مورد که در خلیج مکزیک در عمق ۱۸۰ متر این جوش ناموفق بود درسایر موارد تا عمق۶۰ متر کیفیت بسیار خوبی از جوشهایی که با این روش انجام شده مشاهده شده است. لذا عمق ۶۰ متر را میتوان تقریبا” محدوده قابل اعتماد برای جوشکاری هیپر بار مرطوب در زیر آب به روش دستی دانست. (شکل ۴)

غواصانی که جوشکاری مرطوب در زیرآب را انجام می دهند چنانچه بخواهند مدتی طولانی در محدوده عمق ۲۰ تا ۵۰ متربمانند یابیش از ۵۰ متر غوص کنند به جای هوا بایستی با مخلوط گاز اکسیژن و ازت یا هلیم تنفس نمایند. مزایای روش فوق در ساد گی پروسه جوش و عدم نیاز به تجهیزات خاص در نتیجه هزینه کمتر است. ولی این روش دارای معایبی است که می توان به صورت زیرخلاصه نمود:

کیفیت جوش برای فولادهای دریایی که بیشتر از نوع فریتیک هستند پایین است. خاصیت چکش خواری درز جوش کم و تردی و شکنندگی آن زیاد است. در نتیجه جوش قابلیت خمش ضعیفی داشته و مقاومت در مقابل ضربه آن نیز بسیار کم است. علت اصلی این مسئله در سرعت سرد شدن محل جوش در آب است که حدودا” ۱۰تا ۱۵ برابر سرعت سرد شدن آن در هوا می باشد و این باعث سختی و شکنندگی جوش ونفوذ گاز هیدروژن در درز جوش می شود. به دلیل همین نفوذ هیدروژن که ناشی از تجزیه بخا ر آب در محل جوشکاری می باشد جوش دارای تخلخل و ترکهای ریز داخلی می شود. فشار گازایجاد شده ناشی از سوختن الکترود و بخار آب در محل جوش که به صورت متناوب روی قوس الکتریکی اثر میگذارد باعث تغییر در میزان انرژی قوس الکتریکی به صورت متناوب شده واین خود باعث عدم یکدست بودن جوش و در نتیجه وجود حفره در آن است. برای رفع این معایب اقداماتی انجام شده است. از آن جمله میتوان موارد زیر را ذکر نمود:

فولادهای بادرصد کربن بالا % o/4o را با الکترودهای اوستنیتی جوشکاری میکنند.

الکترودهای مخصوص جوشکاری در زیر آب ساخته شده که سرعت سرد شدن آنها کمتر از الکترودهای معمولی است. ( مراجعه به مقاله دوم – فصل اول )

نوک الکترودقوس الکتریکی و محل جوشکاری را به کمک یک مینی باکس ازتاءثیر مداوم گاز و بخار آب ایجاد شده محافظت میکنند. همچنین گاز آرگن را به عنوان گاز محافظ از داخل مینی باکس عبور میدهند.

استفاده از روش MIG/MAG یا جوشکاری تحت حفاظت گاز و حفاظت جریان گاز محافظ که معمولا” آرگن می باشد به کمک جت آب

استفاده از روش MIG/MAG و استفاده از یک نیم کره چرخان از جنس PLEXIGLASS برای محافظت گاز محافظ

(برگرفته از دانشنامه تخصصی مهندسی ایران)