جوشکاری زیر آب
بیش از صد سال است که قوس الکتریکی در جهان شناخته شده و به‌کار گرفته می‌شود، اما اولین جوشکاری زیر آب توسط نیروی دریایی بریتانیا انجام شد. در آن زمان یک کارخانه کشتی‌سازی برای آب‌بند کردن نشت‌های موجود در پرچ‌های زیر کشتی که در آب واقع شده بود از جوشکاری زیرآبی بهره گرفت. در کارهای تولیدی که در زیر آب انجام می‌شود، جوشکاری زیرآبی ابزاری مهم و کلیدی به شمار می‌رود. در 1946 الکترودهای ضدآب ویژه‌ای توسط وان در ویلیجن[1] هلند توسعه یافت. سازه‌های فراساحلی 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 تشکیل‌دهنده آن و یا حوادث غیرمترقبه از قبیل طوفان تجربه خواهند کرد. در این میان، هر گونه روش بازسازی و مرمت در این گونه سازه‌ها مستلزم استفاده از جوشکاری زیرآبی است.
طبقه‌بندی جوشکاری زیرآبی
جوشکاری زیرآبی را می‌توان در دو دسته طبقه‌بندی کرد:
1. جوشکاری مرطوب
2. جوشکاری خشک
در روش جوشکاری مرطوب، عملیات جوشکاری در زیر آب اجرا شده و مستقیما با محیط مرطوب سروکار دارد. در روش جوشکاری خشک، یک اتاقک خشک در نزدیکی محلی که می‌بایستی جوشکاری شود ایجاد شده و جوشکار کار خود را با قرار گرفتن در داخل اتاقک انجام می‌دهد.
جوشکاری مرطوب
نام جوشکاری مرطوب حاکی از آن است که جوشکاری که در زیرآب صورت می‌پذیرد، مستقیما در معرض محیط مرطوب قرار دارد. در این روش جوشکاری از نوعی الکترود ویژه استفاده می‌شود و جوشکاری به صورت دستی درست مانند همان روش جوشکاری صورت می‌گیرد که در فضای بیرون آب انجام می‌شود. آزادی عملی که جوشکار در حین جوشکاری در این روش دارد، جوشکاری مربوط را موثرتر و به روشی کاراتر و از نقطه‌نظر اقتصادی مقرون به صرفه کرده است. تامین‌کننده نیروی جوشکاری روی سطح مستقر شده است و توسط کابل‌ها و شیلنگ‌ها به غواص یا جوشکار متصل می‌شود.
در جوشکاری مرطوب قوس فلزی دستی[2] دو مشخصه زیر به کار گرفته می‌شود:
تامین‌کننده نیرو: DC
قطبیت: قطبیت منفی
اگر از جریان DC و قطب مثبت استفاده شود، برقکافت روی داده و سبب خراب‌شدگی و از بین رفتن سریع اجزای فلزی نگهدارنده الکترود می‌شود. برای جوشکاری مرطوب از جریان AC نیز به دلیل عدم امنیت کافی و وجود مشکلاتی که در حفاظت از قوس در زیر آب وجود دارد، استفاده نمی‌شود.
شکل 1: شکل شماتیک تجهیزات جوشکاری زیر آب
همان‌طور که در شکل 1 مشاهده می‌شود، منبع تغذیه می‌بایستی یک دستگاه جریان مستقیم و دارای رده‌بندی آمپر بین 300 تا 400 باشد. دستگاههای جوشکاری ژنراتور موتور اغلب برای جوشکاری مرطوب، استفاده می‌شوند. پیکره دستگاه جوشکاری می‌بایستی در پایین، زیر کشتی قرار داده شده باشد. مدار جوشکاری می‌بایستی شامل نوعی سوئیچ مثبت باشد که معمولاً از یک کلید تیغه‌ای استفاده می‌شود و از جوشکار (غواص) فرمان می‌گیرد. کلید تیغه‌ای در مدار الکترود می‌بایستی در تمام طول جوشکاری در برابر شکسته شدن مقاوم باشد و نیز از امنیت کافی برخوردار باشد. منبع تغذیه جوشکاری می‌بایستی در حین فرایند جوشکاری تنها به نگهدارنده الکترود وصل باشد. در این روش از جریان مستقیم همراه با 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 دارد.
نوع الکترودی که به کار گرفته می‌شود بر طبق استاندارد انجمن جوشکاری امریکا[3] در طبقه‌بندی E6013 قرار گرفته است. این الکترودها می‌بایستی ضدآب باشند و تمامی اتصالات نیز باید به گونه‌ای عایق‌بندی شده باشند که آب نتواند با قسمت‌های فلزی کوچک‌ترین تماسی داشته باشد. اگر عایق‌بندی شکستگی داشته باشد و یا قسمتی از آن ترک داشته باشد، آنگاه آب می‌تواند با فلز رسانا تماس پیدا کرده، موجب ایجاد نقص و در نهایت کار نکردن قوس شود. به علاوه این‌که ممکن است خوردگی سریع مس در قسمتی که عایق ترک خورده است، ایجاد شود.
جوشکاری بیش فشار (جوشکاری خشک)
جوشکاری بیش فشار در اتاقک‌های پلمپ شده در اطراف سازه یا قطعه‌ای که می‌خواهد جوشکاری شود، استفاده می‌شود. این اتاقک در یک فشار معمولی پر از گاز می‌شود (که معمولاً از هلیوم حاوی نیم بار اکسیژن است). این جایگاه روی خطوط لوله قرار گرفته و با هوایی مخلوط از هلیوم و اکسیژن که قابل تنفس باشد پر شده و در فشاری که جوشکاری آنجا صورت می‌پذیرد و یا فشاری بیشتر از آن اجرا می‌شود. در این روش، اتصالات جوش بسیار با کیفیتی با اشعه ایکس و دیگر تجهیزات لازم ایجاد می‌شود. فرایند جوشکاری قوس گاز تنگستن در این قسمت به کار گرفته خواهد شد. محوطه زیر جایگاه در معرض آب قرار دارد. بنابراین جوشکاری در محلی خشک در فشار هیدرو استاتیکی آب دریا که در محیط مجاور آن قرار دارد، انجام می‌شود.
خطرات بغرنج
برای غواص یا جوشکار خطر شوک الکتریکی وجود خواهد داشت. اقدامات احتیاطی لازم عبارتند از: عایق‌بندی 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. اقدام‌های احتیاطی می‌بایستی در مورد بلند کردن کپسول‌های گاز نیز رعایت شود. به این دلیل که آنها به صورتی بالقوه توانایی زیادی برای منفجر شدن دارند. خطر بعدی که سلامت یا جان جوشکار را تهدید می‌کند نیتروژنی است که در فشار زیاد در معرض هوا قرار گرفته و می‌تواند به وی آسیب برساند. اقدامات احتیاطی شامل فراهم‌آوری یک منبع گاز یا هوای اضطراری می‌شود که در کنار غواص قرار گرفته و نیز اتاقک فشارزدایی برای پیشگیری از خفگی توسط نیتروژن است که بعد از اشباع شدن روی سطح پخش می‌شود. در سازه‌هایی که از جوشکاری مرطوب زیرآب استفاده میکنند، بازرسی بعد از جوشکاری ممکن است بسیار مشکل‌تر از جوشکاری‌هایی باشد که در محیط بیرون و در معرض هوا انجام می‌شود. اطمینان از بی‌نقص بودن چنین جوشکاری‌هایی به مراتب اهمیت بیشتری می‌یابد و در واقع احتمال این‌که عیب و کاستی ناشناخته‌ای پدیدار شود، وجود دارد.
مزایای جوشکاری خشک
ایمنی غواص: جوشکاری در یک اتاقک صورت گرفته که موجب مصون ماندن جوشکار از جریانات اقیانوسی و یا احتمالاً موجودات دریایی می‌شود. این جایگاه خشک و گرم از روشنایی مطلوبی برخوردار است و از سیستم کنترل محیط[4] خاصی نیز بهره می‌گیرد.
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 است که دیگر آبی وجود ندارد که بخواهد جوش را خاموش و یا قطع کند و میزان گاز هیدروژن تولیدی آن بسیار کمتر از جوشکاری‌های مرطوب است.
کنترل سطح: آماده‌سازی اتصال، هم‌ترازی لوله، بررسی آزمایش غیرمخرب و غیره به صورت عینی کنترل و تنظیم می‌شوند.
آزمون غیرمخرب: آزمون غیرمخرب برای محیط خشک جایگاه تسهیل شده است.
معایب جوشکاری خشک
اتاقک یا جایگاه جوشکاری به تجهیزات پیچیده و خدمات پشتیبانی زیادی نیاز دارد و خود اتاقک به طرز غیرمتعارفی پیچیده است.
هزینه و ارزش مالی این اتاقک به صورت قابل ملاحظه‌ای بالاست و بسته به عمق محل کار هزینه آن افزایش می‌یابد. عمق محل جوشکاری در کار تاثیر می‌گذارد، به گونه‌ای که در اعماق بیشتر جمع کردن قوس و استفاده از ولتاژهای بالاتر و متناسب با آن لازم و ضروری می‌باشد. انجام یک کار جوشکاری بدین شکل، هزینه‌ای بالغ بر 80000 دلار دارد و 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.
مزایای جوشکاری مرطوب
جوشکاری مرطوب که در زیر آب به صورت دستی صورت می‌گیرد، در مرمت و بازسازی سازه‌های فراساحلی در سال‌های اخیر به سرعت در حال رشد و گسترش است.
از جمله فواید جوشکاری مرطوب می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
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 فراساحلی دسترسی داشته باشد که با استفاده از روشهای دیگر قابل جوشکاری نیست.
احتیاج به هیچ نوع محصورسازی نیست. بنابراین زمانی نیز برای آن تلف نخواهد شد، تجهیزات و دستگاههای استاندارد مرسوم به آسانی قابل استفاده است.
به وسایل زیادی برای انجام یک کار جوشکاری موردنیاز نیست.
معایب جوشکاری مرطوب
اگرچه جوشکاری مرطوب، کاربرد گسترده‌ای یافته است ولی همچنان از وجود نواقصی رنج می‌برد، از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
آبدیدگی سریع فلز جوشکاری: دلیل این آبدیدگی آبی است که در اطراف آن وجود دارد. اگرچه آبدیدگی، نیروی تنش‌پذیری را در جوشکاری افزایش می‌دهد ولی میزان کش‌پذیری و موثر بودن جوش را کاهش داده و سختی آن را افزایش می‌دهد.
تولید زیاد هیدروژن: حجم بسیار زیادی از هیدروژن در منطقه جوشکاری ایجاد می‌شود که بر اثر تفکیک بخار آب در منطقه قوس به وجود آمده است. گاز هیدروژن موجود در محیط HAZ در فلز جوشکاری حل شده و باعث ایجاد ترک‌خوردگی و شکاف‌های میکروسکوپیک می‌شود.
از دیگر معایب آن دیدپذیری کم است. گاهی اوقات جوشکار نمی‌تواند به درستی منطقه موردنظر را جوش دهد.
نحوه عملکرد جوشکاری مرطوب
فرایند جوشکاری مرطوب در زیر آب طی مراحل زیر انجام می‌شود.
قطعه‌کاری که قرار است جوش داده شود به یک طرف مدار الکتریکی متصل شده و الکترود فلزی در طرف دیگر مدار، قرار می‌گیرد. این دو قسمت 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. این امر 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 همان‌طور که گفته شد از جریان فلز مذاب محافظت می‌کند. قوس در یک منطقه حفره مانند ذوب می‌شود و جوش را پدیدار می‌سازد.
پیشرفت‌های حاصل در زمینه جوشکاری در زیرآب
مدت‌های مدیدی جوشکاری مرطوب به عنوان تکنیک جوشکاری در زیر آب مورد استفاده قرار می‌گرفت و هنوز هم این روش مرسوم است. اخیراً با پیشرفت‌هایی که در زمینه ساخت سازه‌های فراساحلی صورت گرفته، اهمیت جوشکاری زیر آبی را به طرز پیش‌بینی شده‌ای افزایش داده است. این امر، منجر به توسعه روشهای جوشکاری دیگر از قبیل جوشکاری سایشی[5]، جوشکاری انفجاری[6] و جوشکاری عمودی[7] شده است، اما هم‌اکنون مطالب قابل قبول و کافی در این زمینه برای ارائه وجود ندارد.
گستره پیشرفت‌های آینده
جوشکاری قوس فلزی دستی مرطوب همچنان برای نوسازی و احیای سازه‌های زیرآبی، استفاده می‌شود، اما کیفیت آن کافی نیست و مستعد شکست هیدروژنی است. از این رو جوشکاری‌های بیش فشار (خشک)، کیفیت بهتری نسبت به جوشکاری‌های مرطوب دارند و امروزه گرایش و رویه میل به سوی اتوماسیون دارد. همچنین ربات تحت کنترل مدار[8] بیش فشار که از گاز بی‌اثر تنگستن استفاده می‌کند، توسعه بخشیده شد تا در جاهایی که غواص عملیات لوله‌کشی و نصب خط لوله را انجام می‌دهد، باقیمانده فرایند کار را برعهده گیرد.
رباتهای جوشکار در زیر آب
رباتهایی که زیر آب فعالیت میکنند
گروه تحقیقاتی دینامیک و رباتیک
هدف از فعالیت‌های این گروه تحلیل و دینامیکی و کنترلی سیستم‌های شناور و غوطه‌ور سطحی و زیرسطحی و همچنین بازوهای مکانیکی که بعضاً بر روی این سیستم‌ها نصب می‌گردند می‌باشد. این تجزیه و تحلیل مقدمه‌ای برای ساخت سیستم‌های کاربردی است که امید است در آینده نزدیک به این تکنولوژی دست یابیم. مجموعه فعالیت‌های این گروه به دو بخش سیستم‌های رباتیکی و دینامیک و ارتعاشات سازه‌های دریایی تقسیم می‌شود که در ادامه به اختصار توصیف شده‌اند.
1- سیستم‌های رباتیکی Robotic Systems
بیش از 70 درصد سطح زمین توسط آب پوشیده شده است. اقیانوس‌ها دارای حجم وسیعی از منابع معدنی و حیاتی هستند. حجم زیاد انرژی و فضای موجود اقیانوس‌ها نقش بسیار مهمی در فعالیت‌های آینده اقتصادی – اجتماعی بشر خواهد داشت. علیرغم این وسعت و اهمیت تاکنون تلاش کمی در بکارگیری پتانسیل‌های مثبت و مواجه با پتانسیل‌های منفی این منبع عظیم خدادادی صورت پذیرفته است.
در دهه‌های گذشته استفاده از سیستم‌های رباتیکی در زیر آب به دلیل برتری آنها در مقایسه با غواصی در عملیات آبهای عمیق و محیط‌های خطرناک افزایش چشمگیری یافته است. از کاربردهای این سیستم‌ها می‌توان ماهیگیری، مانیتورکردن آلودگی‌های زیر آبی، پاک‌کردن زباله‌های دریایی، عملیات بازبینی، تعمیر و نگهداری تجهیزات زیرآبی و ... را نام برد.