Дайвтехносервис

For foreign partners

Профессиональное водолазное снаряжение и оборудование

+7 (812) 350-95-44
office@diveservice.ru

↑

Мокрая подводная сварка – теперь это просто

25 июня 2009

Подводная сварка применяется уже многие годы, однако ее промышленное использование до сих пор ограничивалось обычной дуговой сваркой плавящимся электродом (Shielded Metal Arc Welding – SMAW)*. Типичные проблемы для сварки плавящимся электродом (SMAW) делятся на две категории; первая связана с механическими или металлургическими свойствами материалов, вторая – с профессиональными навыками и квалификацией исполнителей. Имея в виду обе эти проблемы, британская компания Speciality Welds разработала технологию Hammerhead мокрой точечной сварки (Wet-Spot Welding). Дэвид Китс, специалист по сварке, объяснил, что они называют системой сварки без подготовки при нулевой видимости.

В способе, предлагающем альтернативный подход к сварке, роль водолаза сведена к минимуму – от него больше не требуются навыки зрительной координации движений рук. В новом методе соединение двух материалов точечным или пробочным сварным швом производится посредством устройства с программным управлением. Таким образом, оператор становится просто посредником, подающим ток и обеспечивающим движущую силу, которая «толкает» электрод в материал, как только зажигается дуга.

Отпадает необходимость в традиционной зачистке, подготовке соединения под сварку и удалении сварочного шлака. Для сварки по всей протяженности любого сквозного шва используется один электрод.

Тесты показали, что благодаря скорости сварки механические качества сварного шва были значительно улучшены по сравнению с любым обычным способом мокрой сварки.

В отличие от обычной дуговой сварки плавящимся электродом, этот способ обеспечивает управление сварочным током, необходимым для сварки, не требуя от оператора навыков и знаний сварщика, потому что ток автоматически регулируется и управляется устройством на каждом сварочном цикле. Таким образом, роль водолаза сводится к роли обычного оператора.

ЭКОНОМИЯ ВРЕМЕНИ И ДЕНЕГ

Чтобы производить подводную сварку, требуется серьезная подготовка, при обучении водолаза-сварщика много времени уходит на отработку необходимых навыков. Очевидно также, что многие из этих навыков могут оказаться бесполезными, если обычная дуговая сварка плавящимся электродом производится в условиях практически нулевой видимости и зрительная координация движений рук невозможна.

Однако проблема не исчерпывается наличием необходимых для сварки навыков. В такой же мере важны подготовка кромок под сварку, допустимый зазор и общая чистота соединяемых поверхностей. Учитывая типичные условия, которые существуют в гаванях и портах США и Великобритании, не удивительно, что качество подводой сварки ниже, чем качество надводной.

При подводной сварке часто встречаются такие дефекты как кристаллизация и водородное растрескивание, пористость, шлаковые включения и непровар (кромки и между слоями шва). Существуют также проблемы техники безопасности, связанные с мокрой подводной сваркой, все это было учтено при разработке метода Hammerhead.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ

Первые примеры коммерческой подводной сварки относятся к спасательным судам после Первой мировой войны, однако только в 1983 году Американское общество по сварке AWS (American Welding Society) опубликовало первый стандарт по подводной сварке (AWS D3.6). Хотя сэр Хэмфри Дэви еще в 1802 году впервые продемонстрировал, что электрическая дуга может поддерживаться под водой, ничего не известно о проведении каких-либо экспериментов в этой связи вплоть до начала 1930-х.

В американском университете Лехай проводился один из таких экспериментов, который показал, что необходим постоянный ток, чтобы зажечь и поддерживать дугу под водой. Все эти ранние эксперименты проводились в маленьком стеклянном резервуаре, при этом только руки оператора были погружены в воду.

Американское общество по сварке (AWS) описывает подводную сварку как процесс, при котором между водолазом и сварочной дугой в воде отсутствует физический барьер. Этот конкретный стандарт был подготовлен в ответ на необходимость сертификации, для удобства пользователей была введена классификация сварных швов и параметры качества их выполнения.

Однако этот стандарт распространяется только на обычную дуговую сварку плавящимся электродом. Более современным стандартом по сварке является BSEN ISO 15618-1, который впервые был выпущен в 2002 году и распространяется также на мокрую подводную сварку. Этот стандарт включает технологический процесс и требования приемочных испытаний, правда, и он относится к обычным технологиям подводной сварки угловым и v-образным швами.

Ни в одном из этих стандартов нет уточнений, касающихся возможного качества или пригодности мокрой точечной сварки. Кроме того, и AWS, и BSEN ISO не рассматривают мокрый способ сварки, относя его к второстепенным параметрам.

Однако было показано, что параметры при мокром способе подводной сварки могут значительно отличаться. В частности морская вода содержит до 40 ppt (миллионных долей) прежде всего, натрия и хлорида магния и поэтому имеет более высокую электрическую проводимость, чем пресная вода.

УСТРОЙСТВО И ФУНКЦИИ

В технологии Hammerhead мокрой импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом используется электронное устройство управления. Управление с его помощью рядом основных сварочных функций позволяет производить точечную сварку под водой.

Устройство управления размещено в удобном корпусе и состоит из двухпозиционного переключателя, который приводит в действие устройство; потенциометра1, регулирующего ток сильный/слабый/авто; таймера; амперметра и вольтметра.

Чтобы обеспечить необходимый постоянный ток используется выпрямляющее устройство, оснащенное трансформатором, который преобразует 110 В в более подходящие и безопасные 9 В. Герконовый выключатель пускового устройства запускает таймер как только загорается дуга.

Два потенциометра независимо регулируют установку сильного и слабого тока. Как только они будут установлены, устройство может быть переключено в автоматический режим. Потенциометры настроены таким образом, чтобы подаваемый ток расплавлял электрод, образуя точечный сварной шов.

После включения таймера (после загорания дуги) в течение заданного промежутка времени с потенциометра сильного тока подается предварительно установленный ток. По истечении этого времени запускается потенциометр слабого тока, автоматически включая требуемый слабый ток.

Прохождение слабого тока продолжается до обрыва дуги, после чего устройство автоматически вновь приводится в состояние готовности произвести следующую точечную сварку, хотя пятисекундная задержка препятствует перезапуску системы, водолаз может случайно оборвать дугу. Напротив каждой функции загораются светодиоды, поэтому оператор может постоянно контролировать процесс.

Все параметры сварки устанавливаются до того, как водолаз спустится под воду и будет подключено устройство, связанное со сварочным аппаратом дистанционным управлением и кабелями электропитания 110 В. После подключения сварочный аппарат полностью готов к работе, устройство управляет током. Амперметр и вольтметр обеспечивают визуальный контроль сварочного тока/напряжения, в то время как аварийный выключатель срабатывает при токе 400 А (согласно правилам HSE – Инспекции по охране здоровья и безопасности Великобритании).

Эта система управления помещена в удобный корпус, чтобы облегчить транспортировку, вместе с дистанционным управлением и проводами 110 В.

Настройка сварочного процесса весьма проста. На поверхности, еще до спуска под воду водолаз (на глаз) выбирает подходящий «сильный» ток, достаточный для провара двух соединяемых материалов. Моментально устанавливается время прохождения этого сильного тока, и провар тоже оценивается на глаз по утяжине или пузырю на задней поверхности металла. Если она видна, то провар соответствующего качества, управление таймером и функция «сильный ток» запрограммированы и установлены.

Оператор теперь программирует управление «слабым» током. Функция «слабый ток» не требует использования таймера и устанавливается просто для обеспечения соответствующего тока для питания электрода и выполнения сварки.

После этой операции устройство переводится в автоматический режим. Теперь устройство полностью запрограммировано на автоматическую сварку. Водолаз может теперь спускаться под воду, при необходимости делается небольшая подстройка для данного типа воды и рабочей глубины. После этого можно считать, что устройство запрограммировано на выполнение любого и каждого сварного шва.

Устройство может также быть установлено на ручной режим. Это дает водолазу возможность выбрать значения либо только «сильного», либо только «слабого» тока, позволяя подобрать подходящие параметры для восстановления наплавкой.

Под водой существенно, чтобы оператор не прожег насквозь основной металл. Если это произойдет, качество сварного шва окажется под угрозой – избыточное водяное давление может погасить дугу и тогда произойдет захватывание шлака металлом, непровар и/или образование трещин. Поскольку прожечь метал насквозь возможно только при импульсе «сильного» тока, критическое время «сильного» тока контролируется таймером.

Превышение проплава является функцией как «сильного тока», так и времени горения дуги. Аккуратно управляя обеими функциями, можно обеспечить контроль провара. Прожечь метал насквозь во время импульса «слабого» тока невозможно, поскольку ток слишком слабый. Это устройство, таким образом, сводит роль водолаза просто к «выдвиганию» электрода в материал и поддержанию контакта, что требует не более 5-10 кгс. Условия нулевой видимости никоим образом не повлияют на конечный результат или качество сварки. Необходимая сила была получена экспериментальным путем, на ее основе было вычислено давление, которое нужно приложить при толщине электрода 3,2 мм.

Хотя толщина электродной проволоки составляет 3,2 мм, нужно принять во внимание, что требуется еще внешнее шлакообразующее покрытие, которое увеличивает диаметр примерно до 6,0 мм. Поэтому прикладываемая оператором сила 5-10 кгс будет гарантировать давление в наконечнике электрода порядка 1,73 – 3,49 Н/мм2 (MПa).

Для большинства сварочных операций наконечник электрода находится глубоко в толще материала, поэтому никакой дуги не видно. Поскольку к отдельному оператору не предъявляется требований относительно его навыков сварочных работ, в большей степени обеспечивается управление параметрами, влияющими на качество. Таким образом, упрощается роль оператора, сводя к минимуму влияние водолаза на качество сварки. Это упрощение операций означает, что ни хорошая видимость под водой, ни использование квалифицированной рабочей силы не имеют теперь существенного значения для получения высокого качества сварных швов. Это и есть конструкционная особенность проекта.

ИСПЫТАНИЯ

Сварка проводилась на базе Northern Divers в Гуле. Все используемое водолазное оборудование было стандартным для коммерческих водолазов, то есть воздух поставлялся через шланг, а не от баллона акваланга, которые используются в дайвинге.

Также была обеспечена полноценная радиосвязь, которая позволяла получить и зафиксировать сварочные данные. Все участники испытаний были коммерческими водолазами, имеющими сертификат HSE (Health and Safety Executive – Инспекция по охране здоровья и безопасности), они производили все сварочные работы максимально используя свои трудовые навыки.

Сварка производилась в резервуаре с пресной водой на глубине 3 м. AWS D3.6M-99 и BSEN ISO 15618-1 (без уточнения типа воды, метода сварки, квалификации оператора) позволяет расширить диапазон на +10 м, таким образом, в пределах стандарта допускается максимальная глубина сварки 13 м.

Сила, которую необходимо приложить для обеспечения и поддержания нужного давления во время сварки, определялась исходя из этих соображений. Очевидно, это было непросто, каждый водолаз мог это оценить во время экспериментов.

Для экспериментов использовались электроды 3,2 мм. Электрод для подводной точечной сварки был специально разработан таким образом, чтобы это позволило максимально заменить квалифицированных рабочих неквалифицированными и в то же время поддерживать короткую дугу, необходимую в подводных условиях.

Сварка с использованием системы Hammerhead сама по себе не совсем обычна, поскольку после зажигания дуги видна только небольшая ее часть. Это хорошо продуманная конструктивная особенность, поскольку данная технология не предполагает, что сварщик должен поддерживать определенное состояние дуги, исключая таким образом необходимость квалификационных требований для того, чтобы произвести сварку.

Перед сваркой пластины были просто прижаты, чтобы предотвратить относительное движение между ними. Ни зачистка, ни какая-либо другая подготовка соединения под сварку не производились ни для одного из экспериментов. Сварка проводилась на пластинах в состоянии поставки, правда, пластины для сварщика А были из нержавеющей стали. Сварщик А выполнил точечные сварные швы как «мокрый», так и «сухой», во время сварки под водой видимость была умеренной – приблизительно 30-45 cм.

Сварщик В выполнил «мокрый» и «сухой» точечные сварные швы. Ему разрешили небольшую практику для ознакомления. Подводные пластины сварщика В не были очищены, их поверхность была покрыта тонким слоем ржавчины. Параметры и техника сварки для сварщика В были в точности те же самые, что и для сварщика А. Во время подводной сварки видимость была очень плохая, менее 25 см.

Сварщик С также выполнил «мокрый» и «сухой» точечные сварные швы, его попросили произвести сварку после краткого ознакомления с методом. Подводные пластины сварщика С также не были очищены, их поверхность была покрыта тонким слоем ржавчины. Во время подводной сварки видимость была очень плохая, менее 25 см.

Сварщик D также выполнил «мокрый» и «сухой» точечные сварные швы, но его попросили произвести сварку без какой-либо помощи и практики, демонстрируя, таким образом, возможность использовать данную технологию, не имея навыков. Подводные пластины сварщика D не были очищены, их поверхность была покрыта тонким слоем ржавчины. Во время подводной сварки видимость была полностью нулевой, и вся сварка производилась на ощупь.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

В целом качество точечных сварных швов как «мокрых», так и «сухих», было на удивление сходно, особенно если принимать во внимание видимость, при которой производилась мокрая сварка. Точно так же оказалось, что не было никакого существенного различия между сварными швами, выполненными квалифицированными и не квалифицированными сварщиками.

У всех сварных швов сплавление между основным и наплавленным металлом отвечало заданным требованиям. Тем не менее, они не совсем лишены дефектов, в некоторых «мокрых» точечных сварных швах оказались незначительные газовые поры и шлаковые включения. Однако явным образом ни один из зарегистрированных дефектов не оказывал существенного влияния на среднюю прочность сварного шва, сделанного «мокрым» способом по сравнению с «сухим». Видимых дефектов, заметных невооруженным глазом, не было ни в одном «сухом» точечном сварном шве.

В целом сварные швы были выпуклые и круглые, но между «мокрыми» и «сухими» существовало явное различие. В отличие от «сухих» точечных сварных швов «мокрые» выглядели несколько неопрятно и не слишком гармонировали с верхней поверхностью пластины. Такой внешний вид получился из-за меньшей по размеру сварочной ванны.

Помимо этого, поскольку оператор не управляет электродом, воздействуя только давлением, сводится на нет эффект от манипуляций электродом и управления сварочной ванной, что влияет на окончательный вид сварного шва.

При «сухой» точечной сварке имелась возможность управлять электродом в течение заключительных стадий сварки, что помогало в управлении сварочной ванной/смачивании. Эта манипуляция придала более гладкий, более гармоничный вид, и в результате на «сухих» сварных швах не было брызг металла (которые были видны на всех «мокрых» точечных швах).

Эти брызги образовались из-за избытка материала, который получается при расплавлении стержня электрода. Оказалось, что избыточный материал брызг является следствием дополнительного наплавленного металла от электрода, который образуется в результате продолжающегося давления, приложенного к электроду. Хотя внешне это выглядит не слишком аккуратно, материал брызг позже был легко удален простым ударом молотка.

Общей чертой, как для «мокрых», так и для «сухих» точечных сварных швов является утяжина или пузырь, который образуется на обратной стороне основного материала. Это дает очень удобный признак провара. Хотя и не в точных терминах размеров или глубины, это обеспечивает превосходный метод визуально установить, имеет ли место провар. Там, где нет утяжины/пузыря, там глубина провара недостаточна.

Наружный диаметр сварных швов, сделанных на воздухе (измеренный поперек наибольшего внешнего диаметра шва), был несколько больше, чем у «мокрых» сварных швов. Средний диаметр для «сухого» сварного шва получился 21,48 мм против среднего диаметра для «мокрого» сварного шва 14,39 мм.

«Мокрые» сварные швы в среднем были, таким образом, почти на 50 %, меньше в диаметре (49,27 %) по сравнению с «сухими» сварными швами, сделанными при одинаковых условиях тока/напряжения. Однако это увеличение в диаметре появилось, главным образом, из-за манипуляции оператора с электродом (несмотря на требование не делать этого) непосредственно перед завершением сварки.

Чтобы установить нагрузку, которая требуется, чтобы разрушить как «мокрый», так и «сухой» точечные сварные швы, они были подвергнуты испытанию на растяжение поперек шва. Средняя разрушающая нагрузка точечных сварных швов: 45,63 кН для «сухого» и 39,95 кН для «мокрого». Разница между ними составляет 5,68 кН. Таким образом, прочность «сухого» точечного сварного шва в среднем выше на 14,2 % по отношению к «мокрому».

Увеличенная область измерения для «мокрых» сварных швов оказалась 10,93 мм2, таким образом, произошло увеличение площади поперечного сечения наплавленного металла на 12,67 % (12,7). Для приведения к площади поперечного сечения «сухих» швов, учитывая это относительное изменение площади поперечного сечения «мокрых» швов, можно рассчитать новую разрушающую нагрузку 34,88 кН (34,9). Эта разница в 10,75 кН снижает результаты испытаний на прочность для «мокрых» швов по сравнению с «сухими» еще больше – на 23,55 % (23,6).

Ясно, что вследствие быстрого охлаждения произойдут изменения в механической прочности сварных швов из-за большей скорости охлаждения.

Чтобы лучше понять значение этих результатов, сварные швы были испытаны на прочность, а также исследована их макро- и микроструктура, чтобы выявить общее воздействие сварки под водой. К сожалению, однако, эти особые испытания были выполнены после испытаний на срез, что, возможно, заслонило какие-то незначительные дефекты, которые могли иметь место.

Было также отмечено, что у «сухих» точечных сварных швов усиление больше (что обусловливается фактически большей площадью поперечного сечения «сухого» точечного сварного шва), хотя едва ли это дает какие-то реальные преимущества на языке прочности до разрушения.

Основное влияние на эффективность соединения оказывает скорее достаточное проникновение сварной точки в основной металл, чем размеры усиления сварного шва. Усиление не было результатом избытка брызг металла, а получилось из расплавленного металла сварного шва, который полностью заполнил сварную точку до поверхности пластины. Следует также отметить, что условия видимости мокрой сварки, особенно для сварщиков В и C были плохими, а для D видимость была абсолютно нулевой.

Был проведен ряд испытаний на прочность, которые показали, что результаты для «мокрых» и «сухих» сварных швов были сходными. Несколько удивительно, однако, что реальные «мокрые» сварные швы имели более низкую прочность, чем «сухие». Это противоречит тому, что могло бы ожидаться, поскольку «мокрые» сварные швы охлаждались быстрее, таким образом, швы и металл в зоне термического влияния должны были быть более прочными.

Общий вид «мокрых» сварных швов был несколько менее опрятен, чем «сухих», очевидно из-за более узкой сварочной ванны. Тем не менее, профиль сварного шва не оказывает заметного влияния на результаты механических испытаний.

Средние значения прочности для «мокрых» и «сухих» сварных швов были удовлетворительными, не было выявлено никаких особых проблем в отношении прочности. Фактически при сравнении средних значений для «мокрых» и «сухих» швов (исключая D2 и D4), выяснилось, что различие столь минимально, что не имеет значения.

Макроструктура сварного шва показала, что качество наплавленного металла «мокрого» и «сухого» сварных швов было практически одинаковым, дефектов у «мокрого» не больше по сравнению с «сухим». Следует также отметить, что все сварные швы как «мокрые», так и «сухие», прошли механические испытания до макро/микро экспертизы и проверки на прочность. В принципе это могло до некоторой степени сказаться на полученных результатах. Однако качество мокрой точечной сварки показало, что на этот метод сварки можно полагаться при сварке под водой, по крайней мере, во всех отношениях она столь же эффективна, как обычная мокрая дуговая сварка.

В отличие от обычной мокрой сварки для выполнения любого сварного шва новым методом никакой очистки сварного шва или подготовки соединения под сварку не требовалось. Таким образом, сварочная эффективность была значительно увеличена, весь процесс сварки занял 27 секунд. Было продемонстрировано, что благодаря специально разработанному устройству управления основными параметрами сварки роль водолаза сводится к минимуму даже при нулевых условиях видимости.

Cледует признать, однако, что роль водолаза все еще важна при выполнении удовлетворяющих заданным требованиям сварных швов из-за необходимости применять надлежащее давление. Тем не менее, этот метод сварки успешно продемонстрировал способ соединения углеродистых сталей, что исключает потребность в квалифицированных сварщиках, а также и все обычные операции по зачистке/подготовке поверхностей.

Кроме того, были успешно выполнены «мокрые» сварные швы даже в условиях нулевой видимости. Такой подход предполагает существенное снижение стоимости работ по сравнению с обычной способом мокрой сварки.

ВЫВОДЫ И ДАЛЬНЕЙШИЕ РАБОТЫ

Эксперименты продемонстрировали, что метод Hammerhead пригоден для сварки конструкционных сталей под водой. В то же время технология дает коммерческие выгоды в скорости, качестве и стабильности по отношению к обычной мокрой сварке, избавляя от необходимости использовать квалифицированных сварщиков и позволяя работать в условиях практически нулевой видимости.

Потребуется дальнейшая работа, чтобы в полной мере оценить эту сварочную технологию. Должны быть опробованы также и другие материалы, размеры электрода, изменения типа воды и ее глубины вместе с различными видами конструкционных сталей.

Хотя были выполнены всего несколько сварных швов, со всей очевидностью было показано, что водолазы со скромными навыками и знаниями в области сварки или вовсе их не имеющие, сумели выполнить соответствующие требованиям точечные сварные швы так же легко, как и квалифицированные сварщики. Также было показано, что видимость не влияла на выполнение или качество сварки. В конечном итоге существенно не повлияло на качество швов и отсутствие зачистки и подготовки поверхностей к сварке.

Хотя этот метод сварки не является полностью автоматическим, устройство управления способно управлять основными параметрами сварки, неоднократно выполняя сварные швы. Очевидно, что каждый водолаз должен лично обеспечивать соответствующее давление на электрод, чтобы выполнить отвечающий требованиям сварной шов. По показателям прочности «мокрые» точечные сварные швы имели необходимое качество, их свойства приближались к свойствам «сухих» точечных сварных швов.

Стало очевидным, что точечный метод сварки обеспечивает значительно более быстрый метод соединения, чем обычная мокрая дуговая сварка плавящимся электродом, поскольку при этом методе не тратится время на подготовку соединения под сварку или очистку материала/сварного шва. Точечные сварные швы («мокрые» и «сухие») были выполнены за секунды. Очевидно, что технология Hammerhead остается ручной операцией, несмотря на устройство управления. Однако данная технология имеет перспективы для автоматизации, что может представлять большой интерес в будущем, поскольку в настоящее время давление на электрод во время сварки должен обеспечивать непосредственно водолаз.

Дэвид Китс из компании Speciality Welds – дипломированный главный инспектор по сварке, а также утвержденный инспектор по сварке страховой компании Zurich Insurance. В конце 1980-х он был привлечен к разработке изделий и услуг для подводных сварочных работ. Дэвид разрабатывал и вел первую программу подводной сварки, одобренную EAL – ведущей квалификационной организацией Великобритании, с 1991 года был привлечен к обучению и тестированию сварщиков.

Каталог продукции

Барокамеры и барокомплексы Пневматические и гидравлические системы Водолазное снаряжение Средства для обеспечения водолазных спусков и подводно-технических работ Гидрокостюмы Компрессорное оборудование Средства подводного позиционирования, поиска, обнаружения, передачи данных Снаряжение специального назначения Телеуправляемые подводные аппараты Обитаемые подводные аппараты Печатная продукция