Nota del editor: Pharmaceutical Online se complace en presentar este artículo de cuatro partes sobre soldadura orbital de tuberías de bioprocesos por la experta de la industria Barbara Henon de Arc Machines. Este artículo es una adaptación de la presentación del Dr. Henon en la conferencia ASME a fines del año pasado.
Evite la pérdida de resistencia a la corrosión. El agua de alta pureza, como DI o WFI, es un grabador muy agresivo para el acero inoxidable. Además, el WFI de grado farmacéutico se somete a ciclos de alta temperatura (80 °C) para mantener la esterilidad. también pueden estar presentes formas de hierro, cromo y níquel. La presencia de colorete es letal para algunos productos y su presencia puede conducir a una mayor corrosión, aunque su presencia en otros sistemas parece ser bastante benigna.
La soldadura puede afectar negativamente la resistencia a la corrosión. El color caliente es el resultado del material oxidante depositado en las soldaduras y las ZAT durante la soldadura, es particularmente perjudicial y está asociado con la formación de colorete en los sistemas de agua farmacéuticos. La formación de óxido de cromo puede causar un tinte caliente, dejando una capa empobrecida en cromo que es susceptible a la corrosión. Sin embargo, el decapado y el esmerilado son perjudiciales para el acabado de la superficie. La pasivación del sistema de tuberías con ácido nítrico o formulaciones de agentes quelantes se realiza para superar los efectos adversos de la soldadura y la fabricación antes de que el sistema de tuberías se ponga en servicio. capa y no penetra por debajo de 50 angstroms, mientras que la coloración térmica puede extenderse 1000 angstroms o más por debajo de la superficie.
Por lo tanto, para instalar sistemas de tuberías resistentes a la corrosión cerca de sustratos no soldados, es importante tratar de limitar el daño inducido por la soldadura y la fabricación a niveles que puedan recuperarse sustancialmente mediante la pasivación. Esto requiere el uso de un gas de purga con un contenido mínimo de oxígeno y el suministro al diámetro interior de la junta soldada sin contaminación por el oxígeno atmosférico o la humedad. El control preciso de la entrada de calor y evitar el sobrecalentamiento durante la soldadura también es importante para evitar la pérdida de resistencia a la corrosión. así como el manejo cuidadoso de las tuberías y componentes de acero inoxidable durante la fabricación para evitar la contaminación, son requisitos esenciales para un sistema de tuberías de alta calidad que resista la corrosión y brinde un servicio productivo a largo plazo.
Los materiales utilizados en los sistemas de tuberías de acero inoxidable biofarmacéuticos de alta pureza han experimentado una evolución hacia una mejor resistencia a la corrosión durante la última década. La mayoría del acero inoxidable utilizado antes de 1980 era acero inoxidable 304 porque era relativamente económico y una mejora con respecto al cobre utilizado anteriormente. De hecho, los aceros inoxidables de la serie 300 son relativamente fáciles de mecanizar, se pueden soldar por fusión sin pérdida indebida de su resistencia a la corrosión y no requieren tratamientos especiales de precalentamiento y poscalentamiento.
Recientemente, el uso de acero inoxidable 316 en aplicaciones de tuberías de alta pureza ha ido en aumento. El tipo 316 tiene una composición similar al tipo 304, pero además de los elementos de aleación de cromo y níquel comunes a ambos, el 316 contiene aproximadamente un 2 % de molibdeno, lo que mejora significativamente la resistencia a la corrosión del 316. Los tipos 304L y 316L, denominados grados “L”, tienen un contenido de carbono más bajo que los grados estándar (0,0 35% frente a 0,08%). Esta reducción en el contenido de carbono tiene como objetivo reducir la cantidad de precipitación de carburo que puede ocurrir debido a la soldadura. Esta es la formación de carburo de cromo, que agota los límites de grano del metal base de cromo, haciéndolo susceptible a la corrosión. La formación de carburo de cromo, llamada "sensibilización", depende del tiempo y la temperatura y es un problema mayor cuando se suelda a mano. soldaduras más resistentes que las soldaduras similares hechas a mano. Esto se debe a que la soldadura orbital proporciona un control preciso del amperaje, la pulsación y la sincronización, lo que da como resultado una entrada de calor más baja y más uniforme que la soldadura manual. La soldadura orbital en combinación con los grados "L" 304 y 316 prácticamente elimina la precipitación de carburo como factor en el desarrollo de la corrosión en los sistemas de tuberías.
Variación de calor a calor del acero inoxidable. Aunque los parámetros de soldadura y otros factores se pueden mantener dentro de tolerancias bastante estrictas, aún existen diferencias en la entrada de calor requerida para soldar acero inoxidable de calor a calor. Un número de calor es el número de lote asignado a un fundido de acero inoxidable específico en la fábrica. dependiendo del tipo y concentración de cada aleación o elemento traza presente. Dado que no hay dos coladas de acero inoxidable que contengan exactamente la misma concentración de cada elemento, las características de soldadura variarán de un horno a otro.
SEM de soldaduras orbitales de tubería 316L en tubería AOD (arriba) y material EBR (abajo) mostró una diferencia significativa en la suavidad del cordón de soldadura.
Si bien un solo procedimiento de soldadura puede funcionar para la mayoría de las coladas con un diámetro exterior y un grosor de pared similares, algunas coladas requieren menos amperaje y otras requieren un amperaje más alto que el típico. Por esta razón, el calentamiento de diferentes materiales en el lugar de trabajo debe controlarse cuidadosamente para evitar posibles problemas. A menudo, la nueva colada requiere solo un pequeño cambio en el amperaje para lograr un procedimiento de soldadura satisfactorio.
Problema de azufre. El azufre elemental es una impureza relacionada con el mineral de hierro que se elimina en gran medida durante el proceso de fabricación del acero. Los aceros inoxidables AISI tipo 304 y 316 se especifican con un contenido máximo de azufre de 0,030%. de las siguientes maneras.su composición química. Se ha observado que las propiedades del baño de soldadura cambian cuando el contenido de azufre del acero está por debajo de 0,008%. Esto se debe al efecto del azufre y, en menor medida, de otros elementos sobre el coeficiente de temperatura de la tensión superficial del baño de soldadura, que determina las características de flujo del baño de líquido.
A concentraciones de azufre muy bajas (0,001 % – 0,003 %), la penetración del baño de soldadura se vuelve muy amplia en comparación con soldaduras similares realizadas en materiales con un contenido de azufre medio. Las soldaduras realizadas en tuberías de acero inoxidable con bajo contenido de azufre tendrán soldaduras más anchas, mientras que en tuberías de pared más gruesa (0,065 pulgadas o 1,66 mm o más) habrá una mayor tendencia a realizar soldaduras. soldadura, especialmente con paredes más gruesas. En el extremo superior de la concentración de azufre en acero inoxidable 304 o 316, el cordón de soldadura tiende a tener una apariencia menos fluida y más áspera que los materiales de azufre medio. Por lo tanto, para la soldabilidad, el contenido ideal de azufre estaría en el rango de aproximadamente 0.005% a 0.017%, como se especifica en ASTM A270 S2 para tubería de calidad farmacéutica.
Los productores de tubos de acero inoxidable electropulidos han notado que incluso los niveles moderados de azufre en el acero inoxidable 316 o 316L dificultan satisfacer las necesidades de sus clientes biofarmacéuticos y de semiconductores de superficies interiores lisas y sin picaduras. El uso de microscopía electrónica de barrido para verificar la suavidad del acabado de la superficie del tubo es cada vez más común. vacíos en el rango de 0.25-1.0 micras.
Los fabricantes y proveedores de tubos electropulidos están impulsando el mercado hacia el uso de materiales con contenido ultra bajo de azufre para cumplir con sus requisitos de acabado superficial. Sin embargo, el problema no se limita a los tubos electropulidos, ya que en los tubos no electropulidos las inclusiones se eliminan durante la pasivación del sistema de tuberías. Se ha demostrado que los huecos son más propensos a las picaduras que las superficies lisas. Por lo tanto, existen algunas razones válidas para la tendencia hacia materiales "más limpios" con bajo contenido de azufre.
Desviación del arco. Además de mejorar la soldabilidad del acero inoxidable, la presencia de algo de azufre también mejora la maquinabilidad. Como resultado, los fabricantes y fabricantes tienden a elegir materiales en el extremo superior del rango de contenido de azufre especificado. La soldadura de tuberías con concentraciones muy bajas de azufre a accesorios, válvulas u otras tuberías con mayor contenido de azufre puede crear problemas de soldadura porque el arco estará sesgado hacia tuberías con bajo contenido de azufre. que es lo contrario de lo que sucede cuando se sueldan tuberías con concentraciones de azufre coincidentes. En casos extremos, el cordón de soldadura puede penetrar completamente el material con bajo contenido de azufre y dejar el interior de la soldadura completamente sin fusionar (Fihey y Simeneau, 1982). ) (VIM+VAR) ) para la fabricación de accesorios y otros componentes destinados a ser soldados a tuberías con bajo contenido de azufre. La soldadura de dos materiales de muy bajo contenido de azufre entre sí es mucho más fácil que la soldadura de un material de muy bajo contenido de azufre con uno de alto contenido de azufre.
El cambio hacia el uso de tubos con bajo contenido de azufre se debe en gran parte a la necesidad de obtener superficies de tubo interior electropulidas lisas. Si bien el acabado superficial y el electropulido son importantes tanto para la industria de semiconductores como para la industria biotecnológica/farmacéutica, SEMI, al redactar la especificación de la industria de semiconductores, especificó que la tubería 316L para las líneas de gas de proceso debe tener una tapa de 0,004 % de azufre para un rendimiento óptimo. contenido de azufre a un rango de 0.005 a 0.017%. Esto debería resultar en menos dificultades de soldadura en comparación con los azufres de rango más bajo. Sin embargo, se debe tener en cuenta que incluso dentro de este rango limitado, la desviación del arco aún puede ocurrir cuando se sueldan tuberías con bajo contenido de azufre en tuberías o accesorios con alto contenido de azufre, y los instaladores deben realizar un seguimiento cuidadoso del calentamiento del material y verificar antes de la fabricación. La compatibilidad de la soldadura entre el calentamiento.
otros elementos traza. Se ha descubierto que los elementos traza, incluidos azufre, oxígeno, aluminio, silicio y manganeso, afectan la penetración. Las cantidades traza de aluminio, silicio, calcio, titanio y cromo presentes en el metal base como inclusiones de óxido están asociadas con la formación de escoria durante la soldadura.
Los efectos de los diversos elementos son acumulativos, por lo que la presencia de oxígeno puede compensar algunos de los efectos del bajo contenido de azufre. Los altos niveles de aluminio pueden contrarrestar el efecto positivo en la penetración del azufre. El manganeso se volatiliza a la temperatura de soldadura y se deposita en la zona afectada por el calor de la soldadura. Estos depósitos de manganeso están asociados con la pérdida de resistencia a la corrosión. (Consulte Cohen, 1997).
Formación de escoria. Ocasionalmente aparecen islas de escoria en el cordón de acero inoxidable para algunos calores. Este es un problema intrínseco del material, pero a veces los cambios en los parámetros de soldadura pueden minimizarlo, o los cambios en la mezcla de argón/hidrógeno pueden mejorar la soldadura. Pollard descubrió que la proporción de aluminio y silicio en el metal base afecta la formación de escoria. Sin embargo, cuando la relación Al/Si está por encima de este nivel, se puede formar escoria esférica en lugar del tipo de placa. Este tipo de escoria puede dejar picaduras después del electropulido, lo cual es inaceptable para aplicaciones de alta pureza. Las islas de escoria que se forman en el DE de la soldadura pueden causar una penetración desigual del pase de DI y pueden resultar en una penetración insuficiente. Las islas de escoria que se forman en el cordón de soldadura de DI pueden ser susceptibles a la corrosión.
Soldadura de una sola pasada con pulsación. La soldadura de tubo orbital automática estándar es una soldadura de una sola pasada con corriente pulsada y rotación continua a velocidad constante. Esta técnica es adecuada para tuberías con diámetros exteriores de 1/8″ a aproximadamente 7″ y espesores de pared de 0,083″ e inferiores. la unión soldada hasta que la soldadura se una o se superponga a la parte inicial de la soldadura durante la última capa de soldadura. Cuando se completa la conexión, la corriente disminuye en una caída cronometrada.
Modo escalonado (soldadura “sincronizada”). Para la soldadura por fusión de materiales de paredes más gruesas, generalmente mayores a 0,083 pulgadas, la fuente de poder de soldadura por fusión se puede usar en modo síncrono o escalonado. En modo síncrono o escalonado, el pulso de corriente de soldadura está sincronizado con la carrera, por lo que el rotor está estacionario para una penetración máxima durante pulsos de corriente alta y se mueve durante pulsos de corriente baja. de un segundo tiempo de pulso para soldadura convencional. Esta técnica puede soldar con eficacia tubería de pared delgada calibre 40 de 0.154″ o 6″ de espesor con 0.154″ o 6″ de espesor de pared. es menos adecuado para aplicaciones de ultra alta pureza (UHP) debido a la costura más ancha y áspera.
Variables programables. La generación actual de fuentes de poder de soldadura está basada en un microprocesador y almacena programas que especifican valores numéricos para parámetros de soldadura para un diámetro específico (OD) y espesor de pared de la tubería a soldar, incluyendo tiempo de purga, corriente de soldadura, velocidad de viaje (RPM), número de capas y tiempo por capa, tiempo de pulso, tiempo de descenso, etc. brecha) y cuesta arriba. Para realizar la soldadura por fusión, instale el cabezal de soldadura con el electrodo apropiado y los insertos de abrazadera para tubería en la tubería y recupere el programa o programa de soldadura de la memoria de la fuente de alimentación. La secuencia de soldadura se inicia presionando un botón o una tecla del panel de membrana y la soldadura continúa sin la intervención del operador.
Variables no programables. Para obtener una buena calidad de soldadura constante, los parámetros de soldadura deben controlarse cuidadosamente. Esto se logra a través de la precisión de la fuente de poder de soldadura y el programa de soldadura, que es un conjunto de instrucciones ingresadas en la fuente de poder, que consta de parámetros de soldadura, para soldar un tamaño específico de tubo o tubería. buen equipo de preparación de extremos, buenas prácticas de limpieza y manejo, buenas tolerancias dimensionales de la tubería u otras partes que se están soldando, tipo y tamaño de tungsteno consistente, gases inertes altamente purificados y atención cuidadosa a las variaciones del material.- Alta temperatura.
Los requisitos de preparación para la soldadura de extremos de tuberías son más críticos para la soldadura orbital que para la soldadura manual. Las uniones soldadas para la soldadura orbital de tuberías suelen ser uniones a tope cuadradas. Para lograr la repetibilidad deseada en la soldadura orbital, se requiere una preparación precisa, constante y maquinada de los extremos. Dado que la corriente de soldadura depende del grosor de la pared, los extremos deben ser cuadrados, sin rebabas ni biseles en el DE o el DI, lo que daría como resultado diferentes grosores de pared.
Los extremos de los tubos deben encajar en el cabezal de soldadura para que no quede un espacio perceptible entre los extremos de la unión a tope cuadrada. Aunque se pueden lograr uniones soldadas con espacios pequeños, la calidad de la soldadura puede verse afectada negativamente. Cuanto mayor sea el espacio, más probable es que haya un problema. Un ensamblaje deficiente puede resultar en una falla total de la soldadura. y otros, a menudo utilizados para hacer soldaduras orbitales de extremos lisos adecuadas para el mecanizado. Las sierras tronzadoras, las sierras para metales, las sierras de cinta y los cortadores de tubos no son adecuados para este propósito.
Además de los parámetros de soldadura que aportan energía para soldar, existen otras variables que pueden tener un efecto profundo en la soldadura, pero no son parte del procedimiento de soldadura real. Esto incluye el tipo y tamaño de tungsteno, el tipo y la pureza del gas utilizado para proteger el arco y purgar el interior de la unión soldada, el caudal de gas utilizado para purgar, el tipo de cabezal y fuente de alimentación utilizada, la configuración de la unión y cualquier otra información relevante. Llamamos a estas variables "no programables" y las registramos en el programa de soldadura. Por ejemplo, el tipo de gas se considera una variable esencial en la Especificación del procedimiento de soldadura (WPS) para que los procedimientos de soldadura cumplan con el Código de recipientes a presión y calderas de la sección IX de ASME.
gas de soldadura. El acero inoxidable es resistente a la oxidación del oxígeno atmosférico a temperatura ambiente. Cuando se calienta hasta su punto de fusión (1530 °C o 2800 °F para hierro puro), se oxida fácilmente. El argón inerte se usa más comúnmente como gas de protección y para purgar juntas soldadas internas a través del proceso GTAW orbital. la calidad más alta o si el sistema de purga no está completamente libre de fugas, de modo que una pequeña cantidad de aire se filtre en el sistema de purga, la oxidación puede ser verde azulado claro o azulada. Por supuesto, si no se limpia, se producirá una superficie negra con costra comúnmente conocida como "endulzada". hidrocarburos, etc., para un total de 40 ppm como máximo. El argón de alta pureza en un cilindro o el argón líquido en un Dewar puede tener una pureza del 99,999 % o 10 ppm de impurezas totales, con un máximo de 2 ppm de oxígeno. NOTA: Los purificadores de gas como Nanochem o Gatekeeper se pueden usar durante la purga para reducir los niveles de contaminación al rango de partes por mil millones (ppb).
composición mixta. Las mezclas de gases como 75 % helio/25 % argón y 95 % argón/5 % hidrógeno se pueden usar como gases de protección para aplicaciones especiales. Las dos mezclas produjeron soldaduras más calientes que las realizadas con la misma configuración de programa que el argón. Algunas desventajas serias. La ventaja es que produce un charco más húmedo y una superficie de soldadura más suave, lo cual es ideal para implementar sistemas de suministro de gas de ultra alta presión con una superficie interior tan lisa como sea posible. La presencia de hidrógeno proporciona una atmósfera reductora, por lo que si hay rastros de oxígeno presentes en la mezcla de gas, la soldadura resultante se verá más limpia y con menos decoloración que una concentración similar de oxígeno en argón puro. Este efecto es óptimo con un contenido de hidrógeno de aproximadamente 5 %. la apariencia del cordón de soldadura interno.
El cordón de soldadura que usa una mezcla de hidrógeno como gas de protección es más angosto, excepto que el acero inoxidable tiene un contenido de azufre muy bajo y genera más calor en la soldadura que el mismo ajuste de corriente con argón sin mezclar. Una desventaja significativa de las mezclas de argón/hidrógeno es que el arco es mucho menos estable que el argón puro, y hay una tendencia a que el arco se desvíe, lo suficientemente grave como para causar una fusión errónea. Dado que el calor generado por el arco varía con la concentración de hidrógeno, una concentración constante es esencial para lograr soldaduras repetibles, y existen diferencias en el gas embotellado premezclado. Otra desventaja es que la vida útil del tungsteno se acorta considerablemente cuando se usa una mezcla de hidrógeno. acero al carbono o titanio.
Una característica distintiva del proceso TIG es que no consume electrodos. El tungsteno tiene el punto de fusión más alto de todos los metales (6098 °F; 3370 °C) y es un buen emisor de electrones, lo que lo hace particularmente adecuado para su uso como electrodo no consumible. Sus propiedades mejoran al agregar un 2 % de ciertos óxidos de tierras raras como ceria, óxido de lantano u óxido de torio para mejorar el inicio y la estabilidad del arco. El tungsteno puro rara vez se usa en GTAW debido a las propiedades superiores del tungsteno de cerio, especialmente para aplicaciones GTAW orbitales. El tungsteno de torio se usa menos que en el pasado porque es algo radiactivo.
Los electrodos con un acabado pulido tienen un tamaño más uniforme. Siempre es preferible una superficie lisa a una superficie áspera o inconsistente, ya que la consistencia en la geometría del electrodo es fundamental para obtener resultados de soldadura consistentes y uniformes. Los electrones emitidos desde la punta (DCEN) transfieren el calor de la punta de tungsteno a la soldadura. Una punta más fina permite que la densidad de corriente se mantenga muy alta, pero puede resultar en una vida útil más corta del tungsteno. La punta roma fuerza el arco desde la soldadura hasta el mismo punto en el tungsteno. El diámetro de la punta controla la forma del arco y la cantidad de penetración a una corriente particular. El ángulo cónico afecta las características de corriente/voltaje del arco y debe especificarse y controlarse. La longitud del tungsteno es importante porque se puede usar una longitud conocida de tungsteno para establecer la separación del arco.
El tamaño del electrodo y el diámetro de la punta se seleccionan de acuerdo con la intensidad de la corriente de soldadura. Si la corriente es demasiado alta para el electrodo o su punta, puede perder metal de la punta, y el uso de electrodos con un diámetro de punta que es demasiado grande para la corriente puede provocar una desviación del arco. Especificamos los diámetros del electrodo y de la punta según el espesor de la pared de la unión soldada y usamos un diámetro de 0,0625 para casi todo hasta un espesor de pared de 0,093″, a menos que el uso esté diseñado para usarse con electrodos de 0,040″ de diámetro para soldadura Componentes pequeños de precisión. Para la repetibilidad del proceso de soldadura, el tipo de tungsteno y el acabado, la longitud, el ángulo cónico, el diámetro, el diámetro de la punta y la separación del arco deben especificarse y controlarse. Para aplicaciones de soldadura de tubos, siempre se recomienda el tungsteno de cerio porque este tipo tiene una vida útil mucho más larga que otros tipos y tiene excelentes características de ignición del arco. El tungsteno de cerio no es radiactivo.
Para obtener más información, comuníquese con Barbara Henon, Gerente de Publicaciones Técnicas, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Teléfono: 818-896-9556. Fax: 818-890-3724.