Nota del redattore: Pharmaceutical Online è lieta di presentare questo articolo in quattro parti sulla saldatura orbitale delle tubazioni di bioprocesso dell'esperta del settore Barbara Henon di Arc Machines. Questo articolo è adattato dalla presentazione del Dr. Henon alla conferenza ASME alla fine dell'anno scorso.
Previene la perdita di resistenza alla corrosione. L'acqua ad alta purezza come DI o WFI è un agente di attacco molto aggressivo per l'acciaio inossidabile. Inoltre, il WFI di grado farmaceutico viene sottoposto a ciclo ad alta temperatura (80°C) per mantenere la sterilità. possono essere presenti anche ferro, cromo e nichel. La presenza di rossetto è letale per alcuni prodotti e la sua presenza può portare a ulteriore corrosione, anche se la sua presenza in altri sistemi sembra essere abbastanza benigna.
La saldatura può influire negativamente sulla resistenza alla corrosione. Il colore caldo è il risultato di materiale ossidante depositato su saldature e HAZ durante la saldatura, è particolarmente dannoso ed è associato alla formazione di rossetto nei sistemi idrici farmaceutici. La formazione di ossido di cromo può causare una tinta calda, lasciando dietro di sé uno strato impoverito di cromo che è suscettibile alla corrosione. vicino ai livelli di metallo di base. Tuttavia, il decapaggio e la molatura sono dannosi per la finitura superficiale. La passivazione del sistema di tubazioni con formulazioni di acido nitrico o agente chelante viene eseguita per superare gli effetti negativi della saldatura e della fabbricazione prima che il sistema di tubazioni venga messo in servizio. strato superficiale esterno e non penetra al di sotto di 50 angstrom, mentre la colorazione termica può estendersi a 1000 angstrom o più al di sotto della superficie.
Pertanto, al fine di installare sistemi di tubazioni resistenti alla corrosione vicino a substrati non saldati, è importante tentare di limitare i danni indotti dalla saldatura e dalla fabbricazione a livelli che possono essere sostanzialmente recuperati dalla passivazione. Ciò richiede l'uso di un gas di spurgo con un contenuto minimo di ossigeno e l'erogazione al diametro interno del giunto saldato senza contaminazione da ossigeno atmosferico o umidità. così come l'attenta manipolazione dei tubi e dei componenti in acciaio inossidabile durante la produzione per prevenire la contaminazione, sono requisiti essenziali per un sistema di tubazioni di alta qualità che resista alla corrosione e fornisca un servizio produttivo a lungo termine.
I materiali utilizzati nei sistemi di tubazioni in acciaio inossidabile biofarmaceutico ad alta purezza hanno subito un'evoluzione verso una migliore resistenza alla corrosione negli ultimi dieci anni. La maggior parte dell'acciaio inossidabile utilizzato prima del 1980 era l'acciaio inossidabile 304 perché era relativamente economico e rappresentava un miglioramento rispetto al rame utilizzato in precedenza. Infatti, gli acciai inossidabili della serie 300 sono relativamente facili da lavorare, possono essere saldati per fusione senza un'indebita perdita della loro resistenza alla corrosione e non richiedono speciali trattamenti di preriscaldamento e post-riscaldamento.
Recentemente, l'uso dell'acciaio inossidabile 316 nelle applicazioni di tubazioni ad alta purezza è in aumento. Il tipo 316 è simile nella composizione al tipo 304, ma oltre agli elementi di lega di cromo e nichel comuni a entrambi, il 316 contiene circa il 2% di molibdeno, che migliora significativamente la resistenza alla corrosione del 316. I tipi 304L e 316L, indicati come gradi "L", hanno un contenuto di carbonio inferiore rispetto ai gradi standard (0,0 35% contro 0,08%). Questa riduzione del contenuto di carbonio ha lo scopo di ridurre la quantità di precipitazione di carburo che può verificarsi a causa della saldatura. Questa è la formazione di carburo di cromo, che impoverisce i bordi dei grani del metallo base di cromo, rendendolo suscettibile alla corrosione. La formazione di carburo di cromo, chiamata "sensibilizzazione", dipende dal tempo e dalla temperatura ed è un problema maggiore durante la saldatura manuale. rispetto a saldature simili eseguite a mano. Questo perché la saldatura orbitale fornisce un controllo preciso dell'amperaggio, della pulsazione e della temporizzazione, con conseguente apporto di calore inferiore e più uniforme rispetto alla saldatura manuale. La saldatura orbitale in combinazione con i gradi "L" 304 e 316 elimina virtualmente la precipitazione del carburo come fattore nello sviluppo della corrosione nei sistemi di tubazioni.
Variazione da calore a calore dell'acciaio inossidabile.Sebbene i parametri di saldatura e altri fattori possano essere mantenuti entro tolleranze piuttosto ristrette, esistono ancora differenze nell'apporto termico richiesto per saldare l'acciaio inossidabile da calore a calore.Un numero di calore è il numero di lotto assegnato a uno specifico acciaio inossidabile fuso in fabbrica. a seconda del tipo e della concentrazione di ciascuna lega o oligoelemento presente. Poiché due colate di acciaio inossidabile non conterranno esattamente la stessa concentrazione di ciascun elemento, le caratteristiche di saldatura varieranno da forno a forno.
Il SEM delle saldature orbitali del tubo 316L sul tubo AOD (in alto) e sul materiale EBR (in basso) ha mostrato una differenza significativa nella levigatezza del cordone di saldatura.
Sebbene una singola procedura di saldatura possa funzionare per la maggior parte delle colate con diametro esterno e spessore della parete simili, alcune colate richiedono un amperaggio inferiore e altre richiedono un amperaggio superiore a quello tipico. Per questo motivo, il riscaldamento di materiali diversi sul luogo di lavoro deve essere attentamente monitorato per evitare potenziali problemi. Spesso, il nuovo calore richiede solo una piccola variazione di amperaggio per ottenere una procedura di saldatura soddisfacente.
Problema dello zolfo. Lo zolfo elementare è un'impurità correlata al minerale di ferro che viene in gran parte rimossa durante il processo di produzione dell'acciaio. Gli acciai inossidabili AISI Tipo 304 e 316 sono specificati con un contenuto massimo di zolfo dello 0,030%. Con lo sviluppo dei moderni processi di raffinazione dell'acciaio, come la decarburazione dell'ossigeno dell'argon (AOD) e le pratiche di doppia fusione sotto vuoto come la fusione per induzione sotto vuoto seguita dalla rifusione con arco sotto vuoto (VIM + VAR), è diventato possibile produrre acciai che sono molto speciali nei seguenti modi.la loro composizione chimica.È stato notato che le proprietà del bagno di fusione cambiano quando il contenuto di zolfo dell'acciaio è inferiore a circa 0,008%.Ciò è dovuto all'effetto dello zolfo e, in misura minore, di altri elementi sul coefficiente di temperatura della tensione superficiale del bagno di fusione, che determina le caratteristiche di flusso del bagno liquido.
A concentrazioni di zolfo molto basse (0,001% – 0,003%), la penetrazione del bagno di saldatura diventa molto ampia rispetto a saldature simili effettuate su materiali a medio contenuto di zolfo. contenuto più difficile da saldare, specialmente con pareti più spesse. All'estremità superiore della concentrazione di zolfo nell'acciaio inossidabile 304 o 316, il cordone di saldatura tende ad avere un aspetto meno fluido e più ruvido rispetto ai materiali con zolfo medio. Pertanto, per la saldabilità, il contenuto di zolfo ideale sarebbe compreso tra circa 0,005% e 0,017%, come specificato in ASTM A270 S2 per tubi di qualità farmaceutica.
I produttori di tubi in acciaio inossidabile elettrolucidato hanno notato che anche livelli moderati di zolfo nell'acciaio inossidabile 316 o 316L rendono difficile soddisfare le esigenze dei loro clienti di semiconduttori e biofarmaceutici per superfici interne lisce e prive di pit. L'uso della microscopia elettronica a scansione per verificare la levigatezza della finitura superficiale del tubo è sempre più comune. vuoti nell'intervallo 0,25-1,0 micron.
Produttori e fornitori di tubi elettrolucidati stanno spingendo il mercato verso l'uso di materiali a bassissimo contenuto di zolfo per soddisfare i loro requisiti di finitura superficiale. Tuttavia, il problema non è limitato ai tubi elettrolucidati, poiché nei tubi non elettrolucidati le inclusioni vengono rimosse durante la passivazione del sistema di tubazioni. È stato dimostrato che i vuoti sono più inclini alla vaiolatura rispetto alle aree superficiali lisce.
Deflessione dell'arco. Oltre a migliorare la saldabilità dell'acciaio inossidabile, la presenza di un po' di zolfo migliora anche la lavorabilità. Di conseguenza, i produttori tendono a scegliere materiali all'estremità superiore dell'intervallo di contenuto di zolfo specificato. La saldatura di tubi con concentrazioni di zolfo molto basse a raccordi, valvole o altri tubi con un contenuto di zolfo più elevato può creare problemi di saldatura perché l'arco sarà sbilanciato verso tubi con basso contenuto di zolfo. lato, che è l'opposto di ciò che accade quando si saldano tubi con concentrazioni di zolfo corrispondenti. In casi estremi, il cordone di saldatura può penetrare completamente nel materiale a basso contenuto di zolfo e lasciare l'interno della saldatura completamente non fuso (Fihey e Simeneau, 1982). 16L-SCQ) (VIM+VAR) ) per la fabbricazione di raccordi e altri componenti destinati ad essere saldati a tubi a basso contenuto di zolfo. Saldare tra loro due materiali a bassissimo tenore di zolfo è molto più semplice che saldare un materiale a bassissimo tenore di zolfo ad uno ad alto contenuto di zolfo.
Il passaggio all'uso di tubi a basso contenuto di zolfo è in gran parte dovuto alla necessità di ottenere superfici lisce dei tubi interni elettrolucidati. Mentre la finitura superficiale e l'elettrolucidatura sono importanti sia per l'industria dei semiconduttori che per l'industria biotecnologica/farmaceutica, SEMI, durante la stesura della specifica dell'industria dei semiconduttori, ha specificato che i tubi 316L per le linee del gas di processo devono avere un tappo di zolfo allo 0,004% per prestazioni ottimali. ing che limita il contenuto di zolfo a un intervallo compreso tra 0,005 e 0,017%. Ciò dovrebbe comportare minori difficoltà di saldatura rispetto agli zolfi di gamma inferiore. Tuttavia, va notato che anche all'interno di questo intervallo limitato, la deflessione dell'arco può ancora verificarsi quando si saldano tubi a basso contenuto di zolfo su tubi o raccordi ad alto contenuto di zolfo e gli installatori devono monitorare attentamente il riscaldamento del materiale e verificare prima della fabbricazione Compatibilità della saldatura tra il riscaldamento. Produzione di saldature.
altri oligoelementi. È stato riscontrato che oligoelementi tra cui zolfo, ossigeno, alluminio, silicio e manganese influenzano la penetrazione. Tracce di alluminio, silicio, calcio, titanio e cromo presenti nel metallo di base come inclusioni di ossido sono associate alla formazione di scorie durante la saldatura.
Gli effetti dei vari elementi sono cumulativi, quindi la presenza di ossigeno può compensare alcuni degli effetti del basso tenore di zolfo. Livelli elevati di alluminio possono contrastare l'effetto positivo sulla penetrazione dello zolfo. Il manganese si volatilizza alla temperatura di saldatura e si deposita nella zona interessata dal calore di saldatura. Questi depositi di manganese sono associati alla perdita di resistenza alla corrosione. (Vedi Cohen, 1997).
Formazione di scorie. Le isole di scorie compaiono occasionalmente sul cordone di acciaio inossidabile per alcune colate. Questo è intrinsecamente un problema di materiale, ma a volte i cambiamenti nei parametri di saldatura possono minimizzarlo, oppure i cambiamenti nella miscela di argon/idrogeno possono migliorare la saldatura. Pollard ha scoperto che il rapporto tra alluminio e silicio nel metallo di base influisce sulla formazione di scorie. è al di sopra di questo livello, si possono formare scorie sferiche piuttosto che del tipo a placca. Questo tipo di scoria può lasciare fossette dopo l'elettrolucidatura, il che è inaccettabile per applicazioni ad alta purezza. Le isole di scorie che si formano sul diametro esterno della saldatura possono causare una penetrazione non uniforme del passaggio ID e possono risultare in una penetrazione insufficiente. Le isole di scoria che si formano sul cordone di saldatura ID possono essere soggette a corrosione.
Saldatura a passaggio singolo con pulsazione. La saldatura orbitale automatica standard del tubo è una saldatura a passaggio singolo con corrente pulsata e rotazione continua a velocità costante. Questa tecnica è adatta per tubi con diametri esterni da 1/8″ a circa 7″ e spessori di parete di 0,083″ e inferiori. unisce o sovrappone la porzione iniziale della saldatura durante l'ultimo strato di saldatura. Quando la connessione è completa, la corrente si assottiglia in un calo temporizzato.
Modalità passo (saldatura “sincronizzata”). Per la saldatura per fusione di materiali con pareti più spesse, in genere maggiori di 0,083 pollici, la sorgente di alimentazione per saldatura per fusione può essere utilizzata in modalità sincrona o passo. secondo tempo di impulso per la saldatura convenzionale. Questa tecnica può saldare efficacemente tubi a parete sottile da 0,154″ o 6″ di spessore 40 calibro 40 con spessore della parete di 0,154″ o 6″. UHP) grazie alla giunzione più ampia e ruvida.
Variabili programmabili. L'attuale generazione di generatori di saldatura è basata su microprocessore e memorizza programmi che specificano valori numerici per i parametri di saldatura per uno specifico diametro (OD) e spessore della parete del tubo da saldare, inclusi tempo di spurgo, corrente di saldatura, velocità di spostamento (RPM), numero di strati e tempo per strato, tempo di impulso, tempo di discesa, ecc. e in salita. Per eseguire la saldatura per fusione, installare la testa di saldatura con l'elettrodo appropriato e gli inserti del morsetto del tubo sul tubo e richiamare il programma o il programma di saldatura dalla memoria del generatore. La sequenza di saldatura viene avviata premendo un pulsante o un tasto del pannello a membrana e la saldatura continua senza l'intervento dell'operatore.
Variabili non programmabili. Per ottenere una qualità di saldatura costantemente buona, i parametri di saldatura devono essere attentamente controllati. Ciò si ottiene attraverso l'accuratezza del generatore di saldatura e del programma di saldatura, che è un insieme di istruzioni immesse nel generatore, costituito da parametri di saldatura, per saldare una dimensione specifica di tubo o tubazione. Deve inoltre esistere un insieme efficace di standard di saldatura, che specifichino i criteri di accettazione della saldatura e alcuni sistemi di ispezione e controllo della qualità della saldatura per garantire che la saldatura soddisfi gli standard concordati. Tuttavia, è necessario controllare attentamente anche alcuni fattori e procedure diversi dai parametri di saldatura. attrezzature per la preparazione delle estremità, buone pratiche di pulizia e manipolazione, buone tolleranze dimensionali dei tubi o di altre parti da saldare, tipo e dimensioni di tungsteno coerenti, gas inerti altamente purificati e particolare attenzione alle variazioni dei materiali.- temperatura elevata.
I requisiti di preparazione per la saldatura delle estremità dei tubi sono più critici per la saldatura orbitale rispetto alla saldatura manuale. I giunti saldati per la saldatura orbitale dei tubi sono generalmente giunti di testa quadrati. Per ottenere la ripetibilità desiderata nella saldatura orbitale, è necessaria una preparazione dell'estremità lavorata precisa, coerente. Poiché la corrente di saldatura dipende dallo spessore della parete, le estremità devono essere quadrate senza sbavature o smussi sul diametro esterno o sul diametro interno (OD o sul diametro interno), il che comporterebbe spessori di parete diversi.
Le estremità del tubo devono combaciare nella testa di saldatura in modo che non vi sia uno spazio evidente tra le estremità del giunto di testa quadrato. Anche se è possibile realizzare giunzioni saldate con piccoli spazi, la qualità della saldatura può essere influenzata negativamente. spesso utilizzato per realizzare saldature orbitali con estremità lisce adatte alla lavorazione. Seghe da taglio, seghe a mano, seghe a nastro e tagliatubi non sono adatte a questo scopo.
Oltre ai parametri di saldatura che immettono la potenza per saldare, ci sono altre variabili che possono avere un profondo effetto sulla saldatura, ma non fanno parte della procedura di saldatura effettiva. Ciò include il tipo e la dimensione del tungsteno, il tipo e la purezza del gas utilizzato per schermare l'arco e spurgare l'interno del giunto saldato, la portata del gas utilizzato per lo spurgo, il tipo di testa e fonte di alimentazione utilizzati, la configurazione del giunto e qualsiasi altra informazione rilevante. Queste variabili sono chiamate "non programmabili" e le registriamo nel programma di saldatura. Ad esempio, il tipo di gas è considerata una variabile essenziale nella specifica della procedura di saldatura (WPS) affinché le procedure di saldatura siano conformi all'ASME Section IX Boiler and Pressure Vessel Code. Le modifiche alle percentuali del tipo di gas o della miscela di gas o l'eliminazione dello spurgo ID richiedono la riconvalida della procedura di saldatura.
gas di saldatura. L'acciaio inossidabile è resistente all'ossidazione dell'ossigeno atmosferico a temperatura ambiente. Quando viene riscaldato fino al punto di fusione (1530°C o 2800°F per il ferro puro) si ossida facilmente. della massima qualità o se il sistema di spurgo non è completamente privo di perdite in modo tale che una piccola quantità di aria fuoriesca nel sistema di spurgo, l'ossidazione può essere leggermente verde acqua o bluastra. Naturalmente, nessuna pulizia risulterà nella superficie nera e crostosa comunemente indicata come "addolcita". 2, idrocarburi, ecc., per un totale massimo di 40 ppm. L'argon ad alta purezza in una bombola o l'argon liquido in un Dewar può essere puro al 99,999% o con 10 ppm di impurità totali, con un massimo di 2 ppm di ossigeno.
composizione mista. Miscele di gas come 75% elio/25% argon e 95% argon/5% idrogeno possono essere utilizzate come gas di protezione per applicazioni speciali. Le due miscele producono saldature più calde rispetto a quelle effettuate con le stesse impostazioni di programma dell'argon. Le miscele di elio sono particolarmente adatte per la massima penetrazione mediante saldatura per fusione su acciaio al carbonio. , ma anche alcuni seri svantaggi. Il vantaggio è che produce una pozzanghera più umida e una superficie di saldatura più liscia, che è l'ideale per implementare sistemi di erogazione di gas ad altissima pressione con una superficie interna il più liscia possibile. Spurgo ID per migliorare l'aspetto del cordone di saldatura interno.
Il cordone di saldatura che utilizza una miscela di idrogeno come gas di protezione è più stretto, tranne per il fatto che l'acciaio inossidabile ha un contenuto di zolfo molto basso e genera più calore nella saldatura rispetto alla stessa impostazione corrente con argon non miscelato. poiché il calore generato dall'arco varia con la concentrazione di idrogeno, una concentrazione costante è essenziale per ottenere saldature ripetibili e ci sono differenze nel gas in bombole premiscelate. Un altro svantaggio è che la durata del tungsteno si riduce notevolmente quando si utilizza una miscela di idrogeno. Sebbene non sia stata determinata la ragione del deterioramento del tungsteno dal gas misto, è stato riferito che l'arco è più difficile e potrebbe essere necessario sostituire il tungsteno dopo una o due saldature. Le miscele di argon/idrogeno non possono essere utilizzate per saldare acciaio al carbonio o titanio.
Una caratteristica distintiva del processo TIG è che non consuma elettrodi. Il tungsteno ha il punto di fusione più alto di qualsiasi metallo (6098 ° F; 3370 ° C) ed è un buon emettitore di elettroni, rendendolo particolarmente adatto per l'uso come elettrodo non consumabile. a causa delle proprietà superiori del tungsteno di cerio, in particolare per le applicazioni GTAW orbitali. Il tungsteno di torio viene utilizzato meno rispetto al passato perché sono in qualche modo radioattivi.
Gli elettrodi con una finitura lucida hanno dimensioni più uniformi. Una superficie liscia è sempre preferibile a una superficie ruvida o incoerente, poiché l'uniformità nella geometria dell'elettrodo è fondamentale per risultati di saldatura coerenti e uniformi. Gli elettroni emessi dalla punta (DCEN) trasferiscono il calore dalla punta in tungsteno alla saldatura. forza l'arco dalla saldatura allo stesso punto sul tungsteno. Il diametro della punta controlla la forma dell'arco e la quantità di penetrazione a una particolare corrente. L'angolo di rastremazione influisce sulle caratteristiche di corrente/tensione dell'arco e deve essere specificato e controllato. La lunghezza del tungsteno è importante perché una lunghezza nota di tungsteno può essere utilizzata per impostare la distanza dell'arco. La distanza dell'arco per un valore di corrente specifico determina la tensione e quindi la potenza applicata alla saldatura.
La dimensione dell'elettrodo e il suo diametro della punta sono selezionati in base all'intensità della corrente di saldatura. Se la corrente è troppo elevata per l'elettrodo o la sua punta, potrebbe perdere metallo dalla punta e l'uso di elettrodi con un diametro della punta troppo grande per la corrente può causare la deriva dell'arco. Specifichiamo i diametri dell'elettrodo e della punta in base allo spessore della parete del giunto di saldatura e utilizziamo un diametro di 0,0625 per quasi tutto fino a 0,093 "di spessore della parete, a meno che l'uso non sia progettato per essere utilizzato con elettrodi di diametro 0,040" per la saldatura di piccoli componenti di precisione Per la ripetibilità del processo di saldatura, è necessario specificare e controllare il tipo e la finitura del tungsteno, la lunghezza, l'angolo di conicità, il diametro, il diametro della punta e la distanza dell'arco. Per le applicazioni di saldatura dei tubi, il tungsteno di cerio è sempre consigliato perché questo tipo ha una durata molto più lunga rispetto ad altri tipi e ha eccellenti caratteristiche di innesco dell'arco. Il tungsteno di cerio non è radioattivo.
Per ulteriori informazioni, contattare Barbara Henon, Technical Publications Manager, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Telefono: 818-896-9556. Fax: 818-890-3724.