編集者注：Pharmaceutical Online は、業界専門家である Arc Machines の Barbara Henon 氏による、バイオプロセス配管の軌道溶接に関する 4 部構成の記事を紹介できることを嬉しく思います。この記事は、昨年末の ASME カンファレンスでの Henon 博士のプレゼンテーションを編集したものです。
耐食性の低下を防ぎます。DI や WFI などの高純度の水は、ステンレス鋼にとって非常に攻撃的なエッチング液です。さらに、医薬品グレードの WFI は、無菌性を維持するために高温 (80°C) でサイクルされます。製品にとって致死的な生物をサポートするのに十分な温度を下げることと、「紅」の生成を促進するのに十分な温度を上げることには、微妙な違いがあります。紅は、ステンレス鋼の配管システムコンポーネントの腐食によって引き起こされる、さまざまな組成の茶色の膜です。汚れや酸化鉄が付着する可能性があります。が主成分ですが、さまざまな形の鉄、クロム、ニッケルも存在する可能性があります。他の系ではかなり無害であるように見えますが、紅の存在は一部の製品にとって致命的であり、さらなる腐食を引き起こす可能性があります。
溶接は耐食性に悪影響を与える可能性があります。熱色は、溶接中に溶接部や HAZ に堆積した酸化物質の結果であり、特に有害であり、製薬用水システムにおける赤みの形成に関連しています。酸化クロムの形成により熱色が発生し、腐食を受けやすいクロム欠損層が残ることがあります。熱色は、酸洗いと研削によって表面から金属を除去し、下にあるクロム欠乏層を含む表面から金属を除去することで除去できます。耐食性を母材レベルに近いレベルに回復します。ただし、酸洗いや研削は表面仕上げに悪影響を及ぼします。配管システムを使用する前に、溶接や製造の悪影響を克服するために、硝酸またはキレート剤配合物による配管システムの不動態化が行われます。オージェ電子分析により、キレート不動態化により、溶接部や熱の影響を受けた領域で発生した酸素、クロム、鉄、ニッケル、マンガンの分布における表面変化を修復できることが示されました。ただし、不動態化は外表面層にのみ影響し、50 オングストローム未満には浸透しませんが、熱による着色は表面下 1000 オングストローム以上に広がる可能性があります。
したがって、未溶接の基板の近くに耐食性配管システムを設置するには、溶接や製造に起因する損傷を不動態化によって実質的に回復できるレベルに制限することが重要です。これには、酸素含有量が最小限のパージガスを使用し、大気中の酸素や水分による汚染なく溶接継手の内径に供給する必要があります。入熱の正確な制御と溶接中の過熱の回避も、耐食性の損失を防ぐために重要です。達成するための製造プロセスの制御再現可能で一貫した高品質の溶接、および汚染を防ぐための製造中のステンレス鋼パイプとコンポーネントの慎重な取り扱いは、腐食に耐え、長期にわたる生産的なサービスを提供する高品質の配管システムにとって不可欠な要件です。
高純度バイオ医薬品ステンレス鋼配管システムで使用される材料は、過去 10 年間で耐食性の向上に向けて進化してきました。1980 年以前に使用されていたほとんどのステンレス鋼は、比較的安価で以前に使用されていた銅よりも改良された 304 ステンレス鋼でした。実際、300 シリーズ ステンレス鋼は機械加工が比較的容易で、耐食性を過度に損なうことなく溶融溶接でき、特別な予熱および後熱処理を必要としません。
最近、高純度配管用途での 316 ステンレス鋼の使用が増加しています。タイプ 316 は、タイプ 304 と組成が似ていますが、両方に共通のクロムとニッケルの合金元素に加えて、316 には約 2% のモリブデンが含まれており、これにより 316 の耐食性が大幅に向上します。「L」グレードと呼ばれるタイプ 304L および 316L は、標準グレード (0.0.0) よりも炭素含有量が低くなります。 035% 対 0.08%)。この炭素含有量の低減は、溶接によって発生する可能性のある炭化物の析出量を減らすことを目的としています。これはクロム炭化物の形成であり、クロムベース金属の粒界を消耗させ、腐食を受けやすくします。「鋭敏化」と呼ばれるクロム炭化物の形成は、時間と温度に依存し、手はんだ付けの場合にはより大きな問題となります。私たちは、スーパーオーステンのオービタル溶接が可能であることを示しました。 itic ステンレス鋼 AL-6XN は、手作業で行われる同様の溶接よりも耐食性の高い溶接を提供します。これは、オービタル溶接ではアンペア数、脈動、タイミングが正確に制御され、その結果、手動溶接よりも低い、より均一な入熱が得られるためです。オービタル溶接を「L」グレード 304 および 316 と組み合わせると、配管システムの腐食の進行要因となる炭化物の析出が事実上排除されます。
ステンレス鋼の熱間の変化。溶接パラメータやその他の要因はかなり厳しい公差内に保つことができますが、熱から熱までステンレス鋼を溶接するのに必要な入熱には依然として差があります。熱番号は、工場で特定のステンレス鋼溶解物に割り当てられるロット番号です。各バッチの正確な化学組成は、バッチ識別または熱番号とともに工場試験報告書 (MTR) に記録されます。純鉄は 1538°C (2800°F) で溶解しますが、合金金属は一定の温度範囲内で溶解します。 s は、存在する各合金または微量元素の種類と濃度に応じて異なります。ステンレス鋼の 2 つの加熱には、各元素がまったく同じ濃度で含まれることはないため、溶接特性は炉ごとに異なります。
AOD パイプ (上) と EBR 材料 (下) の 316L パイプ軌道溶接の SEM では、溶接ビードの滑らかさに大きな違いがあることがわかりました。
単一の溶接手順は、同様の外径と肉厚のほとんどの熱に適用できますが、一部の熱では通常よりも少ないアンペア数が必要であり、一部の熱では通常よりも高いアンペア数が必要です。このため、潜在的な問題を回避するには、作業現場でのさまざまな材料の加熱を注意深く追跡する必要があります。多くの場合、新しい熱では、満足のいく溶接手順を達成するためにアンペア数をわずかに変更するだけで済みます。
硫黄問題。元素状硫黄は鉄鉱石関連の不純物で、製鋼プロセス中に大部分が除去されます。AISI タイプ 304 および 316 ステンレス鋼は、最大硫黄含有量が 0.030% と指定されています。アルゴン酸素脱炭 (AOD) などの最新の鋼精錬プロセスや、真空誘導溶解とそれに続く真空アーク再溶解 (VIM+VAR) などの二重真空溶解手法の開発により、以下の方法で非常に特殊な鋼を製造することが可能になりました。その化学組成。鋼の硫黄含有量が約 0.008% 未満になると、溶融池の特性が変化することが注目されています。これは、硫黄と、より程度は低いですが他の元素が、溶融池の流動特性を決定する溶融池の表面張力の温度係数に及ぼす影響によるものです。
非常に低い硫黄濃度 (0.001% ～ 0.003%) では、中程度の硫黄含有量の材料で行われた同様の溶接と比較して、溶接たまりの溶け込みが非常に広くなります。低硫黄ステンレス鋼パイプで行われた溶接はより広い溶接部になりますが、肉厚のパイプ (0.065 インチまたは 1.66 mm 以上) では溶接がリセス溶接される傾向が大きくなります。溶接電流が十分な量の溶接を生成する場合、完全に溶け込んだ溶接です。これにより、硫黄含有量が非常に低い材料、特に肉厚が厚い材料の溶接が難しくなります。304 または 316 ステンレス鋼の硫黄濃度が高くなると、溶接ビードの外観が流動的でなくなり、中程度の硫黄材料よりも粗くなる傾向があります。したがって、溶接性の理想的な硫黄含有量は、ASTM A2 に規定されているように、約 0.005% ～ 0.017% の範囲になります。 70 S2 医薬品品質のチューブ用。
電解研磨されたステンレス鋼パイプの製造業者は、316 または 316L ステンレス鋼に中程度のレベルの硫黄が含まれていても、滑らかでピットのない内面を求める半導体およびバイオ医薬品の顧客のニーズを満たすことが困難であることに気づいています。チューブ表面仕上げの滑らかさを検証するために走査型電子顕微鏡を使用することがますます一般的になっています。卑金属中の硫黄は、非金属介在物または硫化マンガン (MnS) の「ストリンガー」を形成し、製造中に除去されることが示されています。電解研磨により、0.25 ～ 1.0 ミクロンの範囲のボイドが残ります。
電解研磨チューブのメーカーとサプライヤーは、表面仕上げの要件を満たすために超低硫黄材料の使用に向けて市場を推進しています。ただし、問題は電解研磨チューブに限定されません。非電解研磨チューブでは配管システムの不動態化中に介在物が除去されるためです。ボイドは滑らかな表面領域よりも孔食が発生しやすいことがわかっています。したがって、低硫黄で「よりクリーンな」材料を求める傾向にはいくつかの正当な理由があります。
アークの偏り。ステンレス鋼の溶接性の向上に加えて、ある程度の硫黄の存在により、機械加工性も向上します。その結果、メーカーや製造業者は、指定された硫黄含有量範囲の上限の材料を選択する傾向があります。硫黄濃度が非常に低いチューブを継手、バルブ、または硫黄含有量の高い他のチューブに溶接すると、アークが硫黄含有量の低いチューブに偏るため、溶接の問題が発生する可能性があります。アークの偏りが発生すると、 、溶込みは高硫黄側よりも低硫黄側の方が深くなります。これは、一致する硫黄濃度でパイプを溶接するときに起こることとは逆です。極端な場合には、溶接ビードが低硫黄材料を完全に貫通し、溶接部の内部が完全に未溶融のままになることがあります (Fihey および Simeneau、1982)。継手の硫黄含有量をパイプの硫黄含有量と一致させるために、大工鋼材部門は、継手の硫黄含有量をパイプの硫黄含有量と一致させるために、ペンシルバニア州の Car-penter Technology Corporation は、低硫黄 (最大 0.005%) 316 バーストック (タイプ 316L-SCQ) (VIM+VAR) ) を、低硫黄パイプに溶接する継手やその他のコンポーネントの製造に導入しました。2 つの非常に低硫黄の材料を相互に溶接することは、非常に低硫黄の材料を高硫黄の材料に溶接するよりもはるかに簡単です。
低硫黄チューブの使用への移行の主な理由は、滑らかな電解研磨されたチューブ内表面を得る必要性によるものです。表面仕上げと電解研磨は半導体業界とバイオテクノロジー/製薬業界の両方にとって重要ですが、SEMIは半導体業界仕様を作成する際、表面端の性能を最適化するためにプロセスガスライン用の316Lチューブには0.004%の硫黄キャップが必要であると指定しました。一方、ASTMは医薬品を含めるようにASTM 270仕様を修正しました。硫黄含有量を 0.005 ～ 0.017% の範囲に制限するグレードのチューブです。これにより、低濃度の硫黄に比べて溶接の困難が軽減されます。ただし、この制限された範囲内でも、低硫黄パイプを高硫黄パイプまたは継手に溶接するときにアーク偏向が発生する可能性があることに注意してください。設置者は材料の加熱を注意深く追跡し、製造前に加熱間のはんだの適合性を確認する必要があります。溶接の製造。
硫黄、酸素、アルミニウム、シリコン、マンガンなどの微量元素は、溶け込みに影響を与えることがわかっています。酸化物介在物として母材中に存在する微量のアルミニウム、シリコン、カルシウム、チタン、クロムは、溶接中のスラグの形成に関係します。
さまざまな元素の影響は累積されるため、酸素の存在によって低硫黄効果の一部が相殺される可能性があります。高レベルのアルミニウムは、硫黄の浸透に対するプラスの効果を打ち消す可能性があります。マンガンは溶接温度で揮発し、溶接熱の影響を受けるゾーンに堆積します。これらのマンガンの堆積は耐食性の低下に関連しています。(Cohen、1997 年を参照)。半導体業界は現在、低マンガン、さらには超低マンガン 316 を実験中です。 L 材質は、この耐食性の低下を防ぎます。
スラグの形成。熱によってはステンレス鋼のビードにスラグ島が現れることがあります。これは本質的に材料の問題ですが、溶接パラメータを変更することでこれを最小限に抑えることができる場合や、アルゴン/水素の混合物を変更することで溶接を改善できる場合があります。ポラード氏は、母材中のアルミニウムとシリコンの比率がスラグの形成に影響を及ぼすことを発見しました。望ましくないプラークタイプのスラグの形成を防ぐために、アルミニウム含有量を 0.010%、シリコン含有量を 0.5% に保つことを推奨しています。ただし、Al/Si 比がこのレベルを超えると、プラーク タイプではなく球状のスラグが形成される可能性があります。このタイプのスラグは、電解研磨後にピットを残す可能性があり、高純度用途には受け入れられません。溶接の外径上に形成されるスラグ アイランドは、ID パスの不均一な溶け込みを引き起こし、不十分な溶け込みを引き起こす可能性があります。ID 溶接ビード上に形成されるスラグ アイランドは、腐食を受けやすい可能性があります。
脈動を伴うシングルラン溶接。標準的な自動オービタルチューブ溶接は、パルス電流と連続一定速度回転によるシングルパス溶接です。この技術は、外径が 1/8 インチから約 7 インチ、肉厚が 0.083 インチ以下のパイプに適しています。時間を決めてプレパージした後、アーク放電が発生します。アーク放電は存在するが回転が起こらない時間遅延中にチューブ壁の貫通が完了します。この回転遅延の後、電極が回転します。溶接の最後の層で、溶接が溶接の最初の部分に結合するか重なるまで、溶接継手の周りで行われます。接続が完了すると、電流は一定の時間で徐々に減少します。
ステップ モード (「同期」溶接)。通常 0.083 インチを超える肉厚の材料の溶融溶接の場合、溶融溶接電源は同期モードまたはステップ モードで使用できます。同期モードまたはステップ モードでは、溶接電流パルスがストロークと同期するため、ロータは高電流パルス中は最大溶込みのために静止し、低電流パルス中は移動します。同期技術では、0.5 ～ 1 程度の長いパルス時間を使用します。従来の溶接の10分の1または100分の1秒のパルス時間と比較して、5秒です。この技術は、壁厚0.154インチまたは6インチの厚さ0.154インチまたは6インチの40ゲージ40薄肉パイプを効果的に溶接できます。ステップ付き技術はより広い溶接を生成し、フォールトトレラントになり、寸法公差の違い、多少の位置ずれ、または材料の熱的不適合性がある可能性のあるパイプ継手などの不規則な部品をパイプに溶接するのに役立ちます。このタイプの溶接には約2倍の時間がかかります。従来の溶接の RC 時間は短く、シームが広く粗いため、超高純度 (UHP) 用途にはあまり適していません。
プログラム可能な変数。現行世代の溶接電源はマイクロプロセッサベースで、パージ時間、溶接電流、移動速度（RPM）、層数と層ごとの時間、パルス時間、ダウンヒル時間などを含む、溶接するパイプの特定の直径（OD）と肉厚に対する溶接パラメータの数値を指定するプログラムを保存します。フィラーワイヤを追加したオービタルチューブ溶接の場合、プログラムパラメータにはワイヤ送給速度、トーチ振動振幅、滞留時間が含まれます。 AVC (一定のアーク ギャップを提供するアーク電圧制御)、およびアップスロープ。溶融溶接を実行するには、適切な電極およびパイプ クランプ インサートを備えた溶接ヘッドをパイプに取り付け、電源メモリから溶接スケジュールまたはプログラムを呼び出します。ボタンまたはメンブレン パネル キーを押すと溶接シーケンスが開始され、オペレータの介入なしで溶接が続行されます。
プログラム不可能な変数。一貫して良好な溶接品質を得るには、溶接パラメータを慎重に制御する必要があります。これは、溶接電源の精度と、特定のサイズのパイプまたはパイプを溶接するための溶接パラメータで構成され、電源に入力される一連の指示である溶接プログラムによって達成されます。また、溶接が合意された基準を確実に満たすように、溶接の受け入れ基準と溶接検査および品質管理システムを指定する効果的な溶接基準のセットも必要です。ただし、溶接パラメータ以外の特定の要因および手順も慎重に制御する必要があります。これらの要因には、以下が含まれます。適切な最終準備装置の使用、適切な洗浄と取り扱いの実践、溶接されるチューブやその他の部品の適切な寸法公差、一貫したタングステンの種類とサイズ、高度に精製された不活性ガス、および材料の変動に対する細心の注意。 - 高温。
パイプ端溶接の準備要件は、手動溶接よりも軌道溶接の方が重要です。軌道パイプ溶接の溶接継手は、通常、四角形の突合せ継手です。軌道溶接で望ましい再現性を達成するには、正確で一貫した機械加工された端部の準備が必要です。溶接電流は肉厚に依存するため、端部は外径または内径 (OD または ID) にバリやベベルがなく、直角でなければなりません。これにより、壁の厚さが異なります。
正方形の突合せ継手の端間に目立った隙間がないように、パイプの端は溶接ヘッド内で互いに適合する必要があります。小さな隙間の溶接継手を実現することはできますが、溶接の品質に悪影響を与える可能性があります。隙間が大きいほど、問題が発生する可能性が高くなります。組み立てが不十分だと、はんだ付けが完全に失敗する可能性があります。同じ操作でパイプを切断し、パイプの端に面するジョージ フィッシャーなどのパイプソー、または Protem や Wachs 製のようなポータブル端処理旋盤など、機械加工に適した滑らかな端部軌道溶接を行うためによく使用されます。チョップソー、弓鋸、バンドソー、およびチューブ カッターは、この目的には適していません。
溶接に電力を入力する溶接パラメータに加えて、溶接に大きな影響を与える可能性のある他の変数がありますが、それらは実際の溶接手順の一部ではありません。これには、タングステンの種類とサイズ、アークのシールドと溶接継手の内部のパージに使用されるガスの種類と純度、パージに使用されるガスの流量、使用されるヘッドと電源の種類、継手の構成、およびその他の関連情報が含まれます。これらを「非プログラム可能」変数と呼びます。これらを溶接スケジュールに記録します。たとえば、ガスの種類は、ASME セクション IX ボイラーおよび圧力容器規定に準拠するための溶接手順の溶接手順仕様 (WPS) において重要な変数とみなされます。ガスの種類またはガス混合率の変更、または ID パージの廃止には、溶接手順の再検証が必要です。
溶接ガス。ステンレス鋼は、室温では大気中の酸素酸化に対して耐性があります。融点（純鉄の場合は 1530°C または 2800°F）まで加熱すると、容易に酸化されます。不活性アルゴンは、シールド ガスとして、また軌道 GTAW プロセスを通じて内部溶接継手をパージするために最も一般的に使用されます。酸素と水分に対するガスの純度によって、溶接後に溶接部またはその近くで発生する酸化による変色の量が決まります。パージガスが最高品質ではない場合、またはパージシステムに少量の空気が漏れるなどパージシステムが完全に漏れがない場合、酸化は明るい青緑色または青みがかった色になることがあります。もちろん、洗浄を行わないと、一般的に「甘くなった」と呼ばれる表面が黒く硬くなります。ボンベで供給される溶接グレードのアルゴンは、サプライヤーによって異なりますが、純度 99.996 ～ 99.997% で、5 ～ 7 ppm の酸素およびその他の成分が含まれています。 H2O、O2、CO2、炭化水素などの不純物は合計で最大 40 ppm になります。シリンダー内の高純度アルゴンまたはデュワー瓶内の液体アルゴンは、純度 99.999% または不純物合計 10 ppm、最大 2 ppm の酸素を含む可能性があります。注: パージ中に Nanochem や Gatekeeper などのガス精製器を使用すると、汚染レベルを 10 億分の 1 (ppb) の範囲まで減らすことができます。 。
混合組成。75% ヘリウム/25% アルゴンおよび 95% アルゴン/5% 水素などのガス混合物は、特別な用途のシールド ガスとして使用できます。この 2 つの混合物は、アルゴンと同じプログラム設定で行われたものよりも高温の溶接を生成しました。ヘリウム混合物は、炭素鋼の溶融溶接による最大限の溶け込みに特に適しています。半導体業界のコンサルタントは、UHP アプリケーションのシールド ガスとしてアルゴン/水素混合物を使用することを提唱しています。Hydロゲン混合物にはいくつかの利点がありますが、いくつかの重大な欠点もあります。利点は、より湿った水たまりとより滑らかな溶接表面が生成されることであり、これは可能な限り滑らかな内面を備えた超高圧ガス供給システムの実装に最適です。水素の存在により還元性雰囲気が提供されるため、ガス混合物中に微量の酸素が存在する場合、得られる溶接は、純アルゴン中の同様の酸素濃度よりも変色が少なく、よりきれいに見えます。この効果は、約 5% の水素含有量で最適です。95/5% アルゴンを使用するものもあります。内部溶接ビードの外観を改善するための ID パージとして水素混合物を使用します。
シールドガスとして水素混合物を使用した溶接ビードは、ステンレス鋼の硫黄含有量が非常に低く、混合されていないアルゴンを使用した同じ電流設定よりも溶接でより多くの熱を発生する点を除いて、より狭くなります。アルゴン/水素混合物の重大な欠点は、アークが純粋なアルゴンよりもはるかに不安定で、誤溶融を引き起こすほど深刻なアークドリフトの傾向があることです。アークドリフトは、別の混合ガスソースを使用すると消える可能性があり、それが引き起こされる可能性があることを示唆していますアークによって発生する熱は水素濃度によって変化するため、繰り返し溶接を行うには一定の濃度が不可欠であり、事前に混合したボトル入りガスにも違いがあります。もう1つの欠点は、水素混合物を使用するとタングステンの寿命が大幅に短くなるということです。混合ガスによるタングステンの劣化の理由は特定されていませんが、アークはより発生しにくく、1～2回の溶接後にタングステンを交換する必要がある可能性があると報告されています。アルゴン/水素混合物は炭素鋼やチタンの溶接には使用できません。
TIG プロセスの際立った特徴は、電極を消耗しないことです。タングステンは金属の中で最も高い融点 (6098°F、3370°C) を持ち、優れた電子放出体であるため、非消耗電極としての使用に特に適しています。セリア、酸化ランタン、酸化トリウムなどの特定の希土類酸化物を 2% 添加することでその特性が改善され、アークの開始とアークの安定性が向上します。純粋なタングステンが使用されることはほとんどありません。特に軌道上 GTAW 用途では、セリウム タングステンの優れた特性により、GTAW ではトリウム タングステンの使用が減少しています。
研磨仕上げの電極は、サイズがより均一になります。一貫した均一な溶接結果には、電極形状の一貫性が重要であるため、粗い表面や不均一な表面よりも常に滑らかな表面の方が望ましいです。チップ (DCEN) から放出される電子によって、タングステンチップから溶接部に熱が伝わります。チップをより微細にすると、電流密度を非常に高く保つことができますが、タングステンの寿命が短くなる可能性があります。オービタル溶接の場合、電極チップを機械的に研削して溶接の再現性を確保することが重要です。タングステンの形状と溶接の再現性。鈍い先端により、溶接部からのアークがタングステン上の同じ場所に押し出されます。先端の直径は、アークの形状と特定の電流での溶け込み量を制御します。テーパ角度はアークの電流/電圧特性に影響を与えるため、指定して制御する必要があります。タングステンの長さは、アーク ギャップの設定に既知の長さのタングステンを使用できるため重要です。特定の電流に対するアーク ギャップこの値によって電圧が決まり、したがって溶接に加えられる電力が決まります。
電極のサイズと先端の直径は、溶接電流の強さに応じて選択されます。電極またはその先端に対して電流が大きすぎると、先端から金属が失われる可能性があり、電流に対して大きすぎる先端直径の電極を使用すると、アークドリフトが発生する可能性があります。当社では、溶接継手の肉厚によって電極と先端の直径を指定し、小精度の溶接に直径 0.040 インチの電極を使用するように設計されていない限り、肉厚 0.093 インチまでのほとんどすべてに直径 0.0625 を使用します。コンポーネント。溶接プロセスの再現性を確保するには、タングステンの種類と仕上げ、長さ、テーパー角度、直径、先端直径、およびアークギャップをすべて指定して制御する必要があります。チューブ溶接用途には、他のタイプより耐用年数がはるかに長く、アーク着火特性に優れているため、セリウムタングステンが常に推奨されます。セリウムタングステンは非放射性です。
詳細については、Arc Machines, Inc., Technical Publications Manager, Barbara Henon (10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331.Phone: 818-896-9556.Fax: 818-890-3724) にお問い合わせください。