Nota do Editor: Pharmaceutical Online tem o prazer de apresentar este artigo de quatro partes sobre soldagem orbital de tubulações de bioprocesso pela especialista da indústria Barbara Henon da Arc Machines. Este artigo é adaptado da apresentação do Dr. Henon na conferência ASME no final do ano passado.
Evite a perda de resistência à corrosão.Água de alta pureza, como DI ou WFI, é um ácido muito agressivo para aço inoxidável.Além disso, o WFI de grau farmacêutico é submetido a um ciclo de alta temperatura (80°C) para manter a esterilidade.Há uma diferença sutil entre baixar a temperatura o suficiente para suportar organismos vivos letais para o produto e aumentar a temperatura o suficiente para promover a produção de "rouge". ferro, cromo e níquel também podem estar presentes. A presença de rouge é letal para alguns produtos e sua presença pode levar a mais corrosão, embora sua presença em outros sistemas pareça ser bastante benigna.
A soldagem pode afetar adversamente a resistência à corrosão.A cor quente é o resultado do material oxidante depositado em soldas e HAZs durante a soldagem, é particularmente prejudicial e está associada à formação de rouge em sistemas de água farmacêutica.A formação de óxido de cromo pode causar uma tonalidade quente, deixando para trás uma camada empobrecida de cromo que é suscetível à corrosão. níveis de metal. No entanto, decapagem e retificação são prejudiciais para o acabamento da superfície. Passivação do sistema de tubulação com formulações de ácido nítrico ou agente quelante é feita para superar os efeitos adversos da soldagem e fabricação antes que o sistema de tubulação seja colocado em serviço. não penetra abaixo de 50 angstroms, enquanto a coloração térmica pode se estender a 1000 angstroms ou mais abaixo da superfície.
Portanto, para instalar sistemas de tubulação resistentes à corrosão próximos a substratos não soldados, é importante tentar limitar os danos induzidos pela soldagem e fabricação a níveis que possam ser substancialmente recuperados por passivação. Isso requer o uso de um gás de purga com teor mínimo de oxigênio e entrega no diâmetro interno da junta soldada sem contaminação por oxigênio atmosférico ou umidade. O controle preciso da entrada de calor e evitar o superaquecimento durante a soldagem também é importante para evitar a perda de resistência à corrosão. Controlar o processo de fabricação para obter soldas de alta qualidade repetíveis e consistentes, bem como o manuseio cuidadoso de tubos e componentes de aço inoxidável durante a fabricação para evitar contaminação, são requisitos essenciais para um sistema de tubulação de alta qualidade que resista à corrosão e forneça um serviço produtivo de longo prazo.
Os materiais usados ​​em sistemas de tubulação de aço inoxidável biofarmacêutico de alta pureza passaram por uma evolução em direção a uma melhor resistência à corrosão na última década. A maioria dos aços inoxidáveis ​​usados ​​antes de 1980 era o aço inoxidável 304 porque era relativamente barato e uma melhoria em relação ao cobre usado anteriormente.
Recentemente, o uso de aço inoxidável 316 em aplicações de tubulação de alta pureza tem aumentado. O tipo 316 é semelhante em composição ao tipo 304, mas além dos elementos de liga de cromo e níquel comuns a ambos, o 316 contém cerca de 2% de molibdênio, o que melhora significativamente a resistência à corrosão do 316. 035% vs. 0,08%). Esta redução no teor de carbono visa reduzir a quantidade de precipitação de carboneto que pode ocorrer devido à soldagem. Trata-se da formação de carboneto de cromo, que esgota os contornos de grão do metal base de cromo, tornando-o suscetível à corrosão. A formação de carboneto de cromo, chamada de “sensibilização”, depende do tempo e da temperatura e é um problema maior quando a soldagem manual. s do que soldas semelhantes feitas à mão. Isso ocorre porque a soldagem orbital fornece controle preciso de amperagem, pulsação e tempo, resultando em uma entrada de calor mais baixa e mais uniforme do que a soldagem manual. A soldagem orbital em combinação com graus “L” 304 e 316 praticamente elimina a precipitação de carboneto como um fator no desenvolvimento de corrosão em sistemas de tubulação.
Variação calor-a-calor do aço inoxidável. Embora os parâmetros de soldagem e outros fatores possam ser mantidos dentro de tolerâncias bastante rígidas, ainda existem diferenças na entrada de calor necessária para soldar aço inoxidável de calor a calor. Um número de calor é o número do lote atribuído a um fundido de aço inoxidável específico na fábrica. A composição química exata de cada lote é registrada no relatório de teste de fábrica (MTR) junto com a identificação do lote ou número de calor. , dependendo do tipo e concentração de cada liga ou oligoelemento presente. Como não há duas corridas de aço inoxidável contendo exatamente a mesma concentração de cada elemento, as características de soldagem variam de forno para forno.
SEM de soldas orbitais de tubo 316L em tubo AOD (topo) e material EBR (parte inferior) mostrou uma diferença significativa na suavidade do cordão de solda.
Embora um único procedimento de soldagem possa funcionar para a maioria das corridas com diâmetro externo e espessura de parede semelhantes, algumas corridas requerem menos amperagem e outras exigem uma amperagem mais alta do que o normal. Por esse motivo, o aquecimento de diferentes materiais no local de trabalho deve ser cuidadosamente rastreado para evitar possíveis problemas. Freqüentemente, o novo calor requer apenas uma pequena alteração na amperagem para obter um procedimento de soldagem satisfatório.
Problema de enxofre.Enxofre elementar é uma impureza relacionada ao minério de ferro que é amplamente removida durante o processo de fabricação do aço.Aços inoxidáveis ​​AISI Tipo 304 e 316 são especificados com um teor máximo de enxofre de 0,030%. são muito especiais nas seguintes maneiras. sua composição química. Observou-se que as propriedades da poça de fusão mudam quando o teor de enxofre do aço está abaixo de cerca de 0,008%. Isso se deve ao efeito do enxofre e, em menor grau, de outros elementos no coeficiente de temperatura da tensão superficial da poça de fusão, que determina as características de fluxo da poça de líquido.
Em concentrações muito baixas de enxofre (0,001% - 0,003%), a penetração da poça de solda torna-se muito ampla em comparação com soldas semelhantes feitas em materiais com teor médio de enxofre. Soldas feitas em tubos de aço inoxidável com baixo teor de enxofre terão soldas mais largas, enquanto em tubos de parede mais espessa (0,065 polegadas ou 1,66 mm ou mais) haverá uma tendência maior de fazer soldas Soldagem rebaixada. Quando a corrente de soldagem é suficiente para produzir uma solda totalmente penetrada. Isso torna os materiais com muito baixo teor de enxofre mais difícil de soldar, especialmente com paredes mais espessas.Na extremidade mais alta da concentração de enxofre em aço inoxidável 304 ou 316, o cordão de solda tende a ter aparência menos fluida e mais áspero do que materiais com enxofre médio.Portanto, para soldabilidade, o teor de enxofre ideal estaria na faixa de aproximadamente 0,005% a 0,017%, conforme especificado na ASTM A270 S2 para tubos de qualidade farmacêutica.
Os produtores de tubos de aço inoxidável eletropolido notaram que mesmo níveis moderados de enxofre no aço inoxidável 316 ou 316L tornam difícil atender às necessidades de seus clientes de semicondutores e biofarmacêuticos para superfícies interiores lisas e sem sulcos. O uso de microscopia eletrônica de varredura para verificar a lisura do acabamento da superfície do tubo é cada vez mais comum. vazios na faixa de 0,25-1,0 mícron.
Fabricantes e fornecedores de tubos com polimento eletrolítico estão direcionando o mercado para o uso de materiais com enxofre ultrabaixo para atender aos requisitos de acabamento de superfície. No entanto, o problema não se limita aos tubos com polimento eletrolítico, pois nos tubos sem polimento eletrolítico as inclusões são removidas durante a passivação do sistema de tubulação.
Deflexão do arco. Além de melhorar a soldabilidade do aço inoxidável, a presença de algum enxofre também melhora a usinabilidade. Como resultado, os fabricantes e fabricantes tendem a escolher materiais na extremidade superior da faixa de teor de enxofre especificada. A soldagem de tubos com concentrações muito baixas de enxofre em conexões, válvulas ou outros tubos com maior teor de enxofre pode criar problemas de soldagem porque o arco será inclinado para tubos com baixo teor de enxofre. Quando ocorre a deflexão do arco, a penetração torna-se mais profunda no lado com baixo teor de enxofre do que no lado com alto teor de enxofre. , que é o oposto do que acontece ao soldar tubos com concentrações de enxofre correspondentes. Em casos extremos, o cordão de solda pode penetrar completamente no material com baixo teor de enxofre e deixar o interior da solda completamente sem fusão (Fihey e Simeneau, 1982). -SCQ) (VIM+VAR) ) para a fabricação de acessórios e outros componentes destinados a serem soldados em tubos de baixo teor de enxofre. Soldar dois materiais de muito baixo teor de enxofre entre si é muito mais fácil do que soldar um material de muito baixo teor de enxofre a um de alto teor de enxofre.
A mudança para o uso de tubos com baixo teor de enxofre deve-se em grande parte à necessidade de obter superfícies de tubo interno eletropolidas lisas. Embora o acabamento da superfície e o eletropolimento sejam importantes tanto para a indústria de semicondutores quanto para a indústria biotecnológica/farmacêutica, a SEMI, ao escrever a especificação da indústria de semicondutores, especificou que a tubulação 316L para linhas de gás de processo deve ter uma tampa de enxofre de 0,004% para desempenho ideal nas extremidades da superfície. A ASTM, por outro lado, modificou sua especificação ASTM 270 para incluir grau farmacêutico tubulação que limita o teor de enxofre a uma faixa de 0,005 a 0,017%. Isso deve resultar em menos dificuldades de soldagem em comparação com enxofres de faixa inferior. No entanto, deve-se observar que, mesmo dentro dessa faixa limitada, a deflexão do arco ainda pode ocorrer ao soldar tubos com baixo teor de enxofre em tubos ou conexões com alto teor de enxofre, e os instaladores devem rastrear cuidadosamente o aquecimento do material e verificar antes da fabricação a compatibilidade da solda entre o aquecimento. Produção de soldas.
outros oligoelementos. Oligoelementos incluindo enxofre, oxigênio, alumínio, silício e manganês afetam a penetração. Vestígios de alumínio, silício, cálcio, titânio e cromo presentes no metal base como inclusões de óxido estão associados à formação de escória durante a soldagem.
Os efeitos dos vários elementos são cumulativos, portanto, a presença de oxigênio pode compensar alguns dos efeitos de baixo teor de enxofre. Altos níveis de alumínio podem neutralizar o efeito positivo na penetração de enxofre. O manganês se volatiliza na temperatura de soldagem e se deposita na zona afetada pelo calor da soldagem. Esses depósitos de manganês estão associados à perda de resistência à corrosão. (Ver Cohen, 1997).
Formação de escória. Ilhas de escória ocasionalmente aparecem no cordão de aço inoxidável durante algumas corridas. Isso é inerentemente um problema de material, mas às vezes mudanças nos parâmetros de soldagem podem minimizar isso, ou mudanças na mistura de argônio/hidrogênio podem melhorar a solda. Pollard descobriu que a proporção de alumínio para silício no metal base afeta a formação de escória. Se a proporção estiver acima desse nível, a escória esférica pode se formar em vez do tipo de placa. Esse tipo de escória pode deixar cavidades após o eletropolimento, o que é inaceitável para aplicações de alta pureza. Ilhas de escória que se formam no DE da solda podem causar penetração desigual do passe ID e podem resultar em penetração insuficiente. As ilhas de escória que se formam no cordão de solda ID podem ser suscetíveis à corrosão.
Solda de passagem única com pulsação. A soldagem de tubo orbital automática padrão é uma solda de passagem única com corrente pulsada e rotação de velocidade constante contínua. Esta técnica é adequada para tubos com diâmetros externos de 1/8" a aproximadamente 7" e espessuras de parede de 0,083" e abaixo. Após uma pré-purga cronometrada, ocorre formação de arco. s ao redor da junta de solda até que a solda se una ou se sobreponha à parte inicial da solda durante a última camada de soldagem. Quando a conexão é concluída, a corrente diminui gradualmente.
Modo passo a passo (soldagem "sincronizada"). Para soldagem por fusão de materiais com paredes mais espessas, normalmente maiores que 0,083 polegadas, a fonte de energia de soldagem por fusão pode ser usada no modo síncrono ou passo a passo.No modo síncrono ou passo a passo, o pulso de corrente de soldagem é sincronizado com o curso, de modo que o rotor fica estacionário para penetração máxima durante pulsos de corrente alta e se move durante pulsos de corrente baixa. As técnicas síncronas usam tempos de pulso mais longos, da ordem de 0,5 a 1,5 segundos, em comparação com o décimo ou centésimo de um segundo tempo de pulso para soldagem convencional. Esta técnica pode efetivamente soldar tubos de espessura 0,154" ou 6" de calibre 40 40 com espessura de parede de 0,154" ou 6". soldagem convencional e é menos adequado para aplicações de pureza ultra-alta (UHP) devido à costura mais larga e áspera.
Variáveis ​​programáveis. A geração atual de fontes de energia de soldagem é baseada em microprocessador e armazena programas que especificam valores numéricos para parâmetros de soldagem para um diâmetro específico (OD) e espessura da parede do tubo a ser soldado, incluindo tempo de purga, corrente de soldagem, velocidade de deslocamento (RPM), número de camadas e tempo por camada, tempo de pulso, tempo de descida, etc. rc gap) e upslope. Para executar a soldagem por fusão, instale o cabeçote de soldagem com o eletrodo apropriado e inserções de braçadeira de tubo no tubo e recupere o cronograma ou programa de soldagem da memória da fonte de energia. A sequência de soldagem é iniciada pressionando um botão ou tecla do painel de membrana e a soldagem continua sem a intervenção do operador.
Variáveis ​​não programáveis. Para obter uma qualidade de solda consistentemente boa, os parâmetros de soldagem devem ser cuidadosamente controlados. Isso é obtido por meio da precisão da fonte de energia de soldagem e do programa de soldagem, que é um conjunto de instruções inseridas na fonte de energia, consistindo em parâmetros de soldagem, para soldar um tamanho específico de tubo ou tubo. Também deve haver um conjunto eficaz de padrões de soldagem, especificando critérios de aceitação de soldagem e alguma inspeção de soldagem e sistema de controle de qualidade para garantir que a soldagem atenda aos padrões acordados. No entanto, certos fatores e procedimentos além dos parâmetros de soldagem também devem ser cuidadosamente controlados. Esses fatores incluem o uso de bom equipamento de preparação final, boas práticas de limpeza e manuseio, boas tolerâncias dimensionais de tubos ou outras peças a serem soldadas, tipo e tamanho consistentes de tungstênio, gases inertes altamente purificados e atenção cuidadosa às variações de material.- alta temperatura.
Os requisitos de preparação para a soldagem da extremidade do tubo são mais críticos para a soldagem orbital do que para a soldagem manual. As juntas soldadas para a soldagem orbital do tubo são geralmente juntas de topo quadradas. Para obter a repetibilidade desejada na soldagem orbital, é necessária uma preparação precisa e consistente da extremidade usinada. Como a corrente de soldagem depende da espessura da parede, as extremidades devem ser quadradas sem rebarbas ou chanfros no DE ou ID (OD ou ID), o que resultaria em diferentes espessuras de parede.
As extremidades do tubo devem se encaixar na cabeça de solda para que não haja folga perceptível entre as extremidades da junta de topo quadrada. Embora juntas soldadas com pequenas folgas possam ser realizadas, a qualidade da solda pode ser adversamente afetada. Quanto maior a folga, maior a probabilidade de haver um problema. Uma montagem inadequada pode resultar em uma falha completa da solda. Serras de tubo feitas por George Fischer e outros que cortam o tubo e enfrentam as extremidades do tubo na mesma operação, ou tornos portáteis de preparação de extremidades como os feitos pela Protem, Wachs, e outros, muitas vezes usados ​​para fazer soldas orbitais de extremidade lisa adequadas para usinagem. Serras de corte, serras, serras de fita e cortadores de tubos não são adequados para esta finalidade.
Além dos parâmetros de soldagem que fornecem energia para soldar, existem outras variáveis ​​que podem ter um efeito profundo na soldagem, mas não fazem parte do procedimento de soldagem real. Isso inclui o tipo e o tamanho do tungstênio, o tipo e a pureza do gás usado para proteger o arco e purgar o interior da junta de solda, a vazão de gás usada para purgar, o tipo de cabeçote e fonte de energia usados, a configuração da junta e qualquer outra informação relevante. Chamamos essas variáveis ​​de "não programáveis" e as registramos no cronograma de soldagem. por exemplo, o tipo de gás é considerado uma variável essencial na Especificação do Procedimento de Soldagem (WPS) para procedimentos de soldagem em conformidade com o Código de Vasos de Pressão e Caldeiras ASME Seção IX. Mudanças no tipo de gás ou porcentagens de mistura de gás ou eliminação da purga ID requerem a revalidação do procedimento de soldagem.
gás de soldagem.O aço inoxidável é resistente à oxidação do oxigênio atmosférico à temperatura ambiente.Quando é aquecido até seu ponto de fusão (1530°C ou 2800°F para ferro puro) é facilmente oxidado.Argônio inerte é mais comumente usado como gás de proteção e para purgar juntas soldadas internas através do processo GTAW orbital. não for da mais alta qualidade ou se o sistema de purga não estiver completamente livre de vazamentos, de modo que uma pequena quantidade de ar vaze para o sistema de purga, a oxidação pode ser azul-petróleo ou azulada. Claro, nenhuma limpeza resultará na superfície preta crocante comumente chamada de “adoçada”. CO2, hidrocarbonetos, etc., para um total de 40 ppm no máximo. Argônio de alta pureza em um cilindro ou argônio líquido em um Dewar pode ser 99,999% puro ou 10 ppm de impurezas totais, com um máximo de 2 ppm de oxigênio. NOTA: Purificadores de gás como Nanochem ou Gatekeeper podem ser usados ​​durante a purga para reduzir os níveis de contaminação para a faixa de partes por bilhão (ppb).
composição mista.Misturas de gases como 75% de hélio/25% de argônio e 95% de argônio/5% de hidrogênio podem ser usadas como gases de proteção para aplicações especiais.As duas misturas produziram soldas mais quentes do que aquelas feitas sob as mesmas configurações de programa que o argônio.As misturas de hélio são particularmente adequadas para penetração máxima por soldagem por fusão em aço carbono.Um consultor da indústria de semicondutores defende o uso de misturas de argônio/hidrogênio como gases de proteção para aplicações UHP.As misturas de hidrogênio têm várias vantagens, mas também algumas desvantagens sérias. A vantagem é que ele produz uma poça mais úmida e uma superfície de solda mais lisa, o que é ideal para a implementação de sistemas de distribuição de gás de ultra-alta pressão com uma superfície interna tão lisa quanto possível. para melhorar a aparência do cordão de solda interno.
O cordão de solda que usa uma mistura de hidrogênio como gás de proteção é mais estreito, exceto que o aço inoxidável tem um teor de enxofre muito baixo e gera mais calor na solda do que o mesmo ajuste de corrente com argônio não misturado. o calor gerado pelo arco varia com a concentração de hidrogênio, uma concentração constante é essencial para obter soldas repetíveis e há diferenças no gás engarrafado pré-misturado. Outra desvantagem é que a vida útil do tungstênio é muito reduzida quando uma mistura de hidrogênio é usada. Embora a razão para a deterioração do tungstênio do gás misturado não tenha sido determinada, foi relatado que o arco é mais difícil e o tungstênio pode precisar ser substituído após uma ou duas soldas. Misturas de argônio/hidrogênio não podem ser usadas para aço carbono ld ou titânio.
Uma característica distintiva do processo TIG é que ele não consome eletrodos.Tungstênio tem o ponto de fusão mais alto de qualquer metal (6098°F; 3370°C) e é um bom emissor de elétrons, tornando-o particularmente adequado para uso como eletrodo não consumível.Suas propriedades são melhoradas pela adição de 2% de certos óxidos de terras raras, como céria, óxido de lantânio ou óxido de tório para melhorar a partida e a estabilidade do arco.Tungstênio puro raramente é usado em G TAW por causa das propriedades superiores do tungstênio de cério, especialmente para aplicações GTAW orbitais. O tungstênio de tório é usado menos do que no passado porque eles são um tanto radioativos.
Eletrodos com acabamento polido são mais uniformes em tamanho. Uma superfície lisa é sempre preferível a uma superfície áspera ou inconsistente, pois a consistência na geometria do eletrodo é crítica para resultados de soldagem consistentes e uniformes. Os elétrons emitidos pela ponta (DCEN) transferem calor da ponta de tungstênio para a solda. Uma ponta mais fina permite que a densidade de corrente seja mantida muito alta, mas pode resultar em uma vida útil mais curta do tungstênio. A ponta romba força o arco da solda para o mesmo ponto no tungstênio. O diâmetro da ponta controla a forma do arco e a quantidade de penetração em uma determinada corrente. O ângulo do cone afeta as características de corrente/tensão do arco e deve ser especificado e controlado. O comprimento do tungstênio é importante porque um comprimento conhecido de tungstênio pode ser usado para definir a folga do arco.
O tamanho do eletrodo e o diâmetro da ponta são selecionados de acordo com a intensidade da corrente de soldagem. Se a corrente for muito alta para o eletrodo ou sua ponta, pode haver perda de metal da ponta, e o uso de eletrodos com diâmetro de ponta muito grande para a corrente pode causar deriva do arco. Especificamos os diâmetros do eletrodo e da ponta pela espessura da parede da junta de solda e usamos 0,0625 de diâmetro para quase tudo com espessura de parede de até 0,093 ″, a menos que o uso seja projetado para uso com eletrodos de 0,040 ″ de diâmetro para soldagem de pequenos componentes de precisão. Para repetibilidade do processo de soldagem, tipo e acabamento de tungstênio, comprimento, ângulo de conicidade, diâmetro, diâmetro da ponta e folga do arco devem ser especificados e controlados. Para aplicações de soldagem de tubos, o cério tungstênio é sempre recomendado porque esse tipo tem uma vida útil muito mais longa do que outros tipos e possui excelentes características de ignição de arco. O cério tungstênio não é radioativo.
Para obter mais informações, entre em contato com Barbara Henon, gerente de publicações técnicas, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Telefone: 818-896-9556. Fax: 818-890-3724.