Redaktörens anmärkning: Pharmaceutical Online är glada över att kunna presentera denna fyradelade artikel om orbitalsvetsning av bioprocessrör av industriexpert Barbara Henon från Arc Machines. Den här artikeln är anpassad från Dr. Henons presentation vid ASME-konferensen i slutet av förra året.
Förhindra förlust av korrosionsbeständighet. Vatten med hög renhet som DI eller WFI är ett mycket aggressivt etsmedel för rostfritt stål. Dessutom cyklas WFI av farmaceutisk kvalitet vid hög temperatur (80°C) för att bibehålla steriliteten. Det är en subtil skillnad mellan att sänka temperaturen tillräckligt för att stödja levande organismer som är dödliga för produkten och att höja temperaturen och höja den bruna kompositionen genom att höja den bruna kompositionen. rosion av komponenter i rörsystemet i rostfritt stål. Smuts och järnoxider kan vara huvudkomponenterna, men olika former av järn, krom och nickel kan också förekomma. Förekomsten av rouge är dödlig för vissa produkter och dess närvaro kan leda till ytterligare korrosion, även om dess närvaro i andra system verkar vara ganska godartad.
Svetsning kan påverka korrosionsbeständigheten negativt. Varm färg är resultatet av oxiderande material som avsatts på svetsar och HAZ under svetsning, är särskilt skadligt och är förknippat med bildning av rouge i farmaceutiska vattensystem. Bildning av kromoxid kan orsaka en varm nyans och lämnar efter sig ett kromutarmat skikt som kan plockas bort och färgas bort genom slipning och färgning. från ytan, inklusive det underliggande kromutarmade skiktet, och återställande av korrosionsbeständigheten till nivåer nära basmetallnivåer. Däremot är betning och slipning skadligt för ytfinishen. Passivering av rörsystemet med salpetersyra eller kelatbildande medel görs för att övervinna de negativa effekterna av svetsning och tillverkning av elektrolytsystem, kan en passivering av ytan tas i bruk innan röret bearbetas. förändringar i fördelningen av syre, krom, järn, nickel och mangan som inträffade i den svets- och värmepåverkade zonen till försvetsningstillståndet. Passiveringen påverkar dock endast det yttre ytskiktet och tränger inte in under 50 ångström, medan termisk färgning kan sträcka sig 1000 ångström eller mer under ytan.
Därför, för att installera korrosionsbeständiga rörsystem nära osvetsade substrat, är det viktigt att försöka begränsa svetsnings- och tillverkningsinducerade skador till nivåer som väsentligt kan återvinnas genom passivering. Detta kräver användning av en reningsgas med minimalt syreinnehåll och tillförsel till innerdiametern av svetsfogen utan kontaminering av fuktkontroll av värme och syretillförseln under svetsning är också viktigt under svetsning av luft. förhindra förlust av korrosionsbeständighet. Att styra tillverkningsprocessen för att uppnå repeterbara och konsekventa svetsar av hög kvalitet, samt noggrann hantering av rostfria stålrör och komponenter under tillverkningen för att förhindra kontaminering, är väsentliga krav för ett högkvalitativt rörsystem som står emot korrosion och ger en långsiktig produktiv service.
Material som används i högrent biofarmaceutiska rörsystem av rostfritt stål har genomgått en utveckling mot förbättrad korrosionsbeständighet under det senaste decenniet. Det mesta av rostfritt stål som användes före 1980 var 304 rostfritt stål eftersom det var relativt billigt och en förbättring jämfört med koppar som användes tidigare. Faktum är att 300-seriens rostfria stål är relativt lätta att smälta och förlust av rostfria stål. kräver inga speciella förvärmnings- och eftervärmebehandlingar.
Nyligen har användningen av 316 rostfritt stål i applikationer med hög renhet ökat. Typ 316 liknar sin sammansättning till typ 304, men förutom krom- och nickellegeringselementen som är gemensamma för båda, innehåller 316 cirka 2 % molybden, vilket avsevärt förbättrar 3163′s och 3163′s 316′s och 316 ′s. "L"-kvaliteter, har en lägre kolhalt än standardkvaliteter (0,035% mot 0,08%).Denna minskning av kolhalten är avsedd att minska mängden karbidutfällning som kan uppstå på grund av svetsning.Detta är bildningen av kromkarbid, som tömmer korngränserna för krombasmetallen, vilket gör den känslig för korbium, vilket gör att den är känslig för korbium. är tids- och temperaturberoende och är ett större problem vid handlödning. Vi har visat att orbitalsvetsning av superaustenitiskt rostfritt stål AL-6XN ger mer korrosionsbeständiga svetsar än liknande svetsar gjorda för hand. Detta beror på att orbitalsvetsning ger exakt kontroll av strömstyrka, pulsering och timing, vilket resulterar i en lägre och mer enhetlig svetsning i kombination med manuell svetsning i kombination med 34 och 30 manuell svetsning i kombination med 34 L. ly eliminerar karbidutfällning som en faktor i utvecklingen av korrosion i rörsystem.
Värme-till-värme variation av rostfritt stål. Även om svetsparametrar och andra faktorer kan hållas inom ganska snäva toleranser, finns det fortfarande skillnader i värmetillförseln som krävs för att svetsa rostfritt stål från värme till värme. Ett värmenummer är lotnumret som tilldelats en specifik rostfri stålsmälta på fabriken. Den exakta kemiska sammansättningen av varje batch tillsammans med järnet registreras på satsen eller järnet (MTR). s vid 1538°C (2800°F), medan legerade metaller smälter inom ett temperaturintervall, beroende på typen och koncentrationen av varje närvarande legering eller spårelement. Eftersom inga två värmer av rostfritt stål kommer att innehålla exakt samma koncentration av varje element, kommer svetsegenskaperna att variera från ugn till ugn.
SEM av 316L rörorbitalsvetsar på AOD-rör (överst) och EBR-material (botten) visade en signifikant skillnad i jämnheten hos svetssträngen.
Även om en enda svetsprocedur kan fungera för de flesta värme med liknande OD och väggtjocklek, kräver vissa värmer mindre strömstyrka och vissa kräver högre strömstyrka än normalt. Av denna anledning måste uppvärmning av olika material på arbetsplatsen spåras noggrant för att undvika potentiella problem. Ofta kräver ny värme endast en liten förändring i strömstyrka för att uppnå en tillfredsställande svetsprocedur.
Svavelproblem.Elementärt svavel är en järnmalmsrelaterad förorening som till stor del avlägsnas under ståltillverkningsprocessen. AISI Typ 304 och 316 rostfria stål är specificerade med en maximal svavelhalt på 0,030%.Med utvecklingen av moderna stålraffineringsprocesser, såsom Argon Oxygen Decarburization (AOD) och följt av argon Oxygen Decarburization (AOD) och följt av Vaduction Vacuummelting, som t.ex. ing (VIM+VAR), har det blivit möjligt att tillverka stål som är mycket speciella på följande sätt. deras kemiska sammansättning. Det har noterats att egenskaperna hos svetsbadet förändras när stålets svavelhalt är under ca 0,008%. Detta beror på inverkan av svavel och i mindre utsträckning andra element på temperaturkoefficienten för vätskebassängens flödeskarakteristik, svetsbadets ytspänning.
Vid mycket låga svavelkoncentrationer (0,001 % – 0,003 %) blir inträngningen av svetspölen mycket bred jämfört med liknande svetsar gjorda på material med medelhög svavelhalt. Svetsar gjorda på lågsvavligt rostfritt stålrör kommer att ha bredare svetsar, medan på tjockare väggrör (0,065 tum, eller mer svetsning) blir det en svetsning på 1,66 mm. svetsströmmen är tillräcklig för att producera en helt genomträngd svets. Detta gör material med mycket låg svavelhalt svårare att svetsa, särskilt med tjockare väggar. Vid den högre änden av svavelkoncentrationen i 304 eller 316 rostfritt stål tenderar svetssträngen att vara mindre flytande till utseendet och grövre än medelhög svavelhalt, därför skulle svavelhalten ligga inom det idealiska intervallet på ca 0 till 0 %. 0,017 %, enligt ASTM A270 S2 för slangar av farmaceutisk kvalitet.
Tillverkare av elektropolerade rör av rostfritt stål har märkt att även måttliga nivåer av svavel i 316 eller 316L rostfritt stål gör det svårt att tillgodose behoven hos sina halvledar- och biofarmaceutiska kunder för släta, gropfria invändiga ytor. Användningen av svepelektronmikroskopi för att verifiera jämnheten hos den vanliga metalliska ytfinishen i icke-metalliska metaller har visat sig öka i icke-metalliska form av metall. gassulfid (MnS) "stringers" som avlägsnas under elektropolering och lämnar tomrum i intervallet 0,25-1,0 mikron.
Tillverkare och leverantörer av elektropolerade rör driver marknaden mot användning av ultra-låga svavelmaterial för att uppfylla deras ytbehandlingskrav. Men problemet är inte begränsat till elektropolerade rör, som i icke-elektropolerade rör som ingår är några giltiga för att vara några giltiga skäl till låga-trendfarna.
Bågböjning.Förutom att förbättra svetsbarheten hos rostfritt stål, förbättrar närvaron av en del svavel också bearbetbarheten. Som ett resultat tenderar tillverkare och tillverkare att välja material i den högre delen av det specificerade svavelinnehållsintervallet. Svetsning av rör med mycket låga svavelkoncentrationer till rördelar, ventiler eller andra rör med högre svavelinnehåll kommer att skapa problem med svetsning med låg svavelhalt. c avböjning uppstår, blir penetrationen djupare på den lågsvavliga sidan än på den högsvavliga sidan, vilket är motsatsen till vad som händer när man svetsar rör med matchande svavelkoncentrationer. I extrema fall kan svetssträngen helt penetrera det lågsvavliga materialet och lämna svetsens inre helt oförsmält (I hey och simeneau de sulfur, till ordningen). innehållet i röret har Carpenter Steel Division vid Car-penter Technology Corporation i Pennsylvania introducerat ett lågsvavligt (0,005 % max) 316 bars lager (Typ 316L-SCQ) (VIM+VAR) ) för tillverkning av kopplingar och andra komponenter som är avsedda att svetsas till lågsvavliga rör. Att svetsa två mycket lågsvavliga material till varandra är mycket lättare än att svetsa två mycket lågsvavliga material till varandra. en.
Övergången till användningen av lågsvavliga rör beror till stor del på behovet av att få släta elektropolerade inre rörytor. Medan ytfinish och elektropolering är viktiga för både halvledarindustrin och bioteknik-/läkemedelsindustrin, specificerade SEMI, när specifikationen för halvledarindustrin skrevs, att 316L-slangar för processgasledningar måste ha en optimal prestanda på 4% 0MAST för övrig sulfur på 4% AST. hand, modifierade sin ASTM 270-specifikation för att inkludera slangar av farmaceutisk kvalitet som begränsar svavelhalten till ett intervall av 0,005 till 0,017%. Detta bör resultera i mindre svetssvårigheter jämfört med lägre svavel. Det bör dock noteras att även inom detta begränsade intervall kan bågböjning fortfarande förekomma vid montering av rör med hög svetsning eller svetsning av rör med låg svavel, eller svetsning med hög svavel. ning av materialet och kontrollera före tillverkning Lödkompatibilitet mellan uppvärmning.Tillverkning av svetsar.
andra spårämnen. Spårämnen inklusive svavel, syre, aluminium, kisel och mangan har visat sig påverka penetrationen. Spårmängder av aluminium, kisel, kalcium, titan och krom som finns i basmetallen eftersom oxidinneslutningar är förknippade med slaggbildning under svetsning.
Effekterna av de olika elementen är kumulativa, så närvaron av syre kan kompensera en del av de låga svaveleffekterna.Höga halter av aluminium kan motverka den positiva effekten på svavelpenetration.Mangan förflyktigas vid svetstemperatur och avlagringar i den svetsvärmepåverkade zonen.Dessa manganavlagringar är förknippade med förlust av korrosionsbeständighet,19 och semeconducting-industrin. material med låg manganhalt och till och med ultralåg mangan 316L för att förhindra denna förlust av korrosionsbeständighet.
Slaggbildning. Slaggöar dyker ibland upp på den rostfria stålpärlan för vissa upphettningar. Detta är i sig ett materialproblem, men ibland kan förändringar i svetsparametrar minimera detta, eller förändringar i argon/väteblandningen kan förbättra svetsen. Pollard fann att förhållandet mellan aluminium och kisel i basmetallen påverkar slaggbildningen av oönskad 0-halt av slagg. 10% och kiselhalten på 0,5%.Men när Al/Si-förhållandet är över denna nivå kan sfärisk slagg bildas snarare än placktypen.Den här typen av slagg kan lämna gropar efter elektropolering, vilket är oacceptabelt för applikationer med hög renhet.Slaggöar som bildas på svetsens ytterdiameter kan orsaka ojämn penetrering av genomgången av svetsen och stiftsvetsningen kan resultera i genomgången av svetsen. kan vara känsligt för korrosion.
Engångssvets med pulsering.Standard automatisk svetsning av orbitalrör är en engångssvets med pulsad ström och kontinuerlig rotation med konstant hastighet. Denna teknik är lämplig för rör med ytterdiametrar från 1/8″ till cirka 7″ och väggtjocklekar på 0,083″ och lägre. i vilken ljusbågsbildning förekommer men ingen rotation inträffar. Efter denna rotationsfördröjning roterar elektroden runt svetsfogen tills svetsen förenas eller överlappar den initiala delen av svetsen under det sista svetsskiktet. När anslutningen är klar avsmalnar strömmen i ett tidsbestämt fall.
Stegläge ("synkroniserad" svetsning). För smältsvetsning av material med tjockare väggar, vanligtvis större än 0,083 tum, kan smältsvetsströmkällan användas i synkront eller stegläge. I synkront eller stegläge synkroniseras svetsströmpulsen med slaget, så att rotorn är stationär för maximal penetration under högströmspulser, synkrona pulser och längre pulser. på 0,5 till 1,5 sekunder, jämfört med den tiondels eller hundradels sekunds pulstid för konventionell svetsning. Den här tekniken kan effektivt svetsa 0,154 tum eller 6 tum tjockt 40 gauge 40 tunnväggigt rör med 0,154 tum eller 6 tum väggtjocklek. Tekniken med bredstegssvetsning gör det lättare att svetsa och gör det lättare att svetsa i svetsar. tingar till rör där det kan finnas skillnader i dimensionstoleranser, viss felinriktning eller material termisk inkompatibilitet.Denna typ av svetsning kräver ungefär dubbelt så lång bågtid som konventionell svetsning och är mindre lämplig för applikationer med ultrahög renhet (UHP) på grund av den bredare, grövre sömmen.
Programmerbara variabler. Den nuvarande generationen av svetskraftkällor är mikroprocessorbaserade och lagrar program som specificerar numeriska värden för svetsparametrar för en specifik diameter (OD) och väggtjocklek på röret som ska svetsas, inklusive spolningstid, svetsström, färdhastighet (RPM) ), antal lager och tid per lager, pulstid, nedförsbacketid, nedförs- eller bitmatningsprogram, inkluderar svets- eller bitmatningsprogram, etc. brännarens oscillationsamplitud och uppehållstid, AVC (bågspänningskontroll för att ge konstant båggap) och upslope.För att utföra smältsvetsning, installera svetshuvudet med lämplig elektrod och rörklämma-insatser på röret och återkalla svetsschemat eller svetsprogrammet från strömkällans minne. Svetssekvensen initieras genom att man trycker på en knapp för operatören på panelen och utan svetsning.
Icke-programmerbara variabler.För att erhålla genomgående god svetskvalitet måste svetsparametrarna kontrolleras noggrant. Detta uppnås genom noggrannheten hos svetskraftkällan och svetsprogrammet, som är en uppsättning instruktioner som matas in i strömkällan, bestående av svetsparametrar, för svetsning av en specifik storlek på rör eller rör. Det måste också finnas en effektiv uppsättning av svetskvalitetskontroller för att säkerställa att vissa svetsstandarder, specificerar och uppfyller svetskvalitetskontroller, överenskomna standarder. Vissa andra faktorer och procedurer än svetsparametrar måste dock också kontrolleras noggrant. Dessa faktorer inkluderar användningen av bra slutförberedande utrustning, goda rengörings- och hanteringsmetoder, goda dimensionstoleranser för rör eller andra delar som svetsas, konsekvent volframtyp och storlek, högt rena inerta gaser och noggrann uppmärksamhet på materialvariationer.- hög temperatur.
Förberedelsekraven för svetsning av röränden är mer kritiska för svetsning av röränden än för manuell svetsning. Svetsade fogar för svetsning av orbitalrör är vanligtvis fyrkantiga stumfogar. För att uppnå den repeterbarhet som önskas vid svetsning av röränden krävs exakt, konsekvent, bearbetad förberedelse av ändarna. Eftersom svetsströmmen beror på väggtjockleken måste ändarna vara fyrkantiga utan grader eller OD-tjocklek, vilket resultat på väggens tjocklek eller OD-avfasning (OD- ​​eller OD-tjocklek).
Rörändarna måste passa ihop i svetshuvudet så att det inte finns något märkbart mellanrum mellan ändarna av den fyrkantiga stumfogen. Även om svetsfogar med små glipor kan åstadkommas, kan svetskvaliteten påverkas negativt. Ju större mellanrum, desto mer sannolikt är det ett problem. Dålig montering kan resultera i ett fullständigt fel på lödningen och andra rör som lödningen och andra rör som lödning och andra rör som kapas i röret. slutförberedande svarvar som de som tillverkats av Protem, Wachs och andra, används ofta för att göra släta ändsvetsar lämpliga för bearbetning. Hacksågar, bågfilar, bandsågar och rörskärare är inte lämpliga för detta ändamål.
Utöver svetsparametrarna som matar in effekt till svetsning, finns det andra variabler som kan ha en djupgående effekt på svetsning, men de är inte en del av själva svetsproceduren. Detta inkluderar typen och storleken på volfram, typen och renheten av gasen som används för att skärma bågen och rensa insidan av svetsfogen, gasflödeshastigheten som används för spolning, vilken typ av skarv som används, vilken typ av huvud som används och annan konfigurerbar strömkälla, vilken typ av huvud och annan strömkälla som vi använder. variabler och registrera dem på svetsschemat. Till exempel anses typen av gas vara en väsentlig variabel i svetsproceduren (WPS) för att svetsprocedurer ska följa ASME Section IX Boiler and Pressure Vessel Code. Förändringar i gastyp eller gasblandningsprocent, eller eliminering av ID-rening kräver förnyad validering av svetsproceduren.
svetsgas.Rostfritt stål är motståndskraftigt mot atmosfärisk syreoxidation vid rumstemperatur.När det värms upp till sin smältpunkt (1530°C eller 2800°F för rent järn) oxideras det lätt. Inert argon används oftast som skyddsgas och för att spolera interna svetsfogar i gasens GTAW-process relativa mängd syre och syrehalten GTAW-processen. ationsinducerad missfärgning som uppstår på eller nära svetsen efter svetsning. Om spolgasen inte är av högsta kvalitet eller om spolningssystemet inte är helt läckagefritt så att en liten mängd luft läcker in i spolningssystemet kan oxidationen vara ljust krickig eller blåaktig. Naturligtvis kommer ingen rengöring att resultera i den knapriga svarta ytan som vanligen kallas "99s cylindrar". -99,997% ren, beroende på leverantör, och innehåller 5-7 ppm syre och andra föroreningar, inklusive H2O, O2, CO2, kolväten, etc., för totalt 40 ppm maximalt.Högrenhet argon i en cylinder eller flytande argon i en Dewar kan vara 99,999% renare av NO, max 2 ppm syre, max 2 ppm syre eller ppm ren. s som Nanochem eller Gatekeeper kan användas under rening för att minska föroreningsnivåerna till intervallet delar per miljard (ppb).
blandad sammansättning.Gasblandningar som 75 % helium/25 % argon och 95 % argon/5 % väte kan användas som skyddsgaser för speciella applikationer. De två blandningarna producerade hetare svetsar än de som gjordes under samma programinställningar som argon. Heliumblandningar är särskilt lämpade för maximal penetrering genom smältsvetsning på kolledarblandningar av kolstål/väteblandningar i konsultindustrin eller en halvledarväteblandningsindustri. hållgaser för UHP-tillämpningar. Väteblandningar har flera fördelar, men också några allvarliga nackdelar. Fördelen är att den ger en blötare pöl och en slätare svetsyta, vilket är idealiskt för att implementera gastillförselsystem med ultrahögt tryck med en så slät inre yta som möjligt. Närvaron av väte ger en reducerande atmosfär, så om spår av liknande syrehalt kommer att bli renare i svetsgasen än renare syre, blir resultatet en renare syreblandning i svetsgasen. gon.Denna effekt är optimal vid cirka 5 % väteinnehåll. Vissa använder en blandning av 95/5 % argon/väte som en ID-rening för att förbättra utseendet på den inre svetssträngen.
Svetssträngen som använder en väteblandning som skyddsgas är smalare, förutom att det rostfria stålet har en mycket låg svavelhalt och genererar mer värme i svetsen än samma ströminställning med oblandad argon. En betydande nackdel med argon/väteblandningar är att ljusbågen är mycket mindre stabil än ren svetsargon, och det kan uppstå en sämre benägenhet att driva, och det kan uppstå en avdrift. försvinner när en annan blandad gaskälla används, vilket tyder på att det kan orsakas av förorening eller dålig blandning. Eftersom värmen som genereras av ljusbågen varierar med vätekoncentrationen, är en konstant koncentration avgörande för att uppnå repeterbara svetsar, och det finns skillnader i förblandad buteljerad gas. En annan nackdel är att livslängden för volfram är avsevärt förkortad av volframgasblandningen avsevärt för att vätgasblandningen inte har förkortats när vätgasblandningen inte har förkortats. d, det har rapporterats att bågen är svårare och volframet kan behöva bytas ut efter en eller två svetsningar. Argon/väteblandningar kan inte användas för att svetsa kolstål eller titan.
En utmärkande egenskap hos TIG-processen är att den inte förbrukar elektroder. Volfram har den högsta smältpunkten av någon metall (6098°F; 3370°C) och är en bra elektronavsändare, vilket gör den särskilt lämplig för användning som en icke-förbrukningsbar elektrod. Dess egenskaper förbättras genom att tillsätta 2 % av vissa sällsynta jordartsmetalloxider, oxider och utgångsmaterial till chorariumoxider, t.ex. bågstabilitet.Ren volfram används sällan i GTAW på grund av de överlägsna egenskaperna hos ceriumvolfram, speciellt för orbital GTAW-applikationer.Thoriumvolfram används mindre än tidigare eftersom de är något radioaktiva.
Elektroder med en polerad yta är mer enhetlig i storlek. En slät yta är alltid att föredra framför en grov eller inkonsekvent yta, eftersom konsistens i elektrodgeometrin är avgörande för konsekventa, enhetliga svetsresultat. Elektroner som avges från spetsen (DCEN) överför värme från volframspetsen till svetsen. En finare spets gör att strömtätheten kan hållas mycket kortare, eller för tungstenssvetsning, men kan leda till en mycket kortare eller längre livslängd. slipa elektrodspetsen för att säkerställa repeterbarheten för volframgeometrin och svetsrepeterbarheten. Den trubbiga spetsen tvingar bågen från svetsen till samma punkt på volframet. Spetsdiametern styr formen på bågen och mängden penetration vid en viss ström. Konningsvinkeln påverkar ström-/spänningsegenskaperna hos bågen och måste anges eftersom den viktiga längden på volfram kan ställas in och måste anges för volframlängden. gap. Båggapet för ett specifikt strömvärde bestämmer spänningen och därmed den effekt som tillförs svetsen.
Elektrodstorleken och dess spetsdiameter väljs i enlighet med svetsströmstyrkan. Om strömmen är för hög för elektroden eller dess spets kan den tappa metall från spetsen, och användning av elektroder med en spetsdiameter som är för stor för strömmen kan orsaka bågdrift. Vi specificerar elektrod- och spetsdiametrar efter svetsfogens väggtjocklek och använder 0,0625 till 0,0625″ diameter för att nästan allt ska användas med tjocklek upp till 09″. Elektroder med en diameter på 0,040 tum för svetsning av små precisionskomponenter. För repeterbarhet av svetsprocessen, volframtyp och finish, längd, konvinkel, diameter, spetsdiameter och båggap måste alla specificeras och kontrolleras. För rörsvetsapplikationer rekommenderas alltid ceriumvolfram eftersom denna typ har en mycket längre livslängd än andra typer och har utmärkta egenskaper, volfram, radioaktivt ljusbåge.
För mer information, vänligen kontakta Barbara Henon, Technical Publications Manager, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331.Telefon: 818-896-9556.Fax: 818-890-3724.