ملاحظة المحرر: يسر موقع Pharmaceutical Online أن يقدم هذه المقالة المكونة من أربعة أجزاء حول اللحام المداري لأنابيب العمليات الحيوية بقلم خبيرة الصناعة باربرا هينون من شركة Arc Machines. هذه المقالة مقتبسة من عرض الدكتورة هينون في مؤتمر ASME في أواخر العام الماضي.
لمنع فقدان مقاومة التآكل، يُعدّ الماء عالي النقاء، مثل الماء منزوع الأيونات أو الماء المُخصّب للحقن، عاملًا مُؤثّرًا قويًا جدًا على الفولاذ المقاوم للصدأ. بالإضافة إلى ذلك، يُعاد تدوير الماء المُخصّب للحقن المستخدم في صناعة الأدوية عند درجة حرارة عالية (80 درجة مئوية) للحفاظ على تعقيمه. ثمة فرق دقيق بين خفض درجة الحرارة بما يكفي لدعم نمو الكائنات الحية الضارة بالمنتج، ورفعها بما يكفي لتحفيز تكوّن طبقة بنية اللون تُعرف باسم "الطبقة الحمراء". هذه الطبقة هي غشاء بني اللون ذو تركيب مُتفاوت، ينتج عن تآكل مكونات نظام أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ. قد تكون الأوساخ وأكاسيد الحديد هي المكونات الرئيسية، ولكن قد توجد أيضًا أشكال مختلفة من الحديد والكروم والنيكل. يُعدّ وجود هذه الطبقة قاتلًا لبعض المنتجات، وقد يؤدي إلى مزيد من التآكل، على الرغم من أن وجودها في أنظمة أخرى يبدو غير ضار نسبيًا.
يمكن أن تؤثر عملية اللحام سلبًا على مقاومة التآكل. يُعدّ اللون الساخن، الناتج عن ترسب المواد المؤكسدة على اللحامات والمناطق المتأثرة بالحرارة أثناء اللحام، ضارًا بشكل خاص، ويرتبط بتكوّن طبقة حمراء في أنظمة المياه الصيدلانية. يمكن أن يتسبب تكوّن أكسيد الكروم في ظهور لون ساخن، تاركًا وراءه طبقة مستنفدة من الكروم معرضة للتآكل. يمكن إزالة اللون الساخن عن طريق التخليل والطحن، مما يؤدي إلى إزالة المعدن من السطح، بما في ذلك الطبقة المستنفدة من الكروم الموجودة أسفله، واستعادة مقاومة التآكل إلى مستويات قريبة من مستويات المعدن الأساسي. ومع ذلك، فإن التخليل والطحن يضران بتشطيب السطح. يتم تخميل نظام الأنابيب باستخدام حمض النيتريك أو تركيبات عوامل التخليب للتغلب على الآثار السلبية للحام والتصنيع قبل تشغيل نظام الأنابيب. أظهر تحليل إلكترون أوجيه أن التخميل بالتخليب يمكن أن يعيد التغيرات السطحية في توزيع الأكسجين والكروم والحديد والنيكل والمنغنيز التي حدثت في اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة إلى حالتها قبل اللحام. ومع ذلك، لا يؤثر التخميل إلا على الطبقة السطحية الخارجية ولا يخترق إلى ما دون 50 أنجستروم، في حين أن التلوين الحراري يمكن أن يمتد إلى 1000 أنجستروم أو أكثر تحت السطح.
لذا، ولتركيب أنظمة أنابيب مقاومة للتآكل بالقرب من ركائز غير ملحومة، من المهم الحد من الأضرار الناجمة عن اللحام والتصنيع إلى مستويات يمكن استعادتها بشكل كبير عن طريق التخميل. ويتطلب ذلك استخدام غاز تنقية ذي محتوى أكسجين منخفض، وتوصيله إلى القطر الداخلي للوصلة الملحومة دون تلوث بالأكسجين أو الرطوبة الجوية. كما أن التحكم الدقيق في مدخلات الحرارة وتجنب ارتفاع درجة الحرارة أثناء اللحام أمران بالغا الأهمية لمنع فقدان مقاومة التآكل. ويُعد التحكم في عملية التصنيع لتحقيق لحامات عالية الجودة ومتسقة وقابلة للتكرار، بالإضافة إلى التعامل الدقيق مع أنابيب ومكونات الفولاذ المقاوم للصدأ أثناء التصنيع لمنع التلوث، من المتطلبات الأساسية لنظام أنابيب عالي الجودة يقاوم التآكل ويوفر خدمة إنتاجية طويلة الأمد.
شهدت المواد المستخدمة في أنظمة أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ عالية النقاء المستخدمة في الصناعات الدوائية الحيوية تطورًا ملحوظًا نحو تحسين مقاومتها للتآكل خلال العقد الماضي. كان معظم الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم قبل عام 1980 من النوع 304 نظرًا لانخفاض تكلفته نسبيًا وكونه أفضل من النحاس المستخدم سابقًا. في الواقع، يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ من سلسلة 300 بسهولة تشكيله، وإمكانية لحامه بالانصهار دون فقدان كبير لمقاومته للتآكل، كما أنه لا يتطلب معالجات حرارية خاصة قبل أو بعد اللحام.
في الآونة الأخيرة، ازداد استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ 316 في تطبيقات الأنابيب عالية النقاء. يتشابه النوع 316 في تركيبه مع النوع 304، ولكنه يحتوي، بالإضافة إلى عنصري الكروم والنيكل المشتركين بينهما، على حوالي 2% من الموليبدينوم، مما يُحسّن مقاومته للتآكل بشكل ملحوظ. يتميز النوعان 304L و316L، واللذان يُشار إليهما بالدرجات "L"، بمحتوى كربوني أقل من الدرجات القياسية (0.035% مقابل 0.08%). يهدف هذا الانخفاض في محتوى الكربون إلى تقليل كمية ترسب الكربيد الذي قد يحدث نتيجة للحام. هذا هو تكوين كربيد الكروم، الذي يُضعف حدود حبيبات المعدن الأساسي للكروم، مما يجعله عرضة للتآكل. يُعرف تكوين كربيد الكروم باسم "التحسس"، وهو يعتمد على الوقت ودرجة الحرارة، ويُمثل مشكلة أكبر عند اللحام اليدوي. لقد أظهرنا أن اللحام المداري للفولاذ المقاوم للصدأ فائق الأوستنيتي يوفر اللحام AL-6XN مقاومةً أكبر للتآكل مقارنةً باللحام اليدوي المماثل. ويعود ذلك إلى أن اللحام المداري يوفر تحكمًا دقيقًا في شدة التيار والنبض والتوقيت، مما ينتج عنه مدخلات حرارية أقل وأكثر تجانسًا من اللحام اليدوي. كما أن اللحام المداري، بالاشتراك مع الفولاذ من الدرجات "L" 304 و316، يقضي فعليًا على ترسب الكربيدات كعاملٍ في تطور التآكل في أنظمة الأنابيب.
تباين حرارة اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ من دفعة إلى أخرى. على الرغم من إمكانية ضبط معايير اللحام وعوامل أخرى ضمن هوامش دقيقة، إلا أن هناك اختلافات في كمية الحرارة اللازمة للحام الفولاذ المقاوم للصدأ من دفعة إلى أخرى. رقم الدفعة هو رقم الدُفعة المُخصصة لكل دفعة من الفولاذ المقاوم للصدأ في المصنع. يُسجل التركيب الكيميائي الدقيق لكل دفعة في تقرير اختبار المصنع (MTR) إلى جانب رقم الدفعة أو رقمها. ينصهر الحديد النقي عند 1538 درجة مئوية (2800 درجة فهرنهايت)، بينما تنصهر المعادن المُسبَّكة ضمن نطاق من درجات الحرارة، اعتمادًا على نوع وتركيز كل سبيكة أو عنصر نادر موجود. ولأن كل دفعة من الفولاذ المقاوم للصدأ لا تحتوي على نفس تركيز كل عنصر تمامًا، فإن خصائص اللحام تختلف من فرن إلى آخر.
أظهرت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للحامات المدارية لأنابيب 316L على أنابيب AOD (أعلى) ومادة EBR (أسفل) فرقًا كبيرًا في نعومة خرزة اللحام.
على الرغم من أن إجراء لحام واحد قد يكون مناسبًا لمعظم المواد ذات القطر الخارجي وسماكة الجدار المتشابهة، إلا أن بعض المواد تتطلب تيارًا كهربائيًا أقل، بينما يتطلب بعضها الآخر تيارًا أعلى من المعتاد. لهذا السبب، يجب مراقبة تسخين المواد المختلفة في موقع العمل بدقة لتجنب أي مشاكل محتملة. غالبًا ما يتطلب تسخين مادة جديدة تغييرًا طفيفًا في شدة التيار الكهربائي فقط لتحقيق عملية لحام مرضية.
مشكلة الكبريت. يُعد الكبريت العنصري شوائب مرتبطة بخام الحديد، ويتم إزالته بشكل كبير أثناء عملية صناعة الصلب. يُحدد الحد الأقصى لمحتوى الكبريت في الفولاذ المقاوم للصدأ من النوعين AISI 304 و316 بنسبة 0.030%. مع تطور عمليات تكرير الصلب الحديثة، مثل إزالة الكربون بالأرجون والأكسجين (AOD) وتقنيات الصهر الفراغي المزدوج، مثل الصهر الحثي الفراغي متبوعًا بإعادة الصهر بالقوس الفراغي (VIM+VAR)، أصبح من الممكن إنتاج أنواع من الصلب تتميز بخصائص فريدة، لا سيما في تركيبها الكيميائي. لوحظ أن خصائص حوض اللحام تتغير عندما يقل محتوى الكبريت في الصلب عن 0.008% تقريبًا. ويعود ذلك إلى تأثير الكبريت، وإلى حد أقل العناصر الأخرى، على معامل درجة حرارة التوتر السطحي لحوض اللحام، والذي يحدد خصائص تدفق السائل في الحوض.
عند تركيزات الكبريت المنخفضة جدًا (0.001% - 0.003%)، يصبح اختراق بركة اللحام واسعًا جدًا مقارنةً باللحامات المماثلة المصنوعة على مواد ذات محتوى كبريت متوسط. ستكون اللحامات المصنوعة على أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ منخفضة الكبريت أوسع، بينما على الأنابيب ذات الجدران السميكة (0.065 بوصة، أو 1.66 مم أو أكثر) سيكون هناك ميل أكبر لجعل اللحامات غائرة. عندما يكون تيار اللحام كافيًا لإنتاج لحام مخترق بالكامل، يصبح اللحام أكثر صعوبة في اللحام، خاصةً مع الجدران السميكة. عند التركيزات العالية للكبريت في الفولاذ المقاوم للصدأ 304 أو 316، تميل خرزة اللحام إلى أن تكون أقل سيولة في المظهر وأكثر خشونة من المواد ذات محتوى الكبريت المتوسط. لذلك، من أجل قابلية اللحام، سيكون محتوى الكبريت المثالي في نطاق 0.005% إلى 0.017% تقريبًا، كما هو محدد في ASTM A270 S2 لأنابيب ذات جودة صيدلانية.
لاحظ مُصنّعو أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ المصقولة كهربائيًا أن حتى المستويات المعتدلة من الكبريت في الفولاذ المقاوم للصدأ من النوعين 316 و316L تُصعّب تلبية احتياجات عملائهم في قطاعي أشباه الموصلات والصناعات الدوائية الحيوية فيما يتعلق بالأسطح الداخلية الملساء والخالية من الحفر. وقد شاع استخدام المجهر الإلكتروني الماسح للتحقق من نعومة سطح الأنبوب. وقد ثبت أن الكبريت الموجود في المعادن الأساسية يُشكّل شوائب غير معدنية أو "خيوطًا" من كبريتيد المنغنيز (MnS) تُزال أثناء عملية الصقل الكهربائي، تاركةً فراغات يتراوح حجمها بين 0.25 و1.0 ميكرون.
يدفع مصنّعو ومورّدو الأنابيب المصقولة كهربائياً السوق نحو استخدام مواد منخفضة الكبريت للغاية لتلبية متطلباتهم المتعلقة بتشطيب الأسطح. مع ذلك، لا تقتصر المشكلة على الأنابيب المصقولة كهربائياً، إذ تُزال الشوائب في الأنابيب غير المصقولة كهربائياً أثناء عملية التخميل لنظام الأنابيب. وقد ثبت أن الفراغات أكثر عرضة للتنقر من الأسطح الملساء. لذا، توجد أسباب وجيهة لهذا التوجه نحو استخدام مواد "أنظف" منخفضة الكبريت.
انحراف القوس الكهربائي. بالإضافة إلى تحسين قابلية لحام الفولاذ المقاوم للصدأ، فإن وجود بعض الكبريت يُحسّن أيضًا من قابلية تشغيله. ونتيجة لذلك، يميل المصنّعون إلى اختيار المواد ذات المحتوى الكبريتي الأعلى ضمن النطاق المحدد. قد يؤدي لحام الأنابيب ذات التركيزات الكبريتية المنخفضة جدًا مع الوصلات أو الصمامات أو الأنابيب الأخرى ذات المحتوى الكبريتي الأعلى إلى مشاكل في اللحام، لأن القوس الكهربائي سينحرف نحو الأنابيب ذات المحتوى الكبريتي المنخفض. عند حدوث انحراف القوس الكهربائي، يصبح الاختراق أعمق على جانب الكبريت المنخفض منه على جانب الكبريت العالي، وهو عكس ما يحدث عند لحام الأنابيب ذات التركيزات الكبريتية المتطابقة. في الحالات القصوى، يمكن أن تخترق حبة اللحام المادة ذات المحتوى الكبريتي المنخفض بالكامل وتترك الجزء الداخلي من اللحام غير منصهر تمامًا (فيهي وسيمينو، 1982). من أجل مطابقة محتوى الكبريت في الوصلات مع محتوى الكبريت في الأنابيب، قامت شركة كاربنتر ستيل، التابعة لشركة كاربنتر تكنولوجي، بـ أدخلت ولاية بنسلفانيا قضبانًا منخفضة الكبريت (بحد أقصى 0.005٪) من الفولاذ 316 (النوع 316L-SCQ) (VIM+VAR) لتصنيع الوصلات والمكونات الأخرى المصممة للحام بأنابيب منخفضة الكبريت. إن لحام مادتين منخفضتي الكبريت معًا أسهل بكثير من لحام مادة منخفضة الكبريت بمادة ذات نسبة كبريت أعلى.
يعود التحول إلى استخدام الأنابيب منخفضة الكبريت إلى حد كبير إلى الحاجة للحصول على أسطح داخلية ناعمة مصقولة كهربائيًا. في حين أن تشطيب السطح والتلميع الكهربائي مهمان لكل من صناعة أشباه الموصلات وصناعة التكنولوجيا الحيوية/الأدوية، فقد حددت جمعية مصنعي أشباه الموصلات (SEMI)، عند كتابة مواصفات صناعة أشباه الموصلات، أن أنابيب 316L لخطوط غازات العمليات يجب أن تحتوي على حد أقصى للكبريت بنسبة 0.004% لتحقيق الأداء الأمثل. من ناحية أخرى، عدّلت الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) مواصفاتها ASTM 270 لتشمل أنابيب من الدرجة الصيدلانية تحد من محتوى الكبريت إلى نطاق يتراوح بين 0.005 و0.017%. من المفترض أن يؤدي هذا إلى تقليل صعوبات اللحام مقارنةً بنسب الكبريت المنخفضة. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه حتى ضمن هذا النطاق المحدود، قد يحدث انحراف القوس عند لحام الأنابيب منخفضة الكبريت بأنابيب أو وصلات عالية الكبريت، ويجب على الفنيين مراقبة تسخين المادة بعناية والتحقق من توافق اللحام بين التسخين والإنتاج قبل التصنيع. اللحامات.
عناصر نزرة أخرى. وُجد أن العناصر النزرة، بما في ذلك الكبريت والأكسجين والألومنيوم والسيليكون والمنغنيز، تؤثر على الاختراق. ترتبط الكميات الضئيلة من الألومنيوم والسيليكون والكالسيوم والتيتانيوم والكروم الموجودة في المعدن الأساسي على شكل شوائب أكسيدية بتكوين الخبث أثناء اللحام.
تتراكم تأثيرات العناصر المختلفة، لذا فإن وجود الأكسجين قد يُعادل بعض تأثيرات انخفاض نسبة الكبريت. كما أن المستويات العالية من الألومنيوم قد تُعاكس التأثير الإيجابي على اختراق الكبريت. يتطاير المنجنيز عند درجة حرارة اللحام ويترسب في المنطقة المتأثرة بالحرارة. وترتبط هذه الترسبات بفقدان مقاومة التآكل (انظر كوهين، 1997). وتُجري صناعة أشباه الموصلات حاليًا تجارب على مواد 316L منخفضة المنجنيز، بل وحتى منخفضة المنجنيز للغاية، لمنع هذا الفقدان في مقاومة التآكل.
تكوّن الخبث. تظهر جزر الخبث أحيانًا على خرزة الفولاذ المقاوم للصدأ في بعض عمليات اللحام. هذه مشكلة متعلقة بالمادة نفسها، ولكن يمكن أحيانًا تقليلها بتغيير معايير اللحام، أو تحسين اللحام بتغيير خليط الأرجون/الهيدروجين. وجد بولارد أن نسبة الألومنيوم إلى السيليكون في المعدن الأساسي تؤثر على تكوّن الخبث. ولمنع تكوّن الخبث غير المرغوب فيه من النوع الصفائحي، يوصي بالحفاظ على نسبة الألومنيوم عند 0.010% ونسبة السيليكون عند 0.5%. مع ذلك، عندما تتجاوز نسبة الألومنيوم إلى السيليكون هذا المستوى، قد يتكوّن خبث كروي بدلًا من الخبث الصفائحي. يمكن أن يترك هذا النوع من الخبث حفرًا بعد التلميع الكهربائي، وهو أمر غير مقبول في التطبيقات عالية النقاء. يمكن أن تتسبب جزر الخبث التي تتكوّن على القطر الخارجي للحام في عدم انتظام اختراق الطبقة الداخلية، مما قد يؤدي إلى عدم كفاية الاختراق. كما أن جزر الخبث التي تتكوّن على خرزة اللحام الداخلية قد تكون عرضة للتآكل.
لحام أحادي المرور مع نبضات. يُعدّ لحام الأنابيب المداري الأوتوماتيكي القياسي لحامًا أحادي المرور بتيار نبضي ودوران مستمر بسرعة ثابتة. هذه التقنية مناسبة للأنابيب ذات الأقطار الخارجية من 1/8 بوصة إلى 7 بوصات تقريبًا وسماكة جدار 0.083 بوصة أو أقل. بعد عملية تنظيف مسبقة محددة المدة، يحدث تقوس كهربائي. يتم اختراق جدار الأنبوب خلال فترة تأخير محددة المدة يكون فيها التقوس موجودًا ولكن لا يحدث دوران. بعد فترة التأخير الدوراني هذه، يدور القطب الكهربائي حول وصلة اللحام حتى يلتحم اللحام أو يتداخل مع الجزء الأولي من اللحام خلال الطبقة الأخيرة من اللحام. عند اكتمال الوصلة، يتناقص التيار تدريجيًا مع مرور الوقت.
نمط الخطوة (اللحام المتزامن). في لحام الانصهار للمواد ذات الجدران السميكة، والتي يزيد سمكها عادةً عن 0.083 بوصة، يمكن استخدام مصدر طاقة لحام الانصهار في نمط متزامن أو نمط خطوة. في النمط المتزامن أو نمط الخطوة، تتزامن نبضة تيار اللحام مع شوط اللحام، بحيث يكون الدوار ثابتًا لتحقيق أقصى قدر من الاختراق أثناء نبضات التيار العالية، ويتحرك أثناء نبضات التيار المنخفضة. تستخدم تقنيات اللحام المتزامن أوقات نبض أطول، تتراوح بين 0.5 و1.5 ثانية، مقارنةً بوقت النبض الذي يبلغ عُشر أو جزء من مئة من الثانية في اللحام التقليدي. يمكن لهذه التقنية لحام أنابيب رقيقة الجدران بسمك 0.154 بوصة أو 6 بوصات من عيار 40 بكفاءة عالية. تُنتج تقنية الخطوة لحامًا أعرض، مما يجعلها مقاومة للأخطاء ومفيدة في لحام الأجزاء غير المنتظمة مثل وصلات الأنابيب بالأنابيب حيث قد توجد اختلافات في التفاوتات البُعدية، أو بعض عدم المحاذاة، أو عدم التوافق الحراري للمواد. يتطلب هذا النوع من اللحام ضعف طول القوس تقريبًا. يستغرق وقتاً أطول في اللحام التقليدي وهو أقل ملاءمة لتطبيقات النقاء الفائق (UHP) بسبب اللحام الأوسع والأكثر خشونة.
المتغيرات القابلة للبرمجة. تعتمد مصادر طاقة اللحام الحالية على المعالجات الدقيقة، وتخزن برامج تحدد القيم العددية لمعلمات اللحام لقطر خارجي (OD) وسماكة جدار محددة للأنبوب المراد لحامه، بما في ذلك وقت التنظيف، وتيار اللحام، وسرعة الحركة (RPM)، وعدد الطبقات والوقت اللازم لكل طبقة، ووقت النبضة، ووقت الهبوط، وما إلى ذلك. بالنسبة للحامات الأنبوبية المدارية مع إضافة سلك حشو، ستشمل معلمات البرنامج سرعة تغذية السلك، وسعة تذبذب الشعلة ووقت التوقف، والتحكم في جهد القوس (AVC) لتوفير فجوة قوس ثابتة، وميل الصعود. لإجراء لحام الانصهار، قم بتركيب رأس اللحام مع القطب الكهربائي المناسب وحشوات مشبك الأنبوب على الأنبوب، واستدعِ جدول اللحام أو البرنامج من ذاكرة مصدر الطاقة. يتم بدء تسلسل اللحام بالضغط على زر أو مفتاح لوحة الغشاء، ويستمر اللحام دون تدخل المشغل.
المتغيرات غير القابلة للبرمجة. للحصول على جودة لحام جيدة باستمرار، يجب التحكم بدقة في معايير اللحام. ويتحقق ذلك من خلال دقة مصدر طاقة اللحام وبرنامج اللحام، وهو عبارة عن مجموعة من التعليمات المُدخلة في مصدر الطاقة، والتي تتضمن معايير اللحام، للحام أنبوب أو ماسورة ذات حجم محدد. كما يجب وجود مجموعة فعالة من معايير اللحام، تُحدد معايير قبول اللحام، بالإضافة إلى نظام فحص ومراقبة جودة اللحام لضمان مطابقته للمعايير المتفق عليها. ومع ذلك، يجب أيضًا التحكم بدقة في عوامل وإجراءات أخرى غير معايير اللحام. تشمل هذه العوامل استخدام معدات تحضير طرفية جيدة، وممارسات تنظيف ومناولة جيدة، وتفاوتات أبعاد جيدة للأنابيب أو الأجزاء الأخرى التي يتم لحامها، ونوع وحجم ثابتين من التنجستن، وغازات خاملة عالية النقاء، والاهتمام الدقيق باختلافات المواد - درجة حرارة عالية.
تُعدّ متطلبات تحضير أطراف الأنابيب للحام المداري أكثر أهمية من متطلبات اللحام اليدوي. عادةً ما تكون وصلات اللحام في اللحام المداري مربعة الشكل. ولتحقيق التكرار المطلوب في اللحام المداري، يلزم تحضير دقيق ومتسق للأطراف باستخدام آلات متخصصة. وبما أن تيار اللحام يعتمد على سُمك الجدار، يجب أن تكون الأطراف مربعة تمامًا وخالية من أي نتوءات أو شطبات على القطر الخارجي أو الداخلي، لأن ذلك قد يؤدي إلى اختلاف سُمك الجدار.
يجب أن تتلاءم أطراف الأنابيب معًا في رأس اللحام بحيث لا توجد فجوة ملحوظة بين طرفي وصلة اللحام المربعة. على الرغم من إمكانية الحصول على وصلات لحام ذات فجوات صغيرة، إلا أن جودة اللحام قد تتأثر سلبًا. كلما زادت الفجوة، زادت احتمالية وجود مشكلة. قد يؤدي سوء التجميع إلى فشل اللحام تمامًا. تُستخدم مناشير الأنابيب المصنعة من قبل جورج فيشر وغيره، والتي تقطع الأنبوب وتُسوّي أطرافه في نفس العملية، أو مخارط تحضير الأطراف المحمولة مثل تلك المصنعة من قبل بروتيم وواكس وغيرهما، غالبًا لعمل لحامات مدارية ناعمة الأطراف مناسبة للتشغيل الآلي. لا تُعد مناشير القطع، ومناشير الدق، ومناشير الشريط، وقواطع الأنابيب مناسبة لهذا الغرض.
بالإضافة إلى معايير اللحام التي تُدخل الطاقة اللازمة للحام، توجد متغيرات أخرى قد تؤثر بشكل كبير على عملية اللحام، ولكنها ليست جزءًا من إجراء اللحام الفعلي. تشمل هذه المتغيرات نوع وحجم التنجستن، ونوع ونقاء الغاز المستخدم لحماية القوس الكهربائي وتنظيف الجزء الداخلي من وصلة اللحام، ومعدل تدفق الغاز المستخدم للتنظيف، ونوع رأس اللحام ومصدر الطاقة المستخدم، وشكل الوصلة، وأي معلومات أخرى ذات صلة. نُطلق على هذه المتغيرات اسم "المتغيرات غير القابلة للبرمجة" ونسجلها في جدول اللحام. على سبيل المثال، يُعتبر نوع الغاز متغيرًا أساسيًا في مواصفات إجراء اللحام (WPS) لضمان امتثال إجراءات اللحام لمعيار ASME القسم التاسع الخاص بأوعية الغلايات والضغط. تتطلب التغييرات في نوع الغاز أو نسب خليط الغاز، أو إلغاء تنظيف الجزء الداخلي، إعادة التحقق من صحة إجراء اللحام.
غاز اللحام. يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومته للأكسدة بفعل الأكسجين الجوي في درجة حرارة الغرفة. وعند تسخينه إلى درجة انصهاره (1530 درجة مئوية أو 2800 درجة فهرنهايت للحديد النقي)، يتأكسد بسهولة. يُستخدم غاز الأرجون الخامل عادةً كغاز واقٍ ولتنظيف الوصلات الملحومة الداخلية من خلال عملية اللحام القوسي بالغاز الخامل المدارية (GTAW). تحدد نقاوة الغاز، نسبةً إلى الأكسجين والرطوبة، مقدار تغير اللون الناتج عن الأكسدة الذي يحدث على اللحام أو بالقرب منه بعد اللحام. إذا لم يكن غاز التنظيف عالي الجودة، أو إذا لم يكن نظام التنظيف محكم الإغلاق تمامًا بحيث يتسرب إليه كمية صغيرة من الهواء، فقد يكون لون الأكسدة أزرق مخضر فاتح أو مائلًا للزرقة. بالطبع، لن يؤدي عدم التنظيف إلى ظهور السطح الأسود المتقشر المعروف باسم "المُحَلّى". تبلغ نقاوة غاز الأرجون المستخدم في اللحام، والمُعبأ في أسطوانات، 99.996-99.997%، وذلك حسب المورد، ويحتوي على 5-7 جزء في المليون من الأكسجين ومواد أخرى. الشوائب، بما في ذلك الماء والأكسجين وثاني أكسيد الكربون والهيدروكربونات، بحد أقصى 40 جزءًا في المليون. يمكن أن تصل نقاوة الأرجون عالي النقاء في الأسطوانة أو الأرجون السائل في وعاء ديوار إلى 99.999% أو 10 أجزاء في المليون من إجمالي الشوائب، بحد أقصى 2 جزء في المليون من الأكسجين. ملاحظة: يمكن استخدام أجهزة تنقية الغاز مثل Nanochem أو Gatekeeper أثناء عملية التطهير لتقليل مستويات التلوث إلى نطاق أجزاء في المليار (ppb).
تركيب مختلط. يمكن استخدام مخاليط غازية مثل 75% هيليوم/25% أرجون و95% أرجون/5% هيدروجين كغازات واقية لتطبيقات خاصة. ينتج هذان الخليطان لحامات أكثر سخونة من تلك التي تُجرى باستخدام نفس إعدادات البرنامج مع الأرجون. تُعد مخاليط الهيليوم مناسبة بشكل خاص لتحقيق أقصى اختراق عن طريق لحام الانصهار على الفولاذ الكربوني. ينصح أحد مستشاري صناعة أشباه الموصلات باستخدام مخاليط الأرجون/الهيدروجين كغازات واقية لتطبيقات الضغط العالي جدًا. تتميز مخاليط الهيدروجين بالعديد من المزايا، ولكن لها أيضًا بعض العيوب الخطيرة. تتمثل الميزة في أنها تُنتج بركة لحام أكثر رطوبة وسطح لحام أكثر نعومة، وهو أمر مثالي لتنفيذ أنظمة توصيل الغاز ذات الضغط العالي جدًا بسطح داخلي أملس قدر الإمكان. يوفر وجود الهيدروجين جوًا مُختزلًا، لذلك إذا كانت آثار الأكسجين موجودة في خليط الغاز، فسيبدو اللحام الناتج أنظف مع تغير أقل في اللون من تركيز مماثل من الأكسجين في الأرجون النقي. يكون هذا التأثير مثاليًا عند محتوى هيدروجين يبلغ حوالي 5%. يستخدم البعض خليطًا من 95% أرجون/5% هيدروجين كـ تنظيف اللحام الداخلي لتحسين مظهر خرزة اللحام الداخلية.
تكون خرزة اللحام باستخدام خليط الهيدروجين كغاز واقٍ أضيق، باستثناء أن الفولاذ المقاوم للصدأ يحتوي على نسبة كبريت منخفضة جدًا، مما يُولّد حرارة أكبر في اللحام مقارنةً بنفس إعداد التيار باستخدام الأرجون النقي. من أبرز عيوب مخاليط الأرجون/الهيدروجين أن القوس الكهربائي أقل استقرارًا بكثير من الأرجون النقي، وهناك ميل لانحراف القوس، لدرجة قد تُسبب عدم انصهار كامل. قد يختفي انحراف القوس عند استخدام مصدر غاز مختلط مختلف، مما يُشير إلى أنه قد يكون ناتجًا عن التلوث أو سوء الخلط. نظرًا لأن الحرارة المتولدة من القوس تتغير بتغير تركيز الهيدروجين، فإن التركيز الثابت ضروري للحصول على لحامات قابلة للتكرار، وهناك اختلافات في الغاز المعبأ مسبقًا. من العيوب الأخرى أن عمر التنجستن يتقلص بشكل كبير عند استخدام خليط الهيدروجين. في حين لم يُحدد سبب تدهور التنجستن بسبب الغاز المختلط، فقد ذُكر أن القوس يصبح أكثر صعوبة، وقد يلزم استبدال التنجستن بعد لحام أو اثنين. لا يمكن استخدام مخاليط الأرجون/الهيدروجين في لحام الفولاذ الكربوني أو التيتانيوم.
من السمات المميزة لعملية اللحام بالقوس التنغستني بالغاز الخامل (TIG) أنها لا تستهلك الأقطاب الكهربائية. يتميز التنجستن بأعلى درجة انصهار بين جميع المعادن (3370 درجة مئوية؛ 6098 درجة فهرنهايت)، وهو باعث جيد للإلكترونات، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للاستخدام كقطب كهربائي غير قابل للاستهلاك. تتحسن خصائصه بإضافة 2% من أكاسيد بعض العناصر الأرضية النادرة، مثل السيريوم أو أكسيد اللانثانوم أو أكسيد الثوريوم، لتحسين بدء القوس الكهربائي واستقراره. نادرًا ما يُستخدم التنجستن النقي في اللحام بالقوس التنغستني بالغاز الخامل (GTAW) نظرًا لخصائص السيريوم التنجستن المتفوقة، خاصةً في تطبيقات اللحام المداري بالقوس التنغستني بالغاز الخامل. يُستخدم الثوريوم التنجستن بشكل أقل من السابق نظرًا لكونه مشعًا إلى حد ما.
تتميز الأقطاب الكهربائية ذات السطح المصقول بتجانس أكبر في الحجم. يُفضل السطح الأملس دائمًا على السطح الخشن أو غير المنتظم، حيث يُعد تجانس هندسة القطب الكهربائي أمرًا بالغ الأهمية للحصول على نتائج لحام متجانسة ومتسقة. تنقل الإلكترونات المنبعثة من طرف القطب (DCEN) الحرارة من طرف التنجستن إلى منطقة اللحام. يسمح الطرف الأدق بالحفاظ على كثافة تيار عالية جدًا، ولكنه قد يؤدي إلى تقصير عمر التنجستن. في اللحام المداري، من المهم صقل طرف القطب ميكانيكيًا لضمان تكرار هندسة التنجستن وتكرار اللحام. يجبر الطرف غير الحاد القوس الكهربائي من منطقة اللحام إلى نفس النقطة على التنجستن. يتحكم قطر الطرف في شكل القوس الكهربائي ومقدار الاختراق عند تيار معين. تؤثر زاوية التناقص على خصائص التيار/الجهد للقوس الكهربائي، ويجب تحديدها والتحكم بها. يُعد طول التنجستن مهمًا لأنه يمكن استخدام طول معروف من التنجستن لضبط فجوة القوس الكهربائي. تحدد فجوة القوس الكهربائي لقيمة تيار معينة الجهد الكهربائي، وبالتالي الطاقة المطبقة على اللحام.
يتم اختيار حجم القطب الكهربائي وقطر طرفه وفقًا لشدة تيار اللحام. إذا كان التيار مرتفعًا جدًا بالنسبة للقطب أو طرفه، فقد يفقد المعدن من الطرف، كما أن استخدام أقطاب كهربائية ذات قطر طرف كبير جدًا بالنسبة للتيار قد يتسبب في انحراف القوس. نحدد أقطار الأقطاب الكهربائية والأطراف بناءً على سمك جدار وصلة اللحام، ونستخدم قطر 0.0625 بوصة لجميع المواد تقريبًا حتى سمك جدار 0.093 بوصة، إلا إذا كان الاستخدام مصممًا لاستخدام أقطاب كهربائية بقطر 0.040 بوصة للحام المكونات الدقيقة الصغيرة. لضمان تكرار عملية اللحام، يجب تحديد نوع التنجستن وتشطيبه، وطوله، وزاوية ميله، وقطره، وقطر طرفه، وفجوة القوس والتحكم بها. بالنسبة لتطبيقات لحام الأنابيب، يُوصى دائمًا باستخدام تنجستن السيريوم لأن هذا النوع يتمتع بعمر خدمة أطول بكثير من الأنواع الأخرى وخصائص إشعال قوس ممتازة. تنجستن السيريوم غير مشع.
للحصول على مزيد من المعلومات، يرجى الاتصال بباربرا هينون، مديرة المنشورات الفنية، شركة آرك ماشينز، 10280 جلينوكس بوليفارد، باكوما، كاليفورنيا 91331. الهاتف: 818-896-9556. الفاكس: 818-890-3724.