Anmerkung des Herausgebers: Pharmaceutical Online freut sich, diesen vierteiligen Artikel über das Orbitalschweißen von Bioprozessrohrleitungen der Branchenexpertin Barbara Henon von Arc Machines präsentieren zu können. Dieser Artikel basiert auf der Präsentation von Dr. Henon auf der ASME-Konferenz Ende letzten Jahres.
Verhindern Sie den Verlust der Korrosionsbeständigkeit. Hochreines Wasser wie DI oder WFI ist ein sehr aggressives Ätzmittel für Edelstahl. Darüber hinaus wird WFI in pharmazeutischer Qualität bei hohen Temperaturen (80 °C) zirkuliert, um die Sterilität aufrechtzuerhalten. Es besteht ein feiner Unterschied zwischen der Senkung der Temperatur, um für das Produkt tödliche Organismen zu unterstützen, und der Erhöhung der Temperatur, um die Bildung von „Rouge“ zu fördern. Rouge ist ein brauner Film unterschiedlicher Zusammensetzung, der durch Korrosion von Edelstahl-Rohrleitungskomponenten entsteht. Schmutz und Eisenoxide können die Hauptbestandteile sein, aber auch verschiedene Formen von Eisen, Chrom und Nickel können vorhanden sein. Das Vorhandensein von Rouge ist für einige Produkte tödlich und kann zu weiterer Korrosion führen, obwohl sein Vorhandensein in anderen Systemen relativ harmlos zu sein scheint.
Schweißen kann die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen. Heiße Farbe entsteht durch oxidierendes Material, das sich während des Schweißens auf Schweißnähten und Wärmeeinflusszonen ablagert. Sie ist besonders schädlich und wird mit der Bildung von Rouge in pharmazeutischen Wassersystemen in Verbindung gebracht. Die Bildung von Chromoxid kann eine heiße Tönung verursachen und eine chromarme, korrosionsanfällige Schicht hinterlassen. Heiße Farbe kann durch Beizen und Schleifen entfernt werden. Dadurch wird Metall von der Oberfläche, einschließlich der darunter liegenden chromarmen Schicht, entfernt und die Korrosionsbeständigkeit auf ein Niveau nahe dem von Grundmetallen wiederhergestellt. Beizen und Schleifen wirken sich jedoch nachteilig auf die Oberflächenbeschaffenheit aus. Um die nachteiligen Auswirkungen von Schweißen und Fertigung zu beseitigen, wird das Rohrleitungssystem vor der Inbetriebnahme mit Salpetersäure oder Chelatbildnern passiviert. Eine Auger-Elektronenanalyse zeigte, dass eine Chelatpassivierung die Oberflächenveränderungen in der Verteilung von Sauerstoff, Chrom, Eisen, Nickel und Mangan, die in der Schweiß- und Wärmeeinflusszone aufgetreten waren, in den Zustand vor dem Schweißen zurückführen konnte. Die Passivierung betrifft nur die äußere Oberflächenschicht und dringt nicht tiefer als 50 Angström ein, während die thermische Färbung 1000 Angström oder mehr unter die Oberfläche reichen kann.
Um korrosionsbeständige Rohrleitungssysteme in der Nähe von ungeschweißten Untergründen zu installieren, ist es daher wichtig, schweiß- und fertigungsbedingte Schäden auf ein Maß zu begrenzen, das durch Passivierung weitgehend behoben werden kann. Dies erfordert die Verwendung eines Spülgases mit minimalem Sauerstoffgehalt und die Zufuhr zum Innendurchmesser der Schweißverbindung ohne Verunreinigung durch atmosphärischen Sauerstoff oder Feuchtigkeit. Eine genaue Kontrolle der Wärmezufuhr und die Vermeidung von Überhitzung während des Schweißens sind ebenfalls wichtig, um einen Verlust der Korrosionsbeständigkeit zu verhindern. Die Kontrolle des Herstellungsprozesses zur Erzielung wiederholbarer und gleichbleibend hochwertiger Schweißnähte sowie der sorgfältige Umgang mit Edelstahlrohren und -komponenten während der Herstellung zur Vermeidung von Verunreinigungen sind wesentliche Voraussetzungen für ein hochwertiges Rohrleitungssystem, das korrosionsbeständig ist und langfristig produktiven Dienst leistet.
Die in hochreinen biopharmazeutischen Edelstahl-Rohrleitungssystemen verwendeten Materialien haben in den letzten zehn Jahren eine Entwicklung hin zu verbesserter Korrosionsbeständigkeit durchlaufen. Vor 1980 wurde hauptsächlich Edelstahl 304 verwendet, da dieser relativ preisgünstig war und eine Verbesserung gegenüber dem zuvor verwendeten Kupfer darstellte. Tatsächlich sind Edelstahlsorten der 300er-Serie relativ leicht zu bearbeiten, können ohne übermäßigen Verlust ihrer Korrosionsbeständigkeit schmelzgeschweißt werden und erfordern keine spezielle Vorwärm- und Nachwärmbehandlung.
In letzter Zeit hat die Verwendung von Edelstahl 316 in hochreinen Rohrleitungsanwendungen zugenommen. Typ 316 hat eine ähnliche Zusammensetzung wie Typ 304, enthält jedoch zusätzlich zu den beiden gemeinsamen Legierungselementen Chrom und Nickel etwa 2 % Molybdän, was die Korrosionsbeständigkeit von 316 deutlich verbessert. Die Typen 304L und 316L, die als „L“-Güten bezeichnet werden, haben einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt als Standardgüten (0,035 % gegenüber 0,08 %). Diese Reduzierung des Kohlenstoffgehalts soll die Menge an Karbidausfällung verringern, die beim Schweißen auftreten kann. Dabei handelt es sich um die Bildung von Chromkarbid, das die Korngrenzen des Chromgrundmetalls erschöpft und es anfällig für Korrosion macht. Die Bildung von Chromkarbid, die als „Sensibilisierung“ bezeichnet wird, ist zeit- und temperaturabhängig und stellt beim Handlöten ein größeres Problem dar. Wir haben gezeigt, dass das Orbitalschweißen von superaustenitischem Stahl AL-6XN bietet korrosionsbeständigere Schweißnähte als ähnliche, von Hand ausgeführte Schweißnähte. Dies liegt daran, dass beim Orbitalschweißen eine präzise Kontrolle der Stromstärke, Pulsation und des Zeitpunkts möglich ist, was zu einer geringeren und gleichmäßigeren Wärmezufuhr als beim manuellen Schweißen führt. Durch Orbitalschweißen in Kombination mit den „L“-Güten 304 und 316 wird die Karbidausfällung als Faktor bei der Entstehung von Korrosion in Rohrleitungssystemen praktisch eliminiert.
Temperaturschwankungen bei Edelstahl von Temperatur zu Temperatur. Obwohl Schweißparameter und andere Faktoren innerhalb relativ enger Toleranzen gehalten werden können, gibt es dennoch Unterschiede in der zum Schweißen von Edelstahl erforderlichen Wärmezufuhr von Temperatur zu Temperatur. Eine Temperaturnummer ist die Chargennummer, die einer bestimmten Edelstahlschmelze im Werk zugewiesen wird. Die genaue chemische Zusammensetzung jeder Charge wird zusammen mit der Chargenkennung oder Temperaturnummer im Werksprüfbericht (MTR) aufgezeichnet. Reines Eisen schmilzt bei 1538 °C (2800 °F), während legierte Metalle in einem Temperaturbereich schmelzen, der von der Art und Konzentration der einzelnen vorhandenen Legierungen oder Spurenelemente abhängt. Da keine zwei Edelstahltemperaturen genau die gleiche Konzentration jedes Elements enthalten, variieren die Schweißeigenschaften von Ofen zu Ofen.
SEM von 316L-Rohr-Orbitalschweißnähten auf AOD-Rohren (oben) und EBR-Material (unten) zeigte einen signifikanten Unterschied in der Glätte der Schweißnaht.
Während ein einzelnes Schweißverfahren für die meisten Wärmemengen mit ähnlichem Außendurchmesser und ähnlicher Wandstärke funktionieren kann, erfordern manche Wärmemengen eine geringere und manche eine höhere Stromstärke als üblich. Aus diesem Grund muss das Erhitzen unterschiedlicher Materialien auf der Baustelle sorgfältig verfolgt werden, um mögliche Probleme zu vermeiden. Oftmals ist bei neuer Wärmemenge nur eine kleine Änderung der Stromstärke erforderlich, um ein zufriedenstellendes Schweißverfahren zu erreichen.
Das Schwefelproblem. Elementarer Schwefel ist eine Verunreinigung von Eisenerzen, die bei der Stahlherstellung größtenteils entfernt wird. Für rostfreie Stähle der Typen AISI 304 und 316 ist ein maximaler Schwefelgehalt von 0,030 % spezifiziert. Mit der Entwicklung moderner Stahlveredelungsverfahren wie der Argon-Sauerstoff-Entkohlung (AOD) und dualen Vakuumschmelzverfahren wie dem Vakuuminduktionsschmelzen mit anschließendem Vakuum-Lichtbogenumschmelzen (VIM+VAR) ist es möglich geworden, Stähle mit ganz besonderen chemischen Eigenschaften herzustellen. Es wurde festgestellt, dass sich die Eigenschaften des Schweißbads ändern, wenn der Schwefelgehalt des Stahls unter etwa 0,008 % liegt. Dies ist auf die Wirkung von Schwefel und, in geringerem Maße, anderen Elementen auf den Temperaturkoeffizienten der Oberflächenspannung des Schweißbads zurückzuführen, der die Fließeigenschaften des Schmelzbads bestimmt.
Bei sehr niedrigen Schwefelkonzentrationen (0,001 % – 0,003 %) wird die Durchdringung des Schweißbades im Vergleich zu ähnlichen Schweißnähten an Materialien mit mittlerem Schwefelgehalt sehr breit. Schweißnähte an Edelstahlrohren mit niedrigem Schwefelgehalt haben breitere Schweißnähte, während an Rohren mit dickerer Wand (0,065 Zoll oder 1,66 mm oder mehr) eine größere Tendenz zum Hohlkehlenschweißen besteht. Wenn der Schweißstrom ausreicht, um eine vollständig durchdrungene Schweißnaht zu erzeugen. Dies erschwert das Schweißen von Materialien mit sehr niedrigem Schwefelgehalt, insbesondere bei dickeren Wänden. Am oberen Ende der Schwefelkonzentration in Edelstahl 304 oder 316 neigt die Schweißraupe dazu, weniger flüssig und rauer auszusehen als bei Materialien mit mittlerem Schwefelgehalt. Daher liegt der ideale Schwefelgehalt für die Schweißbarkeit im Bereich von etwa 0,005 % bis 0,017 %, wie in ASTM A270 S2 für Schläuche in pharmazeutischer Qualität angegeben.
Hersteller elektropolierter Edelstahlrohre haben festgestellt, dass selbst moderate Schwefelwerte in Edelstahl 316 oder 316L es ihnen schwer machen, die Anforderungen ihrer Kunden aus der Halbleiter- und Biopharmaziebranche an glatte, lochfreie Innenflächen zu erfüllen. Immer häufiger wird daher die Rasterelektronenmikroskopie eingesetzt, um die Glätte der Rohroberflächen zu überprüfen. Es hat sich gezeigt, dass Schwefel in unedlen Metallen nichtmetallische Einschlüsse oder Mangansulfid-(MnS)-„Stringer“ bildet, die beim Elektropolieren entfernt werden und Hohlräume im Bereich von 0,25 bis 1,0 Mikrometer hinterlassen.
Hersteller und Lieferanten elektropolierter Rohre drängen den Markt in Richtung der Verwendung von Materialien mit extrem niedrigem Schwefelgehalt, um ihre Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit zu erfüllen. Das Problem beschränkt sich jedoch nicht auf elektropolierte Rohre, da bei nicht elektropolierten Rohren die Einschlüsse während der Passivierung des Rohrleitungssystems entfernt werden. Hohlräume sind nachweislich anfälliger für Lochfraß als glatte Oberflächen. Es gibt also einige triftige Gründe für den Trend zu schwefelarmen, „saubereren“ Materialien.
Lichtbogenablenkung. Neben der Verbesserung der Schweißbarkeit von Edelstahl verbessert die Anwesenheit von etwas Schwefel auch die Bearbeitbarkeit. Daher wählen Hersteller tendenziell Materialien mit einem höheren Schwefelgehalt. Das Schweißen von Rohren mit sehr niedrigem Schwefelgehalt an Armaturen, Ventile oder andere Rohre mit höherem Schwefelgehalt kann zu Schweißproblemen führen, da der Lichtbogen auf Rohre mit niedrigem Schwefelgehalt ausgerichtet ist. Bei einer Lichtbogenablenkung ist die Eindringtiefe auf der schwefelarmen Seite tiefer als auf der schwefelreichen Seite. Dies ist das Gegenteil von dem, was beim Schweißen von Rohren mit entsprechenden Schwefelkonzentrationen geschieht. In extremen Fällen kann die Schweißraupe das schwefelarme Material vollständig durchdringen und das Innere der Schweißnaht vollständig unverschmolzen lassen (Fihey und Simeneau, 1982). Um den Schwefelgehalt der Armaturen an den Schwefelgehalt des Rohrs anzupassen, hat die Carpenter Steel Division der Carpenter Technology Corporation of Pennsylvania einen schwefelarmen (max. 0,005 %) 316-Stabstahl (Typ 316L-SCQ) eingeführt. (VIM+VAR) ) zur Herstellung von Armaturen und anderen Komponenten, die an Rohre mit niedrigem Schwefelgehalt geschweißt werden sollen. Das Verschweißen zweier Materialien mit sehr niedrigem Schwefelgehalt ist viel einfacher als das Verschweißen eines Materials mit sehr niedrigem Schwefelgehalt mit einem Material mit höherem Schwefelgehalt.
Die Umstellung auf Rohre mit niedrigem Schwefelgehalt ist größtenteils auf die Notwendigkeit zurückzuführen, glatte, elektropolierte Innenrohroberflächen zu erhalten. Während Oberflächenbeschaffenheit und Elektropolieren sowohl für die Halbleiterindustrie als auch für die Biotechnologie-/Pharmaindustrie wichtig sind, hat SEMI beim Verfassen der Spezifikation für die Halbleiterindustrie festgelegt, dass 316L-Rohre für Prozessgasleitungen für eine optimale Leistung eine Schwefelkappe von 0,004 % an den Oberflächenenden aufweisen müssen. ASTM hingegen hat seine Spezifikation ASTM 270 geändert, um Rohre in pharmazeutischer Qualität einzuschließen, die den Schwefelgehalt auf einen Bereich von 0,005 bis 0,017 % begrenzen. Dies sollte im Vergleich zu Schwefelgehalten im niedrigeren Bereich zu weniger Schweißschwierigkeiten führen. Es ist jedoch zu beachten, dass selbst innerhalb dieses begrenzten Bereichs beim Schweißen von Rohren mit niedrigem Schwefelgehalt an Rohre oder Formstücke mit hohem Schwefelgehalt immer noch eine Lichtbogenablenkung auftreten kann. Installateure sollten die Erwärmung des Materials sorgfältig verfolgen und vor der Herstellung die Lötverträglichkeit zwischen den Erwärmungen prüfen. Herstellung von Schweißnähten.
andere Spurenelemente. Es wurde festgestellt, dass Spurenelemente wie Schwefel, Sauerstoff, Aluminium, Silizium und Mangan die Durchdringung beeinflussen. Spuren von Aluminium, Silizium, Kalzium, Titan und Chrom, die im Grundmetall als Oxideinschlüsse vorhanden sind, werden mit der Schlackenbildung beim Schweißen in Verbindung gebracht.
Die Wirkungen der verschiedenen Elemente sind kumulativ, sodass die Anwesenheit von Sauerstoff einige der Effekte des niedrigen Schwefelgehalts aufheben kann. Hohe Aluminiumkonzentrationen können den positiven Effekt auf die Schwefeldurchdringung zunichtemachen. Mangan verflüchtigt sich bei Schweißtemperaturen und lagert sich in der Schweißwärmeeinflusszone ab. Diese Manganablagerungen sind mit einem Verlust der Korrosionsbeständigkeit verbunden (siehe Cohen, 1997). Die Halbleiterindustrie experimentiert derzeit mit 316L-Materialien mit niedrigem oder sogar ultraniedrigem Mangangehalt, um diesen Verlust der Korrosionsbeständigkeit zu verhindern.
Schlackenbildung. Bei einigen Schmelzen bilden sich gelegentlich Schlackeninseln auf der Edelstahlnaht. Dies ist grundsätzlich ein Materialproblem. Manchmal kann dies jedoch durch Änderungen der Schweißparameter minimiert oder die Schweißnaht durch Änderungen des Argon-Wasserstoff-Gemisches verbessert werden. Pollard fand heraus, dass das Verhältnis von Aluminium zu Silizium im Grundwerkstoff die Schlackenbildung beeinflusst. Um die Bildung unerwünschter plaqueartiger Schlacke zu verhindern, empfiehlt er, den Aluminiumgehalt bei 0,010 % und den Siliziumgehalt bei 0,5 % zu halten. Liegt das Al-Si-Verhältnis jedoch über diesem Wert, kann sich kugelförmige statt plaqueartiger Schlacke bilden. Diese Art von Schlacke kann nach dem Elektropolieren Löcher hinterlassen, was für hochreine Anwendungen nicht akzeptabel ist. Schlackeninseln, die sich auf dem Außendurchmesser der Schweißnaht bilden, können zu einer ungleichmäßigen Durchdringung der Innenlage und damit zu einer unzureichenden Durchdringung führen. Die Schlackeninseln, die sich auf der Innenschweißnaht bilden, können korrosionsanfällig sein.
Einlagiges Schweißen mit Pulsation. Beim standardmäßigen automatischen Orbitalschweißen von Rohren handelt es sich um ein einlagiges Schweißen mit gepulstem Strom und kontinuierlicher Rotation mit konstanter Geschwindigkeit. Diese Technik eignet sich für Rohre mit Außendurchmessern von 1/8 Zoll bis ca. 7 Zoll und Wandstärken von 0,083 Zoll und weniger. Nach einer zeitgesteuerten Vorspülung tritt ein Lichtbogen auf. Das Eindringen in die Rohrwand erfolgt während einer zeitgesteuerten Verzögerung, in der ein Lichtbogen vorhanden ist, aber keine Rotation stattfindet. Nach dieser Rotationsverzögerung rotiert die Elektrode um die Schweißverbindung, bis die Schweißnaht während der letzten Schweißlage mit dem Anfangsteil der Schweißnaht verbunden ist oder diesen überlappt. Wenn die Verbindung hergestellt ist, nimmt der Strom in einem zeitgesteuerten Abfall ab.
Schrittmodus („synchronisiertes“ Schweißen). Zum Schmelzschweißen von dickwandigeren Materialien, typischerweise größer als 0,083 Zoll, kann die Schmelzschweißstromquelle im Synchron- oder Schrittmodus verwendet werden. Im Synchron- oder Schrittmodus wird der Schweißstromimpuls mit dem Hub synchronisiert, sodass der Rotor für maximale Durchdringung bei hohen Stromimpulsen stationär ist und sich bei niedrigen Stromimpulsen bewegt. Synchrontechniken verwenden längere Impulszeiten in der Größenordnung von 0,5 bis 1,5 Sekunden im Vergleich zur Zehntel- oder Hundertstelsekunde Impulszeit beim konventionellen Schweißen. Mit dieser Technik können 0,154″ oder 6″ dicke 40 Gauge 40 dünnwandige Rohre mit 0,154″ oder 6″ Wandstärke effektiv geschweißt werden. Die schrittweise Technik erzeugt eine breitere Schweißnaht, wodurch sie fehlertolerant und hilfreich beim Schweißen unregelmäßiger Teile wie Rohrverbindungsstücke an Rohre ist, bei denen es zu Unterschieden in den Maßtoleranzen, einer gewissen Fehlausrichtung oder thermischen Materialinkompatibilität kommen kann. Diese Art des Schweißens benötigt etwa die doppelte Lichtbogenzeit des konventionellen Schweißens und ist weniger aufgrund der breiteren, raueren Naht für Ultra-High-Purity-Anwendungen (UHP) geeignet.
Programmierbare Variablen. Die aktuelle Generation von Schweißstromquellen basiert auf Mikroprozessoren und speichert Programme, die numerische Werte für Schweißparameter für einen bestimmten Durchmesser (AD) und eine bestimmte Wandstärke des zu schweißenden Rohrs angeben, einschließlich Spülzeit, Schweißstrom, Fahrgeschwindigkeit (U/min) ), Anzahl der Schichten und Zeit pro Schicht, Impulszeit, Abfahrtszeit usw. Bei Orbitalrohrschweißnähten mit hinzugefügtem Fülldraht umfassen die Programmparameter die Drahtvorschubgeschwindigkeit, die Brennerschwingungsamplitude und Verweilzeit, AVC (Lichtbogenspannungsregelung zur Gewährleistung eines konstanten Lichtbogenabstands) und die Steigung. Installieren Sie zum Schmelzschweißen den Schweißkopf mit den entsprechenden Elektroden- und Rohrklemmeneinsätzen am Rohr und rufen Sie den Schweißplan oder das Programm aus dem Speicher der Stromquelle ab. Die Schweißsequenz wird durch Drücken einer Taste oder einer Membrantasten gestartet und das Schweißen wird ohne Eingreifen des Bedieners fortgesetzt.
Nicht programmierbare Variablen. Um eine gleichbleibend gute Schweißqualität zu erzielen, müssen die Schweißparameter sorgfältig kontrolliert werden. Dies wird durch die Genauigkeit der Schweißstromquelle und des Schweißprogramms erreicht, bei dem es sich um einen Satz von Anweisungen handelt, die in die Stromquelle eingegeben werden und aus Schweißparametern zum Schweißen einer bestimmten Rohrgröße bestehen. Außerdem muss es einen wirksamen Satz von Schweißstandards geben, der Schweißabnahmekriterien sowie ein Schweißinspektions- und Qualitätskontrollsystem festlegt, um sicherzustellen, dass das Schweißen den vereinbarten Standards entspricht. Allerdings müssen auch bestimmte andere Faktoren und Verfahren als die Schweißparameter sorgfältig kontrolliert werden. Zu diesen Faktoren gehören die Verwendung guter Endvorbereitungsgeräte, gute Reinigungs- und Handhabungspraktiken, gute Maßtoleranzen bei Rohren oder anderen zu schweißenden Teilen, gleichbleibende Wolframart und -größe, hochgereinigte Inertgase und sorgfältige Beachtung von Materialabweichungen. - Hohe Temperatur.
Die Vorbereitungsanforderungen für das Rohrendenschweißen sind beim Orbitalschweißen kritischer als beim manuellen Schweißen. Schweißverbindungen beim Orbitalrohrschweißen sind normalerweise rechtwinklige Stumpfstöße. Um die beim Orbitalschweißen gewünschte Wiederholgenauigkeit zu erreichen, ist eine präzise, ​​konsistente und maschinelle Endenvorbereitung erforderlich. Da der Schweißstrom von der Wandstärke abhängt, müssen die Enden rechtwinklig sein und dürfen keine Grate oder Abschrägungen am Außen- oder Innendurchmesser aufweisen, die zu unterschiedlichen Wandstärken führen würden.
Die Rohrenden müssen im Schweißkopf zusammenpassen, sodass zwischen den Enden der rechtwinkligen Stumpfverbindung kein erkennbarer Spalt entsteht. Obwohl Schweißverbindungen mit kleinen Spalten möglich sind, kann dies die Schweißqualität beeinträchtigen. Je größer der Spalt, desto wahrscheinlicher liegt ein Problem vor. Eine schlechte Montage kann zu einem vollständigen Versagen der Lötstelle führen. Rohrsägen von George Fischer und anderen Herstellern, die das Rohr schneiden und die Rohrenden im selben Arbeitsgang bearbeiten, oder tragbare Drehmaschinen zur Endenbearbeitung wie die von Protem, Wachs und anderen Herstellern werden häufig verwendet, um glatte, für die Bearbeitung geeignete Orbitalschweißnähte mit Enden herzustellen. Kappsägen, Bügelsägen, Bandsägen und Rohrschneider sind für diesen Zweck nicht geeignet.
Zusätzlich zu den Schweißparametern, die die Schweißleistung liefern, gibt es noch weitere Variablen, die das Schweißen stark beeinflussen können, aber nicht Teil des eigentlichen Schweißverfahrens sind. Hierzu gehören Art und Größe des Wolframs, Art und Reinheit des Gases, das zum Abschirmen des Lichtbogens und zum Spülen des Inneren der Schweißverbindung verwendet wird, der zum Spülen verwendete Gasdurchfluss, die Art des Kopfes und der verwendeten Stromquelle, die Konfiguration der Verbindung und jegliche andere relevante Informationen. Wir nennen diese Variablen „nicht programmierbar“ und zeichnen sie im Schweißplan auf. Beispielsweise wird die Gasart in der Schweißverfahrensspezifikation (WPS) als wesentliche Variable angesehen, damit Schweißverfahren dem ASME-Abschnitt IX der Kessel- und Druckbehältervorschriften entsprechen. Änderungen der Gasart oder der Prozentsätze der Gasmischung oder das Weglassen der ID-Spülung erfordern eine erneute Validierung des Schweißverfahrens.
Schweißgas. Edelstahl ist bei Raumtemperatur beständig gegen Oxidation durch atmosphärischen Sauerstoff. Wenn er auf seinen Schmelzpunkt (1530 °C oder 2800 °F für reines Eisen) erhitzt wird, oxidiert er leicht. Inertes Argon wird am häufigsten als Schutzgas und zum Spülen innerer Schweißverbindungen durch das orbitale WIG-Schweißen verwendet. Die Reinheit des Gases im Verhältnis zu Sauerstoff und Feuchtigkeit bestimmt das Ausmaß der oxidationsbedingten Verfärbung, die nach dem Schweißen auf oder in der Nähe der Schweißnaht auftritt. Wenn das Spülgas nicht von höchster Qualität ist oder das Spülsystem nicht vollständig dicht ist, sodass eine geringe Menge Luft in das Spülsystem eindringt, kann die Oxidation leicht blaugrün oder bläulich sein. Natürlich führt keine Reinigung zu der verkrusteten schwarzen Oberfläche, die allgemein als „gesüßt“ bezeichnet wird. Schweißargon in Flaschen hat je nach Lieferant eine Reinheit von 99,996–99,997 % und enthält 5–7 ppm Sauerstoff und andere Verunreinigungen, darunter H2O, O2, CO2, Kohlenwasserstoffe usw., insgesamt maximal 40 ppm. Hochreines Argon in einer Flasche oder flüssiges Argon in einem Dewargefäß kann eine Reinheit von 99,999 % oder Gesamtverunreinigungen von 10 ppm und maximal 2 ppm Sauerstoff aufweisen. HINWEIS: Beim Spülen können Gasreiniger wie Nanochem oder Gatekeeper verwendet werden, um den Kontaminationsgrad auf den Bereich von Teilen pro Milliarde (ppb) zu senken.
gemischte Zusammensetzung. Gasgemische wie 75 % Helium/25 % Argon und 95 % Argon/5 % Wasserstoff können als Schutzgase für spezielle Anwendungen verwendet werden. Die beiden Gemische erzeugten heißere Schweißnähte als solche, die mit den gleichen Programmeinstellungen wie Argon hergestellt wurden. Heliumgemische eignen sich besonders für maximale Durchdringung beim Schmelzschweißen von Kohlenstoffstahl. Ein Berater der Halbleiterindustrie empfiehlt die Verwendung von Argon/Wasserstoff-Gemischen als Schutzgase für UHP-Anwendungen. Wasserstoffgemische haben mehrere Vorteile, aber auch einige schwerwiegende Nachteile. Der Vorteil besteht darin, dass sie ein feuchteres Schweißbad und eine glattere Schweißoberfläche erzeugen, was ideal für die Implementierung von Ultrahochdruck-Gaszufuhrsystemen mit einer möglichst glatten Innenfläche ist. Das Vorhandensein von Wasserstoff sorgt für eine reduzierende Atmosphäre. Wenn also Spuren von Sauerstoff im Gasgemisch vorhanden sind, sieht die resultierende Schweißnaht sauberer aus und weist weniger Verfärbungen auf als bei einer ähnlichen Sauerstoffkonzentration in reinem Argon. Dieser Effekt ist bei einem Wasserstoffgehalt von etwa 5 % optimal. Manche verwenden ein 95/5 % Argon/Wasserstoff-Gemisch als ID-Spülung, um das Aussehen der inneren Schweißperle.
Die Schweißnaht mit einem Wasserstoffgemisch als Schutzgas ist schmaler, allerdings hat der Edelstahl einen sehr niedrigen Schwefelgehalt und erzeugt mehr Wärme in der Schweißnaht als die gleiche Stromeinstellung mit reinem Argon. Ein wesentlicher Nachteil von Argon-Wasserstoff-Gemischen besteht darin, dass der Lichtbogen weitaus weniger stabil ist als bei reinem Argon und eine Tendenz zum Abdriften des Lichtbogens besteht, die so stark ist, dass es zu Fehlschweißungen kommen kann. Die Lichtbogendrift kann verschwinden, wenn eine andere Mischgasquelle verwendet wird, was darauf hindeutet, dass sie durch Verunreinigungen oder schlechte Mischung verursacht werden kann. Da die vom Lichtbogen erzeugte Wärme mit der Wasserstoffkonzentration variiert, ist eine konstante Konzentration unerlässlich, um wiederholbare Schweißnähte zu erzielen, und es gibt Unterschiede bei vorgemischtem Flaschengas. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Lebensdauer von Wolfram bei Verwendung eines Wasserstoffgemischs stark verkürzt wird. Obwohl der Grund für die Verschlechterung des Wolframs durch das Mischgas nicht ermittelt wurde, wurde berichtet, dass der Lichtbogen schwieriger ist und das Wolfram möglicherweise nach ein oder zwei Schweißnähten ausgetauscht werden muss. Argon-Wasserstoff-Gemische können nicht zum Schweißen von Kohlenstoff verwendet werden Stahl oder Titan.
Ein besonderes Merkmal des WIG-Verfahrens ist, dass es keine Elektroden verbraucht. Wolfram hat den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle (6098 °F; 3370 °C) und ist ein guter Elektronenemitter, sodass es sich besonders als nicht verbrauchbare Elektrode eignet. Seine Eigenschaften werden durch die Zugabe von 2 % bestimmter Seltenerdoxide wie Ceroxid, Lanthanoxid oder Thoriumoxid verbessert, um die Lichtbogenzündung und -stabilität zu verbessern. Reines Wolfram wird beim WIG-Schweißen selten verwendet, da Cerwolfram bessere Eigenschaften hat, insbesondere bei orbitalen WIG-Schweißanwendungen. Thoriumwolfram wird weniger verwendet als früher, da es etwas radioaktiv ist.
Polierte Elektroden haben eine gleichmäßigere Größe. Eine glatte Oberfläche ist einer rauen oder ungleichmäßigen Oberfläche stets vorzuziehen, da eine gleichmäßige Elektrodengeometrie für gleichbleibende, gleichmäßige Schweißergebnisse entscheidend ist. Von der Spitze emittierte Elektronen (DCEN) übertragen Wärme von der Wolframspitze auf die Schweißnaht. Eine feinere Spitze ermöglicht eine sehr hohe Stromdichte, kann aber die Lebensdauer des Wolframs verkürzen. Beim Orbitalschweißen ist es wichtig, die Elektrodenspitze mechanisch zu schleifen, um die Wiederholbarkeit der Wolframgeometrie und der Schweißnaht zu gewährleisten. Die stumpfe Spitze drückt den Lichtbogen von der Schweißnaht an dieselbe Stelle auf dem Wolfram. Der Spitzendurchmesser bestimmt die Form des Lichtbogens und die Eindringtiefe bei einer bestimmten Stromstärke. Der Kegelwinkel beeinflusst die Strom-/Spannungseigenschaften des Lichtbogens und muss angegeben und kontrolliert werden. Die Länge des Wolframs ist wichtig, da eine bekannte Wolframlänge zum Einstellen des Lichtbogenabstands verwendet werden kann. Der Lichtbogenabstand für eine bestimmte Stromstärke bestimmt die Spannung und damit die auf die Schweißnaht aufgebrachte Leistung.
Die Elektrodengröße und der Spitzendurchmesser werden entsprechend der Schweißstromstärke ausgewählt. Wenn der Strom für die Elektrode oder ihre Spitze zu hoch ist, kann Metall von der Spitze verloren gehen. Die Verwendung von Elektroden mit einem für den Strom zu großen Spitzendurchmesser kann zu Lichtbogendrift führen. Wir geben die Elektroden- und Spitzendurchmesser anhand der Wandstärke der Schweißverbindung an und verwenden einen Durchmesser von 0,0625 für fast alles bis zu einer Wandstärke von 0,093 Zoll, es sei denn, die Verwendung ist für die Verwendung mit Elektroden mit einem Durchmesser von 0,040 Zoll zum Schweißen kleiner Präzisionskomponenten vorgesehen. Zur Wiederholbarkeit des Schweißprozesses müssen Wolframtyp und -oberfläche, Länge, Kegelwinkel, Durchmesser, Spitzendurchmesser und Lichtbogenabstand angegeben und kontrolliert werden. Für Rohrschweißanwendungen wird immer Cerwolfram empfohlen, da dieser Typ eine viel längere Lebensdauer als andere Typen hat und hervorragende Lichtbogenzündeigenschaften aufweist. Cerwolfram ist nicht radioaktiv.
Weitere Informationen erhalten Sie von Barbara Henon, Technical Publications Manager, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Telefon: 818-896-9556. Fax: 818-890-3724.