Anmerkung der Redaktion: Pharmaceutical Online freut sich, Ihnen diesen vierteiligen Artikel über das Orbitalschweißen von Bioprozessleitungen von Branchenexpertin Barbara Henon von Arc Machines präsentieren zu können. Dieser Artikel basiert auf Dr. Henons Präsentation auf der ASME-Konferenz Ende letzten Jahres.
Um den Verlust der Korrosionsbeständigkeit zu verhindern, ist es wichtig, hochreines Wasser wie deionisiertes Wasser (DI) oder WFI (Waste-in-Flüssig-Wasser) zu vermeiden. WFI in pharmazeutischer Qualität wird zudem zur Aufrechterhaltung der Sterilität bei hohen Temperaturen (80 °C) zirkuliert. Es besteht ein feiner Unterschied zwischen einer Temperaturabsenkung, die das Wachstum von für das Produkt tödlichen Mikroorganismen ermöglicht, und einer Temperaturerhöhung, die die Bildung von Korrosionsrückständen („Rouge“) begünstigt. Korrosionsrückstände sind ein brauner Film unterschiedlicher Zusammensetzung, der durch die Korrosion von Edelstahl-Rohrleitungskomponenten entsteht. Schmutz und Eisenoxide können die Hauptbestandteile sein, aber auch verschiedene Formen von Eisen, Chrom und Nickel können vorhanden sein. Korrosionsrückstände sind für einige Produkte tödlich und können zu weiterer Korrosion führen, während sie in anderen Systemen relativ unschädlich erscheinen.
Schweißen kann die Korrosionsbeständigkeit negativ beeinflussen. Die sogenannte Heißfärbung, die durch oxidierendes Material entsteht, das sich während des Schweißens auf der Schweißnaht und in der Wärmeeinflusszone ablagert, ist besonders schädlich und steht im Zusammenhang mit der Bildung von Schweißraupen in pharmazeutischen Wassersystemen. Die Bildung von Chromoxid kann eine Heißfärbung verursachen und hinterlässt eine chromverarmte Schicht, die anfällig für Korrosion ist. Die Heißfärbung kann durch Beizen und Schleifen entfernt werden, wodurch Metall von der Oberfläche, einschließlich der darunter liegenden chromverarmten Schicht, abgetragen und die Korrosionsbeständigkeit auf ein Niveau nahe dem des Grundwerkstoffs wiederhergestellt wird. Beizen und Schleifen beeinträchtigen jedoch die Oberflächenbeschaffenheit. Um die negativen Auswirkungen des Schweißens und der Fertigung vor der Inbetriebnahme des Rohrleitungssystems zu beheben, wird dieses mit Salpetersäure oder Chelatbildnern passiviert. Auger-Elektronen-Analysen zeigten, dass die Chelatpassivierung die Oberflächenveränderungen in der Verteilung von Sauerstoff, Chrom, Eisen, Nickel und Mangan, die in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone aufgetreten sind, auf den Zustand vor dem Schweißen zurückführen kann. Bei der Passivierung wird nur die äußere Oberflächenschicht beeinflusst; sie dringt nicht tiefer als 50 Angström ein, wohingegen sich die thermische Verfärbung bis zu 1000 Angström oder mehr unter die Oberfläche erstrecken kann.
Um korrosionsbeständige Rohrleitungssysteme in der Nähe von ungeschweißten Untergründen zu installieren, ist es wichtig, schweiß- und fertigungsbedingte Schäden so gering wie möglich zu halten, sodass sie durch Passivierung weitgehend behoben werden können. Dies erfordert den Einsatz eines Spülgases mit minimalem Sauerstoffgehalt, das ohne Verunreinigung durch Luftsauerstoff oder Feuchtigkeit in den Innendurchmesser der Schweißnaht geleitet wird. Die präzise Steuerung der Wärmeeinbringung und die Vermeidung von Überhitzung während des Schweißens sind ebenfalls wichtig, um den Verlust der Korrosionsbeständigkeit zu verhindern. Die Kontrolle des Fertigungsprozesses für wiederholbare und gleichbleibend hochwertige Schweißnähte sowie die sorgfältige Handhabung von Edelstahlrohren und -komponenten während der Fertigung zur Vermeidung von Verunreinigungen sind wesentliche Voraussetzungen für ein hochwertiges, korrosionsbeständiges Rohrleitungssystem mit langer Lebensdauer.
Die in hochreinen biopharmazeutischen Edelstahl-Rohrleitungssystemen verwendeten Werkstoffe haben sich im letzten Jahrzehnt hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit weiterentwickelt. Vor 1980 wurde hauptsächlich Edelstahl 304 verwendet, da dieser relativ kostengünstig und eine Verbesserung gegenüber dem zuvor verwendeten Kupfer darstellte. Tatsächlich sind Edelstähle der 300er-Serie relativ leicht zu bearbeiten, können ohne nennenswerten Verlust ihrer Korrosionsbeständigkeit fusioniert werden und benötigen keine speziellen Vor- und Nachbehandlungen.
In letzter Zeit hat die Verwendung von Edelstahl 316 für hochreine Rohrleitungen zugenommen. Typ 316 ist in seiner Zusammensetzung ähnlich wie Typ 304, enthält aber 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“-Sorten bezeichnet werden, weisen einen geringeren Kohlenstoffgehalt als Standardsorten auf (0,035 % gegenüber 0,08 %). Diese Reduzierung des Kohlenstoffgehalts soll die Bildung von Karbidausscheidungen beim Schweißen verringern. Dabei handelt es sich um die Bildung von Chromkarbid, welches die Korngrenzen des Chromgrundwerkstoffs verarmt und ihn dadurch korrosionsanfällig macht. Die Bildung von Chromkarbid, auch „Sensibilisierung“ genannt, ist zeit- und temperaturabhängig und stellt beim Handlöten ein größeres Problem dar. Wir haben gezeigt, dass das Orbitalschweißen von superaustenitischem Edelstahl Stahl AL-6XN bietet korrosionsbeständigere Schweißnähte als vergleichbare, manuell ausgeführte Schweißnähte. Dies liegt daran, dass das Orbitalschweißen eine präzise Steuerung von Stromstärke, Pulsation und Zeit ermöglicht und somit eine geringere und gleichmäßigere Wärmeeinbringung als beim manuellen Schweißen erzielt. In Kombination mit den Stahlsorten „L“ 304 und 316 wird die Karbidausscheidung als Korrosionsfaktor in Rohrleitungssystemen durch das Orbitalschweißen nahezu vollständig eliminiert.
Die Schweißeigenschaften von Edelstahl variieren von Schmelze zu Schmelze. Obwohl Schweißparameter und andere Faktoren innerhalb enger Toleranzen gehalten werden können, gibt es dennoch Unterschiede im benötigten Wärmeeintrag zum Schweißen von Edelstahl von Schmelze zu Schmelze. Eine Schmelzenummer ist die Losnummer, die einer bestimmten Edelstahlschmelze im Werk zugewiesen wird. Die genaue chemische Zusammensetzung jeder Charge wird zusammen mit der Chargenkennung bzw. Schmelzenummer im Werksprüfbericht (MTR) festgehalten. Reines Eisen schmilzt bei 1538 °C (2800 °F), während legierte Metalle je nach Art und Konzentration der jeweiligen Legierung oder der vorhandenen Spurenelemente in einem Temperaturbereich schmelzen. Da keine zwei Edelstahlschmelzen exakt die gleiche Konzentration jedes Elements aufweisen, variieren die Schweißeigenschaften von Ofen zu Ofen.
SEM-Aufnahmen von Orbitalschweißungen an 316L-Rohren auf AOD-Rohren (oben) und EBR-Material (unten) zeigten einen signifikanten Unterschied in der Glätte der Schweißnaht.
Während ein einziges Schweißverfahren für die meisten Schmelzen mit ähnlichem Außendurchmesser und ähnlicher Wandstärke geeignet ist, benötigen manche Schmelzen eine geringere, andere hingegen eine höhere Stromstärke als üblich. Daher muss die Erwärmung verschiedener Materialien auf der Baustelle sorgfältig überwacht werden, um potenzielle Probleme zu vermeiden. Oftmals genügt für eine neue Schmelze eine geringfügige Anpassung der Stromstärke, um ein zufriedenstellendes Schweißergebnis zu erzielen.
Schwefelproblem. Elementarer Schwefel ist eine eisenhaltige Verunreinigung, die im Stahlherstellungsprozess weitgehend entfernt wird. Die Edelstähle AISI 304 und 316 sind mit einem maximalen Schwefelgehalt von 0,030 % spezifiziert. Mit der Entwicklung moderner Stahlraffinationsverfahren wie der Argon-Sauerstoff-Entkohlung (AOD) und dualen Vakuumschmelzverfahren wie dem Vakuuminduktionsschmelzen mit anschließendem Vakuumlichtbogenumschmelzen (VIM+VAR) ist es möglich geworden, Stähle mit folgenden Besonderheiten herzustellen: ihrer chemischen Zusammensetzung. Es wurde festgestellt, dass sich die Eigenschaften des Schmelzbades verändern, wenn der Schwefelgehalt des Stahls unter etwa 0,008 % liegt. Dies ist auf den Einfluss von Schwefel und in geringerem Maße anderer Elemente auf den Temperaturkoeffizienten der Oberflächenspannung des Schmelzbades zurückzuführen, der die Fließeigenschaften des flüssigen Schmelzbades bestimmt.
Bei sehr niedrigen Schwefelkonzentrationen (0,001 % – 0,003 %) ist der Einbrand des Schweißbades im Vergleich zu ähnlichen Schweißungen an Werkstoffen mit mittlerem Schwefelgehalt sehr breit. Schweißungen an schwefelarmen Edelstahlrohren weisen breitere Schweißnähte auf, während bei dickwandigen Rohren (ab 1,66 mm Wandstärke) vermehrt Vertiefungen entstehen. Dies ist der Fall, wenn der Schweißstrom für einen vollständigen Durchbrand ausreicht. Dadurch sind Werkstoffe mit sehr niedrigem Schwefelgehalt, insbesondere mit dicken Wänden, schwieriger zu schweißen. Bei höheren Schwefelkonzentrationen in Edelstahl 304 oder 316 wirkt die Schweißnaht weniger flüssig und rauer als bei Werkstoffen mit mittlerem Schwefelgehalt. Für optimale Schweißbarkeit liegt der ideale Schwefelgehalt daher im Bereich von ca. 0,005 % bis 0,017 %, wie in ASTM A270 S2 für pharmazeutische Rohre spezifiziert.
Hersteller von elektropolierten Edelstahlrohren haben festgestellt, dass selbst moderate Schwefelgehalte in Edelstahl 316 oder 316L die Anforderungen ihrer Kunden aus der Halbleiter- und Biopharmabranche an glatte, porenfreie Innenflächen erschweren. Die Oberflächenglätte der Rohre wird zunehmend mittels Rasterelektronenmikroskopie überprüft. Schwefel in unedlen Metallen bildet nachweislich nichtmetallische Einschlüsse oder Mangansulfid-„Stränge“ (MnS), die beim Elektropolieren entfernt werden und Hohlräume im Bereich von 0,25–1,0 Mikrometern hinterlassen.
Hersteller und Lieferanten von elektropolierten Rohren treiben den Markt in Richtung des Einsatzes schwefelarmer Werkstoffe, 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. Daher gibt es gute Gründe für den Trend zu schwefelarmen, „saubereren“ Werkstoffen.
Lichtbogenablenkung. Neben der Verbesserung der Schweißbarkeit von Edelstahl verbessert ein gewisser Schwefelgehalt auch die Bearbeitbarkeit. Daher bevorzugen Hersteller Werkstoffe mit einem höheren Schwefelgehalt im spezifizierten Bereich. Das Schweißen von Rohren mit sehr niedrigem Schwefelgehalt an Fittings, Ventile oder andere Rohre mit höherem Schwefelgehalt kann zu Schweißproblemen führen, da der Lichtbogen in Richtung des schwefelärmeren Rohrs verschoben wird. Bei einer Lichtbogenablenkung ist der Einbrand auf der schwefelärmeren Seite tiefer als auf der schwefelreichen Seite – genau umgekehrt wie beim Schweißen von Rohren mit gleichem Schwefelgehalt. Im Extremfall kann die Schweißnaht das schwefelarme Material vollständig durchdringen und das Innere der Schweißnaht ungeschmolzen lassen (Fihey und Simeneau, 1982). Um den Schwefelgehalt der Fittings an den Schwefelgehalt der Rohre anzupassen, hat die Carpenter Steel Division der Carpenter Technology Corporation aus Pennsylvania einen schwefelarmen (max. 0,005 %) 316-Stangenstahl (Typ 316L-SCQ) eingeführt. (VIM+VAR) ) für die Herstellung von Formstücken und anderen Bauteilen, die an schwefelarme Rohre geschweißt werden sollen. Das Verschweißen zweier sehr schwefelarmer Werkstoffe ist wesentlich einfacher als das Verschweißen eines sehr schwefelarmen Werkstoffs mit einem schwefelreicheren.
Die Umstellung auf schwefelarme Rohre ist hauptsächlich auf den Bedarf an glatten, elektropolierten Innenflächen zurückzuführen. Oberflächengüte und Elektropolieren sind sowohl für die Halbleiterindustrie als auch für die Biotechnologie-/Pharmaindustrie von Bedeutung. SEMI legte bei der Erstellung der Spezifikation für die Halbleiterindustrie fest, dass 316L-Rohre für Prozessgasleitungen einen Schwefelgehalt von maximal 0,004 % aufweisen müssen, um optimale Leistung zu gewährleisten. ASTM hingegen modifizierte seine ASTM-270-Spezifikation, um auch Rohre in pharmazeutischer Qualität mit einem Schwefelgehalt von 0,005 bis 0,017 % einzuschließen. Dies sollte im Vergleich zu niedrigeren Schwefelgehalten zu weniger Schweißproblemen führen. Es ist jedoch zu beachten, dass selbst innerhalb dieses begrenzten Bereichs Lichtbogenablenkungen beim Schweißen von schwefelarmen Rohren an schwefelreiche Rohre oder Formstücke auftreten können. Installateure sollten daher die Erwärmung des Materials sorgfältig überwachen und vor der Fertigung die Lötmittelverträglichkeit zwischen den Erwärmungsphasen und der Schweißnahtherstellung prüfen.
Andere Spurenelemente. Es wurde festgestellt, dass Spurenelemente wie Schwefel, Sauerstoff, Aluminium, Silizium und Mangan die Einbrandtiefe beeinflussen. Spuren von Aluminium, Silizium, Kalzium, Titan und Chrom, die im Grundwerkstoff als Oxideinschlüsse vorhanden sind, stehen im Zusammenhang mit der Schlackenbildung beim Schweißen.
Die Wirkungen der verschiedenen Elemente sind kumulativ, sodass Sauerstoff einen Teil der negativen Auswirkungen des niedrigen Schwefelgehalts kompensieren kann. Hohe Aluminiumkonzentrationen können den positiven Effekt auf das Eindringen von Schwefel aufheben. Mangan verdampft bei Schweißtemperatur und lagert sich in der Wärmeeinflusszone ab. Diese Manganablagerungen führen zu einer verminderten Korrosionsbeständigkeit (siehe Cohen, 1997). Die Halbleiterindustrie experimentiert derzeit mit manganarmen und sogar manganarmen 316L-Werkstoffen, um diesen Korrosionsbeständigkeitsverlust zu verhindern.
Schlackenbildung. Bei manchen Schweißvorgängen bilden sich gelegentlich Schlackeninseln auf der Edelstahlnaht. Dies ist materialbedingt, kann aber durch Anpassung der Schweißparameter minimiert oder durch Änderungen des Argon-Wasserstoff-Gemisches verbessert werden. Pollard stellte fest, dass das Verhältnis von Aluminium zu Silizium im Grundwerkstoff die Schlackenbildung beeinflusst. Um die Bildung unerwünschter, plättchenförmiger Schlacke zu verhindern, empfiehlt er einen Aluminiumgehalt von 0,010 % und einen Siliziumgehalt von 0,5 %. Liegt das Al/Si-Verhältnis jedoch über diesem Wert, kann sich kugelförmige Schlacke anstelle der plättchenförmigen bilden. Diese Schlackenart kann nach dem Elektropolieren Poren hinterlassen, was für Anwendungen mit hohen Reinheitsgraden inakzeptabel ist. Schlackeninseln auf der Außenseite der Schweißnaht können zu ungleichmäßigem Einbrand der Innenseite und somit zu unzureichendem Durchbrand führen. Die auf der Innenseite der Schweißnaht entstehenden Schlackeninseln können korrosionsanfällig sein.
Pulsationsschweißen in einem Arbeitsgang. Das automatische Orbitalschweißen von Rohren ist ein Schweißverfahren, bei dem gepulster Strom und eine kontinuierliche Rotation mit konstanter Drehzahl zum Einsatz kommen. Dieses Verfahren eignet sich für Rohre mit Außendurchmessern von 1/8″ bis ca. 7″ und Wandstärken bis 0,083″. Nach einer zeitlich festgelegten Vorspülung erfolgt die Lichtbogenzündung. Das Durchdringen der Rohrwand wird während einer zeitlichen Verzögerung erreicht, in der zwar ein Lichtbogen entsteht, aber keine Rotation stattfindet. Nach dieser Rotationsverzögerung rotiert die Elektrode um die Schweißnaht, bis die Schweißnaht in der letzten Lage mit dem ursprünglichen Schweißbereich verbunden ist oder diesen überlappt. Sobald die Verbindung hergestellt ist, wird der Strom zeitlich abgesenkt.
Schrittmodus („synchrones“ Schweißen). Beim Schmelzschweißen dickwandiger Werkstoffe (typischerweise über 2,1 mm) kann die Schweißstromquelle im Synchron- oder Schrittmodus eingesetzt werden. Im Synchron- oder Schrittmodus ist der Schweißstromimpuls mit dem Hub synchronisiert. Der Rotor steht bei hohen Stromimpulsen still, um eine maximale Einbrandtiefe zu erzielen, und bewegt sich bei niedrigen Stromimpulsen. Synchrone Verfahren verwenden längere Impulszeiten von 0,5 bis 1,5 Sekunden, im Vergleich zu den Zehntel- oder Hundertstelsekunden beim konventionellen Schweißen. Mit diesem Verfahren lassen sich dünnwandige Rohre mit einer Wandstärke von 3,9 mm oder 152 mm (40 Gauge) effektiv verschweißen. Das Schrittverfahren erzeugt eine breitere Schweißnaht, wodurch es fehlertoleranter ist und sich besonders für das Schweißen unregelmäßiger Teile wie Rohrverbindungsstücke an Rohren eignet, bei denen Maßtoleranzen, Fehlausrichtungen oder thermische Inkompatibilitäten der Werkstoffe auftreten können. Diese Schweißart benötigt etwa die doppelte Lichtbogenzeit im Vergleich zum konventionellen Schweißen und ist weniger aufwendig. Aufgrund der breiteren, raueren Naht eignet es sich für Anwendungen mit ultrahohen Reinheitsanforderungen (UHP).
Programmierbare Variablen. Die aktuelle Generation von Schweißstromquellen ist mikroprozessorgesteuert und speichert Programme, die numerische Werte für Schweißparameter für einen bestimmten Rohrdurchmesser (AD) und eine bestimmte Wandstärke festlegen. Dazu gehören Spülzeit, Schweißstrom, Schweißgeschwindigkeit (U/min), Lagenanzahl und -zeit pro Lage, Pulszeit, Abfallzeit usw. Bei Orbitalschweißungen mit Zusatzdraht umfassen die Programmparameter Drahtvorschubgeschwindigkeit, Brennerschwingungsamplitude und -verweilzeit, Lichtbogenspannungsregelung (AVC) zur Gewährleistung eines konstanten Lichtbogenabstands und Anstiegszeit. Zum Schmelzschweißen wird der Schweißkopf mit der passenden Elektrode und den Rohrschelleneinsätzen am Rohr montiert und das Schweißprogramm aus dem Speicher der Stromquelle aufgerufen. Die Schweißsequenz wird durch Drücken einer Taste oder einer Membrantastentaste gestartet und der Schweißvorgang läuft ohne Eingriff des Bedieners ab.
Nicht programmierbare Variablen. Um eine gleichbleibend hohe Schweißnahtqualität zu erzielen, müssen die Schweißparameter sorgfältig kontrolliert werden. Dies wird durch die Genauigkeit der Schweißstromquelle und des Schweißprogramms erreicht. Das Schweißprogramm ist eine Reihe von Anweisungen, die in die Stromquelle eingegeben werden und die Schweißparameter für das Schweißen eines Rohres bestimmter Größe oder eines bestimmten Bauteils enthalten. Es bedarf außerdem wirksamer Schweißnormen, die die Abnahmekriterien für das Schweißen festlegen, sowie eines Systems zur Schweißnahtprüfung und -qualitätskontrolle, um sicherzustellen, dass die Schweißung den vereinbarten Normen entspricht. Neben den Schweißparametern müssen jedoch auch bestimmte andere Faktoren und Verfahren sorgfältig kontrolliert werden. Zu diesen Faktoren gehören die Verwendung geeigneter Geräte zur Endenvorbereitung, gute Reinigungs- und Handhabungspraktiken, geringe Maßtoleranzen der zu verschweißenden Rohre oder anderer Teile, einheitliche Wolframart und -größe, hochreine Schutzgase und die sorgfältige Berücksichtigung von Materialschwankungen – insbesondere bei hohen Temperaturen.
Die Vorbereitungsanforderungen für das Rohrendenschweißen sind beim Orbitalschweißen kritischer als beim manuellen Schweißen. Schweißverbindungen beim Orbitalschweißen sind üblicherweise rechtwinklige Stumpfstoßverbindungen. Um die beim Orbitalschweißen gewünschte Wiederholgenauigkeit zu erreichen, ist eine präzise und gleichmäßige, maschinell bearbeitete Endenvorbereitung erforderlich. Da der Schweißstrom von der Wandstärke abhängt, müssen die Enden rechtwinklig sein und dürfen weder am Außendurchmesser (AD) noch am Innendurchmesser (ID) Grate oder Fasen aufweisen, da diese zu unterschiedlichen Wandstärken führen würden.
Die Rohrenden müssen im Schweißkopf so passgenau zusammenpassen, dass zwischen den Enden der Stumpfstoßverbindung kein sichtbarer Spalt entsteht. Zwar lassen sich Schweißverbindungen mit kleinen Spalten realisieren, die Schweißqualität kann jedoch beeinträchtigt werden. Je größer der Spalt, desto wahrscheinlicher ist ein Problem. Eine mangelhafte Montage kann zum vollständigen Versagen der Lötverbindung führen. Rohrsägen von George Fischer und anderen Herstellern, die das Rohr schneiden und die Rohrenden in einem Arbeitsgang planfräsen, oder tragbare Endenbearbeitungsdrehmaschinen wie die von Protem, Wachs und anderen Herstellern werden häufig verwendet, um glatte, für die maschinelle Bearbeitung geeignete Orbitalschweißnähte herzustellen. Kappsägen, Bügelsägen, Bandsägen und Rohrschneider sind für diesen Zweck ungeeignet.
Neben den Schweißparametern, die die Schweißleistung beeinflussen, gibt es weitere Variablen, die das Schweißen maßgeblich beeinflussen können, aber nicht Teil des eigentlichen Schweißverfahrens sind. Dazu gehören Art und Größe der Wolframelektrode, Art und Reinheit des Schutzgases und des Spülgases für die Schweißnaht, die Spülgasdurchflussrate, Art des Schweißkopfes und der Stromquelle, die Nahtgeometrie sowie alle weiteren relevanten Informationen. Diese Variablen werden als „nicht programmierbar“ bezeichnet und im Schweißplan dokumentiert. Beispielsweise gilt die Gasart als wesentliche Variable in der Schweißverfahrensspezifikation (WPS), damit Schweißverfahren dem ASME Section IX Boiler and Pressure Vessel Code entsprechen. Änderungen der Gasart oder der Gasmischungsanteile sowie der Verzicht auf die Spülung der Schweißnaht erfordern eine erneute Validierung des Schweißverfahrens.
Schweißgas. Edelstahl ist bei Raumtemperatur beständig gegen Oxidation durch atmosphärischen Sauerstoff. Wird er jedoch auf seinen Schmelzpunkt (1530 °C bzw. 2800 °F für reines Eisen) erhitzt, oxidiert er leicht. Inertgas (Argon) wird am häufigsten als Schutzgas und zum Spülen von Innenschweißverbindungen beim Orbital-WIG-Schweißen verwendet. Die Reinheit des Gases in Bezug auf Sauerstoff und Feuchtigkeit bestimmt das Ausmaß der oxidationsbedingten Verfärbung, die nach dem Schweißen an oder in der Nähe der Schweißnaht auftritt. Ist das Spülgas nicht von höchster Qualität oder ist das Spülsystem nicht vollständig dicht, sodass eine geringe Menge Luft eindringt, kann die Oxidation helltürkis oder bläulich erscheinen. Durch mangelnde Reinigung entsteht natürlich nicht die krustige, schwarze Oberfläche, die gemeinhin als „gesüßt“ bezeichnet wird. Schweißgas in Flaschen hat je nach Lieferant einen Reinheitsgrad von 99,996–99,997 % und enthält 5–7 ppm Sauerstoff sowie weitere Verunreinigungen wie H₂O und O₂. CO₂, Kohlenwasserstoffe usw. dürfen maximal 40 ppm enthalten. Hochreines Argon in einer Flasche oder flüssiges Argon in einem Dewargefäß kann einen Reinheitsgrad von 99,999 % oder einen Gesamtgehalt an Verunreinigungen von 10 ppm aufweisen, mit maximal 2 ppm Sauerstoff. HINWEIS: Gasreiniger wie Nanochem oder Gatekeeper können während des Spülvorgangs eingesetzt werden, um die Verunreinigungswerte auf den ppb-Bereich (parts per billion) zu reduzieren.
Gemischte Zusammensetzung. Gasmischungen wie 75 % Helium/25 % Argon und 95 % Argon/5 % Wasserstoff können als Schutzgase für spezielle Anwendungen eingesetzt werden. Die beiden Mischungen erzeugten heißere Schweißnähte als solche, die unter denselben Programmeinstellungen mit Argon hergestellt wurden. Heliummischungen eignen sich besonders für maximalen Einbrand beim Schmelzschweißen von Kohlenstoffstahl. Ein Berater der Halbleiterindustrie befürwortet die Verwendung von Argon/Wasserstoff-Mischungen als Schutzgase für UHP-Anwendungen. Wasserstoffmischungen haben mehrere Vorteile, aber auch einige gravierende Nachteile. Der Vorteil besteht darin, dass sie ein feuchteres Schmelzbad und eine glattere Schweißnahtoberfläche erzeugen, was ideal für die Implementierung von Ultrahochdruck-Gasversorgungssystemen mit einer möglichst glatten Innenfläche ist. Die Anwesenheit von Wasserstoff sorgt für eine reduzierende Atmosphäre. Wenn also Spuren von Sauerstoff in der Gasmischung 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. Einige verwenden eine 95/5 % Argon/Wasserstoff-Mischung als Spülgas, um die Schweißnahtqualität zu verbessern. das Aussehen der inneren Schweißnaht.
Die Schweißnaht bei Verwendung eines Wasserstoffgemisches als Schutzgas ist schmaler, außer bei Edelstahl mit sehr niedrigem Schwefelgehalt, der bei gleicher Stromstärke mit reinem Argon mehr Wärme erzeugt. Ein wesentlicher Nachteil von Argon/Wasserstoff-Gemischen ist die deutlich geringere Stabilität des Lichtbogens im Vergleich zu reinem Argon. Zudem besteht die Tendenz zur Lichtbogendrift, die so stark sein kann, dass es zu Fehlverklebungen kommt. Die Lichtbogendrift kann bei Verwendung eines anderen Gasgemisches verschwinden, was auf Verunreinigungen oder unzureichende Vermischung als Ursache hindeutet. Da die vom Lichtbogen erzeugte Wärme mit der Wasserstoffkonzentration variiert, ist eine konstante Konzentration für reproduzierbare Schweißungen unerlässlich. Hierbei gibt es Unterschiede zwischen vorgemischten Gasflaschen. Ein weiterer Nachteil ist die stark verkürzte Lebensdauer der Wolframelektrode bei Verwendung eines Wasserstoffgemisches. Die Ursache für die Verschlechterung der Wolframelektrode durch das Gasgemisch ist zwar noch nicht geklärt, es wird jedoch berichtet, dass der Lichtbogen schwerer zu zünden ist und die Wolframelektrode möglicherweise bereits nach ein bis zwei Schweißungen ausgetauscht werden muss. Argon/Wasserstoff-Gemische eignen sich nicht zum Schweißen von Kohlenstoffstahl. Stahl oder Titan.
Ein besonderes Merkmal des WIG-Schweißens ist der Verzicht auf Elektrodenverschleiß. Wolfram besitzt den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle (3370 °C) und ist ein guter Elektronenemitter, wodurch es sich besonders gut als nicht verbrauchbare Elektrode eignet. Durch die Zugabe von 2 % bestimmter Seltenerdoxide wie Ceroxid, Lanthanoxid oder Thoriumoxid werden seine Eigenschaften verbessert, was das Zünden und die Stabilität des Lichtbogens optimiert. Reines Wolfram wird beim WIG-Schweißen aufgrund der überlegenen Eigenschaften von Cer-Wolfram, insbesondere beim Orbitalschweißen, selten verwendet. Thorium-Wolfram wird aufgrund seiner geringen Radioaktivität seltener eingesetzt als früher.
Elektroden mit polierter Oberfläche weisen eine gleichmäßigere Größe auf. Eine glatte Oberfläche ist stets einer rauen oder unebenen Oberfläche vorzuziehen, da eine gleichmäßige Elektrodengeometrie entscheidend für konsistente und gleichmäßige Schweißergebnisse ist. Die von der Spitze emittierten Elektronen (DCEN) übertragen die Wärme von der Wolframspitze auf die Schweißnaht. Eine feinere Spitze ermöglicht eine sehr hohe Stromdichte, kann aber die Lebensdauer der Wolframelektrode verkürzen. Beim Orbitalschweißen ist es wichtig, die Elektrodenspitze mechanisch zu schleifen, um die Wiederholgenauigkeit der Wolframgeometrie und damit die Wiederholgenauigkeit der Schweißnaht zu gewährleisten. Die stumpfe Spitze lenkt den Lichtbogen von der Schweißnaht auf denselben Punkt der Wolframelektrode. Der Spitzendurchmesser bestimmt die Form des Lichtbogens und den Einbrand bei einem bestimmten Strom. Der Kegelwinkel beeinflusst die Strom-Spannungs-Kennlinie des Lichtbogens und muss daher spezifiziert und kontrolliert werden. Die Länge der Wolframelektrode ist wichtig, da mit einer bekannten Länge der Lichtbogenabstand eingestellt werden kann. Der Lichtbogenabstand bei einem bestimmten Stromwert bestimmt die Spannung und damit die auf die Schweißnaht übertragene Leistung.
Die Elektrodengröße und ihr Spitzendurchmesser werden entsprechend der Schweißstromstärke ausgewählt. Ist der Strom für die Elektrode oder ihre Spitze zu hoch, kann es zu Materialverlust an der Spitze kommen. Die Verwendung von Elektroden mit einem für den Strom zu großen Spitzendurchmesser kann zu Lichtbogendrift führen. Wir legen Elektroden- und Spitzendurchmesser anhand der Wandstärke der Schweißverbindung fest und verwenden für fast alle Anwendungen bis zu einer Wandstärke von 0,093 Zoll einen Durchmesser von 0,0625 Zoll, es sei denn, die Anwendung ist für die Verwendung von 0,040-Zoll-Elektroden zum Schweißen kleiner Präzisionsbauteile vorgesehen. Für die Wiederholbarkeit des Schweißprozesses müssen Wolframtyp und -oberfläche, Länge, Kegelwinkel, Durchmesser, Spitzendurchmesser und Lichtbogenabstand spezifiziert und kontrolliert werden. Für Rohrschweißanwendungen wird stets Cer-Wolfram empfohlen, da dieser Typ eine deutlich längere Lebensdauer als andere Typen aufweist und hervorragende Zündeigenschaften besitzt. Cer-Wolfram ist nicht radioaktiv.
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Barbara Henon, Technical Publications Manager, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Telefon: 818-896-9556. Fax: 818-890-3724.