Σημείωση του συντάκτη: Το Pharmaceutical Online έχει την ευχαρίστηση να παρουσιάσει αυτό το άρθρο τεσσάρων μερών σχετικά με την τροχιακή συγκόλληση σωληνώσεων βιολογικών διεργασιών από την ειδικό του κλάδου Barbara Henon της Arc Machines. Αυτό το άρθρο είναι προσαρμοσμένο από την παρουσίαση της Δρ. Henon στο συνέδριο ASME στα τέλη του περασμένου έτους.
Αποτρέψτε την απώλεια αντοχής στη διάβρωση. Το νερό υψηλής καθαρότητας, όπως το DI ή το WFI, είναι ένα πολύ επιθετικό χαρακτικό για τον ανοξείδωτο χάλυβα. Επιπλέον, το φαρμακευτικής ποιότητας WFI ανακυκλώνεται σε υψηλή θερμοκρασία (80°C) για να διατηρηθεί η στειρότητα. Υπάρχει μια λεπτή διαφορά μεταξύ της μείωσης της θερμοκρασίας αρκετά ώστε να υποστηρίξει ζωντανούς οργανισμούς θανατηφόρους για το προϊόν και της αύξησης της θερμοκρασίας αρκετά ώστε να προωθήσει την παραγωγή "ροζ". Το ρουζ είναι μια καφέ μεμβράνη ποικίλης σύνθεσης που προκαλείται από τη διάβρωση των εξαρτημάτων του συστήματος σωληνώσεων από ανοξείδωτο χάλυβα. Η βρωμιά και τα οξείδια του σιδήρου μπορεί να είναι τα κύρια συστατικά, αλλά μπορεί επίσης να υπάρχουν διάφορες μορφές σιδήρου, χρωμίου και νικελίου. Η παρουσία του ρουζ είναι θανατηφόρα για ορισμένα προϊόντα και η παρουσία του μπορεί να οδηγήσει σε περαιτέρω διάβρωση, αν και η παρουσία του σε άλλα συστήματα φαίνεται να είναι αρκετά καλοήθης.
Η συγκόλληση μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την αντοχή στη διάβρωση. Το ζεστό χρώμα είναι αποτέλεσμα της οξειδωτικής εναπόθεσης υλικού στις συγκολλήσεις και στα HAZ κατά τη συγκόλληση, είναι ιδιαίτερα επιζήμιο και σχετίζεται με τον σχηματισμό ερυθρότητας σε φαρμακευτικά συστήματα νερού. Ο σχηματισμός οξειδίου του χρωμίου μπορεί να προκαλέσει μια καυτή απόχρωση, αφήνοντας πίσω του ένα στρώμα με μειωμένο χρώμιο που είναι ευαίσθητο στη διάβρωση. Το ζεστό χρώμα μπορεί να αφαιρεθεί με αποξείδωση και λείανση, αφαιρώντας μέταλλο από την επιφάνεια, συμπεριλαμβανομένου του υποκείμενου στρώματος με μειωμένο χρώμιο, και αποκαθιστώντας την αντοχή στη διάβρωση σε επίπεδα κοντά στα επίπεδα βασικού μετάλλου. Ωστόσο, η αποξείδωση και η λείανση είναι επιζήμιες για το φινίρισμα της επιφάνειας. Η παθητικοποίηση του συστήματος σωληνώσεων με νιτρικό οξύ ή σκευάσματα χηλικού παράγοντα γίνεται για να ξεπεραστούν οι δυσμενείς επιπτώσεις της συγκόλλησης και της κατασκευής πριν τεθεί σε λειτουργία το σύστημα σωληνώσεων. Η ανάλυση ηλεκτρονίων Auger έδειξε ότι η παθητικοποίηση με χηλίωση θα μπορούσε να αποκαταστήσει τις επιφανειακές αλλαγές στην κατανομή οξυγόνου, χρωμίου, σιδήρου, νικελίου και μαγγανίου που εμφανίστηκαν στη ζώνη συγκόλλησης και θερμότητας στην κατάσταση πριν από τη συγκόλληση. Ωστόσο, η παθητικοποίηση επηρεάζει μόνο το εξωτερικό επιφανειακό στρώμα και δεν διεισδύει κάτω από τα 50 angstroms, ενώ ο θερμικός χρωματισμός μπορεί να επεκταθεί. 1000 άνγκστρομ ή περισσότερο κάτω από την επιφάνεια.
Επομένως, για την εγκατάσταση συστημάτων σωληνώσεων ανθεκτικών στη διάβρωση κοντά σε μη συγκολλημένα υποστρώματα, είναι σημαντικό να προσπαθήσετε να περιορίσετε τις ζημιές που προκαλούνται από τη συγκόλληση και την κατασκευή σε επίπεδα που μπορούν να ανακτηθούν ουσιαστικά με παθητικοποίηση. Αυτό απαιτεί τη χρήση αερίου καθαρισμού με ελάχιστη περιεκτικότητα σε οξυγόνο και παροχή στην εσωτερική διάμετρο της συγκολλημένης σύνδεσης χωρίς μόλυνση από ατμοσφαιρικό οξυγόνο ή υγρασία. Ο ακριβής έλεγχος της εισόδου θερμότητας και η αποφυγή υπερθέρμανσης κατά τη συγκόλληση είναι επίσης σημαντικά για την πρόληψη της απώλειας αντοχής στη διάβρωση. Ο έλεγχος της διαδικασίας κατασκευής για την επίτευξη επαναλήψιμων και συνεπών συγκολλήσεων υψηλής ποιότητας, καθώς και ο προσεκτικός χειρισμός σωλήνων και εξαρτημάτων από ανοξείδωτο χάλυβα κατά την κατασκευή για την πρόληψη της μόλυνσης, αποτελούν βασικές απαιτήσεις για ένα σύστημα σωληνώσεων υψηλής ποιότητας που αντιστέκεται στη διάβρωση και παρέχει μακροχρόνια παραγωγική λειτουργία.
Τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε συστήματα σωληνώσεων από βιοφαρμακευτικό ανοξείδωτο χάλυβα υψηλής καθαρότητας έχουν εξελιχθεί προς βελτιωμένη αντοχή στη διάβρωση την τελευταία δεκαετία. Οι περισσότεροι ανοξείδωτοι χάλυβες που χρησιμοποιήθηκαν πριν από το 1980 ήταν ανοξείδωτοι χάλυβες 304 επειδή ήταν σχετικά φθηνοί και αποτελούσαν βελτίωση σε σχέση με τον χαλκό που χρησιμοποιούνταν προηγουμένως. Στην πραγματικότητα, οι ανοξείδωτοι χάλυβες σειράς 300 είναι σχετικά εύκολοι στην κατεργασία, μπορούν να συγκολληθούν με σύντηξη χωρίς αδικαιολόγητη απώλεια της αντοχής τους στη διάβρωση και δεν απαιτούν ειδικές προθερμάνσεις και μεταθερμικές επεξεργασίες.
Πρόσφατα, η χρήση ανοξείδωτου χάλυβα 316 σε εφαρμογές σωληνώσεων υψηλής καθαρότητας έχει αυξηθεί. Ο τύπος 316 έχει παρόμοια σύνθεση με τον τύπο 304, αλλά εκτός από τα στοιχεία κράματος χρωμίου και νικελίου που είναι κοινά και στους δύο, το 316 περιέχει περίπου 2% μολυβδαίνιο, το οποίο βελτιώνει σημαντικά την αντοχή του 316 στη διάβρωση. Οι τύποι 304L και 316L, που αναφέρονται ως ποιότητες "L", έχουν χαμηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα από τις τυπικές ποιότητες (0,035% έναντι 0,08%). Αυτή η μείωση της περιεκτικότητας σε άνθρακα αποσκοπεί στη μείωση της ποσότητας καθίζησης καρβιδίου που μπορεί να συμβεί λόγω συγκόλλησης. Αυτός είναι ο σχηματισμός καρβιδίου του χρωμίου, το οποίο εξαντλεί τα όρια των κόκκων του βασικού μετάλλου χρωμίου, καθιστώντας το ευάλωτο στη διάβρωση. Ο σχηματισμός καρβιδίου του χρωμίου, που ονομάζεται "ευαισθητοποίηση", εξαρτάται από τον χρόνο και τη θερμοκρασία και αποτελεί μεγαλύτερο πρόβλημα κατά τη χειροκίνητη συγκόλληση. Έχουμε δείξει ότι η τροχιακή συγκόλληση υπερ-ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα AL-6XN παρέχει πιο ανθεκτικές στη διάβρωση συγκολλήσεις από παρόμοιες συγκολλήσεις που γίνονται με το χέρι. Αυτό συμβαίνει επειδή η τροχιακή συγκόλληση παρέχει ακριβή έλεγχο της ένταση, παλμός και χρονισμός, με αποτέλεσμα χαμηλότερη και πιο ομοιόμορφη εισαγωγή θερμότητας από τη χειροκίνητη συγκόλληση. Η τροχιακή συγκόλληση σε συνδυασμό με τις ποιότητες "L" 304 και 316 ουσιαστικά εξαλείφει την καθίζηση καρβιδίου ως παράγοντα στην ανάπτυξη διάβρωσης στα συστήματα σωληνώσεων.
Διακύμανση θερμότητας-σε-θερμότητα του ανοξείδωτου χάλυβα. Παρόλο που οι παράμετροι συγκόλλησης και άλλοι παράγοντες μπορούν να διατηρηθούν εντός αρκετά αυστηρών ανοχών, εξακολουθούν να υπάρχουν διαφορές στην απαιτούμενη θερμότητα για τη συγκόλληση ανοξείδωτου χάλυβα από θερμότητα σε θερμότητα. Ένας αριθμός θερμότητας είναι ο αριθμός παρτίδας που έχει αντιστοιχιστεί σε ένα συγκεκριμένο τήγμα ανοξείδωτου χάλυβα στο εργοστάσιο. Η ακριβής χημική σύνθεση κάθε παρτίδας καταγράφεται στην Έκθεση Δοκιμής Εργοστασίου (MTR) μαζί με την αναγνώριση παρτίδας ή τον αριθμό θερμότητας. Ο καθαρός σίδηρος τήκεται στους 1538°C (2800°F), ενώ τα κραματοποιημένα μέταλλα τήκονται σε ένα εύρος θερμοκρασιών, ανάλογα με τον τύπο και τη συγκέντρωση κάθε κράματος ή ιχνοστοιχείου που υπάρχει. Δεδομένου ότι δεν υπάρχουν δύο θερμότητες ανοξείδωτου χάλυβα που να περιέχουν ακριβώς την ίδια συγκέντρωση κάθε στοιχείου, τα χαρακτηριστικά συγκόλλησης θα διαφέρουν από κλίβανο σε κλίβανο.
Η ηλεκτρονική τομογραφία μικροσκοπίου (SEM) τροχιακών συγκολλήσεων σωλήνα 316L σε σωλήνα AOD (πάνω) και υλικό EBR (κάτω) έδειξε σημαντική διαφορά στην ομαλότητα της στεφάνης συγκόλλησης.
Ενώ μια ενιαία διαδικασία συγκόλλησης μπορεί να λειτουργήσει για τις περισσότερες θερμαντικές επιφάνειες με παρόμοια εξωτερική διάμετρο και πάχος τοιχώματος, ορισμένες θερμαντικές επιφάνειες απαιτούν λιγότερη ένταση ρεύματος και μερικές απαιτούν υψηλότερη ένταση ρεύματος από την τυπική. Για αυτόν τον λόγο, η θέρμανση διαφορετικών υλικών στο εργοτάξιο πρέπει να παρακολουθείται προσεκτικά για να αποφευχθούν πιθανά προβλήματα. Συχνά, η νέα θερμότητα απαιτεί μόνο μια μικρή αλλαγή στην ένταση ρεύματος για να επιτευχθεί μια ικανοποιητική διαδικασία συγκόλλησης.
Πρόβλημα με το θείο. Το στοιχειακό θείο είναι μια πρόσμιξη που σχετίζεται με το σιδηρομετάλλευμα και απομακρύνεται σε μεγάλο βαθμό κατά τη διαδικασία παραγωγής χάλυβα. Οι ανοξείδωτοι χάλυβες AISI τύπου 304 και 316 έχουν μέγιστη περιεκτικότητα σε θείο 0,030%. Με την ανάπτυξη σύγχρονων διεργασιών εξευγενισμού χάλυβα, όπως η αποανθράκωση με αργό και οξυγόνο (AOD) και οι πρακτικές διπλής τήξης κενού, όπως η τήξη με επαγωγή κενού ακολουθούμενη από την επανατήξη με τόξο κενού (VIM+VAR), έχει καταστεί δυνατή η παραγωγή χαλύβων που είναι πολύ ιδιαίτεροι με τους ακόλουθους τρόπους. Έχει παρατηρηθεί ότι οι ιδιότητες της δεξαμενής συγκόλλησης αλλάζουν όταν η περιεκτικότητα σε θείο του χάλυβα είναι κάτω από περίπου 0,008%. Αυτό οφείλεται στην επίδραση του θείου και σε μικρότερο βαθμό άλλων στοιχείων στον συντελεστή θερμοκρασίας της επιφανειακής τάσης της δεξαμενής συγκόλλησης, ο οποίος καθορίζει τα χαρακτηριστικά ροής της δεξαμενής υγρού.
Σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις θείου (0,001% – 0,003%), η διείσδυση της λακκούβας συγκόλλησης γίνεται πολύ ευρεία σε σύγκριση με παρόμοιες συγκολλήσεις που γίνονται σε υλικά μεσαίας περιεκτικότητας σε θείο. Οι συγκολλήσεις που γίνονται σε σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο θα έχουν φαρδύτερες συγκολλήσεις, ενώ σε σωλήνες με παχύτερο τοίχωμα (0,065 ίντσες ή 1,66 mm ή περισσότερο) θα υπάρχει μεγαλύτερη τάση για συγκόλληση σε εσοχή. Όταν το ρεύμα συγκόλλησης είναι επαρκές για να παράγει μια πλήρως διεισδυμένη συγκόλληση, αυτό καθιστά τα υλικά με πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο πιο δύσκολα στη συγκόλληση, ειδικά με παχύτερα τοιχώματα. Στο υψηλότερο άκρο της συγκέντρωσης θείου σε ανοξείδωτο χάλυβα 304 ή 316, η χάντρα συγκόλλησης τείνει να είναι λιγότερο ρευστή στην εμφάνιση και πιο τραχιά από τα υλικά μεσαίας περιεκτικότητας σε θείο. Επομένως, για την ικανότητα συγκόλλησης, η ιδανική περιεκτικότητα σε θείο θα κυμαινόταν από περίπου 0,005% έως 0,017%, όπως ορίζεται στο ASTM A270 S2 για σωλήνες φαρμακευτικής ποιότητας.
Οι παραγωγοί ηλεκτρολυτικά γυαλισμένων σωλήνων από ανοξείδωτο χάλυβα έχουν παρατηρήσει ότι ακόμη και μέτρια επίπεδα θείου στον ανοξείδωτο χάλυβα 316 ή 316L δυσκολεύουν την κάλυψη των αναγκών των πελατών τους στον τομέα των ημιαγωγών και των βιοφαρμακευτικών προϊόντων για λείες εσωτερικές επιφάνειες χωρίς κοιλότητες. Η χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης για την επαλήθευση της ομαλότητας του φινιρίσματος της επιφάνειας του σωλήνα είναι ολοένα και πιο συνηθισμένη. Έχει αποδειχθεί ότι το θείο στα βασικά μέταλλα σχηματίζει μη μεταλλικά εγκλείσματα ή "χορδές" θειούχου μαγγανίου (MnS) που αφαιρούνται κατά την ηλεκτρολυτική στίλβωση και αφήνουν κενά στην περιοχή των 0,25-1,0 μικρών.
Οι κατασκευαστές και οι προμηθευτές ηλεκτρολυτικά γυαλισμένων σωλήνων ωθούν την αγορά προς τη χρήση υλικών εξαιρετικά χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο για την κάλυψη των απαιτήσεων φινιρίσματος της επιφάνειας. Ωστόσο, το πρόβλημα δεν περιορίζεται στους ηλεκτρολυτικά γυαλισμένους σωλήνες, καθώς στους μη ηλεκτρολυτικά γυαλισμένους σωλήνες τα εγκλείσματα αφαιρούνται κατά την παθητικοποίηση του συστήματος σωληνώσεων. Έχει αποδειχθεί ότι τα κενά είναι πιο επιρρεπή σε κοιλότητες από τις λείες επιφάνειες. Υπάρχουν λοιπόν ορισμένοι βάσιμοι λόγοι για την τάση προς υλικά χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο, «καθαρότερα».
Εκτροπή τόξου. Εκτός από τη βελτίωση της συγκολλησιμότητας του ανοξείδωτου χάλυβα, η παρουσία κάποιας ποσότητας θείου βελτιώνει επίσης την κατεργασιμότητα. Ως αποτέλεσμα, οι κατασκευαστές τείνουν να επιλέγουν υλικά στο υψηλότερο άκρο του καθορισμένου εύρους περιεκτικότητας σε θείο. Η συγκόλληση σωλήνων με πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις θείου σε εξαρτήματα, βαλβίδες ή άλλους σωλήνες με υψηλότερη περιεκτικότητα σε θείο μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα συγκόλλησης επειδή το τόξο θα είναι πολωμένο προς σωλήνες με χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο. Όταν συμβαίνει εκτροπή τόξου, η διείσδυση γίνεται βαθύτερη στην πλευρά χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο από ό,τι στην πλευρά υψηλής περιεκτικότητας σε θείο, κάτι που είναι το αντίθετο από αυτό που συμβαίνει κατά τη συγκόλληση σωλήνων με αντίστοιχες συγκεντρώσεις θείου. Σε ακραίες περιπτώσεις, η χάντρα συγκόλλησης μπορεί να διεισδύσει πλήρως στο υλικό χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο και να αφήσει το εσωτερικό της συγκόλλησης εντελώς μη συντηγμένο (Fihey και Simeneau, 1982). Προκειμένου να ταιριάξει η περιεκτικότητα σε θείο των εξαρτημάτων με την περιεκτικότητα σε θείο του σωλήνα, το Carpenter Steel Division της Carpenter Technology Corporation της Πενσυλβάνια έχει εισαγάγει ένα υλικό 316 bar χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο (0,005% μέγιστο) (Τύπος 316L-SCQ) (VIM+VAR)) για η κατασκευή εξαρτημάτων και άλλων εξαρτημάτων που προορίζονται για συγκόλληση σε σωλήνες χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο. Η συγκόλληση δύο υλικών πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο μεταξύ τους είναι πολύ ευκολότερη από τη συγκόλληση ενός υλικού πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο με ένα υλικό υψηλότερης περιεκτικότητας σε θείο.
Η στροφή στη χρήση σωλήνων χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην ανάγκη απόκτησης λείων ηλεκτρολυτικά γυαλισμένων εσωτερικών επιφανειών σωλήνων. Ενώ το φινίρισμα της επιφάνειας και η ηλεκτρολυτική στίλβωση είναι σημαντικά τόσο για τη βιομηχανία ημιαγωγών όσο και για τη βιοτεχνολογική/φαρμακευτική βιομηχανία, η SEMI, κατά τη σύνταξη των προδιαγραφών της βιομηχανίας ημιαγωγών, διευκρίνισε ότι οι σωλήνες 316L για γραμμές αερίου διεργασίας πρέπει να έχουν καπάκι 0,004% θείου για βέλτιστη απόδοση. Τα άκρα επιφάνειας. Η ASTM, από την άλλη πλευρά, τροποποίησε την προδιαγραφή ASTM 270 ώστε να περιλαμβάνει σωλήνες φαρμακευτικής ποιότητας που περιορίζουν την περιεκτικότητα σε θείο σε ένα εύρος από 0,005 έως 0,017%. Αυτό θα πρέπει να έχει ως αποτέλεσμα λιγότερες δυσκολίες συγκόλλησης σε σύγκριση με τα θεία χαμηλότερης περιεκτικότητας σε θείο. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι ακόμη και εντός αυτού του περιορισμένου εύρους, μπορεί να εμφανιστεί εκτροπή τόξου κατά τη συγκόλληση σωλήνων χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο σε σωλήνες ή εξαρτήματα υψηλής περιεκτικότητας σε θείο, και οι εγκαταστάτες θα πρέπει να παρακολουθούν προσεκτικά τη θέρμανση του υλικού και να ελέγχουν πριν από την κατασκευή. Συμβατότητα συγκόλλησης μεταξύ θέρμανσης. Παραγωγή συγκολλήσεων.
άλλα ιχνοστοιχεία. Έχει βρεθεί ότι ιχνοστοιχεία όπως το θείο, το οξυγόνο, το αλουμίνιο, το πυρίτιο και το μαγγάνιο επηρεάζουν τη διείσδυση. Ίχνη αλουμινίου, πυριτίου, ασβεστίου, τιτανίου και χρωμίου που υπάρχουν στο βασικό μέταλλο ως εγκλείσματα οξειδίου σχετίζονται με τον σχηματισμό σκωρίας κατά τη συγκόλληση.
Οι επιδράσεις των διαφόρων στοιχείων είναι αθροιστικές, επομένως η παρουσία οξυγόνου μπορεί να αντισταθμίσει ορισμένες από τις επιδράσεις της χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο. Τα υψηλά επίπεδα αλουμινίου μπορούν να αντισταθμίσουν τη θετική επίδραση στη διείσδυση του θείου. Το μαγγάνιο εξατμίζεται στη θερμοκρασία συγκόλλησης και εναποτίθεται στη ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα της συγκόλλησης. Αυτές οι εναποθέσεις μαγγανίου σχετίζονται με απώλεια αντοχής στη διάβρωση. (Βλέπε Cohen, 1997). Η βιομηχανία ημιαγωγών πειραματίζεται επί του παρόντος με υλικά 316L χαμηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο και ακόμη και με υλικά εξαιρετικά χαμηλής περιεκτικότητας σε μαγγάνιο 316L για να αποτρέψει αυτήν την απώλεια αντοχής στη διάβρωση.
Σχηματισμός σκωρίας. Νησίδες σκωρίας εμφανίζονται περιστασιακά στο ανοξείδωτο ατσάλι για ορισμένες θερμάνσεις. Αυτό είναι εγγενώς ένα ζήτημα υλικού, αλλά μερικές φορές οι αλλαγές στις παραμέτρους συγκόλλησης μπορούν να το ελαχιστοποιήσουν ή οι αλλαγές στο μείγμα αργού/υδρογόνου μπορούν να βελτιώσουν τη συγκόλληση. Ο Pollard διαπίστωσε ότι η αναλογία αλουμινίου προς πυρίτιο στο βασικό μέταλλο επηρεάζει τον σχηματισμό σκωρίας. Για να αποτραπεί ο σχηματισμός ανεπιθύμητης σκωρίας τύπου πλάκας, συνιστά να διατηρείται η περιεκτικότητα σε αλουμίνιο στο 0,010% και η περιεκτικότητα σε πυρίτιο στο 0,5%. Ωστόσο, όταν η αναλογία Al/Si είναι πάνω από αυτό το επίπεδο, μπορεί να σχηματιστεί σφαιρική σκωρία αντί για τον τύπο πλάκας. Αυτός ο τύπος σκωρίας μπορεί να αφήσει κοιλώματα μετά την ηλεκτροστίλβωση, κάτι που είναι απαράδεκτο για εφαρμογές υψηλής καθαρότητας. Οι νησίδες σκωρίας που σχηματίζονται στην εξωτερική διάμετρο της συγκόλλησης μπορούν να προκαλέσουν ανομοιόμορφη διείσδυση του περάσματος εσωτερικής σόλας και να οδηγήσουν σε ανεπαρκή διείσδυση. Οι νησίδες σκωρίας που σχηματίζονται στο περόνι συγκόλλησης εσωτερικής σόλας μπορεί να είναι ευαίσθητες στη διάβρωση.
Μονή συγκόλληση με παλμική κίνηση. Η τυπική αυτόματη συγκόλληση τροχιακού σωλήνα είναι μια συγκόλληση ενός περάσματος με παλμικό ρεύμα και συνεχή περιστροφή σταθερής ταχύτητας. Αυτή η τεχνική είναι κατάλληλη για σωλήνες με εξωτερικές διαμέτρους από 1/8″ έως περίπου 7″ και πάχη τοιχωμάτων 0,083″ και κάτω. Μετά από μια χρονικά καθορισμένη προκαθαριστική διαδικασία, εμφανίζεται τόξο. Η διείσδυση του τοιχώματος του σωλήνα επιτυγχάνεται κατά τη διάρκεια μιας χρονικής καθυστέρησης κατά την οποία υπάρχει τόξο αλλά δεν εμφανίζεται περιστροφή. Μετά από αυτήν την περιστροφική καθυστέρηση, το ηλεκτρόδιο περιστρέφεται γύρω από την ένωση συγκόλλησης μέχρι η συγκόλληση να ενωθεί ή να επικαλύψει το αρχικό τμήμα της συγκόλλησης κατά τη διάρκεια του τελευταίου στρώματος συγκόλλησης. Όταν ολοκληρωθεί η σύνδεση, το ρεύμα μειώνεται σταδιακά με μια χρονική πτώση.
Λειτουργία βημάτων («συγχρονισμένη» συγκόλληση). Για συγκόλληση με σύντηξη υλικών με παχύτερα τοιχώματα, συνήθως μεγαλύτερα από 0,083 ίντσες, η πηγή ισχύος συγκόλλησης με σύντηξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σύγχρονη ή βηματική λειτουργία. Σε σύγχρονη ή βηματική λειτουργία, ο παλμός ρεύματος συγκόλλησης συγχρονίζεται με τη διαδρομή, έτσι ώστε ο ρότορας να είναι ακίνητος για μέγιστη διείσδυση κατά τη διάρκεια παλμών υψηλού ρεύματος και να κινείται κατά τη διάρκεια παλμών χαμηλού ρεύματος. Οι σύγχρονες τεχνικές χρησιμοποιούν μεγαλύτερους χρόνους παλμού, της τάξης των 0,5 έως 1,5 δευτερολέπτων, σε σύγκριση με το δέκατο ή το εκατοστό του δευτερολέπτου χρόνο παλμού για συμβατική συγκόλληση. Αυτή η τεχνική μπορεί να συγκολλήσει αποτελεσματικά σωλήνα λεπτού τοιχώματος 40 gauge 40 πάχους 0,154″ ή 6″ με πάχος τοιχώματος 0,154″ ή 6″. Η βηματική τεχνική παράγει μια ευρύτερη συγκόλληση, καθιστώντας την ανεκτική σε σφάλματα και χρήσιμη για τη συγκόλληση ακανόνιστων εξαρτημάτων, όπως εξαρτήματα σωληνώσεων σε σωλήνες, όπου μπορεί να υπάρχουν διαφορές στις διαστατικές ανοχές, κάποια κακή ευθυγράμμιση ή θερμική ασυμβατότητα υλικού. Αυτός ο τύπος συγκόλλησης απαιτεί περίπου διπλάσιο χρόνο τόξου από τη συμβατική συγκόλληση και είναι λιγότερο κατάλληλος για εφαρμογές εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας (UHP) λόγω του ευρύτερου, πιο τραχιά ραφή.
Προγραμματιζόμενες μεταβλητές. Η τρέχουσα γενιά πηγών ισχύος συγκόλλησης βασίζεται σε μικροεπεξεργαστές και αποθηκεύει προγράμματα που καθορίζουν αριθμητικές τιμές για παραμέτρους συγκόλλησης για μια συγκεκριμένη διάμετρο (OD) και πάχος τοιχώματος του σωλήνα που πρόκειται να συγκολληθεί, συμπεριλαμβανομένου του χρόνου καθαρισμού, του ρεύματος συγκόλλησης, της ταχύτητας διαδρομής (RPM) , του αριθμού στρώσεων και του χρόνου ανά στρώση, του χρόνου παλμού, του χρόνου καθόδου κ.λπ. Για συγκολλήσεις τροχιακών σωλήνων με προσθήκη σύρματος πλήρωσης, οι παράμετροι προγράμματος θα περιλαμβάνουν την ταχύτητα τροφοδοσίας σύρματος, το πλάτος ταλάντωσης πυρσού και τον χρόνο παραμονής, τον AVC (έλεγχος τάσης τόξου για την παροχή σταθερού διακένου τόξου) και την κλίση προς τα πάνω. Για να εκτελέσετε συγκόλληση με σύντηξη, εγκαταστήστε την κεφαλή συγκόλλησης με τα κατάλληλα ένθετα ηλεκτροδίου και σφιγκτήρα σωλήνα στον σωλήνα και ανακαλέστε το πρόγραμμα ή το πρόγραμμα συγκόλλησης από τη μνήμη της πηγής ισχύος. Η ακολουθία συγκόλλησης ξεκινά πατώντας ένα κουμπί ή ένα πλήκτρο του πίνακα μεμβράνης και η συγκόλληση συνεχίζεται χωρίς την παρέμβαση του χειριστή.
Μη προγραμματιζόμενες μεταβλητές. Για να επιτευχθεί σταθερά καλή ποιότητα συγκόλλησης, οι παράμετροι συγκόλλησης πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της ακρίβειας της πηγής ισχύος συγκόλλησης και του προγράμματος συγκόλλησης, το οποίο είναι ένα σύνολο οδηγιών που εισάγονται στην πηγή ισχύος, που αποτελείται από παραμέτρους συγκόλλησης, για τη συγκόλληση ενός συγκεκριμένου μεγέθους σωλήνα ή αγωγού. Πρέπει επίσης να υπάρχει ένα αποτελεσματικό σύνολο προτύπων συγκόλλησης, που να καθορίζουν τα κριτήρια αποδοχής συγκόλλησης και κάποιο σύστημα επιθεώρησης και ελέγχου ποιότητας συγκόλλησης για να διασφαλιστεί ότι η συγκόλληση πληροί τα συμφωνημένα πρότυπα. Ωστόσο, ορισμένοι παράγοντες και διαδικασίες εκτός από τις παραμέτρους συγκόλλησης πρέπει επίσης να ελέγχονται προσεκτικά. Αυτοί οι παράγοντες περιλαμβάνουν τη χρήση καλού εξοπλισμού προετοιμασίας άκρων, καλές πρακτικές καθαρισμού και χειρισμού, καλές ανοχές διαστάσεων των σωληνώσεων ή άλλων εξαρτημάτων που συγκολλούνται, σταθερό τύπο και μέγεθος βολφραμίου, αδρανή αέρια υψηλής καθαρότητας και ιδιαίτερη προσοχή στις διακυμάνσεις του υλικού. - υψηλή θερμοκρασία.
Οι απαιτήσεις προετοιμασίας για τη συγκόλληση άκρων σωλήνων είναι πιο κρίσιμες για την τροχιακή συγκόλληση από τη χειροκίνητη συγκόλληση. Οι συγκολλημένες ενώσεις για την τροχιακή συγκόλληση σωλήνων είναι συνήθως τετράγωνες αρθρώσεις. Για να επιτευχθεί η επιθυμητή επαναληψιμότητα στην τροχιακή συγκόλληση, απαιτείται ακριβής, συνεπής, μηχανικά κατεργασμένη προετοιμασία των άκρων. Δεδομένου ότι το ρεύμα συγκόλλησης εξαρτάται από το πάχος του τοιχώματος, τα άκρα πρέπει να είναι τετράγωνα χωρίς γρέζια ή λοξοτμήσεις στην εξωτερική ή εσωτερική διάμετρο (ΕΞ ή ΕΣ), κάτι που θα είχε ως αποτέλεσμα διαφορετικά πάχη τοιχώματος.
Τα άκρα των σωλήνων πρέπει να ταιριάζουν μεταξύ τους στην κεφαλή συγκόλλησης, έτσι ώστε να μην υπάρχει αισθητό κενό μεταξύ των άκρων της τετράγωνης σύνδεσης. Παρόλο που μπορούν να επιτευχθούν συγκολλημένες ενώσεις με μικρά κενά, η ποιότητα της συγκόλλησης μπορεί να επηρεαστεί αρνητικά. Όσο μεγαλύτερο είναι το κενό, τόσο πιο πιθανό είναι να υπάρχει πρόβλημα. Η κακή συναρμολόγηση μπορεί να οδηγήσει σε πλήρη αποτυχία της συγκόλλησης. Τα πριόνια σωλήνων που κατασκευάζονται από τον George Fischer και άλλους, τα οποία κόβουν τον σωλήνα και αντιμετωπίζουν τα άκρα των σωλήνων με την ίδια λειτουργία, ή οι φορητοί τόρνοι προετοιμασίας άκρων όπως αυτοί που κατασκευάζονται από την Protem, την Wachs και άλλους, χρησιμοποιούνται συχνά για την κατασκευή λείων τροχιακών συγκολλήσεων άκρων κατάλληλων για μηχανική κατεργασία. Τα πριόνια κοπής, τα πριόνια με ταινία, οι κόφτες σωληνώσεων και οι κόφτες σωληνώσεων δεν είναι κατάλληλα για αυτόν τον σκοπό.
Εκτός από τις παραμέτρους συγκόλλησης που εισάγουν ισχύ για τη συγκόλληση, υπάρχουν και άλλες μεταβλητές που μπορούν να έχουν βαθιά επίδραση στη συγκόλληση, αλλά δεν αποτελούν μέρος της πραγματικής διαδικασίας συγκόλλησης. Αυτό περιλαμβάνει τον τύπο και το μέγεθος του βολφραμίου, τον τύπο και την καθαρότητα του αερίου που χρησιμοποιείται για την θωράκιση του τόξου και τον καθαρισμό του εσωτερικού της σύνδεσης συγκόλλησης, τον ρυθμό ροής αερίου που χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό, τον τύπο της κεφαλής και της πηγής ισχύος που χρησιμοποιείται, τη διαμόρφωση της σύνδεσης και οποιεσδήποτε άλλες σχετικές πληροφορίες. Αυτές τις ονομάζουμε «μη προγραμματιζόμενες» μεταβλητές και τις καταγράφουμε στο πρόγραμμα συγκόλλησης. Για παράδειγμα, ο τύπος αερίου θεωρείται βασική μεταβλητή στην Προδιαγραφή Διαδικασίας Συγκόλλησης (WPS) για τις διαδικασίες συγκόλλησης ώστε να συμμορφώνονται με τον Κώδικα Λεβήτων και Δοχείων Πίεσης ASME Section IX. Οι αλλαγές στον τύπο αερίου ή στα ποσοστά μείγματος αερίων ή η εξάλειψη του καθαρισμού ID απαιτούν επανεπικύρωση της διαδικασίας συγκόλλησης.
Αέριο συγκόλλησης. Ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι ανθεκτικός στην οξείδωση του ατμοσφαιρικού οξυγόνου σε θερμοκρασία δωματίου. Όταν θερμαίνεται στο σημείο τήξης του (1530°C ή 2800°F για καθαρό σίδηρο), οξειδώνεται εύκολα. Το αδρανές αργό χρησιμοποιείται συνήθως ως αέριο θωράκισης και για τον καθαρισμό εσωτερικών συγκολλημένων αρμών μέσω της τροχιακής διαδικασίας GTAW. Η καθαρότητα του αερίου σε σχέση με το οξυγόνο και την υγρασία καθορίζει την ποσότητα του αποχρωματισμού που προκαλείται από την οξείδωση και εμφανίζεται πάνω ή κοντά στη συγκόλληση μετά τη συγκόλληση. Εάν το αέριο καθαρισμού δεν είναι της υψηλότερης ποιότητας ή εάν το σύστημα καθαρισμού δεν είναι εντελώς απαλλαγμένο από διαρροές, έτσι ώστε μια μικρή ποσότητα αέρα να διαρρέει στο σύστημα καθαρισμού, η οξείδωση μπορεί να είναι ανοιχτό γαλαζοπράσινη ή μπλε. Φυσικά, κανένας καθαρισμός δεν θα οδηγήσει σε μια κρούστα μαύρη επιφάνεια που συνήθως αναφέρεται ως "γλυκασμένη". Το αργό ποιότητας συγκόλλησης που παρέχεται σε κυλίνδρους είναι 99,996-99,997% καθαρό, ανάλογα με τον προμηθευτή, και περιέχει 5-7 ppm οξυγόνου και άλλων ακαθαρσιών, συμπεριλαμβανομένων H2O, O2, CO2, υδρογονανθράκων κ.λπ., για συνολικά 40 ppm ετησίως. μέγιστο. Το αργό υψηλής καθαρότητας σε έναν κύλινδρο ή το υγρό αργό σε ένα Dewar μπορεί να έχει καθαρότητα 99,999% ή συνολικές ακαθαρσίες 10 ppm, με μέγιστο 2 ppm οξυγόνου. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Μπορούν να χρησιμοποιηθούν καθαριστές αερίων όπως το Nanochem ή το Gatekeeper κατά τον καθαρισμό για τη μείωση των επιπέδων μόλυνσης στο εύρος των μερών ανά δισεκατομμύριο (ppb).
Μικτή σύνθεση. Μείγματα αερίων όπως 75% ήλιο/25% αργό και 95% αργό/5% υδρογόνο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προστατευτικά αέρια για ειδικές εφαρμογές. Τα δύο μείγματα παρήγαγαν θερμότερες συγκολλήσεις από εκείνες που έγιναν με τις ίδιες ρυθμίσεις προγράμματος με το αργό. Τα μείγματα ηλίου είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για μέγιστη διείσδυση με συγκόλληση σύντηξης σε ανθρακούχο χάλυβα. Ένας σύμβουλος της βιομηχανίας ημιαγωγών υποστηρίζει τη χρήση μειγμάτων αργού/υδρογόνου ως προστατευτικά αέρια για εφαρμογές UHP. Τα μείγματα υδρογόνου έχουν πολλά πλεονεκτήματα, αλλά και ορισμένα σοβαρά μειονεκτήματα. Το πλεονέκτημα είναι ότι παράγει μια πιο υγρή λακκούβα και μια πιο λεία επιφάνεια συγκόλλησης, η οποία είναι ιδανική για την εφαρμογή συστημάτων παροχής αερίου εξαιρετικά υψηλής πίεσης με όσο το δυνατόν πιο λεία εσωτερική επιφάνεια. Η παρουσία υδρογόνου παρέχει μια αναγωγική ατμόσφαιρα, επομένως εάν υπάρχουν ίχνη οξυγόνου στο μείγμα αερίου, η προκύπτουσα συγκόλληση θα φαίνεται πιο καθαρή με λιγότερο αποχρωματισμό από μια παρόμοια συγκέντρωση οξυγόνου σε καθαρό αργό. Αυτό το αποτέλεσμα είναι βέλτιστο σε περιεκτικότητα υδρογόνου περίπου 5%. Κάποιοι χρησιμοποιούν ένα μείγμα αργού/υδρογόνου 95/5% ως καθαριστικό ID για να βελτιώσουν την εμφάνιση της εσωτερικής χάντρας συγκόλλησης.
Η συγκολλητική ταινία που χρησιμοποιεί ένα μείγμα υδρογόνου ως αέριο θωράκισης είναι στενότερη, εκτός από το ότι ο ανοξείδωτος χάλυβας έχει πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σε θείο και παράγει περισσότερη θερμότητα στη συγκόλληση από την ίδια ρύθμιση ρεύματος με μη αναμεμειγμένο αργό. Ένα σημαντικό μειονέκτημα των μειγμάτων αργού/υδρογόνου είναι ότι το τόξο είναι πολύ λιγότερο σταθερό από το καθαρό αργό και υπάρχει η τάση το τόξο να μετατοπίζεται, αρκετά σοβαρή ώστε να προκαλέσει λανθασμένη σύντηξη. Η μετατόπιση του τόξου μπορεί να εξαφανιστεί όταν χρησιμοποιείται διαφορετική πηγή μικτού αερίου, γεγονός που υποδηλώνει ότι μπορεί να οφείλεται σε μόλυνση ή κακή ανάμειξη. Επειδή η θερμότητα που παράγεται από το τόξο ποικίλλει ανάλογα με τη συγκέντρωση υδρογόνου, μια σταθερή συγκέντρωση είναι απαραίτητη για την επίτευξη επαναλήψιμων συγκολλήσεων και υπάρχουν διαφορές στο προαναμεμειγμένο εμφιαλωμένο αέριο. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι η διάρκεια ζωής του βολφραμίου μειώνεται σημαντικά όταν χρησιμοποιείται ένα μείγμα υδρογόνου. Ενώ ο λόγος για την υποβάθμιση του βολφραμίου από το μικτό αέριο δεν έχει προσδιοριστεί, έχει αναφερθεί ότι το τόξο είναι πιο δύσκολο και το βολφράμιο μπορεί να χρειαστεί να αντικατασταθεί μετά από μία ή δύο συγκολλήσεις. Τα μείγματα αργού/υδρογόνου δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συγκόλληση ανθρακούχου χάλυβα ή τιτανίου.
Ένα διακριτικό χαρακτηριστικό της διαδικασίας TIG είναι ότι δεν καταναλώνει ηλεκτρόδια. Το βολφράμιο έχει το υψηλότερο σημείο τήξης από οποιοδήποτε μέταλλο (6098°F· 3370°C) και είναι ένας καλός εκπομπός ηλεκτρονίων, καθιστώντας το ιδιαίτερα κατάλληλο για χρήση ως μη αναλώσιμο ηλεκτρόδιο. Οι ιδιότητές του βελτιώνονται με την προσθήκη 2% ορισμένων οξειδίων σπάνιων γαιών όπως δημήτριο, οξείδιο του λανθανίου ή οξείδιο του θορίου για τη βελτίωση της εκκίνησης του τόξου και της σταθερότητας του τόξου. Το καθαρό βολφράμιο σπάνια χρησιμοποιείται σε GTAW λόγω των ανώτερων ιδιοτήτων του δημητρίου-βολφραμίου, ειδικά για εφαρμογές τροχιακής GTAW. Το θόριο-βολφράμιο χρησιμοποιείται λιγότερο από ό,τι στο παρελθόν επειδή είναι κάπως ραδιενεργό.
Τα ηλεκτρόδια με γυαλισμένο φινίρισμα έχουν πιο ομοιόμορφο μέγεθος. Μια λεία επιφάνεια είναι πάντα προτιμότερη από μια τραχιά ή ασυνεπή επιφάνεια, καθώς η συνέπεια στη γεωμετρία του ηλεκτροδίου είναι κρίσιμη για συνεπή, ομοιόμορφα αποτελέσματα συγκόλλησης. Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την άκρη (DCEN) μεταφέρουν θερμότητα από την άκρη του βολφραμίου στη συγκόλληση. Μια λεπτότερη άκρη επιτρέπει τη διατήρηση της πυκνότητας ρεύματος πολύ υψηλής, αλλά μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερη διάρκεια ζωής του βολφραμίου. Για την τροχιακή συγκόλληση, είναι σημαντικό να λειανθεί μηχανικά η άκρη του ηλεκτροδίου για να διασφαλιστεί η επαναληψιμότητα της γεωμετρίας του βολφραμίου και η επαναληψιμότητα της συγκόλλησης. Η αμβλεία άκρη ωθεί το τόξο από τη συγκόλληση στο ίδιο σημείο στο βολφράμιο. Η διάμετρος της άκρης ελέγχει το σχήμα του τόξου και την ποσότητα διείσδυσης σε ένα συγκεκριμένο ρεύμα. Η γωνία κωνικότητας επηρεάζει τα χαρακτηριστικά ρεύματος/τάσης του τόξου και πρέπει να καθορίζεται και να ελέγχεται. Το μήκος του βολφραμίου είναι σημαντικό επειδή ένα γνωστό μήκος βολφραμίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να οριστεί το διάκενο τόξου. Το διάκενο τόξου για μια συγκεκριμένη τιμή ρεύματος καθορίζει την τάση και, επομένως, την ισχύ που εφαρμόζεται στη συγκόλληση.
Το μέγεθος του ηλεκτροδίου και η διάμετρος της άκρης του επιλέγονται ανάλογα με την ένταση του ρεύματος συγκόλλησης. Εάν το ρεύμα είναι πολύ υψηλό για το ηλεκτρόδιο ή την άκρη του, μπορεί να χάσει μέταλλο από την άκρη και η χρήση ηλεκτροδίων με διάμετρο άκρης που είναι πολύ μεγάλη για το ρεύμα μπορεί να προκαλέσει μετατόπιση τόξου. Καθορίζουμε τις διαμέτρους των ηλεκτροδίων και των άκρων από το πάχος τοιχώματος της συγκόλλησης και χρησιμοποιούμε διάμετρο 0,0625 για σχεδόν όλα τα πάχη τοιχώματος έως 0,093″, εκτός εάν η χρήση έχει σχεδιαστεί για χρήση με ηλεκτρόδια διαμέτρου 0,040″ για τη συγκόλληση μικρών εξαρτημάτων ακριβείας. Για την επαναληψιμότητα της διαδικασίας συγκόλλησης, ο τύπος και το φινίρισμα του βολφραμίου, το μήκος, η γωνία κωνικότητας, η διάμετρος, η διάμετρος της άκρης και το διάκενο τόξου πρέπει να καθορίζονται και να ελέγχονται. Για εφαρμογές συγκόλλησης σωλήνων, συνιστάται πάντα το βολφράμιο δημητρίου, επειδή αυτός ο τύπος έχει πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από άλλους τύπους και έχει εξαιρετικά χαρακτηριστικά ανάφλεξης τόξου. Το βολφράμιο δημητρίου δεν είναι ραδιενεργό.
Για περισσότερες πληροφορίες, επικοινωνήστε με την Barbara Henon, Διευθύντρια Τεχνικών Εκδόσεων, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Τηλέφωνο: 818-896-9556. Φαξ: 818-890-3724.