Note de la rédaction : Pharmaceutical Online a le plaisir de présenter cet article en quatre parties sur le soudage orbital des tuyauteries de bioprocédés, rédigé par Barbara Henon, experte du secteur chez Arc Machines. Cet article est une adaptation de la présentation de Mme Henon lors de la conférence ASME de l’année dernière.
Prévenir la perte de résistance à la corrosion. L'eau de haute pureté, comme l'eau déminéralisée ou l'eau pour préparations injectables (WFI), est un agent corrosif très agressif pour l'acier inoxydable. De plus, l'eau pour préparations injectables de qualité pharmaceutique est soumise à des cycles de traitement à haute température (80 °C) afin de maintenir sa stérilité. Il existe une différence subtile entre abaisser la température suffisamment pour permettre la prolifération de micro-organismes nuisibles au produit et l'élever suffisamment pour favoriser la formation de dépôts bruns. Ces dépôts bruns, de composition variable, résultent de la corrosion des composants des systèmes de tuyauterie en acier inoxydable. Ils sont généralement composés principalement de saletés et d'oxydes de fer, mais peuvent également contenir diverses formes de fer, de chrome et de nickel. La présence de ces dépôts est fatale pour certains produits et peut entraîner une corrosion accrue, bien qu'elle semble relativement bénigne dans d'autres systèmes.
Le soudage peut nuire à la résistance à la corrosion. La coloration à chaud, due aux dépôts d'oxydants sur les soudures et les ZAT (zones affectées thermiquement) lors du soudage, est particulièrement néfaste et est associée à la formation de dépôts de chrome dans les systèmes d'eau pharmaceutique. La formation d'oxyde de chrome peut provoquer cette coloration, laissant une couche appauvrie en chrome et sensible à la corrosion. Le décapage et le meulage permettent d'éliminer cette coloration en retirant le métal de la surface, y compris la couche sous-jacente appauvrie en chrome, et en restaurant la résistance à la corrosion à des niveaux proches de ceux du métal de base. Cependant, le décapage et le meulage détériorent l'état de surface. La passivation du système de tuyauterie à l'aide d'acide nitrique ou d'agents chélateurs est effectuée pour pallier les effets néfastes du soudage et de la fabrication avant la mise en service du système. L'analyse par électrons Auger a montré que la passivation par chélation pouvait restaurer les modifications de la distribution de l'oxygène, du chrome, du fer, du nickel et du manganèse survenues dans la soudure et la zone affectée thermiquement, à leur état initial. Toutefois, la passivation n'affecte que la couche superficielle et ne pénètre pas dans la couche profonde. elles pénètrent à plus de 50 angströms, tandis que la coloration thermique peut s'étendre jusqu'à 1000 angströms ou plus sous la surface.
Par conséquent, pour installer des systèmes de tuyauterie résistants à la corrosion à proximité de substrats non soudés, il est important de limiter les dommages induits par le soudage et la fabrication à des niveaux pouvant être largement compensés par passivation. Ceci requiert l'utilisation d'un gaz de purge à faible teneur en oxygène et son acheminement jusqu'au diamètre intérieur du joint soudé sans contamination par l'oxygène atmosphérique ni l'humidité. Un contrôle précis de l'apport de chaleur et la prévention de la surchauffe pendant le soudage sont également essentiels pour maintenir la résistance à la corrosion. La maîtrise du processus de fabrication, permettant d'obtenir des soudures de haute qualité, reproductibles et homogènes, ainsi que la manipulation soigneuse des tubes et composants en acier inoxydable pendant la fabrication afin d'éviter toute contamination, sont des exigences fondamentales pour un système de tuyauterie de haute qualité, résistant à la corrosion et garantissant une longue durée de vie.
Les matériaux utilisés dans les systèmes de tuyauterie en acier inoxydable de haute pureté pour l'industrie biopharmaceutique ont évolué au cours de la dernière décennie afin d'améliorer leur résistance à la corrosion. Avant 1980, l'acier inoxydable le plus couramment utilisé était l'acier inoxydable 304, car il était relativement peu coûteux et représentait une amélioration par rapport au cuivre utilisé auparavant. En effet, les aciers inoxydables de la série 300 sont relativement faciles à usiner, peuvent être soudés par fusion sans perte significative de leur résistance à la corrosion et ne nécessitent pas de traitements thermiques particuliers, ni avant ni après soudage.
Récemment, l'utilisation de l'acier inoxydable 316 dans les applications de tuyauterie de haute pureté a connu une forte augmentation. Le type 316 présente une composition similaire au type 304, mais outre le chrome et le nickel, éléments d'alliage communs aux deux, le 316 contient environ 2 % de molybdène, ce qui améliore considérablement sa résistance à la corrosion. Les types 304L et 316L, appelés nuances « L », ont une teneur en carbone inférieure à celle des nuances standard (0,035 % contre 0,08 %). Cette réduction de la teneur en carbone vise à limiter la précipitation de carbures pouvant survenir lors du soudage. Il s'agit de la formation de carbure de chrome, qui appauvrit les joints de grains du métal de base en chrome, le rendant ainsi sensible à la corrosion. La formation de carbure de chrome, appelée « sensibilisation », dépend du temps et de la température et constitue un problème plus important lors du brasage manuel. Nous avons démontré que le soudage orbital de l'acier inoxydable super-austénitique AL-6XN offre Les soudures réalisées par soudage orbital offrent une meilleure résistance à la corrosion que les soudures manuelles. Ceci s'explique par le contrôle précis de l'intensité, de la pulsation et du temps, permettant un apport de chaleur plus faible et plus uniforme. Associé aux aciers de nuance « L » 304 et 316, le soudage orbital élimine quasiment la précipitation de carbures comme facteur de corrosion dans les systèmes de tuyauterie.
Variations d'une coulée à l'autre pour l'acier inoxydable. Bien que les paramètres de soudage et autres facteurs puissent être maintenus dans des tolérances relativement strictes, l'apport de chaleur nécessaire au soudage de l'acier inoxydable varie d'une coulée à l'autre. Un numéro de coulée correspond au numéro de lot attribué à une coulée d'acier inoxydable spécifique en usine. La composition chimique exacte de chaque lot est consignée dans le rapport d'essai en usine (REU), avec l'identification du lot ou le numéro de coulée. Le fer pur fond à 1 538 °C (2 800 °F), tandis que les métaux alliés fondent dans une plage de températures, en fonction du type et de la concentration de chaque élément d'alliage ou oligo-élément présent. Comme deux coulées d'acier inoxydable ne contiennent jamais exactement la même concentration de chaque élément, les caractéristiques de soudage varient d'un four à l'autre.
L'observation au MEB des soudures orbitales de tubes 316L sur un tube AOD (en haut) et un matériau EBR (en bas) a montré une différence significative dans la régularité du cordon de soudure.
Bien qu'une seule procédure de soudage puisse convenir à la plupart des pièces de diamètre extérieur et d'épaisseur de paroi similaires, certaines nécessitent une intensité de courant inférieure ou supérieure à la normale. C'est pourquoi le chauffage de différents matériaux sur le chantier doit être surveillé attentivement afin d'éviter tout problème potentiel. Souvent, une nouvelle pièce ne requiert qu'une légère modification de l'intensité pour obtenir une procédure de soudage satisfaisante.
Problème du soufre. Le soufre élémentaire est une impureté présente dans le minerai de fer, largement éliminée lors de l'élaboration de l'acier. Les aciers inoxydables AISI de type 304 et 316 sont spécifiés avec une teneur maximale en soufre de 0,030 %. Grâce au développement de procédés modernes d'affinage de l'acier, tels que la décarburation à l'argon-oxygène (AOD) et les techniques de fusion sous vide double, comme la fusion par induction sous vide suivie d'une refusion à l'arc sous vide (VIM+VAR), il est désormais possible de produire des aciers aux propriétés très particulières, notamment leur composition chimique. On a constaté que les propriétés du bain de fusion se modifient lorsque la teneur en soufre de l'acier est inférieure à environ 0,008 %. Ceci est dû à l'influence du soufre, et dans une moindre mesure d'autres éléments, sur le coefficient de température de la tension superficielle du bain de fusion, qui détermine les caractéristiques d'écoulement du bain liquide.
À de très faibles concentrations de soufre (0,001 % à 0,003 %), la pénétration du bain de fusion est beaucoup plus importante que pour des soudures similaires réalisées sur des matériaux à teneur moyenne en soufre. Les soudures réalisées sur des tubes en acier inoxydable à faible teneur en soufre présentent des cordons plus larges, tandis que sur des tubes à paroi épaisse (1,66 mm ou plus), on observe une plus grande tendance à la formation de soudures en retrait. Lorsque le courant de soudage est suffisant pour obtenir une soudure à pénétration complète, les matériaux à très faible teneur en soufre sont plus difficiles à souder, en particulier ceux à parois épaisses. Pour les aciers inoxydables 304 ou 316 à forte concentration en soufre, le cordon de soudure est généralement moins fluide et plus rugueux que celui obtenu avec des matériaux à teneur moyenne en soufre. Par conséquent, pour une bonne soudabilité, la teneur en soufre idéale se situe entre 0,005 % et 0,017 %, conformément à la norme ASTM A270 S2 relative aux tubes de qualité pharmaceutique.
Les fabricants de tubes en acier inoxydable électropoli ont constaté que même des teneurs modérées en soufre dans l'acier inoxydable 316 ou 316L rendent difficile la satisfaction des exigences de leurs clients des secteurs des semi-conducteurs et de la biopharmacie en matière de surfaces intérieures lisses et exemptes de piqûres. Le recours à la microscopie électronique à balayage pour vérifier la régularité de l'état de surface des tubes est de plus en plus fréquent. Il a été démontré que le soufre présent dans les métaux de base forme des inclusions non métalliques ou des « filaments » de sulfure de manganèse (MnS) qui sont éliminés lors de l'électropolissage et laissent des vides de l'ordre de 0,25 à 1,0 micron.
Les fabricants et fournisseurs de tubes électropolis orientent le marché vers l'utilisation de matériaux à très faible teneur en soufre afin de répondre à leurs exigences en matière de finition de surface. Cependant, le problème ne se limite pas aux tubes électropolis, car dans les tubes non électropolis, les inclusions sont éliminées lors de la passivation du système de tuyauterie. Il a été démontré que les cavités sont plus sujettes à la corrosion par piqûres que les surfaces lisses. Il existe donc des raisons valables justifiant la tendance vers des matériaux à faible teneur en soufre et plus « propres ».
Déviation de l'arc. Outre l'amélioration de la soudabilité de l'acier inoxydable, la présence de soufre améliore également son usinabilité. De ce fait, les fabricants ont tendance à privilégier les matériaux présentant les teneurs en soufre les plus élevées. Le soudage de tubes à très faible teneur en soufre à des raccords, vannes ou autres tubes à teneur plus élevée peut engendrer des problèmes de soudage, l'arc étant dévié vers le tube à faible teneur en soufre. En cas de déviation de l'arc, la pénétration est plus profonde du côté à faible teneur en soufre que du côté à forte teneur, contrairement au soudage de tubes présentant des concentrations en soufre similaires. Dans des cas extrêmes, le cordon de soudure peut traverser complètement le matériau à faible teneur en soufre et laisser l'intérieur de la soudure non fondu (Fihey et Simeneau, 1982). Afin d'harmoniser la teneur en soufre des raccords avec celle du tube, la division Carpenter Steel de Carpenter Technology Corporation (Pennsylvanie) a introduit des barres d'acier inoxydable 316 à faible teneur en soufre (0,005 % max.) (Type 316L-SCQ) (VIM+VAR) ) pour la fabrication de raccords et autres composants destinés à être soudés à des tuyaux à faible teneur en soufre. Le soudage de deux matériaux à très faible teneur en soufre entre eux est beaucoup plus facile que le soudage d'un matériau à très faible teneur en soufre à un matériau à teneur en soufre plus élevée.
Le passage à l'utilisation de tubes à faible teneur en soufre est principalement dû à la nécessité d'obtenir des surfaces internes lisses et électropolies. Si la finition de surface et l'électropolissage sont importants tant pour l'industrie des semi-conducteurs que pour l'industrie biotechnologique/pharmaceutique, SEMI, lors de la rédaction de la spécification pour l'industrie des semi-conducteurs, a spécifié que les tubes 316L pour les conduites de gaz de procédé doivent présenter une teneur en soufre de 0,004 % aux extrémités pour des performances optimales. L'ASTM, quant à elle, a modifié sa spécification ASTM 270 pour inclure les tubes de qualité pharmaceutique qui limitent la teneur en soufre à une plage de 0,005 à 0,017 %. Cela devrait entraîner moins de difficultés de soudage par rapport aux tubes à plus faible teneur en soufre. Cependant, il convient de noter que même dans cette plage limitée, une déviation de l'arc peut toujours se produire lors du soudage de tubes à faible teneur en soufre à des tubes ou raccords à haute teneur en soufre, et les installateurs doivent surveiller attentivement le chauffage du matériau et vérifier la compatibilité de la brasure avant la fabrication.
D'autres éléments traces, tels que le soufre, l'oxygène, l'aluminium, le silicium et le manganèse, ont une incidence sur la pénétration. Des traces d'aluminium, de silicium, de calcium, de titane et de chrome présentes dans le métal de base sous forme d'inclusions d'oxyde sont associées à la formation de scories lors du soudage.
Les effets des différents éléments sont cumulatifs ; la présence d’oxygène peut donc compenser en partie les effets d’une faible teneur en soufre. Une forte teneur en aluminium peut contrecarrer l’effet positif sur la pénétration du soufre. Le manganèse se volatilise à la température de soudage et se dépose dans la zone affectée thermiquement. Ces dépôts de manganèse sont associés à une perte de résistance à la corrosion (voir Cohen, 1997). L’industrie des semi-conducteurs expérimente actuellement des matériaux 316L à faible teneur en manganèse, voire à très faible teneur, afin de prévenir cette perte de résistance à la corrosion.
Formation de laitier. Des îlots de laitier apparaissent parfois sur le cordon de soudure en acier inoxydable lors de certaines coulées. Ce phénomène est intrinsèquement lié au matériau, mais des modifications des paramètres de soudage peuvent parfois le minimiser, ou des changements dans le mélange argon/hydrogène peuvent améliorer la soudure. Pollard a constaté que le rapport aluminium/silicium dans le métal de base influe sur la formation du laitier. Pour éviter la formation de laitier indésirable en plaques, il recommande de maintenir la teneur en aluminium à 0,010 % et la teneur en silicium à 0,5 %. Cependant, lorsque le rapport Al/Si est supérieur à ce niveau, un laitier sphérique peut se former au lieu de laitier en plaques. Ce type de laitier peut laisser des piqûres après électropolissage, ce qui est inacceptable pour les applications exigeant une haute pureté. Les îlots de laitier qui se forment sur le bord extérieur de la soudure peuvent entraîner une pénétration irrégulière de la passe intérieure et une pénétration insuffisante. Les îlots de laitier qui se forment sur le cordon de soudure intérieure peuvent être sensibles à la corrosion.
Soudage en une seule passe avec pulsation. Le soudage orbital automatique standard de tubes est un soudage en une seule passe avec courant pulsé et rotation continue à vitesse constante. Cette technique convient aux tubes d'un diamètre extérieur de 3,2 mm à environ 178 mm et d'une épaisseur de paroi inférieure ou égale à 2,1 mm. Après une purge préalable temporisée, l'arc électrique se forme. La pénétration de la paroi du tube est réalisée pendant un délai temporisé durant lequel l'arc électrique est présent mais la rotation est arrêtée. Après ce délai de rotation, l'électrode tourne autour du joint de soudure jusqu'à ce que la soudure rejoigne ou chevauche la partie initiale de la soudure lors de la dernière passe. Une fois la connexion terminée, le courant diminue progressivement de façon temporisée.
Mode de soudage par paliers (soudage « synchronisé »). Pour le soudage par fusion de matériaux à parois épaisses, généralement supérieures à 2,1 mm (0,083 pouce), la source d'alimentation peut être utilisée en mode synchrone ou par paliers. En mode synchrone ou par paliers, l'impulsion de courant de soudage est synchronisée avec la course du rotor : celui-ci est immobile pour une pénétration maximale lors des impulsions de courant élevées et se déplace lors des impulsions de courant faibles. Les techniques synchrones utilisent des temps d'impulsion plus longs, de l'ordre de 0,5 à 1,5 seconde, contre un dixième ou un centième de seconde pour le soudage conventionnel. Cette technique permet de souder efficacement des tubes à paroi mince de calibre 40 (0,154 pouce ou 6 pouces) d'épaisseur. La technique par paliers produit une soudure plus large, ce qui la rend tolérante aux défauts et utile pour souder des pièces irrégulières, telles que des raccords de tuyauterie, sur des tubes présentant des différences de tolérances dimensionnelles, un léger désalignement ou une incompatibilité thermique des matériaux. Ce type de soudage nécessite environ deux fois plus de temps d'arc que le soudage conventionnel. moins adapté aux applications ultra-haute pureté (UHP) en raison de la soudure plus large et plus rugueuse.
Variables programmables. La génération actuelle de postes de soudage est basée sur un microprocesseur et mémorise des programmes spécifiant les valeurs numériques des paramètres de soudage pour un diamètre extérieur (DE) et une épaisseur de paroi donnés du tube à souder. Ces paramètres incluent le temps de purge, le courant de soudage, la vitesse de déplacement (tr/min), le nombre de passes et le temps par passe, le temps d'impulsion, le temps de descente, etc. Pour le soudage orbital de tubes avec apport de fil, les paramètres du programme comprennent la vitesse d'alimentation du fil, l'amplitude d'oscillation de la torche et le temps de maintien, le contrôle de la tension d'arc (AVC) pour un écartement constant, et la pente ascendante. Pour effectuer le soudage par fusion, installez la tête de soudage avec l'électrode appropriée et les inserts de serrage sur le tube, puis sélectionnez le programme de soudage dans la mémoire du poste. La séquence de soudage est lancée par simple pression sur un bouton ou une touche du panneau à membrane et le soudage se poursuit automatiquement.
Variables non programmables. Pour obtenir une qualité de soudure constante et optimale, les paramètres de soudage doivent être rigoureusement contrôlés. Ceci est rendu possible grâce à la précision de la source d'alimentation et du programme de soudage, qui est un ensemble d'instructions saisies dans la source d'alimentation et comprenant les paramètres de soudage pour le soudage d'un tube ou d'une pièce de diamètre spécifique. Il est également indispensable de disposer de normes de soudage efficaces, spécifiant les critères d'acceptation des soudures, ainsi que d'un système d'inspection et de contrôle qualité pour garantir la conformité des soudures aux normes convenues. Par ailleurs, certains facteurs et procédures, autres que les paramètres de soudage, doivent également être contrôlés avec soin. Il s'agit notamment de l'utilisation d'équipements de préparation des extrémités performants, de bonnes pratiques de nettoyage et de manipulation, de tolérances dimensionnelles précises pour les tubes ou autres pièces à souder, d'un type et d'une taille d'électrode de tungstène constants, de gaz inertes hautement purifiés et d'une attention particulière aux variations de matériaux. - Haute température.
Les exigences de préparation pour le soudage des extrémités de tubes sont plus critiques pour le soudage orbital que pour le soudage manuel. Les joints soudés pour le soudage orbital de tubes sont généralement des joints bout à bout à angle droit. Pour obtenir la répétabilité souhaitée en soudage orbital, une préparation précise et uniforme des extrémités par usinage est indispensable. Le courant de soudage dépendant de l'épaisseur de paroi, les extrémités doivent être parfaitement à angle droit, sans bavures ni chanfreins sur les faces extérieure et intérieure, afin d'éviter des épaisseurs de paroi différentes.
Les extrémités des tubes doivent s'emboîter parfaitement dans la tête de soudage afin d'éviter tout jeu perceptible entre les extrémités du joint bout à bout carré. Bien que des joints soudés avec de petits jeux soient possibles, la qualité de la soudure risque d'en être affectée. Plus le jeu est important, plus le risque de problème est élevé. Un mauvais assemblage peut entraîner une défaillance complète de la brasure. Les scies à tubes, notamment celles de George Fischer, qui coupent et dressent les extrémités des tubes en une seule opération, ou les tours de préparation d'extrémités portables, comme ceux fabriqués par Protem, Wachs, etc., sont souvent utilisés pour réaliser des soudures orbitales d'extrémité lisses, adaptées à l'usinage. Les scies à onglet, les scies à métaux, les scies à ruban et les coupe-tubes ne conviennent pas à cet usage.
Outre les paramètres de soudage qui fournissent l'énergie nécessaire, d'autres variables peuvent avoir une incidence importante sur le soudage, sans toutefois faire partie de la procédure de soudage proprement dite. Il s'agit notamment du type et de la taille de l'électrode de tungstène, du type et de la pureté du gaz utilisé pour la protection de l'arc et la purge de l'intérieur du joint soudé, du débit de gaz de purge, du type de tête et de source d'énergie utilisés, de la configuration du joint et de toute autre information pertinente. Ces variables, dites « non programmables », sont consignées dans le programme de soudage. Par exemple, le type de gaz est considéré comme une variable essentielle dans le descriptif de mode opératoire de soudage (DMOS) pour que les procédures de soudage soient conformes à la section IX du code ASME relatif aux chaudières et appareils à pression. Toute modification du type de gaz ou des proportions du mélange gazeux, ou la suppression de la purge interne, nécessite une revalidation de la procédure de soudage.
Gaz de soudage. L'acier inoxydable résiste à l'oxydation par l'oxygène atmosphérique à température ambiante. Chauffé à son point de fusion (1530 °C ou 2800 °F pour le fer pur), il s'oxyde facilement. L'argon inerte est couramment utilisé comme gaz de protection et pour la purge des joints soudés internes lors du procédé GTAW orbital. La pureté du gaz par rapport à l'oxygène et à l'humidité détermine l'importance de la décoloration due à l'oxydation qui se produit sur ou près de la soudure après soudage. Si le gaz de purge n'est pas de la plus haute qualité ou si le système de purge n'est pas parfaitement étanche (une petite quantité d'air s'y infiltre), l'oxydation peut être bleu clair ou turquoise. Bien entendu, aucun nettoyage ne permettra d'obtenir la surface noire et croûteuse communément appelée « sucrée ». L'argon de soudage fourni en bouteilles a une pureté de 99,996 à 99,997 %, selon le fournisseur, et contient de 5 à 7 ppm d'oxygène et d'autres impuretés, notamment H₂O, O₂, CO₂, etc. Les hydrocarbures, etc., ne doivent pas dépasser 40 ppm au total. L'argon de haute pureté en bouteille ou l'argon liquide dans un vase Dewar peut présenter une pureté de 99,999 % ou une teneur totale en impuretés de 10 ppm, avec un maximum de 2 ppm d'oxygène. REMARQUE : Des purificateurs de gaz tels que Nanochem ou Gatekeeper peuvent être utilisés lors de la purge pour réduire les niveaux de contamination à des concentrations de l'ordre du ppb (parties par milliard).
Composition mixte. Des mélanges gazeux tels que 75 % d'hélium/25 % d'argon et 95 % d'argon/5 % d'hydrogène peuvent être utilisés comme gaz de protection pour des applications spécifiques. Ces deux mélanges produisent des soudures plus chaudes que celles réalisées avec l'argon pur, dans les mêmes conditions de soudage. Les mélanges à base d'hélium sont particulièrement adaptés à une pénétration maximale par soudage par fusion sur acier au carbone. Un consultant de l'industrie des semi-conducteurs préconise l'utilisation de mélanges argon/hydrogène comme gaz de protection pour les applications UHP. Les mélanges à base d'hydrogène présentent plusieurs avantages, mais aussi des inconvénients majeurs. L'avantage principal réside dans la production d'un bain de fusion plus humide et d'une surface de soudure plus lisse, ce qui est idéal pour la mise en œuvre de systèmes d'alimentation en gaz à ultra-haute pression avec une surface interne aussi lisse que possible. La présence d'hydrogène crée une atmosphère réductrice ; ainsi, si des traces d'oxygène sont présentes dans le mélange gazeux, la soudure obtenue sera plus propre et moins décolorée qu'avec une concentration d'oxygène similaire dans l'argon pur. Cet effet est optimal pour une teneur en hydrogène d'environ 5 %. Certains utilisent un mélange 95/5 % argon/hydrogène comme purge interne. améliorer l'aspect du cordon de soudure interne.
Le cordon de soudure obtenu avec un mélange d'hydrogène comme gaz de protection est plus étroit, sauf que l'acier inoxydable, à très faible teneur en soufre, génère davantage de chaleur lors de la soudure qu'avec de l'argon pur, à courant égal. Un inconvénient majeur des mélanges argon/hydrogène est la stabilité de l'arc, bien moindre qu'avec de l'argon pur, et sa tendance à dériver, pouvant entraîner des défauts de fusion. Cette dérive peut disparaître avec un autre mélange gazeux, suggérant une contamination ou un mélange insuffisant. La chaleur générée par l'arc variant avec la concentration en hydrogène, une concentration constante est essentielle pour des soudures reproductibles, et les gaz prémélangés en bouteille présentent des différences. Autre inconvénient : la durée de vie du tungstène est fortement réduite avec un mélange d'hydrogène. Si la cause de cette détérioration reste inconnue, il semblerait que l'arc soit plus difficile à amorcer et que le tungstène doive être remplacé après une ou deux soudures. Les mélanges argon/hydrogène ne peuvent pas être utilisés dans des conditions extrêmes. utilisé pour souder l'acier au carbone ou le titane.
L'une des caractéristiques distinctives du procédé TIG est qu'il ne consomme pas d'électrodes. Le tungstène possède le point de fusion le plus élevé de tous les métaux (3 370 °C) et est un excellent émetteur d'électrons, ce qui le rend particulièrement adapté à une utilisation comme électrode non consommable. Ses propriétés sont améliorées par l'ajout de 2 % de certains oxydes de terres rares, tels que l'oxyde de cérium, l'oxyde de lanthane ou l'oxyde de thorium, afin d'améliorer l'amorçage et la stabilité de l'arc. Le tungstène pur est rarement utilisé en soudage TIG en raison des propriétés supérieures du tungstène-cérium, notamment pour les applications de soudage TIG orbital. Le tungstène-thorium est moins utilisé qu'auparavant en raison de sa légère radioactivité.
Les électrodes polies présentent une taille plus uniforme. Une surface lisse est toujours préférable à une surface rugueuse ou irrégulière, car la régularité de la géométrie de l'électrode est essentielle pour des résultats de soudage uniformes et constants. Les électrons émis par la pointe (courant continu) transfèrent la chaleur de l'électrode de tungstène à la soudure. Une pointe plus fine permet de maintenir une densité de courant très élevée, mais peut réduire la durée de vie de l'électrode. Pour le soudage orbital, il est important d'affûter mécaniquement la pointe de l'électrode afin de garantir la répétabilité de la géométrie du tungstène et, par conséquent, la répétabilité de la soudure. La pointe émoussée force l'arc électrique de la soudure vers un point précis sur l'électrode de tungstène. Le diamètre de la pointe détermine la forme de l'arc et la profondeur de pénétration pour un courant donné. L'angle de conicité influe sur les caractéristiques courant/tension de l'arc et doit être spécifié et contrôlé. La longueur de l'électrode de tungstène est importante car une longueur connue permet de régler l'écartement de l'arc. L'écartement de l'arc, pour une valeur de courant donnée, détermine la tension et donc la puissance appliquée à la soudure.
Le diamètre de l'électrode et de sa pointe est choisi en fonction de l'intensité du courant de soudage. Un courant trop élevé pour l'électrode ou sa pointe peut entraîner une perte de métal, tandis qu'une pointe trop large peut provoquer une dérive de l'arc. Le diamètre de l'électrode et de sa pointe est déterminé par l'épaisseur de paroi du joint soudé. Un diamètre de 1,59 mm (0,0625 pouce) est généralement utilisé jusqu'à 2,36 mm (0,093 pouce), sauf pour le soudage de petites pièces de précision nécessitant des électrodes de 1,01 mm (0,040 pouce). Pour garantir la répétabilité du soudage, le type et la finition du tungstène, sa longueur, son angle de conicité, son diamètre, le diamètre de sa pointe et l'écartement de l'arc doivent être spécifiés et contrôlés. Pour le soudage de tubes, le tungstène-cérium est recommandé en raison de sa durée de vie supérieure et de ses excellentes caractéristiques d'amorçage. Le tungstène-cérium est non radioactif.
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