Nota del redattore: Pharmaceutical Online è lieta di presentare questo articolo in quattro parti sulla saldatura orbitale delle tubazioni per bioprocessi, a cura dell'esperta del settore Barbara Henon di Arc Machines. Questo articolo è un adattamento della presentazione della Dott.ssa Henon alla conferenza ASME di fine anno scorso.
Prevenire la perdita di resistenza alla corrosione. L'acqua ad elevata purezza, come l'acqua deionizzata (DI) o l'acqua per preparazioni iniettabili (WFI), è un agente corrosivo molto aggressivo per l'acciaio inossidabile. Inoltre, l'acqua per preparazioni iniettabili di grado farmaceutico viene sottoposta a cicli ad alta temperatura (80 °C) per mantenerne la sterilità. Esiste una sottile differenza tra abbassare la temperatura a sufficienza per favorire la proliferazione di organismi viventi letali per il prodotto e alzarla a sufficienza per promuovere la formazione di "rouge". Il rouge è una pellicola marrone di composizione variabile causata dalla corrosione dei componenti in acciaio inossidabile delle tubazioni. Sporco e ossidi di ferro possono essere i componenti principali, ma possono essere presenti anche varie forme di ferro, cromo e nichel. La presenza di rouge è letale per alcuni prodotti e può portare a ulteriore corrosione, sebbene in altri sistemi sembri essere piuttosto innocua.
La saldatura può influire negativamente sulla resistenza alla corrosione. La colorazione a caldo è il risultato del materiale ossidante depositato sulle saldature e sulle zone termicamente alterate (ZTA) durante la saldatura, è particolarmente dannosa ed è associata alla formazione di rosso nei sistemi di acqua farmaceutica. La formazione di ossido di cromo può causare una tinta a caldo, lasciando dietro di sé uno strato impoverito di cromo suscettibile alla corrosione. La colorazione a caldo può essere rimossa mediante decapaggio e molatura, rimuovendo il metallo dalla superficie, incluso lo strato sottostante impoverito di cromo, e ripristinando la resistenza alla corrosione a livelli vicini a quelli del metallo base. Tuttavia, il decapaggio e la molatura sono dannosi per la finitura superficiale. La passivazione del sistema di tubazioni con acido nitrico o formulazioni di agenti chelanti viene eseguita per superare gli effetti negativi della saldatura e della fabbricazione prima che il sistema di tubazioni venga messo in servizio. L'analisi con elettroni Auger ha mostrato che la passivazione per chelazione potrebbe ripristinare le modifiche superficiali nella distribuzione di ossigeno, cromo, ferro, nichel e manganese che si sono verificate nella saldatura e nella zona termicamente alterata allo stato pre-saldatura. Tuttavia, La passivazione interessa solo lo strato superficiale esterno e non penetra al di sotto dei 50 angstrom, mentre la colorazione termica può estendersi fino a 1000 angstrom o più al di sotto della superficie.
Pertanto, per installare sistemi di tubazioni resistenti alla corrosione in prossimità di substrati non saldati, è importante cercare di limitare i danni indotti dalla saldatura e dalla fabbricazione a livelli che possano essere sostanzialmente recuperati mediante passivazione. Ciò richiede l'utilizzo di un gas di spurgo con un contenuto minimo di ossigeno e la sua erogazione sul diametro interno del giunto saldato senza contaminazione da ossigeno atmosferico o umidità. Anche un controllo accurato dell'apporto termico e la prevenzione del surriscaldamento durante la saldatura sono importanti per evitare la perdita di resistenza alla corrosione. Il controllo del processo produttivo per ottenere saldature ripetibili e di alta qualità, nonché la manipolazione accurata di tubi e componenti in acciaio inossidabile durante la produzione per prevenire la contaminazione, sono requisiti essenziali per un sistema di tubazioni di alta qualità che resista alla corrosione e garantisca un servizio produttivo a lungo termine.
Negli ultimi dieci anni, i materiali utilizzati nei sistemi di tubazioni in acciaio inossidabile ad alta purezza per l'industria biofarmaceutica hanno subito un'evoluzione verso una maggiore resistenza alla corrosione. Prima del 1980, la maggior parte dell'acciaio inossidabile utilizzato era l'acciaio inossidabile 304, in quanto relativamente economico e superiore al rame impiegato in precedenza. Gli acciai inossidabili della serie 300, infatti, sono relativamente facili da lavorare, possono essere saldati per fusione senza un'eccessiva perdita di resistenza alla corrosione e non richiedono trattamenti termici di preriscaldamento o post-saldatura specifici.
Recentemente, l'uso dell'acciaio inossidabile 316 nelle applicazioni di tubazioni ad alta purezza è in aumento. Il tipo 316 è simile nella composizione al tipo 304, ma oltre agli elementi di lega cromo e nichel comuni a entrambi, il 316 contiene circa il 2% di molibdeno, che migliora significativamente la resistenza alla corrosione del 316. I tipi 304L e 316L, denominati gradi "L", hanno un contenuto di carbonio inferiore rispetto ai gradi standard (0,035% contro 0,08%). Questa riduzione del contenuto di carbonio ha lo scopo di ridurre la quantità di precipitazione di carburi che può verificarsi a causa della saldatura. Si tratta della formazione di carburo di cromo, che impoverisce i bordi dei grani del metallo base di cromo, rendendolo suscettibile alla corrosione. La formazione di carburo di cromo, chiamata "sensibilizzazione", dipende dal tempo e dalla temperatura ed è un problema maggiore quando si salda a mano. Abbiamo dimostrato che la saldatura orbitale dell'acciaio inossidabile super-austenitico L'AL-6XN offre saldature più resistenti alla corrosione rispetto a saldature simili eseguite manualmente. Questo perché la saldatura orbitale consente un controllo preciso di amperaggio, pulsazione e temporizzazione, con conseguente apporto termico inferiore e più uniforme rispetto alla saldatura manuale. La saldatura orbitale, in combinazione con le leghe "L" 304 e 316, elimina virtualmente la precipitazione di carburi come fattore che contribuisce allo sviluppo della corrosione nei sistemi di tubazioni.
Variazioni di temperatura da una colata all'altra dell'acciaio inossidabile. Sebbene i parametri di saldatura e altri fattori possano essere mantenuti entro tolleranze piuttosto ristrette, esistono comunque differenze nell'apporto termico necessario per saldare l'acciaio inossidabile da una colata all'altra. Il numero di colata è il numero di lotto assegnato a una specifica fusione di acciaio inossidabile in fabbrica. L'esatta composizione chimica di ogni lotto è registrata nel Rapporto di Prova di Fabbrica (MTR) insieme all'identificazione del lotto o al numero di colata. Il ferro puro fonde a 1538 °C (2800 °F), mentre i metalli legati fondono in un intervallo di temperature, a seconda del tipo e della concentrazione di ciascun elemento di lega o oligoelemento presente. Poiché non esistono due colate di acciaio inossidabile conterranno esattamente la stessa concentrazione di ciascun elemento, le caratteristiche di saldatura varieranno da forno a forno.
Le immagini SEM delle saldature orbitali di tubi in acciaio inox 316L su tubi AOD (in alto) e su materiale EBR (in basso) hanno mostrato una differenza significativa nella levigatezza del cordone di saldatura.
Sebbene una singola procedura di saldatura possa funzionare per la maggior parte delle colate con diametro esterno e spessore di parete simili, alcune colate richiedono un amperaggio inferiore e altre un amperaggio superiore a quello tipico. Per questo motivo, il riscaldamento di materiali diversi in cantiere deve essere attentamente monitorato per evitare potenziali problemi. Spesso, una nuova colata richiede solo una piccola variazione di amperaggio per ottenere una procedura di saldatura soddisfacente.
Problema dello zolfo. Lo zolfo elementare è un'impurità legata al minerale di ferro che viene in gran parte rimossa durante il processo di produzione dell'acciaio. Gli acciai inossidabili AISI Tipo 304 e 316 sono specificati con un contenuto massimo di zolfo dello 0,030%. Con lo sviluppo di moderni processi di raffinazione dell'acciaio, come la decarburazione con argon e ossigeno (AOD) e le pratiche di fusione sottovuoto duale come la fusione a induzione sottovuoto seguita da rifusione ad arco sottovuoto (VIM+VAR), è diventato possibile produrre acciai molto speciali per quanto riguarda la loro composizione chimica. È stato osservato che le proprietà del bagno di saldatura cambiano quando il contenuto di zolfo dell'acciaio è inferiore a circa lo 0,008%. Ciò è dovuto all'effetto dello zolfo e, in misura minore, di altri elementi sul coefficiente di temperatura della tensione superficiale del bagno di saldatura, che determina le caratteristiche di flusso del bagno liquido.
A concentrazioni di zolfo molto basse (0,001% – 0,003%), la penetrazione del bagno di saldatura diventa molto ampia rispetto a saldature simili eseguite su materiali con contenuto di zolfo medio. Le saldature eseguite su tubi in acciaio inossidabile a basso contenuto di zolfo avranno saldature più ampie, mentre su tubi a parete più spessa (0,065 pollici, ovvero 1,66 mm o più) ci sarà una maggiore tendenza a eseguire saldature a incavo. Quando la corrente di saldatura è sufficiente a produrre una saldatura completamente penetrante. Ciò rende più difficile la saldatura di materiali con un contenuto di zolfo molto basso, soprattutto con pareti più spesse. All'estremità superiore della concentrazione di zolfo nell'acciaio inossidabile 304 o 316, il cordone di saldatura tende ad avere un aspetto meno fluido e più ruvido rispetto ai materiali a medio contenuto di zolfo. Pertanto, per la saldabilità, il contenuto di zolfo ideale sarebbe compreso tra circa lo 0,005% e lo 0,017%, come specificato nella norma ASTM A270 S2 per tubi di qualità farmaceutica.
I produttori di tubi in acciaio inossidabile elettrolucidato hanno notato che anche livelli moderati di zolfo nell'acciaio inossidabile 316 o 316L rendono difficile soddisfare le esigenze dei loro clienti del settore dei semiconduttori e biofarmaceutico, che richiedono superfici interne lisce e prive di imperfezioni. L'uso della microscopia elettronica a scansione per verificare la levigatezza della finitura superficiale dei tubi è sempre più diffuso. È stato dimostrato che lo zolfo nei metalli di base forma inclusioni non metalliche o "filamenti" di solfuro di manganese (MnS) che vengono rimossi durante l'elettrolucidatura e lasciano vuoti nell'intervallo 0,25-1,0 micron.
I produttori e i fornitori di tubi elettrolucidati stanno spingendo il mercato verso l'utilizzo di materiali a bassissimo contenuto di zolfo per soddisfare i requisiti di finitura superficiale. Tuttavia, il problema non si limita ai tubi elettrolucidati, poiché nei tubi non elettrolucidati le inclusioni vengono rimosse durante la passivazione del sistema di tubazioni. È stato dimostrato che le cavità sono più soggette a vaiolatura rispetto alle superfici lisce. Pertanto, esistono valide ragioni per la tendenza verso materiali a basso contenuto di zolfo e "più puliti".
Deflessione dell'arco. Oltre a migliorare la saldabilità dell'acciaio inossidabile, la presenza di un po' di zolfo migliora anche la lavorabilità. Di conseguenza, i produttori tendono a scegliere materiali all'estremità superiore dell'intervallo di contenuto di zolfo specificato. La saldatura di tubi con concentrazioni di zolfo molto basse a raccordi, valvole o altri tubi con un contenuto di zolfo più elevato può creare problemi di saldatura perché l'arco sarà spostato verso il tubo con basso contenuto di zolfo. Quando si verifica la deflessione dell'arco, la penetrazione diventa più profonda sul lato a basso contenuto di zolfo rispetto al lato ad alto contenuto di zolfo, che è l'opposto di ciò che accade quando si saldano tubi con concentrazioni di zolfo corrispondenti. In casi estremi, il cordone di saldatura può penetrare completamente il materiale a basso contenuto di zolfo e lasciare l'interno della saldatura completamente non fuso (Fihey e Simeneau, 1982). Al fine di abbinare il contenuto di zolfo dei raccordi al contenuto di zolfo del tubo, la Carpenter Steel Division della Carpenter Technology Corporation della Pennsylvania ha introdotto una barra di acciaio 316 a basso contenuto di zolfo (0,005% max) (Tipo 316L-SCQ) (VIM+VAR) ) per la fabbricazione di raccordi e altri componenti destinati ad essere saldati a tubi a basso tenore di zolfo. Saldare due materiali a bassissimo tenore di zolfo tra loro è molto più facile che saldare un materiale a bassissimo tenore di zolfo a uno ad alto tenore di zolfo.
Il passaggio all'uso di tubi a basso contenuto di zolfo è dovuto in gran parte alla necessità di ottenere superfici interne lisce e lucidate elettroliticamente. Sebbene la finitura superficiale e la lucidatura elettrolitica siano importanti sia per l'industria dei semiconduttori che per l'industria biotecnologica/farmaceutica, SEMI, nella stesura delle specifiche per l'industria dei semiconduttori, ha specificato che i tubi in acciaio inox 316L per le linee di gas di processo devono avere un limite di zolfo dello 0,004% per prestazioni ottimali. L'ASTM, d'altra parte, ha modificato la sua specifica ASTM 270 per includere tubi di grado farmaceutico che limitano il contenuto di zolfo a un intervallo compreso tra lo 0,005 e lo 0,017%. Ciò dovrebbe comportare minori difficoltà di saldatura rispetto a livelli di zolfo inferiori. Tuttavia, va notato che anche all'interno di questo intervallo limitato, la deflessione dell'arco può ancora verificarsi quando si saldano tubi a basso contenuto di zolfo a tubi o raccordi ad alto contenuto di zolfo, e gli installatori dovrebbero monitorare attentamente il riscaldamento del materiale e verificare prima della fabbricazione la compatibilità della saldatura tra il riscaldamento e la produzione delle saldature.
Altri oligoelementi. È stato riscontrato che oligoelementi come zolfo, ossigeno, alluminio, silicio e manganese influenzano la penetrazione. Tracce di alluminio, silicio, calcio, titanio e cromo presenti nel metallo base sotto forma di inclusioni di ossido sono associate alla formazione di scorie durante la saldatura.
Gli effetti dei vari elementi sono cumulativi, quindi la presenza di ossigeno può compensare in parte gli effetti del basso contenuto di zolfo. Alti livelli di alluminio possono contrastare l'effetto positivo sulla penetrazione dello zolfo. Il manganese volatilizza alla temperatura di saldatura e si deposita nella zona termicamente alterata della saldatura. Questi depositi di manganese sono associati alla perdita di resistenza alla corrosione (vedere Cohen, 1997). L'industria dei semiconduttori sta attualmente sperimentando materiali 316L a basso contenuto di manganese e persino a bassissimo contenuto di manganese per prevenire questa perdita di resistenza alla corrosione.
Formazione di scorie. Occasionalmente, durante alcune colate, compaiono isole di scoria sul cordone di acciaio inossidabile. Questo è intrinsecamente un problema del materiale, ma a volte le modifiche ai parametri di saldatura possono minimizzarlo, oppure le modifiche alla miscela argon/idrogeno possono migliorare la saldatura. Pollard ha scoperto che il rapporto tra alluminio e silicio nel metallo base influisce sulla formazione di scorie. Per prevenire la formazione di scorie indesiderate a forma di placca, raccomanda di mantenere il contenuto di alluminio allo 0,010% e il contenuto di silicio allo 0,5%. Tuttavia, quando il rapporto Al/Si è superiore a questo livello, possono formarsi scorie sferiche anziché a placca. Questo tipo di scoria può lasciare delle cavità dopo l'elettrolucidatura, il che è inaccettabile per applicazioni ad alta purezza. Le isole di scoria che si formano sulla superficie esterna della saldatura possono causare una penetrazione non uniforme del cordone interno e possono risultare in una penetrazione insufficiente. Le isole di scoria che si formano sul cordone di saldatura interno possono essere soggette a corrosione.
Saldatura a passaggio singolo con pulsazione. La saldatura orbitale automatica standard di tubi è una saldatura a passaggio singolo con corrente pulsata e rotazione continua a velocità costante. Questa tecnica è adatta per tubi con diametri esterni da 1/8" a circa 7" e spessori di parete pari o inferiori a 0,083". Dopo una pre-purga temporizzata, si verifica l'arco. La penetrazione della parete del tubo avviene durante un ritardo temporizzato in cui è presente l'arco ma non si verifica alcuna rotazione. Dopo questo ritardo di rotazione, l'elettrodo ruota attorno al giunto di saldatura fino a quando la saldatura non si unisce o si sovrappone alla porzione iniziale della saldatura durante l'ultimo strato di saldatura. Quando la connessione è completa, la corrente diminuisce gradualmente con un calo temporizzato.
Modalità a passi (saldatura "sincronizzata"). Per la saldatura a fusione di materiali con pareti più spesse, in genere superiori a 0,083 pollici, la sorgente di alimentazione per la saldatura a fusione può essere utilizzata in modalità sincrona o a passi. In modalità sincrona o a passi, l'impulso di corrente di saldatura è sincronizzato con la corsa, in modo che il rotore sia stazionario per la massima penetrazione durante gli impulsi di corrente elevata e si muova durante gli impulsi di corrente bassa. Le tecniche sincrone utilizzano tempi di impulso più lunghi, dell'ordine di 0,5-1,5 secondi, rispetto al tempo di impulso di un decimo o centesimo di secondo per la saldatura convenzionale. Questa tecnica può saldare efficacemente tubi a parete sottile di calibro 40 con spessore di 0,154" o 6". La tecnica a passi produce una saldatura più ampia, rendendola tollerante ai difetti e utile per saldare parti irregolari come raccordi per tubi a tubi in cui potrebbero esserci differenze nelle tolleranze dimensionali, alcuni disallineamenti o incompatibilità termica del materiale. Questo tipo di saldatura richiede circa il doppio del tempo di arco della saldatura convenzionale e è meno adatto per applicazioni ad altissima purezza (UHP) a causa della giunzione più ampia e ruvida.
Variabili programmabili. L'attuale generazione di generatori di corrente per saldatura è basata su microprocessore e memorizza programmi che specificano valori numerici per i parametri di saldatura per un diametro esterno (DE) e uno spessore di parete specifici del tubo da saldare, inclusi tempo di spurgo, corrente di saldatura, velocità di avanzamento (RPM), numero di strati e tempo per strato, tempo di impulso, tempo di discesa, ecc. Per le saldature orbitali di tubi con aggiunta di filo d'apporto, i parametri del programma includeranno velocità di avanzamento del filo, ampiezza di oscillazione della torcia e tempo di permanenza, AVC (controllo della tensione d'arco per fornire un gap d'arco costante) e salita. Per eseguire la saldatura a fusione, installare la testa di saldatura con l'elettrodo appropriato e gli inserti di serraggio per tubi sul tubo e richiamare la sequenza di saldatura o il programma dalla memoria del generatore di corrente. La sequenza di saldatura viene avviata premendo un pulsante o un tasto del pannello a membrana e la saldatura continua senza l'intervento dell'operatore.
Variabili non programmabili. Per ottenere una qualità di saldatura costantemente buona, i parametri di saldatura devono essere controllati con precisione. Ciò si ottiene attraverso la precisione della sorgente di alimentazione della saldatura e del programma di saldatura, che è un insieme di istruzioni inserite nella sorgente di alimentazione, costituito da parametri di saldatura, per la saldatura di tubi di una dimensione specifica. Deve inoltre esistere un insieme efficace di standard di saldatura, che specifichino i criteri di accettazione della saldatura e un sistema di ispezione e controllo qualità della saldatura per garantire che la saldatura soddisfi gli standard concordati. Tuttavia, anche alcuni fattori e procedure oltre ai parametri di saldatura devono essere controllati con precisione. Questi fattori includono l'uso di buone attrezzature per la preparazione delle estremità, buone pratiche di pulizia e manipolazione, buone tolleranze dimensionali dei tubi o di altre parti da saldare, tipo e dimensione di tungsteno costanti, gas inerti altamente purificati e un'attenta considerazione delle variazioni del materiale. - alta temperatura.
I requisiti di preparazione per la saldatura delle estremità dei tubi sono più critici per la saldatura orbitale rispetto alla saldatura manuale. I giunti saldati per la saldatura orbitale dei tubi sono solitamente giunti di testa quadrati. Per ottenere la ripetibilità desiderata nella saldatura orbitale, è necessaria una preparazione precisa, uniforme e meccanica delle estremità. Poiché la corrente di saldatura dipende dallo spessore della parete, le estremità devono essere perpendicolari, senza bave o smussi sul diametro esterno o interno, che potrebbero causare spessori di parete diversi.
Le estremità dei tubi devono combaciare perfettamente nella testa di saldatura, in modo che non vi sia alcuno spazio visibile tra le estremità del giunto a testa quadrata. Sebbene sia possibile realizzare giunti saldati con piccoli spazi, la qualità della saldatura potrebbe risentirne negativamente. Maggiore è lo spazio, maggiore è la probabilità di un problema. Un assemblaggio scadente può causare un completo fallimento della saldatura. Seghe per tubi prodotte da George Fischer e altri, che tagliano il tubo e spianano le estremità nella stessa operazione, o torni portatili per la preparazione delle estremità come quelli prodotti da Protem, Wachs e altri, vengono spesso utilizzati per realizzare saldature orbitali con estremità lisce, adatte alla lavorazione meccanica. Troncatrici, seghetti, seghe a nastro e tagliatubi non sono adatti a questo scopo.
Oltre ai parametri di saldatura che forniscono la potenza necessaria per saldare, esistono altre variabili che possono influenzare profondamente il processo, pur non facendo parte della procedura di saldatura vera e propria. Queste includono il tipo e le dimensioni dell'elettrodo di tungsteno, il tipo e la purezza del gas utilizzato per proteggere l'arco e spurgare l'interno del giunto di saldatura, la portata del gas utilizzato per lo spurgo, il tipo di testa e di alimentatore utilizzati, la configurazione del giunto e qualsiasi altra informazione pertinente. Queste variabili vengono definite "non programmabili" e registrate nel programma di saldatura. Ad esempio, il tipo di gas è considerato una variabile essenziale nella specifica della procedura di saldatura (WPS) per le procedure di saldatura conformi alla norma ASME Sezione IX per caldaie e recipienti a pressione. Modifiche al tipo di gas o alle percentuali della miscela di gas, o l'eliminazione dello spurgo interno, richiedono una nuova validazione della procedura di saldatura.
Gas di saldatura. L'acciaio inossidabile è resistente all'ossidazione da ossigeno atmosferico a temperatura ambiente. Quando viene riscaldato al suo punto di fusione (1530 °C o 2800 °F per il ferro puro) si ossida facilmente. L'argon inerte è comunemente usato come gas di protezione e per la purga dei giunti saldati interni attraverso il processo GTAW orbitale. La purezza del gas rispetto all'ossigeno e all'umidità determina la quantità di scolorimento indotto dall'ossidazione che si verifica sulla saldatura o nelle sue vicinanze dopo la saldatura. Se il gas di purga non è di altissima qualità o se il sistema di purga non è completamente a tenuta stagna, in modo che una piccola quantità di aria penetri nel sistema di purga, l'ossidazione può essere di colore verde acqua chiaro o bluastro. Naturalmente, nessuna pulizia produrrà la superficie nera e crostosa comunemente definita "dolcificata". L'argon di grado per saldatura fornito in bombole ha una purezza del 99,996-99,997%, a seconda del fornitore, e contiene 5-7 ppm di ossigeno e altre impurità, tra cui H2O, O2, CO2, idrocarburi, ecc., per un totale massimo di 40 ppm. L'argon ad alta purezza in una bombola o l'argon liquido in un Dewar può avere una purezza del 99,999% o 10 ppm di impurità totali, con un massimo di 2 ppm di ossigeno. NOTA: Durante la purga è possibile utilizzare purificatori di gas come Nanochem o Gatekeeper per ridurre i livelli di contaminazione nell'ordine delle parti per miliardo (ppb).
composizione mista. Miscele di gas come 75% elio/25% argon e 95% argon/5% idrogeno possono essere utilizzate come gas di protezione per applicazioni speciali. Le due miscele hanno prodotto saldature più calde rispetto a quelle eseguite con le stesse impostazioni di programma con argon. Le miscele di elio sono particolarmente adatte per la massima penetrazione mediante saldatura a fusione su acciaio al carbonio. Un consulente dell'industria dei semiconduttori raccomanda l'uso di miscele argon/idrogeno come gas di protezione per applicazioni UHP. Le miscele di idrogeno hanno diversi vantaggi, ma anche alcuni seri svantaggi. Il vantaggio è che producono un bagno di fusione più umido e una superficie di saldatura più liscia, ideale per implementare sistemi di erogazione di gas ad altissima pressione con una superficie interna il più liscia possibile. La presenza di idrogeno fornisce un'atmosfera riducente, quindi se sono presenti tracce di ossigeno nella miscela di gas, la saldatura risultante apparirà più pulita con meno scolorimento rispetto a una simile concentrazione di ossigeno in argon puro. Questo effetto è ottimale a circa il 5% di contenuto di idrogeno. Alcuni usano una miscela 95/5% argon/idrogeno miscela come spurgo interno per migliorare l'aspetto del cordone di saldatura interno.
Il cordone di saldatura ottenuto utilizzando una miscela di idrogeno come gas di protezione è più stretto, tranne per il fatto che l'acciaio inossidabile ha un contenuto di zolfo molto basso e genera più calore nella saldatura rispetto alla stessa impostazione di corrente con argon non miscelato. Uno svantaggio significativo delle miscele argon/idrogeno è che l'arco è molto meno stabile dell'argon puro e c'è una tendenza alla deriva dell'arco, abbastanza grave da causare una fusione errata. La deriva dell'arco può scomparire quando viene utilizzata una diversa fonte di gas misto, suggerendo che potrebbe essere causata da contaminazione o miscelazione inadeguata. Poiché il calore generato dall'arco varia con la concentrazione di idrogeno, una concentrazione costante è essenziale per ottenere saldature ripetibili e ci sono differenze nei gas premiscelati in bombola. Un altro svantaggio è che la durata del tungsteno è notevolmente ridotta quando viene utilizzata una miscela di idrogeno. Sebbene la ragione del deterioramento del tungsteno dovuto al gas misto non sia stata determinata, è stato segnalato che l'arco è più difficile e il tungsteno potrebbe dover essere sostituito dopo una o due saldature. Le miscele argon/idrogeno non possono essere Utilizzato per saldare acciaio al carbonio o titanio.
Una caratteristica distintiva del processo TIG è che non consuma elettrodi. Il tungsteno ha il punto di fusione più alto di qualsiasi metallo (3370 °C) ed è un buon emettitore di elettroni, il che lo rende particolarmente adatto all'uso come elettrodo non consumabile. Le sue proprietà sono migliorate aggiungendo il 2% di alcuni ossidi di terre rare come ceria, ossido di lantanio o ossido di torio per migliorare l'innesco e la stabilità dell'arco. Il tungsteno puro è raramente utilizzato nella saldatura GTAW a causa delle proprietà superiori del tungsteno al cerio, soprattutto per le applicazioni GTAW orbitali. Il tungsteno al torio è utilizzato meno rispetto al passato perché è in qualche modo radioattivo.
Gli elettrodi con finitura lucida presentano dimensioni più uniformi. Una superficie liscia è sempre preferibile a una superficie ruvida o irregolare, poiché la coerenza della geometria dell'elettrodo è fondamentale per ottenere risultati di saldatura uniformi e costanti. Gli elettroni emessi dalla punta (DCEN) trasferiscono il calore dalla punta di tungsteno alla saldatura. Una punta più fine consente di mantenere una densità di corrente molto elevata, ma può comportare una minore durata del tungsteno. Per la saldatura orbitale, è importante rettificare meccanicamente la punta dell'elettrodo per garantire la ripetibilità della geometria del tungsteno e la ripetibilità della saldatura. La punta smussata forza l'arco dalla saldatura allo stesso punto sul tungsteno. Il diametro della punta controlla la forma dell'arco e la quantità di penetrazione a una determinata corrente. L'angolo di conicità influisce sulle caratteristiche corrente/tensione dell'arco e deve essere specificato e controllato. La lunghezza del tungsteno è importante perché una lunghezza nota di tungsteno può essere utilizzata per impostare la distanza dell'arco. La distanza dell'arco per uno specifico valore di corrente determina la tensione e quindi la potenza applicata alla saldatura.
Le dimensioni dell'elettrodo e il diametro della sua punta vengono selezionati in base all'intensità della corrente di saldatura. Se la corrente è troppo elevata per l'elettrodo o la sua punta, si può verificare una perdita di materiale dalla punta; l'utilizzo di elettrodi con un diametro della punta troppo grande per la corrente può causare la deriva dell'arco. Specifichiamo i diametri dell'elettrodo e della punta in base allo spessore della parete del giunto di saldatura e utilizziamo un diametro di 0,0625" per quasi tutti gli spessori fino a 0,093", a meno che l'applicazione non preveda l'utilizzo di elettrodi con diametro di 0,040" per la saldatura di piccoli componenti di precisione. Per garantire la ripetibilità del processo di saldatura, è necessario specificare e controllare il tipo e la finitura del tungsteno, la lunghezza, l'angolo di conicità, il diametro, il diametro della punta e la distanza dell'arco. Per le applicazioni di saldatura di tubi, si raccomanda sempre l'elettrodo di tungsteno al cerio, in quanto questo tipo ha una durata di servizio molto maggiore rispetto ad altri tipi e presenta eccellenti caratteristiche di innesco dell'arco. L'elettrodo di tungsteno al cerio non è radioattivo.
Per ulteriori informazioni, si prega di contattare Barbara Henon, Responsabile delle pubblicazioni tecniche, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Telefono: 818-896-9556. Fax: 818-890-3724.