Nota dell'editore: Pharmaceutical Online è lieta di presentare questo articolo in quattro parti sulla saldatura orbitale delle tubazioni per bioprocessi, scritto dall'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.
Previene la perdita di resistenza alla corrosione. L'acqua ad alta purezza, come quella deionizzata o WFI, è un agente corrosivo molto aggressivo per l'acciaio inossidabile. Inoltre, l'acqua WFI 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 supportare organismi viventi letali per il prodotto e aumentarla a sufficienza per favorire la produzione di "rossetto". Il rosso è una pellicola marrone di composizione variabile causata dalla corrosione dei componenti del sistema di tubazioni in acciaio inossidabile. Sporcizia e ossidi di ferro possono essere i componenti principali, ma possono essere presenti anche varie forme di ferro, cromo e nichel. La presenza di rosso è letale per alcuni prodotti e può portare a ulteriore corrosione, sebbene la sua presenza in altri sistemi sembri essere piuttosto benigna.
La saldatura può influire negativamente sulla resistenza alla corrosione. Il colore caldo è il risultato del materiale ossidante depositato su saldature e zone calde (HAZ) durante la saldatura, è particolarmente dannoso ed è associato alla formazione di rossore nei sistemi idrici farmaceutici. La formazione di ossido di cromo può causare una tinta calda, lasciando uno strato impoverito di cromo che è suscettibile alla corrosione. Il colore caldo può essere rimosso mediante decapaggio e molatura, rimuovendo il metallo dalla superficie, incluso lo strato impoverito di cromo sottostante, 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 degli elettroni Auger ha mostrato che la passivazione per chelazione potrebbe ripristinare i cambiamenti superficiali nella distribuzione di ossigeno, cromo, ferro, nichel e manganese che si sono verificati nella saldatura e nella zona termicamente alterata nella pre-saldatura. stato. Tuttavia, la passivazione interessa solo lo strato superficiale esterno e non penetra sotto i 50 angstrom, mentre la colorazione termica può estendersi per 1000 angstrom o più sotto la 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 tramite passivazione. Ciò richiede l'uso di un gas di spurgo con un contenuto di ossigeno minimo e l'erogazione al diametro interno del giunto saldato senza contaminazione da ossigeno atmosferico o umidità. Anche il controllo accurato dell'apporto di calore ed evitare il surriscaldamento durante la saldatura sono importanti per prevenire la perdita di resistenza alla corrosione. Il controllo del processo di fabbricazione per ottenere saldature di alta qualità ripetibili e costanti, nonché la manipolazione attenta di tubi e componenti in acciaio inossidabile durante la fabbricazione per prevenire la contaminazione, sono requisiti essenziali per un sistema di tubazioni di alta qualità che resista alla corrosione e fornisca un servizio produttivo a lungo termine.
Negli ultimi dieci anni, i materiali utilizzati nei sistemi di tubazioni in acciaio inossidabile ad alta purezza per il settore biofarmaceutico hanno subito un'evoluzione verso una maggiore resistenza alla corrosione. La maggior parte dell'acciaio inossidabile utilizzato prima del 1980 era l'acciaio inossidabile 304 perché era relativamente poco costoso e rappresentava un miglioramento rispetto al rame utilizzato in precedenza. Infatti, gli acciai inossidabili della serie 300 sono relativamente facili da lavorare, possono essere saldati per fusione senza eccessiva perdita di resistenza alla corrosione e non richiedono trattamenti speciali di preriscaldamento e postriscaldamento.
Recentemente, l'uso dell'acciaio inossidabile 316 nelle applicazioni di tubazioni ad alta purezza è in aumento. Il tipo 316 ha una composizione simile al tipo 304, ma oltre agli elementi di lega di 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 carburo che può verificarsi a causa della saldatura. Questa è la formazione di carburo di cromo, che impoverisce i bordi dei grani del metallo di base del cromo, rendendolo suscettibile alla corrosione. La formazione di carburo di cromo, chiamata "sensibilizzazione", dipende dal tempo e dalla temperatura e rappresenta un problema maggiore durante la saldatura manuale. Abbiamo dimostrato che la saldatura orbitale di acciai inossidabili superaustenitici L'acciaio AL-6XN garantisce saldature più resistenti alla corrosione rispetto a saldature simili eseguite a mano. Questo perché la saldatura orbitale fornisce un controllo preciso di amperaggio, pulsazione e temporizzazione, con conseguente apporto di calore inferiore e più uniforme rispetto alla saldatura manuale. La saldatura orbitale in combinazione con i gradi "L" 304 e 316 elimina virtualmente la precipitazione di carburo come fattore nello sviluppo della corrosione nei sistemi di tubazioni.
Variazione da colata a colata dell'acciaio inossidabile. Sebbene i parametri di saldatura e altri fattori possano essere mantenuti entro tolleranze piuttosto strette, sussistono comunque differenze nell'apporto termico necessario per saldare l'acciaio inossidabile da una colata all'altra. Un numero di colata è il numero di lotto assegnato a una specifica colata di acciaio inossidabile in fabbrica. L'esatta composizione chimica di ciascun lotto è registrata sul rapporto di prova in 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 entro un intervallo di temperature, a seconda del tipo e della concentrazione di ciascuna 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.
L'analisi SEM delle saldature orbitali dei tubi 316L su tubi AOD (in alto) e materiale EBR (in basso) ha 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 della parete simili, alcune colate richiedono un amperaggio inferiore e altre un amperaggio maggiore del normale. Per questo motivo, il riscaldamento di materiali diversi sul posto di lavoro deve essere attentamente monitorato per evitare potenziali problemi. Spesso, una nuova colata richiede solo una piccola modifica dell'amperaggio per ottenere una procedura di saldatura soddisfacente.
Problema dello zolfo. Lo zolfo elementare è un'impurità correlata al minerale di ferro che viene in gran parte rimossa durante il processo di fabbricazione 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 ossigeno all'argon (AOD) e le pratiche di fusione sotto vuoto doppio come la fusione a induzione sotto vuoto seguita dalla rifusione ad arco sotto vuoto (VIM+VAR), è diventato possibile produrre acciai molto speciali per i seguenti motivi: la loro composizione chimica. È stato notato 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 realizzate su materiali a medio contenuto di zolfo. Le saldature realizzate su tubi in acciaio inossidabile a basso contenuto di zolfo avranno saldature più ampie, mentre su tubi con pareti più spesse (0,065 pollici o 1,66 mm o più) ci sarà una maggiore tendenza a realizzare saldature a rientranza. Quando la corrente di saldatura è sufficiente a produrre una saldatura completamente penetrata, i materiali con un contenuto di zolfo molto basso sono più difficili da saldare, 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 i 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 in termini di superfici interne lisce e prive di avvallamenti. L'uso della microscopia elettronica a scansione per verificare la levigatezza della finitura superficiale del tubo è sempre più comune. È stato dimostrato che lo zolfo nei metalli di base forma inclusioni non metalliche o "stringhe" di solfuro di manganese (MnS) che vengono rimosse durante l'elettrolucidatura e lasciano vuoti nell'intervallo 0,25-1,0 micron.
I produttori e i fornitori di tubi elettrolucidati stanno orientando il mercato verso l'uso di materiali a bassissimo tenore 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 i vuoti sono più soggetti a vaiolatura rispetto alle aree superficiali lisce. Esistono quindi valide ragioni per la tendenza verso materiali "più puliti" e a basso tenore di zolfo.
Deviazione dell'arco. Oltre a migliorare la saldabilità dell'acciaio inossidabile, la presenza di un po' di zolfo ne migliora anche la lavorabilità. Di conseguenza, i produttori e 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 polarizzato verso tubi con basso contenuto di zolfo. Quando si verifica la deviazione dell'arco, la penetrazione diventa più profonda sul lato a basso contenuto di zolfo rispetto al lato ad alto contenuto di zolfo, il 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). Per adattare il contenuto di zolfo dei raccordi al contenuto di zolfo del tubo, la Carpenter Steel Division della Carpenter Technology Corporation of Pennsylvania ha introdotto una barra 316 a basso contenuto di zolfo (0,005% max) materiale di base (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 tra loro due materiali a bassissimo tenore di zolfo è molto più semplice che saldare un materiale a bassissimo tenore di zolfo con uno a più alto tenore di zolfo.
Il passaggio all'uso di tubi a basso tenore di zolfo è dovuto in gran parte alla necessità di ottenere superfici lisce e elettrolucidate dei tubi interni. Mentre la finitura superficiale e l'elettrolucidatura sono importanti sia per l'industria dei semiconduttori che per l'industria biotecnologica/farmaceutica, SEMI, quando ha redatto le specifiche per l'industria dei semiconduttori, ha specificato che i tubi 316L per le linee di gas di processo devono avere un limite di zolfo dello 0,004% per prestazioni ottimali Estremità superficiali. L'ASTM, d'altra parte, ha modificato le sue specifiche ASTM 270 per includere tubi di grado farmaceutico che limitano il contenuto di zolfo a un intervallo dallo 0,005 allo 0,017%. Ciò dovrebbe comportare minori difficoltà di saldatura rispetto ai solfuri a intervallo inferiore. Tuttavia, è opportuno notare che anche all'interno di questo intervallo limitato, può comunque verificarsi una deflessione dell'arco durante la saldatura di tubi a basso tenore di zolfo con tubi o raccordi ad alto tenore di zolfo, e gli installatori devono monitorare attentamente il riscaldamento del materiale e verificare prima della fabbricazione la compatibilità della saldatura tra il riscaldamento. Produzione di saldature.
Altri oligoelementi. È stato scoperto che oligoelementi tra cui zolfo, ossigeno, alluminio, silicio e manganese influenzano la penetrazione. Tracce di alluminio, silicio, calcio, titanio e cromo presenti nel metallo base come 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 alcuni degli effetti del basso tenore di zolfo. Livelli elevati di alluminio possono contrastare l'effetto positivo sulla penetrazione dello zolfo. Il manganese si volatilizza alla temperatura di saldatura e si deposita nella zona termicamente alterata dalla saldatura. Questi depositi di manganese sono associati alla perdita di resistenza alla corrosione. (Vedi Cohen, 1997). L'industria dei semiconduttori sta attualmente sperimentando materiali 316L a basso tenore di manganese e persino a bassissimo tenore di manganese per prevenire questa perdita di resistenza alla corrosione.
Formazione di scorie. Occasionalmente, durante alcune colate, si formano isole di scorie sul cordone di acciaio inossidabile. Questo è intrinsecamente un problema del materiale, ma a volte modifiche ai parametri di saldatura possono minimizzarlo, oppure 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 di tipo placca, raccomanda di mantenere il contenuto di alluminio allo 0,010% e quello di silicio allo 0,5%. Tuttavia, quando il rapporto Al/Si è superiore a questo livello, si possono formare scorie sferiche anziché di tipo placca. Questo tipo di scoria può lasciare dei pozzi dopo l'elettrolucidatura, il che è inaccettabile per applicazioni ad elevata purezza. Le isole di scorie che si formano sul diametro esterno della saldatura possono causare una penetrazione non uniforme della passata interna e risultare in una penetrazione insufficiente. Le isole di scorie che si formano sul cordone di saldatura interna possono essere soggette a corrosione.
Saldatura a passata singola con pulsazione. La saldatura orbitale automatica standard dei tubi è una saldatura a passata singola 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 di 0,083" e inferiori. Dopo una pre-spurgo temporizzata, si verifica l'arco elettrico. La penetrazione della parete del tubo avviene durante un ritardo temporizzato in cui è presente l'arco elettrico ma non si verifica alcuna rotazione. Dopo questo ritardo di rotazione, l'elettrodo ruota attorno al giunto di saldatura finché la saldatura non si unisce o si sovrappone alla parte iniziale della saldatura durante l'ultimo strato di saldatura. Una volta completata la connessione, la corrente si riduce gradualmente in un calo temporizzato.
Modalità passo (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 saldatura a fusione può essere utilizzata in modalità sincrona o passo. In modalità sincrona o passo, l'impulso di corrente di saldatura è sincronizzato con la corsa, quindi il rotore è fermo per la massima penetrazione durante gli impulsi di corrente elevata e si muove durante gli impulsi di corrente bassa. Le tecniche sincrone utilizzano tempi di impulso più lunghi, nell'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 calibro 40 da 0,154" o 6" di spessore con spessore della parete di 0,154" o 6". La tecnica a passi produce una saldatura più ampia, rendendola tollerante ai guasti e utile per la saldatura di parti irregolari come raccordi per tubi su 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 dell'arco di saldatura convenzionale ed è meno adatto alle applicazioni UHP (ultra-high purity) a causa della giunzione più ampia e ruvida.
Variabili programmabili. L'attuale generazione di generatori di saldatura è basata su microprocessore e memorizza programmi che specificano valori numerici per i parametri di saldatura per un diametro (OD) e uno spessore di parete specifici del tubo da saldare, tra cui 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 filo di apporto aggiunto, i parametri del programma includeranno velocità di avanzamento del filo, ampiezza di oscillazione della torcia e tempo di permanenza, AVC (controllo della tensione dell'arco per fornire un'apertura dell'arco costante) e rampa di salita. Per eseguire la saldatura per fusione, installare la testa di saldatura con l'elettrodo appropriato e gli inserti del morsetto per tubi sul tubo e richiamare il programma o la pianificazione di saldatura dalla memoria del generatore. 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 attentamente controllati. Ciò si ottiene attraverso la precisione della sorgente di alimentazione per saldatura e del programma di saldatura, che è un insieme di istruzioni immesse nella sorgente di alimentazione, costituite da parametri di saldatura, per saldare una dimensione specifica di tubo o condotta. Deve inoltre essere presente 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 diversi dai parametri di saldatura devono essere attentamente controllati. 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 dimensioni di tungsteno coerenti, gas inerti altamente purificati e grande attenzione alle variazioni dei materiali. - 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 delle estremità precisa, uniforme e lavorata a macchina. Poiché la corrente di saldatura dipende dallo spessore della parete, le estremità devono essere squadrate, senza sbavature o smussi sul diametro esterno o interno (OD o ID), che comporterebbero spessori di parete diversi.
Le estremità del tubo devono combaciare nella testa di saldatura in modo che non vi sia alcuno spazio visibile tra le estremità del giunto di testa quadrato. Sebbene sia possibile realizzare giunti saldati con piccoli spazi, la qualità della saldatura potrebbe essere influenzata negativamente. Maggiore è lo spazio, maggiore è la probabilità che si verifichi un problema. Un assemblaggio scadente può causare il fallimento completo della saldatura. Le seghe per tubi prodotte da George Fischer e altri che tagliano il tubo e ne spianano le estremità nella stessa operazione, o i torni portatili per la preparazione delle estremità come quelli prodotti da Protem, Wachs e altri, spesso utilizzati per realizzare saldature orbitali con estremità lisce adatte alla lavorazione meccanica. Seghe circolari, seghetti, seghe a nastro e tagliatubi non sono adatti a questo scopo.
Oltre ai parametri di saldatura che immettono potenza per saldare, ci sono altre variabili che possono avere un profondo effetto sulla saldatura, ma non fanno parte della procedura di saldatura vera e propria. Queste includono il tipo e la dimensione del tungsteno, il tipo e la purezza del gas utilizzato per schermare l'arco e spurgare l'interno del giunto di saldatura, la portata del gas utilizzata per lo spurgo, il tipo di testa e di sorgente di potenza utilizzati, la configurazione del giunto e qualsiasi altra informazione rilevante. Chiamiamo queste variabili "non programmabili" e le registriamo nel programma di saldatura. Ad esempio, il tipo di gas è considerato una variabile essenziale nella Welding Procedure Specification (WPS) affinché le procedure di saldatura siano conformi al codice ASME Sezione IX per caldaie e recipienti a pressione. Le modifiche al tipo di gas o alle percentuali di miscela di gas, o l'eliminazione dello spurgo ID richiedono una nuova convalida della procedura di saldatura.
Gas di saldatura. L'acciaio inossidabile è resistente all'ossidazione dell'ossigeno atmosferico a temperatura ambiente. Quando viene riscaldato fino al suo punto di fusione (1530 °C o 2800 °F per il ferro puro) si ossida facilmente. L'argon inerte è più comunemente usato come gas di protezione e per la pulizia dei giunti saldati interni tramite 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 in prossimità di essa dopo la saldatura. Se il gas di spurgo non è della massima qualità o se il sistema di spurgo non è completamente privo di perdite, al punto che una piccola quantità d'aria fuoriesce nel sistema di spurgo, l'ossidazione può essere di colore verde acqua chiaro o bluastro. Naturalmente, nessuna pulizia provocherà la crosticina nera sulla superficie comunemente chiamata "addolcita". L'argon di grado di saldatura fornito in bombole è puro al 99,996-99,997%, a seconda del fornitore, e contiene 5-7 ppm di ossigeno e altre impurità. compresi 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 essere puro al 99,999% o contenere 10 ppm di impurità totali, con un massimo di 2 ppm di ossigeno. NOTA: durante la fase di spurgo, è possibile utilizzare purificatori di gas come Nanochem o Gatekeeper per ridurre i livelli di contaminazione all'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 di quelle eseguite con le stesse impostazioni di programma dell'argon. Le miscele di elio sono particolarmente adatte per la massima penetrazione mediante saldatura a fusione su acciaio al carbonio. Un consulente del settore dei semiconduttori consiglia l'uso di miscele di argon/idrogeno come gas di protezione per applicazioni UHP. Le miscele di idrogeno presentano diversi vantaggi, ma anche alcuni gravi 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 concentrazione di ossigeno simile in argon puro. Questo effetto è ottimale a circa il 5% di contenuto di idrogeno. Alcuni usano un 95/5% miscela di argon/idrogeno come spurgo ID per migliorare l'aspetto del cordone di saldatura interno.
Il cordone di saldatura che utilizza 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 di argon/idrogeno è che l'arco è molto meno stabile dell'argon puro e c'è una tendenza dell'arco a derivare, abbastanza grave da causare una fusione errata. La deriva dell'arco può scomparire quando viene utilizzata una diversa fonte di gas miscelato, suggerendo che potrebbe essere causata da contaminazione o da una miscelazione scadente. 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 nel gas in bombole premiscelato. Un altro svantaggio è che la durata del tungsteno è notevolmente ridotta quando viene utilizzata una miscela di idrogeno. Sebbene non sia stata determinata la ragione del deterioramento del tungsteno dal gas miscelato, è stato segnalato che l'arco è più difficile e potrebbe essere necessario sostituire il tungsteno dopo una o due saldature. Argon/idrogeno le miscele non possono essere utilizzate 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 tutti i metalli (6098 °F; 3370 °C) ed è un buon emettitore di elettroni, il che lo rende particolarmente adatto all'uso come elettrodo non consumabile. Le sue proprietà vengono 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, in particolare per le applicazioni GTAW orbitali. Il tungsteno al torio è utilizzato meno che in passato perché è in qualche modo radioattivo.
Gli elettrodi con finitura lucida hanno dimensioni più uniformi. Una superficie liscia è sempre preferibile a una ruvida o non uniforme, poiché la coerenza nella geometria dell'elettrodo è fondamentale per risultati di saldatura uniformi e costanti. Gli elettroni emessi dalla punta (DCEN) trasferiscono il calore dalla punta in tungsteno alla saldatura. Una punta più fine consente di mantenere una densità di corrente molto elevata, ma può comportare una durata inferiore del tungsteno. Per la saldatura orbitale, è importante rettificare meccanicamente la punta dell'elettrodo per garantire la ripetibilità della geometria del tungsteno e 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 corrente specifica. L'angolo di conicità influisce sulle caratteristiche corrente/tensione dell'arco e deve essere specificato e controllato. La lunghezza del tungsteno è importante perché è possibile utilizzare una lunghezza nota di tungsteno per impostare la distanza dell'arco. La distanza dell'arco per un valore di corrente specifico determina la tensione e quindi la potenza applicata alla saldatura.
Le dimensioni dell'elettrodo e il diametro della punta vengono selezionati in base all'intensità della corrente di saldatura. Se la corrente è troppo elevata per l'elettrodo o la sua punta, potrebbe perdere metallo dalla punta e l'utilizzo di elettrodi con un diametro della punta troppo grande per la corrente potrebbe causare una deriva dell'arco. Specifichiamo i diametri dell'elettrodo e della punta in base allo spessore della parete del giunto saldato e utilizziamo un diametro di 0,0625 per quasi tutto fino a uno spessore della parete di 0,093", a meno che l'uso non sia progettato per essere utilizzato con elettrodi di diametro di 0,040" per la saldatura di piccoli componenti di precisione. Per 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 l'intervallo dell'arco. Per le applicazioni di saldatura di tubi, è sempre consigliato il cerio-tungsteno perché questo tipo ha una durata molto più lunga rispetto ad altri tipi e presenta eccellenti caratteristiche di accensione dell'arco. Il cerio-tungsteno non è radioattivo.
Per ulteriori informazioni, contattare Barbara Henon, responsabile delle pubblicazioni tecniche, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Telefono: 818-896-9556. Fax: 818-890-3724.