หมายเหตุจากบรรณาธิการ: Pharmaceutical Online มีความยินดีนำเสนอบทความสี่ตอนเกี่ยวกับการเชื่อมแบบวงโคจรของท่อกระบวนการทางชีวภาพ โดยผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรม Barbara Henon จาก Arc Machines บทความนี้ดัดแปลงมาจากงานนำเสนอของดร. Henon ในการประชุม ASME เมื่อปลายปีที่แล้ว
ป้องกันการสูญเสียความต้านทานการกัดกร่อน น้ำบริสุทธิ์สูง เช่น น้ำปราศจากไอออน (DI) หรือน้ำบริสุทธิ์ (WFI) เป็นสารกัดกร่อนที่รุนแรงมากสำหรับสแตนเลส นอกจากนี้ น้ำบริสุทธิ์เกรดเภสัชกรรม (WFI) จะถูกหมุนเวียนที่อุณหภูมิสูง (80°C) เพื่อรักษาความปลอดเชื้อ มีความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างการลดอุณหภูมิลงมากพอที่จะทำให้จุลินทรีย์ที่เป็นอันตรายต่อผลิตภัณฑ์สามารถเจริญเติบโตได้ และการเพิ่มอุณหภูมิขึ้นมากพอที่จะส่งเสริมการเกิด "คราบแดง" คราบแดงเป็นฟิล์มสีน้ำตาลที่มีองค์ประกอบแตกต่างกันไป เกิดจากการกัดกร่อนของส่วนประกอบระบบท่อสแตนเลส สิ่งสกปรกและออกไซด์ของเหล็กอาจเป็นส่วนประกอบหลัก แต่เหล็ก โครเมียม และนิกเกลในรูปแบบต่างๆ ก็อาจมีอยู่ด้วย การมีอยู่ของคราบแดงเป็นอันตรายต่อผลิตภัณฑ์บางชนิด และอาจนำไปสู่การกัดกร่อนเพิ่มเติม แม้ว่าการมีอยู่ของคราบแดงในระบบอื่นๆ ดูเหมือนจะไม่เป็นอันตรายมากนัก
การเชื่อมอาจส่งผลเสียต่อความต้านทานการกัดกร่อน สีไหม้เกิดจากวัสดุออกซิไดซ์ที่สะสมอยู่บนรอยเชื่อมและบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) ระหว่างการเชื่อม ซึ่งเป็นอันตรายอย่างยิ่ง และเกี่ยวข้องกับการเกิดคราบแดงในระบบน้ำสำหรับอุตสาหกรรมยา การเกิดโครเมียมออกไซด์สามารถทำให้เกิดสีไหม้ และทิ้งชั้นที่ขาดโครเมียมไว้ซึ่งไวต่อการกัดกร่อน สีไหม้สามารถกำจัดได้โดยการดองและการเจียร ซึ่งจะกำจัดโลหะออกจากพื้นผิว รวมถึงชั้นที่ขาดโครเมียมที่อยู่ด้านล่าง และฟื้นฟูความต้านทานการกัดกร่อนให้ใกล้เคียงกับระดับโลหะพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม การดองและการเจียรเป็นอันตรายต่อผิวสำเร็จ การทำให้ระบบท่อเป็นชั้นป้องกันด้วยกรดไนตริกหรือสารคีเลตทำขึ้นเพื่อเอาชนะผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์จากการเชื่อมและการผลิตก่อนที่จะนำระบบท่อไปใช้งาน การวิเคราะห์ด้วยอิเล็กตรอนออเกอร์แสดงให้เห็นว่าการทำให้เป็นชั้นป้องกันด้วยสารคีเลตสามารถฟื้นฟูการเปลี่ยนแปลงของพื้นผิวในการกระจายตัวของออกซิเจน โครเมียม เหล็ก นิกเกล และแมงกานีสที่เกิดขึ้นในรอยเชื่อมและบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนให้กลับสู่สภาพก่อนการเชื่อม อย่างไรก็ตาม การทำให้เกิดชั้นป้องกันจะมีผลเฉพาะกับชั้นผิวภายนอกเท่านั้น และไม่สามารถแทรกซึมลงไปลึกกว่า 50 อังสตรอมได้ ในขณะที่การเปลี่ยนสีเนื่องจากความร้อนสามารถขยายลงไปลึกถึง 1,000 อังสตรอมหรือมากกว่านั้นใต้พื้นผิวได้
ดังนั้น เพื่อติดตั้งระบบท่อที่ทนต่อการกัดกร่อนใกล้กับพื้นผิวที่ไม่ได้เชื่อม จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพยายามจำกัดความเสียหายที่เกิดจากการเชื่อมและการผลิตให้อยู่ในระดับที่สามารถฟื้นฟูได้อย่างมากด้วยกระบวนการพาสซิเวชัน ซึ่งต้องใช้ก๊าซไล่ความชื้นที่มีปริมาณออกซิเจนน้อยที่สุดและส่งไปยังเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของรอยเชื่อมโดยปราศจากการปนเปื้อนจากออกซิเจนในบรรยากาศหรือความชื้น การควบคุมความร้อนอย่างแม่นยำและการหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไปในระหว่างการเชื่อมก็มีความสำคัญเช่นกันเพื่อป้องกันการสูญเสียความต้านทานการกัดกร่อน การควบคุมกระบวนการผลิตเพื่อให้ได้รอยเชื่อมที่มีคุณภาพสูงสม่ำเสมอและทำซ้ำได้ รวมถึงการจัดการท่อและส่วนประกอบสแตนเลสอย่างระมัดระวังในระหว่างการผลิตเพื่อป้องกันการปนเปื้อน เป็นข้อกำหนดที่จำเป็นสำหรับระบบท่อคุณภาพสูงที่ทนต่อการกัดกร่อนและให้การใช้งานที่มีประสิทธิภาพในระยะยาว
วัสดุที่ใช้ในระบบท่อสแตนเลสบริสุทธิ์สูงสำหรับอุตสาหกรรมชีวเภสัชภัณฑ์ได้มีการพัฒนาไปสู่ความทนทานต่อการกัดกร่อนที่ดีขึ้นในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา สแตนเลสส่วนใหญ่ที่ใช้ก่อนปี 1980 คือสแตนเลส 304 เนื่องจากมีราคาค่อนข้างถูกและดีกว่าทองแดงที่ใช้ก่อนหน้านี้ ที่จริงแล้ว สแตนเลสซีรีส์ 300 นั้นง่ายต่อการขึ้นรูป สามารถเชื่อมแบบหลอมละลายได้โดยไม่สูญเสียความทนทานต่อการกัดกร่อนมากเกินไป และไม่จำเป็นต้องมีการอุ่นก่อนและหลังการเชื่อมเป็นพิเศษ
ปัจจุบัน การใช้เหล็กกล้าไร้สนิม 316 ในงานท่อที่มีความบริสุทธิ์สูงกำลังเพิ่มสูงขึ้น เหล็กกล้าไร้สนิมชนิด 316 มีองค์ประกอบคล้ายกับชนิด 304 แต่เพิ่มเติมจากธาตุผสมโครเมียมและนิกเกลที่พบได้ทั่วไปในทั้งสองชนิดแล้ว 316 ยังมีโมลิบเดนัมประมาณ 2% ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของ 316 อย่างมีนัยสำคัญ เหล็กกล้าไร้สนิมชนิด 304L และ 316L หรือที่เรียกว่าเกรด “L” มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่าเกรดมาตรฐาน (0.035% เทียบกับ 0.08%) การลดปริมาณคาร์บอนนี้มีจุดประสงค์เพื่อลดปริมาณการตกตะกอนของคาร์ไบด์ที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากการเชื่อม นี่คือการก่อตัวของโครเมียมคาร์ไบด์ ซึ่งจะทำให้ขอบเกรนของโลหะฐานโครเมียมลดลง ทำให้เกิดความไวต่อการกัดกร่อน การก่อตัวของโครเมียมคาร์ไบด์ หรือที่เรียกว่า “การไวต่อการกัดกร่อน” นั้นขึ้นอยู่กับเวลาและอุณหภูมิ และเป็นปัญหาใหญ่กว่าเมื่อทำการบัดกรีด้วยมือ เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าการเชื่อมแบบวงโคจรของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกพิเศษ เหล็กกล้า AL-6XN ให้รอยเชื่อมที่ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่ารอยเชื่อมที่ทำด้วยมือในลักษณะเดียวกัน เนื่องจากกระบวนการเชื่อมแบบวงโคจรช่วยให้ควบคุมกระแสไฟฟ้า การสั่นสะเทือน และจังหวะเวลาได้อย่างแม่นยำ ส่งผลให้ความร้อนที่ป้อนเข้าไปต่ำกว่าและสม่ำเสมอกว่าการเชื่อมด้วยมือ การเชื่อมแบบวงโคจรเมื่อใช้ร่วมกับเหล็กกล้าเกรด “L” 304 และ 316 ช่วยลดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ซึ่งเป็นปัจจัยในการเกิดการกัดกร่อนในระบบท่อได้อย่างแทบจะหมดสิ้น
ความแปรผันของเหล็กกล้าไร้สนิมในแต่ละล็อตการผลิต แม้ว่าพารามิเตอร์การเชื่อมและปัจจัยอื่นๆ จะสามารถควบคุมให้อยู่ในขอบเขตที่แคบได้ แต่ก็ยังมีความแตกต่างในปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมในแต่ละล็อตการผลิต หมายเลขล็อตการผลิตคือหมายเลขล็อตที่กำหนดให้กับเหล็กกล้าไร้สนิมที่หลอมเหลวในโรงงาน องค์ประกอบทางเคมีที่แน่นอนของแต่ละล็อตจะถูกบันทึกไว้ในรายงานการทดสอบจากโรงงาน (MTR) พร้อมกับรหัสล็อตหรือหมายเลขล็อตการผลิต เหล็กบริสุทธิ์หลอมเหลวที่อุณหภูมิ 1538°C (2800°F) ในขณะที่โลหะผสมจะหลอมเหลวในช่วงอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับชนิดและความเข้มข้นของโลหะผสมหรือธาตุเจือปนแต่ละชนิด เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมสองล็อตการผลิตใดๆ จะมีความเข้มข้นของธาตุแต่ละชนิดไม่เท่ากันอย่างแน่นอน คุณลักษณะการเชื่อมจึงแตกต่างกันไปในแต่ละเตาหลอม
ภาพถ่าย SEM ของรอยเชื่อมแบบวงโคจรของท่อ 316L บนท่อ AOD (ด้านบน) และวัสดุ EBR (ด้านล่าง) แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในความเรียบของรอยเชื่อม
แม้ว่าขั้นตอนการเชื่อมแบบเดียวอาจใช้ได้กับวัสดุส่วนใหญ่ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและความหนาของผนังใกล้เคียงกัน แต่วัสดุบางชนิดอาจต้องการกระแสไฟฟ้าน้อยกว่า และบางชนิดอาจต้องการกระแสไฟฟ้ามากกว่าปกติ ด้วยเหตุนี้ การให้ความร้อนแก่วัสดุที่แตกต่างกันในสถานที่ทำงานจึงต้องได้รับการตรวจสอบอย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาที่อาจเกิดขึ้น บ่อยครั้งที่วัสดุชนิดใหม่ต้องการเพียงการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าเล็กน้อยเพื่อให้ได้ขั้นตอนการเชื่อมที่น่าพอใจ
ปัญหากำมะถัน กำมะถันธาตุเป็นสิ่งเจือปนที่เกี่ยวข้องกับแร่เหล็ก ซึ่งส่วนใหญ่จะถูกกำจัดออกไปในระหว่างกระบวนการผลิตเหล็ก เหล็กกล้าไร้สนิม AISI ประเภท 304 และ 316 กำหนดปริมาณกำมะถันสูงสุดไว้ที่ 0.030% ด้วยการพัฒนาของกระบวนการกลั่นเหล็กสมัยใหม่ เช่น การลดคาร์บอนด้วยอาร์กอนและออกซิเจน (AOD) และการหลอมในสุญญากาศแบบคู่ เช่น การหลอมด้วยการเหนี่ยวนำในสุญญากาศตามด้วยการหลอมซ้ำด้วยอาร์คในสุญญากาศ (VIM+VAR) ทำให้สามารถผลิตเหล็กที่มีคุณสมบัติพิเศษในหลายด้านดังต่อไปนี้ องค์ประกอบทางเคมี พบว่าคุณสมบัติของบ่อหลอมเหล็กจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อปริมาณกำมะถันในเหล็กต่ำกว่าประมาณ 0.008% นี่เป็นเพราะผลกระทบของกำมะถันและธาตุอื่นๆ ในระดับที่น้อยกว่า ต่อสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของแรงตึงผิวของบ่อหลอมเหล็ก ซึ่งเป็นตัวกำหนดลักษณะการไหลของบ่อหลอมเหลว
ที่ความเข้มข้นของกำมะถันต่ำมาก (0.001% – 0.003%) การเชื่อมจะมีลักษณะการแทรกซึมที่กว้างมากเมื่อเทียบกับการเชื่อมที่ทำบนวัสดุที่มีปริมาณกำมะถันปานกลาง การเชื่อมที่ทำบนท่อสแตนเลสที่มีกำมะถันต่ำจะมีรอยเชื่อมที่กว้างกว่า ในขณะที่ท่อที่มีผนังหนา (0.065 นิ้ว หรือ 1.66 มม. ขึ้นไป) จะมีแนวโน้มที่จะเกิดการเชื่อมแบบเว้ามากขึ้น เมื่อกระแสเชื่อมเพียงพอที่จะสร้างรอยเชื่อมที่แทรกซึมเต็มที่ ทำให้การเชื่อมวัสดุที่มีปริมาณกำมะถันต่ำมากทำได้ยากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับผนังที่หนา ที่ความเข้มข้นของกำมะถันสูงในสแตนเลส 304 หรือ 316 รอยเชื่อมมักจะมีลักษณะไม่ลื่นไหลและหยาบกว่าวัสดุที่มีกำมะถันปานกลาง ดังนั้น เพื่อให้ได้ความสามารถในการเชื่อมที่ดี ปริมาณกำมะถันที่เหมาะสมจะอยู่ในช่วงประมาณ 0.005% ถึง 0.017% ตามที่ระบุไว้ใน ASTM A270 S2 สำหรับคุณภาพทางเภสัชกรรม ท่อ
ผู้ผลิตท่อสแตนเลสขัดเงาด้วยไฟฟ้าสังเกตเห็นว่า แม้แต่ปริมาณกำมะถันในระดับปานกลางในสแตนเลส 316 หรือ 316L ก็ทำให้ยากที่จะตอบสนองความต้องการของลูกค้าในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และชีวเภสัชภัณฑ์ที่ต้องการพื้นผิวภายในที่เรียบและปราศจากหลุมบ่อ การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนเพื่อตรวจสอบความเรียบของพื้นผิวท่อจึงเป็นที่นิยมมากขึ้น กำมะถันในโลหะพื้นฐานได้รับการพิสูจน์แล้วว่าก่อให้เกิดสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะหรือ "เส้นใย" แมงกานีสซัลไฟด์ (MnS) ซึ่งจะถูกกำจัดออกไปในระหว่างกระบวนการขัดเงาด้วยไฟฟ้าและทิ้งช่องว่างไว้ในช่วง 0.25-1.0 ไมครอน
ผู้ผลิตและผู้จำหน่ายท่อขัดเงาด้วยไฟฟ้ากำลังผลักดันตลาดไปสู่การใช้วัสดุที่มีกำมะถันต่ำมาก เพื่อให้ได้ผิวสำเร็จตามที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม ปัญหาไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะท่อขัดเงาด้วยไฟฟ้าเท่านั้น เพราะในท่อที่ไม่ผ่านการขัดเงาด้วยไฟฟ้า สิ่งเจือปนจะถูกกำจัดออกไปในระหว่างกระบวนการพาสซิเวชันของระบบท่อ และพบว่าช่องว่างมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนได้ง่ายกว่าบริเวณผิวเรียบ ดังนั้นจึงมีเหตุผลที่สมควรสำหรับแนวโน้มการใช้วัสดุที่มีกำมะถันต่ำและ "สะอาด" กว่า
การเบี่ยงเบนของอาร์ค นอกจากจะช่วยปรับปรุงความสามารถในการเชื่อมของเหล็กกล้าไร้สนิมแล้ว การมีกำมะถันอยู่บ้างยังช่วยปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรอีกด้วย ดังนั้น ผู้ผลิตและผู้ประกอบการจึงมักเลือกวัสดุที่มีปริมาณกำมะถันอยู่ในช่วงสูงกว่าที่กำหนดไว้ การเชื่อมท่อที่มีความเข้มข้นของกำมะถันต่ำมากเข้ากับข้อต่อ วาล์ว หรือท่ออื่นๆ ที่มีปริมาณกำมะถันสูงกว่า อาจทำให้เกิดปัญหาในการเชื่อมได้ เนื่องจากอาร์คจะเอนเอียงไปทางท่อที่มีปริมาณกำมะถันต่ำ เมื่อเกิดการเบี่ยงเบนของอาร์ค การแทรกซึมจะลึกกว่าในด้านที่มีกำมะถันต่ำกว่าด้านที่มีกำมะถันสูง ซึ่งตรงกันข้ามกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อเชื่อมท่อที่มีความเข้มข้นของกำมะถันเท่ากัน ในกรณีที่รุนแรง รอยเชื่อมอาจทะลุผ่านวัสดุที่มีกำมะถันต่ำอย่างสมบูรณ์และทำให้ส่วนภายในของรอยเชื่อมไม่หลอมรวมกันเลย (Fihey และ Simeneau, 1982) เพื่อให้ปริมาณกำมะถันของข้อต่อตรงกับปริมาณกำมะถันของท่อ แผนกเหล็กของ Carpenter Technology Corporation แห่งเพนซิลเวเนียจึงได้ ได้นำเสนอเหล็กเส้น 316 ที่มีกำมะถันต่ำ (สูงสุด 0.005%) (Type 316L-SCQ) (VIM+VAR) สำหรับการผลิตข้อต่อและส่วนประกอบอื่นๆ ที่ต้องการเชื่อมกับท่อที่มีกำมะถันต่ำ การเชื่อมวัสดุที่มีกำมะถันต่ำมากสองชนิดเข้าด้วยกันนั้นง่ายกว่าการเชื่อมวัสดุที่มีกำมะถันต่ำมากกับวัสดุที่มีกำมะถันสูงกว่ามาก
การเปลี่ยนมาใช้ท่อที่มีกำมะถันต่ำส่วนใหญ่เป็นผลมาจากความต้องการพื้นผิวภายในท่อที่เรียบเนียนและผ่านการขัดเงาด้วยไฟฟ้า แม้ว่าการตกแต่งพื้นผิวและการขัดเงาด้วยไฟฟ้าจะมีความสำคัญต่อทั้งอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และอุตสาหกรรมเทคโนโลยีชีวภาพ/เภสัชกรรม แต่ SEMI เมื่อเขียนข้อกำหนดสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ได้ระบุว่าท่อ 316L สำหรับท่อส่งก๊าซในกระบวนการผลิตต้องมีปริมาณกำมะถันไม่เกิน 0.004% เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด ในทางกลับกัน ASTM ได้แก้ไขข้อกำหนด ASTM 270 เพื่อรวมท่อเกรดเภสัชกรรมที่จำกัดปริมาณกำมะถันไว้ในช่วง 0.005 ถึง 0.017% ซึ่งน่าจะส่งผลให้การเชื่อมทำได้ยากน้อยลงเมื่อเทียบกับท่อที่มีปริมาณกำมะถันต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าแม้จะอยู่ในช่วงที่จำกัดนี้ การเบี่ยงเบนของอาร์คอาจยังคงเกิดขึ้นได้เมื่อเชื่อมท่อที่มีกำมะถันต่ำกับท่อหรือข้อต่อที่มีกำมะถันสูง และผู้ติดตั้งควรติดตามการให้ความร้อนของวัสดุอย่างระมัดระวังและตรวจสอบความเข้ากันได้ของตะกั่วบัดกรีก่อนการผลิต รอยเชื่อม
ธาตุติดตามอื่นๆ ธาตุติดตามต่างๆ เช่น กำมะถัน ออกซิเจน อะลูมิเนียม ซิลิคอน และแมงกานีส พบว่ามีผลต่อการแทรกซึม ปริมาณอะลูมิเนียม ซิลิคอน แคลเซียม ไทเทเนียม และโครเมียมในปริมาณเล็กน้อยที่อยู่ในโลหะพื้นฐานในรูปของสารประกอบออกไซด์นั้นเกี่ยวข้องกับการเกิดตะกรันระหว่างการเชื่อม
ผลกระทบขององค์ประกอบต่างๆ นั้นสะสมกัน ดังนั้นการมีอยู่ของออกซิเจนสามารถชดเชยผลกระทบจากกำมะถันต่ำได้บ้าง ระดับอะลูมิเนียมที่สูงสามารถหักล้างผลดีต่อการแทรกซึมของกำมะถันได้ แมงกานีสจะระเหยที่อุณหภูมิการเชื่อมและตกตะกอนในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนของการเชื่อม การตกตะกอนของแมงกานีสเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการสูญเสียความต้านทานการกัดกร่อน (ดู Cohen, 1997) ปัจจุบันอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์กำลังทดลองใช้วัสดุ 316L ที่มีแมงกานีสต่ำและต่ำมากเป็นพิเศษเพื่อป้องกันการสูญเสียความต้านทานการกัดกร่อนนี้
การเกิดตะกรัน บางครั้งอาจพบตะกรันเป็นเกาะเล็กๆ บนแนวเชื่อมสแตนเลสในบางรอบการเชื่อม นี่เป็นปัญหาของวัสดุโดยเนื้อแท้ แต่บางครั้งการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์การเชื่อมสามารถลดปัญหานี้ได้ หรือการเปลี่ยนแปลงส่วนผสมของอาร์กอน/ไฮโดรเจนสามารถปรับปรุงการเชื่อมได้ พอลลาร์ดพบว่าอัตราส่วนของอะลูมิเนียมต่อซิลิคอนในโลหะพื้นฐานมีผลต่อการเกิดตะกรัน เพื่อป้องกันการเกิดตะกรันแบบแผ่นที่ไม่พึงประสงค์ เขาแนะนำให้รักษาสัดส่วนของอะลูมิเนียมไว้ที่ 0.010% และซิลิคอนที่ 0.5% อย่างไรก็ตาม เมื่ออัตราส่วน Al/Si สูงกว่าระดับนี้ อาจเกิดตะกรันทรงกลมแทนที่จะเป็นแบบแผ่น ตะกรันประเภทนี้สามารถทิ้งรอยบุ๋มไว้หลังจากการขัดเงาด้วยไฟฟ้า ซึ่งเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้สำหรับการใช้งานที่ต้องการความบริสุทธิ์สูง เกาะตะกรันที่เกิดขึ้นบนด้านนอกของแนวเชื่อมอาจทำให้การแทรกซึมของด้านในไม่สม่ำเสมอและอาจส่งผลให้การแทรกซึมไม่เพียงพอ เกาะตะกรันที่เกิดขึ้นบนแนวเชื่อมด้านในอาจไวต่อการกัดกร่อน
การเชื่อมแบบผ่านครั้งเดียวด้วยกระแสไฟฟ้าแบบพัลส์ การเชื่อมท่อแบบวงโคจรอัตโนมัติมาตรฐานเป็นการเชื่อมแบบผ่านครั้งเดียวด้วยกระแสไฟฟ้าแบบพัลส์และการหมุนด้วยความเร็วคงที่อย่างต่อเนื่อง เทคนิคนี้เหมาะสำหรับท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกตั้งแต่ 1/8 นิ้ว ถึงประมาณ 7 นิ้ว และความหนาของผนัง 0.083 นิ้วหรือต่ำกว่า หลังจากช่วงเวลาการไล่ก๊าซก่อนการเชื่อมที่กำหนดไว้ จะเกิดการอาร์คขึ้น การเจาะทะลุผนังท่อจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาหน่วงที่กำหนดไว้ ซึ่งมีการอาร์คเกิดขึ้นแต่ไม่มีการหมุน หลังจากช่วงเวลาหน่วงการหมุนนี้ อิเล็กโทรดจะหมุนรอบรอยเชื่อมจนกระทั่งรอยเชื่อมเชื่อมต่อหรือทับซ้อนกับส่วนเริ่มต้นของรอยเชื่อมในชั้นสุดท้ายของการเชื่อม เมื่อการเชื่อมต่อเสร็จสมบูรณ์ กระแสไฟฟ้าจะค่อยๆ ลดลงตามเวลาที่กำหนด
โหมดขั้น (การเชื่อมแบบ "ซิงโครไนซ์") สำหรับการเชื่อมแบบหลอมละลายของวัสดุที่มีผนังหนา โดยทั่วไปมากกว่า 0.083 นิ้ว แหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อมแบบหลอมละลายสามารถใช้ในโหมดซิงโครนัสหรือโหมดขั้นได้ ในโหมดซิงโครนัสหรือโหมดขั้น กระแสเชื่อมจะซิงโครไนซ์กับจังหวะการเคลื่อนที่ ดังนั้นโรเตอร์จึงอยู่นิ่งเพื่อให้ได้การเจาะทะลุสูงสุดในช่วงกระแสสูง และเคลื่อนที่ในช่วงกระแสต่ำ เทคนิคซิงโครนัสใช้เวลาพัลส์ที่ยาวกว่า ประมาณ 0.5 ถึง 1.5 วินาที เมื่อเทียบกับเวลาพัลส์หนึ่งในสิบหรือหนึ่งในร้อยของวินาทีสำหรับการเชื่อมแบบดั้งเดิม เทคนิคนี้สามารถเชื่อมท่อผนังบางขนาด 0.154 นิ้ว หรือ 6 นิ้ว หนา 40 เกจ 40 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เทคนิคแบบขั้นจะสร้างรอยเชื่อมที่กว้างกว่า ทำให้ทนต่อความผิดพลาดและเป็นประโยชน์สำหรับการเชื่อมชิ้นส่วนที่ไม่สม่ำ เช่น ข้อต่อท่อกับท่อ ซึ่งอาจมีความแตกต่างในความคลาดเคลื่อนของมิติ การเยื้องศูนย์ หรือความไม่เข้ากันทางความร้อนของวัสดุ การเชื่อมประเภทนี้ต้องใช้เวลาอาร์คประมาณสองเท่าของการเชื่อมแบบดั้งเดิมและไม่เหมาะสมสำหรับ เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความบริสุทธิ์สูงมาก (UHP) เนื่องจากรอยต่อที่กว้างและหยาบกว่า
ตัวแปรที่ตั้งโปรแกรมได้ เครื่องเชื่อมรุ่นปัจจุบันใช้ไมโครโปรเซสเซอร์และจัดเก็บโปรแกรมที่ระบุค่าตัวเลขสำหรับพารามิเตอร์การเชื่อมสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (OD) และความหนาของผนังท่อที่ต้องการเชื่อม รวมถึงเวลาการไล่แก๊ส กระแสเชื่อม ความเร็วในการเคลื่อนที่ (RPM) จำนวนชั้นและเวลาต่อชั้น เวลาพัลส์ เวลาลง ฯลฯ สำหรับการเชื่อมท่อแบบวงโคจรโดยใช้ลวดเติม โปรแกรมจะรวมถึงความเร็วในการป้อนลวด ความกว้างของการสั่นของหัวเชื่อมและเวลาคงที่ AVC (การควบคุมแรงดันอาร์คเพื่อให้ช่องว่างอาร์คคงที่) และความชันขึ้น เพื่อทำการเชื่อมแบบหลอมรวม ให้ติดตั้งหัวเชื่อมพร้อมอิเล็กโทรดและตัวยึดท่อที่เหมาะสมบนท่อ และเรียกตารางการเชื่อมหรือโปรแกรมจากหน่วยความจำของแหล่งจ่ายไฟ ลำดับการเชื่อมจะเริ่มต้นโดยการกดปุ่มหรือปุ่มบนแผงเมมเบรน และการเชื่อมจะดำเนินต่อไปโดยไม่ต้องมีการแทรกแซงจากผู้ปฏิบัติงาน
ตัวแปรที่ไม่สามารถตั้งโปรแกรมได้ เพื่อให้ได้คุณภาพการเชื่อมที่ดีอย่างสม่ำเสมอ พารามิเตอร์การเชื่อมจะต้องได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวัง ซึ่งทำได้โดยความแม่นยำของแหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อมและโปรแกรมการเชื่อม ซึ่งเป็นชุดคำสั่งที่ป้อนเข้าไปในแหล่งจ่ายไฟ ประกอบด้วยพารามิเตอร์การเชื่อม สำหรับการเชื่อมท่อหรือท่อขนาดเฉพาะ นอกจากนี้ยังต้องมีชุดมาตรฐานการเชื่อมที่มีประสิทธิภาพ ระบุเกณฑ์การยอมรับการเชื่อม และระบบการตรวจสอบและควบคุมคุณภาพการเชื่อมบางอย่าง เพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมเป็นไปตามมาตรฐานที่ตกลงกันไว้ อย่างไรก็ตาม ปัจจัยและขั้นตอนอื่นๆ นอกเหนือจากพารามิเตอร์การเชื่อม ก็ต้องได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเช่นกัน ปัจจัยเหล่านี้ได้แก่ การใช้อุปกรณ์เตรียมปลายที่ดี การทำความสะอาดและการจัดการที่ดี ความคลาดเคลื่อนของขนาดที่ดีของท่อหรือชิ้นส่วนอื่นๆ ที่กำลังเชื่อม ชนิดและขนาดของทังสเตนที่สม่ำเสมอ ก๊าเฉื่อยที่มีความบริสุทธิ์สูง และการเอาใจใส่ต่อความแปรปรวนของวัสดุอย่างระมัดระวัง - อุณหภูมิสูง
ข้อกำหนดในการเตรียมงานเชื่อมปลายท่อมีความสำคัญมากกว่าสำหรับการเชื่อมแบบวงโคจรเมื่อเทียบกับการเชื่อมแบบใช้มือ รอยเชื่อมสำหรับการเชื่อมท่อแบบวงโคจรโดยทั่วไปจะเป็นรอยต่อแบบชนตรง เพื่อให้ได้ความแม่นยำและความสม่ำเสมอตามที่ต้องการในการเชื่อมแบบวงโคจร จำเป็นต้องมีการเตรียมปลายท่อที่แม่นยำและสม่ำเสมอ เนื่องจากกระแสเชื่อมขึ้นอยู่กับความหนาของผนังท่อ ปลายท่อจึงต้องเป็นรูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัสโดยไม่มีเสี้ยนหรือมุมเอียงที่ด้านนอกหรือด้านใน (OD หรือ ID) ซึ่งจะทำให้ความหนาของผนังท่อแตกต่างกัน
ปลายท่อต้องประกบกันพอดีในหัวเชื่อม เพื่อไม่ให้มีช่องว่างที่เห็นได้ชัดระหว่างปลายของรอยต่อแบบชนกัน แม้ว่าจะสามารถเชื่อมรอยต่อที่มีช่องว่างเล็กน้อยได้ แต่คุณภาพของรอยเชื่อมอาจได้รับผลกระทบในทางลบ ยิ่งช่องว่างใหญ่เท่าไหร่ โอกาสที่จะเกิดปัญหาก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น การประกอบที่ไม่ดีอาจส่งผลให้การเชื่อมล้มเหลวโดยสิ้นเชิง เลื่อยตัดท่อที่ผลิตโดย George Fischer และบริษัทอื่นๆ ที่ตัดท่อและปรับผิวปลายท่อในขั้นตอนเดียวกัน หรือเครื่องกลึงเตรียมปลายท่อแบบพกพา เช่นที่ผลิตโดย Protem, Wachs และอื่นๆ มักใช้เพื่อสร้างรอยเชื่อมแบบวงโคจรที่มีผิวเรียบ เหมาะสำหรับการกลึง เลื่อยตัด เลื่อยมือ เลื่อยสายพาน และเครื่องตัดท่อไม่เหมาะสำหรับวัตถุประสงค์นี้
นอกเหนือจากพารามิเตอร์การเชื่อมที่ป้อนกำลังไฟฟ้าเพื่อการเชื่อมแล้ว ยังมีตัวแปรอื่นๆ ที่อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อการเชื่อม แต่ตัวแปรเหล่านั้นไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนการเชื่อมจริง ซึ่งรวมถึงชนิดและขนาดของทังสเตน ชนิดและความบริสุทธิ์ของก๊าซที่ใช้ในการปกคลุมอาร์คและไล่ก๊าซภายในรอยเชื่อม อัตราการไหลของก๊าซที่ใช้ในการไล่ก๊าซ ชนิดของหัวเชื่อมและแหล่งจ่ายไฟที่ใช้ รูปทรงของรอยเชื่อม และข้อมูลอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง เราเรียกตัวแปรเหล่านี้ว่า “ตัวแปรที่ไม่สามารถตั้งโปรแกรมได้” และบันทึกไว้ในตารางการเชื่อม ตัวอย่างเช่น ชนิดของก๊าซถือเป็นตัวแปรสำคัญในข้อกำหนดขั้นตอนการเชื่อม (WPS) สำหรับขั้นตอนการเชื่อมเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐาน ASME Section IX Boiler and Pressure Vessel Code การเปลี่ยนแปลงชนิดของก๊าซหรือเปอร์เซ็นต์ของส่วนผสมก๊าซ หรือการยกเลิกการไล่ก๊าซภายในรอยเชื่อม จำเป็นต้องมีการตรวจสอบความถูกต้องของขั้นตอนการเชื่อมใหม่
ก๊าซสำหรับงานเชื่อม เหล็กกล้าไร้สนิมทนต่อการเกิดออกซิเดชันจากออกซิเจนในบรรยากาศที่อุณหภูมิห้อง แต่เมื่อถูกความร้อนจนถึงจุดหลอมเหลว (1530°C หรือ 2800°F สำหรับเหล็กบริสุทธิ์) จะเกิดออกซิเดชันได้ง่าย อาร์กอนเฉื่อยเป็นก๊าซที่ใช้กันทั่วไปในการปกคลุมและไล่ก๊าซออกจากรอยเชื่อมภายในด้วยกระบวนการเชื่อม GTAW แบบวงโคจร ความบริสุทธิ์ของก๊าซเมื่อเทียบกับออกซิเจนและความชื้นจะเป็นตัวกำหนดปริมาณการเปลี่ยนสีที่เกิดจากออกซิเดชันที่เกิดขึ้นบนหรือใกล้รอยเชื่อมหลังการเชื่อม หากก๊าซไล่ก๊าซไม่ได้คุณภาพสูงสุด หรือหากระบบไล่ก๊าซไม่รั่วซึมอย่างสมบูรณ์จนมีอากาศรั่วเข้าไปในระบบเล็กน้อย การเกิดออกซิเดชันอาจเป็นสีฟ้าอ่อนหรือสีน้ำเงิน แน่นอนว่า การไม่ทำความสะอาดใดๆ จะไม่ทำให้เกิดพื้นผิวสีดำเป็นคราบแข็งๆ ที่เรียกกันทั่วไปว่า "sweetened" อาร์กอนเกรดสำหรับงานเชื่อมที่บรรจุในถังมีความบริสุทธิ์ 99.996-99.997% ขึ้นอยู่กับผู้จำหน่าย และมีออกซิเจนและสิ่งเจือปนอื่นๆ 5-7 ppm รวมถึง... H2O, O2, CO2, ไฮโดรคาร์บอน ฯลฯ รวมแล้วไม่เกิน 40 ppm อาร์กอนบริสุทธิ์สูงในถังหรืออาร์กอนเหลวใน Dewar สามารถมีความบริสุทธิ์ 99.999% หรือมีสิ่งเจือปนรวม 10 ppm โดยมีออกซิเจนสูงสุด 2 ppm หมายเหตุ: สามารถใช้เครื่องกรองก๊าซ เช่น Nanochem หรือ Gatekeeper ในระหว่างการไล่ก๊าซเพื่อลดระดับการปนเปื้อนให้อยู่ในระดับส่วนต่อพันล้าน (ppb)
ส่วนผสมของก๊าซ เช่น ฮีเลียม 75% / อาร์กอน 25% และอาร์กอน 95% / ไฮโดรเจน 5% สามารถใช้เป็นก๊าซปกคลุมสำหรับการใช้งานพิเศษได้ ส่วนผสมทั้งสองชนิดนี้ให้รอยเชื่อมที่ร้อนกว่าการเชื่อมด้วยอาร์กอนภายใต้การตั้งค่าโปรแกรมเดียวกัน ส่วนผสมของฮีเลียมเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมแบบหลอมละลายเพื่อให้ได้การแทรกซึมสูงสุดบนเหล็กกล้าคาร์บอน ที่ปรึกษาในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แนะนำให้ใช้ส่วนผสมของอาร์กอน/ไฮโดรเจนเป็นก๊าซปกคลุมสำหรับการใช้งาน UHP ส่วนผสมของไฮโดรเจนมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีข้อเสียร้ายแรงบางประการเช่นกัน ข้อดีคือทำให้เกิดบ่อหลอมที่เปียกกว่าและพื้นผิวรอยเชื่อมที่เรียบกว่า ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานระบบส่งก๊าซแรงดันสูงพิเศษที่มีพื้นผิวภายในเรียบที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การมีอยู่ของไฮโดรเจนทำให้เกิดบรรยากาศแบบรีดิวซ์ ดังนั้นหากมีออกซิเจนเจือปนอยู่ในส่วนผสมของก๊าซ รอยเชื่อมที่ได้จะดูสะอาดกว่าและมีสีเปลี่ยนไปน้อยกว่าความเข้มข้นของออกซิเจนที่ใกล้เคียงกันในอาร์กอนบริสุทธิ์ ผลกระทบนี้จะดีที่สุดที่ปริมาณไฮโดรเจนประมาณ 5% บางคนใช้ส่วนผสมของอาร์กอน/ไฮโดรเจน 95/5% ใช้เป็นน้ำยาทำความสะอาดรอยเชื่อมภายใน เพื่อปรับปรุงลักษณะของรอยเชื่อมภายในให้สวยงามยิ่งขึ้น
แนวเชื่อมที่ใช้ส่วนผสมของไฮโดรเจนเป็นก๊าซปกคลุมจะแคบกว่า ยกเว้นว่าเหล็กกล้าไร้สนิมมีปริมาณกำมะถันต่ำมากและสร้างความร้อนในแนวเชื่อมมากกว่าการใช้ค่ากระแสไฟเดียวกันกับอาร์กอนที่ไม่ผสม ข้อเสียที่สำคัญของส่วนผสมอาร์กอน/ไฮโดรเจนคือ อาร์คไม่เสถียรเท่ากับอาร์กอนบริสุทธิ์ และมีแนวโน้มที่อาร์คจะเบี่ยงเบน ซึ่งรุนแรงถึงขั้นทำให้เกิดการเชื่อมผิดพลาด การเบี่ยงเบนของอาร์คอาจหายไปเมื่อใช้แหล่งก๊าซผสมอื่น ซึ่งบ่งชี้ว่าอาจเกิดจากการปนเปื้อนหรือการผสมที่ไม่ดี เนื่องจากความร้อนที่เกิดจากอาร์คจะแปรผันตามความเข้มข้นของไฮโดรเจน ความเข้มข้นที่คงที่จึงจำเป็นต่อการเชื่อมที่ทำซ้ำได้ และมีความแตกต่างกันในก๊าซบรรจุขวดที่ผสมไว้ล่วงหน้า ข้อเสียอีกประการหนึ่งคือ อายุการใช้งานของทังสเตนจะสั้นลงอย่างมากเมื่อใช้ส่วนผสมของไฮโดรเจน แม้ว่าสาเหตุของการเสื่อมสภาพของทังสเตนจากก๊าซผสมยังไม่ได้รับการระบุ แต่มีรายงานว่าอาร์คยากขึ้นและอาจต้องเปลี่ยนทังสเตนหลังจากใช้งานหนึ่งหรือสองครั้ง การเชื่อม: ส่วนผสมของอาร์กอน/ไฮโดรเจนไม่สามารถใช้ในการเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนหรือไทเทเนียมได้
คุณลักษณะเด่นของกระบวนการเชื่อม TIG คือไม่สิ้นเปลืองอิเล็กโทรด ทังสเตนมีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดในบรรดาโลหะทั้งหมด (6098°F; 3370°C) และเป็นตัวปล่อยอิเล็กตรอนที่ดี ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้เป็นอิเล็กโทรดที่ไม่สิ้นเปลือง คุณสมบัติของมันจะดีขึ้นเมื่อเติมออกไซด์ของธาตุหายากบางชนิด เช่น เซเรียมออกไซด์ แลนทานัมออกไซด์ หรือทอเรียมออกไซด์ ในปริมาณ 2% เพื่อปรับปรุงการเริ่มต้นอาร์คและความเสถียรของอาร์ค ทังสเตนบริสุทธิ์ไม่ค่อยได้ใช้ในการเชื่อม GTAW เนื่องจากคุณสมบัติที่เหนือกว่าของเซเรียมทังสเตน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน GTAW แบบวงโคจร ทอเรียมทังสเตนถูกใช้น้อยลงกว่าในอดีตเนื่องจากมีกัมมันตภาพรังสีอยู่บ้าง
อิเล็กโทรดที่มีผิวขัดเงาจะมีขนาดสม่ำเสมอกว่า พื้นผิวเรียบย่อมดีกว่าพื้นผิวหยาบหรือไม่สม่ำเสมอเสมอ เพราะความสม่ำเสมอของรูปทรงเรขาคณิตของอิเล็กโทรดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อผลลัพธ์การเชื่อมที่สม่ำเสมอและเรียบเนียน อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากปลายอิเล็กโทรด (DCEN) จะถ่ายเทความร้อนจากปลายทังสเตนไปยังรอยเชื่อม ปลายอิเล็กโทรดที่ละเอียดกว่าจะช่วยให้ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูงมาก แต่อาจทำให้อายุการใช้งานของทังสเตนสั้นลง สำหรับการเชื่อมแบบวงโคจร จำเป็นต้องเจียรปลายอิเล็กโทรดด้วยเครื่องจักรเพื่อให้แน่ใจว่ารูปทรงเรขาคณิตของทังสเตนและรอยเชื่อมมีความสม่ำเสมอ ปลายทู่จะบังคับให้ประกายไฟจากรอยเชื่อมไปยังจุดเดิมบนทังสเตน เส้นผ่านศูนย์กลางของปลายอิเล็กโทรดควบคุมรูปร่างของประกายไฟและปริมาณการแทรกซึมที่กระแสไฟฟ้าที่กำหนด มุมเรียวมีผลต่อลักษณะกระแส/แรงดันของประกายไฟและต้องระบุและควบคุม ความยาวของทังสเตนมีความสำคัญเพราะสามารถใช้ความยาวของทังสเตนที่ทราบเพื่อกำหนดช่องว่างของประกายไฟ ช่องว่างของประกายไฟสำหรับค่ากระแสไฟฟ้าที่กำหนดจะกำหนดแรงดันไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าที่ใช้ รอยเชื่อม
ขนาดของอิเล็กโทรดและเส้นผ่านศูนย์กลางปลายอิเล็กโทรดจะถูกเลือกตามความเข้มของกระแสเชื่อม หากกระแสสูงเกินไปสำหรับอิเล็กโทรดหรือปลายอิเล็กโทรด อาจทำให้โลหะหลุดออกจากปลายอิเล็กโทรดได้ และการใช้อิเล็กโทรดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางปลายใหญ่เกินไปสำหรับกระแสอาจทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของอาร์คได้ เรากำหนดขนาดอิเล็กโทรดและเส้นผ่านศูนย์กลางปลายตามความหนาของผนังรอยเชื่อม และใช้เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.0625 นิ้วสำหรับเกือบทุกชิ้นงานที่มีความหนาของผนังไม่เกิน 0.093 นิ้ว เว้นแต่จะออกแบบมาเพื่อใช้กับอิเล็กโทรดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.040 นิ้วสำหรับการเชื่อมชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงขนาดเล็ก เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอในการเชื่อม ประเภทและผิวสำเร็จของทังสเตน ความยาว มุมเรียว เส้นผ่านศูนย์กลาง เส้นผ่านศูนย์กลางปลาย และช่องว่างอาร์คทั้งหมดจะต้องได้รับการกำหนดและควบคุม สำหรับงานเชื่อมท่อ แนะนำให้ใช้ทังสเตนซีเรียมเสมอ เนื่องจากประเภทนี้มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าประเภทอื่น ๆ มาก และมีคุณสมบัติการจุดอาร์คที่ดีเยี่ยม ทังสเตนซีเรียมไม่เป็นสารกัมมันตรังสี
หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม โปรดติดต่อ Barbara Henon ผู้จัดการฝ่ายเอกสารทางเทคนิค บริษัท Arc Machines, Inc. 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331 โทรศัพท์: 818-896-9556 โทรสาร: 818-890-3724