หมายเหตุของบรรณาธิการ: Pharmaceutical Online มีความยินดีที่จะนำเสนอบทความสี่ส่วนเกี่ยวกับการเชื่อมวงโคจรของท่อชีวภาพโดยผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรม Barbara Henon จาก Arc Machines บทความนี้ดัดแปลงมาจากการนำเสนอของดร. Henon ในงานประชุม ASME เมื่อปลายปีที่แล้ว
ป้องกันการสูญเสียความต้านทานการกัดกร่อน น้ำที่มีความบริสุทธิ์สูง เช่น DI หรือ WFI เป็นสารกัดกร่อนที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูงสำหรับสแตนเลส นอกจากนี้ WFI เกรดเภสัชกรรมยังถูกหมุนเวียนที่อุณหภูมิสูง (80°C) เพื่อรักษาความปลอดเชื้อ มีความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างการลดอุณหภูมิให้เพียงพอเพื่อสนับสนุนสิ่งมีชีวิตที่เป็นอันตรายต่อผลิตภัณฑ์และการเพิ่มอุณหภูมิให้เพียงพอเพื่อส่งเสริมการผลิต "สีแดง" สีแดงเป็นฟิล์มสีน้ำตาลที่มีองค์ประกอบแตกต่างกันซึ่งเกิดจากการกัดกร่อนของส่วนประกอบระบบท่อสแตนเลส สิ่งสกปรกและออกไซด์ของเหล็กอาจเป็นองค์ประกอบหลัก แต่เหล็ก โครเมียม และนิกเกิลในรูปแบบต่างๆ อาจมีอยู่ด้วย การปรากฏตัวของสีแดงอาจเป็นอันตรายต่อผลิตภัณฑ์บางอย่างและการมีอยู่ของสีแดงอาจทำให้เกิดการกัดกร่อนเพิ่มเติม แม้ว่าการปรากฏตัวของสีแดงในระบบอื่นๆ จะดูเหมือนไม่เป็นอันตรายมากนักก็ตาม
การเชื่อมโลหะสามารถส่งผลเสียต่อความต้านทานการกัดกร่อน สีที่ร้อนเป็นผลจากวัสดุออกซิไดซ์ที่สะสมบนรอยเชื่อมและ HAZ ระหว่างการเชื่อม ซึ่งเป็นอันตรายอย่างยิ่งและมักเกิดการสะสมของสีแดงในระบบน้ำที่ใช้ในการผลิตยา การก่อตัวของโครเมียมออกไซด์อาจทำให้เกิดสีที่ร้อนขึ้น ทิ้งชั้นโครเมียมที่ลดลงไว้ซึ่งอาจเกิดการกัดกร่อนได้ สีที่ร้อนสามารถขจัดออกได้ด้วยการดองและเจียร การเอาโลหะออกจากพื้นผิว รวมถึงชั้นโครเมียมที่ลดลงด้านล่าง และการฟื้นฟูความต้านทานการกัดกร่อนให้อยู่ในระดับที่ใกล้เคียงกับระดับโลหะพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม การดองและเจียรเป็นอันตรายต่อการตกแต่งพื้นผิว การทำให้ระบบท่อเฉื่อยด้วยกรดไนตริกหรือสูตรสารคีเลตทำขึ้นเพื่อเอาชนะผลกระทบเชิงลบของการเชื่อมและการประดิษฐ์ก่อนที่ระบบท่อจะนำไปใช้งาน การวิเคราะห์อิเล็กตรอนแบบออเกอร์แสดงให้เห็นว่าการทำให้เฉื่อยด้วยการคีเลตสามารถฟื้นฟูการเปลี่ยนแปลงพื้นผิวในการกระจายของออกซิเจน โครเมียม เหล็ก นิกเกิล และแมงกานีสที่เกิดขึ้นในรอยเชื่อมและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนได้ สถานะก่อนการเชื่อม อย่างไรก็ตาม การทำให้เป็นเฉื่อยจะส่งผลต่อชั้นผิวด้านนอกเท่านั้น และไม่สามารถทะลุผ่านได้ต่ำกว่า 50 อังสตรอม ในขณะที่การเปลี่ยนสีเนื่องจากความร้อนสามารถขยายไปได้ 1,000 อังสตรอมหรือมากกว่านั้นใต้พื้นผิว
ดังนั้นเพื่อที่จะติดตั้งระบบท่อที่ทนต่อการกัดกร่อนใกล้กับพื้นผิวที่ไม่ได้เชื่อม จึงมีความสำคัญที่จะต้องพยายามจำกัดความเสียหายที่เกิดจากการเชื่อมและการประดิษฐ์ให้อยู่ในระดับที่สามารถฟื้นฟูได้อย่างมีนัยสำคัญโดยการทำให้เฉื่อย ซึ่งต้องใช้ก๊าซเป่าที่มีปริมาณออกซิเจนขั้นต่ำและส่งไปยังเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของรอยเชื่อมโดยไม่ปนเปื้อนจากออกซิเจนในบรรยากาศหรือความชื้น การควบคุมความร้อนเข้าอย่างแม่นยำและหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไปในระหว่างการเชื่อมก็มีความสำคัญเช่นกันเพื่อป้องกันการสูญเสียความต้านทานการกัดกร่อน การควบคุมกระบวนการผลิตเพื่อให้ได้รอยเชื่อมคุณภาพสูงที่ทำซ้ำได้และสม่ำเสมอ รวมถึงการจัดการท่อและส่วนประกอบสแตนเลสอย่างระมัดระวังระหว่างการผลิตเพื่อป้องกันการปนเปื้อน ถือเป็นข้อกำหนดที่จำเป็นสำหรับระบบท่อคุณภาพสูงที่ทนต่อการกัดกร่อนและให้บริการที่มีประสิทธิผลในระยะยาว
วัสดุที่ใช้ในระบบท่อสแตนเลสทางชีวเภสัชที่มีความบริสุทธิ์สูงได้รับการพัฒนาให้มีความทนทานต่อการกัดกร่อนที่ดีขึ้นในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา สแตนเลสส่วนใหญ่ที่ใช้ก่อนปี 1980 คือสแตนเลส 304 เนื่องจากมีราคาค่อนข้างถูกและเป็นการพัฒนาจากทองแดงที่ใช้ก่อนหน้านี้ ในความเป็นจริง สแตนเลสซีรีส์ 300 นั้นค่อนข้างง่ายต่อการกลึง สามารถเชื่อมแบบหลอมรวมได้โดยไม่สูญเสียความทนทานต่อการกัดกร่อนที่ไม่จำเป็น และไม่จำเป็นต้องมีการอุ่นเครื่องล่วงหน้าและหลังการอบด้วยความร้อนเป็นพิเศษ
เมื่อไม่นานมานี้ การใช้สแตนเลส 316 ในงานท่อที่มีความบริสุทธิ์สูงได้เพิ่มมากขึ้น สเตนเลส 316 มีองค์ประกอบคล้ายกับสเตนเลส 304 แต่มีองค์ประกอบโลหะผสมโครเมียมและนิกเกิลที่เหมือนกันในทั้งสองชนิด สเตนเลส 316 ยังมีโมลิบดีนัมประมาณ 2% ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของสเตนเลส 316 ได้อย่างมาก สเตนเลส 304L และ 316L เรียกอีกอย่างว่าเกรด “L” มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่าเกรดมาตรฐาน (0.035% เทียบกับ 0.08%) การลดปริมาณคาร์บอนนี้มีจุดประสงค์เพื่อลดปริมาณการตกตะกอนของคาร์ไบด์ที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากการเชื่อม นี่คือการก่อตัวของคาร์ไบด์โครเมียม ซึ่งทำให้ขอบเกรนของโลหะฐานโครเมียมลดลง ทำให้ไวต่อการกัดกร่อน การก่อตัวของคาร์ไบด์โครเมียม เรียกว่า “การทำให้ไวต่อความร้อน” ขึ้นอยู่กับเวลาและอุณหภูมิ และเป็นปัญหาใหญ่กว่าเมื่อบัดกรีด้วยมือ เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าการเชื่อมด้วยวงโคจรของ สเตนเลสซูเปอร์ออสเทนนิติก AL-6XN ให้การเชื่อมที่ทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าการเชื่อมด้วยมือที่คล้ายกัน นั่นเป็นเพราะการเชื่อมด้วยวงโคจรช่วยให้ควบคุมกระแสไฟ การเต้นเป็นจังหวะ และจังหวะเวลาได้อย่างแม่นยำ ส่งผลให้ความร้อนที่ป้อนเข้ามาต่ำและสม่ำเสมอมากกว่าการเชื่อมด้วยมือ การเชื่อมด้วยวงโคจรร่วมกับเกรด "L" 304 และ 316 ช่วยลดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ซึ่งเป็นปัจจัยในการเกิดการกัดกร่อนในระบบท่อได้เกือบหมด
การเปลี่ยนแปลงความร้อนระหว่างความร้อนของสแตนเลส แม้ว่าพารามิเตอร์ในการเชื่อมและปัจจัยอื่นๆ จะสามารถรักษาให้คงอยู่ในค่าความคลาดเคลื่อนที่ค่อนข้างแคบได้ แต่ก็ยังมีความแตกต่างในปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการเชื่อมสแตนเลสจากความร้อนหนึ่งไปยังอีกความร้อนหนึ่ง หมายเลขความร้อนคือหมายเลขล็อตที่กำหนดให้กับโลหะหลอมสแตนเลสที่โรงงาน องค์ประกอบทางเคมีที่แน่นอนของแต่ละชุดจะถูกบันทึกไว้ในรายงานการทดสอบของโรงงาน (MTR) พร้อมกับการระบุชุดหรือหมายเลขความร้อน เหล็กบริสุทธิ์จะหลอมละลายที่อุณหภูมิ 1,538°C (2,800°F) ในขณะที่โลหะอัลลอยด์จะหลอมละลายภายในช่วงอุณหภูมิ ขึ้นอยู่กับประเภทและความเข้มข้นของโลหะอัลลอยด์แต่ละชนิดหรือธาตุที่พบ เนื่องจากความร้อนสองครั้งของสแตนเลสจะไม่มีองค์ประกอบแต่ละชนิดที่ความเข้มข้นเท่ากันทุกประการ ลักษณะการเชื่อมจึงแตกต่างกันไปในแต่ละเตาเผา
การทดสอบ SEM ของรอยเชื่อมวงโคจรของท่อ 316L บนท่อ AOD (ด้านบน) และวัสดุ EBR (ด้านล่าง) แสดงให้เห็นความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในความเรียบของรอยเชื่อม
ในขณะที่ขั้นตอนการเชื่อมแบบเดียวอาจใช้ได้กับความร้อนส่วนใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและความหนาของผนังใกล้เคียงกัน แต่ความร้อนบางประเภทต้องการกระแสไฟน้อยกว่า และบางประเภทต้องการกระแสไฟที่สูงกว่าปกติ ด้วยเหตุนี้ จึงต้องติดตามการให้ความร้อนกับวัสดุต่างๆ ในสถานที่ทำงานอย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาที่อาจเกิดขึ้น บ่อยครั้ง ความร้อนใหม่ต้องการการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟเพียงเล็กน้อยเท่านั้นเพื่อให้ได้กระบวนการเชื่อมที่น่าพอใจ
ปัญหากำมะถัน กำมะถันในธาตุเป็นสิ่งเจือปนที่เกี่ยวข้องกับแร่เหล็กซึ่งจะถูกกำจัดออกเป็นส่วนใหญ่ในระหว่างกระบวนการผลิตเหล็ก เหล็กกล้าไร้สนิม AISI ชนิด 304 และ 316 กำหนดให้มีปริมาณกำมะถันสูงสุดที่ 0.030% ด้วยการพัฒนากระบวนการกลั่นเหล็กที่ทันสมัย ​​เช่น การแยกคาร์บอนด้วยออกซิเจนอาร์กอน (AOD) และการหลอมด้วยสุญญากาศแบบคู่ เช่น การหลอมด้วยการเหนี่ยวนำสุญญากาศตามด้วยการหลอมใหม่ด้วยอาร์กสุญญากาศ (VIM+VAR) ทำให้สามารถผลิตเหล็กที่พิเศษมากได้ด้วยวิธีต่อไปนี้: องค์ประกอบทางเคมีของเหล็ก มีการสังเกตกันว่าคุณสมบัติของแอ่งเชื่อมจะเปลี่ยนไปเมื่อปริมาณกำมะถันในเหล็กต่ำกว่า 0.008% ซึ่งเกิดจากผลของกำมะถันและองค์ประกอบอื่นๆ ในระดับที่น้อยกว่าต่อค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของแรงตึงผิวของแอ่งเชื่อม ซึ่งจะกำหนดลักษณะการไหลของแอ่งของเหลว
ที่ความเข้มข้นของซัลเฟอร์ต่ำมาก (0.001% – 0.003%) การเจาะทะลุของแอ่งเชื่อมจะกว้างมากเมื่อเทียบกับการเชื่อมที่คล้ายกันที่ทำกับวัสดุที่มีปริมาณซัลเฟอร์ปานกลาง การเชื่อมบนท่อสเตนเลสที่มีปริมาณซัลเฟอร์ต่ำจะมีรอยเชื่อมที่กว้างขึ้น ในขณะที่ท่อที่มีผนังหนา (0.065 นิ้ว หรือ 1.66 มม. หรือมากกว่า) จะมีแนวโน้มที่จะทำให้รอยเชื่อมเป็นรอยลึกมากขึ้น เมื่อกระแสเชื่อมเพียงพอที่จะสร้างรอยเชื่อมที่เจาะทะลุได้เต็มที่ ซึ่งจะทำให้วัสดุที่มีปริมาณซัลเฟอร์ต่ำมากเชื่อมได้ยากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีผนังหนา เมื่อความเข้มข้นของซัลเฟอร์สูงในสเตนเลส 304 หรือ 316 สูงขึ้น รอยเชื่อมจะมีลักษณะเป็นของเหลวและหยาบกว่าวัสดุที่มีซัลเฟอร์ปานกลาง ดังนั้น เพื่อให้เชื่อมได้ ปริมาณซัลเฟอร์ที่เหมาะสมจะอยู่ในช่วงประมาณ 0.005% ถึง 0.017% ตามที่ระบุไว้ใน ASTM A270 S2 สำหรับผลิตภัณฑ์ยา ท่อคุณภาพ
ผู้ผลิตท่อเหล็กกล้าไร้สนิมขัดเงาด้วยไฟฟ้าพบว่าแม้สเตนเลส 316 หรือ 316L จะมีปริมาณกำมะถันในระดับปานกลางก็ทำให้ไม่สามารถตอบสนองความต้องการของลูกค้าด้านเซมิคอนดักเตอร์และชีวเภสัชกรรมที่ต้องการพื้นผิวภายในที่เรียบไม่มีหลุมได้ การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนเพื่อตรวจสอบความเรียบของพื้นผิวท่อนั้นพบเห็นได้ทั่วไปมากขึ้น พบว่ากำมะถันในโลหะพื้นฐานสามารถสร้างสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะหรือแมงกานีสซัลไฟด์ (MnS) ซึ่งเป็น "สารผสม" ที่ถูกกำจัดออกระหว่างการขัดเงาด้วยไฟฟ้าและทิ้งช่องว่างในช่วง 0.25-1.0 ไมครอน
ผู้ผลิตและซัพพลายเออร์ของท่อขัดเงาด้วยไฟฟ้ากำลังผลักดันตลาดให้ใช้สารกำมะถันต่ำพิเศษเพื่อตอบสนองความต้องการด้านการตกแต่งพื้นผิว อย่างไรก็ตาม ปัญหาไม่ได้จำกัดอยู่แค่ท่อขัดเงาด้วยไฟฟ้าเท่านั้น เนื่องจากในท่อที่ไม่ผ่านการขัดเงาด้วยไฟฟ้า สิ่งเจือปนจะถูกกำจัดออกในระหว่างการทำให้ระบบท่อเฉื่อย พบว่าช่องว่างมีแนวโน้มที่จะเกิดหลุมมากกว่าพื้นผิวที่เรียบ ดังนั้นจึงมีเหตุผลที่สมเหตุสมผลหลายประการสำหรับแนวโน้มที่จะใช้สารกำมะถันต่ำและ "สะอาดกว่า"
การเบี่ยงเบนของส่วนโค้ง นอกจากจะปรับปรุงการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมแล้ว การมีกำมะถันอยู่บ้างยังช่วยปรับปรุงการตัดเฉือนอีกด้วย เป็นผลให้ผู้ผลิตและผู้ผลิตมักเลือกใช้วัสดุที่มีปริมาณกำมะถันในช่วงที่สูงกว่าที่กำหนด ท่อเชื่อมที่มีปริมาณกำมะถันต่ำมากกับอุปกรณ์ประกอบ วาล์ว หรือท่ออื่นๆ ที่มีปริมาณกำมะถันสูงอาจทำให้เกิดปัญหาในการเชื่อมได้ เนื่องจากส่วนโค้งจะเอนเอียงไปทางท่อที่มีปริมาณกำมะถันต่ำ เมื่อเกิดการเบี่ยงเบนของส่วนโค้ง การเจาะจะลึกขึ้นที่ด้านกำมะถันต่ำมากกว่าด้านกำมะถันสูง ซึ่งตรงกันข้ามกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อเชื่อมท่อที่มีปริมาณกำมะถันเท่ากัน ในกรณีรุนแรง ลูกปัดเชื่อมสามารถทะลุวัสดุกำมะถันต่ำได้หมดและทิ้งรอยเชื่อมไว้โดยไม่หลอมรวมเลย (Fihey and Simeneau, 1982) เพื่อให้ปริมาณกำมะถันของอุปกรณ์ประกอบเข้ากับปริมาณกำมะถันของท่อ Carpenter Steel Division ของ Car-penter Technology Corporation รัฐเพนซิลเวเนียได้นำแท่งเหล็ก 316 ที่มีกำมะถันต่ำ (สูงสุด 0.005%) (ประเภท 316L-SCQ) (VIM+VAR)) มาใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์ต่อท่อและส่วนประกอบอื่นๆ ที่ใช้เพื่อเชื่อมกับท่อที่มีกำมะถันต่ำ การเชื่อมวัสดุที่มีกำมะถันต่ำมากสองชิ้นเข้าด้วยกันนั้นง่ายกว่าการเชื่อมวัสดุที่มีกำมะถันต่ำมากกับวัสดุที่มีกำมะถันสูงกว่ามาก
การเปลี่ยนมาใช้ท่อกำมะถันต่ำนั้นส่วนใหญ่เกิดจากความต้องการที่จะได้พื้นผิวท่อในที่เรียบเนียนและผ่านการขัดเงาด้วยไฟฟ้า แม้ว่าการตกแต่งพื้นผิวและการขัดเงาด้วยไฟฟ้าจะมีความสำคัญต่อทั้งอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และอุตสาหกรรมเทคโนโลยีชีวภาพ/เภสัชกรรม แต่ SEMI ได้ระบุเมื่อเขียนข้อกำหนดของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ว่าท่อ 316L สำหรับท่อส่งก๊าซสำหรับกระบวนการจะต้องมีฝาปิดกำมะถัน 0.004% เพื่อให้ปลายพื้นผิวมีประสิทธิภาพการทำงานที่เหมาะสมที่สุด ในทางกลับกัน ASTM ได้แก้ไขข้อกำหนด ASTM 270 เพื่อรวมถึงท่อเกรดเภสัชกรรมที่จำกัดปริมาณกำมะถันให้อยู่ในช่วง 0.005 ถึง 0.017% ซึ่งควรส่งผลให้มีความยุ่งยากในการเชื่อมน้อยลงเมื่อเทียบกับกำมะถันในช่วงที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าแม้จะอยู่ในช่วงจำกัดนี้ การเบี่ยงเบนของอาร์กก็ยังสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อเชื่อมท่อกำมะถันต่ำกับท่อหรืออุปกรณ์ที่มีกำมะถันสูง และผู้ติดตั้งควรติดตามการให้ความร้อนของวัสดุอย่างระมัดระวังและตรวจสอบความเข้ากันได้ของบัดกรีระหว่าง การให้ความร้อน.การผลิตงานเชื่อม.
ธาตุอื่นๆ ที่พบ ได้แก่ กำมะถัน ออกซิเจน อะลูมิเนียม ซิลิกอน และแมงกานีส พบว่าส่งผลกระทบต่อการแทรกซึม อะลูมิเนียม ซิลิกอน แคลเซียม ไททาเนียม และโครเมียมปริมาณเล็กน้อยที่มีอยู่ในโลหะพื้นฐานเป็นการรวมตัวของออกไซด์เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของตะกรันในระหว่างการเชื่อม
ผลกระทบของธาตุต่างๆ นั้นมีผลสะสมกัน ดังนั้นการมีออกซิเจนอยู่สามารถชดเชยผลกระทบของกำมะถันต่ำบางส่วนได้ อะลูมิเนียมในระดับสูงสามารถต่อต้านผลในเชิงบวกต่อการแทรกซึมของกำมะถันได้ แมงกานีสจะระเหยที่อุณหภูมิในการเชื่อมและเกิดการสะสมในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนในการเชื่อม การสะสมแมงกานีสเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการสูญเสียความต้านทานการกัดกร่อน (ดู Cohen, 1997) ปัจจุบัน อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์กำลังทดลองใช้แมงกานีสต่ำและวัสดุ 316L ที่มีแมงกานีสต่ำมากเพื่อป้องกันการสูญเสียความต้านทานการกัดกร่อนนี้
การก่อตัวของตะกรัน เกาะตะกรันอาจปรากฏขึ้นบนลูกปัดสแตนเลสเป็นครั้งคราวเมื่อผ่านความร้อนบางครั้ง ซึ่งโดยเนื้อแท้แล้วเป็นปัญหาเรื่องวัสดุ แต่บางครั้งการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์การเชื่อมสามารถลดปัญหานี้ลงได้ หรือการเปลี่ยนแปลงในส่วนผสมของอาร์กอน/ไฮโดรเจนสามารถปรับปรุงรอยเชื่อมให้ดีขึ้นได้ พอลลาร์ดพบว่าอัตราส่วนของอะลูมิเนียมต่อซิลิกอนในโลหะพื้นฐานส่งผลต่อการก่อตัวของตะกรัน เพื่อป้องกันการก่อตัวของตะกรันประเภทคราบพลัคที่ไม่ต้องการ เขาแนะนำให้ควบคุมปริมาณอะลูมิเนียมไว้ที่ 0.010% และปริมาณซิลิกอนไว้ที่ 0.5% อย่างไรก็ตาม เมื่ออัตราส่วนของ Al/Si สูงกว่าระดับนี้ ตะกรันอาจก่อตัวเป็นทรงกลมแทนที่จะเป็นประเภทคราบพลัค ตะกรันประเภทนี้สามารถทิ้งหลุมไว้หลังจากการขัดด้วยไฟฟ้า ซึ่งถือเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้สำหรับการใช้งานที่มีความบริสุทธิ์สูง เกาะตะกรันที่เกิดขึ้นบนเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของรอยเชื่อมอาจทำให้การเจาะทะลุของรูเชื่อมด้านในไม่สม่ำเสมอ และอาจส่งผลให้การเจาะทะลุไม่เพียงพอ เกาะตะกรันที่เกิดขึ้นบนลูกปัดเชื่อมด้านในอาจเกิดการกัดกร่อนได้
การเชื่อมแบบรอบเดียวพร้อมการเต้นเป็นจังหวะ การเชื่อมท่อด้วยวงโคจรอัตโนมัติมาตรฐานเป็นการเชื่อมแบบรอบเดียวโดยใช้กระแสพัลส์และการหมุนด้วยความเร็วคงที่อย่างต่อเนื่อง เทคนิคนี้เหมาะสำหรับท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกตั้งแต่ 1/8″ ถึงประมาณ 7″ และความหนาของผนัง 0.083″ และต่ำกว่า หลังจากการเป่าอากาศล่วงหน้าแบบกำหนดเวลา จะเกิดการอาร์กขึ้น การเจาะทะลุผนังท่อจะสำเร็จในช่วงระยะเวลาหน่วงเวลาที่มีการอาร์กเกิดขึ้นแต่ไม่มีการหมุนเกิดขึ้น หลังจากการหน่วงเวลาการหมุนนี้ อิเล็กโทรดจะหมุนรอบรอยเชื่อมจนกว่ารอยเชื่อมจะเชื่อมเข้าหรือทับซ้อนกับส่วนเริ่มต้นของรอยเชื่อมในชั้นสุดท้ายของการเชื่อม เมื่อการเชื่อมต่อเสร็จสมบูรณ์ กระแสจะลดลงเป็นระยะเวลานาน
โหมดสเต็ป (การเชื่อมแบบ “ซิงโครไนซ์”) สำหรับการเชื่อมแบบหลอมรวมของวัสดุที่มีผนังหนากว่า โดยทั่วไปจะมากกว่า 0.083 นิ้ว แหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อมแบบหลอมรวมสามารถใช้ในโหมดซิงโครนัสหรือสเต็ปได้ ในโหมดซิงโครนัสหรือสเต็ป พัลส์กระแสการเชื่อมจะซิงโครไนซ์กับจังหวะ ดังนั้นโรเตอร์จึงอยู่กับที่เพื่อให้ทะลุทะลวงได้สูงสุดในระหว่างพัลส์กระแสไฟฟ้าสูงและเคลื่อนที่ในระหว่างพัลส์กระแสไฟฟ้าต่ำ เทคนิคแบบซิงโครนัสใช้เวลาพัลส์นานกว่า ประมาณ 0.5 ถึง 1.5 วินาที เมื่อเทียบกับเวลาพัลส์หนึ่งในสิบหรือหนึ่งในร้อยวินาทีของการเชื่อมแบบธรรมดา เทคนิคนี้สามารถเชื่อมท่อที่มีผนังบางขนาด 40 เกจ 40 หนา 0.154 นิ้วหรือ 6 นิ้ว ที่มีผนังหนา 0.154 นิ้วหรือ 6 นิ้ว ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เทคนิคแบบสเต็ปทำให้เชื่อมได้กว้างขึ้น ทำให้ทนทานต่อความผิดพลาด และมีประโยชน์สำหรับการเชื่อมชิ้นส่วนที่ไม่สม่ำเสมอ เช่น อุปกรณ์ท่อเข้ากับท่อ ซึ่งอาจมีความแตกต่างกันในความคลาดเคลื่อนของขนาด การจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง หรือวัสดุไม่เข้ากันทางความร้อน การเชื่อมประเภทนี้ต้องใช้เวลาอาร์กประมาณสองเท่าของการเชื่อมแบบธรรมดา และ ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก (UHP) เนื่องจากมีรอยตะเข็บที่กว้างและหยาบกว่า
ตัวแปรที่ตั้งโปรแกรมได้ แหล่งจ่ายไฟเชื่อมรุ่นปัจจุบันใช้ไมโครโปรเซสเซอร์และมีโปรแกรมจัดเก็บข้อมูลที่ระบุค่าตัวเลขสำหรับพารามิเตอร์การเชื่อมให้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง (OD) เฉพาะและความหนาของผนังท่อที่จะเชื่อม รวมถึงเวลาเป่า กระแสในการเชื่อม ความเร็วในการเคลื่อนที่ (RPM)) จำนวนชั้นและเวลาต่อชั้น เวลาพัลส์ เวลาลงเนิน ฯลฯ สำหรับการเชื่อมท่อแบบวงโคจรที่มีการเพิ่มลวดเติม พารามิเตอร์ของโปรแกรมจะได้แก่ ความเร็วการป้อนลวด แอมพลิจูดของการแกว่งคบเพลิงและเวลาพัก AVC (การควบคุมแรงดันอาร์กเพื่อให้มีช่องว่างอาร์กคงที่) และความชันขึ้น เมื่อต้องการทำการเชื่อมแบบหลอมรวม ให้ติดตั้งหัวเชื่อมโดยใช้ขั้วไฟฟ้าที่เหมาะสมและตัวหนีบท่อบนท่อ และเรียกคืนตารางการเชื่อมหรือโปรแกรมจากหน่วยความจำแหล่งจ่ายไฟ ลำดับการเชื่อมเริ่มต้นด้วยการกดปุ่มหรือแป้นแผงเมมเบรน และการเชื่อมจะดำเนินต่อไปโดยไม่ต้องให้ผู้ปฏิบัติงานเข้ามาแทรกแซง
ตัวแปรที่ไม่สามารถตั้งโปรแกรมได้ เพื่อให้ได้คุณภาพการเชื่อมที่ดีอย่างสม่ำเสมอ จำเป็นต้องควบคุมพารามิเตอร์การเชื่อมอย่างระมัดระวัง ซึ่งทำได้โดยความแม่นยำของแหล่งพลังงานในการเชื่อมและโปรแกรมการเชื่อม ซึ่งเป็นชุดคำสั่งที่ป้อนเข้าไปในแหล่งพลังงาน ซึ่งประกอบด้วยพารามิเตอร์การเชื่อม สำหรับการเชื่อมท่อขนาดเฉพาะ นอกจากนี้ ยังต้องมีชุดมาตรฐานการเชื่อมที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งระบุเกณฑ์การยอมรับการเชื่อม และระบบตรวจสอบและควบคุมคุณภาพการเชื่อมบางอย่าง เพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมเป็นไปตามมาตรฐานที่ตกลงกันไว้ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการควบคุมปัจจัยและขั้นตอนบางอย่างนอกเหนือจากพารามิเตอร์การเชื่อมอย่างระมัดระวังเช่นกัน ปัจจัยเหล่านี้ได้แก่ การใช้อุปกรณ์เตรียมปลายที่ดี วิธีการทำความสะอาดและการจัดการที่ดี ความคลาดเคลื่อนของมิติที่ดีของท่อหรือส่วนอื่นๆ ที่จะเชื่อม ประเภทและขนาดทังสเตนที่สม่ำเสมอ ก๊าซเฉื่อยที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์สูง และความเอาใจใส่อย่างรอบคอบต่อการเปลี่ยนแปลงของวัสดุ - อุณหภูมิสูง
ข้อกำหนดในการเตรียมการสำหรับการเชื่อมปลายท่อนั้นมีความสำคัญสำหรับการเชื่อมแบบวงโคจรมากกว่าการเชื่อมด้วยมือ รอยเชื่อมสำหรับการเชื่อมท่อแบบวงโคจรมักจะเป็นรอยต่อแบบสี่เหลี่ยม เพื่อให้ได้ความสามารถในการทำซ้ำตามต้องการในการเชื่อมแบบวงโคจร จำเป็นต้องมีการเตรียมปลายที่ผ่านการกลึงอย่างแม่นยำและสม่ำเสมอ เนื่องจากกระแสในการเชื่อมขึ้นอยู่กับความหนาของผนัง ปลายจึงต้องเป็นทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัสโดยไม่มีเสี้ยนหรือมุมเอียงที่ OD หรือ ID (OD หรือ ID) ซึ่งจะทำให้ผนังมีความหนาต่างกัน
ปลายท่อจะต้องพอดีกันในหัวเชื่อมเพื่อไม่ให้มีช่องว่างที่เห็นได้ชัดระหว่างปลายของข้อต่อแบบสี่เหลี่ยมแม้ว่าจะสามารถทำข้อต่อแบบเชื่อมที่มีช่องว่างเล็กๆ ได้ แต่คุณภาพของการเชื่อมอาจได้รับผลกระทบยิ่งช่องว่างมีขนาดใหญ่ ก็ยิ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหามากขึ้นการประกอบที่ไม่ดีอาจส่งผลให้การบัดกรีล้มเหลวโดยสมบูรณ์เลื่อยตัดท่อที่ผลิตโดย George Fischer และคนอื่นๆ ที่ใช้ตัดท่อและกลึงปลายท่อในการทำงานเดียวกัน หรือเครื่องกลึงเตรียมปลายแบบพกพา เช่น ที่ผลิตโดย Protem, Wachs และอื่นๆ ซึ่งมักใช้ในการเชื่อมแบบวงโคจรสำหรับปลายเรียบซึ่งเหมาะสำหรับการกลึง เลื่อยตัด เลื่อยตัดโลหะ เลื่อยสายพาน และเครื่องตัดท่อไม่เหมาะสำหรับจุดประสงค์นี้
นอกเหนือจากพารามิเตอร์การเชื่อมที่ป้อนพลังงานในการเชื่อมแล้วยังมีตัวแปรอื่นๆ ที่สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อการเชื่อม แต่ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนการเชื่อมจริง ซึ่งรวมถึงประเภทและขนาดของทังสเตน ประเภทและความบริสุทธิ์ของก๊าซที่ใช้ในการป้องกันอาร์กและไล่อากาศภายในรอยเชื่อม อัตราการไหลของก๊าซที่ใช้ในการไล่อากาศ ประเภทของหัวและแหล่งพลังงานที่ใช้ การกำหนดค่าของรอยเชื่อม และข้อมูลที่เกี่ยวข้องอื่นๆ เราเรียกตัวแปรเหล่านี้ว่า "ไม่สามารถตั้งโปรแกรมได้" และบันทึกไว้ในตารางการเชื่อม ตัวอย่างเช่น ประเภทของก๊าซถือเป็นตัวแปรที่จำเป็นในข้อกำหนดขั้นตอนการเชื่อม (WPS) สำหรับขั้นตอนการเชื่อมเพื่อให้เป็นไปตาม ASME ส่วนที่ IX รหัสหม้อไอน้ำและภาชนะรับแรงดัน การเปลี่ยนแปลงในประเภทก๊าซหรือเปอร์เซ็นต์ส่วนผสมของก๊าซ หรือการกำจัดการไล่อากาศตาม ID ต้องมีการตรวจสอบความถูกต้องของขั้นตอนการเชื่อมอีกครั้ง
แก๊สเชื่อม สแตนเลสมีความทนทานต่อการเกิดออกซิเดชันของออกซิเจนในบรรยากาศที่อุณหภูมิห้อง เมื่อถูกให้ความร้อนถึงจุดหลอมเหลว (1,530°C หรือ 2,800°F สำหรับเหล็กบริสุทธิ์) ก็จะเกิดการออกซิไดซ์ได้ง่าย อาร์กอนเฉื่อยมักใช้เป็นก๊าซป้องกันและสำหรับการไล่อากาศออกจากรอยเชื่อมภายในผ่านกระบวนการ GTAW แบบวงโคจร ความบริสุทธิ์ของก๊าซเมื่อเทียบกับออกซิเจนและความชื้นจะกำหนดปริมาณของการเปลี่ยนสีที่เกิดจากออกซิเดชันที่เกิดขึ้นบนหรือใกล้รอยเชื่อมหลังการเชื่อม หากก๊าซไล่อากาศไม่ใช่คุณภาพสูงสุดหรือหากระบบไล่อากาศไม่ปราศจากการรั่วไหลอย่างสมบูรณ์จนมีอากาศรั่วไหลเข้าไปในระบบไล่อากาศเพียงเล็กน้อย การเกิดออกซิเดชันอาจเป็นสีน้ำเงินอมเขียวอ่อนหรือสีน้ำเงิน แน่นอนว่าการไม่ทำความสะอาดจะทำให้พื้นผิวเป็นสีดำขลับซึ่งมักเรียกว่า "มีรสหวาน" อาร์กอนสำหรับเชื่อมที่จัดหาในกระบอกสูบมีความบริสุทธิ์ 99.996-99.997% ขึ้นอยู่กับซัพพลายเออร์ และมีออกซิเจนและสิ่งเจือปนอื่นๆ 5-7 ppm รวมถึง H2O, O2, CO2, ไฮโดรคาร์บอน ฯลฯ รวมสูงสุด 40 ppm อาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูงในกระบอกสูบหรืออาร์กอนเหลวใน Dewar อาจมีความบริสุทธิ์ 99.999% หรือมีสิ่งเจือปนทั้งหมด 10 ppm โดยมีออกซิเจนสูงสุด 2 ppm หมายเหตุ: เครื่องฟอกก๊าซเช่น Nanochem หรือ Gatekeeper สามารถใช้ได้ระหว่างการล้างเพื่อลดระดับการปนเปื้อนให้อยู่ในช่วงส่วนต่อพันล้าน (ppb)
ส่วนผสมของก๊าซ เช่น ฮีเลียม 75% อาร์กอน 25% และอาร์กอน 95% และไฮโดรเจน 5% สามารถใช้เป็นก๊าซป้องกันสำหรับการใช้งานพิเศษได้ ส่วนผสมทั้งสองชนิดทำให้เกิดรอยเชื่อมที่ร้อนกว่าการเชื่อมโดยใช้โปรแกรมเดียวกันกับอาร์กอน ส่วนผสมของฮีเลียมเหมาะเป็นพิเศษสำหรับการเชื่อมด้วยฟิวชันบนเหล็กกล้าคาร์บอนด้วยการเจาะทะลุสูงสุด ที่ปรึกษาอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์แนะนำให้ใช้ส่วนผสมของอาร์กอน/ไฮโดรเจนเป็นก๊าซป้องกันสำหรับการใช้งาน UHP ส่วนผสมของไฮโดรเจนมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีข้อเสียร้ายแรงบางประการเช่นกัน ข้อดีก็คือทำให้เกิดแอ่งน้ำที่ชื้นกว่าและพื้นผิวเชื่อมที่เรียบเนียนกว่า ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้ระบบจ่ายก๊าซแรงดันสูงพิเศษที่มีพื้นผิวด้านในที่เรียบเนียนที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ไฮโดรเจนที่มีอยู่จะทำให้เกิดบรรยากาศที่ลดความเข้มข้น ดังนั้น หากมีออกซิเจนหลงเหลืออยู่ในส่วนผสมของก๊าซ รอยเชื่อมที่ได้จะดูสะอาดขึ้นและมีรอยเปลี่ยนสีน้อยกว่าความเข้มข้นของออกซิเจนที่ใกล้เคียงกันในอาร์กอนบริสุทธิ์ ผลลัพธ์นี้จะเหมาะสมที่สุดเมื่อมีไฮโดรเจนปริมาณประมาณ 5% บางคนใช้ไฮโดรเจน 95/5% ส่วนผสมของอาร์กอน/ไฮโดรเจนเป็นตัวทำความสะอาดพื้นผิวเพื่อปรับปรุงลักษณะที่ปรากฏของรอยเชื่อมภายใน
รอยเชื่อมที่ใช้ส่วนผสมไฮโดรเจนเป็นก๊าซป้องกันจะแคบกว่า ยกเว้นว่าสแตนเลสมีปริมาณซัลเฟอร์ต่ำมากและสร้างความร้อนในรอยเชื่อมได้มากกว่าการตั้งค่ากระแสเดียวกันโดยใช้แก๊สอาร์กอนที่ไม่ผสมข้อเสียที่สำคัญของส่วนผสมอาร์กอน/ไฮโดรเจนคืออาร์กมีความเสถียรน้อยกว่าอาร์กอนบริสุทธิ์มาก และมีแนวโน้มที่อาร์กจะดริฟท์ ซึ่งรุนแรงพอที่จะทำให้เกิดการหลอมเหลวได้การดริฟท์อาจหายไปเมื่อใช้แหล่งแก๊สผสมอื่น ซึ่งบ่งชี้ว่าอาจเกิดจากการปนเปื้อนหรือการผสมที่ไม่ดีเนื่องจากความร้อนที่เกิดจากการดริฟท์จะแตกต่างกันไปตามความเข้มข้นของไฮโดรเจน ความเข้มข้นที่คงที่จึงมีความจำเป็นเพื่อให้เกิดรอยเชื่อมซ้ำได้ และแก๊สบรรจุขวดที่ผสมไว้ล่วงหน้าก็มีความแตกต่างกันข้อเสียอีกประการหนึ่งคืออายุการใช้งานของทังสเตนจะสั้นลงอย่างมากเมื่อใช้แก๊สผสมไฮโดรเจนแม้ว่าจะยังไม่สามารถระบุสาเหตุของการเสื่อมสภาพของทังสเตนจากก๊าซผสมได้ แต่มีรายงานว่าการดริฟท์นั้นทำได้ยากกว่า และอาจต้องเปลี่ยนทังสเตนหลังจากหนึ่งหรือสองครั้ง การเชื่อม ส่วนผสมของอาร์กอน/ไฮโดรเจนไม่สามารถใช้ในการเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนหรือไททาเนียมได้
คุณลักษณะเด่นของกระบวนการ TIG คือไม่ใช้ขั้วไฟฟ้า ทังสเตนมีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดในบรรดาโลหะทั้งหมด (6,098°F; 3,370°C) และเป็นตัวปล่อยอิเล็กตรอนที่ดี ทำให้เหมาะเป็นอย่างยิ่งสำหรับการใช้เป็นขั้วไฟฟ้าแบบไม่สิ้นเปลือง คุณสมบัติจะได้รับการปรับปรุงโดยการเติมออกไซด์ของธาตุหายากบางชนิด 2% เช่น ซีเรีย แลนทานัมออกไซด์ หรือทอเรียมออกไซด์ เพื่อปรับปรุงการเริ่มต้นอาร์กและความเสถียรของอาร์ก ทังสเตนบริสุทธิ์แทบไม่ได้ใช้ใน GTAW เนื่องจากซีเรียมทังสเตนมีคุณสมบัติเหนือกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน GTAW ในวงโคจร ทังสเตนทอเรียมถูกใช้ลดลงเมื่อเทียบกับในอดีตเนื่องจากค่อนข้างกัมมันตภาพรังสี
อิเล็กโทรดที่มีการขัดเงาจะมีขนาดสม่ำเสมอกว่า พื้นผิวเรียบจะดีกว่าพื้นผิวที่หยาบหรือไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากความสม่ำเสมอของรูปทรงอิเล็กโทรดมีความสำคัญต่อผลลัพธ์การเชื่อมที่สม่ำเสมอและสม่ำเสมอ อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากปลาย (DCEN) ถ่ายเทความร้อนจากปลายทังสเตนไปยังรอยเชื่อม ปลายที่ละเอียดกว่าจะทำให้รักษาความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าได้สูงมาก แต่ทังสเตนอาจมีอายุการใช้งานสั้นลง สำหรับการเชื่อมด้วยวงโคจร จำเป็นต้องเจียรปลายอิเล็กโทรดด้วยกลไกเพื่อให้แน่ใจถึงการทำซ้ำรูปทรงทังสเตนและความสามารถในการทำซ้ำของรอยเชื่อม ปลายทู่จะบังคับให้อาร์กจากรอยเชื่อมไปยังจุดเดียวกันบนทังสเตน เส้นผ่านศูนย์กลางของปลายควบคุมรูปร่างของอาร์กและปริมาณการแทรกซึมที่กระแสไฟฟ้าเฉพาะ มุมเรียวจะส่งผลต่อลักษณะของกระแสไฟฟ้า/แรงดันไฟของอาร์ก และจะต้องระบุและควบคุม ความยาวของทังสเตนมีความสำคัญเนื่องจากสามารถใช้ทังสเตนที่มีความยาวที่ทราบเพื่อกำหนดช่องว่างของอาร์กได้ ช่องว่างของอาร์กสำหรับค่ากระแสไฟฟ้าเฉพาะจะกำหนดแรงดันไฟและด้วยเหตุนี้ พลังงานที่ใช้กับงานเชื่อม
ขนาดของอิเล็กโทรดและเส้นผ่านศูนย์กลางปลายจะถูกเลือกตามความเข้มข้นของกระแสไฟในการเชื่อม หากกระแสไฟสูงเกินไปสำหรับอิเล็กโทรดหรือปลายของอิเล็กโทรด โลหะอาจหลุดออกจากปลายได้ และการใช้อิเล็กโทรดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางปลายที่ใหญ่เกินไปสำหรับกระแสไฟอาจทำให้เกิดการดริฟท์ของส่วนโค้ง เราระบุเส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโทรดและปลายโดยวัดจากความหนาของผนังรอยเชื่อม และใช้เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.0625 สำหรับเกือบทุกสิ่งที่มีความหนาของผนังไม่เกิน 0.093 นิ้ว เว้นแต่การใช้งานจะได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้กับอิเล็กโทรดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.040 นิ้ว สำหรับการเชื่อมชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำขนาดเล็ก สำหรับความสามารถในการทำซ้ำของกระบวนการเชื่อม จำเป็นต้องระบุและควบคุมประเภทและการตกแต่งของทังสเตน ความยาว มุมเทเปอร์ เส้นผ่านศูนย์กลาง เส้นผ่านศูนย์กลางปลาย และช่องว่างของส่วนโค้ง สำหรับการใช้งานเชื่อมท่อ แนะนำให้ใช้ซีเรียมทังสเตนเสมอ เนื่องจากประเภทนี้มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าประเภทอื่นมาก และมีคุณสมบัติการจุดระเบิดของส่วนโค้งที่ยอดเยี่ยม ซีเรียมทังสเตนไม่มีกัมมันตภาพรังสี
หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม โปรดติดต่อ Barbara Henon, Technical Publications Manager, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331 โทรศัพท์: 818-896-9556 แฟกซ์: 818-890-3724