Lời biên tập: Pharmaceutical Online hân hạnh giới thiệu bài viết gồm bốn phần về hàn quỹ đạo đường ống công nghệ sinh học do chuyên gia trong ngành Barbara Henon của Arc Machines thực hiện. Bài viết này được chuyển thể từ bài thuyết trình của Tiến sĩ Henon tại hội nghị ASME cuối năm ngoái.
Ngăn ngừa mất khả năng chống ăn mòn. Nước tinh khiết cao như nước khử ion (DI) hoặc nước tinh khiết dùng trong sản xuất rượu (WFI) là chất ăn mòn rất mạnh đối với thép không gỉ. Ngoài ra, nước tinh khiết dùng trong dược phẩm được tuần hoàn ở nhiệt độ cao (80°C) để duy trì độ vô trùng. Có một sự khác biệt tinh tế giữa việc hạ nhiệt độ đủ để duy trì sự sống của các sinh vật gây hại cho sản phẩm và việc nâng nhiệt độ đủ để thúc đẩy sự hình thành "lớp màng gỉ". Lớp màng gỉ là một lớp màng màu nâu có thành phần khác nhau do sự ăn mòn các bộ phận của hệ thống đường ống thép không gỉ. Bụi bẩn và oxit sắt có thể là thành phần chính, nhưng các dạng sắt, crom và niken khác nhau cũng có thể có mặt. Sự hiện diện của lớp màng gỉ gây hại cho một số sản phẩm và có thể dẫn đến ăn mòn thêm, mặc dù sự hiện diện của nó trong các hệ thống khác dường như khá vô hại.
Quá trình hàn có thể ảnh hưởng xấu đến khả năng chống ăn mòn. Màu nhiệt là kết quả của vật liệu bị oxy hóa lắng đọng trên các mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong quá trình hàn, đặc biệt có hại và liên quan đến sự hình thành cặn trong hệ thống nước dùng trong ngành dược phẩm. Sự hình thành oxit crom có ​​thể gây ra màu nhiệt, để lại một lớp bị suy giảm crom dễ bị ăn mòn. Màu nhiệt có thể được loại bỏ bằng cách tẩy gỉ và mài, loại bỏ kim loại khỏi bề mặt, bao gồm cả lớp bị suy giảm crom bên dưới, và khôi phục khả năng chống ăn mòn về mức gần với mức kim loại cơ bản. Tuy nhiên, việc tẩy gỉ và mài có hại cho bề mặt hoàn thiện. Việc thụ động hóa hệ thống đường ống bằng axit nitric hoặc các công thức chất tạo phức được thực hiện để khắc phục các tác động bất lợi của quá trình hàn và chế tạo trước khi hệ thống đường ống được đưa vào sử dụng. Phân tích điện tử Auger cho thấy rằng thụ động hóa bằng chất tạo phức có thể khôi phục các thay đổi bề mặt trong sự phân bố oxy, crom, sắt, niken và mangan xảy ra trong mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt về trạng thái trước khi hàn. Tuy nhiên, thụ động hóa chỉ ảnh hưởng đến lớp bề mặt bên ngoài và không thâm nhập xuống dưới 50 angstrom, trong khi màu nhiệt có thể mở rộng. Ở độ sâu 1000 angstrom trở lên dưới bề mặt.
Do đó, để lắp đặt hệ thống đường ống chống ăn mòn gần các bề mặt không hàn, điều quan trọng là phải cố gắng hạn chế hư hại do hàn và gia công gây ra ở mức có thể phục hồi đáng kể bằng quá trình thụ động hóa. Điều này đòi hỏi phải sử dụng khí bảo vệ có hàm lượng oxy tối thiểu và dẫn vào đường kính bên trong của mối hàn mà không bị nhiễm bẩn bởi oxy hoặc hơi ẩm trong khí quyển. Kiểm soát chính xác lượng nhiệt đầu vào và tránh quá nhiệt trong quá trình hàn cũng rất quan trọng để ngăn ngừa mất khả năng chống ăn mòn. Kiểm soát quy trình sản xuất để đạt được các mối hàn chất lượng cao, nhất quán và có thể lặp lại, cũng như việc xử lý cẩn thận các ống và linh kiện thép không gỉ trong quá trình sản xuất để ngăn ngừa nhiễm bẩn, là những yêu cầu thiết yếu đối với một hệ thống đường ống chất lượng cao, chống ăn mòn và cung cấp dịch vụ hiệu quả lâu dài.
Vật liệu được sử dụng trong hệ thống đường ống thép không gỉ sinh dược phẩm có độ tinh khiết cao đã trải qua quá trình phát triển hướng tới khả năng chống ăn mòn được cải thiện trong thập kỷ qua. Hầu hết thép không gỉ được sử dụng trước năm 1980 là thép không gỉ 304 vì nó tương đối rẻ và là một cải tiến so với đồng được sử dụng trước đó. Trên thực tế, thép không gỉ dòng 300 tương đối dễ gia công, có thể hàn nóng chảy mà không làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn và không yêu cầu xử lý nhiệt trước và sau đặc biệt.
Gần đây, việc sử dụng thép không gỉ 316 trong các ứng dụng đường ống có độ tinh khiết cao đang ngày càng tăng. Loại 316 có thành phần tương tự như loại 304, nhưng ngoài các nguyên tố hợp kim crom và niken phổ biến ở cả hai loại, 316 còn chứa khoảng 2% molypden, giúp cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn của 316. Các loại 304L và 316L, được gọi là mác “L”, có hàm lượng carbon thấp hơn so với các mác tiêu chuẩn (0,035% so với 0,08%). Việc giảm hàm lượng carbon này nhằm mục đích giảm lượng kết tủa cacbua có thể xảy ra do hàn. Đây là sự hình thành cacbua crom, làm suy giảm các ranh giới hạt của kim loại nền crom, khiến nó dễ bị ăn mòn. Sự hình thành cacbua crom, được gọi là “sự nhạy cảm”, phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ và là một vấn đề lớn hơn khi hàn thủ công. Chúng tôi đã chứng minh rằng hàn quỹ đạo thép không gỉ siêu austenit AL-6XN tạo ra các mối hàn chống ăn mòn tốt hơn so với các mối hàn tương tự được thực hiện bằng các phương pháp khác. Điều này là do hàn quỹ đạo cho phép kiểm soát chính xác cường độ dòng điện, xung nhịp và thời gian, dẫn đến lượng nhiệt đầu vào thấp hơn và đồng đều hơn so với hàn thủ công. Hàn quỹ đạo kết hợp với các loại thép “L” 304 và 316 hầu như loại bỏ sự kết tủa cacbua như một yếu tố gây ăn mòn trong hệ thống đường ống.
Sự khác biệt giữa các mẻ thép không gỉ. Mặc dù các thông số hàn và các yếu tố khác có thể được giữ trong phạm vi dung sai khá chặt chẽ, vẫn có sự khác biệt về lượng nhiệt cần thiết để hàn thép không gỉ giữa các mẻ. Số mẻ là số lô được chỉ định cho một mẻ thép không gỉ cụ thể tại nhà máy. Thành phần hóa học chính xác của mỗi lô được ghi lại trên Báo cáo Kiểm tra Nhà máy (MTR) cùng với mã số lô hoặc số mẻ. Sắt nguyên chất nóng chảy ở 1538°C (2800°F), trong khi các kim loại hợp kim nóng chảy trong một phạm vi nhiệt độ, tùy thuộc vào loại và nồng độ của từng hợp kim hoặc nguyên tố vi lượng có mặt. Vì không có hai mẻ thép không gỉ nào có cùng nồng độ chính xác của mỗi nguyên tố, nên đặc tính hàn sẽ khác nhau giữa các lò nung.
Ảnh SEM của mối hàn quỹ đạo ống 316L trên ống AOD (trên) và vật liệu EBR (dưới) cho thấy sự khác biệt đáng kể về độ mịn của đường hàn.
Mặc dù một quy trình hàn duy nhất có thể phù hợp với hầu hết các mẻ hàn có đường kính ngoài và độ dày thành tương tự, nhưng một số mẻ hàn yêu cầu cường độ dòng điện thấp hơn và một số mẻ lại yêu cầu cường độ dòng điện cao hơn so với thông thường. Vì lý do này, việc gia nhiệt các vật liệu khác nhau tại công trường phải được theo dõi cẩn thận để tránh các sự cố tiềm ẩn. Thông thường, một mẻ hàn mới chỉ cần thay đổi cường độ dòng điện nhỏ để đạt được quy trình hàn đạt yêu cầu.
Vấn đề lưu huỳnh. Lưu huỳnh nguyên tố là một tạp chất liên quan đến quặng sắt, phần lớn được loại bỏ trong quá trình sản xuất thép. Thép không gỉ AISI loại 304 và 316 được quy định với hàm lượng lưu huỳnh tối đa là 0,030%. Với sự phát triển của các quy trình tinh luyện thép hiện đại, chẳng hạn như khử cacbon bằng argon oxy (AOD) và các phương pháp nấu chảy chân không kép như nấu chảy cảm ứng chân không tiếp theo là nấu chảy lại bằng hồ quang chân không (VIM+VAR), người ta đã có thể sản xuất các loại thép rất đặc biệt theo những cách sau: thành phần hóa học của chúng. Người ta nhận thấy rằng các đặc tính của vũng hàn thay đổi khi hàm lượng lưu huỳnh trong thép dưới khoảng 0,008%. Điều này là do ảnh hưởng của lưu huỳnh và ở mức độ thấp hơn là các nguyên tố khác đến hệ số nhiệt độ của sức căng bề mặt của vũng hàn, yếu tố quyết định đặc tính dòng chảy của vũng chất lỏng.
Ở nồng độ lưu huỳnh rất thấp (0,001% – 0,003%), độ xuyên thấu của vũng hàn trở nên rất rộng so với các mối hàn tương tự được thực hiện trên vật liệu có hàm lượng lưu huỳnh trung bình. Các mối hàn trên ống thép không gỉ có hàm lượng lưu huỳnh thấp sẽ có mối hàn rộng hơn, trong khi trên ống có thành dày hơn (0,065 inch, hoặc 1,66 mm trở lên) sẽ có xu hướng tạo ra các mối hàn lõm khi dòng hàn đủ để tạo ra mối hàn xuyên thấu hoàn toàn. Điều này làm cho các vật liệu có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp khó hàn hơn, đặc biệt là với thành dày hơn. Ở nồng độ lưu huỳnh cao hơn trong thép không gỉ 304 hoặc 316, mối hàn có xu hướng trông kém chảy và thô hơn so với vật liệu có hàm lượng lưu huỳnh trung bình. Do đó, để có thể hàn được, hàm lượng lưu huỳnh lý tưởng sẽ nằm trong khoảng từ 0,005% đến 0,017%, như được quy định trong ASTM A270 S2 cho ống chất lượng dược phẩm.
Các nhà sản xuất ống thép không gỉ được đánh bóng điện hóa nhận thấy rằng ngay cả hàm lượng lưu huỳnh vừa phải trong thép không gỉ 316 hoặc 316L cũng gây khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu của khách hàng trong lĩnh vực bán dẫn và dược phẩm sinh học về bề mặt bên trong nhẵn mịn, không có vết rỗ. Việc sử dụng kính hiển vi điện tử quét để kiểm tra độ nhẵn mịn của bề mặt ống ngày càng phổ biến. Lưu huỳnh trong kim loại cơ bản được chứng minh là tạo thành các tạp chất phi kim loại hoặc các "sợi" mangan sunfua (MnS) bị loại bỏ trong quá trình đánh bóng điện hóa và để lại các lỗ rỗng trong phạm vi 0,25-1,0 micron.
Các nhà sản xuất và nhà cung cấp ống được đánh bóng điện hóa đang thúc đẩy thị trường hướng tới việc sử dụng vật liệu có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp để đáp ứng yêu cầu về độ hoàn thiện bề mặt. Tuy nhiên, vấn đề không chỉ giới hạn ở ống được đánh bóng điện hóa, vì ở các ống không được đánh bóng điện hóa, các tạp chất được loại bỏ trong quá trình thụ động hóa hệ thống đường ống. Các lỗ rỗng được chứng minh là dễ bị rỗ hơn so với các vùng bề mặt nhẵn. Vì vậy, có một số lý do chính đáng cho xu hướng hướng tới các vật liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp, "sạch hơn".
Lệch hồ quang. Ngoài việc cải thiện khả năng hàn của thép không gỉ, sự hiện diện của một lượng lưu huỳnh nhất định cũng cải thiện khả năng gia công. Do đó, các nhà sản xuất có xu hướng lựa chọn vật liệu ở mức cao hơn trong phạm vi hàm lượng lưu huỳnh được chỉ định. Việc hàn ống có nồng độ lưu huỳnh rất thấp với các phụ kiện, van hoặc các ống khác có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn có thể tạo ra các vấn đề về hàn vì hồ quang sẽ bị lệch về phía ống có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Khi xảy ra hiện tượng lệch hồ quang, độ xuyên thấu sẽ sâu hơn ở phía có hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn so với phía có hàm lượng lưu huỳnh cao, điều này ngược lại với những gì xảy ra khi hàn các ống có nồng độ lưu huỳnh tương đương. Trong trường hợp cực đoan, mối hàn có thể xuyên thấu hoàn toàn vào vật liệu có hàm lượng lưu huỳnh thấp và để lại phần bên trong mối hàn hoàn toàn không bị nóng chảy (Fihey và Simeneau, 1982). Để phù hợp với hàm lượng lưu huỳnh của các phụ kiện với hàm lượng lưu huỳnh của ống, Bộ phận Thép Carpenter của Tập đoàn Công nghệ Carpenter thuộc Pennsylvania đã giới thiệu thanh thép 316 có hàm lượng lưu huỳnh thấp (tối đa 0,005%) (Loại 316L-SCQ) (VIM+VAR) cho Việc sản xuất các phụ kiện và các bộ phận khác được thiết kế để hàn vào các đường ống có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Việc hàn hai vật liệu có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp với nhau dễ dàng hơn nhiều so với việc hàn một vật liệu có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp với một vật liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn.
Việc chuyển sang sử dụng ống có hàm lượng lưu huỳnh thấp chủ yếu là do nhu cầu đạt được bề mặt bên trong ống được đánh bóng điện hóa nhẵn mịn. Mặc dù độ hoàn thiện bề mặt và đánh bóng điện hóa rất quan trọng đối với cả ngành công nghiệp bán dẫn và ngành công nghệ sinh học/dược phẩm, nhưng khi soạn thảo tiêu chuẩn ngành bán dẫn, SEMI đã quy định rằng ống 316L dùng cho đường dẫn khí xử lý phải có hàm lượng lưu huỳnh tối đa 0,004% để đạt hiệu suất tối ưu. Mặt khác, ASTM đã sửa đổi tiêu chuẩn ASTM 270 của họ để bao gồm ống đạt tiêu chuẩn dược phẩm, giới hạn hàm lượng lưu huỳnh trong khoảng từ 0,005 đến 0,017%. Điều này sẽ giúp giảm bớt khó khăn khi hàn so với các loại ống có hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng ngay cả trong phạm vi giới hạn này, hiện tượng lệch hồ quang vẫn có thể xảy ra khi hàn các ống có hàm lượng lưu huỳnh thấp với các ống hoặc phụ kiện có hàm lượng lưu huỳnh cao, và người lắp đặt nên theo dõi cẩn thận quá trình gia nhiệt vật liệu và kiểm tra khả năng tương thích của chất hàn trước khi gia nhiệt và tạo mối hàn.
Các nguyên tố vi lượng khác. Các nguyên tố vi lượng bao gồm lưu huỳnh, oxy, nhôm, silic và mangan được phát hiện có ảnh hưởng đến độ xuyên thấu. Một lượng nhỏ nhôm, silic, canxi, titan và crom có ​​trong kim loại cơ bản dưới dạng tạp chất oxit có liên quan đến sự hình thành xỉ trong quá trình hàn.
Tác động của các nguyên tố khác nhau có tính tích lũy, do đó sự hiện diện của oxy có thể bù đắp một số tác động của hàm lượng lưu huỳnh thấp. Hàm lượng nhôm cao có thể chống lại tác động tích cực đối với sự thâm nhập của lưu huỳnh. Mangan bay hơi ở nhiệt độ hàn và lắng đọng trong vùng ảnh hưởng nhiệt của quá trình hàn. Các cặn mangan này liên quan đến sự suy giảm khả năng chống ăn mòn (Xem Cohen, 1997). Ngành công nghiệp bán dẫn hiện đang thử nghiệm các vật liệu 316L có hàm lượng mangan thấp và thậm chí là siêu thấp để ngăn ngừa sự suy giảm khả năng chống ăn mòn này.
Sự hình thành xỉ. Các đảo xỉ thỉnh thoảng xuất hiện trên mối hàn thép không gỉ đối với một số mẻ hàn. Về bản chất, đây là vấn đề về vật liệu, nhưng đôi khi việc thay đổi các thông số hàn có thể giảm thiểu điều này, hoặc việc thay đổi hỗn hợp argon/hydro có thể cải thiện mối hàn. Pollard nhận thấy rằng tỷ lệ nhôm so với silic trong kim loại cơ bản ảnh hưởng đến sự hình thành xỉ. Để ngăn chặn sự hình thành xỉ dạng mảng không mong muốn, ông khuyến nghị giữ hàm lượng nhôm ở mức 0,010% và hàm lượng silic ở mức 0,5%. Tuy nhiên, khi tỷ lệ Al/Si cao hơn mức này, xỉ hình cầu có thể hình thành thay vì dạng mảng. Loại xỉ này có thể để lại các vết rỗ sau khi điện phân, điều này không thể chấp nhận được đối với các ứng dụng có độ tinh khiết cao. Các đảo xỉ hình thành trên đường kính ngoài của mối hàn có thể gây ra sự thâm nhập không đều của đường hàn bên trong và có thể dẫn đến sự thâm nhập không đủ. Các đảo xỉ hình thành trên mối hàn bên trong có thể dễ bị ăn mòn.
Hàn một lần với xung điện. Hàn ống tự động quỹ đạo tiêu chuẩn là hàn một lần với dòng điện xung và quay liên tục với tốc độ không đổi. Kỹ thuật này phù hợp với ống có đường kính ngoài từ 1/8″ đến khoảng 7″ và độ dày thành ống từ 0,083″ trở xuống. Sau khi làm sạch sơ bộ theo thời gian, hồ quang xuất hiện. Quá trình xuyên thấu thành ống được thực hiện trong một khoảng thời gian trễ, trong đó có hồ quang nhưng không có sự quay. Sau khoảng thời gian trễ quay này, điện cực quay quanh mối hàn cho đến khi mối hàn nối hoặc chồng lên phần ban đầu của mối hàn trong lớp hàn cuối cùng. Khi mối nối hoàn tất, dòng điện giảm dần theo thời gian.
Chế độ từng bước (“hàn đồng bộ”). Đối với hàn nóng chảy các vật liệu có thành dày hơn, thường lớn hơn 0,083 inch, nguồn điện hàn nóng chảy có thể được sử dụng ở chế độ đồng bộ hoặc từng bước. Ở chế độ đồng bộ hoặc từng bước, xung dòng điện hàn được đồng bộ với hành trình, do đó rôto đứng yên để đạt được độ xuyên thấu tối đa trong các xung dòng điện cao và di chuyển trong các xung dòng điện thấp. Kỹ thuật đồng bộ sử dụng thời gian xung dài hơn, khoảng 0,5 đến 1,5 giây, so với thời gian xung một phần mười hoặc một phần trăm giây đối với hàn thông thường. Kỹ thuật này có thể hàn hiệu quả ống thành mỏng 40 gauge 40 dày 0,154″ hoặc 6″ với độ dày thành 0,154″ hoặc 6″. Kỹ thuật từng bước tạo ra mối hàn rộng hơn, giúp nó chịu được lỗi và hữu ích cho việc hàn các bộ phận không đều như phụ kiện đường ống vào ống, nơi có thể có sự khác biệt về dung sai kích thước, một số sai lệch hoặc không tương thích nhiệt vật liệu. Loại hàn này yêu cầu thời gian hồ quang gấp đôi so với hàn thông thường và ít phù hợp hơn cho vật liệu siêu tinh khiết. (Ứng dụng UHP do đường hàn rộng hơn và thô hơn.
Các biến số có thể lập trình. Thế hệ nguồn hàn hiện nay dựa trên bộ vi xử lý và lưu trữ các chương trình chỉ định các giá trị số cho các thông số hàn đối với đường kính ngoài (OD) và độ dày thành ống cụ thể cần hàn, bao gồm thời gian làm sạch, dòng điện hàn, tốc độ di chuyển (RPM), số lớp và thời gian mỗi lớp, thời gian xung, thời gian xuống dốc, v.v. Đối với các mối hàn ống quỹ đạo có thêm dây phụ, các thông số chương trình sẽ bao gồm tốc độ cấp dây, biên độ dao động của mỏ hàn và thời gian giữ, AVC (điều khiển điện áp hồ quang để cung cấp khe hở hồ quang không đổi) và độ dốc lên. Để thực hiện hàn nóng chảy, hãy lắp đầu hàn với điện cực và kẹp ống phù hợp vào ống và gọi lại lịch trình hoặc chương trình hàn từ bộ nhớ của nguồn điện. Trình tự hàn được bắt đầu bằng cách nhấn nút hoặc phím trên bảng điều khiển màng và quá trình hàn tiếp tục mà không cần sự can thiệp của người vận hành.
Các biến số không thể lập trình. Để đạt được chất lượng mối hàn tốt một cách nhất quán, các thông số hàn phải được kiểm soát cẩn thận. Điều này đạt được thông qua độ chính xác của nguồn điện hàn và chương trình hàn, là một tập hợp các hướng dẫn được nhập vào nguồn điện, bao gồm các thông số hàn, để hàn một kích thước ống hoặc đường ống cụ thể. Cũng cần phải có một bộ tiêu chuẩn hàn hiệu quả, quy định các tiêu chí chấp nhận mối hàn và một số hệ thống kiểm tra và kiểm soát chất lượng hàn để đảm bảo rằng việc hàn đáp ứng các tiêu chuẩn đã thỏa thuận. Tuy nhiên, một số yếu tố và quy trình khác ngoài các thông số hàn cũng phải được kiểm soát cẩn thận. Các yếu tố này bao gồm việc sử dụng thiết bị chuẩn bị đầu cuối tốt, các thực hành làm sạch và xử lý tốt, dung sai kích thước tốt của ống hoặc các bộ phận khác được hàn, loại và kích thước vonfram nhất quán, khí trơ tinh khiết cao và chú ý cẩn thận đến sự biến đổi vật liệu - nhiệt độ cao.
Các yêu cầu chuẩn bị cho việc hàn đầu ống bằng phương pháp hàn quỹ đạo khắt khe hơn so với hàn thủ công. Các mối hàn cho hàn ống quỹ đạo thường là các mối hàn đối đầu vuông góc. Để đạt được độ lặp lại mong muốn trong hàn quỹ đạo, cần phải chuẩn bị đầu ống chính xác, nhất quán và được gia công tỉ mỉ. Vì dòng điện hàn phụ thuộc vào độ dày thành ống, nên các đầu ống phải vuông góc, không có gờ hoặc vát cạnh ở đường kính ngoài (OD) hoặc đường kính trong (ID), vì điều này sẽ dẫn đến độ dày thành ống khác nhau.
Các đầu ống phải khớp với nhau trong đầu hàn sao cho không có khe hở đáng kể giữa các đầu của mối nối vuông góc. Mặc dù có thể thực hiện các mối hàn có khe hở nhỏ, nhưng chất lượng mối hàn có thể bị ảnh hưởng xấu. Khe hở càng lớn, khả năng xảy ra sự cố càng cao. Việc lắp ráp kém có thể dẫn đến hỏng hoàn toàn mối hàn. Các loại cưa ống do George Fischer và những người khác chế tạo, có thể cắt ống và làm phẳng các đầu ống trong cùng một thao tác, hoặc các máy tiện chuẩn bị đầu ống di động như của Protem, Wachs và những hãng khác, thường được sử dụng để tạo ra các mối hàn quỹ đạo đầu ống nhẵn mịn phù hợp cho gia công. Cưa cắt, cưa tay, cưa vòng và máy cắt ống không phù hợp cho mục đích này.
Ngoài các thông số hàn cung cấp năng lượng cho quá trình hàn, còn có các biến số khác có thể ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình hàn, nhưng chúng không phải là một phần của quy trình hàn thực tế. Điều này bao gồm loại và kích thước vonfram, loại và độ tinh khiết của khí được sử dụng để bảo vệ hồ quang và làm sạch bên trong mối hàn, tốc độ dòng khí được sử dụng để làm sạch, loại đầu hàn và nguồn điện được sử dụng, cấu hình của mối hàn và bất kỳ thông tin liên quan nào khác. Chúng ta gọi những biến số này là các biến số “không thể lập trình” và ghi lại chúng trong lịch trình hàn. Ví dụ, loại khí được coi là một biến số thiết yếu trong Quy trình Hàn (WPS) để các quy trình hàn tuân thủ Tiêu chuẩn ASME Phần IX về Nồi hơi và Bình áp lực. Việc thay đổi loại khí hoặc tỷ lệ hỗn hợp khí, hoặc loại bỏ việc làm sạch bên trong mối hàn yêu cầu phải xác nhận lại quy trình hàn.
Khí hàn. Thép không gỉ có khả năng chống oxy hóa trong khí quyển ở nhiệt độ phòng. Khi được nung nóng đến điểm nóng chảy (1530°C hoặc 2800°F đối với sắt nguyên chất), nó dễ bị oxy hóa. Argon trơ thường được sử dụng làm khí bảo vệ và để làm sạch các mối hàn bên trong thông qua quy trình GTAW quỹ đạo. Độ tinh khiết của khí so với oxy và độ ẩm quyết định lượng đổi màu do oxy hóa xảy ra trên hoặc gần mối hàn sau khi hàn. Nếu khí làm sạch không đạt chất lượng cao nhất hoặc nếu hệ thống làm sạch không hoàn toàn kín, dẫn đến một lượng nhỏ không khí rò rỉ vào hệ thống, quá trình oxy hóa có thể có màu xanh lam nhạt hoặc xanh dương. Tất nhiên, không có quá trình làm sạch nào dẫn đến bề mặt đen sần sùi thường được gọi là "được làm sạch bằng đường". Argon cấp hàn được cung cấp trong bình có độ tinh khiết 99,996-99,997%, tùy thuộc vào nhà cung cấp, và chứa 5-7 ppm oxy và các tạp chất khác, bao gồm H2O, O2, CO2, hydrocarbon, v.v., với tổng lượng... Tối đa 40 ppm. Argon tinh khiết cao trong bình hoặc argon lỏng trong bình Dewar có thể đạt độ tinh khiết 99,999% hoặc tổng lượng tạp chất là 10 ppm, với tối đa 2 ppm oxy. LƯU Ý: Có thể sử dụng các thiết bị lọc khí như Nanochem hoặc Gatekeeper trong quá trình làm sạch để giảm mức độ ô nhiễm xuống phạm vi phần tỷ (ppb).
Thành phần hỗn hợp. Các hỗn hợp khí như 75% heli/25% argon và 95% argon/5% hydro có thể được sử dụng làm khí bảo vệ cho các ứng dụng đặc biệt. Hai hỗn hợp này tạo ra các mối hàn nóng hơn so với các mối hàn được thực hiện với cùng cài đặt chương trình khi sử dụng argon. Hỗn hợp heli đặc biệt thích hợp cho độ xuyên thấu tối đa bằng phương pháp hàn nóng chảy trên thép carbon. Một chuyên gia tư vấn trong ngành công nghiệp bán dẫn ủng hộ việc sử dụng hỗn hợp argon/hydro làm khí bảo vệ cho các ứng dụng siêu cao áp (UHP). Hỗn hợp hydro có một số ưu điểm, nhưng cũng có một số nhược điểm nghiêm trọng. Ưu điểm là nó tạo ra vũng hàn ướt hơn và bề mặt mối hàn mịn hơn, lý tưởng cho việc triển khai hệ thống cung cấp khí siêu cao áp với bề mặt bên trong càng mịn càng tốt. Sự hiện diện của hydro tạo ra môi trường khử, vì vậy nếu có dấu vết oxy trong hỗn hợp khí, mối hàn thu được sẽ trông sạch hơn và ít bị đổi màu hơn so với nồng độ oxy tương tự trong argon nguyên chất. Hiệu ứng này đạt tối ưu ở hàm lượng hydro khoảng 5%. Một số người sử dụng hỗn hợp 95/5% argon/hydro làm khí thổi bên trong để cải thiện vẻ ngoài của mối hàn bên trong. hạt cườm.
Mối hàn khi sử dụng hỗn hợp hydro làm khí bảo vệ sẽ hẹp hơn, ngoại trừ trường hợp thép không gỉ có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp và tạo ra nhiều nhiệt hơn trong mối hàn so với cùng cài đặt dòng điện khi sử dụng argon nguyên chất. Một nhược điểm đáng kể của hỗn hợp argon/hydro là hồ quang kém ổn định hơn nhiều so với argon nguyên chất, và có xu hướng hồ quang bị lệch, đủ nghiêm trọng để gây ra hiện tượng không nóng chảy. Hiện tượng lệch hồ quang có thể biến mất khi sử dụng nguồn khí hỗn hợp khác, cho thấy rằng nó có thể do nhiễm bẩn hoặc trộn không đều. Vì nhiệt lượng sinh ra từ hồ quang thay đổi theo nồng độ hydro, nên nồng độ không đổi là điều cần thiết để đạt được các mối hàn lặp lại được, và có sự khác biệt giữa các loại khí đóng chai trộn sẵn. Một nhược điểm khác là tuổi thọ của vonfram bị rút ngắn đáng kể khi sử dụng hỗn hợp hydro. Mặc dù lý do gây ra sự xuống cấp của vonfram do khí hỗn hợp chưa được xác định, nhưng đã có báo cáo rằng hồ quang khó tạo hơn và vonfram có thể cần được thay thế sau một hoặc hai mối hàn. Hỗn hợp argon/hydro không thể được sử dụng để hàn thép carbon hoặc titan.
Một đặc điểm nổi bật của quy trình TIG là nó không tiêu hao điện cực. Vonfram có điểm nóng chảy cao nhất trong tất cả các kim loại (6098°F; 3370°C) và là chất phát xạ electron tốt, khiến nó đặc biệt thích hợp để sử dụng làm điện cực không tiêu hao. Các đặc tính của nó được cải thiện bằng cách thêm 2% một số oxit đất hiếm như ceria, oxit lanthanum hoặc oxit thorium để cải thiện khả năng khởi động và ổn định hồ quang. Vonfram nguyên chất hiếm khi được sử dụng trong GTAW vì các đặc tính vượt trội của vonfram ceri, đặc biệt là đối với các ứng dụng GTAW quỹ đạo. Vonfram thorium được sử dụng ít hơn so với trước đây vì chúng có tính phóng xạ ở mức độ nhất định.
Các điện cực có bề mặt được đánh bóng sẽ có kích thước đồng đều hơn. Bề mặt nhẵn luôn được ưu tiên hơn so với bề mặt thô ráp hoặc không đồng nhất, vì tính nhất quán trong hình dạng điện cực rất quan trọng để có được kết quả hàn nhất quán và đồng đều. Các electron phát ra từ đầu điện cực (DCEN) truyền nhiệt từ đầu vonfram đến mối hàn. Đầu điện cực nhỏ hơn cho phép duy trì mật độ dòng điện rất cao, nhưng có thể dẫn đến tuổi thọ vonfram ngắn hơn. Đối với hàn quỹ đạo, điều quan trọng là phải mài cơ học đầu điện cực để đảm bảo tính lặp lại của hình dạng vonfram và tính lặp lại của mối hàn. Đầu điện cực cùn buộc hồ quang từ mối hàn đến cùng một điểm trên vonfram. Đường kính đầu điện cực kiểm soát hình dạng của hồ quang và lượng xuyên thấu ở một dòng điện cụ thể. Góc côn ảnh hưởng đến đặc tính dòng điện/điện áp của hồ quang và phải được xác định và kiểm soát. Chiều dài của vonfram rất quan trọng vì có thể sử dụng chiều dài vonfram đã biết để thiết lập khe hở hồ quang. Khe hở hồ quang cho một giá trị dòng điện cụ thể xác định điện áp và do đó là công suất được áp dụng cho mối hàn.
Kích thước điện cực và đường kính đầu điện cực được lựa chọn theo cường độ dòng hàn. Nếu dòng điện quá cao so với điện cực hoặc đầu điện cực, có thể xảy ra hiện tượng mất kim loại ở đầu điện cực, và việc sử dụng điện cực có đường kính đầu quá lớn so với dòng điện có thể gây ra hiện tượng trôi hồ quang. Chúng tôi quy định đường kính điện cực và đầu điện cực theo độ dày thành của mối hàn và sử dụng đường kính 0,0625 inch cho hầu hết các mối hàn có độ dày thành lên đến 0,093 inch, trừ khi mối hàn được thiết kế để sử dụng điện cực đường kính 0,040 inch cho việc hàn các chi tiết nhỏ có độ chính xác cao. Để đảm bảo tính lặp lại của quá trình hàn, loại và độ hoàn thiện của vonfram, chiều dài, góc côn, đường kính, đường kính đầu điện cực và khe hở hồ quang đều phải được quy định và kiểm soát. Đối với các ứng dụng hàn ống, vonfram xeri luôn được khuyến nghị vì loại này có tuổi thọ cao hơn nhiều so với các loại khác và có đặc tính đánh lửa hồ quang tuyệt vời. Vonfram xeri không phóng xạ.
Để biết thêm thông tin chi tiết, vui lòng liên hệ bà Barbara Henon, Quản lý Ấn phẩm Kỹ thuật, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Điện thoại: 818-896-9556. Fax: 818-890-3724.