Überlegungen zum Orbitalschweißen in Bioprozess-Rohrleitungsanwendungen – Teil II

Feb 29, 2024

Anmerkung des Herausgebers: Pharmaceutical Online freut sich, diesen vierteiligen Artikel über Orbitalschweißen für Bioprozessrohre von der Branchenexpertin Barbara Henon von Arc Machines präsentieren zu können. Dieser Artikel basiert auf einem Vortrag, den Dr. Henon Ende letzten Jahres auf einem ASME-Treffen gehalten hat.

Besorgniserregende Probleme in der Fertigungstechnologie

Verhinderung eines Verlusts der Korrosionsbeständigkeit. Hochreines Wasser wie DI oder WFI ist ein sehr aggressives Korrosionsmittel für Edelstahl. Darüber hinaus wird WFI in pharmazeutischer Qualität bei erhöhten Temperaturen (80 °C) zirkuliert, um die Sterilität aufrechtzuerhalten. Es besteht ein schmaler Grat zwischen einer ausreichenden Senkung der Temperatur, um lebensfähige Organismen zu unterstützen, die für das Produkt tödlich wären, und einer ausreichend hohen Temperaturerhöhung, um die Produktion von „Rouge“ zu fördern. Rouge ist ein bräunlicher Film unterschiedlicher Zusammensetzung, der durch Korrosion von Komponenten des Edelstahlrohrsystems entsteht. Hauptbestandteile dürften Schmutz und Eisenoxide sein, aber auch Eisen, Chrom und Nickel in verschiedenen Formen können vorhanden sein. Das Vorhandensein von Rouge wäre für einige Produkte tödlich und kann zu weiterer Korrosion führen, obwohl sein Vorhandensein in anderen Systemen recht harmlos zu sein scheint.

Schweißen kann sich nachteilig auf die Korrosionsbeständigkeit auswirken. Anlauffarben, die durch oxidiertes Material entstehen, das sich während des Schweißens auf der Schweißnaht und der HAZ niederschlägt, sind besonders schädlich und werden mit der Bildung von Rouge in pharmazeutischen Wassersystemen in Verbindung gebracht. Die Bildung von Chromoxiden, die zur Hitzetönung beitragen, hinterlässt eine darunter liegende, chromarme Schicht, die anfällig für Korrosion ist. Anlauffarben können durch Beizen und Schleifen entfernt werden, wodurch Metall von der Oberfläche, einschließlich der darunter liegenden chromarmen Schicht, entfernt und die Korrosionsbeständigkeit auf nahezu unedle Metallniveaus wiederhergestellt wird. Beizen und Schleifen beeinträchtigen jedoch die Oberflächenbeschaffenheit. Die Passivierung von Rohrleitungssystemen mit Salpetersäure oder Chelatformulierungen erfolgt, um die schädlichen Auswirkungen des Schweißens und der Fertigung zu überwinden, bevor die Rohrleitungssysteme in Betrieb genommen werden. Die Auger-Elektronenanalyse hat gezeigt, dass eine chelatbildende Passivierung die Oberflächenveränderungen in der Verteilung von Sauerstoff, Chrom, Eisen, Nickel und Mangan wiederherstellen kann, die über die Schweiß- und Wärmeeinflusszone hinweg in den Zustand vor dem Schweißen übergehen. Die Passivierung wirkt sich jedoch nur auf die äußere Oberflächenschicht aus und dringt nicht unter 50 Å ein, während die Wärmetönung 1000 Å oder mehr unter die Oberfläche reichen kann.

Um ein Rohrleitungssystem zu installieren, das der Korrosionsbeständigkeit des ungeschweißten Grundmaterials nahe kommt, ist es daher wichtig, zu versuchen, die durch Schweißen und Fertigung verursachten Schäden auf ein Maß zu begrenzen, das im Wesentlichen durch Passivierung wiederhergestellt werden kann. Dabei wird Spülgas mit minimalem Sauerstoffgehalt verwendet und ohne Kontamination durch Luftsauerstoff oder Feuchtigkeit bis zum Innendurchmesser der Schweißverbindung geleitet. Eine genaue Kontrolle der Wärmezufuhr beim Schweißen und die Vermeidung übermäßiger Hitze ist ebenfalls wichtig, um einen Verlust der Korrosionsbeständigkeit zu verhindern. Die Kontrolle des Herstellungsprozesses, um wiederholbar gleichbleibend hochwertige Schweißnähte zu erzielen, und die sorgfältige Handhabung von Edelstahlrohren und -komponenten während der Herstellung, um Verunreinigungen zu verhindern, sind wesentliche Voraussetzungen für die Erzielung eines hochwertigen Rohrleitungssystems, das Korrosion widersteht und einen langen, produktiven Betrieb bietet Leben.

Die Schweißbarkeit von Edelstahl 316L

Die für hochreine biopharmazeutische Edelstahl-Rohrleitungssysteme verwendeten Materialien haben im letzten Jahrzehnt eine Weiterentwicklung hin zu verbesserter Korrosionsbeständigkeit durchlaufen. Der vor 1980 verwendete meiste Edelstahl war Edelstahl 304, da er relativ kostengünstig ist und eine Verbesserung gegenüber dem zuvor verwendeten Kupfer darstellt. Tatsächlich ist Edelstahl der Serie 300 vergleichsweise einfach zu bearbeiten und kann ohne übermäßigen Verlust seiner Korrosionsbeständigkeit schmelzgeschweißt werden und erfordert keine spezielle Vorwärme- oder Nachwärmebehandlung.

In jüngster Zeit ist ein Aufwärtstrend bei der Verwendung von Edelstahl 316 in hochreinen Rohrleitungsanwendungen zu verzeichnen. Typ 316 hat eine ähnliche Zusammensetzung wie Typ 304, enthält jedoch zusätzlich zu den beiden gemeinsamen Legierungselementen Chrom und Nickel etwa 2 % Molybdän, was die Korrosionsbeständigkeit von 316 erheblich verbessert. Typen 304L und 316L, sogenannte „L“-Qualitäten wurden mit weniger Kohlenstoff (0,035 % im Vergleich zu 0,08 %) als Standardsorten entwickelt. Diese Reduzierung des Kohlenstoffgehalts sollte die Menge an Karbidausfällungen reduzieren, die beim Schweißen entstehen könnten. Hierbei handelt es sich um die Bildung von Chromkarbid, das die Korngrenzen des Grundmetalls Chrom verarmt und es anfällig für Korrosionsangriffe macht. Die Bildung von Chromkarbiden, auch „Sensibilisierung“ genannt, ist zeit- und temperaturabhängig und stellte bei manuellen Schweißungen ein viel größeres Problem dar. Wir haben gezeigt, dass das Orbitalschweißen eines superaustenitischen Edelstahls, AL-6XN, wesentlich korrosionsbeständigere Schweißnähte liefert als ähnliche manuell durchgeführte Schweißnähte. Dies liegt daran, dass das Orbitalschweißen eine präzise Steuerung von Stromstärke, Pulsation und Zeit ermöglicht, was zu einer viel geringeren und gleichmäßigeren Wärmezufuhr als beim manuellen Schweißen führt. Durch das Orbitalschweißen in Kombination mit der Verwendung der „L“-Qualitäten von 304 und 316 wurde die Karbidausfällung als Faktor bei der Entwicklung von Korrosion in Rohrleitungssystemen praktisch eliminiert.

Wärme-zu-Wärme-Variation in rostfreien Stählen. Obwohl Schweißparameter und andere Faktoren innerhalb relativ enger Toleranzen gehalten werden können, gibt es immer noch Schwankungen in der Wärmezufuhr, die zum Schweißen unterschiedlicher Güten von Edelstahl erforderlich ist. Eine Schmelznummer ist die Chargennummer, die einer bestimmten Edelstahlschmelze im Werk zugewiesen wird. Die genaue chemische Zusammensetzung jeder Charge wird zusammen mit der Identifikations- oder Schmelznummer der Charge in einem Mühlentestbericht (MTR) aufgezeichnet. Während reines Eisen bei 1538 °C (2800 °F) schmilzt, schmelzen legierte Metalle je nach Art und Konzentration jedes vorhandenen Legierungs- oder Spurenelements bei unterschiedlichen Temperaturen. Da keine zwei Chargen von Edelstahl die genau gleichen Konzentrationen der einzelnen Elemente enthalten, variieren die Schweißeigenschaften von Charge zu Charge etwas.

REM-Aufnahmen von Orbitalschweißungen an 316L-Rohren, die an AOD-Rohren (oben) und EBR-Material (unten) durchgeführt wurden, zeigen erhebliche Unterschiede in der Glätte der Schweißnaht.

Zahlen: Mit freundlicher Genehmigung von Valex Corp.

Während ein einzelnes Schweißprogramm für die meisten Chargen mit ähnlichem Außendurchmesser und ähnlicher Wandstärke funktionieren kann, erfordern einige Chargen eine geringere Stromstärke und andere eine höhere Stromstärke als üblich. Aus diesem Grund müssen die unterschiedlichen Materialerwärmungen auf einer Baustelle sorgfältig überwacht werden, um mögliche Probleme zu vermeiden. Normalerweise sind bei einem neuen Schweißvorgang nur geringfügige Änderungen der Stromstärke erforderlich, um ein zufriedenstellendes Schweißprogramm zu erhalten.

Das Schwefelproblem. Elementarer Schwefel ist eine mit Eisenerz verbundene Verunreinigung und wird während des Stahlherstellungsprozesses größtenteils entfernt. Die rostfreien Stähle AISI 304 und 316 haben einen spezifizierten maximalen Schwefelgehalt von 0,030 %. Mit der Entwicklung moderner Stahlveredelungsverfahren wie der Argon-Sauerstoff-Entkohlung (AOD) und Doppelvakuum-Schmelzverfahren wie dem Vakuum-Induktionsschmelzen mit anschließendem Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen (VIM+VAR) ist es möglich geworden, Stähle herzustellen, die sehr spezifisch sind ihre chemische Zusammensetzung. Es wurde festgestellt, dass sich die Eigenschaften der Schweißpfütze ändern, wenn der Schwefelgehalt von Stahl unter etwa 0,008 % fällt. Dies wurde auf die Wirkung zurückgeführt, die Schwefel und in geringerem Maße auch andere Elemente auf den Temperaturkoeffizienten der Oberflächenspannung der Schweißpfütze haben, der die Fließeigenschaften der Flüssigkeitspfütze bestimmt.

Bei sehr niedrigen Schwefelkonzentrationen (0,001 % – 0,003 %) wird die Schweißpfütze in Bezug auf die Eindringtiefe im Vergleich zu einer ähnlichen Schweißung an Materialien mit mittlerem Schwefelgehalt sehr breit. Eine Schweißnaht an einem Rohr aus rostfreiem Stahl mit niedrigem Schwefelgehalt weist eine breitere Schweißnaht auf, und bei dickwandigeren Rohren (0,065 Zoll oder 1,66 mm oder mehr) besteht eine größere Tendenz zu einer konkaven Schweißnaht draußen, wenn der Schweißstrom ausreicht, um eine vollständig durchgeschweißte Schweißnaht zu erzeugen. Dies erschwert das Schweißen des sehr schwefelarmen Materials, insbesondere bei dickeren Rohrwänden. Am oberen Ende der Schwefelkonzentration für rostfreie Stähle 304 oder 316 ist die Schweißnaht tendenziell weniger flüssig und etwas rauer als bei Materialien mit mittlerem Schwefelgehalt. Für die Schweißbarkeit würde der ideale Schwefelgehalt daher zwischen etwa 0,005 % und 0,017 % liegen, wie in ASTM A270 S2 für Schläuche in pharmazeutischer Qualität angegeben.

Hersteller von elektropolierten Edelstahlrohren haben festgestellt, dass es selbst bei mittleren Schwefelgehalten in den rostfreien Stählen 316 oder 316L schwierig ist, die Anforderungen ihrer Halbleiter- und biopharmazeutischen Kunden nach einer glatten, narbenfreien Innenoberfläche zu erfüllen. Die Glätte der Rohroberfläche wird immer häufiger mit einem Rasterelektronenmikroskop überprüft. Es hat sich gezeigt, dass Schwefel im Grundmetall nichtmetallische Einschlüsse oder Mangansulfid-„Stränge“ (MnS) bildet, die beim Elektropolieren entfernt werden und Hohlräume im Bereich von 0,25–1,0 Mikrometer hinterlassen.

Die Hersteller und Lieferanten von elektropolierten Rohren treiben den Markt in Richtung der Verwendung von Materialien mit extrem niedrigem Schwefelgehalt, um ihre Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit zu erfüllen. Das Problem ist jedoch nicht auf elektropolierte Rohre beschränkt, da bei nicht elektropolierten Rohren die Einschlüsse während der Passivierung des Rohrleitungssystems entfernt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Hohlräume bevorzugt Löcher bilden als glatte Oberflächenbereiche. Daher gibt es einige triftige Gründe für den Trend zu „sauberem“ Material mit geringerem Schwefelgehalt.

Bogenablenkung. Das Vorhandensein von etwas Schwefel verbessert nicht nur die Schweißbarkeit von Edelstahl, sondern erhöht auch die Bearbeitbarkeit. Daher neigen Hersteller und Verarbeiter dazu, Materialien am oberen Ende des angegebenen Schwefelbereichs auszuwählen. Das Schweißen von Rohren mit sehr geringer Schwefelkonzentration an Fittings, Ventile oder andere Rohre mit höherem Schwefelgehalt stellt ein Schweißproblem dar, da der Lichtbogen in Richtung der Rohre mit niedrigem Schwefelgehalt abgelenkt wird. Bei der Lichtbogenablenkung wird die Eindringtiefe auf der Seite mit niedrigem Schwefelgehalt im Vergleich zur Seite mit höherem Schwefelgehalt tiefer, was das Gegenteil dessen ist, was beim Schweißen von Rohren mit entsprechenden Schwefelkonzentrationen geschieht. Im Extremfall kann eine Schweißraupe das schwefelarme Material vollständig durchdringen und die Schweißverbindung im Inneren völlig ungeschmolzen lassen (Fihey und Simeneau, 1982). In einem Versuch, den Schwefelgehalt von Armaturen an den von Rohren anzupassen, hat die Carpenter Steel Division der Carpenter Technology Corporation in Pennsylvania ein 316-Stangenmaterial mit niedrigem Schwefelgehalt (maximal 0,005 %) (Typ 316L-SCQ) (VIM+VAR) eingeführt ) zur Herstellung von Armaturen und anderen Komponenten, die an die schwefelarmen Rohre geschweißt werden sollen. Es ist viel einfacher, zwei Chargen eines Materials mit sehr niedrigem Schwefelgehalt miteinander zu verschweißen, als eines mit sehr niedrigem Schwefelgehalt mit einem Material mit höherem Schwefelgehalt zu verschweißen.

Der Trend hin zur Verwendung von Rohren mit niedrigem Schwefelgehalt ist vor allem auf die Notwendigkeit zurückzuführen, eine glatte, elektropolierte Innenrohroberfläche zu erreichen. Während Oberflächenbeschaffenheit und Elektropolierbarkeit sowohl für die Halbleiterindustrie als auch für die Biotechnologie-/Pharmaindustrie wichtig sind, hat SEMI in seinen Spezifikationen für die Halbleiterindustrie festgelegt, dass 316L-Rohre für Prozessgasleitungen für eine optimale Oberfläche einen Schwefelgehalt von maximal 0,004 % aufweisen müssen beenden. Andererseits hat die ASTM ihre ASTM 270-Spezifikation geändert, indem sie einen Schlauch in pharmazeutischer Qualität aufgenommen hat, der den Schwefelgehalt auf einen Bereich von 0,005 bis 0,017 % begrenzt. Dies sollte zu weniger Schweißschwierigkeiten führen als der niedrigere Schwefelbereich. Es ist jedoch zu beachten, dass es auch innerhalb dieses begrenzten Bereichs immer noch zu einer Lichtbogenablenkung kommen kann, wenn die Rohre mit niedrigerem Schwefelgehalt an die Rohre oder Armaturen mit höherem Schwefelgehalt geschweißt werden. Installateure sollten die Materialschmelzen sorgfältig verfolgen und vor der Herstellung die Schweißverträglichkeit zwischen den Schmelzen prüfen Produktionsschweißungen.

Andere Spurenelemente. Es wurde festgestellt, dass Spurenelemente wie Schwefel, Sauerstoff, Aluminium, Silizium und Mangan die Penetration beeinflussen. Spuren von Aluminium, Silizium, Kalzium, Titan und Chrom, die als Oxideinschlüsse im Grundmetall vorhanden sind, werden mit der Schlackenbildung beim Schweißen in Verbindung gebracht.

Die Auswirkungen der verschiedenen Elemente sind kumulativ, sodass die Anwesenheit von Sauerstoff einige der Auswirkungen eines niedrigen Schwefelgehalts ausgleichen kann. Die positiven Auswirkungen auf die Schwefelpenetration können durch einen hohen Aluminiumgehalt ausgeglichen werden. Mangan verflüchtigt sich bei Schweißtemperaturen und lagert sich in der Schweißzone ab. Diese Manganablagerungen sind mit einem Verlust der Korrosionsbeständigkeit verbunden. (Siehe Cohen, 1997). Die Halbleiterindustrie experimentiert derzeit mit 316L-Materialien mit niedrigem oder sogar extrem niedrigem Mangangehalt, um diesen Verlust der Korrosionsbeständigkeit zu verhindern.

Schlackenbildung. Entlang der Schweißnaht einiger Chargen von Edelstahl treten gelegentlich Schlackeninseln auf. Dies ist im Wesentlichen ein Materialproblem, aber manchmal kann eine Änderung der Schweißparameter den Zustand minimieren, oder ein Wechsel zu einem Argon/Wasserstoff-Gasgemisch kann die Schweißung verbessern. Pollard fand heraus, dass das Verhältnis von Aluminium zu Silizium im Grundmetall die Schlackenbildung beeinflusst. Um die Bildung unerwünschter fleckenförmiger Schlacken zu verhindern, empfahl er, bei einem Siliziumgehalt von 0,5 % den Aluminiumgehalt auf 0,010 % zu begrenzen. Wenn das Aluminium/Silizium-Verhältnis über diesem Wert liegt, können sich jedoch eher kugelförmige als fleckenartige Schlacken bilden. Diese Art von Schlacke könnte nach dem Elektropolieren Vertiefungen hinterlassen, die für hochreine Anwendungen nicht akzeptabel wären. Schlackeninseln, die sich auf dem Außendurchmesser der Schweißnaht bilden, können zu einer ungleichmäßigen Durchdringung der Schweißnaht im Innenbereich und zu einer mangelnden Durchdringung führen. Schlackeninseln, die sich auf der Innenschweißnaht bilden, können korrosionsanfällig sein.

Schweißtechniken für Fusionsrohre

Einlagiges Schweißen mit Pulsation. Beim standardmäßigen automatischen Orbitalrohrschweißen handelt es sich um eine Single-Pass-Schweißung mit gepulstem Strom und kontinuierlicher Rotation mit konstanter Geschwindigkeit. Diese Technik eignet sich für Rohre mit einem Außendurchmesser von 1/8 Zoll bis etwa 7 Zoll und einer Wandstärke von 0,083 Zoll und darunter. Nach einer zeitgesteuerten Vorspülung wird ein Lichtbogen gezündet. Das Eindringen in die Rohrwand erfolgt während einer zeitlichen Verzögerung, in der ein Lichtbogen vorhanden ist, aber keine Drehung stattfindet. Nach dieser Rotationsverzögerung dreht sich die Elektrode um die Schweißverbindung, bis die Schweißnaht in der letzten Schweißnahtebene den Anfangsteil der Schweißnaht verbindet oder überlappt. Wenn die Einbindung abgeschlossen ist, wird der Strom in einem zeitgesteuerten Gefälle allmählich abgeschwächt.

Schrittmodus („Synchro“-Schweißungen). Zum Schmelzschweißen dickerwandiger Materialien, im Allgemeinen mit Wandstärken von mehr als 0,083 Zoll, können die Schmelzschweißstromversorgungen im Synchron- oder Schrittmodus verwendet werden. Im Synchron- oder Schrittmodus wird die Pulsation des Schweißstroms mit der Bewegung synchronisiert, sodass der Rotor während des Hochstromimpulses stillsteht, um eine maximale Eindringtiefe zu erreichen, und sich während des Niedrigstromimpulses bewegt. Bei der Synchro-Technik werden viel längere Pulszeiten in der Größenordnung von 0,5 bis 1,5 Sekunden verwendet, verglichen mit Pulszeiten von Zehntel- oder Hundertstelsekunden bei herkömmlichen Schweißnähten. Diese Technik eignet sich zum Schweißen von dünnwandigen Rohren bis etwa 2 Zoll (Schema 40) mit einer Wandstärke von 0,154 Zoll oder 6 Zoll (Schema 5). Die Stufentechnik erzeugt eine breitere Schweißnaht, was sie fehlerverzeihender macht und hilft Zum Schweißen unregelmäßiger Teile, wie z. B. Fittings, an Rohre, bei denen es zu Unterschieden in den Maßtoleranzen zwischen Rohr und Fitting, einer Fehlausrichtung oder einer Inkompatibilität der Materialwärme kommen kann. Diese Schweißart benötigt etwa doppelt so viel Lichtbogenzeit wie eine herkömmliche Schweißnaht und ist aufgrund der breiteren, etwas raueren Schweißnaht für Ultrahochreinheitsanwendungen (UHP) weniger geeignet.

Schweißparameter/Schweißpläne

Programmierbare Variablen. Die heutige Generation von Schweißstromversorgungen basiert auf Mikroprozessoren und speichert Programme, die numerische Werte von Schweißparametern für einen bestimmten Durchmesser (OD) und eine bestimmte Wandstärke des zu schweißenden Rohrs angeben, einschließlich Spülzeiten, Schweißströme, Bewegungsgeschwindigkeit (U/min), Anzahl der Ebenen und Zeit für jede Ebene, Pulsationszeiten, Absenkzeit usw. Für orbitale Rohrschweißungen mit Zusatz von Zusatzdraht würden die Programmparameter die Drahtvorschubgeschwindigkeit, die Brenneroszillationsamplitude und Verweilzeiten, AVC (Lichtbogen) umfassen Spannungsregelung zur Bereitstellung einer konstanten Lichtbogenstrecke) und Anstieg. Um eine Schmelzschweißung durchzuführen, wird der Schweißkopf mit den richtigen Elektroden- und Rohrklemmeneinsätzen am Rohr montiert und der Schweißplan oder das Schweißprogramm aus dem Speicher der Stromversorgung abgerufen. Die Schweißsequenz wird durch Drücken einer Taste oder einer Membrantastentaste eingeleitet und die Schweißung läuft ohne Eingreifen des Bedieners ab.

Nicht programmierbare Variablen. Um eine gleichbleibend gute Schweißqualität zu erzielen, müssen die Schweißparameter sorgfältig kontrolliert werden. Dies wird durch die Genauigkeit der Schweißstromversorgung und des Schweißprogramms erreicht, bei dem es sich um den in die Stromversorgung eingegebenen Befehlssatz handelt, der aus Schweißparametern zum Schweißen einer bestimmten Rohr- oder Leitungsgröße besteht. Es muss außerdem eine Reihe von Schweißnormen in Kraft sein, die Schweißnaht-Akzeptanzkriterien festlegen, sowie ein System zur Schweißnahtprüfung und Qualitätskontrolle, um sicherzustellen, dass die Schweißnähte den vereinbarten Kriterien entsprechen. Allerdings müssen neben den Schweißparametern auch bestimmte Faktoren und Verfahren sorgfältig kontrolliert werden. Zu diesen Faktoren gehören die Verwendung guter Endvorbereitungsgeräte, gute Reinigungs- und Handhabungspraktiken, gute Maßtoleranzen der Rohre oder anderer zu schweißender Komponenten, einheitliche Wolframart und -abmessungen, hochreines Inertgas und sorgfältige Beachtung von Materialänderungen -Terialheizungen.

Die Anforderungen an die Vorbereitung der Rohrenden zum Schweißen sind beim Orbitalschweißen wesentlich kritischer als beim Handschweißen. Die Schweißverbindung beim Orbitalrohrschweißen ist typischerweise eine quadratische Stumpfverbindung. Um die vom Orbitalschweißen erwartete Wiederholgenauigkeit zu erreichen, ist eine präzise, ​​gleichmäßige, maschinell bearbeitete Endvorbereitung erforderlich. Das Ende muss rechtwinklig sein und darf am Außen- oder Innendurchmesser (Außen- oder Innendurchmesser) keine Grate oder Abschrägungen aufweisen, die zu einem Unterschied in der Wandstärke führen würden, da Schweißströme auf der Wandstärke basieren.

Die Rohrenden müssen im Schweißkopf so zusammenpassen, dass zwischen den beiden Enden der quadratischen Stoßverbindung kein sichtbarer Spalt sichtbar ist. Obwohl es möglich ist, eine Schweißverbindung mit einem kleinen Spalt herzustellen, kann dies die Schweißqualität negativ beeinflussen. Je größer die Lücke, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Problem vorliegt. Eine schlechte Passung kann dazu führen, dass die Schweißung völlig fehlschlägt. Rohrsägen von George Fischer und anderen, die die Rohre schneiden und die Rohrenden im selben Arbeitsgang bearbeiten, oder tragbare Endbearbeitungsdrehmaschinen wie die von Protem, Wachs und anderen werden üblicherweise verwendet, um glatt bearbeitete Enden für geeignet zu machen Orbitalschweißen. Kappsägen, Bügelsägen, Bandsägen und Rohrschneider sind für diesen Zweck nicht geeignet.

Zusätzlich zu den Schweißparametern, die zur Durchführung einer Schweißung in das Netzteil eingegeben werden, gibt es weitere Variablen, die einen tiefgreifenden Einfluss auf die Schweißung haben können, jedoch nicht Teil des eigentlichen Schweißprogramms sind. Dazu gehören die Art und die Abmessungen des Wolframs, die Art und Reinheit des Gases, das zur Abschirmung des Lichtbogens und zum Spülen des Inneren der Schweißverbindung verwendet wird, die zum Spülen verwendeten Gasdurchflussraten, der Typ des Schweißkopfs und der verwendeten Stromversorgung, die Verbindungskonfiguration, und alle anderen relevanten Informationen. Wir nennen diese die „nicht programmierbaren“ Variablen und tragen sie auf dem Schweißplanblatt ein. Beispielsweise gilt die Art des Gases als wesentliche Variable für die Schweißverfahrensspezifikation (WPS), die erstellt wird, um ein Schweißverfahren gemäß ASME Abschnitt IX des Boiler and Pressure Vessel Code zu qualifizieren. Eine Änderung der Gasart oder des prozentualen Anteils einer Gasmischung oder der Wegfall einer ID-Spülung erfordert eine Neuqualifizierung des Schweißverfahrens.

Schweißgas. Edelstahl ist bei Raumtemperatur beständig gegen Oxidation durch Luftsauerstoff. Wenn es bis zum Schmelzpunkt erhitzt wird (1530 °C oder 2800 °F für reines Eisen), ist es stark anfällig für Oxidation. Inertes Argongas wird am häufigsten als Schutzgas sowie zum Spülen der inneren Schweißverbindung beim orbitalen GTAW-Verfahren verwendet. Die Reinheit des Gases in Bezug auf Sauerstoff und Feuchtigkeit bestimmt das Ausmaß der Verfärbung aufgrund von Oxidation, die nach dem Schweißen auf oder in der Nähe der Schweißnaht auftritt. Die Oxidation kann eine helle Teefarbe oder ein schwaches Blau haben, wenn das Spülgas nicht von höchster Qualität ist oder wenn das Spülsystem nicht völlig leckagefrei ist, so dass Spuren von Luft in das Spülsystem gelangen. Das Fehlen jeglicher Reinigung führt natürlich zu einer schwarzen, verkrusteten Oberfläche, die gemeinhin als „Zuckerbildung“ bezeichnet wird. Schweißargon, das in Flaschen geliefert wird, hat je nach Lieferant eine Reinheit von 99,996–99,997 % mit 5–7 ppm Sauerstoff und anderen Verunreinigungen, zu denen H2O, O2, CO2, Kohlenwasserstoffe usw. gehören, insgesamt 40 ppm maximal. Hochreines Argon in Flaschen oder flüssiges Argon in Dewargefäßen kann eine Reinheit von 99,999 % oder insgesamt 10 ppm Verunreinigungen mit maximal 2 ppm Sauerstoff aufweisen. Hinweis: Gasreiniger wie Nanochem oder Gatekeeper können während der Spülung verwendet werden, um den Schadstoffgehalt auf den niedrigen Bereich von Teilen pro Milliarde (ppb) zu senken.

Gemischte Gase. Als Schutzgase für spezielle Anwendungen können Gasmischungen wie 75 % Helium/25 % Argon und 95 % Argon/5 % Wasserstoff verwendet werden. Beide Mischungen erzeugen eine heißere Schweißung als eine, die mit der gleichen Programmeinstellung wie mit Argon hergestellt wird. Die Heliummischung eignet sich besonders zur Erzielung einer maximalen Durchdringung bei Schmelzschweißnähten an Kohlenstoffstahl. Ein Berater der Halbleiterindustrie hat die Verwendung des Argon/Wasserstoff-Gemisches als Schutzgas für UHP-Anwendungen gefördert. Das Wasserstoffgemisch bietet mehrere Vorteile, aber auch einige gravierende Nachteile. Die Vorteile bestehen darin, dass eine feuchtere Schweißnaht und eine glattere Schweißoberfläche entsteht, was für die Erzielung eines UHP-Gaszufuhrsystems mit einer möglichst glatten Innenoberfläche wünschenswert ist. Das Vorhandensein von Wasserstoff sorgt für eine reduzierende Atmosphäre, sodass die resultierende Schweißnaht sauberer erscheint und weniger verfärbt als bei einer ähnlichen Sauerstoffkonzentration in reinem Argon, wenn im Gasgemisch Sauerstoff in Spuren vorhanden ist. Dieser Effekt ist bei etwa 5 % Wasserstoff optimal. Einige verwenden ein 95/5-prozentiges Argon/Wasserstoff-Gemisch als Innenspülmittel, um das Erscheinungsbild der inneren Schweißnaht zu verbessern.

Die Schweißnaht mit dem als Schutzgas verwendeten Wasserstoffgemisch ist schmaler, außer bei Chargen aus rostfreiem Stahl mit sehr geringem Schwefelgehalt, und in der Schweißnaht wird mehr Wärme erzeugt als bei gleichen Stromstärkeeinstellungen mit ungemischtem Argon. Ein spürbarer Nachteil der Argon/Wasserstoff-Mischung besteht darin, dass der Lichtbogen erheblich instabiler ist als bei reinem Argon und die Tendenz zur Lichtbogenwanderung besteht, die so schwerwiegend sein kann, dass es zu einer mangelnden Fusion kommt. Wenn eine andere Mischgasquelle verwendet wird, kann die Lichtbogenwanderung verschwinden, was darauf hindeutet, dass dies auf eine Verunreinigung oder eine schlechte Mischung zurückzuführen sein könnte. Da die vom Lichtbogen erzeugte Wärmemenge mit der Wasserstoffkonzentration variiert, ist eine konstante Konzentration unerlässlich, um wiederholbare Schweißnähte zu erzielen, und es gibt Schwankungen bei vorgemischtem Flaschengas. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Lebensdauer von Wolfram bei Verwendung einer Wasserstoffmischung erheblich kürzer ist. Obwohl die Ursache für die Verschlechterung des Wolframs im Mischgas nicht ermittelt werden konnte, wurde berichtet, dass die Zündung des Lichtbogens schwieriger ist und das Wolfram möglicherweise bereits nach ein oder zwei Schweißungen ausgetauscht werden muss. Argon/Wasserstoff-Gemische können nicht zum Schweißen von Kohlenstoffstahl oder Titan verwendet werden.

Bedeutung der Länge und Geometrie von Wolfram

Ein wesentliches Merkmal des WIG-Verfahrens ist, dass die Elektrode nicht verbraucht wird. Wolfram hat den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle (6098 °F; 3370 °C) und ist ein guter Elektronenemitter, wodurch es sich besonders für eine nicht verbrauchbare Elektrode eignet. Seine Eigenschaften werden durch die Zugabe von 2 % bestimmter Seltenerdoxide wie Ceroxid, Lanthanoxid oder Thoriumoxid verbessert, wodurch die Lichtbogenzündung und die Lichtbogenstabilität verbessert werden. Reines Wolfram wird selten für GTAW-Anwendungen verwendet, da cerisiertes Wolfram überlegene Eigenschaften aufweist, insbesondere für orbitale GTAW-Anwendungen. Thoriumhaltige Wolframe werden seltener als früher verwendet, da sie etwas radioaktiv sind.

Elektroden mit geschliffener Oberfläche sind maßlich gleichmäßiger. Eine glatte Oberfläche ist immer einer rauen oder inkonsistenten Oberfläche vorzuziehen, da eine konsistente Elektrodengeometrie für konsistente, gleichmäßige Schweißergebnisse unerlässlich ist. Von der Spitze emittierte Elektronen (DCEN) übertragen Wärme von der Wolframspitze auf die Schweißnaht. Eine feinere Spitze ermöglicht es, die Stromdichte auf einem sehr hohen Niveau zu halten, kann jedoch zu einer kürzeren Lebensdauer des Wolframs führen. Beim Orbitalschweißen ist es sehr wichtig, dass die Elektrodenspitze maschinell geschliffen wird, um die Wiederholbarkeit der Wolframgeometrie und damit der Schweißnähte sicherzustellen. Eine stumpfe Spitze zwingt den Lichtbogen, von Schweißnaht zu Schweißnaht an derselben Stelle auf dem Wolfram zu entstehen. Der Spitzendurchmesser steuert die Form des Lichtbogens und das Ausmaß der Eindringung bei einem bestimmten Strom. Der Kegelwinkel beeinflusst die Strom-/Spannungseigenschaften des Lichtbogens und muss spezifiziert und kontrolliert werden. Die Wolframlänge ist von Bedeutung, da man Wolfram bekannter Länge verwenden kann, um die Lichtbogenstrecke einzustellen. Die Lichtbogenstrecke bei einem bestimmten Stromwert bestimmt die Spannung und damit die an die Schweißnaht angelegte Leistung.

Die Größe der Elektrode und ihr Spitzendurchmesser werden basierend auf der Schweißstromstärke ausgewählt. Wenn der Strom für die Elektrode oder ihre Spitze zu hoch ist, kann es zu Metallverlusten an der Spitze kommen, wohingegen die Verwendung einer Elektrode, deren Spitzendurchmesser für den Strom zu groß ist, dazu führen kann, dass der Lichtbogen wandert. Wir spezifizieren die Elektroden- und Spitzendurchmesser anhand der Wandstärke der Schweißverbindung und verwenden für praktisch alles unter 0,093 Zoll Wandstärke einen Durchmesser von 0,0625 Zoll, außer bei Verwendung der dafür vorgesehenen Miniköpfe (Modell 9-500 und Modell 9-250). Wird mit Elektroden mit einem Durchmesser von 0,040 Zoll zum Schweißen kleiner, empfindlicher Teile verwendet. Für die Wiederholbarkeit des Schweißprozesses müssen Wolframtyp und -oberfläche, Länge, Kegelwinkel, Durchmesser, Spitzendurchmesser und Lichtbogenspalt spezifiziert und kontrolliert werden. Für Rohrschweißanwendungen wird immer Cer-Wolfram empfohlen, da dieser Typ eine wesentlich längere Lebensdauer als andere Typen aufweist und hervorragende Lichtbogenzündeigenschaften aufweist. Cerhaltiges Wolfram ist nicht radioaktiv.

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I. Überlegungen zum Orbitalschweißen in Bioprozess-Rohrleitungsanwendungen

Für weitere Informationen: Barbara Henon, Managerin, Technical Publications, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Tel.: 818-896-9556. Fax: 818-890-3724.

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