Considérations relatives au soudage orbital dans les applications de tuyauterie BioProcess - Partie II

Note de l'éditeur : Pharmaceutical Online a le plaisir de présenter cet article en quatre parties sur le soudage orbital pour la tuyauterie de bioprocédés par l'experte de l'industrie Barbara Henon d'Arc Machines. Cet article a été adapté d'une conférence donnée à la fin de l'année dernière par le Dr Henon lors d'une réunion de l'ASME.

Problèmes préoccupants dans la technologie de fabrication

Empêcher une perte de résistance à la corrosion. L'eau hautement purifiée telle que DI ou WFI est un corrosif très agressif pour l'acier inoxydable. De plus, le WFI de qualité pharmaceutique circule à des températures élevées (80°C) pour maintenir la stérilité. Il y a une ligne fine entre baisser la température suffisamment bas pour supporter des organismes viables qui seraient fatals au produit, et augmenter la température suffisamment haut pour favoriser la production de "rouge". Rouge est un film brunâtre de composition variable résultant de la corrosion des composants du système de tuyauterie en acier inoxydable. La saleté et les oxydes de fer sont probablement les principaux composants, mais le fer, le chrome et le nickel sous diverses formes peuvent également être présents. La présence de rouge serait mortelle pour certains produits et sa présence peut entraîner une corrosion supplémentaire, bien que sa présence dans d'autres systèmes semble être assez bénigne.

Le soudage peut avoir un effet néfaste sur la résistance à la corrosion. La teinte à la chaleur, qui est le résultat de la précipitation de matière oxydée sur la soudure et de la ZAT pendant le soudage, est particulièrement nocive et a été impliquée dans la formation de rouge dans les systèmes d'eau pharmaceutiques. La formation d'oxydes de chrome, qui contribuent à la teinte à chaud, laisse une couche sous-jacente appauvrie en chrome qui est vulnérable à la corrosion. La teinte thermique peut être éliminée par décapage et meulage, ce qui élimine le métal de la surface, y compris la couche sous-jacente appauvrie en chrome, et restaure la résistance à la corrosion à des niveaux proches du métal de base. Cependant, le décapage et le meulage sont préjudiciables à l'état de surface. La passivation des systèmes de tuyauterie avec des formulations d'acide nitrique ou de chélateur est effectuée pour surmonter les effets néfastes du soudage et de la fabrication avant que les systèmes de tuyauterie ne soient mis en service. L'analyse électronique Auger a montré que la passivation chélatrice peut restaurer les changements de surface dans la distribution de l'oxygène, du chrome, du fer, du nickel et du manganèse qui se produisent à travers la soudure et la zone affectée par la chaleur à l'état de pré-soudage. Cependant, la passivation n'affecte que la couche de surface externe et ne pénètre pas en dessous de 50 Å, tandis que la teinte thermique peut s'étendre à 1000 Å ou plus sous la surface.

Ainsi, afin d'avoir un système de tuyauterie installé qui se rapproche de la résistance à la corrosion du matériau de base non soudé, il est important d'essayer de limiter les dommages produits par le soudage et la fabrication à un niveau qui peut être essentiellement restauré par passivation. Cela implique l'utilisation d'un gaz de purge avec une teneur minimale en oxygène et sa distribution à l'intérieur du joint de soudure sans contamination par l'oxygène ou l'humidité atmosphérique. Un contrôle précis de l'apport de chaleur pendant le soudage et l'évitement d'une chaleur excessive sont également importants pour prévenir la perte de résistance à la corrosion. Le contrôle du processus de fabrication afin d'obtenir des soudures de haute qualité constantes et répétées, et une manipulation soigneuse des tubes et des composants en acier inoxydable pendant la fabrication pour éviter la contamination sont des exigences essentielles pour obtenir un système de tuyauterie de haute qualité qui résistera à la corrosion et fournira une longue durée de vie productive.

La soudabilité de l'acier inoxydable 316L

Les matériaux utilisés pour les systèmes de tuyauterie en acier inoxydable biopharmaceutique de haute pureté ont évolué au cours de la dernière décennie vers une meilleure résistance à la corrosion. La plupart de l'acier inoxydable utilisé avant 1980 était de l'acier inoxydable 304 car il est relativement peu coûteux et constituait une amélioration par rapport au cuivre utilisé auparavant. En fait, l'acier inoxydable de la série 300 est relativement facile à usiner et peut être soudé par fusion sans perte excessive de sa résistance à la corrosion et ne nécessite aucun traitement spécial de préchauffage ou de post-chauffage.

Plus récemment, il y a eu une tendance à la hausse dans l'utilisation de l'acier inoxydable 316 dans les applications de tuyauterie de haute pureté. Le type 316 est similaire en composition au type 304 mais en plus des éléments d'alliage de chrome et de nickel communs aux deux, le 316 contient environ 2 % de molybdène, ce qui améliore considérablement la résistance à la corrosion du 316. Les types 304L et 316L, appelés nuances « L », ont été développés avec moins de carbone (0,035 % contre 0,08 %) que les nuances standard. Cette réduction de la teneur en carbone visait à réduire la quantité de précipitations de carbure pouvant survenir à la suite du soudage. Il s'agit de la formation de carbure de chrome, qui appauvrit les joints de grains du métal de base du chrome et le rend vulnérable aux attaques corrosives. La formation de carbures de chrome, appelée "sensibilisation", dépend du temps et de la température et était un problème beaucoup plus important lorsque les soudures étaient effectuées manuellement. Nous avons démontré que le soudage or-bital d'un acier inoxydable super-austénitique, AL-6XN, fournit des soudures nettement plus résistantes à la corrosion que des soudures similaires réalisées manuellement. En effet, le soudage orbital permet un contrôle précis de l'ampérage, de la pulsation et du temps, ce qui entraîne un apport de chaleur beaucoup plus faible et plus uniforme que le soudage manuel. Le soudage orbital en combinaison avec l'utilisation des nuances "L" de 304 et 316 a pratiquement éliminé la précipitation de carbure en tant que facteur de développement de la corrosion dans les systèmes de tuyauterie.

Variation de chaleur à chaleur dans les aciers inoxydables. Bien que les paramètres de soudage et d'autres facteurs puissent être maintenus à des tolérances assez strictes, il existe encore des variations dans l'apport de chaleur requis pour souder différentes chaleurs d'acier inoxydable. Un numéro de coulée est le numéro de lot attribué à une fonte particulière d'acier inoxydable à l'usine. La composition chimique exacte de chaque lot est enregistrée sur un rapport d'essai en usine (MTR) avec l'identification ou le numéro de coulée du lot. Tandis que le fer pur fond à 1538°C (2800°F), les métaux alliés fondent sur une plage de températures en fonction du type et de la concentration de chaque alliage ou oligo-élément présent. Étant donné qu'il n'y a pas deux coulées d'acier inoxydable qui contiennent exactement les mêmes concentrations de chaque élément, les caractéristiques de soudage varient quelque peu d'une coulée à l'autre.

Les MEB de soudures orbitales sur des tubes 316L réalisées sur des tubes AOD (ci-dessus) et du matériau EBR (ci-dessous) montrent des différences considérables dans la douceur du cordon de soudure.

Chiffres : Avec l'aimable autorisation de Valex Corp.

Bien qu'un seul programme de soudage puisse fonctionner pour la plupart des chaleurs d'un diamètre extérieur et d'une épaisseur de paroi similaires, certaines chaleurs nécessiteront moins d'ampérage et d'autres nécessiteront plus d'ampérage que d'habitude. Pour cette raison, il faut suivre attentivement les différentes chaleurs des matériaux sur un chantier afin d'éviter les problèmes potentiels. Habituellement, une nouvelle chaleur ne nécessitera que de légers changements d'ampérage pour arriver à un programme de soudage satisfaisant.

La question du soufre. Le soufre élémentaire est une impureté associée au minerai de fer et est en grande partie éliminé au cours du processus de fabrication de l'acier. Les aciers inoxydables AISI de type 304 et 316 ont une teneur maximale en soufre spécifiée de 0,030 %. Avec le développement de procédés modernes d'affinage de l'acier tels que la décarburation argon-oxygène (AOD) et les pratiques de double fusion sous vide telles que la fusion par induction sous vide suivie d'une refusion à l'arc sous vide (VIM + VAR), il est devenu possible de produire des aciers très spécifiques dans leurs compositions chimiques. Il a été noté que lorsque la teneur en soufre de l'acier tombe en dessous d'environ 0,008 %, les propriétés du bain de fusion sont modifiées. Cela a été attribué à l'effet que le soufre, et dans une moindre mesure d'autres éléments, a sur le coefficient de température de la tension superficielle du bain de fusion qui détermine les caractéristiques d'écoulement du bain de liquide.

À de très faibles concentrations de soufre (0,001 % - 0,003 %), le bain de fusion devient très large par rapport à la profondeur de pénétration par rapport à une soudure similaire réalisée sur des matériaux à teneur intermédiaire en soufre. Une soudure effectuée sur un tube en acier inoxydable à faible teneur en soufre aura un cordon de soudure plus large, et sur un tube à paroi plus épaisse (0,065 po ou 1,66 mm ou plus), il y aura une plus grande tendance à avoir une soudure concave à l'extérieur lorsque le courant de soudure est suffisant pour produire une soudure entièrement pénétrée. Cela rend le matériau à très faible teneur en soufre plus difficile à souder, en particulier avec des parois de tube plus épaisses. À l'extrémité supérieure de la concentration en soufre pour les aciers inoxydables 304 ou 316, le cordon de soudure a tendance à être moins fluide en apparence et un peu plus rugueux que sur les matériaux intermédiaires en soufre. Ainsi, pour la soudabilité, la teneur en soufre idéale serait comprise entre environ 0,005 % et 0,017 %, comme spécifié dans la norme ASTM A270 S2 pour les tubes de qualité pharmaceutique.

Les producteurs de tubes en acier inoxydable électropoli ont noté qu'avec des niveaux de soufre même intermédiaires dans les aciers inoxydables 316 ou 316L, il est difficile de répondre aux exigences de leurs clients semi-conducteurs et biopharmaceutiques pour une surface intérieure lisse et sans piqûres. Il est de plus en plus courant de vérifier le lissé de la finition de surface des tubes avec un microscope électronique à balayage. Il a été démontré que le soufre dans le métal de base forme des inclusions non métalliques ou des "tiges" de sulfure de manganèse (MnS) qui sont éliminées lors du polissage électrolytique et laissent des vides dans la plage de 0,25 à 1,0 microns.

Les fabricants et fournisseurs de tubes électropolis poussent le marché vers l'utilisation de matériaux à très faible teneur en soufre pour répondre à leurs exigences de finition de surface. Cependant, le problème n'est pas limité aux tubes électropolis, car dans les tubes non électropolis, les inclusions sont éliminées lors de la passivation du système de tuyauterie. Il a été démontré que les vides creusent préférentiellement les surfaces lisses. Ainsi, il existe des raisons valables pour la tendance vers un matériau "propre" à faible teneur en soufre.

Déviation d'arc. En plus d'améliorer la soudabilité de l'acier inoxydable, la présence d'un peu de soufre augmente également l'usinabilité. Ainsi, les fabricants et les fabricants ont tendance à sélectionner des matériaux à l'extrémité supérieure de la plage de soufre spécifiée. Le soudage de tubes à très faible teneur en soufre sur des raccords, vannes ou autres tubes à forte teneur en soufre pose un problème de soudage, car l'arc se dévie vers le tube à faible teneur en soufre. Lorsque la déviation de l'arc se produit, la pénétration devient plus profonde du côté à faible teneur en soufre par rapport au côté à teneur plus élevée en soufre, ce qui est l'inverse de ce qui se passe lors du soudage de tubes de concentrations de soufre correspondantes. Dans un cas extrême, un cordon de soudure peut pénétrer complètement le matériau à faible teneur en soufre et laisser le joint de soudure complètement non fusionné à l'intérieur (Fihey et Simeneau, 1982). Dans le but de faire correspondre la teneur en soufre des raccords à celle des tubes, Carpenter Steel Division de Car-penter Technology Corporation en Pennsylvanie a introduit un stock de 316 bars à faible teneur en soufre (0,005 % max.) (Type 316L-SCQ) (VIM+VAR) pour la fabrication de raccords et d'autres composants destinés à être soudés aux tubes à faible teneur en soufre. Il est beaucoup plus facile de souder deux coulées de matériau à très faible teneur en soufre l'une à l'autre que d'en souder une à très faible teneur en soufre à une plus élevée.

Le passage à l'utilisation de tubes à faible teneur en soufre est largement motivé par la nécessité d'obtenir une surface de tube interne électropolie lisse. Alors que la finition de surface et l'électropolissage sont importantes à la fois pour l'industrie des semi-conducteurs et les industries biotechnologiques/pharmaceutiques, SEMI, qui rédige des spécifications pour l'industrie des semi-conducteurs, a spécifié que les tubes 316L pour les conduites de gaz de procédé doivent avoir une limite supérieure de 0,004 % de soufre pour une finition de surface optimale. D'autre part, l'ASTM a modifié sa spécification ASTM 270 en incluant un tube de qualité pharmaceutique qui limite le soufre à une plage de 0,005 à 0,017 %. Cela devrait entraîner moins de difficultés de soudage que la gamme inférieure de soufre. Cependant, il convient de noter que même dans cette plage limitée, il est toujours possible d'obtenir une déviation de l'arc lors du soudage du tube à faible teneur en soufre sur le tube ou les raccords à teneur plus élevée en soufre, et les installateurs doivent suivre attentivement les chaleurs du matériau et vérifier la compatibilité de soudage entre les chaleurs avant d'effectuer des soudures de production.

Autres oligo-éléments. On a constaté que les oligo-éléments, notamment le soufre, l'oxygène, l'aluminium, le silicium et le manganèse, affectent la pénétration. Des traces d'aluminium, de silicium, de calcium, de titane et de chrome qui sont présentes sous forme d'inclusions d'oxyde dans le métal de base ont été associées à la formation de laitier pendant le soudage.

Les effets des divers éléments sont cumulatifs, de sorte que la présence d'oxygène peut compenser certains des effets d'une faible teneur en soufre. Les effets positifs sur la pénétration du soufre peuvent être compensés par des niveaux élevés d'aluminium. Le manganèse se volatilise aux températures de soudage et se dépose dans la ZAT de soudure. Ces dépôts de manganèse ont été impliqués dans une perte de résistance à la corrosion. (Voir Cohen, 1997). L'industrie des semi-conducteurs expérimente actuellement des matériaux 316L à faible teneur en manganèse et même à très faible teneur en manganèse pour éviter cette perte de résistance à la corrosion.

Formation de scories. Des îlots de scories apparaissent parfois le long du cordon de soudure de certaines coulées d'acier inoxydable. Il s'agit essentiellement d'un problème de matériau, mais parfois une modification des paramètres de soudage peut minimiser la condition, ou un changement d'un mélange gazeux argon/hydrogène peut améliorer la soudure. Pol-lard a découvert que le rapport aluminium/silicium dans le métal de base affecte la formation de scories. Pour éviter la formation de scories indésirables de type patch, il a recommandé que la teneur en aluminium soit maintenue à 0,010% pour une teneur en silicium de 0,5%. Cependant, des scories globulaires plutôt que le type patch peuvent se former lorsque le rapport aluminium/silicium est supérieur à ce niveau. Ce type de laitier pourrait laisser des piqûres après électropolissage ce qui serait inacceptable pour des applications de haute pureté. Les îlots de laitier qui se forment sur le diamètre extérieur de la soudure peuvent entraîner une pénétration non uniforme du cordon de soudure ID et peuvent provoquer un manque de pénétration. Les îlots de scories qui se forment sur le cordon de soudure ID peuvent être sensibles à la corrosion.

Techniques de soudage de tubes par fusion

Soudage monopasse avec pulsation. La soudure orbitale automatique standard des tubes est une soudure en un seul passage avec courant pulsé et rotation continue à vitesse constante. Cette technique convient aux tubes de 1/8 po à environ 7 po de diamètre extérieur avec des épaisseurs de paroi de 0,083 po et moins. Après une pré-purge temporisée, un arc est amorcé. La pénétration de la paroi du tube est accomplie pendant un délai temporisé dans lequel un arc est présent, mais la rotation n'a pas lieu. Après ce délai de rotation, l'électrode tourne autour du joint de soudure jusqu'à ce que, pendant le dernier niveau de la soudure, la soudure se raccorde ou chevauche la partie initiale de la soudure. Lorsque le raccordement est terminé, le courant diminue progressivement selon une pente descendante chronométrée.

Mode pas à pas (soudures "Synchro"). Pour le soudage par fusion de matériaux à parois plus lourdes, généralement avec des épaisseurs de paroi supérieures à 0,083 pouce, les alimentations de soudage par fusion peuvent être utilisées en mode syn-chro ou pas à pas. En mode synchro ou pas à pas, la pulsation du courant de soudage est synchronisée avec la course de sorte que le rotor soit immobile pendant l'impulsion de courant élevé pour atteindre une pénétration maximale, et se déplace pendant l'impulsion de courant faible. La technique synchro utilise des temps d'impulsion beaucoup plus longs, de l'ordre de 0,5 à 1,5 seconde par rapport aux dixièmes ou centièmes de seconde des temps d'impulsion pour les soudures conventionnelles. Cette technique est efficace pour le soudage de tuyaux à parois minces jusqu'à environ 2 po. Schedule 40 qui a une épaisseur de paroi de 0,154 po, ou 6 po. Schedule 5. La technique par étapes produit un cordon de soudure plus large qui le rend indulgent et aide à souder des pièces irrégulières telles que des raccords sur des tubes où il peut y avoir une certaine différence dans les tolérances dimensionnelles entre le tube et le raccord, un certain désalignement ou une incompatibilité des chaleurs du matériau. Ce type de soudure prend environ deux fois plus de temps d'arc qu'une soudure conventionnelle et, en raison du cordon de soudure plus large et un peu plus rugueux, est moins adapté aux applications à ultra-haute pureté (UHP).

Paramètres de soudage/programmes de soudage

Variables programmables. La génération actuelle d'alimentations de soudage est basée sur un microprocesseur et stocke des programmes qui spécifient les valeurs numériques des paramètres de soudage pour un diamètre (OD) et une épaisseur de paroi spécifiques du tube à souder, y compris les temps de purge, les courants de soudage, la vitesse de déplacement (RPM), le nombre de niveaux et le temps pour chaque niveau, les temps de pulsation, le temps de pente descendante, etc. espace d'arc) et la pente ascendante. Afin de réaliser une soudure par fusion, la tête de soudage, avec les inserts d'électrode et de serrage de tube appropriés installés, est montée sur le tube et le programme ou le programme de soudage est appelé à partir de la mémoire de l'alimentation électrique. La séquence de soudage est lancée en appuyant sur un bouton ou une touche du panneau à membrane et la soudure se poursuit sans intervention de l'opérateur.

Variables non programmables. Afin d'obtenir une bonne qualité de soudage constante, les paramètres de soudage doivent être soigneusement contrôlés. Ceci est accompli par la précision de l'alimentation électrique de soudage et du programme de soudage, qui est l'ensemble d'instructions entrées dans l'alimentation électrique consistant en des paramètres de soudage pour souder une taille particulière de tube ou de tuyau. Il doit également y avoir un ensemble de normes de soudure en vigueur qui spécifie les critères d'acceptation des soudures et un système d'inspection des soudures et de CQ pour s'assurer que les soudures répondent aux critères convenus. Cependant, certains facteurs et procédures autres que les paramètres de soudage doivent également être soigneusement contrôlés. Ces facteurs comprennent l'utilisation d'un bon équipement de préparation finale, de bonnes pratiques de nettoyage et de manipulation, de bonnes tolérances dimensionnelles du tube ou d'autres composants à souder, un type et des dimensions de tungstène constants, un gaz inerte hautement purifié et une attention particulière aux changements de chaleur du matériau.

Les exigences de préparation des extrémités des tubes pour le soudage sont beaucoup plus critiques pour le soudage orbital que pour le soudage manuel. Le joint de soudure pour le soudage orbital des tubes est généralement un joint bout à bout carré. Une préparation d'extrémité usinée précise et cohérente est nécessaire pour atteindre la répétabilité attendue du soudage orbital. L'extrémité doit être d'équerre sans bavures ni biseau sur le DE ou le DI (diamètre extérieur ou intérieur) ce qui entraînerait une différence d'épaisseur de paroi, puisque les courants de soudage sont basés sur l'épaisseur de paroi.

Les extrémités des tubes doivent s'emboîter dans la tête de soudage de sorte qu'aucun espace visible ne soit apparent entre les deux extrémités du joint bout à bout carré. Bien qu'il soit possible de terminer un joint de soudure avec un petit espace, la qualité de la soudure peut être affectée de manière négative. Plus l'écart est grand, plus il y a de chances qu'il y ait un problème. Un mauvais ajustement peut entraîner un échec complet de la soudure. Les scies à tubes fabriquées par George Fischer et d'autres qui coupent les tubes et font face aux extrémités des tubes dans la même opération, ou les tours portables de préparation des extrémités tels que ceux fabriqués par Protem, Wachs et autres, sont couramment utilisés pour fabriquer des extrémités usinées lisses adaptées au soudage orbital. Les scies à tronçonner, les scies à métaux, les scies à ruban et les coupe-tubes ne conviennent pas à cet usage.

En plus des paramètres de soudage qui sont entrés dans l'alimentation électrique pour effectuer une soudure, il existe d'autres variables qui peuvent avoir un effet profond sur la soudure, et pourtant ne font pas partie du programme de soudage réel. Ceux-ci incluent le type et les dimensions du tungstène, le type et la pureté du gaz utilisé pour protéger l'arc et pour purger l'intérieur du joint de soudure, les débits de gaz utilisés pour la purge, le type de tête de soudage et d'alimentation électrique utilisés, la configuration du joint et toute autre information pertinente. Nous les appelons les variables « non programmables » et les enregistrons sur la feuille de programme de soudage. Par exemple, le type de gaz est considéré comme une variable essentielle pour la spécification du mode opératoire de soudage (WPS) effectuée pour qualifier un mode opératoire de soudage selon la section IX de l'ASME du code des chaudières et des appareils à pression. Un changement de type de gaz ou un changement de pourcentage d'un mélange gazeux, ou la suppression d'une purge ID nécessite une requalification du mode opératoire de soudage.

Gaz de soudage. L'inox résiste à l'oxydation par l'oxygène atmosphérique à température ambiante. Lorsqu'il est chauffé au point de fusion (1530°C ou 2800°F pour le fer pur), il est fortement sujet à l'oxydation. Le gaz argon inerte est le plus couramment utilisé pour le gaz de protection ainsi que pour purger le joint de soudure intérieur avec le procédé GTAW orbital. La pureté du gaz par rapport à l'oxygène et à l'humidité détermine la quantité de décoloration due à l'oxydation qui apparaît sur ou à proximité de la soudure après le soudage. L'oxydation peut être de couleur thé clair ou d'un bleu pâle si le gaz de purge n'est pas de la plus haute qualité ou si le système de purge n'est pas entièrement étanche, de sorte que des traces d'air s'infiltrent dans le système de purge. L'absence de toute purge, bien sûr, se traduit par une surface croustillante noire communément appelée "sugaring". L'argon de qualité soudage qui est fourni dans des cylindres a une pureté de 99,996-99,997% selon le fournisseur avec 5-7 ppm d'oxygène et d'autres impuretés, qui comprendraient H20, 02, C02, hydrocarbures, etc., totalisant 40 ppm au maximum. L'argon de haute pureté dans des cylindres ou l'argon liquide dans des dewars peut avoir une pureté de 99,999 % ou un total de 10 ppm d'impuretés avec un maximum de 2 ppm d'oxygène. Remarque : Des purificateurs de gaz tels que le Nanochem ou le Gatekeeper peuvent être utilisés pendant la purge pour ramener les niveaux de contaminants dans la plage des parties par milliard (ppb) les plus basses.

Gaz mixtes. Des mélanges de gaz tels que 75 % d'hélium/25 % d'argon et 95 % d'argon/5 % d'hydrogène peuvent être utilisés comme gaz de protection pour des applications spéciales. Ces deux mélanges produisent une soudure plus chaude que celle réalisée avec le même réglage de programme qu'avec l'argon. Le mélange d'hélium est particulièrement utile pour obtenir une pénétration maximale avec des soudures par fusion sur de l'acier au carbone. Un consultant de l'industrie des semi-conducteurs a promu l'utilisation du mélange argon/hydrogène comme gaz de protection pour les applications UHP. Le mélange d'hydrogène offre plusieurs avantages mais aussi de sérieux inconvénients. Les avantages sont qu'il produit une flaque d'eau plus humide et une surface de soudure plus lisse, ce qui est souhaitable pour obtenir un système de distribution de gaz UHP avec une surface interne aussi lisse que possible. La présence d'hydrogène fournit une atmosphère réductrice de sorte que si l'oxygène est présent à l'état de traces dans le mélange gazeux, la soudure résultante apparaît plus propre avec moins de décoloration qu'avec une concentration d'oxygène similaire dans l'argon pur. Cet effet est optimal à environ 5 % d'hydrogène. Un mélange 95/5% argon/hydrogène a été utilisé par certains comme purge ID pour améliorer l'apparence du cordon de soudure intérieur.

Le cordon de soudure avec le mélange d'hydrogène utilisé comme gaz de protection est plus étroit, sauf avec de très faibles chaleurs contenant du soufre de l'acier inoxydable, et plus de chaleur est produite dans la soudure qu'aux mêmes réglages d'intensité avec de l'argon non mélangé. Un inconvénient notable du mélange argon/hydrogène est que l'arc est considérablement moins stable qu'avec de l'argon pur, et il y a une tendance à une dérive de l'arc qui peut être suffisamment grave pour entraîner un manque de fusion. La dérive de l'arc peut disparaître lorsqu'une source différente de mélange de gaz est utilisée, suggérant qu'elle peut résulter d'une contamination ou d'un mauvais mélange. Étant donné que la quantité de chaleur produite par l'arc varie avec la concentration d'hydrogène, une concentration constante est essentielle pour obtenir des soudures reproductibles et il existe une variabilité dans le gaz en bouteille pré-mélangé. Un autre inconvénient est que la durée de vie du tungstène est considérablement plus courte lorsqu'un mélange d'hydrogène est utilisé. Bien que la cause de la détérioration du tungstène avec le gaz mélangé n'ait pas été déterminée, il a été signalé que l'amorçage de l'arc est plus difficile et que le tungstène peut devoir être remplacé après seulement une ou deux soudures. Les mélanges argon/hydrogène ne peuvent pas être utilisés pour le soudage de l'acier au carbone ou du titane.

Importance de la longueur et de la géométrie du tungstène

Une caractéristique importante du procédé TIG est que l'électrode n'est pas consommée. Le tungstène a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux (6098 ° F; 3370 ° C) et est un bon émetteur d'électrons, ce qui le rend particulièrement adapté à une électrode non consommable. Ses propriétés sont améliorées par l'ajout de 2% de certains oxydes de terres rares, tels que l'oxyde de cérium, le lanthane ou la thorine, améliorant l'amorçage et la stabilité de l'arc. Le tungstène pur est rarement utilisé pour le GTAW car les tungstènes cériés ont des propriétés supérieures, en particulier pour les applications GTAW or-bitales. Les tungstènes thoriés sont moins utilisés que par le passé car ils sont quelque peu radioactifs.

Les électrodes avec une finition meulée sont dimensionnellement plus uniformes. Une finition lisse est toujours préférable à une finition rugueuse ou irrégulière, car la cohérence de la géométrie des électrodes est essentielle pour des résultats de soudage uniformes et constants. Les électrons émis par la pointe (DCEN) transfèrent la chaleur de la pointe en tungstène à la soudure. Une pointe plus fine permet de maintenir la densité de courant à un niveau très élevé, mais peut réduire la durée de vie du tungstène. Pour le soudage orbital, il est très important que la pointe de l'électrode soit rectifiée à la machine pour assurer la répétabilité de la géométrie du tungstène et donc des soudures. Une pointe émoussée force l'arc à naître au même endroit sur le tungstène d'une soudure à l'autre. Le diamètre de la pointe contrôle la forme de l'arc et la quantité de pénétration à un courant particulier. L'angle de conicité affecte les caractéristiques de courant/tension de l'arc et doit être spécifié et contrôlé. La longueur du tungstène est importante car on peut utiliser du tungstène de longueur connue pour régler l'espace de l'arc. L'intervalle d'arc à une valeur de courant particulière détermine la tension et donc la puissance appliquée à la soudure.

La taille de l'électrode et son diamètre de pointe sont choisis en fonction de l'intensité de soudage. Si le courant est trop élevé pour l'électrode ou sa pointe, il peut perdre du métal de la pointe alors que l'utilisation d'une électrode avec un diamètre de pointe trop grand pour le courant peut faire divaguer l'arc. Nous spécifions les diamètres d'électrode et de pointe en fonction de l'épaisseur de paroi du joint de soudure et utilisons un diamètre de 0,0625 pour pratiquement tout ce qui est sous une paroi de 0,093 po, sauf lors de l'utilisation des mini-têtes (modèle 9-500 et modèle 9-250) qui ont été conçues pour être utilisées avec des électrodes de 0,040 po de diamètre pour souder de petites pièces délicates. Pour la répétabilité du processus de soudage, le type et la finition du tungstène, la longueur, l'angle de conicité, le diamètre, le diamètre de la pointe et l'espacement de l'arc doivent tous être spécifiés et contrôlés. Pour les applications de soudage de tubes, le tungstène cérié est toujours recommandé, car ce type présente une durée de vie sensiblement plus longue que les autres types et possède d'excellentes caractéristiques d'allumage de l'arc. Le tungstène cérié est non radioactif.

Pour voir les épisodes précédents de cet article, suivez ces liens :

I. Considérations pour le soudage orbital dans les applications de tuyauterie BioProcess

Pour plus d'informations : Barbara Henon, responsable, Publications techniques, Arc Machines, Inc., 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331. Tél. : 818-896-9556. Télécopieur : 818-890-3724.

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