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Aug 10, 2023

Considérations relatives au soudage orbital dans les applications de tuyauterie BioProcess

Note de l'éditeur : Pharmaceutical Online a le plaisir de présenter ce document en quatre parties

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.

Table des matièresProgrammes de soudage : Détermination des variables programmablesTemps d'impulsionCritères d'acceptation de la soudure

Programmes de soudage : Détermination des variables programmables

RPM. Les soudures de tubes par fusion en un seul passage sont généralement effectuées à une vitesse de déplacement de l'arc de 4 à 7 pouces par minute (IPM). La vitesse de déplacement en pouces par minute doit être convertie en vitesse de rotation en tours par minute (RPM). Ainsi, pour un tube de 1 pouce de diamètre (OD), une vitesse de déplacement de 5 pouces équivaudrait à 1,6 RPM.

Temps par niveau. Le temps d'arc de la soudure comprendrait le temps de retard de rotation, plus le temps nécessaire pour faire 1 tour au régime spécifié, plus le temps supplémentaire nécessaire pour parcourir une distance équivalente à deux fois l'épaisseur de la paroi du tube pour lier la soudure. À 1,6 RPM, le temps nécessaire pour parcourir une fois le tube serait de 60 secondes divisé par 1,6 RPM ou 37,5 secondes. Le temps total d'environ 40 secondes serait nécessaire pour terminer la soudure. Le temps total est divisé par le nombre de niveaux du programme de soudage pour obtenir le temps par niveau. Ce serait 10 secondes par niveau pour une soudure à 4 niveaux ou environ 6,7 secondes par niveau pour une soudure à 6 niveaux.

Courant de soudage pour acier inoxydable 316L. À une vitesse de déplacement de 5 IPM, il faut environ un ampère de courant de soudage pour chaque 0,001 pouce d'épaisseur de paroi pour l'ampérage de démarrage (primaire) au premier niveau. Avec le soudage à l'arc pulsé, tous les autres courants de soudage peuvent être dérivés de l'ampérage de premier niveau. Le courant de fond serait d'environ 30 % des amplis primaires pour le niveau 1, tandis que le courant du dernier niveau serait d'environ 80 % du premier niveau. C'est le résultat de l'accumulation de chaleur dans le tube de sorte qu'environ 20 % moins de courant est nécessaire pour la pénétration à la fin de la soudure qu'au début. La quantité de réduction de courant par niveau dépendrait du nombre de niveaux, une réduction plus progressive étant possible avec un plus grand nombre de niveaux.

Délai de rotation. Après l'amorçage de l'arc, mais avant le début de la rotation, l'arc est maintenu en un seul endroit pour accumuler suffisamment de chaleur pour la pénétration. Ceci est particulièrement important pour une soudure en un seul passage où l'échec de la pénétration au début de la soudure pourrait entraîner un manque de fusion au niveau du raccordement.

Temps d'impulsion

Les durées de l'impulsion primaire et de l'impulsion de fond contrôlent l'espacement entre les cordons de soudure. Des temps d'impulsion plus longs augmentent l'espacement des billes. Dans le soudage par étapes ou synchro, l'impulsion "faible" ou "de fond" détermine l'espacement du cordon de soudure, tandis que le temps d'impulsion "élevé" ou "primaire" peut être utilisé en conjonction avec le courant de soudage pour contrôler la pénétration. Sur les tubes à parois minces, les soudures peuvent être réalisées sans courant pulsé. Pour les petits tubes, les durées d'impulsion sont généralement de 0,1 à 0,2 seconde ou moins. Les temps d'impulsion sont nettement plus longs pour les soudures STEP. Pour une soudure à l'arc pulsé, les cordons de soudure doivent se chevaucher de 60 à 80 % sur le DE et pas moins de 50 % sur le DI.

Critères d'acceptation de la soudure

La norme ASME Bioprocess Equipment Standard (ASME BPE-97) a été publiée en novembre 1997. Auparavant, les systèmes de tuyauterie pharmaceutique étaient traditionnellement installés en utilisant les normes sanitaires 3A comme lignes directrices pour la fabrication. Les procédures de soudage et le personnel peuvent avoir été certifiés selon la section IX de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) du Boiler and Pressure Vessel Code et peut-être avoir suivi les directives des critères de soudure répertoriées dans le code ASME B 31.3 pour la tuyauterie sous pression par lesquelles les soudures sont évaluées visuellement pour ne présenter aucun manque de fusion, aucun signe de scories de surface ou de porosité, avec des limites strictes pour une pénétration incomplète, une contre-dépouille, une concavité ID (aspiration ou refoulement), etc. codes, une procédure de soudage doit être établie et les soudures d'essai doivent être soumises à des essais de pliage pour montrer que le joint est ductile, et des essais de traction pour montrer que l'assemblage soudé respecte la résistance à la traction minimale pour le matériau. Une radiographie peut également être nécessaire. Ces tests ont été conçus pour déterminer l'intégrité mécanique des soudures et la capacité du personnel de soudage à réaliser les soudures. Ces codes et normes ont été écrits pour le soudage manuel et il est parfaitement possible d'installer un système de tuyauterie répondant à ces critères en utilisant des techniques de soudage manuel. Le soudage selon ces codes est destiné à assurer le fonctionnement sûr du système soudé, mais peu d'attention est accordée à l'apparence esthétique et à la douceur des soudures qui, en fait, affecteront l'adéquation du système de tuyauterie à un usage biopharmaceutique.

ASME BPE - 1997 a été développé en reconnaissance des limites des codes et directives existants pour l'industrie des bioprocédés. En 1989, l'ASME a créé un comité principal pour les équipements de bioprocédés afin d'examiner tous les aspects de la fabrication et de l'installation des équipements de bioprocédés afin de définir les exigences de l'industrie et de rédiger une nouvelle norme pour répondre aux besoins particuliers de l'industrie des bioprocédés. Des sous-comités de conception pour la stérilité et la nettoyabilité, la finition de surface, l'assemblage des matériaux, les dimensions et les tolérances, les joints d'équipement et les exigences générales ont été formés et se sont réunis plusieurs fois par an jusqu'à ce que la norme soit achevée. Le travail est toujours en cours sur les révisions et les addenda.

La question des critères d'acceptation des soudures de tubes orbitaux dans les systèmes de tuyauterie de bioprocédés a été abordée par le sous-comité sur l'assemblage des matériaux. Ils ont convenu que les soudures biopharmaceutiques doivent toujours répondre aux exigences des sections IX et B31.3 de l'ASME, mais doivent répondre à des critères supplémentaires basés sur une évaluation visuelle. Toutes les soudures doivent être examinées visuellement sur l'OD, et le nombre de soudures à inspecter sur l'ID doit être convenu par le propriétaire et l'entrepreneur. Un minimum de 20 % des soudures doit être sélectionné au hasard pour l'inspection ID, soit par examen visuel direct, soit par endoscope. Il a été convenu que les soudures de type pharmaceutique doivent être entièrement pénétrées sans manque de fusion sur le cordon de soudure interne. De plus, il ne doit y avoir aucun signe de porosité, ni scories, ni scories, ni décoloration excessive due à un manque de purge ou trop peu de gaz de purge, ou de gaz contaminé, ni d'amorçage d'arc. Le sous-comité MJ a présenté des dessins de sections transversales de soudure qui définissent un profil de soudure acceptable et des limites de concavité, de décoloration, de désalignement, etc. qui sont détaillées ci-dessous.

Pénétration incomplète

Le défaut de soudage le plus grave serait probablement un manque de fusion ou une incapacité à obtenir une pénétration complète de la soudure sur tout le périmètre de l'intérieur du joint de soudure. Outre les considérations relatives à la résistance du joint de soudure, dans les applications de tuyauterie de bioprocédés, un manque de fusion laisse une crevasse où les bactéries pourraient s'échapper des procédures de nettoyage et coloniser le système. Les crevasses sont également des sites où la corrosion caverneuse peut commencer. Les différences dans le microenvironnement (oxygène, chlorures, ions métalliques, hydrogène) de la crevasse et de la zone à l'extérieur de la crevasse créent une cellule de concentration, la crevasse devenant anodique et donc corrodée.

Une pénétration incomplète du joint de soudure, ou un manque de fusion, résulte généralement d'un mauvais programme de soudage où une chaleur insuffisante est appliquée pendant une partie du processus de soudage. Dans ce cas, la condition peut être corrigée en augmentant l'ampérage ou le courant de soudage qui fournit la chaleur nécessaire pour réaliser la pénétration. Le programme de soudage peut nécessiter un ampérage supplémentaire pour tout ou pour une seule partie ou un seul niveau du programme de soudage. En général, lorsqu'un programme de soudage a été élaboré pour une taille particulière de tube, de tuyau ou de soudure tube-raccord, les soudures seront cohérentes à moins qu'il n'y ait un changement dans la chaleur du matériau.

Un manque de fusion peut résulter d'un défaut d'alignement correct de l'électrode de tungstène sur le joint de soudure ou d'une déviation de l'arc. Ce défaut ne serait pas apparent de l'extérieur de la soudure, mais ne pourrait être détecté que par un examen visuel de l'intérieur de la soudure. Ce type de défaut serait le résultat d'une « erreur de l'opérateur » et une formation appropriée du personnel de soudage serait la mesure préventive la plus efficace.

Concavité (surpénétration)

Avec une soudure autogène, aucun matériau de remplissage n'est ajouté, de sorte que la surface de soudure ne sera pas convexe à moins qu'une pression de purge excessive ne soit appliquée à l'ID. Le cordon de soudure sera généralement au ras de la surface du tube, mais sur des matériaux à faible teneur en soufre ou à parois épaisses, il y a plus tendance à montrer une certaine concavité de surface qui est considérée comme indésirable. Le cordon de soudure externe devient généralement concave lorsqu'une chaleur excessive est appliquée à la soudure. La concavité peut être localisée sur une zone de la soudure, ou la soudure entière peut être trop chaude.

La concavité peut généralement être surmontée en réduisant le courant de soudage pour la partie particulière du joint de soudure présentant le problème. Sur les matériaux à parois épaisses ou à faible teneur en soufre, une légère concavité peut être inévitable. La quantité de concavité OD autorisée pour la nouvelle norme BPE est de 10 % maximum de l'épaisseur de paroi pour toute la circonférence de la soudure ou de 15 % si la concavité est limitée à 25 % de la circonférence. Une concavité de 10 % sur un tube pharmaceutique à paroi de 0,065 pouce serait mesurée comme une dépression de 0,0065 pouce du cordon de soudure par rapport aux surfaces extérieures du tube.

Pénétration excessive du cordon de soudure interne

La pénétration excessive de la soudure intérieure (convexité ID) est limitée à 10 % de l'épaisseur de paroi nominale. La convexité ID se produit généralement en même temps que la concavité OD et résulte également de l'application d'une chaleur excessive à la soudure. Il peut être corrigé en réduisant l'ampérage pour la partie de la soudure montrant la pénétration excessive. Alors que certains propriétaires ou entrepreneurs spécifient un large cordon de soudure intérieur qui minimisera la possibilité qu'une soudure ait un défaut de manque de pénétration, d'autres veulent que le cordon de soudure intérieur soit aussi mince que possible et qu'il soit toujours complètement fusionné. Si toutes les soudures du système peuvent être inspectées par endoscope, cela peut être un risque acceptable. Sinon, il est beaucoup plus sûr d'accepter un cordon légèrement plus large et peut-être une certaine concavité OD.

Décoloration ou "teinte de chaleur"

La norme BPE-97 stipule que la décoloration doit être minimisée sur toutes les surfaces en contact avec le produit. Le cordon de soudure ID doit être sans couleur, mais une couleur paille claire ou une couleur bleu pâle peut être autorisée dans la ZAT. Il laisse la détermination finale de la quantité de couleur à convenir entre le propriétaire et l'entrepreneur. C'est une question controversée. L'industrie des semi-conducteurs exige depuis longtemps des soudures sans couleur et le guide de base ISPE exige également des soudures sans décoloration. La décoloration, ou "teinte à la chaleur" est indésirable car elle est associée à une perte de résistance à la corrosion de l'acier inoxydable. Une purge de gaz argon inerte à l'intérieur et à l'extérieur de la soudure avec un gaz de soudage de bonne qualité avant, pendant et après la soudure est utilisée pour empêcher l'oxydation. Si aucune purge n'est appliquée à l'intérieur du tube, la zone soudée devient noire ou "sucrée". Si une mauvaise purge ou une purge de durée insuffisante est utilisée, une décoloration allant du bleu profond au brun, au bronzage, à la paille, au bleu pâle ou au gris en résulte.

La décoloration réduit la résistance à la corrosion car l'oxydation endommage la surface externe passive de l'acier, et l'oxydation du chrome dans la couche de surface épuise le chrome autour des joints de grains qui offrent une protection contre la corrosion. Un gaz argon parfaitement pur (1 à 2 ppm d'O2 ou moins) et un joint de soudure parfaitement propre devraient fournir une soudure sans signe visible d'oxydation. Si la soudure et la zone affectée par la chaleur sont exemptes d'oxydation, vous pouvez supposer que le système de purge était efficace et que la pureté et les débits d'argon étaient idéaux.

Parfois, il peut être difficile d'éliminer toute trace d'oxydation pendant le soudage. Cela nécessite une nouvelle évaluation du système de purge. Il ne doit y avoir aucune fuite d'air et le tube utilisé pour transporter le gaz de la bouteille ou du vase Dewar doit être complètement imperméable à l'atmosphère. L'acier inoxydable soudé est le meilleur, mais Poly Flo (plastique polyéthylène) est acceptable. Une attention particulière doit être accordée aux barrages de purge, aux bouchons d'extrémité, aux diffuseurs, etc. Une source d'argon hautement purifiée et des filtres ou purificateurs spéciaux, tels que le Nanochem ou le Gatekeeper qui éliminent les traces d'humidité, d'oxygène et d'autres impuretés du gaz de soudage peuvent être efficaces pour éliminer la décoloration due à l'oxydation. Le tube lui-même peut contenir de l'humidité sur la surface intérieure, ce qui peut provoquer une décoloration pendant le soudage. Parfois, chauffer ou cuire le tube peut éliminer les traces de décoloration. Un analyseur d'oxygène fiable qui mesure avec précision dans la plage des ppm faibles peut être utilisé pour vérifier les conditions de purge, mais le test ultime est la couleur ou son absence, sur ou à côté du cordon de soudure interne lorsqu'il est examiné avec une lumière fluorescente brillante. La technologie est disponible pour réaliser des soudures sans couleur sur une base de routine. Il appartient à l'utilisateur final de déterminer si les dépenses et les efforts supplémentaires pour obtenir une soudure totalement sans oxydation sont justifiés pour son application particulière.

Défaut de purge pendant le soudage par points

ASME BPE - 97 stipule simplement que toutes les soudures par points doivent être entièrement consommées. Les soudures par points sont de petites soudures par points généralement réalisées avec le procédé GTAW manuel, mais qui peuvent être réalisées avec une machine à souder orbitale. Le pointage est effectué avant le soudage afin de maintenir les pièces ensemble pour le soudage. La méthode la plus sûre pour effectuer une soudure par points consiste à purger le diamètre intérieur du joint de soudure de la même manière que pour la soudure complète. L'oxydation sur ou à proximité du joint de soudure peut entraîner une précipitation de carbure ou initier une corrosion. De plus, l'arc de soudage se déplacera en ligne droite et consommera un point bien purgé, mais peut dévier autour d'un point non purgé, ce qui pourrait entraîner un défaut de manque de fusion sur le diamètre intérieur de la soudure. Il est également important de nettoyer soigneusement la zone de soudure avant le soudage et d'utiliser des gants lors de la manipulation de tubes propres, car l'huile ou la saleté sur les mains est une source de carbone qui peut contribuer à la précipitation du carbure.

Surface d'identification du tube en acier inoxydable montrant l'apparence de punaises purgées et non purgées. La photo du centre montre une soudure orbitale déviant autour des pointes non purgées.

Il peut y avoir une réticence de la part des installateurs à dépenser de l'argent pour le gaz, ou une autre configuration de purge pour les opérations manuelles de la torche pour purger les pointes. D'une manière ou d'une autre, ils pensent que si le soudeur (manuel) est qualifié, il peut garder les points suffisamment petits pour qu'ils soient facilement consommés. Même lorsque les punaises sont petites et ne pénètrent pas jusqu'au diamètre intérieur du tube, une certaine oxydation sera toujours piégée dans le joint de soudure, il est donc préférable d'être prudent et de faire l'effort supplémentaire de fournir une purge.

concavité ID

La concavité ID est limitée à 10% de l'épaisseur de paroi par BPE - 97, mais cela ne doit pas réduire l'épaisseur de paroi en dessous de l'épaisseur minimale de conception. Avec un matériau à paroi épaisse, la concavité du DI peut résulter de la gravité agissant sur le bain de fusion fondu à la position 6 heures. Pour les soudures par fusion de tubes à parois minces, la concavité du diamètre interne peut résulter d'une pressurisation excessive du cordon de soudure interne par le gaz de purge qui provoque le déplacement du métal fondu de la soudure vers l'extérieur. Il est possible de mesurer la pression avec un manomètre Magnehelic. Le gaz de purge de l'ID du tube passe à travers le dispositif et lorsque la pression mesurée dépasse 1/2 pouce d'eau, il y a un déplacement mesurable du cordon de soudure entraînant une concavité du cordon intérieur. Dans les cas extrêmes, une pression excessive peut entraîner une éruption où le métal liquide explose et entre en contact avec le tungstène. Cela court-circuite l'arc, contamine le tungstène, laisse un trou dans la soudure et endommage généralement la tête de soudure.

La concavité du cordon de soudure intérieur, également appelée "suck back" est un défaut. S'il est grave, l'effet peut être similaire à un défaut de manque de fusion, c'est-à-dire difficile à nettoyer, interfère avec la vidange et offre une cachette pour la croissance des bactéries. La possibilité de déplacer le cordon de soudure par pressurisation a été utilisée dans certaines applications pour fournir une surface plus lisse que ce qui se produirait autrement. Ceci est difficile à contrôler avec précision car la pression interne change pendant le soudage. L'utilisation de cette technique augmenterait certainement le coût de l'installation.

Méandre du cordon de soudure (doglegging)

Le méandre du cordon de soudure, ou déviation de l'arc, est l'incapacité de la soudure à continuer sur une trajectoire rectiligne autour du joint de soudure, mais à se tisser de manière irrégulière d'un côté à l'autre. Si cette irrégularité est excessive, il peut en résulter un défaut de fusion qui est un défaut grave. Les méandres peuvent résulter d'un tungstène endommagé, d'un débit d'argon trop élevé dans la tête de soudage qui souffle l'arc, ou de saleté ou de graisse ou d'autres contaminants sur la surface métallique du joint de soudure, ou de gaz contaminé. L'arc peut dévier autour des points de soudure non purgés. Il peut généralement être guéri par un changement de tungstènes ou par un meilleur nettoyage du joint de soudure. Les exemples les plus extrêmes de dérive d'arc ont été observés avec l'utilisation de mélanges de gaz de protection argon/hydrogène qui sont souvent contaminés et tendent à être moins efficaces pour supporter un arc que l'argon pur.

Porosité

La porosité est constituée de vides ou de cavités formés par des bulles de gaz dégagées lors du soudage. La porosité est plus fréquente dans les applications d'alimentation en fil que dans le soudage par fusion. Dans le soudage par fusion, il est généralement causé par des impuretés dans le métal de base ou par des contaminants à la surface du métal. L'humidité sur les tubes ou dans le gaz de purge est une cause fréquente de porosité. La porosité peut généralement être évitée par de bonnes procédures de nettoyage et en utilisant un gaz de purge de pureté connue.

Mauvais aménagement

Une bonne préparation des extrémités est essentielle au succès du soudage orbital. Les extrémités des tubes doivent être coupées carrément et droites sans biseau. Les scies GF de George Fischer sont fréquemment utilisées car elles peuvent couper et équarrir les extrémités en une seule opération. Les tours portables tels que ceux fabriqués par Tri Tool, Wachs ou Protem peuvent fournir une préparation d'extrémité usinée, mais nécessitent que les tubes soient d'abord coupés. Toutes les bavures restant après la préparation finale doivent être éliminées sans laisser de chanfrein qui affecterait l'épaisseur de la paroi. Les extrémités des tubes doivent s'emboîter sans espace dans la tête de soudage. La cause la plus fréquente d'un trou dans la soudure est un mauvais ajustement.

Désalignement, ou "haut-bas"

Le désalignement des joints soudés est limité à 15% de l'épaisseur de paroi par BPE -1997. Un mauvais alignement des tubes ou d'autres composants soudés entraîne une crête à l'intérieur de la soudure qui peut interférer avec le drainage du système de tuyauterie. Une telle accumulation de liquide favoriserait la formation de rouille et pourrait entraîner la corrosion de l'ensemble du système. Cela peut également entraîner un défaut de nettoyage correct du système et permettre une croissance bactérienne entraînant une contamination supplémentaire.

Un défaut d'alignement peut résulter d'une erreur de l'opérateur lors du chargement de la tête de soudage ou d'inserts de serrage de tube usés, ou de pinces, qui maintiennent les composants dans la tête de soudage. Cela peut résulter d'une négligence dans le pointage ou d'un endommagement du tube ou d'autres composants lors de l'expédition ou de la manutention. Plus communément, cette condition haute-basse se produit lorsque les raccords soudés aux tubes sont fabriqués selon différentes tolérances dimensionnelles. Si le tube ou le raccord est ovalisé, si le diamètre extérieur ou les épaisseurs de paroi diffèrent, cela produira un certain désalignement. Vous devez savoir que les tolérances pour les tubes sont différentes de celles pour les tuyaux. Le désalignement est parfois un problème lorsque les gens essaient de souder des raccords de tuyauterie, qui ont des tolérances lâches, à des tubes qui ont des tolérances plus serrées. La taille exacte d'une crête nécessaire pour provoquer l'accumulation de liquide et causer un problème fait l'objet d'une certaine controverse. Les tolérances dimensionnelles des tubes et des raccords et la quantité de décalage qui peut être présente dans la soudure finie sans compromettre la vidange du système de tuyauterie ont été activement examinées par les sous-comités BPE. Le sous-comité d'assemblage des matériaux a coopéré avec les utilisateurs finaux pour évaluer la quantité de crête sur le diamètre intérieur du tube qui interférerait avec la capacité de vidange et a constaté que la présence d'une crête avait moins d'effet que prévu.

Lissage du cordon de soudure

Les soudures effectuées pour joindre la tuyauterie de procédé pour les applications de bioprocédés doivent non seulement répondre aux critères décrits ci-dessus, mais afin d'obtenir une nettoyabilité maximale, elles doivent être exceptionnellement lisses sur le cordon de soudure interne. En effet, les bactéries peuvent mieux adhérer à une surface rugueuse qu'à une surface lisse. Le critère d'une surface de soudure intérieure lisse est très difficile à atteindre avec n'importe quel degré de répétabilité avec le soudage manuel, mais des soudures toujours bonnes et très lisses sont généralement obtenues avec des techniques de soudage orbital. Il convient de mentionner que la douceur du cordon de soudure est influencée dans une certaine mesure par la qualité du matériau à souder. Valex Corp. a expérimenté le matériau 316L raffiné par faisceau d'électrons pour des applications de semi-conducteurs haut de gamme. Cet acier est traité sous vide très poussé et sans apport de ferraille. Aucun îlot de scories ne se produit avec ce matériau et aucune décoloration aux puretés de gaz de purge standard. Il n'y a pas d'inclusions non métalliques et le cordon de soudure est exceptionnellement lisse même à des grossissements très élevés.

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

I. Considérations pour le soudage orbital dans les applications de tuyauterie BioProcessII. Considérations relatives au 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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