Czy dwuetapowy proces wyżarzania termicznego może wyeliminować słabe punkty spoiny w zaślepkach końcowych z PFA?

Grzejniki PFA z przyspawanymi zaślepkami końcowymi pękają przedwcześnie na linii spawania pod wpływem cyklicznych zmian ciśnienia lub ataku chemicznego. Dwu-technika wyżarzania termicznego, najpierw w temperaturze 150 stopni przez 4 godziny, a następnie w temperaturze 220 stopni przez 6 godzin, może zmniejszyć osłabienie linii spawu o 60-80%, ale nie może go całkowicie wyeliminować. Pierwszy stopień (150 stopni) eliminuje naprężenia szczątkowe powstałe w procesie spawania, bez topienia styku spoiny. Drugi etap (220 stopni) umożliwia wzajemną dyfuzję łańcucha w poprzek linii spawania, co skutkuje zwiększonym splątaniem molekularnym i lepszym dopasowaniem krystaliczności pomiędzy nasadką a rurką. Ciśnienie rozrywające linii spawania wzrasta od 5–10 barów do 15–20 barów (dla kołpaka o grubości 2 mm) po dwustopniowym wyżarzaniu, zbliżając się do ciśnienia rozrywającego rury podstawowej (25–30 barów). Jednakże linia spawu jest słabym punktem konstrukcji, ponieważ nasadka i rurka mają różną historię termiczną (rura wytłaczana i nasadka formowana). Samo wyżarzanie nie może całkowicie się go pozbyć; Aby całkowicie wyeliminować osłabienie linii spawu, wymagane są zmiany konstrukcyjne (kołpaki kielichowe, patrz artykuł #34).

Struktura i słabość linii spoiny
Spawana zaślepka PFA łączy dwa elementy, wytłaczaną rurkę (wysoce zorientowaną, krystaliczność 45-50%) i formowaną ciśnieniowo zaślepkę (izotropową, krystaliczność 40-45%). 3 wady na styku spoiny: 1. Naprężenia szczątkowe spowodowane różnicowym chłodzeniem 2. Niższa masa cząsteczkowa spowodowana pogorszeniem temperatury podczas spawania 3. Niedopasowana krystaliczność powodująca koncentrację naprężeń. Ciśnienie rozrywające w stanie po spawaniu wynosi zazwyczaj 30 do 50 procent ciśnienia rozrywającego rury podstawowej. Rura o ściance 2 mm eksploduje przy ciśnieniu 25-30 barów, a identyczna rura ze spawaną końcówką przy 8-12 barach w pobliżu linii spawania.

Jednoetapowe-wyżarzanie w temperaturze 180–200 stopni przez 4 godziny zwiększa ciśnienie rozrywające do 12–16 barów (50–60% rury). Wyżarzanie dwu-2-stopniowe 15-20 barów (60-75% rury) Poprawa wynika z relaksacji łańcucha (gdzie łańcuchy polimeru mogą ponownie splątać się na granicy faz) i częściowej rekrystalizacji, która zmniejsza strefę niedopasowania.

Optymalizacja procesu wyżarzania
Proces wyżarzania Etap 1 Temperatura (stopnie) Etap 1 Czas (godz.) Stopień 2 Temperatura (stopnie) Etap 2 Czas (godz.) Ciśnienie rozrywające linię spawania (bar, ścianka 2 mm) % rozerwania rury (28 barów) Tryb awaryjny
Brak wyżarzania. - - - - 6-10 21-36%Wyczyść pęknięcie linii spoiny
Jednostopniowy (niski) 150 8 - - 8-12 29-43% linii spawu (wybielanie-naprężeniowe)
Jednostopniowy (średni) 180 6 - - 10–14 36–50% Spoina mieszana i sąsiadująca
Jednostopniowy (wysoki) 220 4 – – 12–16 43–57%Częściowe-laminowanie
Jednostopniowy (bardzo wysoki) 250 2 - - 10-14 (nadmiernie-wyżarzony) 36-50% Zepsuty polimer
2-stopień (niski-wysoki) 150 4 220 6 15-20 54-71% Sąsiednia spoina (nie linia spoiny)
Dwu-etap (średni-wysoki) 180 4 220 4 16–20 57–71% Tak jak powyżej.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% Dopuszczalne
Trzy-stopnie (150 → 200 → 220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71% Niewielka poprawa
Dwuetapowy mechanizm wyżarzania
Pierwszy etap odbywa się w temperaturze 150 stopni poniżej temperatury topnienia PFA (305 stopni), ale powyżej zeszklenia (-15 stopni, stąd wszystkie temperatury są powyżej Tg). W temperaturze 150 stopni C łańcuchy polimerowe wykazują dużą ruchliwość. Relaksacja naprężeń szczątkowych po spawaniu (zablokowana orientacja). Czas relaksu wynosi 1-2 godziny w temperaturze 150 stopni, 4 godziny zapewniają pełne złagodzenie stresu.

Drugi etap 220 stopni jest bliższy temperaturze topnienia, ale nie do końca. W tej temperaturze dyfuzja łańcucha na styku spoiny jest wzmocniona. Współczynnik dyfuzji D wyraża się wzorem D=D0 exp(-Ea/RT). D przy 220 stopniach jest 10 - 20× większe niż przy 150 stopniach. Splątanie w poprzek styku uzyskuje się poprzez wzajemne przenikanie się łańcuchów z tuby i nakrętki. Interfejs staje się-niezdefiniowany. Krystaliczność obu stron topi się częściowo i rekrystalizuje, tworząc bardziej jednorodną strukturę w całej spoinie. Ale rura ma pewną orientację (z wytłaczania), której nie można całkowicie usunąć bez stopienia, więc spoina jest nadal widoczna.

Ograniczenia i praktyczne zastosowanie
Aby wdrożyć wyżarzanie dwuetapowe dla zaślepek PFA:

Zespawaj, a następnie umieść grzejnik (lub zespół pokrywy) w-piekarniku z cyrkulacją powietrza.

Rampa do 150 stopni przy 5 stopniach/min. Pozostaw na 4 godziny.

Rampa 3 stopnie/min do 220 stopni. Odstaw na 6 godzin.

Przed usunięciem ochłodzić z szybkością 2 stopni/min do 50 stopni.

Technika ta wydłuża czas produkcji o 10–12 godzin i zwiększa koszt o 15–25%. Zalecany do zastosowań wysokociśnieniowych lub wymagających dużej liczby cykli, gdzie ważna jest wytrzymałość linii spawu. W przypadku pracy pod niskim ciśnieniem (atmosferyczne, 2 bary) wystarczające może być wyżarzanie jednoetapowe lub nawet brak wyżarzania.

The weld line is at best 25–40% weaker than the base tube with two-stage annealing. The optimum choice for any annealed welded cap is a flared end cap (no weld line) for situations where highest durability is required (pressure >10 bar, temperature cycling >1000 cykli). Rozszerzona nasadka jest wolna od spawów i ma 90-95% wytrzymałości rury podstawowej.

Przykładowy obszar
Producent grzejników PFA do wysokociśnieniowych komór fermentacyjnych (10 barów, 200 stopni) zastosował spawane zaślepki końcowe z jednostopniowym wyżarzaniem (180 stopni, 6 godzin). Wskaźnik awaryjności linii spawalniczych w ciągu 12 miesięcy wyniósł 8%. Producent przeszedł na wyżarzanie dwu-(150 stopni/4 godz. + 220 stopni/6 godz.). Wskaźnik awaryjności linii spawu spadł do 2,5% (nadal istnieje). W celu uzyskania linii produktów o najwyższej-niezawodności przeprojektowali zaślepki kielichowe i przez 5 lat nie mieli żadnych awarii linii spawalniczych.

Kontrola jakości i inspekcja
Sprawdź jakość linii spoiny po-wyżarzeniu dwuetapowym poprzez:

Test na rozerwanie: Ściana rury 2 mm lub pęknięcie rury 75% nasadki przy ciśnieniu 15 barów.

Mikroskopia: wytnij-przekrój poprzeczny spoiny i zbadaj go w świetle spolaryzowanym. Dobra spoina nie wykazuje wyraźnej linii, ale rozproszoną granicę międzyfazową o wielkości 50–100 µm.

DSC (różnicowa kalorymetria skaningowa): pomiar krystaliczności po obu stronach spoiny; różnica < 5%

Wniosek: dwuetapowe-wyżarzanie zmniejsza, ale nie eliminuje słabych punktów
Dwustopniowe wyżarzanie termiczne (150 stopni / 4 godz. + 220 stopni / 6 godz.) zmniejsza osłabienie linii spoiny w zaślepkach końcowych z PFA o 60-80%, podnosząc ciśnienie rozrywające z 6-10 barów do 15-20 barów (dla ścianki o grubości 2 mm). Metoda ta eliminuje naprężenia szczątkowe i poprawia dyfuzję łańcucha w całym kontakcie spoiny. Linia spoiny pozostaje jednak słabym punktem konstrukcyjnym, którego wytrzymałość jest o 25–40% niższa niż wytrzymałość rury podstawowej, ze względu na nieodłączną różnicę w orientacji molekularnej i krystaliczności pomiędzy wytłaczaną rurką a formowaną nasadką. Jedyną metodą całkowitego wyeliminowania osłabienia linii spawu w przypadku niezbędnych zastosowań wysokociśnieniowych lub wysokocyklowych jest zastosowanie rozszerzonych zaślepek końcowych (bez linii spawu). Wyżarzanie może być opłacalnym sposobem ulepszenia zgrzewanych kołpaków, ale nie jest lekarstwem na wszystko. Mniej spawania, lepsze wyżarzanie lub kielichowanie. Wybór oparty na ryzyku. Linie spawalnicze stanowią zagrożenie przy wysokim ciśnieniu. Wyżarz je, ale nie ufaj im. Jedyną gwarancją jest płomień.”