Приваренные торцевые крышки на нагревателях из PFA преждевременно выходят из строя на линии сварки при циклическом изменении давления или химическом воздействии. Двухэтапный-процесс термического отжига-сначала при 150 градусах в течение 4 часов, затем при 220 градусах в течение 6 часов-может снизить слабость линии сварного шва на 60–80 %, но не может полностью устранить ее. Первый этап (150 градусов) снимает остаточные напряжения процесса сварки без плавления поверхности сварного шва. Второй этап (220 градусов) способствует взаимной диффузии цепей по линии сварного шва, увеличивая молекулярное переплетение и улучшая соответствие кристалличности между крышкой и трубкой. После двухэтапного отжига -давление разрыва линии сварного шва увеличивается с 5–10 бар до 15–20 бар (для колпака толщиной 2 мм), приближаясь к давлению разрыва базовой трубы 25–30 бар. Однако линия сварного шва остается слабым местом конструкции, поскольку крышка и трубка имеют разную термическую историю (экструдированная трубка и формованная крышка). Полное устранение невозможно только с помощью отжига; изменения конструкции (расширенные колпачки, см. статью № 34) необходимы для нулевой слабости линии сварного шва.
Структура и слабые места сварной линии
Сварная торцевая крышка из ПФА соединяет две детали: экструдированную трубку (высокоориентированную, кристалличность 45–50 %) и крышку, полученную прессованием- (изотропную, кристалличность 40–45 %). Интерфейс сварного шва имеет три дефекта: (1) остаточное напряжение из-за дифференциального охлаждения; (2) более низкая молекулярная масса из-за термического разложения во время сварки; (3) несоответствующая кристалличность, создающая концентрацию напряжений. Давление разрыва-сварной сварки обычно составляет 30–50 % от давления разрыва базовой трубы. Трубка со стенкой 2 мм лопается при давлении 25–30 бар; та же трубка с приваренной крышкой лопается при давлении 8–12 бар по линии сварки.
Одноэтапный-отжиг при температуре 180–200 градусов в течение 4 часов повышает давление разрыва до 12–16 бар (50–60 % трубы). Двухэтапный отжиг- обеспечивает давление 15–20 бар (60–75 % трубы). Улучшение происходит за счет релаксации цепей (позволяющей полимерным цепям повторно переплетаться на границе раздела) и частичной рекристаллизации, которая уменьшает зону несоответствия.
Оптимизация процесса отжига
| Процесс отжига | Температура ступени 1 (градусы) | Этап 1 Время (ч) | Температура ступени 2 (градусы) | Этап 2 Время (ч) | Давление разрыва сварной линии (бар, стенка 2 мм) | % разрыва трубки (28 бар) | Режим отказа | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Без отжига | - | - | - | - | 6–10 | 21–36% | Чистый перелом линии сварного шва | ||
| Одноступенчатый (низкий) | 150 | 8 | - | - | 8–12 | 29–43% | Линия сварного шва с отбеливанием под напряжением | ||
| Одноступенчатый (средний) | 180 | 6 | - | - | 10–14 | 36–50% | Смешанный сварной шов и прилегающий | ||
| Одноступенчатый (высокий) | 220 | 4 | - | - | 12–16 | 43–57% | Частичное расслоение | ||
| Одноступенчатый (очень высокий) | 250 | 2 | - | - | 10–14 (сверх-отожженный) | 36–50% | Деградированный полимер | ||
| Два-этап (низкий-высокий) | 150 | 4 | 220 | 6 | 15–20 | 54–71% | Рядом со сварным швом (не линия сварного шва) | ||
| Двух-этапный (средний-высокий) | 180 | 4 | 220 | 4 | 16–20 | 57–71% | Аналогично приведенному выше | ||
| Два-этапа (150→200) | 150 | 4 | 200 | 8 | 14–18 | 50–64% | Приемлемый | ||
| Три-этапа (150→200→220) | 150 | 2 | 200 | 4 | 220 | 2 | 16–20 | 57–71% | Незначительное улучшение |
Механизм двухэтапного-отжига
Первая стадия при 150 градусах ниже точки плавления PFA (305 градусов), но выше температуры стеклования (-15 градусов, поэтому все температуры выше Tg). При 150 градусах полимерные цепи обладают значительной подвижностью. Остаточные напряжения от сварки (замороженная ориентация) ослабляются. Время релаксации при 150 градусах – 1–2 часа; 4 часа гарантируют полное снятие стресса.
Вторая стадия при температуре 220 градусов ближе к температуре плавления, но все же ниже ее. При этой температуре диффузия цепи через границу сварного шва ускоряется. Коэффициент диффузии D следует за D=D₀ × exp(-E_a/RT). При 220 градусах D в 10–20 раз выше, чем при 150 градусах. Цепи трубки и колпачка проникают друг в друга, создавая запутывание на границе раздела. Интерфейс становится менее четким. Кристалличность обеих частей частично плавится и рекристаллизуется, образуя более однородную структуру по всему шву. Однако трубка сохраняет некоторую ориентацию (из-за экструзии), которую невозможно полностью устранить без плавления, поэтому сварной шов остается видимым.
Практическая реализация и ограничения
Чтобы реализовать двухэтапный-отжиг торцевых крышек из PFA:
После сварки поместите нагреватель (или крышку в сборе) в печь с циркуляцией воздуха-.
Нарастание со скоростью 5 град/мин до 150 градусов. Держите 4 часа.
Нарастание со скоростью 3 градуса в минуту до 220 градусов. Держите 6 часов.
Перед снятием охладите со скоростью 2 градуса в минуту до 50 градусов.
Этот процесс увеличивает время производства на 10–12 часов и увеличивает стоимость на 15–25%. Рекомендуется для применений с высоким-давлением или высокой-цикличностью, где прочность линии сварки имеет решающее значение. Для работы с низким-давлением (атмосферным,<2 bar), single-stage annealing or even no annealing may be sufficient.
Even with optimal two-stage annealing, the weld line remains weaker than the base tube by 25–40%. For applications requiring maximum reliability (pressure >10 bar, thermal cycling >1000 циклов), расширяющаяся торцевая крышка (без линии сварки) предпочтительнее любой отожженной сварной крышки. Раструбная крышка не имеет линии сварки и достигает 90–95% прочности базовой трубы.
Пример поля
Производитель нагревателей PFA для варочных котлов высокого-давления (10 бар, 200 градусов) использовал приварные торцевые крышки с одноэтапным-отжигом (180 градусов, 6 часов). Частота отказов сварных швов через 12 месяцев составила 8%. Производитель перешел на двухэтапный отжиг (150 градусов/4 часа + 220 градусов/6 часов). Процент отказов сварочных линий снизился до 2,5% (все еще присутствует). Для своей линейки продуктов с высочайшей-надежностью они перепроектировали торцевые крышки с развальцовкой, что позволило добиться нулевого уровня отказов сварных швов в течение 5 лет.
Инспекция и контроль качества
После двухэтапного-отжига проверьте качество линии сварного шва следующим образом:
Тест на разрыв: Крышки для проб должны лопнуть при давлении, большем или равном 15 бар для стенки толщиной 2 мм (или больше или равном 75% разрыва трубки).
микроскопия: Разрежьте-сварной шов и осмотрите его в поляризованном свете. Хороший сварной шов не имеет четкой линии; интерфейс кажется размытым на расстоянии более 50–100 мкм.
ДСК (дифференциальная сканирующая калориметрия): Измерьте кристалличность с обеих сторон сварного шва; разница должна быть<5%.
Вывод: двухэтапный-отжиг снижает слабость, но не устраняет ее.
Двухэтапный-термический отжиг (150 градусов/4 часа + 220 градусов/6 часов) снижает слабость линий сварного шва в торцевых крышках из PFA на 60–80 %, увеличивая давление разрыва с 6–10 бар до 15–20 бар (для стенки толщиной 2 мм). Этот процесс снимает остаточное напряжение и способствует взаимной диффузии цепи через границу сварного шва. Однако, поскольку экструдированная трубка и формованная крышка по своей природе имеют различную молекулярную ориентацию и кристалличность, линия сварного шва остается структурным слабым местом с прочностью на 25–40% меньшей, чем у базовой трубы. Для критически важных применений с высоким-давлением или высокой-цикличностью развальцованные торцевые крышки (без линии сварного шва) являются единственным способом полностью устранить слабость линии сварного шва. Отжиг – экономически-эффективное усовершенствование сварных крышек, но не комплексное решение. Меньше сваривайте, лучше отжигайте или проектируйте с расширением. Выбирайте исходя из риска. При высоком давлении линии сварки становятся помехами. Отожгите их, но не доверяйте им полностью. Вспышка — единственная гарантия.
