Can a Two-Stage Thermal Annealing Process Eliminate Weld Line Weakness in PFA End Caps?

ПФА грејачи који имају заварене завршне поклопце прерано се ломе на линији заваривања када су подвргнути циклусу притиска или хемијском нападу. Двостепена техника термичког жарења, прво на 150 степени током 4 сата, а затим на 220 степени током 6 сати, може смањити слабост линије заваривања за 60-80%, али је не може потпуно елиминисати. Први корак (150 степени) елиминише заостало напрезање изазвано процесом заваривања, без топљења контакта завара. Други корак (220 степени) омогућава интердифузију ланца преко линије заваривања, што доводи до повећаног молекуларног преплитања и бољег поклапања у кристалности између поклопца и цеви. Притисак пуцања линије заваривања се повећава са 5–10 бара на 15–20 бара (за зидну капу од 2 мм) након двостепеног жарења, приближавајући се притиску пуцања основне цеви (25–30 бара). Међутим, линија заваривања је слаба тачка у структури пошто поклопац и цев имају различите термичке историје (екструдирана цев у односу на ливени поклопац). Само жарење не може у потпуности да га се реши; Промене у дизајну (наширене капице, видети члан #34) су потребне да би се у потпуности елиминисала слабост линије заваривања.

Структура и слабост линије заваривања
Заварени ПФА завршни поклопац обједињује два елемента, екструдирану цев (високо оријентисану, кристалност 45-50%) и компресијско обликовану капицу (изотропна, кристалност 40-45%). 3 дефекте на интерфејсу завара: 1. Преостало напрезање услед нижег топлотног хлађења хлађења3. Неусклађена кристалност која узрокује концентрацију напона. Притисак пуцања у стању заваривања је типично 30 до 50 процената притиска пуцања основне цеви. Зидна цев од 2 мм експлодира на 25-30 бара, а идентична цев са завареним врхом на 8-12 бара у близини линије заваривања.

Једностепено{0}}жарење на 180–200 степени током 4 сата повећава притисак пуцања на 12–16 бара (50–60% цеви). Двостепено жарење 15-20 бара (60-75% цеви) Побољшање је последица релаксације ланца (где је дозвољено да се полимерни ланци поново заплете преко интерфејса) и делимичне рекристализације, која смањује неусклађену зону.

Оптимизација процеса жарења
Процес жарења Фаза 1 Темп (степен) Фаза 1 Време (сат) Температура Фазе 2 (степен) Фаза 2 Време (сат) Притисак пуцања у линији заваривања (бар, 2 мм зид) % пуцања цеви (28 бар) Режим квара
Без жарења - - - - 6-10 21-36%Очистите пукнуће линије заваривања
Једностепени (ниски) 150 8 - - 8-12 29-43% линија заваривања (напрезање-избељивање)
Једностепени (средњи) 180 6 - - 10–14 36–50% мешани завар и суседни
Једностепена (висока) 220 4 – – 12–16 43–57% Делимична де-ламинација
Једностепени (екстремно висок) 250 2 - - 10-14 (преко-жарени) 36-50% Покварен полимер
2-степени (ниско-високо) 150 4 220 6 15-20 54-71% суседни завар (не линија заваривања)
Два-степена (средња-висока) 180 4 220 4 16–20 57–71% Исто као горе.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% прихватљиво
Три-степена (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71% Благо побољшање
Механизам за жарење у два- корака
Први корак на 150 степени је испод тачке топљења ПФА (305 степени), али изнад стаклене транзиције (-15 степени, стога су све температуре изнад Тг). На 150 степени Ц, полимерни ланци показују добру покретљивост. Релаксација заосталог напрезања од заваривања (закључано у оријентацији). Трајање опуштања је 1-2 сата на 150 степени, 4 сата обезбеђују потпуно ублажавање стреса.

Друга фаза од 220 степени је ближа тачки топљења, али не баш на њој. На овој температури дифузија ланца преко контакта завара је побољшана. Коефицијент дифузије Д је дат са Д=Д0 екп(-Еа/РТ). Д на 220 степени је 10 - 20× већи него на 150 степени. Преплитање преко контакта се постиже међусобном продирањем ланаца из цеви и поклопца. Интерфејс постаје не{12}}дефинисан. Кристаличност обе стране се делимично топи и рекристалише да би се добила хомогенија структура у целом завару. Али цев има неку оријентацију (од екструзије) која се не може у потпуности уклонити без топљења, тако да је завар још увек очигледан.

Ограничења и практична употреба
Да бисте применили жарење у 2 корака за ПФА крајње капице:

Заварите, а затим поставите грејач (или склоп поклопца) у -рерну са циркулацијом ваздуха.

Рамп на 150 степени при 5 степени /мин. Оставите 4 сата.

Рамп 3 степена/мин до 220 степени. Оставите да стоји 6 сати.

Охладите на 2 степена/мин до 50 степени пре уклањања.

Ова техника додаје 10-12 сати на време производње и 15-25% на цену. Препоручује се за апликације високог притиска или високог циклуса где је важна чврстоћа линије заваривања. За рад под ниским притиском (атмосферски, 2 бара) може бити довољно једностепено жарење или чак никакво жарење.

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 циклуса). Раширени поклопац је без линије заваривања и има 90-95% чврстоће основне цеви.

Пример области
Произвођач ПФА грејача за дигесторе високог притиска (10 бара, 200 степени) користио је заварене завршне поклопце са једностепеним жарењем (180 степени, 6 сати). Стопа квара линије заваривања током 12 месеци била је 8%. Произвођач је прешао на жарење у два- корака (150 степени /4 сата + 220 степена /6 сати). Стопа квара линије заваривања је смањена на 2,5% (још увек постоји). Редизајнирали су се тако да су завршне капице са проширењем за своју линију производа највеће{16}}поузданости и нису имали кварове на линији заваривања током 5 година.

Контрола и инспекција квалитета
Проверите квалитет линије заваривања након два-степеног жарења:

Тест пуцања: зид цеви 2 мм или пуцање цеви 75% пуцања поклопца на 15 бара.

Микроскоп: исеците попречни пресек{0}}завара и прегледајте под поларизованим светлом. Добар завар не показује јасну линију, али дифузно сучеље од 50–100 µм.

ДСЦ (диференцијална скенирајућа калориметрија): мерење кристалности на обе стране вара; разлика < 5%

Закључак: Двостепено жарење смањује, али не елиминише слабости
Двостепено термичко жарење (150 степени /4 сата + 220 степена /6 сати) смањује слабост линије заваривања у завршним поклопцима ПФА за 60-80%, подижући притисак пуцања са 6-10 бара на 15-20 бара (за зид од 2 мм). Ова метода елиминише заостало напрезање и побољшава међудифузију ланца кроз контакт заварених спојева. Линија заваривања, међутим, остаје структурална слаба тачка, са чврстоћом 25–40% нижом од оне основне цеви, због инхерентне разлике у молекуларној оријентацији и кристалности између екструдиране цеви и обликованог поклопца. Једини начин да се потпуно елиминише слабост линије заваривања за суштинске примене високог притиска или високог циклуса је употреба проширених завршних капица (без линије заваривања). Жарење може бити исплатив начин за побољшање заварених капица, али није лек за све. Мање заварите, боље жарите или дизајнирајте шишање. Избор заснован на ризику. Линије заваривања представљају опасност под високим притиском. Жарите их, али им не верујте. Једина гаранција је бакља“.