Чи може двостадійний процес термічного відпалу усунути слабкість лінії зварювання в торцевих заглушках PFA?

Нагрівачі PFA, які мають приварені торцеві кришки, передчасно ламаються на лінії зварювання під впливом циклічного тиску або хімічного впливу. Дво-техніка термічного відпалу, спочатку при 150 градусах протягом 4 годин, а потім при 220 градусах протягом 6 годин, може зменшити слабкість лінії зварювання на 60-80%, але не може повністю її усунути. Перший крок (150 градусів) усуває залишкову напругу, спричинену процесом зварювання, без розплавлення зварного контакту. Другий крок (220 градусів) забезпечує ланцюгову взаємну дифузію через лінію зварювання, що призводить до збільшення молекулярного заплутування та кращого збігу кристалічності між кришкою та трубкою. Тиск розриву лінії зварювання збільшується з 5–10 бар до 15–20 бар (для кришки стінки 2 мм) після двостадійного відпалу, наближаючись до тиску розриву основної труби (25–30 бар). Однак лінія зварювання є слабким місцем у конструкції, оскільки ковпачок і трубка мають різну термічну історію (екструдована трубка проти формованого ковпачка). Сам по собі відпал не може повністю позбутися від нього; для повного усунення слабкості зварювальних швів необхідні зміни конструкції (розширені кришки, див. статтю №34).

Структура лінії зварювання та слабкі місця
Зварна торцева кришка PFA об’єднує два елементи: екструдовану трубку (високо орієнтовану, кристалічність 45-50%) та пресовану кришку (ізотропну, кристалічність 40-45%). 3. Дефекти на межі зварювання: 1. Залишкова напруга внаслідок диференціального охолодження 2. Нижча молекулярна маса через термічне погіршення під час зварювання 3. Невідповідна кристалічність, що спричиняє концентрацію напруги. Тиск розриву в стані зварювання зазвичай становить від 30 до 50 відсотків тиску розриву основної труби. Труба зі стінкою 2 мм вибухає при тиску 25-30 бар, а ідентична труба з привареним верхом — під тиском 8-12 бар поблизу лінії зварювання.

Одностадійний-відпал при 180–200 градусах протягом 4 годин підвищує тиск розриву до 12–16 бар (50–60% труби). Дво-етапний відпал 15-20 бар (60-75% трубки) Поліпшення відбувається за рахунок релаксації ланцюга (де полімерним ланцюгам дозволяється повторно сплутуватися через межу розділу) і часткової рекристалізації, що зменшує зону невідповідності.

Оптимізація процесу відпалу
Процес відпалу Стадія 1 Температура (градус) Час стадії 1 (год) Температура стадії 2 (градус) Час стадії 2 (год) Тиск розриву лінії зварювання (бар, стінка 2 мм) % розриву трубки (28 бар) Режим відмови
Без відпалу - - - - 6-10 21-36%Очистити розрив лінії зварювання
Одностадійний (низький) 150 8 - - 8-12 29-43% лінія зварювання (відбілювання-під напругою)
Одностадійний (середній) 180 6 - - 10–14 36–50% Змішане зварювання та суміжні шви
Одноступенева (висока) 220 4 – – 12–16 43–57% Часткове роз-ламінування
Одностадійний (надзвичайно високий) 250 2 - - 10-14 (пере-відпалений) 36-50% Полімер зі зношеним станом
2-етап (низький-високий) 150 4 220 6 15-20 54-71% Сусідний зварний шов (не лінія зварювання)
Дво-етап (середньо-високий) 180 4 220 4 16–20 57–71% Те саме, що й вище.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% прийнятно
Три-етап (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71% Невелике покращення
Дво{0}}механізм відпалу
Перша стадія при 150 градусах нижче точки плавлення PFA (305 градусів), але вище точки склування (-15 градусів, отже, всі температури вище Tg). При 150°C полімерні ланцюги виявляють значну рухливість. Релаксація залишкової напруги від зварювання (зафіксована орієнтація). Тривалість розслаблення 1-2 години при 150 градусах, 4 години забезпечують повне зняття стресу.

Друга стадія 220 градусів ближча до точки плавлення, але не зовсім до неї. При цій температурі ланцюгова дифузія над зварювальним контактом посилюється. Коефіцієнт дифузії D визначається як D=D0 exp(-Ea/RT). D під кутом 220 градусів 10 - 20× більше, ніж під кутом 150 градусів. Переплутування поперек контакту досягається шляхом взаємопроникнення ланцюжків з трубки і ковпачка. Інтерфейс стає не-визначеним. Кристалічність обох сторін частково розплавляється та перекристалізується для створення більш однорідної структури по всьому шву. Але труба має певну орієнтацію (від екструзії), яку неможливо повністю видалити без розплавлення, тому зварний шов все ще помітний.

Обмеження та практичне використання
Щоб реалізувати 2-етапний відпал торцевих кришок PFA:

Зваріть, а потім поставте нагрівач (або вузол кришки) у -повітряну духовку з циркуляцією.

Збільшення до 150 градусів зі швидкістю 5 градусів / хв. Залиште на 4 години.

Збільшення від 3 градусів/хв до 220 градусів. Дати постояти 6 годин.

Перед видаленням охолодіть при 2 градусах/хв до 50 градусів.

Ця техніка додає 10-12 годин до часу виготовлення та 15-25% до вартості. Рекомендується для застосувань під високим тиском або високим циклом, де важлива міцність лінії зварювання. Для експлуатації під низьким тиском (атмосферний, 2 бари) може бути достатнім одностадійний відпал або навіть відсутність відпалу.

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 циклів). Розширений ковпачок не має лінії зварювання та має 90-95% міцності основної труби.

Приклад площі
Виробник PFA нагрівачів для метантенків високого тиску (10 бар, 200 градусів) використовував зварні торцеві кришки з одностадійним відпалом (180 градусів, 6 годин). Рівень відмов зварювальної лінії за 12 місяців становив 8%. Виробник перейшов на дво-етапний відпал (150 градусів /4 год + 220 градус /6 год). Рівень поломок лінії зварювання зменшився до 2,5% (все ще існує). Вони змінили дизайн на розвальцьовані торцеві кришки для своєї-лінійки продуктів найвищої надійності та не мали жодних збоїв зварювальних ліній протягом 5 років.

Контроль та перевірка якості
Перевірте якість лінії зварювання після-двоетапного відпалу за допомогою:

Випробування на розрив: стінка трубки 2 мм або розрив трубки на 75% розриву кришки при 15 бар.

Мікроскопія: виріжте поперечний зріз -зварного шва та огляньте в поляризованому світлі. Хороший зварний шов не демонструє чіткої лінії, але розсіяну межу розділу 50–100 мкм.

DSC (диференціальна скануюча калориметрія): вимірювання кристалічності з обох сторін зварного шва; різниця < 5%

Висновок: дво{0}}етапний відпал зменшує, але не усуває слабкість
Дво-ступеневий термічний відпал (150 градусів /4 год + 220 градус /6 годин) знижує слабкість лінії зварювання торцевих кришок з PFA на 60-80%, підвищуючи тиск розриву з 6-10 бар до 15-20 бар (для стінки 2 мм). Цей метод усуває залишкову напругу та посилює взаємодифузію ланцюга по всьому контакту зварювання. Проте лінія зварювання залишається структурною слабкою стороною, міцність якої на 25–40% нижча, ніж у основної труби, через притаманну різницю в молекулярних орієнтаціях і кристалічності між екструдованою трубкою та формованим ковпачком. Єдиний спосіб повністю усунути слабкість лінії зварювання для важливих застосувань під високим тиском або інтенсивним циклом - це використовувати розвальцьовані торцеві кришки (без лінії зварювання). Відпал може бути економічно ефективним способом покращення зварних ковпачків, але він не є панацеєю від усіх проблем. Менше зварюйте, краще відпалюйте або розвальцьовуйте. Вибір на основі ризику. Зварювальні лінії становлять небезпеку під високим тиском. Відпалити їх, але не довіряти їм. Єдина впевненість — спалах».