Poate un proces de recoacere termică în două-etape să elimine slăbiciunea liniei de sudură din capacele PFA?

Încălzitoarele PFA care au capace de capăt sudate se rup prematur la linia de sudură atunci când sunt supuse unui ciclu de presiune sau unui atac chimic. O tehnică de recoacere termică în două-etape, mai întâi la 150 de grade timp de 4 ore și apoi la 220 de grade timp de 6 ore, poate reduce slăbiciunea liniei de sudură cu 60-80%, dar nu o poate elimina complet. Prima etapă (150 de grade) elimină stresul rezidual cauzat de procesul de sudare, fără a topi contactul de sudură. Al doilea pas (220 de grade) permite interdifuzia lanțului de-a lungul liniei de sudură, rezultând o încurcare moleculară crescută și o potrivire mai bună a cristalinității între capac și tub. Presiunea de rupere a liniei de sudură crește de la 5–10 bar la 15–20 bar (pentru un capac de perete de 2 mm) după recoacere în două etape, aproape de presiunea de spargere a tubului de bază (25–30 bar). Cu toate acestea, linia de sudare este un punct slab al structurii, deoarece capacul și tubul au istorii termice diferite (tub extrudat versus capac turnat). Recoacerea singură nu poate scăpa complet de ea; sunt necesare modificări de proiectare (capsele evazate, vezi articolul #34) pentru a elimina complet slăbiciunea liniei de sudură.

Structura și slăbiciunea liniei de sudură
Un capac de capăt sudat PFA unește două elemente, un tub extrudat (foarte orientat, cristalinitate 45-50%) și un capac turnat prin compresie (izotrop, cristalinitate 40-45%). 3 defecte la interfața de sudură: 1. Tensiuni reziduale din cauza deteriorării moleculare diferențiale de răcire 2.3.3. Cristalinitate nepotrivită care provoacă concentrarea stresului. Presiunea de rupere a stării de sudare este de obicei de 30 până la 50 la sută din presiunea de spargere a tubului de bază. Tubul de perete de 2 mm explodează la 25-30 bari, iar tubul identic cu vârf sudat la 8-12 bar lângă linia de sudură.

Recoacere într-o singură etapă la 180–200 de grade timp de 4 ore mărește presiunea de spargere la 12–16 bari (50–60% din tub). Recoacere în două-etape 15-20 bar (60-75% din tub) Îmbunătățirea se datorează relaxării lanțului (unde lanțurilor polimerice li se permite să se reîncurce pe interfață) și recristalizării parțiale, care scade zona nepotrivită.

Optimizarea procesului de recoacere
Procesul de recoacere Etapa 1 Temp (grade) Etapa 1 Timp (h) Etapa 2 Temp (grade) Etapa 2 Timp (h) Presiunea de spargere a liniei de sudare (bar, 2 mm perete) % din spargerea tubului (28 bar) Mod de eșec
Fără recoacere - - - - 6-10 21-36%Clean ruptura liniei de sudură
O singură etapă (scăzută) 150 8 - - 8-12 29-43% Linie de sudură (albire-la tensiuni)
O singură etapă (medie) 180 6 - - 10–14 36–50% Suduri mixte și adiacente
O singură etapă (înaltă) 220 4 – – 12–16 43–57%De-laminare parțială
O singură etapă (extrem de mare) 250 2 - - 10-14 (supra-recoace) 36-50%Polimer deteriorat
2-etapă (scăzut-înalt) 150 4 220 6 15-20 54-71% Sudura adiacentă (nu linia de sudare)
În două-etape (mediu-înalt) 180 4 220 4 16–20 57–71% La fel ca mai sus.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% Acceptabil
Trei-etape (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–{20 57–71% Ușoară îmbunătățire
Mecanism de recoacere în doi-etape
Prima etapă la 150 de grade este sub punctul de topire a PFA (305 grade), dar deasupra tranziției sticloase (-15 grade, prin urmare, toate temperaturile sunt peste Tg). La 150 de grade C, lanțurile polimerice prezintă o bună mobilitate. Relaxarea stresului rezidual de la sudare (blocat în orientare). Durata de relaxare este de 1-2 ore la 150 de grade, 4 ore asigură atenuarea completă a stresului.

A doua etapă de 220 de grade este mai aproape de punctul de topire, dar nu chiar la el. La această temperatură difuzia lanțului peste contactul de sudură este îmbunătățită. Coeficientul de difuzie D este dat de D=D0 exp({-Ea/RT). D la 220 de grade este 10 - 20× mai mare decât la 150 de grade . Încurcarea contactului se realizează prin întrepătrunderea lanțurilor din tub și capac. Interfața devine ne-definită. Cristalinitatea ambelor părți se topește parțial și se recristalizează pentru a produce o structură mai omogenă în întreaga sudură. Dar tubul are o anumită orientare (din extrudare) care nu poate fi îndepărtată în întregime fără să se topească, așa că sudura este încă aparentă.

Limitări și utilizare practică
Pentru a implementa recoacere în 2 etape pentru capacele PFA:

Sudați, apoi setați încălzitorul (sau ansamblul capacului) într-un cuptor cu circulație de aer-.

Rampa la 150 de grade la 5 grade/min. Se lasa 4 ore.

Rampa de 3 grade/min la 220 de grade. Lăsați să stea timp de 6 ore.

Se răcește la 2 grade/min până la 50 de grade înainte de îndepărtare.

Această tehnică adaugă 10-12 ore la timpul de producție și 15-25% la cost. Recomandat pentru aplicații de înaltă presiune sau ciclu înalt în care rezistența liniei de sudură este importantă. Pentru serviciul la presiune joasă (atmosferică, 2 bar) poate fi suficientă recoacere într-o singură etapă sau chiar fără recoacere.

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 de cicluri). Capacul evazat nu are linii de sudură și are o rezistență de 90-95% a tubului de bază.

Zona de exemplu
Producătorul de încălzitoare PFA pentru digestoare de înaltă presiune (10 bar, 200 de grade) a folosit capace de capăt sudate cu recoacere într-o singură etapă (180 de grade, 6 ore). Rata de eșec al liniei de sudură pe parcursul a 12 luni a fost de 8%. Producătorul a trecut la o recoacere în doi-etape (150 grade/4 ore + 220 grade/6 ore). Rata de eșec al liniei de sudură până la 2,5% (încă există). Au reproiectat capacele de capăt evazate pentru linia lor de produse de cea mai înaltă-fiabilitate și au avut zero defecțiuni ale liniei de sudură în decurs de 5 ani.

Controlul și inspecția calității
Verificați calitatea liniei de sudură după recoacerea în două-etape prin:

Test de spargere: Peretele tubului de 2 mm sau spargerea tubului 75% din capacul spart la 15 bar.

Microscopie: tăiați secțiunea transversală-sudură și examinați sub lumină polarizată. O sudură bună nu prezintă o linie clară, ci o interfață difuză de 50-100 µm.

DSC (calorimetrie cu scanare diferențială): măsurați cristalinitatea pe ambele părți ale sudurii; diferenta < 5%

Concluzie: recoacerea în două-etape reduce, dar nu elimină slăbiciunea
Recoacere termică în două-etape (150 grade /4 ore + 220 grade /6 ore) reduce slăbiciunea liniei de sudură în capacele de capăt PFA cu 60-80%, crescând presiunea de spargere de la 6-10 bar la 15-20 bar (pentru peretele de 2 mm). Această metodă elimină stresul rezidual și îmbunătățește interdifuzia lanțului pe tot parcursul contactului sudurii. Linia de sudură, totuși, rămâne un punct slab structural, cu o rezistență cu 25-40% mai mică decât cea a tubului de bază, datorită diferenței inerente de orientări moleculare și cristalinități dintre tubul extrudat și capacul turnat. Singura metodă de a elimina complet slăbiciunea liniei de sudură pentru aplicații esențiale de înaltă presiune sau ciclu înalt este utilizarea capacelor de capăt evazate (fără linie de sudură). Recoacerea poate fi o modalitate rentabilă de a îmbunătăți capacele sudate, dar nu este o soluție completă. Sudați mai puțin, recoaceți mai bine sau designul evazat. Alegerea bazată pe risc. Liniile de sudură sunt pericole la presiune înaltă. Coace-le, dar nu ai încredere în ele. Singura asigurare este flare.”