Може ли дву{0}}процес на термично отгряване да елиминира слабостта на заваръчната линия в PFA крайните капачки?

PFA нагревателите, които имат заварени крайни капачки, се счупват преждевременно на заваръчната линия, когато са подложени на цикъл на налягане или химическа атака. Дву{1}}техника на термично отгряване, първо при 150 градуса за 4 часа и след това при 220 градуса за 6 часа, може да намали слабостта на заваръчната линия с 60-80%, но не може да я премахне напълно. Първата стъпка (150 градуса) елиминира остатъчното напрежение, причинено от процеса на заваряване, без да разтопи заваръчния контакт. Втората стъпка (220 градуса) позволява верижна интердифузия през заваръчната линия, което води до повишено молекулярно заплитане и по-добро съвпадение на кристалността между капачката и тръбата. Налягането на спукване на заваръчната линия се увеличава от 5–10 бара до 15–20 бара (за капачка на стената от 2 mm) след двустепенно отгряване, доближавайки се до налягането на спукване на основната тръба (25–30 бара). Заваръчната линия обаче е слабо място в структурата, тъй като капачката и тръбата имат различни топлинни истории (екструдирана тръба спрямо формована капачка). Отгряването само по себе си не може напълно да се отърве от него; Необходими са промени в дизайна (разширени капачки, вижте член #34), за да се елиминира напълно слабостта на заваръчната линия.

Структура и слабост на заваръчната линия
Заварената крайна капачка от PFA обединява два елемента, екструдирана тръба (силно ориентирана, кристалност 45-50%) и формована през компресия капачка (изотропна, кристалност 40-45%). 3 недостатъци на заваръчния интерфейс: 1. Остатъчно напрежение, дължащо се на диференциално охлаждане 2. По-ниско молекулно тегло поради термично влошаване по време на заваряване 3. Несъответстваща кристалност, причиняваща концентрация на напрежение. Налягането на разрушаване в състояние след заваряване обикновено е 30 до 50 процента от налягането на разрушаване на основната тръба. Тръбата със стена от 2 мм експлодира при 25-30 бара, а същата тръба със заварен връх при 8-12 бара близо до заваръчната линия.

Едно-етапно отгряване при 180–200 градуса за 4 часа повишава налягането на спукване до 12–16 бара (50–60% от тръбата). Дву-етапно отгряване 15-20 бара (60-75% от тръбата) Подобрението се дължи на отпускане на веригата (където на полимерните вериги е позволено да се заплитат отново през интерфейса) и частична рекристализация, която намалява зоната на несъответствие.

Оптимизиране на процеса на отгряване
Процес на отгряване Етап 1 Температура (градус) Етап 1 Време (час) Етап 2 Температура (градус) Етап 2 Време (час) Налягане на спукване на заваръчната линия (бар, 2 mm стена) % от спукване на тръбата (28 бара) Режим на повреда
Без отгряване - - - - 6-10 21-36%Почистете разкъсването на заваръчната линия
Един етап (нисък) 150 8 - - 8-12 29-43% Линия на заваряване (избелване-напрежение)
Единичен етап (среден) 180 6 - - 10–14 36–50% Смесена заварка и съседни
Едностепенна (висока) 220 4 – – 12–16 43–57%Частично раз-ламиниране
Едноетапен (изключително висок) 250 2 - - 10-14 (над-закален) 36-50% Влошен полимер
2-етап (нисък-висок) 150 4 220 6 15-20 54-71% съседен заваръчен шев (без заваръчна линия)
Дву-етап (средно-висок) 180 4 220 4 16–20 57–71% Същото като по-горе.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% приемливо
Три{0}}етап (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71% Леко подобрение
Дву{0}}механизъм за отгряване
Първата стъпка при 150 градуса е под точката на топене на PFA (305 градуса), но над встъкляването (-15 градуса, следователно всички температури са над Tg). При 150 градуса C, полимерните вериги показват голяма подвижност. Релаксиране на остатъчното напрежение от заваряване (заключено в ориентация). Релаксиращата продължителност е 1-2 часа при 150 градуса, 4 часа осигуряват пълно облекчаване на стреса.

Вторият етап от 220 градуса е по-близо до точката на топене, но не съвсем. При тази температура верижната дифузия над заваръчния контакт се засилва. Коефициентът на дифузия D се дава от D=D0 exp(-Ea/RT). D при 220 градуса е 10 - 20× по-голямо от това при 150 градуса. Заплитането през контакта се постига чрез взаимно проникване на вериги от тръбата и капачката. Интерфейсът става не-дефиниран. Кристалността на двете страни се стопява частично и рекристализира, за да се получи по-хомогенна структура в целия заваръчен шев. Но тръбата има някаква ориентация (от екструдиране), която не може да бъде напълно отстранена, без да се разтопи, така че заваръчният шев все още е очевиден.

Ограничения и практическа употреба
За прилагане на двуетапно отгряване за PFA крайни капачки:

Заварете, след което поставете нагревателя (или модула на капачката) в-въздушна пещ.

Рампа до 150 градуса при 5 градуса /мин. Оставете за 4 часа.

Рампа 3 градуса/мин до 220 градуса. Оставете да престои 6 часа.

Охладете при 2 градуса/мин до 50 градуса преди изваждане.

Тази техника добавя 10-12 часа към времето за производство и 15-25% към разходите. Препоръчва се за приложения с високо налягане или висок цикъл, където здравината на заваръчния шев е важна. За работа с ниско налягане (атмосферно, 2 бара) може да е достатъчно едноетапно отгряване или дори без отгряване.

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 цикъла). Разширената капачка е без заваръчни линии и има 90-95% якост на основната тръба.

Примерна област
Производителят на PFA нагреватели за биореактори с високо налягане (10 бара, 200 градуса) използва заварени крайни капачки с едноетапно отгряване (180 градуса, 6 часа). Степента на отказ на заваръчната линия за 12 месеца е 8%. Производителят премина към дву-етапно отгряване (150 градуса /4 часа + 220 градуса /6 часа). Степента на отказ на заваръчната линия е намалена до 2,5% (все още съществува). Те препроектираха до разширени крайни капачки за своята продуктова линия с най-висока{16}}надеждност и нямаха нулеви повреди на заваръчните линии за 5 години.

Контрол и инспекция на качеството
Проверете качеството на заваръчната линия след дву{0}}етапно отгряване чрез:

Тест за спукване: Стена на тръбата 2 мм или спукване на тръбата 75% от спукването на капачката при 15 бара.

Микроскопия: Изрежете напречното-сечение на заваръчния шев и прегледайте под поляризирана светлина. Добрата заварка не показва ясна линия, а дифузна граница от 50–100 µm.

DSC (диференциална сканираща калориметрия): измерване на кристалността от двете страни на заваръчния шев; разлика < 5%

Заключение: Дву{0}}етапното отгряване намалява, но не елиминира слабостта
Дву{0}}етапното термично отгряване (150 градуса /4 часа + 220 градуса /6 часа) намалява слабостта на заваръчната линия в PFA крайните капачки с 60-80%, повишавайки налягането на спукване от 6-10 бара до 15-20 бара (за 2 mm стена). Този метод елиминира остатъчното напрежение и подобрява взаимната дифузия на веригата по целия контакт на заварката. Заваръчната линия обаче остава структурно слабо място, със здравина с 25–40% по-ниска от тази на основната тръба, поради присъщата разлика в молекулярните ориентации и кристалността между екструдираната тръба и формованата капачка. Единственият метод за пълно премахване на слабостта на заваръчната линия за съществени приложения с високо налягане или висок цикъл е да се използват разширени крайни капачки (без заваръчна линия). Отгряването може да бъде рентабилен начин за подобряване на заварени капачки, но не е лек за всичко. Заварявайте по-малко, отгрявайте по-добре или разклащайте дизайна. Избор, основан на риска. Заваръчните линии са опасни при високо налягане. Накалявайте ги, но не им вярвайте. Единствената гаранция е пламъкът."