Voiko kaksi{0}}vaiheinen lämpöhehkutus poistaa hitsauslinjan heikkouden PFA-päätykappaleissa?

PFA-lämmittimet, joissa on hitsatut päätykappaleet, rikkoutuvat ennenaikaisesti hitsauslinjassa painekierron tai kemiallisen vaikutuksen alaisena. Kaksivaiheinen lämpöhehkutustekniikka, ensin 150 asteessa 4 tunnin ajan ja sitten 220 asteen lämpötilassa 6 tunnin ajan, voi vähentää hitsauslinjan heikkoutta 60-80 %, mutta ei poista sitä kokonaan. Ensimmäinen vaihe (150 astetta) eliminoi hitsausprosessin aiheuttaman jäännösjännityksen sulattamatta hitsauskontaktia. Toinen vaihe (220 astetta) mahdollistaa ketjujen diffuusion hitsauslinjan poikki, mikä johtaa lisääntyneeseen molekyylien kietoutumiseen ja paremman kiteisyyden yhteensovittamiseen kannen ja putken välillä. Hitsauslinjan murtumispaine nousee kaksivaiheisen hehkutuksen jälkeen 5–10 barista 15–20 bariin (2 mm:n seinäkorkilla) lähelle pohjaputken halkeamispainetta (25–30 bar). Hitsauslinja on kuitenkin heikko kohta rakenteessa, koska korkilla ja putkella on erilaiset lämpöhistoriat (ekstrudoitu putki vs. muovattu korkki). Hehkutus yksinään ei pääse siitä täysin eroon; Suunnittelumuutokset (leivetyt kannet, katso artikla #34) ovat tarpeen hitsauslinjan heikkouden poistamiseksi kokonaan.

Hitsauslinjan rakenne ja heikkous
Hitsattu PFA-päätykansi yhdistää kaksi elementtiä, suulakepuristetun putken (korkeasti orientoitu, kiteisyys 45-50 %) ja puristusmuovatun kannen (isotrooppinen, kiteisyys 40-45 %). 3 hitsausrajapinnassa olevat puutteet: 1. Jäännösjännitys, joka johtuu differentiaalisen jäähdytyksen aiheuttamasta lämmönpoistopainosta. Yhteensopimaton kiteisyys aiheuttaa jännityksen keskittymisen. Hitsatun tilan murtumispaine on tyypillisesti 30-50 prosenttia pohjaputken murtumispaineesta. 2 mm seinäputki räjähtää 25-30 baarin paineessa ja identtinen putki hitsatulla yläpinnalla 8-12 baarissa lähellä hitsauslinjaa.

Yksivaiheinen hehkutus 180–200 asteessa 4 tunnin ajan nostaa murtumispaineen 12–16 baariin (50–60 % putkesta). Kaksi-vaiheinen hehkutus 15-20 bar (60-75 % putkesta) Parannus johtuu ketjun rentoutumisesta (jossa polymeeriketjujen annetaan kietoutua uudelleen rajapinnan poikki) ja osittaisesta uudelleenkiteytymisestä, mikä vähentää yhteensopimatonta vyöhykettä.

Hehkutusprosessin optimointi
Hehkutusprosessi Vaihe 1 Lämpötila ( aste ) Vaihe 1 Aika (h) Vaihe 2 Lämpötila ( aste ) Vaihe 2 Aika (tuntia) Hitsauslinjan murtumispaine (bar, 2 mm seinä) % putken halkeamisesta (28 bar) Vikatila
Ei hehkutusta - - - - 6-10 21-36%Puhdas hitsauslinjan repeämä
Yksivaiheinen (matala) 150 8 - - 8-12 29-43% hitsauslinja (rasitus-valkaisu)
Yksivaiheinen (keskikokoinen) 180 6 - - 10–14 36–50 % sekoitettu hitsi ja vierekkäinen
Yksivaiheinen (korkea) 220 4 – – 12–16 43–57 % Osittainen-delaminaatio
Yksivaiheinen (erittäin korkea) 250 2 - - 10-14 (yli-hehkutettu) 36-50 % huonontunut polymeeri
2-vaihe (matala-korkea) 150 4 220 6 15-20 54-71% vierekkäinen hitsi (ei hitsauslinja)
Kaksi-vaihe (keski-korkea) 180 4 220 4 16–20 57–71 % Sama kuin yllä.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% Hyväksyttävä
Kolmi-vaihe (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71 % Pieni parannus
Kaksi{0}}vaiheinen hehkutusmekanismi
Ensimmäinen vaihe 150 asteessa on PFA:n sulamispisteen alapuolella (305 astetta), mutta lasisiirtymän yläpuolella (-15 astetta, joten kaikki lämpötilat ovat Tg:n yläpuolella). 150 °C:ssa polymeeriketjut osoittavat paljon liikkuvuutta. Hitsauksen jäännösjännityksen lieventäminen (lukitus suunnassa). Rentouttava kesto on 1-2 tuntia 150 asteessa, 4 tuntia antaa täyden stressin lievityksen.

Toinen 220 asteen vaihe on lähempänä sulamispistettä, mutta ei aivan siinä. Tässä lämpötilassa ketjun diffuusio hitsikontaktin yli tehostuu. Diffuusiokerroin D saadaan kaavalla D=D0 exp(-Ea/RT). D 220 asteessa on 10 - 20× suurempi kuin 150 asteessa. Kietoutuminen koskettimen poikki saavutetaan tunkeutumalla ketjut yhteen putkesta ja korkista. Käyttöliittymä muuttuu-määrittämättömäksi. Molempien puolten kiteisyys sulaa osittain ja kiteytyy uudelleen muodostaen tasaisemman rakenteen läpi koko hitsin. Mutta putkessa on jokin suuntaus (ekstruusiosta), jota ei voida kokonaan poistaa ilman sulamista, joten hitsaus on edelleen ilmeinen.

Rajoitukset ja käytännön käyttö
Kaksivaiheisen hehkutuksen toteuttaminen PFA-päätykappaleille:

Hitsaa ja aseta sitten lämmitin (tai kansikokoonpano) ilma{0}}kiertouuniin.

Ramppi 150 asteeseen nopeudella 5 astetta/min. Anna vaikuttaa 4 tuntia.

Ramppi 3 astetta/min 220 asteeseen. Anna seistä 6 tuntia.

Jäähdytä 2 astetta/min 50 asteeseen ennen poistamista.

Tämä tekniikka lisää valmistusaikaa 10-12 tuntia ja kustannuksia 15-25 %. Suositellaan korkeapaineisiin tai korkean syklin sovelluksiin, joissa hitsauslinjan lujuus on tärkeää. Matalapainekäyttöön (ilmakehän paine, 2 bar) voi riittää yksivaiheinen hehkutus tai jopa ilman hehkutusta.

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 sykliä). Levenevä korkki on hitsauslinjaton ja sen pohjaputken vahvuus on 90-95 %.

Esimerkkialue
Korkeapainekeittimien (10 bar, 200 astetta) PFA-lämmittimien valmistaja käytti hitsattuja päätykappaleita yksivaiheisella hehkutuksella (180 astetta, 6 tuntia). Hitsauslinjan vikaantuminen 12 kuukauden aikana oli 8 %. Tuottaja siirtyi kaksivaiheiseen hehkutukseen (150 astetta /4 tuntia + 220 astetta /6 tuntia). Hitsauslinjan vikaantuminen 2,5 %:iin (olemassa edelleen). Ne suunniteltiin uudelleen levennetyiksi päätykappaleiksi korkeimman-luotettavuuden tuotevalikoimaansa varten, ja niillä ei ollut hitsauslinjojen vikoja viiden vuoden aikana.

Laadunvalvonta ja tarkastus
Tarkista hitsauslinjan laatu kaksi{0}}vaiheisen hehkutuksen jälkeen seuraavasti:

Räjähdyskoe: Putken seinämä 2 mm tai putken halkeama 75 % kannen halkeamisesta 15 baarissa.

Mikroskooppi: leikkaa hitsin poikkileikkaus- ja tutki polarisoidussa valossa. Hyvässä hitsauksessa ei ole selkeää viivaa, vaan 50–100 µm:n hajarajapinta.

DSC (differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria): mittaa kiteisyys hitsin molemmilta puolilta; ero < 5 %

Johtopäätös: Kaksivaiheinen hehkutus{0}}vähentää, mutta ei poista heikkoutta
Kaksi-vaiheinen lämpöhehkutus (150 astetta /4h + 220 astetta /6h) vähentää hitsauslinjan heikkoutta PFA-päätykappaleissa 60-80 %, mikä nostaa murtumispainetta 6-10 barista 15-20 bariin (2 mm:n seinälle). Tämä menetelmä eliminoi jäännösjännityksen ja tehostaa ketjun diffuusiota koko hitsikontaktin ajan. Hitsauslinja pysyy kuitenkin rakenteellisena heikkona pisteenä, jonka lujuus on 25–40 % pienempi kuin pohjaputken, johtuen ekstrudoidun putken ja muovatun korkin välisistä molekyyliorientaatioiden ja kiteisyyksien luontaisista eroista. Ainoa tapa poistaa kokonaan hitsauslinjan heikkous välttämättömissä korkeapaine- tai korkean syklin sovelluksissa on käyttää leveneviä päätykappaleita (ei hitsauslinjaa). Hehkutus voi olla kustannustehokas tapa parantaa hitsattuja korkkeja, mutta se ei ole parannuskeino. Hitsaa vähemmän, hehkuta paremmin tai leikkaa malli. Valinta riskin perusteella. Hitsauslinjat ovat vaaroja korkeassa paineessa. Kiinnitä ne, mutta älä luota heihin. Ainoa varmuus on leimahdus."