ฝาปิดแบบเชื่อมบนเครื่องทำความร้อน PFA ทำงานล้มเหลวก่อนกำหนดที่แนวเชื่อมภายใต้วงจรแรงดันหรือการโจมตีทางเคมี -กระบวนการอบอ่อนด้วยความร้อนสองขั้นตอน-ขั้นแรกที่อุณหภูมิ 150 องศาเป็นเวลา 4 ชั่วโมง จากนั้นที่ 220 องศาเป็นเวลา 6 ชั่วโมง-สามารถลดความอ่อนแอของแนวเชื่อมได้ 60–80% แต่ไม่สามารถกำจัดได้ทั้งหมด ขั้นตอนแรก (150 องศา ) บรรเทาความเค้นตกค้างจากกระบวนการเชื่อมโดยไม่ทำให้ส่วนเชื่อมละลาย ขั้นตอนที่สอง (220 องศา ) ส่งเสริมการแพร่กระจายของโซ่ข้ามแนวเชื่อม เพิ่มความพันกันของโมเลกุล และปรับปรุงการจับคู่ผลึกระหว่างฝาและท่อ หลังจากการอบอ่อนสอง-ขั้นตอน แรงดันระเบิดของแนวเชื่อมจะเพิ่มขึ้นจาก 5–10 บาร์เป็น 15–20 บาร์ (สำหรับฝาผนัง 2 มม.) ใกล้ถึงแรงดันระเบิด 25–30 บาร์ของท่อฐาน อย่างไรก็ตาม เส้นเชื่อมยังคงเป็นจุดอ่อนทางโครงสร้างเนื่องจากฝาและท่อมีประวัติความร้อนที่แตกต่างกัน (ท่ออัดและฝาขึ้นรูป) การกำจัดโดยสมบูรณ์ไม่สามารถทำได้ด้วยการหลอมเพียงอย่างเดียว การเปลี่ยนแปลงการออกแบบ (ฝาบาน ดูบทความ #34) จำเป็นสำหรับจุดอ่อนของเส้นเชื่อมเป็นศูนย์
โครงสร้างแนวเชื่อมและความอ่อนแอ
ฝาครอบปลาย PFA แบบเชื่อมจะเชื่อมต่อสองชิ้นเข้าด้วยกัน: ท่ออัดรีด (ทิศทางสูง ความตกผลึก 45–50%) และฝาครอบแบบอัดขึ้นรูป- (ไอโซโทรปิก ความตกผลึก 40–45%) ส่วนต่อประสานการเชื่อมมีข้อบกพร่องสามประการ: (1) ความเค้นตกค้างจากการทำความเย็นแบบดิฟเฟอเรนเชียล; (2) น้ำหนักโมเลกุลลดลงเนื่องจากการย่อยสลายด้วยความร้อนระหว่างการเชื่อม (3) ความเป็นผลึกที่ไม่ตรงกันทำให้เกิดความเข้มข้นของความเครียด โดยทั่วไปแรงดันระเบิดขณะเชื่อม-จะอยู่ที่ 30–50% ของแรงดันระเบิดของท่อฐาน ท่อผนังขนาด 2 มม. ระเบิดที่ 25–30 บาร์ ท่อเดียวกันที่มีฝาเชื่อมจะระเบิดที่ 8–12 บาร์ที่แนวเชื่อม
การอบอ่อนขั้นตอนเดียว-ที่ 180–200 องศาเป็นเวลา 4 ชั่วโมงจะช่วยเพิ่มแรงดันระเบิดเป็น 12–16 บาร์ (50–60% ของท่อ) การอบอ่อนสอง-ขั้นได้แรงดัน 15–20 บาร์ (60–75% ของท่อ) การปรับปรุงนี้มาจากการคลายตัวของโซ่ (ทำให้โซ่โพลีเมอร์-พันกันข้ามอินเทอร์เฟซ) และการตกผลึกใหม่บางส่วนซึ่งจะช่วยลดโซนที่ไม่ตรงกัน
การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการหลอม
| กระบวนการหลอม | ขั้นที่ 1 อุณหภูมิ ( องศา ) | ระยะที่ 1 เวลา (ชม.) | ขั้นที่ 2 อุณหภูมิ ( องศา ) | ระยะที่ 2 เวลา (ชม.) | แรงดันระเบิดแนวเชื่อม (บาร์ ผนัง 2 มม.) | % ของการระเบิดของท่อ (28 บาร์) | โหมดความล้มเหลว | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ไม่มีการหลอม | - | - | - | - | 6–10 | 21–36% | ทำความสะอาดรอยเชื่อมแตกหัก | ||
| สเตจเดียว (ต่ำ) | 150 | 8 | - | - | 8–12 | 29–43% | รอยเชื่อมด้วยการฟอกสีฟัน | ||
| สเตจเดียว (กลาง) | 180 | 6 | - | - | 10–14 | 36–50% | เชื่อมผสมและติดกัน | ||
| สเตจเดียว (สูง) | 220 | 4 | - | - | 12–16 | 43–57% | การแยกส่วนบางส่วน | ||
| ขั้นเดียว (สูงมาก) | 250 | 2 | - | - | 10–14 (อบอ่อนเกิน-) | 36–50% | พอลิเมอร์เสื่อมโทรม | ||
| สอง-ขั้น (ต่ำ-สูง) | 150 | 4 | 220 | 6 | 15–20 | 54–71% | ติดกับแนวเชื่อม (ไม่ใช่แนวเชื่อม) | ||
| สอง-เวที (กลาง-สูง) | 180 | 4 | 220 | 4 | 16–20 | 57–71% | คล้ายกับข้างต้น | ||
| สอง-เวที (150→200) | 150 | 4 | 200 | 8 | 14–18 | 50–64% | ยอมรับได้ | ||
| สาม-เวที (150→200→220) | 150 | 2 | 200 | 4 | 220 | 2 | 16–20 | 57–71% | การปรับปรุงเล็กน้อย |
กลไกการหลอมสองขั้นตอน-
ขั้นแรก 150 องศา ต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของ PFA (305 องศา ) แต่อยู่เหนือการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (-15 องศา ดังนั้นอุณหภูมิทั้งหมดจึงสูงกว่า Tg) ที่ 150 องศา โซ่โพลีเมอร์จะมีความคล่องตัวอย่างมาก ความเค้นตกค้างจากการเชื่อม (การวางแนวแบบแช่แข็ง) ผ่อนคลาย เวลาผ่อนคลายที่ 150 องศาคือ 1–2 ชั่วโมง 4 ชั่วโมงช่วยให้คลายเครียดได้อย่างสมบูรณ์
ขั้นที่สอง 220 องศานั้นใกล้กับจุดหลอมเหลวมากขึ้นแต่ยังอยู่ต่ำกว่าจุดนั้น ที่อุณหภูมินี้ การแพร่กระจายของโซ่ผ่านส่วนต่อประสานจะเร็วขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ D เป็นไปตาม D=D₀ × exp(-E_a/RT) ที่ 220 องศา D จะสูงกว่าที่ 150 องศา 10–20 เท่า โซ่จากท่อและฝาครอบแทรกซึมเข้าด้วยกัน ทำให้เกิดการพันกันทั่วทั้งส่วนต่อประสาน อินเทอร์เฟซจะแตกต่างน้อยลง ความตกผลึกของทั้งสองส่วนจะละลายบางส่วนและตกผลึกใหม่ ทำให้เกิดโครงสร้างที่สม่ำเสมอมากขึ้นทั่วทั้งแนวเชื่อม อย่างไรก็ตาม ท่อยังคงมีการวางแนวอยู่บ้าง (จากการอัดขึ้นรูป) ที่ไม่สามารถกำจัดออกได้ทั้งหมดโดยไม่หลอมละลาย ดังนั้นจึงยังคงตรวจจับรอยเชื่อมได้
การนำไปปฏิบัติและข้อจำกัดในทางปฏิบัติ
หากต้องการใช้การอบอ่อนสอง-ขั้นสำหรับส่วนปิดท้าย PFA:
หลังจากการเชื่อม ให้วางเครื่องทำความร้อน (หรือชุดฝาครอบ) ไว้ในเตาอบหมุนเวียนอากาศ-
ทางลาดที่ 5 องศา / นาที ถึง 150 องศา กดค้างไว้เป็นเวลา 4 ชั่วโมง
ทางลาดที่ 3 องศา / นาที ถึง 220 องศา กดค้างไว้เป็นเวลา 6 ชั่วโมง
ทำให้เย็นที่อุณหภูมิ 2 องศา/นาที ถึง 50 องศา ก่อนถอดออก
กระบวนการนี้จะเพิ่มเวลาในการผลิต 10–12 ชั่วโมง และเพิ่มต้นทุน 15–25% ขอแนะนำสำหรับการใช้งาน-แรงดันสูงหรือสูง-ในการปั่นจักรยานที่ความแข็งแรงของแนวเชื่อมเป็นสิ่งสำคัญ สำหรับบริการความกดอากาศต่ำ- (บรรยากาศ<2 bar), single-stage annealing or even no annealing may be sufficient.
Even with optimal two-stage annealing, the weld line remains weaker than the base tube by 25–40%. For applications requiring maximum reliability (pressure >10 bar, thermal cycling >1,000 รอบ) ควรใช้ฝาปิดปลายบาน (ไม่มีรอยเชื่อม) มากกว่าฝาเชื่อมอบอ่อนใดๆ ฝาครอบบานไม่มีรอยเชื่อมและมีความแข็งแรง 90–95% ของท่อฐาน
ตัวอย่างภาคสนาม
ผู้ผลิตเครื่องทำความร้อน PFA สำหรับเครื่องย่อยความดันสูง- (10 บาร์ 200 องศา ) ใช้ฝาปิดปลายเชื่อมที่มีการอบอ่อนขั้นตอนเดียว- (180 องศา 6 ชั่วโมง) อัตราความล้มเหลวของรอยเชื่อมหลังจาก 12 เดือนคือ 8% ผู้ผลิตเปลี่ยนไปเป็นการหลอมสอง-ขั้น (150 องศา /4ชม. + 220 องศา /6ชม.) อัตราความล้มเหลวของรอยเชื่อมลดลงเหลือ 2.5% (ยังคงมีอยู่) สำหรับสายผลิตภัณฑ์ที่มีความน่าเชื่อถือสูงสุด- พวกเขาได้รับการออกแบบใหม่ให้มีฝาปิดปลายบาน ซึ่งทำให้เส้นเชื่อมเสียหายเป็นศูนย์ในระยะเวลา 5 ปี
การตรวจสอบและการควบคุมคุณภาพ
หลังจากการอบอ่อนสอง-ขั้นตอน ให้ตรวจสอบคุณภาพแนวเชื่อมโดย:
การทดสอบการระเบิด: ฝาปิดตัวอย่างจะต้องแตกที่มากกว่าหรือเท่ากับ 15 บาร์สำหรับผนัง 2 มม. (หรือมากกว่าหรือเท่ากับ 75% ของการระเบิดของท่อ)
กล้องจุลทรรศน์: ภาพตัดขวาง-ส่วนรอยเชื่อมและตรวจสอบภายใต้แสงโพลาไรซ์ การเชื่อมที่ดีจะไม่แสดงเส้นที่ชัดเจน อินเทอร์เฟซปรากฏกระจายมากกว่า 50–100 µm
DSC (การวัดค่าความร้อนด้วยการสแกนดิฟเฟอเรนเชียล): วัดความเป็นผลึกทั้งสองด้านของรอยเชื่อม ความแตกต่างควรจะเป็น<5%.
สรุป: การหลอมสองขั้นตอน-ช่วยลดจุดอ่อนแต่ไม่ได้กำจัดจุดอ่อน
การอบอ่อนด้วยความร้อนสอง-ขั้นตอน (150 องศา /4 ชม. + 220 องศา /6 ชม.) ช่วยลดจุดอ่อนของรอยเชื่อมในฝาท้าย PFA ได้ถึง 60–80% เพิ่มแรงดันระเบิดจาก 6–10 บาร์เป็น 15–20 บาร์ (สำหรับผนัง 2 มม.) กระบวนการนี้ช่วยลดความเค้นตกค้างและส่งเสริมการแพร่กระจายของโซ่ผ่านส่วนต่อประสานการเชื่อม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากท่ออัดขึ้นรูปและฝาแม่พิมพ์มีการวางแนวของโมเลกุลและความเป็นผลึกที่แตกต่างกันโดยเนื้อแท้ เส้นเชื่อมจึงยังคงเป็นจุดอ่อนของโครงสร้างโดยมีความแข็งแรงต่ำกว่าท่อฐาน 25–40% สำหรับการใช้งานแบบวงรอบแรงดันสูง-หรือสูง-วิกฤต ฝาปิดปลายบาน (ไม่มีแนวเชื่อม) เป็นวิธีเดียวที่จะขจัดจุดอ่อนของแนวเชื่อมได้อย่างสมบูรณ์ การหลอมเป็นการปรับปรุงที่คุ้มทุน-สำหรับฝาเชื่อม แต่ไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาที่สมบูรณ์ เชื่อมน้อยลง อบอ่อนกว่า หรือมีการออกแบบบาน เลือกตามความเสี่ยง ในแรงดันสูง เส้นเชื่อมถือเป็นหนี้สิน หลอมพวกเขา แต่อย่าไว้วางใจพวกเขาอย่างเต็มที่ Flare คือการรับประกันเท่านั้น
