آیا فرآیند بازپخت حرارتی دو مرحله‌ای می‌تواند ضعف خط جوش را در کلاهک‌های انتهایی PFA از بین ببرد؟

بخاری های PFA که دارای کلاهک های انتهایی جوشی هستند، زمانی که در معرض چرخه فشار یا حمله شیمیایی قرار می گیرند، زودتر از موعد در خط جوش می شکنند. یک تکنیک بازپخت حرارتی دو مرحله‌ای، ابتدا در 150 درجه به مدت 4 ساعت و سپس در 220 درجه به مدت 6 ساعت، می‌تواند ضعف خط جوش را تا 60-80% کاهش دهد، اما نمی‌تواند آن را به طور کامل از بین ببرد. مرحله اول (150 درجه) تنش باقیمانده ناشی از فرآیند جوشکاری را بدون ذوب شدن تماس جوش حذف می کند. مرحله دوم (220 درجه) نفوذ زنجیره ای را در سراسر خط جوش امکان پذیر می کند و در نتیجه درهم تنیدگی مولکولی را افزایش می دهد و تطابق بهتری در بلورینگی بین کلاهک و لوله ایجاد می کند. فشار ترکیدگی خط جوش از 5-10 بار به 15-20 بار (برای درپوش دیواری 2 میلی متری) پس از آنیل دو مرحله ای افزایش می یابد و به فشار ترکیدگی لوله پایه (25-30 بار) نزدیک می شود. با این حال، خط جوش نقطه ضعفی در ساختار است زیرا درپوش و لوله تاریخچه حرارتی متفاوتی دارند (لوله اکسترود شده در مقابل کلاهک قالب‌گیری شده). بازپخت به تنهایی نمی تواند به طور کامل از شر آن خلاص شود. برای از بین بردن کامل ضعف خط جوش، تغییرات طراحی (درپوش های گشاد شده، به ماده 34 مراجعه کنید) لازم است.

ساختار و ضعف خط جوش
یک کلاهک انتهایی PFA جوش داده شده دو عنصر را متحد می کند، یک لوله اکسترود شده (با جهت گیری زیاد، کریستالینیتی 45{7}}50%) و یک کلاهک قالب گیری فشاری (ایزوتروپیک، کریستالینیتی 40-45%). 3 عیوب در رابط جوش: 1. کاهش وزن باقیمانده ناشی از تنش های مولکولی متفاوت یا کاهش وزن مولتی های مختلف. در حین جوشکاری 3. عدم تطابق کریستالینیت باعث تمرکز تنش می شود. فشار ترکیدگی در شرایط جوشکاری شده معمولاً 30 تا 50 درصد فشار ترکیدگی لوله پایه است. لوله دیواری 2 میلی متری در 25 تا 30 بار و لوله مشابه با بالای جوش در 8 تا 12 بار در نزدیکی خط جوش منفجر می شود.

بازپخت تک مرحله ای در دمای 180 تا 200 درجه به مدت 4 ساعت فشار ترکیدگی را به 12 تا 16 بار (50 تا 60 درصد لوله) افزایش می دهد. بازپخت دو مرحله‌ای 15-20 بار (60-75٪ لوله) بهبود به دلیل شل شدن زنجیره (جایی که زنجیره‌های پلیمری اجازه می‌دهند دوباره در سطح مشترک در هم بپیچند) و تبلور مجدد جزئی است که ناحیه ناهماهنگ را کاهش می‌دهد.

بهینه سازی فرآیند بازپخت
فرآیند بازپخت مرحله 1 دما ( درجه ) مرحله 1 زمان (ساعت) مرحله 2 دما ( درجه ) مرحله 2 زمان (ساعت) فشار ترکیدگی خط جوش (میله، دیواره 2 میلی متر) درصد ترکیدگی لوله (28 بار) حالت شکست
بدون بازپخت - - - - 6-10 21-36% پارگی خط جوش تمیز
تک مرحله (کم) 150 8 - - 8-12 29-43% خط جوش (تنش-سفید شدن)
تک مرحله (متوسط) 180 6 - - 10–14 36–50% جوش مخلوط و مجاور
تک مرحله (بالا) 220 4 – – 12–16 43–57%پارشیال de-لمینیت
تک مرحله ای (بسیار بالا) 250 2 - - 10-14 (بیش از-بازپخت شده) 36-50% پلیمر تخریب شده
2-مرحله (کم-بالا) 150 4 220 6 15-20 54-71% جوش مجاور (نه خط جوش)
دو-مرحله (متوسط-بالا) 180 4 220 4 16–20 57–71% مانند بالا.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% قابل قبول است
سه مرحله - (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71% بهبود جزئی
مکانیسم بازپخت دو مرحله‌ای-
مرحله اول در دمای 150 درجه زیر نقطه ذوب PFA (305 درجه) است، اما بالاتر از انتقال شیشه ای (15- درجه، بنابراین همه دماها بالاتر از Tg هستند). در دمای 150 درجه سانتیگراد، زنجیره های پلیمری تحرک خوبی از خود نشان می دهند. کاهش تنش پسماند ناشی از جوشکاری (قفل در جهت). مدت زمان آرامش 1-2 ساعت در 150 درجه است، 4 ساعت کاهش استرس را به طور کامل فراهم می کند.

مرحله دوم 220 درجه به نقطه ذوب نزدیکتر است اما کاملاً در آن نیست. در این دما، انتشار زنجیره بر روی تماس جوش افزایش می یابد. ضریب انتشار D توسط D=D0 exp(-Ea/RT) داده می‌شود. D در 220 درجه 10 - 20× بزرگتر از 150 درجه است. درهم تنیدگی در سراسر تماس با نفوذ زنجیره ای از لوله و کلاهک به دست می آید. رابط تعریف نشده{12}}می شود. بلورینگی هر دو طرف تا حدی ذوب می شود و دوباره کریستال می شود تا ساختار همگن تری در سراسر جوش ایجاد شود. اما لوله دارای جهت گیری (از اکستروژن) است که نمی توان آن را بدون ذوب به طور کامل جدا کرد، بنابراین جوش هنوز آشکار است.

محدودیت ها و استفاده عملی
برای اجرای آنیل 2 مرحله ای برای کلاهک های انتهایی PFA:

جوش دهید، سپس بخاری (یا مجموعه کلاهک) را در یک کوره در گردش هوا قرار دهید.

رمپ تا 150 درجه در 5 درجه در دقیقه. بگذارید 4 ساعت بماند.

رمپ 3 درجه در دقیقه تا 220 درجه. بگذارید 6 ساعت بماند.

قبل از برداشتن در دمای 2 درجه در دقیقه تا 50 درجه خنک کنید.

این تکنیک 10-12 ساعت به زمان تولید و 15-25٪ به هزینه اضافه می کند. برای کاربردهای فشار بالا یا سیکل بالا که استحکام خط جوش مهم است توصیه می شود. برای سرویس فشار کم (اتمسفر، 2 بار) بازپخت تک مرحله ای یا حتی بدون آنیل ممکن است کافی باشد.

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 چرخه). کلاهک گشاد شده بدون خط جوش است و دارای 90-95٪ استحکام لوله پایه است.

منطقه نمونه
تولید کننده بخاری های PFA برای هاضم های فشار قوی (10 بار، 200 درجه) از کلاهک های انتهایی جوش داده شده با آنیل تک مرحله ای (180 درجه، 6 ساعت) استفاده می کند. نرخ شکست خط جوش در طول 12 ماه 8٪ بود. سازنده به بازپخت دو مرحله‌ای (150 درجه /4 ساعت + 220 درجه /6 ساعت) تغییر مکان داد. نرخ شکست خط جوش به 2.5٪ کاهش یافت (هنوز وجود دارد). آنها برای خط تولید با بالاترین{16}قابلیت اطمینان خود، درپوش‌های انتهایی باز طراحی کردند و در طول 5 سال هیچ خرابی خط جوش نداشتند.

کنترل کیفیت و بازرسی
کیفیت خط جوش را پس از بازپخت دو مرحله‌ای به وسیله:

تست ترکیدگی: دیواره لوله 2 میلی متر یا ترکیدگی لوله 75% ترکیدگی درپوش در فشار 15 بار.

میکروسکوپ: مقطع جوش-را بریده و تحت نور پلاریزه بررسی کنید. یک جوش خوب هیچ خط واضحی را نشان نمی دهد، اما یک رابط پراکنده 50 تا 100 میکرومتر را نشان می دهد.

DSC (کالریمتری اسکن تفاضلی): بلورینگی را در هر دو طرف جوش اندازه گیری کنید. اختلاف < 5%

نتیجه‌گیری: بازپخت دو مرحله‌ای- ضعف را کاهش می‌دهد اما ضعف را از بین نمی‌برد
بازپخت حرارتی دو مرحله‌ای (150 درجه / 4 ساعت + 220 درجه /6 ساعت) ضعف خط جوش در کلاهک‌های انتهایی PFA را تا 60{15}}80% کاهش می‌دهد و فشار ترکیدگی را از 6-10 بار به 15 تا 20 بار (برای دیوار 2 میلی‌متری) افزایش می‌دهد. این روش تنش پسماند را حذف می کند و نفوذ زنجیره ای را در سراسر تماس جوش افزایش می دهد. با این حال، خط جوش به دلیل تفاوت ذاتی در جهت گیری های مولکولی و بلورهای بین لوله اکسترود شده و کلاهک قالب گیری شده، نقطه ضعف ساختاری با استحکام 25 تا 40 درصد کمتر از لوله پایه است. تنها روش برای از بین بردن کامل ضعف خط جوش برای کاربردهای فشار بالا یا سیکل بالا، استفاده از کلاهک های انتهایی باز شده (بدون خط جوش) است. بازپخت می‌تواند یک راه مقرون‌به‌صرفه برای بهبود کلاهک‌های جوشی باشد، اما راه حلی نیست. کمتر جوش داده شود، بهتر آنیل شود یا طراحی شعله ور شود. انتخاب بر اساس ریسک خطوط جوش در فشار بالا خطراتی هستند. آنها را بازپخت کنید، اما به آنها اعتماد نکنید. تنها تضمین شعله ور شدن است."