Může dvoufázový{0}}proces tepelného žíhání odstranit slabou linii svaru u koncovek PFA?

Ohřívače PFA, které mají navařené koncové uzávěry, se předčasně rozbijí na svarové lince, když jsou vystaveny cyklování tlaku nebo chemickému napadení. Dvoustupňová technika tepelného žíhání, nejprve při 150 stupních po dobu 4 hodin a poté při 220 stupních po dobu 6 hodin, může snížit slabost svarové linie o 60-80 %, ale nemůže ji zcela odstranit. První krok (150 stupňů) eliminuje zbytkové napětí způsobené procesem svařování, aniž by došlo k roztavení svarového kontaktu. Druhý krok (220 stupňů) umožňuje vzájemnou difúzi řetězce přes svarovou linii, což vede ke zvýšenému zapletení molekul a lepší shodě v krystalinitě mezi uzávěrem a trubicí. Trhací tlak svarové linie se po dvoustupňovém žíhání zvýší z 5–10 barů na 15–20 barů (pro 2mm nástěnnou krytku), přičemž se blíží tlaku při roztržení základní trubky (25–30 barů). Svarová čára je však slabým místem ve struktuře, protože uzávěr a trubka mají různé teplotní průběhy (extrudovaná trubka versus lisovaná čepička). Samotné žíhání se toho úplně zbavit nedá; Pro úplné odstranění slabého místa svaru jsou nutné konstrukční změny (rozšířené uzávěry, viz článek #34).

Struktura a slabina svarové linie
Svařovaná koncovka PFA spojuje dva prvky, extrudovanou trubku (vysoce orientovaná, krystalinita 45-50 %) a lisovaný uzávěr (izotropní, krystalinita 40-45 %). 3 vady na svarovém rozhraní: 1. Zbytkové napětí způsobené chlazením 2. Nižší molekulová hmotnost v důsledku tepelného namáhání. Tlak při roztržení ve stavu po svařování je typicky 30 až 50 procent tlaku při roztržení základní trubky. 2mm stěnová trubka exploduje při 25-30 barech a identická trubka s navařeným vrcholem při 8-12 barech blízko svarové linie.

Jedno{0}}stupňové žíhání při 180–200 stupních po dobu 4 hodin zvyšuje tlak při roztržení na 12–16 bar (50–60 % trubky). Dvoustupňové žíhání 15-20 bar (60–75 % trubky) Zlepšení je způsobeno relaxací řetězců (kde se polymerní řetězce mohou znovu zamotat přes rozhraní) a částečnou rekrystalizací, která zmenšuje nesourodou zónu.

Optimalizace procesu žíhání
Proces žíhání Stupeň 1 Teplota ( stupeň ) Stupeň 1 Čas (h) Stupeň 2 Teplota ( stupeň ) Stupeň 2 Čas (h) Tlak prasknutí svarové linie (bar, 2 mm stěna) % prasknutí trubky (28 bar) Režim selhání
Žádné žíhání - - - - 6-10 21-36%Čisté prasknutí svarové linie
Jednostupňová (nízká) 150 8 - - 8-12 29-43% linie svaru (napětí-bělení)
Jednostupňový (střední) 180 6 - - 10–14 36–50 % Smíšený svar a sousední
Jednostupňové (vysoké) 220 4 – – 12–16 43–57% Částečná delaminace-
Jednostupňový (extrémně vysoký) 250 2 - - 10-14 (nad-žíhaný) 36-50 % Znehodnocený polymer
2-stupeň (nízký-vysoký) 150 4 220 6 15-20 54-71% Sousední svar (nikoli svarová linie)
Dvou{0}}fázová (střední-vysoká) 180 4 220 4 16–20 57–71 % Stejné jako výše.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64 % Přijatelné
Tří-fázový (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71 % Mírné zlepšení
Mechanismus dvou{0}}žíhání
První krok při 150 stupních je pod bodem tání PFA (305 stupňů), ale nad skelným přechodem (-15 stupňů, proto jsou všechny teploty nad Tg). Při 150 °C vykazují polymerní řetězce značnou pohyblivost. Uvolnění zbytkového napětí ze svařování (uzamčeno v orientaci). Doba trvání relaxace je 1-2 hodiny při 150 stupních, 4 hodiny poskytují úplné zmírnění stresu.

Druhý stupeň 220 stupňů je blíže bodu tání, ale ne tak docela. Při této teplotě se zvyšuje difúze řetězce přes svarový kontakt. Difúzní koeficient D je dán vztahem D=D0 exp(-Ea/RT). D při 220 stupních je 10 - 20× větší než při 150 stupních . Zapletení přes kontakt je dosaženo vzájemným pronikáním řetězů z trubice a uzávěru. Rozhraní přestane být{12}}definováno. Krystalinita obou stran se částečně roztaví a rekrystalizuje za vzniku homogennější struktury v celém svaru. Ale trubka má určitou orientaci (z extruze), kterou nelze zcela odstranit bez roztavení, takže svar je stále patrný.

Omezení a praktické použití
Implementace 2fázového žíhání pro koncové uzávěry PFA:

Svařte a poté vložte ohřívač (nebo sestavu víka) do trouby s cirkulací vzduchu-.

Náběh na 150 stupňů při 5 stupních/min. Nechte 4 hodiny.

Náběh 3 stupně/min na 220 stupňů. Nechte stát 6 hodin.

Před vyjmutím ochlaďte při 2 stupních/min až 50 stupních.

Tato technika přidává 10-12 hodin k výrobnímu času a 15-25 % k nákladům. Doporučeno pro vysokotlaké nebo vysokocyklové aplikace, kde je důležitá pevnost svarové linie. Pro provoz za nízkého tlaku (atmosférický, 2 bary) může postačovat jednostupňové žíhání nebo dokonce žádné žíhání.

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 cyklů). Rozšířený uzávěr je bez svaru a má 90-95% pevnost základní trubky.

Příklad oblasti
Výrobce ohřívačů PFA pro vysokotlaké fermentory (10 bar, 200 stupňů) použil svařované koncové uzávěry s jednostupňovým žíháním (180 stupňů, 6 hodin). Míra selhání svarové linky za 12 měsíců byla 8 %. Producent přešel na dvou-krokové žíhání (150 stupňů /4 h + 220 stupňů /6 h). Poruchovost svarové linky klesla na 2,5 % (stále existuje). Pro svou nejspolehlivější produktovou řadu byly přepracovány na rozšířené koncové uzávěry a během 5 let neměly žádné selhání svařovacích linek.

Kontrola kvality a inspekce
Zkontrolujte kvalitu svarové linie po dvou{0}}fázovém žíhání:

Test na prasknutí: Stěna zkumavky 2 mm nebo prasknutí zkumavky 75 % prasknutí uzávěru při 15 barech.

Mikroskopie: Vyřízněte svarový řez{0}}a prozkoumejte v polarizovaném světle. Dobrý svar nevykazuje žádnou čistou čáru, ale difuzní rozhraní 50–100 µm.

DSC (diferenciální skenovací kalorimetrie): měření krystalinity na obou stranách svaru; rozdíl < 5 %

Závěr: Dvoufázové{0}}žíhání snižuje, ale neodstraňuje slabost
Dvoustupňové tepelné žíhání (150 stupňů / 4h + 220 stupňů /6h) snižuje slabost svarové linie u koncovek PFA o 60-80 % a zvyšuje tlak při roztržení z 6-10 barů na 15-20 barů (pro 2 mm stěnu). Tato metoda eliminuje zbytkové napětí a zlepšuje interdifúzi řetězu v celém svarovém kontaktu. Svarová čára však zůstává strukturálním slabým místem s pevností o 25–40 % nižší než u základní trubky, a to kvůli inherentnímu rozdílu v orientaci molekul a krystalinitách mezi extrudovanou trubicí a lisovaným uzávěrem. Jedinou metodou, jak zcela eliminovat slabost svarové linie u nezbytných vysokotlakých aplikací nebo aplikací s vysokým cyklem, je použití rozšířených koncovek (bez svarové linie). Žíhání může být nákladově efektivní způsob, jak zlepšit svařované uzávěry, ale není to všelék. Méně svařujte, lépe žíhejte nebo flare design. Volba na základě rizika. Svary jsou nebezpečné při vysokém tlaku. Žíhejte je, ale nevěřte jim. Jedinou jistotou je vzplanutí."