האם תהליך חישול תרמי דו-שלבי יכול לבטל חולשת קו ריתוך במכסות קצה PFA?

מחממי PFA עם מכסי קצה מרותכים נשברים בטרם עת בקו הריתוך כאשר הם נתונים לסיבובי לחץ או התקפה כימית. טכניקת חישול תרמי דו--שלבי, תחילה ב-150 מעלות למשך 4 שעות ולאחר מכן ב-220 מעלות למשך 6 שעות, יכולה להפחית את חולשת קו הריתוך ב-60-80%, אך אינה יכולה לבטל אותה לחלוטין. השלב הראשון (150 מעלות) מבטל את הלחץ השיורי הנגרם מתהליך הריתוך, מבלי להמיס את מגע הריתוך. השלב השני (220 מעלות) מאפשר דיפוזיה של שרשרת על פני קו הריתוך, וכתוצאה מכך הסתבכות מולקולרית מוגברת והתאמה טובה יותר בגבישיות בין המכסה לצינור. לחץ ההתפרצות של קו הריתוך עולה מ-5-10 בר ל-15-20 בר (עבור מכסה קיר של 2 מ"מ) לאחר חישול דו-שלבי, מתקרב ללחץ ההתפרצות של צינור הבסיס (25-30 בר). עם זאת, קו הריתוך הוא נקודת תורפה במבנה שכן למכסה ולצינור יש היסטוריה תרמית שונה (צינור שחול לעומת מכסה יצוק). חישול לבד לא יכול להיפטר ממנו לחלוטין; נדרשים שינויים בעיצוב (כובעים מתרחבים, ראה מאמר מס' 34) כדי לבטל לחלוטין את חולשת קו הריתוך.

מבנה קו ריתוך וחולשה
מכסה קצה PFA מרותך מאחדת שני אלמנטים, צינור שחול (בכיוון גבוה, גבישיות 45-50%) ומכסה יצוק בדחיסה (איזוטרופי, גבישיות 40-45%). 3 פגמים בממשק הריתוך: 1. מתח שיורי בגלל משקל הקירור הנמוך בגלל 2. הידרדרות במהלך ריתוך 3. גבישיות לא תואמת הגורמת לריכוז מתח. לחץ ההתפרצות של מצב הריתוך הוא בדרך כלל 30 עד 50 אחוז מלחץ ההתפרצות של צינור הבסיס. צינור הקיר בגודל 2 מ"מ מתפוצץ ב-25-30 בר והצינור הזהה עם חלק עליון מרותך ב-8-12 בר ליד קו הריתוך.

חישול- חד-שלבי ב-180-200 מעלות למשך 4 שעות מגביר את לחץ ההתפרצות ל-12-16 בר (50-60% מהצינור). חישול דו-שלבי 15-20 בר (60-75% מהצינור) השיפור נובע מרפיית שרשרת (כאשר מותר לשרשראות פולימריות להסתבך מחדש על פני הממשק) והתגבשות חלקית, מה שמקטין את האזור הבלתי תואם.

אופטימיזציה של תהליך החישול
תהליך חישול שלב 1 טמפ' (מעלה) שלב 1 זמן (שעה) שלב 2 טמפ' (מעלה) שלב 2 זמן (שע') לחץ פרץ קו ריתוך (בר, דופן 2 מ"מ) % מפריצת הצינור (28 בר) מצב כשל
ללא חישול - - - - 6-10 21-36%קרע קו ריתוך נקי
שלב בודד (נמוך) 150 8 - - 8-12 29-43% קו ריתוך (הלבנת מתח-)
שלב בודד (בינוני) 180 6 - - 10–14 36–50% ריתוך מעורב וסמוך
שלב בודד (גבוה) 220 4 – – 12–16 43–57% דה-למינציה חלקית
שלב בודד (גבוה במיוחד) 250 2 - - 10-14 (מעל-חישול) 36-50% פולימר מושחת
2-שלב (נמוך-גבוה) 150 4 220 6 15-20 54-71% ריתוך צמוד (לא קו ריתוך)
שני-שלבים (בינוני-גבוה) 180 4 220 4 16–20 57–71% זהה לעיל.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% מקובל
שלושה-שלבים (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71% שיפור קל
מנגנון חישול דו-שלבי
הצעד הראשון ב-150 מעלות הוא מתחת לנקודת ההיתוך של PFA (305 מעלות) אך מעל מעבר הזכוכית (-15 מעלות ומכאן שכל הטמפרטורות הן מעל Tg). ב-150 מעלות צלזיוס, שרשראות הפולימר מפגינות מידה רבה של ניידות. הרפיה של מתח שיורי מריתוך (נעול בכיוון). משך ההרפיה הוא 1-2 שעות ב-150 מעלות, 4 שעות מספקות הקלה מלאה במתח.

השלב השני של 220 מעלות קרוב יותר לנקודת ההיתוך אך לא ממש בה. בטמפרטורה זו מתגברת פיזור השרשרת על פני מגע הריתוך. מקדם הדיפוזיה D ניתן על ידי D=D0 exp(-Ea/RT). D ב-220 מעלות הוא 10 - 20× גדול יותר מאשר ב-150 מעלות. הסתבכות על פני המגע מושגת על ידי חדירת שרשראות מהצינור ומהכובע. הממשק הופך ללא-מוגדר. הקריסטליות של שני הצדדים נמסה חלקית ומתגבשת מחדש כדי לייצר מבנה הומוגני יותר לאורך הריתוך. אבל לצינור יש כיוון מסוים (מהשחול) שלא ניתן להסירו לחלוטין מבלי להימס, כך שהריתוך עדיין נראה לעין.

מגבלות ושימוש מעשי
כדי ליישם חישול דו-שלבי עבור מכסי קצה של PFA:

לרתך, ולאחר מכן להכניס את המחמם (או את מכלול המכסה) בתנור -המסובב אוויר.

הרמפה ל-150 מעלות ב-5 מעלות/דקה. השאירו למשך 4 שעות.

הרמפה של 3 מעלות/דקה ל-220 מעלות. תן לעמוד במשך 6 שעות.

מצננים ב-2 מעלות/דקה עד 50 מעלות לפני ההסרה.

טכניקה זו מוסיפה 10-12 שעות לזמן הייצור ו-15-25% לעלות. מומלץ ליישומי לחץ גבוה או מחזור גבוה שבהם חוזק קו הריתוך חשוב. עבור שירות בלחץ נמוך (אטמוספרי, 2 בר) חישול חד-שלבי או אפילו ללא חישול עשוי להספיק.

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 מחזורים). המכסה המתרחב נטול קו ריתוך ובעל חוזק של 90-95% מצינור הבסיס.

אזור לדוגמה
היצרן של מחממי PFA למעכלי לחץ גבוה (10 בר, 200 מעלות) השתמש במכסות קצה מרותכים עם חישול חד-שלבי (180 מעלות, 6 שעות). שיעור הכשל בקו הריתוך במשך 12 חודשים היה 8%. המפיק עבר לעיבוד דו--שלבי (150 מעלות /4 שעות + 220 מעלות /6 שעות). שיעור כשל בקו ריתוך עד 2.5% (עדיין קיים). הם עיצבו מחדש למכסות קצה מתרחבים עבור קו המוצרים האמינות הגבוה ביותר שלהם- ולא היו להם כשלים בקו ריתוך במשך 5 שנים.

בקרת איכות ובדיקה
בדוק את איכות קו הריתוך לאחר חישול-שני שלבים על ידי:

בדיקת התפרצות: דופן הצינור 2 מ"מ או שפופרת התפוצצות 75% מהכובע התפוצץ ב-15 בר.

מיקרוסקופיה: חתוך חתך ריתוך- ובחן תחת אור מקוטב. ריתוך טוב אינו מציג קו ברור, אלא ממשק מפוזר של 50-100 מיקרומטר.

DSC (קלורימטריית סריקה דיפרנציאלית): למדוד גבישיות משני צידי הריתוך; הבדל < 5%

מסקנה: חישול שני-מפחית אך לא מבטל חולשה
חישול תרמי דו-שלבי (150 מעלות / 4 שעות + 220 מעלות / 6 שעות) מוריד את חולשת קו הריתוך במכסי קצה PFA ב-60-80%, ומעלה את לחץ ההתפרצות מ-6-10 בר ל-15-20 בר (עבור קיר של 2 מ"מ). שיטה זו מבטלת מתח שיורי ומשפרת את דיפוזיית השרשרת לאורך מגע הריתוך. קו הריתוך, לעומת זאת, נותר נקודת תורפה מבנית, עם חוזק נמוך ב-25-40% מזה של צינור הבסיס, בשל ההבדל המובנה בכיוונויות המולקולריות ובגבישיות בין הצינור המחולץ למכסה היצוק. השיטה היחידה להעלים לחלוטין את חולשת קו הריתוך עבור יישומי לחץ גבוה או מחזורים גבוהים היא להשתמש במכסות קצה מתרחבים (ללא קו ריתוך). חישול יכול להיות דרך חסכונית לשפר מכסים מרותכים, אבל זה לא מרפא הכל. ריתוך פחות, חישול טוב יותר או עיצוב התלקחות. בחירה על סמך סיכון. קווי ריתוך הם סכנות בלחץ גבוה. חיסל אותם, אבל אל תסמוך עליהם. ההבטחה היחידה היא התלקחות".