Un processo di ricottura termica a due-fasi può eliminare i punti deboli della linea di saldatura nei cappucci terminali in PFA?

I riscaldatori PFA dotati di cappucci terminali saldati si rompono prematuramente sulla linea di saldatura se sottoposti a cicli di pressione o attacchi chimici. Una tecnica di ricottura termica a due-fasi, prima a 150 gradi per 4 ore e poi a 220 gradi per 6 ore, può ridurre la debolezza della linea di saldatura del 60-80%, ma non può eliminarla completamente. Il primo passaggio (150 gradi) elimina lo stress residuo causato dal processo di saldatura, senza fondere il contatto di saldatura. Il secondo passaggio (220 gradi) consente l'interdiffusione della catena attraverso la linea di saldatura, con conseguente aumento dell'entanglement molecolare e una migliore corrispondenza della cristallinità tra il tappo e il tubo. La pressione di scoppio della linea di saldatura aumenta da 5–10 bar a 15–20 bar (per un tappo a parete da 2 mm) dopo la ricottura in due fasi, avvicinandosi alla pressione di scoppio del tubo base (25–30 bar). Tuttavia, la linea di saldatura è un punto debole della struttura poiché il tappo e il tubo hanno storie termiche diverse (tubo estruso rispetto a tappo stampato). La sola ricottura non può eliminarlo completamente; sono necessarie modifiche alla progettazione (cappucci svasati, vedere l'articolo n. 34) per eliminare completamente la debolezza della linea di saldatura.

Struttura e debolezza della linea di saldatura
Un cappuccio terminale saldato in PFA unisce due elementi, un tubo estruso (altamente orientato, cristallinità 45-50%) e un cappuccio stampato a compressione (isotropo, cristallinità 40-45%). 3 difetti sull'interfaccia di saldatura: 1. Stress residuo dovuto al raffreddamento differenziale 2. Peso molecolare inferiore dovuto al deterioramento termico durante la saldatura 3. Cristallinità non corrispondente che causa concentrazione di stress. La pressione di scoppio della condizione saldata è tipicamente compresa tra il 30 e il 50% della pressione di scoppio del tubo di base. Il tubo con parete da 2 mm esplode a 25-30 bar e il tubo identico con parte superiore saldata a 8-12 bar vicino alla linea di saldatura.

La ricottura a fase singola-a 180–200 gradi per 4 ore aumenta la pressione di scoppio a 12–16 bar (50–60% del tubo). Ricottura a due stadi 15-20 bar (60-75% del tubo) Il miglioramento è dovuto al rilassamento della catena (dove le catene polimeriche possono riaggrovigliarsi attraverso l'interfaccia) e alla ricristallizzazione parziale, che diminuisce la zona non corrispondente.

Ottimizzazione del processo di ricottura
Processo di ricottura Temp. Fase 1 (gradi) Temp. Fase 1 (ore) Temp. Fase 2 (gradi) Temp. Fase 2 (ore) Pressione di scoppio della linea di saldatura (bar, parete 2 mm) % di scoppio del tubo (28 bar) Modalità di guasto
Nessuna ricottura - - - - 6-10 21-36%Rottura pulita della linea di saldatura
Fase singola (bassa) 150 8 - - 8-12 29-43% Linea di saldatura (sbiancamento da stress-)
Fase singola (media) 180 6 - - 10–14 36–50% Saldatura mista e adiacente
Stadio singolo (alto) 220 4 – – 12–16 43–57%De-laminazione parziale
Stadio singolo (estremamente elevato) 250 2 - - 10-14 (sovra-ricotto) 36-50% Polimero deteriorato
2-stadio (basso-alto) 150 4 220 6 15-20 54-71% Saldatura adiacente (non linea di saldatura)
Due-stadi (medio-alto) 180 4 220 4 16–20 57–71% Come sopra.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% Accettabile
Tre-stadi (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71% Leggero miglioramento
Meccanismo di ricottura in due-fasi
Il primo passaggio a 150 gradi è al di sotto del punto di fusione del PFA (305 gradi) ma al di sopra della transizione vetrosa (-15 gradi quindi tutte le temperature sono superiori alla Tg). A 150 gradi C, le catene polimeriche mostrano una buona mobilità. Rilassamento dello stress residuo dalla saldatura (orientamento bloccato). La durata del rilassamento è di 1-2 ore a 150 gradi, 4 ore forniscono un completo sollievo dallo stress.

Il secondo stadio di 220 gradi è più vicino al punto di fusione ma non del tutto. A questa temperatura la diffusione della catena sul contatto di saldatura risulta migliorata. Il coefficiente di diffusione D è dato da D=D0 exp(-Ea/RT). D a 220 gradi è 10 - 20× maggiore che a 150 gradi. L'aggrovigliamento attraverso il contatto si ottiene mediante compenetrazione di catene dal tubo e dal cappuccio. L'interfaccia diventa in-definita. La cristallinità di entrambi i lati si scioglie parzialmente e si ricristallizza per produrre una struttura più omogenea in tutta la saldatura. Ma il tubo ha un orientamento (dovuto all'estrusione) che non può essere rimosso completamente senza sciogliersi, quindi la saldatura è ancora evidente.

Limitazioni e uso pratico
Per implementare la ricottura in 2 fasi per i cappucci terminali in PFA:

Salda, quindi posiziona il riscaldatore (o il gruppo del cappuccio) in un forno a circolazione d'aria-.

Rampa a 150 gradi a 5 gradi/min. Lasciare agire per 4 ore.

Rampa da 3 gradi/min a 220 gradi. Lasciar riposare per 6 ore.

Raffreddare a 2 gradi/min fino a 50 gradi prima della rimozione.

Questa tecnica aggiunge 10-12 ore al tempo di produzione e il 15-25% al ​​costo. Consigliato per applicazioni ad alta pressione o a cicli elevati in cui la resistenza della linea di saldatura è importante. Per il servizio a bassa pressione (atmosferica, 2 bar) può essere sufficiente la ricottura in una sola fase o addirittura nessuna ricottura.

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 cicli). Il cappuccio svasato è privo di linee di saldatura e ha una resistenza del 90-95% rispetto al tubo di base.

Area di esempio
Il produttore di riscaldatori PFA per digestori ad alta pressione (10 bar, 200 gradi) utilizzava tappi terminali saldati con ricottura a stadio singolo (180 gradi, 6 ore). Il tasso di guasto della linea di saldatura nell'arco di 12 mesi è stato dell'8%. Il produttore è passato alla ricottura in due-fasi (150 gradi/4 ore + 220 gradi/6 ore). Tasso di guasto della linea di saldatura sceso al 2,5% (ancora esistente). Hanno riprogettato i cappucci terminali svasati per la loro linea di prodotti-con la massima affidabilità e non hanno riscontrato guasti alla linea di saldatura in 5 anni.

Controllo e ispezione di qualità
Controllare la qualità della linea di saldatura dopo la ricottura in due-fasi procedendo nel seguente modo:

Test di scoppio: parete del tubo di 2 mm o rottura del tubo al 75% del cappuccio a 15 bar.

Microscopia: taglia la sezione trasversale- della saldatura ed esaminala sotto luce polarizzata. Una buona saldatura non presenta una linea netta, ma un’interfaccia diffusa di 50–100 µm.

DSC (calorimetria differenziale a scansione): misura la cristallinità su entrambi i lati della saldatura; differenza < 5%

Conclusione: la ricottura a due-fasi riduce ma non elimina i punti deboli
La ricottura termica a due-fasi (150 gradi/4 ore + 220 gradi/6 ore) riduce la debolezza della linea di saldatura nei cappucci terminali in PFA del 60-80%, aumentando la pressione di scoppio da 6-10 bar a 15-20 bar (per pareti da 2 mm). Questo metodo elimina le tensioni residue e migliora l'interdiffusione della catena in tutto il contatto di saldatura. La linea di saldatura, tuttavia, rimane un punto debole strutturale, con una resistenza inferiore del 25-40% rispetto a quella del tubo base, a causa della differenza intrinseca negli orientamenti molecolari e nelle cristallinità tra il tubo estruso e il cappuccio stampato. L'unico metodo per eliminare completamente la debolezza della linea di saldatura per applicazioni essenziali ad alta pressione o a cicli elevati è utilizzare tappi terminali svasati (senza linea di saldatura). La ricottura può essere un modo economicamente vantaggioso per migliorare i cappucci saldati, ma non è una panacea. Salda meno, ricottura meglio o design svasato. Scelta basata sul rischio. Le linee di saldatura rappresentano pericoli ad alta pressione. Ricotturali, ma non fidarti di loro. L'unica garanzia è il chiarore."