Um processo de recozimento térmico de dois{0}estágios pode eliminar a fraqueza da linha de solda nas tampas finais de PFA?

Os aquecedores PFA com tampas soldadas quebram prematuramente na linha de solda quando submetidos a ciclos de pressão ou ataque químico. Uma técnica de recozimento térmico de dois-estágios, primeiro a 150 graus por 4 horas e depois a 220 graus por 6 horas, pode reduzir a fraqueza da linha de solda em 60-80%, mas não pode eliminá-la completamente. A primeira etapa (150 graus) elimina a tensão residual causada pelo processo de soldagem, sem derreter o contato da solda. A segunda etapa (220 graus) permite a interdifusão da cadeia através da linha de solda, resultando em maior emaranhamento molecular e uma melhor correspondência na cristalinidade entre a tampa e o tubo. A pressão de ruptura da linha de solda aumenta de 5–10 bar para 15–20 bar (para uma tampa de parede de 2 mm) após o recozimento em dois estágios, aproximando-se da pressão de ruptura do tubo base (25–30 bar). Porém, a linha de solda é um ponto fraco na estrutura, uma vez que a tampa e o tubo possuem histórias térmicas diferentes (tubo extrudado versus tampa moldada). O recozimento por si só não pode eliminá-lo completamente; mudanças no projeto (tampas alargadas, consulte o Artigo nº 34) são necessárias para eliminar completamente a fraqueza da linha de solda.

Estrutura e Fraqueza da Linha de Solda
Uma tampa de extremidade PFA soldada une dois elementos, um tubo extrudado (altamente orientado, cristalinidade 45-50%) e uma tampa moldada por compressão (isotrópica, cristalinidade 40-45%). 3 falhas na interface de solda: 1. Tensão residual devido ao resfriamento diferencial 2. Peso molecular mais baixo devido à deterioração térmica durante a soldagem 3. Cristalinidade incompatível causando concentração de tensão. A pressão de ruptura da condição de soldado é normalmente de 30 a 50 por cento da pressão de ruptura do tubo base. O tubo de parede de 2 mm explode a 25-30 bar e o tubo idêntico com topo soldado a 8-12 bar perto da linha de solda.

O recozimento de-estágio único a 180–200 graus por 4 horas aumenta a pressão de ruptura para 12–16 bar (50–60% do tubo). Recozimento em dois-estágios 15-20 bar (60-75% do tubo) A melhoria se deve ao relaxamento da cadeia (onde as cadeias de polímero podem se reenredar na interface) e à recristalização parcial, o que diminui a zona incompatível.

Otimização do processo de recozimento
Processo de recozimento Estágio 1 Temp (graus) Estágio 1 Tempo (horas) Estágio 2 Temp (graus) Estágio 2 Tempo (horas) Pressão de ruptura da linha de solda (bar, parede de 2 mm) % de ruptura do tubo (28 bar) Modo de falha
Sem recozimento - - - - 6-10 21-36% de ruptura limpa da linha de solda
Estágio único (baixo) 150 8 - - 8-12 29-43% Linha de solda (branqueamento-de tensão)
Estágio único (médio) 180 6 - - 10–14 36–50% Solda mista e adjacente
Estágio único (alto) 220 4 – – 12–16 43–57%Delaminação parcial-
Estágio único (extremamente alto) 250 2 - - 10-14 (sobre-recozido) 36-50%Polímero deteriorado
2-estágio (baixo-alto) 150 4 220 6 15-20 54-71% de solda adjacente (não linha de solda)
Dois-estágios (médio-alto) 180 4 220 4 16–20 57–71% O mesmo que acima.
Two stage (150->200) 150 4 200 8 14-18 50-64% Aceitável
Três-estágios (150→200→220) 150 2 200 4 220 2 16–20 57–71% Ligeira melhoria
Mecanismo de recozimento-em duas etapas
A primeira etapa a 150 graus está abaixo do ponto de fusão do PFA (305 graus), mas acima da transição vítrea (-15 graus, portanto, todas as temperaturas estão acima de Tg). A 150°C, as cadeias poliméricas apresentam bastante mobilidade. Relaxamento da tensão residual da soldagem (orientação travada). A duração do relaxamento é de 1-2 horas a 150 graus, 4 horas proporcionam alívio total do estresse.

O segundo estágio de 220 graus está mais próximo do ponto de fusão, mas não exatamente nele. A esta temperatura a difusão da cadeia através do contato de solda é melhorada. O coeficiente de difusão D é dado por D=D0 exp(-Ea/RT). D em 220 graus é 10 - 20× maior do que em 150 graus. O emaranhamento através do contato é obtido pela interpenetração das correntes do tubo e da tampa. A interface se torna in-definida. A cristalinidade de ambos os lados funde parcialmente e recristaliza para produzir uma estrutura mais homogênea em toda a solda. Mas o tubo tem alguma orientação (da extrusão) que não pode ser totalmente removida sem derreter, então a solda ainda é aparente.

Limitações e uso prático
Para implementar o recozimento em 2 etapas para tampas finais PFA:

Solde e coloque o aquecedor (ou conjunto da tampa) em um forno-com circulação de ar.

Rampa para 150 graus a 5 graus/min. Deixe por 4 horas.

Rampa de 3 graus/min a 220 graus. Deixe descansar por 6 horas.

Deixe esfriar a 2 graus /min a 50 graus antes da remoção.

Essa técnica acrescenta 10 a 12 horas ao tempo de fabricação e 15 a 25% ao custo. Recomendado para aplicações de alta pressão ou ciclo alto onde a resistência da linha de solda é importante. Para serviço de baixa pressão (atmosférica, 2 bar), o recozimento de estágio único ou mesmo nenhum recozimento pode ser suficiente.

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 ciclos). A tampa alargada não contém linhas de solda e tem 90-95% de resistência do tubo base.

Área de exemplo
O fabricante de aquecedores PFA para digestores de alta pressão (10 bar, 200 graus) utilizou tampas soldadas com recozimento de estágio único (180 graus, 6 horas). A taxa de falha da linha de solda em 12 meses foi de 8%. O produtor mudou para um recozimento de duas-etapas (150 graus/4 horas + 220 graus/6 horas). Taxa de falhas na linha de solda caiu para 2,5% (ainda existente). Eles foram redesenhados para tampas de extremidade alargadas para sua linha de produtos de maior-confiabilidade e não tiveram nenhuma falha na linha de solda em cinco anos.

Controle e Inspeção de Qualidade
Verifique a qualidade da linha de solda após o recozimento em dois-estágios:

Teste de ruptura: parede do tubo 2 mm ou ruptura do tubo 75% da ruptura da tampa a 15 bar.

Microscopia: Corte a seção transversal-da solda e examine sob luz polarizada. Uma boa solda não apresenta nenhuma linha clara, mas uma interface difusa de 50–100 µm.

DSC (calorimetria diferencial de varredura): mede a cristalinidade em ambos os lados da solda; diferença < 5%

Conclusão: o recozimento em dois-estágios reduz, mas não elimina os pontos fracos
O recozimento térmico de dois-estágios (150 graus/4 horas + 220 graus/6 horas) reduz a fraqueza da linha de solda nas extremidades de PFA em 60-80%, aumentando a pressão de ruptura de 6-10 bar para 15-20 bar (para parede de 2 mm). Este método elimina a tensão residual e melhora a interdifusão da cadeia ao longo do contato da solda. A linha de solda, no entanto, continua sendo um ponto fraco estrutural, com uma resistência 25-40% menor que a do tubo base, devido à diferença inerente nas orientações moleculares e cristalinidades entre o tubo extrudado e a tampa moldada. O único método para eliminar completamente a fraqueza da linha de solda para aplicações essenciais de alta pressão ou alto ciclo é usar tampas de extremidade alargadas (sem linha de solda). O recozimento pode ser uma forma econômica de melhorar as tampas soldadas, mas não é uma panacéia. Solde menos, recoze melhor ou alargue o projeto. Escolha baseada no risco. As linhas de solda são perigosas em alta pressão. Recozê-los, mas não confie neles. A única garantia é o flare."