一种PFA焊接接头的结构优化设计

0引言

可熔性聚四氟乙烯(perfluoroalkoxy,PFA),最早是由美国杜邦公司于1972年开发的^[1],其具有良好的机械性能^[2-3],广泛应用于半导体、机械、电气、建筑、化工、航天、医疗等众多领域^[4-6]。在半导体领域,可以采用PFA材料制作管道^[7-9]、接头、密封圈、弹簧等,能够有效避免金属粒子析出从而影响输送物质的性能。采用PFA材料制作的管道可以输送超纯水或腐蚀性的化学介质,如硫酸、盐酸和氢氟酸等腐蚀介质,在管道尺寸有变化时需要采用焊接头将两种尺寸的管道焊接在一起。因此,采用PFA材料制作一种新型高应力结构的焊接头是十分必要的。

用PFA材料注塑成型的焊接接头,在-18~200℃介质温度中可以维持良好的尺寸稳定性和耐腐蚀性。PFA材料注塑成型的焊接接头主要应用于光伏和半导体等行业的化学品输送系统设备中,接头通过对焊方式与PFA管路连接,焊接连接方式更加可靠,能满足现场无泄漏、高标准的化学品输送要求。

PFA材料注塑的焊接接头在使用过程中经常出现断裂现象,尤其是1/2英寸转1/4英寸焊接接头。接头的断裂不仅影响设备的整体质量,还会导致输送介质的泄漏,泄漏介质不仅会给客户带来一定的经济损失,还会导致不可逆的环境污染。本文通过对1/2英寸转1/4英寸焊接接头的结构尺寸不断进行优化设计,并利用有限元对优化后的方案进行对比分析,提高接头的承载能力,提升产品质量的稳定性与可靠性,为后续类似的产品设计提供了详细的设计方案和具体的理论支撑。

1 材料特性

可熔性聚四氟乙烯(PFA)是四氟乙烯与全氟丙基乙烯基醚共聚物,完全保持了聚四氟乙烯的优良特性,使用温度-200~260℃,具有优良的机械、电绝缘性能,突出的耐热性和较低的摩擦系数、阻燃、低烟、耐候性,同时具有良好的热塑性。

PFA是熔融流动性优良的氟碳聚合物,可以像普通的熔融树脂一样进行加工。PFA能够耐绝大多数化学药品的腐蚀,在-200~260℃温度范围内,能保持一定的柔韧性。与聚四氟乙烯(PTFE)相同,PFA的最高连续使用温度为260℃。

PFA焊接接头主要通过注塑成型,一般使用螺杆式注射成型机。为了减小成型形变,模具设计时,应选择稍大和较短的注口、流道和浇口。模具应电镀硬质铬,在注塑过程中需要把模具加热到150~200℃。

PFA也具有不燃性,且发烟比乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)低,其极限氧指数(持续燃烧所需要的氧气浓度)大于95^[1]。

PFA材料的主要性能参数如表1所示。

2结构设计及优化

为使PFA材料注塑的焊接接头能够满足现场焊接使用要求,现根据管道标准设计焊接接头的连接尺寸和结构形式,以1/2英寸转1/4英寸焊接接头为例进行详细说明。1/2英寸管道外径12.7mm、内径9.7mm,1/4英寸管道外径6.35mm、内径3.95mm。

PFA材料注塑的焊接接头在使用过程中主要受到输送介质的内压力,介质压力一般不大于0.6 Mpa,此压力下焊接接头一般不会出现破裂现象。焊接接头在焊接完成后,一般受到人为的弯曲或拉伸力作用时就会出现断裂现象,断裂位置一般在大小尺寸的结合处,如图1所示。为提高焊接头的结构强度,需要对焊接结构进行优化设计提升其承载能力,从而满足工业实际应用需求。

2.1 方案设计

根据现有接头尺寸结构进行对比优化设计,设计了三种1/2寸转1/4寸焊接接头方案,采用PFA材料对不同方案结构的焊接接头,进行最大承受拉力和最大承受弯曲力矩仿真分析计算。方案1是现行结构,在使用过程中容易出现断裂问题,方案2和方案3是优化设计后的结构形式,不同方案外形结构如图2所示,尺寸数据如表2所示。

2.2 网格划分

采用非结构化网格划分方法对模型进行空间离散,最大网格尺寸0.4 mm,采用四边形网格对焊接接头模型进行网格划分,结果如图3所示。

2.3参数设置

1)在ANSYSWorkbench材料库中创建PFA材料,材料参数如表1所示,并将焊接接头分析模型赋予PFA材料。

2)设置焊接接头1/2寸端面为固定面,然后分别对焊接接头1/4寸的端面施加拉力F和弯曲力矩M,施加的拉力和弯曲力矩具体数值如表3所示。

3)进行分析设置:打开自动时步,初始子步设为15,最小子步设为10,最大子步设为25,其他设置保持默认。

表3 不同类型焊接接头小端施加拉力和力矩数值

4)设置求解结果:变形及应力。

3 分析结果

本次仿真采用的PFA材料,当焊接接头应力达到30 Mpa时,接头就会发生破坏,分别计算三种结构的焊接头应力达到30 Mpa时,焊接头1/4英寸端面所受的拉力和弯曲力矩。

3.1拉伸应力分析

图4~6为三种设计方案应力达到30 Mpa时接头的变形及应力分布云图。

由图4~6可知,焊接头最大变形量位于施加拉力位置附近,应力最大值位于焊接头1/2英寸与1/4英寸结合处,这是由于整个焊接头呈现“凸”字形;当焊接头最大应力达到30 Mpa时,由于结构不同,导致施加的拉力不同,最大变形量也不同。

三种设计方案达到零件破坏时,方案1、2、3所受拉力分别为225、342、393 N,方案2所受拉力比方案1提高52%,方案3比方案1提高74.6%。故方案3的焊接头结构承受的拉力最大。

3.2弯曲力矩分析

图7~9为三种设计方案应力达到30 Mpa时接头的变形及应力分布云图。

由图7~9可知焊接头的结构不同,承受最大弯曲力矩也不同。方案1、2、3分别施加395、415.6、426.3 N.mm力矩时,焊接头部分区域材料失效。方案2比方案1的最大弯曲力矩提高了5.2%,方案3比方案1的最大弯曲力矩提高了7.9%。零件断裂时,三种方案最大变形量均大于18 mm,最大变形量都位于1/4英寸管道前端;对焊接头施加弯曲力矩时,最大应力位于1/2英寸与1/4英寸管道结合处,这是由于1/2英寸端面受到固定约束,固定端受到的应力很小,在结合处焊接头的直径改变,导致应力集中在此处。从分析数据可得,方案3的设计结构承受弯曲力矩能力最强。

3.3弯曲实验验证

根据方案1和方案3的结构参数,分别制作两种1/2英寸转1/4英寸的焊接接头,并在焊接头两端分别焊接50 mm管道,进行弯曲实验,通过比较焊接头断裂时弯曲角度的不同而得出其承载能力的强弱。

方案1是目前正在生产的产品,焊接后弯曲时经常发生断裂现象,现对目前生产的实物产品进行弯曲性能试验,图10为方案1焊接头弯曲性能测试图,固定1/2英寸管道,将离1/4英寸焊接接头50 mm处作为弯曲受力点弯曲不同角度。由图10可知,1/2英寸转1/4英寸焊接接头在弯曲30°、60°、90°时均未发生断裂,但是在弯曲180°的情况下焊接接头出现断裂的情况。

方案3是优化分析结果修改模具后生产的产品,主要是对尺寸突变处进行结构优化,增加圆角消除了应力集中,增加根部厚度提高强度。对修改后的实物产品进行弯曲性能试验,图11为方案3焊接头弯曲性能测试图,试验条件和试验方法与方案1相同。由图11可知,1/2英寸转1/4英寸焊接接头在弯曲30°、60°、90°和180°时都没有发生断裂,且折弯处都没有白痕存在,改善效果显著,产品质量得到进一步的提升,可以满足现场使用要求。

通过对方案3和方案1焊接接头实物产品焊接弯曲对比测试可以得出结论:方案3焊接接头的弯曲性能明显优于方案1焊接接头的弯曲性能,即使被弯曲180O都没有发生断裂,说明本次仿真计算的结果是正确的。所以,方案3的焊接接头在使用过程中,不会由于人为弯曲而导致焊接接头焊接出现断裂,产品质量在理论计算和实际测试中得到进一步的提升和验证,能够满足现场使用的要求。

4 结论

本文通过对PFA焊接接头的研究,论述了PFA焊接接头在使用过程中出现的问题,以及PFA材料的主要性能参数;选取了1/2英寸转1/4英寸焊接接头进行结构优化,并对优化后的结构进行应力分析对比,最终得出方案1结构的承载能力最弱,方案3的承载能力最强。同时对方案1和方案3的实物产品进行了弯曲性能对比测试,同样得出方案3产品的弯曲性能明显优于方案1产品的弯曲性能。理论分析数据和实际测试数据方向一致,用理论计算来指导实际生产,为后续类似产品的结构设计提供了重要的理论支撑,为提高产品设计的安全性和可靠性奠定了基础。

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2024年第10期第18篇