一種PFA焊接接頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

可熔性聚四氟乙烯(perfluoroalkoxy,PFA),最早是由美國(guó)杜邦公司于1972年開發(fā)的^[1],其具有良好的機(jī)械性能^[2-3],廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、機(jī)械、電氣、建筑、化工、航天、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域^[4-6]。在半導(dǎo)體領(lǐng)域,可以采用PFA材料制作管道^[7-9]、接頭、密封圈、彈簧等,能夠有效避免金屬粒子析出從而影響輸送物質(zhì)的性能。采用PFA材料制作的管道可以輸送超純水或腐蝕性的化學(xué)介質(zhì),如硫酸、鹽酸和氫氟酸等腐蝕介質(zhì),在管道尺寸有變化時(shí)需要采用焊接頭將兩種尺寸的管道焊接在一起。因此,采用PFA材料制作一種新型高應(yīng)力結(jié)構(gòu)的焊接頭是十分必要的。

用PFA材料注塑成型的焊接接頭,在-18~200℃介質(zhì)溫度中可以維持良好的尺寸穩(wěn)定性和耐腐蝕性。PFA材料注塑成型的焊接接頭主要應(yīng)用于光伏和半導(dǎo)體等行業(yè)的化學(xué)品輸送系統(tǒng)設(shè)備中,接頭通過對(duì)焊方式與PFA管路連接,焊接連接方式更加可靠,能滿足現(xiàn)場(chǎng)無泄漏、高標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)品輸送要求。

PFA材料注塑的焊接接頭在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,尤其是1/2英寸轉(zhuǎn)1/4英寸焊接接頭。接頭的斷裂不僅影響設(shè)備的整體質(zhì)量,還會(huì)導(dǎo)致輸送介質(zhì)的泄漏,泄漏介質(zhì)不僅會(huì)給客戶帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失,還會(huì)導(dǎo)致不可逆的環(huán)境污染。本文通過對(duì)1/2英寸轉(zhuǎn)1/4英寸焊接接頭的結(jié)構(gòu)尺寸不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并利用有限元對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行對(duì)比分析,提高接頭的承載能力,提升產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性與可靠性,為后續(xù)類似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案和具體的理論支撐。

1 材料特性

可熔性聚四氟乙烯(PFA)是四氟乙烯與全氟丙基乙烯基醚共聚物,完全保持了聚四氟乙烯的優(yōu)良特性,使用溫度-200~260℃,具有優(yōu)良的機(jī)械、電絕緣性能,突出的耐熱性和較低的摩擦系數(shù)、阻燃、低煙、耐候性,同時(shí)具有良好的熱塑性。

PFA是熔融流動(dòng)性優(yōu)良的氟碳聚合物,可以像普通的熔融樹脂一樣進(jìn)行加工。PFA能夠耐絕大多數(shù)化學(xué)藥品的腐蝕,在-200~260℃溫度范圍內(nèi),能保持一定的柔韌性。與聚四氟乙烯(PTFE)相同,PFA的最高連續(xù)使用溫度為260℃。

PFA焊接接頭主要通過注塑成型,一般使用螺桿式注射成型機(jī)。為了減小成型形變,模具設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)選擇稍大和較短的注口、流道和澆口。模具應(yīng)電鍍硬質(zhì)鉻,在注塑過程中需要把模具加熱到150~200℃。

PFA也具有不燃性,且發(fā)煙比乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)低,其極限氧指數(shù)(持續(xù)燃燒所需要的氧氣濃度)大于95^[1]。

PFA材料的主要性能參數(shù)如表1所示。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

為使PFA材料注塑的焊接接頭能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)焊接使用要求,現(xiàn)根據(jù)管道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)焊接接頭的連接尺寸和結(jié)構(gòu)形式,以1/2英寸轉(zhuǎn)1/4英寸焊接接頭為例進(jìn)行詳細(xì)說明。1/2英寸管道外徑12.7mm、內(nèi)徑9.7mm,1/4英寸管道外徑6.35mm、內(nèi)徑3.95mm。

PFA材料注塑的焊接接頭在使用過程中主要受到輸送介質(zhì)的內(nèi)壓力,介質(zhì)壓力一般不大于0.6 Mpa,此壓力下焊接接頭一般不會(huì)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。焊接接頭在焊接完成后,一般受到人為的彎曲或拉伸力作用時(shí)就會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,斷裂位置一般在大小尺寸的結(jié)合處,如圖1所示。為提高焊接頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,需要對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提升其承載能力,從而滿足工業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求。

2.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有接頭尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了三種1/2寸轉(zhuǎn)1/4寸焊接接頭方案,采用PFA材料對(duì)不同方案結(jié)構(gòu)的焊接接頭,進(jìn)行最大承受拉力和最大承受彎曲力矩仿真分析計(jì)算。方案1是現(xiàn)行結(jié)構(gòu),在使用過程中容易出現(xiàn)斷裂問題,方案2和方案3是優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)形式,不同方案外形結(jié)構(gòu)如圖2所示,尺寸數(shù)據(jù)如表2所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法對(duì)模型進(jìn)行空間離散,最大網(wǎng)格尺寸0.4 mm,采用四邊形網(wǎng)格對(duì)焊接接頭模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,結(jié)果如圖3所示。

2.3參數(shù)設(shè)置

1)在ANSYSWorkbench材料庫(kù)中創(chuàng)建PFA材料,材料參數(shù)如表1所示,并將焊接接頭分析模型賦予PFA材料。

2)設(shè)置焊接接頭1/2寸端面為固定面,然后分別對(duì)焊接接頭1/4寸的端面施加拉力F和彎曲力矩M,施加的拉力和彎曲力矩具體數(shù)值如表3所示。

3)進(jìn)行分析設(shè)置:打開自動(dòng)時(shí)步,初始子步設(shè)為15,最小子步設(shè)為10,最大子步設(shè)為25,其他設(shè)置保持默認(rèn)。

表3 不同類型焊接接頭小端施加拉力和力矩?cái)?shù)值

4)設(shè)置求解結(jié)果:變形及應(yīng)力。

3 分析結(jié)果

本次仿真采用的PFA材料,當(dāng)焊接接頭應(yīng)力達(dá)到30 Mpa時(shí),接頭就會(huì)發(fā)生破壞,分別計(jì)算三種結(jié)構(gòu)的焊接頭應(yīng)力達(dá)到30 Mpa時(shí),焊接頭1/4英寸端面所受的拉力和彎曲力矩。

3.1拉伸應(yīng)力分析

圖4~6為三種設(shè)計(jì)方案應(yīng)力達(dá)到30 Mpa時(shí)接頭的變形及應(yīng)力分布云圖。

由圖4~6可知,焊接頭最大變形量位于施加拉力位置附近,應(yīng)力最大值位于焊接頭1/2英寸與1/4英寸結(jié)合處,這是由于整個(gè)焊接頭呈現(xiàn)“凸”字形;當(dāng)焊接頭最大應(yīng)力達(dá)到30 Mpa時(shí),由于結(jié)構(gòu)不同,導(dǎo)致施加的拉力不同,最大變形量也不同。

三種設(shè)計(jì)方案達(dá)到零件破壞時(shí),方案1、2、3所受拉力分別為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的焊接頭結(jié)構(gòu)承受的拉力最大。

3.2彎曲力矩分析

圖7~9為三種設(shè)計(jì)方案應(yīng)力達(dá)到30 Mpa時(shí)接頭的變形及應(yīng)力分布云圖。

由圖7~9可知焊接頭的結(jié)構(gòu)不同,承受最大彎曲力矩也不同。方案1、2、3分別施加395、415.6、426.3 N.mm力矩時(shí),焊接頭部分區(qū)域材料失效。方案2比方案1的最大彎曲力矩提高了5.2%,方案3比方案1的最大彎曲力矩提高了7.9%。零件斷裂時(shí),三種方案最大變形量均大于18 mm,最大變形量都位于1/4英寸管道前端;對(duì)焊接頭施加彎曲力矩時(shí),最大應(yīng)力位于1/2英寸與1/4英寸管道結(jié)合處,這是由于1/2英寸端面受到固定約束,固定端受到的應(yīng)力很小,在結(jié)合處焊接頭的直徑改變,導(dǎo)致應(yīng)力集中在此處。從分析數(shù)據(jù)可得,方案3的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)承受彎曲力矩能力最強(qiáng)。

3.3彎曲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)方案1和方案3的結(jié)構(gòu)參數(shù),分別制作兩種1/2英寸轉(zhuǎn)1/4英寸的焊接接頭,并在焊接頭兩端分別焊接50 mm管道,進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn),通過比較焊接頭斷裂時(shí)彎曲角度的不同而得出其承載能力的強(qiáng)弱。

方案1是目前正在生產(chǎn)的產(chǎn)品,焊接后彎曲時(shí)經(jīng)常發(fā)生斷裂現(xiàn)象,現(xiàn)對(duì)目前生產(chǎn)的實(shí)物產(chǎn)品進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn),圖10為方案1焊接頭彎曲性能測(cè)試圖,固定1/2英寸管道,將離1/4英寸焊接接頭50 mm處作為彎曲受力點(diǎn)彎曲不同角度。由圖10可知,1/2英寸轉(zhuǎn)1/4英寸焊接接頭在彎曲30°、60°、90°時(shí)均未發(fā)生斷裂,但是在彎曲180°的情況下焊接接頭出現(xiàn)斷裂的情況。

方案3是優(yōu)化分析結(jié)果修改模具后生產(chǎn)的產(chǎn)品,主要是對(duì)尺寸突變處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,增加圓角消除了應(yīng)力集中,增加根部厚度提高強(qiáng)度。對(duì)修改后的實(shí)物產(chǎn)品進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn),圖11為方案3焊接頭彎曲性能測(cè)試圖,試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法與方案1相同。由圖11可知,1/2英寸轉(zhuǎn)1/4英寸焊接接頭在彎曲30°、60°、90°和180°時(shí)都沒有發(fā)生斷裂,且折彎處都沒有白痕存在,改善效果顯著,產(chǎn)品質(zhì)量得到進(jìn)一步的提升,可以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

通過對(duì)方案3和方案1焊接接頭實(shí)物產(chǎn)品焊接彎曲對(duì)比測(cè)試可以得出結(jié)論:方案3焊接接頭的彎曲性能明顯優(yōu)于方案1焊接接頭的彎曲性能,即使被彎曲180O都沒有發(fā)生斷裂,說明本次仿真計(jì)算的結(jié)果是正確的。所以,方案3的焊接接頭在使用過程中,不會(huì)由于人為彎曲而導(dǎo)致焊接接頭焊接出現(xiàn)斷裂,產(chǎn)品質(zhì)量在理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試中得到進(jìn)一步的提升和驗(yàn)證,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的要求。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)PFA焊接接頭的研究,論述了PFA焊接接頭在使用過程中出現(xiàn)的問題,以及PFA材料的主要性能參數(shù);選取了1/2英寸轉(zhuǎn)1/4英寸焊接接頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析對(duì)比,最終得出方案1結(jié)構(gòu)的承載能力最弱,方案3的承載能力最強(qiáng)。同時(shí)對(duì)方案1和方案3的實(shí)物產(chǎn)品進(jìn)行了彎曲性能對(duì)比測(cè)試,同樣得出方案3產(chǎn)品的彎曲性能明顯優(yōu)于方案1產(chǎn)品的彎曲性能。理論分析數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)方向一致,用理論計(jì)算來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn),為后續(xù)類似產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的理論支撐,為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的安全性和可靠性奠定了基礎(chǔ)。

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2024年第10期第18篇