Slika 1.Odgođeno pucanje kod zalivanja epoksidom obično počinje na rubovima komponenti i izlazi - ne na vanjskoj površini. Sklop prolazi sve početne testove; kvar se pojavljuje nakon 50-200 toplinskih ciklusa u radu.
Montaža prolazi sve kvalifikacijske testove. Hi-pot: prolaz. Vizualni pregled: čisto. Toplinski udar na –40 stupnjeva do +85 stupnjeva, 50 ciklusa: prolazno. Isporučuje se. Četrnaest mjeseci kasnije, stižu prvi povrati s polja - pukotine na sučelju lonaca-na-kućište, raslojavanje na izlaznim točkama provodnika, povremeni otvori na jedinicama za koje je mjereno da su čisti pri otpremi. Inženjerski tim zahtijeva presjeke-. Pukotine su u epoksidnom premazu, a ne u komponentama. Raspored stvrdnjavanja u proizvodnom zapisu ispravno je naveden. Materijal se nije mijenjao. Istraga se završava kao "zamor materijala - unutar varijabilnosti očekivanog radnog vijeka."
To nije zamor materijala. To je zaostalo naprezanje, postavljeno tijekom stvrdnjavanja, koje nikada nije izmjereno i nikada se nije pojavilo u nizu kvalifikacije - jer kvalifikacija nije uključivala toplinske cikluse koji su bili potrebni za njegovo oslobađanje.Odgođeno pucanje u debelom-presjeku epoksidnog zalivanja gotovo je uvijek greška procesa stvrdnjavanja, a ne greška materijala. Pukotina nastaje tijekom stvrdnjavanja. Pojavljuje se u polju.
Egzotermni mehanizam: Zašto se debeli dijelovi stvrdnjavaju drugačije od tankih
Epoksi{0}}poprečno povezivanje je egzotermna reakcija. Kada se smola i učvršćivač spoje i smjesa se izloži toplini, reakcija stvara vlastitu toplinu uz apsorbiranje topline iz pećnice. U tankom uzorku - tipa koji se koristi za UL ispitivanje materijala - samo-generirana toplina brzo se raspršuje u atmosferu pećnice kroz veliki omjer površine-na-volumen. Temperatura uzorka pomno prati zadanu vrijednost pećnice tijekom ciklusa stvrdnjavanja.
U debelom lončanom dijelu - transformatorska jezgra s izljevom od 20 mm, energetski modul s dubinom ispune od 25 mm - omjer površine-i-volumena mnogo je manji. Toplina iz egzotermne reakcije u jezgri sekcije ima dugu difuzijsku stazu do površine, a okolna smola koja još nije u potpunosti reagirala djeluje kao toplinska izolacija. Temperatura središta je viša od zadane vrijednosti pećnice. U jednom-stupnju stvrdnjavanja na 120 stupnjeva za dio od 20 mm, središnje temperature od 140–165 stupnjeva nisu neuobičajene, čak ni kada je pećnica postavljena na 120 stupnjeva, a površina dijela mjeri 120 stupnjeva pomoću površinskog termoelementa.
Ovo prekoračenje je važno jer stopa unakrsnog -vezivanja naglo raste s temperaturom. Jezgra sekcije, koja se kreće 20–45 stupnjeva iznad zadane vrijednosti pećnice, dovršava svoje primarno unakrsno-povezivanje značajno brže od vanjskog materijala. Mreža-poprečnih veza u jezgri je učinkovito "zamrznuta" na mjestu dok vanjski slojevi još uvijek reagiraju. Kada se sklop ohladi nakon stvrdnjavanja, oba područja se termički skupljaju -, ali se skupljaju s različitih početnih točaka i različitim brzinama, jer je jezgra već kruta staklasta krutina dok vanjski slojevi dovršavaju formiranje mreže.
Rezultat je zaključano-stanje naprezanja u potpuno stvrdnutom dijelu: zaostalo vlačno naprezanje u vanjskom materijalu i zaostalo tlačno naprezanje u jezgri. Ovo nije hipoteza - to je dobro-okarakterizirana pojava u obradi duroplastom debelog-presjeka, analogna zaostalom naprezanju u brzo kaljenom staklu.
Slika 2.U jednom-fazi stvrdnjavanja od 120 stupnjeva od 20 mm, temperatura jezgre rutinski premašuje zadanu vrijednost pećnice za 20-45 stupnjeva tijekom-ekzotermnog povezivanja. Dvo-fazni profil ograničava ovo prekoračenje pokretanjem unakrsnog-vezivanja na 80 stupnjeva prije nego što se primijeni viši-temperaturni stupanj.
Zašto sklop prolazi početno testiranje
Slika 3.Nakon -jednostupanjskog-stvrdnjavanja na visokoj temperaturi, stvrdnuti dio nosi zaključano-stanje naprezanja: zaostalu napetost u vanjskim slojevima, zaostalu kompresiju u jezgri. Ovo stanje naprezanja dodaje se cikličkom toplinskom naprezanju tijekom rada, ubrzavajući inicijaciju pukotina uslijed zamora.
Preostalo vlačno naprezanje u vanjskom materijalu za zalivanje nakon stvrdnjavanja jednog-faznog-presjeka obično je ispod krajnje vlačne čvrstoće epoksida na sobnoj temperaturi. Potpuno stvrdnuti dio ne pukne tijekom stvrdnjavanja - ili ako se dogodi, mikro-pukotine su ispod praga detekcije vizualnog pregleda. Hi-ispitivanje pri nazivnom naponu prolazi jer se efektivna dielektrična čvrstoća blago napregnute matrice ne razlikuje značajno od nenapregnute referentne.
Problem se otkriva pod toplinskim cikliranjem, a mehanizam je jednostavan: svaki toplinski ciklus od niske temperature do visoke temperature stvara cikličko vlačno i tlačno naprezanje u materijalu za zalivanje, potaknuto CTE neusklađenošću između epoksida, ugrađenih komponenti i kućišta. Na mjestima koncentracije naprezanja - uglovima, rubovima komponenti, izlaznim točkama odvoda i sučelju-za-kućište - ciklička amplituda naprezanja je najveća. Preostalo vlačno naprezanje od stvrdnjavanja dodaje se izravno cikličkom vlačnom naprezanju na tim mjestima, jer su oba vlačna naprezanja koja djeluju u istom smjeru tijekom faze zagrijavanja toplinskog ciklusa.
Kombinirana amplituda naprezanja - zaostalo naprezanje stvrdnjavanja plus cikličko toplinsko naprezanje - još uvijek može biti ispod krajnje vlačne čvrstoće epoksida u prvom ciklusu. Doseže prag inicijacije pukotine uslijed zamora nakon određenog broja ciklusa koji ovisi o specifičnoj veličini zaostalog naprezanja, CTE neusklađenosti, amplitudi toplinskog ciklusa i geometriji koncentratora naprezanja. Zbog toga se kvar pojavljuje nakon 50-200 ciklusa, a ne pri početnom testiranju. To nije degradacija materijala tijekom vremena - to je akumulacija naprezanja do praga.
Zašto se ovaj kvar sustavno pogrešno identificira
Kada se ispitivanjem kvara na terenu otkriju pukotine u epoksidnom materijalu za zalivanje, nekoliko je uobičajenih pogrešnih identifikacija:
"Zamor materijala"- epoksid je otkazao zbog zamora, što znači da materijal nije bio prikladan za primjenu. Stvarni mehanizam je nakupljanje naprezanja iz kombinacije zaostalog naprezanja stvrdnjavanja i cikličkog toplinskog naprezanja. Promjena na drugi epoksidni materijal bez promjene procesa stvrdnjavanja ponovit će kvar, jer mehanizam zaostalog naprezanja ovisi-o procesu, a ne o-materijalu.
"Šteta od toplinskog udara"- sklop je bio izložen neuobičajeno jakom toplinskom događaju. To je ponekad točno, ali uzorci pukotina uzrokovani toplinskim udarom obično započinju na vanjskoj površini i šire se prema unutra. Pukotine od zaostalog naprezanja obično započinju na elementima unutarnje geometrije (rubovi komponenti, izlazni dijelovi) i šire se prema van. Mjesto nastanka pukotine razlikuje dva mehanizma na poprečnom-presjeku.
"Nedovoljno prianjanje u loncu"- epoksid nije dobro vezao za podlogu ili kućište. Delaminacija na spoju-kućišta može biti posljedica neadekvatne pripreme površine, ali također može biti rezultat zaostalog vlačnog naprezanja koje premašuje čvrstoću međufaznog spoja. Za potonje nije potreban kvar pripreme površine - to se događa na čistim, ispravno pripremljenim površinama kada je zaostalo naprezanje dovoljno visoko.
"Kvaliteta komponente"- nije uspjelo vodstvo ili prekid komponente. U slučajevima kada se pukotina proširi na sučelje komponente, pojava pukotine može se pogrešno identificirati kao kvar komponente. Analiza-presjeka razlikuje pukotinu koja je nastala na komponenti i onu koja se do nje proširila iz okolnog epoksida.
U većini ovih pogrešnih identifikacija, zapis procesa liječenja ne pregledava se kao dio istrage kvara. Raspored stvrdnjavanja naveden u proizvodnom putniku odgovara specifikaciji - jer specifikacija navodi zadanu vrijednost pećnice i programirano trajanje, a ne temperaturu koja je stvarno postignuta u središtu dijela u loncima. Mehanizam zaostalog naprezanja nevidljiv je u proizvodnom zapisu.
Dvo{0}}fazni profil stvrdnjavanja: kako smanjuje zaostali stres
Dvo{0}}fazni profil stvrdnjavanja izravno se bavi egzotermnim mehanizmom dijeleći-reakciju unakrsnog povezivanja u dva kontrolirana stupnja:
Faza 1 na 80 stupnjevainicira reakciju unakrsnog-vezivanja na nižoj temperaturi, gdje je brzina reakcije sporija, a egzotermna proizvodnja topline po jedinici vremena manja. Na 80 stupnjeva, sustav počinje graditi unakr-gustoću veze - dovoljnu da spriječi naglo ubrzanje brzine reakcije do kojeg bi došlo da je sustav odmah izložen 120 stupnjeva. Niža početna brzina reakcije smanjuje samo-generiranu egzotermu, održavajući temperaturu središta bliže zadanoj točki pećnice. Gustoća-poprečne veze razvija se ravnomjernije po dubini presjeka tijekom Faze 1.
Faza 2 na 120 stupnjevazatim dovodi sustav do potpunog stvrdnjavanja. Do početka Faze 2, mreža Faze 1 već je razvila dovoljno krutosti da ograniči dodatnu egzotermnu temperaturu tijekom Faze 2. Preostalo unakrsno -povezivanje događa se u mreži koja je djelomično ograničena strukturom Faze 1, a temperaturna razlika između jezgre i površine tijekom Faze 2 značajno je smanjena u usporedbi s jednom-fazom stvrdnjavanja od 120 stupnjeva.
Rezultat je stvrdnuti dio s manjim zaostalim vlačnim naprezanjem u vanjskom materijalu. Sklop još uvijek ima nešto zaostalog naprezanja - nijedan postupak stvrdnjavanja ga u potpunosti eliminira -, ali veličina je dovoljno smanjena da kombinirana amplituda zaostalog naprezanja i cikličkog toplinskog naprezanja ostane ispod praga inicijacije pukotine od zamora za znatno duži vijek trajanja.
Ovo nije teorijski argument. Uočeno je empirijski: sklopovi koji su doživjeli odgođeno pucanje s jednom-fazom stvrdnjavanja od 120 stupnjeva na istom materijalu za zalijevanje pokazali su produljeni radni vijek nakon prelaska na dvo-fazni profil, bez promjene materijala, geometrije ili bilo kojeg drugog parametra procesa. Raspored liječenja je varijabla.
Kritični jaz u kvalifikacijskom testiranju
Standardni nizovi kvalifikacijskih testova za sklopove u loncima obično uključuju ograničeni broj toplinskih ciklusa - 50 do 100 ciklusa uobičajeno je u IEC i UL standardima za specifične kategorije opreme. Montažni sklop debelog-presjeka s preostalim naprezanjem iz jednog-faza stvrdnjavanja može proći 50 ili čak 100 toplinskih ciklusa prije nego što kumulativno naprezanje dosegne prag inicijacije pukotina. Kada se kvar dogodi nakon 150–200 ciklusa rada - što može odgovarati 12–18 mjeseci rada pri jednom ili dva toplinska ciklusa dnevno - kvalifikacijski slijed ga nije izložio.
Ovo je sustavna praznina: kvalifikacija je ispravno izvedena, test je prošao, ali način neuspjeha radi na duljoj skali ciklusa od one koju pokriva test. Dizajni kod kojih proces stvrdnjavanja uvodi zaostalo naprezanje zahtijevaju ili duži slijed termičkog ciklusa kvalifikacije ili postupak stvrdnjavanja koji smanjuje zaostalo naprezanje na razinu na kojoj standardni broj kvalifikacijskih ciklusa stvarno predviđa radni vijek.
Dvo{0}}fazni profil stvrdnjavanja smanjuje veličinu zaostalog naprezanja, što smanjuje ukupnu amplitudu naprezanja po ciklusu. To, u kombinaciji s istim brojem toplinskih ciklusa u kvalifikacijskom nizu, daje istinsko jamstvo, a ne jamstvo koje je ograničeno nesposobnošću testa da otkrije način kvara.
Utvrđivanje je li trenutačni dizajn u opasnosti
Sljedeći projektni i procesni uvjeti ukazuju na povećani rizik od zaostalog naprezanja kod debelog-presjeka epoksidnog zalivanja:
Dubina presjeka za zalijevanje prelazi 10 mm u bilo kojoj dimenziji.
Trenutačni raspored stvrdnjavanja je jedno-fazni na 100 stupnjeva ili više.
Nema nadzora temperature jezgre termoelementom tijekom stvrdnjavanja - bilježi se samo površinska temperatura ili temperatura zraka u pećnici.
Povijest kvarova pokazuje pukotine koje se pojavljuju nakon više toplinskih ciklusa tijekom rada, pri čemu su sklopovi prošli početnu inspekciju.
Izvori pukotina na poprečnom-presjeku su na rubovima komponenti, izlazima ili unutarnjim geometrijskim elementima - ne na vanjskoj površini.
Kvalifikacijski broj toplinskih ciklusa bio je 50 ciklusa ili manje, a očekuje se da će radni vijek uključivati 200 ili više toplinskih ciklusa.
Praktični korak provjere je proizvesti ispitne uzorke na stvarnoj debljini proizvodnog dijela i rasporedu stvrdnjavanja, ugraditi termoelement u središte presjeka i zabilježiti stvarni profil temperature jezgre tijekom stvrdnjavanja. Ako temperatura jezgre značajno premaši zadanu vrijednost peći tijekom faze unakrsnog -vezivanja, egzotermni mehanizam je aktivan i stvara se zaostalo naprezanje.
HDT, Tg i RTI: Toplinska svojstva koja definiraju radnu ovojnicu
Dvo{0}}fazni profil stvrdnjavanja, pravilno izveden, proizvodi stvrdnuti materijal s punim nazivnim toplinskim svojstvima: Tg 117,8 stupnjeva prema TMA (ASTM E831), HDT 130 stupnjeva, RTI 130 stupnjeva prema UL datoteci E120665. Ove vrijednosti definiraju radnu omotnicu za stvrdnuti sklop:
Tg 117,8 stupnjeva- temperatura staklenog prijelaza izmjerena termomehaničkom analizom; koristite ovo za izračun CTE proračuna i analizu dimenzionalne stabilnosti. Iznad Tg, CTE se povećava sa 49,772 ppm/stupanj (1, ispod Tg) na 148,482 ppm/stupanj (2, iznad Tg) - približno 3x povećanje.
HDT 130 stupnjeva- temperatura na kojoj se stvrdnuti materijal savija pod standardnim opterećenjem od 1,8 MPa; koristite ovo za mehaničko opterećenje-na povišenoj temperaturi.
RTI 130 stupnjeva- UL-ova ocjena za kontinuirano zadržavanje električnih i mehaničkih svojstava; dizajni koji zahtijevaju kontinuirani rad iznad 90 stupnjeva koji su izvan ocjene E532/H532 (RTI 90 stupnjeva) unutar su ocjene E536/H536.
Ove vrijednosti toplinskih svojstava postižu se samo kada je dvo{0}}fazno stvrdnjavanje pravilno dovršeno. Sklop koji je primio samo Fazu 1 - ili Fazu 1 na nedovoljnoj temperaturi - imat će Tg i HDT ispod ovih vrijednosti. Uzorci svjedoci stvrdnjavani zajedno s proizvodnim serijama i testirani na HDT pružaju praktičnu provjeru procesa: izmjereni HDT znatno ispod 130 stupnjeva ukazuje na nepotpunu fazu 2 stvrdnjavanja.
Srodni proizvod za zalijevanje debelih-presjeka s kontrolom stresa pri stvrdnjavanju
E536/H536 je dvo-komponentna, UL 94 V-0 vatrootporna epoksidna smjesa za zalivanje izrađena posebno za primjene debelih-presjeka gdje je stres pri stvrdnjavanju primarni mehanizam kvara. Njegov profil stvrdnjavanja u dva stupnja (80 stupnjeva × 2 sata + 120 stupanj × 4 sata) ograničava egzotermnost jezgre tijekom Faze 1 i postiže puni razvoj svojstava u Fazi 2. RTI 130 stupnjeva, HDT 130 stupnjeva, Shore D 89 i minimalna UL certificirana debljina od 1,58–1,74 mm (crna boja) pod UL datotekom E120665.
Nije prikladno za primjene koje zahtijevaju toplinsku vodljivost iznad 0,5 W/m·K (za to koristite E533/H533) ili za proizvodna okruženja stvrdnjavanja na sobnoj-temperaturi (za to koristite E532/H532). Dvo-fazni profil stvrdnjavanja zahtijeva mogućnost peći na 80 stupnjeva i 120 stupnjeva s kontroliranim vremenom rampe i zadržavanja.
👉 🔗 Stranica proizvoda E536/H536 - Tehnički podaci, TMA izvješće o ispitivanju, Bilješke o primjeni
Ključna inženjerska pitanja
Kako mogu znati ima li moj trenutni sklop zaostalo naprezanje od procesa stvrdnjavanja?
Izravna metoda je ugraditi termoelement u središte dijela za zalijevanje i bilježiti temperaturu jezgre tijekom stvrdnjavanja. Ako temperatura središta prijeđe zadanu vrijednost pećnice za više od 10–15 stupnjeva tijekom faze unakrsnog -vezivanja, stvara se zaostalo naprezanje. Neizravna metoda je izvođenje ubrzanog toplinskog ciklusa do broja ciklusa znatno većeg od kvalifikacijskog niza (npr. 500 ciklusa) i pregledavanje mjesta nastanka pukotina. Pukotine koje započinju na elementima unutarnje geometrije, a ne na vanjskoj površini, u skladu su s zaostalim naprezanjem kao pokretačem.
Ako se prebacim s jedno-faze na dvo-fazu stvrdnjavanja na svom postojećem sklopu, trebam li se ponovno kvalificirati?
U većini slučajeva, da - najmanje, promjena procesa otvrdnjavanja trebala bi se odraziti u specifikaciji proizvodnog procesa i potvrditi na ispitnim uzorcima kako bi se potvrdilo da svojstva otvrdnjavanja ispunjavaju zahtjeve dizajna. Za sklopove koji su dio krajnjeg proizvoda s popisa UL-promjena rasporeda stvrdnjavanja smjese za zalivanje može pokrenuti zahtjev za obavještavanjem ili ponovnim-ocjenjivanjem kod tijela koje se nalazi na popisu. Ovo treba potvrditi prije implementacije promjene procesa. Validacija bi trebala uključivati toplinske cikluse do dovoljnog broja ciklusa za potvrdu da se način kvara koji se pojavio na prethodnom rasporedu stvrdnjavanja ne pojavljuje na novom.
Može li se preostalo naprezanje mjeriti ne-destruktivno na gotovim sklopovima?
Ne-destruktivno mjerenje zaostalog naprezanja u epoksidu tehnički je moguće pomoću tehnika kao što su fotoelastičnost ili mikro-Ramanova spektroskopija, ali to nisu rutinski proizvodni alati. Destruktivna{3}}analiza presjeka nakon koje slijedi mikroskopska inspekcija pukotina praktičnija je za provjeru proizvodnje. Najpristupačniji alat za provjeru proizvodnje je uzorak svjedoka: stvrdnuti uzorak proizveden istodobno sa svakom proizvodnom serijom, pohranjen i povremeno testiran termičkim ciklusima i pregledom-presjeka. Odstupanje u uzorku svjedoka predviđa, ali ne jamči, što je prisutno u proizvodnoj seriji.
Sljedeći koraci - Kontaktirajte Fong Yong Chemical
