Slika 1.Zakasnjeno razpokanje pri zalivanju z epoksi smolo se običajno začne na robovih komponent in izhodih svinca - ne na zunanji površini. Sklop prestane vse začetne preizkuse; okvara se pojavi po 50–200 toplotnih ciklih delovanja.
Montaža opravi vse preizkuse usposobljenosti. Hi-pot: mimo. Vizualni pregled: čisto. Toplotni udar pri –40 stopinj do +85 stopinj, 50 ciklov: uspešno. Pošilja se. Štirinajst mesecev pozneje prispejo prvi podatki o - lasnih razpokah na vmesniku med zalivanjem-in-ohišjem, delaminacija na izhodnih točkah svinca, občasne odprtine na enotah, za katere je bilo ob odpremi izmerjeno, da so čiste. Inženirska ekipa zahteva prereze-. Razpoke so v epoksi polnilu, ne v komponentah. Razpored strjevanja v proizvodnem zapisu je pravilno naveden. Material se ni spremenil. Preiskava se zaključi kot "utrujenost materiala - znotraj spremenljivosti pričakovane življenjske dobe."
Ne gre za utrujenost materiala. To je zaostala napetost, nastavljena med strjevanjem, ki ni bila nikoli izmerjena in se ni nikoli pojavila v kvalifikacijskem zaporedju -, ker kvalifikacija ni vključevala toplotnih ciklov, ki so bili potrebni za njegovo sprostitev.Zakasnjeno razpokanje pri debelih-odsekih epoksidnih polnil je skoraj vedno napaka procesa strjevanja, ne napaka materiala. Razpoka nastane med strjevanjem. Pojavi se v polju.
Eksotermni mehanizem: Zakaj se debeli deli strdijo drugače kot tanki
Epoksi{0}}navzkrižno povezovanje je eksotermna reakcija. Ko se smola in trdilec združita in je zmes izpostavljena toploti, reakcija ustvari lastno toploto poleg absorbiranja toplote iz pečice. V tankem vzorcu - vrste, ki se uporablja za preskušanje materiala UL - se samo-ustvarjena toplota hitro razprši v atmosfero pečice zaradi velikega razmerja med površino-in-prostornino. Temperatura vzorca natančno sledi nastavljeni točki pečice skozi ves cikel strjevanja.
V debelem lončenem odseku - jedro transformatorja z 20 mm izlivom, močnostni modul s 25 mm globine polnjenja - je razmerje med površino-in-prostornino veliko nižje. Toplota iz eksotermne reakcije v jedru odseka ima dolgo difuzijsko pot do površine, okoliška smola, ki še ni popolnoma reagirala, pa deluje kot toplotna izolacija. Temperatura sredice je višja od nastavljene vrednosti pečice. Pri eno-stopenjskem strjevanju 20 mm odseka pri 120 stopinjah temperature jedra 140–165 stopinj niso neobičajne, tudi če je pečica nastavljena na 120 stopinj in površina dela meri 120 stopinj s površinskim termoelementom.
Ta prekoračitev je pomembna, ker se hitrost navzkrižnega-povezovanja močno poveča s temperaturo. Jedro odseka, ki teče 20–45 stopinj nad nastavljeno točko pečice, zaključi svojo primarno navzkrižno-vezo bistveno hitreje kot zunanji material. Omrežje navzkrižnih-povezav v jedru je dejansko "zamrznjeno" na svojem mestu, medtem ko zunanji sloji še vedno reagirajo. Ko se sklop po utrjevanju ohladi, se obe regiji termično skrčita -, vendar se skrčita iz različnih izhodišč in z različnimi stopnjami, ker je jedro že togo steklasto trdno telo, medtem ko zunanje plasti zaključujejo svojo mrežo.
Rezultat je zaklenjeno-napetostno stanje v popolnoma strjenem delu: preostala natezna napetost v zunanjem materialu in preostala tlačna napetost v jedru. To ni hipoteza - je dobro-okarakteriziran pojav pri obdelavi duroplastov z debelim-predelom, podoben preostali napetosti v hitro kaljenem steklu.
Slika 2.Pri eno-stopenjskem 120-stopinjskem utrjevanju 20-milimetrskega odseka temperatura sredice rutinsko preseže nastavljeno točko pečice za 20–45 stopinj med-eksotermno navzkrižno povezovanje. Dvo-stopenjski profil omejuje to prekoračitev tako, da sproži navzkrižno-povezovanje pri 80 stopinjah, preden se uporabi stopnja višje-temperature.
Zakaj sklop prestane začetno testiranje
Slika 3.Po enostopenjskem-visoko{1}}temperaturnem strjevanju je utrjeni odsek v zaklenjenem-napetostnem stanju: preostala napetost v zunanjih plasteh, preostala kompresija v jedru. To napetostno stanje prispeva k ciklični toplotni obremenitvi med obratovanjem in pospešuje nastanek razpok zaradi utrujenosti.
Preostala natezna napetost v zunanjem materialu za zalivanje po eno-stopenjskem utrjevanju-odsekov je običajno pod končno natezno trdnostjo epoksida pri sobni temperaturi. Popolnoma strjen del med strjevanjem ne poči - ali če že, so mikro-razpoke pod pragom zaznavnosti vizualnega pregleda. Hi-testiranje pri nazivni napetosti je uspešno, ker se efektivna dielektrična trdnost rahlo obremenjene matrice bistveno ne razlikuje od nenapete referenčne.
Težava se razkrije pri termičnem kroženju, mehanizem pa je preprost: vsak termični cikel od nizke temperature do visoke temperature ustvarja ciklično natezno in tlačno napetost v lončenem materialu, ki jo poganja neusklajenost CTE med epoksidom, vgrajenimi komponentami in ohišjem. Na mestih koncentracije napetosti - koti, robovi komponent, izhodne točke svinca in vmesnik-za-ohišje - je ciklična amplituda napetosti največja. Preostala natezna napetost zaradi strjevanja se neposredno doda ciklični natezni napetosti na teh mestih, ker sta obe natezni napetosti, ki delujeta v isti smeri med fazo segrevanja termičnega cikla.
Skupna amplituda napetosti - preostale napetosti strjevanja in ciklične toplotne napetosti - je lahko še vedno pod končno natezno trdnostjo epoksida v prvem ciklu. Prag nastanka razpok zaradi utrujenosti doseže po številnih ciklih, ki so odvisni od specifične velikosti preostale napetosti, neusklajenosti CTE, amplitude termičnega cikla in geometrije koncentratorja napetosti. Zato se okvara pojavi po 50–200 ciklih, ne pri začetnem testiranju. Ne gre za degradacijo materiala s časom - ampak za kopičenje napetosti do praga.
Zakaj je ta napaka sistematično napačno identificirana
Ko preiskava okvare na terenu odkrije razpoke v epoksidnem materialu za zalivanje, je pogostih več napačnih identifikacij:
"Utrujenost materiala"- epoksi je pokvaril zaradi utrujenosti, kar pomeni, da material ni bil ustrezen za uporabo. Dejanski mehanizem je kopičenje napetosti zaradi kombinacije preostale napetosti strjevanja in ciklične toplotne obremenitve. Prehod na drug epoksidni material brez spremembe postopka strjevanja bo ponovil napako, ker je mehanizem preostale napetosti odvisen od-procesa, ne pa od materiala-.
"Poškodbe zaradi toplotnega udara"- je bil sklop izpostavljen nenavadno močnemu toplotnemu dogodku. To včasih drži, vendar se vzorci razpok zaradi toplotnega šoka običajno začnejo na zunanji površini in širijo navznoter. Razpoke zaradi preostale napetosti se običajno začnejo na notranjih geometrijskih značilnostih (robovi sestavnih delov, izstopi vodil) in se širijo navzven. Lokacija izvora razpoke razlikuje oba mehanizma na-prerezu.
"Nezadosten oprijem v lončkih"- epoksi se ni dobro oprijel na podlago ali ohišje. Razslojevanje na vmesniku za-ohišja je lahko posledica neustrezne priprave površine, lahko pa je tudi posledica preostale natezne napetosti, ki presega trdnost medfazne vezi. Slednje ne zahteva napak pri pripravi površine - nastane na čistih, pravilno pripravljenih površinah, ko je zaostala napetost dovolj visoka.
"Kakovost komponent"- glavni del komponente ali prekinitev ni uspela. V primerih, ko se razpoka razširi na vmesnik komponente, se lahko pojav razpoke napačno opredeli kot okvara komponente. Analiza prečnega-prereza razlikuje med razpoko, ki se je začela na komponenti, in tisto, ki se je do nje razširila iz okoliškega epoksida.
Pri večini teh napačnih identifikacij se zapis postopka zdravljenja ne pregleda kot del preiskave napake. Razpored strjevanja, naveden v proizvodnem popotniku, se ujema s specifikacijo -, ker specifikacija navaja nastavljeno točko pečice in programirano trajanje, ne pa temperature, ki je dejansko dosežena v jedru lončenega dela. Mehanizem preostale napetosti je v proizvodnem zapisu neviden.
Dvo{0}}stopenjski profil utrjevanja: kako zmanjša preostali stres
Dvo{0}}stopenjski profil utrjevanja obravnava eksotermni mehanizem neposredno tako, da razdeli-reakcijo navzkrižnega povezovanja na dve nadzorovani stopnji:
1. stopnja pri 80 stopinjahsproži reakcijo-navzkrižnega povezovanja pri nižji temperaturi, kjer je hitrost reakcije počasnejša in je eksotermna proizvodnja toplote na časovno enoto manjša. Pri 80 stopinjah začne sistem graditi dovolj-navzkrižno gostoto povezav -, da prepreči hitro pospešitev hitrosti reakcije, do katere bi prišlo, če bi bil sistem takoj izpostavljen 120 stopinjam. Nižja začetna hitrost reakcije zmanjša samo-ekzotermijo, ki ohranja temperaturo sredice bližje nastavljeni točki pečice. Gostota navzkrižne-povezave se med 1. stopnjo razvija bolj enakomerno po globini preseka.
2. stopnja pri 120 stopinjahnato požene sistem v popolno ozdravitev. Ko se začne 2. stopnja, je mreža 1. stopnje že razvila dovolj togost, da omeji dodatno eksotermnost med 2. stopnjo. Preostalo navzkrižno -povezovanje se pojavi v omrežju, ki je delno omejeno s strukturo 1. stopnje, temperaturna razlika med jedrom in površino med 2. stopnjo pa je znatno zmanjšana v primerjavi z eno-stopenjsko 120-stopinjskim utrjevanjem.
Rezultat je strjen odsek z nižjo preostalo natezno napetostjo v zunanjem materialu. Sklop ima še vedno nekaj preostale napetosti - noben postopek zdravljenja je ne odpravi v celoti -, vendar je velikost dovolj zmanjšana, da skupna amplituda preostale napetosti in ciklične toplotne napetosti ostane pod pragom nastanka razpok zaradi utrujenosti za znatno daljšo življenjsko dobo.
To ni teoretični argument. Ugotovljeno je bilo empirično: sklopi, pri katerih je prišlo do zakasnjenega razpokanja z eno-stopenjsko 120-stopinjskim strjevanjem na istem materialu za zalivanje, so pokazali podaljšano življenjsko dobo po prehodu na dvo-stopenjski profil, brez spreminjanja materiala, geometrije ali katerega koli drugega parametra postopka. Urnik zdravljenja je spremenljivka.
Kritična vrzel v preverjanju kvalifikacij
Standardna kvalifikacijska preskusna zaporedja za lončene sklope običajno vključujejo omejeno število toplotnih ciklov - 50 do 100 ciklov je običajno v standardih IEC in UL za posebne kategorije opreme. Lončeni sestav z debelim-odsekom s preostalo napetostjo zaradi eno-stopenjskega strjevanja lahko prestane 50 ali celo 100 toplotnih ciklov, preden kumulativna napetost doseže prag za nastanek razpok. Ko pride do okvare pri 150–200 ciklih delovanja -, kar lahko ustreza 12–18 mesecih delovanja pri enem ali dveh termičnih ciklih na dan -, kvalifikacijsko zaporedje tega ni izpostavilo.
To je sistematična vrzel: kvalifikacija je bila pravilno izvedena, test uspešen, vendar način napake deluje na daljši lestvici cikla, kot ga zajema test. Zasnove, pri katerih postopek utrjevanja uvaja preostalo napetost, zahtevajo bodisi daljše zaporedje kvalifikacijskega termičnega cikla ali postopek utrjevanja, ki zmanjša preostalo napetost na raven, kjer standardno število kvalifikacijskih ciklov resnično napoveduje življenjsko dobo.
Dvo{0}}stopenjski profil utrjevanja zmanjša velikost preostale napetosti, kar zmanjša skupno amplitudo napetosti na cikel. To skupaj z enakim številom toplotnih ciklov v kvalifikacijskem zaporedju zagotavlja pristno zagotovilo in ne zagotovilo, ki je omejeno z nezmožnostjo preskusa, da razkrije način okvare.
Prepoznavanje, ali je trenutni dizajn ogrožen
Naslednji konstrukcijski in procesni pogoji kažejo na povečano tveganje preostale napetosti pri debelih-reznih epoksidnih polnilih:
Globina lončenega dela presega 10 mm v kateri koli dimenziji.
Trenutni urnik strjevanja je eno-stopenjski pri 100 stopinjah ali več.
Termočleni ne spremljajo temperature sredice med strjevanjem - beleži se le temperatura površine ali zraka v pečici.
Zgodovina napak kaže razpoke, ki se pojavijo po večkratnih termičnih ciklih med delovanjem, pri čemer so sklopi prestali začetni pregled.
Lokacije izvora razpok na prečnem-prerezu so na robovih sestavnih delov, izhodih vodil ali notranjih geometrijskih elementih - ne na zunanji površini.
Število kvalifikacijskih termičnih ciklov je bilo 50 ali manj, življenjska doba pa naj bi vključevala 200 ali več termičnih ciklov.
Praktičen korak preverjanja je izdelava preskusnih vzorcev pri dejanski debelini proizvodnega odseka in razpored strjevanja, vdelava termoelementa v sredino odseka in beleženje dejanskega temperaturnega profila jedra med strjevanjem. Če temperatura jedra znatno preseže nastavljeno točko pečice med fazo navzkrižnega-povezovanja, je eksotermni mehanizem aktiven in nastane zaostala napetost.
HDT, Tg in RTI: Toplotne lastnosti, ki določajo delovno ovojnico
Dvo{0}}stopenjski profil strjevanja, pravilno izveden, proizvede strjen material s polnimi ocenjenimi toplotnimi lastnostmi: Tg 117,8 stopinj po TMA (ASTM E831), HDT 130 stopinj, RTI 130 stopinj pod UL datoteko E120665. Te vrednosti določajo delovno ovojnico za utrjeni sklop:
Tg 117,8 stopinj- temperatura posteklenitve, izmerjena s termomehansko analizo; uporabite to za proračunske izračune CTE in analizo dimenzijske stabilnosti. Nad Tg se CTE poveča s 49,772 ppm/stopino (1, pod Tg) na 148,482 ppm/stopino (2, nad Tg) - približno 3-kratno povečanje.
HDT 130 stopinj- temperatura, pri kateri se strjeni material upogiba pod standardno obremenitvijo 1,8 MPa; uporabite to za prenašanje-mehanskih obremenitev pri povišani temperaturi.
RTI 130 stopinj- Ocena UL za stalno ohranjanje električnih in mehanskih lastnosti; modeli, ki zahtevajo neprekinjeno delovanje nad 90 stopinj, ki so zunaj ocene E532/H532 (RTI 90 stopinj), so znotraj ocene E536/H536.
Te vrednosti termičnih lastnosti so dosežene samo, ko je dvo{0}}stopenjsko strjevanje pravilno zaključeno. Sklop, ki je prejel samo stopnjo 1 - ali stopnjo 1 pri nezadostni temperaturi -, bo imel Tg in HDT pod temi vrednostmi. Vzorci opazovalcev, utrjeni skupaj s proizvodnimi serijami in testirani na HDT, zagotavljajo praktično preverjanje postopka: izmerjena HDT bistveno pod 130 stopinj kaže na nepopolno utrjevanje stopnje 2.
Sorodni izdelek za zalivanje debelih-rezov z nadzorom stresa pri strjevanju
E536/H536 je dvo-komponentna, UL 94 V-0 ognjevarna-epoksidna zmes za zalivanje, zasnovana posebej za aplikacije z debelimi-prerezi, kjer je glavni mehanizem okvare napetost pri strjevanju. Njegov profil dvostopenjskega strjevanja (80 stopinj × 2 uri + 120 stopinj × 4 ure) omejuje eksotermnost sredice med 1. stopnjo in dosega popoln razvoj lastnosti v 2. stopnji. RTI 130 stopinj, HDT 130 stopinj, Shore D 89 in najmanjša UL certificirana debelina 1,58–1,74 mm (črna barva) pod datoteko UL E120665.
Ni primeren za aplikacije, ki zahtevajo toplotno prevodnost nad 0,5 W/m·K (za to uporabite E533/H533) ali za proizvodna okolja pri sobni-temperaturi (za to uporabite E532/H532). Dvo{7}}stopenjski profil strjevanja zahteva zmogljivost pečice pri 80 stopinjah in 120 stopinjah z nadzorovanim časom rampe in zadrževanja.
👉 🔗 Stran izdelka E536/H536 - Tehnični podatki, poročilo o preskusu TMA, opombe o uporabi
Ključna inženirska vprašanja
Kako naj vem, ali ima moj trenutni sklop preostale napetosti zaradi procesa strjevanja?
Neposredna metoda je vdelava termoelementa v sredino lončenega odseka in beleženje temperature jedra med strjevanjem. Če temperatura sredice preseže nastavljeno točko pečice za več kot 10–15 stopinj med fazo navzkrižnega-povezovanja, se ustvari zaostala napetost. Posredna metoda je izvedba pospešenega toplotnega cikla do števila ciklov, ki je znatno višje od kvalifikacijskega zaporedja (npr. 500 ciklov) in pregledovanje mest začetka razpok. Razpoke, ki se začnejo na notranjih geometrijskih elementih in ne na zunanji površini, so skladne s preostalo napetostjo kot gonilo.
Če preklopim z eno-stopenjskega na dvo-stopenjski razpored strjevanja na svojem obstoječem sklopu, ali se moram ponovno kvalificirati?
V večini primerov, vsaj da -, se mora sprememba postopka utrjevanja odražati v specifikaciji proizvodnega procesa in potrditi na preskusnih vzorcih, da se potrdi, da lastnosti utrjevanja izpolnjujejo zahteve za načrtovanje. Za sestave, ki so del končnega izdelka s seznama UL-, lahko sprememba razporeda strjevanja zmesi za lončenje sproži obvestilo ali zahtevo po ponovni-ocenjevanju pri organu za seznam. To je treba potrditi pred izvedbo spremembe postopka. Validacija mora vključevati termično cikliranje do števila ciklov, ki zadostuje za potrditev, da se način okvare, ki se je pojavil na prejšnjem razporedu strjevanja, ne pojavi na novem.
Ali je mogoče preostalo napetost izmeriti ne{0}}destruktivno na končnih sklopih?
Ne-destruktivno merjenje preostale napetosti v epoksidu je tehnično možno z uporabo tehnik, kot sta fotoelastičnost ali mikro-ramanska spektroskopija, vendar to niso rutinska proizvodna orodja. Destruktivna{3}}analiza preseka, ki ji sledi mikroskopski pregled razpok, je bolj praktična za preverjanje proizvodnje. Najbolj dostopno orodje za preverjanje proizvodnje je opazovani vzorec: strjen vzorec, proizveden sočasno z vsako proizvodno serijo, shranjen in občasno preizkušen s termičnim ciklom in-pregledom prereza. Odstopanje v opazovalnem vzorcu napoveduje, vendar ne zagotavlja, kaj je prisotno v proizvodni seriji.
Naslednji koraki - Obrnite se na Fong Yong Chemical
