Rysunek 1.Opóźnione pękanie w zalewie epoksydowej zwykle inicjuje się na krawędziach komponentów, a ołów wychodzi -, a nie na powierzchni zewnętrznej. Zestaw przechodzi wszystkie wstępne testy; awaria pojawia się po 50–200 cyklach termicznych pracy.
Montaż przechodzi wszystkie badania kwalifikacyjne. Hi-pot: pass. Kontrola wzrokowa: czysta. Szok termiczny w temperaturze –40 stopni do +85 stopni, 50 cykli: pozytywny. Wysyła. Czternaście miesięcy później na polach pojawiają się pierwsze zwroty: - włoskowate pęknięcia na styku zalewania-z-obudową, rozwarstwienie w punktach wyjścia przewodów, sporadyczne otwarcia w jednostkach, które w momencie dostawy były czyste. Zespół inżynierów prosi o-przekroje. Pęknięcia występują w zalewie epoksydowej, a nie w komponentach. Harmonogram utwardzania w rejestrze produkcji jest wymieniony prawidłowo. Materiał się nie zmienił. Dochodzenie kończy się stwierdzeniem „zmęczenia materiału - w zakresie oczekiwanej zmienności okresu użytkowania”.
To nie jest zmęczenie materiału. Jest to naprężenie szczątkowe utworzone podczas utwardzania, które nigdy nie zostało zmierzone i nigdy nie pojawiło się w sekwencji kwalifikacyjnej -, ponieważ kwalifikacja nie obejmowała cykli termicznych niezbędnych do jego uwolnienia.Opóźnione pękanie w grubych-zalewach epoksydowych jest prawie zawsze wadą procesu utwardzania, a nie wadą materiałową. Pęknięcie powstaje podczas utwardzania. Pojawia się w polu.
Mechanizm egzotermiczny: dlaczego grube skrawki utwardzają się inaczej niż cienkie
Sieciowanie epoksydowe-jest reakcją egzotermiczną. Kiedy żywica i utwardzacz łączą się, a mieszanina jest wystawiona na działanie ciepła, w wyniku reakcji oprócz pochłaniania ciepła z pieca wytwarza się własne ciepło. W cienkiej próbce - typu stosowanego do badania materiałów UL - samo-wytworzone ciepło szybko rozprasza się do atmosfery pieca poprzez duży stosunek powierzchni-do-objętości. Temperatura próbki ściśle odpowiada nastawie pieca w całym cyklu utwardzania.
W grubej obudowie - rdzeń transformatora z zalewem o grubości 20 mm, moduł mocy o głębokości wypełnienia 25 mm - stosunek powierzchni-do-objętości jest znacznie niższy. Ciepło pochodzące z reakcji egzotermicznej w rdzeniu sekcji ma długą drogę dyfuzji do powierzchni, a otaczająca żywica, która nie przereagowała jeszcze w pełni, działa jako izolacja termiczna. Temperatura rdzenia przekracza nastawę piekarnika. Podczas jednoetapowego-utwardzania odcinka o grubości 20 mm w temperaturze 120 stopni temperatury rdzenia wynoszące 140–165 stopni nie są niczym niezwykłym, nawet jeśli piekarnik jest ustawiony na 120 stopni, a powierzchnia części mierzy 120 stopni za pomocą termopary powierzchniowej.
To przeregulowanie ma znaczenie, ponieważ szybkość sieciowania- gwałtownie wzrasta wraz z temperaturą. Rdzeń sekcji, położony 20–45 stopni powyżej wartości zadanej pieca, kończy swoje pierwotne-połączenie krzyżowe znacznie szybciej niż materiał zewnętrzny. Sieć-połączeń krzyżowych w rdzeniu jest skutecznie „zamrażana” na swoim miejscu, podczas gdy warstwy zewnętrzne wciąż reagują. Kiedy zespół ochładza się po utwardzeniu, oba obszary kurczą się termicznie -, ale kurczą się w różnych punktach początkowych i z różną szybkością, ponieważ rdzeń jest już sztywnym, szklistym ciałem stałym, podczas gdy warstwy zewnętrzne kończą tworzenie sieci.
Rezultatem jest zablokowany-stan naprężenia w całkowicie utwardzonej części: szczątkowe naprężenia rozciągające w materiale zewnętrznym i szczątkowe naprężenia ściskające w rdzeniu. To nie jest hipoteza, - jest to dobrze-scharakteryzowane zjawisko występujące w-obróbce termoutwardzalnej grubościennej, analogiczne do naprężeń szczątkowych w szybko hartowanym szkle.
Rysunek 2.W jednoetapowym-utwardzaniu w temperaturze 120 stopni odcinka o grubości 20 mm temperatura rdzenia zwykle przekracza nastawę pieca o 20–45 stopni podczas-egzotermicznej reakcji sieciowania. Dwustopniowy profil ogranicza to przekroczenie, inicjując wiązanie krzyżowe-w temperaturze 80 stopni przed zastosowaniem etapu o wyższej-temperaturze.
Dlaczego zespół przechodzi wstępne testy
Rysunek 3.Po jednoetapowym-utwardzaniu-w wysokiej temperaturze utwardzony odcinek znajduje się w stanie zablokowania-naprężenia: szczątkowe napięcie w warstwach zewnętrznych, resztkowe ściskanie w rdzeniu. Ten stan naprężenia zwiększa cykliczne naprężenie termiczne podczas pracy, przyspieszając inicjację pęknięć zmęczeniowych.
Resztkowe naprężenie rozciągające w zewnętrznym materiale zalewowym po jednoetapowym utwardzaniu-grubościowo-sekcji jest zazwyczaj niższe od ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie żywicy epoksydowej w temperaturze pokojowej. Całkowicie utwardzona część nie pęka podczas utwardzania - lub jeśli tak się stanie, mikro-pęknięcia są poniżej progu wykrywalności kontroli wzrokowej. Testy Hi-pot przy napięciu znamionowym przebiegają pomyślnie, ponieważ efektywna wytrzymałość dielektryczna lekko obciążonej matrycy nie różni się znacząco od nienaprężonej matrycy odniesienia.
Problem ujawnia się podczas cykli termicznych, a mechanizm jest prosty: każdy cykl termiczny od niskiej do wysokiej temperatury generuje cykliczne naprężenia rozciągające i ściskające w materiale zalewowym, spowodowane niedopasowaniem współczynnika CTE pomiędzy żywicą epoksydową, osadzonymi komponentami i obudową. W miejscach koncentracji naprężeń - narożnikach, krawędziach komponentów, punktach wyjścia przewodów i na styku zalewania-z-obudową - cykliczna amplituda naprężeń jest najwyższa. Resztkowe naprężenie rozciągające powstałe w wyniku utwardzania dodaje się bezpośrednio do cyklicznego naprężenia rozciągającego w tych miejscach, ponieważ oba są naprężeniami rozciągającymi, które działają w tym samym kierunku podczas fazy nagrzewania cyklu termicznego.
Łączna amplituda naprężenia - resztkowego naprężenia utwardzania i cyklicznego naprężenia termicznego - może w dalszym ciągu być niższa od ostatecznej wytrzymałości żywicy epoksydowej na rozciąganie w pierwszym cyklu. Osiąga próg inicjacji pęknięcia zmęczeniowego po liczbie cykli, która zależy od określonej wielkości naprężenia szczątkowego, niedopasowania WRC, amplitudy cyklu termicznego i geometrii koncentratora naprężeń. Dlatego awaria pojawia się po 50–200 cyklach, a nie przy wstępnym testowaniu. Nie jest to degradacja materiału w czasie -, to akumulacja naprężeń do wartości progowej.
Dlaczego ta awaria jest systematycznie błędnie identyfikowana
Kiedy badanie usterek w terenie wykryje pęknięcia w epoksydowym materiale doniczkowym, często zdarza się kilka błędnych identyfikacji:
„Zmęczenie materiału”- żywica epoksydowa uległa zmęczeniu, co oznacza, że materiał był nieodpowiedni do danego zastosowania. Rzeczywisty mechanizm polega na akumulacji naprężeń w wyniku połączenia resztkowego naprężenia utwardzania i cyklicznego naprężenia termicznego. Zmiana na inny materiał epoksydowy bez zmiany procesu utwardzania spowoduje powtórzenie awarii, ponieważ mechanizm naprężeń szczątkowych jest zależny od-procesu, a nie materiału-.
„Uszkodzenia spowodowane szokiem termicznym”- zespół został narażony na niezwykle poważne zdarzenie termiczne. Czasami jest to prawdą, ale pęknięcia powstałe w wyniku szoku termicznego zwykle rozpoczynają się na powierzchni zewnętrznej i rozprzestrzeniają się do wewnątrz. Pęknięcia naprężeniowe szczątkowe zwykle inicjują się w elementach geometrii wewnętrznej (krawędzie elementu, wyjścia przewodów) i rozprzestrzeniają się na zewnątrz. Lokalizacja początku pęknięcia pozwala na rozróżnienie obu mechanizmów-w przekroju poprzecznym.
„Niewystarczająca przyczepność do zalewania”- żywica epoksydowa nie związała się dobrze z podłożem lub obudową. Rozwarstwienie na styku-obudowy zalewowej może wynikać z nieodpowiedniego przygotowania powierzchni, ale może również wynikać z resztkowych naprężeń rozciągających przekraczających wytrzymałość wiązania międzyfazowego. To drugie nie wymaga żadnego przygotowania powierzchni. - występuje na czystych, prawidłowo przygotowanych powierzchniach, gdy naprężenia szczątkowe są wystarczająco wysokie.
„Jakość komponentów”- awaria przewodu lub zakończenia komponentu. W przypadkach, gdy pęknięcie rozprzestrzenia się na interfejs komponentu, pojawienie się pęknięcia może zostać błędnie zidentyfikowane jako awaria komponentu. Analiza-przekroju poprzecznego pozwala rozróżnić pęknięcie, które rozpoczęło się w elemencie, oraz pęknięcie, które rozprzestrzeniło się do niego z otaczającej żywicy epoksydowej.
W przypadku większości tych błędnych identyfikacji zapis procesu naprawy nie jest sprawdzany w ramach dochodzenia w sprawie awarii. Harmonogram utwardzania podany w dokumencie produkcyjnym jest zgodny ze specyfikacją -, ponieważ specyfikacja podaje nastawę pieca i zaprogramowany czas trwania, a nie faktycznie osiągniętą temperaturę w rdzeniu sekcji z doniczką. Mechanizm naprężeń szczątkowych jest niewidoczny w protokole produkcji.
Dwuetapowy profil leczenia: jak zmniejsza stres szczątkowy
Dwuetapowy profil utwardzania odnosi się bezpośrednio do mechanizmu egzotermicznego, dzieląc reakcję-sieciowania na dwa kontrolowane etapy:
Etap 1 przy 80 stopniachinicjuje reakcję sieciowania-w niższej temperaturze, gdzie szybkość reakcji jest mniejsza, a egzotermiczne wytwarzanie ciepła w jednostce czasu jest mniejsze. Przy 80 stopniach system zaczyna budować-gęstość połączeń krzyżowych- wystarczającą, aby zapobiec gwałtownemu przyspieszeniu szybkości reakcji, które miałoby miejsce, gdyby system został natychmiast wystawiony na działanie 120 stopni. Niższa początkowa szybkość reakcji zmniejsza-samoistnie wytwarzaną energię egzotermiczną, utrzymując temperaturę rdzenia bliżej wartości zadanej piekarnika. Na etapie 1 gęstość-połączeń krzyżowych rozwija się bardziej równomiernie na głębokości przekroju.
Etap 2 przy 120 stopniachnastępnie doprowadza system do pełnego utwardzenia. Do czasu rozpoczęcia Etapu 2 sieć Etapu 1 osiągnęła już wystarczającą sztywność, aby ograniczyć dodatkową egzotermę podczas Etapu 2. Pozostałe-powiązania krzyżowe zachodzą w sieci, która jest częściowo ograniczona przez strukturę Etapu 1, a różnica temperatur między rdzeniem a powierzchnią podczas Etapu 2 jest znacznie zmniejszona w porównaniu z jednoetapowym utwardzaniem w temperaturze 120 stopni.
Rezultatem jest utwardzony odcinek o niższych naprężeniach rozciągających w materiale zewnętrznym. W zespole nadal występują pewne naprężenia szczątkowe - żaden proces utwardzania nie eliminuje ich całkowicie -, ale ich wielkość jest na tyle zmniejszona, że łączna amplituda naprężeń szczątkowych i cyklicznych naprężeń termicznych pozostaje poniżej progu inicjacji pęknięcia zmęczeniowego, co zapewnia znacznie dłuższą żywotność.
To nie jest argument teoretyczny. Zaobserwowano to empirycznie: zespoły, w których doszło do opóźnionego pękania w wyniku jedno-jednoetapowego utwardzania w temperaturze 120 stopni na tym samym materiale zalewowym, wykazały dłuższą żywotność po przejściu na profil dwu-stopniowy, bez zmiany materiału, geometrii ani jakichkolwiek innych parametrów procesu. Schemat leczenia jest zmienną.
Krytyczna luka w testach kwalifikacyjnych
Standardowe sekwencje testów kwalifikacyjnych dla zespołów zalanych zazwyczaj obejmują ograniczoną liczbę cykli termicznych - 50 do 100 cykli, co jest powszechne w normach IEC i UL dla określonych kategorii sprzętu. Zespół zalewany o grubym przekroju-poddawany naprężeniom resztkowym po-jednoetapowym utwardzaniu może przejść 50 lub nawet 100 cykli termicznych, zanim skumulowane naprężenia osiągną próg inicjacji pęknięcia. Gdy awaria wystąpi po 150–200 cyklach pracy -, co może odpowiadać 12–18 miesiącom pracy przy jednym lub dwóch cyklach termicznych dziennie -, sekwencja kwalifikacyjna nie ujawniła jej.
Jest to luka systematyczna: kwalifikacja została przeprowadzona prawidłowo, test zaliczony, ale tryb awaryjny działa w dłuższej skali cykli niż obejmuje test. Projekty, w których proces utwardzania wprowadza naprężenia szczątkowe, wymagają albo dłuższej sekwencji cykli kwalifikacyjnych, albo procesu utwardzania, który zmniejsza naprężenia szczątkowe do poziomu, przy którym standardowa liczba cykli kwalifikacyjnych faktycznie pozwala przewidzieć żywotność.
Dwuetapowy profil utwardzania zmniejsza wielkość naprężenia szczątkowego, co z kolei zmniejsza całkowitą amplitudę naprężenia na cykl. To, w połączeniu z tą samą liczbą cykli termicznych w sekwencji kwalifikacyjnej, zapewnia rzeczywistą pewność, a nie pewność, która jest ograniczona przez niezdolność testu do ujawnienia trybu awaryjnego.
Identyfikacja, czy bieżący projekt jest zagrożony
Poniższe warunki projektu i procesu wskazują na podwyższone ryzyko naprężeń szczątkowych w grubowarstwowych zalewaniach epoksydowych-:
Głębokość sekcji zalewania przekracza 10 mm w dowolnym wymiarze.
Obecny harmonogram leczenia jest jednoetapowy-w temperaturze 100 stopni lub wyższej.
Nie ma termopary monitorującej temperaturę rdzenia podczas utwardzania. Rejestrowana jest tylko temperatura powierzchni lub powietrza w piecu.
Historia awarii pokazuje pęknięcia pojawiające się po wielu cyklach termicznych w eksploatacji, a zespoły przeszły wstępną kontrolę.
Miejsca pochodzenia pęknięć w-przekroju poprzecznym znajdują się na krawędziach komponentów, wyjściach przewodów lub elementach geometrii wewnętrznej -, a nie na powierzchni zewnętrznej.
Kwalifikacyjna liczba cykli termicznych wynosiła 50 lub mniej, a oczekuje się, że żywotność będzie obejmować 200 lub więcej cykli termicznych.
Praktycznym krokiem weryfikacji jest wytworzenie próbek testowych o rzeczywistej grubości przekroju produkcyjnego i harmonogramie utwardzania, osadzenie termopary w środku przekroju i zarejestrowanie rzeczywistego profilu temperatury rdzenia podczas utwardzania. Jeśli temperatura rdzenia znacznie przekracza nastawę pieca podczas-fazy sieciowania, mechanizm egzotermiczny jest aktywny i generowane są naprężenia szczątkowe.
HDT, Tg i RTI: Właściwości termiczne definiujące kopertę roboczą
Prawidłowo wykonany dwuetapowy profil utwardzania daje utwardzony materiał o pełnych znamionowych właściwościach termicznych: Tg 117,8 stopnia według TMA (ASTM E831), HDT 130 stopni, RTI 130 stopni zgodnie z plikiem UL E120665. Wartości te definiują zakres działania utwardzonego zespołu:
Tg 117,8 stopnia- temperatura zeszklenia mierzona metodą analizy termomechanicznej; użyj tego do obliczeń budżetu CTE i analizy stabilności wymiarowej. Powyżej Tg, CTE wzrasta z 49,772 ppm/stopień (1, poniżej Tg) do 148,482 ppm/stopień (2, powyżej Tg) - około 3-krotny wzrost.
HDT 130 stopni- temperatura, w której utwardzony materiał ugina się pod standardowym obciążeniem 1,8 MPa; użyj tego do mechanicznego obciążania-w podwyższonej temperaturze.
RTI 130 stopni- Ocena UL dotycząca ciągłego zachowania właściwości elektrycznych i mechanicznych; projekty wymagające ciągłej pracy powyżej 90 stopni, które nie mieszczą się w normie E532/H532 (RTI 90 stopni), mieszczą się w klasie E536/H536.
Te wartości właściwości termicznych można osiągnąć dopiero po prawidłowym zakończeniu dwuetapowego utwardzania. Zespół, który przeszedł tylko etap 1 - lub etap 1 w niewystarczającej temperaturze - będzie miał Tg i HDT poniżej tych wartości. Próbki świadków utwardzane razem z partiami produkcyjnymi i testowane pod kątem HDT zapewniają praktyczną weryfikację procesu: zmierzona HDT znacznie poniżej 130 stopni wskazuje na niepełne utwardzenie w Etapie 2.
Powiązany produkt do zalewania-grubymi przekrojami z kontrolą naprężenia utwardzania
E536/H536 to dwuskładnikowa,-ognioodporna-0 ognioodporna epoksydowa masa zalewowa UL 94 V-0, zaprojektowana specjalnie do zastosowań-grubych, gdzie głównym mechanizmem uszkodzenia jest naprężenie utwardzania. Jego dwustopniowy profil utwardzania (80 stopni × 2 godz. + 120 stopni × 4 godz.) ogranicza egzotermię rdzenia podczas Etapu 1 i osiąga pełne rozwinięcie właściwości w Etapie 2. RTI 130 stopni, HDT 130 stopni, Shore D 89 i minimalna certyfikowana grubość UL wynosząca 1,58–1,74 mm (kolor czarny) zgodnie z plikiem UL E120665.
Nie nadaje się do zastosowań wymagających przewodności cieplnej powyżej 0,5 W/m·K (użyj w tym celu E533/H533) ani do środowisk produkcyjnych utwardzanych w temperaturze pokojowej (użyj w tym celu E532/H532). Dwu-profil utwardzania wymaga pracy piekarnika w temperaturze 80 i 120 stopni z kontrolowanymi czasami narastania i przetrzymywania.
→ 🔗Strona produktu E536/H536 - Dane techniczne, raport z testu TMA, uwagi dotyczące aplikacji
Kluczowe pytania inżynieryjne
Skąd mam wiedzieć, czy w moim obecnym zespole występują naprężenia resztkowe powstałe w procesie utwardzania?
Metoda bezpośrednia polega na osadzeniu termopary w środku sekcji zalewania i zarejestrowaniu temperatury rdzenia podczas utwardzania. Jeśli temperatura rdzenia przekroczy nastawę pieca o więcej niż 10–15 stopni w fazie-sieciowania, powstają naprężenia szczątkowe. Metoda pośrednia polega na wykonaniu przyspieszonych cykli termicznych do liczby cykli znacznie większej niż sekwencja kwalifikacyjna (np. 500 cykli) i sprawdzeniu miejsc inicjacji pęknięć. Pęknięcia, które rozpoczynają się na elementach geometrii wewnętrznej, a nie na powierzchni zewnętrznej, są zgodne z naprężeniami szczątkowymi jako czynnikiem napędowym.
Czy w przypadku przejścia z harmonogramu utwardzania-jednoetapowego na dwuetapowy-na moim istniejącym zespole muszę się ponownie zakwalifikować?
W większości przypadków co najmniej tak -, zmiana procesu utwardzania powinna zostać odzwierciedlona w specyfikacji procesu produkcyjnego i sprawdzona na próbkach testowych, aby potwierdzić, że właściwości utwardzonego spełniają wymagania projektowe. W przypadku zespołów stanowiących część produktu końcowego umieszczonego na liście UL-zmiana w harmonogramie utwardzania środkiem do zalewania może spowodować konieczność powiadomienia lub ponownej-wymogu ponownej oceny przez organ umieszczający na liście. Należy to potwierdzić przed wdrożeniem zmiany procesu. Walidacja powinna obejmować cykle termiczne do liczby cykli wystarczającej do potwierdzenia, że tryb awarii, który pojawił się w poprzednim harmonogramie utwardzania, nie pojawia się w nowym.
Czy naprężenia szczątkowe można mierzyć w sposób nieniszczący-na gotowych zespołach?
Nieniszczący pomiar naprężeń szczątkowych w żywicy epoksydowej jest technicznie możliwy przy użyciu technik takich jak fotoelastyczność lub mikro-spektroskopia Ramana, ale nie są to rutynowe narzędzia produkcyjne. Analiza niszczącego-przekroju poprzecznego, po której następuje mikroskopowa kontrola pęknięć, jest bardziej praktyczna w przypadku weryfikacji produkcji. Najbardziej dostępnym narzędziem weryfikacji produkcji jest próbka-świadek: utwardzona próbka produkowana jednocześnie z każdą partią produkcyjną, przechowywana i okresowo testowana za pomocą cykli termicznych i kontroli-przekroju poprzecznego. Odchylenie w egzemplarzu będącym świadkiem pozwala przewidzieć, ale nie gwarantuje, zawartość partii produkcyjnej.
Dalsze kroki - Skontaktuj się z firmą Fong Yong Chemical
