איור 1.פיצוח מושהה בעציץ אפוקסי מתחיל בדרך כלל בקצוות הרכיבים וביציאות העופרת - ולא במשטח החיצוני. ההרכבה עוברת את כל הבדיקות הראשוניות; הכשל מופיע לאחר 50-200 מחזורים תרמיים בשירות.
ההרכבה עוברת את כל מבחני ההסמכה. היי-סיר: לעבור. בדיקה חזותית: נקי. הלם תרמי ב-40 מעלות עד +85 מעלות , 50 מחזורים: לעבור. זה שולח. 14 חודשים לאחר מכן, ההחזרות הראשונות של השדה מגיעות - סדקי קו שיער בממשק העציץ-ל-דיור, דה למינציה בנקודות היציאה של העופרת, פתיחה לסירוגין ביחידות שנמדדו נקיות בעת המשלוח. צוות ההנדסה מבקש -חתכים. הסדקים נמצאים בעציץ האפוקסי, לא ברכיבים. לוח הזמנים לריפוי ברשומת הייצור רשום כהלכה. החומר לא השתנה. החקירה נסגרת כ"עייפות חומר - בתוך משתנה חיי השירות הצפוי."
זה לא עייפות חומר. זהו מתח שיורי, שנקבע במהלך הריפוי, שמעולם לא נמדד ומעולם לא הופיע ברצף ההסמכה - מכיוון שההסמכה לא כללה את המחזורים התרמיים הדרושים כדי לשחרר אותו.פיצוח מושהה בחתך אפוקסי-עבה הוא כמעט תמיד פגם בתהליך ריפוי, לא פגם מהותי. הסדק נוצר במהלך הריפוי. זה מופיע בשטח.
מנגנון האקסותרמי: מדוע חלקים עבים מתרפאים באופן שונה מחלקים דקים
קישור צולב-אפוקסי הוא תגובה אקזותרמית. כאשר שרף ומקשה מתאחדים והתערובת נחשפת לחום, התגובה יוצרת חום משלה בנוסף לקליטת החום מהתנור. בדגימה דקה - הסוג המשמש לבדיקת חומרי UL - החום שנוצר בעצמו- מתפזר במהירות לאווירת התנור דרך יחס הנפח הגדול-ל-. טמפרטורת הדגימה עוקבת מקרוב אחר נקודת ההגדרה של התנור לאורך כל מחזור הריפוי.
בקטע עציץ עבה - ליבת שנאי עם יציקה של 20 מ"מ, מודול כוח עם עומק מילוי של 25 מ"מ - יחס המשטח-ל-נפח נמוך בהרבה. לחום מהתגובה האקזותרמית בליבת הקטע יש נתיב דיפוזיה ארוך אל פני השטח, והשרף שמסביב שעדיין לא הגיב במלואו משמש כבידוד תרמי. טמפרטורת הליבה עולה על נקודת ההגדרה של התנור. ב-שלב יחיד של ריפוי של 120 מעלות של חתך של 20 מ"מ, טמפרטורות ליבה של 140-165 מעלות אינן יוצאות דופן, גם כאשר התנור מוגדר ל-120 מעלות ומשטח החלק בגודל 120 מעלות עם צמד תרמי משטח.
חריגה זו חשובה מכיוון שקצב ההצלבה-גדל בחדות עם הטמפרטורה. הליבה של הקטע, הפועלת ב-20-45 מעלות מעל נקודת ההגדרה של התנור, משלימה את הקישור הצול- הראשי שלו מהר יותר באופן משמעותי מהחומר החיצוני. רשת הקישורים הצולבים- בליבה למעשה "מוקפאת" למקומה בזמן שהשכבות החיצוניות עדיין מגיבות. כאשר המכלול מתקרר לאחר הריפוי, שני האזורים מתכווצים תרמית - אך הם מתכווצים מנקודות התחלה שונות ובקצבים שונים, מכיוון שהליבה היא כבר מוצק זכוכית קשיח בזמן שהשכבות החיצוניות משלימות את היווצרות הרשת שלהן.
התוצאה היא מצב נעול-במצב מתח בחלק המתרפא במלואו: מתח מתיחה שיורי בחומר החיצוני ולחץ לחיצה שיורי בליבה. זו לא השערה - זו תופעה-מאופיינת היטב בעיבוד תרמוסטת-מקטע עבה, בדומה למתח השיורי בזכוכית המרווה במהירות.
איור 2.ב-שלב יחיד של ריפוי של 120 מעלות של קטע של 20 מ"מ, טמפרטורת הליבה עולה באופן שגרתי על נקודת ההגדרה של התנור ב-20-45 מעלות במהלך האקסותרמיה הצולבת-. פרופיל דו-השלבים מגביל את חריגה זו על ידי התחלת-קישור צולב ב-80 מעלות לפני החלת שלב הטמפרטורה-הגבוה יותר.
מדוע האסיפה עוברת בדיקה ראשונית
איור 3.לאחר ריפוי-בשלב אחד בטמפרטורה גבוהה-, החלק המתרפא נושא במצב מאמץ נעול-: מתח שיורי בשכבות החיצוניות, שארית דחיסה בליבה. מצב מתח זה מוסיף למתח התרמי המחזורי בשירות, ומאיץ את התחלת סדקי העייפות.
מתח המתיחה השיורי בחומר העציץ החיצוני מ-שלב אחד עבה-חתך הוא בדרך כלל מתחת לחוזק המתיחה הסופי של האפוקסי בטמפרטורת החדר. החלק המתרפא במלואו אינו נסדק במהלך הריפוי - או אם כן, הסדקים המיקרו- נמצאים מתחת לסף הזיהוי של בדיקה חזותית. Hi-בדיקת סיר במתח המדורג עוברת מכיוון שהחוזק הדיאלקטרי האפקטיבי של המטריצה הלחוצה מעט אינו שונה באופן משמעותי מההתייחסות הבלתי מודגשת.
הבעיה מתגלה במחזוריות תרמית, והמנגנון פשוט: כל מחזור תרמי מטמפרטורה נמוכה לטמפרטורה גבוהה מייצר מתח מחזורי ולחץ לחיצה בחומר העציץ, המונע על ידי חוסר ההתאמה של ה-CTE בין האפוקסי, הרכיבים המוטבעים והמארז. באתרי ריכוז המתח - פינות, קצוות של רכיבים, נקודות יציאה של עופרת, ובממשק העצירה-ל-בית - משרעת המתח המחזורית היא הגבוהה ביותר. מתח המתיחה השיורי מהריפוי מוסיף ישירות למתח המתיחה המחזורי במקומות אלה, מכיוון ששניהם מתחי מתיחה הפועלים באותו כיוון במהלך שלב החימום של המחזור התרמי.
משרעת המתח המשולבת - מתח הריפוי השיורי פלוס מתח תרמי מחזורי - עדיין עשויה להיות מתחת לחוזק המתיחה האולטימטיבי של האפוקסי במחזור הראשון. הוא מגיע לסף התחלת סדק העייפות לאחר מספר מחזורים התלוי בגודל המתח השיורי הספציפי, אי-ההתאמה של ה-CTE, משרעת המחזור התרמי והגיאומטריה של רכז המתח. זו הסיבה שהכשל מופיע לאחר 50-200 מחזורים, לא בבדיקה ראשונית. זה לא השפלה מהותית לאורך זמן - זה הצטברות מתח עד לסף.
מדוע הכישלון הזה מזוהה באופן שגוי
כאשר חקירת כשל בשטח מגלה סדקים בחומר עציץ אפוקסי, מספר זיהויים שגויים שכיחים:
"עייפות חומר"- האפוקסי נכשל בעייפות, מה שמרמז שהחומר לא היה מתאים ליישום. המנגנון בפועל הוא הצטברות מתח משילוב של מתח ריפוי שיורי ולחץ תרמי מחזורי. שינוי לחומר אפוקסי אחר מבלי לשנות את תהליך הריפוי ישכפל את הכשל, מכיוון שמנגנון הלחץ השיורי תלוי בתהליך-, לא בחומר-.
"נזק הלם תרמי"- המכלול נחשף לאירוע תרמי חריג בצורה חריגה. לפעמים זה נכון, אבל דפוסי סדקים מהלם תרמי מתחילים בדרך כלל במשטח החיצוני ומתפשטים פנימה. סדקי מתח שיוריים מתחילים בדרך כלל בתכונות גיאומטריה פנימיות (קצוות רכיבים, יציאות עופרת) ומתפשטים החוצה. מיקום מקור הסדק מבחין בין שני המנגנונים בחתך -.
"הדבקה לא מספקת לעציצים"- האפוקסי לא נקשר היטב למצע או לבית. דה למינציה בממשק הבית- יכול לנבוע מהכנה לא מספקת של פני השטח, אך היא יכולה גם לנבוע ממתח מתיחה שיורי העולה על חוזק הקשר המשטחי. זה האחרון אינו דורש כשל בהכנת המשטח - הוא מתרחש על משטחים נקיים ומוכנים כהלכה כאשר הלחץ השיורי גבוה מספיק.
"איכות רכיבים"- ליד או סיום של רכיב נכשלו. במקרים בהם הסדק מתפשט לממשק של רכיב, ניתן לזהות בטעות את הופעת הסדק ככשל ברכיב. ניתוח חתך- מבחין בין סדק שהתחיל ברכיב לבין סדק שהתפשט אליו מהאפוקסי שמסביב.
ברוב הזיהויים השגויים הללו, רשומת תהליך הריפוי אינה נבדקת כחלק מחקירת הכישלון. לוח הזמנים של הריפוי הרשום אצל הנוסע בייצור תואם את המפרט - מכיוון שהמפרט מפרט את נקודת הקביעה של התנור ומשך הזמן המתוכנת, ולא את הטמפרטורה שהושגה בפועל בליבת החלק העציץ. מנגנון הלחץ השיורי אינו נראה ברשומת הייצור.
פרופיל הריפוי הדו-שלבי-: איך זה מפחית מתח שאורי
פרופיל הריפוי הדו-שלבי מתייחס ישירות למנגנון האקסותרמי על ידי חלוקת תגובת ההצלבה-לשני שלבים מבוקרים:
שלב 1 ב-80 מעלותיוזם את תגובת ההתקשרות הצולבת- בטמפרטורה נמוכה יותר, שבה קצב התגובה איטי יותר וייצור החום האקזותרמי ליחידת זמן נמוך יותר. ב-80 מעלות, המערכת מתחילה לבנות צפיפות -צולבת - מספיק כדי למנוע את האצה המהירה של קצב התגובה שתתרחש אם המערכת הייתה חשופה מיד ל-120 מעלות. קצב התגובה הראשוני הנמוך מפחית את האקסותרמיה-עצמית, ושומר על טמפרטורת הליבה קרובה יותר לנקודת ההגדרה של התנור. צפיפות הקישור הצולבת-מתפתחת בצורה אחידה יותר על פני עומק החתך במהלך שלב 1.
שלב 2 ב-120 מעלותואז מניע את המערכת לריפוי מלא. בזמן תחילת שלב 2, רשת שלב 1 כבר פיתחה קשיחות מספקת כדי להגביל את האקסותרמיה הנוספת במהלך שלב 2. ההתקשרות הצולבת הנותרת מתרחשת ברשת המוגבלת בחלקה על ידי המבנה של שלב 1, והפרש הטמפרטורה בין הליבה למשטח במהלך שלב 2 מצטמצם במידה ניכרת בהשוואה לשלב אחד{120}.
התוצאה היא קטע אפוי עם מתח מתיחה שיורי נמוך יותר בחומר החיצוני. למכלול עדיין יש מעט מתח שיורי - אין תהליך ריפוי מבטל אותו לחלוטין - אבל הגודל מצטמצם מספיק כדי שהמשרעת המשולבת של מתח שיורי בתוספת מתח תרמי מחזורי תישאר מתחת לסף התחלת סדק העייפות למשך חיי שירות ארוכים יותר באופן משמעותי.
זה לא טיעון תיאורטי. זה נצפה באופן אמפירי: מכלולים שחוו פיצוח מושהה עם ריפוי-אחד של 120 מעלות על אותו חומר עציץ, הראו חיי שירות ממושכים לאחר מעבר לפרופיל דו-שלבי, מבלי לשנות את החומר, הגיאומטריה או כל פרמטר תהליך אחר. לוח הזמנים של הריפוי הוא המשתנה.
הפער הקריטי במבחני ההסמכה
רצפי בדיקות הסמכה סטנדרטיים למכלולים בעציצים כוללים בדרך כלל מספר מוגבל של מחזורים תרמיים - 50 עד 100 מחזורים. זה נפוץ בתקני IEC ו-UL עבור קטגוריות הציוד הספציפיות. מכלול עציץ -עבה עם מתח שיורי משלב אחד- עשוי לעבור 50 או אפילו 100 מחזורים תרמיים לפני שהמתח המצטבר יגיע לסף תחילת הסדק. כאשר התקלה מתרחשת ב-150-200 מחזורים בשירות - אשר עשוי להתאים ל-12-18 חודשי פעולה במחזור תרמי אחד או שניים ביום - רצף ההסמכה לא חשף אותו.
זהו פער שיטתי: ההסמכה בוצעה כהלכה, המבחן עבר, אך מצב הכשל פועל בקנה מידה מחזורי ארוך יותר מכפי שהמבחן מכסה. תכנונים שבהם תהליך הריפוי מכניס מתח שיורי דורשים רצף מחזור תרמי של כישור ארוך יותר, או תהליך ריפוי שמפחית את המתח השיורי לרמה שבה ספירת מחזורי ההסמכה הסטנדרטית מנבאת באמת את חיי השירות.
פרופיל הריפוי הדו--מפחית את עוצמת הלחץ השיורית, מה שמפחית את משרעת הלחץ הכוללת לכל מחזור. זה, בשילוב עם אותה ספירת מחזור תרמי ברצף ההסמכה, מספק בטחון אמיתי ולא בטחון המוגבלת על ידי חוסר היכולת של הבדיקה לחשוף את מצב הכשל.
זיהוי האם עיצוב נוכחי נמצא בסיכון
תנאי התכנון והתהליך הבאים מצביעים על סיכון מוגבר למתח שיורי בשריפת אפוקסי-עבה:
עומק חתך השתילה עולה על 10 מ"מ בכל מימד.
לוח הזמנים של הריפוי הנוכחי הוא חד-שלבי ב-100 מעלות ומעלה.
אין ניטור צמד תרמי של טמפרטורת הליבה במהלך הריפוי - רק טמפרטורת האוויר של פני השטח או התנור מתועדת.
היסטוריית התקלות מציגה סדקים המופיעים לאחר מספר מחזורים תרמיים בשירות, כאשר מכלולים עוברים בדיקה ראשונית.
מיקומי מקור הסדק בחתך -נמצאים בקצוות הרכיבים, ביציאות העופרת או בתכונות הגיאומטריות הפנימיות - ולא במשטח החיצוני.
ספירת המחזור התרמי המתאים היה 50 מחזורים או פחות, וחיי השירות צפויים לכלול 200 מחזורים תרמיים או יותר.
שלב אימות מעשי הוא לייצר דגימות בדיקה בעובי קטע הייצור בפועל ובלוח הזמנים של ריפוי, להטביע צמד תרמי במרכז הקטע, ולתעד את פרופיל טמפרטורת הליבה בפועל במהלך הריפוי. אם טמפרטורת הליבה חורגת משמעותית מנקודת ההגדרה של התנור במהלך שלב הקישור הצול, המנגנון האקסותרמי פעיל ונוצר מתח שיורי.
HDT, Tg ו-RTI: המאפיינים התרמיים המגדירים מעטפת הפעלה
פרופיל ריפוי דו-שלבי, המבוצע כהלכה, מייצר חומר נרפא עם המאפיינים התרמיים המלאים: Tg 117.8 מעלות על ידי TMA (ASTM E831), HDT 130 מעלות, RTI 130 מעלות תחת קובץ UL E120665. ערכים אלה מגדירים את מעטפת ההפעלה של המכלול שנרפא:
Tg 117.8 מעלות- טמפרטורת מעבר הזכוכית הנמדדת בניתוח תרמו-מכני; השתמש בזה עבור חישובי תקציב CTE וניתוח יציבות מימדים. מעל Tg, ה-CTE עולה מ-49.772 ppm/מעלה (1, מתחת ל-Tg) ל-148.482 ppm/מעלה (2, מעל Tg) - בערך עלייה של 3×.
HDT 130 מעלות- הטמפרטורה שבה החומר המתרפא מתהפך בעומס סטנדרטי של 1.8 MPa; השתמש בזה עבור נשיאת עומס-מכני בטמפרטורה גבוהה.
RTI 130 מעלות- דירוג UL לשמירת רכוש חשמלי ומכני מתמשך; עיצובים הדורשים שירות רציף מעל 90 מעלות שהם מחוץ לדירוג של E532/H532 (RTI 90 מעלות ) נמצאים בדירוג של E536/H536.
ערכי מאפיינים תרמיים אלה מושגים רק כאשר הטיפול בשני-שלבי הושלם כראוי. הרכבה שקיבלה שלב 1 רק - או שלב 1 בטמפרטורה לא מספקת - תהיה Tg ו-HDT מתחת לערכים אלה. דגימות עדים שנרפאו לצד קבוצות ייצור ונבדקו עבור HDT מספקות אימות תהליך מעשי: HDT שנמדד מתחת ל-130 מעלות מצביע על ריפוי לא שלם בשלב 2.
מוצר קשור לעציץ-בקטע עבה עם בקרת מתח ריפוי
E536/H536 הוא תרכובת אפוקסי מעכבת אפוקסי דו--רכיבית, UL 94 V-0 להבה, שתוכננה במיוחד עבור יישומי חתך עבים- שבהם מתח ריפוי הוא מנגנון הכשל העיקרי. פרופיל הריפוי הדו-שלבי שלו (80 מעלות × 2 שעות + 120 מעלות × 4 שעות) מגביל את האקסותרמיה של הליבה בשלב 1 ומשיג פיתוח מאפיינים מלא בשלב 2. RTI 130 מעלות, HDT 130 מעלות, Shore D 89, ועובי UL מינימלי של 1.58 מ"מ מתחת ל-1. E120665.
זה לא מתאים ליישומים הדורשים מוליכות תרמית מעל 0.5 W/m·K (השתמש ב-E533/H533 לשם כך) או עבור סביבות ייצור של ריפוי בטמפרטורת החדר (השתמש ב-E532/H532 לשם כך). פרופיל הריפוי הדו--מצריך יכולת תנור ב-80 מעלות וגם ב-120 מעלות עם זמני הרמפה והחזקה מבוקרים.
👉 🔗 E536/H536 דף מוצר - נתונים טכניים, דוח בדיקת TMA, הערות יישום
שאלות הנדסיות מרכזיות
איך אני יודע אם להרכבה הנוכחית שלי יש לחץ שיורי מתהליך הריפוי שלו?
השיטה הישירה היא להטמיע צמד תרמי במרכז קטע העציצים ורישום טמפרטורת הליבה במהלך הריפוי. אם טמפרטורת הליבה חורגת מנקודת ההגדרה של התנור ביותר מ-10-15 מעלות במהלך שלב ההצלבה-, נוצר לחץ שיורי. השיטה העקיפה היא לבצע רכיבה תרמית מואצת לספירת מחזור גבוהה משמעותית מרצף ההסמכה (למשל, 500 מחזורים) ולבדוק אתרי התחלת הסדקים. סדקים שמתחילים בתכונות גיאומטריה פנימיות ולא במשטח החיצוני תואמים למתח שיורי כמניע.
אם אני עובר מ-שלב יחיד ללוח זמנים לריפוי דו-שלבי במכלול הקיים שלי, האם עלי להעפיל מחדש?
ברוב המקרים, כן - לכל הפחות, השינוי בתהליך הריפוי צריך לבוא לידי ביטוי במפרט תהליך הייצור ולאמת על דגימות בדיקה כדי לאשר שתכונות הריפוי עומדות בדרישות התכנון. עבור מכלולים שהם חלק ממוצר סופי רשום UL-, השינוי בלוח הזמנים של ריפוי תרכובות העציצים עשוי להפעיל הודעה או דרישת הערכה מחדש- עם גוף הרישום. יש לאשר זאת לפני יישום שינוי התהליך. האימות צריך לכלול רכיבה תרמית לספירת מחזורים מספיקה כדי לאשר שמצב הכשל שהופיע בלוח הזמנים של הריפוי הקודם לא מופיע בחדש.
האם ניתן למדוד מתח שיורי באופן לא-הרסני על מכלולים מוגמרים?
מדידה לא-הרסנית של מתח שיורי באפוקסי אפשרית מבחינה טכנית באמצעות טכניקות כגון פוטו אלסטיות או מיקרו-ספקטרוסקופיה של ראמאן, אך אלו אינם כלי ייצור שגרתיים. ניתוח חתך -הרסני ואחריו בדיקת סדקים מיקרוסקופית היא מעשית יותר לאימות ייצור. כלי אימות הייצור הנגיש ביותר הוא דגימת העדים: דגימה מעובדת שהופקה בו-זמנית עם כל אצוות ייצור, מאוחסנת ונבדקת מעת לעת על ידי רכיבה תרמית ובדיקת -חתך רוחב. סטייה בדגימת העד מנבאת, אך אינה מבטיחה, את הקיים במנת הייצור.
השלבים הבאים - צור קשר עם Fong Yong Chemical
