Πώς η ακτίνα της συγκόλλησης του φιλέτου στη φλάντζα στερέωσης ενός θερμαντικού στοιχείου τιτανίου επηρεάζει τη διάρκεια κόπωσης του περιβλήματος όταν υπόκειται σε ροή-Προκαλούμενη δόνηση σε ένα μεγάλο χημικό πλυντήριο;

Η βασική εμπορία-εκτός σχεδίασης συγκόλλησης φιλέτου για καθαριστές υψηλών- δονήσεων
Τα θερμαντικά στοιχεία τιτανίου τοποθετούνται μέσα από το τοίχωμα του δοχείου μεγάλων χημικών πλυντηρίων μέσω μιας φλάντζας σύνδεσης. Η πιο σημαντικά καταπονημένη περιοχή υπό τους κραδασμούς που προκαλούνται από τη ροή είναι η συγκόλληση φιλέτου μεταξύ της θήκης τιτανίου και της φλάντζας στερέωσης. Η ροή αερίου του πλυντηρίου (5–15 m/s) προκαλεί απόρριψη στροβιλισμού και αναταράξεις, οι οποίες ανακινούν τη δέσμη του θερμαντήρα με πρόβολο. Η εναλλασσόμενη τάση κάμψης συγκεντρώνεται στο δάκτυλο της συγκόλλησης. Ο παράγοντας συγκέντρωσης τάσης (SCF) ελέγχεται από την ακτίνα της συγκόλλησης του φιλέτου-την κοίλη μετάβαση μεταξύ της επιφάνειας συγκόλλησης και της επιφάνειας του σωλήνα. Ένα αιχμηρό δάκτυλο συγκόλλησης (μικρή ακτίνα,<0.5 mm) produces a SCF of 3–5, i.e. the local stress is 3–5 times the nominal bending stress. Large fillet radii (>2 mm) οδηγούν σε SCF 1,5-2,0. Το πάχος του τοιχώματος επηρεάζει την ακαμψία κάμψης και την ονομαστική τάση, αλλά η πιο σημαντική μεταβλητή για τη διάρκεια ζωής της κόπωσης είναι η ακτίνα συγκόλλησης. Αυτή η μελέτη αξιολογεί την επίδραση της ακτίνας συγκόλλησης φιλέτου στη διάρκεια ζωής της κόπωσης υπό τυπικές συνθήκες δόνησης του πλυντηρίου και δίνει προτάσεις σχεδιασμού.

Επίδραση στη συγκέντρωση τάσεων μηχανικής ακεραιότητας στο Weld Toe
Για έναν πρόβολο θερμαντήρα μήκους L, με εγκάρσια δύναμη F (από τη ροή-επαγόμενη δόνηση), η ονομαστική τάση κάμψης στο σταθερό άκρο (σημείο συγκόλλησης) δίνεται από: σ_nom=(F × L) / (π × D² × t / 4) Η τοπική τάση στο δάχτυλο συγκόλλησης K__lom όπου {{5} είναι ο παράγοντας συγκέντρωσης στρες. Για συγκόλληση φιλέτου με ακτίνα δακτύλου r και πάχος τοιχώματος σωλήνα t, K t ~ 1 + 2 * (t/r)^0,5. Για αιχμηρή συγκόλληση (r=0.3 mm, t {= 1.5 mm), Kt=1 + 2 x (1,5/0,3)^{0.5=1 + 2 x 2.24=5.5. Για ένα μεγάλο φιλέτο (r=2.5 mm, t=1.5 mm) Kt=1 + 2 x (1,5/0,3) x (1,5/0,3) μεγάλο γέμισμα. τοπικό στρες πάνω από 50%.

Η διάρκεια ζωής της κόπωσης (κύκλοι έως την αστοχία) δίνεται από την εξίσωση Basquin: N f=( σ f ' σ τοπικό ) 1 b όπου b ≈ -0,12 για το τιτάνιο. Η μείωση του σ τοπικού κατά έναν παράγοντα 2,2 (από 5,5 σε 2,5 K t ) ενισχύει τη διάρκεια ζωής της κόπωσης κατά έναν παράγοντα περίπου (2,2) (1/0,12)=(2,2) 8,3 ≈ 800 φορές. Ένας θερμαντήρας που θα πέθαινε σε 1 μήνα με ένα αιχμηρό δάκτυλο συγκόλλησης μπορεί να ζήσει 800 μήνες (66 χρόνια) με ένα μεγάλο φιλέτο.

Επίδραση του μεγέθους της συγκόλλησης και της μεταφοράς θερμότητας στη θερμική απόδοση
Μια μεγαλύτερη ακτίνα φιλέτου συνεισφέρει περισσότερο μέταλλο συγκόλλησης (αυξημένο πάχος λαιμού) για να προσφέρει μεγαλύτερο κανάλι θερμικής αγωγιμότητας από το περίβλημα στη φλάντζα. Αυτό βοηθάει τη θερμότητα να διαχέεται λίγο καλύτερα από την περιοχή συγκόλλησης και αποτρέπει τα μεμονωμένα καυτά σημεία. Το θερμικό πρόστιμο είναι μικρό. Ωστόσο, ένα πολύ μεγάλο φιλέτο (r > 5 mm) μπορεί να προκαλέσει παρεμβολές σε κοντινούς θερμαντήρες σε μια δέσμη ή να μειώσει το πραγματικό θερμαινόμενο μήκος.

Trade-off Synthesis: Weld Radius and Wall Thickness Interaction
Ακτίνα δακτύλου συγκόλλησης φιλέτου (mm) Συντελεστής συγκέντρωσης τάσης (K_t, για t=1.5mm) Προβλεπόμενη διάρκεια κόπωσης (έναντι αιχμηρής γραμμής βάσης συγκόλλησης) Λογικό Ελάχιστου Πάχους τοιχώματος πυρήνα μηχανικής < 0,5 mm (απότομη ως-συγκολλημένη) 5,0 – 6.0 1× (βάση, γραμμή βάσης)<6 month life)Any (no advantage) Not appropriate for vibration service
0,5 – 1,0 mm (λείο τρίψιμο) 3,5 – 4.5 10 – 50× 1,5 mm Αποδεκτό για μέτριους κραδασμούς
1,0 – 2,0 mm (με περίγραμμα) 2,5 – 3.5 200 – 1.000× 1,2 – 1,5 mm Καλό για τα περισσότερα πλυντήρια
2,0 – 3,0 mm (γενναιόδωρο φιλέτο) 2,0 – 2.5 2,000 – 10.000× 1,0 – 1,2 mm Εξαιρετικό, επιτρέπει λεπτότερα τοιχώματα 3,0 mm (εξαιρετικά τεράστιο φιλέτο)<2.0 >50.000× 1,0 mm Βέλτιστο αλλά μη πρακτικό
Μια μεγάλη συγκόλληση φιλέτου (r Μεγαλύτερη ή ίση με 2 mm) παρέχει δραματική βελτίωση στη διάρκεια ζωής της κόπωσης και επιτρέπει τη χρήση λεπτότερων τοιχωμάτων (1,0–1,2 mm). Η ακτίνα του φιλέτου είναι πιο σημαντική από το πάχος του τοιχώματος για την αντίσταση στην κόπωση.

Συγκόλληση πέρα ​​από τη συγκόλληση: Τρίψιμο και μετά-Επεξεργασία συγκόλλησης
Εάν η επιθυμητή γενναιόδωρη ακτίνα φιλέτου δεν μπορεί να επιτευχθεί στη συγκόλληση (είτε λόγω θέσης είτε λόγω πρόσβασης), το ισοδύναμο όφελος κόπωσης μπορεί να επιτευχθεί με λείανση του δακτύλου συγκόλλησης σε ένα λείο περίγραμμα με ακτίνα τουλάχιστον 1,5 mm. Η λείανση πρέπει να γίνεται με ένα λεπτό λειαντικό (120 grit ή λεπτότερο) και στη συνέχεια γυαλισμένο για να αφαιρέσετε τα σημάδια λείανσης. Η επεξεργασία TIG μετά την{4}}συγκόλληση (επανα-λίωση του δακτύλου συγκόλλησης χωρίς μέταλλο πλήρωσης) ελαχιστοποιεί επίσης τη συγκέντρωση τάσεων παρέχοντας μια ομαλή μετάβαση. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να ενισχύσει τη διάρκεια ζωής της κόπωσης κατά 5–10 με την αρχική γεωμετρία συγκόλλησης. Το τρύπημα με βολή ή το τρύπημα με βελόνα στο δάκτυλο της συγκόλλησης δημιουργεί υπολειμματική πίεση που βελτιώνει ακόμη περισσότερο τη διάρκεια της κόπωσης.

Συμπέρασμα: Η γενναιόδωρη ακτίνα φιλέτου (μεγαλύτερη ή ίση με 2 mm) επιτρέπει τη σχεδίαση λεπτών-τοίχων για υπηρεσία δόνησης
Η διάρκεια κόπωσης ενός θερμαντικού στοιχείου τιτανίου σε ένα μεγάλο χημικό πλυντήριο που εκτίθεται σε δόνηση που προκαλείται από τη ροή- εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ακτίνα της συγκόλλησης φιλέτου στη φλάντζα στερέωσης. Εάν το δάκτυλο της συγκόλλησης είναι αιχμηρό (r < 0,5 mm), τότε ο συντελεστής συγκέντρωσης τάσης είναι 5-6 και η αστοχία κόπωσης εμφανίζεται μέσα σε λίγους μήνες ανεξάρτητα από το πάχος του τοιχώματος. Μια ευρεία ακτίνα φιλέτου (r Μεγαλύτερη ή ίση με 2 mm) οδηγεί σε συντελεστή συγκέντρωσης τάσης 2,0–2,5, ενισχύοντας έτσι τη διάρκεια κόπωσης κατά 2.000–10.000 φορές και επιτρέποντας λεπτότερα τοιχώματα (1,0–1,2 mm). Η εγκεκριμένη προδιαγραφή είναι μια συγκόλληση φιλέτου με ελάχιστη ακτίνα δακτύλου 2 mm (αλεσμένη ή επενδυμένη) σε συνδυασμό με πάχος τοιχώματος θήκης τιτανίου 1,2 mm. Δώστε το εκτιμώμενο εύρος και συχνότητα δόνησης στον κατασκευαστή για να ελέγξει για την απαιτούμενη γεωμετρία συγκόλλησης. Το πάχος του τοιχώματος είναι μια δευτερεύουσα μεταβλητή. Η παράμετρος σχεδίασης για τη διάρκεια ζωής της κόπωσης σε λειτουργία πλυντηρίου υψηλών κραδασμών είναι η ακτίνα φιλέτου συγκόλλησης.