一種PFA焊接接頭的結構優化設計

摘 要：論述了一種PFA焊接接頭在實際使用過程中出現的問題以及PFA材料的基本性能參數，并對PFA焊接接頭的結構尺寸不斷進行優化設計，通過有限元進行對比分析，不斷提高接頭的承載能力。然后對優化前后的接頭進行焊接彎曲對比測試，驗證了優化設計方向的準確性，保證該接頭能夠滿足現場使用要求，為后續類似產品的結構設計提供了理論支撐，提高了產品設計的可靠性和穩定性。

關鍵詞：PFA；焊接接頭；結構優化；對比測試

中圖分類號：TG456.7? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0070-08

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.018

0? ? 引言

可熔性聚四氟乙烯（Perfluoroalkoxy，PFA），最早是由美國杜邦公司于1972年開發的[1]，其具有良好的機械性能[2-3]，廣泛應用于半導體、機械、電氣、建筑、化工、航天、醫療等眾多領域[4-6]。在半導體領域，可以采用PFA材料制作管道[7-9]、接頭、密封圈、彈簧等，能夠有效避免金屬粒子析出從而影響輸送物質的性能。采用PFA材料制作的管道可以輸送超純水或腐蝕性的化學介質，如硫酸、鹽酸和氫氟酸等腐蝕介質，在管道尺寸有變化時需要采用焊接頭將兩種尺寸的管道焊接在一起。因此，采用PFA材料制作一種新型高應力結構的焊接頭是十分必要的。

用PFA材料注塑成型的焊接接頭，在-18～200 ℃介質溫度中可以維持良好的尺寸穩定性和耐腐蝕性。PFA材料注塑成型的焊接接頭主要應用于光伏和半導體等行業的化學品輸送系統設備中，接頭通過對焊方式與PFA管路連接，焊接連接方式更加可靠，能滿足現場無泄漏、高標準的化學品輸送要求。

PFA材料注塑的焊接接頭在使用過程中經常出現斷裂現象，尤其是1/2英寸轉1/4英寸焊接接頭。接頭的斷裂不僅影響設備的整體質量，還會導致輸送介質的泄漏，泄漏介質不僅會給客戶帶來一定的經濟損失，還會導致不可逆的環境污染。本文通過對1/2英寸轉1/4英寸焊接接頭的結構尺寸不斷進行優化設計，并利用有限元對優化后的方案進行對比分析，提高接頭的承載能力，提升產品質量的穩定性與可靠性，為后續類似的產品設計提供了詳細的設計方案和具體的理論支撐。

1? ? 材料特性

可熔性聚四氟乙烯（PFA）是四氟乙烯與全氟丙基乙烯基醚共聚物，完全保持了聚四氟乙烯的優良特性，使用溫度-200～260 ℃，具有優良的機械、電絕緣性能，突出的耐熱性和較低的摩擦系數、阻燃、低煙、耐候性，同時具有良好的熱塑性。

PFA是熔融流動性優良的氟碳聚合物，可以像普通的熔融樹脂一樣進行加工。PFA能夠耐絕大多數化學藥品的腐蝕，在-200～260 ℃溫度范圍內，能保持一定的柔韌性。與聚四氟乙烯（PTFE）相同，PFA的最高連續使用溫度為260 ℃。

PFA焊接接頭主要通過注塑成型，一般使用螺桿式注射成型機。為了減小成型形變，模具設計時，應選擇稍大和較短的注口、流道和澆口。模具應電鍍硬質鉻，在注塑過程中需要把模具加熱到150～200 ℃。

PFA也具有不燃性，且發煙比乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）和聚偏二氟乙烯（PVDF）低，其極限氧指數（持續燃燒所需要的氧氣濃度）大于95[1]。

PFA材料的主要性能參數如表1所示。

2? ? 結構設計及優化

為使PFA材料注塑的焊接接頭能夠滿足現場焊接使用要求，現根據管道標準設計焊接接頭的連接尺寸和結構形式，以1/2英寸轉1/4英寸焊接接頭為例進行詳細說明。1/2英寸管道外徑12.7 mm、內徑9.7 mm，1/4英寸管道外徑6.35 mm、內徑3.95 mm。PFA材料注塑的焊接接頭在使用過程中主要受到輸送介質的內壓力，介質壓力一般不大于0.6 MPa，此壓力下焊接接頭一般不會出現破裂現象。焊接接頭在焊接完成后，一般受到人為的彎曲或拉伸力作用時就會出現斷裂現象，斷裂位置一般在大小尺寸的結合處，如圖1所示。為提高焊接頭的結構強度，需要對焊接結構進行優化設計提升其承載能力，從而滿足工業實際應用需求。

2.1? ? 方案設計

根據現有接頭尺寸結構進行對比優化設計，設計了三種1/2寸轉1/4寸焊接接頭方案，采用PFA材料對不同方案結構的焊接接頭，進行最大承受拉力和最大承受彎曲力矩仿真分析計算。方案1是現行結構，在使用過程中容易出現斷裂問題，方案2和方案3是優化設計后的結構形式，不同方案外形結構如圖2所示，尺寸數據如表2所示。

2.2? ? 網格劃分

采用非結構化網格劃分方法對模型進行空間離散，最大網格尺寸0.4 mm，采用四邊形網格對焊接接頭模型進行網格劃分，結果如圖3所示。

2.3? ? 參數設置

1）在ANSYS Workbench材料庫中創建PFA材料，材料參數如表1所示，并將焊接接頭分析模型賦予PFA材料。

2）設置焊接接頭1/2寸端面為固定面，然后分別對焊接接頭1/4寸的端面施加拉力F和彎曲力矩M，施加的拉力和彎曲力矩具體數值如表3所示。

3）進行分析設置：打開自動時步，初始子步設為15，最小子步設為10，最大子步設為25，其他設置保持默認。

4）設置求解結果：變形及應力。

3? ? 分析結果

本次仿真采用的PFA材料，當焊接接頭應力達到30 MPa時，接頭就會發生破壞，分別計算三種結構的焊接頭應力達到30 MPa時，焊接頭1/4英寸端面所受的拉力和彎曲力矩。

3.1? ? 拉伸應力分析

圖4～6為三種設計方案應力達到30 MPa時接頭的變形及應力分布云圖。

由圖4～6可知，焊接頭最大變形量位于施加拉力位置附近，應力最大值位于焊接頭1/2英寸與1/4英寸結合處，這是由于整個焊接頭呈現“凸”字形；當焊接頭最大應力達到30 MPa時，由于結構不同，導致施加的拉力不同，最大變形量也不同。

三種設計方案達到零件破壞時，方案1、2、3所受拉力分別為225、342、393 N，方案2所受拉力比方案1提高52%，方案3比方案1提高74.6%。故方案3的焊接頭結構承受的拉力最大。

3.2? ? 彎曲力矩分析

圖7～9為三種設計方案應力達到30 MPa時接頭的變形及應力分布云圖。

由圖7～9可知焊接頭的結構不同，承受最大彎曲力矩也不同。方案1、2、3分別施加395、415.6、426.3 N·mm力矩時，焊接頭部分區域材料失效。方案2比方案1的最大彎曲力矩提高了5.2%，方案3比方案1的最大彎曲力矩提高了7.9%。零件斷裂時，三種方案最大變形量均大于18 mm，最大變形量都位于1/4英寸管道前端；對焊接頭施加彎曲力矩時，最大應力位于1/2英寸與1/4英寸管道結合處，這是由于1/2英寸端面受到固定約束，固定端受到的應力很小，在結合處焊接頭的直徑改變，導致應力集中在此處。從分析數據可得，方案3的設計結構承受彎曲力矩能力最強。

3.3? ? 彎曲實驗驗證

根據方案1和方案3的結構參數，分別制作兩種1/2英寸轉1/4英寸的焊接接頭，并在焊接頭兩端分別焊接50 mm管道，進行彎曲實驗，通過比較焊接頭斷裂時彎曲角度的不同而得出其承載能力的強弱。

方案1是目前正在生產的產品，焊接后彎曲時經常發生斷裂現象，現對目前生產的實物產品進行彎曲性能試驗，圖10為方案1焊接頭彎曲性能測試圖，固定1/2英寸管道，將離1/4英寸焊接接頭50 mm處作為彎曲受力點彎曲不同角度。由圖10可知，1/2英寸轉1/4英寸焊接接頭在彎曲30°、60°、90°時均未發生斷裂，但是在彎曲180°的情況下焊接接頭出現斷裂的情況。

方案3是優化分析結果修改模具后生產的產品，主要是對尺寸突變處進行結構優化，增加圓角消除了應力集中，增加根部厚度提高強度。對修改后的實物產品進行彎曲性能試驗，圖11為方案3焊接頭彎曲性能測試圖，試驗條件和試驗方法與方案1相同。由圖11可知，1/2英寸轉1/4英寸焊接接頭在彎曲30°、60°、90°和180°時都沒有發生斷裂，且折彎處都沒有白痕存在，改善效果顯著，產品質量得到進一步的提升，可以滿足現場使用要求。

通過對方案3和方案1焊接接頭實物產品焊接彎曲對比測試可以得出結論：方案3焊接接頭的彎曲性能明顯優于方案1焊接接頭的彎曲性能，即使被彎曲180°都沒有發生斷裂，說明本次仿真計算的結果是正確的。所以，方案3的焊接接頭在使用過程中，不會由于人為彎曲而導致焊接接頭焊接出現斷裂，產品質量在理論計算和實際測試中得到進一步的提升和驗證，能夠滿足現場使用的要求。

4? ? 結論

本文通過對PFA焊接接頭的研究，論述了PFA焊接接頭在使用過程中出現的問題，以及PFA材料的主要性能參數；選取了1/2英寸轉1/4英寸焊接接頭進行結構優化，并對優化后的結構進行應力分析對比，最終得出方案1結構的承載能力最弱，方案3的承載能力最強。同時對方案1和方案3的實物產品進行了彎曲性能對比測試，同樣得出方案3產品的彎曲性能明顯優于方案1產品的彎曲性能。理論分析數據和實際測試數據方向一致，用理論計算來指導實際生產，為后續類似產品的結構設計提供了重要的理論支撐，為提高產品設計的安全性和可靠性奠定了基礎。

[參考文獻]

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[8] 北京市塑料研究所.可熱熔加工氟塑料PFA、EFP注射成型制品[Z].2005.

[9] 北京市塑料研究所.PFA、FEP、PVDF管線的研制[Z].2005.

收稿日期：2024-04-01

作者簡介：張靜（1987—），男，江蘇泗洪人，工程師，主要從事特種閥門的結構設計和研發管理工作。