消防車不銹鋼水箱滲漏原因分析及改進(jìn)措施

蔣韶峰 彭龍波

中聯(lián)重科股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410200

1 前言

隨著城市的快速發(fā)展，高層建筑逐漸增加，對(duì)消防車的質(zhì)量和性能的要求也越來(lái)越高。而作為消防車的關(guān)鍵部件之一——水箱也越來(lái)越受到用戶的重視，尤其是其內(nèi)部防腐防銹性能更是關(guān)注的重點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)消防車常用的材質(zhì)為不銹鋼、碳鋼和塑料三種，不銹鋼水箱因其質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，耐腐蝕，便于清洗等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。但是不銹鋼水箱在使用過(guò)程中仍然會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。由于消防車的特殊性，水箱必須保持長(zhǎng)期蓄水狀態(tài)，部分車輛在使用一段時(shí)間后，易產(chǎn)生腐蝕漏水。為了最大限度降低消防車不銹鋼水箱的漏水故障率，筆者對(duì)行業(yè)內(nèi)消防車水箱腐蝕問(wèn)題展開深入調(diào)研及攻關(guān)，已取得較大進(jìn)展。

2 不銹鋼水箱腐蝕機(jī)理

為了確認(rèn)水箱銹蝕原因，筆者先后對(duì)行業(yè)內(nèi)消防車水箱漏水車輛進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，從銹蝕部位來(lái)看，水箱發(fā)生銹蝕的部位主要是焊縫、焊接熱影響區(qū)以及水箱內(nèi)側(cè)隔板、側(cè)板切割邊位置（見圖1a、b），尤其是側(cè)板與隔板折彎邊交錯(cuò)焊接位置（見圖1c），此處銹蝕更為明顯，甚至在某折彎交錯(cuò)處出現(xiàn)裂紋。通過(guò)對(duì)水箱銹蝕部位進(jìn)行清理，可以發(fā)現(xiàn)清除后出現(xiàn)密密麻麻的點(diǎn)狀凹坑（見圖1d）。

圖1 水箱銹蝕的主要部位圖

上述都是不銹鋼腐蝕的特征。不銹鋼抗腐蝕性能好，但為什么會(huì)腐蝕呢？通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究，目前普遍認(rèn)為，不銹鋼抗腐蝕是因其中鉻含量所決定的。當(dāng)鉻含量超過(guò)12%時(shí)，氧化性活潑的鉻會(huì)在鋼表面迅速與氧形成堅(jiān)固、致密的富氧鈍化膜，有效隔離氧的進(jìn)一步侵入，所以能抵抗均勻腐蝕[1]。但在水中，尤其是含Clˉ濃度較高的水中，由于Clˉ可在某些局部對(duì)富氧鈍化膜起破壞作用，其中最易發(fā)生腐蝕的是焊縫區(qū)域及熱切割區(qū)域，該區(qū)域經(jīng)受過(guò)高溫加熱后，性能劣化，抗腐蝕性能降低，導(dǎo)致發(fā)生局部腐蝕[2]。而局部腐蝕速度比均勻腐蝕速度要快得多，最終導(dǎo)致鈍化膜失效而致使不銹鋼腐蝕。

3 現(xiàn)狀調(diào)查與措施

通過(guò)對(duì)不銹鋼腐蝕機(jī)理分析后，對(duì)不銹鋼水箱銹蝕漏水區(qū)域進(jìn)行梳理，按地域分類，黃河流域省份和沿海省份，累計(jì)占比80%左右；按使用年限分類，3年之內(nèi)發(fā)生漏水的占比為75%左右。在漏水發(fā)生頻次較多的省份，在一至兩年間發(fā)生銹蝕后的凹坑就達(dá)1.5 mm左右。為了提高水箱耐腐蝕能力，對(duì)目前不銹鋼水箱從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、板材下料、焊接工藝[3]以及內(nèi)部防腐工藝等方面進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查及試驗(yàn)，通過(guò)原因分析，提出了消防車不銹鋼水箱滲漏的改善措施。

3.1 水箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮到消防車水箱的剛度和強(qiáng)度，對(duì)其某些部位采用了局部加強(qiáng)，但是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)不合理易引起應(yīng)力集中并影響后續(xù)的防腐處理，就會(huì)導(dǎo)致局部開裂和銹蝕，使水箱出現(xiàn)漏水。筆者將槽鋼加強(qiáng)（見圖2a）改為角鋼加強(qiáng)（見圖2b）并將加強(qiáng)筋（見圖2c）改為大倒角（見圖2d），使問(wèn)題得到了很好的解決。

圖2 水箱結(jié)構(gòu)加強(qiáng)優(yōu)化圖

為避免對(duì)接處或拼接焊縫由于防腐處理不到位出現(xiàn)銹蝕，改進(jìn)隔板端頭對(duì)接結(jié)構(gòu)，如圖3a、b所示，并將隔板拼接焊縫由間斷焊（圖3c）改為滿焊（圖3d）解決了難以防腐處理到位的問(wèn)題。

圖3 水箱隔板端頭對(duì)接及焊縫優(yōu)化圖

考慮到整體的美觀及結(jié)構(gòu)剛性，目前消防車水箱側(cè)板和隔板均采用折彎結(jié)構(gòu)，但從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，某些消防車生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的水箱局部存在側(cè)板與隔板折彎部位重合的情況（見圖4a），此處焊接操作性差，焊接時(shí)容易出現(xiàn)局部過(guò)熱，甚至燒穿，而且從結(jié)構(gòu)上分析，此處也是焊接應(yīng)力集中點(diǎn)，容易造成焊縫開裂。針對(duì)這種情況，筆者其對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化，在保證水箱整體結(jié)構(gòu)剛性的情況下，將側(cè)板與隔板折彎部位錯(cuò)開（見圖4b），效果較好。

圖4 水箱側(cè)板與隔板折彎部位錯(cuò)開

3.2 板材下料方式改進(jìn)

據(jù)了解，水箱板材下料目前主要采用激光和等離子切割兩種方式，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采用等離子切割時(shí)往往由于槍頭晃動(dòng)而使板材出現(xiàn)“坑洼”，這些“坑洼”處在焊接時(shí)將產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)力。另外，采用等離子切割下料產(chǎn)生的熔渣殘留較多，且局部位置不易清理。而且從下料結(jié)果來(lái)看，等離子切割下料精度也很難達(dá)到激光切割的精度。通過(guò)對(duì)不同區(qū)域、車型的消防隊(duì)走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用等離子加工后產(chǎn)生的缺口部分發(fā)生銹蝕的可能性也遠(yuǎn)大于激光下料。針對(duì)這種情況，對(duì)所有板料均要求采用激光下料（見圖5），改進(jìn)后效果較佳。

圖5 激光下料成型拼接效果

3.3 焊接工藝改進(jìn)

不銹鋼水箱常用的焊接方法有熔化極氣體保護(hù)焊（MAG）和鎢極氬弧焊（TIG）兩種，而鎢極氬弧焊電弧在惰性氣氛中極為穩(wěn)定，電弧呈典型的鐘罩形形態(tài)，焊接熔池可見性好，能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)焊接，得到優(yōu)良的焊縫。而且相比熔化極氣體保護(hù)焊，焊接時(shí)不產(chǎn)生焊接飛濺，對(duì)水箱內(nèi)部防腐有較好的效果。從調(diào)研結(jié)果來(lái)看，水箱內(nèi)部焊縫均采用鎢極氬弧焊焊接工藝，外部底梁以及其他附件焊接采用熔化極氣體保護(hù)焊。

筆者在改進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，因?yàn)樵谒渲谱鬟^(guò)程中，涉及到平焊、立焊等位置焊接，也存在對(duì)接和角接的焊接接頭，焊接方法有MAG和TIG焊，因此，筆者選取了平焊這種最基本的焊接位置進(jìn)行試驗(yàn)，在該焊接位置操作簡(jiǎn)單、焊接良品率高。三種焊接形式如圖6所示，其焊接材料全部為厚度4 mm 的304奧氏體不銹鋼，焊絲為直徑為1.0 mm的308焊絲，焊接接頭分別為雙面MAG焊（保護(hù)氣體為98%Ar+2%CO2）的T型接頭、單面冷填絲TIG焊的T型接頭及雙面冷填絲TIG焊的T型接頭。為了減少過(guò)熱對(duì)不銹鋼的氧化，筆者首先采用較小的電流進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖6 試樣實(shí)物照片

將圖6中焊接試樣線切割取樣后制備成焊接金相試樣，磨拋后采用王水腐蝕制備金相試樣。

對(duì)焊縫組織進(jìn)行了宏觀照相，如圖7～9所示，從圖中7可以看出，未熔合比較明顯。在焊縫的根部及側(cè)壁出現(xiàn)明顯的未熔合，即焊絲金屬未與母材形成熔合，焊絲僅僅是“附著”在母材表面，二者未形成有效熔深的冶金結(jié)合。

為了進(jìn)一步探索，對(duì)焊縫接頭各部分進(jìn)行了微觀組織觀察，如圖10～12所示。

從圖10母材金相照片可以看出，304不銹鋼的金相組織主要是奧氏體+鐵素體，奧氏體組織中，有部分呈孿晶，由于板材為軋制，圖中黑色條帶為變形的鐵素體，其嚴(yán)重腐蝕呈黑色凹坑，在奧氏體晶界上有少量點(diǎn)狀分布的碳化物。

圖7 MAG焊宏觀形貌

圖8 TIG雙面焊宏觀形貌

圖9 TIG單面焊宏觀形貌

圖10 未受熱影響的304不銹鋼母材金相照片

圖11 MAG焊金相照片（98%Ar+2%CO2）

圖11為MAG焊金相照片，圖12為TIG焊金相照片，圖12a為焊縫區(qū)域金相，組織為奧氏體組織及枝晶狀δ鐵素體，呈柱狀晶分布，其中δ鐵素體枝晶較為致密；圖12b為熔合線附近金相，上部分為焊縫，中部為熔合線組織，其由奧氏體晶粒和沿晶界分布的δ鐵素體組成。圖右部為熱影響區(qū)，由粗晶粒奧氏體和黑點(diǎn)顆粒狀分布的碳化物。其高倍圖片如圖12c所示。

圖12 TIG焊金相照片

通過(guò)對(duì)焊接接頭的進(jìn)一步分析（見圖13），可知：

a.焊縫鐵素體析出大于10%，而據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明，一般奧氏體不銹鋼焊縫金屬中鐵素體體積分?jǐn)?shù)為5%～10%時(shí)可提高焊縫抵御晶間腐蝕的能力；

b.在熔合線附近過(guò)熱區(qū)母材組織中碳化物析出明顯，說(shuō)明焊接時(shí)溫度在敏化反應(yīng)區(qū)（450℃～850℃）停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使鉻的碳化物在熔合線附近析出，這樣使得焊縫區(qū)域容易形成貧鉻區(qū)，造成晶間腐蝕；

c.從微觀組織可知，其未熔合情況也較嚴(yán)重。

總之，上述缺陷的存在導(dǎo)致了焊縫、熔合區(qū)及熱影響區(qū)的腐蝕和開裂。

從顯微硬度看出，3 0 4不銹鋼母材的硬度平均在191.5HV，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4237-2007《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》要求，其304不銹鋼供貨狀態(tài)為固溶處理態(tài)，其硬度要求不大于210HV，故其母材硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由表1顯示，無(wú)論是MAG焊還是TIG焊在熔合線附近母材硬度變化都不大，這說(shuō)明其焊接熱影響區(qū)較狹窄。

對(duì)于TIG焊和MAG焊，焊接電流是影響焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素。當(dāng)TIG焊焊接電流達(dá)190 A左右，MAG焊焊接電流達(dá)240 A左右時(shí)，焊縫熱影響區(qū)域增大，且易造成母材背面燒穿；當(dāng)TIG焊焊接電流小于100 A，MAG焊焊接電流小于120 A時(shí)，焊接填充量較小，焊接時(shí)停留時(shí)間較長(zhǎng)，且易造成焊縫熔合不良，鉻的碳化物在熔合線附近析出。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，筆者對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證及工藝評(píng)定，要求水箱TIG焊采用電流范圍為130～150 A，MAG焊采用電流范圍為170～190 A。

此外，焊材選用的合理性也是提高不銹鋼防腐性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。針對(duì)目前消防車不銹鋼水箱常采用304不銹鋼材料，其具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械性能。對(duì)于這種材料，選用超低碳和含有Ti、Nb等穩(wěn)定化元素的焊材，以形成穩(wěn)定的碳化物（TiC、NbC），從而減少或避免不銹鋼的晶間腐蝕。

圖13 焊接接頭微觀組織圖

表1 顯微硬度

3.4 內(nèi)部防腐工藝優(yōu)化

根據(jù)調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)各消防車生產(chǎn)企業(yè)水箱內(nèi)部防腐常采用的方式有鈍化、涂膠、刷漆三種，這三種方式在一定程度上都能達(dá)到一定的防腐效果。但通過(guò)前期試驗(yàn)研究表明，采用單一鈍化進(jìn)行防腐有較大的局限性，尤其是焊縫熱影響區(qū)，鈍化后仍有一部分灰色區(qū)域無(wú)法消除（見圖14）；而對(duì)于涂膠工藝而言，根據(jù)使用后反饋情況來(lái)看，采用涂膠工藝后的消防水箱在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，膠層會(huì)存在局部脫落情況（見圖15）；而對(duì)于刷漆工藝，通過(guò)模擬多種工況下的工藝試驗(yàn)，而且借鑒碳鋼水箱防腐工藝的經(jīng)驗(yàn)，目前筆者采用了某種重防腐油漆對(duì)不銹鋼消防車水箱進(jìn)行局部防腐處理，并且規(guī)定了油漆涂刷范圍以及漆膜總厚度，取得了很好的防銹和防滲漏效果。

圖14 焊縫鈍化后效果

圖15 焊縫涂膠層脫落

4 結(jié)語(yǔ)

消防車水箱防滲漏問(wèn)題一直是消防車整個(gè)行業(yè)研究的重點(diǎn)課題，為了盡可能提高不銹鋼水箱防腐能力，通過(guò)實(shí)施產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高水箱的可焊性和可操作性，并選擇合適的板材下料工藝，保證下料質(zhì)量，提高板材下料精度，在焊接工藝上選擇合適的焊接材料、焊接方法及焊接參數(shù)，減少焊接缺陷及熱影響區(qū)腐蝕，并采用在水箱內(nèi)局部涂刷重防腐漆等改進(jìn)措施。經(jīng)過(guò)兩年多時(shí)間對(duì)消防車使用情況的跟蹤，在市場(chǎng)上未發(fā)生一起消防車水箱滲漏問(wèn)題。實(shí)踐證明，通過(guò)上述措施的推廣與落實(shí)，消防車不銹鋼水箱銹蝕漏水問(wèn)題已經(jīng)得到了較大的改善。