中大型不銹鋼殺菌鍋焊接工藝改進(jìn)

■ 張本朋，呂 勇，張春鵬，李 庚

殺菌鍋主要應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、飲料、化工等行業(yè)，是食品加工企業(yè)、研究所和大專院校開發(fā)新產(chǎn)品或進(jìn)行殺菌工藝所必須的設(shè)備。隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)食品的衛(wèi)生、口感要求越來(lái)越多。傳統(tǒng)碳鋼材料已不能滿足人們需要，不銹鋼材料已逐漸代替了碳鋼材料。近年來(lái)，公司制作了多臺(tái)不同規(guī)格不銹鋼殺菌鍋，主要出口美國(guó)以及南美市場(chǎng)。

1.殺菌鍋制造情況

（1）殺菌鍋規(guī)格及技術(shù)要求 殺菌鍋筒身參數(shù)φ2000mm×5000mm×12mm；材料SA-240-304；設(shè)計(jì)壓力0.35MPa；設(shè)計(jì)溫度147℃ ；水壓試驗(yàn)壓力0.455MPa；介質(zhì)為水蒸汽。殺菌鍋外觀及焊縫編號(hào)如圖1所示。設(shè)備兩端安裝傳動(dòng)裝置與旋轉(zhuǎn)臂裝置，設(shè)備內(nèi)部安裝殺菌籃及蒸汽裝置。

殺菌鍋密封采用齒嚙式卡箍連接密封，中小直徑殺菌鍋密封結(jié)構(gòu)由筒體齒、封頭齒、卡箍齒和密封圈組成，開門時(shí)卡箍轉(zhuǎn)動(dòng)，封頭齒不動(dòng)，封頭齒與密封墊之間沒(méi)有相對(duì)摩擦，因此密封墊使用壽命長(zhǎng)，卡箍旋轉(zhuǎn)一般采用手動(dòng)。中大直徑的殺菌鍋密封結(jié)構(gòu)由封頭齒、卡箍齒和密封圈組成，開門時(shí)封頭齒轉(zhuǎn)動(dòng)，封頭齒與密封墊之間有相對(duì)摩擦，對(duì)密封齒使用壽命有影響，封頭轉(zhuǎn)動(dòng)一般采用機(jī)械傳動(dòng)，本文設(shè)備就是使用這種密封結(jié)構(gòu)。

（2）殺菌鍋焊接重點(diǎn) 殺菌鍋在焊接過(guò)程中共有兩個(gè)重點(diǎn)，一是控制焊接變形，保證密封結(jié)構(gòu)密封性以及防止設(shè)備兩端變形收縮；二是控制筒體中下部四個(gè)大接管的位置與角度，由于每個(gè)接管里面都有一個(gè)托輪結(jié)構(gòu)，要求四個(gè)托輪結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，所以對(duì)于焊接后位置與角度都要求較高。

（3）不銹鋼焊接要點(diǎn) 奧氏體不銹鋼焊接工藝要點(diǎn)： 其焊接一定要合理控制焊接參數(shù)，奧氏體鋼熱導(dǎo)率小，熱量不容易散失，一般焊接所需的熱輸入比碳鋼要低20%～30%。過(guò)高會(huì)造成焊縫開裂，變形嚴(yán)重。一般采用較小的熱輸入和較快的焊速。焊接要有引弧板（縱縫），不得在材料表面引弧，運(yùn)條要穩(wěn)定，短弧焊接，不擺動(dòng)，直線運(yùn)行，快速焊接。為防止在450～850℃之間因停留時(shí)間長(zhǎng)而出現(xiàn)晶間腐蝕，應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度，必要時(shí)采取強(qiáng)制冷卻措施。多層焊時(shí)，每層要清渣，嚴(yán)格控制層間溫度，等前道焊縫冷卻后，再焊接下層。

（4）國(guó)內(nèi)外焊接要求對(duì)比 殺菌鍋制造過(guò)程中國(guó)內(nèi)外對(duì)設(shè)備A類、B類焊縫要求一樣，都要求全焊透，主要差別在C類和D類焊縫上。由于殺菌鍋在實(shí)際應(yīng)用中工作壓力較小，國(guó)內(nèi)殺菌鍋經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐證明，大部分C類和D類焊縫對(duì)于坡口和焊縫余高要求不大，尤其是封頭與封頭法蘭，筒體與榫槽法蘭，筒體與盲板，盲板板厚70mm。其中封頭法蘭，筒體與榫槽法蘭為密封裝置，對(duì)于焊接變形要求最為嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)殺菌鍋制作過(guò)程中基本以不開坡口或開小坡口為主，并且角焊縫部分焊腳較小，且焊后經(jīng)機(jī)加工圓滑過(guò)渡，基本沒(méi)有焊縫高度；筒體與盲板焊接也是如此。這樣做的好處是將焊接變形量控制在最小值，不僅保證了殺菌鍋的密封性，還大大提高了殺菌鍋的美觀。但是，ASME對(duì)焊縫坡口與焊縫余高要求都很嚴(yán)格，尤其是上述三個(gè)焊接位置，余高都要求大于等于板厚。我公司生產(chǎn)第一批國(guó)外殺菌鍋時(shí)由于經(jīng)驗(yàn)不足，焊完之后變形嚴(yán)重，密封裝置密封性不好，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間修磨才達(dá)到要求。另外，應(yīng)注意盲板與筒體焊接時(shí)筒體也收縮嚴(yán)重。

（5）焊接工藝改進(jìn) 經(jīng)過(guò)第一次失敗之后，對(duì)焊接工藝進(jìn)行了改進(jìn)。為防止焊接變形嚴(yán)重，增加了水冷系統(tǒng)。殺菌鍋制作過(guò)程中采用了SMAW、GTAW、SAW多種焊接方法，但是水冷過(guò)程差別不大，都是在打底焊完成后，后面焊接操作均在焊縫背面利用水冷系統(tǒng)噴水冷卻。水冷系統(tǒng)外置，單獨(dú)使用，主要包括一件小型循環(huán)泵，一個(gè)長(zhǎng)方形水箱，一端封閉且長(zhǎng)度可以增減的無(wú)縫鋼管，鋼管上的數(shù)根金屬軟管，以及每根金屬軟管上的水量調(diào)節(jié)閥。系統(tǒng)雖然簡(jiǎn)單，但是想要控制好不易。首先水的回收主要根據(jù)水往低處流的特點(diǎn)，合理輕微改變殺菌鍋高度差。其次是金屬軟管出水量一定要控制在水流既不能過(guò)多形成飛濺，又不能過(guò)少失去冷卻作用，這都需要實(shí)際工作中的經(jīng)驗(yàn)摸索。

圖1 殺菌鍋

水冷焊工藝特點(diǎn)：①提高施焊效率。水冷焊時(shí)焊接電流可比非水冷焊時(shí)提高10%～30%，并且由于冷速很快，電弧過(guò)后熔池很快冷凝，接頭溫度很快下降，所以可連續(xù)進(jìn)行焊接，不必考慮道間溫度過(guò)熱的影響。②提高焊接質(zhì)量。由于冷速較大，熔池過(guò)熱程度小，使得晶粒細(xì)密，同時(shí)焊接殘余應(yīng)力小，從而提高了焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕能力，保證了設(shè)備的使用壽命。③施焊時(shí)操作難度較大，由于冷速較大，熔池很快冷凝，所以在操作上與一般焊接有所不同，焊工在正式焊接前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練。另外，對(duì)于水溫以及水量也有一定要求，水溫一般控制在10～40℃。

2.焊接試驗(yàn)參數(shù)

由于殺菌鍋使用焊接方法較多，不能全部試驗(yàn)，故選取較為重要的A類焊縫試驗(yàn)，焊接工藝為SMAW打底，SAW填充蓋面，背面等離子氣刨后自動(dòng)焊蓋面的工藝。均選用φ3.2mm的焊條、焊絲。具體焊接參數(shù)如附表所示。

3.試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）外觀檢測(cè) 焊縫外觀成形美觀，焊縫寬度及高度合適，無(wú)表面裂紋、咬邊、表面氣孔等焊接缺陷。

（2）無(wú)損檢測(cè) 根據(jù)ASME BPVC－V－2015《無(wú)損檢測(cè)》。經(jīng)檢驗(yàn)焊件全部合格。

（3）力學(xué)性能檢測(cè) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVC－IX－2015《焊接、釬接和粘接評(píng)定》切取兩個(gè)拉伸試樣、兩個(gè)面彎試樣和兩個(gè)背彎試樣。結(jié)果顯示斷裂位置全部位于母材，塑性斷裂，抗拉強(qiáng)度平均值分別為800MPa和820MPa，滿足ASME BPVCII－2015 A篇技術(shù)要求（抗拉強(qiáng)度≥515MPa），相比較同等焊接參數(shù)下不用水冷焊接試樣抗拉強(qiáng)度平均值分別為700MPa和680 MPa，抗拉強(qiáng)度增加。彎曲結(jié)果表明在焊縫及熱影響區(qū)均未產(chǎn)生任何裂紋，全部合格。

（4）其他檢測(cè) 金相檢測(cè)：從圖2焊縫組織金相照片可以看出，無(wú)論是水冷焊接還是空冷焊接，焊縫組織基體均為奧氏體，同時(shí)有少量的鐵素體析出。水冷焊縫晶粒相對(duì)細(xì)密，這也是水冷拉伸試驗(yàn)比空冷拉伸試驗(yàn)拉伸強(qiáng)度高的原因。

晶間腐蝕試驗(yàn)：試樣在硫酸-硫酸銅溶液中微沸16h，彎曲角度180°，彎曲后的試樣在10倍放大鏡下觀察，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋。

焊接參數(shù)表

圖2 焊縫組織金相照片

4.結(jié)語(yǔ)

（1）采用水冷焊接方式可以完美解決殺菌鍋焊接變形問(wèn)題，保證了殺菌鍋的密封性與外觀美觀。

（2）通過(guò)大量的試驗(yàn)和工程應(yīng)用實(shí)踐證實(shí)，奧氏體不銹鋼的水冷焊是一種確保焊接接頭質(zhì)量比較好的焊接工藝方法，為公司取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（3）殺菌鍋水冷焊焊接效率大大提高，原來(lái)每個(gè)焊縫都要等到道間溫度冷卻到150℃以內(nèi)再進(jìn)行后續(xù)焊接工作，焊接效率極低。

（4）金相試驗(yàn)結(jié)果表明：焊縫組織基體為奧氏體，同時(shí)有少量的鐵素體析出；但是水冷焊晶粒相對(duì)細(xì)密，力學(xué)性能更加優(yōu)異。

（5）無(wú)論是國(guó)內(nèi)殺菌鍋還是ASME殺菌鍋，水冷焊接都可以保證焊縫質(zhì)量。