自動(dòng)焊技術(shù)在乳制品生產(chǎn)過(guò)程掃除質(zhì)量盲區(qū)方面的應(yīng)用

文/吳正紅

（山東碧海包裝材料有限公司）

乳制品企業(yè)常常存在一種現(xiàn)象，一條新產(chǎn)品線在前幾年運(yùn)行得非常好，可隨后就經(jīng)常出現(xiàn)一些壞包，而采用管道清洗后得到了改善，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后這種現(xiàn)象又會(huì)出現(xiàn)，很難查出具體問(wèn)題所在。此時(shí)需要注意設(shè)備之間的連接點(diǎn)和網(wǎng)路構(gòu)架上是否存在問(wèn)題。

1 焊點(diǎn)——很小的點(diǎn)，很大的影響

人們常常關(guān)注乳制品企業(yè)是否擁有一臺(tái)好的灌裝機(jī)，一臺(tái)好的殺菌機(jī)，這些知名品牌的設(shè)備能夠保證乳制品達(dá)到較佳的安全指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)。但是往往忽略的是，這些機(jī)器組成的乳制品加工線擁有大量的不銹鋼管路系統(tǒng)，包括許多管、泵、閥，因此將其連接起來(lái)的焊接技術(shù)尤為重要（圖1）。其中，“自動(dòng)焊”技術(shù)可以為乳制品生產(chǎn)過(guò)程掃除質(zhì)量盲區(qū)，成為一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)。

圖1 乳制品企業(yè)擁有大量不銹鋼管路系統(tǒng)

1 個(gè)工程的焊接口有數(shù)萬(wàn)個(gè)，每個(gè)焊點(diǎn)都能成為一個(gè)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。和國(guó)內(nèi)的一些乳制品企業(yè)交流時(shí)發(fā)現(xiàn)，他們常常抱怨一條新的生產(chǎn)線在開始數(shù)年運(yùn)行狀況較好，生產(chǎn)的乳制品品質(zhì)較佳，但是隨后在新廠變?yōu)槔蠌S時(shí)，就經(jīng)常出現(xiàn)一些壞包，在某一季節(jié)如夏季的壞包率很高。因此，工程師們采取管道的CIP清洗或高溫蒸汽清洗，清洗過(guò)的設(shè)備品質(zhì)取得很大的改善，可是在一段時(shí)間后，又會(huì)重復(fù)出現(xiàn)類似問(wèn)題。

其實(shí)，問(wèn)題的根結(jié)點(diǎn)與設(shè)備關(guān)系不大，乳制品企業(yè)都配備很好的設(shè)備，能夠提供品質(zhì)很穩(wěn)定的乳制品。究其原因是在設(shè)備之間的連接點(diǎn)或者管路系統(tǒng)的構(gòu)架上，而這一點(diǎn)實(shí)際上很難排除，很難被發(fā)現(xiàn)。

2 焊接技術(shù)在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上有明確的標(biāo)準(zhǔn)要求

國(guó)內(nèi)乳制品GMP對(duì)設(shè)備之間的連接有很明確的要求（圖2）。比如說(shuō)產(chǎn)品接觸面應(yīng)表面光滑，易于清洗和消毒；食品接觸面應(yīng)平滑、無(wú)凹陷或裂縫，以減少食品碎屑、污垢及有機(jī)物的聚積，這些屬于對(duì)乳制品生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)性要求。

藥品GMP指南上也提到（圖3），由于對(duì)工藝中的關(guān)鍵焊接參數(shù)有更高的要求，軌道自動(dòng)焊接被認(rèn)為是一種首選的管路連接施工方法。焊接后通常采用內(nèi)窺鏡檢查，GMP指南要求如果采用手工焊接，使用內(nèi)窺鏡的檢查比例是100%；而如果使用“自動(dòng)焊”技術(shù)，只需采取20%的抽檢比例。

圖2 國(guó)內(nèi)乳制品GMP要求

圖3 藥品GMP指南-2010版

圖4 惠氏營(yíng)養(yǎng)品要求以制藥的經(jīng)驗(yàn)制造奶粉

之所以提及藥品的要求，是因?yàn)橐曰菔先闃I(yè)蘇州工廠為例（圖4），許多國(guó)際乳制品企業(yè)已經(jīng)秉承了“以制藥的經(jīng)驗(yàn)制造奶粉”的理念。在國(guó)外的一些地區(qū)，消費(fèi)者購(gòu)買奶粉的場(chǎng)所往往是藥店，而不是商超，這就意味著很多乳制品企業(yè)需要按照生產(chǎn)藥品的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范嬰幼兒配方奶粉的生產(chǎn)。

圖5 EHEDG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自動(dòng)焊的要求

圖6 國(guó)家輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求優(yōu)先采用自動(dòng)焊接設(shè)備進(jìn)行焊接

歐盟早在1993年就認(rèn)識(shí)到“自動(dòng)焊”的優(yōu)勢(shì)。歐洲衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)組織（EHEDG）是一個(gè)行業(yè)組織，其制定的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)更高，且同行業(yè)內(nèi)會(huì)比較遵守EHEDG制定的技術(shù)規(guī)范。在《Doc 08 潔凈設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，專門對(duì)焊接、軌道焊接、自動(dòng)焊接提出了具體要求。其要求對(duì)于管道工程而言，首選的方法是自動(dòng)軌道焊接，因?yàn)槠淠軌蚴冀K如一地完成高質(zhì)量焊縫（圖5）。而在其1993年制定的《Doc 09 符合潔凈要求的焊接不銹鋼管》中要求，在安裝過(guò)程中，應(yīng)盡可能地使用軌道焊接，通常認(rèn)為80%～90%的焊接可以由軌道焊接工完成，根據(jù)安裝的等距圖，一定程度的預(yù)計(jì)劃將有助于最大限度地增加軌道焊接的焊縫數(shù)量，難以接近的焊縫應(yīng)盡可能于工廠安裝前在車間完成（圖5）。由此可見，歐洲潔凈設(shè)備早就要求100%實(shí)行“自動(dòng)焊”，盡量避免手工焊接，這樣既可以始終如一地保證產(chǎn)品質(zhì)量，又可以有效減少人為施工過(guò)程中造成的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

在我國(guó)，醫(yī)藥工程施工也廣泛執(zhí)行“自動(dòng)焊”。雖然目前還沒有按照國(guó)標(biāo)要求強(qiáng)制執(zhí)行，但是在醫(yī)藥行業(yè)已經(jīng)普遍采取該操作。2015年，我國(guó)發(fā)布了《食品工業(yè)用不銹鋼管道安裝及驗(yàn)收規(guī)范》輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（圖6），明確標(biāo)出“管子對(duì)管子或管道元件之間組合焊接時(shí)，如位置許可應(yīng)優(yōu)先采用自動(dòng)設(shè)備焊接”。從乳制品行業(yè)看，高質(zhì)量的乳制品離不開好的奶源，也離不開高質(zhì)量的設(shè)備，因此施工工藝是很重要的，但往往受傳統(tǒng)做法的影響而易被忽視。

3 “自動(dòng)焊”技術(shù)與手工焊接的比較

3.1 手工焊后出現(xiàn)滲漏

圖7顯示是國(guó)內(nèi)的某一項(xiàng)目工程，在使用一段時(shí)間后，在焊縫的位置發(fā)生了很嚴(yán)重的腐蝕，出現(xiàn)了漏點(diǎn)，肉眼可見從該處有很細(xì)的水珠流下來(lái)。

3.2 手工焊后出現(xiàn)漏點(diǎn)

圖8是某一工程發(fā)現(xiàn)的焊接漏洞，很明顯是由于在人工焊接施工過(guò)程中因多次焊接或者不熟練操作造成的。

3.3 手工焊后焊縫未滲透，出現(xiàn)焊縫扭曲、焊疤

圖9也是不良焊接的一個(gè)失敗案例。有些焊接在外面看是融合的，沒有問(wèn)題，但是使用內(nèi)窺鏡觀察內(nèi)部，或者把管道剖開取樣看，其內(nèi)部并沒有出現(xiàn)滲透情況，而是存在拼接縫隙問(wèn)題，形成無(wú)法清洗的死角。

有些焊接氧化情況非常嚴(yán)重，已經(jīng)破壞奧氏體不銹鋼本體材質(zhì)的耐腐性、光潔度，易出現(xiàn)滋生細(xì)菌、抗腐蝕性下降的情況，這就是一個(gè)很嚴(yán)重的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，因?yàn)閮?nèi)部始終隱藏著細(xì)菌，不斷滋生的細(xì)菌會(huì)影響很多批次產(chǎn)品的品質(zhì)。

圖7 手工焊接口出現(xiàn)滲漏

圖8 焊道出現(xiàn)漏點(diǎn)

圖9 焊縫未融透等失敗案例

3.4 焊接不合格導(dǎo)致細(xì)菌滋生等問(wèn)題

在焊接不合格的位置，李斯特菌、沙門氏菌反復(fù)污染著產(chǎn)品。這2 個(gè)菌種最小為0.5 μm（圖10），而對(duì)于管道系統(tǒng)的Ra值（表面粗糙度值）國(guó)內(nèi)基本要求在0.5～1.0 μm。這意味著，如果細(xì)菌過(guò)小，不僅會(huì)存在于管道縫隙和焊口中，也會(huì)分布于管路系統(tǒng)的內(nèi)表面。只有把表面打磨得更光滑，使管道系統(tǒng)的Ra值低于細(xì)菌大小，比如達(dá)到0.5 μm時(shí)，細(xì)菌殘留幾率才會(huì)更低。

4 理想的“自動(dòng)焊”要求

理想的“自動(dòng)焊”是無(wú)裂紋或氣孔，無(wú)臺(tái)階、無(wú)錯(cuò)邊，無(wú)內(nèi)部變色或電弧，無(wú)凹陷或凸起，無(wú)夾雜，表面粗糙度不增加，無(wú)相關(guān)的金相變化，無(wú)可見無(wú)咬邊，無(wú)燒穿。

不管是醫(yī)藥級(jí)還是食品級(jí)，焊接都有國(guó)際通用的允收標(biāo)準(zhǔn)。比如《EHEDG Doc 35 食品加工行業(yè)不銹鋼管的衛(wèi)生焊接》中要求，焊縫的凹陷、錯(cuò)邊有15%的允收標(biāo)準(zhǔn)（圖11），扭曲偏差在25%～75%（圖12），這些都有據(jù)可查。

圖13是在“自動(dòng)焊”下焊管內(nèi)外表面的理想焊縫照片，其縫隙是完全融合滲透的，沒有氣孔、沒有臺(tái)階、沒有錯(cuò)邊，沒有夾雜、沒有凸起和凹陷，焊縫的魚鱗片非常均勻，即“自動(dòng)焊”用機(jī)器保證高質(zhì)量焊縫的外觀表現(xiàn)。

5 實(shí)施理想“自動(dòng)焊”的措施

圖10 焊口中容易存在的李斯特菌、沙門氏菌

圖11 焊縫的凹陷、錯(cuò)邊有15%的允收標(biāo)準(zhǔn)

圖12 扭曲偏差的國(guó)際允收標(biāo)準(zhǔn)

圖13 “自動(dòng)焊”下焊管內(nèi)外表面的理想焊縫

首先不論是現(xiàn)場(chǎng)施工，還是工廠預(yù)制，在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，優(yōu)先考慮實(shí)施“自動(dòng)焊”的流程。比如，需要自動(dòng)焊接的管道，一個(gè)工程內(nèi)需要預(yù)制的部位，以及需要在現(xiàn)場(chǎng)完成的部位。其次，需要“自動(dòng)焊”的焊接設(shè)備，以及焊接工藝工程師在現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工作業(yè)。再次，需要注意焊接時(shí)的細(xì)節(jié)操作。

舉例1：焊接的彎頭分為短彎頭、長(zhǎng)彎頭2 種。短彎頭一側(cè)壁厚、一側(cè)壁薄，因?yàn)樵诤附拥倪^(guò)程中上沿和下沿涉及材料的拉伸和堆積，因此上沿和下沿的壁厚應(yīng)存有一定差別。這要求在自動(dòng)焊接或手動(dòng)焊接過(guò)程中，厚的一側(cè)需要更長(zhǎng)的焊接時(shí)間，更慢的速度，供給足夠熱量使其融透；而薄的一側(cè)則需要更少的時(shí)間、熱量，以免造成燒壞或過(guò)度氧化。如果是長(zhǎng)彎頭，其具有一個(gè)直管的部分，可以避免這種薄厚的差異，在自動(dòng)化焊接時(shí)，把軌道焊接頭加持在長(zhǎng)彎頭和焊管處轉(zhuǎn)360°，就會(huì)非常均勻地完成點(diǎn)焊工作。這就是長(zhǎng)彎頭和短彎頭的技術(shù)細(xì)節(jié)區(qū)別（圖14）。

舉例2：焊接氧化是在焊接過(guò)程中，沒有在焊縫的位置填充保護(hù)氣而造成的。焊縫周圍被氧化后，破壞了不銹鋼原有耐腐的晶間組織，在日積月累地使用下，被氧化焊縫析出的碳化物就會(huì)不斷掉落在產(chǎn)品中。無(wú)氣體保護(hù)的焊接情況見圖15。

2019年，某大集團(tuán)乳制品企業(yè)購(gòu)買了一款磁性過(guò)濾器，專門吸附乳制品生產(chǎn)過(guò)程中的一些金屬離子，在使用一段時(shí)間后，磁性過(guò)濾器上吸附了很多黑色金屬顆粒，這些顆粒可以充分被懷疑是焊接不良的管路系統(tǒng)上掉落的碎屑。由于焊接時(shí)沒有填充保護(hù)氣體，造成氧化情況嚴(yán)重，不具備長(zhǎng)時(shí)間抗腐蝕的要求。

圖14 焊接短彎頭、長(zhǎng)彎頭的技術(shù)區(qū)別

圖15 無(wú)氣體保護(hù)的焊接

圖16 無(wú)氣體保護(hù)的焊接

正確的做法是在“自動(dòng)焊”下，焊槍沿著焊縫360°旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在焊縫周圍填充保護(hù)氣體，保證其即使在高溫焊接下，也可以避免外焊縫的氧化；內(nèi)管采用一種堵頭裝置，填充內(nèi)保護(hù)氣，把氧氣排除干凈以避免氧化。

圖16是EHEDG標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)圖譜，描述了氣體含氧量（橫坐標(biāo)為5～300 mg/kg）和焊接時(shí)間（縱坐標(biāo)為5～60 s）對(duì)外部焊接點(diǎn)內(nèi)表面的影響。由此可見，如果使用氬氣進(jìn)行保護(hù)，可以把含氧量控制在很低的范圍內(nèi)，即使焊接時(shí)間很長(zhǎng)，也不會(huì)有很嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象出現(xiàn)。除了歐盟標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)也具有焊接氧化的允收標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)氧化導(dǎo)致的變色要求也是越少越好（圖17）。

6 小結(jié)

通過(guò)在效率、人員技能、品質(zhì)、人工成本、后期維護(hù)成本等方面，對(duì)手工焊和自動(dòng)焊接的比較（表1），可以清晰地看到優(yōu)劣。近幾年，國(guó)家相繼出臺(tái)了一些乳制品相關(guān)政策，包括執(zhí)行最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖称窐?biāo)準(zhǔn)、最嚴(yán)格的質(zhì)量管控、最嚴(yán)厲的處罰和最嚴(yán)肅的問(wèn)責(zé)，這些政策用于規(guī)范乳制品企業(yè)行為。而乳制品企業(yè)要達(dá)到最合要求的生產(chǎn)水平，需要設(shè)備企業(yè)提供達(dá)到國(guó)際水平的先進(jìn)設(shè)備、先進(jìn)工藝和良好的技術(shù)解決方案。“自動(dòng)焊”技術(shù)就在細(xì)節(jié)處理上，可以助力乳制品企業(yè)達(dá)到先進(jìn)的生產(chǎn)水平。

表1 手工焊和自動(dòng)焊接的比較分析

圖17 美國(guó)焊接氧化的允收標(biāo)準(zhǔn)