大型食品薄壁不銹鋼儲(chǔ)罐對(duì)焊工藝研究

方冬平

上海雙木散熱器制造有限公司，中國(guó)·上海 201499

1 引言

大型工業(yè)食品類(lèi)不銹鋼薄壁儲(chǔ)罐，用于流體食品儲(chǔ)存、發(fā)酵、攪拌和添加。材質(zhì)通常使用奧氏體不銹鋼304 或316L。由于體積在200～1000m3之間，壁厚為3～6mm。制造時(shí)，由于內(nèi)外部空間阻隔，每批產(chǎn)品規(guī)格不盡相同，如果采用單面焊雙面成型，奧氏體不銹鋼焊接背面保護(hù)不容易實(shí)現(xiàn)，制造成本大幅提高[1]。因此，雙面同時(shí)對(duì)焊焊接工藝就是最先被考慮的一種方法，這種工藝方法成本低、操作靈活，適合食品行業(yè)大型薄壁不銹鋼罐焊接和建造[2]。

2 保證焊接工藝的實(shí)用性

因?yàn)楸”诓讳P鋼罐子雙面同步焊接，罐子內(nèi)外側(cè)各一名氬弧焊工。需要兩側(cè)有經(jīng)驗(yàn)的焊工同時(shí)進(jìn)行，外側(cè)（正面）氬弧焊工加絲，內(nèi)側(cè)（反面）氬弧焊工不加絲，確保同步焊接，反面才能起到有效的保護(hù)，焊縫背面不被氧化[3]。因此兩位焊工操作時(shí)必須保證速度一致，均勻細(xì)致地施焊。不銹鋼焊接時(shí)熱輸入量需要嚴(yán)加控制，由于對(duì)焊熱量疊加、溫度很容易上升，為了確保接頭性能滿足要求，所以在焊接時(shí)電流不宜過(guò)大，焊接速度不能過(guò)慢[4]。

3 焊接工藝模擬驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證試件母材及焊材

為了驗(yàn)證實(shí)際產(chǎn)品（見(jiàn)圖1）焊接場(chǎng)景，我們采用模擬試板（見(jiàn)圖2）來(lái)驗(yàn)證該工藝的有效性。選用同樣的兩塊鋼板，牌號(hào)為SA-240-304、壁厚6mm，長(zhǎng)度300mm、寬度150mm。沿著長(zhǎng)邊方向加工一個(gè)單V 型坡口，鈍邊為2mm～3mm、角度為60°～75°的坡口，坡口朝外側(cè)。焊接材料選用5根實(shí)心直條焊絲型號(hào)SFA-5.9 ER308、直徑2.4mm、長(zhǎng)1000mm。兩瓶純氬，純度為99.99%Ar。為了模擬實(shí)際產(chǎn)品，阻斷兩側(cè)焊工，另外準(zhǔn)備了四塊厚度為6mm 擋板：兩塊300mm×300mm，兩塊300mm×900mm。

圖1 不銹鋼罐筒體示意圖

圖2 焊接試板詳圖

3.2 模擬驗(yàn)證采用設(shè)備

兩臺(tái)手工氬弧焊機(jī)，便攜式紅外線測(cè)溫儀，焊縫檢驗(yàn)專(zhuān)用量尺，射線探傷機(jī)，拉伸、彎曲兩用試驗(yàn)機(jī)，沖擊擺錘試驗(yàn)機(jī)，工業(yè)金相顯微鏡。

3.3 采用的焊接成型工藝

焊接方法采用手工氬弧焊，焊接關(guān)鍵參數(shù)列表（見(jiàn)表1）如下記錄所示。焊層一共有三層，每層的厚度為2mm。第1層和第2 層是兩位焊工同時(shí)施焊的，所以焊接電流實(shí)際上比較小，正面電流為80A、背面電流為60A，焊接速度保持同步為55mm/min，正面熱輸入量為0.628kJ/mm，背面熱輸入量為0.471kJ/mm，總的熱輸入為1.008J/mm，熱輸入量不算高，焊接過(guò)程中檢測(cè)的層間溫度為135℃左右。由于前面兩層已經(jīng)完成，故第3 層一位焊工從正面填絲焊接即可，電流為110A，焊接速度保持同步為50mm/min，熱輸入量為1.008kJ/mm，焊接過(guò)程中檢測(cè)的層間溫度為120℃左右。所有焊接工藝不用預(yù)熱和后熱，焊接位置全部采用橫焊位置，無(wú)需焊后熱處理。

4 檢驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 外觀檢驗(yàn)和無(wú)損探傷

4.1.1 外觀焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

外觀檢測(cè)是一種簡(jiǎn)便而又廣泛應(yīng)用的檢驗(yàn)方法。外觀檢測(cè)包括接頭外形尺寸的檢查和目視檢查（Visual Test，縮寫(xiě)VT），合格標(biāo)準(zhǔn)按ISO 5817 缺欠質(zhì)量等級(jí)和ISO 6520-1 定義，符合ISO 15614 質(zhì)量等級(jí)要求。經(jīng)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊滿、表面氣孔、咬邊、焊瘤、燒穿等缺陷，焊縫余高、錯(cuò)邊都未超標(biāo)，外觀檢測(cè)合格。

4.1.2 表面著色檢驗(yàn)

常用表面檢測(cè)有兩種：磁粉和著色檢測(cè)。磁粉適用于鐵磁材料，奧體不銹鋼只能選用著色檢測(cè)。著色檢測(cè)（Penetrant Test，縮寫(xiě)PT）是利用毛細(xì)現(xiàn)象使?jié)B透液滲入焊縫或者母材表面的缺欠中去，等充分滲透后，通過(guò)擦除多余的滲透劑，最后噴涂顯像劑讓缺欠充分地顯露出來(lái)的一種檢測(cè)手段。經(jīng)過(guò)PT 檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。

4.1.3 內(nèi)部焊接質(zhì)量檢測(cè)

通常焊縫射線和超聲波檢測(cè)是一個(gè)非常有效的手段。根據(jù)這個(gè)產(chǎn)品試樣的材質(zhì)和厚度，采用射線檢測(cè)很適合。射線檢測(cè)（Radiographic Test，縮寫(xiě)RT）是利用射線透照焊接接頭檢查內(nèi)部缺欠的無(wú)損檢測(cè)方法[5]。我們利用X 射線對(duì)整條焊縫進(jìn)行探傷，整條焊縫焊接均勻，內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透、未熔合、氣孔、等內(nèi)部缺欠。

4.2 破壞性檢測(cè)

按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，針對(duì)焊接接頭破壞性測(cè)試要做兩根拉伸，四根彎曲試驗(yàn)，兩組沖擊試驗(yàn)，一組金相試驗(yàn)。

4.2.1 拉伸檢測(cè)

拉伸檢測(cè)能夠有效地檢測(cè)材料接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率。拉伸試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)ISO4136 制備了標(biāo)準(zhǔn)試樣并按規(guī)范進(jìn)行測(cè)試：第一根試樣有效段厚度為5.97mm，寬度為24.92mm，極限載荷為93.84kN,拉伸強(qiáng)度為629MPa；第二根試樣有效段厚度為5.93mm，寬度為25.05mm，極限載荷為94.51kN,拉伸強(qiáng)度為638MPa。

4.2.2 彎曲檢測(cè)

彎曲試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，壁厚小于12mm 的試樣推薦取用兩根面彎和兩根背彎，按ISO5173 進(jìn)行制樣并進(jìn)行試驗(yàn)。彎徑為4 倍的名義壁厚即24mm，彎曲角度為180°。

4.2.3 沖擊檢測(cè)

沖擊試驗(yàn)按照ISO 9016 加工試樣和性能測(cè)試，采用V 型缺口夏比沖擊。共兩組，每組3 個(gè)試樣,尺寸為5mm×10mm×55mm。一組測(cè)試焊縫沖擊值，另一組測(cè)試熱影響區(qū)沖擊值。經(jīng)過(guò)測(cè)試焊縫平均沖擊值為85J/cm2,熱影響區(qū)平均沖擊值達(dá)到94J/cm2。

4.2.4 金相檢測(cè)

宏觀金相按照ISO 17639 的規(guī)定進(jìn)行制備和侵蝕，焊道、熔合線、熱影響區(qū)清晰可見(jiàn)，根據(jù)ISO5817 的B 級(jí)進(jìn)行驗(yàn)收，未發(fā)現(xiàn)宏觀缺欠。進(jìn)一步微觀金相檢測(cè)，母材組織為奧氏體加少量鐵素體，熱影響區(qū)組織同樣為奧氏體加少量鐵素體，焊縫組織全部為奧氏體。

4.3 結(jié)果分析

外觀檢測(cè)焊縫表面焊縫均勻，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺欠，可初步判斷焊接質(zhì)量合格，焊縫顏色偏暗灰色，說(shuō)明焊縫表面金屬有一定的氧化現(xiàn)象，但對(duì)焊縫質(zhì)量影響不大。著色滲透檢測(cè)能夠有效識(shí)別焊縫表面比較隱蔽的開(kāi)口缺欠，甚至肉眼無(wú)法識(shí)別的細(xì)小缺陷，通過(guò)著色檢測(cè)能一目了然的看清楚是否有缺欠存在，檢驗(yàn)下來(lái)未發(fā)焊縫不良。X 光射線檢測(cè)在工業(yè)產(chǎn)品探傷中應(yīng)用非常廣泛，特別適合本類(lèi)型產(chǎn)品的內(nèi)部缺欠檢測(cè)，檢驗(yàn)結(jié)果能夠清楚反應(yīng)在底片上，試樣內(nèi)部檢測(cè)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺欠，這種檢測(cè)手段對(duì)本產(chǎn)品檢測(cè)非常重要，后面實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)適當(dāng)采用該檢測(cè)方法。

力學(xué)性能是對(duì)金屬接頭的一項(xiàng)綜合測(cè)試，能夠正確判斷該接頭是否達(dá)到母材的關(guān)鍵性能，以滿足實(shí)際產(chǎn)品的質(zhì)量要求。其中拉伸是最重要的指標(biāo)之一，樣品的常溫拉伸各項(xiàng)數(shù)據(jù)達(dá)到母材規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，完全滿足強(qiáng)度要求。彎曲試驗(yàn)也是一種常用的力學(xué)性能檢測(cè)方式，理論上試樣一側(cè)受壓一側(cè)受拉，表面正應(yīng)力最大，很容易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，試樣采用面彎和背彎均無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，彎曲力學(xué)性能指標(biāo)良好。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)，選取的沖擊溫度為0℃，焊縫和熱影響區(qū)沖擊值遠(yuǎn)大于27J/cm2指標(biāo)，證明了接頭韌性良好。

金相檢測(cè)包括宏觀金相和微觀金相檢測(cè)。宏觀金相能夠清晰看到焊縫的宏觀結(jié)構(gòu)，證明了嚴(yán)格按照預(yù)定的焊接方案進(jìn)行正確的焊接，程序有序正確。微觀金相母材組織是均勻的奧氏體加少量鐵素體，組織結(jié)構(gòu)正常；熱影響區(qū)奧氏體晶粒均勻，少量鐵素體，無(wú)脆化相析出；焊縫組織全部為奧氏體，晶粒比較均勻。接頭金相組織整體均勻，組織無(wú)異常，整個(gè)接頭的性能理想[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)食品行業(yè)大型薄壁不銹鋼罐焊接難題，通過(guò)采用雙面手工氬弧焊對(duì)焊的方式，解決了傳統(tǒng)工藝不銹鋼筒體背面充氬保護(hù)或者采用專(zhuān)用保護(hù)工裝繁瑣的難題，雙面對(duì)焊可以使焊縫一次成型，提高了焊接效率。通過(guò)模擬焊接證明了雙面對(duì)焊適用于該大型薄壁不銹鋼罐。驗(yàn)證材料、坡口和工藝參數(shù)都做了詳盡記錄，為后續(xù)產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)提供了直接依據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明焊縫外觀成型良好，無(wú)損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，工藝條件滿足要求。通過(guò)力學(xué)性能檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)焊接接頭強(qiáng)度高于母材規(guī)定值，抗正應(yīng)力性能良好，接頭沖擊韌性滿足要求。金相檢測(cè)接頭焊接成型良好，金屬組織均勻無(wú)不良金相。整個(gè)焊接接頭各項(xiàng)指標(biāo)良好，反應(yīng)所用工藝得當(dāng)，能夠使用于實(shí)際產(chǎn)品。最終產(chǎn)品罐體通過(guò)水壓測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)泄漏，焊接質(zhì)量合格。

模擬驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)焊縫表面有氧化物存在，雖然不影響焊縫性能。做產(chǎn)品時(shí)焊接氣體流量可適當(dāng)加大，確保焊縫表面保護(hù)充分，改善外觀質(zhì)量。實(shí)際產(chǎn)品制造過(guò)程中加強(qiáng)外觀和無(wú)損檢測(cè)，按批次適當(dāng)設(shè)置縱縫焊接是試板，及時(shí)監(jiān)控焊接質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，新焊工嚴(yán)格按要求進(jìn)行能力測(cè)試，長(zhǎng)焊縫應(yīng)采用分段對(duì)稱(chēng)焊的形式進(jìn)行焊接，防止熱力集中，層間溫度不要超過(guò)150℃。