鉚接工藝對鍍鋅板抗腐蝕性影響試驗研究*

龔永路，陳建平，劉 俊

（1.佛山市煒德利模具有限公司，廣東佛山 528329；2.佛山職業(yè)技術學院智能制造學院，廣東佛山 528317）

0 引言

壁掛式燃氣采暖爐（燃氣采暖熱水爐），是一種以煤氣或天然氣為能源，既能用于集中供暖又可用于提供生活熱水的家用設備[1]。以水為熱傳遞媒介，燃燒燃氣產(chǎn)生熱量通過主熱交換器將燃燒煙氣中的大部分熱量傳遞換熱，采用散熱片、地暖盤管和風機盤管等作為散熱末端供暖并提供生活熱水。通過熱交換器后的煙氣溫度顯著降低，在風機的作用下經(jīng)由排煙管排向室外。在燃氣采暖熱水爐產(chǎn)品使用周期質(zhì)量跟蹤反饋中，發(fā)現(xiàn)鍍鋅板材質(zhì)的集煙罩中焊接連接位置存在明顯腐蝕情況。集煙罩在燃氣采暖熱水爐中位置如圖1所示，集煙罩將已通過主熱交換器的煙氣進行集中，之后在風機作用下進入排煙管。已產(chǎn)生腐蝕的集煙罩連接處經(jīng)輕微受力或震動即可產(chǎn)生分離，后續(xù)脫離將存在煙氣泄漏等安全隱患。以某型號燃氣采暖熱水爐鍍鋅板集煙罩為例，其結(jié)構如圖2所示。經(jīng)分析，集煙罩采用的材料為0.8 mm厚鍍鋅板，左側(cè)板、底板、蓋板、右側(cè)板組成集煙罩，各零件前期通過剪板機開材料、模具落料沖孔、折邊、成型沖壓完成，后續(xù)通過電阻點焊進行組裝連接。進一步分析腐蝕原因，對電阻點焊連接工藝制造的集煙罩進行外觀檢查，圖3所示為同一區(qū)域經(jīng)過多次點焊的外觀質(zhì)量，存在有明顯的氧化痕跡，對材料表面的鍍鋅層產(chǎn)生了一定程度的破壞。對于鍍鋅板在燃氣燃燒煙氣產(chǎn)物環(huán)境中的耐腐蝕研究較少，且燃氣燃燒煙氣成分較復雜，為解決燃氣采暖熱水爐集煙罩電阻點焊處經(jīng)長時間使用后存在明顯腐蝕的問題，根據(jù)集煙罩的使用環(huán)境及條件進行了功能分析，擬采用不同鉚接工藝以期進一步優(yōu)化，杜絕因燃燒煙氣泄漏而導致安全隱患，具有良好的經(jīng)濟效益和社會意義。

圖1 燃氣采暖熱水爐典型結(jié)構示意

圖2 集煙罩產(chǎn)品

圖3 集煙罩點焊區(qū)域外觀狀況

1 鍍鋅板集煙罩的功能要求

燃氣采暖熱水爐工作時需要將燃氣與空氣進行合理配比進行點火燃燒，熱交換器將燃燒后的高溫煙氣與管路中冷水進行熱量交換，以實現(xiàn)管路中水的溫度提升。燃氣燃燒后的高溫煙氣依次通過燃燒器、熱交換器、冷凝器和集煙罩，再通過排煙管排至室外。為了實現(xiàn)熱交換器換熱效率與使用壽命均衡以及引導高溫煙氣的排出，通常設置風機將多次回繞的煙氣沿著制定管路排出，采用鍍鋅板材質(zhì)的集煙罩是煙氣通道中的重要環(huán)節(jié)之一。

燃燒的高溫煙氣在經(jīng)過熱交換器和冷凝器之后，煙氣溫度明顯下降，到集煙罩附近可降低至100℃以下。當燃燒所產(chǎn)生的煙氣接觸材料表面溫度低于煙氣露點時即產(chǎn)生冷凝水。理想的煙氣冷凝液應該為純水[2]。實際冷凝液成分與燃氣成分及煙氣通道接觸的材料有關，而實際燃氣燃燒煙氣和冷凝水成分均頗為復雜。天然氣的主要成分是甲烷，根據(jù)其來源，其還可能含有C2+碳氫化合物、N2、CO2、He、H2S和惰性氣體[3]。浙江大學的高英等[4]使用拉曼光譜分析方法分析天然氣成分，指出天然氣是由占比達到90%以上的甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮氣、氫氣、一氧化碳和未知的C4以上烷烴組分經(jīng)脫硫脫水處理后組成。根據(jù)目前天然氣和液化石油氣工藝水平和國家技術標準，均允許含有一定質(zhì)量濃度的H2S，其技術要求如表1所示。H2S在空氣配比不同的燃燒過程中便會生成SO2和SO3或者其二者的混合物。H2S燃燒產(chǎn)物與水蒸氣反應生成汽態(tài)硫酸。當煙氣溫度下降，冷凝成硫酸液霧，貼附在煙氣通道表面上便產(chǎn)生強烈腐蝕，生成腐蝕產(chǎn)物硫酸鹽。天然氣在燃燒過程中還會生成氮氧化物NO和NO2。氮氧化物中占比約5%～10%的NO2溶于水生成硝酸。天然氣與空氣中還含有微量的氯化物和氟化物，在燃燒過程中分解而生成鹽酸與氫氟酸，與水蒸氣融合后將產(chǎn)生腐蝕性較強的混合性腐蝕液。燃燒煙氣中的酸性氣體CO2、NO、NO2、SO3以及氯離子與氟離子等在氣態(tài)下不具有腐蝕性，但溶于冷凝水中便生成碳酸、硝酸、硫酸、鹽酸與氫氟酸的稀酸性混合溶液[5]。根據(jù)以上分析，燃氣燃燒產(chǎn)生產(chǎn)物部分會溶解在冷凝水中，冷凝水中主要含有硫酸鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽、碳酸氫鹽和酸。冷凝水的特性較復雜，且各組分和濃度在一定區(qū)間范圍內(nèi)存在變化。當冷凝水干燥時，其酸濃度會增加，腐蝕性會更強[6]。由于硝酸和硫酸的存在，冷凝水對煙氣通道所接觸的面產(chǎn)生腐蝕，從而降低其連接強度，縮短其使用壽命，最終影響產(chǎn)品的安全性能。

表1 天然氣和液化石油氣部分技術要求部分[7-8]

在冷凝水存在的區(qū)域發(fā)生的腐蝕主要是電化學腐蝕[5]。電化學腐蝕回路由部分構成陽極、陰極、電解質(zhì)溶液和外電路。電解質(zhì)溶液為酸性或中性水溶液，電子從陽極金屬經(jīng)由外電路流向陰極金屬，氫離子在陰極吸收電子形成氫氣，陽極金屬失去電子生成金屬離子，直接造成金屬破壞。因此，對材料進行適當?shù)谋砻嫣幚?，可有效延長材料的防腐性能而延長使用壽命。燃氣采暖熱水爐集煙罩采用的是0.8 mm厚的鍍鋅板。鍍鋅板是在熱軋或者冷軋的基板上增加鍍鋅層，覆蓋基板隔絕空氣，鋅與氧反應，形成致密的氧化膜，隔絕空氣和水分，防止氧化。印度塔塔鋼鐵公司研究中心的A K Singh等[9-10]借助掃描電子顯微鏡，能量色散X射線分析技術對鍍鋅板進行了詳細的微觀結(jié)構分析，進行了大氣氧化試驗、鹽霧試驗和二氧化硫試驗，以研究具有不同微觀結(jié)構的鍍鋅樣品的耐腐蝕性能，其研究表明，鍍鋅板表面完整其具有良好的耐腐蝕性能。鍍鋅板在加工、安裝、使用中，表面發(fā)生劃傷或其他原因使鍍層遭到局部破壞，基板將暴露在環(huán)境之中，鍍鋅板表面的鋅較基板中的鐵更為活潑，首先充當陰極，轉(zhuǎn)化為鋅離子，保護裸露鋼材不受腐蝕，使材料整體腐蝕速度得以延緩。在冷凝水酸性溶液中，煙氣中的氮氧化物和氧化物等酸性氣體與水蒸氣生成進行電化學腐蝕時所需要的氫離子，將顯著提升基板的腐蝕速度。

2 鍍鋅板集煙罩的連接工藝

根據(jù)燃氣采暖熱水爐國家標準[11]中對集煙罩的功能分析及耐腐蝕性能要求，表面完整未破損的鍍鋅板可以抵御冷凝水較長時間的腐蝕。對于集煙罩各零件通過電阻點焊工藝進行組裝連接時，所形成的熔核對鍍鋅板表面的完整性存在一定程度的破壞，故而導致在集煙罩長時間工作期間被冷凝水所腐蝕。在產(chǎn)生嚴重腐蝕后或?qū)е虏糠诌B接強度下降甚至脫落。結(jié)合以上原則分析，以長時間可承受冷凝水的腐蝕性為原則初步確定集煙罩優(yōu)化方案。在不改變集煙罩各零件之間的連接關系，須盡可能地不破壞鍍鋅板鍍層的完整性，可采用拉鉚和TOX鉚接工藝。連接方案及器優(yōu)缺點如表2所示，經(jīng)分析與比較，采用拉鉚和TOX鉚接進行工藝優(yōu)化對提升集煙罩的質(zhì)量與效益更具有優(yōu)勢，確定為備選優(yōu)化方案。

表2 連接方案及其優(yōu)缺點

集煙罩原工藝方案經(jīng)由電阻點焊連接進行組裝。焊接工藝先由左側(cè)板與集煙罩蓋板左邊邊緣定位后點焊連接，再將右側(cè)板與集煙罩蓋板右邊邊緣定位后進行點焊，最后將集煙罩底板裝入集煙罩蓋底部并點焊。整個裝配及連接過程不斷更換位置并準確定位后方可點焊，焊點共20處，完成單件集煙罩的點焊連接用時為40～60 s。

為實現(xiàn)有效連接而不破壞鍍鋅板鍍層的完整性，兼顧連接效率，同時不采用耐腐蝕性能更佳優(yōu)良的材料而增加產(chǎn)品成本，采用鋁合金開口型扁圓頭抽芯鉚釘?shù)睦T連接工藝和TOX鉚接工藝進行和對比性試驗。TOX鉚接工藝它借助了機械擠壓原理，促進板材流動，形成鉚點，進而可靠地連接了板材[12]。拉鉚和TOX鉚接工藝連接結(jié)構示意圖如圖4所示。采用拉鉚工藝的零件必須預制鉚釘安裝孔，因此可直接采用預制的鉚釘孔進行定位。安裝拉鉚釘后即可采用拉鉚槍開始逐個作業(yè)，連接的效率和連續(xù)作業(yè)便利性主要由裝配及連接順序所影響。采用TOX鉚接工藝對設備要求更為復雜。鑒于集煙罩的結(jié)構組成，集煙罩蓋板與左、右側(cè)板等3個零件組裝后將整個鉚接工作臺進行包裹，無法為鉚接連接進行有效定位。同時，集煙罩底板本身具有倒扣結(jié)構，必須要有足夠的內(nèi)部空間給予退料，故而煙罩蓋板與左、右側(cè)板同時鉚接無法實現(xiàn)。由分析可知，鉚接工藝需改進制作4臺專用的鉚接機，用以分別實現(xiàn)集煙罩蓋板與左、右側(cè)板兩個方向，集煙罩底板與左、右側(cè)板的鉚接。鉚接設備搭載了用于壓緊待連接板料的氣缸，并采用電磁閥作為定位裝置，最終由控制系統(tǒng)實現(xiàn)連接作業(yè)。

圖4 鉚接工藝結(jié)構示意圖

集煙罩的組裝及鉚接順序是把集煙罩蓋板右邊與右側(cè)板鉚接，然后翻轉(zhuǎn)集煙罩蓋板左邊與左側(cè)板鉚接，之后再將左、右側(cè)板與集煙罩底板分別鉚接。采用鋁合金開口型扁圓頭抽芯鉚釘進行拉鉚工藝的裝配過程采用預制的鉚釘孔進行定位。采用TOX鉚接工藝裝配及連接生產(chǎn)過程采用零件邊緣定位，均較為準確，質(zhì)量可控。采用電阻點焊、拉鉚、TOX鉚連接工藝生產(chǎn)的集煙罩整體外觀情況如圖5所示，鉚接點外觀如圖6所示。就生產(chǎn)效率而言，拉鉚工藝工時與電阻點焊相近，而TOX鉚接工藝完成單件集煙罩的工時降低至8 s，顯著提高了生產(chǎn)效率，因無明顯污染物產(chǎn)生，故而降低環(huán)境通風要求，更為環(huán)保。

圖5 不同連接工藝條件下集煙罩外觀

圖6 集煙罩連接點外觀

3 腐蝕試驗與分析

為了驗證燃氣采暖熱水爐采用拉鉚工藝和TOX鉚接工藝集煙罩對其工作過程所產(chǎn)生的冷凝水的耐腐蝕性能，以國家標準GB/T 24195-2009《金屬和合金的腐蝕酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤”條件下的循環(huán)加速腐蝕試驗》設計集煙罩的鹽霧加速試驗[13]。試驗調(diào)節(jié)鹽霧試驗箱溫度設置為35℃，采用往質(zhì)量分數(shù)5%的中性氯化鈉溶液中，添加12 mL分析純硝酸溶液和17.3 mL分析純硫酸溶液，采用質(zhì)量分數(shù)10%的氫氧化鈉溶液進行PH值調(diào)整至3.5±0.1。試驗其他主要工藝參數(shù)如表3所示，連續(xù)噴酸性鹽溶液2 h，后續(xù)經(jīng)干燥條件4 h，再經(jīng)過濕潤條件2 h，分別經(jīng)過6、30個循環(huán)，即48 h、240 h酸性鹽霧試驗。試驗結(jié)束后，集煙罩在室溫環(huán)境中自然風干1 h，而后采用干凈清水緩緩沖洗集煙罩表面殘留鹽溶液，清洗后在距離約400 mm處采用壓縮空氣進行吹干，觀察集煙罩外觀，特別是連接處的腐蝕狀況。

表3 酸性鹽霧試驗工藝參數(shù)

3種不同連接工藝的集煙罩經(jīng)過48 h酸性鹽霧試驗后，板材剖切邊緣都產(chǎn)生了氧化現(xiàn)象，而集煙罩板材連接處僅采用電阻點焊工藝產(chǎn)生了一定程度的腐蝕，如圖7（a）所示。熔核及附近產(chǎn)生明顯的氧化銹跡，而采用鋁合金開口型扁圓頭抽芯鉚釘和TOX鉚接工藝的連接處均未出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，如圖7（b）（c）所示。在240 h酸性鹽霧試驗后，電阻點焊連接處腐蝕程度加劇，如圖8（a）所示；而采用抽芯鉚釘連接工藝的連接處附近出現(xiàn)了明顯腐蝕現(xiàn)象，抽芯鉚釘表面沒有明顯氧化，如圖8（b）所示。究其原因是沖制抽芯鉚釘安裝所需預制孔，破壞了其表面完整性，基材暴露而被氧化腐蝕。采用TOX鉚接工藝在經(jīng)240 h酸性鹽霧試驗后仍未出現(xiàn)明顯氧化，如圖8（c）所指示。

圖7 集煙罩48 h后酸性鹽霧試驗后外觀

圖8 集煙罩240 h后酸性鹽霧試驗后外觀

經(jīng)過對比試驗初步結(jié)果可知，電阻點焊連接工藝熔核附近首先出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，其抗腐蝕性能低于拉鉚工藝和TOX鉚接工藝。集煙罩連接采用TOX鉚接工藝因鍍鋅板表面鍍層較為完整，其抗腐蝕性能在三者中最佳。為進一步驗證采用TOX鉚接工藝集煙罩連接處的抗腐蝕性能，并且貼近燃氣采暖熱水爐的工作實際，對集煙罩同款燃氣采暖熱水爐進行1 000 h加速壽命試驗。與采用電阻點焊和拉鉚工藝比較，根據(jù)試驗結(jié)果和產(chǎn)品生產(chǎn)效率，采用TOX鉚接工藝進行集煙罩各零件之間的連接是為優(yōu)選方案。

4 結(jié)束語

本文針對燃氣采暖熱水爐中通過電阻點焊鍍鋅板材質(zhì)的集煙罩，在長期使用過程中存在連接區(qū)域腐蝕脫落隱患。為解決此問題，采用鉚接方式對集煙罩的連接方式進行優(yōu)化。通過加速腐蝕試驗研究發(fā)現(xiàn)，燃氣采暖熱水爐鍍鋅板集煙罩各零件間的連接，采用鋁合金材質(zhì)的開口型扁圓頭抽芯鉚釘進行拉鉚工藝連接和TOX鉚接工藝連接的抗腐蝕性能均好于電阻點焊連接工藝。采用TOX鉚接工藝鍍鋅板連接處表面鍍層未被明顯破壞，試驗表明其連接區(qū)域仍具有較好的抗腐蝕性能，為后續(xù)產(chǎn)品的壽命試驗奠定了良好基礎，也為燃氣采熱水爐以及燃氣熱水器等相類似產(chǎn)品的集煙罩制造工藝提供了更經(jīng)濟可靠的選擇方案。與此同時，為在腐蝕環(huán)境介質(zhì)下使用的鍍鋅板材質(zhì)產(chǎn)品的連接工藝開發(fā)具有廣泛的借鑒意義。