小型不銹鋼殺菌鍋焊接工藝改進

■ 黃永娜，陳連光，武象，伊曉麗

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殺菌鍋主要應用于食品、醫藥、飲料、化工等行業，是食品加工企業、研究所和大專院校開發新產品或進行殺菌工藝所必須的設備。隨著現代社會的高速發展，人們對食品的衛生、口感要求越來越多，傳統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，公司制作了多臺不同規格不銹鋼殺菌鍋，主要出口美國以及南美市場，下面就多臺小直徑殺菌鍋焊接工藝改進作簡要介紹。

1. 殺菌鍋制造情況

（1）殺菌鍋規格及技術要求 殺菌鍋筒身參數φ500mm×500mm×4mm；材料SA—240—304；設計壓力0.35MPa；設計溫度147℃ ；水壓試驗壓力0.455MPa；介質為水蒸汽。

（2）初始焊接工藝 在焊接殺菌鍋時，筒體直徑較小，且壁厚較薄，優先采用手工鎢極氬弧焊，單面焊雙面成形。焊材選用ER308（φ2.4mm）。由于殺菌鍋筒體兩端為敞開式結構，故分別安裝傳動裝置與旋轉臂裝置，設備內部安裝殺菌籃及蒸汽裝置。背面充氬氣只能先封死兩端，再將氬氣充滿整個筒體，且為防止打底焊道再受熱后氧化，一般焊接填充層第一層時仍然要氬氣保護，這就造成氬氣大量浪費。同時，需將環縫用黏貼紙或其他材料整體密封起來，隨著焊接的進行再將黏貼紙慢慢打開，不僅浪費大量時間，而且效率大大降低。同時，需要特別注意，封頭為冷壓成形，筒體下料長度相對封頭中徑周長增加一個板厚，以抵消封頭焊接過程膨脹量。

（3）改進焊接工藝 將打底焊焊絲改為天泰焊材有限公司生產的自保護藥芯焊絲TGFA—308L（φ2.5mm），填充蓋面不變。不銹鋼自保護藥芯焊絲每千克的價格高于傳統的焊絲三倍左右，單從這個方面講，不銹鋼自保護藥芯焊絲成本明顯偏高。但是，考慮到自保護藥芯焊絲不用氬氣保護，以及打底焊所用焊絲量較少，通過對比幾臺同樣規格殺菌鍋焊接成本，自保護藥芯焊絲成本大大低于普通焊絲，且效率提高三倍以上，使公司生產量大大增加。

（4）打底焊操作要領 藥芯焊絲打底焊難點在于不充氬氣保護且要成形良好，如果方法掌握不當，會出現背面氧化、內凹、生絲、焊瘤及“攪熔池”等現象。采用藥芯焊絲打底焊的工藝特點是保證藥皮滲透到熔池背面，形成致密的保護層，使背面不受氧化，且單面焊雙面成形，焊道冷卻后焊渣自動脫落。基于這些特點宜采用手支撐擺動焊，不宜采用搖擺焊，焊縫間隙應稍微大于焊絲直徑，以利于背面成形。為了最大程度發揮藥芯焊絲打底焊的優點，焊工應熟練掌握焊接方法與技巧。

2. 焊接工藝評定

焊評根據ASME BPVC—IX—2015《焊接、釬接和粘接評定》制作，評定材料：SA—240—304，板厚8mm，評定最大覆蓋厚度16mm，基本覆蓋公司殺菌鍋板厚范圍，焊接位置1G。具體參數如附表所示。

3. 試驗結果及分析

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

（2）無損檢測 根據ASME BPVC—V—2015《無損檢測》，經檢測焊件全部合格。

（3）力學性能檢測 根據標準ASME BPVC—IX—2015《焊接、釬接和粘接評定》切取兩個拉伸試樣、兩個面彎試樣和兩個背彎試樣，結果顯示斷裂位置全部位于母材，塑性斷裂、抗拉強度平均值分別為700MPa和680MPa，滿足ASME BPVC—II—2015 A篇技術要求（抗拉強度≥515 MPa）。彎曲結果表明，在焊縫及熱影響區均未產生任何裂紋，全部合格。

（4）金相檢測 宏觀金相檢測一般分為熱酸腐蝕和冷酸腐蝕兩種，本文選擇冷酸蝕試驗法來制備宏觀金相。配置硫酸銅鹽酸水溶液，比例為硫酸銅5g，濃鹽酸和蒸餾水各15mL。從圖1宏觀金相照片中可以看出，兩種焊接方法均沒有出現氣孔、夾渣等缺陷，焊縫成形良好且能明顯看出多層焊層間的界限。

圖1 宏觀金相

從圖2的焊縫組織金相照片可以看出，焊縫組織基體為奧氏體，同時有少量的鐵素體析出。GTAW打底焊道晶粒方向性較強，這是由于GTAW填充蓋面焊與打底焊焊接方法相同，填充焊道對打底焊道的晶粒生長方向影響不是很大，只是促使其沿原方向長大；總體來看：打底焊晶粒多為樹枝晶，方向性較強，蓋面焊晶粒多為等軸晶，晶粒大小均勻，打底焊晶粒比蓋面焊粗大，這可能是由于打底時沒有預熱，蓋面時打底焊已對母材進行了一定程度的預熱所致。

（5）晶間腐蝕試驗 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，沒有發現因晶間腐蝕而產生的裂紋。

圖2 焊縫組織金相照片

焊接參數表

4. 結語

（1）采用不銹鋼自保護藥芯焊絲打底可實現殺菌鍋背面免充氬工藝。焊縫力學性能試驗和晶間腐蝕試驗檢測結果均符合技術要求，解決了小直徑殺菌鍋焊接時背面充氬困難的難題。

（2）與普通焊絲背面充氬保護打底焊相比，不銹鋼自保護藥芯焊絲打底焊具有成本低、效率高的特點，可廣泛推廣應用。

（3）薄壁殺菌鍋制作過程應特別注意筒體下料尺寸，同時需要焊工針對藥芯焊絲焊接方法進行培訓，以達到較好效果。

（4）此種焊接工藝制作的殺菌鍋已出口南美市場將近4年，至今工作一切正常。

[1] 黃方靜，等.碳鋼材質殺菌鍋腐蝕失效分析與改進[J].山西化工，2015，35（3）：58-59.

[2] 周文武.殺菌鍋綜述及選型要領[J].中國機械，2016（4）：56-57.