中大型不銹鋼殺菌鍋焊接工藝改進

■ 張本朋，呂 勇，張春鵬，李 庚

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。

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φ2000mm×5000mm×12mm；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。殺菌鍋外觀及焊縫編號如圖1所示。設備兩端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。

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構由筒體齒、封頭齒、卡箍齒和密封圈組成，開門時卡箍轉動，封頭齒不動，封頭齒與密封墊之間沒有相對摩擦，因此密封墊使用壽命長，卡箍旋轉一般采用手動。中大直徑的殺菌鍋密封結構由封頭齒、卡箍齒和密封圈組成，開門時封頭齒轉動，封頭齒與密封墊之間有相對摩擦，對密封齒使用壽命有影響，封頭轉動一般采用機械傳動，本文設備就是使用這種密封結構。

（2）殺菌鍋焊接重點 殺菌鍋在焊接過程中共有兩個重點，一是控制焊接變形，保證密封結構密封性以及防止設備兩端變形收縮；二是控制筒體中下部四個大接管的位置與角度，由于每個接管里面都有一個托輪結構，要求四個托輪結構聯動，所以對于焊接后位置與角度都要求較高。

（3）不銹鋼焊接要點 奧氏體不銹鋼焊接工藝要點： 其焊接一定要合理控制焊接參數，奧氏體鋼熱導率小，熱量不容易散失，一般焊接所需的熱輸入比碳鋼要低20%～30%。過高會造成焊縫開裂，變形嚴重。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，運條要穩定，短弧焊接，不擺動，直線運行，快速焊接。為防止在450～850℃之間因停留時間長而出現晶間腐蝕，應嚴格控制層間溫度，必要時采取強制冷卻措施。多層焊時，每層要清渣，嚴格控制層間溫度，等前道焊縫冷卻后，再焊接下層。

（4）國內外焊接要求對比 殺菌鍋制造過程中國內外對設備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。由于殺菌鍋在實際應用中工作壓力較小，國內殺菌鍋經過長時間的實踐證明，大部分C類和D類焊縫對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，對于焊接變形要求最為嚴格，國內殺菌鍋制作過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，且焊后經機加工圓滑過渡，基本沒有焊縫高度；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對焊縫坡口與焊縫余高要求都很嚴格，尤其是上述三個焊接位置，余高都要求大于等于板厚。我公司生產第一批國外殺菌鍋時由于經驗不足，焊完之后變形嚴重，密封裝置密封性不好，經過長時間修磨才達到要求。另外，應注意盲板與筒體焊接時筒體也收縮嚴重。

（5）焊接工藝改進 經過第一次失敗之后，對焊接工藝進行了改進。為防止焊接變形嚴重，增加了水冷系統。殺菌鍋制作過程中采用了SMAW、GTAW、SAW多種焊接方法，但是水冷過程差別不大，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噴水冷卻。水冷系統外置，單獨使用，主要包括一件小型循環泵，一個長方形水箱，一端封閉且長度可以增減的無縫鋼管，鋼管上的數根金屬軟管，以及每根金屬軟管上的水量調節閥。系統雖然簡單，但是想要控制好不易。首先水的回收主要根據水往低處流的特點，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多形成飛濺，又不能過少失去冷卻作用，這都需要實際工作中的經驗摸索。

圖1 殺菌鍋

水冷焊工藝特點：①提高施焊效率。水冷焊時焊接電流可比非水冷焊時提高10%～30%，并且由于冷速很快，電弧過后熔池很快冷凝，接頭溫度很快下降，所以可連續進行焊接，不必考慮道間溫度過熱的影響。②提高焊接質量。由于冷速較大，熔池過熱程度小，使得晶粒細密，同時焊接殘余應力小，從而提高了焊接接頭的力學性能和耐腐蝕能力，保證了設備的使用壽命。③施焊時操作難度較大，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過嚴格訓練。另外，對于水溫以及水量也有一定要求，水溫一般控制在10～40℃。

2.焊接試驗參數

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

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》。經檢驗焊件全部合格。

（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800MPa和820MPa，滿足ASME BPVCII－2015 A篇技術要求（抗拉強度≥515MPa），相比較同等焊接參數下不用水冷焊接試樣抗拉強度平均值分別為700MPa和680 MPa，抗拉強度增加。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）其他檢測 金相檢測：從圖2焊縫組織金相照片可以看出，無論是水冷焊接還是空冷焊接，焊縫組織基體均為奧氏體，同時有少量的鐵素體析出。水冷焊縫晶粒相對細密，這也是水冷拉伸試驗比空冷拉伸試驗拉伸強度高的原因。

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。

焊接參數表

圖2 焊縫組織金相照片

4.結語

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

（2）通過大量的試驗和工程應用實踐證實，奧氏體不銹鋼的水冷焊是一種確保焊接接頭質量比較好的焊接工藝方法，為公司取得了良好的經濟效益和社會效益。

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

（4）金相試驗結果表明：焊縫組織基體為奧氏體，同時有少量的鐵素體析出；但是水冷焊晶粒相對細密，力學性能更加優異。

（5）無論是國內殺菌鍋還是ASME殺菌鍋，水冷焊接都可以保證焊縫質量。