電子特氣用包裝容器制造工藝介紹

施天翔,薛 劍,朱夢玉,陸益鋒,鐘 遠(yuǎn)

(1.浙江陶特容器科技股份有限公司,浙江 海寧 314400; 2.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院,浙江 杭州 310000;3.江西省檢驗檢測認(rèn)證總院,江西 南昌 330000)

1 前 言

電子工業(yè)是當(dāng)今推動科技發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè),由于所用氣體的品種多、質(zhì)量要求高,為有別于其他領(lǐng)域應(yīng)用的氣體,人們把這類在電子工業(yè)中使用的氣體統(tǒng)稱為電子特種氣體[1]。近年來,隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,制造半導(dǎo)體產(chǎn)品所需的專用氣體日益受到重視。特種專用氣體在產(chǎn)品運輸、儲存和生產(chǎn)使用的整個過程中仍然存在很高的安全隱患和風(fēng)險(泄漏后導(dǎo)致中毒、爆炸等),因此需要有安全性能高、儲存和使用性能良好的包裝容器[2]。但是國內(nèi)電子特氣用包裝容器處于起步階段,目前在制造、材料選用、內(nèi)部處理等方面還缺少系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范。以電子特氣用不銹鋼焊接氣瓶為例,從制造標(biāo)準(zhǔn)、材料、焊接、容器內(nèi)部處理、產(chǎn)品檢驗、產(chǎn)品驗證6個方面對電子特氣包裝容器的制造工藝、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹,同時對比電子特氣包裝容器與常規(guī)氣瓶產(chǎn)品的不同點,為同行業(yè)人員提供參考。

2 電子特氣用包裝容器制造工藝介紹

2.1 設(shè)計及制造標(biāo)準(zhǔn)

從設(shè)計及制造標(biāo)準(zhǔn)角度講,目前國內(nèi)外不銹鋼焊接氣瓶制造標(biāo)準(zhǔn)體系主流有3個。第一個是中國標(biāo)準(zhǔn),是按照TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》[3]和GB/T 32566—2016《不銹鋼焊接氣瓶》[4]執(zhí)行的;第二個是歐盟標(biāo)準(zhǔn),是按照ARD (European Agreement Concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road)和ISO 18172-1: 2007 《Gas cylinders-Refillable welded stainless steel cylinders-Part 1: Test pressure 6 MPa and below》[5]執(zhí)行的;第三個是美國標(biāo)準(zhǔn),按照DOT (Department of Transportation)標(biāo)準(zhǔn),執(zhí)行的是《Code of federal regulations title 49: Transportation》。

對于焊接工藝評定以及焊工方面,也有各自相應(yīng)的配套標(biāo)準(zhǔn)。但是他們存在一個共同的問題,就是這些制造標(biāo)準(zhǔn)是針對所有介質(zhì)的不銹鋼焊接氣瓶的,更加注重的是氣瓶的安全性能,而從使用性能上考慮,盛裝電子特氣用包裝容器滿足以上標(biāo)準(zhǔn)只是基本要求,還需從材料、焊接、檢驗等各方面做出更加嚴(yán)格的規(guī)定才能滿足實際產(chǎn)品的特殊要求。

2.2 材料

從氣瓶材料角度講,所有氣瓶應(yīng)該考慮以下幾點:首先,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)要求制造不銹鋼氣瓶的材料選用奧氏體不銹鋼或者奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼,并且具有良好的抗晶間腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕性能;其次,氣瓶主體材料與充裝介質(zhì)應(yīng)具有相容性,這一點在TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》“2.2 性能要求”中有部分提及,也可以參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 11114-1: 2017《Gas cylinders-Compatibility of cylinder and valve materials with gas contents-Part 1: Metallic materials》[6],在該標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)說明了各種工況下氣瓶材料匹配性。以上是國內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系中對材料的通用要求,但對于電子特氣用包裝容器的材料,還需要同時對材料雜質(zhì)化學(xué)元素含量、金屬元素偏析進(jìn)行控制。由于電子特氣往往是高純液化氣,如在材料冶煉生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)元素存在局部偏析,電子特氣充裝后放置一段時間會有析出的風(fēng)險,從而影響介質(zhì)純度進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的性能。對于不銹鋼包裝容器,主要的雜質(zhì)元素有Na、Mg、Al、Ca、Co等,控制的精度往往需要達(dá)到10-9(part per billion)級別。對于不銹鋼材料,其本身金屬元素如存在過度偏析(特別是Cr、Ni),也會影響材料使用的穩(wěn)定性,造成不銹鋼局部耐蝕性下降,進(jìn)而影響充裝介質(zhì)純度。基于此特殊要求,在采購電子特氣容器用材料前,往往需要與鋼廠進(jìn)行多次的技術(shù)交流,為確保材料能夠滿足產(chǎn)品要求,需從熔煉方法、特殊化學(xué)元素含量、雜質(zhì)元素含量等各方面進(jìn)行控制。由于材料的特殊性,定制材料可能是接下來電子特氣用包裝容器用材的發(fā)展趨勢。

2.3 產(chǎn)品焊接

從工藝評定的角度講,在中國不銹鋼焊接氣瓶是按照專門的氣瓶工藝評定標(biāo)準(zhǔn)——GB/T 33209—2016《焊接氣瓶焊接工藝評定》[7]執(zhí)行的,美國也有專門針對氣瓶工藝評定的標(biāo)準(zhǔn)——CGA C-3—2005《Standard for welding on thin-walled steel cylinders》[8],而非按其容器標(biāo)準(zhǔn)ASME IX執(zhí)行,歐盟的氣瓶工藝評定標(biāo)準(zhǔn)與壓力容器的工藝評定標(biāo)準(zhǔn)是一致的,都是ISO 15614-1: 2017《Specification and qualification of welding procedures for metallic materials-Welding procedure test-Part 1: Arc and gas welding of steels and arc welding of nickel and nickel alloys》[9]。

從產(chǎn)品制造角度講,考慮到氣瓶生產(chǎn)的工藝穩(wěn)定性,TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》和GB/T 32566—2016《不銹鋼焊接氣瓶》均規(guī)定“鋼瓶的主體焊縫以及閥座與瓶體的焊接應(yīng)采用機械化焊接或者自動焊接方法,并嚴(yán)格遵守經(jīng)評定合格的焊接工藝”。而ISO 18172-1: 2007和DOT沒有此類明確規(guī)定的焊接方法,從這方面看,國內(nèi)的氣瓶制造標(biāo)準(zhǔn)還是較為嚴(yán)格的。雖然氣瓶的焊接制造標(biāo)準(zhǔn)在某些方面(焊接方式、材料分類、產(chǎn)品試樣等)相比于普通容器制造會更加嚴(yán)格,但其結(jié)果評價體系都是類似的,主要是兩個方面:一是產(chǎn)品的機械性能(拉伸、彎曲、沖擊以及針對氣瓶的水爆試驗和壓力循環(huán)試驗),另一個是產(chǎn)品(焊縫)的組織性能(包括焊縫的宏觀金相、晶間腐蝕)。然而對于電子特氣包裝容器的焊接,考慮的因素會更多,從宏觀角度來看,焊縫的內(nèi)外成型是一個最主要的考量點。這里的焊縫成型指的是內(nèi)外焊縫的一致性。特別是對于封閉氣瓶來說,焊縫內(nèi)部成型的一致性至關(guān)重要,因為如果焊縫內(nèi)部一次成型不良,氣瓶的后續(xù)處理(研磨、電拋等)是無法彌補和進(jìn)行的。因此對于小容積不銹鋼焊接氣瓶(無法內(nèi)部焊接重熔),瓶體上的縱環(huán)縫內(nèi)部都必須做到一次成型,如圖1所示。

圖1 電子特氣用不銹鋼焊接氣瓶環(huán)縫成型

評價焊縫成型的手段主要是射線探傷,底片上呈現(xiàn)的應(yīng)該是筆直、黑度均勻、近似于“一條直線”,如圖2所示。

圖2 電子特氣用不銹鋼焊接氣瓶環(huán)縫X射線檢測底片

為了達(dá)到這個效果,就要對原材料加工、焊前裝配、焊接工藝等方面提出更高的要求。從微觀角度來看,氣瓶焊接后的金相組織、晶粒度和母材處應(yīng)該是近似或者一致的,應(yīng)盡可能減少馬氏體、σ相等異常相,以此提高整個氣瓶的組織穩(wěn)定性,減小出現(xiàn)局部腐蝕(點蝕、應(yīng)力腐蝕)的可能性。因此,在焊接過程中嚴(yán)格控制焊接參數(shù)和焊接層間溫度,做好內(nèi)部惰性氣體保護(hù)、焊后進(jìn)行恢復(fù)材料性能的熱處理,這些都是保證焊縫達(dá)到產(chǎn)品性能要求的必要手段。

2.4 氣瓶內(nèi)部處理

目前國內(nèi)外氣瓶類標(biāo)準(zhǔn)對于氣瓶的內(nèi)部處理是沒有明確要求的,但是對于電子特氣用包裝容器而言,氣瓶內(nèi)部處理效果是衡量電子特氣用包裝容器能否滿足電子特氣充裝要求的重中之重。電子特氣用包裝容器常用的內(nèi)部處理方式有研磨、電拋、去離子水清洗、內(nèi)部干燥、氣體置換等。對于電子特氣用包裝容器,經(jīng)過研磨、電拋工序后,一般要求容器內(nèi)壁粗糙度Ra在0.1～0.75 μm;經(jīng)過去離子水清洗、內(nèi)部干燥、氣體置換工序,容器內(nèi)部氧分含量一般要求<0.5×10-6,水分含量一般要求<0.2×10-6(V/V),部分還需進(jìn)行顆粒度檢測。根據(jù)介質(zhì)、客戶不同,內(nèi)部處理的要求也會有區(qū)別,但是特氣包裝容器內(nèi)部處理的核心都是為了達(dá)到在毒性、氧化性、腐蝕電子特氣環(huán)境中,包裝容器對電子特氣長時間無污染的目的。

2.5 產(chǎn)品檢驗

根據(jù)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 32566—2016《不銹鋼焊接氣瓶》、ISO 18172-1: 2007 《Gas cylinders- Refillable welded stainless steel cylinders-Part 1: Test pressure 6 MPa and below》和DOT)要求,氣瓶在制造完成后,除對其進(jìn)行外觀尺寸檢查外,還需進(jìn)行射線探傷、水壓試驗(外測法、內(nèi)測法)、氣密性試驗等非破壞性試驗。對于首次制造氣瓶或者每批次氣瓶,都需要挑選一定數(shù)量的氣瓶進(jìn)行破壞性試驗,如產(chǎn)品力學(xué)性能試驗、水爆試驗、壓力循環(huán)試驗。由于電子特氣大部分是有毒或者腐蝕性氣體,除了對電子特氣包裝容器進(jìn)行以上標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗外,在氣瓶裝閥后還需進(jìn)行氦檢漏試驗,氦檢漏漏率一般要求<1.0×10-5mbar·L/s,以此最大程度杜絕氣體外泄風(fēng)險隱患。

2.6 產(chǎn)品驗證

普通容器、氣瓶類產(chǎn)品一般根據(jù)客戶提供的合同或者制造技術(shù)條件完成制造,壓力試驗(一般為水壓試驗)合格且監(jiān)檢機構(gòu)監(jiān)檢合格后即被認(rèn)為是合格的。但是電子特氣用包裝容器除了需完成前述流程(水壓、監(jiān)檢)以及指定的檢驗流程(內(nèi)部粗糙度、氦檢漏、水分含量、氧分含量、顆粒度檢測等)外,還需到終端客戶端進(jìn)行產(chǎn)品驗證,即在客戶端用特氣包裝容器充裝產(chǎn)品介質(zhì)后,經(jīng)過1～3 a的時段分析,期間需對介質(zhì)中的雜質(zhì)金屬離子進(jìn)行周期性檢測,測試時段內(nèi)雜質(zhì)金屬離子析出量符合產(chǎn)品規(guī)范要求(合格級別往往在10-9級別)才能允許特氣包裝容器用于特氣產(chǎn)品充裝,若其中任一金屬離子檢測結(jié)果超標(biāo),則產(chǎn)品即被認(rèn)定為不合格。

3 總 結(jié)

中國在芯片以及特種氣體、電子氣體行業(yè)起步較晚,但是近年來隨著國家對其重視程度以及市場需求的不斷提升,其發(fā)展規(guī)模逐年增長。筆者相信在不久的將來,針對電子特氣用包裝容器國家也會【】【】出臺相關(guān)專用法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),以規(guī)范行業(yè)發(fā)展,切實滿足產(chǎn)品實際需求。