小型不锈钢杀菌锅焊接工艺改进

■ 黄永娜，陈连光，武象，伊晓丽

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杀菌锅主要应用于食品、医药、饮料、化工等行业，是食品加工企业、研究所和大专院校开发新产品或进行杀菌工艺所必须的设备。随着现代社会的高速发展，人们对食品的卫生、口感要求越来越多，传统碳钢材料已不能满足人们需要，不锈钢材料已逐渐代替了碳钢材料。近年来，公司制作了多台不同规格不锈钢杀菌锅，主要出口美国以及南美市场，下面就多台小直径杀菌锅焊接工艺改进作简要介绍。

1. 杀菌锅制造情况

（1）杀菌锅规格及技术要求 杀菌锅筒身参数φ500mm×500mm×4mm；材料SA—240—304；设计压力0.35MPa；设计温度147℃ ；水压试验压力0.455MPa；介质为水蒸汽。

（2）初始焊接工艺 在焊接杀菌锅时，筒体直径较小，且壁厚较薄，优先采用手工钨极氩弧焊，单面焊双面成形。焊材选用ER308（φ2.4mm）。由于杀菌锅筒体两端为敞开式结构，故分别安装传动装置与旋转臂装置，设备内部安装杀菌篮及蒸汽装置。背面充氩气只能先封死两端，再将氩气充满整个筒体，且为防止打底焊道再受热后氧化，一般焊接填充层第一层时仍然要氩气保护，这就造成氩气大量浪费。同时，需将环缝用黏贴纸或其他材料整体密封起来，随着焊接的进行再将黏贴纸慢慢打开，不仅浪费大量时间，而且效率大大降低。同时，需要特别注意，封头为冷压成形，筒体下料长度相对封头中径周长增加一个板厚，以抵消封头焊接过程膨胀量。

（3）改进焊接工艺 将打底焊焊丝改为天泰焊材有限公司生产的自保护药芯焊丝TGFA—308L（φ2.5mm），填充盖面不变。不锈钢自保护药芯焊丝每千克的价格高于传统的焊丝三倍左右，单从这个方面讲，不锈钢自保护药芯焊丝成本明显偏高。但是，考虑到自保护药芯焊丝不用氩气保护，以及打底焊所用焊丝量较少，通过对比几台同样规格杀菌锅焊接成本，自保护药芯焊丝成本大大低于普通焊丝，且效率提高三倍以上，使公司生产量大大增加。

（4）打底焊操作要领 药芯焊丝打底焊难点在于不充氩气保护且要成形良好，如果方法掌握不当，会出现背面氧化、内凹、生丝、焊瘤及“搅熔池”等现象。采用药芯焊丝打底焊的工艺特点是保证药皮渗透到熔池背面，形成致密的保护层，使背面不受氧化，且单面焊双面成形，焊道冷却后焊渣自动脱落。基于这些特点宜采用手支撑摆动焊，不宜采用摇摆焊，焊缝间隙应稍微大于焊丝直径，以利于背面成形。为了最大程度发挥药芯焊丝打底焊的优点，焊工应熟练掌握焊接方法与技巧。

2. 焊接工艺评定

焊评根据ASME BPVC—IX—2015《焊接、钎接和粘接评定》制作，评定材料：SA—240—304，板厚8mm，评定最大覆盖厚度16mm，基本覆盖公司杀菌锅板厚范围，焊接位置1G。具体参数如附表所示。

3. 试验结果及分析

（1）外观检测 焊缝外观成形美观，焊缝宽度及高度合适，无表面裂纹、咬边、表面气孔等焊接缺陷。

（2）无损检测 根据ASME BPVC—V—2015《无损检测》，经检测焊件全部合格。

（3）力学性能检测 根据标准ASME BPVC—IX—2015《焊接、钎接和粘接评定》切取两个拉伸试样、两个面弯试样和两个背弯试样，结果显示断裂位置全部位于母材，塑性断裂、抗拉强度平均值分别为700MPa和680MPa，满足ASME BPVC—II—2015 A篇技术要求（抗拉强度≥515 MPa）。弯曲结果表明，在焊缝及热影响区均未产生任何裂纹，全部合格。

（4）金相检测 宏观金相检测一般分为热酸腐蚀和冷酸腐蚀两种，本文选择冷酸蚀试验法来制备宏观金相。配置硫酸铜盐酸水溶液，比例为硫酸铜5g，浓盐酸和蒸馏水各15mL。从图1宏观金相照片中可以看出，两种焊接方法均没有出现气孔、夹渣等缺陷，焊缝成形良好且能明显看出多层焊层间的界限。

图1 宏观金相

从图2的焊缝组织金相照片可以看出，焊缝组织基体为奥氏体，同时有少量的铁素体析出。GTAW打底焊道晶粒方向性较强，这是由于GTAW填充盖面焊与打底焊焊接方法相同，填充焊道对打底焊道的晶粒生长方向影响不是很大，只是促使其沿原方向长大；总体来看：打底焊晶粒多为树枝晶，方向性较强，盖面焊晶粒多为等轴晶，晶粒大小均匀，打底焊晶粒比盖面焊粗大，这可能是由于打底时没有预热，盖面时打底焊已对母材进行了一定程度的预热所致。

（5）晶间腐蚀试验 试样在硫酸-硫酸铜溶液中微沸16h，弯曲角度180°，弯曲后的试样在10倍放大镜下观察，没有发现因晶间腐蚀而产生的裂纹。

图2 焊缝组织金相照片

焊接参数表

4. 结语

（1）采用不锈钢自保护药芯焊丝打底可实现杀菌锅背面免充氩工艺。焊缝力学性能试验和晶间腐蚀试验检测结果均符合技术要求，解决了小直径杀菌锅焊接时背面充氩困难的难题。

（2）与普通焊丝背面充氩保护打底焊相比，不锈钢自保护药芯焊丝打底焊具有成本低、效率高的特点，可广泛推广应用。

（3）薄壁杀菌锅制作过程应特别注意筒体下料尺寸，同时需要焊工针对药芯焊丝焊接方法进行培训，以达到较好效果。

（4）此种焊接工艺制作的杀菌锅已出口南美市场将近4年，至今工作一切正常。

[1] 黄方静，等.碳钢材质杀菌锅腐蚀失效分析与改进[J].山西化工，2015，35（3）：58-59.

[2] 周文武.杀菌锅综述及选型要领[J].中国机械，2016（4）：56-57.