摘要：軌道自動化焊接技術(shù)是國際標準ASME BPE所推薦的設備連接方式，在醫(yī)藥工廠已得到了廣泛的應用。然而在產(chǎn)品質(zhì)量急需得到保障的嬰幼兒配方粉企業(yè)卻沒有被重視，更沒有被應用到設備的連接中去。傳統(tǒng)的手工焊接方式在工廠中占據(jù)主要焊接手段。本文結(jié)合生物醫(yī)藥領(lǐng)域中知名的ASME BPE標準就軌道自動化焊接技術(shù)在嬰幼兒配方粉企業(yè)的生產(chǎn)用潔凈管路連接展開研究，通過對比分析人工焊接與自動焊接優(yōu)缺點及乳企選擇自動焊接的必要性，最終得出結(jié)論：應用自動化焊接技術(shù)在一定程度上可為企業(yè)節(jié)約成本，自動焊接具有高效、節(jié)能、省時等特點；乳品管路在應用自動焊接技術(shù)后，可以避免人工焊接在管道內(nèi)焊道的紅銹現(xiàn)象，焊縫呈現(xiàn)均勻的脈沖紋，避免了微生物的滋生；在焊接品質(zhì)方面，自動焊接可保證焊接滲透平滑、介質(zhì)通過順暢，熱影響區(qū)受熱穩(wěn)定、均勻，內(nèi)焊道無氧化過度現(xiàn)象，且具有較強的耐腐蝕性等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：自動化焊接 ASME BPE 乳品工廠 設備連接

中圖分類號：TS252.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5336（2015）04-0089-04

1 國內(nèi)外自動化焊接技術(shù)的發(fā)展狀況

1.1 大型自動化焊接設備的發(fā)展狀況

焊接結(jié)構(gòu)在我國將在進一步向多參數(shù)、高精度、重型化和大型化發(fā)展[1]。

大型的焊接設備將有著成套性、自動化程度和精度及質(zhì)量的飛躍性發(fā)展。進入80年代，隨著國家經(jīng)濟和科學技術(shù)上的不斷突破，國內(nèi)焊接裝備需求量猛增，各地方相繼建立了多家中小型成套焊接供應工廠。如無錫陽通機械設備有限公司[2]。在當代，隨著科技的進一步發(fā)展，新型焊接技術(shù)——軌道自動化焊接技術(shù)應運而生，典型代表有：昆山新萊潔凈應用材料股份有限公司，阿法拉伐（上海）有限公司等，其中新萊集團還22013年亞洲首家獲得ASME BPE管道管件雙認證，成為合格的BPE材料生產(chǎn)商。

1.2 焊接技術(shù)在我國的發(fā)展趨勢

我國的焊接方式將從傳統(tǒng)的手工焊接向高智能、高效率的自動焊接發(fā)展，其中自動化焊接技術(shù)將從兩個方面進行發(fā)展：大型焊接設備的研發(fā)和生產(chǎn)，高品質(zhì)焊接材料的引進和開發(fā)。進入21世紀以來，我國少數(shù)行業(yè)和部分企業(yè)的自動化及半自動化焊接技術(shù)覆蓋率已達到70%。但就整體而言，自動化水平僅占30%[3]。

1.3 國內(nèi)外自動焊接的發(fā)展動態(tài)

國外的軌道自動化焊接技術(shù)在70年代起就已經(jīng)進入研究狀態(tài)，到了80年代，焊接設備就已向大型化、自動化、精密化發(fā)展[4]。

20世紀末期，我國自動化的工作量占到了所有焊接總量的20%以上；自動化焊技術(shù)主導的設備制造商家，焊接的機械化及自動化程度可達45%。到21世紀初期，我國生產(chǎn)的焊材中，手工用焊條達75%。然而自動化程度僅為35%，發(fā)達國家已達到60%[5]。我國的自動化及機械化的切割機、焊機正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工操作技術(shù)。半自動以及自動焊機的數(shù)量已經(jīng)占到總焊機量的6%，然而同發(fā)達國家相比，我國總體的自動化焊接水平仍然很低，發(fā)展不平衡，在今后面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。

我國大型焊接機將向多功能、管控一體化及高效智能化發(fā)展。焊接技術(shù)將從電子焊接向激光束焊接發(fā)展，自動焊接將全面替代人工焊接并向智能和數(shù)控化發(fā)展。

2 ASME BPE標準簡介

ASME BPE（American society of mechanical engineers，Bioprocessing equipment ）中文翻譯為美國機械工程師協(xié)會就規(guī)范生物醫(yī)藥工程設備和管道及其附屬元件的設計、材料、制造、檢驗和測試所制定的一項標準[6]。

1997年首次出版[7]，目的為生物制藥行業(yè)產(chǎn)品所使用的生產(chǎn)設備能夠達到統(tǒng)一的標準及可接受的品質(zhì)水平。

標準制定者有：材料和設計制造商、供應商，工程設計和安裝公司，咨詢公司，檢驗機構(gòu)，設備使用者。該標準在此行業(yè)有著極其重要的意義和價值。

ASME BPE標準在不銹鋼設備的永久性連接中推薦使用自動焊機焊接連接[8]。并提出了一系列的說明和要求。這對規(guī)范自動焊接在醫(yī)藥工程設備領(lǐng)域有重要作用。

3 軌道自動化焊接技術(shù)優(yōu)點

3.1 自動化軌道焊接設備的構(gòu)成

焊接電源（控制系統(tǒng)）、循環(huán)冷卻系統(tǒng)、遠距離控制電源（可選）、焊頭、延長連接線

3.2 軌道焊接工藝原理

管材可以不開坡口，實行無間隙組對，通過母材自溶，形成焊接接頭可以避免管內(nèi)受到外界污物的侵入，該模式實行全電腦控制，程序化操作[9]。

3.3 軌道自動化焊接技術(shù)的優(yōu)點分析

軌道自動化焊接可確保焊接的一致性，沒有人為因素影響，鎢棒距離、電流、轉(zhuǎn)速等焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定?？删幊虆?shù)并自動記錄焊接參數(shù)易于達到標準要求，焊接生產(chǎn)效率高。

人工焊接常見的缺陷有很多，如內(nèi)焊縫以及周圍氧化過度，焊縫滲透過大或不均勻，焊接收尾處有孔穴，熱影響區(qū)受熱過大或不均勻等。自動焊接在焊完一個鋼管后，首先可以看到的是內(nèi)外焊道均勻的焊接紋理，焊道周圍沒有氧化現(xiàn)象（俗稱“橘皮現(xiàn)象”），焊縫滲透十分完整。人工焊接一次工序完成后僅通過人肉眼觀察焊道的成型情況來判斷焊接質(zhì)量。自動焊接在焊接結(jié)束后要用內(nèi)窺鏡進行專業(yè)的檢驗，這就給工件焊接的質(zhì)量增添了一道保障。

檢驗標準有：點焊標準、焊接滲透標準、成型標準、內(nèi)焊道變色標準、文件要求等[10]。

成品的檢驗項目有很多，典型的有管道的真圓度、管道內(nèi)表面的粗糙度、鋼材的硬度、焊縫的滲透情況等。

目前國內(nèi)僅有新萊等少數(shù)廠家能達到BPE標準要求的真圓度。如圖3-1，ASME BPE標準下真圓度檢測的示意圖。

每完成一個工件焊接后都要對關(guān)鍵部位——焊縫進行檢驗，良好的焊接是不允許有位滲透、錯位等現(xiàn)象的。如圖3-2所示為焊接時焊縫質(zhì)量的對比分析。

內(nèi)窺鏡是常見的表面粗糙度檢驗儀器。ASME BPE標準也要求在一次焊接完成后要進行內(nèi)窺鏡的檢測，通過對管道內(nèi)焊道及內(nèi)表面進行內(nèi)窺鏡的檢測可知管道內(nèi)表面的光滑程度是否合乎產(chǎn)品標準。如圖3-3為內(nèi)窺鏡示意圖。

3.4 自動焊接與人工焊接對比分析

如表3-1所示為人工焊接與自動焊接的優(yōu)缺點對比：

自動焊與人工焊在完成一個乳品廠生產(chǎn)線中的成本分析：

以CIP車間為例：一個完整的CIP車間應有酸洗罐、堿洗罐、去離子水罐三個主要設備 ，加上CIP去留管線，每個罐子按照6個管道和3個彎頭計算，所需管道、彎頭的數(shù)量各為9個，加上與車間內(nèi)部的銜接管道9個共計管道和彎頭的數(shù)量為36個。每個管道和管道之間的焊接加上管道與彎頭的焊接所需好焊接的焊口總計72個。

以1.5寸、3A標準、食品廠用304L材質(zhì)的管道為例計算，自動焊接一個焊口的時間為2到3分鐘則共計需要144到216分鐘折合為2.5小時到3.6小時。采取人工焊接則每根管子從點焊到成型需要15到20分鐘，72根管子則需要18到24小時。

在成本上，雇傭一名焊接經(jīng)驗豐富的焊工每天的開支為300元，鐘點工為1.5元/分鐘到1.75元/分鐘，而運用自動焊機僅需購買一臺機器再將人員進行簡單培訓即可。一臺國產(chǎn)自動焊機價格為10萬元，然而焊機可以長時間使用且在任務完成后可以折舊賣出。一年下來雇傭高級焊工的成本可以買一臺自動焊機，而第二年就可通過機器代替人工作業(yè)，保障產(chǎn)品質(zhì)量的同時又可減少企業(yè)開支，為乳品企業(yè)降低成本。

4 乳企選擇軌道自動化焊接技術(shù)的必要性分析

2004年安徽阜陽奶粉事件因不法商販出售劣質(zhì)奶粉導致“大頭娃娃”事件引起了全國范圍的恐慌；2008年三鹿乳業(yè)因違法添加有害物質(zhì)“三聚氰胺”而造成了極其嚴重的食品安全問題[11]，致使相當一部分數(shù)量的嬰兒出現(xiàn)腎結(jié)石和死亡等嚴重后果。乳業(yè)的質(zhì)量安全問題作為食品安全問題的敏感話題之一，已經(jīng)使國內(nèi)的消費者對國產(chǎn)乳制品的信心大大下降。如何讓產(chǎn)品的質(zhì)量得以保障，不僅是產(chǎn)品本身的品質(zhì)需要保證，生產(chǎn)產(chǎn)品用的設備也需要提升品質(zhì) 。

在國家日益重視食品安全的今天，乳制品的安全問題已成為重中之重，作為乳品工廠設備的供應商有責任和義務提供優(yōu)質(zhì)有助于產(chǎn)品質(zhì)量保證的材料和設施。采取自動焊機對乳品廠管路進行自動焊接不僅可以保證焊縫的滲透完全、還可防止管道的內(nèi)焊道氧化變色，這也是ASME BPE非強制性建議下的管路連接方式。在一定程度上避免了“紅銹現(xiàn)象”[12]，紅銹的主要成分是Fe3O4，長期存在乳制品的生產(chǎn)用管道中會與奶液中的酸性成分反應，還可以使乳蛋白變性最終導致乳制品如酸奶、乳飲料、乳粉等變質(zhì)酸敗。

如圖4-1、4-2、4-3為人工焊接出現(xiàn)焊道不均勻和焊道周圍氧化過度現(xiàn)象及自動焊接后的管道效果圖。

自動焊接技術(shù)操作性簡單，企業(yè)在購置焊機后把工人短期培訓即可上崗，取代了傳統(tǒng)高新聘用高級手工焊工的成本。自動焊接技術(shù)還可實現(xiàn)產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)。

軌道自動焊從焊接操作方法上可分為轉(zhuǎn)臺式焊接和焊把式焊接兩種方式。

如圖4-4所示為焊把式焊接：

ASME BPE標準下的自動焊接技術(shù)不僅在焊接品質(zhì)下有諸多優(yōu)勢，使用該標準規(guī)范乳制品加工工廠的設備選材、加工、檢驗質(zhì)量等方面還存在著更好的便捷：如方便企業(yè)管理，BPE產(chǎn)品具有專門的檢驗檢測質(zhì)量標準，對產(chǎn)品品質(zhì)有嚴格的要求，例如表面粗糙度[10]應該在規(guī)定范圍內(nèi)，生產(chǎn)用水的管材必須達到無菌的程度，管件與設備的連接，管道與管件的連接等都要有統(tǒng)一的公差、外徑（OD）值、及近似的表面處理工藝，以保證連接的合理性。

乳品工廠作為生產(chǎn)食品工廠領(lǐng)域中重要的一部分，保障盈利是每個管理者必須考慮的因素之一，一項對比研究發(fā)現(xiàn)，采用自動焊接工藝可直接降低施工成本，并間接降低后續(xù)的維護成本。

自動焊接作為ASME BPE標準推薦的焊接方式不僅在成本上低于人工焊接，而且在焊接過程中還可以減少對人員眼睛的傷害，在一定程度上保證了施工人員的健康。

為達到無菌、耐腐蝕性的要求，不僅焊接方式上選擇自動焊接機器進行焊接，焊接本身的兩個管道或設備的某些元素含量也要達到標準，ASME BPE推薦選用316L的材質(zhì)進行衛(wèi)生級不銹鋼管道、管件的焊接，鉬元素的添加使得316L管道具有更強的耐腐性。且可使焊道的成型更好，在將要進行焊接的兩個管件的材質(zhì)上，BPE也有要求，即：在兩個元件之間的硫含量之差要小于0.007%[14]。

在美國，惠氏乳業(yè)已經(jīng)將自動焊接技術(shù)在工廠中全面應用，中國上海光明乳業(yè)、蘇州伊利乳業(yè)已經(jīng)采購了大量的帶有自動焊道的衛(wèi)生級不銹鋼管道及閥門等。沈陽輝山乳業(yè)也于2014年投資引進自動焊接產(chǎn)品?；菔瞎咀鳛槭澜?00強企業(yè)，旗下的惠氏奶粉為80多個國家和地區(qū)的嬰幼兒提供高品質(zhì)的營養(yǎng)配方粉。惠氏乳業(yè)繼承了惠氏醫(yī)藥廠的生產(chǎn)管理理念，采取高科技（自動焊接）技術(shù)建設先進乳品加工生產(chǎn)線[15]。為乳品在中國市場的開發(fā)取得了可靠的品質(zhì)保障。我國在未來的乳品行業(yè)也將向醫(yī)藥領(lǐng)域靠攏，尤其在嬰幼兒配方粉企業(yè)，采購新型高潔凈不銹鋼管材制造生產(chǎn)線已成為可能。

BPE管道管件以其極低的表面粗糙度（Ra值≤0.8μm）為降低微生物殘留提供了可能。常見的食品污染細菌大腸桿菌及治病菌金黃色葡萄球菌直徑在0.8mm到1.0mm之間，這就使其在光滑的管道內(nèi)壁及焊道失去了殘留的可能[16]。相信未來乳業(yè)尤其是衛(wèi)生嚴格要求高的嬰幼兒配方粉的企業(yè)會選擇生物醫(yī)藥工程產(chǎn)品。

5 展望

2013年12月25日，國家食品藥品監(jiān)督管理總局發(fā)布《嬰幼兒配方乳粉生產(chǎn)許可審查細則（2013版）》[17]。明確提出了要求企業(yè)嚴格執(zhí)行《危害分析及關(guān)鍵控制點》（HACCP）及《粉狀嬰幼兒配方粉良好生產(chǎn)規(guī)范》（GMP）。實施規(guī)范在生產(chǎn)過程全面覆蓋的管理模式。隨著國家政策的發(fā)布，乳業(yè)的生產(chǎn)管理逐漸開始向藥業(yè)靠攏，目前許多嬰兒配方粉已經(jīng)開始在藥店出售，相信未來奶粉的生產(chǎn)設備也會向藥品生產(chǎn)設備發(fā)展。在管道、設備的焊接方面也很有可能向著醫(yī)藥工廠使用的自動焊接方面發(fā)展。

軌道自動焊技術(shù)是新型的自動化焊接技術(shù)，獨特的焊把焊接和轉(zhuǎn)臺焊接操作，可實現(xiàn)不同角度、對不同管道、管件的焊接[18]。符合ASME BPE標準，也達到了食品GMP[19]的要求。微生物污染及物理污染、化學污染等方面可達到乳業(yè)對產(chǎn)品的要求。若在未來能應用到乳品工廠設備的設計與制造中去，一定能提升產(chǎn)品質(zhì)量，保障產(chǎn)品質(zhì)量安全

參考文獻

[1]李曉延，武佳松，李午申.中國焊接制造領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展研究[J].機械工程學報，2012，48（6）：20-30.

[2]陳裕川.大型自動化焊接設備的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電焊機，2002-06-05，32（10）：1-7.

[3]蔣偉波.我國工業(yè)焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2014-04.

[4]WU Chuansong. Welding thermal processes and weld pool behaviors[M]. Boca Raton：CRC Press/TaylorFrancis Group，2010.

[5]周利平，韓永剛.我國焊接自動化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機械與電子，2011：155-187.

[6] ASME BPE—2012 Bioprocessing equpment.

[7]顧正輝.ASME BPE標準的介紹與解讀[J].醫(yī)藥工程設計，2013，34（4）：52-54.

[8]徐舟，彭彩君，ASME BPE在醫(yī)藥廠房潔凈管道設計中的應用[J].醫(yī)藥工程設計，2012，33（5）：16-18.

[9]Submerged-arc welding of large-diameter with digital are control[J].welding and cutting，2001，（special issue）16.

[10]Huitt William M：ASTM and ASME BPE Standards-Complying with the Pharmaceutical industry[J].PDA Journal of Pharmaceutical Science and Technology，2011，65（1）：81-90.

[11]李名梁.我國食品安全問題研究綜述及展望[N].西北農(nóng)林科技大學學報（社會科學版），2013，13（3）：46-52.

[12]高賢申，曹燕秋，周立法.不銹鋼系統(tǒng)“紅銹”形成的因素及消除方法——ASME BPE非強制性附錄D的介紹與解讀[J].機電信息，2014.

[13]張烘州，明偉偉，安慶龍等.響應曲面法在表面粗糙度預測模型及參數(shù)優(yōu)化中的應用[J].上海交通大學學報，20108，44（4）：448-450.

[14]倪衛(wèi)鋼，沈紅，張昊.醫(yī)藥衛(wèi)生工程中衛(wèi)生潔凈管道的焊接要求[J].醫(yī)藥工程設計，2012，32（2）.12-16.

[15]鐘雙慶，惠氏公司嬰幼兒配方奶粉區(qū)域深度分銷的KPI研究[D].湖南大學，2008.

[16]丁曉貝，乳及乳制品中微生物污染及控制[J].中國乳業(yè)，2009：52-53.

[17]張連潮，王雪飛，張永久.GMP在奶粉加工過程中貫徹實施的必要性[J].養(yǎng)殖技術(shù)顧問，2014，264-265.

[18]Zeng Huilin.Wang Chang Jiang，Yang Xue mei，Wang Yin sheng，Liu Ran.Automatic welding technologies for long-distance pipelines by use of all position self-shielded flux cored wires [J] ，Science Direct，2014；113-118.

[19]王強，我國食品加工GMP的發(fā)展現(xiàn)狀與差距[J].中國食物與營養(yǎng)，2002（50）：10-12.