龔永路，陳建平，劉 俊

（1.佛山市煒德利模具有限公司，廣東佛山 528329；2.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東佛山 528317）

0 引言

壁掛式燃?xì)獠膳癄t（燃?xì)獠膳療崴疇t），是一種以煤氣或天然氣為能源，既能用于集中供暖又可用于提供生活熱水的家用設(shè)備[1]。以水為熱傳遞媒介，燃燒燃?xì)猱a(chǎn)生熱量通過主熱交換器將燃燒煙氣中的大部分熱量傳遞換熱，采用散熱片、地暖盤管和風(fēng)機(jī)盤管等作為散熱末端供暖并提供生活熱水。通過熱交換器后的煙氣溫度顯著降低，在風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)由排煙管排向室外。在燃?xì)獠膳療崴疇t產(chǎn)品使用周期質(zhì)量跟蹤反饋中，發(fā)現(xiàn)鍍鋅板材質(zhì)的集煙罩中焊接連接位置存在明顯腐蝕情況。集煙罩在燃?xì)獠膳療崴疇t中位置如圖1所示，集煙罩將已通過主熱交換器的煙氣進(jìn)行集中，之后在風(fēng)機(jī)作用下進(jìn)入排煙管。已產(chǎn)生腐蝕的集煙罩連接處經(jīng)輕微受力或震動(dòng)即可產(chǎn)生分離，后續(xù)脫離將存在煙氣泄漏等安全隱患。以某型號(hào)燃?xì)獠膳療崴疇t鍍鋅板集煙罩為例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。經(jīng)分析，集煙罩采用的材料為0.8 mm厚鍍鋅板，左側(cè)板、底板、蓋板、右側(cè)板組成集煙罩，各零件前期通過剪板機(jī)開材料、模具落料沖孔、折邊、成型沖壓完成，后續(xù)通過電阻點(diǎn)焊進(jìn)行組裝連接。進(jìn)一步分析腐蝕原因，對(duì)電阻點(diǎn)焊連接工藝制造的集煙罩進(jìn)行外觀檢查，圖3所示為同一區(qū)域經(jīng)過多次點(diǎn)焊的外觀質(zhì)量，存在有明顯的氧化痕跡，對(duì)材料表面的鍍鋅層產(chǎn)生了一定程度的破壞。對(duì)于鍍鋅板在燃?xì)馊紵裏煔猱a(chǎn)物環(huán)境中的耐腐蝕研究較少，且燃?xì)馊紵裏煔獬煞州^復(fù)雜，為解決燃?xì)獠膳療崴疇t集煙罩電阻點(diǎn)焊處經(jīng)長時(shí)間使用后存在明顯腐蝕的問題，根據(jù)集煙罩的使用環(huán)境及條件進(jìn)行了功能分析，擬采用不同鉚接工藝以期進(jìn)一步優(yōu)化，杜絕因燃燒煙氣泄漏而導(dǎo)致安全隱患，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。

圖1 燃?xì)獠膳療崴疇t典型結(jié)構(gòu)示意

圖2 集煙罩產(chǎn)品

圖3 集煙罩點(diǎn)焊區(qū)域外觀狀況

1 鍍鋅板集煙罩的功能要求

燃?xì)獠膳療崴疇t工作時(shí)需要將燃?xì)馀c空氣進(jìn)行合理配比進(jìn)行點(diǎn)火燃燒，熱交換器將燃燒后的高溫?zé)煔馀c管路中冷水進(jìn)行熱量交換，以實(shí)現(xiàn)管路中水的溫度提升。燃?xì)馊紵蟮母邷責(zé)煔庖来瓮ㄟ^燃燒器、熱交換器、冷凝器和集煙罩，再通過排煙管排至室外。為了實(shí)現(xiàn)熱交換器換熱效率與使用壽命均衡以及引導(dǎo)高溫?zé)煔獾呐懦觯ǔＴO(shè)置風(fēng)機(jī)將多次回繞的煙氣沿著制定管路排出，采用鍍鋅板材質(zhì)的集煙罩是煙氣通道中的重要環(huán)節(jié)之一。

燃燒的高溫?zé)煔庠诮?jīng)過熱交換器和冷凝器之后，煙氣溫度明顯下降，到集煙罩附近可降低至100℃以下。當(dāng)燃燒所產(chǎn)生的煙氣接觸材料表面溫度低于煙氣露點(diǎn)時(shí)即產(chǎn)生冷凝水。理想的煙氣冷凝液應(yīng)該為純水[2]。實(shí)際冷凝液成分與燃?xì)獬煞旨盁煔馔ǖ澜佑|的材料有關(guān)，而實(shí)際燃?xì)馊紵裏煔夂屠淠煞志H為復(fù)雜。天然氣的主要成分是甲烷，根據(jù)其來源，其還可能含有C2+碳?xì)浠衔?、N2、CO2、He、H2S和惰性氣體[3]。浙江大學(xué)的高英等[4]使用拉曼光譜分析方法分析天然氣成分，指出天然氣是由占比達(dá)到90%以上的甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮?dú)?、氫氣、一氧化碳和未知的C4以上烷烴組分經(jīng)脫硫脫水處理后組成。根據(jù)目前天然氣和液化石油氣工藝水平和國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，均允許含有一定質(zhì)量濃度的H2S，其技術(shù)要求如表1所示。H2S在空氣配比不同的燃燒過程中便會(huì)生成SO2和SO3或者其二者的混合物。H2S燃燒產(chǎn)物與水蒸氣反應(yīng)生成汽態(tài)硫酸。當(dāng)煙氣溫度下降，冷凝成硫酸液霧，貼附在煙氣通道表面上便產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕，生成腐蝕產(chǎn)物硫酸鹽。天然氣在燃燒過程中還會(huì)生成氮氧化物NO和NO2。氮氧化物中占比約5%～10%的NO2溶于水生成硝酸。天然氣與空氣中還含有微量的氯化物和氟化物，在燃燒過程中分解而生成鹽酸與氫氟酸，與水蒸氣融合后將產(chǎn)生腐蝕性較強(qiáng)的混合性腐蝕液。燃燒煙氣中的酸性氣體CO2、NO、NO2、SO3以及氯離子與氟離子等在氣態(tài)下不具有腐蝕性，但溶于冷凝水中便生成碳酸、硝酸、硫酸、鹽酸與氫氟酸的稀酸性混合溶液[5]。根據(jù)以上分析，燃?xì)馊紵a(chǎn)生產(chǎn)物部分會(huì)溶解在冷凝水中，冷凝水中主要含有硫酸鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽、碳酸氫鹽和酸。冷凝水的特性較復(fù)雜，且各組分和濃度在一定區(qū)間范圍內(nèi)存在變化。當(dāng)冷凝水干燥時(shí)，其酸濃度會(huì)增加，腐蝕性會(huì)更強(qiáng)[6]。由于硝酸和硫酸的存在，冷凝水對(duì)煙氣通道所接觸的面產(chǎn)生腐蝕，從而降低其連接強(qiáng)度，縮短其使用壽命，最終影響產(chǎn)品的安全性能。

表1 天然氣和液化石油氣部分技術(shù)要求部分[7-8]

在冷凝水存在的區(qū)域發(fā)生的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕[5]。電化學(xué)腐蝕回路由部分構(gòu)成陽極、陰極、電解質(zhì)溶液和外電路。電解質(zhì)溶液為酸性或中性水溶液，電子從陽極金屬經(jīng)由外電路流向陰極金屬，氫離子在陰極吸收電子形成氫氣，陽極金屬失去電子生成金屬離子，直接造成金屬破壞。因此，對(duì)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚捎行а娱L材料的防腐性能而延長使用壽命。燃?xì)獠膳療崴疇t集煙罩采用的是0.8 mm厚的鍍鋅板。鍍鋅板是在熱軋或者冷軋的基板上增加鍍鋅層，覆蓋基板隔絕空氣，鋅與氧反應(yīng)，形成致密的氧化膜，隔絕空氣和水分，防止氧化。印度塔塔鋼鐵公司研究中心的A K Singh等[9-10]借助掃描電子顯微鏡，能量色散X射線分析技術(shù)對(duì)鍍鋅板進(jìn)行了詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行了大氣氧化試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)和二氧化硫試驗(yàn)，以研究具有不同微觀結(jié)構(gòu)的鍍鋅樣品的耐腐蝕性能，其研究表明，鍍鋅板表面完整其具有良好的耐腐蝕性能。鍍鋅板在加工、安裝、使用中，表面發(fā)生劃傷或其他原因使鍍層遭到局部破壞，基板將暴露在環(huán)境之中，鍍鋅板表面的鋅較基板中的鐵更為活潑，首先充當(dāng)陰極，轉(zhuǎn)化為鋅離子，保護(hù)裸露鋼材不受腐蝕，使材料整體腐蝕速度得以延緩。在冷凝水酸性溶液中，煙氣中的氮氧化物和氧化物等酸性氣體與水蒸氣生成進(jìn)行電化學(xué)腐蝕時(shí)所需要的氫離子，將顯著提升基板的腐蝕速度。

2 鍍鋅板集煙罩的連接工藝

根據(jù)燃?xì)獠膳療崴疇t國家標(biāo)準(zhǔn)[11]中對(duì)集煙罩的功能分析及耐腐蝕性能要求，表面完整未破損的鍍鋅板可以抵御冷凝水較長時(shí)間的腐蝕。對(duì)于集煙罩各零件通過電阻點(diǎn)焊工藝進(jìn)行組裝連接時(shí)，所形成的熔核對(duì)鍍鋅板表面的完整性存在一定程度的破壞，故而導(dǎo)致在集煙罩長時(shí)間工作期間被冷凝水所腐蝕。在產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕后或?qū)е虏糠诌B接強(qiáng)度下降甚至脫落。結(jié)合以上原則分析，以長時(shí)間可承受冷凝水的腐蝕性為原則初步確定集煙罩優(yōu)化方案。在不改變集煙罩各零件之間的連接關(guān)系，須盡可能地不破壞鍍鋅板鍍層的完整性，可采用拉鉚和TOX鉚接工藝。連接方案及器優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示，經(jīng)分析與比較，采用拉鉚和TOX鉚接進(jìn)行工藝優(yōu)化對(duì)提升集煙罩的質(zhì)量與效益更具有優(yōu)勢(shì)，確定為備選優(yōu)化方案。

表2 連接方案及其優(yōu)缺點(diǎn)

集煙罩原工藝方案經(jīng)由電阻點(diǎn)焊連接進(jìn)行組裝。焊接工藝先由左側(cè)板與集煙罩蓋板左邊邊緣定位后點(diǎn)焊連接，再將右側(cè)板與集煙罩蓋板右邊邊緣定位后進(jìn)行點(diǎn)焊，最后將集煙罩底板裝入集煙罩蓋底部并點(diǎn)焊。整個(gè)裝配及連接過程不斷更換位置并準(zhǔn)確定位后方可點(diǎn)焊，焊點(diǎn)共20處，完成單件集煙罩的點(diǎn)焊連接用時(shí)為40～60 s。

為實(shí)現(xiàn)有效連接而不破壞鍍鋅板鍍層的完整性，兼顧連接效率，同時(shí)不采用耐腐蝕性能更佳優(yōu)良的材料而增加產(chǎn)品成本，采用鋁合金開口型扁圓頭抽芯鉚釘?shù)睦T連接工藝和TOX鉚接工藝進(jìn)行和對(duì)比性試驗(yàn)。TOX鉚接工藝它借助了機(jī)械擠壓原理，促進(jìn)板材流動(dòng)，形成鉚點(diǎn)，進(jìn)而可靠地連接了板材[12]。拉鉚和TOX鉚接工藝連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。采用拉鉚工藝的零件必須預(yù)制鉚釘安裝孔，因此可直接采用預(yù)制的鉚釘孔進(jìn)行定位。安裝拉鉚釘后即可采用拉鉚槍開始逐個(gè)作業(yè)，連接的效率和連續(xù)作業(yè)便利性主要由裝配及連接順序所影響。采用TOX鉚接工藝對(duì)設(shè)備要求更為復(fù)雜。鑒于集煙罩的結(jié)構(gòu)組成，集煙罩蓋板與左、右側(cè)板等3個(gè)零件組裝后將整個(gè)鉚接工作臺(tái)進(jìn)行包裹，無法為鉚接連接進(jìn)行有效定位。同時(shí)，集煙罩底板本身具有倒扣結(jié)構(gòu)，必須要有足夠的內(nèi)部空間給予退料，故而煙罩蓋板與左、右側(cè)板同時(shí)鉚接無法實(shí)現(xiàn)。由分析可知，鉚接工藝需改進(jìn)制作4臺(tái)專用的鉚接機(jī)，用以分別實(shí)現(xiàn)集煙罩蓋板與左、右側(cè)板兩個(gè)方向，集煙罩底板與左、右側(cè)板的鉚接。鉚接設(shè)備搭載了用于壓緊待連接板料的氣缸，并采用電磁閥作為定位裝置，最終由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接作業(yè)。

圖4 鉚接工藝結(jié)構(gòu)示意圖

集煙罩的組裝及鉚接順序是把集煙罩蓋板右邊與右側(cè)板鉚接，然后翻轉(zhuǎn)集煙罩蓋板左邊與左側(cè)板鉚接，之后再將左、右側(cè)板與集煙罩底板分別鉚接。采用鋁合金開口型扁圓頭抽芯鉚釘進(jìn)行拉鉚工藝的裝配過程采用預(yù)制的鉚釘孔進(jìn)行定位。采用TOX鉚接工藝裝配及連接生產(chǎn)過程采用零件邊緣定位，均較為準(zhǔn)確，質(zhì)量可控。采用電阻點(diǎn)焊、拉鉚、TOX鉚連接工藝生產(chǎn)的集煙罩整體外觀情況如圖5所示，鉚接點(diǎn)外觀如圖6所示。就生產(chǎn)效率而言，拉鉚工藝工時(shí)與電阻點(diǎn)焊相近，而TOX鉚接工藝完成單件集煙罩的工時(shí)降低至8 s，顯著提高了生產(chǎn)效率，因無明顯污染物產(chǎn)生，故而降低環(huán)境通風(fēng)要求，更為環(huán)保。

圖5 不同連接工藝條件下集煙罩外觀

圖6 集煙罩連接點(diǎn)外觀

3 腐蝕試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證燃?xì)獠膳療崴疇t采用拉鉚工藝和TOX鉚接工藝集煙罩對(duì)其工作過程所產(chǎn)生的冷凝水的耐腐蝕性能，以國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24195-2009《金屬和合金的腐蝕酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤”條件下的循環(huán)加速腐蝕試驗(yàn)》設(shè)計(jì)集煙罩的鹽霧加速試驗(yàn)[13]。試驗(yàn)調(diào)節(jié)鹽霧試驗(yàn)箱溫度設(shè)置為35℃，采用往質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的中性氯化鈉溶液中，添加12 mL分析純硝酸溶液和17.3 mL分析純硫酸溶液，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的氫氧化鈉溶液進(jìn)行PH值調(diào)整至3.5±0.1。試驗(yàn)其他主要工藝參數(shù)如表3所示，連續(xù)噴酸性鹽溶液2 h，后續(xù)經(jīng)干燥條件4 h，再經(jīng)過濕潤條件2 h，分別經(jīng)過6、30個(gè)循環(huán)，即48 h、240 h酸性鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，集煙罩在室溫環(huán)境中自然風(fēng)干1 h，而后采用干凈清水緩緩沖洗集煙罩表面殘留鹽溶液，清洗后在距離約400 mm處采用壓縮空氣進(jìn)行吹干，觀察集煙罩外觀，特別是連接處的腐蝕狀況。

表3 酸性鹽霧試驗(yàn)工藝參數(shù)

3種不同連接工藝的集煙罩經(jīng)過48 h酸性鹽霧試驗(yàn)后，板材剖切邊緣都產(chǎn)生了氧化現(xiàn)象，而集煙罩板材連接處僅采用電阻點(diǎn)焊工藝產(chǎn)生了一定程度的腐蝕，如圖7（a）所示。熔核及附近產(chǎn)生明顯的氧化銹跡，而采用鋁合金開口型扁圓頭抽芯鉚釘和TOX鉚接工藝的連接處均未出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，如圖7（b）（c）所示。在240 h酸性鹽霧試驗(yàn)后，電阻點(diǎn)焊連接處腐蝕程度加劇，如圖8（a）所示；而采用抽芯鉚釘連接工藝的連接處附近出現(xiàn)了明顯腐蝕現(xiàn)象，抽芯鉚釘表面沒有明顯氧化，如圖8（b）所示。究其原因是沖制抽芯鉚釘安裝所需預(yù)制孔，破壞了其表面完整性，基材暴露而被氧化腐蝕。采用TOX鉚接工藝在經(jīng)240 h酸性鹽霧試驗(yàn)后仍未出現(xiàn)明顯氧化，如圖8（c）所指示。

圖7 集煙罩48 h后酸性鹽霧試驗(yàn)后外觀

圖8 集煙罩240 h后酸性鹽霧試驗(yàn)后外觀

經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)初步結(jié)果可知，電阻點(diǎn)焊連接工藝熔核附近首先出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，其抗腐蝕性能低于拉鉚工藝和TOX鉚接工藝。集煙罩連接采用TOX鉚接工藝因鍍鋅板表面鍍層較為完整，其抗腐蝕性能在三者中最佳。為進(jìn)一步驗(yàn)證采用TOX鉚接工藝集煙罩連接處的抗腐蝕性能，并且貼近燃?xì)獠膳療崴疇t的工作實(shí)際，對(duì)集煙罩同款燃?xì)獠膳療崴疇t進(jìn)行1 000 h加速壽命試驗(yàn)。與采用電阻點(diǎn)焊和拉鉚工藝比較，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和產(chǎn)品生產(chǎn)效率，采用TOX鉚接工藝進(jìn)行集煙罩各零件之間的連接是為優(yōu)選方案。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)燃?xì)獠膳療崴疇t中通過電阻點(diǎn)焊鍍鋅板材質(zhì)的集煙罩，在長期使用過程中存在連接區(qū)域腐蝕脫落隱患。為解決此問題，采用鉚接方式對(duì)集煙罩的連接方式進(jìn)行優(yōu)化。通過加速腐蝕試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，燃?xì)獠膳療崴疇t鍍鋅板集煙罩各零件間的連接，采用鋁合金材質(zhì)的開口型扁圓頭抽芯鉚釘進(jìn)行拉鉚工藝連接和TOX鉚接工藝連接的抗腐蝕性能均好于電阻點(diǎn)焊連接工藝。采用TOX鉚接工藝鍍鋅板連接處表面鍍層未被明顯破壞，試驗(yàn)表明其連接區(qū)域仍具有較好的抗腐蝕性能，為后續(xù)產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)奠定了良好基礎(chǔ)，也為燃?xì)獠蔁崴疇t以及燃?xì)鉄崴鞯认囝愃飘a(chǎn)品的集煙罩制造工藝提供了更經(jīng)濟(jì)可靠的選擇方案。與此同時(shí)，為在腐蝕環(huán)境介質(zhì)下使用的鍍鋅板材質(zhì)產(chǎn)品的連接工藝開發(fā)具有廣泛的借鑒意義。