自动焊技术在乳制品生产过程扫除质量盲区方面的应用

文/吴正红

（山东碧海包装材料有限公司）

乳制品企业常常存在一种现象，一条新产品线在前几年运行得非常好，可随后就经常出现一些坏包，而采用管道清洗后得到了改善，但是经过一段时间后这种现象又会出现，很难查出具体问题所在。此时需要注意设备之间的连接点和网路构架上是否存在问题。

1 焊点——很小的点，很大的影响

人们常常关注乳制品企业是否拥有一台好的灌装机，一台好的杀菌机，这些知名品牌的设备能够保证乳制品达到较佳的安全指标和营养指标。但是往往忽略的是，这些机器组成的乳制品加工线拥有大量的不锈钢管路系统，包括许多管、泵、阀，因此将其连接起来的焊接技术尤为重要（图1）。其中，“自动焊”技术可以为乳制品生产过程扫除质量盲区，成为一个关键的技术点。

图1 乳制品企业拥有大量不锈钢管路系统

1 个工程的焊接口有数万个，每个焊点都能成为一个质量风险点。和国内的一些乳制品企业交流时发现，他们常常抱怨一条新的生产线在开始数年运行状况较好，生产的乳制品品质较佳，但是随后在新厂变为老厂时，就经常出现一些坏包，在某一季节如夏季的坏包率很高。因此，工程师们采取管道的CIP清洗或高温蒸汽清洗，清洗过的设备品质取得很大的改善，可是在一段时间后，又会重复出现类似问题。

其实，问题的根结点与设备关系不大，乳制品企业都配备很好的设备，能够提供品质很稳定的乳制品。究其原因是在设备之间的连接点或者管路系统的构架上，而这一点实际上很难排除，很难被发现。

2 焊接技术在国内和国际上有明确的标准要求

国内乳制品GMP对设备之间的连接有很明确的要求（图2）。比如说产品接触面应表面光滑，易于清洗和消毒；食品接触面应平滑、无凹陷或裂缝，以减少食品碎屑、污垢及有机物的聚积，这些属于对乳制品生产设备的技术性要求。

药品GMP指南上也提到（图3），由于对工艺中的关键焊接参数有更高的要求，轨道自动焊接被认为是一种首选的管路连接施工方法。焊接后通常采用内窥镜检查，GMP指南要求如果采用手工焊接，使用内窥镜的检查比例是100%；而如果使用“自动焊”技术，只需采取20%的抽检比例。

图2 国内乳制品GMP要求

图3 药品GMP指南-2010版

图4 惠氏营养品要求以制药的经验制造奶粉

之所以提及药品的要求，是因为以惠氏乳业苏州工厂为例（图4），许多国际乳制品企业已经秉承了“以制药的经验制造奶粉”的理念。在国外的一些地区，消费者购买奶粉的场所往往是药店，而不是商超，这就意味着很多乳制品企业需要按照生产药品的标准来规范婴幼儿配方奶粉的生产。

图5 EHEDG标准对自动焊的要求

图6 国家轻工行业标准要求优先采用自动焊接设备进行焊接

欧盟早在1993年就认识到“自动焊”的优势。欧洲卫生工程设计组织（EHEDG）是一个行业组织，其制定的认证标准更高，且同行业内会比较遵守EHEDG制定的技术规范。在《Doc 08 洁净设备设计标准》中，专门对焊接、轨道焊接、自动焊接提出了具体要求。其要求对于管道工程而言，首选的方法是自动轨道焊接，因为其能够始终如一地完成高质量焊缝（图5）。而在其1993年制定的《Doc 09 符合洁净要求的焊接不锈钢管》中要求，在安装过程中，应尽可能地使用轨道焊接，通常认为80%～90%的焊接可以由轨道焊接工完成，根据安装的等距图，一定程度的预计划将有助于最大限度地增加轨道焊接的焊缝数量，难以接近的焊缝应尽可能于工厂安装前在车间完成（图5）。由此可见，欧洲洁净设备早就要求100%实行“自动焊”，尽量避免手工焊接，这样既可以始终如一地保证产品质量，又可以有效减少人为施工过程中造成的质量风险。

在我国，医药工程施工也广泛执行“自动焊”。虽然目前还没有按照国标要求强制执行，但是在医药行业已经普遍采取该操作。2015年，我国发布了《食品工业用不锈钢管道安装及验收规范》轻工行业标准（图6），明确标出“管子对管子或管道元件之间组合焊接时，如位置许可应优先采用自动设备焊接”。从乳制品行业看，高质量的乳制品离不开好的奶源，也离不开高质量的设备，因此施工工艺是很重要的，但往往受传统做法的影响而易被忽视。

3 “自动焊”技术与手工焊接的比较

3.1 手工焊后出现渗漏

图7显示是国内的某一项目工程，在使用一段时间后，在焊缝的位置发生了很严重的腐蚀，出现了漏点，肉眼可见从该处有很细的水珠流下来。

3.2 手工焊后出现漏点

图8是某一工程发现的焊接漏洞，很明显是由于在人工焊接施工过程中因多次焊接或者不熟练操作造成的。

3.3 手工焊后焊缝未渗透，出现焊缝扭曲、焊疤

图9也是不良焊接的一个失败案例。有些焊接在外面看是融合的，没有问题，但是使用内窥镜观察内部，或者把管道剖开取样看，其内部并没有出现渗透情况，而是存在拼接缝隙问题，形成无法清洗的死角。

有些焊接氧化情况非常严重，已经破坏奥氏体不锈钢本体材质的耐腐性、光洁度，易出现滋生细菌、抗腐蚀性下降的情况，这就是一个很严重的质量风险点，因为内部始终隐藏着细菌，不断滋生的细菌会影响很多批次产品的品质。

图7 手工焊接口出现渗漏

图8 焊道出现漏点

图9 焊缝未融透等失败案例

3.4 焊接不合格导致细菌滋生等问题

在焊接不合格的位置，李斯特菌、沙门氏菌反复污染着产品。这2 个菌种最小为0.5 μm（图10），而对于管道系统的Ra值（表面粗糙度值）国内基本要求在0.5～1.0 μm。这意味着，如果细菌过小，不仅会存在于管道缝隙和焊口中，也会分布于管路系统的内表面。只有把表面打磨得更光滑，使管道系统的Ra值低于细菌大小，比如达到0.5 μm时，细菌残留几率才会更低。

4 理想的“自动焊”要求

理想的“自动焊”是无裂纹或气孔，无台阶、无错边，无内部变色或电弧，无凹陷或凸起，无夹杂，表面粗糙度不增加，无相关的金相变化，无可见无咬边，无烧穿。

不管是医药级还是食品级，焊接都有国际通用的允收标准。比如《EHEDG Doc 35 食品加工行业不锈钢管的卫生焊接》中要求，焊缝的凹陷、错边有15%的允收标准（图11），扭曲偏差在25%～75%（图12），这些都有据可查。

图13是在“自动焊”下焊管内外表面的理想焊缝照片，其缝隙是完全融合渗透的，没有气孔、没有台阶、没有错边，没有夹杂、没有凸起和凹陷，焊缝的鱼鳞片非常均匀，即“自动焊”用机器保证高质量焊缝的外观表现。

5 实施理想“自动焊”的措施

图10 焊口中容易存在的李斯特菌、沙门氏菌

图11 焊缝的凹陷、错边有15%的允收标准

图12 扭曲偏差的国际允收标准

图13 “自动焊”下焊管内外表面的理想焊缝

首先不论是现场施工，还是工厂预制，在管道设计过程中，优先考虑实施“自动焊”的流程。比如，需要自动焊接的管道，一个工程内需要预制的部位，以及需要在现场完成的部位。其次，需要“自动焊”的焊接设备，以及焊接工艺工程师在现场指导施工作业。再次，需要注意焊接时的细节操作。

举例1：焊接的弯头分为短弯头、长弯头2 种。短弯头一侧壁厚、一侧壁薄，因为在焊接的过程中上沿和下沿涉及材料的拉伸和堆积，因此上沿和下沿的壁厚应存有一定差别。这要求在自动焊接或手动焊接过程中，厚的一侧需要更长的焊接时间，更慢的速度，供给足够热量使其融透；而薄的一侧则需要更少的时间、热量，以免造成烧坏或过度氧化。如果是长弯头，其具有一个直管的部分，可以避免这种薄厚的差异，在自动化焊接时，把轨道焊接头加持在长弯头和焊管处转360°，就会非常均匀地完成点焊工作。这就是长弯头和短弯头的技术细节区别（图14）。

举例2：焊接氧化是在焊接过程中，没有在焊缝的位置填充保护气而造成的。焊缝周围被氧化后，破坏了不锈钢原有耐腐的晶间组织，在日积月累地使用下，被氧化焊缝析出的碳化物就会不断掉落在产品中。无气体保护的焊接情况见图15。

2019年，某大集团乳制品企业购买了一款磁性过滤器，专门吸附乳制品生产过程中的一些金属离子，在使用一段时间后，磁性过滤器上吸附了很多黑色金属颗粒，这些颗粒可以充分被怀疑是焊接不良的管路系统上掉落的碎屑。由于焊接时没有填充保护气体，造成氧化情况严重，不具备长时间抗腐蚀的要求。

图14 焊接短弯头、长弯头的技术区别

图15 无气体保护的焊接

图16 无气体保护的焊接

正确的做法是在“自动焊”下，焊枪沿着焊缝360°旋转，同时在焊缝周围填充保护气体，保证其即使在高温焊接下，也可以避免外焊缝的氧化；内管采用一种堵头装置，填充内保护气，把氧气排除干净以避免氧化。

图16是EHEDG标准中的一个图谱，描述了气体含氧量（横坐标为5～300 mg/kg）和焊接时间（纵坐标为5～60 s）对外部焊接点内表面的影响。由此可见，如果使用氩气进行保护，可以把含氧量控制在很低的范围内，即使焊接时间很长，也不会有很严重的氧化现象出现。除了欧盟标准，美国也具有焊接氧化的允收标准，对氧化导致的变色要求也是越少越好（图17）。

6 小结

通过在效率、人员技能、品质、人工成本、后期维护成本等方面，对手工焊和自动焊接的比较（表1），可以清晰地看到优劣。近几年，国家相继出台了一些乳制品相关政策，包括执行最严谨的食品标准、最严格的质量管控、最严厉的处罚和最严肃的问责，这些政策用于规范乳制品企业行为。而乳制品企业要达到最合要求的生产水平，需要设备企业提供达到国际水平的先进设备、先进工艺和良好的技术解决方案。“自动焊”技术就在细节处理上，可以助力乳制品企业达到先进的生产水平。

表1 手工焊和自动焊接的比较分析

图17 美国焊接氧化的允收标准