消防車不銹鋼水箱滲漏原因分析及改進措施

蔣韶峰 彭龍波

中聯重科股份有限公司 湖南長沙 410200

1 前言

隨著城市的快速發展，高層建筑逐漸增加，對消防車的質量和性能的要求也越來越高。而作為消防車的關鍵部件之一——水箱也越來越受到用戶的重視，尤其是其內部防腐防銹性能更是關注的重點。目前，國內消防車常用的材質為不銹鋼、碳鋼和塑料三種，不銹鋼水箱因其質量輕，強度高，耐腐蝕，便于清洗等諸多優點而被廣泛使用。但是不銹鋼水箱在使用過程中仍然會出現問題。由于消防車的特殊性，水箱必須保持長期蓄水狀態，部分車輛在使用一段時間后，易產生腐蝕漏水。為了最大限度降低消防車不銹鋼水箱的漏水故障率，筆者對行業內消防車水箱腐蝕問題展開深入調研及攻關，已取得較大進展。

2 不銹鋼水箱腐蝕機理

為了確認水箱銹蝕原因，筆者先后對行業內消防車水箱漏水車輛進行了實地調研，從銹蝕部位來看，水箱發生銹蝕的部位主要是焊縫、焊接熱影響區以及水箱內側隔板、側板切割邊位置（見圖1a、b），尤其是側板與隔板折彎邊交錯焊接位置（見圖1c），此處銹蝕更為明顯，甚至在某折彎交錯處出現裂紋。通過對水箱銹蝕部位進行清理，可以發現清除后出現密密麻麻的點狀凹坑（見圖1d）。

圖1 水箱銹蝕的主要部位圖

上述都是不銹鋼腐蝕的特征。不銹鋼抗腐蝕性能好，但為什么會腐蝕呢？通過對相關文獻進行研究，目前普遍認為，不銹鋼抗腐蝕是因其中鉻含量所決定的。當鉻含量超過12%時，氧化性活潑的鉻會在鋼表面迅速與氧形成堅固、致密的富氧鈍化膜，有效隔離氧的進一步侵入，所以能抵抗均勻腐蝕[1]。但在水中，尤其是含Clˉ濃度較高的水中，由于Clˉ可在某些局部對富氧鈍化膜起破壞作用，其中最易發生腐蝕的是焊縫區域及熱切割區域，該區域經受過高溫加熱后，性能劣化，抗腐蝕性能降低，導致發生局部腐蝕[2]。而局部腐蝕速度比均勻腐蝕速度要快得多，最終導致鈍化膜失效而致使不銹鋼腐蝕。

3 現狀調查與措施

通過對不銹鋼腐蝕機理分析后，對不銹鋼水箱銹蝕漏水區域進行梳理，按地域分類，黃河流域省份和沿海省份，累計占比80%左右；按使用年限分類，3年之內發生漏水的占比為75%左右。在漏水發生頻次較多的省份，在一至兩年間發生銹蝕后的凹坑就達1.5 mm左右。為了提高水箱耐腐蝕能力，對目前不銹鋼水箱從結構設計、板材下料、焊接工藝[3]以及內部防腐工藝等方面進行現狀調查及試驗，通過原因分析，提出了消防車不銹鋼水箱滲漏的改善措施。

3.1 水箱結構優化設計

考慮到消防車水箱的剛度和強度，對其某些部位采用了局部加強，但是加強結構不合理易引起應力集中并影響后續的防腐處理，就會導致局部開裂和銹蝕，使水箱出現漏水。筆者將槽鋼加強（見圖2a）改為角鋼加強（見圖2b）并將加強筋（見圖2c）改為大倒角（見圖2d），使問題得到了很好的解決。

圖2 水箱結構加強優化圖

為避免對接處或拼接焊縫由于防腐處理不到位出現銹蝕，改進隔板端頭對接結構，如圖3a、b所示，并將隔板拼接焊縫由間斷焊（圖3c）改為滿焊（圖3d）解決了難以防腐處理到位的問題。

圖3 水箱隔板端頭對接及焊縫優化圖

考慮到整體的美觀及結構剛性，目前消防車水箱側板和隔板均采用折彎結構，但從結構設計來看，某些消防車生產企業生產的水箱局部存在側板與隔板折彎部位重合的情況（見圖4a），此處焊接操作性差，焊接時容易出現局部過熱，甚至燒穿，而且從結構上分析，此處也是焊接應力集中點，容易造成焊縫開裂。針對這種情況，筆者其對結構設計進行了局部優化，在保證水箱整體結構剛性的情況下，將側板與隔板折彎部位錯開（見圖4b），效果較好。

圖4 水箱側板與隔板折彎部位錯開

3.2 板材下料方式改進

據了解，水箱板材下料目前主要采用激光和等離子切割兩種方式，但在實際生產過程中，采用等離子切割時往往由于槍頭晃動而使板材出現“坑洼”，這些“坑洼”處在焊接時將產生很大的焊接殘余應力。另外，采用等離子切割下料產生的熔渣殘留較多，且局部位置不易清理。而且從下料結果來看，等離子切割下料精度也很難達到激光切割的精度。通過對不同區域、車型的消防隊走訪調研發現，采用等離子加工后產生的缺口部分發生銹蝕的可能性也遠大于激光下料。針對這種情況，對所有板料均要求采用激光下料（見圖5），改進后效果較佳。

圖5 激光下料成型拼接效果

3.3 焊接工藝改進

不銹鋼水箱常用的焊接方法有熔化極氣體保護焊（MAG）和鎢極氬弧焊（TIG）兩種，而鎢極氬弧焊電弧在惰性氣氛中極為穩定，電弧呈典型的鐘罩形形態，焊接熔池可見性好，能夠實現高品質焊接，得到優良的焊縫。而且相比熔化極氣體保護焊，焊接時不產生焊接飛濺，對水箱內部防腐有較好的效果。從調研結果來看，水箱內部焊縫均采用鎢極氬弧焊焊接工藝，外部底梁以及其他附件焊接采用熔化極氣體保護焊。

筆者在改進過程中進行了焊接試驗，因為在水箱制作過程中，涉及到平焊、立焊等位置焊接，也存在對接和角接的焊接接頭，焊接方法有MAG和TIG焊，因此，筆者選取了平焊這種最基本的焊接位置進行試驗，在該焊接位置操作簡單、焊接良品率高。三種焊接形式如圖6所示，其焊接材料全部為厚度4 mm 的304奧氏體不銹鋼，焊絲為直徑為1.0 mm的308焊絲，焊接接頭分別為雙面MAG焊（保護氣體為98%Ar+2%CO2）的T型接頭、單面冷填絲TIG焊的T型接頭及雙面冷填絲TIG焊的T型接頭。為了減少過熱對不銹鋼的氧化，筆者首先采用較小的電流進行了試驗。

圖6 試樣實物照片

將圖6中焊接試樣線切割取樣后制備成焊接金相試樣，磨拋后采用王水腐蝕制備金相試樣。

對焊縫組織進行了宏觀照相，如圖7～9所示，從圖中7可以看出，未熔合比較明顯。在焊縫的根部及側壁出現明顯的未熔合，即焊絲金屬未與母材形成熔合，焊絲僅僅是“附著”在母材表面，二者未形成有效熔深的冶金結合。

為了進一步探索，對焊縫接頭各部分進行了微觀組織觀察，如圖10～12所示。

從圖10母材金相照片可以看出，304不銹鋼的金相組織主要是奧氏體+鐵素體，奧氏體組織中，有部分呈孿晶，由于板材為軋制，圖中黑色條帶為變形的鐵素體，其嚴重腐蝕呈黑色凹坑，在奧氏體晶界上有少量點狀分布的碳化物。

圖7 MAG焊宏觀形貌

圖8 TIG雙面焊宏觀形貌

圖9 TIG單面焊宏觀形貌

圖10 未受熱影響的304不銹鋼母材金相照片

圖11 MAG焊金相照片（98%Ar+2%CO2）

圖11為MAG焊金相照片，圖12為TIG焊金相照片，圖12a為焊縫區域金相，組織為奧氏體組織及枝晶狀δ鐵素體，呈柱狀晶分布，其中δ鐵素體枝晶較為致密；圖12b為熔合線附近金相，上部分為焊縫，中部為熔合線組織，其由奧氏體晶粒和沿晶界分布的δ鐵素體組成。圖右部為熱影響區，由粗晶粒奧氏體和黑點顆粒狀分布的碳化物。其高倍圖片如圖12c所示。

圖12 TIG焊金相照片

通過對焊接接頭的進一步分析（見圖13），可知：

a.焊縫鐵素體析出大于10%，而據相關文獻表明，一般奧氏體不銹鋼焊縫金屬中鐵素體體積分數為5%～10%時可提高焊縫抵御晶間腐蝕的能力；

b.在熔合線附近過熱區母材組織中碳化物析出明顯，說明焊接時溫度在敏化反應區（450℃～850℃）停留時間過長，使鉻的碳化物在熔合線附近析出，這樣使得焊縫區域容易形成貧鉻區，造成晶間腐蝕；

c.從微觀組織可知，其未熔合情況也較嚴重。

總之，上述缺陷的存在導致了焊縫、熔合區及熱影響區的腐蝕和開裂。

從顯微硬度看出，3 0 4不銹鋼母材的硬度平均在191.5HV，按照標準GB/T 4237-2007《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》要求，其304不銹鋼供貨狀態為固溶處理態，其硬度要求不大于210HV，故其母材硬度符合標準要求。由表1顯示，無論是MAG焊還是TIG焊在熔合線附近母材硬度變化都不大，這說明其焊接熱影響區較狹窄。

對于TIG焊和MAG焊，焊接電流是影響焊縫質量的關鍵因素。當TIG焊焊接電流達190 A左右，MAG焊焊接電流達240 A左右時，焊縫熱影響區域增大，且易造成母材背面燒穿；當TIG焊焊接電流小于100 A，MAG焊焊接電流小于120 A時，焊接填充量較小，焊接時停留時間較長，且易造成焊縫熔合不良，鉻的碳化物在熔合線附近析出。通過相關試驗驗證，筆者對焊接參數進行了優化。通過反復試驗驗證及工藝評定，要求水箱TIG焊采用電流范圍為130～150 A，MAG焊采用電流范圍為170～190 A。

此外，焊材選用的合理性也是提高不銹鋼防腐性能的一項重要指標。針對目前消防車不銹鋼水箱常采用304不銹鋼材料，其具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械性能。對于這種材料，選用超低碳和含有Ti、Nb等穩定化元素的焊材，以形成穩定的碳化物（TiC、NbC），從而減少或避免不銹鋼的晶間腐蝕。

圖13 焊接接頭微觀組織圖

表1 顯微硬度

3.4 內部防腐工藝優化

根據調研結果發現，國內各消防車生產企業水箱內部防腐常采用的方式有鈍化、涂膠、刷漆三種，這三種方式在一定程度上都能達到一定的防腐效果。但通過前期試驗研究表明，采用單一鈍化進行防腐有較大的局限性，尤其是焊縫熱影響區，鈍化后仍有一部分灰色區域無法消除（見圖14）；而對于涂膠工藝而言，根據使用后反饋情況來看，采用涂膠工藝后的消防水箱在經過一定時間后，膠層會存在局部脫落情況（見圖15）；而對于刷漆工藝，通過模擬多種工況下的工藝試驗，而且借鑒碳鋼水箱防腐工藝的經驗，目前筆者采用了某種重防腐油漆對不銹鋼消防車水箱進行局部防腐處理，并且規定了油漆涂刷范圍以及漆膜總厚度，取得了很好的防銹和防滲漏效果。

圖14 焊縫鈍化后效果

圖15 焊縫涂膠層脫落

4 結語

消防車水箱防滲漏問題一直是消防車整個行業研究的重點課題，為了盡可能提高不銹鋼水箱防腐能力，通過實施產品結構設計優化，提高水箱的可焊性和可操作性，并選擇合適的板材下料工藝，保證下料質量，提高板材下料精度，在焊接工藝上選擇合適的焊接材料、焊接方法及焊接參數，減少焊接缺陷及熱影響區腐蝕，并采用在水箱內局部涂刷重防腐漆等改進措施。經過兩年多時間對消防車使用情況的跟蹤，在市場上未發生一起消防車水箱滲漏問題。實踐證明，通過上述措施的推廣與落實，消防車不銹鋼水箱銹蝕漏水問題已經得到了較大的改善。