自動焊技術在乳制品生產過程掃除質量盲區方面的應用

文/吳正紅

（山東碧海包裝材料有限公司）

乳制品企業常常存在一種現象，一條新產品線在前幾年運行得非常好，可隨后就經常出現一些壞包，而采用管道清洗后得到了改善，但是經過一段時間后這種現象又會出現，很難查出具體問題所在。此時需要注意設備之間的連接點和網路構架上是否存在問題。

1 焊點——很小的點，很大的影響

人們常常關注乳制品企業是否擁有一臺好的灌裝機，一臺好的殺菌機，這些知名品牌的設備能夠保證乳制品達到較佳的安全指標和營養指標。但是往往忽略的是，這些機器組成的乳制品加工線擁有大量的不銹鋼管路系統，包括許多管、泵、閥，因此將其連接起來的焊接技術尤為重要（圖1）。其中，“自動焊”技術可以為乳制品生產過程掃除質量盲區，成為一個關鍵的技術點。

圖1 乳制品企業擁有大量不銹鋼管路系統

1 個工程的焊接口有數萬個，每個焊點都能成為一個質量風險點。和國內的一些乳制品企業交流時發現，他們常常抱怨一條新的生產線在開始數年運行狀況較好，生產的乳制品品質較佳，但是隨后在新廠變為老廠時，就經常出現一些壞包，在某一季節如夏季的壞包率很高。因此，工程師們采取管道的CIP清洗或高溫蒸汽清洗，清洗過的設備品質取得很大的改善，可是在一段時間后，又會重復出現類似問題。

其實，問題的根結點與設備關系不大，乳制品企業都配備很好的設備，能夠提供品質很穩定的乳制品。究其原因是在設備之間的連接點或者管路系統的構架上，而這一點實際上很難排除，很難被發現。

2 焊接技術在國內和國際上有明確的標準要求

國內乳制品GMP對設備之間的連接有很明確的要求（圖2）。比如說產品接觸面應表面光滑，易于清洗和消毒；食品接觸面應平滑、無凹陷或裂縫，以減少食品碎屑、污垢及有機物的聚積，這些屬于對乳制品生產設備的技術性要求。

藥品GMP指南上也提到（圖3），由于對工藝中的關鍵焊接參數有更高的要求，軌道自動焊接被認為是一種首選的管路連接施工方法。焊接后通常采用內窺鏡檢查，GMP指南要求如果采用手工焊接，使用內窺鏡的檢查比例是100%；而如果使用“自動焊”技術，只需采取20%的抽檢比例。

圖2 國內乳制品GMP要求

圖3 藥品GMP指南-2010版

圖4 惠氏營養品要求以制藥的經驗制造奶粉

之所以提及藥品的要求，是因為以惠氏乳業蘇州工廠為例（圖4），許多國際乳制品企業已經秉承了“以制藥的經驗制造奶粉”的理念。在國外的一些地區，消費者購買奶粉的場所往往是藥店，而不是商超，這就意味著很多乳制品企業需要按照生產藥品的標準來規范嬰幼兒配方奶粉的生產。

圖5 EHEDG標準對自動焊的要求

圖6 國家輕工行業標準要求優先采用自動焊接設備進行焊接

歐盟早在1993年就認識到“自動焊”的優勢。歐洲衛生工程設計組織（EHEDG）是一個行業組織，其制定的認證標準更高，且同行業內會比較遵守EHEDG制定的技術規范。在《Doc 08 潔凈設備設計標準》中，專門對焊接、軌道焊接、自動焊接提出了具體要求。其要求對于管道工程而言，首選的方法是自動軌道焊接，因為其能夠始終如一地完成高質量焊縫（圖5）。而在其1993年制定的《Doc 09 符合潔凈要求的焊接不銹鋼管》中要求，在安裝過程中，應盡可能地使用軌道焊接，通常認為80%～90%的焊接可以由軌道焊接工完成，根據安裝的等距圖，一定程度的預計劃將有助于最大限度地增加軌道焊接的焊縫數量，難以接近的焊縫應盡可能于工廠安裝前在車間完成（圖5）。由此可見，歐洲潔凈設備早就要求100%實行“自動焊”，盡量避免手工焊接，這樣既可以始終如一地保證產品質量，又可以有效減少人為施工過程中造成的質量風險。

在我國，醫藥工程施工也廣泛執行“自動焊”。雖然目前還沒有按照國標要求強制執行，但是在醫藥行業已經普遍采取該操作。2015年，我國發布了《食品工業用不銹鋼管道安裝及驗收規范》輕工行業標準（圖6），明確標出“管子對管子或管道元件之間組合焊接時，如位置許可應優先采用自動設備焊接”。從乳制品行業看，高質量的乳制品離不開好的奶源，也離不開高質量的設備，因此施工工藝是很重要的，但往往受傳統做法的影響而易被忽視。

3 “自動焊”技術與手工焊接的比較

3.1 手工焊后出現滲漏

圖7顯示是國內的某一項目工程，在使用一段時間后，在焊縫的位置發生了很嚴重的腐蝕，出現了漏點，肉眼可見從該處有很細的水珠流下來。

3.2 手工焊后出現漏點

圖8是某一工程發現的焊接漏洞，很明顯是由于在人工焊接施工過程中因多次焊接或者不熟練操作造成的。

3.3 手工焊后焊縫未滲透，出現焊縫扭曲、焊疤

圖9也是不良焊接的一個失敗案例。有些焊接在外面看是融合的，沒有問題，但是使用內窺鏡觀察內部，或者把管道剖開取樣看，其內部并沒有出現滲透情況，而是存在拼接縫隙問題，形成無法清洗的死角。

有些焊接氧化情況非常嚴重，已經破壞奧氏體不銹鋼本體材質的耐腐性、光潔度，易出現滋生細菌、抗腐蝕性下降的情況，這就是一個很嚴重的質量風險點，因為內部始終隱藏著細菌，不斷滋生的細菌會影響很多批次產品的品質。

圖7 手工焊接口出現滲漏

圖8 焊道出現漏點

圖9 焊縫未融透等失敗案例

3.4 焊接不合格導致細菌滋生等問題

在焊接不合格的位置，李斯特菌、沙門氏菌反復污染著產品。這2 個菌種最小為0.5 μm（圖10），而對于管道系統的Ra值（表面粗糙度值）國內基本要求在0.5～1.0 μm。這意味著，如果細菌過小，不僅會存在于管道縫隙和焊口中，也會分布于管路系統的內表面。只有把表面打磨得更光滑，使管道系統的Ra值低于細菌大小，比如達到0.5 μm時，細菌殘留幾率才會更低。

4 理想的“自動焊”要求

理想的“自動焊”是無裂紋或氣孔，無臺階、無錯邊，無內部變色或電弧，無凹陷或凸起，無夾雜，表面粗糙度不增加，無相關的金相變化，無可見無咬邊，無燒穿。

不管是醫藥級還是食品級，焊接都有國際通用的允收標準。比如《EHEDG Doc 35 食品加工行業不銹鋼管的衛生焊接》中要求，焊縫的凹陷、錯邊有15%的允收標準（圖11），扭曲偏差在25%～75%（圖12），這些都有據可查。

圖13是在“自動焊”下焊管內外表面的理想焊縫照片，其縫隙是完全融合滲透的，沒有氣孔、沒有臺階、沒有錯邊，沒有夾雜、沒有凸起和凹陷，焊縫的魚鱗片非常均勻，即“自動焊”用機器保證高質量焊縫的外觀表現。

5 實施理想“自動焊”的措施

圖10 焊口中容易存在的李斯特菌、沙門氏菌

圖11 焊縫的凹陷、錯邊有15%的允收標準

圖12 扭曲偏差的國際允收標準

圖13 “自動焊”下焊管內外表面的理想焊縫

首先不論是現場施工，還是工廠預制，在管道設計過程中，優先考慮實施“自動焊”的流程。比如，需要自動焊接的管道，一個工程內需要預制的部位，以及需要在現場完成的部位。其次，需要“自動焊”的焊接設備，以及焊接工藝工程師在現場指導施工作業。再次，需要注意焊接時的細節操作。

舉例1：焊接的彎頭分為短彎頭、長彎頭2 種。短彎頭一側壁厚、一側壁薄，因為在焊接的過程中上沿和下沿涉及材料的拉伸和堆積，因此上沿和下沿的壁厚應存有一定差別。這要求在自動焊接或手動焊接過程中，厚的一側需要更長的焊接時間，更慢的速度，供給足夠熱量使其融透；而薄的一側則需要更少的時間、熱量，以免造成燒壞或過度氧化。如果是長彎頭，其具有一個直管的部分，可以避免這種薄厚的差異，在自動化焊接時，把軌道焊接頭加持在長彎頭和焊管處轉360°，就會非常均勻地完成點焊工作。這就是長彎頭和短彎頭的技術細節區別（圖14）。

舉例2：焊接氧化是在焊接過程中，沒有在焊縫的位置填充保護氣而造成的。焊縫周圍被氧化后，破壞了不銹鋼原有耐腐的晶間組織，在日積月累地使用下，被氧化焊縫析出的碳化物就會不斷掉落在產品中。無氣體保護的焊接情況見圖15。

2019年，某大集團乳制品企業購買了一款磁性過濾器，專門吸附乳制品生產過程中的一些金屬離子，在使用一段時間后，磁性過濾器上吸附了很多黑色金屬顆粒，這些顆粒可以充分被懷疑是焊接不良的管路系統上掉落的碎屑。由于焊接時沒有填充保護氣體，造成氧化情況嚴重，不具備長時間抗腐蝕的要求。

圖14 焊接短彎頭、長彎頭的技術區別

圖15 無氣體保護的焊接

圖16 無氣體保護的焊接

正確的做法是在“自動焊”下，焊槍沿著焊縫360°旋轉，同時在焊縫周圍填充保護氣體，保證其即使在高溫焊接下，也可以避免外焊縫的氧化；內管采用一種堵頭裝置，填充內保護氣，把氧氣排除干凈以避免氧化。

圖16是EHEDG標準中的一個圖譜，描述了氣體含氧量（橫坐標為5～300 mg/kg）和焊接時間（縱坐標為5～60 s）對外部焊接點內表面的影響。由此可見，如果使用氬氣進行保護，可以把含氧量控制在很低的范圍內，即使焊接時間很長，也不會有很嚴重的氧化現象出現。除了歐盟標準，美國也具有焊接氧化的允收標準，對氧化導致的變色要求也是越少越好（圖17）。

6 小結

通過在效率、人員技能、品質、人工成本、后期維護成本等方面，對手工焊和自動焊接的比較（表1），可以清晰地看到優劣。近幾年，國家相繼出臺了一些乳制品相關政策，包括執行最嚴謹的食品標準、最嚴格的質量管控、最嚴厲的處罰和最嚴肅的問責，這些政策用于規范乳制品企業行為。而乳制品企業要達到最合要求的生產水平，需要設備企業提供達到國際水平的先進設備、先進工藝和良好的技術解決方案。“自動焊”技術就在細節處理上，可以助力乳制品企業達到先進的生產水平。

表1 手工焊和自動焊接的比較分析

圖17 美國焊接氧化的允收標準