水箱内胆加工工艺知多少.doc

水箱内胆加工工艺知多少
发布日期：2012-7-19 14:57:05

　　摘 要：水箱“内胆”是热水器的心脏，其特性影响着产品整体寿命。储水式电热水器、太阳能热水器、空气能热水器都需要配备一个水箱。那么水箱内胆是影响热水器使用的重要零部件。目前水箱内胆材质一般有不锈钢内胆、水晶内胆和搪瓷内胆。由于不锈钢内胆技术容易实现，生产设备、研发成本较低，市场上90%以上产品采用的是不锈钢内胆。一部分厂家产品采用 的是水晶内胆，少数厂家采用搪瓷内胆。目前部分地区出现不锈钢内胆漏水的现象，引发行业人士对不锈钢内胆水箱的讨论。究竟不锈钢为什么会出现漏水现象，是产品问题还是水质问题，如果是产品问题，厂家该如何保证水箱的产品质量，如果是水质问题，厂家又有什么办法减少水质对水箱的影响呢?而部分厂家开始尝试性地推出搪瓷内胆水箱，提高水箱内胆的耐腐蚀性，以延长空气能热水器的使用寿命。但是搪瓷内胆繁琐的生产工艺是否能适应空气能市场，而过高的生产成本是否成为造价过高的空气能的拦路虎?本文重点介绍空气能市场上不锈钢内胆和搪瓷箱内胆的加工工艺和特性，抛砖引玉，以望引起行业人士对不同材质的水箱内胆进行有益的技术探讨。
　　关键词：水箱、内胆、工艺、不锈钢、搪瓷、空气能

不锈钢内胆的工艺

　　不锈钢内胆的优点是内胆材质好、强度高;耐高温、抗腐蚀;性能稳定，不易生锈，但很难焊接，最大隐患是焊缝。在工艺流程中易产生虚焊现象，且不易被发现，时间稍长焊缝间就易生锈漏水，且虚焊部分出厂前无法检验。有些厂家为了降低生产成本，使用的不锈钢也很薄，使内胆承受压力下降，影响了使用寿命。晶硅内胆是在不锈钢内胆的基础上加以改进，在钢板基础上采用最新工艺，将硅化物经900℃高温烘烤使之附着在内胆内外壁上，可以使水与内胆隔离，避免水和钢板直接接触，具有不生锈、强度高的优点。不锈钢品种很多，对不锈钢牌号的选择要综合考虑强度、塑性、焊接性、经济性特别是在含氯离子水中的抗腐蚀性。广泛用于化工、食品工业、厨房设备的304不锈钢属奥氏体不锈钢，强度、塑性优良，焊接性好。目前在空气能水箱内胆大多用304不锈钢制作。厂家批量采购不锈钢材质后根据不同容量进行裁剪，然后将钢板冲压成型后再焊接，由于圆桶顶部和底部都是镂空，所以，必须在圆桶的顶部和底部焊接圆形盖顶。那么不锈钢内胆共有两条弧形焊缝和一条直线焊缝。

焊接区易腐蚀

　　304不锈钢在氧化性酸介质中耐腐蚀能力强，但在含氯离子水中容易产生点腐蚀及应力腐蚀。钢中含铬量≥12%时，由于氧化性活泼的铬在钢的表面迅速与氧形成致密、坚固的富氧钝化膜(Cr2O3)，有效地隔离了氧的进一步侵入。因而在空气中或氧化性酸(如硝酸)中，这一类钢抗均匀腐蚀性能好，不生锈，故称之为不锈钢。但在水中，尤其在含Cl-浓度较高的的水中，由于Cl-离子可在某些局部部位对Cr2O3钝化膜起破坏作用，导致发生局部腐蚀。与均匀腐蚀(化学腐蚀)相比，局部腐蚀(电化学腐蚀)速度要快的多，危险性也大的多，往往导致泄漏失效。

　　而在含Cl-的水介质之中，不锈钢最易发生腐蚀的薄弱环节是焊接区，由于该区经受过高温加热，组织及性能有劣化，抗腐蚀性能也降低。因而水箱的使用寿命主要取决于水箱薄弱环节处(焊接区)是否发生晶界腐蚀、应力腐蚀及点(缝隙)腐蚀一类局部腐蚀。试验研究表明，当水中含Cl-离子的浓度较高时，缝隙(点)腐蚀是水箱中最常发生的腐蚀形式。304不锈钢对卤族元素阴离子特别是对Cl-离子敏感，水中Cl-浓度越大，点蚀临界电位越低，越易于发生点腐蚀。而缝隙腐蚀的临界电位比点蚀更低，当有窄缝存在时缝隙腐蚀更易于发生，腐蚀速度更快。不锈钢内胆生产过程中的天然生产缺陷是造成不锈钢内胆漏水的重要原因。

　　因而有效地防止点(缝隙)腐蚀是提高水箱使用寿命的关键。

生产加工环节减少腐蚀基因

　　虽然说不锈钢内胆有天然的缺陷，但我们厂家在生产过程中在焊接加工、试压检漏、发泡组装等工序多加注意，尽量减少因为生产而形成的错漏。

　　1.下料、冲压翻边环节

　　通常情况下，采购的SUS304不锈钢材料为卷料，需要开屏裁切，然后转序冲孔、翻边、卷圆等环节。作为内胆材料加工转序，一般生产厂家不太关注SUS304不锈钢表面防护容易生产不良划伤、刮伤、皱褶等表观缺陷，导致不锈钢表面Cr2O3钝化膜损伤或局部较弱，最终造成容易发生局部腐蚀。因此，在内胆不锈钢材料开屏裁切、冲孔、翻边、卷圆过程中应文明生产，如同外壳生产一样，加强表面防护措施。 不锈钢内胆材料在冲孔、翻边及内封头成型过程中，通常要使用冲压机油。一般情况下，冲压油中都含有一定量的氯离子，而氯离子对不锈钢具有较强的腐蚀作用。因此，应选择正规的供货厂家提供的冲压机油(要求氯离子、硫离子含量尽可能低的冲压机油)，并对冲压机油的成份进行必要检测控制。同时应对加工过程中残留在不锈钢表面的油污进行必要清洗、干燥，避免残留物对内胆造成局部腐蚀。

　　2.焊接、试压检漏环节

　　内胆焊接是生产中的一个特殊重要工序，焊接质量好坏对内胆耐腐蚀起决定性作用。焊接质量因设备差异与焊接工艺方法、焊接人员操作技能水平等存在较大差异。焊接常见缺陷为：焊缝氧化腐蚀、焊迹不连续、过烧、热影响区晶粒长大等。

　　TIG焊缝氧化主要是焊接时气体保护不良造成，氧化后表面的Cr2O3钝化膜被破坏，使用过程中与水接触后造成氧化区的加速腐蚀。为此，必须优化生产工艺，采焊接时用双面惰性气体保护，同时采用的惰性保护气体必须是高纯度的氩气等，规避焊接区的氧化。

　　不论是电阻压力焊还是TIG焊，必须熟练操作设备，确保焊迹连续，无断点发生，无发黑、发蓝、无过烧现象。否则容易造成缝隙腐蚀和焊缝渗漏。

　　焊缝热影响区晶粒增大或晶间碳化物析出，是由于焊接时加热时间过长或热处理不当则在某些环境中易产生晶间腐蚀。焊缝在425℃-815℃之间加热时，或者缓慢冷却通过这个温度区间时，都会产生晶间腐蚀。这样的热处理造成碳化物在晶间沉淀(敏化作用)，并且造成最邻近的区域铬贫化使得这些区域对腐蚀敏感。敏化作用也可出现在焊接时，在焊接热影响区造成其后的局部腐蚀。为此，焊接电流、速度必须适宜控制，尽可能使用较快的焊接速度，目的是减少热影响区宽度，同时冷却可靠控制。

　　水箱箱内胆必须无渗漏且具有一定耐压性能，一般在焊接完成后需一一浸入水中进行内胆试压检漏。试压检漏过程中，内胆筒体上所有插接孔必须封闭，为了方便插入堵塞，一般有的采用专门润滑剂(如洗洁净等)、有的直接采用清水。对于采用润滑剂润滑(洗洁净)，必须严格控制并保证润滑剂为中性且不含氯离子等成分。

　　我们知道，一般洗洁净分酸性、中性、碱性，如为了增大洗洁净浓度，可能加入氯化钠;为了增加去污性，可能加入盐酸等。一旦使用含有氯离子之类的洗洁净作为润滑剂，其残留物在内胆中，导致内胆内极容易发生点腐蚀而产生由内向外穿透。为此，作为内胆试压检漏，一是水槽内的水本身必须清洁，无油污，勤更换;二是对于堵塞润滑采用正规的润滑剂，最好直接采用清水润滑。

　　注：图为某空气能热水器的不锈钢内胆
　　来源：2012年5月份在浙江舟山废品收购站的某空气能热水器水箱内胆，并去除外板图。
　　A：有2处，焊接中速度不均匀或断丝，容易产生裂缝，在敞开式容器中使用并无大碍，但在承压容器中使用会出现渗漏问题，减少使用寿命
　　B：2处，焊接过程中未将焊丝熔圆润或搬运中刮伤
　　D：3处，焊接速度过快，焊丝未及时跟上，后期需要追焊补救通过验收

从电热水器看搪瓷内胆发展

　　电热水器产业已经有近百年的历史，从镀锌板内胆，到不锈钢内胆，到搪瓷内胆。目前，国外市场上，电热水器已经全部淘汰了不锈钢内胆，而采用了搪瓷内胆。而太阳能热水器也面临着从不锈钢内胆向搪瓷内胆的升级。这是否意味着空气能热水器日后也朝搪瓷内胆的方向发展?

　　搪瓷内胆表面的瓷釉为非金属材料，既不生锈，也无水垢，有较强的耐压能力。

　　普通的搪瓷内胆有三点不足之处：首先，鱼鳞爆是普通搪瓷内胆的致命缺陷;其次，搪瓷属于硅酸盐，在高温水中会缓慢溶解、变薄，即沸水失重;另外，酸性水质对搪瓷内胆有极大的破坏性。普通热水器的内胆采用低档的碳素钢板，烧结工艺不好，只有简单的两层胆，易发生鱼鳞爆、酸蚀、溶解快等问题，使用寿命缩短3-5年。钛金内胆和金圭内胆是改进后的一种搪瓷内胆，不但防腐蚀性好，内胆强度高、耐高温、抗腐蚀，性能稳定。

搪瓷内胆的特性

　　搪瓷涂在经过适当处理后的钢板上通过900℃以上的温度烧成。这个过程，使搪瓷与钢板之间产生很强的结合力，使它们成为一体，最终成为搪瓷钢。它具备钢材的稳定性(抗压、强度高)及玻璃搪瓷的抗腐蚀性、电绝缘性。这种完善的防锈蚀性及电绝缘性恰恰是热水器内胆所必需的。

　　此外，搪瓷钢材料可以承受-60℃～+450℃的温度变化范围，并且能够承受甚至高达200℃的温度骤变。它防水、抗蒸气、防酸碱，不释放任何有害健康或污染环境的物质，任何物质包括水、离子、电解溶液等均不可能渗透其表层。

　　搪瓷的抗腐蚀性为99.9%，一些微小的薄弱点使得腐蚀不可避免的发生。但是由于使用了阳极镁棒，腐蚀反应会集中在阳极镁棒上，以阻止那些未被良好搪瓷覆盖的微点受到侵蚀，从而保护内胆。

搪瓷内胆的生产流程：

　　搪瓷承压水箱的生产实验需要极其精密的技术设备来完成，普通的设备满足不了搪瓷承压水箱这种新型环保产品的需求。

　　搪瓷承压水箱所使用的主要设备都是全新进口的高科技产品，全过程PLC程序控制、数控卷圆对角误差不超过 0.5mm技术确保了净蓝搪瓷内胆的承压能力;同时，在圆周焊、直封焊上采用自动跟踪系统、美国林肯和日本OTC焊接系统、管座采用定位焊接技术，这些诸多先进的技术促使了净蓝内胆焊接缝达到16万次的国标和25万次的澳洲标准;国内公司大多引进的德国自动喷搪和滚搪技术提供并满足了200L以上蓝金钢大容量内胆的生产条件;此外，在搪瓷烧接温度上采用西门子技术，始终将温度控制在-5℃～+5℃之间;整体发泡程序也采用了环保无氟意大利的领先技术。

　　一系列国际先进的技术和设备造就了国产搪瓷内胆水箱一流的生产工艺水平，国产净蓝搪瓷承压水箱的搪瓷技术在这种工艺水平和先进理念的指导下顺利达到了欧洲标准，成为了名副其实的行业精品。

　　要制造符合标准的热水器内胆，搪瓷内胆的设计是关键。选定钢板后，具有良好的适合于涂搪的焊接质量是确保产品质量的重要因素。

　　搪瓷内胆的焊缝设计和坯体的深加工精度是确保焊接质量的前提，有焊缝的产品要涂好搪瓷一直是搪瓷工艺中必须适应的重要因素。从某种意义上讲，焊接的质量，决定着产品涂搪瓷后的质量。

　　因为焊接时造成的焊缝缺陷如内胆内壁焊缝区过烧，有较多较大的气孔、气泡、大型夹杂、裂缝、未焊合等严重缺陷，以及在焊缝和热影响区出现严重的魏氏组织，都会在搪瓷烧成后留下各种搪瓷缺陷，它不仅影响产品的防腐蚀性能，严重的焊接缺陷会直接影响产品的安全性能。

　　对产品的焊缝的要求是：焊缝结构精确、内壁各部位造型合理，适合涂搪瓷的工艺要求，涂搪瓷面焊缝区经搪瓷烧成后，组织基本正常。随着科学技术的飞速发展，很多先进的焊接技术和加工工艺把传统的以毫米计的焊缝宽度大为缩小，使焊缝区的热影响程度明显减轻，使产品坯体焊缝质量更适合目前各种涂搪瓷工艺的要求。

　　为了实现搪瓷防腐的目的，瓷层必须紧密，没有空洞，并与其底层的钢材有着很强的密着性。为此，必须对钢材进行清洁和预处理。

预处理方法有二种：化学法和物理法。

　　选择物理法的厂商大多采用喷砂工艺。 喷砂不仅可以清理表面，而且还可使表面变粗糙，有利于增加瓷层和钢材表面的密着性，选择喷砂法所需要考虑的因素有表面污斑，表面粗糙度，以及经济性。

　　化学清洗通常采用酸性法，对于钢材通常用硫酸清洗，对于铝这样的双性金属，通常采用碱性溶液(如NaOH)清洗，清洗后，钢材必须要用水清除残留的酸洗液。

　　这二种方法，究竞哪一种更佳，完全取决于操作的经济性以及其它一些工艺因素，但是二种方法均能制造出适合于涂搪的表面。

常规的热水器的涂搪通常有两种：湿法和干法。

　　湿法工艺主要有喷涂、浸涂和滚动涂搪等方法。通过使内胆在三维空间内转动， 使其内部所有表面都涂上釉浆。多余的残渣和液体都必须清除掉，以保证钢材表面只覆盖着一层薄薄的、均匀的和连续的釉浆。

　　影响搪瓷质量的因素很多，如釉浆的粘度，钢材的预处理，金属表面的密着性，焊接的质量以及内胆的构造等。湿法涂搪在美国较为流行。

　　干法则以静电喷涂为主。静电喷涂与湿法系统相比，有许多的优点。它降低了成本，节约了能量，材料利用率可达到97%。此外它还减少了对环境的污染。目前，欧洲一些大型热水器制造商基本上全部采用静电喷涂法。

　　大部分热水器制造商只喷一层瓷釉。只有对一些温度和压力条件较为苛刻的用途，如水槽，才采用两层喷涂。有的则采用在一种特殊的预涂层上覆盖瓷釉。

　　搪瓷在700℃ 时，开始融化并形成瓷层。搪烧温度一般保持在830-860℃之间，时间为7-15分不等。烧红的内胆从炉中被取出，并逐渐冷却至室温。通常搪烧过程是连续的，并且可以再重复一次，以形成第二层搪瓷，甚至重复多次，以获得苛刻的应用条件下所需的多层搪瓷。

热水器内胆用钢板的质量要求

　　不是所有的钢材都适用于涂搪。选择钢板时，要注意的几个因素是：可涂性、表面缺陷、可成形性、垂度、强度和可焊性。各要素的相对重要性，取决于对成品的要求。

　　根据热水器搪瓷内胆标准的要求和实际使用的条件，热水器搪瓷内胆用钢板的选择应考虑以下条件：

　　1、 根据搪瓷内胆的造型结构和在标准条件下的产品耐压性能要求，选择具有一定厚度的钢板，其屈服强度能满足上述要求，并且有一定安全保险系数。

　　2、 选择使用的钢种应与选用的搪瓷瓷釉相匹配。选择使用的钢种的钢板应具有一定的抗鳞爆性能，通过检验和适应性涂搪瓷试验，可以确认钢板是否适合于生产搪瓷内胆。

　　3、 钢材表面质量良好。目前， 国内生产热水器搪瓷内胆用的钢板，由于产品品种和造型结构的不同， 所使用钢板种类幅度较宽。有以SPP为代表的搪瓷专用钢板;以SPCC、SPCD、SPCE(包括St12，St13，St14等)为代表的普通薄钢板;以St37-2(包括法国SOLLACG公司的Emaile245，Emaile265，Emaile310等)为代表的钢板。

焊接的质量要求

　　要制造符合标准的热水器内胆，搪瓷内胆的设计是关键。选定钢板后，具有良好的适合于涂搪的焊接质量是确保产品质量的重要因素。

　　搪瓷内胆的焊缝设计和坯体的深加工精度是确保焊接质量的前提，有焊缝的产品要涂好搪瓷一直是搪瓷工艺中必须适应的重要因素。从某种意义上讲,焊接的质量，决定着产品涂搪瓷后的质量。因为焊接时造成的焊缝缺陷如内胆内壁焊缝区过烧，有较多较大的气孔、气泡、大型夹杂、裂缝、未焊合等严重缺陷，以及在焊缝和热影响区出现严重的魏氏组织，都会在搪瓷烧成后留下各种搪瓷缺陷，它不仅影响产品的防腐蚀性能，严重的焊接缺陷会直接影响产品的安全性能。

　　对产品的焊缝的要求是：焊缝结构精确、内壁各部位造型合理，适合涂搪瓷的工艺要求，涂搪瓷面焊缝区经搪瓷烧成后，组织基本正常。随着科学技术的飞速发展，很多先进的焊接技术和加工工艺把传统的以毫米计的焊缝宽度大为缩小，使焊缝区的热影响程度明显减轻，使产品坯体焊缝质量更适合目前各种涂搪瓷工艺的要求。

搪瓷水箱实际使用暴露出的缺陷

　　目前，国内外搪瓷都存在漏搪、微孔、气泡等制造缺陷。搪瓷并不能将金属内壁完全遮蔽，因为即使是非常好的搪瓷技术厂家，也承认搪瓷的涂覆率不可能达到100%，不仅搪瓷表面存在肉眼不可见的微孔，而且存在着搪瓷缺陷，即：内胆钢板焊缝错位处，普通搪瓷很难处理好，吸附性极差，并且在生产线周转以及运输工程中，难免因磕碰导致新的缺陷出现。欧洲标准PREN12897中规定：单个缺陷的最大尺寸不得超过：在平面搪瓷面上2mm;在边缘或支撑上10mm;在焊缝上4mm。

　　皮下缺陷(指在搪瓷内部充满铁氧化物的缺陷，在光学显微镜下呈暗红色到黑色)仅允许在边缘和焊缝存在，缺陷位置应该在边缘或焊缝2mm距离内;所有皮下缺陷的总面积不得超过20c㎡/㎡搪瓷表面。

　　这些缺陷处的金属是暴露在水中的，与内胆其他完好涂覆搪瓷层的钢板形成腐蚀电池，裸露钢板成为阳极，其他部分形成阴极，造成大阴极小阳极的格局，加速了裸露钢板的腐蚀。

　　1、镁棒保护有后患

　　一般延长搪瓷水箱寿命的方法是用镁棒来保护搪瓷内胆。但是不能认为有镁棒阳极保护就万事大吉，高枕无忧。镁棒防腐蚀带来另外的缺陷：①镁棒防腐蚀寿命短，要频繁更换;②镁棒防腐蚀化学反应过程中产生絮状分解物，影响洗浴卫生，对人体也会产生危害。

　　2、热水温度高，加速搪瓷溶解

　　热水温度越高，搪瓷水箱的寿命就越短。有数据表明，搪瓷内胆水温从60℃开始，搪瓷的溶解速度大大加快，因为生活热水用水箱温度经常保持在60℃，所以搪瓷水箱寿命偏低。

　　3、国内生产厂家不规范生产带来质量隐患

　　我国目前搪瓷工业仍然存在一个根本问题，即搪瓷制品的基体材料——搪瓷钢80%以上依赖进口，我国还没有形成搪瓷系列专用钢的生产，市场上普遍存在以普通碳钢当成搪瓷用钢的混乱现象，尤其是承压水箱行业。

　　搪瓷钢板不同于普通钢板，不仅要进行各种常温大变形加工，而且需表面高温涂搪加工，因此搪瓷钢板除满足良好的塑韧性要求外，还必须符合涂搪加工低吸气性和与搪瓷相近的收缩性能的质量要求。

　　目前搪瓷钢板加工过程中的主要问题有冲裂和鳞爆。前者原因在于搪瓷钢的基板力学性能，后者的鳞爆原因主要是搪瓷制胚在高温烧结时，瓷浆内的结晶水与钢板表面的铁、碳反应生成原子氢。原子氢向钢中扩散，以原子或分子的形式溶解于铁，或吸附在钢中的组织孔隙、晶界位错、基体与非金属夹杂物之间的空位处等等。当制品冷却时，氢在钢中的溶解度急剧下降，如果钢中没有足够的吸氢场所，氢原子则会大量逸出，在钢板表面积聚，至一定程度以很大压力冲破瓷釉表面，产生鳞爆剥落。所以，搪瓷内胆并不是万能药，工艺做不好，一样会漏水。