田志平

（沈陽(yáng)煤業(yè)（集團(tuán)）機(jī)械制造有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110123）

1 氣體保護(hù)焊（GMAW）功能介紹

可持續(xù)發(fā)展和減緩氣候變化都需要資源高效生產(chǎn)。一般來(lái)說(shuō)，焊接是制造中最重要的連接技術(shù)，而氣體保護(hù)焊（GMAW）是最常用的連接工藝。特別是在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，弧焊在制造的總成本和能源消耗中占有主要份額。此外，先前的研究表明，除了填充材料外，電在GMAW 的環(huán)境負(fù)荷中占主導(dǎo)地位。迄今為止，GMAW 的能源效率一直被業(yè)界所忽視。這主要是由于對(duì)經(jīng)濟(jì)過(guò)程性能的關(guān)注，這在過(guò)去幾十年里得到了大力推進(jìn)。通常，低成本的GMAW 是在噴弧操作模式下執(zhí)行的。因此，本研究將噴射電弧轉(zhuǎn)移作為GMAW 的參考過(guò)程（標(biāo)準(zhǔn)GMAW）。生產(chǎn)率可以進(jìn)一步提高由串聯(lián)GMAW（TGMAW）過(guò)程實(shí)現(xiàn)。TGMAW 主要采用脈沖噴涂過(guò)渡方式，其沉積速率和焊接速度顯著提高，這是經(jīng)濟(jì)性能的主要指標(biāo)。然而，工藝參數(shù)的選擇必須謹(jǐn)慎，以防止工藝的不穩(wěn)定性。

對(duì)于GMAW，特別是大功率GMAW 的能量消耗，目前還沒(méi)有深入的研究。此外，文獻(xiàn)中并沒(méi)有明確定義一種可應(yīng)用于工藝參數(shù)的能效指標(biāo)。

本文旨在對(duì)GMAW 的能效進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)測(cè)量能量消耗和計(jì)算相應(yīng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)電沉積效率來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩種工藝正在研究中，一種是標(biāo)準(zhǔn)的GMAW工藝，一種是TGMAW 工藝。最后，連接一個(gè)30 mm厚的BTW 耐磨板，以確定一個(gè)真正的接頭的能耗。一方面，這將支持以能源為導(dǎo)向的工藝發(fā)展指標(biāo)的工業(yè)。另一方面，闡述了如何同時(shí)提高工藝性能和能源效率，從而降低制造成本和減少焊接對(duì)環(huán)境的影響。

2 應(yīng)用方法

2.1 過(guò)程數(shù)據(jù)采集

能量消耗通過(guò)兩個(gè)位置的功率測(cè)量來(lái)評(píng)估。如圖1 所示，測(cè)量焊接電源前后的電流和電壓。

圖1 功率測(cè)量系統(tǒng)原理圖

電源測(cè)量計(jì)算的是總功率PS包括二次消耗，例如來(lái)自送絲機(jī)的消耗。PS用于計(jì)算設(shè)備的壁插效率，確定總體能耗。采用商用測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電源與焊接電源之間的三相電流和電壓分別進(jìn)行測(cè)量和記錄。PS根據(jù)式（1），由三個(gè)相的有效功率之和計(jì)算。PS1、PS2、PS3，均由測(cè)量系統(tǒng)直接提供。

過(guò)程功率PW量化在制造熔池和熔化金屬絲的過(guò)程中所需的能量。PW能夠調(diào)查工藝參數(shù)并提供有關(guān)工藝穩(wěn)定性的信息。此外，可以排除設(shè)備（如冷水機(jī)、內(nèi)部電路電源等）的干擾。用商用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量并記錄電流I 和電壓U。PW根據(jù)式（2）計(jì)算，作為瞬時(shí)功率的算術(shù)平均值。設(shè)備的壁塞效率η 按式（2）計(jì)算。

2.2 電沉積效

與之相比，電沉積效率（EDE）是GMAW 工藝能效的關(guān)鍵性能指標(biāo)，他們只關(guān)注填充材料的熱量輸入。它評(píng)估每單位電力消耗的熔融填充材料的質(zhì)量。用工藝參數(shù)送絲速率wfr、工藝功率Pw表示如式（3）所示，焊絲截面面積為AW，以及填充材料的密度ρ。

EDE 指標(biāo)主要受絕對(duì)工藝功率和有效效率的影響，綜合了保護(hù)氣體、物料輸送方式或接觸管與工件之間的距離等多種影響。焊接電源的特性和工藝參數(shù)的設(shè)定決定了工藝功率的大小。本研究評(píng)價(jià)了用于標(biāo)準(zhǔn)GMAW 和GMAW 工藝的EDE。TGMAW 工藝采用了不同的物料傳遞方式，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，以提高能源效率。

2.3 傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

采用焊接機(jī)器人在平面位置進(jìn)行自動(dòng)焊接。焊接樣品采用30 mm 厚的BTW 耐磨板。試樣用v 型槽、陶瓷墊板和釘焊接而成。填充材料為直徑1.2 mm 的標(biāo)準(zhǔn)焊絲。數(shù)據(jù)是通過(guò)執(zhí)行多道焊來(lái)測(cè)量的。假設(shè)焊絲的鋼密度為7.85 g/cm3。

在第一組實(shí)驗(yàn)中，對(duì)EDE 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)GMAW（Standard GMAW 1 和2）和TGMAW（TGMAW 1 和2）過(guò)程的兩個(gè)功率級(jí)別的評(píng)估。每個(gè)參數(shù)集執(zhí)行2～7 次，以保證結(jié)果的質(zhì)量。對(duì)20～30 s 的穩(wěn)定工藝條件下的電流和電壓數(shù)據(jù)集進(jìn)行了分析。工藝功率PW以及總功率PS根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算。

表1 為標(biāo)準(zhǔn)GMAW 工藝的實(shí)驗(yàn)條件。根據(jù)選擇的送絲速度，利用焊接電源的協(xié)同特性來(lái)確定焊接參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)GMAW 的操作方式為噴涂電弧轉(zhuǎn)移。

表1 標(biāo)準(zhǔn)GMAW 工藝的實(shí)驗(yàn)條件

在第二組實(shí)驗(yàn)中，為標(biāo)準(zhǔn)GMAW 和TGMAW 焊接了一個(gè)完整的對(duì)接接頭，以確定總體電力消耗。焊縫長(zhǎng)度為600 mm，為了獲得更好的可比性，將結(jié)果縮放到1 m。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的GMAW，采用了弦珠技術(shù)；對(duì)于TGMAW，采用了編織珠技術(shù)。采用單絲GMAW焊接方法進(jìn)行了GMAW 變體的根部焊道焊接。TGMAW 焊接的最后道次使用了較低的工藝功率來(lái)防止頂層的焊接缺陷。標(biāo)準(zhǔn)GMAW 和TGMAW 對(duì)接接頭的實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表3?？傆秒娏渴峭ㄟ^(guò)記錄的電流和電壓數(shù)據(jù)來(lái)確定的。兩種變體的耗電量都被調(diào)整到沉積填充材料的質(zhì)量相等。這樣做是為了排除火焰切割槽或焊縫加固引起的幾何偏差的影響。

表2 標(biāo)準(zhǔn)TGMAW 工藝的實(shí)驗(yàn)條件

表3 對(duì)接焊接實(shí)驗(yàn)條件

3 應(yīng)用效果

3.1 電沉積效率

圖2 顯示了EDE 測(cè)量結(jié)果。與標(biāo)準(zhǔn)GMAW 工藝相比，大功率GMAW 工藝獲得了明顯更高的數(shù)值。

圖2 EDE 測(cè)量結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)GMAW 工藝的EDE 平均值在541～571 g/kWh 之間。TGMAW 過(guò)程的平均值在701～783 g/kWh 之間。所測(cè)得的EDE 的標(biāo)準(zhǔn)偏差一般對(duì)所有變體都很低，但對(duì)TGMAW 工藝來(lái)說(shuō)較高。這兩種工藝都傾向于在更高的送絲速度下獲得更高的EDE 值。

3.2 焊接用電情況

一個(gè)30 mm 厚的BTW 耐磨板連接，以演示潛在的電力節(jié)約為真正的焊接。下頁(yè)圖3 顯示了標(biāo)準(zhǔn)GMAW 和GMAW 對(duì)接接頭的截面。性能數(shù)據(jù)列在下頁(yè)表4 中。

表4 1 m 焊縫對(duì)接焊縫結(jié)果

圖3 標(biāo)準(zhǔn)GMAW 和GMAW 對(duì)接接頭截面圖

電耗、焊接時(shí)間和填充材料的耗量按焊縫長(zhǎng)度1 m 的比例計(jì)算。整體能耗的應(yīng)用壁插效率為85%。兩道工序?qū)崪y(cè)的EDE 平均值與3.1 節(jié)的結(jié)果一致。由于更高的焊縫強(qiáng)化（見(jiàn)圖3-1）以及坡口準(zhǔn)備或點(diǎn)焊可能導(dǎo)致的幾何偏差，標(biāo)準(zhǔn)GMAW 工藝消耗了更多的填充材料。因此，電力消耗調(diào)整為填充材料的用量最小。這是通過(guò)使用各自的EDE 值和TGMAW 工藝的填充材料消耗量（4 200 g）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于存在缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，第3.1 節(jié)中介紹的高功率工藝的全部潛力無(wú)法在根道和最終道中實(shí)現(xiàn)。如表4 所示，通過(guò)應(yīng)用TGMAW 工藝，能效和工藝性能都得到了提高。電耗和焊接時(shí)間分別減少23%和55%。

4 結(jié)語(yǔ)

節(jié)能制造技術(shù)是減緩氣候變化和可持續(xù)制造的重要手段。GMAW 是最常用的連接技術(shù)之一，其特點(diǎn)是能耗和效率高，這將促使工業(yè)界設(shè)計(jì)出更節(jié)能的焊接程序，并允許詳細(xì)規(guī)劃零件制造的能源消耗。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)GMAW 的EDE 和GMAW 工藝進(jìn)行了兩個(gè)功率級(jí)的評(píng)價(jià)。一般來(lái)說(shuō)，TGMAW 工藝比標(biāo)準(zhǔn)GMAW 能達(dá)到更高的EDE 值，而這兩種工藝在更高的功率級(jí)別上都表現(xiàn)出更高的能量效率。此外，TGMAW 工藝可以達(dá)到更高的沉積速率，從而提高工藝性能。設(shè)備的壁插效率與物料輸送方式和工藝功率無(wú)關(guān)。此外，還對(duì)30 mm 厚BTW 耐磨板的對(duì)接接頭進(jìn)行了TGMAW 過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，減少了23%的能耗和焊接時(shí)間。