基于綠色制造的焊接工藝資源環境屬性研究*

張 華 鄢 威 江志剛

（①武漢科技大學綠色制造與節能減排科技研究中心，湖北武漢430081;②武漢科技大學機械自動化學院，湖北武漢 430081）

綠色制造是解決制造企業日益嚴峻的資源和環境問題的重要手段［1］，它是制造業制造技術和制造模式未來發展的重要方向，將成為未來工業界的重要挑戰和競爭領域［2］。歐美、日本等發達國家均十分重視綠色制造的研究與應用。在我國，政府對綠色制造的研究日益關注，在“十一五”科技支撐計劃“綠色制造關鍵技術與裝備”等項目的支持下，綠色制造總體技術、專題技術方面的研究均取得了不少成果。

隨著綠色制造理論體系專題技術研究的不斷深入，對綠色制造支撐技術的研究不斷提出新的要求。基礎工藝數據庫作為綠色制造支撐技術的重要組成部分，其研究具有重要的現實意義，而加工工藝資源環境屬性分析則是其基礎和依靠。

焊接作為常用加工工藝的一種，其加工過程產生的污染種類多、危害大，對環境影響嚴重，高污染、高能耗特性尤為明顯［3］。進行焊接工藝資源消耗特性和環境排放特性分析，探討焊接工藝資源環境屬性數據計算處理方法，可為焊接工藝資源環境屬性數據庫的建立奠定基礎。

1 焊接工藝資源消耗特性

焊接是利用電能加熱，促使被焊接金屬局部達到液態或接近液態，而結合形成牢固的不可拆卸接頭的工藝方法［4］，其工藝過程可用如圖1所示的IPO模型來描述，其中輸入包括焊件、焊條、焊絲、焊劑、電能等原材料，通過焊接工藝過程輸出零件、廢零件及電弧輻射、煙塵、有害氣體等各種形式的污染物。

焊接工藝過程的資源消耗可分為物料資源的消耗和能量資源的消耗，其中物料資源主要包括工件母材、焊接材料等，能量資源主要是電能［5］。

1．1 焊接工藝物料資源消耗特性

1．1．1 工件母材消耗特性

焊接工藝中工件母材的物料流如圖2所示，而其消耗特性主要由工件母材利用率U（Utilization Rate），損耗率L（Losing Rate）和廢棄物量W（Waste）3個參數決定。

圖2中，RI表示母材進入焊接工藝系統的輸入質量，RO表示母材經焊接工藝后的輸出質量，W表示焊接工藝過程產生的廢棄原材料質量。因此工件母材利用率U、損耗率L和廢棄物量W分別為:

1．1．2 焊接材料消耗特性

焊接材料是指在焊接過程中使用的各種填充金屬及為了提高焊接質量而附加的保護物料。焊接過程中廣泛使用的焊接材料主要包括填充材料（焊條、焊絲、釬料等）和輔助焊接材料（焊劑、保護氣體、釬劑等），如表1所示。

表1 不同焊接工藝條件下采用的焊接材料

因此，對焊接材料的消耗特性應結合不同的焊接工藝，分別考慮填充材料及輔助焊接材料的消耗特性。

（1）填充材料消耗特性

焊接過程中使用的焊接材料品種繁多，難以窮舉。本文以碳鋼焊條計算為例，對其焊接過程中填充材料的消耗特性進行計算。

①對接接頭焊條用量的計算

對接接頭由于坡口形式不同（如V、U、X形等），焊條的用量也不相同，但各種焊縫的余高基本相近。焊條用量W為

式中:W為焊條需用量，g;A為坡口橫截面積，mm2;B為余高橫截面積，mm2;L為焊縫長度，mm;ρ為焊縫金屬的密度，g/cm3;RG為焊縫金屬的回收率。

②等邊直角焊縫焊條用量的計算

等邊直角焊縫的焊條用量為

式中:W為焊條需用量，kg;l為焊角長度，mm;L為焊縫長度，mm;ρ為焊縫金屬的密度，一般ρ=7.85×103kg/cm3;K為焊縫高度因素，K=（A+B）/A=1.2;RG為焊縫金屬的回收率。

（2）輔助焊接材料的消耗特性

輔助焊接材料（耗材）在焊接工藝過程中具有穩弧、保證熔滴過渡、冶金處理及合金化等作用，對于改善焊接工藝性能、減小飛濺、改善表面焊縫質量、提高焊接效率具有重要意義，因而對保證焊接過程的穩定和獲得滿足使用要求的焊縫金屬起著決定性的作用。

在焊接過程中，常見的輔助焊接材料有:焊劑、保護氣體和釬劑。

①焊劑

焊劑是具有一定粒度的顆粒狀物質，有熔煉焊劑和非熔煉焊劑之分，焊接時能夠熔化形成熔渣和氣體，與焊絲相配合，是埋弧焊和電渣焊不可缺少的焊接輔材，目前，我國焊絲和焊劑的產量占焊材總量的15%，這部分的消耗計為mflux。

②保護氣體

焊接用氣體包括焊接、切割用氣體和氣體保護焊時用的氣體。焊接用氣體的選擇主要取決于焊接、切割之方法，除此之外，還與被焊金屬的性質、焊接接頭質量要求、焊件厚度和焊接位置有關。焊接用氣體主要包括 C2H2、O2、CO2、Ar、He 和混合氣體等，其消耗量計為mgas。根據在施焊過程所采用的焊接方法的不同，焊接、切割或氣體保護焊用的氣體也不相同，焊接方法與焊接用氣體的選擇列于表2。

表2 焊接方法與焊接用氣體的選用

③釬劑

釬劑是釬焊過程中用的溶劑，與釬料配合使用，是保證釬焊過程順利進行和獲得致密接頭不可缺少的。釬劑的作用是清除熔融釬料和母材表面的氧化物，保護釬料及母材表面不被繼續氧化，改善釬料對母材的浸潤性能，使其能順利地實現釬焊過程。釬劑與釬料的合理選擇對釬焊接頭的質量起著關鍵作用。釬劑通常可分為軟釬劑、硬釬劑、鋁用釬劑、無鉛釬劑等等，分別適用于不同的場合。其消耗量計為msolder。

綜上所述，輔助焊接材料的消耗用公式可表示為

1．2 焊接工藝能源消耗特性

焊接工藝系統瞬態能量流如圖3所示。其中:Pi表示輸入焊接系統的總功率，Pi=dEi/dt;Pc表示焊接功率，Pc=dEc/dt;dEs/dt表示系統廣義儲能;PL表示系統損耗功率，PL=dEL/dt。

當Pc=0時，焊機處于空載運行狀態，此時系統輸入的功率即維持焊機空運行所需的功率，稱為系統空載功率，用Pu表示。當焊接時（即焊機處于負荷狀態，Pa≠0），其損耗功率相應增加了載荷損耗Pa，即:

則有:

表3 焊接工藝清單分析表

資源消耗與環境排放

當電焊機穩態運行時，則有

2 焊接工藝環境排放特性

焊接工藝的環境影響特性與焊接方法及焊接材料有關，需要結合具體工藝過程進行分析，總的來講焊接工藝造成的環境影響主要有:

（1）大氣污染 如電弧焊加工是利用氣體導電而將電能轉換為熱能，對環境有廢氣影響;

（2）廢液污染 某些弧焊方法，如鎢極氬弧焊，等離子弧焊等，在焊接過程中需通冷卻水，但對環境的影響不大;

（3）固體廢棄物污染 如電弧焊主要的固體廢棄物是飛濺和焊渣這兩種廢棄物，其回收處理困難，直接對環境造成影響;

（4）噪聲、振動等生態污染 焊接過程中的噪聲主要源于電焊機、砂輪機和一些風動的手工工具等，其危害主要表現在損害聽覺和干擾日常生活，影響的范圍包括車間內部環境和車間周邊環境。工業噪聲的評價通常采用A計數聲級作為評價量。根據國家標準GB87—85《工業企業噪聲控制設計規范》規定，生產車間的噪聲不宜超過85dB（A），因技術經濟條件所限制難于達到此標準的可適當放寬，但不得超過90dB（A）。另外，針對工業企業噪聲對車間周邊環境的危害，國家標準GB12348—90《工業企業廠界噪聲標準》也作了相關的規定;

（5）職業健康安全危害 焊接電弧中強烈的弧光和紫外線對眼睛、皮膚都會造成傷害;

（6）其他 焊接過程易發生爆渣、漏渣、觸電事故和變壓器燒壞等事故，應在加工中嚴格遵守相關規程。

3 焊接工藝清單分析表

根據前文對焊接工藝資源消耗和環境排放特性的分析，建立了焊接工藝清單分析表，如表3所示。

表3主要分為兩個部分，第一部分記錄焊接基本工藝信息，包括焊接方法、工件母材、焊接材料、電焊機型號等;第二部分則是記錄焊接工藝資源消耗與環境排放情況，這部分又分為因子層I和因子層II兩個層次。其中，因子層I分為填充材料消耗、輔助材料消耗、能耗、煙塵、有害氣體、固體廢棄物等九類;因子層II是對應因子層I的相應資源消耗和環境排放具體指標。

4 結語

通過建立焊接工藝IPO過程模型，對焊接工藝的資源消耗特性和環境排放特性進行了分析，由于焊接工藝在常用機械加工工藝中的典型性，這種基于IPO過程模型的分析方法，可為其他加工工藝資源消耗和環境排放特性的分析提供一種可行思路。

同時，建立的焊接工藝清單分析表可為焊接工藝數據收集整理提供一種科學的方法，為具有資源環境屬性的焊接工藝數據庫的建立提供數據基礎和依靠。

［1］曹華軍，劉飛，何彥，等．基于模型集的面向綠色制造工藝規劃策略研究［J］．計算機集成制造系統－CIMS，2002，8（12）:978－982．

［2］劉飛，李聰波，曹華軍，等．基于產品生命周期主線的綠色制造技術內涵及技術體系框架［J］．機械工程學報，2009，45（12）:115－120．

［3］劉飛，曹華軍，張華，等．綠色制造的理論與技術［M］．北京:科學出版社，2005．

［4］陳茂愛，王新洪，陳俊華，等．現代焊接技術［M］．北京:化學工業出版社，2010．

［5］張華，馬達，肖明，等．基于組合評價方法的綠色性焊接工藝規劃評價研究［J］．機械設計與制造，2010（12）:258－260．