基于绿色制造的焊接工艺资源环境属性研究.pdf

I主题：绿色翻造技术 1 丽 基于绿色制造的焊接工艺资源环境属·I生研究 张 华 鄢 威 江志刚② (①武汉科技大学绿色制造与节能减排科技研究中心，湖北武汉430081； ②武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉430081) 摘要：针对焊接工艺较为突出的高能耗、高污染特点，运用绿色制造基本思想，建立了焊接工艺IPO过程 模型。通过分析不同工艺及材料下焊接工艺的物料资源消耗特性、能量资源消耗特性和环境排放特 性。对工件母材、填充材料等资源环境属性数据消耗量的计算方法进行了探讨，并设计了一种基于资 源环境属性的焊接工艺清单分析表。研究成果可为焊接工艺能耗、物耗、污染物排放等数据的采集 处理及计算提供科学的方法，为建立具有资源环境属性的焊接工艺数据库提供参考依据；同时，基于 IPO过程模型的分析，也可为其他加工工艺资源环境属性分析提供一种思路和方法。 关键词：绿色制造焊接资源环境属性工艺清单分析 中图分类号：TGll5．6+2 文献标识码：A Study on resource and environmental attributes of welding technology based on green manufacturing ZHANG Hua①，YAN Wei①，JIANG Zhigang② (①Research Center of Green Manufacturing and Energy—saving&Emission Reduction Technology， Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 43008 1，CHN； (②College of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 43008 1，CHN) Abstract：In connection with high energy consumption and high pollution characteristics of the welding technology， an IPO process model is established with the ideas of green manufacturing．Through analysis the charac— teristics of material resource consumption，energy resource consumption and environmental emission with different processes and materials，a calculation method for the consumption of base metal，filler materi— al，and other resources and environmental attributes data are discussed，and a welding process inventory analysis table based on resources and the environment is designed．The research provided a scientific method for collecting and processing the energy consumption，pollutant emissions data of welding process，which would provide a reference for the establishment of resources and environment attributes database of welding process．Meanwhile，the method based on IPO process model may provide ideas for the resources and environmental attributes of other processing technology． Keywords：Green Manufacturing；Welding Process；Resource and Environmental Attributes；Inventory Analysis 绿色制造是解决制造企业日益严峻的资源和环境 问题的重要手段 J，它是制造业制造技术和制造模式 未来发展的重要方向，将成为未来工业界的重要挑战 和竞争领域 J。欧美、日本等发达国家均十分重视绿 色制造的研究与应用。在我国，政府对绿色制造的研 究日益关注，在“十一五”科技支撑计划“绿色制造关 键技术与装备”等项目的支持下，绿色制造总体技术、 国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA040101) · 60 - 专题技术方面的研究均取得了不少成果。 随着绿色制造理论体系专题技术研究的不断深 入，对绿色制造支撑技术的研究不断提出新的要求。 基础工艺数据库作为绿色制造支撑技术的重要组成部 分，其研究具有重要的现实意义，而加工工艺资源环境 属性分析则是其基础和依靠。 焊接作为常用加工工艺的一种，其加工过程产生 的污染种类多、危害大，对环境影响严重，高污染、高能 耗特性尤为明显 。进行焊接工艺资源消耗特性和 环境排放特性分析，探讨焊接工艺资源环境属性数据 计算处理方法，可为焊接工艺资源环境属性数据库的 建立奠定基础。 1焊接工艺资源消耗特性 焊接是利用电能加热，促使被焊接金属局部达到 液态或接近液态，而结合形成牢固的不可拆卸接头的 工艺方法 J，其工艺过程可用如图1所示的IPO模型 来描述，其中输入包括焊件、焊条、焊丝、焊剂、电能等 原材料，通过焊接工艺过程输出零件、废零件及电弧辐 射、烟尘、有害气体等各种形式的污染物。 焊件 焊条 输焊丝 入焊剂 保护气体 电能 焊机、焊钳 零件 废零件 电弧辐射 高频电场 烟尘 曹 有害气体 金属飞溅 射线 噪声 安全性 锤、钢丝刷等 图1焊接工艺IPO过程模型 焊接工艺过程的资源消耗可分为物料资源的消耗 和能量资源的消耗，其中物料资源主要包括工件母材、 焊接材料等，能量资源主要是电能 。 1．1焊接工艺物料资源消耗特性 1．1．1工件母材消耗特性 焊接工艺中工件母材的 物料流如图2所示，而其消输入_旦 输出 耗特性主要由工件母材利用 率 (Utilizati。n Rate)，损耗图2焊接工艺系统的工件母 率L(Losing Rate)和废弃物 材物料流图 量W(Waste)3个参数决定。 图2中， ，表示母材进入焊接工艺系统的输入质 量，R 表示母材经焊接工艺后的输出质量， 表示焊 接工艺过程产生的废弃原材料质量。因此工件母材利 用率 、损耗率 和废弃物量 分别为： U=R0／R， L=( ，一R0)／尺， W=R，一Ro 1．1．2焊接材料消耗特性 焊接材料是指在焊接过程中使用的各种填充金属 主题：绿色创造技术I Topics：Green Manufacturing Technology I。。 及为了提高焊接质量而附加的保护物料。焊接过程中 广泛使用的焊接材料主要包括填充材料(焊条、焊丝、 钎料等)和辅助焊接材料(焊剂、保护气体、钎剂等)， 如表1所示。 表1 不同焊接工艺条件下采用的焊接材料 焊接工艺 焊接材料 焊条电弧焊 电焊条(普通焊条、专业焊条) 焊丝(实心或药芯焊丝)+保护气体(活性气体、 气体保护焊 惰性气体、混合气体) 埋弧焊、电渣焊 焊丝+焊剂(熔炼焊剂、非熔炼焊剂) 钎焊 钎料，钎剂 因此，对焊接材料的消耗特性应结合不同的焊接 工艺，分别考虑填充材料及辅助焊接材料的消耗特性。 (1)填充材料消耗特性 焊接过程中使用的焊接材料品种繁多，难以穷举。 本文以碳钢焊条计算为例，对其焊接过程中填充材料 的消耗特性进行计算。 ①对接接头焊条用量的计算 对接接头由于坡口形式不同(如 、f／、 形等)，焊 条的用量也不相同，但各种焊缝的余高基本相近。焊 条用量 为 ：(A+B)Lp／RG 式中： 为焊条需用量，g；A为坡口横截面积，mm ；B 为余高横截面积，mlTl ； 为焊缝长度，mm；p为焊缝金 属的密度， cm ；R。为焊缝金属的回收率。 ②等边直角焊缝焊条用量的计算 等边直角焊缝的焊条用量为 W=12LpK／2RG100 式中： 为焊条需用量，kg；Z为焊角长度，mm；L为焊 缝长度，mm；p为焊缝金属的密度，一般P=7．85×10 kg／cm ；K为焊缝高度因素，K=(A+B)／A=1．2；RG 为焊缝金属的回收率。 (2)辅助焊接材料的消耗特性 辅助焊接材料(耗材)在焊接工艺过程中具有稳 弧、保证熔滴过渡、冶金处理及合金化等作用，对于改 善焊接工艺性能、减小飞溅、改善表面焊缝质量、提高 焊接效率具有重要意义，因而对保证焊接过程的稳定 和获得满足使用要求的焊缝金属起着决定性的作用。 在焊接过程中，常见的辅助焊接材料有：焊剂、保 护气体和钎剂。 ①焊剂 焊剂是具有一定粒度的颗粒状物质，有熔炼焊剂 和非熔炼焊剂之分，焊接时能够熔化形成熔渣和气体， · 61 · l主题：绿色翻造技术 -r 两 与焊丝相配合，是埋弧焊和电渣焊不可缺少的焊接辅 材，目前，我国焊丝和焊剂的产量占焊材总量的15％， 这部分的消耗计为m 。 ②保护气体 焊接用气体包括焊接、切割用气体和气体保护焊 时用的气体。焊接用气体的选择主要取决于焊接、切 割之方法，除此之外，还与被焊金属的性质、焊接接头 质量要求、焊件厚度和焊接位置有关。焊接用气体主 要包括C H 、0：、CO 、Ar、He和混合气体等，其消耗量 计为m 。根据在施焊过程所采用的焊接方法的不 同，焊接、切割或气体保护焊用的气体也不相同，焊接 方法与焊接用气体的选择列于表2。 表2焊接方法与焊接用气体的选用 焊接方法 焊接气体 气焊 C2H2+02 H2 气割 C2H2+02 煤气+02 天然气+02 液化石油气+02 等离子 空气 N2 Ar+N2 Ar+H2 弧切割 TIG焊 Ar He Ar+He MIG焊 Ar He Ar“4-He MAG焊 Ar+O2 Ar+CO， Ar+CO2+02 CO2焊 CO2 CO2+02 药芯焊丝 CO2 lAr+02 Ar+C0， ⑧钎剂 钎剂是钎焊过程中用的溶剂，与钎料配合使用，是 保证钎焊过程顺利进行和获得致密接头不可缺少的。 钎剂的作用是清除熔融钎料和母材表面的氧化物，保 护钎料及母材表面不被继续氧化，改善钎料对母材的 浸润性能，使其能顺利地实现钎焊过程。钎剂与钎料 的合理选择对钎焊接头的质量起着关键作用。钎剂通 常可分为软钎剂、硬钎剂、铝用钎剂、无铅钎剂等等，分 别适用于不同的场合。其消耗量计为m 。 综上所述，辅助焊接材料的消耗用公式可表示为 率，P =dE ／dt；dE ／dt表示 图3焊接工艺系统的瞬态 系统广义储能；P 表示系统 能量流图 损耗功率，P =dE ／d 。 当P =0时，焊机处于空载运行状态，此时系统输 · 62 · 入的功率即维持焊机空运行所需的功率，称为系统空 载功率，用P 表示。当焊接时(即焊机处于负荷状态， P ≠0)，其损耗功率相应增加了载荷损耗P ，即： PL=P +P 则有： 表3焊接工艺清单分析表 基本信息 工序号 焊接方法 母材 牌号 规格 焊接 焊条(焊丝)牌号 规格 材料 保护气 流量／(L／rain) f．乙 电焊机 型号 条件 电流种类 极性 ：[艺参数要求 电弧电压／V 焊接电流／A 资源消耗与环境排放 因子层I 因子层II 影响状况描述 焊芯 型号 填充材料消耗 药皮 类型 利用率／(％) 氮气／I 氧气／L 辅助材料消耗 氩气／L 与定额比较 燃气／L 焊~1]／g 能量利用牢K 能耗 Kl xK2 电焊机节能系数 烟尘 烟尘／(mg／m ) 氮氧物N0，N02／(mg／m ) 一氧化碳CO／(mg／m ) 有害气体 二氧化碳cO2／(mg／m ) 氟化氢HF／(mg／m ) 臭氧0 ／(mg／m ) 废渣／(kg／t) 每吨焊缝废渣 固体废弃物 飞溅量／(kg／t) 每吨焊缝飞溅 废水 废水／(m ／t) 噪声／dB(A) 其他污染 焊接弧光／(~M／cm ) 少 射线 少 职业健康与 操作安全 健康安全等级 安全危害 防护措施 是否合规 备注 脚 LU篙 ； I￡+弟l￡删 鲁 +Po+Pc Pi 当电焊机稳态运行时，则有 P =P +P。+尸。 2焊接工艺环境排放特性 焊接工艺的环境影响特性与焊接方法及焊接材料 有关，需要结合具体工艺过程进行分析，总的来讲焊接 工艺造成的环境影响主要有： (1)大气污染如电弧焊加工是利用气体导电而 将电能转换为热能，对环境有废气影响； (2)废液污染某些弧焊方法，如钨极氩弧焊，等 离子弧焊等，在焊接过程中需通冷却水，但对环境的影 响不大； (3)固体废弃物污染如电弧焊主要的固体废弃 物是飞溅和焊渣这两种废弃物，其回收处理困难，直接 对环境造成影响； (4)噪声、振动等生态污染 焊接过程中的噪声 主要源于电焊机、砂轮机和一些风动的手工工具等，其 危害主要表现在损害听觉和干扰日常生活，影响的范 围包括车间内部环境和车间周边环境。工业噪声的评 价通常采用A计数声级作为评价量。根据国家标准 GB87--85((工业企业噪声控制设计规范》规定，生产车 间的噪声不宜超过85 dB(A)，因技术经济条件所限制 难于达到此标准的可适当放宽，但不得超过90 dB (A)。另外，针对工业企业噪声对车间周边环境的危 害，国家标准GB12348--90{工业企业厂界噪声标准》 也作了相关的规定； (5)职业健康安全危害 焊接电弧中强烈的弧光 和紫外线对眼睛、皮肤都会造成伤害； (6)其他焊接过程易发生爆渣、漏渣、触电事故 和变压器烧坏等事故，应在加工中严格遵守相关规程。 3焊接工艺清单分析表 根据前文对焊接工艺资源消耗和环境排放特性的 主题：绿色制造技术I Topics=Green Manufacturing Technology I。。 分析，建立了焊接工艺清单分析表，如表3所示。 表3主要分为两个部分，第一部分记录焊接基本 工艺信息，包括焊接方法、工件母材、焊接材料、电焊机 型号等；第二部分则是记录焊接工艺资源消耗与环境 排放情况，这部分又分为因子层I和因子层II两个层 次。其中，因子层1分为填充材料消耗、辅助材料消 耗、能耗、烟尘、有害气体、固体废弃物等九类；因子层 II是对应因子层I的相应资源消耗和环境排放具体指 标 4 结语 通过建立焊接工艺IPO过程模型，对焊接工艺的 资源消耗特性和环境排放特性进行了分析，由于焊接 工艺在常用机械加工工艺中的典型性，这种基于IPO 过程模型的分析方法，可为其他加工工艺资源消耗和 环境排放特性的分析提供一种可行思路。 同时，建立的焊接工艺清单分析表可为焊接工艺 数据收集整理提供一种科学的方法，为具有资源环境 属性的焊接工艺数据库的建立提供数据基础和依靠。 参考文 献 [i]曹华军，刘飞，何彦，等．基于模型集的面向绿色制造工艺规划策略 研究[J]．计算机集成制造系统一CIMS，2002，8(12)：978-982． [2]刘飞，李聪波，曹华军，等．基于产品生命周期主线的绿色制造技术 内涵及技术体系框架[J]．机械工程学报，2009，45(12)：l15—120． [3]刘飞，曹华军，张华，等．绿色制造的理论与技术[M]．北京：科学出 版社，2005． [4]陈茂爱，王新洪，陈俊华，等．现代焊接技术[M]．北京：化学工业出 版社，2010． [5]张华，马达，肖明，等．基于组合评价方法的绿色性焊接工艺规划评 价研究[J]．机械设计与制造，2010(12)：258—260． (编辑余捷) (收稿日期：2012—10—29) ★2012绿色制造技术论坛论文 文章编号：121217 如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 ·书讯· 机械设计师职场必备林宋等编著 邮购价格：58．00元 本书针对机械设计师在实际工作中需要具备的基础知识和素质，主要介绍了机械设计中常用的工程制图、机械结构、公差配 合、材料选择、技术测量、制造工艺，并结合真实的案例图片和文字说明来介绍产品的设计与制造的全部流程。主要帮助青年机械 设计师和学习机械设计的学生了解设计与生产如何衔接，以及需要掌握哪些基本设计技法与技能才能成为一名合格的设计师。 齿轮加工速查手册张宝珠主编，2010年1月出版 邮购价：58．80元 本书是一本齿轮加工速查工具书。其主要内容包括：齿轮加工基础数据、圆柱齿轮计算、锥齿轮计算、圆柱齿轮加工、锥齿轮加 工、圆柱直齿渐开线花键、齿轮测量与检验。本书内容全面，实用性强；书中的技术数据主要以表格形式给出，并在附录中列出了全 书图表一览，便于读者查阅。 来款请寄：北京市朝阳区望京路4号，机床杂志社收，邮编：100102。 ·63·