基于大功率串聯焊接提高刮板輸送機中部槽焊接性能

田志平

（沈陽煤業（集團）機械制造有限公司， 遼寧 沈陽 110123）

1 氣體保護焊（GMAW）功能介紹

可持續發展和減緩氣候變化都需要資源高效生產。一般來說，焊接是制造中最重要的連接技術，而氣體保護焊（GMAW）是最常用的連接工藝。特別是在鋼結構領域，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 的環境負荷中占主導地位。迄今為止，GMAW 的能源效率一直被業界所忽視。這主要是由于對經濟過程性能的關注，這在過去幾十年里得到了大力推進。通常，低成本的GMAW 是在噴弧操作模式下執行的。因此，本研究將噴射電弧轉移作為GMAW 的參考過程（標準GMAW）。生產率可以進一步提高由串聯GMAW（TGMAW）過程實現。TGMAW 主要采用脈沖噴涂過渡方式，其沉積速率和焊接速度顯著提高，這是經濟性能的主要指標。然而，工藝參數的選擇必須謹慎，以防止工藝的不穩定性。

對于GMAW，特別是大功率GMAW 的能量消耗，目前還沒有深入的研究。此外，文獻中并沒有明確定義一種可應用于工藝參數的能效指標。

本文旨在對GMAW 的能效進行評價。通過測量能量消耗和計算相應的關鍵性能指標電沉積效率來實現。兩種工藝正在研究中，一種是標準的GMAW工藝，一種是TGMAW 工藝。最后，連接一個30 mm厚的BTW 耐磨板，以確定一個真正的接頭的能耗。一方面，這將支持以能源為導向的工藝發展指標的工業。另一方面，闡述了如何同時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環境的影響。

2 應用方法

2.1 過程數據采集

能量消耗通過兩個位置的功率測量來評估。如圖1 所示，測量焊接電源前后的電流和電壓。

圖1 功率測量系統原理圖

電源測量計算的是總功率PS包括二次消耗，例如來自送絲機的消耗。PS用于計算設備的壁插效率，確定總體能耗。采用商用測量系統對電源與焊接電源之間的三相電流和電壓分別進行測量和記錄。PS根據式（1），由三個相的有效功率之和計算。PS1、PS2、PS3，均由測量系統直接提供。

過程功率PW量化在制造熔池和熔化金屬絲的過程中所需的能量。PW能夠調查工藝參數并提供有關工藝穩定性的信息。此外，可以排除設備（如冷水機、內部電路電源等）的干擾。用商用數據采集系統測量并記錄電流I 和電壓U。PW根據式（2）計算，作為瞬時功率的算術平均值。設備的壁塞效率η 按式（2）計算。

2.2 電沉積效

與之相比，電沉積效率（EDE）是GMAW 工藝能效的關鍵性能指標，他們只關注填充材料的熱量輸入。它評估每單位電力消耗的熔融填充材料的質量。用工藝參數送絲速率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 指標主要受絕對工藝功率和有效效率的影響，綜合了保護氣體、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的設定決定了工藝功率的大小。本研究評價了用于標準GMAW 和GMAW 工藝的EDE。TGMAW 工藝采用了不同的物料傳遞方式，并對工藝參數進行了調整，以提高能源效率。

2.3 傳導實驗

采用焊接機器人在平面位置進行自動焊接。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 的標準焊絲。數據是通過執行多道焊來測量的。假設焊絲的鋼密度為7.85 g/cm3。

在第一組實驗中，對EDE 進行了標準GMAW（Standard GMAW 1 和2）和TGMAW（TGMAW 1 和2）過程的兩個功率級別的評估。每個參數集執行2～7 次，以保證結果的質量。對20～30 s 的穩定工藝條件下的電流和電壓數據集進行了分析。工藝功率PW以及總功率PS根據式（1）和式（2）計算。

表1 為標準GMAW 工藝的實驗條件。根據選擇的送絲速度，利用焊接電源的協同特性來確定焊接參數。標準GMAW 的操作方式為噴涂電弧轉移。

表1 標準GMAW 工藝的實驗條件

在第二組實驗中，為標準GMAW 和TGMAW 焊接了一個完整的對接接頭，以確定總體電力消耗。焊縫長度為600 mm，為了獲得更好的可比性，將結果縮放到1 m。對于標準的GMAW，采用了弦珠技術；對于TGMAW，采用了編織珠技術。采用單絲GMAW焊接方法進行了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防止頂層的焊接缺陷。標準GMAW 和TGMAW 對接接頭的實驗條件見表3?？傆秒娏渴峭ㄟ^記錄的電流和電壓數據來確定的。兩種變體的耗電量都被調整到沉積填充材料的質量相等。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 標準TGMAW 工藝的實驗條件

表3 對接焊接實驗條件

3 應用效果

3.1 電沉積效率

圖2 顯示了EDE 測量結果。與標準GMAW 工藝相比，大功率GMAW 工藝獲得了明顯更高的數值。

圖2 EDE 測量結果

標準GMAW 工藝的EDE 平均值在541～571 g/kWh 之間。TGMAW 過程的平均值在701～783 g/kWh 之間。所測得的EDE 的標準偏差一般對所有變體都很低，但對TGMAW 工藝來說較高。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30 mm 厚的BTW 耐磨板連接，以演示潛在的電力節約為真正的焊接。下頁圖3 顯示了標準GMAW 和GMAW 對接接頭的截面。性能數據列在下頁表4 中。

表4 1 m 焊縫對接焊縫結果

圖3 標準GMAW 和GMAW 對接接頭截面圖

電耗、焊接時間和填充材料的耗量按焊縫長度1 m 的比例計算。整體能耗的應用壁插效率為85%。兩道工序實測的EDE 平均值與3.1 節的結果一致。由于更高的焊縫強化（見圖3-1）以及坡口準備或點焊可能導致的幾何偏差，標準GMAW 工藝消耗了更多的填充材料。因此，電力消耗調整為填充材料的用量最小。這是通過使用各自的EDE 值和TGMAW 工藝的填充材料消耗量（4 200 g）來實現的。由于存在缺陷的風險，第3.1 節中介紹的高功率工藝的全部潛力無法在根道和最終道中實現。如表4 所示，通過應用TGMAW 工藝，能效和工藝性能都得到了提高。電耗和焊接時間分別減少23%和55%。

4 結語

節能制造技術是減緩氣候變化和可持續制造的重要手段。GMAW 是最常用的連接技術之一，其特點是能耗和效率高，這將促使工業界設計出更節能的焊接程序，并允許詳細規劃零件制造的能源消耗。

對標準GMAW 的EDE 和GMAW 工藝進行了兩個功率級的評價。一般來說，TGMAW 工藝比標準GMAW 能達到更高的EDE 值，而這兩種工藝在更高的功率級別上都表現出更高的能量效率。此外，TGMAW 工藝可以達到更高的沉積速率，從而提高工藝性能。設備的壁插效率與物料輸送方式和工藝功率無關。此外，還對30 mm 厚BTW 耐磨板的對接接頭進行了TGMAW 過程的實驗研究，減少了23%的能耗和焊接時間。