綠色設計理念在環縫焊機設計中的應用

張宣升 張朝國 陳囡囡 李兵

(1.阜陽職業技術學院 安徽 阜陽 236031; 2.阜陽博創數控機械科技有限公司 安徽 阜陽 236000)

作為一種環?；O計模式，綠色設計的目標是促使環縫焊機在設計、包裝、運輸、應用、報廢處理等整個生命周期中，實現資源利用最大化，確保將環境污染程度降到最低，幫助企業獲得社會效益和經濟效益最大化。通過將綠色設計理念科學地應用到環縫焊機設計中，不僅可以有效提高環縫焊機綠色化制造水平[1]，實現對生態環境的保護，還為保證企業知名度和影響力提供重要的技術支持。所以，如何將綠色設計理念科學地應用到環縫焊機設計中是設計人員必須思考和解決的問題。

1 環縫焊機概述

在設計環縫焊機時，要確保焊槍追隨焊縫的有效性和實時性，要使用十字交叉方案，對焊縫追蹤機構進行設計，并將兩個滑臺模組進行有效連接，從而形成一定的交叉十字，確保所構建的交叉軸沿著X、Y兩個方向，確保焊槍可以安全、可靠地固定于交叉軸的平面位置處。另外，還要將伺服電機安裝和固定于滑臺模組中，并利用伺服電機的正反轉作用力，促使X軸滑臺模組沿著水平方向進行勻速運動[2]，Y軸滑臺模組沿著豎直方向進行上下運動。最后，還要將十字滑臺模組直接安裝和固定于回轉機構中，從而完成對環縫焊機主體的構建。環縫焊機總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 環縫焊機總體結構示意圖

通過運用視覺識別系統，精準地識別焊槍平面位置，并完成對相關坐標值的記錄，當焊接工作開展完畢后，利用伺服控制系統，向伺服電機安全、可靠地傳輸坐標信號，確保整個焊槍能夠正常地移動，以達到跟隨焊縫的目的[3]。在此基礎上，還要將焊縫識別機構與焊接機構進行有效連接，使其連接為統一整體，然后，將其直接安裝和固定于X軸一側。此外，在視覺識別技術的應用背景下，還要科學調整和控制兩個攝像頭位置，確保其同時對準焊縫，并調整和控制兩個攝像頭中心線，確保中心線形成一定的合適角度，從而提高視覺識別裝置形成最佳視野范圍，焊槍和保護氣噴嘴之間形成45°夾角，并保證保護氣噴嘴在焊槍的前面噴氣。根據上述要求，決定選擇上方安裝視覺識別機構攝像頭，下方安裝的焊槍和保護氣噴嘴的方案，安裝板上面有安裝孔和安裝滑道，這樣就能保證焊槍和攝像頭調節便利，待調整好位置之后再用螺栓緊固到X軸滑臺模組的相應位置。

2 環縫焊機的綠色化設計

2.1 樹立綠色設計觀念

在進行環縫焊機設計時，要確保該產品從原來機械化設計逐漸轉變為人性化造型設計，確保所設計的環縫焊機造型具有簡潔美觀特點，降低材料消耗量，不斷地提高產品的適用性和耐久性。為保證環縫焊機綠色設計質量，設計人員除了要提高自身的綠色設計意識外，還要綜合適用新學科、新技術，引導公眾和消費者共同參與到綠色設計理念推廣中。

2.2 選用符合RoHS要求的電子元件

國內焊機在實際生產中，均采用采購元器件組裝模式。為保證國內焊機生產向綠色化、環?；较虻牟粩喟l展，相關部門要重視對無鉛化元器件的使用。國內某公司的52個供應廠商無鉛化水平統計如表1所示，從表中數據可以看出，在內所生產的元器件中，僅僅只有27.1%的元器件滿足無鉛化生產相關標準和要求。為全面實現無鉛化生產[4]，設計人員要結合實際情況，優先選用無鉛元器件，并與RoHS 認證的供應商建立良好的合作關系。

表1 某公司的52個供應廠商無鉛化水平統計（單位：%）

現階段，發達國家所有元器件生產企業均生產和推廣無鉛化元器件，但是，國內廠家除了提出無鉛產品外，還提供傳統有鉛產品。

2.3 焊機的電磁兼容性設計

電磁兼容主要是指處于電磁環境下的設備能夠穩定、正常地運行，且不會對周圍器件產生電磁干擾現象。這就要求環縫焊機具有較高的抗電磁干擾能力，并要做好對環縫焊機自身電磁騷擾水平的抑制，確保其抑制到最低水平。一旦缺乏對環縫焊機電磁兼容設計，會降低該焊機本身的穩定性和可靠性，從而增加電網污染程度。為避免以上不良現象的出現，相關部門要重視對電磁兼容測試實驗室的建立[5]，并結合環縫焊機的電磁兼容實際情況，保證焊機本身綠色化設計質量。某企業所生產的環縫焊機內部安裝和使用無源電磁兼容濾波器，有效地提高焊機本身的可靠性和穩定性，同時，還改善焊機工作環境，使得焊機對電網的污染程度降到最低。圖2 是無源EMI 濾波器電路圖，通過測試發現，添加無源EMI 濾波器這一措施具有一定的可靠性和有效性，確保所設計的環縫焊機完全滿足國家所提出的電磁兼容相關標準和要求。

圖2 無源EMI濾波器電路

2.4 采用低污染的軟開關逆變技術

為保證環縫焊機綠色化設計質量，設計人員要重視對低污染的軟開關逆變技術應用，通過應用該技術，不僅可以提高資源利用率，避免出現資源浪費，還能實現對環境的有效保護，降低對環境污染程度，同時，還能幫助相關企業獲得較高的社會效益和經濟效益。與傳統硬開關逆變電路相比，諧振軟開關逆變器電路具有以下優點。

2.4.1 降低電磁干擾

通過設計和應用諧振軟開關電路，可以實現對開關器件的快速切換[6]，從而滿足零電壓、零電流使用需求，同時，還能有效降低諧振軟開關電路噪聲，避免出現電磁干擾現象，另外，還能避免對電網產生污染。

2.4.2 節約電能

對軟開關逆變焊機而言，當其處于高效率狀態運行時，其運行效率相對較高，可以實現對電能的有效節約，提高能源利用率，避免對環境造成不同程度的污染。

2.4.3 可靠性高

軟開關逆變器電路內部含有大量的開關元件，這些開關元件對開關應力承受度能力相對較低，還可以有效提高逆變器的穩定性和可靠性。這樣不僅可以有效延長開關器件的使用壽命，還能提高資源利用率。

2.4.4 降低元件使用量

在硬開關電路中，可以直接省略對吸收電路的使用，使得元件使用數量降到最低。2.4.5 避免金屬材料浪費。

由于開關表現出較小的損耗量[7]，再加上散熱器尺寸相對較小，所以可以降低焊機體積和質量，確保鋼、鋁型材等材料的使用量降到最低，從而提高資源利用率。

2.5 無鉛PCB板的設計

嚴格按照綠色環保相關標準和要求，選用合適的無鉛PCB板，可以延長焊機的使用壽命，同時，還能實現對環境的有效保護，避免對環境產生不同程度的污染。

2.5.1 基板選材

在無鉛工藝的實施下，設計人員要做好對基板的規范化選材。首先，在設計PCB板時，要結合PCB板特點，選用FR4 基板，如果PCB 板含有較多的層數[8]，要確保所選用的板材具有較高的玻璃化轉變溫度，各種板材的比較如表2所示。

表2 各種板材的比較

對于PCB 板而言，當其孔厚徑比遠遠超過10 mm時，在進行基板選材時，禁止選用FR-4板材，這是由于孔的厚徑過大，導致孔電鍍表現出較低的藥水貫穿能力，這無疑降低孔壁銅厚均勻性，造成孔中銅厚變得越來越薄。與有鉛工藝相比，無鉛焊接工藝在具體實施中，其溫度相對較高，這就增加孔銅拉斷失效風險。為解決以上問題，要適當地降低焊盤孔厚徑比，使其控制在8 mm以下。

2.5.2 元件布局

在進行元件布局時，要在保證各個元件本體相互獨立、互不影響的基礎上，適當地增加相鄰元件焊盤間距，確保其間距超過1 mm。另外，還要將元件直接貼裝在波峰焊表面處，元件焊盤最小間距如表3所示。

表3 元件焊盤最小間距

3 環縫焊機無鉛化設計

為確保綠色設計理念更好地應用于環縫焊機設計中，設計人員要嚴格按照如圖3 所示的環縫焊機無鉛化設計流程，促使環縫焊機向綠色化、無鉛化、環?；较虿粩喟l展。

圖3 環縫焊機無鉛化設計流程

3.1 無鉛焊接

在進行無鉛焊接時，要利用波峰焊的方法，選用WDS-350-E 無鉛波峰焊機。由于國內環縫焊機生產規模相對較小，大量廠家主要選用以下兩種焊接方法，一種是手工焊接法，另一種是浸焊接法。即使運用回流焊模式，也無法完全淘汰手工補焊方式的運用，所以，在進行無鉛焊接時，要將重點精力放在手工焊、浸焊上。無鉛手工焊主要包含以下幾個環節：首先，選用合格的烙鐵頭，然后對烙鐵頭進行全面清潔，并對其進行上錫處理；其次，科學調整和控制烙鐵頭與焊點之間的溫度，確保該溫度始終保持在45 ℃以下，焊接時間控制在5 s以內；再次，對焊錫絲進行熔化處理，并做好對焊盤與筒孔之間的覆蓋處理；最后，將烙鐵頭放置到遠離焊點的位置，并對焊錫進行熔化、凝固處理。

3.2 助焊劑選用

在選用助焊劑時，要優先選用免洗助焊劑，該助焊劑除了表現出發泡性能高特點外，還具有較高的助焊能力，且該助焊劑內部并不含有鹵素，因此，在進行焊接時，所產生的殘余物具有無腐蝕性特點。當其預熱溫度達到140 ℃左右時，助焊劑性能會處于最佳狀態，避免線路板出現明顯彎曲現象。該助焊劑適用于多種工藝，如浸焊工藝、手工焊工藝等。

4 環縫焊機綠色包裝

綠色包裝具有對生態環境、人類身體無公害，循環利用、再生利用率高等特點，因此，在選用綠色包裝材料時，要優先選用瓦楞紙板材料。對于環縫焊機而言，所選用的綠色包裝方式主要以混合包裝方式為主，該混合包裝方式將紙、木進行有效結合，完全滿足綠色包裝使用相關標準和要求。通過選用瓦楞紙板材料，制作環縫焊機綠色包裝，可以實現資源的最大化、循環化利用。為保證環縫焊機包裝綠色化水平，相關企業要從以下幾個方面入手：（1）在進行包裝箱表面處理時，確保所用的水性油墨印刷方式符合綠色包裝制作相關標準和要求；（2）優先選用中性包裝箱，這是由于該包裝箱體表面省去印刷環節，可以實現對包裝箱的循環化利用，為保證環縫焊機環保性，降低包裝成本打下堅實的基礎。某公司通過大量使用中性包裝箱，加大對無字包裝箱的推廣和普及。

5 環縫焊機的回收和無害化處理

當環縫焊機報廢后，所拆卸的零件含有銅、鋼材料可以被循環利用。我國于20 世紀初進入焊機電子化時代，大量的電子化焊機被逐漸淘汰和報廢，部分焊機所產生的廢棄物通常對生態環境造成不良影響[9-10]，因此，加強對焊機的無害化處理顯得尤為重要。對于環縫焊機而言，其生產廠并不具備垃圾處理能力，需要依靠專業廠家，對焊機進行科學回收和無害化處理。

6 結語

綜上所述，目前環縫焊機在設計、制造、包裝、報廢處理等各個環節中，均可能會對生態環境造成不同程度的污染，需要引起相關部門的高度重視。隨著國內綠色設計理念不斷實施，國際對環縫焊機產品的環保特性提出更高的檢測要求，一旦忽視對環縫焊機綠色化設計，將會對國內焊機出口貿易產生不良影響，從而嚴重制約電焊機行業的創新、穩定發展。為此，焊機相關制造商要重視對綠色設計理念的運用，確保環縫焊機產品在制造、工藝方面取得良好的環保性，從而增加綠色焊機的賣點，為提高企業的知名度和影響力，實現人類生態環境的保護創造了良好的條件。